地球の深部はどんな構造をしているのだろうか。
宇宙には地球から何億kmも離れた星まで探査船を飛ばすことができるが、私たちの足の下にある地球内部は地上からボーリングで掘り進められるのはせいぜい12kmが限界。そこから6400kmの中心部分まで、解明されていないことが多いのだ。
ところが、手のひらサイズの実験装置で地球深部の超高圧高温状態を人工的に創り出し、地球内部の謎を次々と解き明かして世界に衝撃を与えている地球科学者がいる。東京工業大学地球生命研究所(ELSI)所長の廣瀬敬教授である。
2004年、地下2600~2900kmにポストペロフスカイトという未知の鉱物層が存在することを発見し、2014年には地球の核を構成する鉄合金に水素が大量に含まれていることを突き止めた。廣瀬教授は「地球生成期に海水の何十倍もの水が外から運ばれて来たが、すべてが海にならずに地球内部に閉じ込められたため、地球表面がすべて海で覆われることなく陸地も顔を出し、それが生物の誕生を促した可能性が大きい」と分析する。
ELSIは政府の「世界トップレベル研究拠点プログラム(WPI)」の1つ。ここでは今、世界から地球惑星科学と生命科学の研究者が集結し、地球の誕生と生命の起源を探る研究を進めている。原始細胞を人工的に創り出す試みも進んでいる。廣瀬教授に、地球と生命誕生の謎にまつわる最新の知見を伺った。

地球の内部はタマネギのような層構造をしている

――地球はどのようにして生まれ、内部はどんな構造になっているのか、分かりやすく解説していただけますか。

廣瀬 今から46億年前、初期太陽を中心とする円盤状のガスや塵の中から地球は生まれました。地球には小天体が次々と衝突し、月ができると同時に地球の表面は高温のマグマに覆われました。この状態をマグマオーシャンと言い、それが次第に冷えて行ったと考えられています。

図1にあるように、地球表面は地殻(日本も含めた陸域では厚さ30km程度)で覆われています。その下は全部ドロドロに溶けたマグマだと信じている人が多いのですが、実は違います。東工大に入ってくる学生ですら、多くがそう考えていたようです。ハワイ島キラウエア火山の噴火映像などを見れば、なおさらそう思うでしょう。
実際は大部分が固体です。地上からボーリングで掘り進めるのは、せいぜい12km。1970年から1994年にかけて、ソ連(ロシア)で科学調査の名目で地質学者たちが世界最深の穴を掘ったことがありますが、12kmが限度でした。世界最高レベルの掘削能力を誇る日本の深海掘削船「ちきゅう」でさえも、海底下の厚み約7kmの地殻を掘り抜くのが大目標というのが現実です。このため研究者は地震学を使って地球内部の様子を探っています。その結果、タマネギのような球殻状の多層構造になっていることが分かっています。

図1: 廣瀬教授は、下部マントルとコア上部(外核)との間にあるD”(ディーダブルプライム)層と呼ばれる境界の環境を実験室で実現し、新鉱物「ポストペロフスカイト」を発見した。(図提供:廣瀬 敬教授)

図1: 廣瀬教授は、下部マントルとコア上部(外核)との間にあるD”(ディーダブルプライム)層と呼ばれる境界の環境を実験室で実現し、新鉱物「ポストペロフスカイト」を発見した。(図提供:廣瀬 敬教授)

写真1: ケイ酸マグネシウムを主成分とするかんらん石。半貴石ペリドットのもとになる鉱物で、薄い黄緑色をしている。(写真提供:廣瀬 敬教授)

写真1: ケイ酸マグネシウムを主成分とするかんらん石。半貴石ペリドットのもとになる鉱物で、薄い黄緑色をしている。(写真提供:廣瀬 敬教授)

