阿部 豊 (2015) 生命の星の条件を探る

  • 阿部 豊 (解説: 阿部 彩子), 2015: 生命の星の条件を探る。文藝春秋, 238 pp. ISBN 988-4-16-390322-4.

発行日は2015年8月30日となっている。わたしはそのころから本の存在は知っていたのだが、読むのをのびのびにしていた。2018年1月に、著者が亡くなったという知らせを聞いて、読まなければ、という気になった。しかし実際に読むのは4月になった。

著者は惑星形成論の理論家だ。なお、(いつからかは本書の著者紹介で知ったのだが) 2003年から、筋萎縮性側索硬化症(ALS)を発症している。本書の執筆には3年かかったそうだ。(本書の解説によれば) 口述で原稿をつくり、パソコン上でカーソルを動かして修正するという形で進めたそうだ。

本書は一般の人向けの読みものとして書かれた。とくに、地球科学・宇宙科学を学びはじめようとしている人が読むのに適していると思う。ただし、参考文献は、読者への案内という意味でも、出典表示という意味でも、示されていない。入門書として読むならば、それを別の源からおぎなう必要がある。

ここからだいたい、わたしが速く読んで、本書の要点だと思ったことの抜き書き。

序章。著者は地球に生命がいることを「奇跡」とは考えない。太陽系外のあちこちに惑星(「系外惑星」)があることはわかってきた。生命が存在する条件をみたす惑星はあるにちがいない。

第1章「水」。生命には物質の出入りが必要だ。そのための媒体(溶媒)が必要で、それに適したのは固体や気体ではなく液体だ。液体になりうる物質としてはメタンなどもありうるが、メタンを溶媒とする生物がありうるかはまだわからない。ここでは水を溶媒とする生物を考える。(水は極性分子、メタンは非極性分子であるというちがいもある。)

生命が活動する場が、惑星内部であっていけないことはないが、観測困難なので、惑星表面に液体の水が存在する条件を考える。

惑星が液体の水をもつためには次の3つの条件が必要だ。
1. 惑星が形成されるとき、H2Oあるいは惑星上でH2Oになる原料物質がとりこまれること。
2. H2Oが惑星の表面にとどまること。(宇宙空間に逃げ出したり、惑星内部にとじこめられたりしないこと。)
3. H2Oが液体であること。(これは温度・圧力条件により、それはエネルギー収支により、それには大気成分も温室効果によって影響をおよぼす。)

39ページの図は、著者の博士論文になった研究(あるいはその改訂版にあたる研究)によるものだと思う。グラフの横軸に惑星放射、縦軸に大気中二酸化炭素量をとっている。液体の水がある領域は、4辺にかこまれている。
上: 超臨界流体 … 水蒸気と水の区別がつかない
左: 液相二酸化炭素 … 二酸化炭素の温室効果がきかない
右: 暴走温室状態 … 水蒸気の温室効果で高温になり、水は気相(水蒸気)だけ
左下: 全球凍結状態 … 水は固相(氷)
今の地球の「惑星放射」は240 W/m2だ。暴走温室になる条件は、この図では惑星放射 300 W/m2ぐらいになっている。新しい研究結果では 280 W/m2ぐらいだ。ただしその新しい研究も理想化した条件(湿度100%、雲なし、全球平均)なので現実の地球に対しての数値が示されたとは言いきれない。第5章で紹介される大気モデルによる数値実験では、太陽放射が今より10%以上多いと暴走温室がありうる。

水の存在が持続する条件には、大気の散逸、太陽放射の増大、大気中の二酸化炭素量がある。
大気の散逸について。火星は質量が小さすぎたので大気を失ってしまったようだ。いまの地球大気は、対流圏と成層圏のさかいが低温であることが、水蒸気が逃げるのをふせいでいる。こうなっていなかったら地球の海が消えていたかもしれない。
太陽放射の増大について。太陽の核融合反応の進展とともに太陽放射が増大するので、地球は数十億年後には液体の水が存在しない温度になる。
大気中の二酸化炭素量について。海があると、二酸化炭素が石灰岩として固定され、温室効果が弱まる。寒くなりすぎないためには、大気中に二酸化炭素を補給するしくみが必要だ。

海がある条件として、H2Oの量の条件はあまりきびしくない。今の地球の海の8分の1くらいあればよい。放射収支の条件がきびしい。

第2章「地面が動くこと」
地球では、大気中の二酸化炭素量が安定に保たれている。地球内部からの「脱ガス」によって二酸化炭素が供給される。他方、二酸化炭素は水にとけ、鉱物の化学風化にかかわり、カルシウムイオンとともに炭酸塩として沈殿し、この炭酸塩の炭素が地球内部にもどっていく。

