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森羅万象と百家万説の系譜

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目次
0. はじめに

簡単な年表

1.　ビッグバン・・・真空の揺らぎ　[インフレーション]
2.　素粒子・・・E=mc2　[ゲージ理論]
3.　原子核の形成・・・ダークな質量とエネルギー [宇宙の大規模構造]
4. 恒星・・・宇宙の夜明け　[宇宙背景放射]
5．元素・・・錬金術とは原子核合成 [核エネルギー]
6.　ブラックホール・・・星の誕生と死 [事象の地平線]
7．重原子核・・・原子核だって進化する[半減期]
8．ダークマター・・・重力の支配者 [ニュートラリーノ]
9. おとめ座超銀河団・・・宇宙の大規模構造 [ボイド]
10. 銀河の形成・・・重力井戸に集められた恒星 [スターバースト]

11. 天の川銀河の誕生・・・天の川の源流 [球状星団]
12．天の川銀河の現在・・・小宇宙の構成 [連星]
13．太陽系・・・天空の秩序 [ヘリオスフェア]
14．太陽系の誕生・・・降着円盤 [重力]
15. 地球・・・太陽系の非ガス成分 [コンドリュール]
16. 月・・・ジャイアント・インパクト [潮汐作用]
17. クレーター・・・冥王代の重爆撃　[エアロゾル]
18. 核・・・地球内部の分離 [地磁気]
19. 海・・・地球表面の分離 [超臨界流体]
20．大気・・・地球表面の冷却 [水]

21．プレート・・・テクトニクス前の地殻 [対流]
22. 生命・・・偶然と必然 [階層性]
23. 生命を作る単位分子の生成・・・空と海と海底 [フロンティア軌道理論]
24. 生体高分子の誕生・・・熱水噴出口 [重合]
25. 炭酸同化作用・・・有機物の成長 [触媒]
26. エネルギー分子の利用・・・生化学エネルギーの通貨 [活性化エネルギー]
27. 遺伝の仕組み・・・RNAワールド [リボザイム]
28. 触媒反応の場・・・非平衡状態を維持する [連鎖反応]
29. 膜構造の誕生・・・内と外を分ける [化学浸透圧説]
30. 複合体の誕生・・・共通祖先の前 [LUCA]

31. 細胞の誕生・・・独立した生命 [分子化石]
32. リボソーム・・・核酸をタンパク質へ [ナノマシン]
33．二重らせん・・・遺伝情報の保存 [DNA]
34. 花崗岩・・・軽い大陸 [不動蓋型テクトニクス]
35．プレートテクトニクス・・・大陸を作り出す原動力 [クラトン]
36．ウイルス・・・進化の立役者 [逆転写酵素]
37．ゲノム・・・遺伝子に刻まれた時間 [分子時計]
38. 光合成・・・酸素と有機物の供給 [ストロマトライト]
39. 縞状鉄鉱層・・・二酸化炭素の減少 [酸化]
40．細菌・・・進化のカオス [多様化]

41. 超大陸・・・生物の進化の原動力 [ウィルソン・サイクル]
42．全球凍結・・・暗い太陽のパラドクス [相転移]
43．真核細胞・・・分業と専門化 [共生説]
44. 生殖・・・男と女は必然か [性]
45．イントロン・・・分断されたゲノム（レトロトランスポゾン）
46. 感覚・・・外界を知る [レセプター]
47. 不整合・・・失われた記録 [先カンブリア紀]
48. 多細胞生物・・・集合から組織へ [クシクラゲ]
49. コラーゲン・・・細胞を包む [分化]
50. エディアカラ紀・・・平和な海 [藍藻マット]

51 カンブリア紀・・・進化の大爆発 [目]
52. オルドビス紀・・・豊饒の海 [殻]
53. シルル紀・・・陸への進出 [土壌]
54. 山脈・・・大陸が集まるとき [バリスカン造山運動]
55. デボン紀・・・魚の時代　[骨]
56. 石炭紀・・・埋没した炭素　[メタモルフォーゼ]
57. ペルム紀・・・脊椎動物の陸上への進出 [両生類]
58. ゲノムの進化・・・大進化の基礎 [遺伝子重複]
59．三畳紀・・・ 最大の大陸 [パンゲア]
60.ジュラ紀・・・古生物のヒーロー [恐竜]

61．パンゲア大陸の分裂・・・中生代の気候 [テチス海]
62. 白亜紀・・・恒温動物 [ホメオスタシス]
63. 巨大隕石・・・天変地異は回避できるか [リスク]
64. 胎盤・・・新しい生殖戦略 [レトロトランスポゾン]
65. 新生代・・・学ぶ動物　[ミラーニューロン]
66. 果実・・・共存共栄 [種子]
67．社会性昆虫・・・環境を変える生物 [生態系エンジニア]
68. PETM・・・大陸が海の流れを変える [南極海流]
69. 草原・・・寒冷化と短いライフサイクル [C4植物]

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簡単な年表

宇宙の誕生　　137.98±0.37億年前

宇宙の初期進化（ビッグバン後）


地球の歴史

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0. はじめに


このメルマガを始めたのは2003年でした。当時から考えると、インターネットは多くの情報をため込み、それを利用して、うまく世の中の知識をまとめるためのAIまで誕生しました。

当初は自分の考えていることを整理して体系化することを目標としていましたが、今や、大量の情報と意見とがあふれた世の中を生きるための自分なりの羅針盤となっています。満遍なく書くために、私が認識しているすべての時間軸に沿って歴史を語り（森羅万象の系譜）、その歴史からポイントを選んで、様々な考え方をまとめる（百家万説の系譜）方法をとりました。表現は日常語にとどめることを心がけました。とはいうものの、正確に知識を伝えるためには専門用語は欠かすことができません。うれしいことにインターネットの検索機能のおかげで、多少、専門的な用語を用いてもすぐに簡単な解説を得ることができます。それでも高度な思想を日常の書き言葉で表現しようという努力は続けています。

当時、流行していたメルマガを執筆の道具とし、また、全体像は自分でHTMLを組んでホームページを作成することで作業してきましたが、もはや時代遅れになっています。とはいうものの、毎週、一区切りずつ、宇宙の誕生から始まって、地球の歴史、生命体の歴史、人類の歴史、それらを現代の視点を交えて現代まで、さらに遠い未来まで、解説する形式は続けるためにとても良い方法です。いままでは、森羅万象の系譜に力点を置いてきましたが、これからは、むしろ、科学的な認識、人生論的な理解について書きたいと思います。現在、理解している内容で、未消化でも次に進み、未来編まで行ってからは、ビッグバンから改訂版を書く。こうして積み上げていけば、全体として自分の哲学や基礎になる知識をもれなく点検できることになる。

私たちは皆、未整理な知識を大量に持っていて、常々、体系的なものにしたいと思っています。学校時代には教科書が知識の体系であったでしょう。社会人になると、職場や家庭、地域社会での活動などの生活の中で得る知識、仕事に関する専門的な知識、読書や趣味など個人的な知識はそれぞれが断片的です。知識の断片が意外な関連を持ってつながったとき、また、概念的な類似性などに気づいたとき、自分の知識体系がすこし拡大するのです。こんな作業は結構面白いと思っていました。上位認識とか転用可能スキルと呼ばれるものです。

何版か重ねるうちに、私がメルマガを利用して行っている趣味は、大げさに言うと、科学が積み上げた知識を活用しながら、新しい「神話＝世界創造」の世界を生み出すことと思うようになりました。かつての宗教の教義・哲学のように、新しい「神話」はできるだけ日常と重なり合う必要があり、生活や社会全体を豊かにする道具となるでしょう。

残念なことに、人類の知識では歴史の空白が何か所かあります。その部分は自分でもっともらしいと思える仮説で埋めました。理系の素養をしっかり固めたという自信を裏付けに、いくつかある仮説の中から、しっくりくるものを選択しています。宇宙の歴史を無理のない仮説で連続的に説明したいという希望の表明です。本小巻は一般的な理論を深く掘り下げるわけではないし、従来と異なるユニークな見解を紹介するわけでもありません。巻末の文献で紹介した素晴らしい方々の努力の成果を一冊にまとめたものにすぎません。

あくまで自分のための作業なので、自分の知っている範囲の事柄を、自分の認識の深さに応じてブロックパズルを組み立てるような、そんなイメージです。大江健三郎さんの言葉を引用します。「不正確に覚えることは、覚えないことよりずっと悪い、というのは父が私に言ったことでした。そして私はしっかりと本から覚えたことを、それも面白く、毎日の会話の中に取り入れることのできる人を尊敬していました。」（「新しい人」の方へ）

+++　人間原理という自己中的な科学理論がある　+++

人間原理は、「宇宙を特徴付ける様々な物理基本量、法則、定数がなぜこの値なのかを説明するには、そうでなければ私たち人類が存在できないからこうなっている、というしかない」という主旨の原理です。言い出したのは宇宙論の大御所ワインバーグです。

物理定数をちょっと変えて計算すると銀河も星も生まれず、従ってこの宇宙には人類も生まれなかったという結論にたどり着く。人類がいないなら、この宇宙について問うものもいないはずだ。とすれば宇宙は、人間（生命）が生まれるように調整されたものではないのか？

これは、神が人間のために宇宙を創造したという解釈に似ています。科学者としては禁断の主張です。ところが、最近では宗教論議とともに「宇宙は知的に設計された」といった主張もかなり盛んなようです。進化論を認めない運動と同根でしょうか。

最新の理論には、マルチバース宇宙論があります。時空には空間のエネルギー場が存在し、それは量子的に揺らいでいる。そのエネルギー場で宇宙の種がエネルギー値の低い所に落ち込んで、インフレーションが起き、ビッグバンが新たな宇宙を生み出す。ビッグバンを引き起こすエネルギーは空間のエネルギー場から供給される。新しく生じた宇宙の物理パラメータは宇宙に固有で、ランダムに選択されるが、ほとんどの宇宙では秩序だった構造は生まれない。そしてたまたま誕生した秩序だった宇宙が、今、我々が生きている宇宙です。

宇宙の外側にあるエネルギー場はいたるところで新たなインフレーションとビッグバンを引き起こすので、泡のように見えることでしょう。泡はぶつかることもあえます。そのときは我々の宇宙に円形の放射として観測されるかもしれません。

1.　ビッグバン・・・真空の揺らぎ　[インフレーション]


今から138億年ほど前、真空の揺らぎから宇宙が誕生した。

ビッグバン仮説では宇宙の最初に特異点がある。特異点での宇宙の大きさはプランクサイズ（10-44秒、10-33 cm）である。プランクサイズではハイゼンベルグの不確定性原理により、エネルギー保存則やアインシュタインの相対性理論が破れる。この大きさでは真空で物質が生じたり消滅したりする（仮想粒子）。

宇宙は誕生直後、10-34 秒後までにインフレーションにより急膨張し、過冷却状態になった。宇宙が前の状態から現在の状態に相転移したときに開放されたエネルギーで宇宙は高温で高密度な状態になった。エネルギーの実体はわからないので、インフラトンと名付け、宇宙が存在した空間をインフラトン場と呼び、宇宙がインフラトン場のエネルギー状態の高い点から低い点に落ちたため、インフラトンがインフレーションのエネルギーに転換され、宇宙に満ちたと仮定した。

一方、インフレーションはアインシュタイン方程式でも説明できる。重力に斥力はなく、引力しかない。しかし、直径が1x10-27 mの極小の空間に詰まったエネルギーが均一である場合、反重力が発生できる。反重力は極小の空間を爆発的に引き延ばしてほとんど一瞬ともいえる短い時間の間に現在の観測可能な宇宙の大きさにすることが推測される。

インフレーションが起こったことで初期宇宙は自己の重力によるブラックホール化を免れた。インフレーションによって急激に膨張した宇宙は、初期の小さな揺らぎをそのまま拡大した。現在、その揺らぎは背景放射のわずかな不均一性と、銀河の分布に偏りがあることに現れている。小さな揺らぎは重力によって拡大され、宇宙の大規模構造を形成した。宇宙背景放射を観測するための人工衛星Planckは2009年に打ち上げられ、その結果が、2013年に公開された。宇宙の組成は、バリオンが4.9%、ダークマターが26.8%、ダークエネルギーが68.3%であった。そして、ハッブル定数は67.15±1.2km/s/Mpcとなり、宇宙年齢は137.98±0.37億年であった。

+++　ビッグバン宇宙は観測と理論から導かれた仮説である　+++

ビッグバンと呼ばれる宇宙の始まりは、虚無の空間の中に突然、強い光とともに爆発が生じたようなイメージです。しかし、初めにあった虚無の空間は人間のうかがい知ることができないため、虚無にしろ、ほかの言葉にしろ、表現することは不適当です。空間も３次元空間なのか、それとも、３次元は生まれた宇宙空間の特長なのでしょうか。また、時間もこのときに生まれたとする説もあります。

膨張するビッグバン宇宙はアインシュタイン方程式の解の一つとして予想され、ハッブルが観測によって膨張していることを証明しました。宇宙の星雲の大部分が地球から遠ざかっていて、遠い星雲ほどスピードが速い。そのスピードから計算すると、100億年ほど前には地球と同じ位置にきます。つまり、星雲のスピードが今と変わらないとすると、100億年前の宇宙は非常に小さい。多くの物質を小さな体積に圧縮すると温度が上がります。また、空間を小さくすると電磁波の波長が縮んで、温度が上がります。当時の温度を、現在の物質の量と密度から推測できます。こうして生まれたのがビッグバン仮説です。より詳細な観測と計算により、宇宙の年齢は138億年と見積もられています。

膨張スピードは星雲までの距離に比例するので、遠い星雲は光速で遠ざかると予想され、その星雲は観察できません。星雲の速度が光速に達する距離を宇宙の地平線と言います。地平線の外側の空間は存在していても、見ることはできません。

宇宙を外から眺めること自体が不可能で、意味がありませんが、人間は宇宙を外側から眺めるというイメージを簡単に作り出してしまいます。宇宙の膨張は爆発して高温の炎が飛び散るのではなく、宇宙の空間がいたるところ、大きくなるというイメージがより正確のようです。素粒子の大きさは変わりません。

+++　場の量子理論　+++

粒子を波としてあらわすとき、波が伝わる場を想定しなければならない。その場を量子力学の要請に従って記述したものが場の量子論です。量子論は粒子のエネルギー値が飛び飛びになるという性質を定常波として説明します。粒子は波動でなければならず、しかも、両端が固定された定常波でなければなりません。固定された両端がなくとも閉じた輪になっていれば定常波ができます。場の量子論は空間が粒子の単位エネルギーの波で埋め尽くされていると考える理論です。空間は空っぽでなく、粒子の波動の素で埋め尽くされ、粒子はその波動が一定のエネルギー以上の値を得た場合に観察される現象です。

素粒子が空間の各点に埋め尽くされていることから、素粒子は生まれたり消えたりしていると考える。すると、加速器の実験で、電子と陽電子を衝突させると、クォークと反クォークが誕生するなどの現象もうまく説明できます。電子とクォークは全く別種類の素粒子です。電子はどこに消え、クォークはどこから現れたのか。電子のエネルギーはクォークに転嫁されたと考える。場が重なっているために、手品みたいな変換が可能になります。

ところで、現在、サイクロトロンなどを使って発見されている素粒子は数十もあります。これらの素粒子すべてに量子場があるとしたら、現在物理学はとてつもなく複雑な量子場を計算しないと物理現象が正確に記述できないことになります。せめて、基本粒子にできないか。ビッグバン直後では数十あった素粒子は現在では５つにまとめられます。光子、ニュートリノ、電子、クォーク（uとd）、グルーオン。これでも十分複雑ですが。なお、クォークとグルーオンは陽子と中性子に閉じ込められ、粒子として出てくることはありません。

波動として波を作るにはある方向に広がりがなければなりません。量子論では計算式でパラメータとして波動が計算されますが、その実態は時空間にあるとおかしなことになります。何しろ基本粒子だけで５つあり、それぞれが量子場を持って我々の宇宙と重なっていなければならない。ということはそれぞれが別の次元で振動していると解釈する。え？

ビッグバンの時は超対称性理論で言うように数十もの素粒子が誕生し、それぞれ別次元を振動する量子場を持っていたのですが、宇宙が膨張してエネルギー密度が下がるたびに素粒子を支えるエネルギーが足りなくなり、その次元が消滅して今の宇宙になりました。今の宇宙は４次元時空間＋最低５つの量子場の次元。てことは今の宇宙は最低９次元なのです。

おっと忘れ物。ダークマターも質量をもった素粒子とすれば、場の量子論で説明されます。ダークエネルギーはあまり粒子のイメージはないから、こちらは置いておきましょう。合計10次元ですね。これでいいのか。ただ、自分的には何となく納得です。

+++　宇宙のゆらぎ　+++

銀河を作ったのがダークマターのゆらぎとすれば、そのゆらぎはどこから来たのでしょう。今のところ、もっともらしいのはインフレーション中のゆらぎです。量子サイズの物質なり、空間なり、エネルギーは平均値の周りで揺らいでいます。量子力学でいう不確定性原理です。インフレーションではインフレーション場が想定されており、その場のゆらぎが膨張の度合いのゆらぎを生み出し、それが空間の曲率がゆらぎ、ダークマターの密度のゆらぎになったと考えられています。

ところで、インフレーションはどんなイメージでしょう。まず、膨張のスピードが光より速い。10E-36秒で10E23倍になるということはビー玉くらいの宇宙が一瞬後に銀河サイズになるというイメージです。銀河サイズは10万光年ですから、光の速さをはるかに超えていることがわかります。

急激な膨張の時には時空がゆらぎ、重力波が作られます。これをテンソルゆらぎと呼びます。この重力波を捉えることがインフレーションの直接の証拠になります。

不確定性原理では位置と運動量の積が1よりも大きいというルールです。要するにゼロ（特異点）を排除する考え方です。エネルギーの幅と時間の幅も同じ関係式になりますので、非常に短い時間であれば巨大なエネルギー密度が許されることになります。これがビッグバンのエネルギーの由来と仮定されているようですが、ちょっと都合がよすぎるように思います。

2.　素粒子・・・E=mc2　[ゲージ理論]


粒子の誕生とともに力（相互作用）も誕生したと考えられている。統一場の中から最初に出現したのは重力である。宇宙誕生の10-38 秒後と推定されている。ほかの相互作用が光子やグルーオンなどの素粒子の交換で伝達されることから、重力を伝達する仮想の粒子はグラビトンと呼ばれている。すべての素粒子に引力（万有引力）として、遮られることなく無限遠まで働くため、マクロの世界を支配している。地球、太陽、銀河系などの天体の運行をつかさどり、巨大な宇宙の構造を作り出している。

重力の誕生後、宇宙のインフレーションが起こり、宇宙誕生後10-34 秒後に完了した。直後の10-33 秒後にクォークを結びつけるグルーオン（強い相互作用）と電弱相互作用(弱い相互作用と電磁気力）と呼ばれる２つの力が出現したと推定されている。超高温状態だった最初期の宇宙ではクォークとレプトン（6種類あるうち、電子とニュートリノが安定）、グルーオンが自由に飛び交う状態であった。クォークとグルーオンのプラズマは気体や液体のような挙動を示した。当時はピンの頭ほどの滴がエジプトのピラミッドと同程度の質量を持つくらい密度が高く、温度も太陽の中心核の100万倍に達した。

宇宙誕生の10-13 秒後には宇宙の冷却とともに真空の相転移が起こった。電弱相互作用が弱い相互作用と電磁気力に分かれた。弱い相互作用は伝達距離が極めて短いために、日常の世界で、その影響を見ることはない。ほぼ同時に、10-13 秒後には真空はヒッグス粒子に満たされ（ヒッグス粒子の海、ヒッグス場）、ヒッグス粒子と相互作用する素粒子（光子以外）に質量が生まれた。クォークやレプトンはヒッグス場と反応し、運動するときに、ヒッグス場によるブレーキを受けることになり、速度が光速以下となった。また、粒子の運動を加速したり方向を変えたりするときには何らかの外力が働く必要がある。

静止質量エネルギーは宇宙が膨張しても小さくなることはない。一方で、光の波長は宇宙が膨張するにしたがって長くなり、すなわち光の持つエネルギーは小さくなった。したがって、物質のエネルギー密度は、宇宙の膨張で体積が大きくなった分だけ下がるものの、光のエネルギー密度に比べればゆっくりと下がる。その結果、宇宙が膨張するほど、物質のエネルギー密度は、光のそれに比べて大きくなっていく。陽子や中性子が誕生したころ（宇宙誕生後１マイクロ秒）、物質のエネルギー密度は光に比べてわずかに数十億分の一であった。

光が満ちた状態、つまり光子気体と呼ばれるものは高い圧力を持っていて、ある領域で密度が高くなれば、それに応じて増大した圧力による反発で、元の密度に戻ろうとする。そのため、光のエネルギー密度のほうが高いうちは重力がいくら頑張っても密度揺らぎは成長できない。

誕生の10-6 秒後、クォークがグルーオンにより結合し、陽子や中性子（クォーク3個からなる）、中間子（クォーク2個からなる）が生まれた。陽子と中性子は中間子を媒介として原子核を形成した。強い相互作用をつかさどる素粒子であるグルーオンは陽子、中性子、原子核に閉じ込められ、これ以後、日常の世界で見ることはない。さらに温度が下がって、ビッグバンの10-4 秒後、宇宙には陽子と中性子、それらの結合した原子核、電子、光子、ニュートリノが基本粒子として残された。宇宙は基本粒子のほかに、ダークマターで満たされていた。できた核子の数は光子10億個に対して1個の割合であった。

宇宙誕生1 分後には陽子と中性子が結合した重水素原子核が安定化して、その後、核融合が進み、軽い原子核が合成された。初期の宇宙では陽子が1個の水素（創生された中性子の数によっては重水素）と、陽子が2 個のヘリウム原子核が大部分を占めている。

+++　日本神話と現代宇宙創生論の共通性　+++

宇宙創生のときに物質と同時に相互作用が出現し、基本粒子や相互作用が、宇宙の温度が下がると消える（見えなくなる）くだりは、古事記の書き出しを思い起こさせます。

天地初めて発れし時に、高天原に成りし神の名は、天之御中主神、次に高御産巣日神、次に神産巣日神、此の三柱の神は、並に独神と成り坐して、身を隠しき。

次に、国稚く浮ける脂の如くして、くらげなすただよへる時に、葦牙の如く萌え騰れる物に因りて成りし神の名は、宇摩志阿斯訶備比古遅神、次に天之常立神。此の二柱の神も亦、並に独神と成り坐して、身を隠しき。上の件の五柱の神は、別天津神ぞ。

初めの３柱の神はクォーク、弱い相互作用、強い相互作用になぞらえるでしょう。誕生と共に姿を消す神は日本神話の独創と思います。日本人は、なぜ、このような神を思いついたのでしょうか。

相互作用のかたちは、場の量子論（ゲージ場理論）にもとづいています。強い力は量子色力学（QCD）、電磁力と弱い力はワインバーグ・サラム理論で記述され、この２つの理論を合わせて「標準模型」とされています。

標準模型では物質を作る素粒子（レプトン、クオーク）とゲージ粒子（グルーオン）の2種類の素粒子を考えています。基本粒子が相互作用するときにゲージ粒子を交換します。

電磁気力を交換するのは光子とされていますが、日常の電磁気現象で電場や磁場を考えると、そこにどうも頭に入りません。超高温における素粒子物理学の世界の話でしょうか。

温度が下がると、素粒子は結合して日常的な粒子を形作ります。我々の見ている、もしくは利用している粒子である原子は少なくとも地球上で支配的な存在です。素粒子は太古の神話の世界の住人です。

+++　対称性の破れ　+++

2008年にノーベル賞を受賞した日本人3名による対称性の破れの解釈についてマスコミで宣伝していたのは粒子・反粒子の数の揺らぎの問題で、1：1で生じたはずの粒子と反粒子がビッグバン直後に対消滅したが、粒子がわずかに多く（対称性の破れ）、現在の宇宙では粒子が支配的である、という説です。しかし、南部先生の理論はそんなことではなく、もっと深遠な思想でした。

自然界に存在する様々な対称性は安定性を求めて自発的に対称性を崩すことがあるという理論です。宇宙の始まりが極めて整然としたものだった。高い対称性があったに違いない。対称性のある状態がエネルギー的に高い状態にあることがある。この状態は不安定なので、自発的に対称性が崩れる。すると、場の量子論から南部ゴールドストーン粒子が発生する。南部ゴールドストーン粒子は質量ゼロの粒子に縦波として加わって、質量を与える。つまり、質量の起源に関する理論です。

陽子の中には3つのクォークがあるが、その質量は３つ合わせて陽子の質量の２％でしかない。残りの質量はクォークのカイラル対称性の破れから生じる。カイラル対称性は鏡像対称である。ビッグバン直後ではすべての粒子は光速で飛び回っていたのでカイラル対称性（スピンの向き）は保たれていた。しかし、宇宙が相転移して粒子と反粒子のペアが凝縮し、空間を埋め尽くした。自由に飛び回っていた粒子は粒子と反粒子のペアとぶつかってスピードを失った。すると、見る方向によって（光の速度は変化しない）スピンの向きが変わる（カイラル対称性の破れ）ことになり、南部ゴールドストーン粒子が発生。粒子に取り込まれて粒子に質量を与えた。ヒッグス粒子はその一例だそうです。

いずれにしろ、宇宙の始まりでは高温高圧で、すべての素粒子が光速で飛び回っていた。この状態は対称性がとても高い状態で様々な対称性が備わっていたのです。が、宇宙が膨張し、温度が下がるにつれて対称性が失われて、質量が生じ、粒子が誕生したと考える。具体的な計算式はわかりませんし、南部ゴールドストーン粒子が発見されたわけではありません。このように解釈すると、粒子の質量について説明できるし、クォークを陽子や中性子に閉じ込めている強い力についても説明できる。

+++　素粒子の運動・生成･消滅は数学で記述される　+++

相互作用のかたちは、場の量子論（ゲージ場理論）にもとづいています。強い力は量子色力学（QCD）、電磁力と弱い力はワインバーグ・サラム理論で記述され、この２つの理論を合わせて「標準模型」とされています。相対性理論による重力場の説明はへこんだ平面としてイメージされます。質量により空間が変形し、その空間を運動する質量(物体)の速度や方向が凹みに応じて影響を受けます。同じように、電磁気学で考察する電場、磁場も同じように空間が変形して、荷電粒子に力を及ぼすとイメージできます。ゲージ粒子を交換することで力を及ぼすのが、日常の電磁気現象などを考えると、どうも頭に入りません。とりあえずは高温における素粒子物理学と捉えています。

3.　原子核の形成・・・ダークな質量とエネルギー [宇宙の大規模構造]


中性子と陽子、電子は光子と結合して液体状態になり、小さな密度の揺らぎが波（バリオン音響振動、baryon acoustic oscillations）となって宇宙を満たした。最初は１：１だった陽子と中性子であったが、中性子は不安定で陽子と電子に分解する。この分解はビッグバン後3分で急激に衰えたがその理由は原子核形成が始まったためである。このとき、陽子の数は中性子の数の7倍になった。

ビッグバン後3分、水素、ヘリウムの原子核が形成された。水素の原子核は陽子1個と中性子を０、１、２個含む３種類がある。また、ヘリウムの原子核は陽子２個と中性子１、２個を含む2種類である。その割合は水素が75%、ヘリウムが25%である。宇宙は原子核と自由電子に満たされ、プラズマ状態であった。ビッグバン後1000秒の間にさらにリチウム、ベリリウム原子核がごくわずか誕生した。

光子のエネルギー密度は宇宙の膨張と共に急激に低下し、通常物質とダークマターの静止質量エネルギー密度に対してついに逆転するのが宇宙誕生後５万年である。宇宙のエネルギー密度の担い手が光から物質に変われば宇宙膨張の仕方も変わる。膨張速度が徐々に減速していくことには変わりはないが、物質のエネルギー密度の低下は光に比べて緩やかなので減速の度合いも小さくなる。同時に、物質と光のエネルギー密度の逆転により、星や銀河の形成の原動力である宇宙の密度揺らぎの増幅が始まる。物質の密度分布はバリオン音響振動によって波の重ね合わせとして生成されたものである。

インフレーションで生まれた密度揺らぎを初期条件として出発すると、小さいスケールの揺らぎのほうが先に成長する。そのため、小さなハローから先にできて、さらにそれが合体を繰り返してより大きなハローに成長していく。こうしてやがて銀河スケールのハローが登場し、さらには銀河団や宇宙の大規模構造につながっていく。そして暗黒物質ハローの中で星々が誕生する。それは銀河の誕生でもある。

銀河は1000万光年程度のスケールで集団を作っている。銀河群や銀河団（群より大きい）はさらに超銀河団を形成している。太陽系の属する天の川銀河は局部銀河群に属する。天の川銀河はおとめ座超銀河団に属する。超銀河団は数億光年の大きさを持つ。宇宙には逆に銀河の存在しない大きな空間がある。銀河の分布を調べると、泡状構造となり、銀河は泡（銀河が存在しない空間。ボイド）の周囲に集まっていることが判明した。

宇宙の大規模構造ができるには、目に見える恒星の物質だけでは重力が足りない。理論に基づいて計算すると構造形成に138億年では足りない。目に見える物質の数倍の質量の暗黒物質（ダークマター）を仮定し、星間ガスや恒星がそこに引き寄せられて星や銀河が形成されたという仮説が生まれた。暗黒物質は重力レンズ効果を利用して間接的に質量や分布を測定する。宇宙における暗黒物質の大規模分布を示すマップをみると、暗黒物質の網目状構造が時間の経過（地球に近づくにつれ）とともに成長し、巨大なボイドで隔てられているようすがみられる。暗黒物質の網目構造に沿って銀河が集中し、暗黒物質の中で銀河が育ってきたという銀河形成論を観測的に検証できた。

インフレーション以後、宇宙空間の膨張は少しずつ減速したと考えられる。最近、遠方の超新星ほど、宇宙の膨脹率が一定であると考えたときの速度よりも大きな速度で遠ざかっているように観測された。すなわち、宇宙空間の膨張は加速している。そこで、新たにダークエネルギーの概念を導入して説明しようとしている。138億光年より先では、空間は光速を超える速度で膨張するので、宇宙の地平線と呼ばれる。膨張のスピードから計算される現在の宇宙は半径 470億光年。空間の一番外側は光速の３倍以上で遠ざかっている勘定である。

ダークエネルギーはアインシュタイン方程式の宇宙定数であると解釈する説がある。その場合、定数なので宇宙が膨張しても宇宙の任意の部分のダークエネルギーの密度は常に一定だ。すなわち、宇宙の空間に常に一定のダークエネルギーが存在すると、宇宙が膨張する限りダークエネルギーは総量が増えていく。これは通常のエネルギーの概念でダークエネルギーをとらえているために起こる奇妙さである。

+++　世界の最初と最後　+++

宇宙の過去と未来を考えると、永遠に流転を繰り返すと考えるか、初めがあり終わりがあると考えるか、初めがあって永遠に流転を繰り返すか、人間の論理では限られたバターンしか考えられません。インド哲学や仏教の世界観は永遠に流転を繰り返すパターンですが、仏教の一派には終わりを想定する考え方もあります。キリスト教などの一神教では初めと終わりを設定する世界観です。神がこの世界を作り出し、最後に神の審判があります。

人間の脳は無限を想定することができるため、世界に始まりと終わりを与えると、どうしても未知の部分を設定せざるをえません。未知の部分を担当するのが唯一絶対神なのか、人間の限界と考えるのかで、考えが宗教的か、科学的かに分かれるでしょう。

現代科学は神を論理的に証明できないために、人間の限界の方を採用しています。科学では時間には始まりを設け（ビッグバン）、終わりについては仮説のままです。空間も宇宙の地平線を想定し、観測不可能な領域を予想しています。そこに「宇宙の果て」があります。

+++　電磁場　+++

電場と磁場が合成されたものを電磁場と呼びます。銅線内を電子が振動すると電磁場が銅線の周りに発生します。電磁場は振動しながら空間を伝わります。これを電波と呼びます。真空中なら光速度で伝わります。電波は波長の長い電磁波です。波長が短くなると、別の名前で呼ばれます。分子がエネルギーを得て振動、回転する場合もその状態の変化により電磁波を発生します。マイクロ波や、遠赤外線、赤外線と呼びます。分子や原子の電子がエネルギーを得て、放出するときに電磁波、すなわち、光が発生します。高速の電子が重金属にぶつかって急に減速するときにX線が、原子核のエネルギー変動によりガンマ線が発生します。この2つの電磁波の波長は同じくらいですが、X線は人工的に発生した電磁波を、ガンマ線は原子核から発生したものを言います。

電磁波が物体にぶつかると、そのエネルギー（波長）により、物体が変化します。電波は物体に自由電子があるとき（金属であるとき）、自由電子を振動させ、電流を発生します。アンテナの原理です。自由電子がないと、熱エネルギーになります。赤外線やマイクロ波の場合、分子の振動や、分子を構成する原子の振動を引き起こし、熱になります。光は分子や原子に含まれる電子のエネルギー凖位を高くします。その結果、化学反応が起こることがあります。X線、ガンマ線の場合は電子を弾き飛ばして、化学反応を起こします。X線、ガンマ線のエネルギーが強い場合ははじき出された電子が高いエネルギーを持つために、広範囲で化学反応を起こします。

電磁波は光子とも表現されます。光子は粒のイメージが強く、波のイメージと相容れない面があります。しかし、光子は物質ではありません。エネルギー量子が発見されたとき、それは光のエネルギー、波長として表現されました。そのため、光も粒子のごとく、光子として表現されたためです。

携帯で話ができるのは電磁誘導の仕組みを利用するからです。私が今書いた文章もコンピュータから電波に乗ってルータに入り、インターネット上のマグマグ・サーバーに格納されます。

4. 恒星・・・宇宙の夜明け　[宇宙背景放射]


宇宙誕生から約 38万年後に温度が約4000K（Kは絶対温度）に冷えると、電磁気力により原子核の周りに電子が捕らえられ、原子が形成された。これを宇宙の中性化と呼ぶ。すると、自由電子に吸収されたり放出されたりして直進できなかった光が妨げられずに進むことができるようになり、宇宙は透明になった（晴れ上がり）。当時の宇宙の大きさは現在の1000分の１と見積もられる。水素原子から放出された波長21cmの電波が宇宙を満たした。現在では2.7Kの宇宙背景放射として観察される。

放出された電磁波は宇宙に充満した水素分子に吸収され、また、光を吸収した水素分子は光を放出して平衡状態になった。恒星が誕生すると、恒星が放出する光によって平衡が崩れる。崩れをマイクロ波の吸収強度として検出できると考えられる。観測の結果、宇宙誕生後1.8~2.5億年の間に水素分子が形成され、そのあとに恒星が誕生したことがわかった。

ビッグバンから3億年後に太陽質量の1%程度の小さな原始星が形成された。原始星は周りのガスを集めて成長し、太陽質量の20倍くらいになると、激しく輝き始めた。光の圧力で成長が抑制され、太陽質量の40倍程度で成長が止まった。別のシミュレーションでは太陽質量の100倍に達する巨大な恒星を予想する。最初の恒星は第一世代と呼ばれる。第一世代の星はほぼ水素から成り、太陽のような重元素を含む星に比べて巨大で温度が高く、よりたくさんの光子が放射される。

宇宙空間に残された水素原子は星からの紫外線によって電離した。ビッグバンから約5億年後のこの過程を宇宙の再イオン化と呼ぶ。再電離が半分まで進んだのは宇宙背景放射の分布からビッグバンから7億年後と推測される。このころには初期の恒星形成や、銀河、ブラックホール形成が終わっていたと考えられる。現在、観測できた最古（最遠方）の銀河は宇宙が誕生してから約3億年（135億光年先）のクエーサーである。やがて、銀河が形成されるにつれ、宇宙空間から水素原子が少なくなった。120億光年より遠いクエーサーの光のスペクトル分析により、水素原子が宇宙空間から検出されなくなるのはビッグバンから10億年後と見積もられた。宇宙の夜明けと呼ばれる。

例えば、GN-z11銀河は今から134億年前に発した光がようやく地球に届いているが宇宙は膨張している。膨張分を差し引くと光が発したころはGN-z11銀河までの距離は約30億光年だった。地球はまだ存在していない。光が来る間に宇宙は膨張し、134億年かけて地球に届いた。現在、GN-z11銀河と地球の距離は約314億光年に伸びている。

100億年以上の過去になると相互作用銀河やスターバースト銀河などの特異銀河が目立って増える。

+++　測定は系に影響する　+++

温度は粒子の運動エネルギーです。電子と原子核が分離するような温度は測定できません。なぜなら、物質である温度計が使えないからです。高エネルギー粒子は運動エネルギーを温度に換算します。素粒子で使われる運動エネルギーの単位はeV（エレクトロンボルト）で、１Vの電位差によって電子が得る運動エネルギーです。大雑把に温度に換算すると、１eVは1000 K （絶対温度）に相当します。変換定数はボルツマン定数です。そして、粒子の運動エネルギー（エネルギー準位とも言う）が変化するとき発生する電磁波の色から運動エネルギー、すなわち、粒子の温度を推定します。光は電子のエネルギー順位が変化する時に発生し、物体は数百度から数千度の範囲で可視光線を出し、原子の運動エネルギーに依存した色の光が発生します。

温度が低く、物質の温度が原子や分子の運動エネルギーで測定できる場合、物質は可視光を発生しませんので、閉鎖した物体の物理量に換算して温度を測定します。たとえば、赤く着色したアルコールの体積などがよく使われます。温度が高いとアルコールの体積は増え（アルコールの分子運動が高まるためと説明されます）、温度が低いとアルコールの体積が減ります。細い均一な太さの管に入ったアルコールはその長さで体積を、すなわち温度を測定できます。温度計の原理です。また、半導体が持つ温度によって電気伝導度が変化する性質を利用しても温度を測定でき、最近ではこちらのほうがデジタル技術と相性がよいので普及しています。

温度を測定するには、その物体に温度計を差し込まなければなりません。差し込む温度計の温度より温度が高い物体の場合、温度計を入れることで温度が少し下がります。逆に、温度が低い場合は温度が少し上がります。厳密に正確な温度を測定する場合は温度を測る行為そのものが対象の温度を変える可能性を正確に評価する必要があります。もしくは、測定による対象の変化がごく小さく、例えば99%以上（この量も測定するという行為の目的による）は正確であるという予想の元で測定行為は計画され、解釈しなければなりません。

素粒子を観測する場合も例えば光子をぶつけてその反射で観察します。このとき、光子との相互作用により、素粒子の運動が変化します。ぶつかった瞬間の状態はわかりますが、その後の運動はわかりません。つまり、測定が系に影響したと言えます。

測定する行為が対象に影響するのは、温度や物理学の測定に限りません。世論調査をするときはアンケートを行います。例えば、全校生徒を対象としたアンケートなどでは、質問内容とその順番により、回答者の考えが変わるかもしれないことを想定する必要があります。アンケートを計画するときはこれらの点について注意する必要があるし、測定結果（アンケート結果）を解釈するときも同様です。

+++　不確定性原理　+++

電子のエネルギーは飛び飛びの値しかとらない。この測定結果を説明するために波動関数が導入されました。電子は原子核の周りを惑星のようにまわっているというのが高校生レベルの知識。ところが大学では電子の運動は波動関数によってあらわすことができると学びます。その考え方には驚きました。すなわち、波動関数は波なので、定常波ができたときだけが安定するという。固定された両端を持つ波は節の数が整数倍になるときに安定します。これが電子の取りうるエネルギー値で、ℏνがその単位です。ℏはプランク定数、νは固有振動数です。シュレーディンガーの波動方程式は量子力学（大学時代、私は量子化学を受講しました）の基本の式ですが、電子の存在確率を示す式として導入されました。

シュレーディンガーの波動方程式は確かに電子の原子核の周りの存在確率を与え、エネルギー準位による電子の波動の形を示します。しかし、電子の粒子性については説明できなかったので、ハイゼンベルクの行列方程式のほうがより正確な解を与えると説明していました。私は行列方程式の方は学びませんでした。

エネルギー準位の単位は電子の位置と運動量の変化率の積にも表れ（ハイゼンベルクの不確定性原理）、電子の位置が固定すると運動量が無限に大きくなるという現象を引き起こします。電子の位置を測定しようとすると運動量に影響を与えるという、説明しか覚えていなかったのですが、例えば、原子核の周りをまわっている電子が原子核に落ち込むと、位置が狭い範囲に固定されるので、電子の運動量が増えて飛び去ってしまう。電子が原子核に落ち込めないことを保証する原理であるという。

原理というのがアプリオリに降ってくるので、量子力学なども近似の学問のように感じましたが、もちろん、その難解な数学は理解できません。ただ、このようにイメージが伴う形で説明してもらえると少し親近感がわきます。

電子は粒子であり、かつ、波動であるという量子力学の解釈は場の量子論によって説明されます。

5．元素・・・錬金術とは原子核合成 [核エネルギー]


恒星の一生は進化と呼ばれる。宇宙で最初に誕生した第一世代の恒星群は、宇宙が現代に比べて小さく、材料となる水素やヘリウムの濃度が高かったので、質量も桁違いに大きい。重力によって水素ガスが凝集し、中心部が1000万度を超えると、核融合反応がスタートした。

初期宇宙の水素の原子核は陽子単独が6に対して、中性子を含む重水素が1の割合であったと考えられる。重水素は２つの水素原子核（陽子）からも作られる。２つの陽子が衝突すると、一つが陽電子とニュートリノを放出して中性子に変わる（ベータプラス崩壊）。陽電子は周囲にある電子と対消滅して熱エネルギーに変わる。こうして陽子と中性子からなる重水素原子核ができる。重水素原子核に水素原子核である陽子が結合するとヘリウム３原子核（陽子２個と中性子１個）ができる。ヘリウム３原子核同士が核反応してヘリウム４原子核（陽子２個と中性子２個）と、２個の水素原子核（陽子１個）ができる。

ヘリウム原子核は最初の核融合反応の燃えかすとして恒星の中心にたまり、その外で水素原子核は核融合反応を続けた。やがて、水素原子核が少なくなり、核融合反応が弱くなると、温度が下がった。温度が下がると中心核が重力で収縮し、温度と圧力が上昇する。そしてヘリウムの核融合反応が始まる。ヘリウム原子核３個が炭素原子核（陽子数６個）１個に変わる。さらに、炭素原子核とヘリウム原子核から酸素原子核（陽子数８個）ができる。続いて、炭素が核融合反応を起こす。

炭素原子核２個からネオン（陽子数10個）、ナトリウム（陽子11個）、マグネシウム（陽子数12個）等の原子核ができる。さらに核融合反応が進むとケイ素（陽子数14個）、鉄（陽子数26個）などの原子核ができた。

恒星の内部で主要な核融合反応が終わり、熱の発生がなくなると恒星の芯は収縮する。収縮すると温度が上がり、次の核融合反応が始まる。段階的に恒星の内部は高温・高圧になる。あとになってできる原子核ほど重いので中心にたまり、年老いた恒星の内部は、鉄を中心に何層かの層状になった。

原子番号が大きくなると、原子核どうしのクーロン斥力（同じ電荷を持つ粒子が互いに反発する力。原子核は陽子のプラス電荷を持っている）が大きくなるため、核融合反応が起こりにくくなる。核融合反応で生成し得る元素は原子番号26である鉄が限界である。すなわち、第一世代の恒星の内部では鉄の原子核までが作られた。

宇宙誕生後、数億年で第一世代の恒星群は超新星爆発を起こし、ブラックホールになった。超新星爆発のエネルギーは核融合反応で作り出した比較的軽い原子核を宇宙空間に放出した。また、爆発の熱と圧力で鉄より重い原子核を作りだした。

第一世代の恒星が超新星爆発して重い原子核がばらまかれるとガスの温度は低下した。比較的低温になったガス雲は小さくちぎれてそれぞれが恒星になった。その後は第一世代の恒星のような巨大な恒星やブラックホールは形成されなくなった。ブラックホールは比較的大きな恒星が超新星爆発する時に重力崩壊して形成されるようになった。質量はせいぜい太陽質量の10倍程度である。

+++　原子核反応は核融合と核分裂　+++

核融合反応は原子核のクーロン斥力を凌駕するエネルギーで原子核を押し付ける必要があるため、高温（素粒子にとっては運動エネルギー）が必要です。恒星の中心部では高圧によって原子核密度が高いため、比較的低温でも核融合反応が起きますが、地球上では10倍から100倍高い温度を達成する必要があります。

複数の原子核が一つの原子核に変化する核反応は核融合反応、逆に一つの原子核が複数の原子核に変化する反応は核分裂反応です。ウラン253の核分裂では質量の0.0009%がエネルギーに変換され、水素原子核がヘリウム原子核になるまでに質量のおよそ0.7%がエネルギーに変換されます。

核分裂は大きな原子核が自発的に分裂する反応です。一定の確率で分裂するので、何もする必要はありませんが、中性子を打ち込んで原子核を不安定にし（不安定な同位体に変換し）、核分裂を促進させることができます。ウランやプルトニウムの核分裂では副産物として中性子も生成しますので、連鎖的に核分裂を起こすことができます。

発生した中性子がどの原子核にも吸収されずに外に出て行けば、連鎖反応は起こりません。核物質のサイズが大きくなると、1回の核分裂で発生した中性子が必ず複数の原子核の核分裂を誘導するので、連鎖反応が起こります。連鎖反応が起こる最少量を臨界と呼びます。原子炉では中性子を吸収する物質（吸収して同位体になっても性質が変わらない物質）を核燃料の中に入れて、核反応を制御しています。

実用化されている原子炉は、ウランやプルトニウムの核分裂反応を利用したものです。核融合反応のほうは、核兵器（水素爆弾）に利用（という言葉が適切かどうか微妙なところですが）されているだけです。核反応は化学反応に比べて大きなエネルギーを取り出すことができます。

+++　放射性廃棄物処理は原子力発電のコストを上げる　+++

原子力発電は公害を起こさないクリーンな発電であると宣伝され、全国の30％もの電力を担っていました。しかし、東日本大地震以降、安全性と放射性廃棄物がクローズアップされて停止状態です。安全性は問題ないとしても、これから核廃棄物の処分費用が発生してきます。廃棄物を管理しなければならない時間は10万年程度とされ、原子炉の運転寿命を遥かに越えます。単純に考えると、原子力発電を続ける限り、廃棄物は蓄積する一方となります。原子力施設を廃止したあとも保管廃棄（隔離して保管する）する必要があり、費用が巨額なのは同じです。

核燃料を封じ込めるために被覆燃料粒子が考案されています。核燃料物質をセラミックス内に固め、さらに、中性子の速度を減速する炭素を多く含む層で被覆してあります。発生する放射能は被覆層によって熱に変換されます。大きさは直径1 mmから小石サイズまで。被覆の硬度が十分であれば核燃料の取り扱いが楽にできます。相当な高温になりますから、ボイラー、発電のための熱源、蒸気機関に使えます。

被覆層は放射能で痛み、ガンマ線が漏れ始めます。定期的に取り出して被覆と発生温度を検査し、核分裂反応が終了しているようであればそのまま保管廃棄します。核燃料だけでなく、高エネルギー廃棄物も同じように利用可能です。一粒一粒が原子炉です。この方法は結構実用的な核廃棄物の応用例でしょう。核廃棄物から重原子核の成分を取り出して被覆して燃料粒子とします。被覆を修理しながら使えば数万年は持つはずです。

一家に１個で、発電のほか、いつでもお風呂や暖房を楽しめます。ラジウム温泉ならぬ高レベル放射性廃棄物温泉。いずれにしても安全な封入技術と、２-３年に１回の定期点検が必要です。車の車検と同じ考えかたです。

おそらく、太陽光エネルギー（光だけでなく、関連エネルギーを含む）だけでは人類の現在の生活レベルを維持できず、化石燃料を使うと温暖化が行き過ぎて人類の未来はない。また、化石燃料には限りがあります。補助的に核エネルギーを使うのがよいと思います。現在の巨大で複雑な原子炉で核エネルギーを使うのはリスクが大きいので、リスクを分散するアイデア。いかがでしょうか。

6.　ブラックホール・・・星の誕生と死 [事象の地平線]


星間ガスから恒星ができるとき、水素、ヘリウムだけだと形成途中でガスの温度が上がり、大量の質量がないと星になれない。第一世代の星は太陽の100-1000倍の質量と考えられる。第一世代の大質量星の鉄のコアは50-100億Kに達すると、放射される光のエネルギーが原子核をまとめるエネルギーに達し、光によって核分裂が起こる。鉄原子核はヘリウムと中性子に分解するが、この反応は吸熱反応である。温度低下に伴い、急激にコアからの圧力が低下して星の外層が中心に向かって落ち込む。核融合反応が一気に加速して星の外層が吹き飛び、超新星爆発が起きる。

大質量星の場合、高い圧力で電子が陽子に吸収されて中性子となる。電子捕獲と呼ばれるこの現象では陽子を構成するアップクォークがダウンクォークに変化し、電子ニュートリノが放出される。中性子のみを含む星を中性子星という。さらに質量が大きいと中性子として形を保つことができず、コアが強い重力で内側に落ち込む。これを重力崩壊と言い、コアはブラックホールに凝縮する。

第一世代の超新星爆発の爆風（重力波）は周りのガスを吹き飛ばし、恒星間ガスを圧縮し、多数の第二世代の恒星を生み出した。超新星爆発で周りに飛び散った重元素は微量でも星の形成や構造に大きな影響を与える。重元素は赤外線を放出する量が水素、ヘリウムより多い。重元素を含むと比較的少ない量のガスでも星にまで収縮可能になる。重元素は星が形成されるときに冷却材として働き、熱による膨張を抑制する。第二世代以降は比較的、軽量の恒星が誕生するようになった。

第二世代の恒星は、重原子を含むため、質量が第一世代と比べて小さく、長寿命である。金属元素の乏しい恒星として、現在、銀河周辺にある星団などで観測される。第二世代の恒星のうち、質量の大きな恒星が超新星爆発の最後を遂げると多量の重原子核が宇宙に供給された。この後にできた恒星は比較的金属元素を多く含み、第三世代の恒星と呼ばれる。太陽は第三世代である。100 億年前の銀河を観測すると星間ガスの重元素の含有量が非常に少ないことが確かめられた。同時代の銀河には大量のダストと重元素を蓄えている銀河も観測されている。

+++　ブラックホール　+++

ブラックホールは強い重力のために物理学的法則が及ばない空間を作り出します。事象の地平線の内側です。そこに宇宙の果てがあるイメージです。現実に存在する無限大です。無限大は有限の物質を極小の空間に押し込めることで発生しました。別名「特異点」です。ブラックホールの中は現代の物理学では説明不可能なので様々な解釈が可能でしょう。

ブラックホールは究極の存在として宇宙の運命を左右するようです。ブラックホール自体は観測できません。重力が非常に強く、光すら脱出できないためです。しかし、ブラックホール周辺のガスがブラックホールに吸い込まれる時、重力により加速されて強い光を出します。代表例はクエーサーです。クエーサーはきわめて遠くでも見えるため、その光のエネルギーは莫大であると考えられており、そのエネルギー源としてブラックホールが考えられています。

天の川銀河を含むほとんどの銀河は、中心に巨大なブラックホールを持っています。ただ、それらのすべてが超高温ガスに囲まれているわけではありません。ブラックホールの約90％は周りに吸い込む星やガスがないと推測され、その場合、不活発な休眠状態です。しかし、星が近づき過ぎると目覚めます。恒星がこの不運に襲われた場合、恒星がブラックホールの重力井戸に落ち込み、渦巻き状に引き伸ばされ、大量のエネルギーと光を放射して消滅します。

地球から約120億光年離れている巨大なブラックホールが発見されています。桁外れに明るいクエーサーであることから、背後にあるブラックホールも巨大であり、太陽30億個分を越える質量を持つと推測されています。このような巨大なブラックホールができるのはビッグバンからおそらく1億年後くらいの第一世代恒星の超新星爆発の後と考えられます。当時の銀河は、最大で今の1000倍ほどの密度だったため、銀河の核が合体したか、銀河サイズの大量のガスがそのままブラックホールに成長したと考えられます。

+++　宇宙最大のダイアモンド　+++

太陽より少し小さな恒星はさらに小さな原子番号の原子核までしか核反応が進まず、その元素を主成分とした核を持つ白色わい星になります。炭素程度までしか核反応が進まない小さな恒星は、白色わい星になるころには大量の炭素が高圧高温で圧縮されることになります。これが冷えると、巨大なダイアモンドができあがります。人類の知る一番大きなダイアモンドは、地球からおよそ50光年かなたのケンタウルス座にあります。推定直径は4,000km。炭素でできた核の周りに水素とヘリウムの薄い層がある白色わい星です。星の振動のようすを調べることによって、内部に炭素の結晶があることがわかりました。さて、値段はいくらになるでしょうか。

+++　元素　+++

万物の根源を仮定して森羅万象を説明する哲学が成立すると、その次は万物の根源物質の探索になります。精錬、精製、純化、抽出。いずれも物理化学的な操作を表現する言葉で、鉱物から金属を、植物などから薬効成分を取り出す操作を意味します。混合物から一つの要素を取り出す作業なので、エントロピーを下げる、またはエネルギーを消費する作業です。不純物を取り除く操作なので、社会的にもプラスのイメージを持ちます。取り出された成分は高貴で、効果が高く、貴重なものとして珍重されます。

中世の錬金術師が考案した物質の抽出技術は、物質を混合して生じる沈殿物を集めたり、逆に除いたり、水にさらしたりします。土に埋めたり、醗酵(腐敗?)させることも行われました。画期的だったのは蒸留の技術で、アランビークと呼ばれる蒸留器を用いて有機物の溶液から揮発性の高いアルコール類(いずれも匂いの素)が取り出されました。

さまざまな化学反応を整理する上で重要な発見は、酸と金属を混合すると水素が発生する反応です。発生する気体が呼吸している空気とは異なることから、水素と命名されました。この反応は中学の理科でも有名です。これを契機に18世紀後半には窒素、酸素などの次々と気体が発見されました。さらに、その反応を観察すると、反応する物質の重さ、できた物質の重さを数学的に解析すること(定量的な解析)で、化学反応に一定の比例規則があることが明らかになりました。ラボアジエはこの法則を質量保存の法則として、また、ドルトンは根源物質をイメージして元素、原子、分子の概念を整理しました。

7．重原子核・・・原子核だって進化する[半減期]


超新星爆発のとき、大量の中性子が発生する。中性子は電荷を持たないため、クーロン斥力が働かず、周囲の原子核と衝突して吸収されやすい。中性子が過剰となった原子核は不安定となり、過剰な中性子が電子とガンマ線を放出して陽子となり、原子番号を一つ増やす。これをベータ崩壊という。この繰り返しで、短時間に鉄原子核より重い重原子核が大量に生み出された。通常の教科書ではこのような記載であるが、重い原子核はなかなか合成されない。今までの知見をまとめておく。

これまでの元素合成はビッグバンと星内部での核融合反応で起こった。ビッグバンでは大量の水素とヘリウムが生まれ、微量のリチウムが含まれていた。恒星が誕生すると核融合反応で炭素や窒素など、非金属原子核を中心に、ヘリウムから鉄（原子量26）までが作り出された。さらに老齢期の赤色巨星の核内では中性子の豊富な状況が長く続いて鉄以降の原子核形成が進んだ。ストロンチウム（原子量38）からビスマス（原子量81）までが形成されたと考えられる。

超新星爆発ですべての核種が誕生するわけではない。重力崩壊型の通常の超新星爆発では酸素、ナトリウム、塩素、炭素などの軽い核種からルビジウム（原子量37）が形成される。Ia型超新星爆発と呼ばれる二重星系で、伴星からの降下物により定期的に超新星爆発を起こす星ではカルシウム、硫黄、ニッケル（原子量28）、銅（原子量29）などが誕生した。特にX線バーストと呼ばれる中性子星でのIa型超新星爆発ではストロンチウム（原子量32）、ルビジウム（原子量37）、モリブデン（原子量42）など。鉄（原子量26）より重い核種を記載した。

最も重い元素が生成される現象と思われるのは中性子星同士の衝突合体で、プラチナ（原子量78）、金（原子量79）、ウラン（原子量92）が形成される。これは推測だが、超新星爆発で直接ブラックホールが形成されるとき、ブラックホールができる直前に中性子の外核が吹き飛んで重原子核ができるのではないか。

+++　アイソトープ　+++

ひとことで言うと原子は、宇宙のすべてのものを構成する目には見えない小さな粒のこと。カリウム、鉄、酸素、炭素などたくさんの種類があって、それぞれ化学的な特徴があり、自然界のあらゆる現象を引き起こしています。カリウム、鉄、酸素、炭素などは元素と呼び、陽子数が同じ原子核で構成されます。元素の中に、化学的性質は同じでも、重さが少しだけ違う原子があります。これらの原子を同位元素（アイソトープ）と呼びます。

化学的性質は原子核の周りを巡る電子の性質です。同位元素は電子の数は同じ（陽子の数もおなじ）で、中性子の数が異なる原子です。

自然界には、ウラン、ラジウム、カリウムなど約90種類の元素があり、人工的に作り出された元素を含むと118種類になります。一方、同位元素は原子炉などで人工的に作り出されているものを含めると約2,000種類以上もあります。

+++　ラジオアイソトープ　+++

同位元素の中には原子核が不安定なものがあり、安定な原子核に変わろうとします。その時に放射線を放出します。放射線を出す同位元素を放射性同位元素（ラジオアイソトープ）と呼びます。2000種の同位元素の大部分がラジオアイソトープです。ちなみにラジオアイソトープを含んだ物質を放射性物質、放射線を出す能力を、放射能といいます。

放射線にはアルファ線、ベータ線、ガンマ線があります。その他にはＸ線、中性子線、宇宙線などがあります。放射線にはそれぞれの種類に特徴的な性質があります。

アルファ線はヘリウムの原子核です。アルファ線を放出すると、そのラジオアイソトープは原子番号を２減らします。ベータ線は電子です。ベータ線は中性子から放出され、その中性子は陽子になるため、原子番号が１増えます。ガンマ線は光子です。つまり、光と同じですが、エネルギー値が非常に高い。同じ高エネルギーの光にX線がありますが、ガンマ線は原子核から放出される高エネルギー光、そのほかの高エネルギー光をX線と呼びます。

中性子線は中性子です。不安定な原子核が分裂するときに放出されます。宇宙線はそのほかの原子核や中間子からなります。

放射線はラジオアイソトープによって放出確率が決まっていて、時間とともにラジオアイソトープは放射線を放出して安定な核種になります。ラジオアイソトープがちょうど半分になる時間を半減期といいます。鉱物などの年代測定に利用されていて、ラジオアイソトープと娘核種の比率からその鉱物が形成された年代を算出できます。

8．ダークマター・・・重力の支配者 [ニュートラリーノ]


初期宇宙に充満したダークマターに10万分の1程度の密度の揺らぎが生じ、揺らぎは重力により成長してバリオンを集めた。ダークマターの集合体は銀河をハローとして取り巻いている。銀河を取り巻くダークマターは球形である。原子が形成された後、ダークマターの重力井戸は水素原子やヘリウム原子を集めた。水素とヘリウムのガス体は重力によりさらに凝縮し、恒星を形成した。恒星が終末を迎えて超新星爆発をすると、そのショック波により、周りのガス雲は濃縮され、さらに多くの恒星が誕生した。誕生した恒星はダークマターの作る重力井戸に落ち込んで集合し、いくつかの銀河を形成した。ダークマター内で形成された銀河は自転により円盤状になった。

宇宙の大銀河の中心には太陽質量の100万倍から10億倍の質量を持つブラックホールが潜んでいる。これらのブラックホールはビッグバンから10億年の間に巨大なガス雲が直接重力崩壊することで形成された。ガス雲の重力崩壊（濃縮）の条件としてガスが高温で主成分は水素である必要がある。太古の巨大質量ブラックホールはクエーサーとして観察される。

やがて、第一世代の恒星が超新星爆発して重い原子核がばらまかれるとガスの温度は下がり、比較的低温になったガス雲は小さくちぎれてそれぞれが恒星になった。その後は太陽質量の10倍程度の恒星が超新星爆発の時に重力崩壊する小さなブラックホールが形成されている。

誕生後20億年までの宇宙にはLyman-alpha blobs (LABs)と呼ばれる銀河サイズの光る水素ガスの塊が観測される。中心にブラックホールを抱えていて、その中に落ち込む物質によって輝いて見える。LABsのサイズは現在の銀河の大きさである。LABsは銀河へと発展したと考えられる。宇宙の進化にLABsを想定しないと、現代の銀河のサイズがとてつもない大きさになってしまう。宇宙誕生後30-40億年までにLABsの中で第二世代の恒星の形成が終了したと考えられる。

銀河の星形成率は、星を作る材料となる物質の総質量に伴って変化する。宇宙初期から現在にかけて、星形成率が次第に低下している。宇宙初期の銀河でも、星形成率は銀河の質量に伴って増加し、しかもその効率は現在よりも 20 倍以上高かった。銀河中心に観測されるクエーサーをブレーザーと呼ぶ。ブレーザーのガンマ線の減弱の様子を2億光年から116億光年の範囲で調べると97～107億光年の間でもっともガンマ線が弱く、星の誕生が多いことがわかった。その量は現在の10倍になる。すなわち、ビッグバン後、30～40億年後に星の誕生のピークがあった。最近の観測結果から、ビッグバンから40 億年の若い宇宙では、大質量銀河で星形成活動が最盛期にあり、星は予想外に高い形成率で生まれたことが示唆されている。

中規模のブラックホールを含めて銀河の中心のブラックホールの質量は銀河のサイズと相関関係がある。したがって、ブラックホールは銀河の衝突により合体するか、周りの恒星を吸収することで成長するシナリオが考えられる。その過程にダークマターの影響が考えらえる。

1990年代のIa型超新星を使った遠方銀河の距離と後退速度を観測する国際プロジェクトの成果により、宇宙は誕生以来、ずっと膨張を続けていることが明らかになった。初期は膨張速度が少しずつ遅くなっている。宇宙の質量による引力が働いて、宇宙空間の膨張にブレーキがかかるので減速膨張となる。ところが、70億年前から宇宙は減速膨張から加速膨張へと転じた。そのエネルギーの源と仮定されているのがダークエネルギーである。

+++　ダークマター　+++ 　

重力相互作用だけが働く物質で、素粒子としての正体は解明されていません。その中で現在の宇宙で観測される銀河のような構造を作ってきたという理論「低温ダークマターモデル」があります。これが、宇宙の大規模構造形成を記述する標準的なモデルとして広く受け入れられています。

最新の「低温ダークマターモデル」によると、普段我々が目にする原子や分子のようなバリオンと呼ばれる物質と比べ、全宇宙におよそ5倍の質量で存在すると考えられています。それが、宇宙の重力的な構造形成、進化に重要な役割を果たしてきました。ダークマターの重力によってバリオンが集まり、現在観測される多種多様な銀河が生み出されてきたと考えられています。

ダークマターは通常の物質と電磁相互をしません。ダークマターの本体として考えられている候補のひとつはニュートラリーノ（neutralino）と呼ばれています。ニュートラリーノは超対称性理論が予測する粒子で光子、ウィークボソン、２つのヒッグス粒子に対する超対称性粒子の総称で、最も軽いものが安定です。理論から予想される量がダークマターの存在量によく合うことからダークマターの候補になりました。

また、初期の宇宙でエネルギー密度が高かったころにエネルギーの密度揺らぎによりエネルギーの高い部分がつぶれてブラックホールになることが考えられるそうです。その場合、地球の質量程度の小さなブラックホールが作られ、ダークマターの1つの候補になっています。ところでダークマターはブラックホールに吸収されないのでしょうか。

+++　古い星　+++

ひとつは、私たちの銀河系の中にある「SMSS J031300.36-670839.3」（SM0313と略されることがあります）という星で、太陽系から約6000光年ほどのところにある星です。非常に近いところにある天体なので、調べやすく観測には適しています。

なぜ、銀河系内の天体から、宇宙の年齢がわかるのでしょうか。実は、このタイプの天体は、以前から古いと考えられていたのですが、観測によって正確にそれがわかるようになったのです。

今回見つかった天体は、ヘリウムより重い元素があまり含まれておらず、宇宙誕生直後にできた第一世代で合成された元素のガスを材料に誕生したことがわかってきました。そして第一世代の恒星自体の様子もわかってきました。

このような天体は、宇宙の初期に形成された種族IIと呼ばれる天体です。種族IIの星は、銀河の周辺にたくさんあることがわかっていたのですが、その実態がやっと解明されてきたのです。種族IIの星は、宇宙ができて1億年ほど後の天体ではないかと推定されていますが、年齢はまだ正確には決まっていません。

もう一つは、HD 140283で「メトシェラ」と呼ばれているもので、地球から約190光年のところにあります。メトシェラは、もともとは私たちの銀河の周辺（ハローとよばれています）にあった小さな銀河（矮小銀河）が、私たちの銀河に衝突したとき、私たちの銀河に取り込まれたと考えられています。メトシェラは、秒速169.0kmで太陽系に近づく運動（固有運動）をしています。この運動が正確に決まると、星の年齢を決める精度が上がります。

9. おとめ座超銀河団・・・宇宙の大規模構造 [ボイド]


宇宙初期の密度の揺らぎを反映して質量の分布は泡状構造となった。すなわち、銀河は銀河が存在しない巨大な空間（ボイド）の周囲に集まっていることが判明した。銀河の集合状態から銀河群、銀河団、超銀河団と名付けられている。

太陽系の所属する天の川銀河が所属する銀河群を局部銀河群と呼ぶ。最も大きい銀河はアンドロメダ銀河で、最も重い銀河は天の川銀河である。両銀河の周辺には、その重力に引かれて、多くの伴銀河が存在する。差し渡し1000万光年の範囲に50ほどの矮小銀河を含んでいる。天の川銀河は理論的には220個、最近の観測では500個の矮小銀河を伴っていると推測されている。

局部銀河群に最も近い距離にある銀河群は彫刻室座銀河群やマフェイ銀河群であり、700万～1000万光年ほど離れている。近隣にはおおぐま座のM81銀河群、M101銀河群、りょうけん座のM51銀河群、ケンタウルス座A・M83銀河群などがある。

5000万～7000万光年ほど離れたところにおとめ座銀河団がある。おとめ座銀河団には1300~2000個の銀河が含まれており、差し渡し1500万光年、中心にM87銀河と呼ばれる巨大な楕円銀河がある。M87銀河の中心の巨大ブラックホールが写真にとられたのは2019年であった。これら全てがおとめ座超銀河団に含まれる。

局部銀河群はおとめ座銀河団に取り込まれつつあるという説があるが、ダークエネルギーによる宇宙の膨張速度が加速的に増加している事から否定的な意見もある。最近、2億光年ほど先に周りの銀河を引き寄せている巨大なアトラクターが発見され、おとめ座銀河団や局部銀河群を含む大きなラケアニア超銀河団が提案されている。

さんかく座銀河とアンドロメダ銀河が約25 億年前にすれ違った。当時の2つの銀河の間の距離は4万パーセク（13 万光年）以内であった。アンドロメダ銀河の強い重力は、さんかく座銀河に強い潮汐力を及ぼし、数百万個の星がさんかく座銀河の外へ放り出された。

地球から3.9億光年の距離にあるへびつかい座銀河団で銀河系の15倍の直径がある穴が発見された。巨大な爆発の跡と推定されている。へびつかい座銀河団は数千の銀河からなる巨大な構造体である。へびつかい座銀河団の中心には太陽質量の1000万倍の質量を持った巨大ブラックホールをもつ銀河があり、ブラックホールから垂直方向に放出されたジェットが何らかの原因で強まり、その先の銀河を吹き払ったという仮説が出されている。宇宙の大規模構造の形成には初期宇宙の密度揺らぎ以外が関与した可能性もある。

ダークマターの総質量推定値の最大値を持っても宇宙の膨張による銀河団の離間速度差を埋めるまで至らない。したがって、宇宙の膨張に準じて、それぞれの銀河団、超銀河団の間の空間が大きくなる。最終的には個々の銀河団は光速の壁に阻まれ（離間速度が光速を超える）、孤立した宇宙（空間）として切り離されるものと予測されている。

遠い将来の宇宙の姿について、銀河団による小さな宇宙になるのか、それとも、ビッグクランチを起こすのか、あるいは永遠の膨張を続けるような宇宙になるのかという結論は、今後、大統一理論 の登場とその理論による解析を待たなくてはならない。

+++　波　+++

波は水面の上下運動が伝わることです。水面を押すと、水が押されて水面の下に移動しますが、押す力がなくなると元に戻る。その時に勢いがついて、水面の上まで水が移動する。次に、水面の上の水が落ちるときに勢いがついて、水面の下まで行ってしまう。

