もし映画を早送りしたら、たくさんのアクションとたくさんの変化を見ることができるだろう。 私たちの惑星が何十億年もの間、驚くべき変化を遂げてきたことがわかるでしょう（図12.3）。 巨大な山々が形成され、破壊され、新しい山々に置き換えられてきた。 海は広がり、地球を移動してきた。 大陸は移動し、分裂し、衝突し、現在の位置に到達した。 地球上の生物も大きく変化した。 当初、地球は生命を維持することさえできませんでした。 大気には酸素がなく、地表は非常に高温でした。 しかし、何百万年という時間をかけて、徐々に植物や動物が育つようになりました。 その後、生物はさらに地球を変化させました。
図12.3: 宇宙から見た地球 40億年以上前にできたばかりの地球と、現在の地球はずいぶん違って見えます。
私たちはよく、恐竜が歩いていた頃の地球を想像して楽しんでいます（図12.4）。 あなたは恐竜について考えるとき、どんなイメージを思い浮かべますか？ では、恐竜が登場する前の地球を想像してみよう。 地球上に生物が存在する前の時代を想像してください。 今、どんなイメージが浮かんできますか？ 地球ができたとき、どのような姿をしていたと思いますか？ このレッスンでは、地球がどのように形成され、初期の頃はどのような様子だったのか、そして地球上で最初に生命がどのように発達したのかを理解するのに役立ちます。
図12．4：地球とその支配的な生命体は、地球の長い歴史を通じて変化してきた。
予備知識の評価
以下の質問は、他の章で扱われており、このレッスンを通して作業するのに役立つものです。
- 化学元素とは何か
- 植物や動物が生きるために必要な条件は何か
- 大気とは何か、それは何からできているのか
- 化学元素はどのようなものか
- 化学元素はどのようなものか
- 化学元素はどのようなものか
- 大気は何であるのか
- 風化や侵食は地球にどのような影響を与えるのか？
地球と太陽系の形成
現在他の星が形成されている地域を見ることによって、我々の太陽系の形成史を構築することができます。 星の形成は、巨大なガスや塵の雲が、自らの重力で崩壊したときに始まります。 雲は収縮するにつれて速く回転し始め、円盤状の構造に落ち着きます。 この円盤状の天体 (プロプリド) は、オリオン大星雲 (図12.13) で見られ、現在新しい星が形成されている場所でもあります。 塵のような円盤物質のほとんどは中心に向かって流出し、密度が徐々に高まって、巨大な中心圧力が核融合反応を引き起こし、星が誕生します。
しかしながら、比較的少数の円盤物質は氷をかぶった塵粒として残されていることがあります。 この粒の氷の外皮は互いにくっつき始め、やがてプラネテシマルという数メートルの大きさの岩石の塊に成長します。 この「プラネテシマル」が衝突して、直径数十キロメートルの「原始惑星」と呼ばれる大きな天体になる。
図12.6：惑星が形成されている原始惑星系円盤に囲まれた赤ちゃんの星の想像図
惑星の形成過程は厄介なものです。 すべての微惑星が惑星に付加されるわけではありません。 何百万もの微惑星が残骸として残り、現在では太陽系の小惑星や氷で覆われた彗星となっています。 太陽形成後の最初の1億年間は、残った微惑星と惑星との衝突が頻繁に起こった。 月や水星の表面には、惑星状微粒子による激しい爆撃の証拠が見られます（図12.7と図12.8）
図12.7：月の表面は、直径数メートルから数キロメートルの破片の衝突で傷がついています。 そのほとんどは惑星や月に付加されましたが、これらの天体の一部は流星、小惑星、彗星として今日も太陽系に残っています。
図12.8: 水星表面にも同様の衝突クレーターが見られる。 2844>
地球表面でも同じような衝突が起こったはずですが、侵食作用によって、最も新しい衝突以外はすべて消されています。 図12.9は、アリゾナ州のメテオ・クレーターです
図12.9: アリゾナ州のメテオクレーターは、約4万年前に直径50mほどの隕石が衝突してできたものです。 このような衝突は現在ではまれです。
太陽が形成されてから約1億年後、太陽系の惑星や衛星の重力によって、ほとんどの微惑星が一掃されました。 しかし、そのうちの何百万もの天体が、太陽系の主要な小惑星帯、トロヤ群小惑星帯、あるいは海王星や冥王星の外側にあるカイパーベルトに、重力的に安定した軌道で残っているのです。
Figure 12.10: このスケッチは、今日の太陽系における小惑星の最大の貯蔵庫の位置を示しています。
地球は太陽系で唯一生命維持が知られている天体です（図12.11）。 今日、地球には100万種以上の植物や動物が知られています。
図12.11：地球は約41億/22億年前に太陽系の他の惑星と同じ時期に形成されました。
地球の形成に一緒になった物質はいくつかの異なる化学元素から成っていました。 各元素は、体積あたりの質量として定義される密度が異なっています。 密度は、物体が占める空間の大きさと比較して、その物体がどれだけ重いかを表します。 地球の初期形成後、密度の高い元素は中心部に沈んでいった。 軽い元素は地表に上がってきました。 瓶の中で油と水を混ぜたことがある人は、このような現象を見たことがあるかもしれません。 水は油より密度が高い。
現在、地球は密度が異なる層で構成されています（図12.12）。 地球の中心はコアと呼ばれる。 コアは鉄やニッケルという非常に密度の高い金属元素でできている。 地球の最も外側の層は地殻である。 地殻は主にケイ素、酸素、アルミニウムなどの軽元素でできている。 地球のさまざまな層についての詳細は、プレートテクトニクスのレッスンで紹介します。