いまの地球では、プレートテクトニクスによって、海洋底拡大や大陸移動がおきている。なお、著者は、プレートテクトニクスはマントル対流の一部分である、としている。プレートの沈みこみ域で、炭酸塩の一部分が加熱されて、大気中への脱ガスがおこる。大気への二酸化炭素の補給には、プレートテクトニクスが必要とはいいきれないものの、いまの地球でのその量は、プレートテクトニクスに支配されている。

中生代には、プレート運動が速く、脱ガスが速まり、大気中の二酸化炭素が多く、気温が高かった。また、プレート運動が速い結果、海洋プレートが厚いので、海水準が高かった。しかし、逆にプレート運動が遅い時代には寒冷になるのかは、証拠不じゅうぶんだ。

第3章「大陸」
生物に陸地は必要か? 著者は、必須かもしれない、と考える。

まず温度条件について。大陸上にある炭酸塩は炭素循環からはずれる。陸がない場合に比べて、温室効果が弱くなり、気温は低くなる。

それから、元素の循環、とくにリン。地球で進化した生物の場合、リンはDNA・RNAにもATPにも使われる必須の元素だ。リンは海では得にくい(深海に沈んでしまうと表層に出てこない)。大陸があって、その岩石が風化することによって、供給されている。

第4章「酸素」
この章の議論は、惑星に生命が存在する条件ではなく、生命の存在する地球で実際に起きたことだ。複雑な生物が存在できる条件、とはいえるかもしれない。

生物は有機物を合成し、それを分解してエネルギーを取り出して使う。有機物の分解に酸素を使えると、より多くのエネルギーを取り出すことができる。

大気中の酸素は、生物にもうひとつの恩恵も与えている。成層圏オゾン層ができ、生物に紫外線が届くのをふせいでいる。

太古の地球には酸素がなかった。その中で「嫌気性生物」が進化した。光合成植物の出現で、酸素を含む大気ができ、「好気性生物」が優勢になった。ただし、酸素濃度が高くなるためには、光合成だけでなく、有機物の埋没が重要だ。

地球では少なくとも3回の全球凍結がおきたと考えられている。全球凍結と言っても、海の底まで凍結したわけではなく表面に氷がはったのだろう。酸素濃度増大は(3回それぞれの)全球凍結の直後におきたらしい。因果関係としては、高温になって大陸の岩石の化学風化が進み、海の栄養塩がふえて、光合成が活発になった、という可能性がある。ただし、酸素濃度増大にとって全球凍結が必要だったわけではないだろう。

第5章「海惑星と陸惑星」
惑星がもつ水の量によって、生命が可能な(habitableである)条件はどう変わるか。

ここで「海惑星」と「陸惑星」という概念を導入する。つながった海をもつのが海惑星、水がどこにたまるかが大気とのあいだの交換(降水と蒸発)で決まるのが陸惑星だ。

地球の大きさの惑星が陸惑星になるのは、海の面積では惑星の半分以下、水の量では現在の地球の海の10分の1以下の場合だ。

陸惑星は見つかっていない。太古の火星は陸惑星だった可能性がある。土星の衛星タイタンは、湖にたまっているのが水でなくメタンであることを別にすれば陸惑星と同じ特徴をもつようだ。

気候モデルによる数値実験(著者自身と解説を書いている阿部彩子さんとの共同研究、論文2011年)によれば、陸惑星のほうが、水が液体でいられる (太陽放射の強さの)範囲がだいぶ広い。これは予想外の結果だったが、水は、水蒸気フィードバックやアイス アルベド フィードバックによって環境の変動を増幅させるので、海惑星のほうが暴走温室や全球凍結におちいりやすい、ということで説明できる。

第6章「惑星の巨大衝突」
惑星の形成過程は、固体物質が衝突・合体をくりかえして「塵」から微惑星、原始惑星、惑星と大きくなってきたと考えられている。原始惑星どうしの衝突を giant impact (巨大衝突)という。

中心星(太陽)の近くでは、氷を主成分とする「塵」が揮発するので、木星のような巨大ガス惑星はできないはずだ。しかし、系外惑星では、巨大ガス惑星が中心星の近くに存在することはある。できてから移動したらしい。

第7章 「大気と水の保持」
地球の水の量(おもに海水)は、惑星質量に対しては 0.023% だ。なぜこのような値になったのかについて、まだすじのとおった説明はない。

地球の大気は、捕獲大気ではなく、脱ガス大気だ。地球のH2Oも大気と同様、固体物質から脱ガスしたものだろう。

地球にH2Oを供給したもとは、彗星という説、小惑星帯付近の固体物質という説もあるが、おもに地球軌道付近の微惑星だろう。とりこんだ時期については、著者は、地球形成初期と考えている。

