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大気における酸素の誕生
 
先カンブリア紀
 地質年代上、認められている岩石の層の中で最も古い時代区分であり、約40億年前から6億年前までの長期間をまとめて先カンブリア紀あるいは先カンブリア時代と呼ばれています。
 この時代は海や生命を誕生させた時代であるばかりではなく、藻類による光合成が開始され、地球大気中に酸素が蓄積され始めた時代でもあるのです。
地球と海の誕生
 地球は約46億年前に、太陽系の中の微惑星の衝突・合体の繰り返しにより誕生したと考えられています。この原始地球にはまず原始大気が形成されました。原始大気とは、微惑星や隕石がが1〜2km/秒というスピードで衝突する際、中に含まれていた水やガス成分が蒸発し、放出されたもので、水蒸気を主成分とし、炭酸ガス、窒素、一酸化炭素を含んでいたと考えられています。この時の原始地球は、マグマの海に覆われており、地表面温度がとても高かったために、水等はすべて水蒸気やガスとなり「大気」中へ蒸発してしまっていたのです。
 一方、海は、隕石等の落下がおさまり地球の温度が低下してくると、水蒸気は液体の水に変わり、数百年間にもわたって続いたといわれている大雨が、地形のへこんだところに溜まることによってできたのです。
 この誕生したばかりの地球には遊離酸素は存在せず、酸素の存在といえば、大気中の水蒸気と太陽の紫外線から水素と酸素に分解されたもので、その濃度は現在の10000万分の1以下と考えられています。
大気中への酸素の蓄積
 約35億年前に光合成を行う生物が誕生し、光合成の副産物としての酸素が徐々に海中に放出されていったわけですが、その酸素が大気中に放出されるようになるまでにはさらに長い時間が必要でした。
 初期に産出され海中に放出された酸素はすべて、地球が形成された材料である隕石に含まれていた海中の鉄イオンと結合して酸化鉄となり、鉄鉱石として海底に蓄積され続けていったのです。しかし、酸素は次々と放出されるに従い海中の鉄イオンはやがてすべて使い切られてしまうのでした。そして、とうとう約20億年前になって、海中で飽和状態に達した酸素が大気中に放出され始めたのです。
 空中に放出された酸素は、紫外線の作用によりその一部がオゾンに変化し、やがて大気の上層部約20−50kmの領域でオゾンの層を形成し、地球全体を覆うようになりました。オゾン層は紫外線を吸収する働きを持ち、これができたことによって地上も生物が安全に生活できる環境となり、海中生活だった植物や生物が陸上へあがることが可能となったのです。いわゆる「オゾン層」は約4億年前に形成(完成)されたと推定されています。古生代シルル紀と呼ばれる時代のことでした。
 現在、オゾン層の破壊が問題になっていますが、それは約16億年かかって形成されたものがその約4億年後に破壊の危機に遭遇しているとも言えます。
パスツール・ポイント
 先カンブリア紀でも約10億年前になると、大気中の酸素はかなり増加し、有性生殖も始まったとされ、さらに約7億年前には多細胞動物が出現したとされています。
 約5.7億年前、先カリブリア紀に続くカンブリア紀は、「生物の大爆発」があった時代として有名です。海中に多様な生物が爆発的に出現し、また、殻や骨格などの硬組織をもつ生物が初めて出現したのです。その代表的なものが「三葉虫」です。
 「生物の大爆発」、それは大気中の酸素濃度が確実に上昇し、その酸素濃度が「パスツール・ポイント」を越えたこが臨界点となったと説明されています。
 アルコール発酵は大気中酸素濃度が1%以下でないと起こらず、この酸素濃度をパスツール・ポイントと言います。一方、大気中の酸素濃度が1%を越すと、アルコール発酵は起こらなくなり、炭化水素はアルコールにならず二酸化炭素と水に分解されてしまいます。この時に生物はアルコール発酵の約19倍のエネルギーを得られるといわれています。つまり、大気中の酸素濃度がパスツール・ポイントを越すことによって生物の著しい発展があったわけです。
大気中酸素濃度の歴史
 大気中の酸素濃度がパスツール・ポイント1%を越えたとされるのは、約6億年前のことです。では、それから以降、酸素濃度は次第に増加し現在に至っているのでしょうか。実際には、年代により酸素濃度はかなり大きく変化したようなのです。様々な説やデータがあるようですが、次に一例として酸素濃度の歴史を示してみました。
 
年代 酸素濃度 出来事
6億年前 先カンブリア紀 1%  
5.4億年前 カンブリア紀   「生物の大爆発」
4.2億年前 シルル紀 10〜14% オゾン層の形成。生物の上陸。
原始的シダ類の繁栄。
4億年前 デボン紀   魚類の時代。両生類への進化。
3億年前 石炭紀 30〜35% シダ種子類の大繁殖。
2.5億年前 二畳紀 13〜15% 両生類から爬虫類類へ。
1.9億年前 ジュラ紀 15〜22% 恐竜の時代。始祖鳥。
1億年前 第三紀 22〜26%  
 
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