植物生理学I　第１４回講義

地球と生命の進化

第１４回の講義では、地球環境のおいて、生命と地球が相互に影響を与えながら進化してきた様子を解説しました。講義に寄せられたレポートとそれに対するコメントを以下に示します。

Ｑ：酸素が地球上に生まれた起源に関連して、二酸化炭素が多く存在する火星において、光合成によって酸素を増やし、人が住むことは可能か、を考えた。　まず、火星はとても寒く、日影では大気中の二酸化炭素が凍ってドライアイスが出来る場所もあるということである。この二酸化炭素が成分であるドライアイスを気体として植物の光合成に利用できたら、大気はうまく循環するのではないかと考えた。ただ、この寒さに耐えられる植物が存在しないと光合成は行われないので、最初は寒い場所でも生息できる植物、つまりはコケ類などで光合成をさせ、酸素を生み出す必要がある。このコケ類は地球から持ち込み、増殖させる(いくつかの文献では、すでに火星にはコケ類は存在する。ともあったが存在しない、という説もあったのでここでは地球から持ち込むこととする)。　次に、日影に存在するドライアイスを日なたの太陽光で溶かし、気体の二酸化炭素として、コケ類の光合成に利用させる。これにより酸素量は少しは増加するかもしれない。しかしここで、問題がある。ひとつは、気温である。光合成が行われ、酸素量が増えたことで多少の気温上昇はあるかもしれないが、火星の平均気温を見ると地球ほど植物体にとって成長しやすい環境ではないといえる。コケ類が存在するだけでは、人間はもちろん、他の動植物も暮らすことは出来ないだろう。もうひとつは、これに関連して太陽光の量である。前述した通り、火星は地球とは違い、日影では気体が凍ってしまう天体である。つまりは、気温の上昇とともに、光合成に必要な太陽光の増加も必要なのである。これら気温、太陽光の問題は、火星と太陽の位置関係という、私たちの力では動かすことのできない物理条件のもとであるので、何か工夫することで改善できることではない。ただ、地球では、最近ビルの地下で人工的な光を当てて光合成をさせたり、温度を上昇させる機械を使用して植物を育てている例もある。火星の至る所にこのような装置を設置したり、火星の周りを温度が上昇し、光を当てる事の出来る巨大な装置があれば、火星に人が住む可能性もあると考えられる。

Ａ：なかなか面白い考察です。あと、定量的な考え方ができれば素晴らしいですね。火星大気における二酸化炭素の濃度がわかれば、それが光合成によって酸素に変換されたときに人間が呼吸できるような濃度になるかどうかがわかります。定性的にはうまくゆきそうでも、定量的に考えると全く無理、ということはよくあるので。

Ｑ：今回の授業で、私は深海に興味をもった。特に深海生物が餌とする、マリンスノーに関して気になった。海水の沈降粒子であるマリンスノーは、プランクトンの死骸や糞がある程度どの大きさに凝集して落ちてゆくもので、潜水艇から窓の外を見てあたかも雪が降るように見えることから名づけられた。マリンスノーとして深海に運ばれた有機物は、バクテリアによって分解され、再び海水中の二酸化炭素や栄養塩の形に戻る。そのために、海洋表層では、二酸化炭素分圧は現在の大気中二酸化炭素濃度と同じぐらいになっている。このマリンスノーのおかげで、海洋表層の二酸化炭素濃度は低くなり、それと同じになるように大気中二酸化炭素濃度が決まっている。もし、海洋にマリンスノーがなくなったら、つまり、プランクトンなど海洋生物がいなくなってしまったら、どうなるのか考えた。マリンスノーによる、二酸化炭素のバランスが関係が崩れ、大気中二酸化炭素濃度が上昇してしまい、地球全体に影響がでるのではないだろうか。海は地球の面積の大部分を占めている。プランクトンなど、あまり普段観察したりしても非常に小さく、あまり大切には感じないが、地球を維持するためには本当に大切なものなんだと感じた。

Ａ：このマリンスノーによって有機物と栄養塩がより深いところに運ばれるため、海洋の表面は強光・貧栄養になるのに対して、深層では弱光・富栄養になります。光合成生物の生育には光と栄養塩がどちらも必要ですから、このことは海洋生態系を考える上で非常に重要です。実際に、藻類の大繁殖は、深層の富栄養の水が光のあたる明るいところに上がってくる湧昇域においてよく見られます。

