3. 地球の大気の進化
太陽系惑星の大気
太陽系には 8 個の惑星が太陽を中心に公転しており、我々の地球は内から 3 番目の軌道を公転しています。近年その他に最も外側の軌道を公転している 1 個の惑星の存在が発表されたばかりで、その真偽のほどが確かではありません。アポロ宇宙船が初めて月面に着陸して月の石を持ち帰ってから、マリナー2 号、ベネラ７号、ベネラ 14 号バイキング 1号、2 号、パイオニア 10 号、11 号、ボイジャー1 号、2 号が次々に太陽系の多くの惑星に
近距離までの接近あるいは着陸に成功したので、それぞれの表面の状態や惑星の岩石や大気の情報を送信してきました。Galileo Galilei が望遠鏡で木星を観測して以来蓄積されてきた多くの知見に加えて、これらの宇宙船から得られた情報を表 3-1 に掲げました。地球に近い金星と火星は大きさも密度も地球と類似していますから、内側の軌道を公転している
3 つの惑星は 46 億年前に同じように誕生した兄弟星と考えられます。また、外側に公転している木星と土星と天王星と海王星の 4 つの惑星は質量も体積も大きく、太陽と同じようにかなり小さな密度を持っていますから、外側の軌道を公転している 4 つの惑星も別の兄弟星として誕生したと考えられます。
表 3-1 惑星の性質と大気組成（％）
大気成分 分子式 分子量
水素
H2
2
ヘリウム
He
4
メタン
CH4
16
アンモニア NH3
17
水
H2O
18
窒素
N2
28
酸素
O2
32
アルゴン
Ar
40
二酸化炭素 CO244
二酸化硫黄 SO264
惑星半径（km）
惑星質量(x1023kg)
密度(g･mL-1)
脱出速度（km･s-1）
大気圧(atom)
平均軌道半径(x108km)
太陽からの輻射量
大気温度（K)
脱出分子量

金星

0.14
3.4
0.00690.0019
96
0.019
6052
48.7
5.24
10.36
90
1.08
1.91
735
0.1729

地球

火星

2.8
78
21
0.93
0.032

0.03
2.7
0.13
1.6
95

6378
59.7
5.52
11.18
1
1.50
1.00
295
0.0596

3397
6.39
3.93
5.02
0.006
2.28
0.43
250
0.2505

木星

土星

天王星

海王星

89
11
0.2
0.02
0.0001

96
4
0.5
0.02

85
15
0.6

81
17
2
0.0003

71398
19000
1.33
59.57

60000
5680
0.70
35.56

25560
868
1.27
21.29

24760
1020
1.64
23.49

7.78
0.037
124
0.0009

14.29
0.011
94
0.001928.75
0.002759
0.003345.04
0.001159
0.0027

第 2 章の「共有結合」の節で示したように物質の運動エネルギーE は質量 m と速度 v に比例する式 2-6 のような関係で表されます。さらに、式 2-9 を変形しますと気体の状態になって自由に動き回る気体分子は温度に比例し分子量に反比例する式 3-1 に示す速度で運21動しています。この式 3-1 で求められる分子の運動の速度は個々の分子が持つ分子の速度の平均値で、平均値を中心に速く運動する分子も遅く運動する分子も混在しています。
Gauß が統計的に処理することにより 数式化した正規分布を基にして、理想気体定数とアボガドロ数と分子量と絶対温度をそれぞれ R（1.9855cal･mol-1K-1）と Na と Mwと T とするとき、Maxwell は 1mol の気体のうちで分子運動する速度 v を持つ分子の数を示す関数 f(v)を式 3-2 に纏めました。
𝑓𝑅𝑇

𝐶𝑝 𝑇

𝑤

𝑤

𝑣2 = 𝑀 = 𝑀

式 3-1

2

𝑓(𝑣) = 4𝜋𝑣 𝑁𝑎 (

𝑀𝑤

2𝜋𝑅𝑇

表 3-1 に示す地球

3
2

) e

𝑀 𝑣2
(− 𝑤 )2𝑅𝑇

式 3-2

分子数/molの地表温度 295K を式
3-2 に代入しますと、
遅 い速度か ら非常 に

He
H2
N2、CO
O2
Cl2
NO
NH3
CO2
CH4
H2O
H2S

3E+21

速 い速度で 運動す る
分子まで１mol の気体

2E+21の うちであ らゆる 速度 を持つ分 子の数 を1E+21

推 測できま すので 、種 々の気体 分子の 分0m/s 2000

布曲線を図 3-1 に示し

0

ま す。赤色 線で示 す

図 3-1 種々の地球大気中の気体の速度分布

500

1000

1500

ヘリウムと青色線で示す水素の分子の運動速度の平均値はそれぞれ 540m･s-1 と 770 m･s-1 でかなり 1500 m･s-1 以上の早く運動している分子も 100 m･s-1 以下の遅く運動している分子も存在している数が推測できます。青色線の水や褐色線のメタンは比較的に早く運動しており、黄色線の塩素や緑色線の二酸化炭素など分子量の大きな分子の運動の速度が遅く、早く運動する分子をほとんど含んでいないことがうかがえます。このように遅い速度から非常に速い速度で運動している分子まで一定の存在確率で混合していますが、一部の速度で運動している分子が系外に飛散しますと存在確率が乱れます。しかし、系内で分子は活発に運動して互いに衝突を繰り返していますから、互いにエネルギーの遣り取りをして比較的短時間に一定の存在確率を復元します。

Newton は地球の半径を r、地球の質量を M、物質の質量を m とするときに、地球上の全ての物質を地球に捕らえている万有引力 U が式 3-3 のような関係にあることを導きました。ただし万有引力定数 G は 6.67x 10-11m3･s-2kg-1 と見積もられています。物質の運動エ
ネルギーが地球の持つ万有引力より大きくなるときには、式 3-4 に示す不等式から物質は
地球の重力による束縛から解放されます。変形した式 3-5 に表 3-1 に示した地球の半径 r と22

質量 M を代入しますと、地球外へ物質が飛び去るために要する地球からの脱出速度 v （第2 宇宙速度）は 11.2km･s-1 と算出できます。マリナー2 号などの宇宙船は 11.2 km･s-1 以上の猛烈な速度で地球の重力圏から脱出しました。これと同じように、万有引力に優る力を持
つ物質はしがらみから開放されて地球の影響の及ばない宇宙へ飛び出してゆきます。地球の脱出速度と同じように表 3-1 に示した太陽系の惑星の半径 r と質量 M を式 3-5 に代入して算出した太陽系の惑星の脱出速度を表 3-1 に掲げておきますが、木星や土星や天王星や海王星は比較的大きな脱出速度を持っています。これに対して金星と地球と火星などの兄弟星は軽く小さい惑星のために脱出速度も小さく、比較的に遅く運動している物質でも惑星外に飛び去ってゆきます。

𝑈=−

𝐺𝑀𝑚

式 3-3

𝑟

1

𝐸 = 2 𝑚𝑣 2 >

𝐺𝑀𝑚

式 3-4

𝑟

2𝐺𝑀

𝑣>√ 𝑟

式 3-5

太陽は水素の核融合反応により大量のエネルギーを生産していますから、ほぼ一定のエネルギーを周囲に輻射し続けていますが、各惑星により太陽からの距離が異なりますか
ら、各惑星が受ける輻射エネルギーの量は異なります。表 3-1 には地球で受ける輻射エネ
ルギーの量を 1 としたときに、それぞれの惑星が同じ面積当たり受け取れる輻射エネルギ
ーの量を掲げました。太陽と異なり惑星は自身でエネルギーの生産をしていませんから、誕生当時の太陽系の惑星は太陽とほぼ同じ程度の高い温度にあったと思われますが、次第に各惑星の大気の温度が下がってきました。近年になり宇宙船などで太陽系の惑星の大気の温度と成分比がかなり詳細に調べられましたので表 3-1 に掲げます。
種々の気体の分子量と地球の脱出速度(11.18 ㎞･s-1)を式 3-2 の v に代入して太陽の表面温度までの温度に対する、1mol 当たりの脱出速度を持つ気体分子の数を算出して図 3-2 に纏めました。温度 5000K において脱出速度で運動する水素とヘリウムの分子はそれぞれ

分子数
mol-1
1

1.8x1011 個 ･ mol-1 と 1.8x1018

1E-20個･mol-1 含まれています。同

1E-40

じように、分子量 2 の水素に対して太陽系惑星の脱出速度

1E-60

を式 3-2 の v に代入して、脱1E-80

出速度を持つ分子の割合を温

1E-100度に対して算出し図 3-3 に纏めました。外側の軌道を周回

H2
He
CH4
NH3
H2O
N2
CO
NO
O2
CO2

0

2000

4000

6000 大気温度K

図 3-2 脱出速度を持つ気体分子の地球大気中の分子数23している木星と土星は脱出速度を持つ水素分子の存在確率が大気中にほとんどないと思われます。黒色線と紫色線で示す天王星と海王

分子数/mol

火星

1

金星
地球

1E-25

天王星

1E-50

海王星

星は宇宙のかなたに脱出可能な水素分子がほ

1E-75

土星

んのわずかに存在しま

1E-100木星

すから大気中の水素存
在比が多少減少すると思われますが、木星と1E-125

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000 絶対温度K

図 3-3 脱出速度を持つ水素分子の惑星大気中の分子数

土星の大気中に水素分子がほとんど保持され現在に至っていると考えられます。これに対して内側の軌道を周回している地球の兄弟星と考えられる金星と火星は黄色線と褐色線から、脱出速度を持つ水
素分子の割合が地球よりもさらに高いことが示されます。図 3-3 から推測されるこれらの惑星の大気中の水素存在量の傾向は多くの宇宙船や光学的な分析結果を総合した表 3-1 に掲げた大気の成分比をよく反映しています。

