2009年5月28日木曜日

2_77 陸上への進出:酸素の物語3

 生物は、光合成によって酸素を生み出し、酸素を元にした体のシステムをつくりあげました。酸素が大気中に加わると、陸上進出のための環境も整いました。生物が陸上に進出までに、地球誕生から40億年という時間がかかったのです。これに要した時間は、長いのでしょうか、短いのでしょうか。

 酸素は、現在の大部分の生物にとって、エネルギー・システムを維持すために、欠くことのできないものです。酸素を使ったエネルギー・システムとは、呼吸(厳密には好気呼吸と呼びます)という仕組みのことです。呼吸に使う酸素は、光合成をする生物が生み出しています。つまり、酸素は、現在の生物にとって非常に重要なものといえます。
 生物の進化を、酸素とのかかわりでみていくと、いくつか重要な出来事が見えてきます。酸素を生み出す仕組み(光合成)の誕生、酸素をエネルギー源とする仕組みの誕生、酸素が恵んでくれた快適な陸地の誕生が、重要な出来事といえるでしょう。
 時期の新しいものから見ていきましょう。まずは、生物の陸上への進出です。
 生物が陸上へ進出を可能になったのは、酸素のおかげです。酸素が大気中にあれば、太陽光の作用によってオゾンができ、大気中にオゾン層が形成されます。オゾン層が安定に大気中に存在し紫外線をほとんどさえぎるためには、酸素濃度が15~20%程度必要です。最低でも2%ほどなければ、紫外線は防げません。
 オゾン層ができれば、有害な紫外線がなくなり、地表は生物にとって生存可能な領域となります。このような条件ができた時期は、推定されてはいますが、正確にわかっていません。
 生物が、水中から陸に上がるには、生物側の条件も整わなければなりません。それは、水中の浮力に頼ることなく陸上の重力に耐え、乾燥に耐える体と、大気の酸素を利用する呼吸の仕組み、栄養を大気や大地からやとる手段、子孫を水に依存することなく残せる仕組みなどです。生物側の仕組みが整い、環境も整ったときが、陸上への進出の時期となったはずです。
 化石の証拠に基づけば、陸上に進出したのは、シルル紀(4億4370万~4億1600万年前)ころだと考えられています。
 水辺で大気中に体を出していた植物(シダ植物の仲間のリニア、クックソニア、ゾステロフィルムなど)が、シルル紀後期に見つかっています。マツバランは、原始的な葉のない維管束植物で、シルル紀末の地層からみつかっています。マツバランは、完全に水から独立した生活ができるようになっていました。
 動物では、ウミサソリの仲間で肺(書肺と呼ばれている)をもつものがあらわれ、シルル紀の中ごろにはサソリとして陸上に進出したと考えられます。
 シルル紀中ごろで、サソリが陸上生活をしていたことになります。これは、サソリの化石が、その時代に見つかっているということですが、実際にはもっと多くの種類、あるいはもっと以前に進出している可能性もあります。なぜなら、サソリという種が、単独で陸上への進出はできないからです。サソリが陸上で生きていくためには、住みかとして植物や、餌として昆虫やミミズのような小動物なども必要でだったはずです。
 このようにひとつの化石が見つかるということは、その化石が属していた生態系を考えると、他の種も、同時期には進出していたと推定されます。
 生物の陸上進出は、古生代のシルル紀ころでした。それは、地球誕生から40億年も経過していました。この長い時間は、生物が陸上に進出するには、そのほどの時間を要するものなのでしょうか。それとも、地球生物では、たまたまそれくらいの時間がかかっただけなのでしょうか。この答えは、地球では見つかりません。地球外の生物の例と比較対照しなければならないからです。

・環境の象徴・
化石とはたった1個でも見つかれば、
重要な情報を得られます。
ある化石が見つかれば、
形態や現在の生物との比較から、
生活様式が分かります。
たとえば、動物の歯の化石が見つかったとします。
歯の形態から、肉食動物と判定できました。
その食料となる草食生物が必要になります。
草食動物がいるということは、
植物があったということです。
植物が育つには、栄養となる土壌が必要です。
土壌をつくりには、有機物を分解する生物が必要となります。
このように、ある生物が住むためには
それなりの環境が必要となります。
その環境とは、生物がかかわって生み出されていくものです。
化石は、その環境を象徴していると捉えることもできます。

