地球システム・シミュレーションは、原生代の海がより緑色であったが生産性は低かったことを示唆する

古代の海が緑に輝いたとき

十億年以上前の地球を宇宙から見下ろすと、海は深い青ではなく鮮やかな緑に見えたと想像してみてください。本研究は最新鋭の気候・海洋モデルを用いて、一見単純な問いに答えようとします：初期の海が微細な植物性生物で満ち、ほとんどそれを捕食する動物がいなかったなら、惑星の海の色や活力はどのように変わったのか？その答えは地球の過去像と動物生命が成立するまでの環境条件の解釈を塗り替えます。

海洋動物以前の世界

ここで扱うのは原生代で、およそ25億年から5.4億年前に及ぶ時代です。この時代、今日のシアノバクテリアや小型藻類に似た小さな光合成生物が海を支配しており、ゾープランクトンのような動物的な放牧者はまだ現れていませんでした。地質学的な手がかりは、これら微生物の太陽光と栄養塩を有機物に変える速度、すなわち海洋生産性が現代より低かったことを示唆しますが、無視できない程度には存在していました。それでも、どれだけのバイオマスが生み出され、水柱中にどのように分布していたかについては大きな不確実性が残ります。著者たちは大気、海洋循環、海氷、海洋化学を結合した完全な地球システム・シミュレーションを用い、古代の大陸配置、弱い太陽光、低酸素条件を反映するよう調整してこのギャップに取り組みます。

表層から緑になった海

仮想の原生代世界では、まだ進化していなかった珪藻やゾープランクトンを除き、小型の植物プランクトンと窒素固定微生物のみを成長させます。現実的な栄養条件の範囲で、モデルは一貫して現代よりも表層に多くの植物バイオマスを生み出します。上層150メートルの平均クロロフィル濃度は約1.5〜2.5倍で、最上層では低緯度海域の広範囲で現代値を一桁上回ることがあります。捕食者が存在しないためにこうした藻類の大繁茂が刈り取られず、上層海域は微細植物で混み合い、氷がなく温暖なほとんどの海域でシミュレーション上は深く持続的な緑色になります。

植物が増えても成長が減る理由

直感に反して、この豊かな緑の表層は必ずしも海全体の生産性向上を意味しません。モデルは、原生代の全地球的な一次生産は温暖期で現代の約60％、寒冷で氷が拡大した状態ではおよそ30％にとどまることを示します。主因は光です。表層にこれほど多くのクロロフィルが蓄積すると、太陽光を遮る日よけのように作用し、光合成が可能なより深い層へ光が届く前に吸収されてしまいます。今日の平均で約80メートルある光合層（ユーフォティック層）は、シミュレーション上の原生代海ではわずか30〜40メートルに縮みます。この「自己遮蔽」により表層は生命であふれる一方、暗い下層は全球的生産にほとんど寄与しなくなります。低酸素の大気下での低硝酸塩濃度と、効率的な珪藻の欠如も有機物の総生産をさらに制約します。

現代の藻類繁茂とモデル検証からの手がかり

現代の類似例がこの図を裏付けます。今日、栄養豊富化した沿岸域や湖沼では激しい藻類ブルームが発生し水を緑に変え、上層数メートルで光が奪われるために実際に下層の植物成長を抑えることがあります。捕食者を食物網から除く実験でも、植物プランクトンが爆発的に増え、同様に深部生物群集の遮蔽を招きます。著者らは鉛直混合、太陽光強度、窒素・リン・鉄の栄養供給など主要要素を変えてシミュレーションを耐性試験しました。地質学的にもっともらしい広い範囲にわたって同じパターンが持続しました：強い放牧者が不在ならば、古代海の表層はより緑になり、総生産は現代より低いか、せいぜい同等にとどまる—ただしリン濃度が極めて高いか極めて低い場合を除きます。

動物の興隆にとっての意味

専門外の読者にとっての主要なメッセージは、初期地球の海は表面から見るとより鮮やかに見えたかもしれないが、実際には総合的なエネルギー予算は乏しかった可能性がある、ということです。微細植物の厚い毛布が海の光を受ける表皮を覆い、光合成が機能する深さを制限しました。低い栄養塩濃度と珪藻のような現代の高効率生産者の不在が相まって、全球的な生産性は現代を下回りました。それでも、シミュレーションが示す表層に繁栄する植物プランクトン群集は、原生代の海に相当量の生命が存在したという化石の示唆と整合します。こうした緑色だが比較的エネルギーの乏しい海は、酸素がゆっくりと蓄積し、やがて動物が出現するまでの環境的背景を形作ったと考えられます。

引用: Liu, P., Liu, Y., Dong, L. et al. Earth system simulations suggest that the Proterozoic ocean was greener but less productive. Nat Commun 17, 2854 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69654-z

キーワード: 原生代の海, 植物プランクトン, 一次生産力, 自己遮蔽, 地球システムモデリング