【地学基礎】地球の誕生と先カンブリア時代を図解で総まとめ—海・大気・光合成・全球凍結｜武蔵野個別指導塾

酸素が空に増える前に、なぜ海底へ鉄が積もったのか。海の断面の図と、46 億年を 1 年に縮める計算の例題で、海の誕生から全球凍結までの順番を理由つきで言えるようにしましょう。

よくあるのは、修学旅行のしおりの行程表を班で読み合わせたあとの教室で、地学基礎の小テストの範囲を開いたとたんに手が止まる、という場面です。1 日目の見学先の順番はすぐ言えるのに、シアノバクテリア、縞状鉄鉱層、全球凍結、エディアカラ生物群を古い順に並べようとすると、どれが先だったか怪しくなります。行程表が頭に入るのは、前の場所に着かなければ次の場所へ行けないからです。地球の歴史にも同じ筋道があり、海がなければ光合成をする生物は広がらず、その生物が酸素を出さなければ海の鉄はさびて沈みません。この単元を学ぶと、約 46 億年前の誕生から約 5.4 億年前までの出来事を、年代の丸暗記ではなく「前の出来事が次の条件になる」という理由でつないで説明できるようになります。

この単元で押さえること

• 微惑星の衝突：約 46 億年前、微惑星の衝突と合体で原始地球ができ、衝突の熱と原始大気の温室効果で表面がマグマオーシャンになりました。
• 層構造の始まり：融けた地球の中で重い鉄が沈んで核になり、軽いケイ酸塩がマントルになりました。
• 海と大気の成立：地表が冷えると水蒸気が雨になって海ができ、二酸化炭素は海に溶けて石灰岩などに固定され、大気の主役が入れ替わります。
• 光合成と酸素：シアノバクテリアが出した酸素はまず海の鉄と反応して縞状鉄鉱層をつくり、そのあとで大気に増えました。
• 全球凍結：原生代には、地球全体が氷におおわれた時期が少なくとも 2 回あったと考えられています。
• エディアカラ生物群：先カンブリア時代の終わりに現れた、硬い殻をもたない大型の多細胞生物です。

化石と地質年代の単元で学んだ時代の区分を土台にして、次の古生代で生物が硬い殻を手に入れ、陸へ上がる話へ続いていきます。

基本の考え方

先カンブリア時代とは、約 46 億年前の地球の誕生から、古生代が始まる約 5.4 億年前までの時代をまとめた呼び名です。古い順に冥王代（約 46 億〜約 40 億年前）、太古代（始生代ともいいます。約 40 億〜約 25 億年前）、原生代（約 25 億〜約 5.4 億年前）に分けます。地球の歴史の約 9 割を占めるのに話が短く感じられるのは、古い岩石ほど変成作用や侵食で失われ、硬い殻や骨格をもつ生物もほとんどいなかったため、手がかりが少ないからです。知られている最古の岩石でも約 40 億年前のもので、冥王代の地表を直接語る岩石はほぼ残っていません。証拠が限られるぶん、問題でも「どの岩石から何が言えるか」という組み合わせがよく問われます。

地球の誕生から海ができるまで

太陽系が生まれたころ、若い太陽のまわりにはちりとガスの円盤があり、その中で無数の微惑星ができました。微惑星が衝突と合体をくり返して大きくなったものが原始地球です。かなづちでくぎを何度もたたくとくぎが熱くなるように、ぶつかる運動のエネルギーは熱に変わります。さらに、微惑星に含まれていた水や二酸化炭素などが衝突で気体となって放出され、水蒸気と二酸化炭素を主とする原始大気ができました。この大気の温室効果で熱が逃げにくくなり、地表の岩石は融けて、地球全体がマグマの海におおわれました。これがマグマオーシャンです。

全体が融けると、重いものと軽いものが分かれます。ドレッシングのびんを置いておくと油と酢が分かれるのと同じで、密度の大きい鉄は沈んで核に、密度の小さいケイ酸塩はマントルになりました。現在の地球の層構造は、このときに基礎ができたと考えられています。図1のように、①から③までが「熱くなって分かれる」段階です。