巨大衝突で温度が上がり、マグマオーシャンが形成されれば、水蒸気大気が暴走温室状態になったはずだ。その後、マグマオーシャンがいくらかひえて、雨がふり、海になる。これは、原始太陽系の形成から3-5千万年のあいだにおきたと考えられている。

金星は、太陽から届く放射が多いので、暴走温室状態が長く続く。太陽の紫外線で水蒸気が分解され、水素は宇宙空間に失われる。(酸素はマグマオーシャンに吸収されるだろう。) 水蒸気が減れば温室効果が弱まってマグマオーシャンは消滅する。そして、水がほとんどない「乾燥」状態にいたる。(海ができたとしても、その後に暴走温室になって、海は失われただろう。)

火星は、放射収支から考えると、液体の水が存在することは困難だ。しかし、かつて液体の水が流れたらしい地形がある。その水は外に散逸したか、氷として地下にあるか、わかっていない。

系外惑星の場合は、捕獲大気に由来するH2Oがある可能性もある。ただし、捕獲大気が残るのは氷が安定に存在する領域だと考えられるが、それは液体の水が安定に存在する条件とかさならない。H2Oが運ばれることが必要だ。

第8章「大きさ」
ここでは地球型つまり岩石質の惑星にしぼって考える。

小さい惑星は、(いろいろな理由で)大気を失いやすい。火星はかつて持っていた大気のほとんどを失ったと考えられている。

地球型の惑星の大きいほうは質量が地球の10倍くらいまでだろう。質量の大きい惑星の大気は水素を多く含むだろうから、生物が酸素を出しても、酸素の多い大気ができなかっただろう。また、大きい惑星は「水びたし」(陸がなく海ばかり)になる可能性が高い。したがって、(著者の想像では) 大きい惑星では生物が発生しても複雑な生物が進化するには至らないと思われる。

第9章「軌道と自転と他惑星」
惑星の公転軌道は楕円だ。もしその楕円の離心率が大きかったらどうなるか? 気温の年内の変化が大きくなる。(とくに陸惑星の場合に変化が大きい。) しかし、地球くらいの大気や海があれば、平均的気候は、年平均の日射で決まる。

自転軸の傾きの影響。
傾きがなかったら (いまの地球のような) 季節はない。
傾きがハドレー循環の幅(いまの地球では緯度幅として30度くらい)よりも大きかったら、「低緯度が暑く高緯度が寒い」とはかぎらない。そして、全球凍結は起こりにくいが、季節変化が大きくなる。なお、ハドレー循環の幅は、自転周期が短いほど狭い。
傾きは、最初はジャイアントインパクトで決まり、どちらを向くかは偶然だ。その後、月や太陽の潮汐力によって、公転面に垂直に近づく。

自転周期について。潮汐力は、自転周期を公転周期に近づけようとする。その結果、自転が公転に同期したら、半年が昼、半年が夜になる。

今の地球でも、他の惑星の引力によって、軌道離心率、近点を通過する季節、自転軸の傾斜が、それぞれ変化しつづけている。いわゆるミランコビッチ サイクルだ。離心率の変化は、気候への直接の影響は小さいが、近点を通過する季節の変化を通じて、半球別・季節別の日射にきく。現在の地球では北半球に陸が多いので、気候は北半球の夏の日射に敏感だ。

この章では「もし月がなかったら」「もし木星がなかったら」「もし木星・土星・天王星がもっと巨大だったら」などの考察もしている。

第10章「恒星」
恒星の質量によって、明るさ(光度)、温度、寿命がちがう。生命の存在の条件としては、生物の進化に必要な時間のあいだ、恒星が持続するか、また、恒星の光度が惑星が habitable zone にある範囲で持続するか、という問題がある。地球の場合、いまから10億年後には温度が上がりすぎてhabitableでなくなると見積もられている。

恒星の組成によって、惑星をつくる材料がちがう。太陽系ができたとき、前世代の星の残骸である重元素があった。だから、リンなどを含む生物が可能だった。いまの宇宙には重元素はもっとふえている。

結び: 「ドレイクの方程式」を超えて
宇宙には地球以外にも液体の水をもつ惑星はあるだろう。生物がいるためには、それに加えて、水が地表にあることがたぶん必要だ。大陸があることも、リンの供給などのために、たぶん必要だ。

生命が存在すれば進化するだろう。しかし、地球と同じように進化するとはかぎらないだろう。

ドレイク(Frank Drake)は1961年に、宇宙のうち交信可能なところに知的生命が生じた惑星がどのくらいあるかを論じた。著者は、このような考えかたをすることに賛同する反面、この式自体の数値を求めなおしてみることには意義を認めていないようだ。問題の定式化からやりなおすべきだという考えなのかもしれない。

