私たちを取り巻く空気は不変のように感じられますが、その歴史は長く、波乱に満ちています。地球の大気は、いま私たちにおなじみの酸素に富んだ組成で始まったわけではありません。気体の供給源は宇宙空間や激しい衝突、火山活動、岩石との化学反応、そして最終的には生命そのものへと移り変わり、途方もない時間をかけて大気はつくり変えられてきました。
これは、地球史の中でも最大級の変貌の物語です。まったく異なる気体が支配していた惑星が、最終的には豊富な遊離酸素を含む大気をもつようになったのです。ただし、酸素は一度現れてそのまま安定したわけではありません。数億年単位の時間スケールで、増えたり減ったりしながら変動してきました。
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第一の大気：太陽星雲から借りた空気
地球のもっとも初期の大気は、太陽や惑星を生み出したガスと塵の雲「太陽星雲」に由来する気体から形成されました。この最初の大気の主体は水素であり、水蒸気、メタン、アンモニアといった単純な水素化物も多く含まれていたと考えられます。
水素化物とは、水素と他の元素からなる化合物のことです。この時期の水素に富む気体は、巨大ガス惑星で見られるような単純な化合物とよく似た性質をもっていました。
しかし、この最初の大気がそのまま残ることはありませんでした。初期の地球はきわめて暴力的な環境で、多数の大型隕石の衝突によって大気が加熱され、もっとも揮発性の高いガスは宇宙空間へ逃げていきました。なかでもムーン・フォーミング・インパクトとして知られるテイアとの巨大衝突は、地球のマントルや地殻の大部分を溶かして宇宙へ噴き出させたと考えられています。このとき大量の水蒸気も放出され、その蒸気がのちに冷えて凝結し、冥王代の末には海水の形成に寄与しました。
脱ガス、火山活動、第二の大気の誕生
冥王代の終わりにかけて地殻がしだいに固まると、大気も冷却されていきました。空気中の水蒸気の多くは凝結し、雨となって降り注ぎ、地球を覆う巨大な海へと流れ込みました。一方で、新たな気体も引き続き大気へ供給されていました。
ここで鍵となったのが「脱ガス」と呼ばれるプロセスです。これは地球内部に閉じ込められていたガスが、主に火山活動を通じて放出される現象です。火山活動に加え、後期重爆撃期に降り注いだ巨大な小惑星がもたらしたガスが、太古代の第二の大気を築きました。この第二の大気の主成分は窒素で、そのほかに二酸化炭素、メタン、不活性ガスなどが含まれていました。
これは第一の大気から大きく様相が変わったことを意味します。約34億年前には、窒素が安定した第二の大気の主要成分となっていました。
一方で、すべての二酸化炭素が大気中にとどまったわけではありません。その多くは海水に溶け込み、風化作用の過程でカルシウムやマグネシウムといった金属と反応しました。風化とは、地表の岩石が物理的・化学的に分解・変質していく現象です。これらの反応によって炭酸塩鉱物が形成され、それが堆積物として海底などにたまっていきました。最古で約38億年前までさかのぼる水成堆積物には、こうした古いプロセスの痕跡が残されています。
弱い太陽の下で温暖だった地球
初期の地球についての大きな謎のひとつが、「当時の太陽は現在より約3割も暗かったのに、なぜ地球は液体の水と生命が存在できるほど十分に暖かかったのか」という問題です。これは「若い太陽の弱光パラドックス」として知られています。
太陽からの放射が弱かったにもかかわらず、地質記録が示すかぎり、約24億年前の一度の寒冷な氷河期を除けば、初期の地球表面は通して比較的温暖でした。ということは、大気と地表のシステムが、惑星全体が完全に凍りつくことを防ぐような働きをしていたことになります。
生命が空を変え始める
大気の歴史は、生命の歴史と切り離して語ることはできません。もっとも古い生命の痕跡は35億年前ごろまでさかのぼる可能性があり、生命はほどなくして惑星スケールの影響力をもつ存在となりました。
とくに重要だったのが「光合成独立栄養生物」です。これは太陽光を利用して自ら栄養（有機物）をつくる生物のことで、その活動は大気の化学組成を変化させました。新太古代の後半には、約10億年にわたるシアノバクテリアの光合成の結果として、酸素を含む大気が形成され始めたと考えられています。シアノバクテリアは光合成を行う微生物であり、27億年前のストロマトライト化石には、彼らが古くから存在していた証拠が残っています。
とはいえ、この段階で空が酸素で満たされたわけではありません。初期に光合成でつくられた酸素は、地表に存在する還元性物質との反応によってすぐに消費されてしまいました。還元性物質には、二価鉄、硫黄、大気中のメタンなどが含まれます。還元性物質とは、酸素と容易に反応することで、酸素が大気中に遊離した状態で蓄積するのを妨げる物質のことです。
大酸化イベント：酸素は「遅れて」やってきた
遊離酸素が地球大気中に本格的に姿を現したのは、約24億年前の「大酸化イベント（Great Oxygenation Event）」の時期になってからで、これは惑星史における大きな転換点でした。