微惑星の衝突が減ると地表は冷え始め、マグマの海は固まって原始地殻になりました。大気中の水蒸気は凝結して激しい雨となり、低い土地にたまって原始海洋ができます。図1の④がこの段階です。約 40 億年前までには海があったと考えられていて、手がかりの 1 つがグリーンランドの約 38 億年前の地層に残る枕状溶岩です。枕状溶岩は溶岩が水中に噴出したときにできる丸い形の岩石で、当時すでに海があったことを示しています。

海ができると大気も変わります。炭酸飲料の栓を開けると泡が出るのは、水に溶けていた二酸化炭素が抜けていくからです。原始の海では逆向きの変化、つまり二酸化炭素の濃い大気から水の中へ気体が入っていく変化が大規模に進みました。海水に溶けた二酸化炭素はカルシウムイオンなどと結びついて炭酸カルシウムとなり、石灰岩として海底に固定されます。二酸化炭素が減ると温室効果は弱まり、地表はさらに冷えていきました。一方、水に溶けにくく反応もしにくい窒素は大気に残り、やがて大気の主な成分になりました。

生命と光合成が大気を変える

生命は海の中で生まれたと考えられています。約 38 億年前の地層には生物に由来する可能性のある炭素が見つかっており、約 35 億年前の地層からは細菌のなかまと考えられる化石が報告されていますが、いつどこで生命が誕生したかは確定していません。最初の生物は、細胞に核をもたない原核生物でした。当時の大気には酸素がほとんどなく、オゾン層もなかったため、強い紫外線が届く陸上には住めず、生物の舞台は海の中に限られていました。

そこへ登場するのがシアノバクテリアです。シアノバクテリアは光合成によって水と二酸化炭素から有機物をつくり、酸素を放出する細菌のなかまで、約 27 億年前までには海に広がっていたと考えられています。その活動の跡がストロマトライトです。シアノバクテリアの出す粘液が泥の粒をからめとり、層を重ねてドーム形に育った岩石で、オーストラリアの海岸ではいまも成長を続けているものが見られます。

太古代の海には酸素がほとんどなく、鉄は鉄イオン（Fe²⁺）として多く溶けていました。シアノバクテリアの出した酸素はこの鉄イオンと反応し、水に溶けにくい酸化鉄となって海底に沈みます。雨ざらしの自転車のチェーンが赤くさびるのと同じ「鉄の酸化」が、海全体で起きたと考えるとわかりやすいでしょう。沈んだ酸化鉄の層とケイ酸に富む層が交互に重なったものが縞状鉄鉱層で、主に約 25 億〜約 20 億年前に大量につくられました。縞ができる細かい理由には諸説ありますが、鉄が大量に積もった地層であることは確かで、製鉄に使う鉄鉱石の多くはここから掘り出されています。

海の鉄イオンが減ってくると、行き場を失った酸素は海から大気へ出ていき、大気中の酸素が増えていきました。酸素を使う呼吸は多くのエネルギーを取り出せる方法で、酸素の増加は生物の大型化を後押ししたと考えられています。約 21 億年前の地層からは、細胞に核をもつ真核生物のものと考えられる化石（グリパニア）が見つかっています。

全球凍結とエディアカラ生物群

原生代には、赤道付近まで氷におおわれ、地球全体が凍りついたと考えられる時期があります。これが全球凍結で、約 23 億年前ごろと約 7 億〜約 6 億年前ごろに起きたとされます。主な証拠は、当時は低緯度にあったと推定される地域に氷河の堆積物が残っていることと、その真上に厚い炭酸塩の岩石が重なっていることです。

氷は太陽の光をよく反射するので、氷が広がるほど地球に入る熱は減り、さらに冷えて氷が広がります。この流れがいったん進むと、止まりにくくなります。一方で火山は氷の下でも活動を続けます。海が氷でふさがれているため、放出された二酸化炭素は海に溶けにくく、大気中にたまっていきます。やがて強まった温室効果で氷が融けたと考えられていて、厚い炭酸塩の岩石は、たまっていた二酸化炭素が融解後に海へ溶け込んで沈殿した跡と解釈されています。

凍結の時代のあと、約 6 億年前ごろから約 5.4 億年前にかけて現れたのがエディアカラ生物群です。オーストラリア南部のエディアカラ丘陵の地層で見つかったことから名づけられた、硬い殻や骨格をもたない平たい形の多細胞生物で、大きいものは数十 cm を超えます。ディッキンソニアがその代表です。体に硬い部分がないため、砂に押された跡のような化石として残ります。