補遺
地球の磁場は太陽からの荷電粒子(太陽風)が地上に届くのをふせぐことによって、生物の生存の助けになっている。しかし、地球磁場が短期的に弱まったことはたびたびあり、それで地球の生物が大きな影響を受けた証拠はない。著者は、磁場は生命の必要条件ではないと考えている。

折り返しのあとに、くわしい目次をつける。

== 目次 ==
目次
序章 地球以外のどこかに
– 生命は地球にしかいないのだろうか?
– 惑星の理解は飛躍的に進歩している
– 「系外惑星」の新発見が相次いでいる
– 生命が存在できる条件とは?
– 「奇跡の星」というものはない
第1章 水
– なぜ生命には水が必要なのか
– 液体が必要なわけ
– 水は「たくさんあってしかるべき」もの
– 水は変な物質
– 水があるのは「地表」でなくてはいけないのか
– 「水惑星」であるための3つの条件
– 「温室効果」と「暴走温室状態」
– 水が一瞬だけ存在した惑星と、ずっと存在する惑星
– – (1) 大気の散逸
– – (2) 太陽放射の増大
– – (3) 大気中の二酸化炭素量の減少
第2章 地面が動くこと
– 第2の条件のカギは足元に
– 「脱ガス」とは
– プレートテクトニクスと脱ガスの関係
– 地球は石の板で覆われている
– 「大陸移動説」とプレートテクトニクスは何が違うのか
– プレートの重要な影響
– 恐竜の時代はいまよりも温暖だった
– プレート運動のメカニズム
– 炭素循環は地球温暖化を防ぐのか
第3章 大陸
– 生物に陸地は必要か
– もしも大陸がなければ、地球の気温は60℃以上?
– 生物が必要とする元素
– リンはどうやって供給されるのか
– 大陸と海底は何が違うのか?
– 第3の条件、大陸の必要性
第4章 酸素
– 材料はそろった。次はエネルギー
– 酸素は毒物だった
– エネルギーを効率よく得るために
– 酸素のもう一つの恩恵
– 太古の地球には酸素がなかった
– 生物進化と酸素
– 酸素増大のメカニズム
– 全球凍結と酸素増大の関係の謎
– 地球はどれくらい珍しい星なのか
第5章 海惑星と陸惑星
– 水は多いほど良いのか
– 水は惑星のどこに集まるか?
– 水は環境の変動を増幅させる
– 地球は10億年後に生命が住めなくなる?
– もしも地球の海の量が違っていたら
– 地球の水の量はどうやって決まったのか
第6章 惑星の巨大衝突
– 太陽系と地球の誕生
– (1) 星間分子雲が収縮して、原始惑星系円盤ができる
– (2) 塵が集まって微惑星ができる
– (3) 微惑星が衝突・合体を繰り返して原始惑星になる
– (4) ジャイアントインパクトによって現在の地球ができた
– 惑星が移動した惑星系
第7章 大気と水の保持
– 「地球型惑星」の大気形成過程と水の取り込み
– どんな物質が地球に水を供給したのか
– – (1) 彗星
– – (2) 小惑星帯付近の固体物質
– – (3) 地球軌道付近の微惑星
– 水はいつ供給されたのか
– 最初の雨が降って「液体の水」ができた
– 金星と火星が、地球になれなかったわけ
– 地球の水の量はどうやって決まったのか
– 太陽系外の水惑星
第8章 大きさ
– 小さい惑星は大気を保つことができない
– スーパーアースとはどんな星か
– 大きい惑星は水浸しになっている
– スーパーアースの生物とは….
第9章 軌道と自転と他惑星
– 惑星の公転軌道は環境にどう影響するのか
– 自転軸の傾きがなかったら、季節の変化はない
– 自転軸が大きく傾くと何が起きるか
– 自転軸の傾きはどうやって決まるのか
– わずかな軌道の変動が惑星に氷期をもたらす
– もしも月や木星がなかったら?
第10章 恒星
– 恒星の大きさが惑星の環境を決める
– 生命の進化に必要な時間と惑星の寿命
– 恒星の組成が惑星の性質に影響する
結び 「ドレイクの方程式」を超えて
– 水惑星の発見はもうすぐ
– 地球はやっぱり「奇跡の星」か?
– 水惑星の多様性と生命の多様性
– 「生命の星」は必ず存在する
補遺 磁場は生命に必要なのか
– 磁場は生命の条件ではないが….
– 磁場が発生する星としない星の違いは?
– N極とS極はしばしば入れ替わる
– 磁場はシールド
– 磁場がないと生物は存在できないのか?
謝辞
解説 「信念」を「科学」に変える /阿部 彩子

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