地球は一言で言えば、「生命の惑星」です。地球には、大陸と海があり、酸素を含む大気があり、生命が誕生して進化していました。
現在のところ、生命が存在している天体は地球だけです。
天体に興味があってもなくても、誰もが太陽系において地球だけが他の惑星とは際立って異なる特殊な惑星だということは理解しているでしょう。
では地球はどうして他の惑星たちとこれほど異なっているのでしょうか？ 地球だけに生命が存在する理由はなんなのでしょうか？
この記事では、私たちの住む地球はどのような惑星なのか、他の惑星と何が違うのかについて明らかにしていきます。
目次
- 生命に満ちあふれた惑星
- 動いている大地
- 酸素が豊富な大気
- 強力な地磁気バリア
生命に満ちあふれた惑星
地球は太陽系で唯一、生命が存在する惑星です。
地球には非常に多くの生物が存在しています。2011年のダウハルジー大（カナダ）とハワイ大（アメリカ）の研究によると、地球上の生物の種類の総数は870万種類です。地球はまさに生命に満ちあふれた星といえるでしょう。
太陽から地球までの距離は約1憶5000万kmで、ハビタブルゾーン（生命居住可能領域）に位置しています。
ハビタブルゾーンとは液体の水が惑星の表面に存在できる軌道の範囲です。つまり、表面温度が0℃～100℃の範囲です。これは主に星系の中心にある恒星との距離によって決まります。
地球は太陽からちょうどいい距離にあるため、この温度条件を満たしているのです。そして、ハビタブルゾーンにある地球には太陽から生命活動に必要なエネルギーが過不足なく供給されています。
太陽系で、ハビタブルゾーンの範囲にある惑星は地球だけです。水星や金星は太陽に近すぎ、そして火星は太陽から遠すぎました。
ハビタブルゾーンの条件は、地球と同じような生命を持つ惑星を探すために考えられました。
生命居住可能領域と言いながら「液体の水」の存在が基準になっているのは、地球の生命は水がなくては生きていけないからです。
例えば、人間の場合、水なしでは5日も生きられません。地球の表面を覆う海は、生命に必要不可欠な水をたたえています。また、地球で最初の生命は海で生まれたと考えられています。海は生命のゆりかごなのです。
とはいえ、ハビタブルゾーンに存在することだけが惑星が海を持つことの絶対条件ではありません。火星にもかつては海があったという証拠も見つかっています。
それでは、なぜ最終的に地球しか海を持たなかったのでしょうか？
一つの要因として、惑星の材料となった岩石に含まれる鉱物の違いが考えられます。
地球の材料となった鉱物にはその成分として内部に水を含んでいました。この鉱物は含水ケイ酸塩鉱物と呼ばれていて、水星や金星付近の軌道では温度が高いために不安定になり水を吐き出してしまいます。
したがって水星や金星にはあまり水が蓄積しませんでした。火星は地球と同じように大量の水が蓄積されていましたが、重力が弱すぎるためにほとんどの水が宇宙に拡散してしまったのです。
地球には、水の他にも大気があります。地球の大気は、酸素、窒素、二酸化炭素の組成のバランスが生物の生存にちょうどいい条件で揃っています。
酸素は少なすぎると息が苦しくなりますが、多すぎると危険です。酸素濃度が高いと生体内で活性酸素が発生し細胞や組織に損傷を与えます。また、大気中の酸素が多いと火災が発生しやすくなります。二酸化炭素が無いと植物の光合成ができません。また、環境に二酸化炭素が多すぎると生物の体内で発生した二酸化炭素を排出することができなくなります。
大気を保持するためには、惑星の大きさや質量も重要です。
水星や火星は地球の半分くらいの直径で重力が弱すぎるため、地球のような大気を保持できませんでした。金星は地球と同じぐらいの大きさですが、二酸化炭素による温室効果が暴走したため、表面での圧力が90気圧、温度が400℃という高温高圧の世界になってしましました。
このように、地球は生命が繁栄するために必要な多くの条件を満たしています。遠い昔には金星や火星も地球に似た環境だった可能性が指摘されていますが、現在ではこれらの惑星は生命が住みやすい環境とは言えません。
地球だけが生命にとって理想的な環境を絶妙なバランスで保ち続けてきたのです。
もちろん地球とまるで異なる環境の方が快適という生命も存在するかもしれません。しかし現在のところ、この宇宙において地球以外に生命の存在は確認されていません。
動いている大地
地球は、私たちが住んでいる惑星ですが、普段の生活では地球の内部がどうなっているかあまり意識することはないでしょう。