例題で解き方を確かめる

ここまでの出来事を、目盛りの間隔をそろえた年代の帯に並べると図2のようになります。帯の長さが時間の長さに比例しているので、顕生代（古生代以降）の短さと、シアノバクテリアから全球凍結までの間の長さが目で見てわかります。

例題1（用語の見分け）

次のア〜エのうち、ストロマトライトの説明として正しいものを 1 つ選んでください。

• ア　鉄イオンと酸素の反応でできた酸化鉄の層を含む地層
• イ　シアノバクテリアの活動でできる、層の重なったドーム形の岩石
• ウ　水中に噴出した溶岩が固まってできた丸い形の岩石
• エ　硬い殻をもたない大型の多細胞生物の化石の集まり

1. 問われている語について「何がつくったか」を思い出します。先カンブリア時代の岩石は名前が似た印象で並ぶので、成因で区別すると取り違えが減るからです。
2. 選択肢を成因で読み替えます。アは鉄の酸化で縞状鉄鉱層、ウは水中の噴火で枕状溶岩、エは生物の化石でエディアカラ生物群です。同じ時代の話題が並ぶ問題では、1 つずつ名前を当てると選択肢の正体がはっきりするからです。
3. 残ったイが、粘液で泥の粒をからめとって層を重ねるという内容と合うかを確かめます。消去だけで決めず語の説明と照らすと、読み落としに気づけるからです。

答え：イ

例題2（図の読み取りと割合）

図2を見て、次の問いに答えてください。(1) 冥王代、太古代、原生代のうち、最も長く続いた区分はどれですか。(2) 先カンブリア時代は、地球の歴史の約何%を占めますか。小数第 1 位を四捨五入してください。

1. 帯の境目の数値を読みます。境目は 46、40、25、5.4（億年前）です。図の帯の長さは時間に比例しているので、数値を読めば計算でも確かめられるからです。
2. 各区分の長さを差で求めます。冥王代は 46 − 40 = 6 億年、太古代は 40 − 25 = 15 億年、原生代は 25 − 5.4 = 19.6 億年です。「何億年前」はある時点を示す数なので、長さを知るには引き算が必要だからです。
3. 先カンブリア時代全体の長さを求めます。46 − 5.4 = 40.6 億年です。終わりの時点は現在ではなく古生代の始まりなので、0 ではなく 5.4 を引きます。
4. 割合を計算します。40.6 ÷ 46 × 100 = 88.26… となるので、四捨五入して 88 です。全体を 46 億年にそろえて比べることが、割合の定義だからです。

答え：(1) 原生代（約 19.6 億年）、(2) 約 88%

例題3（計算）

地球の誕生を 1 月 1 日の 0 時、現在を 12 月 31 日の終わりとして、46 億年を 1 年（365 日）に縮めます。(1) 約 27 億年前のシアノバクテリアの広がりは何月ごろですか。(2) 約 5.4 億年前の古生代の始まりは何月何日ごろですか。

1. 1 億年が何日にあたるかを求めます。365 ÷ 46 = 7.93… 日です。時間と日数は比例するので、まず換算のものさしをつくると、あとは掛け算だけで済むからです。
2. 「何億年前」を「誕生から何億年たったか」に直します。46 − 27 = 19 億年、46 − 5.4 = 40.6 億年です。カレンダーは誕生の 1 月 1 日から数えるので、基準をそろえる必要があるからです。
3. 日数に換算します。19 × 7.93… は約 151 日、40.6 × 7.93… は約 322 日です。ここで端数を丸めるのは、もとの年代にも「約」が付いていて細かい日付に意味がないからです。
4. 月の日数を足して日付に直します。1 月から 5 月までの合計は 151 日なので、約 151 日は 5 月の終わりです。1 月から 10 月までの合計は 304 日なので、約 322 日は 322 − 304 = 18 日だけ 11 月に入った 11 月 19 日ごろです。1 月 1 日の 0 時から数えているので、18 日たった時点は 11 月 19 日の中に入ります。

答え：(1) 5 月の終わりごろ、(2) 11 月 19 日ごろ

1 年のうち 10 か月半あまりが先カンブリア時代で、硬い殻の生物が目立ってくるのはそのあとです。この感覚を持っておくと、年代の数字を見たときに前後の取り違えが起きにくくなります。

