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UTokyo Online Education 東京大学朝日講座 2018 田近英一
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2018年度東京大学朝日講座『「居場所」の未来』第9回

2018/11/28

地球惑星環境と生命
東京大学理学部地球惑星環境学科
東京大学大学院理学系研究科地球惑星科学専攻

田近 英一
UTokyo Online Education 東京大学朝日講座 2018 田近英一

CC BY-NC-ND

Credit：東京大学地球惑星システム科学講座

１. 生命の「居場所」＝惑星環境をめぐる問題

UTokyo Online Education 東京大学朝日講座 2018 田近英一

CC BY-NC-ND

生命の居場所＝惑星環境
変動・進化する

生命は？
地球画像：
https://www.nasa.gov/topics/earth/overview/index.html

UTokyo Online Education 東京大学朝日講座 2018 田近英一 CC BY-NC-ND

環境（居場所）変化 → 生命に影響
絶滅／適応進化

生命活動 → 環境（居場所）に影響
環境変動／環境進化
UTokyo Online Education 東京大学朝日講座 2018 田近英一

CC BY-NC-ND

生命と環境環境から物質を取り込んで代謝して排出

環

境

光合成

CO2
栄養

O2

生命
代謝（化学反応）

酸化還元条件

O2
排出

CO2

好気呼吸

温室効果

UTokyo Online Education 東京大学朝日講座 2018 田近英一

CC BY-NC-ND

地球惑星環境と生命の“共進化”

時間進 化

地球惑星環境影響
生物化学循環
酸化還元条件など

生命影響

地球画像：https://www.nasa.gov/topics/earth/overview/index.html

微生物画像：https://ja.wikipedia.org/wiki/%E5%A4%A7%E8%85%B8%E8%8F%8C

UTokyo Online Education 東京大学朝日講座 2018 田近英一 CC BY-NC-ND

Credit：東京大学地球惑星システム科学講座

２. ハビタブル（生命居住可能）惑星の条件

UTokyo Online Education 東京大学朝日講座 2018 田近英一

CC BY-NC-ND

ハビタビリティ（生命の居住可能性）■生命の生存の必須条件
これまで知られている地球上のすべての生命は，液体の水が必要不可欠

栄養，エネルギー，・・・■液体状態の水が存在する惑星（＝地球）＝ 水惑星≈ ハビタブルプラネット (生命居住可能惑星)→ 水惑星の存在条件は？
UTokyo Online Education 東京大学朝日講座 2018 田近英一

CC BY-NC-ND液体の水（海）の存在条件■ 温度圧力条件

H2Oの状態図

三重点 < 温度・圧力 < 臨界点
270■ 条件を満たさない場合

2) 海が凍結してしまう
全球凍結状態

地球の海水量
臨界点218
圧力 (気圧)1) 海が蒸発してしまう
暴走温室状態暴走温室惑星画像：
https://exoplanets.nasa.
gov/multimedia/exoplanets/?page=0&per_page=25&
order=pub_date+desc%2C+id+desc&search=&catego
ry=119%3A174&item_id=

水氷?

10.006 三重点

水蒸気
0

UTokyo Online Education 東京大学朝日講座 2018 田近英一

100
温度 (℃)CC BY-NC-ND

374

地球画像：https://www.
nasa.gov/topics/earth/overview/index.html

ハビタブルゾーン
海は蒸発（暴走温室条件）

海は凍結（全球凍結条件）

https://exoplanets.nasa.gov/multimedia/exoplanets/?page=0&per_page=25&order=pub_date+desc%2C+id+desc&search=&category=119%3A174&item_id=[https://exoplanets.nasa.gov/the-search-for-life/habitable-zones/]
UTokyo Online Education 東京大学朝日講座 2018 田近英一 CC BY-NC-ND

