【地球年表03-2】先カンブリア時代原生代 – 赤道まで凍った地球と、最初の大型生物

原生代（げんせいだい）は、25億年前から約5億3900万年前までの、地球の歴史で最も長い区分です。ここで扱うのはその後半、約10億年前から原生代の終わりまでの4億6000万年ほど。新原生代（しんげんせいだい）と呼ばれる区分にあたり、なかはさらにトニアン紀（約10億〜7億2000万年前）、クライオジェニアン紀（約7億2000万〜6億3500万年前）、エディアカラ紀（約6億3500万〜5億3900万年前）の三つに分かれます。この次に来るのが、動物の体の設計図が出そろうカンブリア紀です。

ひとつ断っておくと、冥王代・太古代・原生代は、厳密には三畳紀やジュラ紀のような「紀」と同列の区分ではありません。「代」よりさらに一つ上の「累代（るいだい）」という枠にあたります。ここでは年表の並びをそろえるために、紀の位置に原生代を置いています。

この4億6000万年のあいだに、地球は少なくとも二度、赤道まで氷に覆われました。原生代の初めにも低緯度まで氷が達した時期があったと考えられていますが、記録がはっきり残っているのは後半のこの二回です。そして氷が明けたあと、海に大型生物——顕微鏡を使わずに肉眼で見える大きさの生き物——がまとまって現れます。それまでの約40億年、地球の生き物のほとんどは顕微鏡サイズで、目に見える大きさのものはごく限られていました。

赤道に残された氷河の跡

そもそも「地球全体が凍った」などということが、どうして分かるのでしょうか。手がかりは岩です。

氷河が動くと、岩を削り、砕き、大小の破片をまとめて運びます。それが溶けた場所に落ちると、細かい泥から人の頭ほどの石までが無秩序に混ざった、ぐちゃぐちゃの岩ができます。ダイアミクタイトと呼ばれるもので、氷河が働いた場所以外ではまず作れません。もうひとつ分かりやすいのがドロップストーンです。氷山が石をくわえたまま海へ流れ出し、溶けて石を落とすと、その石は静かに積もっていた細かい地層を突き破って埋まります。上の層が下向きにへこみ、その下の層がぐしゃりと押し曲げられた形が残る。これは水中に上から石が落ちてこないと作れない構造です。

この種の地層が、6億〜7億年前の岩として、いまの世界のほぼすべての大陸から見つかります。

ここまでなら「昔は寒い時期があった」で済みます。話がおかしくなるのは、その岩が当時どこにあったかを調べたときです。溶岩や堆積物のなかの磁性を持つ鉱物は、固まるときに地球磁場の向きにそろいます。磁場の向きは緯度によって傾きがちがうので、岩に残った磁化の傾きから、その岩ができた当時の緯度を読み取れる。この古地磁気という手法を氷河堆積物に当てはめると、いくつもの地点で「熱帯」という答えが返ってきました。しかも山の上ではなく、海面の高さで。

いまの地球で熱帯に氷があるのは、キリマンジャロやアンデスの高山の頂上だけです。その熱帯の海岸に氷河が流れ込んでいた、というのが岩の言い分でした。

そして、もうひとつ奇妙なことがあります。これらの氷河堆積物の真上には、たいてい厚さ数十メートルから百メートルを超える炭酸塩岩が、境目もなく直接乗っているのです。炭酸塩岩は暖かく浅い海でできる岩で、いまならバハマやオーストラリアの浅瀬のような場所の産物です。氷の記録の上に、間を置かず熱帯の海の記録が積み重なっている。この不自然な組み合わせは「キャップカーボネート」と呼ばれ、この時代の岩を読むうえでの最大の謎のひとつでした。

もうひとつ、奇妙な出戻りもあります。鉄に富む黒っぽい層とシリカに富む赤茶の層が細かく交互に積み重なった縞状鉄鉱層（しまじょうてっこうそう）という岩があります。海に溶けた鉄が酸素と結びついて沈んだ記録で、18億5000万年前ごろを最後に、ほとんど作られなくなっていました。海に酸素が行き渡ると、材料である溶けた鉄のほうが先に姿を消してしまうからです。ところがスターチアン氷期の氷河堆積物には、この岩が10億年以上のブランクを空けて混ざって出てきます。厚い氷に蓋をされた海が酸素を失い、ふたたび鉄が溶け込める状態に戻っていた——そう読める記録です。