重要なのは、酸素が「つくられ始めた」こと自体ではありません。シアノバクテリアによる光合成は、それ以前からすでに酸素を生み出していたとみられます。決定的だったのは、酸素の生産量が、酸素を奪う反応性物質の供給量をついに上回ったことです。酸素を消費する物質がもはや追いつけなくなると、遊離した酸素分子が大気中に蓄積し始めました。
これによって、大気は還元的な状態から酸化的な状態へと切り替わりました。酸化的な大気とは、遊離酸素が十分な量で存在し、新しいタイプの化学反応を駆動できる環境のことです。
この転換を示す地質学的な手がかりが、原生代初期に見られる縞状鉄鉱層（バンデッドアイアンフォーメーション）の終焉です。こうした堆積物が見られなくなることは、酸素と反応して三価鉄鉱物をつくっていた物質が枯渇していったことを示しています。
現在のガボンに残る約21.5億〜20.8億年前の古い堆積物には、地球の酸素濃度が大きく揺れ動いていた記録が残っています。これらの変動は、炭素循環に生じた大規模な撹乱である「ロマグンディ＝ヤトゥリ炭素同位体偏倚」によって引き起こされたと考えられています。
酸素はなめらかには増えなかった
酸素濃度がゼロから現代レベルまで、なだらかに上昇したとイメージしがちですが、実際の歴史はずっと複雑でした。原生代の間、酸素は大きな変動を繰り返し、そのなかには約10億年におよぶ「ユークシニア」の時期も含まれます。
ユークシニアとは、環境が酸素に乏しく、かつ硫化水素に富んでいる状態を指します。こうした化学環境は、この時代の世界において、酸素がまだ安定しておらず、一様に豊富だったわけではないことを物語っています。
前カンブリア時代の末になってようやく、大気中の酸素は15％を超える安定したレベルに達しました。
その後、より高等な真核生物の光合成独立栄養生物、たとえば緑藻や紅藻が出現し、大気の酸素化はさらに進みました。こうした強力な酸素供給は、とくにクリオジェニアン期の全球凍結が終わったのちに顕著となり、続くエディアカラ紀には「アヴァロン爆発」と呼ばれる進化の放散をもたらしました。この時期に、多細胞動物であるメタゾアが初めて本格的に繁栄し、初期の刺胞動物、プラコゾア、左右相称動物などが現れました。
続く顕生代（5億3,900万年前から現在）は、運動能力の高い動物たちが登場し、カンブリア爆発と呼ばれる急速な多様化が起こった時代です。彼らの活発な運動を支えたのも、上昇した酸素濃度でした。
なぜ酸素は変動し続けたのか
酸素が大気の主要成分として定着したあとも、その量は決して安定していたわけではありません。過去6億年のあいだに、大気中の酸素濃度は大きく揺れ動いています。たとえば石炭紀の約2億8,000万年前には、現在の約21％を大きく上回るおよそ35％に達していたと推定されています。
こうした長期的な変動の原因は、まだ完全には解明されていません。
それでも、いくつかの主要な要因は知られています。大気中の酸素を左右する2つの大きなプロセスは、植物の進化とそれにともなう炭素固定の増大、そして急速に多様化した動物と、植物自身による酸素消費（光呼吸や夜間の呼吸）です。
そのほかのプロセスも重要です。黄鉄鉱（パイライト）の分解や火山噴火は大気中に硫黄を放出し、その硫黄は酸素を消費する反応を起こします。一方で火山噴火は二酸化炭素も放出し、陸上や水中の植物による酸素発生型光合成を促す要因にもなります。
大気中の酸素が多かった時期は、動物の進化と多様化が速く進んだ時期と重なることがしばしばあります。
大陸・岩石・長期炭素循環
大気をつくり変えてきたのは生命だけではありません。プレートテクトニクスによる大陸の絶え間ない再配置も、長期的には大陸上の炭酸塩岩への二酸化炭素の出し入れを通じて、大気進化に大きな影響を与えてきました。
大気・海洋・岩石・生命がこうして結びついていることこそ、時間の経過とともに大気が大きく変化してきた理由のひとつです。炭素は大気、水、堆積物、地殻のあいだを行き来し、生物活動は炭素と酸素の化学を同時に変えてきました。
炭素同位体比のもっとも古い記録からは、炭素循環の基本的な特徴が、すでに約40億年前の段階で確立されていたことが強く示唆されています。炭素同位体比とは、岩石や堆積物に保存された炭素の同位体の割合のことで、炭素が地球の各システムをどう移動してきたかを読み解く手がかりになります。
私たちの知る大気は「深い時間」の産物
現在の乾いた空気の主成分は窒素と酸素で、そこにアルゴン、二酸化炭素、そのほかの微量ガスが加わっています。しかし、この見慣れた組成は、途方もなく長い進化の結果として生まれたものです。
地球大気は、まず太陽星雲から集められたガスから始まりました。その後、衝突によって姿を変え、揮発性の高いガスが失われ、脱ガスや火山活動によって補われ、風化や堆積作用によりさらに修飾され、やがて生命によって決定的に変貌を遂げました。遊離酸素が本格的に現れたのは、惑星と生命の歴史が数十億年も積み重なったあとのことです。そして酸素が現れたあとでさえ、その量は劇的な変動を繰り返してきました。
私たちの頭上に広がる空は、静止した背景ではありません。そこには、衝突、火山、海、微生物、大陸、そして「深い時間」そのものの記録が刻まれているのです。