高校地学 新生代の生物と環境—哺乳類の多様化と第四紀の変化を地層資料で読み解く｜武蔵野個別指導塾

哺乳類の化石と氷期の地層を比較し、保存の偏りにも目を向けて読み解く新生代です。

よくあるのは、高校生が新生代に初めて哺乳類が現れたとする場面です。新生代の地層から多様な哺乳類の化石が見つかることと、哺乳類の最初の出現は同じ意味ではありません。古い地層の記録も並べ、見つかった化石が何を示し、何を示さないかを整理しましょう。

地層に問いを立てる

新生代の資料では、古第三紀、新第三紀、第四紀を古い順に並べ、各地層の生物や環境の証拠を比べます。問われるのは、名前を並べることに加え、資料の範囲に限って結論を述べる力です。たとえば哺乳類の種類が増えたという資料なら、同じ条件で調べたかを確かめ、増加と最初の出現を区別します。

氷期の問題では、堆積物や化石の変化が何の手がかりになるかを考えます。縦軸に層準、横軸に測定値をとったグラフでは、上下が古い順か新しい順かを先に確認します。高い値がどの環境を意味するかは、軸名と問題文の説明を読まないと決められません。化石が見つからなかった層では、採集不足や保存条件も候補に残します。

生物の歴史と残された記録を分ける

新生代は中生代の後に続く地質時代です。古い方から古第三紀、新第三紀、第四紀に分けられます。国際年代層序表の日本語版 v2024/12 では、白亜紀と古第三紀の境界は約6600万年前、第四紀の下限は約258万年前です。これらは境界の年代の推定値であり、境界を定める基準そのものではありません。推定値が更新されても、地層の重なりから確かめた前後関係が直ちに逆転するわけではありません。

図1のように、紀の順序と生物の記録を別の段に置きます。模式的な幅であり、時間の長さは比例しません。哺乳類は中生代にも存在し、新生代にはさまざまな系統が多様化しました。白亜紀末の生物相の大きな変化の後、陸上では哺乳類の多様な生活様式が目立つようになります。ただし、ある地域の化石だけから世界中の変化の速度や原因を一意に決めることはできません。

図1の矢印は記録が続く方向を表し、すべての系統が同じ速さで増えたことを表しません。化石の種類が増えるという表現にも注意が必要です。調べた標本の数が増えれば、まれな種類を見つけやすくなります。生物の実際の多様性と、採集された化石の種類数は区別します。

第四紀には氷期と間氷期が繰り返されました。氷期は長い時間の中で寒冷な傾向が卓越する時期、間氷期はその間の比較的温暖な時期です。地層には氷河による堆積物や、その地域に生きた生物の化石などが残ります。ただし氷期にも地域差や短い変動があり、どの地点も同じ環境だったと決めることはできません。人類の詳細な分類はここでは扱わず、他の化石と同様に産出層準と保存状態を見ます。

岩相は砂や泥など地層の性質による区分です。年代による区分とは別で、同じ時期に場所によって違う岩相ができることも、似た岩相が違う時期にできることもあります。不整合があれば堆積しなかった時間や侵食で失われた時間が挟まります。その欠落を生物の絶滅と読み替えてはいけません。古い化石が削り出されて新しい地層に取り込まれる再堆積も、化石と堆積の年代をずらします。

基本例題：記録の始まりを見分ける

次の表は練習のために作った資料です。地点Aの地層は逆転しておらず、下から上へ古い順に重なります。各層の化石はその場で堆積し、再堆積はないものとします。表の条件から、哺乳類が新生代に初めて出現したといえるか、根拠を1文で答えてください。

図2のように、層の上下と時代名を対応させます。下の白亜紀は中生代で、そこで哺乳類化石が産出しています。したがって答えは「白亜紀の層にも哺乳類化石があるので、新生代に初めて出現したとはいえません」です。

図2の色は層の区別を示す模式色で、実際の岩石の色ではありません。表へ答えを戻すと、古第三紀の産出と白亜紀の産出の両方を説明できます。別の書き方は「少なくとも白亜紀には存在した」です。ただし、この表には白亜紀より前の資料がないため、哺乳類の出現時期を白亜紀と確定することもできません。

