高校地学 先カンブリア時代—岩石と化石の記録から大気と生物の変化を読み解く｜武蔵野個別指導塾

縞状鉄鉱層や化石の保存条件を手がかりに、酸素化と生物の変化を区別して読む先カンブリアの記録です。

よくあるのは、酸素をつくる生物が現れた時点と、大気中に酸素が蓄積した時点を、高校生が同じ出来事として年表に書く場面です。生物による酸素の供給と、周囲の物質との反応を経た酸素の蓄積は別の過程です。岩石と化石の記録をたどり、順序を示せる部分と、記録からは決められない部分を分けてみましょう。

岩石に残る問いを分ける

先カンブリア時代は、カンブリア紀より前の長い時間をまとめた呼び名です。この時代の岩石は、その後の変成や侵食などを受けていることもあり、あらゆる時期の記録が同じ質で残るわけではありません。海の存在、酸素の供給と蓄積、生物の体の特徴は、それぞれ異なる証拠を使って考えます。

問題で問われる型は主に3つです。堆積岩の重なりから記録の前後を読む型、岩石中の物質から当時の環境を推定する型、化石の不在から言えることの限界を記述する型です。いずれも、観察された事実と、その事実を説明する推論を分けます。順序が明らかなことと、正確な年代が求まることも異なります。

たとえば地層が下から上へ堆積し逆転していないと確かめられた場合、下の記録は上の記録より古いと読めます。しかし、その間に侵食面があれば、欠けた時間の長さは重なりだけでは決まりません。数値年代を使う場合にも、測定対象が何を記録しているかを検討する必要があります。

海と酸素をつなぐ証拠

図1のように、海の存在を示す堆積岩、酸素を生じる光合成、酸素と鉄の反応、大気中への酸素の蓄積を別々に捉えます。模式図の矢印は大まかな関係であり、それぞれが瞬時に次の段階へ切り替わったことを意味しません。

先カンブリア時代の古い堆積岩には、水の関与を示すものがあり、液体の水が存在したことを考える手がかりになります。ただし、岩石1個から海全体の広さや水温の変化をそのまま読み取ることはできません。堆積構造や岩石の分布などを合わせて、どのような場所で堆積したかを検討します。

光合成にはさまざまな型があります。シアノバクテリアのように水を使い酸素を放出する光合成は、酸素の供給源になりました。生物活動に伴って形成される層状の構造であるストロマトライトは、微生物の活動を考える手がかりです。ただし、層状構造があるという観察だけで、そこにいた生物の種類や光合成の方式を一意に決めることはできません。形と内部構造、周囲の堆積物を合わせて調べます。

海水中に酸素が供給されても、それが直ちに大気中に大量に蓄積するとは限りません。酸素は海中の溶存鉄などと反応し、酸化された鉄を含む物質が沈殿しえます。鉄に富む層とケイ酸質の層が繰り返す縞状鉄鉱層は、古い海の化学的環境を考える資料です。ただし、縞のそれぞれを特定の年数に対応させたり、鉄の酸化の原因を標本1つから確定したりはできません。

酸素の供給が続き、酸素を消費する物質との関係が変わると、大気中にも酸素が蓄積しやすくなります。供給と消費の差を考えることが重要です。酸素化は場所や時期によって一様ではなく、海と大気の酸素の状態も常に同一ではありません。酸化の痕跡は重要ですが、岩石の形成後に地下水などで酸化された可能性も検討します。

生物の記録についても、酸素の増加と多細胞生物の化石を同じ印にまとめません。先カンブリア時代の後期には多細胞生物の化石が知られますが、その化石はその生物が遅くともその時点には存在した証拠です。最初の出現時点そのものとは限らず、酸素の変化だけで出現の原因を説明し尽くすこともできません。生命の起源や多細胞化の詳しい経路には未解決の点があります。

化石は生物の体や活動の一部が保存された記録です。軟らかい体は残りにくく、堆積環境、分解、侵食、変成、調査の範囲によっても見つかり方が偏ります。古い地層から見つからないことは、そこに生物がいなかった証明ではありません。逆に、古い岩石から削り出された化石が新しい堆積物に混じる再堆積があれば、化石の生存時期と周囲の地層の堆積時期を同一視できません。

