【生物】生命の起源と生物の変遷を図解で総まとめ—化学進化・原始生命・大気の変化・生物の進化の年表｜武蔵野個別指導塾

化学進化から人類の進化までを、酸素の増加や陸上進出の理由とつないで学べます。年代の比較、細胞内共生の根拠を問う例題と3枚の図で、生命の歴史を順序立てて確かめましょう。

よくあるのは、朝の通学路の坂を上りながら前日に覚えた生命の年表を思い出そうとして、「酸素が増えたから光合成生物が現れたのか、光合成生物が現れたから酸素が増えたのか」で止まる場面です。地球の誕生、原始生命、真核生物、恐竜、人類という名前は出てきても、出来事をつなぐ矢印が決まらないと、並べ替えや理由を説明する問題で迷います。

生命の歴史には、年代の順序と、環境と生物が互いに影響した関係という2つの軸があります。酸素を放出する生物が地球環境を変え、その変化が別の生物の生活を可能にするように、生物は環境に従うだけの存在ではありません。また、最初の生命の成立には未解明な点があり、化石が残っている出来事と同じ確かさで語ることはできません。年表を読むときに「いつ」「何が変わった」「何が根拠か」を分けると、長い時間の流れを自分の言葉で説明できるようになります。

この単元で身につけること

• 化学進化と生物の進化を区別します。生命が成立するまでの物質の変化と、生命成立後の集団の遺伝的変化を、同じ意味で使わないようにします。
• 酸素の供給と蓄積を分けて考えます。光合成で酸素が生じても、海中の物質などとの反応で消費されれば、すぐには大気中に多くたまりません。
• 真核生物と多細胞生物の成立を区別します。核をもつ細胞の成立と、複数の細胞が協調して1個体をつくることは、別の変化です。
• 地質時代と代表的な出来事を対応させます。カンブリア爆発、陸上進出、大量絶滅を、地球史全体の時間の長さの中に置きます。
• 人類の進化を枝分かれとして捉えます。現生の類人猿がそのままヒトになったという見方を避け、共通祖先からの分岐として説明します。

生物基礎で学んだ原核細胞と真核細胞、光合成と呼吸の知識が、この単元の土台になります。進化のしくみで学ぶ自然選択も、生物が目的に向かって姿を変えたと誤解しないために役立ちます。

基本の考え方

化学進化から原始生命へ

地球は約46億年前に誕生したとされます。初期の地球が冷えるにつれて海が形成され、その後に生命が成立したと考えられています。ただし、最初の生命が生まれた場所や、そこまでの反応がすべて確定しているわけではありません。教科書では、生命をつくる材料が生物のはたらきによらず生じ、それらが組み合わさって生命の成立につながった過程を、化学進化と説明します。

有機物は、炭素を骨格とする化合物を中心とした物質のまとまりです。有機物という名前がついていても、必ず生物の体内でしかつくれないという意味ではありません。教科書で扱うミラーの実験では、原始地球の環境を想定した混合気体と水を用い、放電によってアミノ酸などが生じることを示しました。アミノ酸はタンパク質の材料です。この結果は生命の材料が非生物的に生じうることを支持しますが、生きた細胞をつくったという結果ではありません。また、実験で想定した気体の組成が、原始地球の大気をそのまま再現していたと断定することもできません。

生命の成立を考えるには、材料があるだけでは不十分です。外界と内部を区切る膜、物質を取り込み変化させる代謝、情報を受け継ぎながら増えるしくみが、互いに結びつく必要があります。膜で包まれた小さなまとまりができても、それだけで生命だと決まるわけではありません。図1のように材料、区画、生命の成立を段階として分けると、実験で確かめた範囲と、その先の説明を区別できます。

図1の矢印は、すべての具体的な反応や成立順序が証明済みであることを示していません。教科書では、RNAが遺伝情報を担うとともに反応を促す役割も果たした時期を想定するRNAワールド仮説が紹介されます。RNAには情報を保持できる性質があり、一部のRNAには触媒としてはたらく性質もあるためです。しかし、最初から現在と同じDNA、タンパク質、細胞膜が一度にそろったとする説明でも、生命の誕生が完全に再現されたという意味でもありません。