水面が平衡点（安定）になります。自然な形のばねに例えることができます。水はしばらく上下運動を繰り返しますが、周りの水との摩擦により、やがて静止します（平衡に戻ります）。

ある点での水の上下運動は周りの水に影響します。あるところが盛り上がるということはその周り（隣）がへこむ（水面下に移動する）ことになります。凹んだところは元に戻ろうとしますが、勢いがついて、盛り上がります。新たな上下運動です。この繰り返しで、ある場所の水の上下運動はまわりに広がっていきます。これがよく観察する波です。

最初に加えられた力によって発生した波ですから、上下運動する水の量は時間がたつと摩擦により少なくなります。したがって、広がるにつれ、波の高さは低くなり、やがて消えます。

物理学ではたくさんの波が登場します。日常的には水面の波、音の波、地震、光波がおなじみです。波は横波、粗密波があり、横波は弾性のある物体で、音や地震のP波である粗密波はすべての物質を伝わります。光波は真空で成立する横波で例外です。波を拡大解釈すると周期的な現象のことです。水面の現象とのアナロジーで、社会的、心理的な要素も含めて、様々な現象を波（変動）として捉えます。時代や感情にも波があります。

+++　マイクロブラックホールとダークマター　+++

ブラックホールは巨大な恒星が超新星爆発をした結果、形成される超高密度の天体です。実は別の形成経路もあり、それは1971年にホーキング博士が提案していました。ビッグバン直後、宇宙は高密度のエネルギー粒子が充満していましたが、揺らぎによる濃淡により、局所的にはブラックホールになるほどの高密度になったと予想されるのです。予想されるブラックホールのサイズはマイクロから超巨大なものまであり、その総質量は現在観測されているダークマターの質量に匹敵すると推計されました。

超巨大なブラックホールは銀河の中心や、銀河団の中心にある可能性があります。一方、マイクロサイズのブラックホールはどこに行ったのでしょうか。マイクロサイズのブラックホールは小惑星程度の重量で、その直径は水素原子ほどです。そのために観測が不可能です。

しかし、ガス雲の中のマイクロブラックホールが種となってガスをひきつけ、恒星を形成したことは十分に考えられます。その場合、恒星の中心にマイクロブラックホールが存在します。恒星の質量を吸収しながらマイクロブラックホールは成長しますが、恒星を飲みつくすまでには宇宙の年齢ほどの時間がかかります。しかし、数億年から数十億年後にその質量が地球ほどになると、恒星の中心で降着円盤が形成され、恒星は泡立ち、膨れ上がって赤色巨星になります。地球がブラックホールになってもその直径は２cm程度しかありませんが、影響は絶大ですね。ブラックホールが隠れた赤色巨星の表面は波打つはずなので、その運動を観測すればマイクロブラックホールがコアにある恒星を見つけることができます。

はたして、恒星内部に隠されたマイクロブラックホールは見つかるか。そしてその総質量で宇宙の質量の85%を占めるダークマターが説明できるでしょうか。

10. 銀河の形成・・・重力井戸に集められた恒星 [スターバースト]


ダークマターの形成する重力井戸に銀河の重量に匹敵する大量の水素ガスが集められ、星の形成が始まった。ビッグバンから10億年後であった。重力井戸の中心に形成された巨大な第一世代の恒星は1000万年ほどで燃え尽き、超新星爆発を起こして周りに大量の重原子核と自身の残骸をまき散らした。中心には巨大なブラックホールが残された。

超新星爆発は恒星の誕生を促進する。巨大な分子雲の中央に大質量の恒星が誕生すると、その光が周りの分子雲に圧力を加えたり電離させたりして濃度の高い分子雲を作り出す。分子雲は恒星に凝縮し、光はさらに遠くまで届く。この繰り返しで、特徴的な恒星集団の構造（OB association）が形成された。

第二世代の恒星は重元素を多めに含んでいたので効率よく放熱し、手際よく形成されてより長く輝いた。第二世代の恒星はビッグバンから20億年後から60億年後（現在から120～80億年前）に次々と超新星爆発を起こし、宇宙の重原子の量を増やした。自ら光を出さない物質は見え方によって散光星雲、惑星状星雲、暗黒星雲などに分類される。主にガスやチリである。通常の宇宙空間に対して、100倍以上の密度をもつと星間ガスと呼ばれる。やがて自己の重力で圧縮されて核融合が始まり、星が誕生する。こうして星は第三世代へと移行した。

ブレーザーのガンマ線の減弱の様子を2億光年から116億光年の範囲で調べると97～107億光年の間でもっとも星の誕生が多いこと、その量は現在の10倍になることがわかった。ビッグバン後、30～40億年後に星の誕生のピークがあったことを示す。

天の川銀河の周りには数十個の矮小銀河があり、銀河形成の時に集まったが、まだ取り込まれていない銀河であると考えられている。古い恒星が多く、測定結果によると核融合による重い原子核（炭素や酸素）も天の川銀河より少ない。すなわち、銀河形成の初期には小さな伴銀河、球状星団など数千の恒星が重力により強く結合した構造体が数百個は存在したと思われる。

銀河の中心のブラックホールの質量は銀河のサイズと相関関係があることから、ブラックホールは銀河の衝突などにより合体したり、周りの恒星を吸収したりすることで成長すると考えられる。また、矮小銀河の合体や吸収でも内部のガスが大きく揺らいで大質量星が次々と誕生するスターバーストが起きて銀河が成長する。

遠い将来に起こる天の川銀河とアンドロメダ銀河の合体では、数百万年の間に太陽質量の数千倍に匹敵するガスが星に代わり、しかも、大質量星なので次々に超新星爆発を起こす。超新星爆発によって誕生した銀河のガスが吹き飛ばされて星形成がほとんど起こらない巨大銀河になると予想される。

+++　対称性と保存則　+++

ある系に連続的な対称性があれば、それに対応する保存則がある。対称性と保存則について数学的に証明したのはエミー・ネーターというドイツ出身の女性数学者だそうです（ネーターの法則）。

連続的な対称性とは。例えば、回転対称性。球は中心を通る回転軸に対して回転させても同じ形です。回転の角度が何度でも重なります。これが連続対称性。これに対する保存則は何でしょう。それは角運動量の保存則です。2つの回転する物体が合体した場合、それぞれが持っていた回転エネルギーは合体した物体の回転エネルギーと等しくなります。また、回転中に物体が変形した場合、変形に応じて回転速度が変わります。回転軸方向に長くなれば回転が速くなり、回転軸に垂直方向に長くなると回転が遅くなります。フィギュアスケートのスピンの例が有名です。

ちょっとわかりにくいのが併進対称性。これは物理現象を平行移動させても法則は変わらないという対称性で、ここで成り立つ法則はあっちでも成り立つ、すなわち、宇宙のどこでも成り立つという対称性。角運動量の保存則からイメージされるように、この場合の保存則は運動量の保存則になります。

では、中学の理科でも習う質量保存の法則はどの連続対称性に対応するのでしょうか。質量保存則はアインシュタインの公式によってエネルギー保存則と等価です。そして対応するのは時間軸に対する併進対称性。時間がたっても確かに物理法則に従って変化するエネルギーの総量は変化しません。

ところが、時間には原点があります。ビッグバンです。だから、この点以前には併進対称性が成り立ちません。するとエネルギー保存則が成立しなくともよい。そしてその代表例が暗黒エネルギーです。暗黒エネルギーは空間の膨張とともに増加している未知のエネルギー。意外な結びつきです。

そして最後に登場するのが電荷の保存則。これは素粒子の世界での保存則です。宇宙の素粒子のプラスとマイナスの総量は素粒子の反応が起こっても変化しない。対応するのはゲージ対称性。素粒子を記述する方程式が表現する座標系によらず変わらないこと。なんのこっちゃ。正確な表現かも怪しいですが、ゲージ対称性は素粒子物理学の解説本には必ず登場します。

物理法則が数学で表現されることから導かれる一般則。科学者が美しいと感じるのは、今まで別の原理で動いていたと思われる現象が一つの法則でつながるとき。これは納得です。

+++　 Gaia宇宙望遠鏡　+++

ヨーロッパ宇宙局が管理運営するGaia宇宙望遠鏡の最新データが昨年末に公開されました（Nature news Dec 2020）。前回の2018年のデータの公開後、このデータに基づいて約3000報の論文が発表されました。

Gaia宇宙望遠鏡（Gaia space observatory）は2013年に打ち上げられ、地球から150万キロのかなたに静止しています。地球と共に公転することで視差を利用して近傍の恒星の位置を観測し続けています。100万分の１度（角度）も検出できるため、16,000光年の範囲まで位置がわかります。約２年おきに約10億個の恒星の位置情報を公開します。

その精度は年々向上しています。太陽系から326光年の範囲にある30万個の恒星の位置はほぼ網羅しました。しかも４万個の星については今後40万年の運動も予測できました。ガイアの燃料は2025年まで。ミッション終了までに多くの観測データを残してくれることでしょう。

私のビッグヒストリーの中でも、宇宙誕生後、銀河が形成されてから太陽系の誕生までの約60億年がほぼ空白です。この空白の期間の一部は天の川銀河の生い立ちや、太陽系を生み出したガス雲と太陽の兄弟たちの生い立ちになるはずです。今までGaiaデータに基づく宇宙の歴史についていくつか紹介してきました。今後、さらに天の川銀河の成り立ちについて解析が進み、多くのことが明らかになるでしょう。

11. 天の川銀河の誕生・・・天の川の源流 [球状星団]


円盤部の外側に天の川銀河を球形にとりまくハローと呼ばれる領域がある。ダークマターでできたダークハローの半径は約30万光年で、銀河全体の質量の９割を占める。天の川銀河を形成する星の中で最も古い天体はハロー領域に散在する球状星団である。

地球から6.5万光年のかなたにある球状星団Palomar 5の年齢は115億年と推定された。Palomar5は細く伸びた恒星の帯を伴っている。これらの帯は他の矮小銀河との相互作用により、Palomar5が引き延ばされた結果と考えられている。ハロー領域の星は鉄などの重い元素を太陽の数百分の1程度しか含まない第二世代の恒星である。くじら座の11.7等星は、鉄の存在比は太陽の 800分の1しかないが、珍しく放射性元素のトリウム232やウラニウム238が検出できた。それらの相対存在比などから年令は125億年±33億年と決定された。この値は天の川銀河系の年齢に相当すると考えられる。

天の川銀河は最初の超巨大ブラックホール、いて座Ａを中心に恒星が引き寄せられて形作られた。天の川銀河は誕生してから約130億年の間に少なくとも半ダースの矮小銀河や球状星団を飲み込む事件が起きた。天の川ダークマターの中で誕生した小さめの銀河が天の川銀河に吸収されたのである。

その一つが矮小銀河をエンセラダス（Enceladus）で、100億年前に吸収されたと推定された。エンセラダスの大きさは、現在の伴銀河である大マゼラン雲と同程度だったと考えられる。銀河を飲み込むたびに激しい恒星形成が起きた。天の川銀河の成長はビックバン後30億年後（110億年前）が最盛期であった。これは宇宙で恒星が大量に誕生した時期に相当する。

天の川銀河はいて座A巨大ブラックホールの周りを回転し、次第に平たくなった。また、渦巻きパターンが形成された。渦巻きパターンは恒星の粗密波である。たまたま密度の高いところに重力ポケットが形成され、星がそこを通過するのに時間がかかる。すなわち、星がたまり、回転運動をしているので腕構造になった。さらに、星間ガスもたまり、星が誕生しやすい場所となった。

+++　宇宙の進化　+++

宇宙の進化は冷えていくことです。宇宙が膨張することで温度が下がり、全体として現象は一定方向に流れます。ただその流れは一様ではなく、あちこちに乱流を作り(素粒子)、構造体（原子や分子）をつくり、構造体は一時的ですが、散逸構造：秩序（星や生命）を作り出しました。

そこには新しい性質を獲得するという創発（emergence）、自然に秩序や構造を形成するという自己組織化（self-organization）、突如、それまでとはまったく異なった性質を持つ存在へと不連続的に変化するという進化（evolution? 　Phase-transition）があります。

熱力学では閉鎖系を取り扱い、学問的に成功しました。熱力学の第一から第三法則としてまとめられます。第一法則はエネルギーの保存則。第二法則はエントロピー増大の法則。第三法則は絶対零度の定義です。これらは絶対法則ですが、系の外側を仮定し、その系とエネルギーや物質のやり取りがある場合、その系だけに限って言うと熱力学第二法則が成り立たないことがあります。

一定の速度でエネルギーが流れる（変化する）定常状態を仮定します。エネルギーが流れていますから非平衡系です。そのなかに開放系をはめ込むと、エネルギーの流れを取り込み、そのエネルギーを利用して解放系の内部に構造が誕生します。

プリゴジンとブリュッセル学派はその構造を散逸構造と呼びました。開放系はエネルギー状態の高い物質やエントロピーの低い物質を取り込んで系の複雑さや秩序を増し（エントロピーを低下させ）、エネルギー状態の低い熱エネルギーやエントロピーの高い物質を捨てることで開放系を維持します。

単純な物質世界では系の中の小さな揺らぎが発展し、自己組織化して、目に見えるような秩序だった構造になります。いい例ではないかもしれませんが、台風も、山火事も、みんなはじめは小さなエネルギーではじまります。

外部からエネルギーを供給され続けると、自己組織化・自己増殖し、臨界点を越すような破壊的なエネルギーをもつ構造・大きさにまで発展します。台風の場合は海からの蒸散による熱エネルギーであり、山火事の場合は木々が燃料として供給されることです。

生命体が始めて膜をもち、自らの系を外界と区別したとき、生命体の自己組織化がスタートしました。以後、生命体は宇宙の熱力学的な不可逆過程に逆らうように個々のシステムを精緻にしてきました。

+++　階層　+++

物質世界にしろ、情報世界にしろ、そこに構造を認めて階層化する脳の働きは生まれたときから備わっているのでしょうか。言い換えると、遺伝的に決まっている（担当する遺伝子がある）のでしょうか。

階層化とは事象の整理・整頓です。身の回りや学問領域のたくさんの事実・情報から共通な性質を抽出して、グループ化します。次にグループの関係を整理してみると、より大きなグループを作る支配的な性質と、グループの中に入る性質とがあります。大きなグループを作る性質を上位とすると、物質世界では大きい方、情報世界ではより抽象的な方と解釈されるでしょう。包含関係は視覚的なイメージであり、構造です。

知識の構造は一つの体系だけを見ていたのではなかなか本質的なことがわかりません。例えば、言語の構造は日本語だけに注目するのではなく、英語、フランス語など他言語との共通点を探り出していくことで発見されます。同様に、生物学、数学、社会学、心理学、政治学などの学問体系について、研究方法、対象に対するアプローチの仕方、基本概念などを比較することで、人類としての精神活動の構造が見えてきます。このような考え方に基づいて構造主義が誕生しました。

階層は物理学や生物学に見られるような時間と空間に依存する階層のほかに、知識や情報処理の階層もあります。人間は感覚器から外界の情報を得て、脳で情報を処理します。まず、感覚器からの直接情報があり、生物学的には感覚器の受容細胞の興奮として表現されます。次に、興奮が神経細胞へ伝えられ、複数の感覚器（細胞）の興奮が統合され、「素」の経験、生情報が形成されます。一連の生情報が一つの事として捉えられ、統合されて一つの経験として一次解釈されます。そして、一次解釈を集め、法則性を分析した二次解釈が生まれ、抽象化されます。我々の意識に上るのは一次解釈からです。

人間の情報処理系のハードウエアは感覚受容細胞から大脳に到る神経系です。情報処理の階層性は、ハードウエアとその伝達制御を行うソフトウエアで表現されているはずであり、ニューラルネットワークと呼びます。コンピュータによる情報処理も同じような発想で形成されています。１と０の信号（電流のオン・オフ）からCPUの制御命令セットが作られ、それらが組み合わされて人間の理解が容易なプログラム言語となります。測定装置からの入力も１と０の信号に変換され（デジタル化）、プログラムによって、人間が解釈できる出力に変換されます。エキスパートシステムのように、一次情報を階層化して整理し、高次の情報を引き出すよう設計されたソフトウエアもあります。

+++　階層に分けると森羅万象を効率よく説明できる　+++

階層性とは、大きさが異なると別の構造が見えてくることを言います。階層を分ける場合は物差しを対数・指数的なものに変えます。異なる階層では変化が起こる時間のスケールや、働く科学法則が替わります。言い換えると、上下の階層をそれほど意識せずにその階層の現象を記述できます。例えば、化学反応は分子・原子の結合として法則を記述でき、特に原子核間力を持ち出す必要はありません。当然、階層は独立に存在するのではなく、上下の階層から影響を受けます。通常は下位の階層を構成する要素の運動や活動からその上位の階層の現象を説明できます。そして、階層を２つ以上関連付けて記述すると、学問領域となります。

生物においても、原子→分子（タンパク質、脂質、糖、核酸）→ 細胞内小器官→細胞→組織→臓器→生物個体→生態系という具合に階層性を見出すことができます。鉱物・岩石→山、川、地層など→海洋・大陸・大気のような階層があり、地球（惑星・衛星）や太陽→恒星系→銀河系→銀河団・泡構造→宇宙と階層を連ねることができます。各階層は下位の階層にある集団を構成要素として成り立ち、固有のスケールと変化に要する時間軸を持ちます。クォークから宇宙までを時間と大きさの対数軸上に並べると、人間を1(1m)とした場合、宇宙の大きさ（460億光年）は1026になります。クォーク（素粒子）の大きさは…ない。代わりにプランク距離10-35を採用するべきでしょうか。

各階層の構成要素は互いに作用しあい、自己組織化して構造物を作り、それらが上の階層の構成要素になります。逆に、ある要素の機能や性質を明らかにしようと思うと、要素をより基本的な細部に分け、それぞれの細部を個々に理解すれば、総体として元の要素を理解したことになります。この考え方を還元論と呼びます。

よりミクロな法則がよりマクロな法則を導くと考える物理学や化学の考え方はその典型であり、物質では大成功を収めました。ところが、この考え方を生物学や経済学に応用しようとすると、困難でした。還元論の立場からは、細胞の集まりから個体生物を説明できるはずで、また、分子の集まりから細胞を説明できるはずです。しかし、構成要素があまりにも多様で個性に富んでいるため、調べつくせないのです。同様に、社会や経済を人の集まりとする還元論的分析も同様の限界を抱えています。

12．天の川銀河の現在・・・小宇宙の構成 [連星]


天の川銀河は、太陽系の属している天体の集団である。天の川銀河の周りにはマゼラン星雲などの20個の小さな銀河（矮小銀河）が銀河系の重力に束縛されて運動している。矮小銀河は天の川銀河を中心に半径40万光年くらいの範囲にある。球状星団、散開星団その他恒星の集団や星間物質を含む１個の小宇宙である。大部分の恒星が直径10万光年の円盤部にあり、中心の膨らんだバルジ部の恒星のほうが渦巻き腕部の恒星より古い。

天の川銀河の中心には強い電波源があり、「いて座Ａ」と呼ばれる巨大ブラックホールである。周りには星間物質が高密度で集中しているので光学的に見ることはできない。1990年代から天の川銀河中心近傍に存在する星の運動を10年以上追跡した観測が行われた。軌道を万有引力の法則によって解析すると、天の川銀河中心の巨大ブラックホールの質量は太陽の370万倍と判明した。直径は0.15天文単位(2250万km)である。

銀河中心に存在する巨大ブラックホールから噴き出すジェットはその広がりが最大で数百万光年に達する。天の川銀河のブラックホールは比較的おとなしいが、中心部の上下には高エネルギー粒子の存在するバブルが数万光年に渡って広がっていて、過去に一時的に活動的だった（まとまった量の星がブラックホールに落ち込んだ）と考えられる。

円盤部は、主系列星、ケフェウス型変光星などの種族I（第三世代）に属する星や暗黒星雲が占めている。銀河を形成する恒星で最も多いのは赤色矮星と予想される。大きさは太陽の直径の1/3以下で、表面温度は3500度程度の暗い星である。水素の核融合速度が遅く、寿命が非常に長い。肉眼で見えるものはない。太陽から 10パーセク（33光年）内の348個の天体が調べられたが、そのうち、239個（約69パーセント）は赤色矮星であった。また、恒星の半分は連星である。すべての恒星には固有速度があり、秒速10kmから1000kmで銀河の北側（地球の北極側）から見ると時計回りで回転している。

天の川銀河では銀河面に塵が集まって盛んに恒星を生産している。太陽は銀河面より少し離れて上下運動をしながら回っている。

+++　いて座 A*　+++

太陽系の属する天の川銀河の中央には太陽質量の400万倍もあるブラックホールいて座 A*（サジタリウス　エイ　スター）があります。写真を撮影したのは国際研究チーム、イベント・ホライズン・テレスコープで、日本からは国立天文台などが参加しています。

写真は楕円形のドーナッツ型をしていて、3つの節があるように見えます。ドーナッツの中央の暗い部分がブラックホールの事象の地平線に相当し、周りのドーナッツはブラックホールに落ち込む物質からなる降着円盤です。ブラックホールの強い重力で光速度に加速された物質は強力な光を放ち、それを地球の電波望遠鏡で観測しました。いて座A*までは2.7万光年あり、ブラックホールは質量の割に小さいので、地球上の離れた地点にある電波望遠鏡を同期させて地球サイズの電波望遠鏡として使う必要がありました。降着円盤の直径は約1光年です。

ちょっと考えると、地球は銀河のディスク平面にありますから、その中心で回転しているいて座A*も同じ方向で回転し、すなわち、降着円盤も同じ方向で回転していると考えらえます。つまり、降着円盤はクッションを横から見たような形にならないか？　実際にはいて座A*の強い重力レンズで、円盤の向こう側が立ち上がって見えるのです。長時間の観察で多数の写真を撮り、それらの像を合成して１枚の写真に仕上げました。

実際、降着円盤は天の川銀河の回転面に対して水平ではなく、50度ほど傾いているようでした。おそらくいて座A*の回転軸も垂直ではなく、同じ程度に傾いているでしょう。降着円盤、いて座A*の回転は天の川銀河、吸収した星の角運動量、過去に吸収したブラックホールの角運動量に影響されて独自の方向を向いていると思われます。いて座A*は130億年前に2つの銀河中心ブラックホールが合体して誕生したと考えられています。

天の川銀河の中心は星が密集して観察が困難なのでは？　実際にはいて座A*は大きな空洞の中にあって、観測が可能でした。空洞の中にあるということは吸い込む天体も少ないことを意味します。つまり、いて座A*は同じ規模の銀河の中心ブラックホールに比べて暗いのです。

いて座A*の周りには巨大な構造があり、それも同時に観測されました。いて座A*の周り数パーセク（１パーセクは3.26光年）には渦巻き構造があります。いわば天の川銀河のミニチュア版です。これは数千万年前にいて座A*が活発に星を吸収していた名残と考えられています。面白いことにこの渦巻きの回転軸も天の川銀河の回転軸やいて座A*の降着円盤の軸とは一致しません。つまり、いて座A*の回転軸は揺れ動いていると考えらえます。回転軸に影響するのはいて座A*が吸収する天体の角運動量です。つまり、過去の天体の落ち込み量が一定ではなかったことから回転も変化したのでしょう。

さらに外側に目を向けると7700パーセクの長さに及ぶ楕円形のふくらみがあります。この厚みは天の川銀河の厚みをはるかに超えています。ドーナッツの穴に突っ込まれたレモン状の泡といったところでしょうか。2010年にすでにフェルミγ線宇宙望遠鏡で観測されていて、フェルミバブル（Fermi bubbles）と呼ばれています。X線で観測すると一回り大きく見えます（eROSITA bubble）。

フェルミバブルはガンマ線を発する高温のガスと考えられています。フェルミバブルの長軸は銀河の回転軸と一致しています。よく見ると、天の川銀河の中心から噴き出す長さ150パーセクのガスが見え、これがフェルミバブルを膨らませたと考えられました。現在のいて座A*の回転軸、すなわちジェットが噴き出す方向とは一致しませんが、いて座A*の回転がふらつくことを考えるとフェルミバブルの軸が天の川銀河の回転軸に垂直になってもおかしくないと思われます。

13．太陽系・・・天空の秩序 [ヘリオスフェア]


太陽系は天の川銀河面内にあり、いて腕とペルセウス腕にはさまれたオリオン腕の銀河中心側にある。銀河中心より26,000光年。太陽の周りの600万個の恒星はカタツムリの殻のような渦巻き様に分布している。太陽の年齢はウラン238の崩壊の測定より46億年と算出されている。すなわち、宇宙誕生後91億年、天の川銀河が誕生してから79億年後。太陽の固有速度は秒速240km。太陽は2億年で1回天の川銀河中心を回る。すでに23周した計算である。

一方、天の川銀河で太陽系と同じ位置にある星々は210 km/秒で回転している。太陽系が天の川銀河の4本の腕を通過する、その時間間隔は約2億年。１つの腕を通り過ぎた後、次の腕に追い付くまでの時間が約2億年である。天の川銀河の腕は星や星間物質が集まっているので、そこを太陽系が通り過ぎるとき、オールトの雲がかき乱され、たくさんの彗星が発生する。その彗星が地球に落下すると地殻を突き破って激しい火山活動を引き起こすという仮説がある。地球の過去の火山活動は約２億年周期で活発化している。

太陽は直径300光年ほどの局所バブルの真ん中にいる。局所バブルの周囲は星間塵の濃い層ができており、局所バブルの中は周りより星間塵が希薄である。局所バブルの中は周りより温度の高いプラズマに満たされている。さらに空洞の表面には７つの恒星群が形成されていて，その恒星はそろって数百万年くらいの年齢である。恒星群の運動から、局所バブルは1400万年前から15個の超新星が、約400百万年おきに４回に分けて爆発して形成されたと予想された。太陽は当初、1000光年ほど離れたところにいて局所バブルの中に入ったのは500万年前と計算された。800万年後には局所バブルから抜け出す予定である。

太陽系に存在する元素は、多い順に、水素、ヘリウム、酸素、炭素、窒素、鉄、マグネシウム、硫黄、アルミニウム、ナトリウム、カルシウム、ニッケルとなる。物質（質量）の大部分は太陽にある。これらの元素は恒星内部の核融合反応でできた原子核である。超新星爆発や中性子星の融合により作り出された重い原子も含まれている。

太陽系の主な天体には、唯一の恒星である太陽、８個の惑星と、惑星の周りを周回する衛星からなる。火星と木星の間で、大きな惑星に成長できなかった微惑星は、たくさんの小惑星にとどまり、小惑星帯となった。セレス、パラス、ジュノー、ベスタのほか、12万弱発見されている。小惑星ベスタは地球と同じように内部に層構造を持つ。

海王星の外側にはいくつかのガスを持たない天体があり、エッジワース・カイパーベルトと呼ばれる。周期 200年以下の短い周期の彗星の起源がこのあたりにある。これらの天体をまとめて準惑星とよぶ。かつて惑星に分類されていた冥王星は準惑星とされた。

太陽は、あらゆる方向に太陽風とよばれる超音速のプラズマを放出しており、星間ガスの中に巨大な回転楕円体の空洞を作っている。この空洞は太陽圏（ヘリオスフェア）とよばれ、約100 ～ 150 天文単位（AU）にわたって広がっている（1 AU は地球から太陽までの平均距離。約1.5 億km）。超音速の太陽風は末端衝撃波面で急激に減速し、ヘリオポーズ（太陽圏境界）で恒星風と平衡に達する。末端衝撃波面の外側は太陽風が低速で流れていて、ヘリオシースと呼ばれている。この領域では、太陽プラズマと星間ガスとの相互作用が優勢になる。その外側にはオールトの雲と呼ばれる長周期の彗星のもとが広がっている。彗星は太陽の引力に導かれて太陽のそばまで落ちてくることから、太陽系の一部と考えられる。オールトの雲は太陽から10万AUまでと推定されている。オールトの雲を含むと太陽系の直径は約3光年（3ｘ6万6千AU）となる。

+++　小惑星は小さな石や砂の凝集体のようだ　+++

はやぶさは小惑星の具体的なイメージをもたらしました。まず、イトカワが一つの岩ではなかったこと。イトカワは見たところ、表面が砂と大小さまざまな岩石の集合体、凝集体です。小惑星とか、微惑星というと、衝突すると砕け散るような硬いイメージがありましたが、そうではありませんでした。実際はイトカワの中身は1個の岩かもしれません。

地球上では存在できない凝集体が宇宙に浮かんで、形を成して太陽の周りを公転していることが不思議です。近くに大きな重力場がない真空の世界の特長を示しています。衝突するときは、砕け散るのではなく、泥団子が合体するような衝突でしょう。液体の玉が変形しながら融合するようなイメージです。微惑星がある程度成長するまではこんな単なる宇宙の塵の集まりだったと想像されます。岩ができるためにはかなり巨大な塵の塊ができ、重力で押しつぶされるか、高い温度で溶融する必要があります。石ができるにはその岩が砕ける必要があります。

彗星も同じような顔をしていました。ヨーロッパ宇宙機関の彗星探査機「ロゼッタ」は2004年3月2日に打ち上げられ、何度もスウィング・バイを繰り返して加速し、2014年8月にチュリュモフ・ゲラシメンコ彗星に到着しました。彗星の地表に着陸機フィラエを投下しましたが、あいにくと日陰だったため、太陽光発電ができずに機能しませんでした。フィラエは史上初の彗星に着陸した探査機です。9月30日まで彗星を観測しました。チュリュモフ・ゲラシメンコ彗星は2つの楕円形の塊がずれてくっついているのでお風呂で遊ぶアヒルの形です。彗星も基本的には粒の凝集体です。

+++　曼荼羅は中心を持った秩序で森羅万象を説明する　+++

世界観を説明する代表例が曼荼羅です。密教では金剛界曼荼羅と胎蔵界曼荼羅の二つで対になっていて、両界曼荼羅または両部曼荼羅と呼ばれます。

金剛界曼荼羅の中心には大日如来が位置し、その周りに、阿しゅく・宝生・阿弥陀・不空成就の四尊の姿があります。構図は「４」の繰り返しで、さらにその周りに菩薩(ぼさつ) 、明王(みょうおう) 、諸天(しょてん) 、法具の４つが整然と配置されます。金剛界曼荼羅は中央からぐるりと全体を回って周辺へいたる思考と、逆に周辺から中心に入る思考の２つを読み取ることもできます。基本構造の繰り返しは一つの原理から世界の多様性が生じ、またすべての世界の多様性が、一つの原理に帰一するといった思想も表現しています。

胎蔵界曼荼羅は中央に真理の人格化された大日如来が描かれ、その周りを四如来四菩薩の主要尊（中大八葉院：ちゅうだいはちよういん）が配置されます。方位であらわすと宝幢（N）、開敷華王（E）、無量寿（S）、天鼓雷音（W）の四仏と、普賢（NE）、文殊（SE）、観自在（SW）、弥勒（NW）の四菩薩です。方位は現代で書いてありますが、金剛界では上が西だそうです。周辺に枠（院）が設けられて、神や人、悪鬼羅刹、餓鬼などが階層的に配置され、大日如来が世界の原理であることを示しています。

14．太陽系の誕生・・・降着円盤 [重力]


隕石の年齢を調べた結果、太陽系が生まれたのは46億年前と計算された。太陽系誕生には45億6700万年前に矮小銀河が天の川銀河に衝突して起きたスターバーストが契機になったとする説がある。

太陽系の元となった星間物質の雲は少しずつ凝縮し、重心へ落下した。ガスの大半は水素分子や一酸化炭素分子などの分子で占められた。全体の質量に対する割合はわずかであったが、大量の数μm程度の微小な固体粒子もあった。ガスは落下して凝集する間に角運動量が保存されるために渦を巻いた。重力で凝集する場合、回転軸に垂直な面内では重力と遠心力が拮抗し、物質はすぐには中心へ落ちない。一方、回転軸に平行な向きには遠心力が作用しないため、重力による凝集が進む。この結果、物質分布は次第に扁平になり回転する降着円盤が形成された。

やがて、回転の中心に巨大なガス球が作られた。ガス球の中心部は圧縮されて温度が上昇し、双極分子流が発生した。収縮がさらに進み、臨界温度を超えると水素原子核の核融合が始まり、原始太陽となった。

原始太陽系分子雲が縮み始めてから、惑星ができるまでは1000万年から１億年と見積もられている。降着円盤の中のダストは、ゆっくりと集合し、粘着力や非弾性衝突により小さな塊をつくった。ぺブルと呼ばれる。ぺブルは凝集し、直径が大体10 km程度の大きさの微惑星になった。微惑星は太陽の周りを公転しながらお互いにぶつかり、くっついたり、衝突の衝撃で壊れたりしながら、成長した。微惑星の中には金属鉄のコアを持つものもあったらしい。降着円盤から直径10km程度の微惑星が形成されるまではかなり速く、10万年程度と見積もられる。地球はその後、微惑星が集合して3000-4000万年かけて作られた。

原始惑星の質量が地球質量の約10倍を超えると、その惑星は水素ガスも重力により集めることができる。原始惑星系円盤内には、質量にして固体成分の100倍ものガス成分が存在するので、惑星の質量は一気に増大する。10地球質量程度の質量を持った核(コア)の周りに、コアの何倍もの質量のガスをまとった木星型の惑星が形成された。木星は核融合のスイッチが入るには体重が足りなかった。木星より外側には土星、天王星、海王星と、同じようなガス状の巨大惑星が誕生した。太陽系の外側ほど金属元素は少なくなり、氷と土などの軽い元素によって構成されると考えられる。

太陽系の外側では太陽系初期の惑星形成はゆっくりと進み、その間に原始分子雲は太陽風で吹き飛ばされたため、これらの天体は惑星形成の途中で取り残されたようである。太陽系の惑星は8個が知られている。海王星の外側の準惑星の軌道から地球質量の5-10倍程度の9番目の惑星が存在するという説がある。

カイパーベルトにある岩石が海王星などの重力で撹乱され、彗星になる。同じメカニズムでカイパーベルトから木星軌道の内側にある小惑星帯にも岩石や天体が注入される。太陽に近づいたカイパーベルト天体は加熱され揮発性成分を失い、岩石質の隕石になる可能性がある。また、この岩石の太陽の重力井戸への落下は現在も続いている。

+++　惑星誕生のモデル　+++

主に、3つのモデルがあります。

原始惑星が軌道を回るときに小石を集めるように成長するpebble accretionモデル。pebble accretionモデルでは1個のコアが周りの小石を集めながら成長し、しかも成長につれて軌道が内側に移動するので効果的に成長できることが利点です。pebble accretionモデルは成長の過程をうまく説明しますが、最初のコアがどのように作られるかを説明しません。

原始太陽の周りに塵やガスからなるディスクが形成され、その中にガスや塵が凝集して微惑星が形成され、微惑星が衝突して次第に惑星に成長した。モデルはCore accretionと呼ばれます。また、ガスが渦を巻き、乱流となって濃淡が成長してコアができ、コアがガスや塵を集めてやがて惑星に成長するモデルがあり、Streaming instabilityと呼ばれます。これらのモデルで岩石惑星、巨大ガス惑星の形成過程がコンピュータ　シュミレーションによって説明されてきました。

しかし、現在では原始恒星系は多数見つかっており、多様なディスクも観察されています。したがって、かつて太陽系のデータを元に提案されたモデルでは多様な恒星系の姿を説明できなくなっています。もっとややこしいのは他の原始恒星系を形成するディスクの質量は小さいようで、どこからか物質が供給されなければなりません。実際、Taurus Molecular Cloudでは流れのような2本の筋も観察されました。

他の原始恒星系での惑星形成の解析はこれからでしょう。マイクロ波、赤外線を検出する大口径、高性能の天体望遠鏡の建設計画が進められています。

+++　分子は粘着力がある　+++

気体の分子は真空中に独立して存在します。しかし、液体や固体の分子は単独では存在できません。金属などの自由電子を発生するものは特にくっつきやすい性質を持ちます。分子や原子は「ねばねば」しているのです。おもに電磁気力による粘々で、ファンデルワールス力と呼びます。粘々を引き離すのは温度による分子運動であり、くっつくかどうかは周りの温度によって決まります。くっついた分子は真空中を漂い、ぶつかったらまたくっつき、成長します。成長は分子の密度が高ければ速くなります。

原子は決まった半径を持つ球のように振舞います。最外殻電子が原子間の相互作用を決めます。化学結合は原子が電子雲を共有することで起きます（共有結合）。電子雲は2個の電子がペアでいるときに安定する性質があるからです。ところで、物質は分子でできています。分子を近づけると、ある距離で弱く結合して安定します。これがファンデルワールス力です。分子を構成する原子の電子雲が一部重なり、小さなマイナスの雲を作り、これが介在して原子核のプラス電気が引き合うからと説明されます。　

分子は光子を吸収して励起します。この場合の光子は電磁波、紫外線、ガンマ線などです。電磁波はエネルギーが弱いので分子の運動が増します。これがファンデルワールス力を引き離す力です。紫外線は電子を活性化して化学反応を引き起こします。ファンデルワールス力はもちろん、共有結合も切れたり、新しく作られたりします。ガンマ線は電子を弾き飛ばし、分子を壊し、また大規模な化学反応を起こします。

太陽系誕生の頃は太陽からの光エネルギーは弱かったので液体や固体の微粒子が成長する傾向が高い状態にあったと思われます。

+++　天体の周期に基づいて人類は暦を作った　+++

時を示すのは暦です。１週間の起源は、古代バビロニアに遡ります。月の満ち欠けの周期（約28日）の4分の1を単位にしました。ユダヤ教が聖書にこの周期を神の周期として取り入れ、それをキリスト教、イスラム教が継承し、世界に普及しました。イスラム教の安息日は金曜日、ユダヤ教は土曜日、キリスト教は日曜日で、仕事を休んで神に祈りをささげます。

対する中国では干支（えと）でしょう。十干（じゅっかん）と十二支の組み合わせのことです。十干と言うのは、甲、乙、丙、丁、戊（ぼ）、己（き）、庚（こう）、辛（しん）、壬（じん）、癸（き）です。暦では、甲（きのえ）、乙（きのと）、丙（ひのえ）、丁（ひのと）、戊（つちのえ）、己（つちのと）、庚（かのえ）、辛（かのと）、壬（みずのえ）、癸（みずのと）とも読まれます。中国の殷の時代から、10日ごとに循環する日を表示する数詞として用いられていました。十干は年と日を示すほか、種々の分類記号としても用いられ、昔は学業成績などの表示に、今では契約書の人もしくは法人を示す記号としてよく目にします。

周の時代になると、十干は十二支と組み合わされて年と日とを表すようになります。十二支は子丑寅卯辰巳午未申酉戌亥（ね、うし、とら、う、たつ、み、うま、ひつじ、さる、とり、いぬ、い）です。十二という数字は木星が天球の黄道を約12年かけて一周するため、とされています。

やがて、漢の時代（一説には戦国時代）になると、陰陽五行説の五行、"木火土金水"と結合します。結果、木（甲乙）・火（丙丁）・土（戊己）・金（庚辛）・水（壬癸）のように二つずつ五行に配当され、さらに二つは、五行各々の陽すなわち兄（え）と、陰すなわち弟（と）を示すとされました。

15. 地球・・・太陽系の非ガス成分 [コンドリュール]


原始太陽から1.5億キロメートルのところを公転する地球は他の惑星と異なった風貌を持つ。

原始の地球の構成成分は現在の太陽系に漂う、惑星に吸収されなかった微惑星を調べることで推定する。具体的には隕石と彗星である。隕石のうち、惑星ができた当時から存在する最も古い隕石は炭素質コンドライトである。この隕石の化学組成は水素、ヘリウムを除いて太陽系の成分と同じである。鉄・ニッケルばかりでなく、かなりの量の水や炭化水素が含まれている。45.6億年前に形成されたとされるコンドリュールと呼ばれる小さな球状の粒子を含む。無重力の状態では、揮発性分子が集合してできた物体は球になると予想される。炭素質コンドライトは熔融・固化という熱変成を受けていない隕石と考えられている。

現在の太陽系では、彗星の長い尾は、地球軌道の辺りで水蒸気を含むようになる。しかし、地球が誕生した頃は太陽からのエネルギー放射が現在より少なかったので、地球の軌道付近の温度はもっと低く、微惑星は大量の氷や低分子有機物を含んでいた可能性がある。太古の地球の地表は岩石と言うより、単純な炭素化合物を大量に含んだ泥であったかもしれない。

原始地球は公転軌道の周囲に残っていた大量のぺブルや微惑星を引き寄せて成長した。太陽の活動が活発になると、太陽風が発生し、太陽に近い領域からガスを吹き払った。100万年ほどで、わずかな大きさの違いが成長して十数個の原始地球に成長した。その頃、ようやく木星も成長し、原始地球の軌道に影響して原始地球群に最後の成長への一押しを行った。

地球に落下する微惑星は衝突エネルギーにより融け、微惑星中に含まれていた水分や気体成分は一瞬にして蒸発した。現在の地球の半分くらいの大きさになると、重力は気体を逃がさない強さになり、大気の層ができた。さらに降り注いだ隕石から揮発性物質が地球に供給され、原始大気が誕生した。原始大気による温室効果で熱が宇宙空間へ逃げる速度が遅くなり、地表は徐々にマグマに変わりはじめた。やがて、地表は煮えたぎるマグマオーシャンへと変化し、その深さは500 km、温度は千数百度に達した。マグマオーシャンの中で重い鉄などの成分は軽い岩石分と分離して、マグマオーシャンの底に溜まった。ただし、ジャイアント・インパクト以前の地球大気の存在には否定的な学説もある。

地球の半径が現在の70%くらいになると、マグマオーシャンの底に溜まった重い金属は一気に中心へ落ちていき、核を作った。このときに開放された重力エネルギーにより地球は芯まで融け、軽い岩石成分（マグマオーシャンの部分）と金属核に分離した。熱を放出して地球が冷却すると、地球全体のエントロピーは減少する。その分、地球は次第に複雑な構造に秩序化（組織化）した。

+++　ポテンシャル・エネルギー　+++

地球を融かしたエネルギーの源は位置エネルギーと呼ばれます。一般的な言い方にするとポテンシャル・エネルギーです。位置エネルギーは重力の作用する場で生じるエネルギーで、重力の中心へ移動（運動）することで、運動エネルギーに変わります。物体にぶつかれば、その物体を破壊し、変形させ、熱エネルギーになって空間へ逃げていきます。重力の中心には質量（物体）が必ずありますから、位置エネルギーは最終的には熱エネルギーになります。

位置エネルギーと運動エネルギー、すなわち、物体の位置と運動は相互に関係しあって、エネルギーとしての総和は一定の値になります。熱エネルギーは熱く、化学エネルギーは燃料などの実体があって、捕らえやすいですが、位置エネルギーには実体はありません。中学校で位置エネルギーを習ったときは面食らったものでした。位置エネルギーを生み出す場があって、その場があるために物体が運動します。運動すると位置が変わり、その位置にふさわしい量の位置エネルギーを得ることになります。

重力場を二次元で表現してみましょう。重い物体が薄い膜の上にあると、重みで膜がへこみます。まっすぐ転がっていた玉はその凹みで運動の方向が変わります。凹みに捕らえられると物体の周りを回転することになります。実際の世界では摩擦があるために運動エネルギーは熱エネルギーに変わり、やがて玉はへこみの中心の物体にぶつかるでしょう。場に置いた玉は重力場、すなわち、勾配にしたがって運動することになります。たくさんの重力場があると、凹みが重なり合って複雑な空間ができます。宇宙は星の質量により、でこぼこしていることになります。 重力場では位置エネルギーと運動エネルギーの和が一定になりますが、一般的な場では一定になるとは限らないでしょう。ポテンシャル場の一般的な表現はラグランジュ方程式、ハミルトンの方程式（ラグランジアン、ハミルトニアンなどの演算子）と呼びます。くわしくは解析力学の専門家にお尋ねください。

地球上では地球という質量が圧倒的な重力場を作っていて、地球上の物体は逃れることはできません。

+++　資源衛星　+++

天気予報を見ていると、宇宙からの観測が日常的であると感じます。観測されているのは雲の動きや海水温だけではありません。地表の高低差、建物の変化、地熱、植物の活動。軍事的な観測もあります。通信衛星の果たす役割は日常生活では欠かせないものになっています。

宇宙からの観測は環境犯罪を取り締まるために有効な手段です。宇宙から地形、森や建物の変化を観測し、常態化した環境汚染や廃棄などの証拠を見つけます。広範囲にわたっているために地上からでは見えにくい変化が宇宙から観測可能です。環境犯罪の証拠を見つけると何らかの政策がとられます。

逆に言うと、これらの衛星が破壊されることは日常生活を破壊すること。2050年には宇宙での支配権が重要な軍事目標になります。人口衛星の位置を特定するレーダー網、任意の人工衛星を破壊するミサイルの配備。破壊された機能のバックアップシステム。21世紀後半には宇宙戦争が地上戦より重要なカギを握ります。

16. 月・・・ジャイアント・インパクト [潮汐作用]


地球の形成の最終段階で現在の地球の質量の10-15％程度（火星ほど）の惑星（テア、Theiaと呼ばれる）が衝突した。その結果、地球に最後の10%の質量を提供したが、惑星と地球の表層部分が地球周辺に飛び散った（ジャイアント・インパクト）。それが再び集まって独立した天体として地球の周りを公転しているのが月である。月の岩石の年齢から45.3億年前とされている。月の誕生はアポロ計画で持ち帰られた月の石に含まれたジルコンの年代測定から太陽の誕生後6000万年頃とされる。

ジャイアント・インパクトは木星などの巨大惑星による撹乱が原因とされている。テオの軌道を地球にぶつかる軌道に変えた。降着円盤の中で形成された原始惑星は同じ方向に同じようなスピードで回っていたはずである。テアは地球の兄弟の原始惑星であろう。地球とテアは太陽からの距離が異なる円軌道を、少し異なった速度で公転し、互いの重力で近づいた。衝突というより融合したのではないか。融合の前に互いの重心の周りをまわり、マントルの物質交換が起こった可能性が高いと思う。マントルや核の一部を奪われたテアは月として地球の重力井戸の中に残ったのだ。

シミュレーションによると、マグマオーシャンの状態の原始地球に衝突が起こると、マグマがジェットとして吹き出し、それが地球軌道上の円盤になり、やがて月になった。この時、衝突後、テアの物質とマグマオーシャンの物質が地球周辺に飛び散った。テアのコアは、再度地球と衝突した。一方、地球のマグマオーシャンの成分は、軌道上に残ったので月は地球由来成分を70%含むことにとなった。月と地球の地殻で同位体比が同じことが説明できる。単純にマグマオーシャンが冷えて固まった場合、貴金属はコアにしかないはずである。それが地表にあるのはジャイアント・インパクトのためと説明される。

テアの鉄の核の一部が融けてほかの物質と一緒に地球の上空を雲のように覆った。金属蒸気の大嵐は水分子から酸素原子を奪い取り、残された水素は厚い大気として約２億年の間、地球を覆った。マグマオーシャンが固化した形成直後の地球では岩が地表を覆い、二酸化炭素、窒素や二酸化硫黄が噴出していた。この状態で水素の毛布が掛けられると低分子の有機化合物が合成された。

アポロ計画で持ち帰られた試料を調べると、月の表面はすべて火成岩からできており、白っぽいところは形成年代が古く、花崗岩の仲間（長石の多い岩石、アノーソサイト）である。また、黒っぽいところは、35億から30億年ほど前の玄武岩からできていた。その後は、月のマグマの活動はない。アポロ計画で設置された地震波計と月周回衛星かぐやによる潮汐力による変形観測から、月には半径300kmのコアと、1400kmのマントル、10kmほどの地殻があると推定された。

+++　テアの痕跡　+++

テアの残骸が地球のマントルの深くに大陸サイズの２つの塊として残っているという説があります。科学者は地震波の解析から西アフリカ大陸と太平洋の下にコアにヘッドホンのように乗っている２つの巨大な塊があることに気づいていました。厚さは約1000km、長さはその数倍の塊で、周りのマントルより密度が高い岩のようです。

まず、アイスランドとサモア諸島のマグマの解析。それぞれ西アフリカ下、太平洋下の塊に由来するプルームからもたらされたマグマでできた火山島です。火山岩の中に地球が誕生してから１億年の間のアイソトープ比の痕跡がありました。２つの塊から立ち上るプルームは地球が誕生した時からあるようです。

月が軽い岩石からできていて小さなコアしかないことから、テアは火星ほどの大きさで核を持っていなかったとされました。が、2019年、月の岩石の水素原子のアイソトープ比の解析からテアは地球ほどのサイズがあったと報告されました。軽い水素原子も十分含まれていたのです。すると、テアのマントルはもっと鉄を含んでいて、密度が高かったと考えられます。

さまざまなサイズのテアと原始地球の衝突のシミュレーションから、テアのコアと原始地球のコアはすぐに融合しますが、テアの重いマントルは地球のマントルの底、コアの表面に残ることが推測されました。

慎重意見もあります。２つの塊は地震波の低い解像度による幻の可能性もあり、厚さももっと薄く、プルームが枝分かれする姿を見ているという説もあります。サイズが小さいという説は他の測定方法での結果と符合します。

より直接的な証拠は月のマントルのサンプルを解析することで得られます。中国と米国の探査機は深くえぐれた月の南極のクレーターから岩石を持ち帰るプロジェクトを計画しています。そしてさらには、マントルの底にもう少し小さい密度の高い塊が見つかり始めています。それは原始地球がもっと幼かった時に衝突した小さな原始惑星のコアではないかと。地下深く眠っているのはテアだけではない。

+++　太陽と月　+++

太陽と月は空で最も目立つ天体で、太古の昔から文明のシンボルでした。太陽は農耕にとってはなくてはならないもので、農耕儀礼と結びついて神格化されたことでしょう。日本神話の天照大御神は太陽神ですし、古代エジプトの最高神ラーも太陽神です。

一方で、月の神は影が薄く、日本神話の月読は神話では活躍の場がありません。太陽は昼を支配し、月は夜に輝くことと関係がありそうです。男性を太陽、女性を月と見立てる考え方もあります。こちらは月の満ち欠けの周期と月経の周期が一致することが主な理由でしょう。

太陽は西の空に沈んでいっても翌朝にはまた東の空から変わらぬ姿を現しますが、月には満ち欠けがあります。つねに不変の太陽は神の生命の象徴であり、死と再生を繰り返す月は人間の生命の象徴です。

規則的に満ち欠けを繰り返す月が先に暦に登場したのは自然だと言えるでしょう。太陽の位置をもとに暦を作ることは精密な観測が必要だからです。太陽の動きを大雑把に追いながら月の満ち欠けで細かいカレンダーを作る太陰暦は季節の動きに合わせて調整されます。

さらに、太陽と月は陰陽思想にみられるように対になる概念として世界を理解するシンボルでした。実際には月の引力のほうが地球に大きく影響します。それは潮の満ち引きです。月は地球の生物の生殖活動に大きな影響を与えています。

17. クレーター・・・冥王代の重爆撃　[エアロゾル]


太陽誕生は45.7億年前。約41億年前に天王星と海王星が形成されると、木星と土星の軌道がずれ、小惑星の軌道も影響されたと考えられる。太陽系の形成期の初期に木星は太陽に近い軌道に移動し、土星、天王星、海王星は外側に振られた。その影響で、海王星軌道の外側で形成された準惑星は破壊されてカイパーベルトになり、また、冥王星のように楕円軌道を描くようになった。さらには小惑星を現在の位置に束ねて、大量の隕石群を太陽系の中心部へ送り込んだ。

月のクレーターを観測すると、ほとんどが約41億年前にできたこと、そのサイズ分布から火星と木星の間の軌道にある小惑星が集中的に落下してできたと推測される。今から約41億年前は、数千万年から数億年にわたり地球に小惑星が隕石として落下したと考えられ、後期重爆撃期（Late Heavy Bombardment）と呼ばれる。スノーラインの外側からの隕石なので、この時に大量の水や炭素化合物が地球に供給された。原始地球の海の深さはほぼ2000mと見積もられている。地球の表面はほとんど海に覆われ、その下に玄武岩質の地殻、海の上に厚い大気があった。

後期重爆撃期に落ちた隕石の数は22000個と推定されている。クレーターサイズが2000km程度のものは40個、クレーターサイズ5000kmのものは数回と予想されている。この巨大隕石は直径が数百キロもあり、海を完全に干上がらせ、地殻を突き破ってマントルの上層部を攪乱した。岩石は一時的に熔解し、マントルの中の物質が表面にくみ上げられ、地殻の上にあった物質はマントルに埋め込まれた。隕石の衝突で海や溶岩は大気に飛び散り、大量のエアロゾルを生成し、大気と混合した。巨大隕石が落下した後も無事に海は回復した。溶岩は海によって冷やされながら、海に様々な物質をもたらした。急激に冷えた溶岩により玄武岩質の地殻が再生した。

天体が地殻に衝突すると、イジェクタと呼ばれる衝突破片が大量に生成される。イジェクタのうち、特に微細なものは表面積が大きいために、化学風化反応を受けやすい。したがって、頻繁な天体衝突によって大量のイジェクタが生成され、海に溶けた二酸化炭素（炭酸イオン）は炭酸塩として沈殿した。大気中の二酸化炭素は徐々に減少した。

現存する最古の岩石は、40億年前（正確には40億3000万年前）である。38億年前以降にできた岩石は、いろいろなところから見つかる。また、堆積岩もみられる。このことから、38億年前以降、岩石が安定に保存されるようになったと考えられる。後期重爆撃期が終了して海が38億年前から安定したためであろう。

+++　スノーボール衛星は液体の水を持つ　+++

太陽系の外側には大量の水を持つ天体（準惑星や衛星）があります。ある程度、質量が大きければ、たとえ、表面は凍っていても、海底には液体の水が存在します。天体形成時の熱を閉じ込めているからです。このようなスノーボール・プラネットは太陽系にも存在する可能性があり、太陽と無関係に液体の水を持つことができます。

地球の生命は液体の水無しでは生きることができません。太陽系が最後のときはスノーボール・プラネットに生命の種を植え込んで、太陽系外に脱出させる。遠い将来に近くの恒星の重力圏に捕らえられて、恒星の熱で表面が融け、地球の生命体を復活させることができるでしょう。

+++　ニース・モデル　+++

現在、天王星と海王星は、太陽から遠い軌道を運動していますが、この距離では原始惑星円盤の動きが遅すぎて惑星が形成されるのに時間がかかりすぎるそうです。そこで登場したのがニース・モデル。2005年にニースの天文学者により提唱されたこのモデルでは、天王星と海王星は、いずれも現在の太陽からの距離の約半分のところで誕生したと仮定します。すなわち、木星、土星、天王星と海王星の軌道はとても近くなります。しかし、この配置は不安定で、やがて、木星は太陽系の内側へと移動し、土星、天王星、海王星は外側へと移動しました。一連の運動は原始惑星系円盤の氷天体にも影響を及ぼして撹乱しました。その結果、彗星は今も地球にやってくるのです。

現在でも地球にはたくさんの物質が隕石によりもたらされます。一番目にするのは流星。流星の起源は彗星と考えられています。流星群は彗星の軌道に一致します。彗星が残していった固体粒子が彗星軌道にありますが、そこを地球が横切るため、定期的に流星群が出現します。流星は低密度の固体粒子が地球大気に衝突し、摩擦によって高温になり、発光する現象です。

彗星の起源はオールト雲やカイパーベルトと呼ばれています。オールト雲は長期彗星の軌道解析から予想されました。太陽から約５万AU（1 AUは地球と太陽との距離です。1 AUは約1.5億km）で太陽系を取り囲む球殻状の層です。約1000億もの彗星のもとが集まっているといわれています。彗星は周りの惑星の引力か、相互の衝突などの影響で、太陽への何千年もの旅に向かうとされています。

カイパーベルトは冥王星のような遠い惑星を探査することから発見されました。短期彗星はカイパーベルトあたりから折り返している計算になります。海王星より以遠にある直径100km以上の天体は10万個以上あると推定されています。オールト雲やカイパーベルトの周辺ではまだ微惑星から惑星が作られつつあるという説もあります。流星群は地球と彗星の軌道が交差すると言う証拠。いつか彗星が地球に衝突することもあるでしょう。

18. 核・・・地球内部の分離 [地磁気]


ジャイアント・インパクト後のマグマオーシャンは現在のマントル部分までの深さであった。表面が冷え固まるまで数百万年かかった。一方、金星では太陽に近いために1億年もかかった。そのために水が失われてしまった。海もできなかったであろう。

太陽は現在の70%程度のエネルギーしか放射していなかった。この放射量だと、地球表面は全面凍結する。当時の地球はマグマオーシャンの熱を内部にためており、また、二酸化炭素を主成分とした大気の層があったので、凍結することはなかったであろう。マグマオーシャンが冷えてきたときに表面には融点の高いコマチアイトが析出した。地球最初の地殻はコマチアイトと考えられる。コマチアイトは橄欖石と同じく二酸化ケイ素が少なく、鉄やマグネシウムに富んでいる。マグマオーシャンを高温・高圧下で固化させる実験を行うとブリッジマナイトが析出してくる。ブリッジマナイトはMgSiO3を主成分とする硬い鉱物で、流動性が低い。おそらく、ブリッジマナイトは下部マントルにたまっていて、マントル対流を制限している可能性がある。

地球の表面は後期重爆撃期の隕石の落下により急激に融けた。また、時には海が完全に蒸発することを何度か繰り返したであろう。後期重爆撃期は41～38億年前の3億年であったので、巨大隕石が落下したとしても地殻や海が破壊されたのは短期間であったと考えられる。

地球を形成した初期の隕石はエンスタタイト・コンドライトで、揮発性成分が少ない岩石であった。当時、地球はスノーラインの内側にあったので、周りの揮発成分は気体として太陽風で太陽系の外側へ吹き飛ばされたためである。

地球に水を供給した小天体としては彗星と小惑星のどちらも可能性がある。かつては彗星が原始地球に水を供給したとする彗星説が主流だった。彗星は主成分となる氷に塵がまぶされている。ハレー彗星では80%が氷である。しかし、2014年にゲラシメンコ彗星の成分をロゼッタ探査機が調査したところ、水素の同位体比が地球の海とは大きく異なっていることが判明した。現在は小惑星説が有力である。

初期のマグマオーシャンの時期、ジャイアント・インパクトによる地球の完全溶融、その後の重爆撃期での再加熱によって、地球内部の重い成分は地球の中心へ沈み、鉄とニッケルを主成分とした核を形成した。冥王代の核は液体金属であり、地球の自転の影響により、流れが生じて磁場を形成した。

地球ができたころにもし磁場がなかったとしたら宇宙からの粒子線で揮発成分は分解され、海水はすぐに干上がってしまった可能性がある。水蒸気は上空で太陽風により分解されて、水素ははぎ取られてしまう。水蒸気の蒸発が促進されて、最後には海が消失する。

現在の核は固体の内核と液体の外核から形成され、外核は内核を避けるように対流するため、地球の自転軸と平行にらせん状の運動をする。磁場中で回転運動をする金属に電流が流れるように、コアの液体金属にも電流が流れ、右ねじの法則に従って磁力線が生まれる。

地球磁場は数万年～数十万年の間隔で逆転する。そのとき、磁場が弱まり、数千年にわたって地表に宇宙線や太陽風が降り注ぐ。陸上生物はこれまでに幾度となくそのような危険にさらされたと考えられるが大量絶滅には至らなかった。磁場の反転が最後に起こったのは77万年前である。

+++　地球は電磁場で覆われている　+++

地球は巨大な磁石です。地球の磁場は太陽風や宇宙線に対する巨大なバリア「磁気圏」を作って、我々を有害な宇宙線から守っています。地球には太陽や高エネルギーの放射線、例えば水素の原子核である陽子などの人体に有害な物質や、太陽から流れてくるイオンや電子などの太陽風が飛んできています。実際には、これらのイオンは地球の磁場により力を受け、運動方向を曲げられて磁気圏を作ります。磁気圏が受け止めたエネルギーの約１割が磁気圏に取り込まれオーロラや放射線帯に形を変えます。

太陽表面の爆発である太陽フレアは強い太陽風の衝撃波を送り、磁気圏を大きくゆがませます。2003年10月に発生した最大級の太陽フレアの衝撃波で地球の磁気圏が大幅に圧縮され、例えば、昼間側にいた静止衛星が磁気圏の外側に放り出されました。そのとき地球観測プラットフォーム技術衛星「みどり2号」は強いオーロラが発生している極冠域のオーロラ帯を通過しました。そのため、太陽電池パドルが帯電し、磁気圏の乱れによって上昇した電離圏プラズマに突っ込み、放電して太陽電池がショートした可能性があるということです。太陽フレアの衝撃波と磁気圏という、まるでSFアニメのような壮大な、攻撃的なイメージに驚きました。

+++　地球の磁場は磁針により検出され、羅針盤が作られた　+++

方位磁針が北を指すのは、地球のコアが強力な磁場を発生しているためです。地磁気は人類が大洋を旅するのに必須でした。人類だけではありません。渡り鳥や鳩の脳の中には小さな磁石があり、彼らは地磁気を使って方向を知るそうです。

方位磁針の発明者はわかっていません。古代ギリシャや当時の中国では磁化した金属の存在を既に知っていたようですが、南北を指す方位磁石が歴史に登場するのは中国の漢の時代、およそ2000年前のことです。11世紀の宋の時代になると、年月日や季節などを方位に置き換えて方位磁石の周りに複雑に配した羅盤がつくられ、風水の基礎が完成しました。また、11世紀末の中国の書物には、水に浮かべた磁針が北を指すことが記さています。方位磁石は羅針盤として12世紀始めの中国で航海に使用されていました。羅針盤は元帝国によって整備された海のシルクロードを通って、インド、アラビアへと伝わり、13世紀に海運国イタリアへ達したとされています。羅針盤は、バスコ・ダ・ガマやコロンブス、マゼランなどの大航海を成功させました。彼らの地理上の発見は閉ざされた中世ヨーロッパの世界観を打ち破ることになりました。

しかし方位磁針を手に入れただけでは航海はできません。正確な地図の上で自分の位置を示す必要があります。正しい地図を作るにも方位磁針が必要です。港を出て沿岸を航海しながら、方位磁針で方角をきめ、測量に基づく地図が作られるようになりました。

+++　界面　+++

物体は様々な分子が混合しています。通常は熱力学第二法則に従って、エントロピーが増大するように、すなわち、ごちゃ混ぜになるように変化が進みます。しかし、条件によっては性質の似たもの同士が集まった方がエネルギー的に安定することがあります。その場合、分子は集合体（相）に分離します。身近な例では、セパレート型ドレッシングを想像してください。油と水の相に分離します。

地球の場合、金属核ができたときが最初の相分離でしょう。重い金属成分はマグマオーシャンの粘度の高い液体の中で沈みました。また、気体や液体が地球表面に染み出し、表面に薄い大気の膜を作りました。さらに、マグマオーシャンの軽い成分は地殻を作り出し、海ができてからは大陸成分がマントルの上に浮くようになりました。

界面とは、均一な液体や固体の相が別の相（固体、液体、気体、真空）と接している境界のことです。均一であるはずの液体も温度差（密度差）があるために2つの層に分離することがあり、層の境界が界面になります。界面では性質の異なった物質が接するために特殊な物理化学反応が起こります。界面では非平衡の状態ですので、それを打ち消す力（均一になろうとする力）が働くからです。

集団の間のトラブル、それが人間社会における「界面現象」です。現代社会では、コミュニティが利害関係、力関係で絡み合って複雑です。さまざまな利害が衝突しますが、衝突が見えるのは健全な社会である証拠。争いのない状態や、争いが表に出ない状態こそ病気です。そして、社会は日常生活のレベルから国家レベルまで衝突や争いを調整する機能を持つことで健全と言えます。

個々の人を見る限りにおいて、能力、興味、性格に明確な区分を作ることはできません。しかし、人間は集団を作ります。血縁や地縁に始まり、職業、教育などの機会、大きくは、国家や文化による集団です。集団は共通の生き方、考え方を自発的もしくは半ば強制的に人々に提供します。人々は多少の不満があっても集団を維持する方を優先します。

2つの層に分かれていても人間社会は協力関係、なかでも互恵的関係のうえに成り立つことを考え、マイナスの界面現象をうまく調整する必要があるでしょう。また、新しい文化が生まれるなど、プラスの界面現象はお互いが享受すべきです。

19. 海・・・地球表面の分離 [超臨界流体]


地表にマグマオーシャンがあったとき、大気中の水は超臨界状態にあった。温度低下に伴い、臨界温度よりも低くなると、水は液体に変わった。約41億年前から後期重爆撃期が始まった。隕石は炭素質コンドライトであり、揮発成分が多かったと思われる。後期重爆撃期により地球に水がもたらされ、海が拡大した。海はおそらく43億年前から存在したと思われる。後期重爆撃期の巨大隕石の落下によって何度か蒸発したが、しばらくすると量を増して元に戻った。38億年前に隕石の落下が終わると安定した。

水は気圧と温度が低い大気の高い位置で雨に変わり、地表に達するまでに蒸発した。大気が冷えるに従い、雨は徐々に低い位置まで達するようになった。水蒸気は100 気圧のとき、絶対温度で650K(380℃)以下になると液体の水になることができる。この温度を水の臨界温度という。原始大気が100気圧（ほとんどが二酸化炭素と考えられる）、地表が300℃ほどに冷えたときに雨が地表に落ちた。

マグマオーシャンが冷えた後は、現在では考えられない高温の海があった。この時、二酸化炭素は43気圧に達する量が大気に存在したが、臨界温度より低くなってできた海にそのうちの10％程度が溶けていた。地球が冷えてから数千万年で大気中の二酸化炭素分圧は1気圧ほどに低下した。

海ができた証拠として枕状溶岩がある。溶岩が水中に吹き出て急激に冷やされたために特徴的な形態をとる。38億年前の枕状溶岩がグリーンランドのイスアで発見された。カナダ北部のアカスタ地域には40億年前の花崗岩起源の変成岩が発見された。花崗岩はプレート・テクトニクスと海の存在を示す。

地表の堆積岩には二酸化炭素の大気に換算すると90気圧にもなる炭素が含まれている。これは金星の大気とほぼ同じである。金星の大気は濃厚な二酸化炭素と窒素からなる。大気の上の方、地球の大気分くらいの深さでは、地球より温度が低い。その下には50kmになる濃厚・高温大気があり、高度が低くなり圧力が増すにしたがって高温になっていく。大気の底では400℃になる。

さて、原始地球の炭素の濃度はどのくらいだったのだろうか。まず、現在の海の水量13億5000万km3に地表での炭素循環総量50兆トン（いずれもウィキペディア）を溶かすと3.6％程度になる。また、原始の海の深さ2000km、現在の地殻の重量2000京tと炭素の含まれる割合0.03％より、海に溶け出した炭素の割合を1％と仮定して、6.6％となる。絹ごし豆腐や牛乳の水分量が90％というのを参考にすると、原始地球の海は意外と有機物でどろどろしていたかもしれない。

月はジャイアント・インパクトで形成された当時はロシュ限界（その内側では潮汐力で衛星が破壊されてしまう距離）付近（約50,000 km）にあった。当時、地球は、約6時間で自転し、月は10時間で1周していた。潮汐力は重力ポテンシャルを熱に変換する。地球全体を加熱し内部構造を変化させ、重力的なトルクを生じさせて軌道運動を変化させるなど、惑星－衛星系システムの進化を根本で支配する重要なメカニズムである。地球の固体部分をも変形させ、赤道直径が極方向の2倍近い扁平な形をしていた。月の公転と地球の自転周期とのずれから潮汐力による摩擦が生じて、地球の自転は減速し、月が加速され、遠ざかった。潮汐力の大きさは地球から月までの距離の３乗に反比例するので、潮汐摩擦の作用は急激に弱くなり、数億年で地球表面は安定したと考えられる。

地球に海ができたあと、月の引力による大きな潮汐力は海の高低差を生み出し、波の高さは1000 mにも達したと考えられる。推定される太古代の海の深さは2000 mであることから、巨大で激しい波が地球表面を洗い続けていた。また、太古代の地球ではたとえ島ができたとしても潮汐波によって洗い流され、41-38億年前の後期重爆撃期の巨大隕石によってできたクレーターも埋められて平らになったであろう。

モデルによると、24億年前には１日は21時間と長くなった。そのあと、約10億年間は一定のまま推移した。地球の重力と月の引力が釣り合ったためである。バランスは完全ではなかったため、７億年前から再び自転速度が遅くなり、現在では約24時間になっている。ここ数億年は地球の自転が遅くなる（＝月が遠ざかる）割合もほぼ一定である。現在の月までの距離の変化は、アポロ計画で月におかれた鏡を利用して、毎年3.8 cmと観測されている。