1992年、米カリフォルニア工科大学のジョセフ・カークシュビンクさんは、これらをまとめて説明する筋書きとして「スノーボールアース（全球凍結）」という言葉を使いました。1998年に米ハーバード大学のポール・ホフマンさんらがナミビアの地層をもとに体系化し、議論が一気に広がります。クライオジェニアン紀という名前自体、ギリシャ語の「氷」と「生まれる」からできたもので、この時代の性格をそのまま名前にしたものです。

5700万年続いた氷と、その終わり方

クライオジェニアン紀には、大きな氷期が二回ありました。古いほうがスターチアン氷期で、約7億1700万年前から6億6100万年前まで。若いほうがマリノア氷期で、約6億5000万年前から6億3500万年前までです。

問題はスターチアン氷期の長さでした。約5700万年。人類の系統がチンパンジーの系統と分かれてから現在までが約700万年なので、その8倍にあたります。恐竜が絶滅してから今日までよりも長い。地球がそれだけの期間、氷に閉じ込められたままだったことになります。

これがなぜ厄介なのかというと、地球には気温を戻す仕組みが備わっているからです。大気中の二酸化炭素は、岩石が風化するときに吸い取られ、火山活動によって吐き出されます。暑くなれば雨が増えて風化が進み、二酸化炭素が減って冷える。寒くなれば風化が鈍り、火山の分がたまって暖まる。長い時間で見ると、この収支が温度を一定の幅に押し戻す調節装置として働きます。その装置がある星が、5700万年も凍りっぱなしでいられるのはなぜか。

2024年、豪シドニー大学のアドリアーナ・ドゥトキェヴィッチさんらがジャーナル『Geology』に報告したのは、供給側が異常に細かったという答えでした。研究チームは、ロディニアという当時の超大陸が分裂していく過程を追ったプレート運動モデルに、中央海嶺（海底で新しい地殻が生まれる場所）からの二酸化炭素放出量を計算するモデルをつなぎました。すると、スターチアン氷期の始まりが、中央海嶺からの放出量が計算できる範囲で最低に落ち込んだ時期とぴったり重なった。しかもその低い状態が、氷期のあいだじゅう続いていました。年間およそ900万トン（炭素として換算した量）という水準です。引き金としては、約7億1800万年前にいまのカナダ北部にあたる場所で起きたフランクリン大火成岩区という巨大な火山活動も挙げられています。噴き出したばかりの玄武岩は風化しやすく、大気から二酸化炭素をよく吸い取るからです。

ただし、ここには正直に書いておくべき留保があります。研究チームは二種類のプレート運動モデルを比較していて、この結論が出るのは片方だけでした。もう片方のモデルでは、放出量も海面も白亜紀の温暖期を上回る値になり、そもそも大氷期が起こりえないという結果になります。どちらの大陸復元を採るかで答えが変わる、という段階の話です。

一方、そこから抜け出す仕組みのほうは、比較的すっきりしています。地表が氷に覆われると、雨も川も止まり、岩石の風化がほとんど働かなくなる。二酸化炭素を吸い取る側が止まったまま、火山は吐き続けます。数百万年から数千万年かけて大気に二酸化炭素がたまり、ついに温室効果が氷の反射に打ち勝つ。溶け始めれば、白い氷が減って地表や海面が露出し、太陽の熱を吸うようになって、あとは坂道を転がるように進みます。

そして氷が退いたあとに残るのは、いまの何十倍もの二酸化炭素を抱えた、猛烈な温室状態の地球です。酸性の雨が陸を激しく削り、カルシウムやマグネシウムを大量に海へ流し込む。それが一気に沈殿したものが、氷河堆積物の真上に乗っているあの炭酸塩岩でした。奇妙に見えた組み合わせは、氷と灼熱がひと続きだったことの記録だったわけです。

なお、若いほうのマリノア氷期については、2025年にナミビアの露頭を18キロメートルにわたって26断面で追った研究がPNASに出ています。氷が広がっていた期間は約400万年で、スターチアンよりずっと短かったという結果でした。同じ全球凍結でも、二回の性格はかなりちがっていたようです。

ともあれ、氷が解けたあとの海には、削り取られた大陸の粉と、そこに含まれる栄養が大量に流れ込みました。この供給が、次に起きることの下地になります。

光合成の主役が入れ替わった時期

2017年、オーストラリア国立大学のヨッヘン・ブロックスさんらがネイチャーに発表した研究は、この時代の海を、化石ではなく分子から見たものです。

生き物の細胞膜には、ステロールと呼ばれる分子が使われています。人間でいえばコレステロールがその代表です。この分子は、生き物が死んで有機物が壊れていっても、炭素の骨組みだけが残って何億年も岩のなかにとどまることがあります。しかも骨組みの形が、それを作った生き物のグループごとに少しずつちがう。つまり、体の形がまったく残っていない時代でも、そこにどんな種類の生き物がいたかを、岩に残った分子から推し量れるということです。