・教育実習の指導・
このメールが届くころには、
私は、教育実習の指導で網走にいます。
北海道は広いので、学生の指導に行くにも、
泊りがけとなります。
教育実習の学生が多くなると
手間も交通費もかかるので、
掛け持ちで何人かの学生のところを回ることになります。
しかし、日中の多くの時間が、
列車での移動時間となります。
札幌から網走まで、5時間以上かかります。
それでも教員の義務として、
実習指導へ行く必要があります。
幸い私のゼミの学生にはいませんでしたが
道外も担当者が回っています。

2009年5月21日木曜日

2_76 酸素の利用:酸素の物語2

2_76 酸素の利用:酸素の物語2
(2009.05.21)
 酸素は、植物が生産しています。酸素は、生物にとって有害でもありますが、うまく利用すると、エネルギーを生み出すこともできます。酸素を利用するために、非常に複雑な仕組みを持たなければなりませんでした。しかし、酸素を用いたエネルギーは、非常に効率のいいもので、複雑な仕組みを整える価値がありました。

 地球上で酸素は、いくら使ってもなくなりません。ですから、どこかで、酸素が、常につくられているはずです。酸素は、どのようにして合成されているのでしょうか。
 酸素の合成というと、多くの人が、学校ので習った光合成を思い出したはずです。光合成とは、植物が葉緑体で太陽の光をエネルギー源として、水と二酸化炭素を使って、糖類(炭水化物)を合成する作用です化学反応式は、
6CO2+12H2O→C6H12O6+6H2O+6O2
となります。そのときに、副産物として酸素がでてきます。
 光合成をおこなうのは、植物の葉緑体です。葉緑体こそが、酸素を生みだすみなもとです。酸素のほとんどは、植物が光合成によって供給しています。植物は、陸上だけでなく、海にも植物性プランクトンとしてたくさん生息しています。そのような生物たちが日々酸素を生産しているために、酸素が尽きることがないのです。
 酸素は、植物でも動物でも、呼吸をする生物にとって、不可欠なものです。呼吸とは、酸素を取り込み、二酸化炭素を放出することをいいます。その仕組みは、複雑なものですが、解明されています。
 細胞内のミトコンドリアという器官で、食料として取り入れた、あるいは光合成で得た糖類を、分解して、アデノシン三リン酸(ATP)というエネルギー物質が合成されます。そのときに、酸素が用いられます。すべての真核生物において、ATPが、生きていくためのエネルギーとなっています。ATP合成のために酸素は不可欠です。それを呼吸として、外から取り入れているのです。
 酸素は、細胞内では、活性酸素(フリーラジカル)と呼ばれる、非常に不安定な状態になります。活性酸素の強い酸化力を利用して、ATPがつくられます。しかし、このような強力な活性酸素は、諸刃の刃で、生物にとって有害でもあります。細胞をつくっている組織やDNAなども酸化させてしまいます。ですから、各組織は、抗酸化酵素と呼ばれるものを用いて、活性酸素による酸化を防いでいます。
 多数の化学反応や複雑なプロセスは、酸素とATPを使うための代償ともいえます。なぜ、このような複雑な仕組みを持つに至ったのでしょうか。そこが進化の不思議なところなのですが、酸素とATPを用いるのが、非常に効率よくエネルギーを得られるためという結果論的な自然選択が、おこなわれたのではないでしょうか。
 数値で比べると、単位ブドウ糖(1モル)あたり、以前の酸素を用いない生物(嫌気性生物)のエネルギー効率(約150kJ)に比べて、酸素を用いる生物(好気性生物)では、20倍(約2,880kJ)近く効率がいいのです。これだけの効率のいいエネルギー源なら、少々複雑な仕組みでも、利用できれば、他の生物を圧倒できます。それが、真核生物が、大発展をしてきた理由かもしれません。
 酸素を生み出す生物、そして酸素を利用する生物が、現在の地球上では多数派となっています。酸素を嫌う、嫌気性細菌や古細菌などもいます。彼らは、昔の地球では主役だったのですが、今では日陰者となっています。それは、別の機会としましょう。