冥王代の地球の大気
A 子さんが恋人として B 君との付き合いを決心したり、結ばれていた A 子さんと B 君が別れを決心したりするためには、気持ちの整理をし、家族や周囲のことも考え合わせて種々の障害を乗り越えなければなりません。当然、生活環境や生活観の違いや家族の反対や遠距離恋愛などの大きな障害がある場合には、A 子さんと B 君の恋愛物語の進展は遅くなります。同じように万物の変化においてもその起こる前の系 A から比較的エネルギー的に不安定な中間の状態を越えて変化後の系 B へ

エネルギー

進行してゆくと考えられます。系 A から系 B への変化が進行するときに乗り越えなければならないエネルギー的に不安定な中間の障壁あるいは峠と考えられる状態を遷移状態と呼んでいま

ΔG‡
AB

ΔG‡
BA

すが、この遷移状態と両系の関係を図 3-4 に模式化した反応座標に示します。峠を越えて山向
こうへ行くときに、峠が高ければ容易に山を越系AΔGすことができませんから、ゆっくりと長時間かけて峠道を登ります。同じように、遷移状態の山が高ければ高いほど大きなエネルギーを必要
24

系B
反応座標

図 3-4 反応座標と自由エネルギー

としますから、系 A から系 B への変化は遅くなり、反応は進行し難くなります。
系 A から遷移状態への変化に要するエネルギーを活性化自由エネルギー（ΔG≠）と呼んでいますが、遷移状態は系 A よりもエネルギー的に不安定ですから、ΔG≠が正の値を持つ吸熱反応と考えられ、エネルギーを加えなければ遷移状態に到達しません。次に、付き合いを決心した後に A 子さんと B 君が幸せな二人の生活を夢見て邁進するように、エネ
ルギー的に不安定な遷移状態から安定な系 B への峠を下るような変化は、ΔG≠が負の値を持つ発熱反応ですから、エネルギーを放出しながら速やかに進行します。このような系
A から系 B への変化の活性化自由エネルギーΔG≠と反応速度定数ｋAB の関係を Arrhenius
は式 3-6 に纏めました。逆に、結ばれていた A 子さんと B 君が別れてお互いの束縛から解放されるように、系 B から系 A への変化も同じように峠を越えて進行しますから、逆反応の活性化自由エネルギーΔG≠と反応速度定数ｋBA の関係も式 3-6 で表すことができます。
ただし、R は気体定数、χは頻度因子、T は絶対温度で示す反応温度を意味しています。
万物の多くの変化において、系 A から遷移状態を越えて系 B に反応が進行して行きま
すが、同じ遷移状態を越えて系 B から系 A への逆反応も進行します。このように同じ遷移状態を通って両方向の反応が進行する可逆反応において、系 A から遷移状態までの活性化
自由エネルギーの供給により系 B へ反応が進行しますが、系 B から遷移状態までの活性化
自由エネルギーの供給により系 A への反応も進行します。反応の初期には系Ａの濃度が大きいために系Ａからの反応が早く、系 B の濃度が小さいために系 B からの反応は早くありませんが、次第に系 A からの反応が遅くなり、系 B からの逆方向の反応が早くなり、最終
的に両方向の反応の速さが等しくなって平衡状態に達します。図 3-4 のような系 A と系 Bの間の可逆平衡反応において自由エネルギー変化ΔG は式 3-7 で示される両方向の反応の活性化自由エネルギーΔG≠の差ですし、その平衡定数 K はそれぞれの反応速度定数の比で表すことができますから、式 3-6 より式 3-8 のような関係を導くことが出来ます。

𝑘𝐴𝐵 ＝𝜒𝑒

Δ𝐺≠
𝐴𝐵
𝑅𝑇

−

𝑘𝐵𝐴 ＝𝜒𝑒

Δ𝐺≠
𝐵𝐴
𝑅𝑇

−

≠
≠
Δ𝐺＝Δ𝐺𝐴𝐵− Δ𝐺𝐵𝐴

𝐾＝

𝑘𝐵𝐴
𝑘𝐴𝐵

= 𝜒𝑒

≠
Δ𝐺≠
𝐴𝐵 −Δ𝐺𝐵𝐴
𝑅𝑇−

頻度因子χを 1 として、この式に自由エネルギー変化ΔG の値を代入しますと絶対温度 T における平衡状態の系 A と系 B の割合は図 3-5 に示すような曲線となり、Δ
G＝0 のときに両系は等しい割合になります。また両系の自由エネルギー変化が

式 3-6
式 3-7

Δ𝐺

= 𝜒𝑒 −𝑅𝑇

式 3-8

成分比

100%
75%
50%

系A
系B

25%
0%
-4

1kcal ･ mol-1 で 平 衡 は 15.6 ％ ま で 偏 り 、

-3

-2

-1

0

1

2

ΔG（kcal/mol）

図 3-5 平衡反応の成分比
2533kcal･mol-1 では 99.4％までは平衡が偏りますからほとんど変化が完結してしまいます。
前節で見てきたように太陽系の外側の軌道を周回している木星と土星は脱出速度を持
つ水素分子の存在確率が大気中にほとんどないと思われますし、天王星と海王星は宇宙のかなたに脱出可能な水素分子がほんのわずかに存在しますから大気中の水素存在比が多少減少すると思われます。このように推測されるこれらの惑星の大気中の水素存在量の傾向
は表 3-1 に掲げた大気の成分比をよく反映しています。これに対して内側の軌道を周回している金星と地球と火星の兄弟星は脱出速度を持つ水素分子の割合の高いことが示されます。約 46 億年前に誕生した地球は非常な高温でしたが冥王代と呼ばれる約 6 億年の間に次第に冷えて現在の温度に近い大気となってきたと思われます。
第 2 章の「共有結合」の節で見てきたように、非常に高い温度においては原子の持つ分子運動エネルギーが非常に大きく共有結合を維持することができませんから、原子の状態で存在しています。表 2-3 や図 2-3 に示したように水素や酸素や窒素の分子は 6000K 以
上の高い温度においても共有結合を維持することができますから分子として存在しますが、水やアンモニアの分子は原子の運動エネルギーが大きいために高温では不安定で分子を構成することができません。室温では水

H2

0.5O2

H2O

素と酸素の混合気体は爆鳴気とも呼ば

水素

酸素

水

れ大量のエネルギーを放出しながら水

1.5H2

0.5N2

NH3

を生成しますから、図 3-6 に示すよう

水素

窒素

アンモニア

E(H2O)
E(NH3)

図 3-6 水とアンモニアの平衡な平衡式にまとめられます。式 2-9から算出される水素と酸素の運動エネルギーE と結合エネルギーの総和から水の運動エ
ネルギーE と結合エネルギーを差し引いた値 E(H2O)を図 3-7 に水色線で纏めました。この図から明らかなように 4200K 以上の高温では E(H2O)は負の値をとりますから水の生成反応は吸熱反応で水素と酸素の分子で存在する方が安定ですが、4200K 以下では水の生成反応が発熱反応ですkcal/mol

から、水素と酸素の混合気60

体からの水が自働的に生成40すると思われます。実際、

20

2200K で は 水が一度分解し

0
0

1000

2000

3000

4000

た後に水素原子と酸素原子が再結合して、より安定-20

E(H2O)
E(NH3)-40

図 3-7 水とアンモニアの生成反応の生成熱
26K

な水素分子と酸素分子になりますが、2700K 以上では再結合によるエネルギーの安定化よ
りも熱エネルギーの方が大きいために原子状気体のままでいると報告されています。このような経過で 43 億年前の冥王代の終わり頃には地球上に大量の液状の水が溜まり、海が形成したと考えられています。

同じように式 2-9 から算出される水素と窒素の運動エネルギーE の総和からアンモニアの運動エネルギーE を差し引いた値 E(NH3)を図 3-7 に紫色線で纏めました。水素と窒素の混合気体は 4700K 以上ではそれぞれ気体分子として存在しますが、4600K 以下になるとアンモニアへの発熱反応が進行します。戦争に欠かせない爆薬の原料も農作物の増産に欠かせない窒素肥料も 19 世紀以前には自然界から入手できる硝石などの窒素化合物ばかりで空気中の窒素は利用できませんでした。1906 年に Haber と Bosch は大気中の窒素と水素からアンモニアの生産に成功しましたので、爆薬の原料や農業用の肥料の潤沢な供給が可能になり、軍事力の拡充と食糧難の解決に結び付き、世界大戦の勃発と人口の爆発的な増加を誘発しました。この Haber と Bosch のアンモニア合成法は水の分解による水素と大気中の窒素を非常な高圧で圧縮して鉄などの触媒下、最適温度 700～900K の高温に加熱するものです。図 3-7 の紫色線が極大値を示すことから約 800K において水素と窒素からのアンモニアの生成は最も効率的に進行すると思われ、Haber と Bosch のアンモニア合成法の最適温度と符合します。
系外への分子の飛散などで乱れた存在確率が分子同士のエネルギーの遣り取りにより比較的短時間に一定の存在確率を復元しますので、毎秒ごとに脱出速度以上の速度を持つ分子が宇宙の彼方へ飛散してゆくと仮定し、式 3-2 が指数関数ですから脱出速度以上の速度を持つ分子の総数は脱出速度を持つ分子数の約 2 倍と見積もりますと、分子の系外への飛散に要する時間 t が式 3-9 のように概算できます。金星と地球と火星の 3 つの兄弟星について式 3-9 の速度 v と分子量 Mwにそれぞれ脱出速度と 2 を代入