例題4（論述）

ある地域の地層を調べたところ、氷河の堆積物のすぐ上に厚い炭酸塩の岩石が重なっていました。岩石に残る記録から、この地域は当時、低緯度にあったと推定されています。この観察が全球凍結の証拠とされる理由を、「低緯度」「二酸化炭素」の 2 語を用いて 60 字程度で説明してください。

1. 観察を 2 つに分けます。氷河の堆積物と炭酸塩の岩石はそれぞれ別のことを語っているので、1 つずつ意味を考えるほうが整理しやすいからです。
2. 氷河の堆積物の意味を考えます。高緯度に氷河があるのは珍しくありませんが、赤道に近い低緯度まで達していたなら、地球全体が凍るほど冷えていたことになります。「低緯度」という条件がこの証拠の核心だからです。
3. 炭酸塩の岩石の意味を考えます。炭酸塩は二酸化炭素とカルシウムイオンなどが結びついてできるので、氷河の跡の直上にあれば、融けた直後の海に大量の二酸化炭素が溶け込んだ跡と読めます。大気に二酸化炭素がたまっていたという考えと、ここでつながるからです。
4. 2 つを 1 文につなげます。「凍った証拠」と「融けた筋道の証拠」を順に書くと、問いに過不足なく答えられるからです。

答え：低緯度まで氷河が達したことは全体の凍結を示し、直上の炭酸塩は大気にたまった二酸化炭素が融解後に海へ溶けた跡を示す。

まちがえやすいところと直し方

ここで挙げる 3 つの誤りは、どれも順番そのものではなく、順番の理由を飛ばしたときに起こります。書いた答案を、矢印の理由が言えるかどうかで見直してみてください。

誤り1：シアノバクテリアが出るとすぐ大気の酸素が増えたと書く

誤った書き方は「シアノバクテリアが出現すると、放出された酸素によって大気中の酸素はすぐに増えた」です。

どこが違うかというと、酸素は出てすぐ空へ抜けたわけではありません。図3のように、海の中には大量の鉄イオンがあり、酸素はまずこの鉄との反応に使われました。海の鉄が減るまで大気の酸素は増えにくく、シアノバクテリアが広がった時期と大気の酸素が増えた時期には開きがあります。その開きの間に積もったのが縞状鉄鉱層です。

正しい書き方は「放出された酸素はまず海水中の鉄イオンの酸化に使われて縞状鉄鉱層をつくり、海の鉄が減ったのちに大気中へ増えていった」です。

誤り2：大気の二酸化炭素が減った理由を光合成だけで書く

誤った書き方は「原始大気の二酸化炭素は、シアノバクテリアの光合成で吸収されて減少した」です。

どこが違うかというと、光合成も二酸化炭素を使いますが、それだけでは順番が合いません。二酸化炭素を減らした最初の大きな働きは、海への溶け込みと炭酸カルシウムの沈殿です。海は約 40 億年前までにでき、シアノバクテリアが広がるのは約 27 億年前までのことなので、両者の間には 10 億年以上の開きがあります。光合成より先に、海が大気を変え始めていたのです。

正しい書き方は「原始大気の二酸化炭素の多くは海に溶け込み、カルシウムイオンなどと結びついて石灰岩として固定された。のちに光合成も二酸化炭素を減らす働きを加えた」です。

誤り3：全球凍結は太陽の光で融けたと書く

誤った書き方は「全球凍結は、太陽の光で氷が少しずつ融けて終わった」です。

どこが違うかというと、図4のように、氷は太陽の光をよく反射するので、いったん全体が凍ると太陽の光では融けにくいのです。凍るときに働いた「氷が広がる、反射が増える、さらに冷える」のくり返しは、融けようとする変化を止める向きにも働きます。融かす力になったのは、氷の下でも止まらない火山活動でした。凍っていた時期は海に逃げ場がないため、二酸化炭素だけが大気にたまり続けます。

正しい書き方は「火山から放出された二酸化炭素が、海に溶け込めないまま大気中にたまり、温室効果が強まって氷が融けた」です。

用語のまとめ

カンブリア紀のバージェス動物群と混ざりやすいので、「硬い殻がないのがエディアカラ、古生代に入って硬い殻や骨格が目立ち始める」と区切って覚えると、次の単元との境目がはっきりします。