+++　物質の三態　+++

物質は温度によって固体、液体、気体と変化します。この変化を物質の状態変化といいます。物質の状態は、物質を構成する分子の集合する状態です。分子は熱運動をしていますが、分子の間には引力が働きます。固体は粒子が規則正しく配列し、その位置を中心に熱運動をしています。加熱すると分子の振動は激しくなります。加熱を続けると熱運動のエネルギーが分子の間の引力に近づき、分子の配列が崩れ、自由に位置を変えられるようになります。この時、物質は固体から液体に変化します。さらに熱を加えると、分子運動のエネルギーは分子間の引力より強くなり、分子の集団は気体となって液体を押しのけて膨張します。地球上では泡となって上昇し、沸騰します。

加熱すると固体、液体、気体の温度は上がります。しかし、固体が液体に変わるときに、また、液体が気体になるときに熱エネルギーが状態を変化させるのに使われ、加熱しても物質の温度が変化しない時期があります。固体が液体に変化することを融解と呼び、その時の温度を融点と呼びます。水を例にとれば、氷が水に変化することを融解、その時の温度は０℃です。

物質の状態変化の温度は圧力によって変わります。圧力が高い状態では融点、沸点は一般に高くなり、逆に圧力が低くなると低くなります。

二酸化炭素の固体はドライアイスですが、地球上の１気圧の時は液体状態が存在せず、直接固体から気体に変化します（昇華）。しかし、高圧下では液体の二酸化炭素ができ、温度が上がれば沸騰して炭酸ガスになります。水も圧力の低い宇宙空間では液体になることができず、昇華して水蒸気になります。

圧力を高くすればどんどん融点と沸点が上がるかというとそうではありません。圧力と温度と物質の状態をグラフにしたのが物質の状態図です。加圧することで水を液体のまま温度を高めていくと約380℃で超臨界流体になります。この状態では密度は液体ですが、運動性は気体。水もしみこまない物体の隙間でも水が入り込んでいきます。二酸化炭素は31℃で超臨界流体になります。温度が低いので洗浄や物質の抽出に使われます。

+++　ゾルとゲル　+++

物質の状態変化は純粋な物質の場合は物事をうまく説明できますが、身の回りには純粋な物質より、さまざまな混合物のほうが多いと思います。そのような物質の状態はゲルとゾルをイメージすればよいと思います。ゾルは流動性のある状態、ゲルは流動性のない状態です。

ゾルは液体内で粒子を分散させることで生成されます。典型的な例は泥水。食品にはゾルが多く、例えば、みそ、ジャムやマヨネーズです。

気体のゾルもあります。エアロゾルと呼びます。エアロゾルの場合は気体に注目せずに分散されている微粒子が着目されます。花粉や黄砂、粉塵、PM2.5など。

温度によって性質が変化する高分子の分子を含む水溶液は、温度を上げることでゾル状態からゲル状態に変わるものもあります。典型的な例は卵ですね。生卵がゾル。ゆで卵がゲルです。

ゲルはゾルに分散している高分子同士が手を繋ぎ合わせ（架橋）出来たものの総称です。形があるので固体の仲間とみてよいかと。とはいうものの粒子自体の割合は低く、液体がほとんどの体積を占める場合が多い。架橋が共有結合だと温度を上げても壊れませんが、分子間力だと温度を上げるとゾルになります。ゲルの代表例はプリンやゼリー、寒天です。

ゲルから液体を除去して空気にしたものがエアロゲルと呼ばれます。空気をたくさん含んでいますが、形は保っている。非常に軽い物体です。

20．大気・・・地球表面の冷却 [水]


45億年前、マグマオーシャンで覆われていたが、マグマオーシャンから滲みだしたガスの大気をまとっていた。マグマオーシャンが固化した後、火山活動や隕石の落下により大気が補給された。長い間に軽い水素やヘリウムは宇宙へ逃げていき、安定で重い窒素が主成分になった。酸素は30-35億年前まではほとんどなかった。

初期の雨には塩化水素が溶け込んでいたため、強い酸性であった。塩酸の雨水は地上の岩石と接触して、マグネシウム、カルシウム、アルミニウム、ナトリウム、カリウム、鉄などのイオンを溶かし出し中和された。

海が中和されると、大気中の大量の二酸化炭素が原始の海に溶け込み、カルシウムイオンや重金属と結合し炭酸カルシウム(石灰岩)となって沈澱した。原始大気中に含まれていた二酸化炭素は10気圧ほどに低下し、二酸化炭素による大気の温室効果が和らいだ。大気成分の90％が二酸化炭素で、残りは窒素であった。海洋地殻の熱水噴出孔では炭酸塩鉱物が晶出するため、噴出する熱水中の珪酸塩濃度が上昇し、また、海水中のカルシウムイオンが減少して、リン酸の濃度が上昇した。

小さな隕石の衝突実験からは隕石は海面でいっきに粉末化することがわかった。そのときに有機物は摩擦熱による分解を免れたかもしれない。また、微細な隕石は大気がクッションになって終末速度に達し、海に連続的に降り積もっていた可能性がある。地球の形成後、微細な隕石が大量に残っていたとすると、その有機物が地球上に供給された可能性が考えられる。

宇宙塵のうち、マイクロメートルサイズのものは空気抵抗で減速されてゆっくりと地球に降ってくる。40億年前くらいで隕石が運び込んだ有機物は1年あたり数トン、彗星が運び込んだのは数百トン、宇宙塵は数十万トンにも及ぶと推測された。宇宙塵の有機物は不溶性の複雑なものが多かった。

プレート・テクトニクスにより海水中の重金属がマントルに運ばれた。初期の地殻であるコマチアイトはプレート・テクトニクスによりマントルに沈み、地表には玄武岩質の地殻が作られた。鉄などの重い金属の大部分が核として沈みこんだとすると、地表に残るのは酸素、炭素、窒素、ケイ素、マグネシウム、硫黄、アルミニウム、ナトリウム、カルシウムなどである。炭素、酸素、窒素は生物を構成する有機物を作る骨格を提供する。これらの元素は揮発性の分子を作る。

太陽はこの1.2万年間に8回スーパーフレアを起こしている。１億年では７万回になる。スーパーフレアの高エネルギー粒子により地球大気では年間数万トンのアミノ酸が生じた可能性がある。高エネルギー粒子は宇宙塵の氷の微粒子を突き抜ける際に分子量1000程度の有機物が形成される。これが水中で加水分解されるとアミノ酸などの分子ができてくる。

現在の地球全体の熱収支を記しておこう。コアからマントルへは7x1012W。マントル内での放射性同位元素からの熱供給が20x1012W。宇宙へは46x1012W。したがって、コアはできたときから1000℃ほど温度が下がり、マントルは400℃ほど温度が下がったと計算される。

+++　大気中では小さな粒子は漂う　+++

太陽系空間にある粒子は、位置エネルギーに応じた運動エネルギーを得て、太陽へ向かって落下します。運動の方向が惑星などによって逸らされると、楕円運動をします。運動に対して大きな摩擦抵抗が発生しないので、運動は規則的であり、ほとんど減衰しません。

それに対して地球には大気があるため、運動の様子が変わります。特に、小さな粒子は落下することなく、空気中を漂うようになります。

空気中を漂うような液体または固体の微小な粒子をエアロゾルといいます。われわれの周りにあるエアロゾルは、その生成過程の違いから粉じんとかフューム、ミスト、ばいじんなどと呼ばれ、また気象学では、視程や色の違いなどから、霧、もや、煙霧、スモッグなどと呼びます。エアロゾル粒子は、粒径や化学組成、形状、光学的・電気的特性など多くの特徴があり、その性質はきわめて複雑です。例えば粒径についていえば、分子やイオンとほぼ等しい0.001μm＝1nm程度から花粉のような100μm程度まで約5桁にわたり、また個数濃度についても、清浄空気の10個/cm3程度から発生源近傍の数百万～数百億個/cm3程度まで 7～8 桁にもわたります。

エアロゾルの発生源は人工的な装置だけではありません。火山活動や、細かい土壌の粒子が風で舞い上げられたもの、波のしぶきが乾燥して微粒子となったものがあります。雲は無数の微小な水滴からできていますが、この水滴はエアロゾルが核となってできています。エアロゾルの個数や成分の変化によって、雲の生成量などが変化し、天気に影響します。また、大気中に浮遊しているエアロゾルが，日射（太陽放射）を散乱・吸収することによって、地表に到達する日射量が減少し、大気が得る熱エネルギーが減少します。エアロゾルは気候にも関わっています。

中緯度から高緯度地方で、雪の核になっている物体を調べた研究が発表されました（Science 319, 1214, 2008）。驚いたことに、ほとんどが細菌由来の物質。特に、凝固したときの温度が高いときは69-100%が細菌由来でした。このことから、細菌が地球上のあらゆる地域で雨や雪の核となって降水を誘発している可能性を示唆しています。

誕生間もない地球は濃い大気を持っていたことから、大量のエアロゾルが空気中を漂っていたことでしょう。そして、大気や海の化学成分に大きな影響を及ぼしたと思われます。地球の上空では隕石の燃焼や稲妻、宇宙線の放射などで大量の活性低分子ができたはずです。これらの分子は高空を漂うエアロゾルに溶け込み、雲となり、地上に落下する間に水分が蒸発、濃縮されて、生命の材料となる高分子が誕生した可能性もあるのではないでしょうか。しかし、その実状について推測する材料がありません。

+++　水分子は水素結合で結ばれる　+++

水分子は酸素原子O２個と水素原子Hが共有結合で結合しています。H２O（２は下付）と書きます。酸素をはさんで水素が結合しています（H-O-H）が、その角度は180°ではなく、104.5°です。酸素原子を正四面体の中心に置いたとき、O-H結合はこの酸素原子から正四面体のほぼ頂点方向に伸びています。正四面体の中心角は109.5°ですから、全く同じではありません。正四面体はマッチ棒6本で正三角形4個を作るパズルでおなじみ。4面が正三角形です。水分子を正四面体になぞらえたとき、残りの２つの頂点方向には酸素原子の2個の非共有電子対（孤立電子対：電子が2個ペアになって他の原子との結合性を失ったもの）があります。

酸素原子は電子をひきつけやすく（電気陰性度が大きいといいます）、水素原子は酸素原子に電子を奪われます。電子を粒として捉えると変な話になりますが、電子を存在確率の雲（電子雲）として捉えると少しイメージしやすくなります。電子雲は酸素原子に引っ張られ、酸素はちょっとマイナスに、水素はちょっとプラスになります。分子内にできた電子雲の偏りを極性と呼びます。水素は電子１個しかないので、電子雲がちょっと偏っただけで比率としては大きな極性ができます。水素は電子分布の偏りによる結合を作りやすい。

そこで、ちょっとマイナスの酸素原子とちょっとプラスの水素原子の間に電磁気力による結合ができます。このような結合を水素結合と呼びます。酸素原子のマイナス電荷は非共有電子対の電子雲になりますので、正四面体の水素の方向と別の2方向になります。

液体と気体の界面にある液体分子は左右、下にある隣の分子と結合しています。しかし、上には結合する分子がありません。表面の分子では内側に引かれる力が大きくなり、表面張力を発生します。分子間力が大きい液体ほど表面張力は大きくなります。水の表面張力は水素結合により水分子が互いに大きな力で引き合っているため、大きな表面張力を持ちます。

身近のところで、水より表面張力が大きい液体は水銀です。水銀原子が金属結合により強く結ばれているからです。映画ターミネータ2に登場する液体金属のターミネータ。液体窒素で凍結し、銃で粉々になった後の復活シーンをイメージするといいでしょう。溶融した鉛や鉄も大きな表面張力をもっています。

水素結合はイオン結合や共有結合より弱い結合で、原子間の距離も大きくなります。水が凍って氷になるとき、水分子を固定するのが水素結合です。一つの水分子は最大で４つの水分子と水素結合し、六方晶系の結晶構造となります。液体のとき、水の水素結合の数は０～４個です。水分子は水素結合しないときのほうが分子間の距離が小さい。水を冷やすと、他の液体と同じように体積が小さくなりますが、約４℃で最も比重が高くなった後、分子あたりの水素結合の数が増えて氷に近づき、隙間が多くなります。０℃で水分子は４つの隣の水分子と水素結合し、分子の間の距離が最大になります。逆に密度、比重は小さくなります。氷は比重0.9で、４℃での水の比重１に対して浮きます。

もしも氷が水よりも重ければ､湖水や河川や､海でも表面が冷やされると、氷は底に沈み、やがて水全体が凍ります。実際は水は氷の蓋でがっちりと保護され、氷は大気によってどんどん冷えて零下になりますが、その下は液体の水の状態を保ってくれます。４℃で死ななければ生命体は水の底で生存できます。

21．プレート・・・テクトニクス前の地殻 [対流]


地球のプレート・テクトニクスのシステムによってできた岩で、今までに発見された最古の岩は38 億年前のものである。海底が分裂するのに伴い形成された一連の岩が国際研究チームによりグリーンランドで発見された。したがって、プレート・テクトニクスのシステムは比較的早い時期に始まったと考えられる。この岩はオフィオライトと呼ばれ、海洋地殻がそのまま地上に露出した特徴的な層構造をしていて、厚さは約10kmと海洋地殻の厚さであり、様々な種類の火山岩を含んでいる。

月の白い部分（高地）を作っているのは斜長岩。斜長岩はマグマオーシャンに浮き、最初に形成された岩石である。また、月にはKREEP岩と呼ばれる岩石がある。マグマオーシャンが冷え固まったとき、最後まで残っていたマグマに由来する。すなわち、結晶しにくい成分が濃縮されている。Kはカリウム、REEはレアアース、Pはリンである。KとPは生命に関係が深い。現在、地球上でKREEP岩が残っていないのは浸食されたためと考えられる。そのあとに起こった火山活動によって海の部分ができた。玄武岩である。

44～38億年前には地球は冷えて海ができた。地球には地殻が形成されたが、温度が高いため、十分に硬くなく、プレートというような大きな一枚岩にはなっていない。また、密度も低いのでマントルに沈み込むことはなかった。ところどころで地殻がひび割れてマントル由来の溶けた岩が噴出し（ヒートパイプ、heat pipes）、地殻の底から冷えた岩がマントルに落ちていた（ドリップ、drips）。このような状態を不動蓋型（stagnant-lid）テクトニクスと呼ぶ。表面にひびが入った地殻が押し合いへし合い、裂け目から溶けた岩石が噴き出すようなイメージである。海のない惑星ではこの形のプレート・テクトニクスが観察される。

隕石の落下や、地球からの距離が近かった月の潮汐力によって、大気と海は激しく撹拌された。冥王代の地球表面では数百枚のプレートがひしめき合うがどちらも若いプレートなので沈み込みが起きにくい。そこでプレートが大きく褶曲することになった。プレートの下に潜り込んだプレートからマグマができるのではなく、プレートがぶつかったところで折り曲げられたプレートがマントルに押し込められてマグマになった。この場合、プレート境界では褶曲山脈が形成され、境界に沿って火山が形成された。マグマは両側から圧迫されて海中に噴出し、やがて島となった。プレート境界に沿って弧状列島が形成され、成長した。

38～25億年前には地殻は冷えて硬くなり、部分的にプレートが形成された。リフト（海嶺）が形成され、プレートが移動してプレート境界で沈み込むようになった。地殻は現代ほど深くまで沈み込まなかった。30億年前にはプレートにはマグネシウムや鉄が豊富に含まれていた（mafic）が、25億年前にはケイ素が主体の（felsic）岩石に変わり、密度も低くなった。地殻が軽くなった分、厚い大陸がマントルに沈まなくなった。ケイ素が主体の岩石は沈み込み帯で水と熱とで形成される。最古のfelsic岩石は38億年に遡る。ジルコンの形成からもこのころから沈み込み帯があったと推測される。岩石の証拠から33~34億年前には山脈があったと推測される。

28億年前から孤立していた沈み込み帯がつながり始め、現在のような全地球的なプレート・テクトニクスは25～18億年前に完成した。このころには初めての超大陸ヌーナが形成された。しかし、沈み込み帯が現在ほど深くなるのは岩石の証拠からは8億年前。プレート・テクトニクスの完成をこの時代に設定する研究者もいる。

+++　対流　+++

対流は重力場において上部と下部の温度差などがあった場合、下の熱を上に運ぶことで生じる流れです。同じ物質であれば熱による膨張で密度が低くなり、温度の高い物質が浮かび、温度の低い物質が沈むことで駆動力が生じます。対流というとみそ汁の中の流れを例にとることが多いですが、大気の対流により雲ができ、海の対流により豊かな漁場ができます。湖などでは湖面が暖められ、底が冷えたままなのでそのままでは対流は生じません。湖面を渡る風が湖面に流れを作り出して強制的な対流が起こります。

そして、マントル対流。重力場の下が熱く、対流現象に当てはまりますが、マントルは複雑な混合物です。成分によって密度が違うので複雑な流れが生じそうです。対流の速度は粘度が大きくなると遅くなります。マントルの粘度は液体に比べると桁違いに大きく、密度の差によるわずかな重さの違いが本当に駆動力になるのかイメージがわきません。

人間社会には対流と同じような現象はあるのでしょうか。社会に対流のイメージを当てはめるとすると、経済格差、人口密度などの差が駆動力になり、人やモノ、金の移動により地域的な差が小さくなっていく現象です。最終的には格差がゼロになることですが、どうもあり得ないようですね。なにか重力場のようなプラスアルファが必要です。

+++　水は様々な物質を溶かす　+++

水に溶けた分子は当然のことながら、水分子に囲まれています。溶質分子あるいはイオンがその周囲に数個の水分子を引きつけて結合し、一つの分子集団を作る現象を水和といいます。

イオンは電子の殻を完成させるために、電子を完全に取り込んだ（マイナスイオン）か、放出（プラスイオン）した原子もしくは分子です。水分子は極性（酸素と水素の間の電子雲の偏り）をもちますが、イオンの電荷があるとさらに大きな極性を誘導されます。イオンと水分子は結合しやすく（水和しやすく）なり、水分子の集団に溶け込みやすくなります。

すべてのイオンを発生する物質（電解質）が水によく溶けるわけではありません。電解質によっては一定の濃度にしか溶けないものもあります。溶けやすい電解質の代表例は塩化ナトリウムでほぼ完全に解離しています。一方、難溶性の塩には、炭酸カルシウム（石灰岩の主成分）があります。

極性を持つ分子はイオンと同じように水に溶けます。気体では二酸化炭素が代表例で、水分子1分子を取り込んで、炭酸になります。大気中の窒素酸化物や硫黄酸化物が水に溶解すると、炭酸よりももっと強力な酸が生じます。工場や自動車から排出される酸化物が雨に溶けて酸性雨として地上に降りそそぐと、大理石やコンクリートの建造物に脅威を与え、また、森林を枯らします。

生体高分子ではカルボキシル基やアミノ基などの極性基に水和が起こります。水和によって分子の性質が変わり、例えば生体分子の反応を触媒する酵素の活性はその水和量に依存しています。

天然の有機物の多くは水に溶けます。高分子であるでんぷんやセルロースも少し熱を加えたりすると水に溶けます。もともとでんぷんやセルロースは水酸基という極性基をたくさん持っています。タンパク質は表面に多くの電荷や極性基を持ち、水によく溶けます。極性のない気体、窒素やメタン、ネオンなどもすこし水に溶けます。圧力が高いと気体が水に溶ける量が多くなります。また、温度が高いと水に溶ける量が減ります。金魚は水温が高いと酸素不足になります。

気体分子の周りには水素結合で結合した水分子の籠ができます。言い方を変えると、隙間の大きい、氷型の水の結晶の間を少し広げて気体分子が入り込む格好になっています。このような形をクラスレートと呼びます。水の籠は低温・高圧では安定します。クラスレートは安定した構造なのでクラスレート単位で結合し、濃度が高いと固体になります。海底1000mにできるメタンハイドレートは地球温暖化や海底資源として注目されているクラスレートです。

22. 生命・・・偶然と必然 [階層性]


現在の完成された生命システムを見ると、ひとつの生命現象に数百のタンパク質が関与していることに驚く。細胞共通の活動を列挙すると、遺伝子複製、遺伝子の転写、mRNAの翻訳・タンパク質の合成、分泌タンパク質の輸送、タンパク質の加工、脂質やアミノ酸の合成・分解、光合成、解糖系、TCA回路、膜ポテンシャルによるATP合成、タンパク質の分解、細胞内器官の分解、物質の分泌などがある。さらにこれらの分子装置の複製がなされる。

タンパク質は非常に複雑な分子であり、ナノマシンとして機能する。多種類のタンパク質が集合して巨大な構造体をつくり、共同して一連の作業を行う。遺伝情報を司るDNAはそれ自体では活動することができず、常にタンパク質の助けが必要である。遺伝子からタンパク質合成までのシステムはRNAとタンパク質が共同して営む。

膜構造も単なる外界の遮蔽だけではない。膜に埋め込まれたタンパク質が膜の両側に非平衡状態を作り出してエネルギー（ATP）生産を行い、また、神経パルスを送る。また、細胞外の栄養分を取り込み、情報分子をキャッチする。特に真核細胞では細胞内にも多くの折りたたまれた膜構造を持ち、隔離された場で特別な反応を進行させる。

実は生命が誕生した過程を解明するには、これ等の各々の機能単位が無機物からどのようにして誕生したかを解明する必要があるとともに、それぞれの機能単位がいかにして相互作用し、有機的な関係を作り出したかを解明する必要がある。部品がそろったとしても、それらを混ぜても生命体はできない。生命が誕生したのは必然であったのか。それとも途方もない時間における偶然の積み重ねであったのか。いまだに解明されておらず、また、解明される糸口さえ怪しい。

生命の本質は情報である。すなわち、分子を生命体として機能的に組み立てる情報が生命の本質である。生命の誕生を解明する鍵は、生命体情報の誕生、情報の物質的な基礎、情報が次の世代へ伝達するメカニズムにある。現在では、最初の遺伝情報分子はRNAと考えられている。しかし、タンパク質のアミノ酸配列の情報がRNA分子に書き込まれた必然性を考えなければならない。

これから数章の生命の誕生とその初期進化については、断片的な科学報告を元に、生命の誕生を必然とするためのストーリーを組み立てているために、岩田の推論が大きく入り込んでいる。

生命の起源に関する研究を整理し、時系列に沿ってならべるために、単純なものから複雑なものへと、生体を構成する分子、分子装置がどのように生み出されたかを考察する。以下、下記のような項目立てを予定している。遺伝の仕組みまでが部品の構築で、そのあとが部品の組み立てに相当する。

しかし、逆の考え方もできるのではないか。巨大な炭素の塊（グラファイト、フラーレンのような物質）が還元的な環境下で炭酸塩の岩石（石灰岩など）から地質学的に誕生した可能性、その炭素の山が海水中でゆっくりと分解しながら生体高分子を生み出した可能性である。以下の章でも繰り返し述べるが、生命活動に携わる分子群の濃密さは天然に生み出されたとは考えられず、強力な濃縮過程が必要だからである。分子が集合して細胞を組み上げたという単純なストーリーは熱力学の第二法則に反する。原始の地球に高エネルギー状態の山脈サイズの炭素ポリマーが誕生したと考えると、濃度と分子集合の問題は解決できそうだ。

生命誕生までどのくらいの時間があったのか。後期重爆撃期が終了した38億年前までが冥王代。そのあと、38-25億年前までが始生代(太古代)と呼ばれる。最初の細胞の化石（膜構造）が見つかったのは35億年前ほど前である。

+++　古代から少数の要素で万物を説明する理論があった　+++

古代ギリシャは多くの哲学者を輩出し、いずれも、自然界の成り立ちや変化について多様な説明がなされました。有名どころとしては、万物の根源が水であるとしたタレスです。アリストテレスは水・空気・火・土の四つの四元素説を唱えました。ギリシャ哲学では根源物質はアルケーと呼ばれ、ヨーロッパに引き継がれました。

根源物質はギリシャの専売特許ではありません。古代中国では陰陽五行説が有名です。陰と陽は対概念で、明暗、天地、表裏、上下、男女、剛柔、善悪、吉凶など、さまざまな現象を整理するのに便利です。五行は木、火、土、金、水の5要素で、アリストテレスの四元素説と同質です。

仏教で宇宙の万物を構成する５つの要素は地・水・火・風・空の５つで、五大・五智輪ともいいます。宮本武蔵の五輪書はこの「五輪」になぞらえて、武芸法の心得を綴ったもので、地水火風空の５つの巻があります。

では、イスラム教では？　キリスト教もですが、一神教のためか物質的な基本原理についての考察はありません。しかし、イスラム世界はヘレニズム文明を引き継いで、中世では科学･技術の最高峰に達しました。その後、キリスト教社会（ヨーロッパ）がイスラム文明を輸入し、実験･実証を基礎とした科学思想を確立したのは偶然ではないかもしれません。 +++　アセンブリ理論　+++

生命の起源については諸説ありますが、今までと異なった視点からアプローチする研究もありました。誰も知らない生命（アセンブリ理論が明かす生命とその起源　Sara Imari Walker著）の紹介です。

著者は理論物理学者です。そこで、生命現象を通常の物理化学的な法則から外れた存在と見なし、そのあり方をアセンブリ理論として定式化しました。視点は斬新です。複雑な生命活動は生命体が存在しない世界と別の世界を作り出します。すなわち、生命体は物理法則にしたがうけれども、統制された活動を行うという点で異なっています。具体的には物理法則ではあり得るすべての可能性が、生命体によって選択されると。

具体例を引用しましょう。山を滑るスキーヤーは物理法則に従っていますが、運動は制御されています。２本のスキー板はほぼ平行に滑り降りるでしょう。一方、滑り落ちるスキーは制御されていません。スキー板はあちこちにぶつかったり飛び跳ねたりして、同じところに到着することは稀でしょう。ロケットは重力に反して宇宙空間に飛び出しますが、物理法則の範囲内で運動します。一方、隕石は落ちるだけで、地球から打ちあがることはありません。すなわち、生命体は物理法則を知ることで通常起こりえない反応を引き起こすことができます。

生命体の活動は平衡状態から大きく外れた開放系でのみ、局所的に維持された秩序のなかで発揮されます。散逸構造の一例である生命体は、他の例、例えば台風とは自ら制御する点で異なります。

この見方は地球外生命体の発見に応用できます。現在の火星での生命体探査は地球型生命体の探索に限られています。生命体は物体を制御することを特徴とするアセンブリ理論に従えば、制御された運動、またはその結果の発見が、生命体が存在する証拠です。

アセンブリ理論では物理法則にしたがって変化するすべての物体を対象とし、その物体ができてきた経路と物体の存在数の２つのパラメータでアッセンブリ空間を形成します。その空間の中で存在数の多い領域はできてきた経路が短い物体が主で、すなわち、生命体が関係しない物体が属するでしょう。しかし、存在数が少なく、経路の複雑な領域では生命体の関与が疑われます。ロケットなどは典型的な例です。

経路の表現については具体的には記載がありませんでした。私の理解ではこんな式になるはずです。An＝Fl[An-1＋Bm]（ここで、添字n、m、lは自然数。F[ ]は結合させるなどの変化を促す制御体Constructorを意味します。）。すなわち、物体AができるにはAの前駆体An-1にBmが結合し、その結合を制御した（触媒した）物体Flを必要とした。酵素反応（Fl）によりAn-1に水素（B0）がくっついてAn分子ができた。人工衛星（An-1）にブースター（Bm）を付けてロケット（An）ができた。ロケットの場合のFlは具体的にはクレーンでしょうか？

この式でn、m、lをアセンブリ指数と呼び、経路の定量的な表現です。アセンブリ空間は存在しうる物体のアセンブリ指数と存在数の２次元空間になり、局所的な非平衡な開放系に属するすべての物質を表現することができます。どのくらいの物体があるのでしょうか。地球生命体の主要構成元素であるH、C、N、O、Sの5種類だけ、それも30原子以下で構成される分子の種類は10の60乗はあるという。ちなみに原子は118種類存在します。

アセンブリ理論では、生命体は物理現象を制御して、複雑な存在確率の低い物体を作り出します。もっとも、生命体自体が存在確率の低い複雑な物体です。物理的に起きうるすべての物体形成のうちの限られたものが、平衡状態から大きく外れた開放系で、局所的に維持された秩序を生み出すことができ、その中に生命体が誕生したと考えられます。

アセンブリ空間のなかで経路の数式An＝Fl[An-1＋Bm]を考えると、この経路は一つ下がる（-1）ごとに複数の枝分かれが生じることが分かります。もう一つ下がると、経路の分岐はかなりの数になります。ロケットの部品を考えてもらえればイメージがわくと思います。すなわち、生命体やその活動の成果である複雑な物体は多段階に及ぶ経路の歴史を持ち、その形成過程、もしくは進化の道は長い。

複雑な物体は、部品や制御体が十分にないと作れません。部品も制御体も局所的な系の中で常に自然に供給されるか、生命活動によって供給されなければなりません。すなわち、生命体の存在を支えるには特化したエコシステムが存在し、ロケットなどの技術は、テクノスフェアのような物体の供給体制、経済社会が必要です。

生命の起源を考える場合は、物体というより、分子を考えたほうが分かりやすいと思います。DNAやRNAの構成要素のヌクレオシドのn（アセンブリ指数）は15～19です。すなわち、A15～19に相当します。ヌクレオシドが多数つながったDNAやRNA分子はヌクレオシドの数だけnが増えることになります。これを触媒するDNAポリメラーゼはア ミノ酸が少なくとも200個はつながっています。Fl[ ]のｌは200以上の数になります。

さて、生命の起源ですが、実験的にアミノ酸ができたとかヌクレオシドができただけでは不十分です。生命体を構成する原材料を大量に供給するエコシステムが必要で、ランダムな反応では間に合いません。アセンブリ空間の狭い領域で数千の分子を作り出す裾野ができて初めて生命体の高みが達成されます。生命ができるまでには原初の地球で起こりえた化学反応の一部が抜きんでて進み、大量にできた分子を土台に次の複雑な分子ができ、これを繰り返してダーウィン的複製体（ダーウィン的進化を持つ能力を持った分子または分子の集合）が出現した、というストーリーが描けます。ダーウィン的複製体ができた後もその材料は供給され続け、初期のダーウィン的複製体が進化、もしくは協働することで最初の生命体（LUCA）が出現したはずです。

この考え方からすると材料と十分な時間があれば生命体は作れそうです。実際にこの本の著者の共同研究者は生命体を出現させるためにいくつもの原始スープで化学反応を起こさせ、できた分子を片端から分析するという力技を行っているそうです。条件を少しずつ変えて十分な時間反応させ、できた数千種類の分子を解析していく。未知の生命体との遭遇は意外と試験管の中が最初かもしれません。

アセンブリ理論は生命の起源を解明するために物体を再定義した理論です。アセンブリ空間のなかで物質が出現するまでの経路が数式An＝Fl[An-1＋Bm]（ここで、n、m、lは自然数）のようにあらわされ、nはアセンブリ指数と定義され、n、m、lが1からアセンブリ指数までの総和がアセンブリ経路と考えられます。

物体ができるまでの経路を数値化して表現するのはいいのですが、どのように計算するのかは具体的には不明です。今回はアセンブリ経路についての話です。

アセンブリ経路は簡単に言うと情報です。その物体が宇宙に出現するために必要な情報と考えることができます。例を挙げましょう。

細胞が遺伝情報からタンパク質を作る装置としてリボソームがあります。リボソームは半減期が5日から10日しかないので、絶えず作り直されています。地球上に棲むすべての生物が細胞当たり、数百のリボソームを持っていますので、数は莫大です。個々のリボソームの寿命が短いとはいえ、リボソームは地球上のほとんどの岩石より古い歴史を持っています。リボソームという物体はおそらく30億年以上の歴史を持っています。つまり、その歴史がアセンブリ経路です。もっとも初期のリボソームも地球の誕生から機能するまでにたどった経路は5億年近いでしょう。

どんな生物学的な物体も長いアセンブリ経路を持っています。ただし、その物体は絶えず作り直されていますので、個々の物体の寿命は短い。人間の体も同じです。10年前のあなたの体を構成する物質は今のあなたの体を構成する物質と大部分が入れ替わっているでしょう。しかし、あなたはあなたです。何が、あなたであることを保証しているか。それがアセンブリ経路であり、平たく言うと情報です。

生命を定義するこれまでのほとんどの試みは、細胞や遺伝子や散逸構造など、個々の物体に焦点が絞られてきました。しかし、生命体を定義するのは情報であって、構成成分として重要な物体ではありません。

生命体が作り出す様々な物体、例えばロケットもそれが宇宙に出現するためには情報（アセンブリ経路）が構成される必要がありました。それは設計図であり、重力に逆らって飛び上がる原理であり、それは人間がイメージとして作り上げたものです。アセンブリ経路はあらゆる物体に対して考えることができますが、物体以外のもの、例えば、言語、文明などにも当てはめて考えることができます。

新たなものを作り出すのは人間だけではありません。はるか昔、シアノバクテリアは酸素を作り出して地球環境を劇的に変えました。蟻や蜂などの社会性昆虫は地上や地中に複雑な巣を作り、ビーバーは川を堰き止めるダムを作ります。その形状は生命体の能力が決めますが、でき上ったものに対してはアセンブリ経路を持ちますので、アセンブリ理論で取り扱うことができると著者は言います。

23. 生命を作る単位分子の生成・・・空と海と海底 [フロンティア軌道理論]


生物体を造る生体分子は、炭素、窒素、水素、酸素を主要構成元素とし、硫黄、リンなどを含む。炭素、窒素は生体高分子の骨格を構成する。炭素は共有結合を作る4つの腕を持ち、窒素は3つの腕を持つ。酸素は2つ、水素は 1つの腕を持つ。これらの腕を完全につなぎ合う形で分子が構成される。炭素の骨格を中心とした化合物を有機物という。

海ができた頃の地球は厚い雲に覆われ、上空では太陽からの紫外線、宇宙からの粒子線、雷の放電により、水蒸気や二酸化炭素、窒素が反応性に富んだラジカルになり、化学反応で簡単な有機化合物が作られた。シアン化水素、シアノアセチレン、ホルムアルデヒドなどである。

宇宙には大量の有機物の原料が存在している。炭素質コンドライト隕石や彗星に含まれる炭素原子や水分子は太陽からやってくる紫外線や、粒子線で叩かれて活性化し、化学反応を起こして簡単な構造の有機物が合成された。金属鉄、氷、多いもので2-3％の有機物を含む。地球は後期重爆撃で隕石から大量の氷や揮発性有機物を供給された。地球に降り注ぐ隕石はもともと単なる砂粒の集合体であるために、温度が上がる前に高空で分解した。粒子は大気との摩擦ですぐに終端速度に達し、そのため、有機物は分解されずに大気中にもたらされた。

これらの分子は雨粒に溶け込んで海へと落下した。この頃は陸地がほとんどなかった。反応性の高い素材分子の大部分は水と反応したが、時には相互に反応して大きな分子をつくって安定し、原始の海に溶け込んで蓄積された。

金属鉄を含む隕石が海洋に落下すると局所的、一時的な超高温の還元的大気が生成する。隕石が海洋に衝突すると一瞬にして大量の水は超臨界水から超高温の気体となり、隕石や海底の鉱物成分も一緒に蒸発して衝撃後蒸気流となる。超高温の衝撃後蒸気流の中で水は水素と酸素に分解する。衝突体の中にある金属鉄と酸素は反応し、酸化鉄となる。衝突後蒸気流は一気に水素過剰の還元状態になる。同時に蒸発した硫化鉄やカンラン岩も衝撃後蒸気流を還元する方向に働く。衝突後蒸気流が超高温から温度が下がるにしたがって炭素は高温で生成していた水素と反応して炭化水素を初め多種多様な有機分子を生成する。フィッシャー・トロプッシュ合成として知られる化学反応で、触媒として鉄やニッケル、コバルトなど遷移金属を必要とする。これらの金属元素も高温で蒸発して共存している。

始生代（太古代）ではすでに地球金属核の成分対流による磁場が存在していて、太陽からやってくる荷電粒子から大気は保護されていた。火山の噴火では、還元性のガス、水蒸気とともに多くの稲妻が発生する。この環境を再現すると複雑なアミノ酸もできた。

最初に作られた低分子の有機化合物としてアミノ酸や核酸塩基がよく研究されている。これらは生物の重要な構成要素だからである。他の低分子化合物も多数合成されたと考えられるが、あまり研究されていないようだ。分子量が1000程度の有機化合物は生物界から多種類、大量に発見される。有用物質も多く含み、例えばビタミンや抗生物質などが含まれる。アミノ酸や核酸は数個から十数個の原子からなる分子量が100~300程度の分子である。これらの分子が海底の熱水噴出孔での高濃度金属イオンによる触媒作用、熱化学反応で分子量が1000程度の多様な有機化合物が合成され、蓄積された。一つの分子の中に複数の官能基を含むこれらの分子は集合し、新たな化学反応の土台となったであろう。

アミノ酸の生成はアルデヒドとシアン化水素、アンモニアを出発材料とする反応が有名である。そのほかにも、核酸塩基の分解なども考えられるのではないか。ホルムアルデヒドはポリマーを形成し、その構造から糖類が得られる。ホウ酸系鉱物は触媒として働く。糖には同じ分子でも多くの立体構造があるが、なかでも、フルクトース、グルコース、マンノースが安定であり、生命起原時に重要な役割を果たしたと考えられる。

炭素と窒素が二重結合で6個もしくは5個、環状に結合した分子をヘテロ環と呼ぶ。核酸塩基のひとつであるアデニンは六角形と五角形がくっついたヘテロ環構造を持つ。アデニンはシアン化水素とアンモニアから比較的簡単に合成される。アデニンのように窒素を含むヘテロ環分子では水素結合でお互いに緩やかに結合し、また、金属と錯体を造りやすい。分子内に二重結合を含むが、二重結合はラジカルと反応して高分子化しやすい。ただし、紫外線で分解しやすいので、核酸塩基は紫外線の届く地表や海面近くでは不安定である。

+++　原子の化学的な性質は電子が決める　+++

すべての原子はたった3種類の基本粒子からできています。電子、陽子、中性子です。考えてみると不思議なことです。原子の多様性は電子と陽子の数によって決められます。

メンデレーエフは周期律表を発見しました。多数の元素の性質を原子量（元素の重さ）、原子価（結合の数の比）、どんな元素と化合するのかを整理すると、原子量に対して類似した性質が繰り返し出現します。原子番号の概念のない周期律表で、不完全なルールしかありませんでしたが、とにかく表にしてみると、空欄があります。空欄に当てはまる性質を持つ元素が発見されて周期律表の正しさが確認されました。理論も精密になって、現在の周期律表が完成しました。整理する基準も原子量ではなく、原子核中の陽子数である原子番号になりました。

周期律表は一番外側に位置する（エネルギー順位が高い）電子によって説明されます。電子は2個でペアを作り、軌道を作ります。軌道がいくつか組み合わされて殻を作ります。軌道の種類や数についての規則は主量子数により整理されます。リチウム、ナトリウム、カリウムは殻の外側に1個電子を持ち、アルカリ金属と呼ばれています。また、フッ素、塩素、臭素は、電子がもう１個あれば、殻が完成します。ハロゲン元素と呼ばれています。アルカリ元素とハロゲン元素は一緒に置くと、電子が１個アルカリ元素からハロゲン元素に移動して、その結果どちらも殻が完成します。アルカリ原子は1個電子を失い、プラス電気を帯び陽イオンになり、ハロゲン原子は１個電子を受け取り、マイナス電気を帯びて陰イオンになります。そして陽イオンと陰イオンが引き合います。この結合はイオン結合と呼ばれます。

電子の取引可能な数は一番外側の軌道の数と、軌道の電子ペアの数できまります。原子番号が増えること、それは原子核の周りの電子の数が増えることです。電子はエネルギーの低い軌道から順番に席を占め、ペアを作りながら殻を完成させます。殻の外側に孤立した電子があるときは電子を失いやすく(陽イオン)、殻ができかかっていて電子の入る席があるときは電子を受け取りやすい（陰イオン）。

原子番号の大きな元素はいずれも金属の性質を持ちます。原子の内側の殻は十分な数の電子により埋められ安定です。外側ほど軌道の数が多くなり、軌道の間のエネルギーの差が小さくなります。また、内側の電子の遮蔽効果で、原子核との結びつきが弱くなっているとも考えられます。したがって、電子は隣の原子の同じレベルの軌道に移りやすくなっています。陽電荷を帯びた原子の周りを自由に軌道の間を移動できる電子群が取り巻くこと、これが金属結合です。金属が変形に対して柔らかく、また、鏡のような光沢をもつ性質は自由電子により説明できます。

+++　化学反応では反応する分子が接触する　+++

分子は空間でランダムに運動していますので、たまたまぶつかった分子が十分なエネルギーを持っていると化学反応が起こります。化学反応が起きるのに必要な最小のエネルギーを活性化エネルギーと呼びます。活性化エネルギーを得た分子は反応熱を放出して反応生成物になります。活性化エネルギーと反応熱は総量が異なっていて、熱の吸収あるいは発生が起こります。活性化エネルギーを得た状態を活性化状態（もしくは遷移状態）と呼びます。ラジカルは活性化状態の一つの形です。

反応前と反応後のエネルギーレベルの差が化学反応によって起こるエネルギーの放出・吸収に相当します。一般的に、高分子有機物質ほど合成したときに積み上げられたエネルギーが多く、したがって、合成されるには大量の活性化エネルギーを必要とします。分解反応の活性化エネルギーは低いので、高分子の場合、分解する方が優勢です。言い換えると、生体を作る高分子は、高温環境下では、分解のための活性化エネルギーを得てしまうので、不安定です。現在のところ、生命は高温環境下で発生したとする説が優勢ですが、否定的な意見もあります。

物質は様々な分子から構成されています。分子は数種類の原子が互いに結合して形成されます。化学反応とは、具体的には、原子の間の結合が切れたり、新たに形成されたりすることを意味します。原子のつなぎ方が代わると、分子の性質が変わります。化学反応では化学反応前とは違う物質ができます。

生物の活動エネルギーは化学反応によって生み出されます。生物の運動や変形は有機物が司ります。また、生物の体は有機物から構成されます。生命活動の原理も、生命の起源も、有機化学反応を避けて解説することはできません。

24. 生体高分子の誕生・・・熱水噴出口 [重合]


地殻の裂け目から高温のマントル由来のマグマが噴出して海により冷やされ、固化する。この繰り返しでヒートパイプの周りに海底山脈ができた。玄武岩の巨大な山脈が形成されると、地下からのマグマの供給が閉ざされ、山脈は冷えて沈んでいく。と同時に周りの地殻を引きずり込み、離れた場所の地殻が引き延ばされて裂け、新たなヒートパイプが形成される。玄武岩の海底山脈はマントルに沈み込み、底が熱で溶かされてマントルの中に落下し、少し厚めの地殻として安定化する。これが不動蓋型（stagnant-lid）テクトニクスのイメージである。

ヒートパイプで形成中の海底山脈の周りには山脈が沈み込むために断層ができ、多くの熱水噴出孔が形成された。地球が冷えるにつれ、水を含んだプレートが厚くなり、ヒートパイプは海嶺に変化し、プレートテクトニクスへと徐々に変化した。太古の地球は高温の海が広がり、そこから立ち上る水蒸気が厚い雲になって光を遮っていた。

生物の基本分子にはベンゼン環やヘテロ環をもつ環状有機化合物が欠かせない。これらの有機物は紫外線により分解される。有機物の種は天空や地上で合成されるが、雨に溶けて紫外線の届かない海へ落ちてきた。生命体に必要な生体高分子が誕生し、保存され、高次構造を形成した（これを化学進化という）場は紫外線の届かない海底であった。

生命の誕生の場は海底にある熱水噴出口の周りが第一候補である。理由の１つに分子進化系統樹の幹（出発点）に超好熱細菌が位置することがあげられる。現代の地球では超高熱細菌は海底熱水噴出口の周りから分離される。エネルギーの安定供給の面からも熱水活動域ほど都合の良い環境はない。地上の火山活動（温泉）、隕石の衝突説、雷などではエネルギーが数千万年にわたって不断に供給されることはない。

熱水活動域に形成されるブラックスモーカーの海水には高濃度の水素が含まれる。水素はマントルに含まれるかんらん岩が高温の海水と反応して蛇紋岩に変化するときに発生する。原始地球ではマグマが急冷してできるコマチアイトが地殻を形成したので、コマチアイトが水素の供給源と考えられる。現在の海底では500気圧以上の深海で、海嶺に由来する熱水活動域で20mmol程度の水素濃度が観測される。水素は二酸化炭素を還元して有機物を作るのに必須である。熱水噴出口の周りには酸化還元電位が形成され、物質の濃度差、温度差による安定した性能の燃料電池を提供する。有機化合物の合成に都合がよい。

また、熱水噴出孔の海水は、鉄、マンガン、銅、亜鉛などの金属イオンを普通の海水に比べて1000倍以上多く含んでいる。金属イオンは高温、高圧の熱水環境下で有機物を重合させる触媒として働く。

熱水噴出口は高温(200-350℃)、高圧(200-300気圧)の環境であり、大量の熱エネルギーが絶えず供給されている。海底地殻の裂け目からしみ込んだ冷海水が地底で熱せられて超臨界水となり岩石に浸透し、多くの物質を溶かしこんで噴出孔を上昇し、冷海水の中に噴き出し、再び冷却されるというサイクルができている。熱水噴出孔で起こる海水の加熱・冷却サイクルは化学進化を考えるときに都合がよい。生命活動の中核を担う有機高分子は高温環境では不安定である。海底熱水噴出口では高温で合成された有機物は直ちに冷却されるので、熱による分解を避けることができた。

海水が循環するので、有機分子は流れに乗って何度も熱水噴出孔を通過し、より複雑な分子へ成長した。有機物を含んだ海水が泥や岩石、地殻をくぐって濾過されることで高分子化合物は沈殿、濃縮された。例えば、サイクルを回るたびに反応が一段階ずつ進んだと考えると、生体高分子が直鎖状ホモポリマーである事実とよく合う。アミノ酸やヌクレオチド、単糖からタンパク質や核酸の合成が進んだと考えられる。

生体高分子は一般にアミノ酸、核酸塩基、糖の直鎖状ホモポリマーである。粘土鉱物の表面に吸着したアミノ酸や、ヌクレオチドが高分子化するという研究結果もあり、高分子生成メカニズムの一つであろう。粘土鉱物のうち、雲母由来のスメクタイトは陸上で乾燥と湿潤化を繰り返すことで形成され、大きな表面積を持ち、結晶構造のアンバランスにより、マイナス電荷をもつ。したがって、金属陽イオンを吸着し、有機化合物を効率よく吸着する。太古代では粘土鉱物に結合したアミノ酸、核酸塩基、糖、脂肪酸、炭化水素などの低分子有機化合物がポリマー（直鎖状ホモポリマー）になり、さらにそれぞれがランダムに結合する様式で化学進化が起こった。

そのほかの考え方として石油生成が考えられる。有機物を多く含んだ土砂が地底に埋没し、地下の高温・高圧下で脱水反応を受け、不飽和炭素結合を大量に含む石油のような物質に変わった可能性がある。石油状の低分子は化学反応を起こしやすく、常温常圧で容易に高分子化する。まとまった量の有機物が埋没して石油化すれば、現在の石油のように層をなし、濃度の高い有機物資源が生成しただろう。

揮発性の有機分子は上空で原始地球に降り注ぐ紫外線等で分解する。不揮発性の有機分子は海中に分散する。油のような密度が小さく非水溶性の分子は浮上し海面で凝集する。その場合、紫外線の降り注ぐ海面で分解されるかラジカル重合して高分子になる。アミノ酸や核酸、糖などの水溶性分子は海水に溶け、粘土鉱物に吸着して海底に沈殿する。一般に生物由来有機分子は粘土鉱物に親和性が高い。

地上で生命が誕生したという仮説の有利な点は濃縮である。潮汐作用による乾湿サイクルから物質の濃縮が起こり、高分子が合成されたと考えられる。生命誕生以前の進化、化学進化での問題点は高分子の供給メカニズムと、生命現象を生み出すための高分子の組合せと構造化がどのように達成されたかがポイントである。現在のところ、いくつか証明された合成反応が報告されており、それらを都合の良く組み合わせれば生命体ができそうである。しかし、どのように説明してもご都合主義に見えるのが難点である。

+++　代表的な生体高分子は糖、タンパク質、核酸である　+++

生物の体を作る巨大分子を生体高分子と呼びます。生体高分子は数種類のユニットが単一の官能基で結合した一次元的な構造をしています。生体を構成する高分子はユニットと、ユニットをつなぐ1種類の化学結合によって作り出されます。すると、1種類の化学反応を触媒するだけで、ユニットの組合せによって多様性を作り出せます。

糖のユニットは単糖であり、グリコシド結合で結合しています。糖はユニットが一列に並びますが、6本の結合腕をもつので、ときどき枝分かれをするなど、複雑な並び方をします。

タンパク質のユニットはアミノ酸で、アミド結合で結合します。タンパク質はアミノ酸が一列に並びますが、アミノ酸の組合せにより、すだれ状（平面になる）、らせん状（棒になる）、ループ状（鎖の折れ曲がり部分）などの中間構造体を経て、アミノ酸配列に依存した特定の3次元構造を形作ります。

核酸のユニットはヌクレオチドで、結合をリン酸結合と呼びます。糖（ペントース）とリン酸が交互に結合したバックボーンと、糖に核酸塩基がひとつ結合した形です。核酸はペントースの種類により、RNAとDNAの2種に分けられます。RNAは通常一本鎖で、核酸塩基は特定のペア（A:U、G:Cなど）で分子内で結合し、そのためにバックボーンが無理のない形で折れ曲がってくっつき（自転車のチェーンを思い浮かべて欲しい）、全体として折りたたまれた構造をとります。遺伝子の本体としてのDNAは通常2本鎖であり、核酸塩基のペア（A:T、G:C）で2本の鎖が接着し（ファスナーのようなイメージ）、2本のバックボーンは捩れて、らせん構造になります。いわゆる二重らせんです。

+++　生体高分子　+++

生体に含まれる有機物は主成分として炭素、窒素、水素、酸素原子を含みます。これらの結合する腕の本体は電子で、結合は電子が2個で1本作られます。それぞれの原子から1個ずつの電子が供給されて（共有されて）、共有結合ができます。片方から2個いっぺんに供給されることもありますが、その場合はイオン結合となります。

さて、高分子はどのようにしてできるのでしょうか。有名なエチレンからポリエチレンができる反応を見てみましょう。エチレンはH2C＝CH2という化学式であらわされます。水素Hと炭素Cは1重結合で結合し、２つの炭素は二重結合で結合しています。水素は腕1本、炭素は腕４本ですので計算が合います。水素は炭素としか結合していません。

さて、炭素の間の二重結合は4個の電子が関与していますので、そのうちの2個が、もう一つのエチレン分子の2重結合の間で1重結合をつくるのにつかわれると、－CH2－CH2－CH2－CH2－という形になります。切れた結合が2か所現れます。この繰り返しでCH2がたくさんつながったポリエチレン分子ができます。端はどうなっているでしょう？最後はHで終わりか、環状になるか。もしくは不純物の水や二酸化炭素などと化学反応した形になっているでしょう。

生物体を作る高分子の場合は水が取れて結合する形が多い。アミノ酸からタンパク質ができるアミノ結合は－NH2＋HOC＝O－から－HN―C＝O－ができ、H2Oが離れます。糖の場合はCOH＋HOCからC―O―CができてH2Oが離れます。核酸がつながるときはリン酸基―H2O3POH＋HOC―「リボース糖のOH基」から―H2O3P―O－C－ができてH2Oが離れます。このような合成反応を脱水反応と呼びます。逆に分解される場合は加水分解になります。生体高分子が合成される反応が水溶液中で誕生したことを示します。

紫外線や放射線などの高いエネルギーを持つ光子や電子が分子に照射されると、結合にあずかる電子2個が1個ずつに分かれ、結合が切断されます。分離した両原子はペアになっていない1個の電子をもつ化学種、ラジカルになります。ラジカルは化学的に不安定であり、きわめて反応性に富んで、相手を見つけるとすぐに化学反応を起こします。 相手は二重結合や電子雲が薄くなった原子核を持つ分子です。後者はわかりにくいですが、たとえば、二酸化炭素の炭素原子があげられます。

+++　化学進化の全体像　+++

今まで化学進化の研究で蓄積された500余りの化学反応をデータベースにし、さらに化学反応論から推測される化学反応を加えて6段階もしくは7段階の化学反応からどのような分子ができるかを総当り的に調べ上げたプラットフォームが開発されています。

例えば、アンモニア、水、窒素、メタン、シアン化水素の5つの分子からスタートした場合、6段階の化学反応で6200分子、7段階の化学反応で23000以上の分子が合成されます。さらに硫化水素を加えた6個の分子からスタートすると、6段階の化学反応で12000分子、7段階で36000分子が合成可能です。

この中には50分子の生体構成分子が含まれています。例えば、核酸の構成成分であるアデニン。尿酸やクエン酸も例として紹介されています。そして今まで知られていなかった24の合成経路が発見され、研究者はそのうちの20経路について確認済みです。

経路をたどると回路が形成できて一周すると同じ分子が2個に増えるような反応経路もありました。この反応経路が自己増殖的であることも実験で示されたのです。実際のところ、人間には合成経路を考えるときに分解過程を含めることに心理的に壁があります。コンピュータは意に介さず、あらゆる可能性を計算したためにこのような自己増殖的な反応経路を見つけることができたのでしょう。

最後に、これらの分子の中には界面活性剤的な分子も含まれています。これらの分子は集合するとミセルを形成し、条件によっては膜を形成します。生物は自らを細胞膜で包み、外界と境界を保ちますので、その構成成分の化学進化を考察する手がかりなるかもしれません。

アルゴリズムから導かれたほとんどの分子は生体構成分子ではありません。研究者は生体構成分子の特徴として3つの性質を挙げています。まず、水溶性が高いこと。熱力学的に安定であること。水素結合の授受のバランスが良いこと。これらの性質を満たす分子が選択的に化学進化時代の生化学反応の萌芽として選択されたのでしょう。アルゴリズムに太古代の地球で触媒として働いたであろう表面や金属イオンの働きを加えることで一層多くの分子と反応経路が追加されて化学進化の全容が組みあがることが期待されます。

25. 炭酸同化作用・・・有機物の成長 [触媒]


アンモニアとシアンは核酸塩基を含むたくさんの高分子を作り出す。この過程が同時に進行すると、爆発的な種類の化合物が作り出される。ところが、リン酸があると、この反応がある程度、制限される。実験ではリン酸存在下で2-アミノオキサゾールが合成される。この化合物はピリミジンを含む核酸の有力な前駆体である。また、揮発性があり、容易に固化する。すなわち、温度の上下により濃縮も可能であった。2-アミノオキサゾールからピリミジンを含む核酸が合成される過程では、糖と塩基とリン酸基が結合する反応を考える必要がなく、原始地球での核酸合成の謎がひとつ解決する。

葉緑素（クロロフィル）や血色素（ヘム）は金属イオン（クロロフィルではマグネシウム、ヘムでは鉄）にヘテロ環分子が配位し、錯体を形成した分子である。核酸塩基などヘテロ環分子は紫外線を吸収して活性化状態になる。核酸などヘテロ環分子がたくさんつながった分子は紫外線で活性化される。太古の地球で重金属イオンとヘテロ環分子で構成された錯体が誕生し、太陽光で活性化し、金属イオンの触媒作用で水と二酸化炭素からホルムアルデヒドが大量に作られたのではなか。

重金属錯体の触媒で二酸化炭素と水素が反応するとホルムアルデヒドができる。ホルムアルデヒドは反応性に富む物質で、それ自身でつながり合う性質があり、パラホルムアルデヒドか糖ができる。また、水素結合を形成する基と反応して結合する。その結果、分子内、分子間の結合が起きる。生物の体を作る分子（糖、タンパク質、核酸など）は水素結合を豊富に持ち、ホルムアルデヒドと反応する。アルカリ性の液体の中でホルムアルデヒドは多種類の糖を作り出すポリマー合成反応を起こす。糖の巨大ポリマーは不溶性で反応性が高い。

さらに想像を進めると、光エネルギーを使って二酸化炭素からホルムアルデヒドを作り出すヘテロ環-重金属イオン錯体は、生産物であるホルムアルデヒドで連結して安定し、大量に蓄積されたのではないか。これが光合成の起源ではないかと思う。

硫化鉄を硫化水素で還元して黄鉄鉱を生じる反応は二酸化炭素を還元してホルムアルデヒドや蟻酸を生成する。光の届かない深海では化学エネルギーによる炭酸同化が自発的に発生した。その結果生産される鉄硫化物は不溶性で、泡状に析出する。炭酸同化の触媒中心が硫化鉄のカプセルに包まれ、細胞のもとになったかもしれない。ホール＆ラッセル仮説という。太古代の生物のエネルギー源は水素で二酸化炭素を還元する方法しかなかった。硫化水素や二価鉄は還元環境が同じ状態だと二酸化炭素と反応することなく、共存する。水素はマントルの主要成分である橄欖岩が水和する反応から発生し、熱水噴出孔から供給された。

海底から噴出した熱水は、周囲の冷たい海水と急激に混合しながら浮き上がる。上昇とともに熱水の希釈はどんどん進み、海底面からおおよそ数百メートルに達したあたりで、熱水は周囲の海水と温度（密度）が等しくなる。浮力を失った元熱水は等密度面を水平方向に広がる。元熱水は薄められてはいるが細かい硫化物や酸化物の沈殿を含んでいる。

+++　生物はエントロピーが低い集合体　+++

熱力学的な方程式の一つの項として表れるエントロピーの概念は定量的に捉えるのが困難です。一般に乱雑さとして表現され、エントロピーが低い場合は秩序だっていて、エントロピーが高い方は乱雑であるとされます。AとB がくっついているとエントロピーが低く、独立に運動しているとエントロピーは高い。イメージしにくいのは、エントロピーを定量的に考えるには、その系を構成する要素全体の振る舞いを統計学的な計算により定量的に考えなければならないからです。

系のエントロピーは不可逆的に時間と共に増大する。これは有名な熱力学の第二法則です。一般に、多くの分子が固定されているとエントロピーが低い状態です。生物の体は分子が集合した多くの構造物から成り立ちますから、エントロピーは低い状態です。生物は死ぬと細胞や有機物は分解し、徐々にエントロピーが高い状態に移行します。生物はエントロピーを低く保つために、エントロピーの低い物質を取り込み、エントロピーの高い物質を排出します。また、化学エネルギーを使って（呼吸）、系のエントロピーを低い状態に保ちます。言い換えると、構造物を常に作り、壊し続けます。

+++　化学反応とは分子を形成する原子の配置替えである　+++

物質は様々な分子から構成されています。分子は数種類の原子が互いに結合して形成されます。化学反応とは、具体的には、原子の間の結合が切れたり、新たに形成されたりすることを意味します。原子のつなぎ方が代わると、分子の性質が変わります。化学反応では化学反応前と後では違う物質ができます。

生物の活動エネルギーは化学反応によって生み出されます。生物体内の化学反応はタンパク質などの有機高分子が制御しています。生物のすべての活動、運動や変形、細胞の分裂などは有機物が司ります。また、生物の体は有機物から構成され、その生合成も有機物が制御します。生命活動の原理も、生命の起源も、有機化学反応を避けて説明することはできません。

+++　触媒反応は特異な表面を利用する　+++

白金は触媒の代表例です。金属表面に2種類の分子が結合し、その間で分子を覆う電子雲が変形して化学結合が切り替わります。酸化チタンは光のエネルギーによって吸着した酸素を分解して活性酸素を発生します。これで低分子有機物を酸化（燃やす）し、二酸化炭素と水に変えます。臭いの元やホルマリンなどを分解します。細胞の代謝は酵素が触媒として働きます。

表面で起こる反応としては光触媒が挙げられます。太陽光のエネルギーを利用して、水を水素に分解したり、環境汚染物質・有害物質を分解したりする活性があります。無機物表面に結合した分子で起こる化学反応のメカニズムも解析が進んでいます。表面に光エネルギーを吸収する色素分子を効果的に配置することができれば、現代のエネルギー問題や環境問題に対して有効な技術を提供できることでしょう。

世界全体で生産される化学物質の80% 以上が触媒プロセスを利用して作られているそうです。触媒が実用化される条件は、高速で、スケールアップが可能で、高い確率で生成物を作り出すことです。効率のよい触媒はいまでも需要が高く、盛んに研究・開発されています。単純な均一触媒だけでなく、不均一触媒、生体触媒が注目されています。なかでも切望されているのは、酵素と同等以上のキラル（立体異性体）効率を示す分子触媒です。天然酵素は耐久性に欠けるため、工業界では、塩、毒、酸/ 塩基に対する耐性があり、熱的に安定な合成酵素の要求が高い。

触媒反応は、活性化エネルギーを低くすることを特徴としますが、触媒反応を設計して経路を提供しても、吸熱反応をうまく進行させることはできません。必要なエネルギーを投入するか、生成物を分離して逆反応が起こらないようにします。現在行われている段階的な有機合成は、すべて熱力学的に下り坂の反応を組み合わせていますので、反応の組合せが制限されています。光で活性化エネルギーを与えるなど、光合成触媒反応に期待が集まっています。

26. エネルギー分子の利用・・・生化学エネルギーの通貨 [活性化エネルギー]


酵素が体温程度の温度下で合成反応を進めるには高エネルギー化学結合をもった化合物が必要である。現在の細胞生物は活性化状態を化学結合エネルギーとして運搬する分子を利用している。それはアデノシン（核酸塩基であるアデニンとペントースの結合した分子）である。高エネルギーリン酸結合を運ぶアデノシン三リン酸（ATP）、酸化還元状態を運ぶNADHとNADPHはいずれもアデノシンを含んでいる。

ATPの高エネルギーリン酸結合はリン酸基が3つ連続して結合している、一見不思議な分子である。リン酸を加熱すると脱水反応が起こり、200-300 ℃で2個、3個のリン酸が反応してピロリン酸(二リン酸)、ポリリン酸が生成する。水溶液中で分解しやすいが、熱水中でポリマー化合物として合成される。リン酸基が生化学反応に利用されるに到った分子進化上の経緯は不明である。あるものを利用するという生物進化の原則を考えると、アデノシンとリン酸は生命が誕生した場に豊富にあったと考えられる。また、生命誕生の場と考えられている熱水噴出口では、リン酸が豊富に溶けていれば地下の高温域でポリリン酸が合成され、海水中に噴出して適度な温度域で化学進化のためのエネルギー源として利用されたと考えられる。ATPは細胞内のあらゆる化学反応に登場する。酵素の活性中心で働く低分子である補酵素もアデノシンや炭素と窒素からなる複素環（複素環式化合物）を含んでいる。

生体内で起こる化学反応でリン酸基を結合してその物質を加工する反応は多い。そのためのリン酸基のキャリアがATPやそのほかの補酵素やビタミン類である。糖を代謝するための解糖系が代表例である。また、酸化還元反応でプロトン（水素イオン、陽子）や電子の運搬体であるFADH、NADPHはリン酸基を含んでいる。

さらに、硫黄を含む分子群もエネルギー生産や高分子合成に関与する。硫化鉄複合体はエネルギー生産の中心にあるTCA回路の入り口にあたる酵素の活性中心にある。硫黄を含む補酵素はメチル基やアセチル基を提供する。これらの補酵素の骨格は炭素と窒素からなる複素環分子であり、1個から3個の複素環から構成される。冥王代の地球では酸素分子がほとんどなかったので、複素環の化合物が酸素により分解されることはまれであった。

海底の熱水噴出口では鉄イオンやリン酸イオン、二酸化炭素を大量に含む海水が地殻を通じて循環していた。地底の熱源では温度が高く、還元状態にあり、金属イオンの沈殿物やリン酸基の高エネルギー結合が形成される。噴出先の海底は温度が低く、酸化状態にあるので高エネルギー結合は分子間の共有結合へと変換された。生命活動のエネルギー源である非平衡状態が温度勾配と酸化還元状態で維持されていた。

最初は鉱物の表面が化学反応の土台として使われたが、やがて複素環を含む高分子の表面、さらにはタンパク質（酵素）の表面へと発展したと考えている。温度勾配による化学反応の推進力は触媒作用により活性化エネルギーが低減され、細胞内へと取り込まれ、高温な環境を必要としない現代の生命活動へと進化した。

+++　基本単位の列で多様性を作る　+++

生体を構成する高分子はユニットと、ユニットをつなぐ1種類の化学結合によって作り出されます。すると、1種類の化学反応を触媒するだけで、ユニットの組合せによって多様性を作り出せます。

人間が考え出した文字や文章も同じ構成になっています。遺伝暗号はDNAの4塩基で記述され、タンパク質は20種のアミノ酸で記述されます。言語はアルファベットならいろいろな記号を含めてせいぜい120文字です。漢字はたくさんの文字を持ちますが、偏や旁の組合せでもあります。さらに音素まで分解すると、母音と子音を単位とし、言語によらす、80-150音くらいかと思います。言葉はこの単位の組合せで作られています。

+++　タンパク質の機能はアミノ酸側鎖の三次元的な配置によって決まる　+++

多様なタンパク質の働きは構成する20個のアミノ酸の種類と順番（アミノ酸配列）、すなわち、アミノ酸側鎖の立体的な配置で決まります。アミノ酸側鎖を分類すると、アミノ基、カルボキシル基、アミド基、水酸基、イミダゾール（複素環）などの親水性基。アシル基、ベンゼン環などの疎水性基。チオール基。親水性基はタンパク質の表面に配列して、周りの水分子と相互作用することが多い。疎水性基はタンパク質の内側に集合することが多い。水溶液中ではイオン結合（アミノ基（＋）とカルボキシル基（－）、さらにイオンを解した結合）、水素を仲立ちとした水素結合、電子雲の偏りによる静電作用（そのほかの親水性基）、疎水性部分が集合することによる疎水性作用がタンパク質分子を形作り、また、タンパク質分子同士を結合させます。

タンパク質は化学的に特徴をもつ表面を提供し、作用するときは他の分子と結合します。タンパク質の作用には様々な種類がありますが、単純化すると、１．結合する、２．タンパク質の立体構造が変化する（新しい表面が出現する）、３．化学反応が起こる、の３つです。タンパク質とタンパク質が結合する場合、相互作用する面に並んだアミノ酸側鎖は、云わば、でこぼこを作り出しているようなもので、ぴったりと合う表面が結合（密着）します。言い換えると、タンパク質は結合する相手にきつい選り好みを示します。タンパク質の構造物には繊維（コラーゲンや筋肉のアクチン繊維）、管（微小管や細胞膜に埋め込まれた輸送チャンネル）や塊（集合体、複合体）、籠（ウイルス粒子や分泌顆粒の籠）など、特定の形があります。タンパク質が結合するのはタンパク質だけでなく、他の生体高分子である核酸や脂質、糖とも結合し、構造体をつくります。特に、リン脂質の二重膜と結合して、細胞の膜を形成します。また、細菌の外膜はタンパク質と糖の複合体です。タンパク質合成装置であるリボソームはタンパク質とRNAの複合体です。

タンパク質は特別な表面を用意して、吸着した分子の化学反応を促進します。酵素反応と呼ばれます。様々な代謝、高分子の生合成・分解、立体構造の変化を行います。また、吸着した分子の影響のもと、別の表面に設けられた機能により様々な化学反応を行います。細胞膜を貫通するタンパク質の場合、吸着分子は調節分子であり、タンパク質をレセプター（受容体）と呼びます。細胞の内側の表面の機能は細胞内シグナルと呼びます。

+++　酵素反応は触媒反応である　+++

タンパク質は作用するとき、自分自身が壊れたり、変化することはまれです。このように、反応速度を増加させるが、反応前後で変化しない物質を触媒といいます。触媒の作用は、触媒が反応物と結合して反応中間体をつくり、活性化エネルギーを低下させることです。触媒がないときと異なる反応経路をとることになり、反応の仕方も空間的に限定されることになります。活性化エネルギーが低下すると反応速度が大きくなります。しかし、逆反応も同時に起こりやすくなりますから、化学反応の平衡状態を変化させることはありません。

27. 遺伝の仕組み・・・RNAワールド [リボザイム]


生命の起源の謎は遺伝のシステムが一度にできないと機能しないというジレンマにある。アミノ酸ができるだけではタンパク質は作れない。すなわち、生体高分子のモノマーができてもポリマーはできない。海が誕生して以来、数多くの化学反応により生命活動に必要な分子が誕生したはずである。その中で自分自身を合成できる自己触媒能力を持った分子は大量に蓄積されたはずである。自分自身を作り出すような分子はそれ自体が遺伝情報を担うと考えてよい。現在の生物は遺伝情報と機能する分子を異なった分子が担当している。この場合、遺伝情報を読み出す装置ができないと遺伝情報は機能しない。遺伝情報を担う分子を情報どおり合成（複製）できないと遺伝とは言えない。これでは鶏が先か卵が先かの議論に陥る。