各層を構成する物質を知るには、「超高圧高温実験」によって、地球深部と同じ高圧・高温状態を実現してみるしかありません。それが私たちが実験室で挑んでいることです。
その結果、地殻の下は、深さ410kmまでが上部マントル(かんらん石)、660kmまでが遷移層(スピネル相)、2600kmまでが下部マントル(ペロフスカイト相)、2900kmまでがD”層(ポストペロフスカイト相)、5100kmまでが外核(液状鉄合金)、中心の6400kmまでが内核(固体鉄合金)であることが分かりました。上部マントルからD”層までの主成分はすべてケイ酸マグネシウムで、圧力や温度に応じて異なった結晶構造をしています。

地球の内部はタマネギのような層構造をしている

発見したポストペロフスカイトはマントルの熱対流を支配

――このうちD”層については、先生が2002年に成分がポストペロフスカイトであることを世界で初めて発表され、「地球科学史における大発見」として世界中の研究者を驚かせました。これはどのような物質なのでしょうか。

廣瀬 D”層の物質は長い間謎とされていました。私たちは「ダイヤモンドアンビルセル」と呼ぶ実験装置によって、地下2600kmの「120万気圧・温度2500K(ケルビン、絶対温度)」という環境を人工的に作り出し、ケイ酸マグネシウムがどんな物質に変化するかを調べました。生成されたのは雲母のような層状の結晶構造をした鉱物で、これがポストペロフスカイトです。当時このような物質が存在することを誰も予想していませんでした。

ポストペロフスカイトの発見の意味は2つあります。1点目は地球の内部構造がはっきりしたこと。2点目は、核(コア)が持つ熱をポストペロフスカイトが上部のマントルに伝え、熱対流運動を活発化していたことが分かったことです。それが地殻の近くまで上昇すると、所々でマグマになり、火山の噴火を起こすのです。この熱対流によって地球全体が生成期以降、うまく冷やされてきたのです。
ポストペロフスカイトの発見によって、マントルのグローバルな構造は解明されました。しかし、マントル深部には、ローカルな構造が存在しています。例えば、太平洋やアフリカの下のマントル最下部にだけ、なぜか地震波のS波(横波)のスピードが遅い領域があるのです。なぜそのようなローカルな構造ができたのかは、現在の地球で起こっていることでは説明が難しいのです。おそらく、地球が誕生したおよそ45億年前に、地球を覆っていたマグマオーシャンが冷え固まった時にできた構造だと考えています。
そういった意味で、地球が誕生した頃の状態を研究することは、現在の地球を理解するためにとても重要であり、こうした研究は今世界で進みつつあります。

発見したポストペロフスカイトはマントルの熱対流を支配

コアに含まれる水素量は海水中の水素の80倍もある

――コアについても先生は2010年に「364万気圧・温度5000K」という地球中心部の環境を再現することに成功し、鉄合金の構造を明らかにされました。核の部分ではどのようなことが分かっているのでしょうか。

廣瀬 コアは鉄が主成分で、固体コア(内核)の物質は鉄原子が高密度で結合する「六方最密充填」という結晶構造であることを突き止めました。ただ純粋な鉄ではなく、特に液体コア(外核)は他の元素との合金になっています。問題は他の元素とは何かですが、私たちは水素が大量に含まれていると推定しています。コアに含まれる水素の量は、全地球の海水中に水(H2O)として存在する水素量の何と80倍もある可能性があります。

水素はもともと化学的に鉄が大好きで、ちょっと圧力をかけるとどんどん鉄の中に入って行きます。地球生成のとき、宇宙から地球にやって来た大量の水の中の水素が、鉄に溶け込んでコアを形成し、少しだけ残った水が地表の海水になったと考えています。
おとぎ話のように聞こえるかもしれませんが、このシナリオは最新の惑星形成理論ととてもよく合うのです。

小惑星が大量の氷や水を地球に運んできた

――大量の水は宇宙のどこから地球にやって来たのですか。

廣瀬 太陽系を見ると、火星より太陽に近い惑星は岩石でできていますが、木星より遠い惑星は氷が主成分の1つです。火星と木星の間には小惑星帯があり、火星に近い小惑星にH2Oはありませんが、木星に近い小惑星には大量のH2Oがあります。地球形成期には小惑星が地球に隕石として大量に降り注いでおり、それが大量のH2Oをもたらしたのだと考えています。