・教育実習・
4年生たちの教育実習が始まっています。
第一期生たちが、緊張しながら実習校へと出ています。
教員は、小学校への挨拶と研究授業に参加するために、
北海道各地を巡ることになります。
近くの学校ならば掛け持ちで回りことになります。
私は、今のところ4校にいく予定です。
ただし遠いところは、
泊まりで出かけることになります。
授業を休講にしていくため、
曜日が重ならないようにすることも
配慮しながら日程が組まれていきます。
学生だけでなく、教員もなかなか大変です。

・春から夏へ・
北海道も、快晴の日には、
暑いくらいの気温にまで上がるようになりました。
春から夏の兆しがみえます。
学生やうちの子供たちも、
半袖になって外を遊びまわっています。
先日までストーブを炊いていたことがあるのを思うと、
例年より、寒暖の変化が激しいようです。

2009年5月14日木曜日

2_75 酸素の役割:酸素の物語1(2009.05.14)

 酸素は、大気中の主要成分のひとつです。酸素は、地表のどこにでも、無尽蔵にあるように考えて、気にも留められないものです。ところが、その酸素の恩恵なしには、人類はもちろん、多くの生物たちも、一日たりと生きていけません。そのような酸素にまつわる物語を紹介しましょう。

 地球には、酸素があります。それも大気中に分子としてたくさん存在します。酸素が大気中にあったおかげで、人類は火を使うことができました。そもそも火とは、高温になった元素(たとえば炭素)が酸素と激しく結合する現象で、酸化という化学反応の一種です。大気中に酸素がなければ、火はおきないし、文明も起こらなかったでしょう。文明は、酸素のおかげといっても過言ではないでしょう。
 大気中において酸素は、分子の形で存在します。酸素分子は、酸素原子が2つ結合したものです。大気中に酸素は、体積の比率で20.949%、重量比で23.143%となっています。それ以外の成分は窒素(N2)です。その他にも微量成分として、アルゴン(Ar)が0.93%(体積比)、そして二酸化炭素が0.035%(350ppmとも表せます)含まれています。
 大気は、自転とともに地球と一緒に回転しています。昼間には、太陽の光を受けます。太陽光の中には、紫外線も大量に含まれています。酸素分子に紫外線を当てると、酸素分子が分解して酸素原子になり、新たに酸素原子が3つ結合した、オゾンの分子に変わります。ただしオゾンは不安定な分子なので、やがては酸素分子が変わってしまいます。でも、常に太陽の光が降り注ぎ、十分な酸素があれば、一定量のオゾンがいつも大気中で形成されることになります。オゾンが、ある程度でき、層をなすと、波長の短い紫外線ほど通さなくなります。これがオゾン層と呼ばれるものです。
 紫外線(Ultra Violet、約してUV)は、光(可視光)でも波長が一番短いものです。紫外線も波長が短いほどエネルギーが強くなります。もし、オゾン層や大気がなく、紫外線が直接地表に降り注げば、DNAを分断したり、ケロイドになってしまうほど皮膚を焼いてしまいます。大気やオゾン層のおかげで、生物にとって有害な波長の短い紫外線は、ほとんどさえぎられ、長いものもある程度さえぎられています。ですから、生物は、地上で太陽の光を浴びても、焼け死ぬことなく、日焼けをする程度ですんでいるのです。
 このオゾン層が安定に大気中に存在し、紫外線をかなりさえぎるには、酸素濃度が15~20%程度ないとなりません。地球の大気は、幸いなことに、その条件を満たしていたのです。
 酸素を主成分とする大気は、実は太陽系では地球だけの特徴となっています。
 両隣の惑星である金星と火星は、大気の量はまったく違っています。金星は、地球の約900倍(表面の大気圧)、火星は地球の0.007倍しかありません。ところが、金星と火星の大気の成分を比率で見ると、主成分は二酸化炭素(いずれも95%以上)であり、ついで窒素(3%前後)となっています。いずれの惑星にも、酸素はほとんどありません。これは、何を意味するのでしょうか。
 火星は、惑星全体としてみると、初期にその活動を停めています。また、金星は地球のようにマグマ活動が続いている可能性がありますが、大気はもともとあったものとマグマに由来するものだけで成りたっていると考えられます。その上で、両者の大気は、その分量が何桁も違っているのに、比率が似ているということは、原始の大気がこのような成分であったことを意味していそうです。
 ですから、両惑星にはさまれた、地球の原始大気も、このような成分でスタートをきったと考えられます。しかし、地球だけが、何らかの原因であるときから、酸素も持つ特異な大気へと変貌したのです。このシリーズでは、その変遷と由来を、最新情報を交えながら、探っていこうと思います。