３. 太陽進化と地球環境の進化

UTokyo Online Education 東京大学朝日講座 2018 田近英一

CC BY-NC-ND

明るさを増していく

星の一生（進化）→ 惑星環境への影響は？

UTokyo Online Education 東京大学朝日講座 2018 田近英一

[https://imagine.gsfc.nasa.gov/science/objects/stars1.html]
CC BY-NC-ND

暗い太陽のパラドックス[e.g., Sagan and Mullen (1972) Science]

太陽光度

全球凍結
地表温度 温室（大気組成一定） 効果
有効温度（温室効果なし）＊太陽光度は時間的に増大してきた

UTokyo Online Education 東京大学朝日講座 2018 田近英一 CC BY-NC-ND

Carl Sagan and George Mullen, “Earth and Mars
: Evolution of Atmospheres and Surface Temperatures,”
Science New Series, Vol. 177, No. 4043 (Jul. 7, 1972),
pp. 52-56.
Fig. 1.
(http://science.sciencemag.org/content/177/4043/52)

暗い太陽のパラドックス[e.g., Sagan and Mullen (1972) Science]

太陽光度
実際の地表温度?

Carl Sagan and George Mullen, “Earth and Mars:
Evolution of Atmospheres and Surface Temperatures,”
Science New Series, Vol. 177, No. 4043 (Jul. 7, 1972),
pp. 52-56. Fig. 1.
(http://science.sciencemag.org/content/177/4043/52)

全球凍結
地表温度 温室（大気組成一定） 効果
有効温度（温室効果なし）＊太陽光度は時間的に増大してきたもし大気組成（と惑星アルベド）が現在と同じならば→ 約20億年前以前は全球凍結していたことになる!?
＊しかし，３０億年前以前の海水温は６０℃を越える高温環境だった！
UTokyo Online Education 東京大学朝日講座 2018 田近英一 CC BY-NC-ND

矛盾？

大気CO2レベル (現在=1)

太陽光度 (現在＝1)

二酸化炭素の温室効果によって解決？
1000

1.0
0.90.80.74030 2010年代 (億年前)

0100101

全球凍結

0.1
40302010年代 (億年前)

過去の地球大気は二酸化炭素濃度が高かった→ 太陽光度の増大に合わせて都合良く減少してきたのか?
UTokyo Online Education 東京大学朝日講座 2018 田近英一 CC BY-NC-ND

0長期的な炭素循環
ウォーカーフィードバック（気候の安定化機構）
火成活動

化学風化作用 ←温度依存性
光合成
CH2O

地球がハビタブル惑星である理由
UTokyo Online Education 東京大学朝日講座 2018 田近英一 CC BY-NC-ND

Credit：スタジオ L/スタジオ R

火成活動(CO2の供給)＝惑星自身の活動が長期的な炭素循環と気候の安定性を支えている

Pyroclastic flows at Mayon Volcano, Philippines, 1984.
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Pyroclastic_flows_at_Mayon_Volcano.jpg

Credit: U.S. Geological Survey/photo by C.G. Newhall
UTokyo Online Education 東京大学朝日講座 2018 田近英一 CC BY-NC-ND

太陽進化と地球環境進化■地球と生命圏の一生
太陽とともに一生を終える？
太陽の寿命の前に一生を終える？
https://exoplanets.nasa.gov/resources/92/exoplanet-is-extremely-hot-and-incredibly-close-artists-concept/

https://www.nasa.gov/topics/earth/overview/index.html

暴走温室状態https://commons.wikimedia.
org/wiki/index.php?curid=1193123
CC BY SA 3.0, CC BY SA 2.5, CC
BY SA 2.0, CC BY SA 1.0■太陽の一生ゆっくりと増光

現在ゆっくりと増光

赤色巨星

惑星状星雲
白色矮星

誕生 10 20304050

60 70 80 90 100 110 120 130 140
年齢（億年）[Credit: Tablizer GFDL, CC-BY-SA 2.5,CC-BY-SA 2.0, CC-BY-SA 1.0]