もし、地球に隕石と共にやってきた水がすべて地表にあったとしたら、地球は完全に水没した惑星になり、生命が生まれる環境はできなかったでしょう。生命が誕生するには陸地や海、水辺、沼地といった多様な環境が欠かせないのです。逆に言えば、コアが水素を大量に吸収したからこそ適度に陸地や水辺ができ、地球に生命が誕生したのです。

小惑星が大量の氷や水を地球に運んできた

ダイヤモンドをミクロン単位で精密加工する熟練職人の凄腕

――ところでダイヤモンドアンビルセルとはどのような実験装置なのでしょうか。また世界の研究者が「超高圧高温」に挑む中で、先生のグループだけがなぜD”層や地球中心部の環境を再現できたのか、その秘密を教えていただけますか。

廣瀬 ダイヤモンドアンビルセル(写真)は、このように手のひらに乗る程度の小さな装置です。この装置の上下の中心部分に透明なダイヤモンドをセットし、その尖った先端部で約50ミクロン(1ミクロンは1000分の1ミリ)の大きさの岩石試料を挟み込みます。装置をネジで締めて高圧状態にし、そこにレーザー光を当てて地球深部に近い状態を作り出すのです。

ダイヤモンドをミクロン単位で精密加工する熟練職人の凄腕

ダイヤモンドをミクロン単位で精密加工する熟練職人の凄腕

写真:ダイヤモンドアンビルセル。上下に分かれる装置の中心にダイヤモンドをセットする。このダイヤモンドを合わせ、その間に50ミクロン程度の極小サンプルを挟んで加圧する(写真下)。例えばポストペロフスカイトを合成するには120万気圧もの超高圧力をかけ、さらにその状態のままレーザーを照射して、2500度の高温状態を発生する。(下の写真提供:廣瀬 敬教授)

ダイヤモンドの先端部は上から見ると正16角形をしています。先端部にはいろいろ精密な仕掛けがあるのですが、その研磨は町工場の熟練した職人さんにお願いしています。この職人さんはミクロン単位のダイヤモンド加工を、何と手の感触だけでやってのけるという凄腕の持ち主なのです。

私たちが世界で一番乗りできたのは、世界最高性能の放射光施設であるSPring−8(スプリング・エイト)のおかげでもあります。SPring−8は兵庫県佐用町にある理化学研究所の施設で、とても強いX線ビームを出す能力を持っています。このビームを当てることで私たちの極小サンプルでも結晶構造を解析できます。
このようにSPring−8から町工場の職人さんまで、日本の優れた技術に恵まれていることが私たちの強みです。

ダイヤモンドをミクロン単位で精密加工する熟練職人の凄腕

もし地球に磁場がなければ、地球は火星のようになる

――先生は、地球のコアの対流が地球の磁場を生み出している、と述べておられます。これについても解説していただけますか。

廣瀬 普段私たちは磁場を意識することはありませんが、もし磁場がなくなると、太陽風(プラズマ流)をはじめ、有害な放射線が宇宙から地球に降り注いできて、生命は大変なことになります。大気中に含まれる水素は軽いので太陽風に剥ぎ取られてしまい、水蒸気の分解が進んで、海水の蒸発が起こるからです。
つまり、地球の始まりから地球磁場が維持されてきたのはとても大切なことなのです。磁場は、液体コア(外核)中で対流運動が起きて電流が流れることにより発生します。私たちは2017年3月、地球では誕生間もないころから磁場が存在し、持続的に地球を守ってきたメカニズムを突き止め、英科学誌「ネイチャー」に発表しました。

もし、地球のコアがすべて冷えて固まってしまったら、対流は起きず、磁場がなくなって地球は荒涼とした大地になります。その実例は火星に見ることができます。火星は35億年前に磁場がなくなり、水蒸気の分解が進んで、海もなくなったという仮説が有力です。