地球型生物の遺伝の特徴は遺伝情報が一次元であること。ユニットが一次元に並んだ遺伝子を持ち、別の種類のユニットが一次元に並んだ機能分子を指定すること。ユニットは結合するための官能基を持つ。ただ結合するだけで出来上がるのはランダムポリマーである。情報を持つためには配列と合成システム（触媒）が連動したはず。連動とは、ユニット分子の合成の順番を指定する仕組みである。これが複製装置である。順番の情報はポリマーの一次元配列に含まれる。

現在の遺伝子の本体である核酸は、複素環が水素結合を利用してペアを作る反応を利用している。ペアを作ることで新しく合成される分子の配列を指定できる。化学進化の過程で、ヌクレオシド分子が作られ、それらが核酸塩基のスタッキング相互作用で一列に並び、適当な触媒表面に結合すればリン酸基とリボースが結合してRNAが合成されうる。共有結合の形成には高エネルギー結合のポリリン酸が関与する。RNA分子はスタッキング相互作用により、また、核酸塩基間の水素結合により三次元的に構造体を作りうる。RNAは並んだ複素環の水素結合の相補関係により、決まったRNAとペアを作る。

RNAは触媒反応も行う。ある特定の配列を持つRNA分子は分子を切断し、また別の配列を持つRNAはRNAを結合することが知られている。酵素（エンザイム）の語幹に倣ってリボザイムと呼ばれる。リボザイムではヌクレオチドが決まった配列で並ぶことで複素環が集合して化学反応を起こす活性部位が形成される。

自身の相補的なヌクレオチドの合成を促進するリボザイムがたまたま誕生すると、環境中のヌクレオチドを利用して数を増やす。これはポジティブ・フィードバック反応経路である。一つのリボザイムが触媒する化学反応は一つであるが、リボザイムが連続して並ぶことで触媒反応が連結して、分子がその上を流れながら複雑な分子に加工される仕組みができる。そしてリボザイムを複製できるリボザイムが長い時を経て偶然の積み重ねで誕生した。このようなポジティブ・フィードバック反応経路がいったん形成されることで、その亜種である生命体の部品をも合成できるようになった。これらのことからRNAが自己複製しながら進化するモデル、RNAワールドが考えられている。

RNAの鋳型をもとにRNAを伸長するリボザイムはいくつか見つかっている。また、タンパク質合成に関与するリボザイムも同様である。tRNAにアミノ酸を付加するリボザイム、また、アミノ酸の結合したｔRNAをmRNA上に並べ、アミノ酸を結合させる反応はリボソームを構成するRNAが反応を担っている。現在の生物でタンパク質を合成する装置はリボソームである。リボソームは３つのRNAと数十個のタンパク質の複合体であるが、タンパク質は補助的な役割しか持たず、もともとはリボザイムであったと推定される。

ある特殊な触媒表面で複製、成長する分子複合体が長い時を経て自分自身の複製を行えるだけの複雑性と規模を持つように至った。このような考え方を二次元生命体説と呼ぶ。問題は二次元生命体は触媒表面からはがれるとバラバラになり命を失うことである。進化の過程で命を失わないためには小胞の中に閉じ込める方法が簡便である。

炭素と窒素を含む複素環が切断されるとアミノ結合を持つ分子となる。水素結合で連続した複合ポリマーの一部が切断されると二重結合上の電子移動が起きて線状のオリゴペプチドができたのではないか。複素環分子の端にオリゴペプチドが結合し、それがタンパク質合成系へと発展したという仮説を提示しておく。この複素環複合体は転移RNAの祖先と考えられる。

+++　RNAとタンパク質の関係　+++

生命の起源を解明する上での大きな謎はRNAとタンパク質との関係です。しかし、RNAが作る触媒（リボザイム）の性能は低く、現在の細胞を作るには、タンパク質を含む触媒が必要です。

この謎に迫る報告が2022年5月11日号のNature誌で発表されました。研究者はアミノ酸を運ぶtRNAに着目、そのアンチコドンループの両脇（34番目と37番目）にある２つの核酸塩基がアミド結合を作りうることに気づきました。特に、37番目のアデニン塩基にはアミノ酸が結合しています。

2つの核酸塩基はいわゆる正統派の4つ、AUGC（RNAなので、Tではなく、U）とは構造が異なる塩基です。2つの塩基を相補的な2本の短いRNA鎖の端に置き、2つのRNA鎖が二重鎖を形成すると隣に来るように設計しました。専門的に書くと、5'-(m6)aa6A-RNA-3'と3'-mnm5U-RNA-5'となります。3'-5'は核酸の並びを示します。34番目の核酸塩基mnm5Uが受け取る側、37番目の核酸塩基(m6)aa6Aが与える側になります。Uの前のmnm5、Aの前の(m6)aa6は修飾基の略号です。

2つのRNAを混合して二重鎖を形成し、pH6で反応させると(m6)aa6Aのアミノ酸aaがmnm5Uに結合します。すなわち、2つの核酸塩基が結合します。熱を加えると(m6)aa6A側で切断反応が起きて、アミノ酸が受け取り側mnm5Uに移ります。すなわち、aa-mnm5Uができます。新たな(m6)aa6Aを加えて同じように反応させると、加えた(m6)aa6Aのアミノ酸が受け取り側のアミノ酸と結合します。すなわち、aa-aa-mnm5Uができます。この反応を繰り返して15個のアミノ酸が結合したペプチドを合成することができました。さらに、ペプチドが結合した核酸塩基を使うとペプチド同士が結合することも実証できました。

この報告では短いRNAを使ってペプチドを作り出すことが可能だと実証したわけですが、まだ第一歩にすぎません。遺伝暗号を説明してはいないからです。今回準備したRNAの部分がアミノ酸を運んで決まった位置に固定するのに使えることがわかりました。できたのはペプチドが結合した核酸塩基です。この次はペプチドが結合した核酸塩基が触媒活性を持つのかを探す旅になるでしょう。

リボソームは遺伝暗号をタンパク質に変換する重要な装置です。すべてのDNAやRNAを遺伝子として持つ生命体はリボソームによって遺伝子の暗号、すなわち、ATGC（RNAゲノムではAUGC）をアミノ酸配列に置き換えてタンパク質を作ります。リボソームは3本のRNAの周りに50余りのタンパク質が結合する複合体です。生命の起源を考えるときに避けて通れない複雑な装置です。最近のNature誌にアミノ酸を結合させる基本的な機能がリボソームのRNAにあることが紹介されました（2023年3月2日）。

多数の生物のリボソームの立体構造で保存されている部分があることに気づきました。その部分はまさにアミノ酸が結合する部分（peptidyl transferase center、PTC）です。PTCは複雑に折りたたまれたRNAが構成するポケットです。なぜ、すべての生物で同じ形をしているのか。生物が誕生する前に作られたリボソームの構造を反映しているからではないか。

PTCポケットでペプチド（アミノ酸が結合した分子）ができることから、PTCポケットはペプチド合成を触媒する機能があると仮定しました。PTCポケットの最小単位を構成できるRNAとアミノ酸を混合し、ペプチドができるか探しました。立体構造を再現する最適なRNA構造を探すのと、ごく少量のペプチドを検出するのが困難でしたが、10年がかりで証明したのです。同じ結果を独立に日本の東京理科大の田村教授も報告しました。

実はPTCポケットより大きなRNAを使うと、効率的にペプチドができることは報告されていました。また、アミノ酸とクエン酸などのOH基を持つ有機酸を混合し、加熱＋湿度─冷却＋乾燥のサイクルを繰り返してもペプチドができることも知られています。前にも紹介しましたがtRNAに含まれる特別な塩基を使うとペプチドができました。いずれもリボソームと無関係にペプチドができましたが、今回の報告ではリボソームの起源に迫るペプチド合成という点で注目されます。

なぜ、RNAはペプチドを作り出すようになったのか。ダーウィンの選択説的に表現すると、なぜペプチドを作り出すRNAが生き残り、RNAワールドで優勢になったのか。ペプチドがRNA以上に多様な触媒反応を担うことができることが理由として考えられます。複製の効率化やRNAを分解する化学反応からの保護、RNAの材料の提供など。RNAとペプチドのコラボはこれからも見つかりそうです。

+++　人間の時間感覚は対数的である　+++

ずっと古い時代の長い時間で起こった出来事について推測を加え、記述してきました。長い時間は想像もつかない変化を引き起こしているかもしれません。人間の生きてきた時間に比べて、億年の期間は比べようもなく長いものです。人類はこの時間を実感することができません。人間の時間感覚は対数的であるように思います。10年前と20年前の時間の距離は100年前と200年前の時間の距離と同じように感じられます。さらに、1000年前、1万年前と、なんとなく等間隔で並ぶようなイメージです。物理的な時間は10倍なのですが感覚的には2倍にしか感じられません。

歳をとると時間のたつのが早くなると実感します。若いときはただ座ってじっと待つのがいかに長く感じられたことか。同じ場所でただ座って待っても、今では待っていられます。エネルギー代謝が低下して、細胞の活動周期がゆっくりになったのではないか。コンピュータに擬えればクロック数の低下です。しかし、クロック数が低下しても無駄なデータの出し入れをしなくなれば性能は低下しません。

老化と神経細胞の活動周期の研究ではクロック数の低下は観察されません。時間が経つのが速く感じられるのは、新奇の体験が少なくなり、今までと同じ体験をしている間は時間を記憶しなくなるためです。過去の時間と記憶を対数軸に折りたたんでしまうのです。

+++　実証不能な長期の変化　+++

自然科学は同一条件下で繰り返し実験してデータをとることによって因果性を確定します。私は自然科学の定義を再現性とそれに基づいた論理構成と考えています。問題とする論文が再現性を重視しているか否かは、新発見を報告するとき、発見に至る方法が他の人にも再現できるように書かれているかで判断できます。現代では、新発見は学会での口頭発表や論文として報告されます。そのとき、その発見に至った方法を使うと、他の人でも（極端には素人でも)、同等のデータが得られるかがポイントです。なお、結論（解釈）は異なっていてもかまいません。

ところが、実際に実験を行える領域は限られています。まず、地球規模の現象は実験することができません。観測し、モデルで実験します。モデルと実物とが同等であるかが解釈の分かれ道です。また、何百年もかかる現象、すなわち、歴史的時間がかかる実験も行うことができません。人の一生程度の時間ならば十分に計画し、予算措置をすることで実験（調査）することができます。それでも政治的に結論を急がなければならないことがあり、その場合は不十分な実験により結論が出され、あとで問題になります。

実験できない場合は、モデル実験を行い、一定の条件で得られたデータを外挿的に応用して、予測値を出すという作業が必要になります。モデルはあくまでモデルであり、実物とはずれがあります。規模と時間が大きくなると、ずれも大きくなります。また、モデルは通常、いくつかの性質を代表することが多く、それを全体に応用する場合、解釈の仕方も人それぞれになります。

地球規模の環境問題など、規模も大きく時間も長い場合は、方向を誤ると手遅れになる可能性があります。疑わしきは先手を取らなければ危ないという政治的な判断が先行し、後の世代から見たら杞憂ともいえるような具体策が採られ、逆に必要な対策がなされなかったなどということが起こりうるでしょう。結局は対処療法となり、対策が迷走することも多々あります。それを非難することなく、また、非難されてめげることなく、現実を見据えた対応と新たな変化や発見にすばやく反応する態度･体制が必要です。

+++　時間と距離の感覚は似ている　+++

世間ではときどき距離を時間で測ります。代表的な例は「光年」でしょう。光の速度が最速で一定であることから、広大な宇宙を表現する時に、距離が光の届く時間に換算されます。つまり一万光年ということは、光が一万年かかって届く距離にその天体があるということです。

現代の地図は距離を距離として測定して二次元空間として表現されますが、昔は実際に旅行してかかった時間やイベントが根拠となったでしょう。甲町までは何日、乙山を越えるのに何日、といった具合。現在の地図に比べてデフォルメされるのは当然です。歩くか、馬か、船かによる違い、ルートによる違いは感覚的に調整され、調整センスの高い地図が重宝されたのではないでしょうか。逆に、時間的距離が地理的距離としてイメージされることもあります。遠い祖先は遠いところに住む。古い神ほど、偉大で、かつ遠くに住む。そこに至るまでのイメージの道のりが長いためです。

現代では距離は時間で測り、かつ、お金でも測るようです。円高になって海外は非常に近くなりました。自家用車を持つと、時間的な距離感は、短縮され、かつ、金銭的な距離感も短縮傾向にあるようです。

28. 触媒反応の場・・・非平衡状態を維持する [連鎖反応]


今まで生命体を構成する分子ができる自然界の反応を紹介した。特に重要な光合成、エネルギー分子、リボザイムを取り上げた。もう少し踏み込みたいが、有機合成化学や生物化学の専門の話になるので、書き方を工夫しないといけない。そして生命現象の根幹である遺伝の仕組みが基本的には自己触媒反応であることを説明した。ただし、化学反応は可逆的である。原料がなくなれば生成物が同じ触媒によって分解されて原料へと戻る。したがって、長い時間ののちには原料と生成物の濃度がある比率で一定となる。これを化学平衡という。どちらが多くなるかは原料と生成物のエンタルピーとエントロピーの差による。このような状態では生物の持つ合目的性を獲得することはないだろう。

化学反応が生命のメカニズムを獲得するために必要不可欠な条件は流れである。原料が流れによって供給され続け、生成物が流れによって持ち去られるといった状況である。限られた容積しか持たない生物では栄養分を取り込み、老廃物を捨てる。また、細胞内では原料を取り込み、連続した加工ラインによって生成物の濃度が高くならないように調整している。このような状態を非平衡状態にあるという。生体高分子は原料に比べてエンタルピーが高く、エントロピーが低い状態にあるので、生体高分子が生成するにはエネルギーを必要とする。

最も単純な生命体の仮説に流れの要請を追加しよう。2つの遺伝子を持つ1つのDNAと2つの酵素は同じ場所に存在する必要がある。その材料となるアミノ酸とヌクレオチドは流れに乗って供給される。アミノ酸とヌクレオチドはDNAと酵素に比べるとエンタルピーは低く、エントロピーは高い状態にあるので、DNAと酵素ができるためにはエネルギーが必要である。すると、エネルギーを供給する仕組みが必要となる。生物体のエネルギー通貨はATPであると紹介した。以上から、ATPを供給する酵素が必要となり、また、DNAと酵素を同じ場所にとどめる足場タンパク質が必要となる。このようにもっとも単純な生命体の思考実験を行うだけで、必須な遺伝子とタンパク質の種類はどんどん増えてしまう。

細胞の誕生までのストーリーはこの過程をうまく説明するできる仮説を必要としている。ちなみに、現在の生物ではタンパク質合成酵素は約30のRNA分子（rRNAとtRNA）と数十もの酵素からなる複合体であり、DNA複製酵素は数種類のコア酵素に数十もの補助機能を持つタンパク質から成り立っている。現代の洗練された複雑な酵素複合体はもっとも単純な遺伝の仕組みが誕生したあとに進化したと考えられる。

生命の誕生した場所は絶え間ないエネルギーの流れと分子の流れが必要である。エネルギーの流れの代表例は日光であり、海底の熱水噴出孔である。分子の流れは必然的に水の流れに依存する。そのため、生命誕生の最も有力な場は海底の熱水噴出孔である。地表の水系の可能性は低い。そもそも太古代には地表がほとんどなく、また、有機物、特に複素環を分解する紫外線が降り注いでいたためである。

水の流れは誕生した自己触媒酵素も洗い流してしまう。すると、自己触媒酵素は何らかの表面に結合したはずである。岩石の表面に結合した有機物の塊から自己触媒酵素が誕生し、それらが組み合わさって生命体へと発展したというストーリーが浮かび上がってくる。

+++　生物は連続反応を組み上げることで平衡状態を回避している　+++

化学反応では逆反応も起こり、放っておくと平衡状態に達します。これは生物にとって死を意味します。そこで、化学反応の産物を次の反応の材料としてすぐに次の化学反応にまわすことで、逆反応を起こりにくくしています。生物は化学反応で起こる逆反応を、反応を連続させることで防止しています。

代謝は複数の反応の組み合わせになっています。反応の平衡状態（触媒があるときの起きやすさ）は化学反応で変化する自由エネルギーの量で決まりますが、反応生成物を少なくすることで一方方向に反応を誘導します。最終的には体の外に排泄する分子（二酸化炭素や水）を作る化学反応と結びつけるか、生成物を膜で仕切られた別の空間に持っていって逆反応を阻止します。こうして化学反応の流れが確保されます。生物が自然の法則に逆らって化学反応を進行させる秘訣です。

細胞内では連続して行われる化学反応は同じ場所で起こります。たくさんの酵素が集合して巨大な複合体を作り、生産物を次々と加工して、ものを作り上げていくのです。糖を分解する経路（解糖系）や光合成、タンパク質工場であるリボソームなど。また、遺伝子からmRNAを作り出す複合体は、その遺伝子産物（タンパク質）が必要になったときに、そのつど構築されます。また、遺伝子である DNAを複製する装置や染色体を分配する装置も細胞が分裂するときに、そのつど構築されます。

+++　生化学反応の自己組織化にはフィードバック経路が欠かせない　+++

生物は熱力学の第二法則に反して、エントロピーの高い状態を保ち続ける物質です。そのためにはエネルギーが必要です。必要とするエネルギーは化学エネルギー（食べ物）と光エネルギー（植物が利用）です。これらのエネルギーを体の中に取り込んでは捨てる流れ作業が分子的に組みあがった複合体が生物体です。

単に寄せ集まったのではなく、組みあがった状態はどのような性質を持つのでしょうか。解りやすい例はネガティブ・フィードバックとポジティブ・フィードバックです。化学反応で生じた物質（生成物）が基の反応を抑制するのがネガティブ・フィードバックであり、促進するのがポジティブ・フィードバックです。ネガティブ・フィードバックの場合は化学反応を一定の範囲に納める効果があります。ポジティブ・フィードバックは一気に反応を進め、そこにある化学反応の出発物質（基質）を消費しつくして終了します。

細胞内では2つのフィードバックシステムは色々な場面で出てきて、細胞の自己組織化をうまくコントロールしています。ネガティブ・フィードバックは代謝反応の制御や細胞増殖の制御に利用され、ポジティブ・フィードバック系は情報伝達と応答反応に利用されています。遺伝子発現の制御、複製や細胞分裂など複雑な生命現象は両方が同時に働き、巧妙な仕組みが成立しています。

29. 膜構造の誕生・・・内と外を分ける [化学浸透圧説]


この章は私の推測を記している。

40億年前の海は二酸化炭素で飽和していて、酸性の状態だった。ロストシティ熱水域型の噴出口では橄欖岩が熱水によって分解し、蛇紋岩になり、二酸化炭素と水からメタンが発生した。蛇紋岩はさらに分解して酸化鉄とシリカになって水素が発生し、多様な有機化合物の素になった。シリカは微小な球体や管状に沈殿し、さらに鉄とニッケルと硫黄がシリカの薄膜の表面に沈殿した細孔が形成された。薄い壁の内外で、プロトン濃度の勾配があった。その電位差は現在の細胞内で見られる大きさであった。細孔は無機物でできた細胞のようなもので、薄膜の内側にRNAやほかの高分子が結合した。細孔は閉じてはいなかったので熱水噴出孔から供給される化学物質とエネルギーが細孔の中を通過しながら化学反応を促進した。化学進化はこの空間で起こった。

細胞は外界と細胞膜で区切られる。細胞膜は独立した生命体の基礎構造である。膜の成分は脂質である。現在の生物の細胞膜の脂質は2種類。１つはリン脂質であり、真核細胞や多くのバクテリアが利用する。もうひとつはイソプレノイド・エーテルであり、古細菌、特に好熱菌がこの脂質を利用する。イソプレノイド・エーテルの膜は硬く、高温でないと適度な流動性がない。生命の起源を考えると、こちらの脂質が原形であろう。

イソプレノイド・エーテルはグリセロール-1-リン酸にイソプレノイドがエーテル結合している。2本のイソプレノイドの両端にグリセロール-1-リン酸が結合しているので、イソプレノイドの長さが膜の厚さを決めている。イソプレノイドは5個の炭素からなるイソプレンが多数重合した分子である。古細菌の膜の厚さではイソプレンが8個重合する。イソプレンが太古の地球でどのように合成されたかは不明である。細胞の構造物になったので、ありふれた有機物であったに違いない。

現在の生物ではイソプレンは酵素の触媒の元、補酵素A(コエンザイムA)の土台に、アセチル基を3個重合させ、メバロン酸を作り、脱炭酸、脱水反応で合成する（メバロン酸経路）。補酵素Aはアデニンヌクレオチドをベースにした分子であり、イソプレンはリン酸基2個をつけて水溶性となる。もうひとつの経路はピルビン酸とグリセルアルデヒドを結合したデオキシキシルロースを介した経路で、シチジンヌクレオチドやNADなど、ヘテロ環化合物が多数関与する反応経路である。

ちなみにもう一方の細胞膜の構成物質である脂肪酸は複雑な酵素（バクテリアでは8個のタンパク質、真核細胞では巨大タンパク質複合体）の上で、補酵素Aを土台に作られる。

イソプレノイド・エーテルは両端にリン酸基をもつので、水溶液中では自発的にシート状に集合する。原初では、高温高圧下で生成する微細なシリカ片からなるスポンジ状の鉱物、もしくは泡状に析出した鉄硫化物に囲まれた小胞の中で原始細胞体は成長した。イソプレノイド・エーテル膜は原始細胞体の構成要素を拡散しないようとどめる効果を発揮して原始細胞体は安定化した。膜は穴だらけではあったが、小さな穴を通じて物質交換が行われた。

最初は自己集合した膜構造であったが、のちに二次元膜に結合してイソプレノイド・エーテルを捉え、二次元膜に加えていく触媒も誕生したはずである。触媒はタンパク質であったかリボザイムRNAのどちらかであったろう。偶然に生命の基礎反応を行う触媒系が膜の内部に取り込まれた。例えば、化学エネルギーを作り出す触媒系、RNAを複製する触媒系、タンパク質を作り出す触媒系なのである。さらに膜に物質を取り込んだり放出したりする触媒系がはまり込むと、内外で物質交換を行うようになった。

イソプレノイド・エーテル膜は大きくなると適当にちぎれて分裂した。このとき、包まれている触媒系もランダムに2つに分かれた。逆に膜構造は表面の構造水を押しのけるまでに近づくと融合する。膜につつまれた異なった触媒系が分かれたり、また出会ったりした。この過程で核酸や低分子、高分子を合成する能力を増した小胞が数を増すことになった。原始細胞体はこうしてスタートした。

イソプレン合成系の化学進化については証拠があまり見つからない。また、現在の生物では化学浸透圧でATPを作り出す仕組みを持つが、この起源も不明である。2つとも、細胞の起源を考察するのに必須であるが、現在のところ、良い仮説がないようである。

現在みられる生物の細胞膜を作っているリン脂質は、極性や電荷をもった分子にとって手ごわい障壁となっており、細胞が外的環境と分子を交換するためには複雑なチャネルやポンプといったタンパク質を必要とする。イソプレノイド・エーテルを主な構成成分として出発した細胞膜であるが、あるときリン脂質（脂肪酸）からなる膜を発明してより低温の環境へ適応した。

+++　生物には内と外がある　+++

細胞は生物の単位です。細胞は細胞膜により外界から隔離されています。細胞膜は細胞と外部環境との境目です。細胞にとって外部環境は所属する生物体の体内であったり、外側であったりします。細胞膜は物質の出入りを制御し、外界の情報を得て、細胞内の状態を調節する役割を果たします。最初の生物にとって、細胞膜は自分の体を保持するための装置として欠くべからざるものでしたが、栄養分のとり込み、老廃物の廃棄、成長や分裂の時にはちょっと厄介な代物でした。

連続していて内側と外側を分ける閉じた膜系は、細胞の生命活動の特徴となる性質です。まず、膜は、細胞内部と外部環境を隔てる障壁です。外からの侵入を防ぎ、内側の物質が流出することを防ぎます。真核生物では、細胞内部を機能の異なる区画に分けています。区画ごとに機能を集中して効率のよい化学反応を行います。ゲノムの塩基配列を解読した結果、大半の生物で遺伝子産物の約3 分の1が膜タンパク質でした。膜がかかわる細胞過程は生命活動にとって、大きな部分を占めています。

一方、我々のような多細胞生物の外側は細胞でできています。人間の場合は皮膚ですが、表皮は細胞が変形したケラチン質のもので覆われています。内側ですが、外側に相当する部分があります。消化器系です。口から始まって肛門まで、一本の管になっていますが、管の表面は人間にとって外側です。こちらの外側は粘膜細胞で覆われています。ムコ多糖と呼ばれる粘液を分泌する細胞があり、そこから常に粘液が分泌され、粘膜細胞を保護し、乾燥しないようにしています。粘膜細胞は外界の様々な物質の侵入経路です。栄養分や酸素などが吸収されます。菌やウイルスの侵入経路もここです。

+++　細胞膜の通行許可はタンパク質が与える　+++

細胞膜は外界との境界です。物質の輸送は細胞膜に浮かぶタンパク質が行います。イオンや低分子の場合はポンプと呼ばれます。イオンは電荷を持っていますから、膜を隔てて輸送されるとバランスが崩れて電圧が発生します。電位差と呼びます。神経インパルスは電位差の乱れが細胞のチューブ（神経線維）を伝わったものです。タンパク質のポンプの脱分極状態が隣へと伝わり、インパルスが通り過ぎると、ポンプは働きを取り戻して分極状態を作り出します。電位差（水素イオン濃度の差）は呼吸や光合成のときにエネルギー通貨であるATP分子を作るエネルギーを供給します（化学浸透圧説）。電位差やイオン濃度の勾配を利用して、分子を取り込むポンプもあります。

栄養分などの大き目の分子はポンプ（輸送タンパク質）で細胞内にとり込みます。逆に老廃物の分子もポンプで細胞外に捨てます。輸送にはエネルギー通貨であるATPが使われます。老廃物ではなのですが、代謝産物などをくみ出すポンプがあります。とくにベンゼン環を持つような物質をくみ出す能力を持つので、がん細胞が抗がん剤などを細胞外に排泄するのに利用します。

+++　ユーラシア大陸の都市は城壁で囲まれている　+++

ユーラシア大陸の都市は、韓国からヨーロッパまで、城壁で囲まれています。都市が政治的な有力者の首都として機能したため、常に侵略・戦争の攻撃目標となっていたためでしょう。城郭都市は細胞のようですね。

城壁の心理的な機能は他者との区別です。敵を防ぐ意味もありますが、味方も逃げられないようにすれば、大商人なども運命共同体として、防衛にすべてを捧げてもらうことができます。また、犯罪者など異質な者を区別する境界でもあり、したがって、城壁の中に住む人々はその都市共同体から承認された人々とされて、都市での政治活動、経済活動を許可されたのでしょう。

城壁は逆に問題点もありました。都市に住む人間の数はだんだん増えるために、人口密度が高まります。城壁は無制限に造ることができないため、どうしても空間が不足します。密集して生活すると、糞尿の排泄やゴミの投棄で不潔きわまりない場所となりました。その結果、伝染病も蔓延しやすくなりました。特にコレラ、結核、インフルエンザ、赤痢など、直接人から人へと感染する疫病が猛威をふるいました。大規模な都市では、火災の危険性も無視できません。住居が密集すると類焼の危険も高くなり、いったん火災が起こると大惨事になりました。都市では農村とは別に監視を中心とした連帯社会が築かれました。

中世までは利用された城壁ですが、大砲の発明や、産業革命で都市人口が急激に増加したことから役に立たなくなり、現在では主に観光名所となっています。

30. 複合体の誕生・・・共通祖先の前 [LUCA]


現在の生物の共通祖先LUCA(last universal common ancestor)は遺伝子系統樹から推測される、トップダウンアプローチである。逆に、化学進化研究から非生物学的に生物学的存在を再現するボトムアップアプローチがある。後者にはシンボリックな名前がないが、JAMSTEC仮説に従ってFLOQES (first living organism in quasi-equilibrium state)とよぶ。両者には時間的な隔たりがあるだろう。さらに化石的な証拠から示される共通祖先OFC (oldest fossil of cell)が考えられる。LUCAが必ずしも化石として発見されるとは限らないことからLUCAからOFCまで時間的な隔たりがあるだろう。

アストロバイオロジー的な模式図からはFLOQESまでは宇宙共通、そこからLUCAまでは環境特異的である。地球型生命が誕生する環境には、地球型惑星、地球型衛星、水惑星、水衛星、人工環境が考えられる。地球型生命はRNAワールドが特徴である。

熱力学の法則によると、宇宙は冷え、エントロピーは増大する。流れは斉一ではなく、よどみや逆流が発生する。その過程でエネルギーを溜めた存在として物質が誕生し、物質が集合して天体が形成された。物質は最終的には平衡状態へ向かう流れの一時的な澱みと言える。物質は化学反応を起こし、熱力学の法則に従ってよりエネルギー状態の低い分子へと変化する。そのとき、化学反応は関与する分子の種類や環境の不均一により、平衡状態への最短距離を辿るわけではない。時に回り道をする。生物はそのような迂回路の集合体として歩みを始めた。

たとえば、沈殿物ができた場合、平衡状態になるには沈殿が溶解する過程が必要である。沈殿は迂回路の例である。沈殿の周りに膜が形成されると沈殿は溶けにくくなる。これも迂回路である。膜で囲まれた系を考えると、小胞内部への物質の輸送と蓄積によって迂回路が追加される。内部で化学変化が起ってその物質が膜を通過できなくなればさらに迂回路が追加される。細胞膜ができることで化学反応の迂回路の集積が容易になる。

現在の地球上に存在する化石燃料の例に見られるように、大量の有機物が沈殿、堆積して濃縮されることが太古の地球に起こったはずである。しかし、大量の有機物が一か所に存在したからといって、そこから新たな生命体が生まれてくる過程は考えにくい。自己触媒反応については前章で論じた。また、細胞膜を作ることで自己触媒分子のセットが保存されると論じた。

タンパク質分子は、10～20アミノ酸程度の自律要素 (Autonomous Element)と、自律要素の性能を高める残りの部分から構成される構造体とする考え方がある。自律要素は触媒として機能する最小単位である。化学進化の初期に形成された原始タンパク質は、高温下で進化したと考えられるので、小さくかつ安定な自律要素が有利であった。当然ながら現在の酵素に比べて反応特異性が低く、反応が遅く、不安定で、間違いが起こりやすかったであろう。現在のタンパク質に自律要素があること自体、原始タンパク質のなごりと考えられる。

原始生物は生命活動に必要な最小限の遺伝子（酵素）しかもっていなかったため、酵素の基質特異性は現在よりはるかに広いものだったと考えられる（酵素進化のリクルート仮説）。その後の進化の多様性の過程で、自律要素をコードする遺伝子が重複と変異を起こし、やがて祖先型酵素より厳密な基質特異性を獲得し、それに伴い代謝経路も複雑化していった。

酸化還元の勾配や温度勾配、圧力勾配が自然界で形成され、そこを勾配に沿って分子が流れる。途中に有機物がたまるプールが形成され、おおらかに膜で覆われる。イメージとしてはフィルターやスポンジのような構造体の隙間を濃厚な有機物の複合体が埋め、有機物の前駆物質からなるスープが流れる。原始の海ではソラリスの海の原型のような、多数の袋（超細胞）の集まりだった。肉眼でも見えるような大きさを持って一体として活動する生命体が存在し、それが細胞生命体の先祖だったであろう。多くの原始遺伝子、触媒反応、化学エネルギーによる同化反応、酵素類を内蔵していた。変化する環境に適応するにはこちらのほうが有利である。FLOQESのイメージである。

FLOQESは熱水噴出口のチムニーや海底火山の熱水噴出口に形成された。膜を形成する能力を獲得した時、FLOQESの一部がちぎれて海中に流れ出し、細胞の原型となった。これが最古の化石OFCとして発見された。

+++　呼吸　+++

高校の生物の教科書にあるように、生物の呼吸作用は肺から酸素を体内に取り込む外呼吸と、細胞が取り込まれた酸素を利用してエネルギーを作りだす内呼吸に分けられます。内呼吸はグルコースなどの有機物を酸素と反応させる酸化反応です。

教科書ではグルコースが出発物質（炭素源）として説明されます。グルコースは炭素が6個の有機物ですが、まず、酵素がたくさん関与する一連の化学反応である解糖系によって炭素数が3個のピルビン酸2個に分解されます。この一連の反応でエネルギー（ATP）が得られます。酸素がある場合はピルビン酸から二酸化炭素がとれ、コエンザイムAと結合してアセチル・コエンザイムAになります。この反応は細胞質で行われます。

この後の反応はミトコンドリアで行われます。ミトコンドリアは呼吸作用を持つ細菌が真核細胞の祖先に取り込まれてできた酸素呼吸専門の細胞内器官です。ミトコンドリアは2重の膜からなり、外側の膜の中で内側の膜が折りたたまれて表面積が大きくなっています。内膜の内側をマトリックスと呼び、そこではクエン酸回路と呼ばれる一連の化学反応が環状に連結した経路で化学反応が行われます。クエン酸回路の一連の化学反応の過程で二酸化炭素が発生し、電子の流れが作り出されます。

クエン酸回路を触媒する酵素群は内膜に埋め込まれた電子伝達系と呼ばれる一群の酵素に接しています。酵素反応で得られたエネルギーを電子の流れとして電子伝達系に受け渡します。そのエネルギーによって電子伝達系の酵素は、内膜と外膜の間に水素イオンを送り出し、また、酸素を還元して水を作り出します。

ミトコンドリアの外膜と内膜の間に水素イオンが貯められるので、内側に比べて大きな濃度差が発生します。濃度差はエネルギー勾配（イオンなので電位差）を作り出します。このエネルギーによってATP合成酵素が大量のATPを生産します（化学浸透圧説）。ATP合成酵素はイオンチャンネルで、そこを水素イオンが流れる勢いでATPが合成されるイメージです。

+++　生物が生み出すものも生命の性質を持つようだ　+++

生物は誕生以後、地球環境に翻弄されながら、また、地球環境に大きな影響を与えてきました。生き残るために環境を変えました。そういった総体が生命でしょうか。微生物がつくりだす土壌、シロアリの巣なども生命の一部でしょうか。人間は他の動物に比べて多くの産物を生み出しました。住宅や都市が生き物に擬え得る形や機能をもつのは、これらが生命の一部であるからでしょうか。コンピュータは人間の産物ですので、同じように生命の一部。そして、コンピュータのメモリ空間にプログラムとして独立した生命形態が現れてくるでしょう。もしかしたら、コンピュータ・ウィルスやワームは人間の手を離れ、すでに進化への過程にあるかもしれません。

地球の生態系全体をひとつの生命体と見てガイアと呼ぶ考え方があります。もちろんガイア自身には繁殖能力はありませんので生命体ではありません。しかし、多くの生物が環境を維持し、再生産していますので、生命活動を行っています。修復能力があるので、ある一定量を宇宙の適当な場所に移せばそこに複製を作る可能性があります。人類もガイアの一部で、かつ、宇宙計画を立てている唯一の生命体ですから、人類がガイアの種（たぶん最初のタネ）ではないでしょうか。すると、ガイアも種を持つことで繁殖能力を得、ますます生物と呼ぶにふさわしい存在になります。

生命体は生き残ることを唯一の目的として進化してきました。ガイアが生き残る可能性を増すために他の惑星や衛星に子孫を送り込むのは自然です。

31. 細胞の誕生・・・独立した生命 [分子化石]


時代は38億年前に始生代に入った。

地球誕生は46億年前。後期重爆撃期後、大気や海が安定したのは38億年前。最古の堆積岩が確認されたのは38億年前。最古の細胞の化石は35億年前。最古の生物由来と思われる炭素成分（分子化石）はグリーンランドで38億年前の石から抽出された。

細胞の最古の化石は南アフリカのトランスヴァール州のフィグ・ツリー層、西オーストラリアのピルバラ層の堆積岩から発見された35億年前のシアノバクテリアと思われるものである。ピルバラの微生物の痕跡は、約32-35億年前の水深2000mに存在した海底熱水噴出孔周辺で形成された堆積岩に含まれていた。生命の海底熱水噴出孔起源説の有力な証拠である。

オーストラリア西のノースポール地域にある35億年前の地質体。当時の海洋地殻の上に堆積層が重なっている。その断面が見える。海洋地殻の部分には白い岩脈が走っている。それは当時の熱水の通路で、熱水に溶けていたシリカが冷たい海水と混合する過程で石英として沈殿しながら通路を埋めていった跡だ。岩脈の周辺には太さ10μｍほどの黒い線状のものがいくつも観察される。それは炭素でできた物質で、35億年前の微生物の化石と認定されている。この微生物は窒素固定を行う好熱性メタン菌と推測された。

光合成をする生物は質量数12の炭素を質量数13のものより優先的に取り込むことに由来する分子化石。生物由来の炭素は13C/12C同位体比は無機物より小さくなり、区別される。オーストラリアから見つかった35億年前の海の沈殿物の硫黄の同位対比を調べたところ、硫化水素を利用した化学合成（光合成に対応する）があったと予想された。

もう少し確かな証拠として、バイオマーカーの抽出がある。特に細胞膜の主要な構成成分である脂質（ステロイド）は、生物系統に特異的な分子構造を維持したまま分子化石として残る。分子化石の検証では、原核生物は 27億年前、シアノバクテリアも27億年前には存在したと推定される。27億年前の分子化石であるステロイドはイソプレノイドである。

27億年前にはおそらく不完全な細胞が出現したと推測する。これらの細胞は多数類集合することで、代謝産物を作り出し、互いに交換し、補いあって生存した。原始的な細胞は集団をつくり、共同体としてゆるく結合していたはずである。構成細胞の一つが新しく作り出した仕組みはその細胞だけでなく、集団全体の能力をアップした。共同体は、それぞれの細胞単位が複製し、適当にちぎれて数を増やした。

最初の生存競争は現代の生物とは異なった仕組みを持った個体の間で起こったと考えられている。そして1つの仕組みを持つ原生生物の共通祖先が生き残った（LUCA; the Last Universal Common Ancestor）。しかし、それは生物が個体からなることが当たり前になっている現代の理屈ではないか。生命体が誕生した直後は、細胞膜では仕切られてはいるが、個体を識別する仕組み（タンパク質＝遺伝子）があったとは考えにくい。

+++　生命は永遠を志向する　+++

「生命」とは抽象的な概念で、地球上の生物の共通の性質をシンボルとして表します。「命」は生命の個別版です。とくに、特定の生物・個体の生命について使います。「生命体」とは生命に実体をつけた抽象的な概念です。地球上の生命体を意識して「生物」という言葉を使います。

生物の定義は(1)遺伝子を利用して繁殖する。(2)繁殖するための仕組みを代謝によって得ている。の２つです。単純にいうと複製と代謝です。

生物の仕組みは自身の生命活動をできるだけ長く維持するようにできています。個体の生命活動が潰えたあとでも、子孫にその仕組みを伝えることで、種全体としては永遠に生き残るようにできています。また、様々な遺伝的な多様性を包含する懐の深さを持って、環境の変化に生き残りを図ります。生物界はお互いに助け合い、たとえ、絶滅する種があったとしても、どれかの生命は生き残ってきました。生き残り戦略の基本は多様性と様々な相互ネットワークです。過去の環境の大きな変化や急激な変化に対して弾力性のある対応ができました。言い換えると、生き残り戦略も過去の環境変化によって鍛えられ、遺伝子としてしっかりと受け継がれているはずです。

+++　細胞内の生体高分子の分子数　+++

生体内成分の重量の70%は水分子です。大腸菌細胞を例に取ると、水の分子数は約400億。重量比で次に多いのはタンパク質です。遺伝子から推定すると約4000種類ありますが、細胞内には総数800万分子ほどあります。すべての種類のタンパク質が常時作られているわけではなく、環境や細胞の状態によって数や種類が変動します。次は核酸。DNAは１種類（ゲノム）で分子数1個。栄養状態がよいと細胞分裂が追いつかず、一時的に2分子持つこともあります。プラスミドDNAを数種類、数～数十分子持つことがあります。 RNAは3000分子ほど。大部分が３種類のリボソームRNAと50種類ほどのtRNAです。残りは遺伝情報のコピーであるmRNAですが、環境や細胞の状態によって数や種類が変動します。mRNAはリボソームでタンパク質を合成する指令図になります。そのほか、糖、脂質、低分子の有機物、無機イオンが含まれます。

+++　生体は有機高分子を高濃度で含む　+++

生物の体の水分は70%。裏を返せば30%が有機物や無機物（骨など）です。牛乳は10%程度の有機物を含むので、生命が誕生した場の有機物の濃度は牛乳より濃いはずです。生命の誕生の場では有機物を濃縮するメカニズムが必須です。例えば、タンパク質や核酸は２価以上の金属イオンの濃度が高いと沈殿します。よい例が豆腐です。単純な濃縮方法であるので、有機物の塊が金属イオンを含んで泥と一緒に海底に沈んでいた可能性は大きいでしょう。沈殿は特に秩序だった構造ではありません。一方、生物体は空間的・時間的にタンパク質や核酸が秩序だって配列されています。秩序を維持するため、生物はエネルギーを消費します。また、秩序を維持するためには情報も必要です。遺伝情報はどのように誕生したのか。言い換えると、基本の分子がどの順番で組み合わさったか。ただ、生命現象の基本は増殖ですから、化学反応の中で、ポジティブフィードバックループが最初の核になったと考えることができます。

32. リボソーム・・・核酸をタンパク質へ [ナノマシン]


38億年前に誕生した細胞が現在の生物と同じ仕組みで遺伝子を複製し発現したとすると、過去10億年の進化の速度を考えた場合、30億年前には哺乳類（と同じ能力の生物）が誕生してしまう。偶然の突然変異の積み重ねとはいえ、完成された遺伝機構から予想される進化速度は大きい。過去に人類レベルまで進化した知的生命体が存在し、それが滅んだ可能性は否定できない。とはいえ、知的生物は活動によって地球表面を「不自然に」変化させたであろうから、太古の昔といえどもその痕跡は残るのではないか。

RNAワールド仮説によると、RNA遺伝子が複製する仕組みが誕生し、その後、RNAに付随するペプチドが機能的に補完する仕組みが誕生した。その基本成分はリボソームに代表されるRNA-タンパク質複合体である。現在の生物が持つリボソームは50種類以上のタンパク質と、少なくとも3種類のRNA分子から構成される複雑な分子である。これほどの高度な構造と機能がtry and errorによって組みあがってきたとするととても偶然の（＝自然発生的な）こととは思えない。RNAタンパク質複合体のほかの例としてスプライシング装置、RNAウイルスの複製中間体がある。

こうした生物体の巧妙な仕組みが自然にできあがったとは考えにくく、高度な知性が作り上げたのではないかとインテリジェント・デザイン説は主張する。この高度な知性を神と定義する。その例として取り上げた生物がバクテリオファージであった。確かにナノマシンとも呼べる高度な分子機械は偶然の積み重ねで出来上がったとは信じがたい。しかし、多くのバクテリオファージが発見、遺伝子が解析された結果、突然変異と自然選択の結果、高度な分子機械であるバクテリオファージが進化しうると結論された。すなわち、遺伝の仕組みができていると進化は速い。逆に遺伝の仕組みができるまでは長い試行錯誤の歴史があったと予想される。

38億年前から次のイベントが起こる25億年前まで（＝始生代の開始）の約10億年で、このような初期のRNAワールドにおいて遺伝子複製の仕組みとタンパク質が機能的に補完しあう仕組みの基礎が完成した時代と考える。約10億年で相応の性能を持つタンパク質が提供される遺伝の仕組みができあがった過程を提案しなければならない。

私は核酸塩基がタンパク質を提供したという仮説を持っている。核酸塩基は適度に開裂するとオリゴペプチドになる。RNA分子上には核酸塩基が連続して並び、水素結合でペアを作っている。核酸塩基を構成する複素環が開裂し、かつ、その化学反応エネルギーで近くの核酸塩基と結合することでRNA分子に応じた大きさのペプチドができると考えられる。核酸塩基を開裂させる適当な触媒が存在したのではないだろうか（この反応については根拠を示せない）。自らの一部が分解することで複製機能を触媒するペプチドを提供できるRNAは、RNAだけの触媒作用による複製に比べて有利である。自身の複製を触媒するペプチドを生み出すRNAはRNAワールド中で数を増やし、進化上、優位に立つはずである。

ペプチドの配列は核酸塩基の配列に依存する。RNAの配列に応じて様々なペプチドが誕生した。ペプチドは分解されない限り、その系に蓄積し、反応を触媒し続ける。ペプチドはRNAやペプチド同士で複合体を作り、触媒反応を複雑化した。ペプチドの中でも、自身の材料を提供する反応、すなわち、RNAを合成する反応、ひいてはRNAの部品を提供する反応を触媒する複数の分子がセットとして突出して進化を始める。原始細胞内で複製、翻訳の仕組みを作り上げた自己増殖型複合分子とその遺伝子セットはウイルスをイメージすると考えやすい。ただし、現在のウイルスは宿主細胞のリボソームにタンパク合成を依存している。自分自身の合成・複製を担ったペプチド・RNA複合体が一般化した機能構造として進化し、定着したものがリボソームを含むタンパク質合成系ではないか。

RNAをゲノムとすると、現在の高度に進化したシステムでもせいぜい3万塩基の長さしか維持できない。5万塩基を超えるゲノムはすべてDNAからなる。理由の一つはRNA依存性RNA複製酵素の品質が悪いとされている。突然変異が起こりやすく、長いゲノムができても突然変異により完成品ができる頻度が０%に近くなるためである。現在、知られているRNA依存性RNA複製酵素はすべてウイルス由来である。始生代の細胞はRNAのゲノムしか持たず、長いゲノムを持つことはなかったのではないか。リボゾームの先祖のRNAを複製するペプチドは他の短いRNAゲノムの複製もサポートできる。始生代の細胞はたくさんのRNAゲノムを持つ細胞として生命活動が維持され、進化したと思われる。

+++　平成22年（2020年）の口蹄疫　+++

口蹄疫はエンベロープを持たない環境に強いウイルスです。消毒薬も塩素系しか効かない。また、殺すには塩素系消毒薬のほか、熱や強酸、強アルカリが必要です。話題になった仲間のウイルスには下痢を起こすノロウイルスがあります。ノロウイルスは下水に入って海まで運ばれ、貝に取り込まれてまた人間社会に舞い戻るという、なかなか死なない強いウイルスです。口蹄疫は埃として何かに付着することで運ばれます。風、人、動物、昆虫？　そのため、感染した家畜はその場で安楽殺し、埋設処分するのが原則です。

2000年の国内での発生では4か所の農場でおさまりました。もしかしたら、10年前のうまくいった経験が今回の対応（初動）を甘くした原因かもしれません。ある程度拡大してしまうと、埋設処分が間に合わず、死体からウイルスが広がってしまいます。何万頭の牛（何千トン！）や豚を処分するのですから、時間がかかってしまう。今回の経験から大きな丈夫な袋を利用するなど、より効果的な封じ込め方法が検討されることでしょう。

感染力が強く、ワクチンが発症を防止しても感染を防止しない場合、農場ごと全頭処分する方法が選択されます。最近の例では鶏インフルエンザがよい例です。農家に与える経済的な損害は大きく、そのために現場の獣医は感染の宣言を躊躇してしまう。天災と同じ扱いで手厚い補償制度を準備しないと今後も隠ぺいされることになります。

何も手を打たなければ北海道まで感染が拡大し、流行は終息します。ウイルスは常在化し、家畜と共存します。その後はひどい流行が周期的に起こると予想されます。現在のところ、感染症で死ぬより処分で死ぬ牛豚の方が圧倒的に多いので、農家の方は理不尽と感じられることでしょう。常在化すると、常に流行の危険性と隣り合わせになり、安定した畜産経営ができません。また、口蹄疫の常在国からの輸入が解禁されますので、厳しい国際競争にさらされることになります。

イギリスの2001年の大発生では1000万頭の牛と羊が殺処分されました。経済的な議論とともに、感染の疑いのもとに健康な動物も殺すことに対して、動物愛護の議論もありました。様々な問題を抱えながら口蹄疫対策が調整されることになりますが、原則は初動対応です。また、日本は島国という恵まれた環境にありますから、検疫を徹底する。今回のワクチンはイギリスからの輸入です。日本製ワクチンを準備しておくのも近隣アジア諸国との防疫関係から考えなければなりません。

+++　プロトコル化されたシステムは乗っ取られる　+++

複雑な工学システムは要素間の関係がプロトコルによって正確に規定されています。通常は運転を容易にするためにシステム全体から情報を集め、各部分に指令することができるコントロールセンターを持ちます。同様に、生物システムもゲノムに書き込まれたプロトコルに基づいて構築されています。ゲノムを読み出し、書き込まれたプロトコルを実現します。どちらも理解しがたい複雑なシステムですが、工学システムではコントロールセンターもしくはそれに近いところを奪うことで制御を乗っ取ることができます。

生物システムも DNAに書き込まれたプロトコルを送り込むことで、本来のゲノムの機能を乗っ取ることができます。生物の乗っ取り屋の代表例はウイルスですが、細菌や原虫といった単細胞性微生物でも宿主の機能を一部乗っ取るタンパク質を持っています。もう少し、一般化しましょう。複雑なシステムを間違いなく運営するためには、仕組みや運営方法に関する情報が必要です。情報は保存するために何らかの物体に書き込まれています。当然、情報を読み出す仕組みがあります。読み出された情報に基づいて必要なコンポーネント、さらにはその組み合わせによってシステム全体が構築されます。

単一のシステムをできるだけ単純に設計、運用するためにはできるだけ共通の土台に基づいた装置を使う必要があります。通常、システムを構成する装置には互換性があり、組合せを変えることで異なった機能を発揮することができます。生物ではそれが進化になるでしょう。人工物の場合は改良となります。

+++　生物は全体をどのように見ているのだろうか　+++

人間社会では、設計図、すなわち、全体図を見せられて、お前はこの仕事をやってくれと、仕事の位置関係や相互関係を見ることができます。ところが、複雑に絡み合う生物システムでは部分は決して全体を見ることができません。ですから、構成要素から見ると、作業をやる、やらないの2つの状況しか見えません。

分子生物学は要素の構造と、要素間の関係については膨大な知見を集積しました。しかし、得られた知見は、ミクロな場での極めて限定した条件で、ほぼ静止した時間でのスナップショットです。実際の生体内でのダイナミカルな動きや生体というシステム全体の挙動を知るにはもう一工夫が必要と専門家は考えています。

よく使われるのは数理モデルです。構成要素を抽出し、時間パラメータを含んだ状態方程式を立てることになります。生物を理解するために数理モデルを導入しようとするとき、一番の問題は関係する要素の多さと複雑さです。新しい知見は次々と得られるので、要素の多さと関係の複雑さは際限なく増えていきます。当面の目標は、観察結果を模倣するための要素と、そのパラメータの抽出です。より少ない要素の計算でシステム全体の挙動が記述できればOKです。

近接した要素間の情報のやり取りが全体の状態を決め、生命の維持がなされるというのが現段階での仮説でしょう。

33．二重らせん・・・遺伝情報の保存 [DNA]


現在の生物の共通祖先LUCA(last universal common ancestor)は遺伝子系統樹から推測される、トップダウンアプローチである。逆に、化学進化研究から非生物学的に生物学的存在を再現するボトムアップアプローチがある。後者にはシンボリックな名前がないが、JAMSTEC仮説に従ってFLOQES (first living organism in quasi-equilibrium state)とよぶ。両者には時間的な隔たりがあるだろう。さらに化石的な証拠から示される共通祖先OFC (oldest fossil of cell)が考えられる。

前々回までの森羅万象の系譜ではFLOQESが最初、次いで、LUCA、最後に化石的な証拠であるOFCの順番を考えていた。RNAワールドの構成メンバーが膜につつまれたものをFLOQESと考察し、その説明を前回のリボソームの章で説明した。FLOQESは膜用構造を持ち、おそらく化学合成によって炭酸同化を行うことで複製機能を持つ。比較的大きなFLOQESは化石OFCとして残りやすかったのではないか。また、分子化石としても残されるであろう。

しかし、RNAワールドからLUCAまでを考えるとゲノムの誕生を考察する必要がある。LUCAでは遺伝子を確実に子孫に伝えるための仕組みが追加されなければならない。RNAゲノムでは長さに限界があると説明した。FLOQESは複数のRNAゲノムの集合体であり、成長に必要な化学合成を行うことができた。次の段階はゲノムを１本にまとめ、確実に子孫に伝達する仕組みを考えることである。

まず、RNAワールドでは複製のためにRNA分子の相補鎖を作り出す反応が作られていた。相補鎖を作ると、当然、その部分は二重らせんになる。これが２つに分かれるためには二重らせんをほぐす必要がある。現在の生物のRNA（DNA）複製では二重らせんとしてゲノムを形成し、二重らせんをほどきながら、それぞれのRNA（DNA）鎖を複製する。そのために、二重らせんをほどくエネルギーと、複製拠点を軸としてゲノムが回転するエネルギーの二重のコストがかかる仕組みである。大量のエネルギーは多数の高エネルギーポリリン酸結合の消費が行われる。そのため、核酸の材料はNTPといった高エネルギーポリリン酸を持つヌクレオチドであり、ゲノムに組み込まれるときにリン酸結合を残して、ジリン酸はエネルギーを放出することになる。

短いゲノムの場合はウイルスが持つ小さな複製酵素で機能するが、大きなゲノムになると、大掛かりな複製装置が必要である。長いゲノムを持つためには複製の誤りを取り除く必要があるとした。現在の生物は修復酵素を持っている。大きな複製装置には複製の誤りを取り除く酵素も組み込まれたはずである。

現在の生物がもつDNAゲノムはRNAゲノムに比べて安定である。そのため、巨大なゲノムは例外なくDNAゲノムである。FLOQESの進化の中にRNAゲノムからDNAゲノムへの変換が起こり、そのためにゲノムをまとめることに成功したはずである。RNAからDNAを合成する酵素、逆転写酵素はレトロウイルスが持つ。最近、一部の細菌も逆転写酵素を持つことが報告された。LUCAでは遺伝情報を保存するのはDNAゲノム、DNAゲノムから情報を読みだして機能させるのはRNA分子と、役割分担が成立した。

現在のDNA複製装置は複製の最初は短いRNA分子から始めなければならない。まだ例外は見つかっていない。DNA複製の場合は短いRNAを合成し、DNAを伸ばし、そのあとにRNA部分を除去し、空いた隙間をDNAで埋めるという手間のかかる作業を行う。この複製方法はRNAワールドの名残りと考えられる。

その次に、複製した長いDNAゲノムを２つの娘細胞に分ける必要がある。細菌では膜を使っている。ゲノムは膜にタンパク質を介して結合し、そこでDNA合成酵素複合体により複製される。２つのゲノムはそれぞれ膜に結合しているので、複製に応じて膜に結合している点は離れていく。ゲノムの分配を合理的に行うための最も初歩的な仕組みである。

+++　ヒトゲノム　+++

2006年に終了したヒトゲノムプロジェクトを引き継いだENCODE（The Encyclopedia of DNA Elements）プロジェクトでは精力的にヒトゲノムの遺伝子を調べています。2020年のENCODEプロジェクトの報告では機能的な配列の詳しい解析と分類が行われました。遺伝子と言わずに「機能的な配列」というあたり、古典的な遺伝子の定義がうまく当てはまらないケースが出てきていることを意味します。

機能的な配列として、20,225個のタンパク質コード遺伝子、37,595個のRNAコード遺伝子の候補に加え、1,224,125個の転写因子結合領域、2,157,387個のオープンクロマチン領域が同定されてデータベースが作られました。これらの配列を精査して926,535個の制御領域の候補が選びだされています。ここで、タンパク質コード遺伝子が古典的な遺伝子です。RNAのみが多くのゲノム領域で転写され、一部のRNAは機能を持っている（タンパク質コード遺伝子の量を制御している）ことがわかると、RNAコード遺伝子が定義されて、解析されています。そして、転写因子とは遺伝子発現を制御するタンパク質で、それが結合する配列が転写因子結合領域。これも遺伝子のオンオフを制御する配列です。最後はオープンクロマチン領域。クロマチンは染色体で、染色体の場所によっては固くタンパク質が結合しています。ところどころ、ゆるく結合している領域があり、その場所は転写されている、すなわち、mRNAや機能性RNAが作られていると考えられています。つまり、開いている、オープン領域です。

これらの制御領域の長さを足すとヒトゲノムの7.9％を占め、タンパク質になる配列の長さ1.2%の6.5倍にもなることがわかりました。つまり、遺伝子の大部分は反復配列などの意味をなさない配列で、1.2％しか意味を持たないと考えられていましたが、制御領域を加えると9%くらいは意味を持つ領域と考えられます。

26個の主要な転写因子の結合部位を調べた研究があります。ゲノム上に合計70万か所同定されました。驚くことにその20～40%が転移因子（transposable element）の配列に由来しました。転移因子は反復配列の一つで、今までは機能を持たないと考えられていました。そこに転写因子の結合部位があるということは、何を意味しているのでしょうか。

例えば、iPS細胞の誘導に必要な山中因子の一つ、Oct4はERV1という転移因子内の配列に結合することが判明しています。実際、幹細胞で発現しているタンパク質をコードする遺伝子の近傍にはERV1由来の配列が存在しています。つまり、Oct4は転移因子の存在するたくさんの領域で発現制御を行っていることが示されます。一つの因子で細胞の状態を大きく変えるために広い領域をカバーする転写因子、Oct4のような、が進化してきたというわけです。

原核生物ではゲノムの90%がタンパク質コード遺伝子で、出芽酵母も70%です。多細胞生物である線虫とヒトではタンパク質コード遺伝子数が約２万と変わりませんが、ゲノムサイズはヒトのほうが30倍も大きい。すると、ヒトが線虫よりも高度な体を持ち、複雑な生物活動を行う理由は、タンパク質コード遺伝子が発展したと言うよりもRNAコード遺伝子や制御領域が高度な仕組みを作り出していると考えられます。多細胞生物における進化は同様な遺伝子セットを使い、遺伝子の使い方の高度化が主な推進力であったと言えるでしょう。もちろん、タンパク質コード遺伝子も進化はしていますが、その貢献は制御領域の高度化より小さいようです。

+++　重複回路　+++

近縁種とは遺伝子の多くが同じ生物です。しかし、それらの発現を制御する調節的なつながりが異なっている例が報告されてきました。近縁種は、まったく異なる調節ネットワークで遺伝子をつなぎながら、一見、変わらぬ形態を維持していることがあるわけです。

逆に考えると同じ遺伝子を持っていても異なった機能を果たすことがある。これは生物学では当たり前で、体を構成するすべての臓器は同じ遺伝子を持っていますが、その機能はまったく異なっています。

人間が作る機械は個々の部品の不具合に左右されやすいため、遺伝子ネットワークにも同じような制約があり、その配線を少し変えるとシステム全体がおかしくなるという先入観があります。そして、その先入観に支配されて一つの部品（遺伝子）がおかしくなると全体が影響を受けると思いがちです。

ところが、実際に遺伝子改変マウスをたくさん作ったところ、ほとんどがノーマルなマウスでした。生物では一部の部品の不具合が全体的な機能に影響しないように、調節ネットワークを柔軟に変えることで対応するわけです。さらに、重要な機能については重複した情報伝達システム、調節システムを備えています。

要素は同じであってもそのつながり方が変わると全体が変わる。逆に、一部が損なわれたとしてもつながり方を買えることで同じ機能を果たすことができる。そんな生物的な原理を持つ人間社会の組織を作りたいものです。

34. 花崗岩・・・軽い大陸 [不動蓋型テクトニクス]


この章と次の章では生命の章の後半のようにほぼ私の推論である。確からしい科学の成果のみを並べてもこの時代はすかすかで、何が起こっているのかよくわからない。そこで、科学的な推論に推論を重ねてストーリーを作ってみた。科学的推論については21章にまとめてあるので、参考にしていただきたい。

後期重爆撃期が治まった38億年前の地殻は海に覆われてはいるが、また熱い状態であった。また、重元素の分離も十分ではなかった。不動蓋型テクトニクスが支配的で、地殻はランダムに湧き上がるマントルによってひび割れ、そこからマントル成分が噴出していた（ヒートパイプ）。ヒートパイプは巨大な海底火山を作り出し、たくさんの熱水噴出孔（スモーカー）を作り出した。ヒートパイプはマントルからの熱の供給が終わると沈み、火山の底が融けてマントル様物質に戻るというサイクルを繰り返し、少しずつ厚みを増し、冷えていった。

やがてヒートパイプによって地殻が押し上げられると、周りの地殻がマントルに沈み込むようになった。小さな沈み込み帯の形成である。沈み込み帯では海溝が形成された。沈み込んだプレートは水を含んでいるのでマントル中で比較的低い温度で融け、マグマとなって噴出し、大量の花崗岩を含む海底火山を作った。

30億年前にはプレートにはマグネシウムや鉄が豊富に含まれていた（mafic）が、25億年前にはケイ素が主体の（felsic）岩石に変わり、密度も低くなった。地殻が軽くなった分、厚い大陸がマントルに沈まなくなった。ケイ素が主体の岩石は沈み込み帯で水と熱とで形成さる。すなわち、小規模のプレートテクトニクスは30億年前に始まり、５億年ほど続いて、ケイ素が主体となるプレートに置き換わった。この時間はウィルソン・サイクルの１周期とほぼ同じである。

太古代では海水に溶け込んだ二酸化炭素はスモーカー対流のときに岩石と反応し、海洋プレートに取り込まれた。海洋プレートはマントル対流に乗って移動し、沈み込み帯でマントルに戻っていく。この時に二酸化炭素は岩石から離脱して火山活動を通じて大気に戻る。こうして地球上の海洋プレートがすべて二酸化炭素を含むようになると、大気中の二酸化炭素分圧は1気圧程度で平衡に達した。25億年前に二酸化炭素はほとんど地殻に取り込まれた。

原始地球の海の深さはほぼ2000mと見積もられている。原始地球に存在した陸地は海底火山が発達した弧状列島程度と予想される。プレートが衝突するところでは大規模な造山運動が起こるが、30億年前ではまだ造山運動の証拠は残されていない。陸地は海流や大気の流れに影響する。陸地が少なければ、雲は現在のように錯綜したパターンを示すのではなく、木星や土星の縞模様のように自転の影響で規則正しく並んでいたであろう。海流も同じように規則正しく、層状に並んでいたのではないか。

緯度に沿った層流となっていた海流は弧状列島で堰き止められることになった。今まで表面と海底で独立に循環していた海水が、弧状列島のところで湧きあがり、沈みこんだ。また、岸に打ち寄せる波が岩に砕け、飛沫となって舞い上がった。海底で合成された有機物ははるばると海面まで旅をして、しぶきとなって高空に舞い上がった。そこで高空で形成された有機物と反応して新たな有機分子となった。新たな有機物の微粒子は、海面に落下して沈み、また、熱水噴出孔へと戻った。有機合成は上空の紫外線により加速され、また、適度な分解も受けた。

海にそびえる火山から噴煙が吹きあがり、微粒子を大気に供給した。微粒子は雲の水滴のコアとなり、それまで以上に地球が雲に覆われることになった。雲はヘテロ環化合物を分解するような紫外線をカットする。また、当時の太陽の放射が弱かったことから、全地球規模の凍結も起こったかもしれない。氷の下では紫外線による分解を受けずに、ヘテロ環化合物が光エネルギーを吸収し、化学エネルギーに変換することができたかもしれない。

+++　花崗岩　+++

大陸を代表する岩石は花崗岩。花崗岩は水をタップリ含んだ比較的低温のマグマがゆっくりと冷えて固まってできます。したがって花崗岩ができるのは水に富む惑星に限られ、花崗岩は地球に特徴的な岩石といえます。地球では大陸のおよそ半分の面積が花崗岩で覆われています。もう半分はもともと海洋地殻の断片だった岩石です。海洋地殻を代表する岩石が玄武岩です。玄武岩は比較的高温のマグマが急速に冷え固まってできます。玄武岩は地球だけにある岩石ではありません。月にも火星にも、岩石でできた天体の表面には必ず玄武岩があります。

+++　太古代の空気　+++

太古の大気の組成はよくわかっていません。というのも直接的な証拠が残っていないためです。南極の氷のコアの中の空気を調べても遡れるのはせいぜい60万年前。地球史の0.01%にすぎません。でも、30億年前まで調べる方法がありました。

岩石にはわずかな泡や液体が含まれていることがあり、それを取り出し、解析すればよいのです。ただ、細心の注意が必要です。石を押し潰すときに真空の容器に入れ、わずかに放出されるガスをダイレクトに質量分析計にかけます。

最初に成功したのは2010年。30億年前の石英脈やバライトから取り出したガスのうち、希ガス類のアイソトープ分析から同年代のものと推測されました。希ガス類はネオン、アルゴン、キセノンであり、化学反応をする性質がとても弱いので、ガスのまま残っています。

次に、グループが調べたのは20億年前に形成されたとされるインド中央部にあるダーラ隕石クレーター。隕石の落下の衝撃で水を含んだ瑪瑙が形成されました。そこから希ガス類を抽出しました。また、30億年前の斜長岩からも希ガス類を抽出することに成功しました。斜長岩はプレートの沈み込み帯のマグマが結晶化したものとされています。

こうした中で2016年には8億年前の岩塩から空気の成分を分析しました。そこに含まれていた酸素の濃度は11％。このグループの最新の結果では20億年前の岩塩には16％の酸素が含まれる空気が含まれていたそうです。今までの推測では8億年前までは大気中の酸素濃度は1％程度と低く考えらえているため、学界からは受け入れられていません。2024年に8億年前のデータの検証結果が報告され、6.6％と下方修正されました。それでも従来の説より高い水準です。

Boring billion と呼ばれる20～8億年前。プレートテクトニクスでも気候変動でも生物の進化も目新しいことはなかったとされます。石の中の空気の解析から新しいことが発見されるかもしれません。

+++　地球の内部　+++

まずはおさらい。地球は外側から地殻（厚さ６～30km）、マントル（厚さ2890km）、外核（厚さ2260km）、内核（半径1220km）で構成されています。イメージと異なっていたのは核の直径が半分より大きい（約55%）こと。火星も同じサイズのコアを持つそうです。月は小さく、半径330kmで約19％しかありません。

次はイメージの修正です。プレートは地殻と思っていましたが、実際は、剛体であるリソスフェア部分（厚さ100km）を指します。すなわち、地殻の下には固体のマントルがあり、プレートとして運動を共にしている。その下はアセノスフェアと呼ばれ、変形して流動するマントルです。上部マントルの主成分は橄欖（カンラン）岩ですが410kmの深さまでです。つまり、上部マントルは同じ成分ですが、２つに分けられます。その違いは深さ（圧力）と温度。橄欖岩は上部マントルの途中で熱と圧力によって流動性が増すのです。

上部マントルの下はマントル遷移層（主成分はリングウッダイト）で660kmの深さまで。その下はブリッジマナイトと呼ばれる固い岩石が主成分で下部マントルを形成します。ブリッジマナイトは高圧実験で、マグマオーシャンが固化するときに最初に結晶化されることが示されました。下部マントルの上は沈み込んだプレートがたまる深さです。深さ2600kmを超えると、コアとの境界になり、金属に富んだポストペロフスカイトの層があります。この鉱物の構造と性質は筆者が超高圧高温実験で岩石を圧縮して再現しました。

コアには不純物が重量比で8％ほど含まれていて、コアの特性や進化に影響しています。コアの主成分は鉄ですが、コアが形成されたマグマオーシャン時代に取り込まれた不純物が今も残っていると考えられます。

35．プレートテクトニクス・・・大陸を作り出す原動力 [クラトン]


30~25億年前のプレートテクトニクスにより、それまでに蓄積された島弧や海底火山が沈み込み帯に集められ、地塊が形成された。沈み込んだプレートは水を含んでいたので低温で融け、マグマとなり、沈み込み帯で火山となって地表に噴出した。一方で、地殻のそこで巨大な花崗岩として固化するものもあった。火山活動が活発になったのは27億年前であり、大陸地塊が成長したと考えられる。

25億年前からのプレートテクトニクスは駆動力にコールドプルームが加わった。活発な火山活動の一方で、海底プレートは地殻の下にたまり、中心部分の温度が低いまま、ゆっくりと核へ向かって沈み始めた。その反動で熱いマントルが押し上げられ、大規模な海嶺が形成された。プレートテクトニクスは加速し、地塊はさらに巨大化し、沈み込み帯での花崗岩の生産量も高まった。こうして、現存する最古のクラトンが形成された。