人類は太陽系の果てまで探査機を飛ばしましたが、実は地球の内部には到達できていません。地面を最も深く掘り進めた世界記録は約12kmです。これは地球の半径の約0.2％にすぎません。堀り進むにつれて圧力や温度が高くなり、12kmの深さでは数百℃、1200気圧以上という高温高圧になります。
ではなぜ地球の内部について、人類は色々詳しいことを知っているのでしょうか？
実はこうした研究には地震が利用されています。地球の内部の状態は、地震の波の伝わり方や重力の計測によって調べることができるのです。
地震波の速度は地球内部の密度や圧力によって異なるので、この速度の違いを用いて、地下内部の構造を推測することができます。
そのようにして調べた結果、地球は外側から軽い岩石成分の地殻、やや重い岩石成分でできた流動するマントル、高温で溶けている鉄などの金属質の核という層構造になっていることが分かりました。マントルはあくまで固体です。ただし長い時間でみると少しずつ動いています。
この層構造はゆでたまごに似ています。表面の薄い地殻は卵の殻、その下のマントルは白身、中心の核は黄身に相当します。マントルは固体で、核の外側部分（外核）は液体になっているので、半熟のゆでたまごですね。
私たちの住んでいるこの大地は動かないように思えますが、実は年々少しずつ動いています。地殻の一部は大陸をつくるプレートという板状のものに分かれ、マントルの対流などによって動いているのです。これをプレート運動といい、プレート運動によって大陸の移動を説明する理論をプレートテクトニクスと呼びます。
地殻とプレートとは正確には別物です。地殻・マントル・核の3層は化学組成の違いによる区別です。一方、プレートは力学的な性質の違いによってその下の層と区別されます。
プレートの実体は、リソスフェアと呼ばれる硬い岩石の層で、その下にあるのがアセノスフェアと呼ばれる流動的なやわらかい層です。
プレートは中央海嶺で生まれ、ベルトコンベアのようにマントルの対流に沿って動いて海溝に沈み込みます。プレート同士がぶつかったり、すれ違ったりするプレート境界では火山や地震の活動が活発で、こうした地質活動はプレートテクトニクスによって説明できます。
例えば、日本列島には地震や火山が多いですが、これはプレートテクトニクスによれば当然のことです。ユーラシアプレート、北アメリカプレート太平洋プレート、フィリピン海プレートという4つのプレートが日本列島の下でひしめき合っているからです。
ところで、地球以外の地球型惑星（岩石惑星）でもプレートテクトニクスは機能しているのでしょうか？
現在の科学的知見によると、地球以外の地球型惑星（水星、金星、火星）では、地球のようなプレートテクトニクスは機能していないと考えられています。
火星や月などの小さな天体は、すでに内部が冷えてしまっており、活発なマントル対流が起こっていないと見られています。
とはいえ火星には、太陽系最大の火山といわれるオリンポス山などの巨大火山が点在します。こうした火星の存在は、火星の地質活動が、過去には比較的活発で、地下深部からのマントルの上昇流である「プルーム」が起きてたことを示しています。
しかし、なぜ地球より小さい惑星である火星に、地球には存在しないような巨大火山が形成されるのでしょうか？ 実はその理由にプレートテクトニクスの機能が関係しています。
地球でもプルームが火山を形成することはあるのですが、地球ではプレート運動も同時に存在するため、このプルームの位置は徐々に移動していきます。
例えば、ハワイ諸島はプルームによって形成された火山島に由来しますが、太平洋プレートが北西方向に移動するため、この火山島は同じ方向にズレながら形成されていきます。
このように東西に小さな島が連なるハワイ諸島の形成は、プルームによる火山活動と、プレート運動の組み合わせによって説明できるのです。
一方で火星はプルームがずっと同じ場所で持続的に起きるため、巨大な火山に成長していくのです。もちろん重力が小さい点や、大気圧が低い点も火山の巨大化に影響していますが、オリンポス山のような巨大火山の存在は、火星にプレート運動がないことの証拠になるのです。
金星は地球と同じくらいの大きさで内部構造も似ていますが、その表面は1枚の硬いプレートに覆われていると考えられています。したがって複数のプレートの動きによるプレートテクトニクスは機能していません。
プレートテクトニクスが地球にだけ存在するのはなぜでしょうか？