地球では磁場の逆転が数万年から数10万年に1度ぐらいの頻度で過去何度も起きています。完全に逆転するには3000年ぐらいかかかり、この間は地球磁場がとても弱くなって、宇宙からの放射線がより多く注ぎます。
最も近い磁場逆転は77万年前に起きており、その時代がいま話題のチバニアンです。次の磁場逆転はいつ起きてもおかしくない状況で、すでにこの1万年で磁場の強さは半減しています。
しかし、生物は磁場逆転のピンチを過去何度も乗り越えてきたので、必ず何かの知恵を持っているはずです。人口は多少減るかもしれませんが、人類や生物が死滅することはないでしょう。

もし地球に磁場がなければ、地球は火星のようになる

白馬八方温泉は初期地球に近い環境

――ELSIはもう1つのミッションとして、地球生命誕生の研究をしています。最初の原始生命はどのように誕生したと考えられますか。

廣瀬 生命が誕生するには、先ほど述べたように陸地や海など多様な環境が必要です。エネルギーも必要なので、熱水が長期に安定して噴き出す場所などが適しています。

ELSIでは今、白馬八方温泉の研究をしています。ここは、初期地球の環境はこんな感じだったのだろうと思わせる、地球上でも極めて特殊な場所です。
私たちは地殻の上に暮らしていますが、白馬八方温泉は元々マントルだった岩石が地殻を突き破って露出しており、水素が湧き出していて初期地球の環境に近いのです。しかも温泉水には無機的に合成された炭化水素のメタンガスが含まれており、初期生命誕生のメカニズムを解明するにはもってこいの場所です。

その場所で生きている生物を見ると、普通の生物に共通する代謝系を持っていません。1種類だけでは生きられないので、何種類もの生物が共生して生きている。つまり地球最初の生命は自分だけで全部の機能を持つことはできず、数種類の生物がコミュニティを作り補い合って生きていたのではないか――そんなことが白馬八方温泉の研究から分かってきました。自分たちだけで生きていけないという意味では、原始生命はウイルスに近い存在と言えるかも知れません。

いま研究所内で関心が集まっているのは、リボソームという細胞内のタンパク質製造工場の起源です。DNAに書き込まれた情報をもとにアミノ酸からたんぱく質を合成しています。この複雑な工場が、生命誕生前にどのように組み上がってきたのかを解明したいと思っています。

初期生物が生きるために必要なミニマムの遺伝子セットを目指す

――ELSIは地球の原始生命を実験的に創り出す研究も行っていますが、どこまで進んでいるのでしょうか。

廣瀬 原始生命の誕生にはエネルギーが必要です。初期の地球環境では強い紫外線や放射線が当たっていた可能性があります。初期地球にはウランのような放射性元素がたくさんあり、熱やガンマ線などを出していました。放射線を当てると核酸を作る化学反応が進むのです。
初期ゲノム(遺伝子)を特定する研究も行っています。ELSIが目指しているのは、ミニマムジーン、すなわち、初期生物が生きていくために最低限必要な遺伝子を集合させたミニマムの遺伝子セットです。

例えばATP(アデノシン三リン酸:エネルギーの放出・貯蔵、物質代謝の役目を果たす物質)は生命活動に不可欠なので、それを作るのに必要なミニマムの遺伝子や、細胞膜が再生するためのミニマム遺伝子などを調べています。これら特定の機能を実現するための遺伝子セットを細胞膜の中に入れ、初期ゲノムを持つ人工細胞を実験室で構築しようとしています。
自動車に例えれば、エンジンはA社、ボディはB社、ハンドルはC社というように部品を集め、ガレージで組み立てて動かすことはできるようになっています。1つひとつの部品をできるだけシンプルにして、ゆくゆくはそれらを組み合わせて人工細胞を作ろうとしているわけです。ただ、こうして作った人工細胞が仮にどんどん増殖するような段階になったら、別の議論が必要になるでしょう。