地球と生命の一生はどのように決まっているのか？
地球と生命はこれからどうなるのか？
UTokyo Online Education 東京大学朝日講座 2018 田近英一 CC BY-NC-ND

４. 酸素と生命の共進化史

UTokyo Online Education 東京大学朝日講座 2018 田近英一

CC BY-NC-ND

生物の大量絶滅
中生代

O/S F/FP/T T/J

新生代

K/Pg

絶滅率（％）

海生動物の属レベルでの古生代

54

3

2

年代(億年前)10https://ja.wikipedia.org/wiki/%E5%A4%A7%E9%87%8F%E7%B5%B6%E6%BB%85[http://en.wikipedia.org/wiki/Extinction_event/ に基づく]

地質年代境界＝生物の大量絶滅→ 破局的な地球環境変動が生じた？
“海洋無酸素イベント”の発生
UTokyo Online Education 東京大学朝日講座 2018 田近英一 CC BY-NC-ND白亜紀/古第三紀（K/Pg）境界衝突イベント
約６,６００万年前

https://www.space.com/22880-life-from-space-panspermia-possibility.html
http://discovermagazine.com/2015/oct/18-in-line-of-firehttps://business.nikkeibp.co.jp/atcl/report/15/276770/051300012/

UTokyo Online Education 東京大学朝日講座 2018 田近英一 CC BY-NC-ND

Credit: NASA/Don Davis

顕生代で生じた海洋無酸素イベント（Ocean Anoxic Events; OAEs）
海洋内部に無酸素水塊が発生
顕生代（過去５億４千万年間）において繰り返し生じた海洋生物の絶滅をともなう海洋無酸素イベント時の地層（約９５００万年前）[Berner (2006) American J. Science,
Berner and Kothavala (2001) American J. Science に基づく]

UTokyo Online Education 東京大学朝日講座 2018 田近英一

CC BY-NC-ND

海洋無酸素イベント
大陸の化学風化
リンP

温暖化

酸素の溶解度の低下
富栄養化による基礎生産の増加
海洋循環の停滞
O

富栄養化

栄養塩
湧昇

底生生物の絶滅
無酸素水塊が発達
硫化水素の発生

NPC

太陽光
2光合成
有機物

リンP 分解溶存酸素を消費海洋無酸素イベントの発生
UTokyo Online Education 東京大学朝日講座 2018 田近英一

沈降堆積
CC BY-NC-ND

地球大気中の酸素
アルゴン 0.9%
二酸化炭素

その他

生命活動に由来

酸素20.9%窒素 78.1%

酸素は生命の光合成によって生成生命誕生時には酸素はなかったｰ嫌気性生物は酸素があると死滅
好気性生物は酸素を呼吸してエネルギーを獲得（酸素がなければ死滅）
UTokyo Online Education 東京大学朝日講座 2018 田近英一 CC BY-NC-ND

酸素濃度の増加
嫌気的環境

好気的環境

0.1

0.1

(22-20億年前)

0.01

0.0110-3

10-3

10-4

10-4 “酸素の微かな痕跡”?
10-54010-5S-MIF

10-6301020
年代（億年前）大気中の酸素分圧 (気圧)“オーバーシュート”10

酸素濃度は約２２億年前と約６億年前に急上昇？
※酸素濃度は25億年前以前にかすかに上昇？
※酸素濃度は約22-20億年前にオーバーシュート？
UTokyo Online Education 東京大学朝日講座 2018 田近英一 CC BY-NC-ND

酸素濃度の増加
嫌気的環境

好気的環境

0.1

0.1

(22-20億年前)