Ｑ：今回の授業では、地球と生命の歴史について学んだ。中でも熱水噴出口の周りでみられる生態系に関心をもったのでこのことについて書く。まず、疑問に思ったのはこのような環境に生存している生物は何をエネルギー源としているのかということだ。一つには熱水噴出口からの上昇流により海面付近に硫化水素のような有毒物質が届き、その結果として上方のプランクトンが死に、その死骸をエネルギー源としているとのことであった。また、熱噴出口から放出される熱水に含まれる水素などを電子供与体、二酸化炭素などを電子受容体とるメタン細菌のような化学合成細菌によるエネルギーの供給が考えられる。では、なぜ生物がこのような特殊な環境で生存し始めたのか。一つにはよりエネルギーの獲得競争が少ないからという理由が考えられる。やはりこの環境に適応できる生物は少ないと思われる。もう一つには、地上や海面付近での生活が何らかの原因により困難になったために熱水噴出口の付近で生活を始めたということも考えられる。確かに、特殊な環境ではあるが化学合成細菌によるエネルギーを効率的に利用できる機構を発達させれば生活は可能であると考える。地上や海面付近で大きな環境の変化が起きて生存が難しくなった場合にはこのような代替策も考えられると思う。

Ａ：生命の起源が熱水噴出口にあると言われる一方で、より浅い海の生物が熱水噴出孔の環境に適応した例もあるようです。両方の可能性がありそうですね。

Ｑ：27億年前に地磁気が形成されたことにより地球外からの荷電放射線が取り除かれ生命が陸に上がったということから、生命の進化において地磁気が重要な働きをしていることが分かった。地磁気の発生について詳しい原因は不明とされているが、最も有力な説はプレートテクトニクスにおける電子の移動によって発生したというものであるらしい(地磁気の部屋：http://www.ann.hi-ho.ne.jp/ryo-t/tiziki/tiziki.html)。プレートテクトニクスはマグマオーシャンと密接な繋がりがあるので、そうなると温室効果のある二酸化炭素が必要であるということになる。また、生命発生の場となる海の誕生には水蒸気が必要である。このことから、生命の発生と進化には大気中に二酸化炭素と水蒸気さえあればよいということになる。では、原始には同じような大気組成であったと考えられる近隣の金星と火星にはなぜ生命が誕生しなかったのか(もしかしたらいるかもしれないが)。それは、太陽からの位置が関係していると考えることができる。太陽に近い金星では熱により水蒸気が留まっておられず放出されたり、液相が地表まで降りてこないで海ができなかったのだと考えられる。太陽から遠い火星では熱が届かず海が凍ってしまったのだと考えられる。したがって、生命の誕生には二酸化炭素と水蒸気と太陽の位置(温度)が適切であることが条件である。これだけの条件ならば、宇宙にはこれを満たす星はたくさん存在するはずである。また、深海でもエネルギーさえ作り出せれば生きていけるので、火星の氷の下には生命がいる可能性があるということである。いつか、火星で生命が発見されるのが楽しみである。

Ａ：深海でもエネルギーを作り出せば生きていけるわけですが、火星は地殻のエネルギーが少ないようなので、難しいかもしれません。むしろ、惑星の衛星の中には、惑星の重力を受けて活発な火山活動を行なっているものがあります。そのような衛星に、むしろ生命が存在するかもしれない、という話はあります。

Ｑ：今回の授業では、「バクテリオクロロフィルは赤外線のセンサーだったのではないか」という話が非常に興味深かった。しかし本当に、深海の光合成細菌が持つバクテリオクロロフィルはもともとは赤外線のセンサーだったのだろうかと疑問に感じた。バクテリオクロロフィルがもともと持っていたのは、光合成のための光捕集機能であり、それに赤外線センサーとしての役割が付随した、とも考えられるのではないだろうか。つまり、深海に光合成細菌がいるのは、もともと深海で生息していたのではなく、太陽光が届く範囲に生息していたのが何らかの理由により深海へと沈降し(自発的にせよそうでないにせよ)、そのまま深海に適応した結果なのではないかと思われる。深海では、太陽光は届かないが、熱水噴出口からの熱により、赤外線が放出されている。しかし、その赤外線だけではたして、光合成をするに足るエネルギーを得ることができるのか。赤外線感知のためのバクテリオクロロフィルが光合成に転用される場合、太陽光が十分に届く環境であればそのような進化も考えられるが、そのような環境よりも赤外線のエネルギーが少ない深海のような環境で進化するのか、疑問に思われる。ひとつ考えたのは、深海ではエネルギーの供給源が限られているためではないか、ということである。熱水噴出口からの無機物のみではエネルギーが不足していたため、熱水噴出口との距離をはかるために利用していた赤外線を、光合成をすることでエネルギーとして利用するようになったのではないだろうか。

Ａ：深海では使えるエネルギーが少ないというのは確かでしょうね。不足分のエネルギーを光合成によって補ったという考え方は面白いと思います。