最終更新日: 2025 年 7 月 20 日

シアノバクテリアと酸素危機: 原始的な生態学的大惨事

シアノバクテリアは 24 億年以上前に地球の大気中に酸素を放出しました — シャラント・マリティーム (フランス) で発見された、9,500 万年から 1 億年前の琥珀の塊に含まれる、シアノバクテリア (Palaeocolteronema cenomanensis) の美しい青色のフィラメント。保存性は抜群で、フィコシアニンによる青色の発色がはっきりと認識できます。画像出典: CNRS-INSU、レンヌ I.

微生物によって引き起こされる惑星大変動

約 24 億年前、地質学的および生物学的な大きな出来事が地球の歴史を変えました。大酸化、GOE（大酸化イベント）とも呼ばれます。この期間以前、地球の大気には遊離酸素 \((O_2)\) がほとんどなく、メタン、アンモニア、二酸化炭素などのガスが大半を占めていました。この劇的な変化は、光合成微生物のグループによって引き起こされました。シアノバクテリア。太陽エネルギーを利用して水 \((H_2O)\) を酸化し、酸素を放出することで、大気の組成を不可逆的に変化させました。

シアノバクテリア: 酸素発生型光合成の先駆者

地球の歴史の初期の登場

ザシアノバクテリア「藍藻」とも呼ばれる（真核生物の意味での藻類ではありませんが）、27億年。彼らは、実践することができる最初の既知の生命体です。酸素発生型光合成、つまり、太陽エネルギーを使って水を\((H_2O)\)を酸化して酸素を放出する光合成です。

高度な光合成機構

チラコイド膜に組み込まれた彼らの光合成装置は、2 つの光システム (PSII と PSI) を直列に使用します。これは、酸素発生性細菌の機構よりも複雑です。この生体エネルギー革新により、豊富な資源 (水) を電子供与体として利用できるようになり、酸素分子 \((O_2)\) の大量生産が可能になりました。

ストロマトライトの化石の痕跡

シアノバクテリアは形成することができます微生物マット、と呼ばれるストロマトライト、先カンブリア紀の炭酸塩岩に化石の痕跡を残しました。それらの代謝は、まず海洋を、次に大気を酸素で豊かにし、好気呼吸の進化と複雑な生物の出現への道を切り開き、陸上環境を大きく変えました。

生物圏における永続的な遺産

今日でもシアノバクテリアは生態学的に基本的な役割を果たしています。シアノバクテリアは水生生態系における窒素固定 \((N_2)\) や酸素の生成に関与しており、特定の種は地衣類、シダ、コケと共生しています。彼らの生化学的遺産は、植物の葉緑体、祖先のシアノバクテリアと原始的な真核生物の内部共生から生じます。

地球の酸素化の年表

陸上の酸素化における主な出来事
期間	イベント	推定所要時間	大きな影響
～2.7Ga	最初のシアノバクテリアの出現	—	酸素発生型光合成の開始
~2.5 – 2.45 Ga	海洋の酸化（BIFの形成）	～50Ma	海洋における酸化鉄の沈殿
~2.45 – 2.1 Ga	大酸化 (GOE)	～350Ma	大気中のO₂の大幅な増加
2.1～0.8Ga	停滞（O₂ レベルの低下）	～1.3Ga	酸素の生成と消費のバランス
~800 – 600 Ma	新原生代の酸化現象 (NOE)	～200Ma	O₂のさらなる増加、複雑な生命への準備
~600 – 541 Ma	エディアカラ	~60Ma	オゾンの形成と巨視的多細胞生物の出現

ソース：Nature Geoscience – オランダ (2009)、PubMed – Lyons et al. (2014)

酸素化のメカニズム

シアノバクテリアによって行われる酸素発生型光合成は、全体的な反応に従います。 \(6CO_2 + 6H_2O + \text{光} \rightarrow C_6H_{12}O_6 + 6O_2\)

当初、生成された酸素は大気中に蓄積されませんでした。これは、酸素が鉄\((Fe^{2+})\)などの海洋に存在する還元元素と反応し、縞状鉄層(BIF:縞状鉄層)の堆積物を形成したためです。これらの貯留層が飽和して初めて、酸素が大気中に漏れ始め、惑星の化学が大きく変化しました。

地質学的および生物学的影響

大気中に遊離酸素が出現すると、次のような複数の影響が生じます。

地表の鉱物の大規模な酸化。
大気中のメタン（温室効果ガス）の破壊による地球規模の寒冷化。
嫌気性生物の生物学的危機。
オゾンシールド \((O_3)\) の出現により、生命が地表および陸域に定着できるようになります。

人生の歴史の転換点

大酸化は、生物学的多様性の爆発の前提条件として見られることがよくあります。酸素はより効率的な代謝（好気呼吸）の発達を可能にし、より複雑な生物への進化を促進しました。しかし、この変化は瞬間的なものではありませんでした。大気は、ずっと後の、約 6 億年前のエディアカラ紀の夜明け (現在から 6 億 3,500 万年前から 5 億 4,100 万年前) まで、今日のレベルに達しませんでした。

設定	GOEの前に	GOE後
酸素 \((O_2)\)	%<0.001%	~1 ～ 2% (その後徐々に増加)
メタン \((CH_4)\)	~1%	%<0.0002%
二酸化炭素 \((CO_2)\)	> 10%	%< 1%
オゾンの存在 \((O_3)\)	存在しない	成層圏での出現
支配的な人生	厳密な嫌気性菌	出現する好気性菌