最初期の生物は、核膜で囲まれた核をもたない原核生物に近い、単純な細胞だったと考えられています。当時の大気には現在のように多量の遊離酸素はなかったため、初期の生命を、酸素を必須とする呼吸だけで生活する生物として考えることはできません。生命誕生の正確な年代には議論があり、学習上は少なくとも約35億年前ごろには生物が存在していたと整理します。この数字は最初の生命の誕生日を特定したものではありません。

光合成が変えた海と大気

光合成は、光のエネルギーを利用して有機物をつくるはたらきです。ただし、光合成を行う生物がすべて酸素を放出するわけではありません。教科書では、酸素を放出しない光合成が先に現れ、その後、水を利用して酸素を放出する光合成が発達したと説明されます。シアノバクテリアは、酸素を放出する光合成を行う原核生物です。名前に「バクテリア」とあるように細菌の仲間であり、葉緑体をもつ真核細胞ではありません。

海中で生じた酸素の一部は、海水に溶けていた鉄などの物質を酸化するために使われました。そのため、酸素を放出する生物の出現と、大気中の酸素が目立って増える時期との間には隔たりがあります。教科書では、約24億年前ごろから大気中の酸素が大きく増加したと説明されます。しま状に重なる鉄を含む地層である縞状鉄鉱層は、海の鉄と酸素の関係を考える手掛かりです。ただし、地層1つだけから当時の大気の状態がすべて読み取れるわけではありません。

酸素の増加は、生物に一様に有利だったわけではありません。酸素によって障害を受ける生物には、生息できる場所が限られる変化でした。一方、酸素を利用する呼吸を行う生物には、有機物から生命活動に使うエネルギーを取り出すうえで有利な条件となりました。「酸素が増えたので生物がよくなった」では、どの生物にどんな影響があったかが抜けています。

大気中の酸素からはオゾンが生じ、上空にオゾン層が形成されました。オゾン層は太陽から届く有害な紫外線の多くを吸収するため、生物が陸上で生活する条件の1つになります。海水にも紫外線を弱めるはたらきがあるので、海中と陸上では生命が受ける影響が異なります。ただし、オゾン層ができた瞬間に生物が陸上へ進出したわけではありません。乾燥や体の支持、繁殖などの課題にも対応する必要がありました。

真核生物から陸上の生物、人類まで

真核生物は、核膜で囲まれた核をもつ生物です。教科書では、真核生物の出現は約20億年前ごろを目安に扱われます。ミトコンドリアや葉緑体の起源を説明する細胞内共生説は、取り込まれた細菌が宿主の細胞内で共生し、細胞小器官となったとする考えです。核を含む細胞全体の成立と、個々の細胞小器官の起源とは、説明の対象を分けて捉えます。

多細胞生物では、複数の細胞が協調して1個体として生活し、細胞間で役割を分担することがあります。多細胞化は動物、植物、菌類などの系統で独立に起こっており、1回だけの出来事として並べると実際の分岐を見失います。先カンブリア時代の終わりには大型の多細胞生物が見られ、続く古生代の初めに動物の多様化が目立つようになります。

地質時代は、地層や化石などをもとに地球の歴史を区分したものです。ここでは年代を丸め、古生代の始まりを約5.4億年前、中生代の始まりを約2.52億年前、新生代の始まりを約6600万年前として扱います。境界年代の細かな値は教材の丸め方で異なるので、与えられた資料に合わせて読み取ります。

カンブリア爆発は、古生代のカンブリア紀に、動物のさまざまな体のつくりが化石記録で目立つようになる多様化を指します。「爆発」は瞬間的な出来事を意味せず、地質学的な時間で見た変化です。硬い殻などが化石として残りやすくなったことも、記録を読む際に考慮します。先カンブリア時代にも生命や多細胞生物は存在していました。

陸上では体から水が失われやすく、水の浮力にも頼れません。植物では表面からの水分喪失を抑えるしくみや、水を運び体を支える組織などが重要になります。種子植物では花粉によって精細胞を運ぶしくみが、水への繁殖の依存を小さくしました。動物でも、乾燥を防ぐ体表、空気中でのガス交換、体を支えて移動する構造などが課題になります。羊膜などの胚を包む膜をもつ卵は、爬虫類などの陸上での繁殖に関係します。すべての系統が同じ構造を獲得したわけではありません。