練習問題

練習1　次の (1)〜(3) にあてはまる語を答えてください。(1) 水中に噴出した溶岩が固まってできる丸い形の岩石。(2) 海水中の鉄イオンが酸化されて沈んでできた地層。(3) 先カンブリア時代の終わりに現れた、硬い殻をもたない大型の多細胞生物の集まり。

練習2　46 cm の紙テープの左端を地球の誕生、右端を現在とします。シアノバクテリアの広がり（約 27 億年前）、全球凍結（約 7 億年前）、古生代の始まり（約 5.4 億年前）の印は、それぞれ左端から何 cm の位置になりますか。

練習3　次のア〜エのうち、誤っているものを 1 つ選び、どこが誤りかを説明してください。

• ア　原始地球の表面は、衝突の熱と温室効果でマグマオーシャンになった。
• イ　海ができると、大気中の二酸化炭素は海に溶け込んで減っていった。
• ウ　エディアカラ生物群は、硬い殻をもつ生物として古生代の初めに現れた。
• エ　全球凍結の証拠の 1 つは、当時低緯度にあったと推定される地域の氷河の堆積物である。

練習4　全球凍結のあいだ、大気中の二酸化炭素が増え続けたのはなぜですか。「火山」「海」の 2 語を用いて 40 字程度で説明してください。

答えと解説

練習1　(1) 枕状溶岩、(2) 縞状鉄鉱層、(3) エディアカラ生物群。枕状溶岩は海の存在の証拠、縞状鉄鉱層は酸素の発生の証拠というように、何の証拠かまで結びつけておくと論述にも使えます。

練習2　シアノバクテリアは 19 cm、全球凍結は 39 cm、古生代の始まりは 40.6 cm。テープ全体が 46 cm なので 1 cm が 1 億年にあたり、46 から年代を引けば位置が出ます。古生代以降に残るのは右端のわずか 5.4 cm です。

練習3　ウ。エディアカラ生物群は硬い殻をもたず、現れたのは古生代に入る前の先カンブリア時代の終わりです。硬い殻や骨格をもつ生物が目立ってくるのは、そのあとのカンブリア紀です。

練習4　火山が二酸化炭素を出し続ける一方、氷にふさがれた海には溶け込めなかったから。普段の地球では海が二酸化炭素を受け取り、炭酸塩として固定するので、大気にたまり続けることはありません。この違いまで言えると、図4の下の段を自分で説明できます。

次の単元へのつながりと確かめ方

ここで増えた酸素は、次の古生代で効いてきます。大気の酸素が増えると上空にオゾン層がつくられ、紫外線が弱まって、生物が陸へ上がる条件が整うからです。また、全球凍結で見た温室効果と反射のしくみは、太陽放射と地球放射の単元で、今度は数値とともにもう一度登場します。

家で 5 分あれば、次の 2 つで確かめられます。

• 46 cm の紙テープに 1 cm を 1 億年として、海、シアノバクテリア、縞状鉄鉱層、全球凍結、エディアカラ生物群の印を書き込み、何も見ずに位置を指せるか試します。
• 「海→光合成→海の鉄→大気の酸素」の矢印を紙に書き、矢印ごとに「なぜなら」に続く 1 文を声に出して、言葉が止まる矢印を探します。

個別指導では、並べ替えで止まったときに年代の暗記へ戻らず、中学理科の酸化と、気体が水に溶ける話まで戻って、矢印の理由を本人の言葉で言えるかを確かめます。ご家庭でお子さまに尋ねるなら、年代の数字ではなく「なぜ鉄が先なの」と聞くと、理解の深さが見えてきます。

まとめ

行程表の順番は人が決めて紙に書いたものですが、地球史の順番は書き換えがききません。海がなければ光合成は広がらず、海の鉄がさびきるまで空の酸素は増えず、その証拠は分厚い縞となって今も地面の下に残っています。枕の形の溶岩も氷河の跡も、地球が自分で残した行程表の控えです。年代の数字を忘れても、この筋道をたどれば並べ直せます。

通学の自転車の鉄の多くは、空に酸素が増える前の海が沈めた鉄です。