19億年前には沈み込み帯に加えて海嶺でも火山活動が激しくなり、再び活発な火山活動の時期を迎えた。これらの地塊やクラトンが集合し、18億年前には最初の超大陸ヌーナが形成された。最初の超大陸は現在の北米大陸とグリーンランド、スカンジナビア半島、オーストラリア大陸、南極東部を合わせたものであった。面積は北米大陸ほどと推定されている。これ以降、超大陸の周辺の沈み込み帯からのコールドプルームが超大陸の中心付近の地底から湧き上がるホットプルームを駆動し、大陸が裂け、地球の反対側で再集合するというウィルソン・サイクルが始まった。

この間に酸素を放出する光合成が進化し、シアノバクテリアが誕生した。23億年前には全球凍結が起きて生物の大量絶滅があったと推定されている。その結果として、21億年前、真核生物が出現したと思われる。アフリカ大陸とその周辺では20、11、7億年前に小さな大陸の衝突があり、次第に大きな大陸に成長した。最後の衝突はアフリカ南部を形作り、ダマラ造山運動と呼ばれる。

プレートは厚さ100kmの地殻と310kmの上部マントルからなる。クラトンは上部マントルに浮かんだ氷山のようなイメージである。上部マントルと下部マントルの間は250kmのマントル遷移層である。プレートの周りに沈み込んだプレート塊は深さ660kmのところに浮かぶ。この深さは下部マントルの上面にあたる。プレートが現代の厚さになったのは８億年前とされている。

+++　付加体　+++

海洋プレートは、マントル対流の上昇部にあたり、定常的にマントルの溶融が起こり、常にマグマができ、火成作用が起こります。マグマは、海洋プレート固有の成分を持っていて、中央海嶺玄武岩（Mid-oceanic ridge basalt、MORB）と呼ばれています。その上に、海洋のプランクトンの死骸が落ちて海洋底にたまってできる堆積物（層状チャート）が重なります。海洋プレートが陸に近づいてくると、陸からの砕屑物が海溝を越えて溜まってきます（半遠洋性堆積物）。

沈み込む直前には、海洋プレートは、どこでも似た岩石の連なり（下から、MORB、層状チャート、半遠洋性堆積物の順）となり、海洋プレート層序と呼ばれます。

陸由来の堆積物は、大陸斜面にも厚い地層（タービダイト層）をつくり、沈み込みの力で、押し込まれて重なっていき特別な構造（デュープレックス構造）をもっていきます。このように陸側の大陸斜面の下には、特徴的な構造をもった厚い堆積物（付加体）ができていきます。

海洋プレートが沈み込むと、圧力が上がり、含まれていた水分が絞り脱されて陸側のマントルに加わっていきます。厚いマントル物質に水分が加わると岩石の融点が下がりマグマができます。そのマグマも固有の成分を持ったものになります。

陸側の地殻は、火成岩や堆積岩、変成岩などさまざまな岩石からなり、沈み込みで圧縮され続けるので、厚い地殻へとなってきます。厚い地殻の深部では、中温中圧から高温高圧、ときには超高温高圧の変成作用が起こります。このような複雑な岩石が、複合的な地質現象によって、日本列島のような地帯（島弧）ができています。

途中で形成された海底火山やサンゴ礁などはマントルに沈み込むことなく、付加体に加わります。いったん地下に取り込まれますが、後からくる付加体によって押し上げられ、地上に出てきます。

+++　液体金属の流れが磁場を生み出す　+++

マントルの内側の核は液体金属ですから、マントルよりも対流速度が速いはずです。マントル対流の時間スケールは１億年程度ですが、外核の対流の時間スケールは数千年のオーダーと見積もられています。

磁場の存在する下で液体鉄（つまり導体）が流れると、起電力（電圧）が生じ、電流が流れます。発電機の原理そのものです。電流が流れると、その周囲に磁場を生み出します。磁場が、もとの磁場と同じかたちであれば、その磁場は強められます。いわゆるポジティブ・フィードバックとなります。流れの運動エネルギーが磁場のエネルギーに変換されるこのような過程は、磁気流体ダイナモ過程と呼ばれます。電流のエネルギーは対流運動、すなわち、地球の持つ熱エネルギーが宇宙へ流れ出す過程で供給（変換）されます。

太陽、地球をはじめとする多くの惑星が、それぞれ固有の磁場を持っていることが知られています。それらの磁場は全てダイナモ機構で生成されていると考えられています。ダイナモ機構そのものは、宇宙のなかでそれほど珍しい現象ではないでしょう。

しかし、地球ダイナモ理論では、磁場の南北の極がこれまで何度も逆転してきた現象について説明ができていません。また、最初の引き金になった磁場はどのようにして供給されたのでしょうか。磁場の反転と核、マントルの対流現象は影響しあっていると考えられます。その辺に答えがありそうです。

最近では核内の不純物が結晶化して浮くために対流が発生するという仮説が出されました。軽い成分として含まれていた二酸化ケイ素が、核の上部で固体として結晶化し、鉄より密度が小さいために浮いてマントルの底に付け加わる。一方で軽い成分が抜けた鉄の密度は大きくなり、深部へ沈んでいく。その結果として、核内で対流が発生する。地球の冷却に伴って二酸化ケイ素が結晶すれば、それが核の対流を引き起こします。さらに冷却が進めば、鉄の結晶化も対流の駆動力になるでしょう。

36．ウイルス・・・進化の立役者 [逆転写酵素]


ウイルスは細胞から逃げ出した遺伝子の断片に由来すると考えられてきた。しかし、遺伝子（DNA、RNA）複製酵素を比較して系統樹を作成すると、ウイルスの酵素は、真核細胞、古細菌、真正細菌の3つのドメインの外に位置する。したがって、細胞が3種類に整理される前はウイルスに代表されるような多くの種類の遺伝子複製酵素が存在したのではないか。正確な進化時計が作れないために年代は不明であるが、逆に作れないことがその起源の古さを物語る。

RNAウイルスをRNA依存性RNA合成酵素によって系統樹を作成すると5つの大きな枝に分かれた。1つ目のグループは単純な構造を持つプラスセンスRNAウイルス。2つ目は1つ目のグループから分岐した多数の遺伝子を持つプラスセンスRNAウイルス。2つ目のグループの一つの枝は2本鎖RNAウイルスであった。3つめのグループは2つ目のグループから分岐したプラス鎖、マイナス鎖が混じったウイルスなど特殊なプラスセンスRNAウイルス。４つ目のグループは３つ目のグループの枝として分岐し、二本鎖RNAゲノムを持つウイルス。４つ目のグループの中から５つ目のマイナスセンスRNAウイルスのグループが分岐する。おおむね、RNAウイルスの進化はこのようであったであろう。

逆転写酵素（RNA依存性DNA合成酵素）はこの系統樹の外になり、さらにDNA依存性DNA合成酵素が外に位置する。RNA依存性RNA合成酵素から逆転写酵素が誕生し、さらに現在の生物の遺伝子を複製するDNA依存性DNA合成酵素が誕生した。

RNAワールドの後期、膜につつまれたFLOQESの頃、これらの進化が起こったと私は考える。FLOQESは複数の比較的短いRNAゲノムの集合体と考えられ、進化してきた逆転写酵素、DNA複製酵素がゲノムサイズを安定化させ、長いゲノムの誕生を促した。ゲノムを１本にまとめれば、遺伝子は確実に子孫に伝達することができる。大きなゲノムになると、複製装置も大掛かりになる。そこには長い二重らせんを物理的に操作する酵素や複製の誤りや自然界にある変異原（紫外線や化学物質）による遺伝情報の攪乱を除去する酵素が含まれる。

さらにDNAゲノムからRNAを用いて遺伝情報を読みだしてRNAワールドで進化したタンパク質合成装置（リボソーム）でタンパク質に変換する。DNAは補修しながら維持するが、RNAは使い捨てにでき、また、大量に遺伝子産物が必要な場合は遺伝子を増やすのではなく、使い捨てのRNAを増やすことで対応可能になった。

FLOQESの進化の中にRNAゲノムからDNAゲノムへの変換が起こり、長いゲノムが誕生すると、短いRNA依存性RNA合成酵素で複製する短いRNAゲノムは邪魔になった。必要な遺伝子はRNAからDNAに変換されてDNAゲノム内に取り込まれ、独立して複製するゲノムは排除する仕組みができたはずである。基本的には長いゲノムからは資源を奪う盗人なので淘汰される。淘汰の仕組みから逃れるためには細胞から脱出する必要がある。RNAワールドの生き残りである短いゲノムの複製単位は細胞外で生き残るためのタンパク質の殻を獲得し、細胞外に逃れるようになった。細胞の餌に紛れて取り込まれ、細胞内で複製し、宿主から脱出するというライフサイクルを獲得した。これがウイルスである。

ウイルスと宿主細胞とは共進化の関係にある。ウイルスは複製のエラーが大きいので新たな遺伝子を作り出し、宿主細胞はそのRNAゲノムをDNA化し、ゲノムに取り込んだ。逆転写酵素を持つレトロウイルスは宿主細胞のゲノムに入り込んで宿主細胞の進化に寄与した。ウイルスは宿主細胞の変化についていかないと生存できない。宿主細胞の仕組みの複雑化と効率化に適応しながらウイルスは多様性を増した。ウイルスが少ない遺伝子資源で宿主の排除機構に対応するためには単純だが強力な複製戦略が必要であった。

原生動物に感染するウイルスには小さなバクテリアに匹敵するサイズのゲノムを持つウイルスがいた。巨大ウイルスはポックスウイルスと同様に細胞質に核のような構造体を作る。これらの巨大ウイルスには代謝系酵素（ウイルスは代謝しない）や生合成のための遺伝子が含まれていた。これらの遺伝子を真核細胞やバクテリアと比較すると、分岐点は少なくとも27億年前までさかのぼると推測された。宿主細胞の遺伝子を取り込んだとも推測されるので、起源の推定はさらに検討する必要がある。

+++　野生動物も感染症で苦しむ　+++

サイエンス誌にアフリカ中部コンゴ共和国のロッシ自然保護区で、2002～05年にゴリラ約5500頭がエボラ感染で大量死したとの推計が発表されました。エボラウイルスは映画「アウトブレイク」のモデルになったウイルスで、人間に全身感染して出血性の多臓器不全を引き起こし、高い致死率を示します。論文の著者らは、エボラウイルスは密猟とともにゴリラにとって大きな脅威と指摘しています。私にとっては密猟者がエボラウイルスを文明社会に持ち帰る方が恐ろしい。

エボラウイルスは未知のウイルスが野生動物との接触で人間社会にもたらされることを示しました。ウイルスが感染する動物種は決まっていて（自然宿主）、その動物にはなんら症状を示さないか軽い風邪で終わるのに、人間には重篤な感染症を引き起こすことがあります。中国で流行したSARSコロナウイルスはキクガシラコウモリが自然宿主であることが確かめられました。エボラウイルスの自然宿主は、先の地域で1030の動物が捕獲されてウイルスもしくは抗体が調査され、オオコウモリであると発表されました。

野生動物をウイルス感染から守るためにはワクチン投与しかありませんが、野生動物に1頭ずつワクチンを注射するのは大変です。

+++　微生物を改造した生物兵器は先進国で開発される　+++

1918年に世界で大流行したインフルエンザ、スペイン風邪は 2000万人の死者を出しました。折りしも、第一次世界大戦中。集まった兵士が風邪でダウンし、アメリカ合衆国の参戦が遅れたそうです。

この風邪の犠牲者がシベリアで土葬されており、その人からウイルス遺伝子が分離されて、遺伝情報を元にスペイン風邪ウイルスが再構築されました。いずれ、行われるだろうと予想していましたが、やはり、話題になっています。研究を行ったのはアメリカ合衆国のCDCで、一連のインフルエンザの脅威からワクチン開発のためとしていますが、当然、バイオテロにも使えます。

オーム真理教教団は化学兵器であるサリンを使い、経済力のあるテロ組織なら技術を購入して禁止兵器も自己調達できることを証明して見せました。遺伝情報からインフルエンザウイルスを再構築するには高度なバイオテクノロジーができる施設と熟練した技術者・研究者、何よりも社会にその施設を維持する基盤技術（水、エネルギー、資材供給、情報網）が備わっていることが必要です。　

伝染病といえば発展途上国のもので、海外旅行で気をつけるものでした。最も恐ろしい伝染病は先進国で開発される時代かもしれません。

+++　分離培養できない菌・ウイルスが大部分である　+++

自然界には分離培養できない菌がたくさん生存していることが知られています。それらの菌と病気の関係は明らかではありません。大規模ゲノム解析時代になると、菌を分離せずにまとめて塩基配列を決め、後で配列ごとに菌を分類する方法がとられています。特に、海洋･土壌微生物、腸内細菌が解析のターゲットとなっています。この方法で予想以上に多様な菌が自然界に生存していること、人類が知っていた菌はごく少数でしかなかったことが明らかになってきました。役に立つ菌や新たな病原菌が発見されることでしょう。その菌を分離培養できなくても役に立つ酵素を分離・同定することが可能になりました。

37．ゲノム・・・遺伝子に刻まれた時間 [分子時計]


生物が共通に持つ遺伝子に注目し、その分子進化を測定すれば、最初の生物の誕生した時期を計算できる。もっとも初期に研究されたのがリボゾームRNAである。リボソームは細胞が普遍的に持つタンパク質合成装置であり、よく保存されており、構成要素として必ずRNAを含む。リボゾーム RNAもDNAに遺伝子としてコードされている。

リボゾームRNAの塩基配列で作られた系統樹で一番古い生物は原核生物で、しかも真正細菌になる。その中から約18億年前に古細菌が分岐した。古細菌の生育環境は多様で高濃度の塩水に育つ好塩菌や、極度の酸性環境に棲息する好酸菌、100℃の高温下に適応した高熱菌がいる。つづいて15億年前にこのグループから真核生物が出現し、この時点で原核生物の単純な細胞構造は複雑な真核細胞に変化した。真核生物のミトコンドリアやリソゾームのタンパク質（遺伝子）の一部は真正細菌由来である。

ところが、別の遺伝子を使うと、古細菌のほうが根元に来る。真正細菌が始原生物に近いとする系統樹は暫定的である。個々の遺伝子だけでなく、現在進行中のゲノム全体の解析の結果により、意外な事もわかってくるだろう。いずれにしろ、原核生物は分子系統樹の大部分を構成する生物であり、他の動物や植物は小さな枝の一つでしかない。生化学的な多様性は原核細胞でもっとも著しい。

古細菌であろうと真正細菌であろうと、系統樹の根元の生物は好熱菌である。生命は熱い海の底で始まり、熱い環境下で古細菌と真正細菌に分かれたと考えられる。

過去の分子系統樹の手法から祖先型のタンパク質を推定し、復元した研究では、タンパク質は耐熱性であった。したがって、古代生命は高温環境に生息していたことが示唆された。さらに、25種類を超える翻訳の伸長因子タンパク質について祖先型を推定したところ、それらは熱安定性が高かった。古代生命を支えていた環境の温度が5億年前までの間に徐々に30℃低下したことが示唆された。

大腸菌K12株で見いだされた4288個の遺伝子のうち、実験室で育つのに必要な遺伝子はたった303個だという。また、遺伝子をその機能や遺伝子の類似性から分類して普遍的な遺伝子をリストアップすると200個になる。無機培地で増殖するためには1000個ほどの遺伝子が必要とされる。最も原始的とされる古細菌の独立栄養細菌は2400個の遺伝子を持つ。独立した生物となった当時には遺伝子が1000-2000個程度あったと見積もられる。これは最大のRNAウイルスは20個程度の遺伝子なので、100倍のサイズである。

デンマーク大学のディヴィット・ユーザリーらは61株の大腸菌ゲノムを分析し、2010年に発表した。大腸菌のパンゲノムは15741個の遺伝子を含み、コアゲノムは993個（6%）しかなかった。この結果から、大腸菌は水平遺伝子移行によって系統的に離れた微生物からも遺伝子を得ていることがわかった。

さらにデュッセルドルフ大学のタル・ダガンらは原核生物181種のゲノムにある53万9723個の遺伝子を比較して遺伝子の水平移動を調べた。その結果、80%の遺伝子は水平移動していると考えられた。したがって、細菌の系統樹は垂直伝達と水平移行から網の目の形になると考えられた。

+++　長生きの秘訣とは　+++

さまざまな脊椎動物を調べると、最大寿命と比代謝率（１ｇあたりの 1日あたりのエネルギー消費量）の間に反比例の関係が出てきます。言い換えると、生物が一生の間に使うエネルギーの総量（LEP値）は一定です。大量にエネルギーを消費する種は短命で、ゆっくりとエネルギーを使う種は長命です。太く短く生きるか、細く長く生きるかの違いです。もう少し細かく見ると、哺乳類のLEP値は3つの値に落ち着くようです。霊長類以外（220kcal/g）、霊長類（460kcal/g）、ヒト（780kcal/g）です。ヒトは太く長く生きる種の代表例です。

もっとも確実な長寿化・老化抑制の手段は何かというと、食事制限＝ダイエットです。さまざまなサプルメントなどが宣伝されていますが、ヒトで効果が実証されているものは皆無です。ダイエットの基本は炭水化物の量だけを減らし、ほかの必須栄養素を減らさない食事療法です。といっても、さまざまなバリエーションが考えられるでしょう。

+++　老化に関与する遺伝子　+++

老化を遅らせる（寿命を延ばす）遺伝子についてメモを書いておきましょう。１つは5-アデニリルサイクレースです。5-アデニリルサイクレースはアドレナリンの信号を受け取り、細胞の活動を活発にします（特に心臓の鼓動の活発化）。マウスで5-アデニリルサイクレースを機能不全にすると30%寿命が延びました。体重が減り、心臓への負荷が減り、骨のロスが少なくなり、SODの生産量が増えたそうです。2つ目はサーチュインことNAD依存性脱アセチル化酵素です。サーチュインは多くのメンバーからなり、細胞内代謝状態（エネルギー状態？）のセンサーです。活発な細胞機能を抑制する働きから、老化や癌化、DNA損傷修復などに関与します。

老化を遅らせるには5-アデニリルサイクレースに対しては阻害剤を、サーチュインに対しては活性化物質を摂取すれば良いことになりますが、どちらの場合も生理機能が低下し、血沸き肉踊るような人生は望めないようです。

+++　長生きは幸福か　+++

長生きしたら幸福でしょうか。人は三度死ぬといいます（疋田先生、満足死　寝たきりゼロの思想、奥野 修司著、講談社文庫）。第一は社会に貢献できなくなった「社会死」です。定年や引退、隠居がそれにあたります。第二は生活の維持が困難になる「生活死」です。寝たきりや認知症で介護が必要になる状態です。第三は心臓が止まる「生物死」です。いまは生活死から生物死まで五年、十年がざらであるのが大問題で、理想的には一週間、長くて一カ月が望ましい。そのためにはどうすればいいのでしょうか。疋田先生は金のためではなく健康のために死ぬまで働けといいます。

38. 光合成・・・酸素と有機物の供給 [ストロマトライト]


リボソームRNA遺伝子から作成した進化系統樹に、炭酸固定のためのエネルギー獲得方法を重ねると、最初に現れるのは酸素を発生しない光合成をする細菌である。光合成は反応中心複合体がI型とII型の2つがあるが、初期の細菌はそのうちの片方しか持たない。後に両方の光合成反応中心体を持つシアノバクテリアが登場する。シアノバクテリアはグラム陰性の真正細菌である。グラム陰性菌群の中でもシアノバクテリアの分岐点はかなり古い。シアノバクテリアは強力な光合成機構を持った最初の生物であるため、圧倒的な増殖力を誇ったと推測される。現代においてもシアノバクテリアは多数の種があり、生息する環境は広大で、しかも様々な生物と共生関係を結んでいる。 最初の細胞生物が海嶺の熱水噴出孔の周りで誕生した後、しばらくは暗黒の高温環境下でしか生物は生存できなかった。しかし、細胞の一部は熱水プルームに押し上げられ、海面近くに進出した。誕生の地で鉄やマンガンなどのイオンを利用した酸化還元反応を搭載した細胞は光と出会い、複素環を配位した金属イオンが二酸化炭素と水から炭化水素を精製することを経験した。熱水噴出孔の環境から離れてもはや生存の希望がなかった細胞にとっては思わぬ延命策であった。 生死の境をさまよい、致死的な紫外線の影響で遺伝子の変異速度が上昇した細菌の中から、ヘムのパラボラアンテナを展開し、中央に配した金属イオンを使って二酸化炭素と水から炭化水素を生成する一群の遺伝子群を獲得した細菌が誕生した。これがシアノバクテリアである。新たなエネルギー源を得たシアノバクテリアは海の浅い所で爆発的に増殖した。

シアノバクテリアは大量の酸素を発生した。酸素は毒性の強い物質である反面、酸素をうまく利用すれば効率的にエネルギーを取り出すことができる。原理的には光合成回路を逆に回す（逆反応を触媒する）だけである。酸素呼吸を行う好気性細菌も進化した。光合成能を失ったシアノバクテリアか、シアノバクテリアと共生していた細菌ではないか。シアノバクテリアは酸素発生型光合成をおこなったが、同時に酸素に対する防御機構を進化させていたはずである。

30～25億年前、陸地が集まる過程で浅海の面積も増加した。地磁気の傘で宇宙からのエネルギー粒子の襲来も阻止されていた。海面付近まで進出してきた光合成バクテリアが本格的に繁栄できる環境条件が整備された。この頃の光合成バクテリアであるシアノバクテリアの繁栄の痕跡は、ストロマトライト化石として堆積岩に残されている。

シアノバクテリアは現在も世界中の様々な環境で生息している。シアノバクテリアは、普通の植物と同じように葉緑素をもつが、葉緑体のなかに閉じ込められずに細胞中に拡散している。単独で生活する種もあるが、ほとんどは群体や糸状体を形成する。シアノバクテリアはべとべとしたグリコカリックスを排出して海中の砂粒などをくっつける。シアノバクテリアは積もった砂粒の表面で細胞分裂をし、数を増やす。そしてまた砂粒を上にくっつけていく。こうして長い時間をかけて積もった砂粒は季節や気候変動を反映し、しま模様になり、年輪を持つストロマトライトができる。

ストロマトライトの一番外側にはシアノバクテリアの膜があり、その内側に別の種類のバクテリアが定住している。共利共生関係にあると思われる。30億年間、基本的な関係は変化していないだろう。ストロマトライトは他の細菌を呼び寄せて生態系を作り出し、真核生物の進化の土台を提供した。ストロマトライトは20億年前に最盛期を向かえた。

シアノバクテリアを中心とした光合成生物の繁栄により、化学進化や原始生命体の進化の過程で作り出された有機物よりもシアノバクテリアが供給した有機化合物が過剰になった。この過程は重要な意味を持つ。遺伝子を構成する核酸はA、T、G、Cの４種類になり、遺伝コドンが固定した。アミノ酸は20種類になった。さらには糖は6単糖が基本ユニットに固定された。細胞膜を作る脂質もジアシルグリセロールリン酸に固定された。さらに、有機物の供給、生態系における物質循環の経路も変化した。生物生産は主に浅海や海洋表層で行われ、生産物が海底へと沈降する物質移送の経路が開かれた。海全体へ高分子有機物が供給され、海洋表層のみならず、海洋底へも生物圏が拡大した。それまでの海洋底では熱水循環系の周辺にしか生物圏がなかった。大量の炭素が固定され、生態系に加えられた。その後の進化を保障するだけの有機物が作り出された。

原生代に繁栄したストロマトライトは10億年前までがピークで、カンブリア紀には最盛期の5分の1にまで減ってしまった。

+++　光合成　+++

植物が光のエネルギーを利用して有機物を作り出す仕組みを光合成と呼びます。光のエネルギーはクロロフィルを中心とした色素に捕らえられ、光化学系の電子を活性化します。光化学系は I、IIの2つの装置からなり、100ものタンパク質、色素分子、マンガン複合体から構成されます。

光化学系 IIではクロロフィルの助けを借りて太陽エネルギーを集め、電子の流れに変換します。水分子から電子を取り出して分解し、水素イオンと酸素分子を作り出します。酸素は分子として系から離脱します。水素イオン（H＋）は葉緑体を構成するチラコイド膜内にたまり、電位が発生します。電位はATP合成酵素を駆動し、電位のエネルギーが ATPの高エネルギー燐酸結合として化学エネルギーに変換されます。葉緑体は電気化学的な太陽電池です。

光化学系 I は葉緑体の膜の内側にあります。IIで発生した電子を使い、最終的に還元性の強い分子NADPHを膜の反対側に合成します。NADPHは二酸化炭素を還元して糖の骨格に付け加えられます。糖の合成はカルビン回路と呼ばれ、ATPのエネルギーを利用して糖の骨格を次々変化させ、６回転するとグルコースが1個できる計算です。二酸化炭素は炭素1個、グルコースは炭素6個から構成されます。

+++　 RuBSCO　+++

光合成の光化学反応では電子伝達系を駆動して化学浸透圧を作り出し、呼吸と同じようにATPを作り出します。さらに副産物として得られるNADPHを利用して二酸化炭素を固定する反応（炭酸同化作用）を行います。炭酸同化作用を行う一連の酵素反応はカルビン回路と呼ばれ、環状に連結されています。二酸化炭素が同化される反応は炭素数5個のリブロース1,5ビスリン酸に二酸化炭素（水中では炭酸イオン）が結合する反応です。この反応を触媒する酵素はリブロース1,5ビスリン酸カルボキシラーゼ/オキシダーゼですが、略称ルビスコ（RuBSCO）と呼ばれます。ルビスコは植物の葉のタンパク質の実に50％を占め、地球上でもっとも多い酵素と考えられています。また、突き詰めれば地球上のすべての動物は、この酵素のおかげで食べ物にありつけるわけです。

+++　色は電磁波の波長の違いを目が神経情報に変換したものである　+++

一般に物質は、有色、無色にかかわらず電磁波を吸収します。色として感じられる電磁波は波長380～780 nmです。可視光線と呼びます。この波長の電磁波を吸収したり、放出したりするのは電子であり、光を吸収する前の状態（エネルギー準位）を基底状態、光を吸収した後の状態を励起状態と呼びます。2つの状態のエネルギー差は一定で、そのため、色がついて見えます。励起状態にある電子はエネルギーを放出して基底状態に戻りますが、そのとき、光を放出して戻ることがあり、その光を蛍光と呼びます。

可視光線を吸収する物質には、比較的長い共役二重結合をもつ有機化合物や、金属錯体があります。共役二重結合は二重結合が1つおきにつながったもので、π電子の重なりが長い電子雲を作り出します。ニンジンの色のカロチンはビタミンAの共役二重結合（5つつながった構造）によります。化学合成染料は、一般に長い共役二重結合を持ちます。

物質により、含まれた化学物質が放出・吸収する電磁波の波長が異なっています。太陽光はほぼすべての波長の電磁波を万遍なく含んでいますので、電磁波があるいは吸収され、あるいは波長が変換されて特定の波長の電磁波として目の、網膜の、視細胞の、膜上にあるロドプシンタンパク質のレチナール分子（ビタミンAのような分子）に吸収されます。光を吸収して活性化したロドプシンタンパク質は化学反応を惹起し、視細胞を興奮させ、その興奮は視神経細胞を通じて脳へと伝達されます。

39. 縞状鉄鉱層・・・二酸化炭素の減少 [酸化]


地球の酸素濃度は24億年前の大酸化イベント（Great Oxygenation Event）、7億年前のNeoproterozoic Oxygenation Eventと4億年前のPalaeozoic Oxidation Eventの3回、酸素濃度が増加した時期が知られている。このうち、最初のイベントはシアノバクテリアの大繁殖によってもたらされた。シアノバクテリアの化石（ストロマトライト）が化石として発見されたのが32億年前。これは浅瀬の面積増加の他、地球の自転速度が遅くなり、昼の時間が長くなったことに関係するという説がある。日照時間と酸素発生量の関係をもとに地球モデルを構築してみると、19 億年から8億年前の酸素濃度一定の時期も説明できる。

シアノバクテリアは光合成により水中の二酸化炭素から、酸素を作り出した。酸素は海水中の鉄イオンと結合し、酸化鉄になって沈殿した。現在、人類が主要な鉄鉱石として利用している縞状鉄鉱層は26～18億年前に堆積した。空気中の酸素濃度は25億年前から8億年前まで大気中に１％程度存在するようになった。酸素がコンスタントに供給されるようになると、酸素を使った呼吸をもつ生物が進化した。

縞状鉄鉱床は光合成生物の生産する酸素によって海水中の鉄が酸化されて沈殿したという説が有名である。しかし、海水中に酸素があると鉄鉱は沈殿しない。逆に、水を酸化剤として鉄鉱は沈殿する。縞状鉄鉱床の年代は35億年前から18億年前に渡る。光合成生物の繁栄とは無関係に形成された可能性もある。

酸素は強い酸化作用があるため、生物にとっては毒である。紫外線等で酸素分子が分解されて生じる活性酸素があらゆる分子と化学反応を起こして細胞を構成する分子を破壊する。生物は酸素に対して耐性を持つために、スーパー・オキサイド・ディスムターゼ、カタラーゼ、ペルオキシターゼなどの酵素を発達させ、体内に装備することで耐性を獲得した。これらの酵素は鉄やマンガンなどの金属イオンを活性中心に持つ。金属イオンが豊富な海嶺の熱水噴出孔で進化した細菌が酸化還元反応に使っていた酵素を酸素対策に用いることで酸素の毒性を中和することができた。

耐性ができると、逆に、酸素を利用することができる。酸素呼吸によりATPすなわち、化学エネルギーを合成するシステムをつくり上げた。酸素を用いると、無酸素呼吸（醗酵）の約19倍の効率でエネルギーが獲得できるので好気条件では酸素呼吸をする生物が主流となり、高度な生物の誕生と進化を支えた。

地球大気の酸素化は、原生代（約25億年前から5.5億年前）の始まりと終わりの近くという、２つの段階に分かれて進行したと考えられている。しかし、この間における海洋の酸化状態と深海の酸素化が起こった時期は、まだよくわかっていない。

これは推測ではあるが、光合成によって発生した酸素は海の他の金属イオンも酸化し鉱物として沈殿させたのではないか。原生代の海の塩分濃度は現代の5倍と推定されている。海水中の塩分濃度は10億年前から徐々に下がり、6億年前には現代と同じ値になっている。海水中の塩分濃度の低下は陸地が増えて岩塩として大陸に隔離されたためと考える説もある。

プレートは形成されてから沈み込み帯へ移動する間に海水を含む。プレートはマントルへ沈み込んだ後、熱と圧力で水が分離される。しかし、10-6億年前を転換期として、水がプレートから完全には分離されなくなった。すなわち、地球がそれだけ冷えてきたといえる。その結果、海水がマントルへ注入され、海水が少なくなり、ゆっくりと陸地の面積が増大した。

陸地を流れる河川が発達し、河川によって堆積物が海へ運ばれ堆積岩となった。海底で生物が作り出した有機物は堆積岩の中に閉じ込められたため、酸化されなくなった。6-5億年前には大気中の酸素濃度が増加した。酸素濃度が高いと酸素呼吸で効率的にエネルギーを得られるため、生物体はより大きな体を維持できるようになった。それまで地球上のいたるところで見られた嫌気性の生物は酸素のあまり存在しない環境、たとえば土壌中などに追いやられた。

+++　酸化還元反応で鉱床ができる　+++

金属鉱物鉱床生成の一つのメカニズムは酸化還元です。太古の昔、シアノバクテリアが作り出した酸素による酸化作用で水溶性の鉄イオンが酸化され、沈殿してできた縞状鉄鉱石は現代の地球でも主要な鉄資源です。

ウランは岩石中に含まれています。ウランは流水による浸食作用の途中で、酸化により6価のイオンとなって水溶性が高まり、水に溶け出します。ウランを含む溶液が地表あるいは地下で石墨などの還元剤に出会うと、ウランは4価に還元されて吸着・沈殿します。中央ヨーロッパ一帯には銅鉱床があります。この鉱床は、海底のような嫌気性の環境で硫酸還元バクテリアの作用により、鉄の硫化物とともに黄銅鉱が沈殿したことにより生成したと考えられています。

バクテリア・リーチングという方法があります。特定のバクテリアの酸化還元能力が銅イオンや鉄イオンを利用することから金属をイオンの形（水溶液）で取り出す技術です。低品位鉱物の利用の研究に応用されていましたが、いまでは廃棄物の重金属処理にも応用されています。

太平洋の底に眠るマンガン団塊。できたメカニズムは不明です。難溶性の4価のマンガンからできていますが、2価のマンガンは易溶性です。このため、生物遺骸の分解などで生じる還元環境では2価イオンに変わり、堆積物中に埋没したマンガン団塊は溶けてしまうと考えられています。マンガン団塊の鉱床は、現在できつつある鉱床です。

酸化作用は大気中の酸素に由来し、酸素が入り込めない地底では生物作用や、生物由来の炭化物などの作用で還元作用が進行します。また、火山で噴出する硫黄や硫化水素、二酸化硫黄などのガスも酸化還元に影響します。

+++　欠乏下でこそ多様性を生みだして乗り切る　+++

生物の多様性は遺伝子の多様化によって生じます。その原動力は遺伝子重複。同じ遺伝子を複数個作り出すと、１つを本来の機能のために保存しながら、残りの遺伝子の変異を試す余力が生まれます。ただし、生命を維持するために重要な遺伝子の場合、多様化は起こりにくい。多様化が起こりやすいのは環境が変化した時に起き出して活躍する遺伝子です。また、遺伝子重複では全く違った遺伝子ができるのではなく、スペシャリストが誕生するようです。

たくさんの遺伝子を抱えるにはより多くのエネルギーを必要とします。資源の豊富な条件ではたくさんの余分な遺伝子を抱えることができるために、生物はいろいろな遺伝子を試すことができ、多様性も増すように思えます。しかし、実際には逆で、資源の豊富な条件下で勝ち残るのは最も短時間で増殖して競合種を圧倒するごく少数の種のようです。水分やリン、窒素などを欠乏させる実験では、多様性が増大する傾向があります。厳しい制限に対処するには、多くの特殊化した能力が必要とされるためのようです。人間の活動によって起きる富栄養化では適応種が他の種を凌駕して生物の多様性が失われるのです。

世界経済も厳しい状況を迎え、資源が欠乏する時代も迫っているようです。人間社会は生物のように欠乏下で多様性を生みだして乗り切ることができるでしょうか。生物は多様化するだけでなく、相互に利用し、利用されることで、それぞれの特殊能力を生存環境維持に活かしています。

+++　生物体は資源でもある　+++

生物の体は化学物質でできていますから、燃料や化学原料としても使われます。木材や植物繊維は代表的な材料です。家畜の皮、骨、家禽の羽は捨てられることなく、衣類や布団、小道具として利用されてきました。BSE問題でクローズアップされた牛のくず肉や骨由来のゼラチン。カプセル材料など医薬品に大量に使われています。臓器エキスは細菌の培養液としてアミノ酸醗酵、ワクチン製造に欠かせません。

これら身近な生物の他に、成長が早いなどの理由で多くの植物が原料に登録され、また、今までは捨てるだけであった豆の絞りかすなどの利用法も開発されて、バイオマスと総称されます。光合成の化学的な仕組みにより、植物はC4植物とC3植物に分けられます。C4植物にはトウモロコシやサトウキビ、雑穀類があり、強い光の下、C3植物より効率よく糖を作り出します。トウモロコシやサトウキビはバイオマスとしてバイオエタノールの主要な原料となり、注目されます。そのほかに巨大な海藻なども候補です。

都市の固形廃棄物にはたくさんの有機物が含まれています。この有機物を燃料にできないか。セルロース分は発酵することで糖やアルコールが得られますが、そのほかの有機物の利用は大変です。最近では固形廃棄物を丸ごと処理してしまう技術が実用化されています。この方法は応用範囲が広いので、有望視されています。

40．細菌・・・進化のカオス [多様化]


単細胞生物は常に外界にさらされている。単細胞といえども外界の様子を知るためのセンサーを進化させ、厳しい環境を生き延びた。まずは物理的な刺激である水温。高温の環境下で生まれた細胞は低温では生存できなかった。次に光のセンサー。光合成を有利に行うために光を感じるシアノバクテリアは生存に有利であった。化学的なシグナルとしてはpH、様々な物質やイオンの濃度。食べ物として感知し、また、仲間や他の微生物の生産する物質を感知する。

細菌のもつセンサーは二成分制御系（two component system）とよばれ、レセプタータンパク質（検出器）と制御タンパク質（出力器）の2つから構成される。例えば、大腸菌は26のレセプタータンパク質と36の制御タンパク質を備えている（推定も含む）。

外界の標的物質と結合したレセプタータンパク質は構造変化を起こし（アロステリック効果）、制御タンパク質をリン酸化する。リン酸化は酵素活性である。制御タンパク質は通常、リン酸化タンパク質であり、細胞内の複数のタンパク質をリン酸化して、外界の物質の存在を細胞内に伝える。細胞は様々な反応を示す。眠っていた遺伝子が活性化し、エネルギーを生産し、鞭毛を回転させて動き回り、胞子として休眠体制に入る。場合によっては自殺する（アポトーシス）。真核細胞なら食作用を活性化させ、膜輸送を変化させ、タンパク質の配送先を変える。これらの活動によって細胞全体を変化させ、変化に対応する。生存にとって重要な外界の変化ならば細胞は大きく変化する。

光合成によって有機物と酸素が安定供給された頃、生物界は大きな構造変化を起こしたようである。その一つが共生による多様化である。古細菌が好気性細菌やシアノバクテリアを飲み込んで共生を始め、二重の膜に包まれた細胞内小器官、ミトコンドリアや葉緑体ができたと考えられる（マーギュリウスの細胞内共生説）。

グリーンランドの海底の泥から2010年に最初に発見されたLokiarchaeotaは古細菌に分類され、古細菌の門（phylum）としてアスガルドと命名された。Lokiarchaeota は古細菌でありながら真核生物にしかない遺伝子に類似した遺伝子をいくつか持っている。例えば、骨格筋の主要タンパクしてあるアクチン。タンパク質や物質の分泌に携わる数種のタンパク質など。真正細菌を飲み込んだ古細菌の候補はLokiarchaeotaと考えられる。真核生物は古細菌の枝に位置する（エオサイト（eocyte）説）。

細菌の進化時計は交雑を反映してある時点でグループになってしまう。原核生物のDNAは、細胞内は裸なので細胞レベルで融合すると自由に交雑するためと考えられる。したがって、複雑に交雑した網目状系統樹か、リング状の生命の環と呼ばれる形になり、ひとつのゲノムに収束することがない。

細菌は海洋底の岩石の中や地底の地下水から発見されている。ほとんど有機物がない環境下で生きている細菌は数百年から数千年かけて成長し、分裂していると考えられている。その地層は数千万年前に形成された可能性もあり、また、地球上の最近の70%を占めるという推計すらある。これらの細菌は人工的に培養できないのでメタゲノム解析が行われている。

+++　細菌細胞は単なる袋ではない　+++

細菌は原核細胞とよばれ、核構造がありません。真核細胞に見られるような細胞内小器官がありません。そのため、単にのっぺらぼうで無秩序な袋と考えられてきました。しかし、今や高度な内部構造と、それを作り出す遺伝子が多数見いだされています。

桿菌が桿状（細長い形）になるためには、分裂時に長辺に沿って新たな細胞壁が作られる必要があります。細長い形を作り出すのがMreBタンパク質で、MreBを壊すと桿菌は球型になります。MreBタンパク質は細胞膜の表面でらせん形に配列します。細胞壁を構築する酵素は、MreBタンパク質の梯子を上下し、確実に細胞の長辺を上下に移動して細胞壁を作ります。その段階が終了すると作業はチューブリン様FtsZタンパク質の輪を中央に作り、新たな丸い細胞端が形成されて1本の長い細胞が2つに分裂します。

ブドウ球菌（Staphylococcus aureus）の例。FtsZタンパク質は細菌の中央部に輪を形成し、これが細胞を分裂させます。FtsZタンパク質の遺伝子を除去すると、ブドウ球菌は分裂できませんが、細胞壁をあちこちに作るようになります。最終的に、体積が8倍に膨張し、細菌は破裂します。FtsZタンパク質は、細胞壁を作る酵素を配列して新たな半球を作り出しているのでしょう。

真核細胞の足場タンパク質遺伝子と類似する遺伝子を細菌ゲノム中で探索したときには何も発見されませんでした。真核生物が持つ細胞内の構造を作るタンパク質は約15億年前に細菌と分岐した後で誕生し、発達したものと考えられます。細菌も細胞骨格を持っているわけですから、細胞の形を作る遺伝子は古くから必要であったと考えられます。

+++　身近な進化　+++

ダーウィンの進化論は次のようにまとめることができます。「親から子へ遺伝するときに変異が起きることがある。誕生した子孫のうち、環境に適したものが生き残る確率が高くなる。」そして、環境の変化が生物の多様性を生み出すと考えられています。例えば、哺乳類の多様性はパンゲア大陸の分裂に伴う環境の多様化で説明できます。現代における2つの例を考えてみましょう。

日本では2011年の東日本大震災のその後は頻繁にレポートされていますが、海外への影響はあまりリポートされません。アメリカ西海岸に日本の海棲生物が棲みついたことが6年後にリポートされました。

調査はアラスカ、カナダ、カルフォルニア、ハワイで行われ、279種の日本固有の魚類と無脊椎動物が発見されました。漂流に1年かかったとして、すでに5年も世代をつないでいると考えられます。今までに635点に上る大きな漂流物が報告されていますので、それらの人工物に乗ってやってきたものもあるでしょう。

これらの生物が外来種として北米の太平洋海岸の生態系を乱す可能性が懸念されています。外来種は各地の生態系を混乱させ、その地域の固有種を絶滅に追い込むことが問題視されています。外来種の持ち込みは通常、人間の活動に伴って起こります。今回の例も直接の原因は巨大な津波ですが、間接的には人工的な漂流物が7000㎞の移動を助けました。 一方で、これは進化の原動力にならないのか。同じ種が交配不可能な距離にばらまかれたのですが、教科書的には種の分化が起こります。絶滅と新種の出現は裏腹なのか。

スカイツリーから見下ろすと、都会の中にはところどころ緑の公園があります。公園だけでなく、神社や元河川だった緑道など。これらの緑地にも昆虫や植物や小さな哺乳類が生態系を作っています。

米国での研究。ボブキャットは高速道路を横断することはできないが、それより小規模の道路なら容易に横切る。したがって、彼らの遺伝子構成を決定しているのは、唯一大きなハイウエイだけである。東海岸ではハイウエイで緑地が分断され、緑地ごとに生息するポプキャットの遺伝子を調べてみると、ハイウエイを境界として遺伝子構成が異なっていた。

ネズミのようなより小さな哺乳動物にはさらに小さな通りでさえ移動の障害になる。小規模の公園の中に閉じ込められているが、彼らはそこで大いに繁栄している。とりわけ、一番小規模な公園が彼らには都合がよい。土地が狭すぎてフクロウやキツネのような捕食者を養えないからである。また、競合する動物も多くない。さらに、極端な例は昆虫である。一つのビルの中に暮らすユーレイグモは部屋が異なっていても一つの遺伝子プールを形成するが、ビルごとに遺伝子プールは異なる。

公園別にネズミを捕まえ、肝臓、脳、生殖腺のトランスクリプトームを調べ、比較した。発現が多かったものは高脂肪食の処理など、食事にかかわる遺伝子群と汚染に対応する遺伝子群に進化が見られた。汚染物質に対する進化はハトや魚で発見された。これは局所適応の例である。

つまり、分断された都会の緑の中で種の分化が進行しています。隔離された小規模個体群の遺伝子がより均一化する傾向は遺伝的浮動と呼ばれます。通常、浮動と近親交配は個体群の遺伝的健康を悪化させます。遺伝性疾患が固定される可能性や、環境が変化した場合、その個体群は適応できない可能性もあります。これは問題であると、保全主義者は絶滅が危惧される動物の個体群を緑の回廊によってつなげています。しかし、進化の原動力は遺伝的浮動と考えることもできます。

遺伝的浮動はホモ・サピエンスの誕生の時も大きく働いたに違いありません。人類は血縁を中心とした少人数で移動しながら、生活していたのですから。大雑把に言えば、アフリカの大地溝帯の乾燥化で負荷がかかったときに、何とか切り抜けたグループがホモ・サピエンスの祖先です。繰り返し襲ってきた氷期が祖先のグループを小さくし、遺伝的浮動を高め、同時に選択圧をかけたのです。

都市での生物の進化は研究の途上です。都市で生き残っているのは都市化の前に繁栄していた生物ではない。多くが外来の侵入者であることも生物のしたたかさを物語ります。

41. 超大陸・・・生物の進化の原動力 [ウィルソン・サイクル]


地球の歴史を通じて27億年前と19億年前頃が最も火山活動が活発だった時代である。火山活動により大量のマグマが作り出され、大陸の基盤となった。また、20億年前からは地球の地殻とマントル上層の温度が下がって、海洋地殻に含まれた水がマントル上部まで持ち込まれた。そのため、沈み込み帯でマグマが大量に作られ、冷えて花崗岩質の岩石が大量に作られた。均一で硬い花崗岩質の巨大な大陸地塊の形成が一気に進んだ。19億年前に始めて超大陸が形成された。大陸成長は地球内部の熱の放出メカニズムとして説明できる。

カンブリア紀以前に安定化した大陸断片をクラトンとよぶ。クラトンの中でも古いものは18億年前から存在している。ちょうど最初の巨大大陸のできた年代である。最初の巨大大陸が形成されたあと、40億年前から約20億年かけて形成されていた海底火山に由来する小さな地塊が寄せ集められ積み上げられ、超大陸が形成されたと考えられる。ここで超大陸は大陸が1つに集合した場合に用いる。

17.5億年前にヌーナ（ローレンシア）巨大大陸があり、その後、15億年前にコロンビア超大陸が形成された。次はUmkondia巨大大陸が11.1億年前、そのあとにロディニア超大陸が9億年前。そして、5.2億年前にゴンドワナ巨大大陸があり、3億年前にパンゲア超大陸が形成された。現在はユーラシア巨大大陸がある。そして約2億年後にアメイジア（Amasia）超大陸が誕生する予定である。巨大大陸が誘因になって周りの大陸を集めて2億年程度で自ら超大陸になる。これをウィルソン・サイクルといい、約6億年を周期とする。その間に、大陸の数の変化、海水準変動、氷河の発達、および生物の大量絶滅がおきた。これらのすべてが生物を進化させる原因となった。

ヌーナ（ローレンシア）大陸は山脈の痕跡（現在は平原）を繋ぎ合わせて推定された19億年前の巨大大陸である。北アメリカ、グリーンランド、北ヨーロッパから形成される。当時の陸地は他にシベリア南部、東アジア、南極、オーストラリア、アフリカ、南アメリカ、インド、黒海、カスピ海周辺があった（いずれも断片）。15億年前より過去は海洋地殻の厚さは15km以上あった。しかし15億年前以降は5 kmと薄くなっている。コロンビア超大陸の形成によって古い海洋地殻は一掃された。

地球史上、もっとも巨大な隕石クレーターのあとは約20億年前のフレデフォート衝突構造（南アフリカ、直径300 km）と18.5億年前のサドベリー衝突構造（カナダ、直径250 km）であり、原生代の出来事である。初めて大陸地塊が形成されたのでこれらの隕石クレーターも保存された。一方、恐竜を滅ぼしたチチュルブクレーターは直径180 kmである。

ロディニア超大陸は約9億年前に形成された赤道のやや南寄りを中心にほとんどの大陸地塊が一つにまとまった巨大大陸だと考えられている。大陸の衝突によりグレンビル造山運動がおこった。大陸は7.5億年前には分裂を開始した。

地球の温度が冷めるにしたがって、プルームの最上部が、だんだん地球深部に移動していったと考えられる。現在では、プルームの最上部は670kmより深いところである。メガリスができる深さもこの深度である。深さは、過去ほど浅かったはずである。地球が熱い間はプレートに含水鉱物として入り込んだ海水は熱で分離され、地上へ戻った。しかし、地球が冷えてくると、水が分離されなくなり、含水鉱物としてマントルに残るようになった。これを海水のマントルへの注入という。スタートしたのは10～6億年前で、現在までに海水が3分の 2に減少した。陸地面積が5%から30%に増えた。

パンゲア超大陸は3億2千万年前に形成され、1億7500万年前に分裂した。パンゲア超大陸が割れた後には環太平洋火山帯が形成された。現在の環太平洋火山帯は地球を平面で切った（ただし、中心は通らない）ときの線にほぼ沿っている。切断面の両側（南太平洋とアフリカ大陸の下）にマントルの上昇流がある。ユーラシア大陸は環太平洋火山帯に沿って北上し、南北アメリカ大陸が合体したアメリア大陸にぶつかって次の超大陸アメイジアができる。アメイジア大陸には南極大陸は入らないように見える。

+++　スーパーホットプリューム　+++

アフリカ大陸や南太平洋の下にはコア－マントル境界からわき上がるスーパーホットプルームがあります。アフリカ大陸の下のスーパーホットプルームは大西洋、インド洋の海嶺、アフリカ東部の大地溝帯の源です。パンゲア超大陸分裂の原動力です。南太平洋スーパーホットプルームは太平洋に多くのホットスポットを持ちます。

スーパーホットプリュームの幹はほとんど移動せず、湧き出し口だけは不定期に変動しているように見えます。その揺らぎに応じて様々なところにホットプリュームができては消えるようです。ペルム紀末の大絶滅との関連が疑われているシベリア洪水玄武岩はバイカル湖より約千km以上北で、噴出年代が約２億年以上前になります。恐竜が滅びた頃にはインドのデカン高原洪水玄武岩が形成されました。

+++　中朝地塊　+++

原生代末に存在した超大陸ロディニアが約7億年前に分裂して、北中国（中朝とも）地塊と南中国地塊が誕生しました。すなわち、原生代の東アジアは、大きく分けると、北中国地塊と南中国地塊に分かれていました。両大陸は古生代の間は互いに独立していましたが、中生代（2.3億年前頃）に衝突しています。その間には、この２つの大陸が衝突してきた造山帯が形成されました。その衝突帯は、秦嶺－大別山－蘇魯縫合帯と呼ばれています。このころに２つの大陸のどちらかの付加体によって日本列島の素が形成されました。朝鮮半島には両方の大陸と衝突体由来の一部から形成されます。日本には大陸の痕跡はわずかにしかありません。

北中国地塊は19億～20億年前の大陸地殻ですが、その構成物として38億年前の年代の岩石も見つかっています。南中国地塊は３つの地質体に区分されます。北部は21億～10億年前の揚子江（Yangtze）地塊で、南部は21億～10億年前のカタイシア（契丹）地塊です。間には、10億年前に両大陸が衝突してきた造山帯（シバオ造山帯）が形成されています。

42．全球凍結・・・暗い太陽のパラドクス [相転移]


大陸が27億年前から急激に成長し、大気中の二酸化炭素は急速に消費され、10億年ほど前から地球環境は現在と似たような環境に変化したと考えられる。大陸ができると岩石が風化して海に運ばれ、溶け出したアルカリ金属イオンを中和するために二酸化炭素が海水に吸収された。さらに、大陸の集合や分裂に伴って浅い海が広がり、シアノバクテリアが大繁殖し、光合成により大気中の二酸化炭素濃度を下げた。二酸化炭素が減少するにしたがって気圧も低下した。

過去にさかのぼるほど太陽は暗く、約20億年前の地球の平均気温は氷点下になる計算である。すると20億年前より前、地球は全面、氷で覆われていたはずである。しかし、堆積岩には凍結していなかった証拠がある。これを暗い太陽のパラドックスと呼ぶ。パラドックスを説明する大気成分として二酸化炭素は有力な候補である。しかし、大陸の成長によって二酸化炭素の温室効果を失った地球は知られている限り、３回の全球凍結を経験した。

最初の全球凍結（スノーボールアース）は22.2億年前。マクニガン氷期と呼ばれている。7.3-6.3億年前には2回のスノーボールアースがあった。スターチアン氷期、マリノアン氷期と呼ばれる。この前にも何度か地球は凍りかけていたのかもしれない。全球とまでいかなくとも、氷山でおおわれていたのかもしれない。適度な量の氷山は紫外線からシアノバクテリアなどの光合成生物を守っていたかもしれない。

赤道地帯まで凍結した証拠は主に２つ。ひとつはダイアミタイト。氷河が岩盤を削ると礫、砂、泥が混在するダイアミタイトと呼ばれる堆積物ができる。このとき、礫には氷河が削ったあとが残る。二つ目はドロップストーン。海底の泥や細かな砂は沖合で堆積する。そこに大きな礫がめり込んでいる場合、ドロップストーンと呼ぶ。ドロップストーンは氷山が運んできたと考えられる。

地球表面が完全に氷で覆われたら、生物は光や空気（酸素）から遮られ、大絶滅したと考えられる。しかし、氷河の表面でもシアノバクテリアが生存し、ストロマトライト様の構造物を作ることが知られている。氷の上でも生活する昆虫やバクテリアが知られている。また、火山活動の活発な所では完全凍結せず、生き延びることができたであろう。スノーボールアース時期は生物進化と連動しているように思われる。マクニガン氷期（22.2億年前）の後ではシアノバクテリアが繁栄し、スターチアン氷期とマリノアン氷期（7.3-6.3億年前）の後では多細胞動物が進化したと考えられる。多細胞生物を構成するのに必要な基本的な遺伝子群の進化系統樹を作成すると、系統樹の根元がこの時期に誕生している。

スターチアン氷期では地球の平均気温は-50℃に達したと推測されている。ただし、地殻熱量とのバランスで、海底まで凍ることはない。全球凍結の間、光合成の速度が下がっている一方、火山活動による二酸化炭素の供給が続いて温室効果ガスが供給され、やがて気温が上がり始める。地球全体の氷を溶かすために必要な二酸化炭素量を大気中に蓄積するためには最低でも400万年はかかる。いったん氷床が融けると、アルベド効果が減少するのでいっそう解凍が進む。急激な温暖化は暴風と洪水を引き起こした。一転、高温期がしばらく続いた。

海底熱水系からは還元的な物質が供給されるため、海水中に溶けていた酸素はやがて消費尽くされてしまうと考えられる。そのような貧酸素的な環境下では海底熱水系から供給される2価の鉄イオンが溶存できる。全球凍結してから氷の融解が始まるまでの長い期間にわたって、海洋の深層水中には鉄イオンが蓄積された。

+++　物体は温度に応じて相転移を起こす　+++

地球の歴史を見ると、冷えていくことで地球が変化していることがわかります。その変化も連続的な部分もありますし、突然、状況が変化することもあります。物理化学的には相転移がこの変化に当たります。メガリスが温められて相転移し、密度の高い岩石になるのも同じ物理現象です。

身近な例では水が温められると水蒸気になる。液体が気体になる。逆に、冷やされると氷になる。液体が固体になる。変化が起こるときは、液体と気体の混合状態があって、そのときに加えられた熱エネルギーは相転移に使われます。したがって、熱を加え続けているのに温度が上がりません。冷えるときも同じで、相転移（液体が固体になるとき）で熱エネルギーが発生し、熱を奪い続けているのに温度が下がりません。

相転移は分子間の結合力と温度（分子運動）の関係により起こります。固体の場合は規則正しく並んだ分子がその場で振動（分子運動）しています。液体の場合は分子の間の結合は切れたり、くっついたりしながら、分子が運動します。気体の場合は分子間の結合は完全に消え、分子は自由に運動します。相転移は固体のなかで分子の並び方が変わるときにも起こります。

相転移とは構成要素（元素や分子）はそのままで、要素の関係（距離とか、配列など）が変化する現象です。物質世界では温度のパラメータ１つで、大規模な物理的性質の変化（固体→液体→気体）が現れます。相転移の過程では注入されたエネルギーは分子の相互作用の変化に使われ、温度の変化が抑制されます。

人間社会では相転移のパラメータは１つとは限りません。パラメータの一つは生産力でしょう。人間一人の生産力が上がったことで、個人の存在が浮き彫りにされ、一人一人が人間として認められるようになりました（基本的人権）。200年ほど前までは世界人口の90 %が奴隷状態であったと考えられます。言い換えると、それ以前は、基本的人権は認められていませんでした。社会の相転移によって一部の人間に集中していた富と権力がみんなに分け与えられるようになってきました。

生産力が低下すれば、社会は基本的人権を排除する方向に動く可能性があります。現在の生産力は化石エネルギーに依存していますが、環境重視で化石エネルギーを排除するとき、生産力を維持すること、もしくは生産力が低下しても基本的人権を維持することを念頭に置かなければならないでしょう。

歴史的な価値観の変換の時代には、あちこちにその萌芽が発生し、体制は反社会的な運動に対して抑圧を行います。しかし、価値観が経済や種々の技術の発展に裏付けられたものであれば政府の抑圧に対抗して運動は拡大し、やがては政治体制を変えていきます。

+++　全球凍結と生物　+++

スノーボールアースの時代に形成された赤い石が発見されました。赤はさびた鉄分を示します。つまり、全球凍結の時代にも海の底の鉄は錆びたのです。当時の生物はすべて海の中で生活していました。生物には十分な酸素が提供されたと考えられます。

その証拠を現在の地球に求めました。南極の氷河の下には水が流れています。その水は降り積もった雪に含まれていた空気を溶かし込んで、十分な酸素を含んでいます。流れは海に達し、沿岸に酸素を供給するというストーリーが考えられました。全球凍結の時代は8500万年続きました。

堆積物の形成年代を調べて、地球史の全時代でみていくと、カンブリア紀の始まり、つまり顕生代のはじまりを境にして、顕生代以降は大量になります。カンブリア紀以前は、堆積物はどの時代のものも少なく、その量は５分の１以下になっています。

古いものは、侵食などで少なくなるのは、当然の摂理ですが、それにしてもある時を境に急に差ができるのは、不思議な現象です。何らかの原因で、激しい侵食を受けたのではないかと考えられます。その原因が、氷河による侵食だと考えられます。激しい侵食の結果、グランドキャニオンの不整合ができたというシナリオになります。

43．真核細胞・・・分業と専門化 [共生説]


現在の真核細胞は単純な共生ではなく、ゲノム全体が古細菌由来の遺伝子と真正細菌由来の遺伝子のハイブリットになっている。大雑把に分けると、DNAの情報をタンパク質へ翻訳する情報遺伝子群と、そのほかの機能性遺伝子群とに分けたとき、情報遺伝子群は古細菌由来であり、機能性遺伝子群は真正細菌由来と推定される。一方、リボゾームRNAの配列を比較すると、真核生物、真正細菌、古細菌に分かれる。リボゾーム遺伝子を解析した進化時計による推定では約15億年前に真核細胞生物が誕生した。真核生物の由来に関する仮説は1967年にマーギリュースが提案した共生説である。

最初のスノーボールアースから1億年（21億年前）で最初の真核細胞の化石が見つかる。21億年前に出現したグリパニア。米国の縞状鉄鉱床で発見された。大きさが数ミリくらいになった大型の藻類であり、原核生物ではこのサイズになりえないので、真核生物と考えられている。植物の中で最も原始的な構造を持つ単細胞の藻類はシゾンである。紅藻の一種で、強酸性、高温の環境（温泉）でも生息する。シゾンは真核生物の細胞内器官を一通り持ってはいるが、ほとんどの器官が１個ずつしかなく、植物としては最も単純な構造である。それゆえ、植物の先祖と注目される。細胞核には染色体が20本含まれ、ゲノムサイズは16,520,305塩基対である。遺伝子は5531個あり、すでにゲノムが解読された単細胞の真核生物である酵母やマラリア原虫とほぼ同数。ミトコンドリアは32,211塩基対、葉緑体は149,987塩基対であった。葉緑体のゲノムサイズは植物で最小であった。

藻類は原始的な植物とみなされている。原核藻類であるシアノバクテリアと、細胞構造や機能面で大きく異なる10の真核植物門に分類される。藻類は、起源の異なる生物群が細胞内共生を複数回経てできたと考えられる。葉緑体は細胞内共生したシアノバクテリアが変化したものと考えられている。母体となる細胞の膜にシアノバクテリアが膜ごと包まれた形態をしている。すなわち、葉緑体は２枚の細胞膜を持つ。これが一次細胞内共生である。普通に見られる緑色植物と紅藻植物、灰色植物の３植物門が一次細胞内共生体であり、植物界の中心である。

葉緑体包膜が３枚以上ある藻類も存在する。すなわち、一次細胞内共生植物が、さらに他の細胞に入り込んで共生したと考えられる。二次細胞内共生により葉緑体を獲得した藻類は、植物界からは独立した６番目の界、クロミスタ界とされる。ちなみに、残り5つはモネラ界（原核生物）、原生生物界、植物界、菌界、動物界である。

真核細胞生物では多様な膜を維持し利用する細胞内器官が進化した。例えば、膜で区切られた空間を利用し、そこに酵素反応で物質やイオンの濃度勾配を作り出す。濃度勾配のエネルギーを化学エネルギーATPに変換するタンパク質が発達した。現在の生物では大部分のATPは水素イオンの濃度勾配によって供給されている。濃度勾配を効率よく作り出す細胞内機関の代表例は呼吸を司るミトコンドリア、光合成を司る葉緑体である。また、細胞外から取り込んだ物質や細胞内で不要になった構造物を膜の袋（小胞）に閉じ込めて消化するリソゾームやファゴソームがある。細胞外に分泌するタンパク質は小胞体中に作られ、ゴルジ装置を通過して加工・修飾されるが、これらはすべて小胞によって特別な反応の場が提供されて進行する。さらに真核細胞は体積を増しただけでなく、細胞分裂装置や膜輸送などの重要な細胞内運動を進化させた。

原始の真核生物を作りしたメカニズムはさらに複雑な細胞内共生生物を生み出し、その組合せの可能性を試し、現在では考えられないような巨大細胞が多数出現したことであろう。その原動力は細胞内分業によって実現した効率的なエネルギー生産、物質生産であったと思われる。また、エネルギー効率の高い酸素呼吸は高度な生物の誕生と進化を支えたであろう。

寄生性の微生物の中には細胞の中に潜り込んで生活する生物がいる。赤痢菌などは腸の細胞に取り付き、細胞内にタンパク質を注入して細胞を変化させ、自分を取り込ませる。小腸細胞内で消化システムや腸管免疫システムから身を隠して増殖する。

マラリア原虫は単細胞の真核細胞生物である。生体に感染すると肝細胞を経て赤血球内に潜むが、寄生胞膜を作り出し、その膜に包まれている。マラリア原虫は様々なタンパク質を分泌し、寄生胞膜を解して赤血球全体にタンパク質を送り込む。加工された赤血球は宿主の免疫機能をたくみに逃れる。細胞内に入り込んでその細胞をコントロールする分子的な仕組みは現在大きな研究分野となっている。その仕組みは多細胞生物ができる前に数億年かけて作られたのであろう。

共生説では食作用が共生の開始メカニズムと想定するが、もっと一般化できる。すなわち、ある古細菌は長い突起を出して表面積を拡大した。その突起の間に他の細菌が棲みつくことがあって、共生関係にあった。古細菌の膜は膨らんで外側で融合し、また、内側でも融合した。その結果、内側の膜は核膜に、外側の膜は細胞膜になった。その間に取り込まれていた細菌はミトコンドリアに進化した。長い突起を作り、膜融合するメカニズムは真核細胞の膜構造のダイナミクスの原型である。共生の素となった古細菌の候補はアスガルド（Asgard）であり、核のような中心からスパゲッティのように伸びる長い突起を持っている。

動物と真菌は進化的に比較的近縁な生物で、ともに細胞の後ろに鞭毛をもつ生物を起源としているオピストコンタというグループに属する。その痕跡は哺乳動物の精子と最も原始的な真菌であるツボカビ門の胞子（遊走子）はとても良く似ている。また従属栄養生物である。

+++　共生が進むと独立性が失われる　+++

細胞内小器官であるミトコンドリアや葉緑体は、もともと持っていた独立した生物として必要な遺伝子を失いました。その代わり本体の核の遺伝子を利用することになりました。言い換えると、自身の生存能力を本体に委譲するようになりました。さらに、ミトコンドリアや葉緑体は自分自身の遺伝子だけではそれぞれの能力、酸素呼吸によるATP生産、光合成をすることができません。いくつかの機能性遺伝子は本体の核の遺伝子として存在しています。機能が重複するので、小器官からは失われ、細胞内にあった似た機能の遺伝子が優先的に使うようになったのでしょう。

単純なバクテリアに対して、複雑な真核細胞生物。細胞内に様々な特殊能力を持つ細胞を取り込むことで真核細胞は高度化しました。それぞれの細胞内小器官は専門化し、分業体制で、より効率的に生命活動を行います。さらに、効率化によって生まれる余剰を利用して多彩な生命活動を行うことができます。

真核細胞は大企業や巨大な組織とよく似ています。組織が巨大になると、経済活動、社会活動に多くの知識が必要になり、その結果、高度な技術に基づいた生産活動を行うことができます。仕事を分けて（分業化）、一人の人間の管理する範囲を限定する（専門化）ことで、より高度な知識や技術を持つ専門家を育てます。最適化された分業・専門家集団は、新しいアイデアを実現する能力が高く、アイデアを新製品に結びつける能力が高く、新製品を市場で普及させる能力が高い。さらに、資金をうまくコントロールし、リスクを分散させ、構成員の管理も十分にできます。競争社会では大きな力となりました。

+++　共利共生ではプラスαの利益が目的である　+++

共利共生を人間社会に写してみると、そこには協力、同盟、提携などの言葉が出てきます。共同作業をすることで、１＋１＝３の利益を生むのがその目的です。

共同事業を長続きさせる重要なポイントは共通の利益ではありません。相互の違いです。お互い独立した組織（個人のこともある）ですから、境界をはっきりさせ、どの点で力をあわせ、どこまでを依存し、残りは相互の行動の自由を許すようにコミュニケーションをとるかが重要です。この線引きは厳しすぎるとマイナスですし、緩々だと、優勢なほうがもう一方を吸収する恐れがあります。吸収合併後でも３の利益が保たれれば良いのですが、2に戻ってしまうことがほとんどではないでしょうか。ただ、吸収合併することで2つの組織であったときより時間・コストで効率的になる可能性があります。

協力関係は国連、日米同盟から、企業間の提携、そして夫婦、友達関係まで多種多様です。協力とか共生は「対等の立場」が原則です。たとえ、食べる生物と食べられる生物という関係であっても、ライオンがシマウマを全滅させてしまったらライオン自身も滅びてしまう。決して、ライオンの方が優れているとか、攻撃する権利を持っているとかではないし、シマウマはライオンに服従しなければならないなどということはありません。いまの人類社会で対等な関係で成立している共生はどのくらいあるでしょうか。

国際協力という言葉は日本においては発展途上国に対する援助のイメージがあります。この関係は、１＋１＝３の利益になっているでしょうか。お互いを独立した関係として尊重しているでしょうか。また、対等な関係と関係者は認識しているでしょうか。

+++ 大きな組織は分権化する +++　

組織は大きくなると効率が悪くなります。経営者が全体像を把握しづらくなります。意思決定までの手続きのステップが多くなり、労力と時間がかかります。そこで、何とか組織を小さくできないか考えます。

例えば、アウトソーシングです。組織の中で持っていたら高くついてしまうものは組織の外へ発注します。逆に、外に注文したら高いものは組織の中へ入れます。間接費の比較もありますが、問題が起きた場合の対処のスピードも勘案しなければなりません。

もうひとつは分権化です。会社で言えば、事業単位を事業部とか子会社にして独立性を増すようにします。分権化という場合、組織構造設計の考え方のポイントはガバナンスと外部評価です。ガバナンスは事業経営者の解任権を含めて人事権をどこまで認めるかです。また、独立性を高めた場合、社内評価だけでなく、銀行の評価、パートナー会社、上場すれば一般投資家の評価も受けます。

分権化の問題点は、当然ながら本社が絶対的な命令権を持てなくなることでしょう。グループ全体の戦略の障害が大きくなりますし、グループ事業の再編が難しくなります。一部の株主が自分だけの利益を得ようとして、株主権をもとに経営妨害をし、親会社に持ち株を高く引き取らせようとするなどの倫理的な問題も発生しています。

+++　現在の生物でも細胞内にバクテリアを住まわせている　+++

現生の昆虫類130万種のうち、少なくとも10%以上の種が定常的に細胞内微生物（ボルバキア属）を保有しています。ボルバキアは宿主昆虫の生殖や発生に干渉して、オスの卵を殺したり、雄を機能的雌へ性転換したり、非感染メス由来の受精卵を殺したりして、利己的な生殖を誘導します。マメ科の植物の根には空気中の分子状窒素(N2)を還元してアンモニアを生じる窒素固定菌が細胞内共生し、根粒を作ります。単細胞生物であるゾウリムシの細胞内に藻類が共生したミドリゾウリムシなどという生き物もいます。