大量絶滅とは、比較的短い地質学的期間に、多くの生物種が広い範囲で絶滅することです。古生代末の大量絶滅には大規模な火山活動やそれに伴う環境変化が、中生代末の大量絶滅には天体衝突などによる環境変化が関係したと教科書では説明されます。原因を1つの短い語に置き換えるだけでなく、気候や海洋環境、食物関係が変わり、生物の生存や繁殖に影響したとつなげて考えます。

生き残った系統が空いた生活の場へ広がり、多様な環境に適応して枝分かれすることを適応放散といいます。哺乳類は中生代にすでに存在しており、新生代に多様化しました。鳥類は恐竜の一部の系統から進化したため、「恐竜がすべて絶滅した」という表現には注意が必要です。

人類の進化も枝分かれの歴史です。ヒトとチンパンジーは共通祖先をもち、その分岐は教科書では約700万〜600万年前を目安として説明されます。初期の人類では直立二足歩行の特徴が重要で、脳の大きな発達に先行したと整理します。猿人、原人、旧人、新人という呼び方は特徴を整理する助けになりますが、全員が1本の直線に沿って置き換わったという意味ではありません。複数の系統が同じ時代に存在し、現生人類であるホモ・サピエンスもその枝分かれの中に位置づけられます。

例題で解き方を確かめる

例題1　実験から言える範囲を選ぶ

原始地球を想定した条件で、気体と水からアミノ酸が生じました。この結果から直接支持される説明を、次の3つから選びましょう。ア「その条件で生命の材料となる有機物が生じうる」、イ「最初の生命が実験で誕生した」、ウ「原始地球の大気の組成が完全に決まった」。

1. 実際に得られた物質を確かめます。結果にあるのはアミノ酸なので、細胞そのものや自己増殖する生命ができたと読み替えないためです。
2. 実験で設定した条件と、地球で実際に起きたことを分けます。ある条件で反応が起こることと、その条件が過去に唯一の環境だったことは別だからです。
3. 結果と同じ範囲の説明を選びます。アは材料の生成にとどまり、イとウは観察した範囲を越えています。

答え：アです。生命の材料の非生物的な生成を支持しますが、生命の誕生そのものを示しません。

例題2　酸素の変化を因果関係で並べる

A「酸素が海中の鉄などの酸化に使われる」、B「酸素を放出する光合成が始まる」、C「大気中に酸素が蓄積する」、D「オゾン層が発達する」を、大きな流れとして並べてください。また、BとCを同時の出来事としない理由を説明しましょう。

1. 酸素を生じさせる出来事を探します。A、C、Dはいずれも酸素が存在することを前提とするため、まずBを置きます。
2. つくられた酸素の行き先を考えます。水槽に水を注いでも排水され続ければ水位がすぐ上がらないのと同じく、供給だけで蓄積は決まらないため、Aを挟みます。
3. 大気に酸素が蓄積した後の変化としてDを置きます。オゾンは酸素から生じるので、原因となる物質の増加を先に置くためです。

これは各過程が完全に終わってから次が始まるという並べ方ではありません。酸素の生成、消費、蓄積は重なって進みます。問題で問われるのは、その重なりを無視した絶対的な開始順ではなく、大気が変わる理由を含む大きな因果の流れです。

答え：B → A → C → Dです。生じた酸素が鉄などの酸化に消費されるため、生成開始と大気への蓄積は一致しません。

例題3　年表から期間と割合を読む

図2は、過去6億年間を同じ時間幅が同じ長さになるように描いた年表です。ここでは古生代の始まりを5.4億年前、中生代の始まりを2.52億年前、新生代の始まりを0.66億年前とします。古生代と中生代の長さをそれぞれ求め、地球誕生から現在までの46億年間に対して、新生代が占める割合を小数第1位まで求めましょう。

図2の上の目盛りは1億年ごとの等間隔です。色分けした帯の境界は、その目盛りに合わせています。左端から古生代が始まるまでの灰色部分は先カンブリア時代の末尾であり、先カンブリア時代全体を描いているわけではありません。地球史全体をこの図の横幅だと思わないことが大切です。