年数1000000000
1000000
地球
金星
火星

1000

するときにそれぞれの惑星の大
気中の水素がほぼ完全に宇宙の1

かなたに飛散する期間 t が概算0.001

できますので図 3-8 に纏めました。この図から地球上の水素は

500

1000

1500 大気温度K2000

図 3-8 大気中の水素の飛散に要する年数

気温が 2000K の時に約 4000 万年（4x107 年）でほとんど飛散し、火星では 900K でも 1 年で飛散すると見積もられます。冥王代の地球において、1600～2000K の温度まで冷えてきた期間に水素分子の一部は水に変化し他の大部分は宇宙のかなたに飛散してしまい、さらに地球の気温が 1400K 以下まで下がったときには、すでに十分な水素が地球上に残っていませんでしたので、図 3-6 に示すようなアンモニアの生成反応は進行せず窒素が気体分子
27として大気に残ったと考えられます。このように 3 つの兄弟星の大気中に存在していた水素分子はすべて宇宙のかなたに飛散してしまい、現在の大気中には水素が全く含まれないと考えられます。

𝑡=

1

式 3-9

3
𝑀𝑤𝑣2
𝑀𝑤 2 (− 2𝑅𝑇 )24𝜋𝑣 (2𝜋𝑅𝑇) e

表 3-1 に示したように火星の脱出速度が小さいために水素も窒素も酸素も宇宙のかなたに飛散してしまいました。金星は地球と同じ程度の脱出速度を持っていますが地球より内側の軌道を周回していますから、冥王代に相当する誕生から数億年間の金星の気温が地球上よりも高いために、式 3-2 から求められる脱出速度を持つ分子の割合が高くなっています。このように金星と火星の大気中からは分子量の小さな水素や窒素や酸素ばかりでなく水やアンモニアも宇宙のかなたに飛散してしまいました。これらの気体と比較して分子量の大きな二酸化炭素は分子運動の速度が遅いために兄弟星の金星と地球と火星の大気中に残ったと思われます。ちなみに、月の脱出速度は 2.38km･s-1 に過ぎませんし、太陽に面す
るときにはかなり高温に達しますので、全ての気体が脱出してしまい現在では全く気体を検知できなくなっています。8 個の惑星の他に多くの小惑星が太陽を中心に公転していますが、月のように質量の小さな小惑星では脱出速度が小さいためにすべての気体分子はその天体の万有引力に打ち勝って飛散してしまいました。

石灰石の生成前節で見てきたように高温の状態にあった誕生時から次第に冷えてきた冥王代の地球において、1600～2000K の温度まで冷えてきた期間に水素分子の一部は水に変化し他の大部分はヘリウムとともに宇宙のかなたに飛散してしまい、さらに地球の気温が 1400K 以下
まで下がったときには、すでに水素も酸素も地球上に残っていませんでした。そのため図3-6 に示すようなアンモニアの生成反応はもはや進行せず窒素が気体分子として大気に残ったと考えられます。太陽系の 8 個の惑星の情報を表 3-1 に掲げましたが、地球に近い金星と火星は大きさも密度も地球と類似していますからこれら 3 つの惑星は 46 億年前に同じように誕生した兄弟星と考えられ、軽く小さい惑星のために脱出速度が小さく比較的に遅く運動している物質でも惑星外に飛び去ってゆきました。兄弟星の金星や火星と同じように大気中に存在していた水素分子はすべて宇宙のかなたに飛散してしまい、冥王代の終わりには地球の大気は主に窒素と水と二酸化炭素で構成されていたと考えられます。しかし、
表 3-1 に示すように現在の金星と火星の大気は 95~96%の二酸化炭素で構成されていますが、兄弟星の地球の大気はわずかに 0.03%しか二酸化炭素を含んでいません。現在までに得られた情報を総合しますと、火星に過去の水の痕跡が確認されたのみで、現在の金星と火星には液状の水はほとんど存在していません。地球の大気が金星や火星のものと大きく異なる成分になった原因は地球を覆っている大きな海を形作っている多量の水の存在と思28

われます。
長野県八ヶ岳山麓に設置された野辺山宇宙電波観測所などの電波望遠鏡により宇宙に存在する水やアンモ
ニアやメタンや硫化水素や一酸
化炭素や一酸化窒素やメタノールやアセチレンなど 100 種類以上の分子の存在とその濃度が確

表 3-2 分子量の小さな星間物質の分子量
分子式 分子量
分子名
分子式H22.0 メタノール
CH4OHe
4.0 シランSiH4
CH416.0 ホスフィン
PH3
NH3
17.0 硫化水素
H2S
H2O
18.0 塩化水素
HCl
HF
20.0 フッ素
F2
Ne
20.2 アルゴン
Ar
C2H2
26.0 メチルアセチレン
C3H4
HCN
27.0 シクロプロパン
C3H6
B2H6
27.7 プロピレン
C3H6
CO
28.0 亜酸化窒素
N2O
N228.0 二酸化炭素
CO2
アセトアルデヒド
C2H4
28.1
C2H4O
NO
30.0 酸化エチレン
C2H4O
ホルムアルデヒド
CH2O
30.0 プロパン
C3H8
エタン
C2H6
30.1 エチルアミン
C2H7N
メチルアミン
CH5N
31.0 二酸化窒素
NO2
酸素
O2
32.0 エタノール
C2H6O
分子名
水素
ヘリウム
メタン
アンモニア
水
フッ化水素
ネオン
アセチレン
シアン化水素
ジボラン
一酸化炭素
窒素
エチレン
一酸化窒素

分子量
32.0
32.1
34.0
34.1
36.5
38.0
40.0
40.1
42.1
42.1
44.0
44.0
44.1
44.1
44.1
45.0
46.0
46.1

認されていますが、参考のために分子量が 50 以下の比較的小さな分子量の物質を表 3-2 に纏めて掲げました。地球が太陽からの適当な距離と惑星質量を持っていることから、水素やヘリウムなどの小さな分子量の分子は宇宙の彼方に飛び去ってしまいましたが、表 3-2の緑色地に掲げた分子量がそれぞれ 28 と 27 の窒素やシアン化水素は宇宙に飛散することなく地球に残存して大気の主成分を構成しました。冥王代の終わりには、表 3-2 の水色地に掲げた水もほとんど脱出することなく地球に残りましたが、地表の環境では水は主に液体の状態で存在しますから、海が地球の 70％を覆う豊かな水の惑星になったと思われ、太陽からの適当な距離と適当な質量を持つと

表 3-3 海水中の元素組成

いう 2 つの偶然が大量の水に恵まれた地球
元素名

元素記号

塩素
ナトリウム
マグネシウム
硫黄
カルシウム
カリウム
臭素
炭素
ストロンチウム
珪酸
ホウ素
アルミニウム
フッ素

Cl
Na
Mg
S
Ca
K
Br
C
Sr
Si
B
Al
F

を形作りました。
この豊かな水の影響を受けて太陽系の惑星が誕生してからの 46 億年の間に、兄弟星でありながら地球だけが独自の変化を続けてきたものと考えられます。地球の誕生
からまもなく固化して地殻が出来上がりましたが、その後も内部に液状で残ったマグ
マが世界各地の火山から噴出してきました。本来の地球の成分が固化してできた岩
石は火成岩と呼ばれ、機械的風化により礫や砂に破砕され、土にまで微細化されて、

29

組成（％）
1.89801.05600.12720.08840.04000.03800.00650.00320.00130.00110.00050.00020.0001

水や風に流されて移動してゆきますが、そのとき、水に溶け易いナトリウムやカリウムやマグネシウムやカルシウムの塩類は水に洗い流されてゆき、酸化ケイ素や酸化アルミニウ
ムなどを多く含む砂礫は水に溶けずに残って層をなして積もり、種々の変性を受けて堆積岩に固化してゆきます。このように火成岩は次第に堆積岩に変化してゆきますが、そのときに水によく溶ける成分が溶出してしまうため、若干岩石の組成が変化します。また、溶け出した種々のイオンが海に流れ込み、表 3-3 に掲げたように世界中の海はナトリウムやマグネシウムやカルシウムやカリウムの陽イオンと塩素や臭素や硫酸の陰イオンを多く含み塩辛くなってしまいました。
宇田川榕菴が江戸時代に始めて化学の教

表 3-4 気体の溶解度（g･(100g H2O)-1）

科書として翻訳した舎密開宗の原本の

気体

溶解度

気体

溶解度

Elements of Experimental Chemistry の著者

He

0.00017

C2H4

0.028

Henry は気体が水に溶ける現象を研究し

H20.00019

C2H2

0.2

たことでも知られています。 地球に大量Ne

0.0011CO20.335にある液状の水は大気を構成する全ての気体

N2

0.0029H2S

0.71を溶かしますが、その溶け易さは気体の種類

CO

0.0044SO222.8

や水の温度や気圧により大きく異なります。

O2

0.007

HCN

68.7

Kh は物質に固有の定数でヘンリー定数と呼

CH4

0.004

HCl

84.2

ばれ、気体の圧力を p 気体の溶けた溶液の水

C2H60.0132NH387.5のモル数を nwater、溶け込んだ気体のモル数を ngas、とするとき式 3-10 に示すヘンリーの法則を見出しました。表 3-4 には種々の気体の大気圧(1013hPa)の下 0℃における溶解度を纏めました。表 3-4 に白地で示した気体はいずれも水にほとんど溶け込まず、大気圧の下0℃において酸素は窒素よりも若干多く溶けますが、それでも 100g の水に 0.007g 程しか溶けません。同じように黄色地で示した炭化水素類もあまり高い溶解度を示しません。これに対して青色地で示した硫化水素や二酸化硫黄や塩化水素やアンモニアやシアン化水素の気体が水に溶け込みますと、それぞれ硫化水素水や亜硫酸や塩酸や水酸化アンモニウムや青酸などの酸性や塩基性を示す化合物を形成してイオンに解離しますから、水に非常によく溶けます。