初期生物が生きるために必要なミニマムの遺伝子セットを目指す

宇宙の多くの惑星には、その個性に合わせた生物がいてもおかしくない

――ELSIには世界中から地球惑星科学や生命科学の第一線の研究者が集結し、その融合によって生まれる新分野を「生命惑星学」と名付けておられます。これからどのような領域を切り拓こうとされているのでしょうか。

廣瀬 ELSIは、「地球の起源と進化」、さらには「生命の起源と進化」を研究目的に掲げています。一見欲張りに見えますが、両者は密接に関連しています。特に、「生命はいつどこで生まれ、どのように進化して来たのか」という人類の根源的な謎は、ギリシャ哲学に始まる自然科学が問い続けてきた最も重要なテーマの1つであり、これまで多くの研究者が挑んできました。しかし、地球科学と生命科学の間には大きな壁があり、会話はほとんどありませんでした。
ELSIという研究所を設立して初めて一緒に議論ができるようになったのです。生命科学にとっては、地球生物に限定した学問から一歩進んで、より一般的な生命を研究する良い機会になり、地球科学にとっても、地球が生物誕生にどんな役割を果たしたのかをより深く理解できます。こうした異分野のコラボレーションにより、地球・生命の起源に迫ることを研究ミッションとする研究所は世界に例がありません。地球惑星科学分野と生命科学分野の融合研究によってこそ、この問題を解明できる、というのが私たちの考えです。

地球のすべての生物は、姿・形は異なっても、単一の原理で生命活動をしています。しかし、宇宙には太陽系以外にも数千個の惑星があることが分かってきました。それらの惑星には各々の個性があり、数千通りの生命の原理や仕組みがあってもおかしくありません。もし地球外生命がいるとすれば、地球型の生命とは違う原理がどこまであり得るのかあり得ないのか、大変興味があります。

地球に住むほぼあらゆる生物のたんぱく質は20種類のアミノ酸からできています。自然界には数百種類ものアミノ酸があるのに、その中からなぜ20個だけが選ばれているのか、よく分かっていません。もしかしたら、火星に30個のアミノ酸を使う生物がいるかもしれないし、他の星には想像できないような異次元の生命体がいるかもしれない。

このように共同研究によって、宇宙にはどれくらい生物がいるのか、生物は各惑星の個性にどこまで依存しているか、また、生物とは宇宙に普遍的にいるものなのか、それとも地球だけが特殊なのか。私たちは、「地球生命学」研究の成果を活かし、こうした地球外生命探査計画にも積極的に参画していくつもりです。

宇宙の多くの惑星には、その個性に合わせた生物がいてもおかしくない

TEXT:木代泰之

廣瀬 敬(ひろせ・けい)
東京工業大学 地球生命研究所所長・教授 / 東京大学 大学院理学系研究科地球惑星科学専攻・教授

1968年福島県生まれ。
1990年東京大学理学部地学科卒、1994年東京大学大学院博士課程修了後、東京工業大学理学部地球惑星科学科助手。1996年米カーネギー地球物理学研究所客員研究員、1999年東京工業大学院理工学研究科地球惑星科学専攻助教授。
2004年5月、マントル最下層の知られざる物質、「ポストぺロフスカイト」発見に関する論文(Murakami.M, Hirose. K., Sata. N, Ohishi.Y, Post-perovskite phase transition in MgSiO3, Science, 304,855-858,2004)で、世界の注目を浴びる。
2006年同大学院同研究科教授に就任。2012年より現職の文部科学省世界トップレベル国際研究拠点である東京工業大学地球生命研究所の所長に就任。2017年より、東京大学大学院理学系研究科地球惑星科学専攻教授を兼任。高圧地球科学者。2007年日本IBM科学賞、2011年日本学士院賞、2016年6月藤原科学財団から藤原賞を受賞。著書『できたての地球 ——生命誕生の条件』(岩波書店)。