1. 年代の単位を億年前にそろえます。6600万年前は0.66億年前なので、万と億を混ぜて引き算しないためです。
2. 古い年代から新しい年代を引きます。「何年前」は現在からさかのぼる大きさなので、古生代の長さは5.4 − 2.52 = 2.88億年、中生代の長さは2.52 − 0.66 = 1.86億年です。
3. 割合の分母を問題文から決めます。図の6億年ではなく地球史の46億年が対象なので、新生代の割合は0.66 ÷ 46 × 100 ≒ 1.4％です。

地質時代の区切りは等しい年数になるように決められていません。そのため、名前を3つ並べたからといって古生代、中生代、新生代を等幅に描くと、時間の長さを誤って伝えることになります。

答え：古生代は2.88億年、中生代は1.86億年で、新生代は地球史の約1.4％です。

例題4　細胞内共生説の根拠を説明する

ミトコンドリアと葉緑体には独自のDNAがあり、分裂によって増えます。この2つの特徴が細胞内共生説を支持する理由と、それぞれの起源となった生物を説明しましょう。

1. 観察された特徴を、細胞小器官の現在のはたらきと分けます。呼吸や光合成を行うという役割だけでなく、自らの情報と増殖に関わる特徴を問う問題だからです。
2. その特徴を、かつて独立した細胞だったという説明に結びつけます。DNAをもち分裂する性質が、宿主に取り込まれる前の細菌の性質を引き継いだものと考えられるためです。
3. 起源を対応させます。ミトコンドリアは酸素を利用して呼吸する細菌、葉緑体はシアノバクテリアに由来すると教科書では説明されます。

答えに「どちらもDNAをもつから」とだけ書くと、観察した特徴の繰り返しになります。「独立した細菌に由来するという考えと整合する」と一歩つなげると、根拠を説明した文になります。

答え：独自のDNAと分裂は独立した細菌の性質を受け継いだと考えられ、ミトコンドリアは酸素を利用する細菌、葉緑体はシアノバクテリアに由来します。

つまずきやすいところと直し方

生命の起源と動物の多様化を同じにする

誤った書き方は「カンブリア爆発で地球に最初の生命が現れた」です。どこが違うかというと、カンブリア紀よりはるか前に原核生物や真核生物が存在していたことを落としている点です。多細胞生物もカンブリア紀に一斉に初めて成立したのではありません。

正しい書き方は「カンブリア紀には、動物の多様な体のつくりが化石記録で目立つようになった」です。直すときは「生命」「真核生物」「多細胞生物」「動物」のどれが文の主語なのかを囲んでください。対象の範囲を狭めるだけで、時期の取り違えが見つかることがあります。

共生で全種類の細胞小器官ができたとする

誤った書き方は「核、ミトコンドリア、葉緑体は、いずれも細菌が取り込まれてできた」です。どこが違うかというと、高校で扱う細胞内共生説が直接説明する対象を、核まで広げている点です。核膜で囲まれた核があることと、ミトコンドリアや葉緑体の起源の説明は区別します。

正しい書き方は「ミトコンドリアと葉緑体の起源は、細菌との細胞内共生で説明される」です。図3のように、宿主に取り込まれる細菌と、その後の細胞小器官を対応させて確かめます。図の大きさや配置は模式的で、細胞内の実際の寸法比や核の成立過程を表していません。

図3の上段はミトコンドリアの起源、下段は葉緑体の起源です。下段の宿主はすでにミトコンドリアをもつ真核細胞として描いています。植物の細胞にもミトコンドリアがあるため、葉緑体の獲得を「ミトコンドリアとの交換」と読んではいけません。また、葉緑体をもたない真核生物も多数存在します。

人類を進化の目的と考える

誤った書き方は「現在のチンパンジーが進歩するとヒトになる」です。どこが違うかというと、共通祖先から分かれた現在の2つの系統を、祖先と子孫の関係に置き換えている点です。進化には、必ず脳が大きくなり最終的に人類へ向かうという決められた方向はありません。