もし下の化石が再堆積したもので、元の地層が明らかでなければ、表の単純な読み方は使えません。化石そのものが下の地層より古い可能性があり、産出位置と元の堆積位置を分けて調べます。資料が壊れて層順や化石の産出位置を復元できない場合も、無理に順序を決めず判定不能とします。

標準例題：種類数の増加を吟味する

別の地点Bで、古い層と新しい層から哺乳類化石を同じ方法で調べました。これは自作条件です。古い層では識別できた標本20個が4種類、新しい層では20個が6種類でした。両層の保存状態と採集範囲は同程度とし、各標本は1種類に分類されています。標本中の種類数の差と、資料だけからいえることを答えてください。差は整数で示します。

6 − 4 = 2種類です。両層で標本数が同じという条件の下、調べた標本中の種類数は新しい層の方が2種類多いといえます。逆算すると古い層の4種類に差の2種類を加えて6種類になり、条件へ戻ります。これは標本の比較であり、生きていた種類の総数が必ず2種類増えたという答えではありません。

別解として、各層の種類数を棒グラフにし、縦軸を種類数、横軸を層の新旧として高さを比べる方法があります。棒の高さの差は2です。棒の面積を比べたり、標本数の20個を種類数と混同したりしないよう、軸の単位を確認します。途中に調べられない層があれば、増加が一度に起きたか、途中で減少したかはこの表から決められません。

採集の偏りを調べるには、同程度の面積や時間を設定し、両層で同じ方法を使います。地点を分けて繰り返し、保存状態、識別できなかった破片、採集数も記録します。学校の指導の下で資料を扱い、現地での掘削や岩石破砕を家庭で行う手順は設けません。標本の量が違うときは、少ない標本数にそろえた比較を繰り返す方法も考えられますが、それでも保存されなかった生物を直接数えることはできません。

発展例題：氷期の証拠を重ねる

自作資料として、湖底の地層C、D、Eが下からこの順に重なり、逆転や不整合はないとします。CとEからは寒冷な環境に適した植物の花粉が多く、Dからは比較的温暖な環境に適した花粉が多く見つかりました。氷河由来の堆積物はCとEにあり、Dにはありません。これらの条件に基づく環境の変化を古い順に記述し、断定できないことを1つ挙げてください。

答えは「この地点では、比較的寒冷な環境から比較的温暖な環境になり、その後に再び比較的寒冷な環境になったと推定できます。各期間の長さは決められません」です。CとEの花粉と堆積物は寒冷な解釈を支え、Dの花粉は相対的な温暖化を支えます。Dに氷河堆積物がないという観察も整合しますが、それだけで氷が広い地域から完全に消えた証拠にはなりません。

別の可能性を検討します。花粉は風や水によって運ばれ、必ずしも湖の直近の植物をそのまま表しません。また、氷河堆積物がない理由には、堆積しなかったことや後から削られたことも考えられます。この問題は不整合がないという条件を置いていますが、実際には地層の連続性や粒子の形、周辺の堆積物も照合し、花粉だけの結論を修正します。

測定の設計では層準ごとに一定量の堆積物を取り、同じ基準で花粉を識別して記録します。採取間隔が広すぎると、短い変化を見落とします。保存の悪い試料や混入があれば、その区間を欠測として扱い、隣の点を直線で結んだだけの線を実測値と誤認しないことが必要です。計器や記録が壊れた場合も、欠けた値を都合よく補わず、再測定できるかと結論への影響を確かめます。

誤答を直す：見つからないことと絶滅

「上の層で化石が見つからないから、その層の時代に絶滅した」という答えは、観察から結論への飛躍です。図3のように、化石がないという観察からは、保存されなかった、調査範囲に入らなかった、地層が失われたなど複数の道が分かれます。絶滅も検討する候補ですが、他の地点や層準を調べる必要があります。

