プレートテクトニクスと進化
## 動く地球の上で生命は進化してきた
地球の表面は、長い時間を通じて固定されていたわけではない。大陸は集合と分裂を繰り返し、海洋は開閉し、山脈が隆起し、火山活動が続いてきた。こうした地球表層の大規模な運動を説明する枠組みがプレートテクトニクスである。
生命の歴史を考えるうえでも、プレートの運動は重要である。大陸が分かれれば生物集団も分断されやすくなり、逆に大陸が衝突すれば、それまで別々に進化してきた生物が出会うことがある。海流や気候も大陸配置によって変化し、生物が暮らせる環境そのものが組み替えられる。
ただし、「プレート運動が新しい種を生み出した」という単純な因果関係で説明することはできない。進化には突然変異、自然選択、遺伝的浮動、生物間相互作用など多くの過程が関係する。プレートテクトニクスは、それらが働く地理的・環境的条件を変化させる重要な背景の一つと考えるほうが適切である。
## 大陸の分裂は生物集団を隔離する
新しい種が生じる過程では、同じ祖先をもつ集団の間で遺伝子の交流が減少することが重要になる場合がある。山脈や海峡、大洋などが形成されれば、それまで自由に交配していた集団が分断される可能性がある。
プレート運動は、そのような地理的隔離を非常に大きな規模で引き起こす。
たとえば超大陸が分裂すると、大陸の間に新しい海が形成される。それぞれの大陸に取り残された生物集団は、異なる環境のもとで独立した進化を続けることになる。長い時間がたてば、祖先を共有していても異なる系統へ分化していくことがある。
現在、南半球の離れた大陸に近縁な生物群が分布している例の一部は、かつて存在したゴンドワナ大陸の分裂史と関係すると考えられている。
ただし、現在の分布が似ているからといって、すべてを大陸移動だけで説明できるわけではない。生物には海を越えて分散する能力もある。飛翔する動物や風で運ばれる種子だけでなく、漂流物などによって海を越える陸上生物もいる。分子系統解析や化石記録、地質年代を組み合わせて、大陸分裂による隔離なのか、その後の長距離分散なのかを検討する必要がある。
## 大陸が衝突すると生物相も出会う
プレート運動には分離だけでなく、接続という側面もある。
離れていた陸地が接近したり、陸橋が形成されたりすれば、それまで異なる地域で進化していた生物が移動できるようになる。その結果、捕食者、競争相手、寄生生物などの組み合わせが変わり、生態系が再編される可能性がある。
地質学的には、インド亜大陸がユーラシア大陸へ衝突したことや、南北アメリカの間で陸上の連続性が強まったことなどが、生物地理を考えるうえで重要である。
もっとも、陸地がつながった瞬間に生物相が一斉に入れ替わるわけではない。気候、植生、山脈、砂漠、河川なども移動を妨げる。生物によって移動能力も異なるため、交流の時期や規模には大きな差が生じる。
プレート運動は生物の移動経路を開閉するが、その結果を決めるのは地形だけではないのである。
## 山脈形成は新しい環境をつくる
大陸同士が衝突すると、大規模な山脈が形成されることがある。山地の誕生は、単に標高の高い土地が増えるだけの出来事ではない。
標高が上がれば気温は低下し、降水量や日射条件も変化する。同じ地域でも谷、斜面、高地など異なる環境が生まれ、生物が利用できる生態的条件が細分化される。
山脈はまた、生物集団を隔離する障壁にもなる。一つの集団が山脈の両側に分かれれば、それぞれ異なる気候や生態系の中で進化する可能性がある。
さらに山脈は大気循環にも影響する。湿った空気が山を越える際に降水し、反対側が乾燥する雨陰が形成されれば、比較的近い距離に湿潤環境と乾燥環境が並ぶこともある。
このように造山運動は、地形、生物地理、気候を同時に変化させることで、生物多様化の条件に影響し得る。
一方で、山脈の形成と特定の生物群の多様化が同じ時期に起きていても、それだけで直接の因果関係が証明されるわけではない。年代の精度や他の環境変化も考慮する必要がある。
## 海の形が変われば海流も変わる
プレートテクトニクスが変化させるのは陸地だけではない。海洋盆の形や大陸間の通路も変化する。
海流は、熱、酸素、栄養塩などを地球規模で運ぶ。したがって海峡が開いたり閉じたりすれば、遠く離れた地域の気候や海洋生態系まで影響を受ける可能性がある。
大陸配置によっては赤道付近の暖かい海水が高緯度へ運ばれやすくなり、別の配置では極域が海流によって隔離されやすくなる。こうした循環の違いは海水温だけでなく、深海への酸素供給や栄養塩循環にも関係する。
しかし、過去の海流を直接観察することはできない。研究では堆積物、化石、同位体組成などの地質記録と数値モデルを組み合わせて復元する。そのため、特定の海峡の形成が気候変化をどの程度引き起こしたのかについては、研究によって評価が異なる場合もある。