・酸素のありがたさ・
私たち人類は、大気中においては、
微量成分である二酸化炭素には、
温暖化問題として非常に注目しています。
しかし、酸素に関しては無頓着です。
酸素は、生物が日々大量に消費しています。
どこにいっても、酸素は無料で、
いくらでも使える無尽蔵の、
気にも留める必要もないような成分です。
もちろん人類も他の生物に比べ物にならないほどの勢いで
消費しています。
その酸素は、本当に無尽蔵なのでしょうか。
なぜ、なくならないのでしょうか。
その仕組みは、どのようなものなのでしょうか。
その歴史は、どこまでさかのぼれるのでしょうか。
それが今回の「酸素の物語」シリーズのテーマです。

・北国の春・
ゴールデンウィークも終わり、
大学も通常の授業が戻ってきました。
北海道も桜が終わり、
春が到来しました。
ストーブともやっと離れることができます。
これから、北海道は最高の季節を迎えます。
特に快晴の日に、緑の中に出かけると
北海道に住んでいてよかったと思えます。
そんな北国の春を、今やっと満喫しています。

2009年5月7日木曜日

3_74 ダイヤモンドより硬いもの(2008.05.07)

 ダイヤモンドは、もっとも硬い鉱物として有名です。しかし、近年ダイヤモンドより硬い結晶があることが分かってきました。今年の2月に、ダイヤモンドより硬い結晶を発見したというニュースが流れました。ただし、実際の結晶をつくって調べたのではなく、シミュレーションしたものでした。