図3の枝は互いに排他的な原因の一覧ではありません。複数の条件が同時に働く場合もあります。たとえば保存が悪く採集数も少なければ、不在の証拠としての強さは下がります。逆に保存状態がよく、広い地域で十分に調べられ、連続した地層で同じ傾向が認められれば、消失の時期をより狭く絞れます。それでも局所的な消失と世界的な絶滅を区別します。

「新生代の哺乳類が多様なので、その時代に哺乳類が出現した」という誤答も、繁栄と起源を混同しています。古い化石の存在は最初の出現を新生代以前にさかのぼらせますが、最古の発見が実際の起源と一致する保証はありません。さらに、氷期の証拠を見て第四紀の全期間が寒冷だったとするのも誤りです。氷期と間氷期の交代を地層の順番で表現します。

練習：別の資料で確かめる

以下はすべて自作条件です。数値は実測値ではありません。数の答えは整数で示し、記述では観察と結論を区別してください。

1. 逆転のない3層から、各層が堆積した時期に生きた化石が見つかりました。化石の同定から、下から白亜紀、古第三紀、新第三紀に属すると確かめられています。最も新しい層の紀を答えてください。
2. 地点Pの古い層から哺乳類の標本30個を調べて5種類、新しい層から同数を調べて8種類を識別しました。標本中の種類数の差を答え、その差だけで実際の総種類数の差を確定できるか述べてください。
3. 下から層F、G、Hが連続する資料で、FとHには温暖な環境を示す化石が多く、Gには寒冷な環境を示す化石が多いとします。この地点の環境の相対的変化を古い順に答えてください。
4. ある化石が下の層にあり、上の層では見つかりません。上の層は保存状態が悪く、調べた量も少ないとします。絶滅の断定ができない理由を1つ挙げてください。
5. 新しい地層から古い時代の化石片が見つかり、その周囲には侵食された古い地層の礫が含まれています。化石片と地層の年代が一致しない可能性を説明してください。

練習の答えと考え方

1. 新第三紀です。地層は逆転していないので上ほど新しく、表の順序に戻しても白亜紀、古第三紀、新第三紀の順になります。層の欠落の有無は指定されていないため、この答えから堆積が連続したとまではいえません。
2. 差は3種類です。8 − 5 = 3で、5に3を加えると8に戻ります。各30個という条件は採集数をそろえる助けになりますが、保存や採集場所の差、未発見の種類があるため、実際の総種類数の差は確定できません。
3. 比較的温暖、比較的寒冷、再び比較的温暖の順です。下からF、G、Hの順に各化石の条件を戻すと矛盾しません。化石の運搬や地域差に関する情報がないため、世界全体の変化とは断定できません。
4. 保存が悪いため、そこに生物がいても化石として残らなかった可能性があります。採集量の少なさも見逃しの理由です。下の層の産出と上の層の不発見は両方説明でき、絶滅の時期は決まりません。
5. 古い地層が削られた際に化石片が礫とともに運ばれ、新しい地層に再堆積した可能性があります。化石の元の年代と新しい地層の堆積年代を分けます。礫の存在はこの可能性を支持しますが、それだけで化石片の元の地層を特定できるわけではありません。

手元に残す要点

• 新生代の紀は古第三紀、新第三紀、第四紀の順です。
• 哺乳類の多様化と最初の出現は別の問いです。
• 第四紀の氷期と間氷期は地層の複数の証拠で考えます。
• 化石の不発見には保存や採集の偏りも関わります。
• 再堆積と不整合は記録の年代や連続性を変えます。

つまずきを見分ける

個別指導で確かめるなら、まず生徒に層の上下と時代の前後を矢印で示してもらいます。次に、化石が「ある」「ない」という観察に線を引き、その横に推定を書きます。観察と推定が混ざったら、保存状態や採集量を変えたときにも答えが成立するかを尋ねます。種類数の計算では、引き算の結果を元の表へ戻すと、増減の向きの誤りを見つけられます。

地層の欠落や資料の破損があれば、判断できる範囲を狭め、次に必要な証拠を具体的に挙げます。新生代の生物と環境は、化石の存在と記録の限界を並べることで輪郭が見えてきます。