44. 生殖・・・男と女は必然か [性]


真核生物が誕生して、有性生殖の仕組みが整えられた。

遺伝子の複製装置は100%完璧ではない。現在の生物の複製装置は約1000万分の1の確率で間違いを起こす。複製して2分裂するのでは次第に突然変異がたまる。やがて、致命的な突然変異が発生するとその生物は死んでしまう。ましてや、オゾン層ができる以前、6億年前より前の地球では大量の紫外線が地上に降り注いでいて、地上や海面は現在のような核酸を遺伝子とする生物にとっては遺伝子が機能不全に陥る死の世界であった。

地球上に誕生したばかりの細菌は紫外線で壊れた遺伝子を修復するために遺伝子を交換する仕組みを持ち、発達させた。細菌は誕生以来、集合体を作って共同生活をしていたことも原動力となった。逆に遺伝子の交換システムを持つことは種の安定化、永続化に必須であった。それは偶発的な突然変異に対する防御機構にもなった。

環境が悪化したときは遺伝子の交換能力は最大限に発揮された。細菌は寄り集まり、死んだ仲間を食料にし、時には共食いをして困難な環境を生き延びた。その中には遺伝子だけを仲間に預けることも行われたに違いない。細胞内共生もその過程で誕生したにちがいない。

細菌が個体として生活するようになると、遺伝子交換の仕組みは接合として完成した。細菌細胞がお互いを認識し、結合し、遺伝子を運ぶための管をお互いの間に形成する。そのあと、片方の細菌のゲノムが複製されて、もう片方に送り込まれる。送り込まれたDNAは主に相同部分と組換えを起こして交換される。このとき、相同部分が壊れているか否かは無関係である。遺伝子を送り込む遺伝子セット（接合に必要な遺伝子群）はプラスミドと呼ばれる運び屋遺伝子が持っている。プラスミドは抗生物質耐性やファージ耐性などの細菌の生存に役に立つ遺伝子を運ぶことで細菌群の中で維持されている。

遺伝子を蓄える細胞内器官である核が誕生すると、核を単位として全遺伝子交換を定期的に行うようになった。真核生物の誕生である。まず、必要な遺伝子のセット(ゲノム)を2組準備した。真菌類（真核細胞である。真正細菌ではない）では、通常、分裂で増えるときはゲノムが1組である（ハプロイド）。有性生殖を行うときだけ、くっついて（接合）、遺伝子セットを交換する。ゲノムの片方を交換する。2組のゲノムは遺伝情報が相同な部分が並んで、ランダムに交換される。それぞれのゲノムは分かれて胞子を作り、それが次の世代となる。ゲノムの交換方法は様々な形が試されたであろう。

真核細胞の増殖法の1つである有性生殖は、接合（受精）と減数分裂という2つの過程からなる。接合では2個のハプロイド細胞が細胞膜や細胞質だけでなく、核までも融合させてディプロイド細胞になること。減数分裂では、ゲノムが複製して4セットになった後、相同染色体の対合と2度の有糸分裂を通じて、1個のディプロイド細胞から4個のハプロイド細胞が生じる。有性生殖の仕組みは約10億年前に成立したと見積もられる。

これらの機能は有性生殖のときだけ発動するようにプログラムされなければならない。有性生殖の仕組みが完成するまで、進化上、多くの新しい遺伝子が誕生し、その発動プログラムが書き直されたであろう。現代の生物が持っている高度な装置は仕組みを改良し続けた結果である。高等生物の体はディプロイド細胞が基本で、有性生殖するときだけハプロイド細胞(精子と卵子)を作り出す。

有性生殖は同時に遺伝子の交換を定期的に行うことで進化を加速した。特にゲノムサイズが大きくなると有性生殖による遺伝子の交換は有効である。

+++　男と女は教育によって作られる　+++

男と女の関係は人間関係の中でも一番重要ですが、しかし、男と女の考え方・感じ方は大きく違います。私にとってはアラン＆バーバラ・ピースの著書「話を聞かない男、地図が読めない女」は驚きで、こんな本が学生のときにあれば、もっと上手に夫婦生活を送っていたのではないかと思ったりします。

男は問題を解決できなかったり、課題をこなせなかったりするのは男として失格だと感じるように条件付けされます。この性質は社会の中で競争し、地位を築くため、すなわち、多くのメスを獲得するために必須です。そのために、男は素直に謝ることができません。また、目的を達成するためにときには暴力も用います。

女は集団の中でうまく調和して生きることを優先し、小さいときから優しさや従順さを持つように誘導されます。この性質は細かな配慮を持って家族集団全体を管理し、家族の心理的な安定を保つのに必須です。したがって、口やかましくなります。また、目的を達成するために泣き落としなどの心理作戦を用います。

+++　男性の強い性衝動を発散させるような社会が必要である　+++

食欲のように絶え間なく湧き上がる男性の性的欲求を解決するには性的な成熟があった時点での結婚制度を認めるか（結婚年齢を13歳に引き下げる）、遊郭を復活させるのがよいでしょう。過度に性欲を抑圧することは社会的な去勢をもたらすことになります。草食系男子は生まれるべきして生まれたと考えられます。

昔の公娼街は暗く、不幸なイメージがあります。それは貧困を背景にした身売り、性病をコントロールできないことなどが関連します。現代なら職業人として健康に留意し、労働権を持つことができます。そして、性を商品と扱うすべてのものをこの地域にだけ、許可をする。江戸時代の吉原では売春が一種の芸（術？）のレベルまで高められました。パートナーのいない男性はここに通うことになりますが、堂々と通ったらよいでしょう。

精神的に大人になっていない場合は色街に入り浸りになる可能性もありますが、お金がかかりますから自動的に制御がかかります。色街に始めて行く。お高くとまった成人式より心理的な効果は絶大ではないでしょうか。対する女性の成人式はやはり性体験でしょう。信頼できるシニアに手ほどきをしてもらうか、好きな男性との交渉をそのときと定めるべきです。

+++　人間ではメスの発情行動があいまいになっている　+++

高等な霊長類は発情行動の発現があいまいで、雌は排卵前後の特定の期間以外にも雄を許容するため、雄同志の競争が緩和されています。動物の発情は、エストロジェンが脳に作用して誘起されます。ヒトの女性を含む高等な霊長類では、性周期の黄体期にも、妊娠期にも、血中のエストロジェンの濃度が高く、発情行動があいまいになっています。

一方、他の哺乳類ではメスがオスを受け入れるのは１年の決まった時季だけです。発情期にはメスの性器は充血し、交尾可能であることをアピールします。人間の場合は性器の見た目は変化しません。

人では、集団の中に一夫一婦制が制度として採用されています。子供が、誕生後、長期間にわたって自立できないため、メスが保育に専念する必要があるからです。一夫一婦制ではつがいとなったオスに食物を安定供給する役割を担わせていますし、その点で合理的です。あちこちに子供を残そうとするオスよりも一人のメスとの間に子供を残そうとするオスのほうが結果的に子供の数を増やしたと考えられます。メスの方でも自分と子供のためだけに食料を運んでくるオスを好んで、性交渉を持つ傾向が顕著です。

+++　キリスト教は一夫一妻に厳しい　+++

一夫一妻制はキリスト教の教えであり、平等・契約を前提に作られています。背景にアメリカ大陸から輸入された梅毒の流行があったといいます。イスラム教では一夫多妻制の制度を持っています。豊かな財産を築いた男性が多くの妻と子を養う仕組みです。また、遊牧民は厳しい環境の中、1 人では生きていけないため、寡婦が生じると親族が妻として受け入れるため、多妻制を認めているそうです。日本や中国の支配階級では妾制度により、多妻制が取り入れられています。逆の制度としての一妻多夫制はないようです。一般に、男は独占欲・支配欲が強く、他の男性と平等に1人の女性と生活することはできないようです。日本の庶民は、昔、母系制をとっており、とくに特定の夫婦を決めたようではないようです。最初は夜這いから。平安時代には支配階級でも万葉集などに見られるように通い婚であったようです。

45．イントロン・・・分断されたゲノム（レトロトランスポゾン）


真核細胞のゲノムの特徴に、遺伝子に挿入されたイントロン配列がある。イントロンは細菌ゲノムにはまれであることから真核細胞の誕生のころに誕生したと考えられる。その由来は、細胞に取り込まれた共生細菌と考えられる。細菌が死ぬとDNAが細胞質中に放出される。その遺伝子はまれに本体のゲノムに取り込まれた。有益な遺伝子は本体で維持されるので寄生した細菌からは失われた。ジャンクなDNAはイントロンとして遺伝子に挿入された。そのままでは遺伝子が機能しなくなるのでイントロンを取り除くスプライシング機構が発達した。核膜が誕生することで、スプライシング前のRNAと成熟mRNAやリボソームとを分離した。

この事件はいつごろ起こったのだろうか。仮説として22.2億年前の最初の全球凍結、マクニガン全球凍結を挙げておく。当時は陸地が集合しつつあり、浅瀬にはシアノバクテリアが繁栄し、光合成産物を狙って光合成をおこなわない細菌も共同生活を行っていた。ストロマトライトである。全球凍結の時期には浅瀬にも氷河が押し寄せ、ストロマトライトを海へと押し流した。細菌は海底へと沈み、そこで深海の酸素の乏しい環境で生き延びていた古細菌と出会った。

古細菌は真正細菌（区別のため）と違い、細胞壁がなく、細胞膜も弱かった。そのため、真正細菌が潜り込みやすい。古細菌は真正細菌と共存することで栄養分を得ることができた。また、古細菌はゲノムにDNA断片を取り込みやすい。DNAの複製機構が真正細菌より貧弱なため、複製間違いを起こすことが多かった。かくして古細菌は真正細菌を取り込み、巨大化し、膜構造を発展させた。複雑な膜構造は光合成にとっても（クロロプラスト）、エネルギー生産にとっても（ミトコンドリア）、都合がよかった。

これは一度に起こったことではなく、長い全球凍結時期に繰り返し起こり、さまざまな共生関係が試されて、より完成度が高いものが生き残った。

この間に母体となった古細菌のゲノムは大量のDNA断片を受け入れてカオス状態になった。この状態をうまく組み替えたのはレトロトランスポゾンではないか。逆転写酵素はRNAワールドの生命体がDNAを持つときに使った酵素である。レトロトランスポゾンは真核細胞と同じ歴史がある。レトロトランスポゾンはインテグレースという、DNA断片をゲノムに組み込む活性も持っている。取り込んだDNA断片をランダムにゲノム中で組換え、適切な構造を持った遺伝子ができた前真核細胞が生き残った。

断片化された遺伝子はエクソンシャフリングという強力な多様性獲得装置を得た。いくつかの機能単位がある遺伝子を機能単位（エクソン）ごとに他の遺伝子の機能単位と組み合わせて新しい遺伝子を作る仕組みである。

かくして真核細胞は強力な光合成装置とエネルギー生産装置をバックに、大量の遺伝子を維持するのに必要な余力を得た。より高度な仕組みを持つ真核細胞生物へと進化する道が開けた。

+++　内在性レトロウイルス　+++

内在性レトロウイルスは珍しい存在ではなく、ヒトゲノムの５-８％を占めています。これらはウイルスですので、適切な刺激があるとウイルスとして活動を始めます。

一方、レトロトランスポゾンは不完全な内在性レトロウイルスです。数百～数千塩基対からなるDNA配列で、ゲノムのある部分から別の部分への転移する能力を持ちますが、ウイルス粒子を作ることはありません。通常は転移に必要な酵素トランスポゼースをコードする遺伝子を持ちます。ある種のトランスポゾンは宿主ゲノムの挿入部分から自らを切り出して他の部分へ再挿入することができます。この切り貼りは正確ではなく、数塩基から遺伝子数個分の断片が一緒に転移します。遺伝子重複の重要なメカニズムの一つです。

+++　小さなRNA　+++

1993 年に線虫（C. elegans）で小型の抑制性RNA分子が発見されました。マイクロRNAと名付けられました。複雑な体制をもつ多細胞動物に広く存在しています。マイクロRNAは分子として遺伝子制御に関与します。原始的な後生動物門および単細胞動物である襟鞭毛虫で総RNAの塩基配列を解読したところ、調節性マイクロRNAが見つかり、後生動物の進化のごく初期（多細胞生物が出現したころ）に誕生したと考えられています。

siRNAは真核生物に由来するトランスポゾン配列に由来するものが多い。siRNAが関与する遺伝子サイレンシングは内在性ウイルスやレトロトランスポゾンの配列が翻訳されることを阻止する防御機構と考えられます。siRNAは鋳型となった元の配列を標的とします。

miRNA分子はヒトゲノムに1000種類ほどコードされています。各miRNAは22塩基程度の長さで通常、数十ものｍRNAを標的としています。miRNAは標的mRNAと塩基対合することで作用します。miRNAはまず長い前駆体として転写され、２本鎖のRNAに折りたたまれた後、一連の修飾過程を経て一本鎖miRNAとなります。miRNAをガイドRNAとしてDNAなどを切断するものがCRISPR-CASシステムです。

46. 感覚・・・外界を知る [レセプター]


発生、成長や老化などの時間を含んだ4次元的な生物の変化を記述するのは困難である。ここでいう記述とは、一次元情報である遺伝子の塩基配列から立体的な三次元構造（From 1D to 3D）までを時間経過とともに分子の反応過程で、記述することである。原理的には点が並んで線を作り、線が並ぶか折れ曲がって面を作り、面が曲がって立体となる。また、線は螺旋を造って立体を形作る。ポリペプチド鎖でも、タンパク質による構造体の形成でも、細胞による組織、臓器の構成も同じ原理を使う。構造化は自然発生し、進化の過程で選択されてきた。

単細胞の原生動物である立襟鞭毛虫には神経や細胞接着に関係する遺伝子など、多細胞特有の遺伝子が見つかる。多細胞生物になるための準備は単細胞生物時代に準備されていた。多細胞生物になると細胞が持つ外界を知るためのレセプタータンパク質とそれに連なる制御タンパク質が格段に増える。

一種類のゲノムを持つ細胞のみが集合するためには、そのゲノムを持つ細胞と他のゲノムを持つ細胞とを厳密に区別する必要がある。それまでは単細胞であったので、細胞膜が自己と他との区別する器官であった。細胞が隣の細胞を自己か他者かを区別するのは細胞表面上のレセプターである。多数の個体を十分識別できるようなレセプターシステムが準備され、進化した。同時に他の細胞を認識するレセプターは餌や敵を認識するレセプターと発展した。

単細胞生物が多細胞動物に進化する上で重要な分子は細胞間接着タンパク質、細胞間シグナルタンパク質、細胞分化誘導タンパク質、細胞を包むタンパク質である。細胞間接着タンパク質は膜タンパク質間の接着で細胞と細胞とを直接結びつける機能がある。カドヘリンタンパク質が主要な細胞間接着タンパク質であり、同じタンパク質が相互に結合する。細胞間シグナルタンパク質は、細胞から分泌され、レセプタータンパク質に結合することで情報を伝える。増殖因子とそのレセプターが例として挙げられる。細胞分化誘導因子は、通常、転写促進因子であり、多数の遺伝子の発現領域に結合し、遺伝子発現のオンオフを行う。細胞を包むタンパク質は細胞間マトリックスと呼ばれ、コラーゲンなどが代表例である。細胞はインテグリンなどの膜タンパク質を使って細胞間マトリックスに結合する。

多細胞動物で重要な調節機能を行うニューロンも多細胞化の初期から誕生した。ニューロンの機能は刺激に対して電気パルスの信号を生成し、細胞の端から端へと伝えることである。ニューロンは動物の多細胞生物にのみ存在すると考えられていたが、単細胞のクラミドモナスでも同様の機能分子が見つかった。チャネルロドプシンである。光刺激に反応するためのタンパク質である。さらに、クラミドモナスではシナプスを形成することはないがシナプスを形成するために必要な遺伝子、神経伝達物質のレセプター、細胞接着分子やその裏打ちタンパク質を持っている。クラミドモナスは10億年前に生物界に登場したと考えられている。鞭毛を持ち、神経パルスの発生機能を持つクラミドモナスは多細胞生物が持つ有毛細胞センサーを連想させる。チャネルロドプシンはオプシンタンパク質とレチナールが結合したロドプシンがイオンチャンネルとしても働き、光ゲートイオンチャネルを構成する。チャネルロドプシンを導入した動物では神経活動をレーザーで制御できるため、脳機能の解析技術（オプトジェネティクス技術）として応用されている。

+++　細胞が移動するためのガイド分子がある　+++

細胞が成長して、もしくは集まって構造体を作るときは、自分の位置を知っているはずです。位置情報は細胞と細胞のコミュニケーションか、周りの液体に溶け込んだ情報分子との接触によって得られます。細胞には目や耳のように物理的な波動を感知する仕組みはありません。血液が流れる血管はいろいろな細胞から作られますが、一番単純な毛細血管は血管内皮細胞からできています。血管内皮細胞は上皮様シートを作り、管状に伸びて、その中を血液細胞が通ります。血管内皮細胞は血管内皮細胞としか結合しません。血管ができるときは、血管誘導因子（タンパク質です）に反応し、その因子がやってくる方向へ細胞分裂をしながら伸びていきます。血管内皮細胞が分裂するには特別な内皮細胞増殖因子（やはりタンパク質です）が必要です。血管を必要としている組織、例えば、傷口を塞いだばかりの組織は血管を誘引するタンパク質因子を多種類、分泌して自分の位置を近くの毛細血管に知らせます。生物体が発生の途上にあるときは、たくさんの因子が血管を新しくできた組織に誘導します。

血管内皮細胞のシートは栄養分や酸素を通し、周りの組織に提供します。ときどき、シートを破って白血球が通り抜けます。白血球は全身をパトロールして、不穏分子（細菌やウイルス、がん細胞など）を見張ります。そこで、血管内皮細胞のシートを通り抜けるためのパスポート分子（タンパク質です）を細胞表面に提示して、血管内皮細胞に申請します。不穏分子の侵入があると、その部分には白血球が大量に集まってきます。炎症と呼ばれます。熱を帯びて赤く腫れます。例として、蜂や蚊に刺されたところや、擦り傷を思い浮かべてください。その付近の毛細血管はたくさんの白血球が通り抜け、また、白血球を呼び寄せるために血管内皮細胞のシートは緩んでいます。白血球は集合をかけるケモカイン（タンパク質です）によって呼び寄せられます。

血管内皮細胞の組織側（外側）は細胞間マトリックスと呼ばれる糖とタンパク質の巨大な複合体が覆います。基底膜と呼ばれます。太い血管では基底膜の外側に平滑筋細胞がくっつきます。基底膜は内皮細胞が分泌し、毛細血管があるという位置情報になっています。実際には基底膜の中にある特別なシグナル分子（糖タンパク質です）がその役割を担っています。

+++　化学物質を感知するレセプターは7回膜貫通型受容体ファミリー　+++

少し高度な多細胞生物では物質を感じるためのセンサーを細胞の表面にもち、周りに信号を送るだけの細胞、神経･感覚器細胞があります。五感のうちの味覚と嗅覚は物質センサーです。

嗅覚は遠くにある食物や危険物から発散される化学物質を感知する感覚で、一方、味覚は口に入れた食物候補を飲み込むかどうかを判断するための感覚と区別できるでしょう。しかし、嗅覚も味覚も化学物質を感知する受容体タンパク質であり、同じような遺伝子構造を持っていて、7回膜貫通型受容体ファミリーとよばれます。さらに、情報伝達は受容体タンパク質に結合したGタンパク質が担当します。

Gタンパク質は外部からのさまざまな刺激（光、化学物質、ホルモン、フェロモンなど）を受けて細胞内のシグナル伝達物質を媒介して細胞内での種々の働きを引き起こします。細胞膜を7回貫通するという特殊構造をもつ受容体タンパク質は、真核生物ゲノムの総遺伝子のうち1～3%を占める最大の遺伝子ファミリーです。この遺伝子の起原は古く、真核生物が多細胞化して神経細胞を進化させた段階で急激に増えたようです。

ちなみにGタンパク質のG は核酸のGTPです。GTPとGDPの変換がスイッチのオンオフに相当します。GTPはGDPにリン酸基が1つ結合した分子です。RNAの材料であるATPが細胞のエネルギー通貨であるのに対して、GTPは情報分子と呼ばれます。ほかの材料、UTPとCTPがタンパク質の補助的な構成成分として使われる例は知られていません。

+++　自己　+++

認識論の中では自己とはいくつかの種類に分けられて論じられます。日常感覚の中で出現する特殊な経験(Minimal selves)、他者との関係性で捉えられる自己（Social selves）、そして、自分の履歴を記憶していて、いまここに自分がいるという視点を持つ自己（Self-referential selves）です。一般的に意識されるのはSelf-referential selvesです。時間（記憶）の存在、社会や自然環境という他者の存在を認識すること、そして、他者が変化し、生物体としての自分が応答しなければならないこと。このような意識の総体が自己を構成するようです。

神経生理的、神経回路的には、言い換えると、分子や細胞のレベルでどう説明されるのでしょうか。

まずは繰り返し、同じことをするという神経回路が形成される。運動することで食物が触れたら食べて消化する、など。モノトマータと呼ばれます。

環境条件に従って、決まった行動をする。例えば、CならばRする。条件CはRがうまくいくときであり、Rを行うことで、エネルギー消費を節約できる。Cであることを認識するセンサーが必要です。モノマータが時間的に結合する回路と理解されます。

内部環境Dのときに環境条件Cならば行動Rを行う。内部環境をモニターする仕組みが追加で必要です。内部センサーDは外部センサーCと制御的に結びついている必要があります。DセンサーのアウトプットはCセンサーのアウトプットを調整し、ひいては行動Rの出現をコントロールします。ニーズの出現です。

昆虫でみられる行動開発因の連鎖はこれらの理解で組み立てられる本能的行動です。アフォーダンス（affordance）の連鎖ともいいます。連鎖はかなり長く、多段階になりうるので、知能的な活動をしているように見えます。

これらの神経回路の活動は自動反応です。我々の行動の中でも自動反応が多数、同時進行しています。今こうしてタイピングをしているときでも、夕食を消化し、栄養分を吸収し、呼吸し、何やら外からの物音が耳から届き、コンピュータの画面の外の映像も流れ込んでいます。その中で特にキーボードをたたく指と脳の中のイメージを文字に起こすことが意識されます。

すなわち、意識とは脳に流れ込んでくる圧倒的多数のその他の自動反応から、高度に区別されています。脳の中で形成されたイメージは、もちろん、高度に統合されていると考えられますが、重要なのは高度に区別されてもいる。獲物を見つけ、追跡し、襲う。この行動は単純化すると目の前を通り過ぎる獲物を捕らえる、つまり、アフォーダンスの連鎖から発展したものと考えられます。遺伝的にプログラムされたアフォーダンスの連鎖を駆使して目的のある行動が発現した時、言い換えると、そうした行動ができるように脳の配線が組まれたときに意識が誕生したのではないでしょうか。

人間は意識が時空間的認識に転換された記憶となり、途切れなく続く生物です。つまり、同時進行している多くの反応から、一つだけを区別し、すなわち、意識し、その意識が連続して記憶されていて、社会的認識に発展したと考えられます。神経回路でいう認識とは時空間的な記憶です。認識の連続体が内部環境D´という特別な記憶が形成され、しかもD´の集合体から高次な認識が生まれ、考える自己という神経回路が誕生するのではないでしょうか。

+++　欲求レベルの成長　+++

米国の心理学者A. Maslowは、５つの基本的欲求を考え、それは下位の欲求が充足されれば自然に上位の欲求に移行する、と考えました。

社会において「やる気」の根源となる欲求は、承認欲求と自己実現欲求です。これは仕事場でも学校でも家庭でも同じではないでしょうか。目覚めている時間の大部分を費やす仕事は、生計を立てる目的で行いますが、費やす時間が長いだけに、自己実現をも目的にできると理想的でしょう。仕事は義務感、制約･拘束されるイメージがありますが、逆に、仕事を通じて多くの知人を得たり、体験をしたり、感動することも多いでしょう。人生の価値、生きる意味は仕事の中に見出すことができます。

47. 不整合・・・失われた記録 [先カンブリア紀]


カンブリア紀の生物が地球上にいきなり出現したように見えるのは5億年以前の地層が失われていることも一因である。例えば、グランドキャニオンでは約5.4億年前に始まったカンブリア紀の堆積岩の下は約10億年かそれ以上前に形成された、化石のない結晶質の基盤岩である。この時代は生物の進化においても重要な意味を持つので、化石の証拠が消滅していることは大きな損失である。

失われた地層は、複数の証拠に基づいて、スノーボールアース時代の氷河による浸食だったとする説がある。大陸の風化作用は歴史上の記録を砂と泥に変える。例えば、直径が10キロを超える天体の地球への衝突は1億年に1度起きたとされるが、地球上では風化などで痕跡となるクレーターが残りにくく、さかのぼることができるのはせいぜい6億年前とされる。

月のクレーターを調べたところ、約8億年前、直径20キロ以上のクレーター8～17個が同時期にできたと判断された。すなわち、隕石群が月を襲ったと考えられる。地球には、月に落ちる隕石の約20倍の質量の隕石が落ちることが知られている。地球には6500万年前に恐竜を絶滅させたとされる隕石の30～60倍にあたる隕石が落下した可能性がある。落下がどのくらい集中したかによるが、生態系に与えた衝撃は大きく、大絶滅が起きたと予想される。

約8億年前には海洋中のリンの濃度が4倍に急上昇し、生命の多様性を促したとする考え方が報告されている。また、7億年前の大気中の酸素濃度が増加した事件（Neoproterozoic Oxygenation Event）が起きており、植物の活動が活発化した可能性が示されている。8～6億年前は全地球凍結が起こった時期である。同時期に、南太平洋スーパープルームが上昇を開始し、超大陸ロディニアが分裂を始めた。

6億年前、全地球を覆った厚い氷河が溶けると、酸素濃度の急激な増加が始まった。分裂した大陸の間に暖かい海が生まれ、酸素を使った本格的な生物の進化、すなわち、大型化が始まったと考えられる。5.5億年前頃までに巨大大陸ゴンドワナができあがり、すぐに分裂を始めた。このころの多細胞生物としてエディアカラ動物群が化石として残されている。

大陸が地球上に初めて形成されたのは古生代。今から30億年前である。マグマが固まるときに生成するジルコンは固く、風化されにくい。ジルコン中のウラン原子の放射性崩壊の記録やハフニウムの同位元素の比率を調べるとジルコンが形成された年代が推定できる。古い大陸から収集されたジルコンの形成された年代を調べると、大陸では２億年ごとに激しい火山活動があって大陸が成長したと考えられた。

2億年の周期は、太陽系が天の川銀河の4本の腕を通過する間隔に一致することから、火山活動との関連を指摘する仮説がある。銀河の腕は星や星間物質が集まっているので、そこを太陽系が通り過ぎるとき、オールトの雲がかき乱され、たくさんの彗星が発生する。その彗星が地球に落下すると地殻を突き破って激しい火山活動を引き起こすという仮説である。

過去35億年の地球磁場を調べてみると、徐々に低下し、5億年前に最小値を記録し、その後強くなって現在に至る。5億年前に内核が形成されて、外核の対流による地場形成が起きたものと思われる。それまでの磁場を発生させていた対流は、液体コアの中の不純物が析出してマントルへ浮かび上がり、逆に純粋になった鉄が沈み込む組成対流が起きていたと考える。現在のコアでも8%が不純物である。不純物はコアができるときに周りの成分を取り込んだもので、実験によると水素が最も多いかもしれない。次いで、ケイ素や酸素である。

+++　海には大量のクラゲがいる　+++

火力・原子力発電所では、冷却水として大量の海水を取水します。夏場には大量に発生するクラゲが取水口を塞ぎ、放置しておくと設備が停止します。そこで、発電所では、取水口前でクラゲを捕獲していますが、その量は半端でなく、処理における労力や腐敗が問題となっています。また、最近では、大型クラゲが大量に出現し、漁業に支障をきたしています。大量出現の原因はよくわかっていません。原始的な二胚葉動物に現代的な施設が脅かされているのは皮肉です。

深海潜水艇の探査により、深海底にも豊かな生態系が広がっていることが解ってきました。そして、大量のクラゲ類。今までは網にかかっても破壊されてしまうか、捨てられていたため、実態や量については研究されてきませんでした。最近の推定では海の深いところにいる生物の50%はクラゲ類（ゼラチン質プランクトン）とされています。クラゲは深海へ炭素源を運び、海底の生態系を維持しているのです。

+++　平和とビッグヒストリー　+++

最近の地球史を扱った番組を見ていると、Big history的な導入が目立つようになりました。Big historyが身近な考え方になった証拠です。そういえば、90年代には宇宙から見た地球が様々な番組にイメージとして取り入れられていました。

宇宙から見た地球は国境や文化を超えた存在としての環境や人間を象徴します。同じようにBig historyの考え方は長期的な視野で環境を見ること、人類の価値観を超えたところで地球を理解するという考え方を象徴します。

宇宙や地球、その進化に関する人間の知識は確実に増え、維持されています。Big historyの考え方を維持、発展させるためにも平和な社会を維持する努力が欠かせず、逆に、平和な社会を定義して持続可能にするためにBig historyの考え方が大きな貢献をするでしょう。

+++　大進化の前　+++

ウェールズの石切り場で4.62億年前の化石が発見されました。そこにはカンブリア紀のオパビニア（5つの目と長い鼻を持つ動物）や鱗のあるナメクジであるwiwaxiids（和名が分かりませんでした）の化石があり、同時に節足動物（甲殻類やカブトガニ）、カイメンやヒトデ、蠕虫（ミミズなどの仲間）の化石もありました。

その石はバージェス頁岩とおなじ種類の泥岩で、かたい殻を持つ生物のみならず、やわらかい組織を持つ生物も化石として保存されていました。ただ、違ったのは化石の大きさです。生物は顕微鏡サイズであり、いくつかのめぼしい化石が見つかっても本格的な調査に至らなかったのです。

この宝の山を再発見したのはアマチュア考古学者です。彼らは考古学博士の学位も持っていて趣味で化石採取をしていました。十分な資金を持っていなかったため、10年間もの間、その価値に気づいていませんでした。

ここからはすでに170種もの化石が発見されました。これらの動物はオルドビス紀に大きいサイズになり、化石として発見されています。つまり、カンブリア紀とオルドビス紀をつなぐ化石群として注目されています。また、ウェルシュ頁岩には当時の生態系がそっくり保存されているらしい。この場所の化石を解析すれば、現代につながる動物種の出現に対して新たな発見が期待されます。

48. 多細胞生物・・・集合から組織へ [クシクラゲ]


単細胞から多細胞への進化は、植物の仲間だけで20億年前から何度も繰り返し起こっていたようである。少なくとも、褐藻類や黄緑色藻類などで多細胞化が起こった。つまり、多細胞植物へは、多系統で進化をしてきた。一方、動物では、単系統だけで多細胞化が起こったようだ。多細胞動物の直接の祖先は襟鞭毛虫類という単細胞生物とされている。襟鞭毛虫類からカイメン動物を経て、多くの多細胞動物へと進化した。

細胞が寄り集まっただけの下等な多細胞生物では細胞の独立性が高く、体のあらゆる部分が全体を再生する能力がある。現在の植物は同じ再生能力を持つ。機能が分化した多細胞生物が発達する前に、細胞同士が寄り集まる土台として、細胞を集団で包む物質の進化が起こったに違いない。現代の動物でいえば、タンパク質と多糖で構成される複雑な高分子、細胞間マトリックスである。

ただし、多細胞化は1種類の細胞の集合体とは限らない。それまでの共生の歴史を考えれば複数の種の単細胞生物が集合体を形成した可能性は高いのではないか。細胞は集合体を作ることで、厳しい環境下での生き残りの確率を高めることができた。餌がない時は集合体を構成する細胞の一部が犠牲となって残りの細胞を助け、全体として生物体を維持する。現在観察されるバクテリアのバイオフィルムが典型例である。バイオフィルムは主に多糖からなる粘性のマトリクスの中に複数のバクテリアが共存する。物体の表面に形成されるが、動物の体内にも形成され、環境の変化や消毒剤、免疫応答に耐性を持つ集団となる。

仮説として、集合体を形成した多種類の単細胞生物の間で遺伝子の共有が進んで、多細胞生物ができた可能性が挙げられる。多様なゲノムを持つ細胞の集合体から遺伝子を交換しあい、1種類のゲノムを持つ細胞の集合体へと変化した。重要なのは一部の細胞が生殖細胞として分化し、遺伝子を交換し合う生殖システムが発達したことである。生殖細胞はすべての機能を次世代へ伝えるための永遠に保存されるべき細胞である。そして、生殖細胞から必要な機能をもつすべての細胞が分化する。生殖細胞を環境の変化に耐性にすることで生物は新たな生存戦略を持つこととなった。すなわち、受精卵であり、胞子であり、種子である。

8～6億年前にはホメオボックス遺伝子群などの細胞の分化に関わる遺伝子群が多様化した。ホメオボックス遺伝子は多細胞動物の発生の過程で形態形成をコントロールする調節遺伝子であり、具体的には遺伝子発現を制御する転写因子である。ボディプランを司るホメオボックス遺伝子群と、細胞の接着、細胞間の情報を担う遺伝子が多様化し（遺伝子重複）、生物の機能を高めるような相互作用が成立したと考えられる。

有害な遺伝子変異が起こるとタンパク質は間違って折りたたまれる。その対策として熱ショックタンパク質がある。熱ショックタンパク質は変性したタンパク質を正しい形状に直すタンパク質であり、温度などの環境の急激な変化に対応するタンパク質群として太古に進化したに違いない。生物は熱ショックタンパク質の能力に依存して多くの遺伝子多様性を蓄積できる。この仮説はショウジョウバエで実験された。ショウジョウバエは世代を経るうちに多くの遺伝子の変異を蓄積し、その量は熱ショックタンパク質の能力に依存する。生存環境が変わるなどストレスがかかると熱ショックタンパク質の対応が追い付かなくなり、蓄積した変異が一度に表現型として表に現れる。この現象が環境変化にうまく適応した場合、生物の進化になる。

+++　生物の可塑性　+++

機械式の時計の場合は多くの部品から構成されます。一つの歯車を大きくしたのではほかの部品とうまくかみ合わず働きません。全体をそれに合わせて変えなければならないので、すでにある時計の部品だけを変えて新しいデザインの時計を作ることはできません。しかし、生物の場合は多くの部品から成り立っているように見えて、実は可塑性があります。生体を構成する物質はすべてゲノムに書き込まれていると思い込みがちです。しかし、実際には神経系の接続や血管系の形成は形態の変化に合わせて変化できるように柔軟に作られています。遺伝子の変化が生体の大きな変化を伴う。これが進化だとすると、時計の例のように全体を作り替えるような大掛かりな模様替えも、１つの遺伝子の変化が可塑性によってうまく調整されて起こりうると考えることができます。

+++　哺乳類の胚の最初の分化はコンパクションである　+++

受精のとき、卵の中に入った精子の核は卵の核と融合をし、すぐに細胞分裂（卵割）が始まります。多細胞生物の一生のスタートです。受精卵は４細胞、８細胞と細胞数を増し、細胞間の接着が強まるコンパクションと呼ばれる現象を起こして、桑実胚になります。ぶどうの房のように寄り集まっていただけの細胞が、一番外側の細胞が互いにくっついて細胞の膜を作ります。中には割腔と呼ばれる空間と内部細胞塊ができます。このステージを胚盤胞と呼びます。胚盤胞の外側の栄養外胚葉は子宮内膜表面と接触して、子宮内膜の中に入り込みながら胎盤を形成し、胎児を包んで保護する働きをします。内部細胞塊が胎児となります。人間の胚の場合、発生1週目は足場を持たず、受精卵は卵割して3日目に桑実胚になり、5日目には胚盤胞になります。その後2週目に子宮壁に着床します。

コンパクションが最初の細胞分化です。外側の細胞と内側の細胞の機能に差ができ、また将来の運命も分かれます。契機は外側の細胞同士の連結が強固になる、すなわち、細胞の上皮化です。上皮とは細胞がお互いに接着しながらシート状になることです。上皮は単なる細胞の集合体ではなく、接着する相手は決まっており、また、「水も漏らさない」しっかりとした構造体です。子宮壁にもぐりこんだ後に、内部細胞塊は栄養外胚葉の内側に沿って、子宮側と、外側に向かって一層の膜を作って広がります。2つの腔ができ、その間の平たい仕切りが2層の細胞からなる胚盤となります。胚盤の中央に原条（溝です）が出現して、そこから細胞が2層の細胞の膜の間隙に入って移動し、中葉細胞となります。胚盤は2層から中身を得て厚みを増します。中葉細胞は後に体節などの中胚葉性組織に加えて胎児の内胚葉組織を形成します。原条のある外胚葉層からは神経摺(襞です)が伸びて、丸くくっついて神経管をつくり、中枢神経系の原基ができます。

49. コラーゲン・・・細胞を包む [分化]


遺伝子の進化時計から推定すると、動物の多細胞化は9億年前に始まった。最初にカイメン類が単細胞生物から分岐した。カイメンは臓器がなく、体の中に網目のように水路が走っていて、水と一緒に吸い込んだ有機物は何でも消化して栄養分にしている。長い単細胞生物の時代に海底には大量の有機物が蓄積されて有機物の層が形成されていた。カイメンは蓄積されたヘドロのような有機物をせっせと掃除した。

もっと下等なカイメン動物にも神経細胞の原型があるらしい。海綿の細胞を一つ一つ分離し、発現しているmRNAの塩基配列を調べて18種類に分類した。そして、神経様細胞（neuroid cells）と消化細胞（digestive cells）にはシナプスを構成する遺伝子が発現していた。ただ、シナプスを形成しているわけではない。

そのあと、カイメン類からクラゲ、イソギンチャク、ヒドラなどの二胚葉動物が分岐し、二胚葉動物から主要な動物のグループである三胚葉動物が分岐した。なお、カイメン類はクシクラゲが海底に固着した姿、すなわち、クシクラゲから進化したとする説もある。三胚葉動物はおよそ6億8千年前に、まず新口動物（後口動物）と旧口動物（前口動物）のグループに分かれた。旧口動物のグループは、節足動物や線形動物を含む脱皮動物のグループと軟体動物や扁形動物を含む冠輪動物のグループに大きく分かれた。新口動物からは、ウニ、ホヤが出現した。

胚葉性動物は単なる細胞の集合体でなく、明確に分化した（役割分担した）細胞から形成される。クラゲやイソギンチャクの体は、大雑把に言うとボールがへこんだ形になっている。外側の細胞（外胚葉）と、消化器を形成する内側の細胞（内胚葉）とに別れる（二胚葉）。三胚葉動物では内と外の間に細胞があり、中胚葉と呼ばれる。人間の体を筒と見立てると、外側、すなわち皮膚が外胚葉、筒の内側すなわち消化管が内胚葉、その間すなわち筋肉や骨が中胚葉である。

多細胞生物の外側には上皮と呼ばれる細胞の膜が作られた。生物の体を衝撃から守る必要から細胞が互いに強く接着する能力を持つ必要がある。外界との境界では表皮（皮膚）と呼ばれる。しかし、体内にくぼんだ表面（消化管などの内側）では物質交換をする都合から粘膜上皮が形成された。

生物の体のパーツ（臓器）も上皮と呼ばれる細胞のシートで包まれている。おなかの中（腹腔）では漿膜と呼ばれ、中皮細胞上皮からなる。上皮で包むことで独自の空間を作り出した。上皮の袋の中に細胞を入れ、肝臓や腎臓、生殖器官など、いろいろな機能を独立した器官として形成できる。器官は血管や神経で結ぶ。体内を一定の環境に保ち、栄養分を蓄え、内臓には専門の機能を持たせ、独自の運動をさせることもできるようになった。

上皮細胞の膜を物理的に強化するためにコラーゲン・タンパク質が使われる。コラーゲンのアミノ酸組成はグリシンが1/3を占め、プロリン及びその誘導体が21％、アラニンが11％と単純なアミノ酸からなり、偏った構成となっている。グリシンと2つのアミノ酸の3アミノ酸の繰り返しからなる単純なバックボーンを持っている。

コラーゲンが地球で初めて誕生したのは、原生代後期の全球凍結後（6億～8億年前）と考えられている。コラーゲンを作り出した単細胞生物は細胞同士の接着に利用し、多細胞化が促進された。コラーゲンはいわば細胞の服、ゆりかご、部屋と呼ぶべき構造体である。コラーゲンは動物の結合組織を構成する主要なタンパク質であり、哺乳類では全タンパク質含有量の25%を占める、最も豊富なタンパク質となっている。言い換えると、動物体内では細胞はコラーゲンの繭に包まれている。

現在、神経系を持つ最も下等な生物はクラゲやヒドラなどの腔腸動物とされている。腔腸動物の神経は散在神経系とよばれてコントロールする中心核がない。が、神経細胞は神経線維で結ばれている。

これらの多細胞生物は化石になりにくいために、地質学的な証拠が残っていない。しかし、海綿動物はコラーゲンを主成分とした骨格を形成していて、カナダで発見された8.9億年前の化石がカイメン動物と推定されている。単純な生物群は海底の有機物を食べて大いに繁栄したはずである。5.6億年前の生痕化石から推定すると中には地中に穴を掘って隠れる生物がいたらしい。すなわち、大量のヘドロを食い尽くすとお互いを食べあう弱肉強食の世界が始まった。

+++　個体発生は系統発生を部分的に繰り返す　+++

教科書などによく出てくるのは両生類の受精卵の発生です。人間と同じように最初に規則正しい卵割を繰り返し、内部に割腔を持つ胞胚になります。その後に表面細胞層の一部が内部に陥入して嚢胚ができます。陥入した部分は内胚葉になり、外側の細胞層が原条を作り、神経の分化が誘導されます。

胞胚でもぐりこんだ部分は消化管になり、反対側に新たな出入り口を作ります。節足動物、軟体動物など、無脊椎動物の多くは最初に陥入した部分が口になります。一方、脊椎動物では肛門になります。原始的な生物、イソギンチャクやクラゲでは出入り口は1つしかありません。このような観察結果から、ヘッケルは反復説を提唱しました。個体発生は、系統発生を繰り返すという説です。哺乳類の胎児を観察すると、最初は魚様の形ですが、発生が進むと哺乳類の形になります。尻尾や鰓のような構造体が出現し、消えます。ただし、完璧に繰り返すのではなく、よく似た構造が出現するだけです。

+++　分化遺伝子の代表はホメオボックス遺伝子　+++

バージェス動物群を生み出した生物は単細胞生物の時代に、多様な遺伝子のセットをテストし、装備しました。単細胞生物の時代にホメオボックス遺伝子群が複雑化しました。ホメオボックス遺伝子は面白い遺伝子です。多細胞動物の発生、すなわち、受精卵から赤ちゃんまでの色々な段階で、形態形成を担う遺伝子の発現をコントロールする調節遺伝子です。最初の遺伝子はショウジョウバエで見つかりました。バイソラックス（胸が2つという意味）やアンテナペディア（触覚が足になってしまう！）遺伝子が有名です。ひとつの遺伝子の不具合でこんなに形が変わってしまうことがあるとは驚きです。ホメオボックス遺伝子は、多細胞生物、特に、硬骨格（燐酸カルシウム、炭酸カルシウム、珪酸）をもつ生物群で大規模に進化しました。

ホメオボックス遺伝子を学ぶと、昆虫はこんなに単純なんだと思います。すなわち、複雑な形態と遺伝子が1対1で対応しているからです。しかし、同じような塩基配列や機能を持つ遺伝子は人間や哺乳類にもあります。

遺伝子が飛躍的に多様化して、種々の新しい組み合わせが誕生し、それまでに獲得していた遺伝子の相互作用のネットワークへの組込み・調整が何らかのきっかけで一度に進行しました。そのときは生物種が大進化するように見えるのではないでしょうか。

+++　多細胞動物　+++

動物の進化を語るうえで、最初の動物は何か、という疑問が出てきます。答えはカイメン。岩にへばりついて生活し、筋肉も神経系も持ちません。他の候補、クラゲやヒドラなどは筋肉も神経系も持っていますので、まずカイメンが進化し、そのあとクラゲやヒドラに進化したと考えらえてきました。しかし、7～8億年前に起きた進化に対して化石の証拠はありません。そんな中でクシクラゲが最も早く進化したという報告がありました。

何しろ数億年前の進化の過程ですので、通常の遺伝子時計では測ることができません。そこで、ゲノムの大規模構造を比較することにしました。通常の遺伝子時計は遺伝子の塩基配列の置換がどのくらい起きているかで２つの生物の進化的な距離を測ります。同じ祖先から分かれた２つの生物の遺伝子は徐々に塩基配列が変化していきますので遺伝子の塩基配列の違いが２つの生物が分かれてからの距離を示すことになります。それに対してもっと起きにくい変化は染色体の切断と再結合です。いくつもの遺伝子の並び方が大規模構造として見られるとき、その大規模構造が切れて別の大規模構造とつながる。まれに起きるこの現象は種の分化を引き起こします。さらに、大規模構造の組換えが元通りに戻ることはありません。

研究者は調べた動物のゲノムの中で4つの染色体の組換えに着目しました。この４つはナメクジウオ、オワンクラゲ、カイメンで見られましたが、クシクラゲにはありませんでした。つまり、クシクラゲがまず出現し、その中からカイメンやオワンクラゲが進化したことを示しています。これは教科書を書き換えるくらいの新発見です。

ではなぜカイメンは祖先であるクシクラゲが持っている筋肉や神経系を失ったのでしょうか。この現象は退化と呼ばれます。カイメンは岩にくっついて生活したクシクラゲなのです。カイメンには神経様細胞があり、シナプスで機能するタンパク質の遺伝子もある。これらはクシクラゲだったころの遺物と考えられます。

クシクラゲの神経系はシナプスを持っていないことが報告されています。神経突起が、直接、融合しているのです。もっと言うと、神経系に普遍的なシナプスという結合形式がまだできていない原型なのです。

50. エディアカラ紀・・・平和な海 [藍藻マット]


エディアカラ紀　6.35-5.42億年前

目に見える大きさの化石が出現するのは6億年前のエディアカラ生物が最初である。名前は化石が最初に発見されたオーストラリアのエディアカラ丘から採られた。カナダのニューファンドランド島で見つかったエディアカラ動物群は火山の噴火によって降り積もった火山灰が動物を生めたため、軟体部しかない動物が化石として保存された。そのほか、ロシア、インドでも見つかっている。

エディアカラ生物が多く見つかるのは5.7億年前から5.41億年前である。Dickinsoniaは大きさが1メートルを超える薄い平板状の生物であった。動物という説が最も有力であるが、巨大な単細胞生物protistや地衣類、藻類、バクテリアコロニーであるという説もある。ロシアから出土した化石は熱変性を受けていなかったので有機物を取り出して分析された。丸い形のBeltanelliformisは脂質の分析からシアノバクテリアのコロニーであることが推測された。Dickinsoniaからはコレステロール由来と思われる炭素数27個の有機物が検出されたので動物と推測されている。化石のすぐ上の層、下の層から分離された有機物は炭素数29個のステグマステロールが70%、コレステロールは11%なので藻類の化石であった。

エディアカラ生物は活発に動き回って生活していたようには見えない。左右対称のものや３回転対称のものがある。当時は浅い海にはストロマトライトが、海の底には藍藻マット（バイオマット：岩石や地面を覆う微生物の膜でぬるぬるした肌ざわりがある）が張り付いていた。植物であれば海藻であり、動物であれば藍藻マットを食べて生きていたのであろう。ほとんどのエディアカラ生物は海底で見つかり、海底に穴を掘って生活していたものはまれである。

エディアカラ生物群は、5億4300万年前のカンブリア紀の始まりには衰退した。衰退の原因は、大陸分裂初期の爆発的な火山活動が関係した、また、カンブリア紀初期に出現するバージェス動物群に食い尽くされたという説がある。このころに海底の穴の中で生活する生物が見つかる。すなわち、敵から姿を隠す防衛と解釈される。

+++　帝国は20世紀前半に消滅した　+++

帝国と国とはどう違うのでしょう。国の場合は民族や文化が比較的均一な集団というイメージがあり、帝国は国の主権を奪って統合し、ひとつの政治体制の元に管理します。このような帝国は２回の世界大戦後、民族独立運動を経て解体しました。その後、国連を国際政治の舞台に設定したため、帝国は成立しえなくなりました。

20世紀に誕生したイデオロギーはすべて年次計画を伴う中央集権体制でした。コミュニズム、ファシズム、ナショナリズム、プロテクショニズム。イデオロギーは、最初は政党が指導するように見せかけ、やがて、絶対的な指導者が姿を現して崩壊への道へと進みました。イデオロギーを生み出したエリートが間違ったのは自発的に組織されるのが最善である世界を、設計することによっていつまでも支配しようとしたからです。自然発生的で有機的な仕組みのメリットを一貫して過小評価し、最良の計画は往々にして計画しないことだと気づかない。

帝国は消滅しましたが、軍事、産業、経済などの国力を背景に、他国に支配を及ぼす複数の覇権国が成立しました。アメリカ合衆国や中華人民共和国、ロシアなどが挙げられるでしょう。

一方で、グローバル・ガバナンスと称して、国家間の利害調整の枠組みを構築し、国際社会の統治を進める方式も誕生しました。中心に覇権国がある場合もありますが、EUやACEANでは構成国は比較的平等です。多くは、経済や環境、開発などを主要な課題としています。しかしながら、グローバル・ガバナンスは、軍事的に不安定な地域ではうまく機能しません。

日本は軍事活動に制限がありますから、覇権国として国際平和に貢献するのは容易ではありません。むしろ、グローバル・ガバナンスの枠組みで、国家中心的な利害を超えた国際関係を構築し、貢献すべきでしょう。

+++　救命艇の倫理　+++

限られた食料しか積んでいない救命艇で全員が生き延びるためには、誰かが犠牲にならなければならない。こんなジレンマは映画などでよく使われる古典的なストーリーです。実際に、食料を自由に選択するには供給率が100% 以上なければなりません。この状況では賞味期限がある食料は必ず捨てられることになります。現在の日本はこのような飽食の時代です。ちょうど100%になれば、食料を管理して平等に生存可能にできます。管理が行き過ぎれば管理社会、ファシズムが成立しやすいでしょう。80%であれば、当然、食料の配分は制限されます。このとき、食料に関して格差が生じ、力が強い人（権力者）はより多くの食料を確保します。かつての王権社会です。50%になったら自由な選択と平等な生存可能性は成り立たないので、強い人だけに食料を分配し、切り捨てられる人が出てきます。切り捨てられた人は生きてはいけません。救命艇ではこの方法でしか、全滅を免れる術はありません。

+++　一隅を照らす　+++

中学校の修学旅行で比叡山延暦寺に行きました。みんなで正座させられて、話を聞かされました。一隅を照らすという話でした。血気盛んな頃ですから、しみったれた話だと思ったものです。世界の平和のためだとか、人類の敵を撃退するだとか、そんな話が訓話に価すると考えていた頃ですから。

中年になってみると、それぞれが社会の中で自分が決めた場所で、自分の手の届く範囲で人の役に立ち、人の力になることが社会を作る基本であると考えるようになりました。一人一人が手の届く範囲で自らを律し、努力し、協力し、秩序を保つように行動すれば社会全体が円滑に運営されるはずであると。社会危機や天災もうまく乗り越えられるはずではないか。

一人一人の能力の差が手の届く範囲の差です。能力の高い人はより広い範囲で行動することが求められます。能力に応じて責任を持つ範囲を決めればいいのです。残念ながら、現在では能力のある人が自分自身の利益だけで行動している例や、能力のない人が過分な責任（本人は権利と思っているかも）を負っている例が多すぎるようです。

51 カンブリア紀・・・進化の大爆発 [目]


カンブリア紀　5.5億年前～4.9億年前（６千万年）

カンブリア紀（5.43～4.9億年前）初期から大量の化石が発見されている。急激に生物が出現したように見えるのでカンブリア大爆発と呼ぶ。この頃の化石にアノマロカリスやオパビニアなどの不思議な大型生物で有名なバージェス動物群がある。バージェス頁岩に保存された化石なのでその名前がある。体の軟らかい部分がきれいに残っているため、動物の体の構造や機能をくわしく調べることができた。同時期に、化石としてよく知られている三葉虫などが繁栄した。

現存する30余りの動物門はすべてカンブリア紀に現れた。節足動物(クモ、サソリ、カブトガニや三葉虫)、土中に潜る蠕虫に近い動物、頭足類の仲間、棘皮動物や脊索動物（背骨の原型である脊索を持つ）である。我々の祖先となった背骨を持つ生物の原型である脊索動物ピカイアは、全長わずか数cmで、原始的な魚類・無顎類に属する。

化石の証拠からみるとバージェス動物群の出現は突然である。急激に見える進化はそれ以前の遺伝子変異の蓄積の賜物である。甲殻動物や節足動物は、幼生期は小さなプランクトンとして成長することが知られている。化石として残る以前の原生代では小さなプランクトンとして、寒冷な時期を乗り越えたと考えられる。大型化を成し遂げ、装甲を作り上げた理由については諸説あるが、海水中の酸素濃度がある一定量まで増加したことと、温暖化を挙げておきたい。

捕食者は他の生物を食べることで栄養分とエネルギーを手っ取り早く得る方法を身につけた。捕食者は高度な目を持ち、高い運動性能が備わっていたと予測できる。運動のためには酸素呼吸が利用されたであろう。また、センサーの情報に基づいて、筋肉の運動を統合する神経組織も誕生したに違いない。システムとしての神経回路はヒドラやクラゲの持つ散在神経系が最初とされている。大型化には体の中心部にも効率的に酸素や栄養を運ぶ仕組みを備える必要がある。一方で、大型捕食動物の出現に合わせるように、多くの動物が鉱物質の外骨格をまとうようになった。食物連鎖という関係はカンブリア爆発の時期に誕生したと考えられる。食う、食われるの関係は進化に軍拡競争を加えた。

Pax-6遺伝子は目をつくるための最初の指令を出す遺伝子、すなわち、マスター制御遺伝子である。Pax-6遺伝子を持つ最も原始的な生物はプラナリアである。体の表面に窪みを作り、その底に視細胞を置くことで光源の方向を知る仕組みを作り出した。プラナリアは扁形動物門ウズムシ綱ウズムシ目に属し、前口動物と後口動物の分岐点に位置する。平たい体はエディアカラ生物を連想させる。進化の結果、窪みはレンズを持ち、視細胞は網膜と呼ばれるシートを形成して外界を投影し、認識する目になった。

三葉虫は、たくさんの肢を使って泥を巻き上げ、栄養分を泥といっしょに摂食していたと考えられる。特徴的な掘削跡（生痕）がたくさん残されている。バイオマットは生痕のキャンバスの役割をした。カンブリア紀後期またはオルドビス紀初期（約5億年前）の標本には、海に近い砂丘の堆積物の上に残された動物の歩行跡がある。少なくとも4対の歩行肢をもつ大型の節足動物、おそらく、ウミサソリによるもので、尾の跡も判別できた。海底表面を覆うバイオマットの下を掘り進みながら、そこにある腐食した古いバイオマットを食べていた動物もいて、トンネルも生痕化石として残されている。

カンブリア期にリン酸塩が大量に堆積し、リン鉱石となった。これ以後、リン鉱石といえば生物由来となった。鳥の糞であるグアノが代表例である。

+++　目のマスター制御遺伝子はPax-6である　+++

ホメオボックス遺伝子は形作りの遺伝子です。目をつくる遺伝子 Pax-6は、ショウジョウバエのホメオボックス遺伝子の研究から見つかりました。ホメオボックス遺伝子はショウジョウバエも脊椎動物も共通に持っています。マウスや人間のPax-6遺伝子も、目の形成に関係しています。マウスのPax-6突然変異体はスモールアイと呼ばれ、目が小さくなる異常が起こります。実験的にハエのPax-6遺伝子をハエの体のいろいろな場所で作動させると、体中のさまざまな場所に目ができました。さらに、マウスのPax-6遺伝子をハエの体で作動させると過剰な複眼が形成されました。

Pax-6遺伝子は目をつくるための最初の指令を出す遺伝子です。そのような遺伝子のことを専門用語でマスター制御遺伝子と呼びます。具体的には、Pax-6遺伝子が作動すると目をつくるための多数の遺伝子が整然と働きだし、目を作ります。動物の目は、複眼であろうと、タコやイカのようにピンホールであろうと、一見異なった構造をしていますが、その形作りは Pax-6遺伝子が最初の引き金を引きます。Pax-6遺伝子をもつと判っている最も原始的な生物はプラナリアです。動物の目は進化の途上でただ一度だけ登場し、それが様々な仕組みを持つようになりました。

+++　弱肉強食は人間の解釈である　+++

アノマリカリスは肉食動物と考えられています。カンブリア紀は巨大な生物が登場しましたが、同時に弱肉強食の時代のスタートでもありました。弱肉強食は、本来、動物の世界の現象を表す言葉でありながら、人間社会、経済関係を比喩的に表す言葉として広く流布しています。

動物界において弱肉強食は、例えば、ライオンがシマウマを食べるといった現象を示します。しかし、専門家は弱肉強食という言葉は使わず、「食う-食われる」の食物関係と言います。シマウマも草原の草を食っているからです。この関係は食物連鎖と呼ばれます。ライオンを駆除するとシマウマが増えすぎ、シマウマは草を食い尽くして、最終的には減ってしまう。シマウマは全部食われると困るが、全く食われなくても困る。食物関係は両者の共存のために必要な関係です。

一方、人間界では、競争の結果として勝者と敗者が生ずる現象に対して使われています。動物でも雌を巡る同種雄の競争、なわばりを巡る同種個体間競争があります。人間界での使用例はこのケースに当たります。残念ながら人間社会では強い組織が残っても寡占状態になるだけで、フィードバックがかかりません。独占禁止法などにより法的強制力により、弱肉強食のバランスを維持しています。

+++　ピカイアまでの道のり　+++

カンブリア紀の初期に出現したサッコリタスは小さな球状の生物です。体の端に一つの口があり、線毛によって水流を起こして砂粒の間の有機物を食べます。海水は口の後ろになるたくさんの穴から排出されました。サッコリタスは小さいために、カンブリア紀の凶悪な節足動物の餌になったと思われます。そのため、サッコリタスの子孫は様々な形に進化しました。

食べられないための進化は鎧を装備することや穴を掘って隠れることがあります。サッコリタスの子孫の一部は泳ぐ能力を発達させました。口の後方に尾を発達させたのです。節足動物と異なっていたのは尾には芯となる脊索の元を持ったことです。脊索の元の左右に筋肉を備え、交互に収縮と弛緩を繰り返すことで尾を振り、推進力を得ました。体長が数cm程度ウェツリコラの尾は分節を持った複雑な構造をしていました。尾は泥に潜ることにも使われたようです。

ウェツリコラの仲間のユンナノゾーンは尾が付いたサッコリタスではなく、尾を頭と融合するように進化しました。具体的には脊索が頭まで伸びたのです。この変化によって体をくねらせて泳ぐことができました。ピカイアはこのような生物の1種です。

その後、運動性能を高めた子孫は魚へと進化しました。運動性能を高めるためには中央集権型の神経組織が必要です。さらには目、嗅覚、水流を検知する感覚器が必要です。カンブリア紀の中ごろに出現したメタスプリッギナ、ミロクンミンギアやハイコウイクティスは魚類の祖先です。口から入った食物は脊索の下を通って専門の肛門から排泄されました。残りの排泄口は運動に必要な酸素を取り込む鰓へと分化しました。

一方、泳いで定着する場所を探す尾索動物（ホヤの仲間）、泥に潜りこむナメクジウオはピカイアの仲間の子孫です。

52. オルドビス紀・・・豊饒の海 [殻]


オルドビス紀　4.9億年前～4.5億年前

ゴンドワナ大陸はオルドビス紀からデボン紀にかけて南極を通過した。この頃の陸地はほとんどが南半球にあった。アパラチア山脈の隆起と風化が大気や海洋の化学組成に影響を与えた。特に二酸化炭素の固定化が起こった。

カンブリア紀の生物は５億年前に大部分が絶滅し、オルドビス紀の生物が出現した。一言でいうと豊饒の海の出現。生物の関係が複雑化して、現在のさんご礁のような風景を作り出した。カンブリア紀は突然、化石として生物が出現したので、驚きの意味も込めて進化の大爆発と命名されたが、実際にはオルドビス紀はカンブリア紀を上回る生物の多様化をもたらした。

オルドビス紀で誕生した生物の器官として代表的なものは、石灰質の殻である。層孔虫、サンゴ、腕足類（二枚貝）や巻貝、ウミユリ、オウムガイ（殻のついたタコやイカの祖先）が出現した。身を守るための装備と考えられ、海の中の生物は肉食動物から身を守ることができたものが繁栄した。古生代には礁をつくる生き物として層孔虫が繁栄していた。古生代以降、生物による二酸化炭素の固化は海で大規模に行われた。サンゴの他にも、海には炭酸カルシウムの殻をもつプランクトンもいる。二酸化炭素の減少は生物が寄与したのではないか。オルドビス紀は比較的寒冷であった。

脊索動物から脊椎動物への進化、すなわち、魚類の誕生は、カンブリア紀後期に、浅い海で起こった。最初に出現した脊椎動物は顎を持たない無顎魚類である。無顎魚類の中から体表にリン酸カルシウムの結晶をくっつけて体を守るものが出現して、生存に有利になった。リン酸カルシウムの鎧（よろい）を完成させたのがオルドビス紀に棲息していた甲皮類である。この種の脊椎動物の祖先は現代に生息していない。甲皮を失って裸となったのが現存の円口類である。進化の過程で、甲皮という外骨格から内骨格へ移行した。

コラーゲン繊維は生物が多細胞化したときに誕生した外皮のタンパク質である。原始の脊椎動物の体表は厚いコラーゲン繊維で覆われていた。骨は骨細胞がコラーゲン繊維の束の中に分泌するリン酸カルシウムの結晶である。最初の骨は皮膚のコラーゲン繊維の中にリン酸カルシウムが分泌されて鎧のように体を覆った。人間では頭蓋骨にその名残がある。甲皮は歯のような小片で、鱗のように体を覆った。

外骨格を失った脊椎動物では内骨格が発達した。背骨のように神経組織を守る骨。肋骨のように内臓組織を守る骨。そして、運動のための四肢の骨がある。カメの甲羅は肋骨である。歯は外骨格としての頭蓋骨から発生する。脊椎動物の体も昆虫のように体節に分かれていて、椎骨が基本単位となっている。胎児での骨や内臓の発生に体節の影響を見ることができる。

オルドビス紀に、脊椎動物はメクラウナギやヤツメウナギなどの無顎類と顎のある有顎類に分かれた。その後、脊椎動物の系統では、シルル紀を経てデボン紀までに、有顎類が相次いで海に出現した。デボン紀の約4億年前に有顎類から四足動物が進化した。

遺伝子RAG1とRAG2は、イムノグロブリンなどの抗原レセプター遺伝子において V(D)J遺伝子の組換えを触媒し、獲得免疫の多様性を実現する。これらの遺伝子は、4億5千万年前に脊椎動物ゲノムに挿入された移動性遺伝因子に由来するトランスポザーゼをコードしていると考えられている。したがって獲得免疫の成立はオルドビス紀の頃である。

オルドビス紀では植物の陸上への進出が始まった。すでに12億年前には藻類が川や池に進出していた。まず、藻類と菌類の共生体である地衣類が現れ、それにコケ類が続いた。ついでシダ類が繁茂した。最古の陸上植物の化石はオマーンで発見された苔類の胞子と胞子嚢である。4億7000万年前（オルドビス紀）である。

オルドビス紀に作り出された海の中の多種多様な生き物の世界は、何度かの部分的な絶滅はあったが、ペルム紀まで2.5億年ほど続いた。この時期を古生代と呼ぶ。なお、比較的大規模な絶滅が発生するたびに「紀」が変わる。ゴンドワナ超大陸が南極に達し、寒冷化したため、氷期、間氷期が交互に起こり始めた。生物の大絶滅があり、約57%の属が絶滅し、シルル紀となった。

+++　甲殻類の殻は炭酸カルシウムであるが、軽量で弾力性がある　+++

カニやエビ等の甲殻類の殻を構成しているのは、糖であるキチンとタンパク質、そして炭酸カルシウムです。炭酸カルシウムは貝殻の主成分ですが、甲殻類の殻は糖やタンパク質との複合材料になっているため、より軽量で弾力性があります。昆虫の殻は同じ複合材料ですが炭酸カルシウムは少なく、タンパク質が増えています。

骨がコラーゲンの繊維でリン酸カルシウムの結晶を成形したのに対し、節足動物の殻は糖とタンパク質の繊維で炭酸カルシウムの結晶を成形しました。そのほかに生物が作る殻（骨格）の材料には珪酸があります。ガラスです。珪酸の殻を持つのは放散虫や珪藻ですが、珪藻は中生代白亜紀以降に出現した新しい生物です。珪酸はイネ科の植物も多く蓄積します。

+++　人間の思考は理由を必要とする　+++

バージェス動物群のアノマリカリスの体を再現する過程はNHKの番組で紹介されていましたが、とても印象的でした。基本となった考え方は「生物の体はどこもかしこも生存のために有利にできていて、何らかの役割を持っている」です。しかし、実際はそうでもなくて、何でこんなものがあるのだろう、とか、こんな形のほうがいい、と思う構造は良くあります。人間が作った機械だと、機能のない構造は無駄だから、わざわざお金をかけて装備することはなく、存在しないのですが、生物では存在理由のはっきりしない構造は多い。生物の進化は常に出たとこ勝負。継ぎ足し継ぎ足しで来ているから、できてくるものは相変わらず無駄が多く、洗練されていないことが多い。それでも人間は理屈をつけたがります。たとえば、

何も生物の体の不思議の説明に限らず、文化や政治などにも通じる考え方ではないでしょうか。

+++　免疫系は体内への侵入者を監視し、被害から体を守る　+++

脊椎動物では体系的な分子のセンサーが構築され、絶えず、環境の分子を捉えています。免疫系です。免疫系は腸管で常に食物、その消化物、腸内の細菌群を監視しています。皮膚では傷による環境物質の侵入を、鼻や口、生殖器などの粘膜でも付着した細菌類を監視しています。基本的なセンサー分子（専門的には受容体、receptorと呼びます）は昆虫にもあるtoll- like receptorと呼ばれる分子群です。細菌やウイルスの基本的な分子構造に反応します。

侵入してきた細菌やウイルス由来の分子の細かな構造を認識するのはリンパ球の抗原レセプターです。環境には無数の異物（抗原と呼びます）が存在しますから、それら全部を個別に認識するためには膨大な遺伝子を維持管理する必要があります。しかし、哺乳類では数十から数百の小さな遺伝子をランダムに組み合わせることで、この問題を解決しています。この仕組みができたのがオルドビス紀の頃。脊椎動物である魚が大繁栄した時代です。

リンパ球は成熟する前に分裂しながら遺伝子を組合せ、細胞ごとに抗原レセプターとしてひとつ選択し、待機します（クローン選択説）。抗原が侵入したときは、その抗原に反応する抗原レセプターを持つリンパ球が活性化し、分裂増殖して排除機構を作動させます。排除終了後は反応で作られた余分なリンパ球は除去されますが、一部は待機状態で残され（免疫記憶）、次の侵入に備えます。

リンパ球の抗原レセプターがランダムに作られると自分の体内にある分子にまで反応する抗原レセプターができます。実際にできています。しかし、リンパ球は一人前になる前に教育する環境下で育てられ、自分の体を攻撃する抗原レセプターを持った細胞が除去されます。免疫系が排除するのが外敵だけではありません。体の中で起こる有害な突然変異(がん細胞)も認識し、排除も行います。元は自分の細胞を構成する分子でしたが、突然変異によるわずかな変化も見逃さない精緻な認識性能も備えています。

+++　ミエリン鞘　+++

ミエリンは無顎類以外の脊椎動物がもつ神経伝達を速める装置です。神経線維を絶縁性の脂質とタンパク質でくるんでいます。報告によると、ミエリンの構成タンパク質で代表的なミエリン塩基性タンパク質（Myelin basic protein、以下、MBP）の合成に、ウイルス由来のRNAが働いていました。

ラットの神経細胞中でのRNAを網羅的に解析した研究（トランスクリプトーム解析、transcriptome analysis）からRNLTR12-intがオリゴデンドロサイトで大量に発現していることが分かりました。このRNAはレトロトランスポゾン由来です。SOX10という遺伝子発現を制御するタンパク質（転写因子）に結合してミエリン塩基性タンパク質の発現量を正にコントロールしていました。このRNAの働きを阻害するとMBPの発現量が減少し、ミエリンのない神経線維にミエリンが形成されませんでした。