𝑝＝𝐾ℎ ∙𝑛𝑔𝑎𝑠

式 3-10𝑛𝑔𝑎𝑠 +𝑛𝑤𝑎𝑡𝑒𝑟

酸素原子は炭素原子に比べて大きな電気陰性度を持つ元素ですから、炭素－酸素結合は僅かながら炭素原子が陽イオン性を持ち、酸素原子は僅2.3x1018esu/cm

かに陰イオン性を帯びて結合双極子モーメントを示しまC 0.116nm

す。二酸化炭素は 1 個の炭素原子に 2 個の酸素原子が結合していますから電子の偏りを持ってそれぞれ結合していると思われますが、その分子は双極子モーメントを示しませ

O

180°

O

図 3-9 二酸化炭素の構造ん。このことは値を持つ結合双極子モーメントがベクトル和することにより打ち消されて30

分子双極子モーメントが 0 になっていることを意味しています。1 個の中心と 2 点を結び、全体にベクトル和が 0 になるためには、二酸化炭素の分子は中心原子に異種の 2 個の原子が直線状に結合して対称性を保っている構造でなければなりません。実際の二酸化炭素は
炭素＝酸素結合の結合距離と結合双極子モーメントがそれぞれ 0.116nm（1.16x10－10m）と2.3x10－18esu･cm と求められていますから、炭素原子が若干正に帯電し、2 個の酸素原子がそれぞれ負に帯電していますが、図 3-9 に示すように炭素原子を中心とする直線構造を取ると考えられます。
二酸化炭素は図 3-9 で示したように炭素原子を中心に 2 本の炭素＝酸素 2 重結合が直線状の構造をしていますから、アルデヒドやケトンと同じように付加反応すると思われます。
実際、図 3-10 に示すように二酸化炭素は水を付加して炭酸を生じますが、炭酸から水が脱離して二酸化炭素に戻る逆反応と可逆平衡にあります。生じた炭酸が pKa 6.35 と 10.33 を示す弱い酸の性質を持っていますから、炭酸はわずかながら水の中で炭酸イオンや炭酸水
素イオンに解離します。水の中で炭酸に変化しO

ますから二酸化炭素は見掛上酸素の 48 倍に相

C

H2 O

O

二酸化炭素

当する水 100g 当たり 0.34g 溶け、かなり良く溶ける気体と考えることが出来ます。二酸化炭素
は炭素原子を挟んで 2 つの酸素原子が炭素=酸O

素 2 重結合で結合した直線状の分子構造をしており、水に溶けた時には水がこの 2 重結合に付

C

-H2O

O H+
O -H

+

OH
O

C

炭酸

OH

H+ -H+
O
O C
OH

炭酸イオン
炭酸水素イオン
図 3-10 二酸化炭素と炭酸の平衡反応

加反応して図 3-10 のように炭酸となりますから、水素陽イオン、炭酸水素イオン、炭酸イオンに一部解離して酸性を示します。
式 3-10 で示すヘンリーの法則からも分かるように水に溶ける気体の量はその圧力に比例しますから、圧力が高いときには水に大量の二酸化炭素が溶け込み、炭酸の濃度が高くなります。この水と二酸化炭素の反応は完全な可逆平衡反応ですから、溶け込む二酸化炭素が増大すれば炭酸の濃度は高くなり、炭酸の濃度が低くなれば二酸化炭素を溶かし込むようになります。また、溶け込む二酸化炭素が減少すれば炭酸の濃度は低くなり、炭酸の濃度が高くなれば二酸化炭素として水から発泡して行きます。ビールやシャンパンのよう
表 3-5 水に対する金属塩の物質の溶解度 (g･(100g)-1)

な発泡酒は高い圧力で二酸化炭素を溶かし込んで

Cl－

NO3－

OH－

CO32－

HCO3－

SO42－

高い濃度の炭酸として存

Na+

36

88

63.5

21.5

9.6

19.8

在していますから、栓を

K+

34

31.6

112

52.5

24.9

107

開けて圧力を下げますと

Mg2+

54.5

42.1

二酸化炭素が一気に気体

Ca2+

74.5

56.39

0.17

4x10-3になり泡となって逃げて

Al3+

47.3

73

9x10-4

ゆき炭酸の濃度が低下し

2+

Fe

115.1

83.8

-6

ます。しかし栓を開けて

Fe3+

91.9

46.6
31

26.2

7x10

0.17

0.208
26.7

7x10

-3

26.5

数時間を経過したビールでも僅かずつは発泡を続けることからも分かるように、この可逆反応はゆっくりした変化で平衡に達するまでに時間がかかります。
種々の金属の塩化物や硝酸塩は表 3-5 に示すように水によく溶けますが、炭酸水素塩(HCO3－)はかなり溶け難く、炭酸塩(CO32－)はさらに溶解度の低いことが明らかです。特に、カルシウムイオンと炭酸が反応して生成する炭酸水素カルシウムは 0.2％しか水に溶けま
せんし、炭酸カルシウムは 0.004％しか溶けません。塩化カルシウムは水によく溶けますから、カルシウムイオンのかなり濃い溶液を調整することが出来ます。この溶液に二酸化炭素を吹き込みますと、図 3-10 に示す付加反応により炭酸水素イオンと炭酸イオンが生成しますが、カルシウムイオンが溶液中に存在しますから、図 3-11 の反応により水に対する溶解度の低い炭酸カルシウムが白濁して沈殿を始めます。この白濁する反応は鋭敏ですから、
二酸化炭素の存在を確かめる呈色反応としてしばしば利用されCO2 + CaO

CaCO3

CO2 + H2O
H2CO3
CaO + H2O
Ca(OH)2
H2CO3 + Ca(OH)2
CaCO3 + 2H2O
図 3-11 水中で二酸化炭素の沈殿する反応ています。
火成岩の風化により溶け出したイオンは海に流れ込み、世界中の海はナトリウムやカリウムやマグネシウムやカルシウムの陽イオンと塩素や臭素や硫酸の陰イオンを多く含み塩辛くなりました。兄弟星の金星や火星の大気と同じように、生まれたての地球の大気中に多量に含まれていたと考えられる二酸化炭素がカルシウムイオンを含む海に溶け込んでくれば、溶解度の低い炭酸水素カルシウムと炭酸カルシウムが沈殿します。炭酸よりカル
シウムイオンが過剰に存在するときはより溶解度の低い炭酸カルシウムが沈殿しますから、炭酸の濃度が低下し、図 3-10 の平衡が偏り、さらなる二酸化炭素の水に対する溶解が進みます。結果として、カルシウムイオンが海に溶けて存在する間は、海は二酸化炭素を吸収し、炭酸カルシウムを沈

表 3-6 地殻中の主な化合物組成（％）

殿し続けます。沈殿した
炭酸カルシウムは種々の変性を受けて石灰石や大理石などの堆積岩に成長します。火成岩が風化して堆積岩に進化する過程
で、海の中ではカルシウ
ムイオンが二酸化炭素を吸収して、石灰石や大理石として堆積岩に進化してゆきました。大気中に含まれている二酸化炭素

酸化けい素
二酸化チタン
酸化アルミニウム
酸化第二鉄
酸化第一鉄
酸化マンガン
酸化マグネシウム
酸化カルシウム
酸化ナトリウム
酸化カリウム
五酸化燐
水
二酸化炭素

32

SiO2
TiO2
Al2O3
Fe2O3
FeO
MnO
MgO
CaO
Na2O
K2O
P2O5
H2O
CO2

火成岩

堆積岩

全地殻

59.12
1.05
15.34
3.08
3.80
0.12
3.49
5.08
3.84
3.13
0.30
1.15
0.10

57.95
0.57
13.39
3.47
2.08
0.00
2.65
5.89
1.13
2.86
0.13
3.23
5.33

58.87
0.95
14.92
3.16
3.43
0.10
3.31
5.26
3.25
3.07
0.26
1.60
1.24

の総量が 1.8 x 1015 kg、堆積岩の平均的な成分として地殻中に固定化されている二酸化炭素の総量が 1.8 x 1020 kg と見積もることができますから、表 3-6 に見られる大気中から地殻中へ移動して酸化カルシウムと二酸化炭素の増加したことがこの化学反応により合理的に説明でき、同時に地球の大気中における二酸化炭素の割合が低いことも説明できます。
大理石や石灰石の主成分である炭酸カルシウムは水に極めて溶け難い物質ですが、ごく一部炭酸イオンとカルシウムイオンに解離して水に溶けます。二酸化炭素の溶けた水溶液に炭酸カルシウムを加えると、水の中ではカルシウムイオン、炭酸イオン、炭酸水素イ
オン、水素イオンの 4 種のイオンが平衡状態で共存します。炭酸カルシウムより炭酸水素
カルシウムの方が水に溶けやすいため、炭酸カルシウムは少しずつ水に溶け出してゆきま
す。すなわち、二酸化炭素が存在するときには炭酸カルシウムの溶け出す反応が進行します。小川は森の中を流れる間に、二酸化炭素を水の中に溶かし込み、二酸化炭素を溶かし込んだ水が石灰石や大理石などの上を流れるとき、主成分の炭酸カルシウムを溶かしてゆき、長年の間には石灰岩や大理石の塊に大きな穴が開いてしまいます。この穴を鍾乳洞と呼んでいますが、この鍾乳洞の中には穴を開けていった川が必ず流れています。石灰石や大理石の多い地中海に面した国々や山口県の秋吉台には大きな鍾乳洞が点在しています。
このように地球誕生から 46 億年の間に大気中の二酸化炭素は石灰石や大理石などの堆積岩として固定化され、大気中に含まれている二酸化炭素の濃度は総量が一定値の 1.8 x 1015
kg に止まって平衡に達しています。