正しい書き方は「ヒトとチンパンジーは共通祖先から分岐し、それぞれの系統で進化してきた」です。人類の特徴を問われたときも、直立二足歩行、手の使用、脳の発達などをすべて同時に獲得したとまとめず、変化の順序を考えます。二足歩行が先行したという関係を押さえると、脳が大きくなったので立ち上がった、という逆向きの説明を避けられます。

練習問題

練習1

A「大気中の酸素の大きな増加」、B「カンブリア紀の動物の多様化」、C「地球の誕生」、D「真核生物の出現」を、本文の年代を用いて古い順に並べてください。あわせて、Aより前に必要となる光合成の特徴を答えましょう。

練習2

ある生物が光合成を行う原核生物で、酸素を放出します。この特徴に当てはまる生物群の名前を答えてください。また、その生物は葉緑体をもつか、原核細胞のつくりに触れて説明しましょう。

練習3

地球史46億年を長さ460 cmの帯に対応させます。帯の左端を地球誕生、右端を現在とすると、5.4億年前の位置は左端から何cmですか。また、6600万年前から現在までに相当する帯の長さは何cmですか。年代は例題3と同じ丸めた値を使ってください。

練習4

「中生代末に恐竜がすべて絶滅した後、新生代に初めて哺乳類が誕生した」という文には、本文に照らして2つの誤りがあります。それぞれを直してください。さらに、大量絶滅後に生き残った系統が多様な生活の場へ広がり、枝分かれすることを何といいますか。

答えと解説

練習1の答え：C → A → D → Bです。本文ではそれぞれ約46億年前、約24億年前ごろから、約20億年前ごろ、約5.4億年前以降と整理しています。Aの前提となるのは、酸素を放出する光合成です。光合成という語だけでは、酸素を放出しないものと区別できません。

練習2の答え：シアノバクテリアで、葉緑体はもちません。原核細胞には核膜で囲まれた核や葉緑体がなく、細胞内の膜にある光合成のしくみを用います。光合成というはたらきと、葉緑体という構造を同一視しないことがポイントです。

練習3の答え：左端から406 cmで、新生代に当たる長さは6.6 cmです。460 ÷ 46 = 10より、1億年が10 cmに相当します。5.4億年前は現在から54 cm左なので、460 − 54 = 406 cmです。6600万年は0.66億年なので、0.66 × 10 = 6.6 cmとなります。「何年前の位置」と「期間に対応する長さ」を分けて計算します。

練習4の答え：中生代末に絶滅したのは鳥類以外の恐竜であり、哺乳類は中生代にすでに存在していました。生き残った系統が多様な生活の場へ広がって枝分かれすることは適応放散です。「誕生」と「多様化」を区別し、絶滅の対象を正確に限定して文を直します。

次の単元へのつながりと家庭での確かめ方

生命の変遷を学ぶと、次に扱う生物の系統と分類で、似た形をもつかどうかだけでなく、どの祖先を共有するかを考えやすくなります。地質時代の年表は時間順に並べる図ですが、系統樹は枝分かれを表す図です。横に並んでいる生物を、そのまま古い順だと読むことはできません。

家庭で5分ほど使えるなら、1つ目は「酸素を放出する光合成」「海中での酸素の消費」「大気への蓄積」「オゾン層」を紙に書き、矢印に理由を添える方法です。2つ目は、何も見ずに古生代、中生代、新生代の境界を書き、哺乳類の出現と多様化を別々の位置に置く方法です。正しい語を置けたかに加え、その語を置いた理由まで声に出して確かめます。

個別指導で順序の誤りを確かめる場合は、酸素の生成と消費の区別や、原核細胞と真核細胞の構造まで戻ります。年号を忘れたのか、出来事の意味が混ざったのかを分けると、覚え直す範囲が定まります。

まとめ

生命の歴史を説明するときには、証拠から言える範囲を越えず、主語を具体的にすることが欠かせません。「生物が現れた」ではなく何の生物が現れたのか、「環境がよくなった」ではなくどの生物にどんな条件が生じたのかまで書くと、年表が説明に変わります。

酸素を放出した小さな細胞の活動が、海と大気を変え、その後の生活の場にまで関わりました。年号を1つ言えることと、その前後を根拠つきで結べることの間には、はっきりした違いがあります。生命の年表で理解を示すのは、覚えた名前の数ではなく、出来事の間に引いた矢印の理由です。