0.01

0.01

10-3

10-3

10-4

10-4 “酸素の微かな痕跡”?
10-540

10-5

全球凍結
イベント

S-MIF

301020
年代（億年前）10-6

大気中の酸素分圧 (気圧)“オーバーシュート”10

酸素濃度は約２２億年前と約６億年前に急上昇？
※酸素濃度は25億年前以前にかすかに上昇？
※酸素濃度は約22-20億年前にオーバーシュート？

全球凍結イベントと酸素濃度上昇が関係？
UTokyo Online Education 東京大学朝日講座 2018 田近英一 CC BY-NC-ND

スノーボールアース（全球凍結）

UTokyo Online Education 東京大学朝日講座 2018 田近英一

CC BY-NC-ND

Credit：E. Tajika/ K. Oide

0

新生代氷河時代
ゴンドワナ氷河時代
オルドビス紀後期氷河時代
ガスキアス氷河時代

マリノアン氷河時代
スターチアン氷河時代

10

全球凍結イベント

原生代

1520

マクガニン氷河時代

2530

太古代

年代 (億年前)

5

顕生代

地球史における氷河時代

ポンゴラ氷河時代

Image by StephenHudson, from wikimedia
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:AntarcticaDomeCSnow.jpg
CC BY 3.0, CC BY 2.5
https://en.wikipedia.org/wiki/Antarctica生物の大絶滅が生じた？
生物はどうやって生き延びたのか？

UTokyo Online Education 東京大学朝日講座 2018 田近英一 CC BY-NC-ND

全球凍結イベントにおける気候変動

全球平均温度（℃）

寒冷化

高温
環境

全球凍結

60
気候
ジャンプ

40
20

地球画像：https://www.nasa.gov/topics/earth/overview/index.html

火山活動によるCO2の蓄積

0-20

地球画像：
https://www.nasa.gov/topics/earth/overview/index.html

気候
ジャンプ

-40
数百万～数千万年間時間→ 全球平均気温マイナス40℃からプラス60℃へ!
生物はどうやって生き延びたのか？
UTokyo Online Education 東京大学朝日講座 2018 田近英一

CC BY-NC-ND

全球凍結直後の酸素濃度上昇メカニズム
太陽光O2リンが光合成活動を制限
光合成 αCO2 + βNH4 + H2PO4- + αH2O
→ (CH2O)α(NH4)β(H2PO4) + αO2 + βH+

NP
C

栄養塩

湧昇

光合成
有機物分解

リンP
沈降

UTokyo Online Education 東京大学朝日講座 2018 田近英一

堆積
CC BY-NC-ND

全球凍結直後の酸素濃度上昇メカニズム
大量の酸素の生産

６０℃

大陸の化学風化激増
リンP

リンが光合成活動を制限

部分凍結

40
200-20-40-60

気候ジャンプ

平均気温（℃）

60

気候ジャンプ光合成 αCO2 + βNH4 + H2PO4- + αH2O
→ (CH2O)α(NH4)β(H2PO4) + αO2 + βH+
80

CO2の蓄積
全球凍結

時間

太陽光

異常な富栄養化
爆発的な光合成活動
栄養塩

湧昇

O2NPC

光合成
有機物分解

無凍結

リンP

全球凍結直後は平均気温60℃の高温環境！
→地球システムの大きな擾乱堆積

UTokyo Online Education 東京大学朝日講座 2018 田近英一 CC BY-NC-ND

沈降

全球凍結直後に酸素濃度が上昇？

Oxygen level (PAL)

大気酸素レベル (現在＝１)

Mariko Harada, Eiichi Tajika,Yasuhito Sekine,“Transitionto an oxygen-rich atmosphere with an extensive overshoottriggered by the Paleoproterozoic snowball Earth,”Earth andPlanetary Science Letters, Volume 419, 1 June 2015, Pages
178-186. (https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0012821X15001429)

酸素レベルの時間変化

酸素レベルの安定解間の遷移～１億年
オーバーシュート

高い安定解

全球融解（不可逆的変化）“酸素の微かな痕跡”?
MIF-S

MIF-S

MIF-S

氷河時代

40 35

30

Mariko Harada, Eiichi Tajika,YasuhitoSekine, “Transition to an oxygen-richatmosphere with an extensive overshoottriggered by the Paleoproterozoic snowball
Earth,” Earth and Planetary Science Letters,
Volume 419, 1 June 2015, Pages 178-186 .
(https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0012821X15001429)