基本例題：3つの記録の順序

自作資料です。図2の地層A、B、Cは下からこの順に重なり、逆転していません。Aには水中で堆積した構造、Bには鉄に富む層とケイ酸質の層の縞、Cには多細胞生物の体の化石が保存されています。Cの化石は再堆積していないとします。3つの記録を古い順に並べ、Bから大気中の酸素濃度の正確な値を求められるか答えてください。

図2のように、下から上へA、B、Cが重なります。逆転していないという条件から、堆積の順序はA、B、Cです。Aの構造は水中での堆積、Bの縞は鉄を含む物質の沈殿を考える手がかり、Cの化石は堆積時までにその生物が存在した証拠です。答えはA、B、Cで、Bだけから大気中の酸素濃度の正確な値は求められません。

答えを資料に戻すと、AはBの下、BはCの下にあり、順序に矛盾しません。Cの化石が再堆積していないという条件も、Cを堆積した時期と化石の生物を結びつける際に使いました。もしCの化石が古い地層から運ばれたものであれば、Cの堆積以前にその生物がいたことは示しても、Cの堆積時に生きていたとは限りません。

別の見方として、AよりBが新しい、BよりCが新しいという2つの関係を矢印で結んでも同じ順序になります。いずれの方法でも、間に記録されていない時間がないとは限らず、時間の長さを地層の厚さから直接決めてはいけません。堆積速度が変わることや、途中に時間間隙があることを考えるためです。

標準例題：酸素の出入りを追う

自作の容器モデルを考えます。初めに容器中の酸素は0単位です。第1段階では光合成による供給が8単位、他の物質との反応による消費が6単位でした。第2段階では供給が8単位、消費が3単位でした。各段階内の供給と消費の量は問題の条件であり、実際の海や大気の測定値ではありません。各段階の終わりの酸素量を整数の単位で求め、供給開始と蓄積を同一視できるか述べてください。

第1段階の増加は8 − 6 = 2単位です。初めの0に加え、終わりは2単位です。第2段階の増加は8 − 3 = 5単位で、前の2に加えるので終わりは7単位です。逆に7から第2段階の増加5を引けば2、さらに第1段階の増加2を引けば初めの0に戻ります。

酸素は第1段階から増えていますが、供給された8単位の全部が蓄積したわけではありません。供給の開始と、それに続く蓄積量の変化は別に扱います。なお、このモデルは供給と消費をまとめた収支であり、大気と海を分けず、移動や場所ごとの違いも描いていません。実際の環境を単純な容器に置き換えたときの限界も答案に添えます。

グラフで見るなら、横軸を段階、縦軸を容器中の酸素量として、初め0、第1段階末2、第2段階末7を点にします。点を結ぶ線の上昇幅は各段階の正味の増加であり、光合成による供給量そのものではありません。線が上昇していても消費が0とは限らないことを、問題の6と3に戻して確かめます。

発展例題：化石の不在をどう調べるか

自作資料です。ある地域の逆転していない地層DとEでは、Dが下、Eが上です。Eから多細胞生物の化石が見つかり、調べたDの一部からは見つかりませんでした。両層は別の堆積環境ででき、Dは後に強く変成を受けています。化石は再堆積していないものとします。Dの堆積時に多細胞生物が存在しなかったと断定できるか、理由を2つ挙げてください。

断定できません。第1に、Dの調べた部分に保存されなかった生物が、別の場所や同じ地層の未調査部分にいた可能性があります。第2に、変成によって元の形が失われ、化石を識別できなくなった可能性があります。Eに化石があることはEの堆積時の存在を支持しますが、Dでの不在を確定する証拠にはなりません。

別解として、DとEの堆積環境が異なるため、そもそも生物の遺体が埋まり保存される条件が異なる、と指摘してもよいです。観察条件に戻すと、Dの一部が未調査であること、変成と環境の違いがあることのいずれも、この結論と両立します。化石が発見されなかったという事実自体を否定する必要はありません。

調査を設計するなら、Dの複数の場所を層準ごとに記録し、変成の程度や堆積環境の異なる試料も比べます。採集や処理は学校の指導の下で行い、出た標本だけでなく調べた量と、見つからなかった範囲も記録します。観察者の識別の差や標本の欠損は誤差の原因です。同じ方法で繰り返し観察し、別の特徴も照合すれば見落としを減らせますが、発見されない限り完全な不在の証明にはなりません。