大気を空調する海の水分子はそれぞれ固有のエネルギーを持って運動していますが、これらの分子も集合する時には互いに接近しますから相互作用するようになります。一般に、直接結合していな
い原子の間にも電子の交換に由来するファンデルワールス力（EVW）と呼ばれる相互作用やわずかに原子上に存在する電荷による静電的な引力などの相互作用が起こります。この
直接結合していない 2 個の原子間の相互作用は分子間力と呼ばれ、原子間距離を r、原子により固有の定数を a、b とするときに、Lenard と Jones によって式 3-11 のような関数として近似されています。この関係式から分かるように、分子間力は分子と分子の間の距離の6 乗に反比例する相互作用ですから、分子の密度が高くなると、分子同士が近接して分子の間の距離 r が小さくなるため分子間力が大きくなります。分子が隙間なく集合して規則的に並びますと分子の表面が相互作用して、分子間力は最も大きくなりエンタルピー的に安定化します。しかし、僅かに距離が遠く離れますとその相互作用は格段に減少して分子間力は無視できるほどに小さくなります。また、異なる原子が結合する場合にはその結合上に生じる電子の偏りによりそれぞれの原子上に電荷が生じます。このように電荷をもった原子が結合した分子でも当然分子全体の電荷に偏りが残ります。このように電荷の偏りを持った分子同士には式 2-2 に示すように距離の 2 乗に反比例する相互作用が分子間力として働きます。この相互作用は距離の 6 乗で反比例するファンデルワールス力と比較して、
33

距離が多少遠く離れても僅かしか減少せず、遠くまでその影響が残ります。
𝑎𝑏

式 3-11

𝐸𝑉𝑊 = 𝑟 12 − 𝑟 6

わずかながら原子上に電荷を持った結合で原子が結ばれて出来ている分子は分子全体として電荷の偏りを生じますから、水も分子全体として電荷の偏りを持っています。式 51 からも明らかなように、正電荷を持ったものと負電荷を持ったものは引き付けあいます
から、水分子の正電荷を持った水素原子の部分が隣の水分子の負電荷を持った酸素原子の部分に引き付けられますし、負電荷を持った酸素原子の部分がまた別の水分子の正電荷を持った水素原子の部分に引き付けられます。このような静電的な引力の他に、水素原子の瞬間的な配位結合による引力も働きます。水の解離定数（pKa）は 15.7 ですから弱いながらも酸性を示す物質であり、常に水素陽イオン（H+）と水酸化物イオン（OH－）に若干解離しています。また、水素陽イオンの最外殻軌道は電子で充足されていませんし、水の酸
素原子は最外殻に 2 個の電子で充足した軌道を持っていますから、水の酸素原子は水素陽イオンと配位結合する性質を持っています。このとき、水素陽イオンは水素の原子核の周囲に電子の充足していない球状の軌道を持っていますから、水の酸素原子の 2 個の電子で充足した軌道軸上で配位結合します。そのため、水から解離した水素陽イオンが隣の水分子と瞬間的に配位結合して水分子上の水素の交換を起こします。図 3-12 に示すような水分子の水素原子が隣の水分子にHb結合を変更してゆく交換が瞬

Hc

O

Hb

a

H

Ha
a

O

H

Hb

O

Hc

Hc

図 3-13 水の H 交換平衡時に起こるため、水素原子は原子価が 1 でありながら、あたかも水素原子が 2 つの酸素原子と直線状に結合しているよ
うな性質を示します。電子で充足されていない水素原子が窒素や酸素やフッ素などの原子の電子で充足した軌道軸に接近するときに配位結合は結ばれますから、電子で充足した 2個の軌道が水素原子を挟んで直線状に並ぶときにのみ水素結合の分子間力が働きます。
炭化水素などの分子間力と比較して、この水素結合の強さが水の場合には約 6kcal･

mol-1 と非常に大きく見積もられています。水分子の酸素原子のそれぞれの電子で充足した軌道が互いに水素原子を挟んで直線状に並ぶときに、水は沢山のくの字型に曲がった水H
H

O

分子が互いに引き付け合い、3 次元の網目状Oに絡み合った一塊として挙動すると考えられHます。液状の水は模式的に考えれば図 3-13 に示すように水の分子が水素結合により 3 次元の網目状に絡まった構造をとっていると思われます。窒素原子や酸素原子やフッ素原子は

H

O

H

O
H

図 3-12

34

H

H

H

O

O

H

H

H

O

H

O

O
H

H
H

H

H

O

水素結合

H

H

水の構造の模式図

表 3-8 水素結合の強さ

最外殻に 2 個の電子で充足した軌道を持っていますし、
水素陽イオンの最外殻軌道は電子で充足されていません

種類
O-H…N
O-H…O
C-H…O
N-H…O
N-H…N
N-H…F
F-H…F

から、酸素原子や窒素原子は水素陽イオンと配位結合する性質を持っています。水素結合が瞬間的な配位結合による引力と分子の間に働く静電的な引力を総合したものですから、強さには大小がありますが 2 つの酸素原子の間以外にも窒素原子や酸素原子やフッ素原子などの種々の 2 つの原子が水素原子を中間に挟んで位置するときに強さ(kcal･mol-1)
7
6
2.6
2.3
4
5
7

も水素結合が認められます。 表 3-7 には炭素原子、窒素
原子、酸素原子、フッ素原子の間の水素結合エネルギーの大きさをまとめておきます。
第 3 章の「共有結合」の節で示したように理想気体の状態方程式の理想気体定数 R を
1.9855 cal･mol-1K-1 とするとき、原子量 m の原子 n mol の持つ運動エネルギーE は式 2-9 のように書き換えることができ、運動エネルギーE は低温では小さく温度 T が高くなるほど大きくなり原子が激しく運動します。このように分子同士の間で相互に働く分子間力と、分子が持つ運動エネルギーの大きさの大小と、秩序を持って分子の集合するために要する
エントロピーの 3 種のエネルギーが釣り合って、物質の固体と液体と気体の 3 つの状態（3態）が決まってきます。気体分子の持つ運動エネルギーは式 2-9 から分かるように温度に比例しますが、分子の質量あるいは分子量が大きな時にはたとえ温度が高くなってもゆっくりした速度で運動し、質量の小さな分子は低温においても非常に早く運動します。理想気体ではありませんから液体や固体はそれらの状態の運動エネルギーを正しく近似することはでき

表 3-7 気体の融点、沸点
融点

沸点

℃

℃

4.0

-272.2-268.9Ne

20.2-248.7-245.9

るよりも早く動き回りますから、分子の間隔が大

Ar

39.9

-189.2-186.0

きくなり液体や気体になり易い性質を示します。

H2

2.0

-259.1-252.8

逆に、大きな分子量の分子の動きは鈍くなります

N2

28.0

-209.9-195.8から、分子間力に負けてしまい、固体の状態を取

O2

32.0

-218.4-183.0

りやすくなります。しかも、分子に電荷の偏りの

O3

48.0

-193.0-110.5ない分子では、分子間の距離が僅かに遠く離れま

Cl2

70.9

-101.0-34.1

すとその相互作用は格段に減少して分子間力は無

NH3

17.0

-77.7

-33.3

視できるほどに小さくなりますから、温度の上昇

CO

28.0

-207.0-192.0に伴い固体から液体に変化する融点も液体から気

CO2

44.0

-56.6

-78.5

体に変化する沸点も低温を示します。これに対し

CH4

16.0

-182.5-161.6て大きな電荷の偏りを持つ分子では、分子間距離

H2O

18.0

0.0

100.0

が多少大きくなっても分子間力が僅かしか減少せ

SO2

64.1

-75.5

-10.1

物質

分子量

分子量の小さな分子は早く運動します。軽くて小He

さい分子は低い温度でも分子間力により束縛されませんが、運動エネルギーが温度により変化し、35

ずその影響が残りますから、融点も沸点もかなり高い傾向を示します。
液体の状態では物質の中を分子は自由に動き回っていますが、温度が高くなるに伴い運動エネルギーが大きくなりますから、分子が動き易くなり流動性が上がって粘性が下がってきます。さらに温度が高くなり分子間力よりも分子の運動エネルギーがはるかに大きくなりますと、分子は物質の中の分子間力のしがらみから開放されて、自由な世界に飛び出してゆきます。この飛び出す現象を気化といい、分子が分子間力の影響をほとんど受けずに自由に運動できる状態を気体の状態といいます。液体から気体の状態に変化する沸点においても、エントロピーの変化と分子間力の変化をもたらしますが、吸熱的な分子間力の減少が発熱的なエントロピー変化に優りますから、液体はエネルギーを加えなければ気化しませんし、気体は発熱しながら液化します。
地球の大気中には種々の気体が混在しており、その成分とその割合は誕生以来の 46 億
年の間に変化してきました。大気を構成する種々の気体は対称性が高く分子の中の電子の偏りがありませんから、融点も沸点も生物の生活温度よりはるかに低温ですが、地球上に大量に存在する水は分子の対称性が小さく大きな電荷の偏りを持っていますから、表 3-8 に示すように相対的に高い融点と沸点を示しており、地球上に大気とともに液状の水が常に共存しています。氷から水へ、水から水蒸気へ状態が変化するときには、加熱により加えられるエネルギーは分子間力の変化とエントロピーの変化に費やされます。示差走査熱量計は測定試料に一定の熱量を加え続けるときの試料の温度変化を測定する精密測定機器ですから、液化に費やされる熱エネルギー（液化熱）を測定できこのときの温度から融点も知ることができます。図 3-14 は 1 気圧（101000Pa）の下で 1g の氷を暖めたときに加えられる熱量とそのときの温度の上昇をグラフに表したものです。この図で分かるように、氷から水や水蒸気への変化に伴う大きな熱の収支がありますが、特に水蒸気になるための大きな気化熱を必要としています。気化は液状の物質から気体分子として飛び出すことをいいますが、水の場合には水素結合により絡み合っているために飛び出し難くなっています。
結果的に沸騰し難くなって高い沸騰点と大きな気化熱を示し、沸騰している水は温度が上昇をせず、完全に水蒸気