 2009年の2月のアメリカ物理学会が発行する学術雑誌(Physical Review Letters)に、ある論文が発表され、各種のメディアがニュースとして取り上げました。それは、「ダイヤモンドより硬い(Harder than Diamond)」というタイトルの論文でした。
 今回報告された結晶は2種類あって、それらの物理的性質を検討したら、いずれもダイヤモンドより硬いことになりそうだという報告でした。
 実は、ダイヤモンドより硬い硬度をもつものには、以前からいくつかのものが挙げられています。たとえば、立方晶窒化炭素やフラーレン(C60)と呼ばれる結晶です。フラーレンは、炭素鉱物のシュンガ石(shungite)の中から見つかっているため、天然の鉱物といえます。しかし、いずれの候補も、結晶が小さいため硬度の実測できていませんでした。
 今回の報告でも実測はされていませんが、2つの鉱物でシミュレーションによって、硬いことが判明したという報告でした。2つの結晶は、六方晶ダイヤとウルツ鉱(wurtzite)と呼ばれている鉱物です。シミュレーションの結果、六方晶ダイヤは、ダイヤモンドの硬度より1.58倍以上、ウルツ鉱はダイヤモンドの硬度より1.18倍以上ありそうだということです。
 六方晶ダイヤは、鉱物としてはロンズデーライト(lonsdaleite)と呼ばれ、ダイヤモンドと同じように、炭素からできています。結晶系が、六方晶系で、等軸晶系のダイヤモンドとは違っています。ロンズデーライトは、隕石が衝突したときのような高温高圧の条件でできます。隕石中にあった炭素が高温高圧によって、結晶構造が六方晶系になってできたものだと考えられています。
 最初に見つかったのは、アメリカのアリゾナで隕石が衝突してできたバリンジャー・クレータからでした。バリンジャー・クレーターをつくった隕石は、キャニオン・ディアブロという鉄隕石ですが、その中に少量含まれていた炭素からできたようです。ちなみにタイヤモンドも一緒に発見されているようです。ゴアルパラ隕石、南極隕石のAH77283、またツングースカの隕石衝突地からも見つかっています。ただし、結晶は顕微鏡サイズの非常に小さいものです。
 一方、ウルツ鉱(wurtzite)は、窒化炭素(BN)という化合物で、ウルツ鉱型の窒化炭素ということでw-BNと表記されています。天然のウルツ鉱には、いろいろなタイプの化合物があります。主にはABという2つの元素がくっついた化合物をつくっています。Aにはカドニウム(Cd)と亜鉛(Zn)(他にもHg、Feなど)が入り、Bにはイオウ(S)やセレン(Se)が入ります。ウルツ鉱はタイヤモンドと似た結晶構造を持っているので硬いものとなります。
 私が調べたところ、天然のものでウルツ鉱型のBNという化学式を持つものは見つけることができませんでした。この結晶は、自然に産するものかどうかは、分かりませんでした。
 このような鉱物は、天然では非常に稀で、あっても小さいものなので、硬度を調べられるほどのサイズの結晶は見つかっていません。天然で大きな結晶は見つからないならば、合成によって大きな結晶をつくって確かめるしかありません。それができれば、今回の報告が正しいかどうか判定できます。そのとき初めてダイヤモンドより硬い鉱物の発見となります。
 重要なのは、単に発見したというだけでなく、そこに技術革新が起こる可能性があるため、多くの科学者や技術者がしのぎを削っています。w-BNは、ダイヤモンドより高温の条件で、強く安定していると考えられています。ダイヤモンドは炭素なので燃えてしまいますが、w-BNなら酸化にも強い結晶だと考えられます。もしこのような結晶合成の技術が完成すれば、今までダイヤモンドでは不可能であった温度領域でも高硬度素材が加工も可能になります。
 目標がはっきりしていれば、やがて技術は達成されるでしょう。今までの技術進歩が、それを証明しています。ですから、今では、だれがその栄誉を手に入れるかの時間との勝負となっています。

・鉱物と結晶・
鉱物とは自然にできたものではないとなりません。
自然は、地球に限定されたものではありません。
隕石や月の岩石にも見つかっても鉱物になります。
もし天然で発見されなければ、
それは人工物にすぎず、鉱物名は与えられません。
そのため発見者は、新鉱物として、国際鉱物学連合(IMA)の
新鉱物命名分類委員会(CNMNC)に申請して
承認手続きをとります。
そこの承認されたもののみが、
鉱物と名乗ることができます。
一般に鉱物の和名では、
非金属光沢を持つ鉱物には「石」をつけ、
金属光沢を持つ鉱物には「鉱」をつけることになっています。
ただし例外は多々ありますが。

・権威づけ・
今回の報告は、Physical Review Lettersという
アメリカ物理学会が発行する学術雑誌に掲載されました。
この雑誌は、物理学の専門誌としては
最も権威があるものとされています。
物理学者は、この雑誌に掲載されることが重要な目標になります。
科学全般では、科学専門であるNatureやScienceに
掲載されることが今でもステータスとなっています。
地球科学ではどうでしょうか。
私が大学院生のころは、
Journal of PetrologyやJournal of Geophysical Research、
Earth and Planetary Science Lettersなどが
権威があるされていましたが、
今では、雑誌の数も増え、分野も多岐になり、
甲乙つけがたい状態になってきました。
こんな問題を解消するために、
雑誌の評価をImpact Factorなどで測られるようになりました。
もともとImpact Factorは、雑誌の影響度を測る指標でしだが、
研究者や研究施設の評価に転用されることが多くなってきました。
研究に対する正当な評価は必要でしょうが、
評価を目標に研究をするのは、
研究の本来の姿ではないように思われます。
評価に押しつぶされそうな
研究者がいるとしたら問題です。
おおらかに研究できるといいのですが。