やはり地球にのみ存在する水が、プレートテクトニクスの機能に重要な役割を果たしていると考えられています。水は岩石の強度を下げ、断層を滑りやすくし、プレートの動きを促進すると考えられています。
また、地球の表面温度がプレートを形成するのに適しているという要因もあります。他の惑星では、表面温度が高すぎたり低すぎたりして、地球のようなプレートの形成ができなかったのでしょう。
酸素が豊富な大気
地球は窒素が約78％、酸素が約21％というきわめて珍しい成分の大気をもっています。
他の地球型惑星、例えば金星や火星の大気はほとんど二酸化炭素で構成されています。金星では約96％、火星では約95％が二酸化炭素です。また、水星には大気がほとんどありません。
では他の惑星と比べて地球の二酸化炭素濃度が非常に低いのはなぜでしょうか？
形成初期の地球は、原始惑星系円盤ガスに覆われていました。それは誕生したての太陽を取り囲むガスで、主に水素とヘリウムから成っていました。当時の地球の大気を一次大気といいます。
誕生したばかりの地球にさらに微惑星が繰り返しぶつかり、そこに含まれていた水蒸気や二酸化炭素や窒素などが放出され、地球の大気に加わりました。窒素についてはアンモニアの形で含まれていたとも考えられています。この時期の地球の大気は水蒸気や二酸化炭素が主成分であり、この段階の大気を二次大気と呼びます。
この頃の地球は他の惑星同様に、非常に二酸化炭素濃度が高かったと考えられるのです。
しかし二次大気に含まれていた水蒸気は地球が冷えると液体の海になりました。そして、大量の二酸化炭素は海に溶け込んだのち、炭酸カルシウムなどの炭酸塩鉱物として、海底に堆積しました。そのため地球の大気中からは二酸化炭素が一気に減ったのです。一方、金星には海ができなかったので、初期から現在まで大気中に大量の二酸化炭素が残ったのです。
地球では、大気中から水蒸気と二酸化炭素が大幅に取り除かれ、後に残ったのが窒素でした。窒素だけに目をつけると、その量は初期の地球からほとんど変化してないと推測されます。
酸素については、どうでしょうか？
地球の二次大気には酸素は少しも含まれていませんでした。これは、酸素は活性が強く、岩石などの酸化に使用され鉱物中に取り込まれてしまったからです。しかし、今では酸素は大気組成の約21％を占めています。現在の地球大気中の高い酸素濃度は、生命活動の結果です。この生命活動とは光合成のことです。
光合成とはよく知られているように、光のエネルギーを利用して二酸化炭素と水からデンプンなどの炭水化物をつくる反応です。多くの植物で行われる酸素発生型光合成では、水を分解して酸素を副産物として放出します。
ところで、大気は惑星の一部と考えられますが、大気を持つ惑星はどこまでが惑星の中で、どこからを宇宙と考えるのでしょうか？
地球の大気の動きや気象現象に大きな影響を及ぼしています。地球の大気の動きに影響を与えているのは、表面の約70%を覆う海です。
地球の環境は、太陽から程よい距離であるために、水が気体（水蒸気）、液体（水）、個体（氷）の3つの状態を実現できる温度になっています。そのため、水が蒸発して水蒸気となり、大気中で雨や雪となって降り注ぎ、川になって海に流れるという循環が地球の気象現象の大きな特徴となっています。
このような気象現象が起こる領域は、地表から十数kmまでで、これを対流圏と呼びます。その上に薄い大気が層状に流れている成層圏、そして中間圏、熱圏と宇宙につながっています。一般的には、大気がほぼ真空に近くなる100kmより上を宇宙としています。
10～50kmの上空では、酸素がもとになって太陽の紫外線を吸収するオゾン層があります。実はオゾン層ができたのは、今から約4億年前です。
オゾン層ができる前は太陽からの紫外線が直接地面に降り注いていたため、生物は陸上に上がることができませんでした。今、私たちが陸上で生活できているのはオゾン層があるおかげです。
オゾン層がまだ形成される前の時代に繁殖していた藻類が盛んに光合成を行った結果、大量の酸素が放出され大気中の酸素濃度が上昇しました。そして、大気中の酸素（O2）に紫外線が当たるとオゾン（O3)に化学変化します。これによってオゾン層が形成されました。
地球の大気は、生命の存在に重要な酸素を多く含むだけではなく、生命を守る働きもしているのです。
強力な地磁気バリア
地球の磁場も生命を守る盾の役割を果たしています。地球には強い磁場があるために、生物にとって有害な太陽風が地表まで届きません。太陽風は高温のプラズマ（原子核と電子が分離したもの）です。これは生物にとっては危険な存在ですが、地球の磁場が防いでくれています。