温度（℃）

として気化するまでその温度を 100℃に維持しま

気化熱

100

す。また、水素結合などの分子間力により強く結融解熱

0び付けられて氷になっている水分子が自由に動き回れる液状の水になるためにも多くのエネルギーを要するために、高い氷点(融点)と大きな融解熱

-100
-200
0

200

400

600

800
熱量（cal）

図 3-14 １気圧下で 1g の水の温度上昇曲線

36（1.43kcal･mol-1）を示します。図 3-14 から、水が沸騰を始めてから完全に蒸発し終わるまでに 9.72kcal･mol-1 の大きな熱量（気化熱）を要することが分かります。このことは水を100℃より高い温度に温めるためには極めて大量のエネルギーを要し、0℃より低温に冷やすためには大量のエネルギーを奪って冷却しなければなりません。
絶対零度（—273.16℃）では原子の運動が完全に停止すると定義されていますから、通常の気温では分子を構成している原子は常に運動していると考えることができます。原子は低温では動きが小さく、エネルギーを受け取ると動きが大きくなり温度が上昇します。
逆に高温で激しく運動している原子はエネルギーを放出して次第に温度が下がるとともに動きが小さくなります。原子が蠢くときに要するエネルギーは定圧モル比熱（熱容量）Cpと呼ばれ、物質の温度を 1℃上げるに要するエネルギーで表します。物質の量が多ければ多くのエネルギーを必要としますが気体の場合には 1 mol の気体はすべて同じ体積を持っていますから、表 2-3 には 1mol の気体を 1℃上げるに要するエネルギー量（定圧モル比熱）を掲げておきます。昼間は太陽のエネルギーを受けて温度が上がり、夜間は受けませんか
ら下がります。地球を覆っている大気を構成している種々の気体はそれぞれ異なる大きさの定圧モル比熱 Cp を持っていますから、気温の変化にそれぞれの気体は異なる影響を示します。さらに、水が大きな融解熱と気化熱を示すために、ほとんど水分の存在しない砂漠地帯と液状の水の共存している沿岸地帯では温度変化の状況は多少異なります。
砂漠地帯と沿岸地帯を模した 1 滴の水分もない気温 25℃湿度 20％の大気と 800g
（44.4mol）の水に接する気温 25℃湿度 50％の大気それぞれ 1m3 を、温度上昇させるに要するエネルギーと冷却するために放冷するエネルギーを各種の気体の定圧モル比熱と水蒸気
圧と水の気化熱や融解熱を考慮して概算してkcal/m3

図 3-15 に示しました。図 3-15 の赤色線で示

500

す砂漠地帯ではわずかなエネルギーの遣り取りで気温が大きく変化しますが、図 3-15 の水色線で示す液状の水が十分に存在する沿岸

400
沿岸地帯（湿度50％）

300

-1

地帯の環境でも 20kcal･kL 以下のわずかなエネルギーの遣り取りで気温が 0～50℃の範囲

砂漠地帯（湿度20％）200

で変化します。しかし、沿岸地帯の環境ではその範囲を超えた低温と高温への気温変化に100

は水の存在が大きく影響して大きなエネルギ

0

ーの遣り取りを要します。この模擬的な条件
よりも多量の水が存在するときには、0℃と

-100
-20

100℃における融解熱と気化熱の大きな影響を受けてエネルギー消費が増大します。

0

20

40

60

80

100 ℃

図 3-15 気温の変化に要するエネルギー

地球表面の約 71％は海で覆われていますから、平均的な環境は沿岸地帯の環境に近いものと考えられ、0～50℃の温度範囲を超えて大気の温度変化が上下するときには多大なエ
37ネルギーの遣り取りを要します。特に海の水が全て蒸発するまで気温が 100℃以上に上昇することはありません。言い換えれば、海の水は地球の大気の空調の役目を担っています
から、地球は生物の生活に適した温度範囲の大気で覆われた非常に温和な気候を保っています。

アデニンとグアニンの生成
ベンゼン環は平面正 6 角形で 6 本のσ結合上に 3 本のπ結合が拡がり、直交軸上のπ電子は大きな共鳴エネルギーを持って安定化します。ベンゼンに代表される芳香族化合物は炭素を中心原子とする物質の中でエネルギー的に最も安定な性質を示し、熱や光の影響を受け難く極めて安定で堅牢な平面構造を持っています。ベンゼンの正 6 角形の環を構成しHている 1 つの炭素原子が 1 つの窒素原子で置き換えられたピリジンは図 3-16 に示す
ように環の中に 3 本の多重結合が隣り合っ

H

N
H

H

H

H

芳香族性を示しますので、このように炭素が窒素で置き換わった化合物は芳香族

N

ピリジン

た構造を持っていますから、ベンゼンと同じように安定で堅牢な平面構造を持ち

H

N H
H

H

N

ピロール

H

複素環化合物と総称されています。
このピリジンは図の青色で示した窒素

図 3-16 基本となる芳香族複素環の構造

原子の非結合性の電子対が環平面上で外側を向いて出ていますから、水素結合に適した塩
基の部分となることが出来ます。また、ベンゼンの隣り合った 2 つの炭素原子が 1 つの窒素原子で置き換わった 5 角形の構造を持つピロールは図 3-16 に示すように窒素の非結合性の電子対と 2 本の多重結合が環の中で相互作用をして、ベンゼンやピリジンと同じように安定で堅牢な平面構造を持つ芳香族性を示します。このピロールの窒素の電子対は芳香族の安定化に寄与しているためほとんど塩基性を示しませんが、炭素原子や水素原子などと結合出来る 1 本の結合を環の外に持っています。
ベンゼンの 2 つの炭素原子が 2 つの窒素原子で置き換わった芳香族複素環化合物は図3-17 に示すように 3 種類存在しますHが、2 つの窒素原子の間に 1 つの炭素

H

H

H

原子が挟まった構造のピリミジンは

N

H

かなり安定で水素結合に適した 2 つ

H

H

N

ピリダジン

の塩基の部分を持っています。まH

ラゾールとイミダゾールも図 3-17 に示すように安定で堅牢な平面構造を

H

N

H

ピリミジン

H

N

H

N

H

ピラジン
H

H
N

た、ピロールの炭素原子がピリジンのように窒素原子で置き換わったピ

H

N

H

N
N
H

ピラゾール

N

N
H

N

H

H

イミダゾール

H
H

N

プリン

N
H

図 3-17 複数の窒素原子を含む芳香族複素環38持つ芳香族性を示します。これらの 2 つの窒素原子を含む化合物は水素結合に適した塩基の部分を持っており、これらの 5 角形の構造を持つ一連の化合物も芳香族複素環化合物と呼ばれています。ピリミジン環とイミダゾール環が接するように繋がったプリン環も図 317 に示すように 2 つのベンゼン環が繋がったナフタレン環のように芳香族性を示します。
太陽などのすべての恒星は陽子（水素の原子核）の核融合反応による膨大なエネルギ
ーで輝いています。この膨大なエネルギーは電磁波や中性子や陽子を恒星の周囲に放射します。宇宙の遠い彼方に存在する分子に中性子や陽子が衝突した時に放射される電磁波が非常に微弱ながら地球に到達しますから、長野県八ヶ岳山麓の野辺山宇宙電波観測所ではこのような電磁波を観測して宇宙に存在する多くの分子の存在とその濃度を調べています。
ウミヘビ座の M83 は比較的小さな望遠鏡でも 4 月の下旬に南寄りの空に観測できる渦巻銀河ですが、この観測所の村岡和幸研究員らはこの渦巻銀河 M83 の中心部分で 89GHz のマ
イクロ波を発するシアン化水素と一酸化炭素の電磁波を観測した結果を報告しています。
報告によりますとその銀河の渦巻きの中で沢山の明るい星が光り輝いている部分ではなく、星も何もなさそうな暗い部分にシアン化水素分子が出す電波が強く観測されています。そして、シアン化水素分子からの電波が強い場所は星が全く存在しないのではなく分子が高い密度で存在しており、まさに新しい星が誕生しつつあると報告しています。
太陽程度の恒星の周囲ではシアン化水素の存在が確認されることが多く、太陽よりも低温で光る矮星では一酸化炭素などの分子の存在が観測されているにもかかわらずシアン化水素の存在がほとんど確認されません。太陽のような温度の高い恒星の内部では、陽子の核融合の連鎖反応により大きなエネルギーを産出していますが、同時に大量の陽子や中性子が副生しています。元素記号の左上付きの数字は原子量を表しますから陽子は 1H＋と表されますが、陽子と中性子と電子をそれぞれ p と n と e と便宜上表します。恒星の周囲に多く存在している一酸化炭素の酸素原子と中性子が衝突して式 3-12 の核反応が進行し、窒素原子と水素原子が生成してシアン化水素が生成します。このことから太陽のような恒星のまわりで一酸化炭素などの分子が集合してきますと、新しい星の誕生とともにシアン化水素の生成が進むと考えられますから、46 億年前に太陽の近くで誕生した原始地球の大
気中には水素とヘリウムの他に一酸化炭素、水、アンモニア、ホルムアルデヒド、シアン化水素が順に多く含まれていたと現在では類推されています。
16