やっかいなのは汚染で、古い岩は掘り出したあとに若い石油系の化合物に汚れやすく、そちらの信号が本物を覆い隠してしまいます。研究チームは、その除去に厳しい手順を踏んだうえで、オーストラリア中部などから採った岩を測りました。

結果は、はっきりしていました。クライオジェニアン紀より前の海では、光合成でエネルギーを作り出していたのは、事実上バクテリアだけだったのです。真核生物（核を持つ細胞。私たちも植物も菌類もこちら側）に由来するステロイドは、ごくわずかしか出てきません。海の底辺を支えていたのは、20億年近くにわたって一貫してシアノバクテリアの仲間でした。

ところが、二つの氷期にはさまれた短い期間——約6億5900万年前から6億4500万年前——になると、真核の藻類が作るステロイドが急激に増え、種類も一気に多様になります。この1400万年ほどのあいだに、海の光合成の主役が入れ替わっていました。

研究チームが提案した理由が、氷河でした。氷河は大陸の岩を削って粉にします。氷が解けたとき、その粉と、そこに含まれるリンをはじめとする栄養が、まとめて海へ流れ込んだ。それまで海を占有していたシアノバクテリアの居座りが、この栄養の洪水で崩れた、という筋書きです。

そして、ここが効いてきます。藻類の細胞は、シアノバクテリアより桁ちがいに大きく、有機物としても濃い。ごく小さい粒を大量にかき集めるのと、大きくて中身の詰まった粒を食べるのとでは、エネルギーの受け取り効率がまるでちがいます。食べる側、それをさらに食べる側へと、エネルギーが目減りしすぎずに上がっていけるようになる。大きな体は、それだけ多くのエネルギーを毎日必要とします。逆に言えば、下支えするエサの質が変わらないかぎり、体を大きくしても割に合わないのです。

つまり、全球凍結が地球にもたらした最大の変化は、気温の乱高下ではなく、海の食卓の中身が入れ替わったことでした。大きな体を維持できるだけの食べ物が、このとき初めて海に用意された——というのが、この研究の描く絵です。

ひとつ補足しておくと、2017年の論文には、同じ時期に海綿（かいめん。スポンジの仲間）のバイオマーカーも現れる、という指摘がありました。ただしその後2020年に、同じグループ自身が、その「海綿の指標」とされてきた分子は藻類のステロールが地質学的な変化を受けてできる可能性が高いと報告しています。クライオジェニアン紀に動物がいた証拠は、いったん取り下げられた形です。藻類が台頭したという話は残りますが、動物が確実に姿を見せるのは、もう少しあとになります。

名前を付けられない生き物たち

1956年、イギリス中部のチャルンウッドの森で、15歳のティナ・ネガスさんが、岩の表面にシダの葉のような跡があるのを見つけました。学校で話したところ、その地層は先カンブリア時代のもので化石が出るはずがない、と地理の先生に取り合ってもらえません。翌1957年、同じ場所で岩登りをしていたロジャー・メイソンさんら少年たちが同じ跡に気づき、父親を通じて英レスター大学の地質学者トレバー・フォードさんのもとへ届きます。フォードさんは1958年に記載を発表し、チャルニア・マソニ（Charnia masoni）と名付けました。

当時、先カンブリア時代の地層に大型の化石はない、というのが100年以上にわたる常識でした。それが崩れた瞬間です。ネガスさんの発見が公に認められたのは、発見50周年にあたる2007年のことでした。

いまエディアカラ生物群と呼ばれているものは、おおまかに三つの時期に分けて考えられています。約5億7500万年前から5億6000万年前のアバロン群集は、カナダ・ニューファンドランドのミステイクン・ポイントなどが代表で、光の届かない深い海の底に、葉のような形の生き物が林立していました。チャルニアもこの仲間です。約5億6000万年前から5億5000万年前の白海群集は、オーストラリア・ロシア・中国の浅い海の地層に残るもので、種類がもっとも多く、ディッキンソニアやキンベレラといった有名どころがここに入ります。約5億5000万年前から5億3800万年前のナマ群集になると種類は減りますが、クラウディナのように殻を作るものが現れます。