RNLTR12-intに似た配列のRNAは他の脊椎動物でも発現していたので総じてRetroMyelinと名付けました。そこで、遺伝子変異動物がたくさん解析されているカエルやセブラフィシュでもRetroMyelinがミエリン形成に働いていることが分かりました。レトロウイルスが太古の昔、脊椎動物の祖先に入り込んだのか、いくつかのレトロトランスポゾンが独立にRetroMyelinに進化したのかは不明です。もちろん、ミエリンはMBPだけでできるわけではありません。転写因子SOX10は様々な遺伝子の発現を制御していると考えられるので、その影響を考慮する必要があります。

ミエリンがあることで脊椎動物は神経による素早いコントロールを維持しながら体を大きくすることができました。また、ミエリンによって神経線維を干渉することなく高密度に詰め込むことができ、脳の発達に重要な役割を果たしていると考えられています。

レトロウイルスと哺乳類の胎盤の進化との関係も報告されています。ウイルス由来のRNAが高度な神経系を持つ脊椎動物の進化を後押ししたという仮説はとても魅力的です。

53. シルル紀・・・陸への進出 [土壌]


シルル紀　4.5億年前～4.2億年前

カレドニアン造山運動期に伴い、シルル紀にイアペタス海が陸地になった。シルル紀では植物が陸地に進出し、節足動物がその後を追った。さらに、シルル紀末には維管束を持つ植物の化石が見つかっている。

大気に酸素がじゅうぶん蓄積された５億年前からオゾン層が形成された。オゾン層は有害な紫外線をカットするバリアとして働き、生物が陸に上がることができるようになった。海中に比べると、陸上は生命に致死的な紫外線量がまだ多く、さらに、乾燥を防止するための仕組みや浮力が無いため体を支える構造が必要になる。一方、酸素濃度が海中より遙かに高く、競合生物が皆無であるという好条件もあった。植物にとっては光量も二酸化炭素量も海中より遙かに多いという意味で魅力的な環境であった。

植物体の化石で最古のものはクックソニアでシルル紀中期（4億2500万年前）のものである。シダといってもまだ葉が分化しておらず茎だけの形だった。乾燥に耐えるためには水分調節を可能にする気孔を持たなくてはならない。重力に逆らって水や栄養分を運搬することができる細い管を束ねた構造（維管束）を持たなければならない。維管束はより目的にあった構造が進化し、同時に、茎も強固になった。4億1000万年前（シルル紀後期）にはネマトファイト植物（地衣類）やシダ類、コケの群生が登場した。

４億5000万年前のアグラオフィトン・メジャーの仮根の化石には菌糸や樹枝状体の跡が発見されている。アーバスキュラー菌根菌の化石と考えられている。アーバスキュラー菌根菌は現代でもほとんどの陸上植物と共生関係にある。アーバスキュラー菌根菌は植物の根を包み込んで菌鞘を形成し、病原菌の侵入を防ぎ、また、周りに菌糸を伸ばして植物に無機塩類等の栄養分を届ける。代わりに植物は光合成で生成した糖類を供給する。栄養分の少ない陸地ではアーバスキュラー菌根菌との共生は陸上生活に必須であったに違いない。

植物が陸上で成功すると、腐った植物を食べるダニのような動物が上陸し、ついで昆虫類が上陸した。最古の昆虫の化石はスコットランドで発見された4億年前（シルル紀）のものである。陸の上では浮力無しで体を支え、また、乾燥に耐える必要があったので、体が殻で覆われた節足動物が先に陸上に進出したのであろう。陸上で運動するためには殻が関節で分断され、足などの運動器官は体を支える構造を備える必要があった。

+++　土壌　+++

生物が陸上に進出したことで土壌が形成されました。それまでは岩か砂、泥が陸地を覆っていました。植物は自らの死骸を土壌に与え、微生物や小さな動物が土を構造化します。最初は地衣類。地衣類はシアノバクテリアと共生したカビの仲間です。次いで、コケ植物、そしてシダ植物の順に進化しました。それぞれの植物はそれ以前の植物と微生物が積み上げた土壌を基礎にしています。

土壌は複雑な有機物、腐食物質を含んでいます。腐食物質は植物や微生物の死骸が粘土などの表面で化学反応を起こし、高分子化した物質です。粘度と強く結合して団粒構造を維持します。砂や粘土は白っぽいですが、腐食物質が加わることで黒く変化します。腐食物質に乏しい土壌では微生物も植物も十分に成長することができません。人工的には堆肥などを加えることで腐食物質を増加させることができます。

土壌とは粘土、砂などの鉱物に加えて、腐食物質、細菌、カビ、キノコ菌などの複合体であり、ミミズや昆虫が構造化した土です。常に水分を必要とし、呼吸している超生命体とも言えます。

生物は環境を作り、作り替え続けています。これにより生物と環境との間にループ構造が出現し、生命のシナリオは一気に複雑化しました。生物が環境に働きかけて環境を変える。変化したその環境が逆に生物の進化に影響を与える。すなわち、生物は自分を保存するように環境を変える傾向があります。それをニッチ構築といいます。究極は人類の文明でしょう。

化学肥料を使うなど、過度に作物を育てると、超生命体の体力を奪うことになります。現代は農業生産優先、土壌の栄養分を収奪する一方で、土壌の質を高める努力が足りず、土壌がかなりのペースで失われています。

+++　陸上で誕生した才能　+++

進化を研究する上で陸上への進出は、水中に住んでいた生物がいかに陸上で生きられるように変化したかがテーマでした。しかし、今月のCurrent Biology誌（Oct. 2017）でカルフォルニア大学のVermeij博士は陸上に進出した生物は水中で生活していた時よりも進化を加速したという今までの違った視点から説を唱えています。

草食性の脊椎動物、維管束、飛行能力、エコーロケーション、恒温性、色覚などは陸上での生活から生まれたと考えています。4億4000万年前に生物が陸上に進出した後を化石の証拠を中心に考察しました。9つの能力は陸上生物から水棲生物へともたらされたと考えています。水中のみで生まれた能力は電気ナマズなどの電気的に獲物を検知したり捕らえたりする能力だそうです。

陸上での進化の原動力は運動のための抵抗が低いことや乾燥などのストレスが大きく、生き残るための選択圧が強く働くためと考えられます。実際のところ、化石だけの証拠だと実証性に乏しく、遺伝子時計やゲノム構造からの証拠が追加されることでしょう。

+++　耳　+++

甲皮類は内耳という体のバランスを感じる器官を持っていました。内耳は液体が満たされた管が絡まった形状で、内側に液体の動きを検知する線毛がありました。線毛は管の外側に配置された神経細胞に信号を送り、液体の動きを脳が処理して上下左右の動きを判断していました。

やがて顎ができると（有顎類）、鰓穴のまわりにあった骨が内耳と鰓穴の痕跡を結び、外界の音も内耳に伝えるようになりました。

陸上に進出するときには鰓穴の痕跡は薄い膜で覆われました。これが鼓膜です。鼓膜と内耳を結ぶ骨はアブミ骨と呼ばれます。他の鰓骨は舌や咽頭の骨に変わりました。陸上では音は多くの情報をクリアに伝えてくれました。爬虫類や鳥類のアブミ骨は細く、しなやかになり、音の振動を敏感に拾うことができるようになりました。

哺乳類は鼓膜と内耳を結ぶ骨を１本から３本に増やしました。追加された骨はキヌタ骨とツチ骨です。３本の骨は鼓膜の振動を増幅し、聴覚を視覚に次ぐ感覚器官に押し上げました。

+++　関節　+++

人間の体の骨はいくつかの関節でつながっています。頭蓋骨の縫合線は動かない関節です。胸骨と肋骨の関節はあまり動かすことができない軟骨性の関節です。そのほかの骨と骨は滑膜関節でつながっています。関節部分の骨は軟骨で覆われ、関節は滑膜で覆われて中は潤滑液で満たされていています。そのため、スムーズに動かすことができます。脊椎動物は滑膜関節を進化させたことで操縦性に富んだ運動性能を獲得しました。

滑膜関節が大きな働きをしたのは動物が陸上に上がった4億年前。四肢を持つ脊椎動物の時代でした。そのため、滑膜関節が進化の歴史に登場したのは四足動物からと考えられてきました。

最近になって、4.1億年前に進化の歴史に登場した硬骨魚類で顎や鰭で滑膜関節があること、それを支えるタンパク質群が2016年に報告されました。

今回、さらに原始的な軟骨魚類であるガンギエイやテンジクザメの関節が詳しく研究されました。胎児期のエイやサメの顎の軟骨は四足動物の足の関節（膝や肘）によく似ています。エイやサメの顎の軟骨は1本の骨が2つに割れて、その間に滑膜関節の構造ができることを報告しました。

エイの関節は骨ではなく、軟骨をつないでいますが、その滑膜液の構成成分は膝や肘の構成成分と同じタンパク質であることも示しました。ヒアルロン酸やアグレカン、ルブリチンタンパク質で、美容液や目薬などに使われています。一方でヌタウナギでは関節の間に滑膜液腔は見られませんでした。ヌタウナギでは軟骨が骨と違って柔らかいため、滑膜関節がなくともしなやかな運動ができると説明しています。

軟骨動物が進化の歴史上で登場したのは4.5億年前とされています。滑膜関節もすでにその頃に原型が誕生していて、その構成成分の遺伝子はそろっていたのです。陸上に進出した四足動物は魚類では一部の骨でのみ使われていた仕組みを大規模に取り入れて運動性の高い体を手に入れました。進化はすでに持っていた遺伝子をうまく使って環境の変化に対応した結果であることが分かります。

54. 山脈・・・大陸が集まるとき [バリスカン造山運動]


ロディニア大陸の分裂からパンゲア超大陸の形成までを簡単にまとめておく。大陸の衝突の過程で2つの大きな造山運動、カレドニア造山運動、バリスカン造山運動が起きて大山脈が形成された。

6億年前にロディニア大陸が分裂してゴンドワナ大陸、シベリア大陸、成長前のローラシア亜大陸（北アメリカとグリーンランド）、バルチカ大陸（バルト楯状地を含む北西ヨーロッパの陸塊とモロッコあたりの地塊を含む西アフリカの陸塊）に分かれた。ゴンドワナ大陸は南半球に、そのほかの大陸は北半球にあった。シベリア大陸、成長前のローラシア大陸、バルチカ大陸に囲まれた比較的浅い海をイアペタス海と呼ぶ。

オルドビス紀にはイアペタス海の西側にはローラシア亜大陸が、東側にはバルチカ大陸があった。バルチカ大陸がローラシア亜大陸に接近し、シルル紀末にイアペタス海が消滅した。形成された大陸をユーラメリカ大陸と呼ぶ。イアペタス海のあった所にはノルウェーやスウェーデンのあるスカンジナビア山脈からイギリス、アイルランドを通って北アメリカ東岸のアパラチア山脈に続く大山脈が形成された。これをカレドニア造山運動と呼ぶ。カレドニア造山運動は4.2-3.9億年前（デボン紀）に起きた。

カレドニア造山運動時代にはリーク海が拡大した。ゴンドワナ大陸はリーク海を隔ててユーラメリカ大陸の南側にあり、石炭紀には南側が南極に達した。

バリスカン造山運動は石炭紀（3.5-2.9億年前）に起こった。この造山運動はリーク海がユーラメリカ大陸とシベリア大陸の下に沈み込むことで起こった。まず、ユーラメリカ大陸とゴンドワナ大陸の西側が衝突し、２つの大陸の間に広がっていたリーク海のうち、西側が石炭紀後期に消滅した。チェコスロバキアからドイツ、ベルギー、フランス北部、そして大きくずれてイベリア半島に至る大山脈が形成された。リーク海の東側は古テチス海と改名。ユーラメリカ大陸とゴンドワナ大陸に囲まれた海であった。

最後にシベリア大陸がユーラメリカ大陸に衝突し、ローラシア大陸が完成し、その衝突面にウラル山脈が形成された。ローラシア大陸とゴンドワナ大陸は徐々に近づき、ペルム紀末には超大陸パンゲアができた。

当時の２大大陸が衝突したのであるから、その規模は史上最大であった。形成された山脈を西から辿ると、北アメリカのアパラチア山脈、ヨーロッパに渡って、イベリア半島、イギリス南端部、ベルギー、フランス北部、ドイツ中央部、チェコ西部に達する。さらに、第二段階として東の延長には古テチス海がローラシア大陸に沈み込み、沈み込み帯に、中央アジアの天山、アルタイ、大興安嶺、そして南下して、インドシナ半島の東部の山脈が連なり、パンサラッサ海の沈み込み帯にできたオーストラリア東部から南極に達した。

ゴンドワナ大陸の北側にあったシンメリア亜大陸が北上し、古テチス海が消滅するとともにローラシア大陸に衝突した。イラン北部からアフガニスタンに延びる山脈が形成された。ゴンドワナ大陸とシンメリア亜大陸の間の海が拡大し、テチス海が開かれた。この頃にシベリア大陸に付随した2つの陸塊、揚子地塊と北中国の中朝地塊が衝突した。

カレドニアン造山運動期に伴い、シルル紀にイアペタス海が陸地になった。シルル紀は植物が陸地に進出し、節足動物がその後を追った。さらに、シルル紀末には維管束を持つ植物の化石が見つかっている。デボン紀には、森林が形成され、淡水魚、昆虫、最初の両生類（イクチステガ）など陸上生活に適応した生物が進化した。バリスカン造山運動によって石炭紀後期にリーク海が閉じた。石炭紀には低湿地帯では巨大樹木の森林（鱗木）や裸子植物である針葉樹が出現した。ペルム紀には完全な陸上生活ができる哺乳類の祖先や原始的爬虫類をはじめ、多様な昆虫類、そのほかの節足動物が出現した。 2つの造山運動に押されて、生物は陸上生活への適応進化を加速した。

+++　造山運動は火山帯と褶曲山脈　+++

陸が乗ったプレート同士が衝突すると巨大な褶曲山脈ができます。現在の地球ではアフリカ大陸とアラビア楯状地、インド大陸がユーラシア大陸にぶつかったところがアルプス＝ヒマラヤ造山帯となっています。ユーラシアプレートの下にアフリカ、アラビア、インドプレートが沈み込んでいます。これらのプレートは過去にテチス海を載せていたため、アルプス＝ヒマラヤ造山帯の山の頂上から海生動物の化石が見つかります。アルプス＝ヒマラヤ造山帯の成長は1000万年前からで、地球の歴史から見るとそれほど古いことではありません。

海のプレートと陸のプレートがぶつかったところでは海のプレートのほうが密度が高いため、海のプレートが陸のプレートの下にもぐりみます。海のプレートは水を含んでいることもあり、マントルに入り込むと融けて大量の花崗岩が生み出され、激しい火山活動が起きます。また、花崗岩は密度が低いので、重いマントルの上に「浮く」。現在の最大の造山帯は環太平洋造山帯です。帯状山脈や弧状列島が造られ、大陸側に盆地や海盆があり、大洋側に海溝があります。太平洋のプレートは南太平洋の海嶺から生み出され、南北アメリカ大陸、千島列島から小笠原諸島にかけて沈み込んでいます。

アメリカ大陸側はロッキー山脈、アンデス山脈という古い山脈です。原生代からここは大陸の端で、しかも、西側に海洋プレートが沈み込んでいました。カンブリア紀の進化の大爆発を記録・保存したバージェス頁岩はロッキー山脈にあります。また、アジア側は日本列島を代表とする弧状列島ですが、海の水を取り去れば、ロッキー山脈、アンデス山脈に匹敵する大山脈が出現します。海のプレートが沈み込むときには海底に溜まった堆積物や、島やサンゴ礁を陸に押し付けていきます。付加物と呼ばれます。この部分は陸塊が成長している部分です。

アルプス=ヒマラヤ造山帯の東の端はマレー半島から、インドネシア、ニューギニア、ニューカレドニアにかけて弧状列島になっています。また、フィリピン海プレートは日本の伊豆半島を北端として、琉球諸島、台湾、フィリピンへと達しています。ニュージーランドの南では太平洋プレートがオーストラリアプレートに沈み込み、サモア、トンガ付近からニュージーランドを経て弧状列島を形成しています。

+++　人類の衝突は避けられない　+++

戦争の火種は国家の間の不和や国家の拡大路線・侵略行為にありました。ヨーロッパ諸国が拡大政策を採った19、20世紀は戦争の世紀と呼ぶほどの大規模な戦争が起こりました。特に、20世紀前半は、帝国主義による大戦とその戦後処理に追われました。その結果、国家単位で相談して相互の安全保障を計る仕組みができました。国際的な連携によって侵略戦争や、核の脅威を封じ込めることができ、不完全ながらもある程度の効果を上げています。

現代になると、人、モノ、資本、情報が国境を越えて移動する規模が大きくなりました。地域的な紛争はテロとして、また、感染症などの脅威もボーダーレスで地球に拡大します。市場原理に重きを置く世界規模の経済活動によって途上国の人々の貧困も固定されています。食料、教育、保健医療サービス、職、住居が欠乏し、恐怖や怒りを産みます。そして、紛争、テロ、人権侵害、難民、感染症の蔓延、環境破壊、経済危機、災害などの恐怖が途上国の市民を襲います。情報社会のなかで格差に対する怒りが先進国に向けられます。発展途上国の立場を理解する必要があります。

南シナ海の南沙諸島、尖閣諸島の領有権問題に象徴される中国政府の強硬姿勢には驚きです。レアアースの対日輸出中止や邦人拘束など、およそ関係のない方面からも圧力をかけるやり方、それは先進国の常識から外れた強硬措置と考えられます。各国政府も「独善的な中国の脅威」に対して不信感を表明しています。

中国の経済発展がこのまま続けば、遅かれ早かれ、領土だけでなく資源の奪い合いが生じます。地球生態系が抱えられる人間の活動には上限があり、その奪い合いが衝突であるならば、人類始まって以来の悲劇（第3次世界大戦？）になるでしょう。なぜなら、奪い合う必要がなくなるまで、人類の活動（人口）を減じることが衝突の終息点となるためです。民主主義は「人の頭を割る代わりに人の頭を数えること」と定義されますが、有限の資源を奪い合う状況下では「人の頭を数えて有利になるには人の頭を割るに限る」

+++　大地の離合集散は、同じ部分でおこっている？　+++

大地の移動の歴史は、なかなか全体像が見えず、つながりを理解するのに苦労します。ところで、大地の離合集散をみると、だいたい同じ部分が裂け、癒合するように見えますが、そうなんでしょうか？　地球の大規模なマントル対流の性質としてそうなっているのでしょうか。私見でこじつけると、月が地球から分離したときのジャイアント・インパクトが地球のマントルになんらかのひずみを残し、ぶつかった半分（半球）の流動性が高いのではないかと思っています。

55. デボン紀・・・魚の時代　[骨]


デボン紀　　　4.2億年前～3.5億年前

デボン紀は「魚の時代」と呼ばれ、脊椎動物の原形がつくられた。シルル紀に出現した初期の硬骨魚類は、リン酸カルシウムの内骨格、すなわち、ミネラルの貯蔵庫を持っていたため、汽水や淡水域に進出することができた。硬骨魚類はデボン紀の淡水域で繁栄し、現在のほとんどの魚類の祖先である。多様な気候風土、生態的に隔離された環境である河川・湖水で様々に進化した魚類はデボン紀の後期には徐々に海へと回帰した。

デボン紀で海を支配していたのは板皮類であった。板皮類は最初にあごを持った硬い鎧を持つ魚類である。板皮類では胎盤と臍の緒を持つ化石が発見された。板皮類は現在では絶滅している。初期の有顎脊椎動物、顎口類では、体内受精および胎生が広く行われていたようである。胎生の起源は3.6億年前に遡る。現代のサメは同じ仕組みを持つ。原始的な魚は背から尾を経由して腹に至る一枚の鰭を持つ。そこから胸鰭と腹鰭という２対の鰭を獲得した。体の構造を支配する遺伝子はHox遺伝子である。

肉鰭類と条鰭類は4.2億年前に分岐した。現在の魚類のほとんどは条鰭類である。放射骨が直接、肩にくっついている。条鰭類は陸上生活に必要な遺伝子のうち、滑膜を持った関節を誘導する転写因子の遺伝子や肺を構築するのに必要な11個の遺伝子を持っている。例えば、肺の膨張と収縮を滑らかにする肺表面活性物質である。さらには肺循環専用の右心臓を誘導する転写因子を持っている。しかし、肺や関節、右心臓は持っていない。

肉鰭類の魚類は２種類しか生き残っていない。肺魚とシーラカンスである。鰭が肉質で、腕が肩について、その先に鰭がある。肺魚が陸上動物の枝から分かれたのは4.3億年前。肺魚は食道から枝分かれした、毛細血管が密に分布した組織、肺を持つ。さらに新たな肺界面活性物質の遺伝子や５つの足指の遺伝子、腕の筋肉へ達する神経などがある。

3.8億年前にユーステノプテロンを代表とする肉鰭類が部分的な陸上生活を始めたと考えられる。肉鰭は障害物の多い陸上の水中を、障害物を掻き分けながら移動するために発展したのではないか。肺呼吸は濁ったり澱んだりして鰓では呼吸しにくい浅い沼などで発達したのではないか。肉鰭類は陸上の昆虫などをえさとするために頭部が扁平となり、眼が上に移動し、体は水面の下で、目は水面上で上を覗う。肉鰭を使ってジャンプすることで餌を得る。

肉鰭類から両生類が進化した。最も原始的な四足動物とされるのはデボン紀後期のアカントステガとイクチオステガであり、これらは足にそれぞれ８本と７本の指を持っていた。両生類の出現はデボン紀後期である。内陸部は乾燥していたが、大森林が適度な湿気を保ち、両生類にとってゆりかごの環境を作り出した。4.4億年前に生物が陸上に進出した後、草食性の脊椎動物、維管束、飛行能力、エコーロケーション、恒温性、色覚などは陸上での生活から生まれた。そしてこれら9つの能力は陸上生物から水棲生物へともたらされた。

再び全地球的な寒冷化が起こり、35%の属が絶滅した。おそらく、原因は陸上植物の多様化による風化や土壌の形成による二酸化炭素の低下と考えられる。絶滅が比較的緩慢であることから寒冷化の後の全地球的な温暖化も関係するかもしれない。陸上植物の系譜は石炭紀の章でまとめる。

+++　歯も由来は外骨格と同じである　+++

歯は外骨格としての頭蓋骨から発生します。歯の発生と言うと、鮫の歯が有名です。鮫肌と呼ばれるように、鮫の鱗（うろこ）は楯鱗と呼ばれ、エナメル質、象牙質、骨様組織からできています。歯と同じ構造なので、皮歯と呼ばれます。鮫には口の中にも粘膜性の皮歯があります。口の皮歯は内側から成長し、歯となってせり出してきます。常に生えかわる歯です。

人間を含めて哺乳類の歯は1度しか生えかわりません。顎の成長に合わせて１回だけ生えかわるように遺伝的にプログラムされているようです。歯はエナメル質と象牙質からなっています。どちらもリン酸カルシウムですが、歯の外側にあるエナメル質はほぼ結晶状態でとても硬い組織です。１度しか作られず、再生されません。エナメル質を裏打ちするのが象牙質です。ここには細胞が入っていて、虫歯になると、その刺激を内側に伝え、また、内側から象牙質を補強して穴が開くのを防いでいます。

+++　世の中の変遷に対応するためのリモデリングの発想　+++

骨は常に再生と破壊を繰り返しています。骨を溶かす細胞は破骨細胞と呼ばれ、骨にくっついて酸を分泌します。一方で骨は骨芽細胞で作られます。２つの細胞の働きはバランスがとれていて、力のかかる場所は骨が多く造られ、力がかからないと骨が溶かされて吸収されます。宇宙に行って骨に体重という負荷がかからなくなると骨はやせ細ってしまいます。また、怪我や病気で長い間寝たきりになると、骨はやせ細ります。健康な時には破骨細胞と骨芽細胞の活性は均衡しています。破骨細胞が壊した古い骨と同じ量の新しい骨が骨芽細胞によって造られ、骨の量は常に一定に保たれ、骨のリモデリング（骨改造現象）と呼んでいます。不思議なことに、骨はいつも再生されていますが、形は全く変化しません。骨折のときも本来の形を覚えているかのように治癒します。

常に少しずつ壊し、そして再生する作業を行うことで、骨は環境から与えられる物理的なストレスに応じて無理なく成長します。このイメージはゆっくりと変化する世の中に応じて常に全体と部分の点検をする組織体を連想させます。人間社会もゆっくりとですが世代交代し、新しい世代は古い世代とは異なった世界認識を持って新しい問題に取り組み、社会を築いています。会社では新人が入り、定年を迎えた人、会社では自己実現できない人などが辞めます。

問題はリモデリングのスピードと、環境の変化のスピードが一致するかです。組織は社会環境の変化による見直し作業が課せられますから、時間と手間が必要です。リモデリングは常日頃の作業です。社会における小さな組織では見直しに必要な労力などの余裕や的確な状況判断がうまくできない場合もあるでしょう。大きな組織は余裕がありますから、リモデリングは可能です。しかし、うまく作動しないと、組織が硬直して時代の要請にそぐわなくなり、会社なら倒産や縮小に追い込まれます。

56. 石炭紀・・・埋没した炭素　[メタモルフォーゼ]


石炭紀　　　　3.5億年前～2.9億年前

現在の北米からヨーロッパにかけて存在する巨大な炭田は石炭紀に繁茂した植物に由来する。米国のウェストバージニア州では、35万年かかって形成された17メートルの厚さの石炭層が117も重なっている。

シルル紀（約4.5億年前）にオゾン層が完成し、植物が上陸した。デボン紀に長い時間をかけ、水分の蒸発を調節する気孔、水を運ぶ維管束、乾燥に強い胞子を装備したシダ植物は石炭紀に大森林を形成した。シダ植物は生活環に液体の水を必要とする受精期があるため、水辺から離れることができなかった。

世界で最も古い木Cladoxylopsidはデボン紀（3.93億年～3.72億年前）の高さ12メートルほどのヤシに似た木である。化石の解析の結果、維管束を形成する木部の柱がたくさん並び、中空の幹を形成していた。石炭紀に誕生した裸子植物はリグニンを作り出し、幹を強固にするとともに病原菌から体を守った。

当時、リグニンを分解する菌が出現していなかったため、大森林は丸のまま倒れて積み重なり、堆積した。すなわち、炭素を大地に埋めていった。収支決算として、光合成で作られた酸素が余り、大気中の酸素濃度が上昇した。植物の上陸当時は大気中の酸素は1%程度であったが、石炭紀からペルム紀（3.5-2.5億年前）にかけて30%あるいはそれ以上に達した（現在は21%）。石炭紀半ばの3.3億年前は南半球にあったゴンドワナ大陸が氷河におおわれた。大繁栄した陸上植物が地中に埋没した結果、大気中の二酸化炭素濃度が低下したためと考えられる。リグニンを分解するキノコなどの菌類が石炭紀末に出現し、ようやく裸子植物が分解されるようになった。

植物の後に節足動物が上陸した。シルル紀後期（4.15億年前）の地層から鋏角類（蜘蛛、ダニの仲間）の化石が発見され、これが最古の陸上甲殻類の証拠とされる。節足動物は殻に覆われていたため、比較的乾燥に強い。空気から直接、酸素を取り込む仕組み（気管。気管の体表にある開口部を気門という）を装備すれば陸上に上がることができた。

巨大な節足動物ウミサソリの足跡化石（3.3億年前）がイギリス北部で発見された。足跡の大きさから、体長1.6メートル、幅１メートルのウミサソリと推測された。３対の足がつけた跡のほか、真ん中には尾をひきずった跡もはっきり残っていて、水中で浮いている状態ではなく、水から出て歩行していた跡と考えられる。ウミサソリは2.5億年前に絶滅した現代のカブトガニやサソリに近い節足動物である。

シダ植物群と節足動物群がそれまで砂漠であった陸地を次々に土壌化していった。土壌とは、地表を覆う岩石の風化生成物と植物の分解残留物の混合物である。粗粒の無機物、コロイド状の無機物、有機物、微生物、土壌水、土壌空気からなる。陸上の安定な生態系に必須のものである。

節足動物は陸上では巨大化できない。体を支える外骨格の重量が大きいため、外骨格が大きくなるには大きな筋肉が必要になるが、容積の制限がある。筋肉の性能により、大きさの上限が決まる。また、気管は酸素を受動的に取り込む装置であるため、酸素呼吸が十分にできない。

石炭紀からペルム紀にかけては酸素濃度が上昇したことにより、呼吸の問題は解決した。巨大な昆虫類が進化した。ペルム紀以降、巨大な炭田ができなくなったのは大繁栄した昆虫類が植物を食べ始めたためではないか。以後、昆虫は植物の天敵となり、3億年の間、両者の間で濃密な共生関係、食べるものと食べられるものの攻防が進化・発展した。

石炭紀には昆虫の適応放散が起こったと考えられる。その理由は昆虫が翅を発明し、空中という三次元の世界へ進出したこと。羽を持ち、空を飛ぶ昆虫は3億年前（石炭紀）に出現した。約2.5億年前（ペルム紀）には現在の昆虫の祖先がほぼ出揃った。

被子植物と裸子植物との共通祖先は3.1-3.5億年前（石炭紀）に生息していたと考えらえている。シダ植物の胞子を作るための遺伝子のセットとソテツの種子を作るための遺伝子のセットはほぼ同じである。つまり、胞子から種子への大進化は遺伝子レベルでは新しいものがなく、単に、遺伝子の使い方の変化であった。

+++　昆虫と植物の関係は非常に複雑で、エレガントである　+++

アゲハチョウの幼虫はミカンの仲間の葉しか食べません。ところが、よく似たキアゲハはニンジンやセリの葉を食べ、ミカンには見向きもしません。カイコの幼虫はクワの葉だけです。多くの植物を食べる昆虫は、ごく限られた植物しか利用できません。

最初は昆虫が植物を食べる。植物は色々な化学物質を体内にためて昆虫を寄せ付けなくしました。しかし、その化学物質を食べるように進化した昆虫は、今度はその化学物質を目当てに食べにやってきます。昆虫に見られる極端な偏食は２億年に及ぶ食物関係の結果です。特別な植物の利用や環境への適応といった昆虫の性質は、昆虫自身の性質、すなわち、昆虫の遺伝子に書き込まれた情報に基づいていると考えるのが常識的です。ところが、アブラムシの偏食は、体内に存在する共生細菌によって決まっていました。アブラムシはブフネラという共生細菌を必ず保有しており、必須アミノ酸などの供給をうけています。

多くの昆虫の体内にはさまざまな共生微生物が存在し、宿主の生理機能や性格に影響しています。シロアリの消化管内共生原虫はセルロースを分解し、シロアリに栄養を供給します。動物にも似たような意味での腸内細菌が寄生しています。

ランなどに見られる虫媒花の戦略は巧妙です。植物の中には虫を呼び寄せて食べてしまうものもいます。さらにはアカシアのように蟻に巣と蜜を提供し、害虫から守ってもらう植物、葉きり蟻のように葉でキノコを育てる蟻もいます。

+++　高度な昆虫は変態する　+++

昆虫は変態（メタモルフォーゼ）します。モンシロチョウが、芋虫から蛹に、蛹から蝶になる変化です。非連続的な成長を指す用語です。アニメのポケットモンスターでの進化は変態をイメージした現象でしょう。変態は昆虫の神秘的な魅力の一つです。昆虫の中には子供が大人に成長するような連続的な変化をする蟷螂（かまきり）やバッタなどの昆虫もいます。

昆虫はすべて蛹になるわけではありません。不完全変態をする直翅目 (バッタ)、半翅目（蝉）がいます。完全変態するのは鞘翅目（甲虫）、鱗翅目（蝶）、双翅目（ハエや蜂）です。幼虫のときは芋虫。蛹を経て、翅のある成虫になります。完全変態をする昆虫の方が高等と考えられており、被子植物の出現と共に白亜紀から爆発的に進化したと考えられています。

メタモルフォーゼは生まれ変わりや変身といった意味合いも持ち、現在と違う人生を生きるためのキーワードです。物質的に恵まれた現在では、あまり永続的な変化は好まれません。退屈な日常へのスパイスといった程度が頃合でしょう。

旅行や演劇は日常を離れ、他人に成りすますことで精神的な刺激を得ます。仮面舞踏会や着飾って出かける盆踊りさえもメタモルフォーゼでしょう。テレビですっかり子供番組として定着した変身アニメですが、子供の頃から変身物に馴染んでいる我々の世代では懐かし番組として特集番組が組まれます。

メタモルフォーゼの魅力は退屈な日常と刺激的な非日常の対比だけではありません。変身後は変身前の責任を問われない、したがって永続的な義務が生じないなどのメリットもあります。

+++　昆虫の翅（はね）　+++

進化の過程で最初に翅を持った昆虫はトンボの仲間とされています。近縁種であるカゲロウのゲノム配列が解析され、翅の起源について重要なヒントが得られました。カゲロウのような小さな昆虫の場合、ゲノム配列を決定するには1個体では無理です。そこで、複数の個体のゲノムを調べてつなぎ合わせることにしました。さらに、カゲロウを飼育して発生の過程で様々な臓器で発現している遺伝情報も併せて解析し、遺伝子の機能を探りました。

幼生のえらには匂いを検出する遺伝子が発現していることがわかりました。つまり、幼生のえらは鼻や舌の機能も持つと推測されました。幼生のえらは腹部に節に1対あり、外側に突出しています。胸の節は通常3つの節があって、3対の脚が生えています。さらに、翅は2つの節に2対あります。そして、えらと翅の形成には同じ遺伝子プログラムが使われていることがわかりました。

いままでは昆虫の翅は脚の変化したものと考えられていました。今回の成果からえらの形成と翅の形成に進化的な関連があることが示唆されました。まだ仮説ですが、各節に脚、翅、えらが形成されうること、それらは進化的、発生学的に関連しているようです。そして、昆虫は胸部から3対の脚と2対の翅が生えていますが、進化的には5つの節が合体したものと考えられました。

57. ペルム紀・・・脊椎動物の陸上への進出 [両生類]


ペルム紀　　　2.9億年前～2.5億年前

2.7億年前から2.5億年前は極めて暖かく、平均気温は現在よりも10 Cも高かった。シダ植物の森林が繁茂し、巨大な昆虫類が飛び回っていた。ペルム紀の初期には、パンゲア超大陸が形成されていた。シベリア大陸もパンゲア大陸と衝突し、ほぼ全ての陸地が1つの超大陸としてまとまることとなった。パンゲア大陸は赤道を挟み三日月状（Ｃの字）の形であった。大陸の周囲はパンサラッサと呼ばれる大洋が囲んでおり、大陸の東側（三日月形の内側）には古テチス海と呼ばれる海が広がり、周囲に小大陸や島が点々と連なっていた。

陸生脊椎動物（四足動物）が残した足跡の化石が約4 億年前と同定された。ポーランドのホーリークロス山脈のZachelmie 採石場で見つかったものである。足跡の中には、保存状態が極めて良好で足部の形態の詳細な検討が可能なものがあり、初期の原始的な四肢動物であるイクチオステガと類似している。四肢動物の体の化石の最古のものよりも1800 万年古い。

両生類の出現はデボン紀後期である。内陸部が乾燥したが、大森林が適度な湿気を保つゆりかごの環境を作り出した。両生類の中から殻のある卵を産む有羊膜類が分岐し、より乾燥した土地へと棲息範囲を広げた。陸上に進出した頃の生物の分類は整理されておらず、絶滅種も多い。ペルム紀には有羊膜類から双弓類（恐竜や現生爬虫類の祖先）、単弓類（哺乳類の祖先）が進化した。単弓類であるディメトロドンなどが覇権を握り、その大きさは3.5メートルほどにもなった。

卵は陸上の環境に耐え、1個体が自力で生活できるまでのすべての仕組みを持った宇宙服のようなものである。胚は羊膜で包まれ、栄養分を与える卵黄を包む卵黄嚢と排泄物を入れる尿膜に接続していた。これらすべてが卵膜に包まれて最後に卵殻で潰れないように支えられた。最古の有羊膜類の卵殻はタンパク質性の弾力のある素材からできていた。

ペルム紀には、様々な植物、巨大な両生類や爬虫類が生息していた。ペルム紀の浅い海の堆積物からは、豊富な軟体動物、棘皮動物、腕足動物の化石が産出する。三葉虫なども繁栄していた。植物では、シダ植物に加え、イチョウ類やソテツ類といった裸子植物も繁栄を始めた。中国西北部でPT大量絶滅時（2.33億年前）の昆虫化石が大量に発見された。28科におよぶ。不完全変態をする昆虫のほか、たくさんの完全変態昆虫も含まれていた。

パンゲア超大陸の周囲へ沈み込んだ海洋プレートが一斉に地球の核へ向かって落ち込みはじめ、その反動として地表に向かう巨大スーパーホットプルームが発生した。スーパーホットプルームは中国地塊に達し、地殻を融かした。グアダルピアン世末の大絶滅である。中国四川省にある峨眉山（がびさん）トラップ（Emeishan Traps）である。2.62~2.61億年前に主に活動し、約100万立方kmの大量の玄武岩溶岩を生成した。

その700万年後、ペルム紀末（2.5億年前）に地球史上最大の大絶滅が起こった。PT大量絶滅と呼ばれている。海棲の無脊椎動物の96%の種が消えた。シベリアン・トラップという巨大噴火と想定されている。巨大な火山活動、大噴火が60万年ほど続いた。その跡がシベリア洪水玄武岩とされている。大量の火山灰で地球が覆われ、寒冷化・暗黒化で植物が枯死した。そのあと、火山活動で放出された二酸化炭素で大気中の二酸化炭素濃度が2倍に増え、温室効果で平均気温が5℃上昇した。気温の上昇はメタンハイドレートを崩壊させ、放出されたメタンがさらに温室効果を加速させた。メタンが燃え、また、植物不足で酸素欠乏が長期に渡ったと考えられている。呼吸器系のより進化した二枚貝などはこの変化にたえることができたようだ。単細胞のフズリナ類や長い間繁栄してきた三葉虫は絶滅した。サンゴ類、ウミユリ類、腕足類、コケムシ類、アンモナイトが次の三畳紀にわずかに残された。

海洋だけではなく、陸上においても生物は大量に絶滅した。単弓類もペルム紀後期には長期に渡って数度の絶滅現象を経験した。陸上の生物の中で生き残ったのは効率的な呼吸装置を持つ生物である。鼻と口を分離し、また、単弓類は横隔膜を使って呼吸する生物であった。鳥類（恐竜も）のように、肺のほかに気嚢を持って、循環型の呼吸器を発達させた動物が生き残った。植物は乾燥に強い種子により子孫を残せたためにあまり大絶滅しないのだが、ペルム紀末には植物もかなり絶滅した。

ペルム紀末の大量絶滅を区切りとして古生代から中生代に代替わりした。三畳紀はじめは地球上の生態空間は空っぽで生物があまりいない状態ではなかったか。三畳紀に入ると爬虫類が大きく進化し、ついには恐竜が地上に大繁栄した。

+++　爬虫類の性決定　+++

哺乳類と鳥類では、性別は遺伝子型により受精時に決定されます。しかし、爬虫類のうち、カメやワニではリスク分散策がとられ、環境との相互作用、通常は温度との関係で個体の性別が決定されます。30 年前、E Charnov とJ Bull は、各性の適応度を最大化する温度条件がそれぞれ異なるなら、環境による性決定が選択上有利になると推論しました。

オーストラリアジャッキートカゲは気温が高かったり低かったりするとメスが孵り、気温が適度だとオスメスが同じ数になります。そのメカニズムは？　テストステロンをエストロジェンに変換する酵素はアロマターゼです。このトカゲのアロマターゼは温度感受性が高く、ある温度では活性が落ちてオスが誕生します。この証明はトカゲを使った実験ですが、性成熟するまでの期間が１年ほどのトカゲだからできました。

カメやワニでは胎児の精巣、卵巣の形成から確認することができました。孵卵温度を変えるとオス、メスの比率が変わります。性染色体がないので、ゲノム配列はオスとメスで同じです。おそらく、性染色体が転座して温度変化によって活性が変わる領域に性決定を実行する遺伝子が移動したのでしょう。その個体がその当時の気候によく合って、遺伝子で性が決定するカメよりも繁殖力が強くなったために、遺伝子で性が決定するカメを駆逐してしまったと考えられます。

+++　洪水玄武岩　+++

ペルム紀末の大量絶滅の引き金を引いたのはシベリア・トラップ（Siberian Traps）とされています。シベリア・トラップとは、現在のロシアでいうと、ウラル山脈の東から、中央シベリア高原、バイカル湖の西側に至る巨大火成岩岩石区（LIP：Large Igneous Province）です。帯状に延びた溶岩体と火山灰からなる凝灰岩の堆積物からなります。ドーム型の火山はなく、大地の裂け目から300万立方kmもの大量の玄武岩質溶岩があふれ出しました。

このクラスのLIPは時々起こっていました。三畳紀のアフリカ、ドラケンスバーグ山脈に広がる「カルー玄武岩」、白亜紀のブラジルの「パラナ玄武岩」、白亜紀に活動した南太平洋の「オントンジャワ海台」、白亜紀～暁新世のインド、デカン高原の「デカン・トラップ」、中新世のアメリカ合衆国の「コロンビア川台地」などがあります。いずれも紀の境界となる絶滅やそれに準ずる絶滅に関与が疑われています。

+++　プリコラージュ　+++

陸上脊椎動物は四足です。進化論が論ずるように、生物は常に多様化して、その中で自然選択がおこるならば、足の本数の多い生物が生まれたりするはずです。足から手や翼へと機能の転化は起こりましたが、多様化は起こりませんでした。四足で固定されているような原理を発生拘束と呼びます。発生のプログラムの必要上、変更不可能であると考えられます。進化の途上では器官などの数は比較的自由ですが、一旦、遺伝子に固定されてしまうと固定された数以外への進化は困難になります。

進化が山頂（局所最大）で身動きできなくなっていることも大いにありえます。もっと機能的に優れた頂があるにもかかわらず。進化は手近にあるものから出発して改良を重ねていく。すでにそこにあった形態を変更することで現在の形態は生まれてきました。進化の大部分は、今までにあった遺伝子にちょっと手を加え、それまでとは違った環境下で機能させることに見えます。

現代社会では目的や概念に即して手段を講じる近代科学的なアプローチが一般的です。私たちの身の回りにあふれる工業製品はある用途や機能をはたすためにつくられています。ジュースの缶はジュースを容れるためにあるのです。だから、中身のジュースがなくなれば、空き缶は用済みになって捨てられてしまいます。

一方、未開社会では、手にはいる材料はその特性に応じて最大限有効に活用されました。民未開社会ではありあわせの道具と材料を元に何かをなしとげようとします。空き缶はケロシン・ランプになり、帽子や鞄や子どもの玩具に早変わりします。固定概念にとらわれた私たちは意表をつかれ、そこにジュースの缶の可能性と作り手の創造力とを垣間見るのです。民族学者のレヴィ＝ストロースは、今あるものを少し改良して新たな機能を生み出すことにブリコラージュという言葉をあたえました。

+++　選択の厳しい世界は単純化する　+++

経済効率を重視すると多様性が削られます。このところの不況のあおりで競争が激化した結果、いろいろなところで選択の範囲が狭まったような印象があります。デパートの紳士服売り場でもどこにでもあるブランド物しかなく、紳士服専門店でも似たようなデザインしかありません。量販店にいたってはでも再び多様性を許容する範囲は狭くなっているようです。どこにでも似たようなものしかない。それは子供服でも、食品でも、文房具でも同じです。

マーケッティングではパレートの法則、80:20の法則が基本原理です。売上の80％は20％の製品である。同じように、売り上げの80%は20%の顧客がもたらす。経済学や経営学の法則ならいいのですが、経営の効率化に応用されると、20%に販売努力を集中することになり、効率の悪い80%は切り捨てられています。そこで商品の種類がどんどん少なくなり、優遇される客（販売対象）が少なくなることになります。このような形でコスト削減や結果主義などが導入されると、効率化を進めることはできても、淘汰圧がある限り、多様化はなしえず、結局、先細りの将来しか見えてきません。

産業界で競争が激化している一方で、教育の世界ではゆとりを導入しようとしました。将来を見越したうえで、競争を解消して多様化を導入しようとしたのです。当然のことながら効率が放棄されます。結局、ほんの3年ほどで、効率の悪さに音を上げて元の木阿弥になってしまいました。ゆとり社会は多様な価値観をもつ社会人を生み出します。多様化とは、共通の要素を減らすことです。その結果、社会的な結束ができない人間、政治的にコントロールするのが難しい人間が増えていくはずです。ある程度覚悟する必要があります。

58. ゲノムの進化・・・大進化の基礎 [遺伝子重複]


進化のメカニズムを遺伝子レベルで説明する基礎は遺伝子重複と考えられている。遺伝子を調べると、塩基配列もしくはアミノ酸配列が似た遺伝子がたくさん見つかり、それぞれ別の機能を持つ。遺伝子重複が起こり、そのあと機能が分化したと考えるのが自然である。遺伝子重複は部分的に起こることもあり、ゲノム全体が2倍になることもある。ゲノムが丸ごと倍になった時期が２つ想定されている。

一つは真核生物が誕生したときであり、約15億年前である。原核生物の大腸菌ではゲノムサイズは約4,377遺伝子であり、真核生物である酵母のゲノムサイズは5,538遺伝子、マラリア原虫は5,268遺伝子である。2倍になったわけではないが、新しい遺伝子が大幅に増えている。

ゲノムサイズが大きくなったことで遺伝子を多様化する余裕が生まれ、6億年前のカンブリア紀の大爆発の基礎になった。多細胞生物は単細胞生物に比べて遺伝子数が約２倍である。粘菌は普段はアメーバのような単細胞生物であるが、生殖時には集合して多細胞生物となる。粘菌は12,500遺伝子を持つと見積もられた。多細胞生物である線虫（C. elegan）は19,893遺伝子、原索動物（脊椎動物の祖先）であるホヤは15,852遺伝子を持つ。

2回目のゲノムの倍加はオルドビス紀、シルル紀の間に起こったらしい。このころ、ゲノムサイズが倍になった生物が出現した。脊椎動物であるフグは27,918遺伝子、人は22,287遺伝子を持つ。魚、両生類、爬虫類、鳥、哺乳類はほぼ同じ数の遺伝子を持つと考えられている。ちなみに植物である稲は37,544個の遺伝子を持つ。

植物では、4倍体、6倍体などを薬剤処理によって作ることができる。倍数体は染色体数が増えるのであって、ゲノムの遺伝子数が2倍になるわけではない。小麦は人為的な選択により6倍体が選ばれ、収量も増加した。倍数化すると体のサイズが大きくなる傾向がある。単弓類、恐竜の巨大化は倍数化と関係したかもしれない。魚類と両生類ではしばしば倍数化が観察されるが、爬虫類、鳥類、哺乳類では倍数化は見られない。それと関連してか、鳥類、爬虫類、哺乳類では性決定が遺伝子数により厳密に規定されている。

ゲノムが丸ごと重複する例ばかりでない。ゲノム中には似た配列の遺伝子が複数見つかる。遺伝子ファミリーと呼ばれる。ヒトゲノム中で最大の遺伝子ファミリーはGPCRスーパーファミリーで1000個以上のメンバーがある。また、Immunoglobulinスーパーファミリーは765遺伝子を含む。これらの遺伝子は1つの祖先遺伝子が重複し、多様化したと考えられている。重複メカニズムは複製のときの間違い（乗り換え）や染色体の組換え、または内在性レトロウイルスなどの複製機能を利用した遺伝子転移が考えられている。

遺伝子の中で機能単位が重複している例もある。言い換えると、複数の遺伝子が同じ機能単位（遺伝子断片）を持つ。特に、2つの機能単位をジョイントした遺伝子が見つかる。遺伝子の部分的な重複はエクソン単位で起こる例が多い。内在性レトロウイルスなどの複製機能を利用した遺伝子転移が原因と考えられている。

ゲノムが2倍になり、同じ遺伝子が2個になると片方の遺伝子が変化してもその変化は生物の生存に影響を与えない。すなわち、機能が隠された遺伝子となる。機能が隠されている状態では遺伝子がどのように変化しても表現系に影響を与えないので、様々なトライアンドエラーができると期待される。分子の進化のほとんどは中立だという説を唱えた木村資生は、個体の表現型の進化を説明するには、本来は中立でない変異を中立として隠す仕組みが不可欠と考えた。遺伝子重複や有性生殖は変異を隠す仕組みと考えられる。

一方で、蓄積した変異を一度に表に出す仕組みが必要である。その機会が地球の大変動であり、環境の変化と考えられている。遺伝子変異が顕在化する分子的な仕組みは研究途上である。一つの候補であるヒートショックタンパク質は、細胞がストレスを受けると増産され、ストレスで立体構造がおかしくなってしまったタンパク質を正常に働かせる作用がある。ヒートショックタンパク質に突然変異が起きることによって、眠っていた遺伝子の新しい機能が発揮される可能性が指摘されている。

+++　ゲノム重複　+++

脊椎動物の進化の過程でゲノムサイズが倍になった時期がありました。その時期は脊椎動物によって違いました。

メクラウナギの仲間は5億年前に出現し、目も顎も胸鰭もない魚です。一番近縁なのはエイの仲間です。そしてゲノム解析で分かったのは5億年前にゲノムサイズが3倍になったことでした。

脊椎動物のゲノムが倍になったのはメクラウナギとエイが分かれる前でした。その後、メクラウナギとエイが別の枝に分かれてゲノムサイズが3倍になり、そのために同じ遺伝子が6個ある状態になりました。その後の進化で多くの遺伝子が失われましたが、一部の遺伝子では6個の状態が維持されています。

メクラウナギとエイの枝でゲノムサイズが3倍になった頃、もう一方の枝でもゲノムサイズが2倍になりました。こちらの枝には魚類、両生類など、現代の主な脊椎動物が属します。硬骨魚類は400科、3万種が属する最大の脊椎動物グループです。

さて、ゲノム重複の歴史を整理しておきましょう。エディアカラ紀にホヤやナメクジウオのグループから脊椎動物は分岐しました。そして、１回目のゲノム重複。カンブリア紀の初期のころと推定されます。カンブリア紀に入って脊椎動物はメクラウナギとエイのグループとその他のグループに分かれました。メクラウナギとエイのグループではゲノムが３倍重複しました。もう一方のグループはゲノムは２倍に重複。２度目のゲノム重複はカンブリア紀後期に起きたと推定されました。オルドビス紀にもう一方のグループは大繁栄し、軟骨魚類と硬骨魚類に分かれました。オルドビス紀にはメクラウナギとエイが分かれ、独自の進化を遂げました。

もしかしたら化石には残っていませんがメクラウナギとエイのグループも大繁栄し、さまざまな魚が生まれたのかもしれません。オルドビス紀の魚類の大繁栄はゲノム重複による多様性獲得の結果と見なされるからです。エイの奇抜な形を思えば、こちらの枝では思いもよらない形状の魚が進化していたかもしれません。メクラウナギでは骨や目を作る遺伝子を失い、体の粘液を作る遺伝子を獲得するなど、独自の進化を遂げました。しかし、硬骨魚類の枝のほうが生存競争で勝り、現在の魚類の状況になったのかもしれません。

カンブリア紀に起きた2回のゲノム重複により、脊椎動物はその後の繁栄の基礎を築きました。次々に食物連鎖の上部を占めるグループが誕生し、陸に進出して生物の歴史を作ってきました。

+++　インターラクトソーム　+++

生物の全遺伝子が解明されると、つぎに、この要素の間の情報のやり取りをすべて明らかにしようという研究が進んでいます。要素間の関係全体をインターラクトソームと呼びます。

酵母は単細胞の真核生物です。6,200遺伝子産物について、相互作用が調べ上げられました。遺伝子産物の相互作用は、結合が基本ですが、リン酸化や分解などの化学修飾によって性質を変化させることもあります。ネットワーク理論に沿って、相互作用をリンクとしますと、90%の遺伝子産物はリンク数が５以下。この中に生きていくのに必須な遺伝子は20%程度しかありません。リンクが集中するハブとなるタンパク質は0.7%程度しかありませんでしたが、必須遺伝子は70%になりました。ハブ・タンパク質のリンク数は15以上。多数のリンクを持つ遺伝子は生きていくために重要な遺伝子を多く含む割合が大きい。

ネットワーク理論によれば、人工的であれ、天然であれ、機能的なネットワークは密につながったクラスターとクラスター通しをつなぐリンク(特にブリッジと呼ばれます)との2段階構造に分けられます。ブリッジはランダムでも十分に機能します。この構造により、任意の点から任意のそのほかの点へ移動するまでの平均的なリンク数(ネットワークの直径)が非常に小さくなる。つまり、部分が全体を知るために必要な情報が効率的に分配されると解釈されます。

人間の交友関係、脳の配線、蛍の集団での同期発光のメカニズムなどがネットワーク構造をとり、近接した部分しか見ない要素によって全体の構造がうまく制御されています。インターラクトソームは生物活動をうまく説明できるでしょうか。

+++　遺伝子の創成　+++

ヒトとサルとを分ける遺伝子はあるのか。両方の種で全ゲノム配列が解析された後も多くの研究が報告されています。少なくともタンパク質に翻訳される通常の遺伝子の中では決定的なものがありません。今、この候補に新たなメンバーが加わりました。

転写はされるものの核内にとどまる長いRNA（long noncoding RNAs、lncRNAs）が存在することはかなり前から知られていました。lncRNAsはキャップ構造やポリA配列など、通常のmRNAと同じ構造を持っています。しかし、通常のmRNAと違って核外に出ていかない。したがって、タンパク質に翻訳されない。

しかし、網羅的に調べてみると、細胞質内にもlncRNAsがあることがわかりました。そこで、細胞質に出ていくmRNA 15,734個と出ていかないlncRNAs 1,861個の塩基配列を調べ、その配列の特徴を解析しました。すると、細胞質に出ていくRNAの配列の特徴としてU1配列と高いISORスコアが見つかりました。どちらもスプライシングに関与する配列であり、U1配列はスプラスソームに含まれるU1 RNAと結合する配列、ISORスコアはスプライシングを受ける確率を示します。

ということで、改めてlncRNAを解析してみると、細胞質外に出ていくlncRNAはU1配列がすくない（変異を起こしているらしい）ことがわかりました。

次に細胞質外に出ていくlncRNAがタンパク質に翻訳されているかを調べました（ribosome-profiling data and large-scale mass spectrometry）。この時、ヒトとマカクサル、チンパンジーのlncRNAも一緒に調べました。特に、ヒトで翻訳されているlncRNAと親戚関係にあるサルのlncRNAを比較したところがポイントです。

ヒトのlncRNAのうち、マカクサルで翻訳されていないが、ヒトでは翻訳されているlncRNAは74個ありました。うち、45個はヒト特異的で、29個はチンパンジーでも翻訳されていました。さらに、これらのlncRNA発現している臓器をヒトで調べ、脳に多く発現している9つのlncRNAのうち、長い名前ですが、ENSG00000205704という遺伝子を選びました。細胞質では107アミノ酸からなるタンパク質に翻訳されていると予想されます。

次はENSG00000205704の機能の解析です。まずは大脳皮質のオルガノイドの解析です。オルガノイドはiPS細胞が利用できるようになってから提供されるようになったミニチュア臓器です。ヒトの大脳皮質オルガノイドをゲノム編集し、ENSG00000205704の発現を０にしたもの、過剰発現させたものを作製しました。すると、発現を止めたオルガノイドはサイズが小さく、過剰発現させたオルガノイドは大きくなりました。

次はマウスモデルです。同じようにゲノム編集してヒトENSG00000205704を持ったマウスを作製して脳を調べたところ、大脳皮質の大きさが有意に大きくなり（写真では差がないように見える）、また、しわも溝も深くなりました。また、組織学的に大脳皮質を調べたところ、ヒト型マウスの脳は厚くなっていました。

この研究は２つのインパクトを持ちます。一つは遺伝子が創成されるメカニズムの一つを明らかにしたこと。今までは全く新しい遺伝子（de novo genes）が進化的に誕生するメカニズムはわかっていませんでした。もう一つはヒトの大脳が大きくなった原因遺伝子の候補が見つかったこと。さて、ヒト型脳を持ったマウスは賢くなったのでしょうか。その報告は準備中とのことです。

59．三畳紀・・・ 最大の大陸 [パンゲア]


三畳紀　　　　2.5億年前～2.0億年前

2.5億年前のペルム紀末の大量絶滅を経て、中生代（2.5~0.66億年前。三畳紀、ジュラ紀、白亜紀）になった。ゴンドワナ大陸は南極、オーストラリア、アフリカ、南アメリカ、インドが集まった巨大な大陸で、南半球の高緯度地方に存在し、3億年前に最大であった。三畳紀にはパンゲア超大陸が存在した。現在のトルコから中央アジア、南中国にかけて古テチス海が沈みこんで消滅しようとしていた。現在のチベットやトルコ、イラン高原を経て南側にテチス海が拡大した。

2億年前に超大陸パンゲアが分裂を開始した過程を再現するために、マントルの物性パラメータを考慮した三次元全球内のマントル対流の大規模計算機シミュレーションが行われた。シミュレーションは2億年前から現在までの大陸移動の様子を描いている。実際の地球の時間スケールで、大西洋の拡大やインド亜大陸の高速北進とユーラシア大陸への衝突など、パンゲア超大陸分裂後の地球表層の大イベントが再現された。

特に、パンゲア超大陸の分裂は超大陸の熱遮蔽効果によるパンゲア超大陸直下のマントルの高温異常が大きく寄与すると推定された。パンゲア超大陸の下に溜まった熱が裂け目を通じてマントルから地表へ吐き出されたと解釈された。インド亜大陸が高速に北進した主要な原動力は、パンゲア分裂直後からテチス海北部に発達したコールドプルームと推定された。地震波トモグラフィーで画像化された現在のマントルの三次元構造から、低温領域がコールドプルームの先のマントルの奥深くに確認されている。沈み込み帯を持たないインド亜大陸が現在もなお北上を続けていることからも大陸移動の原動力がコールドプルームであることを示している。

三畳紀初期では酸素濃度が10-15％と原生代以降、史上最低レベルにまで低下した。その時代に適応した生物はボディプランに特徴があった。心臓の形態は3室心臓（両生類、爬虫類）より動脈血と静脈血が完全分離する4室心臓（鳥類、哺乳類）が有利であった。よい例は恐竜である。恐竜は4室心臓と気嚢を持っていた。それまでの爬虫類は足が横に突き出て体をくねらせながら進み、肺が圧迫されて呼吸の効率が悪い。足を体から垂直におろす恐竜が有利であった。鳥類の気嚢システムは肺から気嚢へと空気の流れが一方通行となり、呼吸効率がよい。恐竜はアンモナイトと共に中生代を代表する生物である。三畳紀には爬虫類は陸、海に生育範囲を拡大した。哺乳類の祖先は胸郭と横隔膜をもち、呼吸の効率が高かった。とはいうものの、大型化することはできなかった。

遺伝子の配列解析から構成された進化系統樹では爬虫類と鳥類のグループは哺乳類と3.1億年前に分岐した。2.7億年前にさらにムカシトカゲ、通常のトカゲと蛇のグループとが分かれた。通常のトカゲと蛇のグループは2.5億年前に分かれた。ちなみにもう一方の枝からは亀（2.55億年前）、ついでワニ（2.45億年前）が分岐し、恐竜を経て鳥類が分岐した。

三畳紀に恐竜は多様に進化した。象徴する地層がカーニアン期（2.37-2.27億年前）である。この短い1000万年の間に特徴的な恐竜が進化した。ステゴサウルスやトリケラトプスの祖先、ブラキオサウルス、ティラノサウルスの祖先が出現した。この時代は多雨で温暖で、巨大大陸の内部は乾燥して熱い気候であった。花も草もなく、鳥もいない。哺乳類は、歯の化石が見つかっている。海ではサンゴの祖先が誕生した。温暖化をもたらしたのは2.32億年前に数百万年にわたって活動したランゲリア噴火と考えられている。カナダのブリティッシュコロンビアからアラスカにかけて広がる厚さ数kｍの玄武岩帯が残っている。

裸子植物のうち、ペルム紀に出現したイチョウ類が次第に勢力を伸ばした。三畳紀にはイチョウ類、松柏類、ソテツ類が主となり、樹下に真正シダ類が繁茂する森林を構成した。初期の裸子植物、イチョウ類やソテツ類は、胚珠が裸で直接外気に接している。松柏類では、枝や葉が変形してできた鱗片状の器官で胚珠を覆い、球果を形作り、胚珠を保護する。受精も花粉により、花粉管を伸ばして直接卵細胞に精細胞を送り届ける形態になった。地球上のほぼ全域に生息域を拡大できる仕組みとなった。最初の花弁を持っていた花は2.5-1.4億年前に出現したと推定されている。

パンゲア大陸が裂け始めた２億年前、巨大な火山活動があった。大量の溶岩と貫入岩がCAMP（central Atlantic magmatic province; 中央大西洋マグマ地域）と呼ばれる地域に同時にできた。CAMPは、北はイギリス南部、フランス南東部から西アフリカと北米の東海岸を通って南米のブラジルに達する700万平方キロメートル。ペルム紀末の大絶滅を引き起こしたシベリアン・トラップでさえ、その面積は340万平方キロメートルにしかならない。CAMPの火山活動は三畳紀の大絶滅を引き起こした原因と考えられている。

パンゲア大陸はまず北側が裂けた。分裂初期のヨーロッパ、北アメリカ大陸は水没した。その後、裂け目は南側から入って南アメリカとアフリカ大陸が離れる。その時、南アメリカはアマゾンとパンパが何度か海底になった。

+++　恐竜の食生活　+++

恐竜の研究というと骨の化石で骨格や大きさを分析するというイメージがありますが、今回注目されたのは糞の化石です。糞の化石から当時の食物連鎖の一部が解析され、恐竜が短期間で地球の覇者となったストーリーが組み立てられました。

恐竜の排せつ物の化石はブロマライト（bromalites）と呼ばれ、糞や嘔吐物、消化管が化石となったものです。通常は恐竜の化石と一緒に掘り出されますが、あまり注目されてきませんでした。研究者はポーランド盆地で発掘されたブロマライト532個を集め、これらを解析ました。ブロマライトは三畳紀後期からジュラ紀前期の短い期間（2.3~2.0億年前）に集中しており、当時の恐竜の進化の様子を解析できると考えたためです。もちろん、恐竜の落とし物だけでなく、当時は別の爬虫類も生息していた頃から、それら代表的な爬虫類の食生活を調べることになります。

ブロマライトは大きさや形で分類され、シンクロトロンマイクロトモグラフィ（synchrotron microtomography）で内部構造を調べ、化学分析により内部に含まれた物質の由来を解析しました。

例えば、魚の残滓でいっぱいの長いブロマライトはワニに似た爬虫類の糞であると推定しました。また、昆虫が丸のまま残っているブロマライトは昆虫食と考えられていた恐竜の類縁種、シレサウルスの糞と考えられました。２本足恐竜の祖先で体長５ｍの祖竜のものと推定されたブロマライトは砕かれた骨や歯の残骸が含まれていました。

食生活から推測すると、初期の恐竜は体が小さく、二足歩行で、雑食性。昆虫や魚を食べていました。その中から、草食動物の竜脚類（カミナリ竜）が進化、巨大化し、三畳紀の終わり（2.0億年前）には、他の爬虫類を凌ぐ大きさになりました。湿度が高くなったためにシダが大繁殖し、竜脚類が繁栄したのです。それを追うように肉食性の2足歩行の獣脚類が進化しました。

ストーリーはすでに化石の記録から推測されていますが、新たな解析から肉付けされた形です。わずか3,000万年で地上の覇者となった恐竜。ジュラ紀では多様な形態へと進化し、おなじみの仲間が出現しました。

+++　流体力学　+++

固体・液体・気体のうち、気体と液体を合わせて流体と言います。流体の特徴は形がないことです。流体でも固体と同じように力が働きます。例えば風車や水力発電、台風や洪水を想像してみてください。ただ、形がないこと、粘性があることが質点の運動とは違います。

質点の運動というと例えば大砲から撃ち出された弾丸の軌道について計算するイメージがあります。高校で習うニュートンの法則です。しかし、これらの計算では空気の抵抗などを無視しています。固体である弾丸の代わりに、空気や水を放出するとどうなるでしょう？　形がないことと粘性をどう取り扱うか考える必要があります。流体力学は身近な液体、気体の運動であることから、重要な応用分野として発展してきました。流れの現象は大きく分けて層流と乱流とに分けられます。

物体表面を流れる流体は、低速では秩序だった層流ですが、流れの大きさあるいは速さがある程度以上になると、流れの中の微細な渦運動が減衰せず発達し、次々に様々な大きさと形状の渦を作るようになります。これが乱流です。乱れは不規則振動です。また、その不規則性の中に規則的な性質の挙動が潜むこともあります。乱流は、運動する流体との境界に発生する摩擦力を増加させ、流体の混合・熱伝達・燃焼を促進させます。

+++　栄枯盛衰　+++

高校や中学の歴史で配られる歴史地図帳が好きでした。様々な国が生まれ、拡大し、そして消滅する。その時間的な変化が壮大な物語のように感じられ、授業中、暇なときに何度も見返したものです。そして、その背景にある戦いや人々の物語を小説やテレビや映画のように空想しました。

国家を発明した人類は統治技術を洗練すると共に、国家の規模を拡大していきました。優れた統治システムとリーダーを持つ国家は発展し、周りの国々を従え、帝国として広い領域を支配しました。ローマ帝国、イスラム帝国、唐、そしてモンゴル帝国。しかし、いくら優れた統治システムも、運営するのは人間ですから、優れたリーダーが引退し、利己的・保身的な役人が増えると矛盾を内蔵して調整機能を失います。かくして、国力が衰え、滅亡の時を迎えます。歴史地図帳ではその消長が国境の変化として表現されます。

+++　空への進出　+++

三畳紀には空を飛ぶ爬虫類が出現しました。プテロサウルス（翼竜）です。プテロサウルスは前肢の長く伸びた第４指と胴体の間に薄い膜を持っていました。プテロサウルスは白亜紀まで進化を続け、白亜紀後期には巨大なプテラノドンやケツァルコアトルスが出現しました。

巨大といっても体は軽く、丈夫な膜状の翼を使ってグライダーのように飛びます。具体的には高い丘の上で風に向かって翼を広げるだけです。風に押されて体が舞い上がり、十分な光度に達したら滑空しながら次の上昇気流を探します。この飛行では羽ばたく必要はなく、大陸間の飛行でも可能でした。ただ、体は極限まで軽量化され、強風には耐えられず、また、羽ばたくこともできませんでした。もっとも鳥がもつ飛翔筋（胸の筋肉）はありませんでしたが。

体重の軽い昆虫は羽ばたく翅をもちます。昆虫くらい軽いと飛翔筋の力だけで飛ぶことができます。小鳥の場合はプテロサウルスよりも軽いので、飛翔筋の力で飛び上がることができます。少し大きな水禽類の場合は羽ばたきながら走り、浮力を得なければなりません。

小型の虫の場合、体重が非常に軽いので、空気の粘度で落下速度が非常に小さくなります。したがって、糸をはいたクモや毛におおわれた昆虫などは飛ぶというよりは風に飛ばされることで空を飛びます。虫だけでなく、タンポポの綿毛も風を利用していますね。

60.ジュラ紀・・・古生物のヒーロー [恐竜]


ジュラ紀　　　2.0億年前～1.4億年前

三畳紀とジュラ紀の境界でかつて繁栄した巨大両生類、恐竜と両生類を繋ぐ獣弓類が絶滅した。代わって、ジュラ紀には恐竜と呼ばれる一群の爬虫類が生態系のトップにのし上がった。分類学的には竜盤目と鳥盤目の2つを恐竜と呼ぶ。恐竜は、翼竜やワニとともに主竜類とよばれる仲間である。空を飛ぶ翼竜や海に棲む首長竜や魚竜の仲間は恐竜に含まない。繁栄した恐竜は様々な種に分化した。

恐竜は脚を体の真下にのばして、前後に動かして歩くことができた。そのため、小さい恐竜は、高い運動能をもち、ほかの小型の動物を餌とした。また、体躯の真下に伸びる足は巨大な体を支えることができた。空を飛ぶ翼竜と鳥類が誕生した。恐竜のなかには恒温動物が出現したようである。巨大な獣脚類（草食）と鳥盤類は変温動物、肉食の小型獣脚類は恒温動物の可能性が高い。