O+𝑛 ⟶

3

H + 14N式 3-12

シアン化水素の pKa は 9.21 と報告されていますから、シアノイオン（N≡C⊖）と水素陽イ
オンに水の中ではわずかながら解離します。炭素≡窒素 3 重結合は電気陰性度の違いから
電荷の偏りがあり、炭素と窒素の原子上にはわずかながらそれぞれ正電荷と負電荷を帯びますから、シアノイオンがシアン化水素の正電荷を帯びた炭素原子に攻撃して二量化し、生じた負電荷を帯びた窒素原子がさらに近接するシアン化水素に連鎖的な攻撃を繰り返し、四量化して図 3-18 に黒字で示すような中間体が生成するものと思われます。最後にシアン化水素がもう 1 分子反応して五量化した後に、異性化を繰り返して芳香族性を示すアデニ
39

ンが図 3-18 に赤シアノイオン

字で示すよう生
ると考えられま

C

N

C

+

H

H

C

H

H

N

C

HCN

H
N
C

N

C

H

N

CO2
H+

N

N
HC

報告されていま

HO
O

N
C

C
N

C

H

HO

H

N

C

H2O

N

-H2O

C

O

C

N
C

N

H

NH
N

C

H

N
HC

N

C

C

H

N

H

N

C
C

NH2

NH

C

C

C

N

C
N
N
H
アデニン

CH

N

N

HC

N

HN

CH
N

C

C
C

N

HN

CH
N
H

O

C

N
CH
N
H

HN
H2N

C

HO

C
N
H

C
N

H
C
C

N
CH
N

H

NH3

O

H
C

C

N
H
イノシン酸
O

H

C

O

O

H

H

ンの燃焼熱はそ

C

C
N

H

C

C

C5H5N5 のア デニ

663.7kcal･mol-1 とCN

ン化水素に相当

2HCN
H
C

N

N

C

H

HN

が、5 分子のシア

H

N

C

C

H

で す

れより小さなCNの 燃 焼 熱 は

す る 分 子 式CHN

す。5mol のシア

793.0kcal

N

C

H C N
シアン化水素成して安定化す

ン化水素（HCN)

N

O
C
C

N
CH
N
H

-H2O
H2N

HN

C

C

N

C

C
N
N
H
グアニン

図 3-18 シアン化水素からアデニンの生成過程

すから、芳香族複素環化合物の共鳴エネルギーによる大きな安定性があると思われ、シア
ン化水素は何らかの触媒で発熱的に容易に縮合してアデニンを生成すると考えられます。
実際、フラスコに入れたアンモニア水の中にシアン化水素を溶かして長時間にわたり加熱
しますとアデニンが生成したと Oró が 1961 年に報告しています。表 3-4 に掲げたようにシアン化水素はかなり水によく溶けますから、冥王代の末期に地球上に海が出現しましたので、大気中のシアン化水素は海の水に溶け込んで存在したと思われ、アデニンに変化したと考えられています。
炭酸ガスもアンモニアも水に溶け易いのでアデニンの生成過程と同じように、シアノイオンが水の中でシアン化水素の正電荷を帯びた炭素原子を連鎖的な攻撃を繰り返し、生成した図 3-18 に黒字で示すような四量体の中間体が 1 分子の二酸化炭素と反応します。さらに異性化を繰り返して生成するイノシン酸にアンモニアが作用して、芳香族性を示すグ
アニンが図 3-18 に青字で示すように海の水に溶け込んで存在するようになると考えられます。二酸化炭素と水の燃焼熱は基準となる 0kcal・mol－1 と定義していますから、4mol のシ
アン化水素（HCN）と 1mol のアンモニア（NH3）の燃焼熱の総和が 645.5kcal･mol-1 と算出され、分子式 C5H6N5O のグアニンの燃焼熱はそれより小さな 596.9kcal･mol-1 と報告されています。このことから芳香族複素環化合物の共鳴エネルギーによる大きな安定性があると思われ、シアン化水素と二酸化炭素とアンモニアは何らかの触媒で発熱的に容易に縮合してグアニンを生成すると考えられます。
5 分子のシアン化水素が縮合したアデニンや 4 分子のシアン化水素と二酸化炭素とアンモニアが縮合したグアニンは熱や光などの影響を受け難い安定な芳香族性を持つプリン環
40

にアニリン性のアミノ基（NH2）やフェノール性の水酸基の付いた構造を持っていますか
ら、安定で水素結合に適した 2～3 の部位が平面構造の固有の相対位置を保ちつつ固定されています。アデニンとグアニンは生物の発生より以前の冥王代末期にはすでに海水中に存在していたと考えられますし、生物の進化にこのアデニンとグアニンの特異な性質は非常に適していましたから、生命活動を維持する上で不可欠な DNA や RNA をはじめ、生体内でエネルギーの伝達をする ATP や酸化・還元反応を司る NADPH や種々の酵素や補酵素などの分子の一部としてアデニンとグアニンが取り込まれて重要な働きをしています。

大気中に再登場した酸素
地球の誕生から 6 億年後の冥王代末期には、図 3-6 に示す平衡反応により水を生成して大気中の酸素は微量になり、残った水素とヘリウムは軽くて拡散し易いので地球から完全に宇宙の彼方に飛散してしまいました。さらに、地球の気温が 373K（100℃）以下に冷えて、大量の液状の水が海となって地表を覆うようになりました。水素を全く含まない大気
中では図 3-6 に示す水素と酸素と水の間の平衡反応が水の分解する左方向にわずかながら進行し始めました。このような分解で生じた水素分子も宇宙に散逸してゆきましたから、その後の現在に至る 40 億年の間を通して、図 3-6 に示す平衡反応が僅かずつながら常に左方向に偏り徐々に海の水が減少するとともに大気中の酸素分子の割合が再び増加してゆき
ますが、その割合は微々たるものと思われます。
38 億年前の太古代には、二酸化炭素やアデニンの溶け込んでいる海の中に生物が発生しましたが、その進化は遅々としたものでした。25～30 億年前になりますと太陽光のエネ
ルギーを利用して図 3-19 に示すような二酸化炭素と水の反応でブドウ糖を生成する単細胞OHの藍藻類（シアノバクテリア）が発生しました。多くの細胞が非常に組織立った集団を作って生命活動

O

H

C

炭酸

O
OH

H
ホルムアルデヒドを維持している現代の生物と異なり、藍藻類は細胞が藻のように集合して生活していますが、個々の細胞は独立してそれぞれ色素たんぱく質のフィコシア

HO

H
C

ニンを介した太陽光エネルギーの吸収による炭酸同HO
HO化反応により生命活動を維持しています。

ブドウ糖

このフィコシアニンは太陽光を吸収するフィコ

O2

C

CH2
C
C H
H

H O
C

C H
OH
OH

図 3-19 炭酸同化反応

シアノビリンにタンパク質が結合しており、フィコシアノビリンを構成する炭素と窒素と酸素の原子が図 3-20 に示されるようにクロロフィル a の赤色と青色で示す部分の原子と完全に同じ配列を持っています。しかも、フィコシアノビリンは二酸化炭素を還元し水を酸化する炭酸同化反応に要するエネルギーを太陽光から取り込む働きをしていますから、炭酸同化反応で二酸化炭素と水からのブドウ糖の生産に要するエネルギーを太陽光から取り込む葉緑素と同じ働きをしています。これらのことから植物の進化の過程で、フィコシア
ノビ
41

CH3

リンはクロロフィル（葉緑素）の原型になるもの

H3Cと思われます。

C

O O

NH

C
HN

C

HN

N

C

O

に 6 つの現象が大きく影

N

C

N

CH3

H
C

R
C

C
C

N

C

N

C

C
C
H3C CH
C
CH

C

H2C
O

Mg

C

CH2
O

CH
C

H2
C
CH3

CH
C

CH3

C
O

O CH3 CH3O CH2
R=CH 3: クロロフィルa
CH CH H2C CH
R=CHO: クロロフィルb
H3C
H2C CH2 H2C H
3

原因はいまだ明確には説明されていませんが、主

C
HC

C

OH
OH
フィコシアノビリン

C

C

C

C
C
C
H3C CHCCCH
H
CH2
H2C CH2 H2C
O

CH3

C

CH2

C

H3C

CH
C

われる氷河期と気温の高

HC
H
C

CH

HC

史の中で、地球の氷に覆返されてきました。そのC
CC

地球の誕生以来の歴

くなる間氷期が度々繰り

CH3

H2C

図 3-20 フィコシアノビリンと葉緑素の構造響しているのではないかと考えられています。太陽の活動が一定せず地球に届くエネルギ
ーが変化する現象や、地球の公転や自転の太陽に対する関係が変化するために地球上の各地へのエネルギーの配分が変化する現象。月と地球の間の相互作用の変化や大陸の移動により潮流が変化する現象。そして雪氷が取り込んで固定化される二酸化炭素など大気の組
成の増減による温室効果の変化する現象。さらに雪氷による太陽光の反射効率の変化する現象などで、これらが互いに影響し合っていると思われます。
ヒューロニアン氷河期と呼ばれる 21～24 億年前の原生代に、地球の歴史上初めて氷河が地球を広く覆いました。ヒューロニアン氷河期と前後して太陽光のエネルギーを吸収す
る色素たんぱく質のフィコシアニンを介して太陽光のエネルギーを活力にして生命活動を維持する藍藻類（シアノバクテリア）が出現してきました。この氷河期の終わりごろに海
水中や大気中の二酸化炭素の濃度が高くなり温度が高くなりましたので、生物の繁殖に適した環境が生まれてきました。環境に恵まれて藍藻類が爆発的に繁殖をしましたので、図3-19 に示すように二酸化炭素が急激に減少するとともに酸素が大量に排出され、地球の歴史の前半には大気中に酸素がほとんど存在しませんでしたが、23~25 億年前の期間に上昇した大気酸素濃度は約 0.2％程度まで急増しました。
その後、植物の繁茂と石炭の堆積などにより大気中の酸素は増加を続けましたが、周期的に訪れる氷河期の終る度に誘発する温度の上昇と二酸化炭素の増加する環境が生物の繁殖に繋がり大気中の酸素の増加を促進しました。氷河期が終わる度に大気中に二酸化炭素が増加して気温が上がり、それに伴い大気中の酸素が急増する現象は地質学的な検証により確認されているようです。このような過程を経て 6 億年前の古生代には、約 80％の窒素分子と約 20％の酸素分子で構成される現在の地球の大気になりました。