ここで、言葉の使い方をひとつはっきりさせておきます。エディアカラ生物群は「最初の大型生物」と紹介されることがよくありますが、肉眼で見える大きさの化石そのものは、もっと古い時代にも知られています。約18億7000万年前の地層から出る渦巻き状のリボン、グリパニアがその代表です。アフリカ・ガボンの約21億年前の黒色頁岩からは、最大12センチの構造がまとまって見つかっていて、2010年に多細胞生物の化石として報告されました。ただしこちらは、微生物のマットがつくった模様にすぎないとする反論が今も続いていて、決着していません。

つまり「最初」と言えるのは、大きいことだけを条件にした場合ではありません。数センチから1メートルを超える体を持ち、形の異なる種類が同じ海底に何十とそろい、生態系として成り立っている——そういう状態がそろうのは、このときが初めてでした。大型で、かつ複雑だった、というところに意味があります。

この生き物たちの困ったところは、いま生きているどのグループにも、うまく当てはまらないことです。

ディッキンソニアを例にとると、平たい楕円形の体に、細かい仕切りが左右に規則正しく並んだ姿をしています。厚みは数ミリ以下で、砂岩の表面に押し跡として残るだけ。大きいものは1メートルを超え、1.4メートルに達する標本も報告されています。1947年にオーストラリアで見つかって以来、クラゲ、ゴカイの仲間、イソギンチャク、地衣類、キノコ、巨大な単細胞生物と、ありとあらゆる解釈が提案されてきました。形からは決まらなかったのです。

そこに別の角度から切り込んだのが、2018年にサイエンスに載った研究でした。ロシア白海沿岸の崖から採取した5億5800万年前のディッキンソニアには、化石の表面に薄い有機物の膜が残っていました。そこから分子を取り出して測ると、大半がコレステロイド——コレステロールが地層のなかで変化した形——だったのです。周りの堆積物からは藻類由来のステロイドが主に出るのに、化石の部分だけが明らかにちがう組成でした。コレステロールを膜の主成分に使うのは動物だけなので、ディッキンソニアは動物である、という結論になります。

ただ、これで決着したわけではありません。取り出された分子の立体的な形が、他の化石動物から出るものとは異なる点が指摘されていて、地衣類の一種とする解釈もいまだに出されています。形では分からなかったものが、分子でなら分かるかもしれない——そこまでは進んだ、というのが現在地です。

決着していない三つの問い

ひとつ目は、そもそも本当にずっと凍っていたのか、という問題です。2026年4月、米ハーバード大学のシャーロット・ミンスキーさんらがPNASに発表したモデル研究は、スターチアン氷期の5600万年は連続した氷漬けではなく、全球凍結と激しい温室状態を何度も往復する状態だった可能性を示しました。フランクリン大火成岩区の風化が、気候をそういう振動の型に押し込んだ、という筋書きです。この見方だと、なぜそんなに長かったのかという問題と、酸素を使う生き物がどうやって生き延びたのかという問題を、同時に説明できます。ただしこれは気候と炭素循環をつないだ箱モデルによる仮説の提示であって、地層から直接読み取ったものではありません。

ふたつ目は、順番と因果を混同しないことです。氷が明ける、藻類が増える、大型の生き物が現れる——この並びは時期としては確かにその順ですが、時期が重なることと、原因であることは別です。しかも間隔はけっこう空いています。マリノア氷期が終わったのが約6億3500万年前で、大型の生き物がまとまって現れるのは約5億7500万年前。6000万年の隔たりがあります。その間に何が起きていたのかは、まだよく分かっていません。

みっつ目は酸素です。大きな体を動かすには酸素が要ります。原生代の中ごろは、大気の酸素が低い水準にとどまり、海も深いところまでは酸素が行き渡らない状態が10億年以上続いたとされています。新原生代に入って酸素が増えたことは複数の指標が示していますが、いつ、どれだけ、何をきっかけに増えたのかについては、研究者のあいだで見解が分かれたままです。エディアカラ紀に入ってすぐの約5億8000万年前にはガスキアーズ氷期という寒冷期がありますが、こちらは34万年以下と短く、全球凍結には至らなかったとみられています。その直後にアバロン群集が現れることから、これを引き金とみる説もあれば、偶然の並びだとする説もあります。

凍りついた地球と、そのあとの海と、名前を付けられない生き物たち。この三つが一本の線でつながるのかどうかは、まだ分かっていません。エディアカラ生物群のほとんどは、5億3900万年前を境に姿を消し、そのあとに続くカンブリア紀の動物たちとは、見た目のうえでほとんど接点がないのです。