巨大化すると体内で発生する熱を放熱する必要がある。また、運動に必要な酸素を大量に取り込み、逆に二酸化炭素を速やかに排出しなければならない。そのために三畳紀初期の貧酸素環境を乗り切るために使われた気嚢が役に立った。恐竜の気嚢は全身に張り巡らされ、骨の中にも達していた。酸素は気嚢によって体中に運ばれ、熱や二酸化炭素は速やかに排出された。したがって、恐竜は巨大ではあったが体重は軽かった。乾燥しやすく温度変化が激しい陸上では巨大化は大きな武器であった。

哺乳類の祖先は単弓類である。単弓類はペルム紀に繁栄し、爬虫類に似た盤竜類と哺乳類に似た獣弓類に分かれた。ペルム紀末期の大絶滅（2.5億年前）で盤竜類は絶滅。獣弓類は三畳紀に生き延びたが、末期に絶滅した。三畳紀末期に獣弓類から哺乳類の祖先が進化したと考えられている。体毛を持ち、当時は、まだ、卵を産んでいたが、子を乳で育てたとされている。単弓類の化石で内耳の構造を調べたところ、後期三畳紀（2.37～2.1億年前）に大きく変化し、体温は5-9℃上昇したと推測された。パンゲア大陸の分裂による火山活動や寒冷化が恒温動物への進化を進めたのであろう。また、中国では哺乳類の化石がジュラ紀、三畳紀で多く見つかっており、現在の哺乳類に匹敵するほどの多様であったと考えられている。ペルム紀末期の大絶滅の後、支配種だった両生類が絶滅した生態系で哺乳類も同様に適応放散し、多様な形態で多様な生存戦略を成立させたのだろう。

また、新たに出現した裸子植物が大森林を形成した。シダ植物は湿度の高いところにしか生育できなかったので、パンゲア大陸の乾燥した内陸は荒野であった。ジュラ紀では裸子植物が大森林を作り、生物を呼び込んだ。

テチス海にはサンゴ礁がひろがっていた。テチス海の北岸は現在の東南アジアから中東（インドはまだはるか南にあった）を通り、ヨーロッパ、北アメリカ大陸にいたる。南はオーストラリア北部からインドの北側を通り、アラビア半島、北アフリカにおよぶ。開きつつある大西洋に連絡して、テチス海の西は南アメリカにおよぶ。

ジュラ紀の終わりから新生代に連続する新しい地殻の動きがはじまった。一つは大西洋が開いたことであり、裂け目はゴンドワナに延び、南アメリカとアフリカが分断された。アフリカから南極、オーストラリア、インドが切り離され、南極以外が北上した。この動きに伴ってテチス海は、ユーラシア大陸の下にもぐりこみ始めた。

+++　収斂進化　+++

進化の途上では異なった生物に合理的な同じ形態が出現します。魚竜であるイクチオサウルス類は海棲爬虫類の中でおそらく最も海棲生活に適合したグループです。彼らの体型は現在のイルカやクジラそっくりです。このような体型はマグロ型体型とも呼ばれ、全く別の系統である硬骨魚類、軟骨魚類と同じ体型です。

別の系統にも関わらず、同じ体型へと進化する現象は収斂進化と呼ばれます。イルカが肺呼吸をしていたのと同じように、イクチオサウルスも肺呼吸をしていたと考えられます。同様に翼竜の形は蝙蝠とそっくりです。

組織論の多くの研究では多様な組織が存在していることが研究の出発点になります。違いがなければ解析の仕様がない。ところが実際には意外なほど組織は同質です。同じように、世界には様々な社会がありますが、一定の社会的・政治的発展段階であれば、同種の問題に対して似たような解決策（社会構造など）にたどり着きます。この現象に収斂進化の考え方が応用可能なように思えます。異なった歴史的、文化的背景を持ちながら、なぜ、組織が同じような形になるのでしょう。

自然環境や気候の変化が淘汰圧として働いて、ダーウィンの進化論のように最も適した組織が同型化する。人間の考え方が生物学的に同質であることが前提でしょう。

社会が作り出した制度により同型化する。この場合、3つの場合が考えられます。1つ目は法的な規制など、依存している組織からの圧力、社会の中での文化的期待によるもの。2つ目は、正統的あるいは、より成功している組織を後追いし、モデル化して模倣することによって同型化する。最後に、大学などの職業的な専門家による教育と正当化によって同じ教育水準、認識に立つことによる規範的な同型化です。乱立する大小政党。違いがよくわからないのはこんな理由からでしょうか。

+++　新しいパラダイムを築く　+++

いつの時代にも「科学の終焉」を予言する人々がいます。例えば、1890 年代にはニュートン力学の世界観がパラダイムであり、物理学の未解決問題はいくつも残っていないと考えられていました。けれども、1905 年にアルバート・アインシュタインが「光量子仮説」「ブラウン運動の理論」「特殊相対性理論」を発表して、物理学の3つの新しい分野の基礎を打ち立てたてたのは有名な話です。

太平洋戦争の後、多くの日本人は物質的な遺産や価値観を灰燼に捨て去ってスタートしました。そのため、60年代の当時、都市部に移住した若者たちは、新しい人生観と社会観を築くという使命感を持っていました。過去の日本では土地や金だけでなく、社会的な信用や職業・技能も相続するものに含まれました。俗に言う親の七光りも相続の一環と考えられます。事業・職業上のノウハウや地域社会での地位を受け渡す過程で、お金以外に人生哲学をも相続していたはずです。

新しい生き方は2つの問題として集約されます。1つは実存的な問題です。若者たちは、疎外感を味わいながらも、親の生き方とは別の生き方を切り開かなければならないという問題。もう１つは当時の資本主義社会が抱える矛盾です。高度成長時代の繁栄の背後で、取り残された人々の貧困問題、成長の代償である公害問題、旧弊を引きずる政治汚職問題です。

若者は社会の存在に気づくと、社会の仕組みを理解しようとするのと同時に、自分なりの人生観と社会観を築こうと考えます。惰性的な日常を過ごさずに情熱を持って生きたい。社会的・精神的な抑圧や疎外から自由で生き生きとしていたい。型にはめられたくない。自分の殻に閉じこもらず、優れた目標を持った集団の活動に参加したい。これが本物だという生き方をしたい。自らの精神を浄化して、真の感性を取り戻したい。社会の大きな変化とこの願いが一致した時に新しいパラダイムが誕生します。

+++　マントルの渦　+++

大陸が裂けるとき、マントルの上部で形成される対流の渦が大陸の底を削り、キンバーライトマグマを形成する。そしてマントルの渦は大陸の底を移動し、高地を形成する。 大西洋を境に大陸が裂けるときに隣り合っていたと考えられるブラジル高地（Brazilian highlands）と南アフリカの中央高原、そしてインドの西ガーツ山脈です。ブラジル高地はアマゾンの南、リオデジャネイロから陸側に広がる高地で、南アメリカ大陸の突き出た部分の南側になります。南アフリカの中央高地はアフリカ大陸の南側を囲うように広がる高地です。インドの西ガーツ山脈はインドの西側に広がる高地です。いずれも海から立ち上がっていて、海側が古く、離れるにしたがって若い高地であるという特徴があります。 左右対称に形成されたように見えるこれら高地の成り立ちを説明するのに先ほどの大陸の裂けめに生じるマントルの渦が当てはまりました。マントル対流というと、コアから立ち上がって大陸の下に沈み込むプレートテクトニクスを引き起こす大きな対流を言いますが、ここでは大陸の裂けめに生じる小さな渦です。 大陸の裂けめに上昇してきたマントルが大陸の底を削るように沈み込み、渦ができます。そして、この渦は大陸の底を削るようにゆっくりと裂け目から離れていきます。その速度は100万年で15～20km。ゆっくりですが大陸移動より速い。渦によって大陸の底が削られた岩石は対流で運ばれて裂け目側に移動し、そこで大陸の底に付加します。大陸の岩石はマントルに対して軽いので裂け目側の大陸は厚くなって浮力が生じ、高地ができる。その高さは1～2km。渦は次第に減衰し、そのため、高地は海側が最も高く、次第に高度を下げる。海側が最も古く（浸食が進んでいる）、陸側が新しい。マントルの渦は日本列島を大陸から引き離したときも形成されたと考えられています。

61．パンゲア大陸の分裂・・・中生代の気候 [テチス海]


大陸が分裂したことで、環赤道海流ができた。地球を1周し、常に暖められるので冷えることはない。コース上にあったテチス海はとても温かかったと考えられている。珊瑚の化石も多く、豊富なえさがあったと考えられる。1億年前から7000万年前である。北極にも南極にも氷床は存在しなかった。

中生代には現代社会に欠かすことのできないものができた。中東の石油である。石油を溜め込んだアラビア・プレートは、先カンブリア期から中生代に渡ってゴンドワナ超大陸の北側に位置し、消長の激しい大海に面していた。ゴンドワナ大陸は南にあったので、アラビア・プレ－トは赤道圏内に、ほかの大陸と衝突もせず、また、マントルに沈み込むこともなく、安定に維持された。

アラビア・プレートは中生代にテチス海に没し、そこで大量の有機物を溜め込んだと思われる。温暖なテチス海は次第に閉じて、アラビア・プレートだけでなく、北アフリカやアメリカの油田地帯も生み出した。アラビア・プレートは現在、ユーラシア大陸と衝突中で、イランのザクロス山脈を隆起させている。いずれアラビア・プレートも、巨大なユーラシア大陸へ突っ込んでいくはずなので、現在の中東油田も破壊されてしまう。

地中海のヨーロッパ側に豊富に存在する大理石もこの当時に作られたサンゴ礁由来である。大アドリア（Greater Adria）大陸は2.4億年前にゴンドワナ大陸から分裂して北上し、テチス海でサンゴ礁を発達させた。グリーンランドサイズの大アドリア大陸は1.2-1.0億年前にテチス海とともにヨーロッパ大陸の下に沈み込み、そのときにサンゴ礁がそぎ取られ、地中で大理石に変化して地中海沿岸の各地で地表に現れている。地震波を利用した地球内部のCT画像によるとヨーロッパ大陸の下1500kmに沈んだ大陸の残骸が見えるという。

白亜紀は火山活動が活発で、二酸化濃度も高く、温暖であった。深海の海洋底は貧酸素状態になった（海洋無酸素事件）。たまった有機物が黒色頁岩として堆積し、石油の元となった。約1億年前、白亜紀に大海進が起こった。原因として考えられるのはパンゲア超大陸が割れてできた巨大な大西洋中央海嶺。太平洋の2つの巨大な海台、シャツキー海台（1.5~1.3億年前）とオントンジャワ海台（1.25~1.2億年前）も少し前に誕生している。2つとも巨大な火山活動による洪水玄武岩からなる。大気に放出された二酸化炭素などの温室効果ガスによって急速な温暖化が進み、海水面での蒸発も激しく、塩分濃度の高い海水が深海にたまって海洋循環を止めてしまった。それによって海洋無酸素事変が起きた。白亜紀で酸素が欠乏した海は石油ができた海底と一致している。アラビア半島、シベリア中央部、カスピ海周辺、ブラジルとギニア湾の裂け始めた海底、メキシコ、ロッキー山脈の東側。いずれも海進の影響で水没していた。

+++　土星の環　+++

太陽系の惑星の中でもひときわ美しい土星。それはリングを纏っているからです。土星のリングは土星の誕生とともに形成されたのでしょうか。米国地球物理学連合（American Geophysical Union）の会合でカッシーニ宇宙船の最後の1か月の観測データにヒントがありました。

土星のリングは見かけからかなりの重量があると考えられてきました。それだけの重量の岩石を供給できるのは土星を形成した微惑星が残ったものと考えるのが自然で、したがって、土星は誕生した時から輪を持っていたと考えられていました。

しかし、カッシーニが土星とリングの間隙を通過したとき輪を形成する岩石の質量を測定したところ、大変小さい値がでました。最もはっきりしたBリングの総質量は土星の衛星ミマスの0.4倍程度だったのです。したがって、土星の輪の形成は、衛星が崩壊してできた可能性や土星の重力に捕らえられた彗星や小惑星の破片であった可能性を否定できません。

さらに、カッシーニが搭載した宇宙塵解析装置のデータが紹介されました。太陽系の辺縁からは宇宙塵の流れが太陽に向かって吹いています。宇宙塵の流れは土星の輪を形成する物体に含まれる氷を黒く変色させます。カッシーニの測定から土星の近辺では従来考えらえてきたのに比べて10倍の塵の流れがありました。そして、土星の環の黒化度から輪の年齢が2億年以下であると計算されました。

科学者は土星の輪を作った2億年前の事件を特定しようと作業を開始しています。もしかしたら人類は木星や海王星などの巨大ガス惑星が大きな輪を纏う瞬間に立ち会えるかもしれません。

+++　キンバーライト　+++

キンバーライトはマントルで誕生し、マグマ経由で噴火により地上にもたらされた稀有な岩石です。ダイヤモンドやガーネット、ジルコンなどを含みます。

キンバーライトの組成から誕生した場所は上部マントルと下部マントルの境界あたりと推定されています。しかし、その特別な組成の岩石は地球誕生時にマントルに持ち込まれたものか、地殻がプレートテクトニクスによって持ち込まれたものかが不明でした。

ネオジムとハフニウムのアイソトープの組成の解析から誕生した年代を割り出し、2億年から25億年という幅広い値を得ました。そしてその組成が20億年の間、変化していなかったのです。アイソトープ組成が誕生した年代によらず一定なことから地殻由来ではないと推定しています。他の成分は地球が誕生したころの隕石と同じ組成でした。つまり、地球が誕生し、コアが分離した後の岩石がマントルの奥深くで変化してキンバーライトになったと考えられます。

キンバーライトはマグネシウムと水、二酸化炭素が豊富なマントルが溶解してできたマグマに由来すると考えられています。地下150kmで水と二酸化炭素がガス化し、コーラが噴き出るように地上に向かって吹き上げた火山がキンバーライトです。火道に沿って細長いパイプ状にマグマが冷えて固まり、その中にダイアモンドが含まれています。その最下部は直径数メートル、地上でも数百メートル程度。噴火の威力は想像するしかありませんが、150kmの岩盤を突き抜ける爆発ですので、大災害を引き起こしたことでしょう。幸いなことに人類の歴史の間にはキンバーライトを作るような噴火は起きていません。

キンバーライトパイプは世界に数千発見されていますが、いずれも数億年前の噴火です。噴火のピークはパンゲア大陸が裂け始めてから2600万年後。南アフリカと南アメリカに着目。この地域のキンバーライトの起源はパンゲア大陸が分裂した1.2億年前。一方で北アメリカのキンバーライトはもっと古い。パンゲア大陸が北から裂け始めたこととよく合いました。裂けるにしたがってキンバーライトのクラスターは南に移動し、その速度は100万年に20kmというゆっくりとしたものです。

大陸が裂けるとき、裂け目をマントルが埋めますが、大陸側のマントルは冷えて沈み、大陸の底を削るようにして対流が発生する。対流は大陸の底を40kmの幅で削ったといいます。ここでマントルと大陸の底の成分が混合してキンバーライトマグマの材料ができる。キンバーライトマグマは膨らんで数km大陸が持ち上げられ、そして火道を作って地上にガスが抜ける。これが南アフリカでの仮説です。

キンバーライトパイプの生成メカニズムは大陸の場所によって異なるかもしれません。現在、大陸が裂けているカルフォルニア湾や紅海では同じ現象がみられる可能性があります。この仮説が正しければ、ダイアモンド鉱山の位置を推定できるのでダイアモンド業者の注目を集めています。

62. 白亜紀・・・恒温動物 [ホメオスタシス]


白亜紀　　　　1.4億年前～6600万年前

ゲノムの解析から有袋類と有胎盤哺乳類の祖先は1.8億年前に分岐したと推定される。最も古い有袋類の化石は白亜紀初期1.25億年前のもので、中国で見つかった。有袋類は体長15センチ、体重30グラムのネズミほどの大きさで、木に登り、昆虫などを食べていたと推定されている。有袋類は中国から最も離れた南アメリカとオーストラリアに残っているので、有袋類は全大陸に住んでいたと予想される。同じように1.3億年前の犬猫サイズの哺乳類の化石も中国で見つかった。恐竜の子供の骨が腹の中から見つかったこともあり、恐竜に圧倒されて細々と暮らしていた哺乳類のイメージが修正された。

オーストラリア大陸と南極大陸は1.5億年前にアフリカ、南アメリカ、インド亜大陸から切り離されて独立した生態系を持つようになった。特筆すべき動物は有袋類である。とくにカモノハシは哺乳類と爬虫類の両方の性質を持っている。他の大陸では子宮を持つ哺乳類が出現し、有袋類を駆逐した。哺乳類の進化系統樹は大陸の移動に大きく依存している。

白亜紀の恐竜は温血動物となり、懐卵するもの、幼生動物を養うものも現れた。そのまま進化したら、自由になった前足を使うものが現れ、人類のような種が出現しただろうか？　しかし、恐竜は約１億5000万年の間、地球上に存在したが、ついに文明を持つものは出現しなかった。

体表に羽毛を持っていた恐竜の化石が次々の発見されている。長年、鳥類の化石と認められていた始祖鳥に疑問符がつき、中国で見つかっている羽毛恐竜や原始的な鳥「孔子鳥」が鳥類の起源と考えられている。この場合、鳥類の出現は白亜紀前期（約１.3億年前）となる。中生代の終わりを告げた隕石による大絶滅を生き延びた恐竜は鳥類に姿を変えた。

被子植物が裸子植物にとってかわった。植物界の変化は、恐竜の種類にも影響し、ジュラ紀型から白亜紀型に変化した。巨大化する一方だった竜脚類・雷竜（ブラキオサウルスなど）や剣竜（ステゴサウルスなど）は絶滅し、より機動的で、集団生活をするイグアノドンの仲間や角竜（トリケラトプスなど）が取って代わった。

恐竜が跋扈していた白亜紀に被子植物が始めて出現し、その後大いに繁栄した。それと機を一にして昆虫類の種分化が起こったのは、被子植物と昆虫類の共進化の産物だと考えられる。被子植物が作り出した色彩豊かな蜜を持つ花は昆虫をひきつけ、両者に共生関係が成立した。現存する昆虫類の中でも繁栄を誇るハチ、ハエ、チョウ、甲虫の仲間は、中生代に入ってから多様に分化した。白亜紀には草本植物がないので森の外は荒れ地だった。

+++　ホメオスタシス　+++

哺乳類、恐竜とその子孫である鳥類は体温を一定に保つ恒常性を発達させました。タンパク質の物理化学的な機能が一定の温度下で調整され、精密な機械として組み上げることが可能になったと考えられます。その改良は、当然、個々の遺伝子に反映されたはずです。

生物体が、外部の環境変化や内部の状態変化に対抗して、形態的・生理的状態を安定に保って個体の生存を維持する性質のことをホメオスタシスと言います。病気はホメオスタシスの異常として捉えることができます。たとえば、体内で血液を循環させる仕組み（循環系）ではホメオスタシスは血圧や末梢部分での血流の維持などを行う仕組みを提供し、高血圧や心不全などはその異常として説明されます。

最近の分子生物学の急速な進歩により、血液循環を調節する因子が次々と発見されました。その数の多さは、古典的なホメオスタシス理論の予想を遥かに超えます。ひとつの現象、一つの反応は複数の遺伝子（タンパク質）が関与し、その遺伝子のオン・オフを制御する遺伝子が存在することなどが芋づる式に明らかにされたのです。血流や血圧を感知するタンパク質や、ホルモンなどの情報分子や自律神経による調節をつかさどるタンパク質、それらの様々なシグナルの受容、そして血流量、血圧などに関係する血管の太さを調節する平滑筋の収縮弛緩を引き起こす仕組みなどが明らかにされました。

血管を構成する様々な細胞に作用する調節シグナル一つをとっても複数あるため、分子・細胞レベルの研究だけではネットワーク全体のダイナミクスを明らかにすることはできません。循環系が生命維持に必須であるため、一つの調節器が変調をきたしても同等の調節器が代役を果たすことでホメオスタシスが維持され続ける仕組みと考えられます。

外部環境の変化には、気温や乾燥、感染や怪我、飢餓や毒物の摂取などであり、内部環境の変化には病気、情動、老化や妊娠などがあります。広い意味では、ホメオスタシスをストレスに対する防御反応と捉えることもできます。また、ホメオスタシスとは無秩序な状態に至ろうとする物質の傾向に対抗し、秩序を維持しようとするプロセスです。

正常な機能や状態からのずれは、様々な分子装置で感知され、逆方向への生理反応によって補正され、結果としてある幅をもった変動しか示さないように調節されます。これらのしくみは、自律神経系、内分泌系、免疫系などによって無意識に行われます。生物体では感知・制御する機能単位は細胞です。生物体内では、細胞の活動に適した一定の範囲に体液成分、浸透圧、pH、体温などが保たれています。許容範囲を超えると生物体は死ぬか、回復不可能な傷跡を残します。

感情とホメオスタシスは密接に関連しています。ホメオスタシスの不備は主に負の感情となり、ホメオスタシスが適切なレベルに維持されていると正の感情に反映します。いわば、感情とはホメオスタシスの心的な代理です。

+++　生物は群れを作り、統率のとれた集団行動を示す　+++

メダカやタナゴのような小魚の群れにはボスが存在しませんが、統率のとれた集団行動を示します。水族館で、また、海中散歩の映像で、颯爽と泳ぐ魚の群れは美しく、神秘的です。リーダーがいないのに秩序が形成されるというのは不思議ですが実際には単純な原理です。

通勤ラッシュの駅では、たくさんの人々が行きかいます。しかし、このとき人々は滅多に衝突しません。人々の行動を指揮する者はいませんし、それぞれの人も駅全体の様子を把握できるわけではありません。自分の目の届く範囲でうまく歩こうとしているだけです。同じように小魚の群れも、各個体が近くにいる何尾かの個体と一定距離を保ち、進行方向をそろえているだけです。おそらく草食動物の大きな群れも同じような原理で維持されているでしょう。群れ行動というのは、最小限の努力で最大の効果があげられるようなシステムです。群れをシミュレーションするには、群れとしての行動をプログラムするのではなく、群れを構成する要素に簡単な２つのプログラムを付けます。

2つの条件下で任意の座標から運動をスタートさせると群れができます。2つのプログラムには許容される範囲が設定されますが、その範囲が広すぎても狭すぎても群れとしての行動が円滑に行かなくなります。広いと群れがばらばらになり、狭いと障害物にぶつかったときに固まってしまうのです。

群れが大きな籠のような障害物の中に入ったとします。しばらくして出口の近くにいる個体が外に出ようとします。特定のリーダーが障害物の奥にいると、脱出するべきかどうかの判断がつきません。また、群れ全体の様子が各個体の行動を律する場合（全会一致によって群れの意思決定を行なう）も、出口付近の個体の脱出も止められてしまい、全体が脱出できません。

群れの各個体が周りの数匹だけで行動を決定すると、奥にとどまろうとする個体と脱出する個体に分裂してしまい、もはや群れを維持することができなくなります。群集の密度が高い状況下で利己的な傾向が強くなると、パニックとなり、圧死事故を起こしたりします。

適度に周りを見回すことで、一つの群れを維持しつつ、しかも、障害物を脱出しようとする個体の情報が，うまく奥の個体にも伝達されると、群れ全体が安全に障害物から抜け出すことができます。群れ行動にとって、他の個体に協調しようとする行動と自分自身で考えた利己的な行動がうまくバランスを保つことの必要性を示しています。

+++　子供を守る動物は群れを作る　+++

子供を守る動物は哺乳類だけではありません。恐竜の中にも群れで行動し、子供をはぐくんだ種類がいました。恐竜の子孫と言われる鳥類も子供を守り、育てます。

見晴らしのよい草原にすむ草食動物は群れをつくり、移動します。群れ生活では周囲を警戒する個体がいればほかの動物は安心して食事を取れます。集団で敵に立ち向かえば１頭の場合より防御力が上がります。妊娠したメスや生まれたばかりの子供を守ることもできます。子供が成長する間に、肉食動物の接近を臭覚、聴覚、視覚の記憶として学習し、生き延びる能力を高めます。

草原に生活する肉食動物も群れ行動をするものがいます。オオカミやハイエナ、あるいはネコ科のライオンは､群れて狩りを行います。集団の狩のほうが失敗が少なく、また、大きな相手も倒せます。捕食学習の最初は､母親が生きたままとってきた小動物に対する訓練です。群れで活動しない肉食動物も同じように訓練します。群れの場合は、さらに成体に追従して、獲物の行動とそれを捕獲する行動を学んで行くのでしょう。行動分担して狩りをする事で、捕食能力を高めた。当然ながら、集団で行動する草食動物側も防衛能力が高いわけですから、それへの適応進化だと考えられます。

63. 巨大隕石・・・天変地異は回避できるか [リスク]


白亜紀の終わり、6600万年前に生物界は史上２番目の大絶滅を経験した。その原因は、隕石の衝突とされている。直径約10kmの彗星か小惑星がユカタン半島のチクシュループ地域に落下した。この衝突によって直径180kmの巨大衝突クレーターが形成された。

直径10kmの隕石が秒速20kmで衝突すると、衝突面の温度は約1万度、圧力は600ギガパスカルに達したと推定されている。10kmは海の深さの2倍以上あるので海水だけでなく海底下のプレートの一部も一瞬で蒸発させただろう。直接効果による大津波などで多くの生物が犠牲になった。巨大クレーターに海水が流れ込み、その反動でクレーターから高さ300メートルもの津波が四方へ広がって、周りの陸地を襲った。

衝突によって宇宙空間まで飛び散った岩石片が落下し、大気圏で燃え、周囲で森林火災を引き起こした。舞い上がった塵や硫酸エアロゾルは成層圏に数か月間とどまり、日光を遮断して地球は寒冷化した。植物が一時的に大打撃をうけた。食物連鎖の頂点にある動物ほど受ける打撃は大きく、恐竜の絶滅の大きな引き金になった。

恐竜を滅ぼしたカタストロフは地球上の75%の生物種を一掃した。ラットより大きな哺乳類は死に絶えた。隕石の落下前はアライグマのサイズ（6 kg）の哺乳類が生息していたが、落下後1000年では絶滅していた。生き残ったのは600gほどの哺乳類が2-3種、シダの中をうろつきまわっていた。

10万年後には種類も2倍に増え、体重もアライグマサイズになった。植生もシダから松林に変化した。その20万年後、林はクルミやドングリに替わり、哺乳類の種類もさらに3倍に増え、大きなものは25 kgに達した。70万年後にはマメ科の植物が現れ、哺乳類にタンパク質を供給した。哺乳類はさらにサイズが大きくなり、50 kgに達する種も出現し、多様性も増した。

隕石の落下直後は温暖化で平均気温が５℃上昇。このころインドのデカン高原で大規模な火山活動があり、大量の二酸化炭素が供給されたためと考えられている。100万年の間に温暖化は３回観測され、その都度、植物の群落が変化し、哺乳類の変化を促した。

哺乳類は、環境への適応力を欠いた恐竜を追い、短い期間に食物連鎖の頂上の世代交代を果たした。恐竜の滅亡後、哺乳類は地上の捕食者の地位を確立した。進化の歴史上、過去に何度かあったように、新たな捕食者である哺乳類は非常に多様性が増し、形態や生活習慣を変えて生態学的なニッチへと進出した。

数種の鳥類は、6600万年前の恐竜を絶滅させた壊滅的出来事を生き抜いたと考えられており、それ以降、今日みられる約1万に及ぶ多種多様な種へと急速に進化した。交尾したり異性の気を引いたりする性衝動は、羽毛や羽飾りに関連する15種の色素遺伝子の急速な進化を促していた。鳥がさえずりをしたり音まねをしたりする能力は、人間にみられるのと同じ大脳回路に基づいていることが分かった。だが人間がこの能力に到達するに至った進化経路は、鳥類とは異なる。

20か国の研究者らは、4年の歳月を費やし、フクロウ、ハチドリ、ペンギン、キツツキなど鳥類48種のゲノム（全遺伝情報）を解読した。また、爬虫類の中では鳥類と遺伝子が最も近い関係にあるワニ3種とゲノムを比較し、進化の速度に大きな違いがあることを発見した。鳥類は新たな遺伝形質を獲得する速度がはるかに速かった一方、約2.4億年前に鳥類や恐竜と共通の祖先から枝分かれしたワニでは、ほとんど変化は見られなかった。鳥類から歯がなくなったのは約1.16億年前という。

もっとも古いくちばしを持った鳥類は9000万年前のIchthyornis化石である。歯のあるくちばしを持った頭部の化石がコンピュータ・トモグラフィーで再構成された。翼の出現した年代も同じころと考えられている。鳥は古い時代に出現したのであって、恐竜が滅んだ後に進化したのではない。

+++　巨大隕石は、数千万年に１度の割合で落下している　+++

小天体の落下は地球上の生物の大部分が滅亡するほどの大災害。人類も他人事でありません。小惑星を監視し、地球に落下しそうな巨大な小惑星を常に監視するプロジェクトが進められています。広い宇宙空間で小さな小惑星を見張るのは大変ですが、世界中のアマチュア天文家たちがネットワークを作り協力しています。

恐竜の絶滅の引き金を引いたのが小天体の落下という仮説が出されてから、他の大絶滅も小天体の落下が原因ではないかと巨大なクレーター跡が探索されています。大絶滅の後は新しい生物群が進化することもあり、もし、小天体の落下により生物の絶滅が繰り返されたのであれば、生命の進化は偶然の道のりを歩んできたといえます。

隕石は火星と木星の中間に軌道をもつ小惑星帯由来です。軌道をはずれた小惑星の破片などが、たまたま地球と遭遇すると隕石となって落下します。地球に残っているクレーターから、直径10km級の巨大隕石は、数千万年に１度の割合で落下していることが明らかになってきました。前回は約6500万年前。今度はいつになるのか。

+++　備えあれば憂いなし　+++

危機は、自然災害、感染症の発生や、大規模な事故、暴動、コンピュータネットワークのダウンが発生した状況をいいます。その結果、家庭や企業、地域社会、時には国家まで存続できなくなります。

リスクを４つに分類し、その管理を行う例をあげます。

危機管理には、危機を予測し、対応策をあらかじめ計画し、プランに基づいて組織し、練習する必要があります。特に事故や災害は突然来ますから、訓練が行われます。訓練は、一人一人の立場からするとたいしたことではありませんが、予測に基づいて作製された大規模な対応策が実行可能かどうかを検証するために重要です。

危機管理の目的は、どのような危機が発生するのかを予測することと、危機が発生した場合には、被害を最小化することです。ただ、危機とは発生頻度が非常に低いために、どのくらいまで対策に費用をかけるべきか、正確に割り出すことが困難です。

64. 胎盤・・・新しい生殖戦略 [レトロトランスポゾン]


超大陸パンゲアが分裂し大西洋海盆が開き、また、他の大陸も徐々に分裂した。大陸縁辺に浅瀬が発達し、植物プランクトンが大量増殖した。大気中に放出される酸素が増加した。プランクトンの死骸は沈殿し、海洋堆積物中の有機物質量が大幅に増加した。有機物が分解されなかった分、大気中の酸素濃度がほぼ2倍になった。鳥類や哺乳類の代謝には爬虫類と比較してかなりたくさんの酸素が必要である。赤ちゃんをおなかの中（胎盤で）育てるためには、大気中の酸素濃度が高い必要がある。有胎盤哺乳類の多様化が起こった時期は大気中の酸素濃度が高い時期と一致する。

ゲノムプロジェクトの成果により、哺乳類のゲノムの1/3以上はレトロトランスポゾンやその残骸であることが知られている。レトロトランスポゾンはゲノム中のある場所から別の場所へとジャンプする遺伝子である。これらの中に哺乳類の胎盤の形成に必須の機能を果たしているPeg10遺伝子が発見された。遺伝子時計の計測では1.7～1.4億年前にPeg10遺伝子のジャンプがあって有胎盤類が誕生したと考えられる。

哺乳類の祖先は単弓類である。ペルム紀の単弓類は異歯性をもち、食性が異なっていた。ディメトロドンは鋸歯をもち、肉食性であった。そのほかにも植物食性、昆虫食性の単弓類も生きていた。中には毒腺を持ち、犬歯に細い溝がある種もいた。単弓類はペルム紀末の大絶滅でほぼ壊滅したが、キノドン類が生き残った。口腔を上下に分ける口蓋が発達し、呼吸と摂食場分離した。三畳紀後期には哺乳類らしい哺乳類が登場した。

哺乳類は長い中生代の間に形態的にはあまり発展しなかったが、機能的には大きく発展した。恐竜の支配した生態系の隅で新しい環境を開拓しながら生存に必要な種々の能力を蓄えたと考えられる。夜や洞窟などの暗い環境で生活するための鋭い嗅覚と聴覚および餌や危険を察知する情報処理能力。子を乳で育てる確実な繁殖方法。乳は汗が変化したもので、乳腺は汗腺から進化した。多様な歯を持ち、いろいろなものを食べられる雑食性。体温維持の機構やおそらく冬眠のような習性。横隔膜で駆動する肺と口腔と分離した鼻腔で食物を咀嚼しながら呼吸ができた。

様々な情報を総合すると1億年前に感情に必要な基本システムは進化していたらしい。恐怖を司る偏桃体や気持ちを司る神経ホルモン、ドーパミン、オキシトシン、バソプレッシン、エンドルフィンなどである。

中生代には哺乳類は化石の証拠から25種類ほどいたと考えられる。しかし、白亜紀末のK-Pg境界の大絶滅では4系統しか生き残らなかった。単孔類、有袋類、有胎盤類、多丘歯類だけである。

有胎盤類（真獣類）は地球上の旧大陸（北米か？）に出現したとされる。より能力の高い真獣類は有袋類を追いながら進化し、生存の場所を広げた。南アメリカとオーストラリアは真獣類が侵入する前に孤立したため、有袋類が保存されることになった。南と北のアメリカ大陸がつながった（パナマ地峡ができた）のは数百万年前である。

+++　子供の数と進化の速度は相関しない　+++

動物界全体をみれば、多数の卵を産み、一生に１回生殖の機会を持つものが圧倒的に多い。１年だけの一生を送る動物も多くいます。これらの動物は大量に卵を産みます。魚類には数万個単位で産卵するものも珍しくありません。これらのほとんどが成体になる前に死んでしまい、多数の卵から生き残るものはたった２匹（＝親の数）というのが現実に近い数字でしょう。この幸運の籤を引いたものが、その動物の世代を引継ぐことになるわけです。単純に遺伝子変異の多様化と適切な選択を仮定すると、進化能力、適応能力が明らかに高いと考えられます。

逆に、哺乳類は少数の子を複数回に分けて産み、子は妊娠や哺乳によって親の保護下に置き、新世代の損耗を極限的に減らすことで栄えている動物です。たくさんの卵や種を生む生物に比べて、遺伝子変異と自然選択による進化で負けてしまう恐れがあります。が、実際に新生代の進化を見るとそのような現象は見られませんでした。

この差はどこにあるのでしょう。一つの考え方は、哺乳類や鳥類以外の生物はたくさんの子孫を残すけれども、そのほとんどは不完全で、完全なものが生き残るので進化しないという解釈です。また、そのほかの生物は生態系ではニッチな存在であるため、進化した子孫が現れたとしても死滅する確率が高いと考えることもできます。

+++　哺乳類の進化の真価は性選択と教育である　+++

群れを作っている哺乳類の場合、発情した雌と交配する機会を得るために、成熟雄の間には激しい競争が生じます。結果として、競争に勝った１頭の雄が群れの中の多数の雌と生殖の機会を持つようになります。ハーレムを作る動物は大型で世代の間隔が延長したものが多いようです。このような動物では、優れた遺伝的背景を持つ雄が大きな母集団から選択される機会を増やして、世代間隔が長くなったマイナスを補っているのではないでしょうか。

もうひとつ、重要な行動があります。哺乳動物では、哺乳の間に母親を介して、子には敵味方の区別、採食可能な食物、社会的オリエンテーションなどが「刷り込まれる」と考えられます。この生き残りに対して有利な能力を伝達すること、中枢神経系の回路形成というかたちで母から子へ継承されることを意味しており、哺乳類の環境適応に大きな役割を果たしているようです。遺伝子に書き込まれていない情報が、遺伝子と同様に自然選択に有利に働く。その仕組みを最大限利用したのがホモ・サピエンスという種です。

新生代には哺乳類は学習能力を獲得しました。環境の変化が遅いと、遺伝子の変異で変化に対応できます。非常にゆっくりと環境が変化すると遺伝子の変異が溜まり、多様性が保たれます。特に、環境の変化の幅が小さく、ゆっくりと変化する状況では遺伝子の多様化が促進されます。しかし、環境が早く変化すると、遺伝子の変異では間に合いません。大量の子孫を残して生き残る確率を上げるか、学習能力を獲得し、変化に対応できるようにするか、2つの戦略があります。

+++　感情の源　+++

中生代後期から新生代に出現した大型動物の生存戦略は集団を作り、集団で繁殖を行うことでした。そのためには集団を維持する仕組みが必要です。化学的（臭い）、物理的（泣き声や視覚情報）なコミュニケーションによって引き起こされる本能的な行動がその基本です。誘導される本能の基本テーマは信頼感でしょう。

脳内の下方に偏桃体というアーモンド形の領域がありますが、恐怖はこの偏桃体の反応が引き金となって起こります。偏桃体は拳銃や怒った顔の写真といった恐ろしいものを見るとたった0.1秒で反応します。この時間は人間が物体をはっきりと認識する以前です。すなわち、目や耳の情報が偏桃体へ直接送られる神経経路があるためです。恐怖は命の危険を瞬時に判断し、生存するための緊急反応です。

ドーパミンは意欲や欲求を生じる神経伝達物質でとして知られています。個体にとって良い反応を得た場合、ドーパミンが放出され報酬として働いています。ドーパミンの効果は麻薬によって容易に乗っ取られます。

オキシトシンは育児に必要な満足を与える神経伝達物質です。人間では社会性を保つ役割も担っています。バソプレシンはオキシトシンと同じ経路で働く神経伝達物質です。2つのホルモンは愛のホルモンでもあり、同時に人を信頼し、人間関係をうまく保つホルモンとして作用します。

発情して恋をしているときなどの興奮はフェニルエチルアミン（PEA）と呼ばれる催淫剤が分泌されている状態です。情熱的な時期を過ぎると愛着に変わります。この時期はエンドルフィンによって維持されます。エンドルフィンは脳内麻薬でもあります。

65. 新生代・・・学ぶ動物　[ミラーニューロン]


新生代での哺乳類の進化は種の数の変化に見て取れる。3000万年の間に多くの哺乳類の祖先形が出現した。その後、地球は急激に寒冷化に向かい、多くのグループが絶滅した。2000万年前には現存の哺乳類の祖先が出揃った。生物の分類は種、属、科、目、綱、門、界とあり、絶滅の時の基本単位は科である。哺乳類はこの時代を代表する動物であるが、それ以外にも鳥類や海では硬骨魚類も新生代に大発展した動物である。

新生代は暁新世、始新世、中新世、漸新世、鮮新世、更新世に分類される。このうち、生物の多様性は鮮新世、更新世に飛躍的に伸びた。これは出現頻度が高まったのに対して絶滅の頻度も高まったためである。これを種のターンオーバー速度と呼ぶ。霊長類はターンオーバー速度が更新世に高まり、他の目よりやや遅かった。ターンオーバーは結果から見ると大進化の原動力ではないか。

科をもとに絶滅と出現のバランスを見ると、6600 万年中、4000万年の間は、ほぼ1000万年に35科ほど出現。絶滅数は少しずつ増えて、漸新世（3400～2400万年前）には出現数とほぼ同数になっている。その後、出現数は少なくなり、1000万年に20科になった。絶滅数は更新世に入って急増し、1000万年あたりに換算すると80科になる。人類の影響である。

哺乳類にしろ、鳥類にしろ、特徴的なのは脳の発達である。雌雄のつがいがユニットとなって生活している種がほかの類似種よりも体の大きさに比べて顕著に大きな脳を持つ傾向がある。鳥類の場合はつがいが生涯続く種の脳がさらに大きい。カラスは適切な道具を新しく作ることができる能力を持っているゆえに、霊長類と同等の知能をもつ可能性があると示唆されている。

恐竜では、すべての歯がほとんど同じ形だったのに対し、哺乳類は、前歯と奥歯で機能を分化させた。よりうまく食べ物をかみ砕き、すりつぶすことができる。哺乳類の中でも植物を食べるのにもっともうまく適応しているのが、偶蹄類のウシやシカのなかまである。このグループはたくさんの植物をいったん胃にたくわえ、柔らかくなってから、もういちど口にもどしてすりつぶし、再び飲みこむ。これを反芻という。反芻することで、食いだめすることができるし、固い草もしっかり消化して栄養にすることができる。

魚類や鳥類は4種類のオプシンを利用する4色型色覚（赤、緑、青、紫外線）を持つ。哺乳類は2色失い、2色型色覚に退化した。長い恐竜時代に夜行性か洞窟や穴などの光の弱いところを住処としたためにオプシンを失ったのかもしれない。

哺乳類の中で、霊長類は1色が復活して3色型になった。樹上生活で微妙な色合いを感知する必要性がもたらした進化である。ただし、本来の4色型の緑、赤オプシンの組に比べ、復活型緑、赤オプシンは活性化領域も近く、識別範囲の重なりが大きい。

色工学では色空間を定め、3色の色によりすべての識別できる色を配置しています。人間の色空間の形はオプシンの波長特異性のゆがみにより、正多角形にはならない。オプシンの波長特性が十分分離した目に比べて識別できる色が少ない。

+++　ミラーニューロン　+++

指を曲げる、手を開くなどの行為は脳のF5領域が関与します。手を開いて物をつかむとき、F5領域のニューロンは順番に活動します。活動がニューロンレベルで調べられているのはマカクザルです。今回はサルが食べ物をつかむときに活動するF5領域、F1領域の113のニューロンを調査した話です。

まず、手でつかむとき活動するニューロンの順番を調べました。そのあと、プライヤーを使ったときの活動を調べました。手でつかむときに加えてプライヤーを開いて閉じるという動作が加わるはずです。その場合も同じニューロンが同じ順番で活動しました。驚くべきことに、逆プライヤー（閉じてから開く動作をする）を使った場合も同じニューロンが同じ順番で活動しました。

この研究結果の解釈として、道具を使ったときも指の延長と同じパターン、同じニューロンで処理されていることが考えられました。すなわち、F5領域では動作を制御しますが、直接、筋肉の動きをコントロールするのは別のセットがあるということ。

F5領域はミラーニューロンの場所とも同定されています。ミラーニューロンは動作を真似するときに活動します。具体的には、他人の動作を見たとき、それが自分の行う動作と同じ場合に、同じパターンで活動します。道具を使うということは、道具を使わない動作のコピーであることに符合するらしい。

鳴禽類は鳴き声を学習することが知られています。まねをする能力はミラーニューロンの働きです。ミラーニューロンは高等哺乳類に備わっている仕組みと考えられています。

鳥と哺乳類の両方でミラーニューロンが見られるということはミラーニューロンの出現が爬虫類の時代か、それとも収斂進化と考えられます。ニューロン・ネットワークの可塑性を考えると収斂進化と考えるのが無理のない仮説です。ミラーニューロンの性質は遺伝するので、ミラーニューロンを生み出す能力が遺伝するのか、ミラーニューロン構造自体が遺伝するのか。形態の収斂進化から想像するに、構造自体が遺伝するのではないかと考えられます。

+++　耳　+++

外に突き出た耳は哺乳類に特徴的です。アニメでも動物的なキャラクターでは耳が種を示す特徴になっています。犬や猫は音のする方向へ耳を向けるし、ウサギはもっと顕著です。外耳は進化的には魚の鰓（エラ）が起源です。

外耳には形を維持するために軟骨が入っています。外耳の軟骨は柔らかいのが特徴です。通常の軟骨は骨の関節で骨を保護するために形成されていて、ある程度硬く、関節にかかる力に負けません。このような軟骨は３種類に分類されます。

硝子軟骨は骨端部分を覆う関節で最も一般的な軟骨で、膠原線維とプロテオグリカンを多く含みます。線維軟骨は脊椎など動きの少ない関節に存在し、骨と骨の間でクッションの役割をし、膠原線維を多く含む軟骨です。弾性軟骨は耳介、外耳道、耳管、喉頭蓋などを構成する軟骨です。弾性線維を多く含み、柔軟性に富んでいます。

弾性軟骨のうち、頭部にある軟骨は脂質を多く含み、さらに柔らかくなっています。このような軟骨は耳介、鼻、喉頭（のど）、胸骨にあります。哺乳類の耳介の発生をコントロールする遺伝子群と魚の鰓の形成をコントロールする遺伝子群がよく似ていました。

個体発生は系統発生を繰り返すという生物学的な知見がありますが、哺乳類の個体発生の過程を調べると確かに鰓の原器に相当する部分から外耳が作られてきます。

鰓を支える鰓弓から肩の骨が進化したように、魚と哺乳類の頭部は共通のパーツをうまく使い分けているようです。鳥や爬虫類には外耳がありません。哺乳類は両生類から進化するときに鰓をうまく軟骨に変化させ、集音機能の高い耳を作り出したようです。

66. 果実・・・共存共栄 [種子]


植物は大絶滅に強く、動物種をもとにした地質年代のように明確な交代が見られない。海棲藻類はオルドビス紀中期まで主流であり、陸上に生息域を拡大すると石炭紀ごろからシダ植物が、ペルム紀の中期からは裸子植物が繁栄し、被子植物が主流になるのは白亜紀の中期からである。

昆虫類は植物の変遷に大きく影響された。昆虫の中で最も早く化石として現れたのは大型のトンボ、メガネウラ類である。石炭紀に出現し、ペルム紀で絶滅した。ペルム紀にはカゲロウの仲間、甲虫類、バッタ類、ハエ類、ゴキブリ類の祖先が出現する。植物に依存したこれらの昆虫はペルム紀末の大絶滅も乗り越え、現在まで子孫が生き残っている。蜂や蝶の祖先は三畳紀になって出現する。

被子植物は裸子植物から誕生したと考えられているが、裸子植物との関連、どの裸子植物を起源とするかはまだ分かっていない。水生植物であるヒダテラ科やスイレン目は、中生代に出現した最初の被子植物である。ヒダテラでは種子に栄養を供給するのは被子植物のように胚性組織からではなく、裸子植物（針葉樹類）に一般的な母性組織からである。

現在、被子植物は約400科、25万～30万種がある。新生代第三紀に現在まで繁栄している属が出現した。哺乳類と同じように、約1000万年前に現生種が出揃い、約200万年前までに第三紀を特徴づける種が消滅した。

裸子植物、被子植物はいずれも維管束に由来する硬い体を持つ。ジュラ紀の恐竜は硬い植物をすりつぶすことができなかった。巨大な雷竜は胃の中に石を持っていた。鳥の砂嚢のようなものである。歯は葉を引きちぎるだけの役目しか果たさなかった。白亜紀の草食恐竜は頬を発達させ、臼歯を作り出すことで植物をすりつぶすことができたと考えられる。

被子植物は消化しない殻を持つ種子を仕込んだ果実を哺乳類や鳥類に提供し、繁殖域を拡大する作戦に出た。食物連鎖上で常に食べられる地位にある植物の作戦であり、昆虫と同じように共生の進化上にあると思われる。

+++　植物は様々な方法で種子をばら撒く　+++

種子を作る植物は変化する気象や地形などの自然条件に合わせて種子の大きさや拡散方法などを様々に変化させました。

タンポポは、春、他の草が生長するまえに花を付けます。花の背丈は低く、地面に張り付いたように咲きますが、受粉して種ができるころには綿毛が風に乗りやすいように大きく背伸びをします。同時に、花びらを覆っていた萼（がく）は反り返って茎にぴったりつきます。萼に誘導されるように、たくさんの種は丸く開き、白い綿毛のボールになります。

道端によく見られるカタバミですが、種子を包んでいるサヤが成熟すると、乾燥し、パチンとはじけます。大き目の物を選んで、触るとバチバチした感触が面白い。小さな子供に教えるととても喜びます。はじける鞘はホウセンカが有名ですが、ゴマやゲンノショウコもはじけます。

また、種子が厚い果肉に包まれているリンゴやみかんなどは果物と呼ばれます。種子が果肉の中にあるうちは種子が成熟しても、果肉の中には発芽を抑える物質が作用して芽を出すことができません。果物を作る植物は、枝から落ちて果肉が腐ることもありますが、動物によって食べられ、種子は消化されずに、親から遠いところで糞と一緒に排出されることで、子孫をばら撒くことができます。どんぐりや栗はリスなどによって地中に埋められて、結果的にばらまかれて発芽し生長します。

+++　植物との共生社会　+++

理想的な社会を表現する言葉に、ユートピア（未来型）とアルカディア（桃源郷）があります。ユートピアは人間もしくは神が人間のためにすべてを管理するイメージがあり、アルカディアには人間が自然の中に溶け込んで生きるイメージがあります。ユートピアは欧米的なイメージ、アルカディアにはアジア的なイメージ。環境重視の未来はアルカディアではないでしょうか。

哺乳類が食物連鎖のトップを占め、多様に進化してから6000万年。昆虫と植物ほど密接ではないですが、相互に利用する関係が見られます。人間は、さらに、自然の仕組みを理解しながら、文化･文明として植物との共利共生関係を築いています。この関係が発展すれば、現代文明の利便のほとんどを身の回りの植物から得るような生活ができるのではないか。

遺伝子組換え技術を応用した育種により、生きた樹木や草を複数種、組み合わせて家を作り、木を育てるように家を育てる。日当たりや木のバランスに気を配り、樹木の病気、害虫を駆除する。多様な果実や葉を1年中、食料として楽しみ、医薬品は家に寄生している植物の葉や実から得る。家の姿を整えるために切り落とした枝葉から道具や衣類が作り出される。排泄物、廃棄物は家を作る木の土台にある洞で肥料に変えられる。私の考える植物との共生関係の未来像はこんなアルカディアです。

67．社会性昆虫・・・環境を変える生物 [生態系エンジニア]


白亜紀には、シダや裸子植物に代わって、花をつける被子植物が一気に多様化した。被子植物は、私たちの身の回りに普通に見られる花の咲く植物である。被子植物の確実な証拠は白亜紀の初め約1.3億年前の花粉化石である。白亜紀後期に主要なグループが出そろった。

被子植物は成長が早く、生態系にかつての倍の栄養分をもたらした。また、花や果実などの多様な食物を生み出した。それを機に、昆虫は一気に数を増やし、現在の繁栄に至った。

被子植物が花粉や蜜を提供し、昆虫が植物の花粉を運ぶようになると、両方の生物の間の相互作用が豊かになり、両者ともに多様化した。その基本はハナバチである。ハナバチの祖先は１億年前（白亜紀）にさかのぼる。ハチなどの昆虫は琥珀（こはく）の中に閉じ込められた形でも保存される。

蟻が地球上に出現したのは少なくとも1億4500万年前（ジュラ紀の終わりごろ）とされている。初期の蟻は形態的に特殊で、限られた食料に依存していた。それは数を減らしつつあったシダや裸子植物だったのかもしれない。蟻の繁栄が始まった白亜紀中期、8300万年前。蟻は現代の蟻に変わった。現在の蟻の情報から系統樹がつくられると、被子植物が繁栄した時期に蟻の多様化がぴったり重なる。現在の蟻は食で言えばいわばジェネラリスト。被子植物が数を増やすにつれ、現在の蟻は多様な食物を利用しながら今日の繁栄を築いた。

甲虫や蝶も同様に多様化が進んだ。蟻以外の昆虫は花の蜜を食べることで繁栄したが、蟻は葉や枯れ木などを好み、住処とした。

人類が農耕を始める6,000万年前、すでに農耕を始めた社会性昆虫がいた。社会性昆虫の出現は6600万年前の大絶滅の頃とされている。蟻とシロアリである。女王と多数の生殖能力のないメス（ワーカー）、少数のオスで集団を形成している。両者とも巨大な巣穴や蟻塚を形成し、栄養分を集めて独自の生態系を形成した。環境エンジニアと呼ばれる。蜂は受粉を通じて環境を維持している。いずれも集団が協調して捕食者への攻撃や環境改善に取り組む仕組みを持っている。

+++　蝉　+++

蝉の化石が見つかるのは2億4000万年前の三畳紀中期からです。その頃の蝉（巨大ゼミ）は森に棲んでいて体長15cmに達しました。古代ゼミは1億5000万年を経た白亜紀の後期に絶滅しました。

研究者は古代ゼミ73種の化石を集め、翅の形状を解析しました。現代の空力学的観点から飛行速度、効率、すばしこさの3点で評価。白亜紀には速度で40％、エネルギー効率で26％の改善が見られました。翅の形状はより尖り、細長く変化しました。

時系列に並べてみると変化が大きかったのは1億4500万年前です。このころから鳥の先祖が空に進出をはじめたと推測されていました。すなわち、翅の進化は捕食者である鳥から逃げるために進化が促進されたと考えられます。

情報の少ない中生代の世界。1つの種の進化の様子から他の種の進化の様子を重ね合わせて仮説を強化するのは重要な作業です。トンボも同じころに進化したはず、とニュースでは次の解析を期待していました。

+++　ハキリアリ　+++

ハキリアリは樹木の葉を巣に持ち込んで菌を栽培し、食料としています。人間の農業と似たこの生産活動は恐竜を絶滅させた天変地異のころに始まりました。

ハキリアリは247種が知られています。初めて発見されたのは150年前。それ以来、ハキリアリの系統樹は調べられています。ハキリアリの栽培している菌はハキリアリの種によっておおよそ決まっています。しかし、菌の方の系統樹は調べられていませんでした。

研究者は30年間のフィールドワークで集めた475種の菌のゲノム情報と276種の蟻のゲノム情報を使ってそれぞれの系統樹を作りました。菌のゲノム情報はどの遺伝子を基準にするか決まっていないこともあり、困難な作業でした。しかし、でき上った系統樹の根元は１つ。おそらく1種のハキリアリの祖先が菌の祖先を使って栽培を始めたことが分かりました。そしてその時期は遺伝子時計で測ると6600万年前。恐竜を絶滅させた隕石が飛来したことに一致したのです。

シナリオは以下の通りです。隕石のもたらした大被害で地球が寒冷化、植物が枯れ果てました。もともとある種の菌を食料としていた蟻が枯れた植物で大繁殖した菌をもとに数を増やし、その菌を積極的に増やす行動を獲得した。

その後、蟻はハキリアリとして進化、多種に分かれました。利用する菌の種類も増えました。そのため、菌の系統樹の根元は絡み合ったものになりました。しかし、2700万年前、ある種の南アメリカのハキリアリが葉を巣に持ち帰って菌を植え付ける行動を獲得しました。この蟻は生存に有利な形質を得て多様化し、さらに、それに合わせて菌も改良されて多様化しました。

もっともらしいストーリーですが、確証はあるのでしょうか。巨大隕石のもたらしたカタストロフで進化した生物の例は他にもあるそうです。また、ハキリアリの話は本来なら独立した２つの生物種の系統樹が符合したこと、これは偶然ではないと考えられる、ことで再現された進化のストーリーです。

+++　シロアリ　++

Odontotermes obesus（和名は不明）というシロアリはTermitomycesというカビを栽培しています。しかし、栽培の敵である別のカビの侵入をどうやって防いでるのか。

実験に用いた病原性のカビはPseudoxylaria。Termitomycesの畑を荒らします。また、シロアリ自身にも病気を起こします。そこで、飼育しているシロアリの畑にPseudoxylariaを植え付けることでシロアリがどのような反応を示すのか調べました。

まず、Termitomycesの畑の上にPseudoxylariaの菌糸の束を載せ、そこにシロアリを入れました。するとシロアリはPseudoxylariaを集めて畑の近くの土に埋めました。そのあと、Pseudoxylariaに触れていたTermitomycesを一掃し、同じように土に埋めました。シロアリは仲間のシロアリの死骸を土に埋める習性がありますので、その応用と思われました。Pseudoxylariaの汚染がごく一部である場合、汚染部位の周りのTermitomycesを取り除き、汚染部位を土で覆って除去しました。土に埋められたPseudoxylariaは窒息死するようです。

Pseudoxylariaは本当に窒息死するのか？　研究者はTermitomyces畑の土に注目しました。すると、バクテリアサイズの抗菌物質が見つかりました。というか、おそらくシロアリに共生している細菌と考えられました。実際、シロアリの腸の抽出物に抗菌物質が見つかりました。シロアリはPseudoxylariaに対して耐性をもたらす腸内細菌と共生し、それはシロアリの巣の中で土壌に交じり、Pseudoxylariaを殺すのにも役に立っていると推測されました。

共生細菌を集団（分けずに）で作用させると、500種の真菌と800種の細菌に対して殺菌効果がありました。一方、分けて調べてみると、共生細菌の中にはPseudoxylariaに対して殺菌効果を持つ細菌が複数見つかりました。ということで、シロアリの畑の土は、共生細菌をたっぷり含み、多くの真菌、細菌に対して効果があるということを意味します。

人類の作物で病気を起こすのは真菌が7割、残り2割が細菌です。シロアリ畑から見つかる抗菌物質は人類の農業でも、たぶん、医学でも、微生物学的浄化法としても役に立つ可能性があります。

最後に、この記事を読んでいて、シロアリの行動は本当に本能だけなのか興味を持ちました。本能なら遺伝的に決まった行動です。これだけ複雑な営農を決まった行動だけでなしえるのか。長い進化があったとは思いますが、驚くばかりです。

68. PETM・・・大陸が海の流れを変える [南極海流]


5500万年前に急激な温暖化が起こった。暁新世・始新世境界温暖化極大期（Paleocene-Eocene Thermal Maximum、PETM）と呼ばれる。その原因はメタンハイドレート崩壊説が有力であるが、火山や海流の大きな変化も考えられる。1万年の間に大量の二酸化炭素もしくはメタンが大気に放出された。温室効果により気温は5-8度上昇した。これはそれまでの数億年で一番の温暖化である。

中緯度地方まで亜熱帯となり、極地方は亜寒帯気候で寒帯気候は見られなかった。温暖化は1000万年ほど続いた。この時期に裸子植物から被子植物へ交代が急激に進行した。同時に偶蹄目、奇蹄目、霊長類が出現し、哺乳類の多様化が進んだ。本来なら大量絶滅になるはずであったが、意外と生物は生き延びた。海洋微生物、円石藻や有孔虫類が進化し、二酸化炭素の破滅的な増加が吸収されたためという仮説がある。

新生代は、第四紀とよばれる氷河時代とそれ以前の古第三紀、新第三紀にわけられる。北極海海底の掘削により、過去5500万年の北極の気候変化が明らかにされた。過去5500万年にわたって寒冷化してきたが、特に4500-2500万年前に劇的に二酸化炭素が減少することで地球は大規模に寒冷化した。この境を古第三紀（6500-2300万年前）と新第三紀（2300-250万年前）の境界としている。

インド大陸がアジアにぶつかり、アラビア半島がトルコにぶつかり、アフリカがヨーロッパに接近した。その影響で1500万年前からヒマラヤ、アルプス山脈が隆起し始めた。大規模な火山活動もあった。巨大山脈は氷河を擁き、アルベド効果により寒冷化に貢献した。また、急激な浸食によりカルシウムイオンが海水へ流入して大気中の二酸化炭素が減少した。これもまた寒冷化の一因とされる。

インド大陸の移動速度は突出している。計算では毎年20cm。オーストラリア大陸は毎年数cm、大陸の乗っていない太平洋プレートも毎年5cm程度である。インド大陸の乗ったインディアン・プレートはユーラシア大陸の下に潜り込んでいる。5000万年前にインド大陸はユーラシア大陸にぶつかり、インド大陸の前方にあった海底がインディアン・プレートに乗り上げる形でプレート上に押し上げられた。これがヒマラヤ山脈である。押されて盛り上がったユーラシア大陸がチベット高原である。インディアン・プレートが沈み込むあたりは標高の低い広大なガンジス平原になっている。

南極大陸はパンゲア超大陸の南端にあったが、緑の植物に覆われていた。約3500万年前にタスマニア島との間に海流が流れ、オーストラリアが南の大陸塊から次第に北上して分離した。約3000万年前に南極は現在の位置に到着し、南米大陸との間にドレーク海峡が生まれ、最後まで連絡していた南米と分離した。その結果、南極大陸のまわりを回る寒流、南極海流が形成され、暖流を遠ざけるようになった。南極には2500万年前までは森林が残っていた。

1500万年前になると南極からニューギニア東部への深層海流が形成された。これによって太平洋全域に冷海水が運ばれて蓄積するようになり、地球全体を冷やす結果となった。南極大陸は現在のように凍りつき、厚い氷床が発達した。氷床は900万年前に全土を覆った。氷床の発達と500万年前以降の地球環境の寒冷化は同時進行している。南極大陸を覆う氷床の厚さは4000mに達する。南極大陸に氷床ができたことで世界の海水面は約70m下降した。また、南極大陸は、氷床の重さで500mも沈んだ。南極大陸の巨大な氷床は冷熱源として地球環境に影響している。

+++　海流は大気の流れによって生じる　+++

偏西風や貿易風に押されるようにして海面に流れが生じます。これが海流です。北半球では太平洋や大西洋に大きな時計回りの海流が流れています。赤道付近では東風が、北緯30度から60度では西風が海面を押すためです。海流は大陸の東岸で流れが強まり、日本の太平洋側を北上する黒潮やアメリカ東海岸を北上するメキシコ湾流が有名です。北ヨーロッパが高緯度の割に暖かいのは、暖流であるメキシコ湾流の影響です。

逆に、大陸の西海岸は寒流が流れます。南アメリカの西海岸、チリ、ペルー沖では南極から流れてくる寒流が北上します。寒流は赤道に沿ってオーストラリアに流れていきます。この流れはかなり強く、深海底から海水を湧きあがらせます。ペルー沖では栄養分豊かな湧昇流により、豊かな漁場が広がっています。ペルー沖では水温が低く、オーストラリア東海岸では水温が高い。この温度勾配がゆるくなった現象をエルニーニョと呼びます。エルニーニョ現象のメカニズムはよく分かっていませんが、地球レベルでの異常気象の発生に符合します。

北西太平洋、カルフォルニア沖でも同じような現象が見られます。湧昇流、寒流と暖流がぶつかるのはモントレー半島沖であり、巨大な海草であるジャイアントケルプの森が育ちます。

+++　海底深層流は地球全体を循環する　+++

海表面部の海流とは別に、地球の海の深層水はゆっくりと地球全体を立体的に循環します。流れは北大西洋で沈みこみ、大西洋の底を南下し、アフリカ沖、インド洋の南を抜けてニュージーランド沖から北上、フィリピン沖で沸きあがります。南極の周りでも沈み込みが起こっていて、この流れに合流します。メキシコ湾流に対応する南向きの寒流がないので、一部が沈み込むのでしょう。深層流は長い年月にわたる大規模なものであり、地球の気候変動にも大きな影響を与えているようです。氷河期の終わりにカナダの氷河が融けて一度に北大西洋に流れ込み、深層海流を止めた事件がありました。塩分の低い（比重の小さい）水が北大西洋での沈み込みにストップをかけたのです。この影響で南からの暖流が停止し、ヨーロッパは第二の小氷期を迎えることになりました。

69. 草原・・・寒冷化と短いライフサイクル [C4植物]


被子植物は単子葉類と双子葉類に分けられる。双子葉類の起源のほうが古いようである。

単子葉類はもっとも繁殖力の大きい植物で、イネ科の植物がよく知られている。光合成の速度も大きく、環境がよければ最も早く成長する。一般に風媒花である。ケイ酸を吸収し、葉や茎、種子の外皮に蓄える。ケイ酸の結晶は害虫などから身を守るほか、茎や葉の強度を高メル効果がある。降水量が少なく、森林ができない地域で草原を形成する。

双子葉類は形態も大きく異なる多数の種からなる。形もさまざまで木、草花、蔓などがある。浮き草のように葉と根だけの変わり者もある。大部分は自生するが、ヤドリギのように寄生するものもある。世界最大の花ラフレシアはスミレの仲間であるが、完全寄生植物である。生育環境も多種多様で、砂漠のサボテンから、水中の睡蓮やホテイアオイまである。

大雑把に分類すると単子葉類はC4型光合成を行い、二酸化炭素濃度が低くとも、植物界で一般的なC3型光合成より生育が早く、また、乾燥に強い。C4植物は白亜紀の後期に出現し、大気中の二酸化炭素濃度が低くなった700万年前に爆発的に増加した。200万年以降、二酸化炭素濃度の低い氷期が出現したことから温暖な地域で優勢的になった。

第三紀の終りより地球が寒冷化し、寒い冬が訪れるようになったので一年生植物が繁栄した。一年生植物は硬い茎を持たず、季節に合わせて成長し、冬になる前に多数の種を残し、本体は枯れてしまう。寒い冬は長く生きられる種で過ごす。したがって、世代交代が早い。また、落葉樹は秋に葉を落とし、生産活動を終了して寒い冬を乗り越える。これも寒冷化に適応した結果であり、それまでの地球には存在しない生き方であった。過去の大絶滅は寒冷化が大きな原因であり、植物にとって寒冷化に対する最大の適応戦略は一年生植物かもしれない。温帯に生息する昆虫も寒さに強い卵や蛹を作り出し、1年で世代交代する種類が多い。

各大陸での隆起運動で大陸の内部に高原や台地がひろがった。500万年前ごろから寒冷化が進行した。大陸の内部には乾燥気候がひろがり、C4植物であるイネ科の植物が発展した。大陸には草原ができた。そして、このような草原に適応した新しい種類の草食動物、有蹄類が発展した。有蹄類は固いシリカを含むイネ科の植物もすりつぶせる歯を持った動物である。私たちの祖先のサルのなかまも森林の樹上生活から草原に出て、２本の足で地上を歩き出した。アフリカでは300万年前から寒冷化とともに、気候変動が大きくなり、乾燥が進んだ。同時に平地では森から草原へとゆっくりと切り替わった。ちょうど原人が出現し、繁栄するのと一致する。

+++　稲作は東アジアにマッチした穀物生産法である　+++

日本では稲作を中心に食生活が考えられてきました。保存性が高い米は年貢として税金にまでなりました。水稲はアジアモンスーン気候に位置する日本の気候に合った穀物でしょう。

田んぼは維持が大変ですが、いわば、試行錯誤の結果作られた水耕栽培です。栄養分を水が運び、老廃物を流し去るために稲の生育がよく、輪作が可能です。また、水を張るために侵入する雑草が限られます。それだけでなく、田んぼは国土の保全、水源の涵養、自然環境の保全、良好な景観の形成、文化の伝承といった役割を果たしています。自分も幼い時から慣れ親しんだせいかもしれませんが、夏の田んぼの緑の絨毯の景観が大好きです。

+++　組換え穀物　+++

世界のすべての人の生活水準が向上することは望ましい変化です。そのために家畜も穀物も同じ飼料や肥料でより大きく育つように改良されます。

植物もゲノム時代を迎えています。とにかく、全遺伝子を調べる作業が急ピッチで進行しています。その結果、機能はわからないが遺伝子配列だけは調べ上げられます。中国農業科学院では遺伝子発現を制御する遺伝子に目を付けました。118品種の米やトウモロコシの遺伝子発現を制御する遺伝子（転写因子）を網羅的に調べました。「日本晴れ」品種が窒素分の少ない土壌で生育したときに発現量が多くなる転写因子を探しました。そして13個の遺伝子を見つけました。

転写因子は複数の遺伝子を制御します。ある遺伝子の転写を活性化し、別の遺伝子の転写は抑制します。いくつの遺伝子をどのように制御するのか詳しくはわかりません。言ってみれば片っ端から試す仕事です。

見つかった遺伝子を「日本晴れ」品種に導入し、その遺伝子の発現量を多くした遺伝子組換え稲を作製しました。候補遺伝子13のうち、5つが窒素の取り込み量が増えていました。その中でもOsDREB1Cという転写因子を導入した稲が生育も良く、根の張りもよいことが分かりました。

OsDREB1C組換え稲は窒素の取り込みもよく、葉緑体も1.3倍、光合成の中心酵素であるRuBisCOの発現量も38%増加していました。米の収穫量も増加。収量の多い中国産の品種にも導入してみたところ、40%も米の収穫量が増えました。温室内の試験では米の粒も大きく、数も多いことが分かりました。

OsDREB1C 遺伝子は米にだけあるのではありません。小麦にも他の単子葉類も、さらには双子葉類も持っています。そこで組換え実験に使われるシロイヌナズナに導入したところ、同じ成長効果が得られました。ということは他にも多くの作物の成長や実りを豊かにする可能性があります。

研究は遺伝子組換え植物ですが、遺伝子編集技術を使って単純に遺伝子数を増やすなど、より安全な作物を開発することが求められます。干ばつに強い作物、寒さに強い作物が転写因子の遺伝子操作で誕生し、組換え作物が多くの実りをもたらすこと、貧困や飢えを撲滅できることを期待します。

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