低い安定解
自然変動

全球凍結イベント

25 20 15Age (Ga)
年代 (億年前)105（可逆的変化）
1016
1017

0 10141015
Net primary productivity (mol/yr)
酸素生産率（生物生産） (mol/yr)[Harada, Tajika and Sekine (2015) Earth Planet. Sci. Lett.]

全球凍結直後の大規模な地球システム擾乱（高温環境下での激しい風化）→ 全球凍結が生じなければ酸素は増えなかった !?
※自然変動では小さな擾乱しか生じないUTokyo Online Education 東京大学朝日講座 2018 田近英一 CC BY-NC-ND

酸素濃度上昇と生物進化
嫌気性生物が繁栄

好気性生物が繁栄
大絶滅？ 陸上植物

大絶滅？

0.1
0.01

(22-20億年前)

真核真核生物
生物

嫌気的

10-3
10-4 “酸素の微かな痕跡”?
10-540300.01多細胞-3動物 10多細胞動物

大気：好気的
海洋：嫌気的

全球凍結
イベント

S-MIF

0.1

木炭化石

10-4
好気的

1020
年代（億年前）10-510-6

大気中の酸素分圧 (気圧)“オーバーシュート”

10

酸素大気の形成が生物の大進化を促した？
全球凍結が生じなければ富酸素大気は形成されなかった？
UTokyo Online Education 東京大学朝日講座 2018 田近英一

CC BY-NC-ND

全球凍結ー酸素濃度増加ー生物進化
地球環境進化
酸素濃度の上昇冨酸素環境
酸素濃度上昇全球凍結？
酸素濃度上昇

全球凍結？

生物進化
動物

コラーゲン

真核生物

ステロール

好気性生物

好気呼吸

酸素発生型光合成生物
嫌気性生物

貧酸素環境

真正細菌，古細菌

UTokyo Online Education 東京大学朝日講座 2018 田近英一 CC BY-NC-ND

大気成分の相対的な濃度
Relative
Concentration →地球大気と生命の共進化史
冥王代

太古代

原生代

顕生代

N2？
CO2
メタン菌

CH4

真核生物
陸上植物

O2

シアノバクテリア

45

40

35

生命の起源

30

N2O2動物

25 20 15
年代（億年前）

105

CO2
CH40
現在

[Kasting (2005) Scientific American に基づく]
UTokyo Online Education 東京大学朝日講座 2018 田近英一 CC BY-NC-ND

５. 太陽系外惑星環境と生命

UTokyo Online Education 東京大学朝日講座 2018 田近英一

CC BY-NC-ND

太陽系外に数千個の惑星が発見されている！
地球のようなハビタブルな惑星は存在するか？

惑星 3,891個(惑星系 2,900)

2018年11月26日現在
UTokyo Online Education 東京大学朝日講座 2018 田近英一

https://exoplanets.nasa.gov/resources/255/soaking-upthe-rays-of-a-sun-like-star-artistic-concept/

CC BY-NC-ND

Credit: NASA Ames/JPL-Caltech/T. Pyle

太陽系ハビタブルゾーンにおける地球の気候モード
ハビタブルゾーン

温暖気候

全球凍結状態

ハビタブルゾーン（軌道）

S. Kadoya and E. Tajika, “CONDITIONS FOROCEANS ON EARTH-LIKE PLANETS ORBITINGWITHIN THE HABITABLE ZONE:” Science
The Astrophysical Journal, August 1, 2014, 790:
107 (7pp), (http://www.astrobio.k.u-tokyo.ac.jp/tajika/wp-site/wp-content/uploads/2014/12/
KadoyaTajika2014_Apj.pdf[Kadoya and Tajika (2014) ApJ に基づく]