放射年代を利用する場合、測った鉱物が結晶化した時期や、その後の変成で年代を記録し直した時期を示すことがあります。親核種や生成物が系の外へ出入りしない閉鎖条件が保たれたかも重要です。砕屑粒子の年代をそのまま地層の堆積年代にせず、他の地層との関係とともに吟味します。

誤答を証拠に戻して直す

図3のように、「化石がない」から直ちに「生物がいない」と結ぶのは誤りです。観察したのは調査した岩石に化石が見つからないという事実であり、保存や調査の条件を経て初めて生物の存在を推定できます。

原因は、記録と記録を残した過去そのものを同一視することです。修正すると「調べた範囲では化石が見つからず、保存や調査範囲の制約があるため、生物の不在は断定できない」となります。化石が見つかった場合も、再堆積や変形を調べてから、その化石が示す時期を考えます。

もう1つの誤答は「酸素ができ始めた時、空気中の酸素は直ちに増えた」です。酸素の供給と消費を別々に考え、鉄などとの反応を考慮して直します。逆に、縞状鉄鉱層があるという事実だけで、当時の海全体や大気全体に現在と同じ量の酸素があったとすることもできません。

練習：異なる資料で確かめる

次の条件と数値は練習のために作ったものです。数量の答えは指定された単位の整数で示し、端数処理は不要です。

1. 逆転のない地層F、G、Hは下からこの順に重なり、Fに水中堆積の構造、Gに鉄を含む縞、Hに化石があります。記録を古い順に並べ、重なりだけで各記録の正確な年代を決められるか答えてください。
2. 容器中の酸素は初め4単位です。供給が9単位、消費が7単位の段階の後、供給が5単位、消費が2単位の段階を経ます。各段階末の酸素量を求めてください。
3. ある地層から層状構造が見つかりました。この観察だけで酸素を放出する光合成生物の種類まで決められるか、理由とともに答えてください。
4. 調べた泥岩から化石が見つからず、同時代と判断された別地域の地層からは化石が見つかりました。泥岩の地域にその生物がいなかったと断定できるか、保存条件を用いて答えてください。
5. 新しい地層中の礫から古い化石が見つかりました。礫は古い岩石から運ばれたものと確認されています。この化石を新しい地層の堆積時に生きていた証拠とできるか、理由を答えてください。

解答と解き方

1. F、G、Hです。逆転がないので下のFから堆積し、G、Hが続きます。Hが最上部という条件に戻しても順序は一致します。重なりは前後関係を示しますが、正確な年代や各間隔の長さは決まりません。
2. 最初の段階末は4 + 9 − 7 = 6単位、次は6 + 5 − 2 = 9単位です。9から次の段階の正味の増加3を引くと6、さらに最初の正味の増加2を引くと4に戻ります。供給量と増加量を混同しないことが要点です。
3. 決められません。層状構造は微生物活動を考える手がかりになりえますが、形だけでは生物の種類や光合成の方式を一意に区別できません。内部構造と周囲の堆積物などを調べて候補を吟味します。
4. 断定できません。泥岩に遺体が埋まっても保存されなかった可能性や、調べた範囲に化石がなかった可能性があります。別地域で発見されたことは同時代の存在を示しますが、その生物が泥岩の地域にいたことも、それだけでは確定しません。
5. 証拠にはできません。化石は古い岩石に含まれていた後、礫として新しい地層に取り込まれています。礫が運ばれたという条件に戻せば、生物が生きていた時期と新しい地層の堆積時期は分ける必要があります。

記録を読むときの要点

• 海の存在、酸素の供給と蓄積、生物の記録を分けます。
• 縞状鉄鉱層は海の化学的環境を考える手がかりです。
• 化石の発見は存在を示しますが、不発見は不在の証明ではありません。
• 再堆積、保存の偏り、変成と年代測定の閉鎖条件を確かめます。

つまずいた場所を探す

順番が混乱したら、まず資料の観察事実に線を引き、その横に「推定」と「条件」を書き分けます。酸素の問題で供給量をそのまま蓄積量にした場合は、消費量を差し引いて初めの量に戻るかを確かめます。化石の問題で不在と答えた場合は、調べた範囲と保存の条件を声に出して読み直します。

個別指導の場では、地層の上下を指しながら根拠を説明し、別の保存条件でも答えが変わらないかを対話で確かめられます。確かな記録と未確定の推論を区別すると、先カンブリア時代の長い歴史が証拠に沿って見えてきます。