図12.12：地球は密度の異なるいくつかの層でできている。 地球の中心はコアで、これが最も密度が高い。 一番外側の層は地殻で、密度が最も低い。
地球の大気の形成
初期の地球は、現在の地球とは大きく異なっていた。 初期の地球は、小惑星や隕石の衝突が頻繁に起こり、火山の噴火もずっと頻繁に起こっていました。 最初の10億年間は、大気が生命に適していなかったので、地球上に生命は存在しなかった。 最初の大気は、水蒸気は多くても酸素がほとんどない状態でした。 その後、火山の頻繁な噴火により、数種類のガスが大気中に放出されるようになりました（図12.13）。 これらのガスは、地球にとって新しいタイプの大気を作り出した。 火山噴火によって、窒素、二酸化炭素、水素、水蒸気などのガスが大気中に放出されたが、無料の酸素はなかった。
図12.13: 初期の地球では、火山噴火がほとんど絶え間なく発生していました。 噴火によって水蒸気や二酸化炭素などのガスが大気中に放出され、地球の初期の大気が作られました。
その後、2つのプロセスによって、地球の大気は現在のような酸素が豊富なものに変化しました。 まず、太陽からの放射線によって、水蒸気の分子が分裂しました。 水の分子は、水素と酸素、つまりH2Oという元素でできていることを思い出してください。 太陽からの放射線は、水の分子を水素と酸素に分解しました。 水素は宇宙空間に逃げました。 酸素は大気中に蓄積された。 初期の地球の大気を変えた第二のプロセスは、光合成である（図12.14）。 約24億年前、初期の地球でシアノバクテリアという種類の生物が進化し、光合成を行うようになりました。 光合成は、二酸化炭素と太陽からのエネルギーを使って、糖と酸素を生産する。 シアノバクテリアは非常に単純な生物ですが、地球初期の大気を変化させるという重要な役割を担っていました。 シアノバクテリアは、光合成を行い、生育に必要な物質を作り出しました。
図12.14：光合成を行う細菌が初めて地球上に出現したのは約24億年前。 光合成は、太陽光、二酸化炭素、水を取り込んで、糖と酸素を作り出します。 光合成は、地球の初期の大気に酸素を供給し、二酸化炭素が豊富な大気から酸素が豊富な大気へと変化させるのに役立ちました。 まず、酸素はオゾン層を構成しています。 オゾン層は大気の上層部にあり、酸素分子の一種であるO3分子でできています。 オゾン層は、太陽からの有害な放射線を遮断し、地表に到達しないようにします。 オゾン層がないと、太陽からの強い放射が地表に到達し、生命はほとんど存在できない。 次に、大気中の酸素は、人間を含む動物が呼吸するために必要なものです。 初期の地球では、動物が呼吸することはできませんでした。 しかし、この時代の地球には、おそらく数種類の細菌が生息していたはずだ。 それらは嫌気性で、生きるために酸素を必要としなかった。
地球の歴史の最初の数十億年間は、非常に単純な細胞が地球に住んでいた。 より複雑な生物の最古の化石のいくつかは、約20億年前のものである。
生命と大気の変化のほかに、地球が最初に形成されて以来、他の変化も起こっている。 初期の火山噴火では、大量の水蒸気が大気中に放出されました。 水蒸気はゆっくりと凝縮され、降雨となって地表に戻った。 これが海洋の形成です。 さらに、風化や侵食によって地表が変化し、降雨や嵐などの現象が起こり、水は循環しはじめました。 地球の淡水」の章では、地球上の水の循環について詳しく説明しています。
大陸は現在とはまったく異なる場所にありました。 地球が最初に形成された後、地球の陸地が正確にどのように見えたかは、科学者にもわからない。 しかし、約18億年前に北米大陸とグリーンランドがローレンシアと呼ばれる一つの巨大な大陸を形成したことは分かっています。 また、約10億年前の南極大陸は、現在は地球の南極に位置していますが、赤道に近い位置にあった可能性があります。 今日、地球の大陸は地球上でゆっくりと移動し続けています。
レッスンのまとめ
- 地球は、太陽系の他の惑星とともに40億年以上前に形成されました。
- 酸素のない地球では、ごくわずかな生物しか生息できませんでした。
- 初期の地球には海がなく、頻繁に隕石や小惑星の衝突を受けていました。 また、火山の噴火も頻繁に起こっていた。
- 太陽放射が水分子を分割し、シアノバクテリアが光合成のプロセスを開始したため、大気は徐々に酸素を多く含むようになった。
- 地球上の最初の複雑な生物は、約20億年前に初めて発生した。
復習問題
- 地球の異なる層は、密度によってどう異なるかを説明しなさい。 地球を構成する物質が密度によって分離したのはいつ頃か。
- 酸素の豊富な大気が地球上の生命にとって重要である理由を2つ説明せよ。
- 科学者は、人間の活動や大気汚染のために地球のオゾン層が縮小していると考えています。
- 地球の初期の大気を変化させたシアノバクテリアの役割を説明してください。
- 現在の地球が最初にできたときと異なる点を3つ挙げてください。
語彙
大気 地球を取り囲み、私たちが呼吸する空気を含む気体の混合物。凝縮 水蒸気から液体の水へと冷却され変化。密度 単位面積あたりの質量。
考察のポイント
- 地球上の生命は、単純なバクテリアからより複雑な生物へとどのように発展したのか？
- 魚、爬虫類、哺乳類などの複雑な生物はいつ地球に現れたのか？
- 現在私たちが知っている地球の大きな特徴はいつ初めて形成されたのか？