生物の生活圏を変えたオゾン
2 つの原子が接近してそれぞれの原子に属する電子の軌道が互いに相互作用するとき、原子間に引力の働くエネルギー的に安定な軌道と反発力が働く不安定な軌道の 2 つの状態
42

が生じます。相互作用により生じる不安定な軌道は、原子の単独の状態よりもエネルギー的に不安定な励起状態ですが、電子を含まないために 2 つの原子の間にはエネルギー的な不安定化は起こりません。同時に、それぞれの原子に属する電子はエネルギー的に安定な軌道に移動するために、軌道の相互作用によりエネルギーの安定な基底状態になり原子は互いに共有結合します。結合エネルギーの 2 倍に相当するエネルギーを外部から吸収する
とき、共有結合を形成している電子の 1 個が不安定な軌道に移り励起状態になります。
Plank の定数と真空中の光の速さと波長をそれぞれ h と c とλとしますと、フォトン 1 個の持つエネルギーが式 2-10 のように表すことができますから、原子 A と B の間の共有結合の結合エネルギーEAB は式 3-13 で表すことができます。
𝑁 ℎ𝑐

𝐸𝐴𝐵 ＝ 𝑎式 3-132𝜆ベンゼンは紫外

kcal/mol

線領域の 182、203、247、253、259nm に

130

極大吸収を示すのみ
で可視光線領域の光110をほとんど吸収しま
せん。この最も長波

H2
O2
N2
N≡N
O3

C-C
C-O
C-N
C=C

180

210

C-H
O-H
N-H
C6H6

90

長の極大吸収の波長を図 3-21 の黄色丸印

70で示すように式 3-13に代入して見積もっ5090

たベンゼンのπ結合

120

150

240 波長(nm)

図 3-21 結合エネルギーと紫外線吸収極大エ ネ ル ギ ー は表 2-2に掲げた 55kcal･mol-1 と一致しています。式 3-13 の関係を図 3-21 の水色線で表しましたが、種々の共有結合の結合エネルギー

表 3-9 各種気体の極大吸収と対応する紫外線吸収極大を合わ

化合物名

せて図 3-21 の上に記しました。赤窒素

97、102、112、168、199

色印は気体の分子の結合、青色印

酸素

133、201、283、303、758、1263

は炭素との結合、緑色印は水素とオゾン

252、303、352、602、1000

極大吸収（nm）の結合、黄色は窒素＝窒素結合と二酸化炭素 217

炭素＝炭素結合を構成するπ結合

一酸化炭素 109、115、119、155、164、179、205を取り上げておきました。なお、

アンモニア 194､152
123､139､186､760､970､1190､1450､1940

水素の吸収極大波長とオゾンの結水合エネルギーは参照できませんで硫化水素したので式 3-13 から算出しまし

二酸化硫黄 235、313、358、370、388
43

189

た。当然、光エネルギーを吸収した電子は不安定な軌道に移動して励起状態になります。
しかし、励起状態は不安定で大部分の分子は吸収した光と同じ波長の光を放出して元の基底状態に戻りますが、一部の分子は結合の開裂や分子構造の変化をもたらします。地球のはるか上空では可視光線をはじめ紫外線などあらゆる波長の光が太陽から降り注いでいますから、大気に含まれる種々の気体はこれらの太陽からの光に晒され、それぞれ固有の波長の光を吸収しています。種々の気体が吸収する光の極大波長を表 3-9 に掲げましたが、この表に掲げた窒素≡窒素結合を構成するπ結合の 168nm の吸収は弱いために、太陽から送られてくる光のうちの約 100nm より長波長の光はすべて窒素を主体とする大気を透過して地上に達します。
生物などを構成するほとんど全ての物質は共有結合で原子同士を結び付けています。
図 3-21 からも明らかなように、水素や炭素や窒素や酸素の原子の間の単結合は結合エネル
ギーが大きいために可視光線をあまり吸収しませんが、生物体が 100nm より長波長の紫外線の光に晒されればその生体を構成する結合が光エネルギーを吸収して一部で結合が切断されます。当然、生体の組織は損傷を受けますから、高いエネルギーを持つ短波長の紫外線の光は生物にとって非常に有害な作用をします。そのため、すべての生物は陸上には棲息することができず、表 3-9 に示すように水は約 200nm の紫外線まで吸収しますので短波長の紫外線から直接晒されない水中に棲息していました。
前節の「大気中に再登場した酸素」で見てきたように、25～30 億年前に大発生した単細胞の藍藻類（シアノバクテリア）は太陽光エネルギーの吸収による炭酸同化反応により二酸化炭素と水からブドウ糖を生産するとともに大量の酸素を副生しました。その後、植物の繁茂などにより大気中の酸素は増加を続け、地球誕生から 40 億年を経過した古生代には約 80％の窒素分子と約 20％の酸素分子で構成される現在の地球の大気になりました。
地球のはるか上空では可視光線をはじめ紫外線などあらゆる波長の光が太陽から降り注いでいますが、大気中に大量に増加した酸素分子がこれらの太陽からの紫外線を吸収すると
図 3-21 からも明らかなように 2 つの酸素原子を結んでいる結合が励起状態になり、酸素の共有結合が図 3-22 に示すように切断されて 2 個の反応性の高い原子状の酸素ラジカルを生成します。ここで生じた酸素ラジカルは近くに存在する酸素分子と即座に反応してオゾンを生成します。また、わずかに生成した

O2

オゾンも紫外線を吸収して酸素ラジカルと酸素分子に戻ります。このように一度
光エネルギーを吸収した酸素分子は酸素

紫外線

酸素ラジカル酸素
Oラジカルに分解しますが、極めて反応性

+ O2

2O
O3

紫外線

オゾン

図 3-22 紫外線によるオゾンの生成が高いために複雑な反応が進行します。
生成するオゾンは分子式 O3、結合距離は 0.128nm、結合角は 127°を持つ酸素同素体であり、地上の大気中に約 0.05ppm 含まれ、空気（酸素）あるいは水の電気分解により製造することができます。表 3-9 に掲げるようにオゾンは 252nm に極大を持つ強い紫外線吸収44を示す青色の気体で、－111℃で青色の液体に、－193℃で固体になります。オゾンは強い酸化性による特異臭と毒性を示し、目に沁みたり咳や喉痛の原因になり、高濃度では不安定で爆発的に酸素に分解します。
このようにして地球のはるか上空で酸素から生成し続けるオゾンは、長い年月の間に地球を包むようにオゾンを多く含む層を形成しました。地球を包むこのオゾン層は 300nm
より短波長の紫外線をほとんど吸収してしまい、地表を太陽の強い紫外線から遮蔽する働きをしています。葉緑素が太陽光からの 450 nm 近傍の可視光線を吸収して植物は炭酸同化反応により生成するブドウ糖を活力として生命活動を維持していますが、450 nm 近傍の可視光線を水は若干吸収したり反射したりしますから、植物は陸上の方が強い可視光線を吸収して効率よく炭酸同化反応することができます。短波長の紫外線が強く降り注ぐ陸上は効率よく炭酸同化反応が進行する環境ですが、植物の生体に有毒ですから棲息できませんでした。オゾン層の形成により有毒な紫外線を遮蔽された環境になりましたので、植物は上陸して繁茂するようになります。
水中に適応して合理的に進化した生命活動の組織や機構は水の無い陸上では必ずしも最適ではなくなりました。水中に繁茂していた藻類は上陸に伴い生体内に大量の水を保つように包み込んでいました。炭酸同化反応に必要な水や二酸化炭素は水中には常に存在しますが、陸上では同じようには供給されませんから地中に根を張りました。動物は生命の維持に必要な酸素も水中では鰓を通して集めていましたが、陸上では肺呼吸が合理的です。
浮遊していれば水中を自由に移動できた動物も陸上では歩いたり飛んだりしなければなりません。蛙や蜻蛉は幼少期には水中にくらし繁殖期に入って初めて上陸しますから、両方の生活圏に適した組織を持っています。このようにして 4.7 億年前に水中に繁茂していた植物が上陸し、続いて 3.8 億年前には脊椎動物も上陸して生活圏を陸上に広げてきました。
オゾン層が形成したお陰でこの約 4 億年の間に、生物は地球の約 30％を占める陸地まで生活圏を拡張して全世界を征服しました。

45