約23億年前の海洋酸素化の原因を新たな研究が解明

Tokyo約25億年前、地球の大気中に自由酸素が蓄積し始めました。これにより、我々の惑星で複雑な生命が発展する契機となり、「大酸化事変（GOE）」と呼ばれる重要な変化が生じました。

酸素の増加には少なくとも2億年かかり、単純なプロセスではありませんでした。海洋の酸素レベルを測定するのは困難でしたが、ユタ大学の地球化学者チャドリン・オストランダーによる最新の研究が、このテーマに関する新たな情報をもたらしています。

研究の重要なポイントは以下の通りです。

地球の大気中の酸素濃度の最初の増加は変動的でした。大気の変化に伴い、海洋中の酸素濃度も上下に揺れ動いていました。この研究では、安定したタリウム同位体比と酸化還元に敏感な元素を用いて分析が行われました。

研究チームは南アフリカのトランスヴァール・スーパーグループの海洋シェールを調査しました。これらのシェールは過去の海洋中の酸素レベルについての情報を与えてくれました。タリウム同位体比を調べることで、彼らは海洋酸素が変化した証拠を見つけました。

オストランダー氏は昨年からユタ大学で働いています。彼は、初期の生命を学ぶためには海洋の酸素レベルを理解することが重要であると指摘しました。「私たちは海洋の過去についてほとんど何も知りません」と彼は述べています。「初期の生命はおそらく海洋で始まり進化したのでしょう。」

オストランダーと共に研究を行ったサイモン・ポールトンとアンドレイ・ベッカーの調査によれば、酸素が大気の持続的な一部になったのは、大酸化事変（GOE）の開始から2億年後であったことがわかっています。GOE以前の古代の岩石中の硫黄同位体の証拠は、大気中に酸素が存在しなかったことを示しています。

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地球の歴史の多くの時期において、大気や海洋には酸素がほとんどありませんでした。海中のシアノバクテリアが酸素を生成しましたが、酸素は鉱物や火山ガスとの反応で速やかに消失しました。ポールトンとベッカーの研究チームは、硫黄同位体のパターンが消失して再び出現することを発見し、これが大気中の酸素レベルの増減を示唆していると解釈しました。

オストランダーは、地球が酸素の存在を受け入れる準備をするのに時間がかかったと説明しました。酸素は生成されている間に破壊もされていたと彼は述べています。科学者たちは、地球がもはや酸素のない状態に戻れなくなった時期をまだ研究しています。

研究者たちは、GOE（大酸化イベント）の期間中の海洋の酸素レベルを測定するために、タリウム同位体を使用しました。タリウムの同位体比は、酸素を必要とする海底の酸化マンガンの埋蔵に伴って変化します。彼らは、大気中の酸素を硫黄同位体で測定するのに使用される同じ海洋頁岩で、より軽いタリウム同位体（203Tl）が多く含まれていることを発見しました。

硫黄同位体が大気中に酸素が存在することを示したとき、頁岩中のタリウム同位体レベルが上昇しました。これらのタリウムの増加は、海水中に酸素が存在することと一致しました。そして、硫黄同位体が大気中に酸素が再びないことを示すと、タリウムのレベルは通常に戻りました。

酸化還元感受性元素の変化によってその発見が支持されました。硫黄同位体が大気中に酸素が存在することを示したとき、タリウム同位体も海洋中に酸素が存在することを示しました。逆に、硫黄同位体が大気中の酸素の欠如を示したとき、タリウム同位体も海洋中の酸素の欠如を示しました。

オストランダーによれば、大気と海洋は同時に酸素を増減させているとしています。これは、古代の地球を研究する人々にとって興味深い新しい情報です。