磁場というのは、磁石の力が働く空間のことです。
磁石の不思議な力は昔から人類に利用されてきました。例えば、磁石のN極がほぼ北を向くことは古くから知られていて、古代中国では羅針盤などに利用されてきました。方位磁石が方角を示すのは、地球自体が巨大な磁石になっているためで、地球による磁気を地磁気と呼びます。
これは渡りをする生物（季節によって長距離を移動し住む場所を変える生物）が方角を知る際にも利用されていると言われています。
なぜ、地球に強い磁場が存在するのかは長い間よくわかっていませんでした。地球の中心部は5000℃を超える超高温です。強磁性鉱物でも数百℃以上の高温では磁性を失うことを考えると、地球内部の鉱物が永久磁石になっているとは考えられません。
しかし、磁石には永久磁石の他に電磁石というものがあります。電流が流れることによって磁力が発生する磁石が電磁石です。
そのため地磁気は、地球内部にある鉱物の磁石が原因ではなく、地球内部で発生している電流が原因と考えられています。地球の外核は高温の液体であり、主に鉄で構成されているので電気をよく通します。これが地球の自転に伴って対流し、鉄の運動によって生じた電流が地磁気を形成します。このように地球内部の流体運動が磁場を生み出しているという仮説をダイナモ理論といいます。
ところで、他の惑星には磁場があるのでしょうか？ 現在までの観測や惑星探査の結果から、金星と火星以外の惑星には磁場があることが分かっています。
ダイナモ理論によると、惑星が磁場を持つためには、内部に液体の金属核が存在し、かつ一定速度以上で自転している必要があります。
例えば、金星は自転周期が約243日と遅すぎるため、強い磁場を生成する条件を満たしていないと考えられます。火星は地球とほぼ同じ自転速度を持っていますが、核が小さいため、その磁場は地球と比べるときわめて微弱です。
金星の自転周期は約243日と遅すぎるたため、火星は自転周期は地球とほぼ同じですが核が小さいため、ほとんど磁場が存在しないと推測できます。水星は惑星自体が小さく自転周期が59日と比較的遅いため、地球の100分の1の磁場しか持っていません。
実は、昔は火星にも磁場があったという証拠が見つかっています。
火星の表面に残された残留磁場から約40億年前までは火星にも地球と同じような磁場があったと考えられているのです。火星の磁場を生み出した仕組みは、今の地球と同じ火星の内部の対流です。しかし、その後火星の磁場は消失しました。
火星の磁場が消えた原因は、火星の核が冷えて対流が止まったためと考えられています。磁場が消失したため、火星は太陽風から大気を保護する力を失い、地表付近まで吹き込んだ太陽風によって大気がはぎとられたと考えられます。
初期の火星には海が存在した可能性もありますが、大気が失われることによって気圧が下がり、海の水が蒸発しやすくなります。水蒸気は上空で酸素と水素に分解されて軽い水素は太陽風に吹き飛ばされます。このようなプロセスによって最終的には大気も海も失われたのでしょう。
かけがえのない地球
今まで見てきたように、奇跡的とも言えるさまざま条件が重なって地球に生命が誕生し、私たち人間をはじめ多くの生物が暮らしています。
人間を含め生命にとって欠かせない大気や水をもつ地球環境は、人間社会が巨大化するにつれて大きく変化しています。
将来、地球以外にも生命が住めるような惑星が見つかるかもしれませんが、今のところ生命が住める星は地球だけです。このかけがえのない地球を、大切にしていきたいものです。
参考文献
惑星のきほん
https://www.amazon.co.jp/dp/4416617496
新天文学事典
https://www.amazon.co.jp/dp/4062578069
元論文
How Many Species Are There on Earth and in the Ocean?
https://doi.org/10.1371/journal.pbio.1001127
ライター
浅山かつのり: 屋号：創造情報研究所。大学で物理学を専攻し、課外活動では天文研究会の会長を務めました。現在はITエンジニアとして働きながら、サイエンスライターとしても活動しています。歴史にも興味があり、史跡めぐりや歴史関係の本を読むのも好きです。
編集者
海沼 賢: ナゾロジーのディレクションを担当。大学では電気電子工学、大学院では知識科学を専攻。科学進歩と共に分断されがちな分野間交流の場、一般の人々が科学知識とふれあう場の創出を目指しています。