## プレート運動は炭素循環にも関わる
プレートテクトニクスと生命の関係を考えるとき、二酸化炭素を含む長期的な炭素循環も重要である。
火山活動や海嶺などでは、地球内部から二酸化炭素が供給される。一方、陸上では岩石の化学的風化によって二酸化炭素が消費され、その一部は河川を通じて海へ運ばれ、最終的に炭酸塩などとして堆積する。
海洋プレートに取り込まれた炭素の一部は沈み込み帯へ運ばれ、非常に長い時間をかけて再び地表へ戻る。
そのため、プレート活動、火山活動、造山運動、風化、海洋堆積は、数百万年以上の時間尺度で大気中の二酸化炭素濃度と気候に関係してきたと考えられている。
ここでも生命は単なる受け手ではない。陸上植物は岩石の風化や土壌形成を変化させ、海洋生物は炭酸カルシウムの殻や有機物をつくることで炭素循環に参加する。
地質活動が気候を変え、気候が生命を変え、生命がさらに地球化学的循環を変える。この相互作用こそ、地球生命史を理解するうえで重要である。
## 火山活動は生命に利益も危機ももたらし得る
プレート境界では火山活動が活発になる地域が多い。また、プレート境界とは異なる仕組みで大規模な火成活動が起こることもある。
火山活動は新しい陸地や海底を形成し、岩石の風化を通じて栄養元素を供給する。一方、大規模な火山活動が短い地質学的期間に集中すると、大量の二酸化炭素やその他の物質が環境へ放出され、温暖化、海洋酸性化、海洋の酸素不足などにつながる可能性がある。
過去の大量絶滅のいくつかでは、大規模火成活動との時間的な対応が重要な研究対象になっている。
しかし、大量絶滅を単純に「火山が原因だった」と表現するのは不十分である。噴出量、速度、ガスの種類、当時の大陸配置、海洋循環、生態系の状態などによって影響は異なる。環境変化が複数段階で進行した可能性もある。
プレートテクトニクスは、生命を多様化させる環境を生み出すこともあれば、生態系に大きな負荷を与える条件に関与することもある。
## 生命も地球表面を変えてきた
プレートテクトニクスが生命へ影響する関係は明瞭に見えるが、生命から地球への作用も無視できない。
植物が陸上へ広がると、根や有機酸、生物活動を含む土壌形成によって岩石の風化環境が変化した。植物が固定した炭素の一部が長期間地中に保存されれば、大気と海洋の炭素循環にも影響する。
海洋では、微生物やプランクトン、殻をつくる生物などが物質循環や海底堆積物の形成に関与している。サンゴ礁など、生物が大規模な地形を形成する例もある。
ただし、生命がプレートそのものをどの程度変化させてきたかという問題になると、話はさらに複雑である。風化や堆積を通じて生命活動が地球表層の物質移動へ影響することは明らかだが、それがプレートテクトニクスの長期的な挙動にどこまで影響したのかについては、単純な結論を出すことは難しい。
地球と生命の相互作用には、確立度の異なる因果関係が含まれている。
## 大陸移動は「進化の方向」を決めない
プレートテクトニクスと進化を結びつけるときに注意したいのは、大陸移動が生命を一定の方向へ進歩させたと考えないことである。
大陸の分裂によって生物が多様化する場合もあれば、分布域が縮小して絶滅する場合もある。大陸同士の接続によって新しい生息地へ進出する系統もあれば、新たな競争者や捕食者との遭遇によって衰退する系統もある。
同じ地質学的事件でも、生物によって結果は異なる。
進化にはあらかじめ定められた目標がなく、プレート運動にも生物を進化させる目的があるわけではない。地球環境が変わったとき、その条件のもとで生き残り繁殖した集団の性質が、世代を重ねるなかで変化していく。
プレートテクトニクスは、その舞台を絶えず組み替えてきたのである。
## 地球生命史は相互作用の歴史である
生命の進化を系統樹だけで見ると、生物の内部で起こった変化に注目しやすい。しかし実際の生命は、移動する大陸、隆起する山脈、開閉する海洋、変化する大気と海流の中で進化してきた。
一方、地球環境も生命と無関係に変化してきたわけではない。生物は光合成、風化、土壌形成、炭素固定、堆積などを通じて地球表層の物質循環を変えてきた。
したがって地球生命史は、「地球が生命を変えた歴史」と「生命が地球を変えた歴史」を完全に分離して理解することができない。
ただし、両者の関係は単純な一方向の因果ではなく、作用する時間尺度も異なる。ある変化ではプレート運動が主要な背景となり、別の変化では気候、生物間相互作用、偶発的な出来事などが大きな役割を果たす。
進化を理解するためには生命だけを見るのでも、地質だけを見るのでも足りない。動き続ける地球と、その上で変化し続ける生命を、一つの相互作用するシステムとして見ることが重要なのである。