温暖気候モードは，日射量とCO2 脱ガス率によって制約されている

https://exoplanets.nasa.gov/resources/255/soaking-upthe-rays-of-a-sun-like-star-artistic-concept/

UTokyo Online Education 東京大学朝日講座 2018 田近英一

CC BY-NC-ND

10億年

20億年
30億年
40億年
50億年

全球凍結状態

1.0 AU

全球凍結状態

惑星進化による脱ガス率低下

太陽系のハビタブルゾーンにおける地球の気候進化

惑星内部の冷却S. Kadoya and E. Tajika, “CONDITIONS FOR OCEANS ON
EARTH-LIKE PLANETS ORBITING WITHIN THE HABITABLE
ZONE:” The
Astrophysical Journal, August1, 2014, pp. 790:107 (7pp).
(http://www.astrobio.k.u-tokyo.ac.jp/tajika/wp-site/wpcontent/
uploads/2014/12/KadoyaTajika2014_Apj.pdf)[Kadoya and Tajika (2015) ApJ に基づく]

恒星進化による日射量の増大

主星と惑星の進化によって気候の進化が決まる
地球はあと数億年で暴走温室状態となる!?
UTokyo Online Education 東京大学朝日講座 2018 田近英一

CC BY-NC-ND

太陽系ハビタブルゾーンにおける地球の気候進化

HZ外側領域

惑星内部進化に依存→ 全球凍結気候へ進化

HZ内側領域

中心星進化に依存→ 暴走温室気候へ進化
S. Kadoya and E. Tajika, “CONDITIONS FOR OCEANS ON EARTH-LIKE
PLANETS ORBITING WITHIN THE HABITABLE ZONE:” The
Astrophysical Journal, August1, 2014, pp. 790:107 (7pp).
(http://www.astrobio.k.u-tokyo.ac.jp/tajika/wp-site/wp-content/
uploads/2014/12/KadoyaTajika2014_Apj.pdf)[Kadoya and Tajika (2015) ApJ に基づく]

ハビタブルゾーン外側領域における地球類似惑星のハビタブル寿命は 約40億年程度!
UTokyo Online Education 東京大学朝日講座 2018 田近英一

CC BY-NC-ND

ハビタブル惑星環境の進化

地球画像：
https://www.nasa.gov/topics/earth/overview/index.html

恒星の進化（増光）
が支配的な場合
HZ内側領域

地球の場合
暴走温室惑星画像：
https://exoplanets.nasa.gov/resources/
92/exoplanet-is-extremely-hot-andincredibly-close-artists-concept/

進化

暴走温室

HZ外側領域惑星の進化（冷却）が支配的な場合

Credit：E. Tajika/ K. Oide

全球凍結
UTokyo Online Education 東京大学朝日講座 2018 田近英一

CC BY-NC-ND

ハビタブル惑星環境の進化
恒星進化 vs 惑星内部熱進化 → ハビタブル惑星環境の進化

温度(℃) 超高温環境
200

暴走温室状態（海洋の蒸発） ＞374℃
アミノ酸・核酸の分解

暴走温室恒星進化が支配的

高温環境
100

バクテリアのみ生存可能

60
温暖環境
0

寒冷環境
惑星形成

生物圏の運命は？
全球凍結

時間

現在
惑星内部進化が支配的

UTokyo Online Education 東京大学朝日講座 2018 田近英一 CC BY-NC-ND 全球凍結

グループワーク課題
生命の存在が普遍的で必然的なものであり，星の一生や惑星の一生が普遍的なものだとしたら，生命はどのような一生（運命）をたどるのだろうか？
そのなかで，人類（や人類のような技術文明と自らの意思を持つ知的生命体）は，どのように「居場所」を確保していくのだろうか？
UTokyo Online Education 東京大学朝日講座 2018 田近英一

CC BY-NC-ND