[論文レビュー] The Case for a Hot Archean Climate and its Implications to the History of the Biosphere

David Schwartzman|arXiv (Cornell University)|Apr 1, 2015

Paleontology and Stratigraphy of Fossils参考文献 80被引用数 6

ひとこと要約

この論文は、チート内の酸素同位体比、タンパク質安定性の再構築、高いpCO2濃度、海水の粘性推定値によって裏付けられ、現在よりも著しく温暖なアーケアン地球の気候を主張している。このように、より弱い太陽光でも持続された高温気候は、酸素光合成や多細胞生物の出現を含む主要な進化的移行の時期と速度に、温度制約が果たした重要な役割を示唆している。

ABSTRACT

The case for a much warmer climate on the early Earth than now is presented. The oxygen isotope record in sedimentary chert and the compelling case for a near constant isotopic oxygen composition of seawater over geologic time support thermophilic surface temperatures prevailing in the Archean, with some support for hot conditions lasting until about 1.5 billion years ago, aside from lower temperatures including glacial episodes at 2.1-2.4 Ga and possibly an earlier one at 2.9 Ga. Other evidence includes the following: 1) Melting temperatures of proteins resurrected from sequences inferred from robust molecular phylogenies give paleotemperatures at emergence consistent with a very warm early climate. 2) High atmospheric pCO2 levels in the Archean are consistent with high climatic temperatures near the triple point of primary iron minerals in banded iron formations, the formation of Mn-bicarbonate clusters leading to oxygenic photosynthesis and generally higher weathering intensities on land. These higher weathering intensities would not have occurred if seafloor weathering dominated the carbon sink, pulling down the temperature, hence this empirical evidence supports a hot climate and high carbon dioxide levels. 3) The inferred viscosity of seawater at 2.7 Ga is consistent with a hot Archean climate. 5) A cold Archean is hard to explain taking into account the higher outgassing rates of carbon dioxide, significantly smaller land areas and weaker biotic enhancement of weathering than present in the context of the long-term carbon cycle, taking into account the fainter Archean sun in climate modeling. This evidence points to an important conclusion regarding biological evolution, namely to the critical role of a temperature constraint holding back the emergence of major organismal groups, starting with phototrophs, culminating with metazoans in the latest Precambrian.

研究の動機と目的

• 複数の地質学的・生化学的証拠を統合することで、現在の寒冷または温帯的アーケアン気候という一般的な見解に挑戦すること。
• 特にCO2の持続的高い濃度を提案することで、『やや弱い若き太陽』の逆説を解消すること。
• 熱的制約が酸素光合成や多細胞生物の進化といった、重要な進化的革新の時期にどのように影響を与えたかを検討すること。
• バンド状鉄鉱床における風化強度と鉱物の安定性が、温暖な初期地球と整合することを示すこと。

提案手法

• アーケアン堆積物チート中の酸素同位体比の分析により、表面温度の歴史を推定する。
• 系統発生学を用いた祖先タンパク質の再構築と熱安定性のテストにより、出現時の古気温を推定する。
• バンド状鉄鉱床に含まれる一次鉄鉱物の三重点を含む鉱物学的制約の評価により、大気中のCO2濃度を推定する。
• 27億年前の海水の粘性を温度の代理指標として評価する。
• ガス放出、風化、大気中のCO2のバランスを評価するため、長期的な炭素循環モデルの統合。
• 21億～24億年前および29億年前の氷河期の実証的データの使用により、概ね温暖なアーケアンにあっても冷却気候の期間を特定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 やや弱い若き太陽のもとでも、なぜアーケアンが温暖であったとされる証拠があるのか？
• RQ2 系統発生学による祖先タンパク質の再構築は、初期地球の表面温度推定にどのように寄与するか？
• RQ3 バンド状鉄鉱床に特定の鉱物集合が持続する理由を説明するため、高い大気中pCO2がなぜ必要とされるのか？
• RQ4 推定されたアーケアン海水の粘性は、高温気候をどのように裏付けるか？
• RQ5 温度制約は、生物圏における主要な進化的移行の時期をどのように制御したか？

主な発見

• アーケアンチートからの酸素同位体データは、海水の同位体組成がほぼ一定であったことを示し、アーケアン全般にわたり熱愛性の表面温度が維持されていたことを支持する。
• 系統発生学から再構築されたタンパク質は、温暖な初期地球と整合する古気温を示唆しており、一部の証拠は15億年前まで遡る。
• マンガン炭酸塩クラスタの形成とバンド状鉄鉱床における一次鉄鉱物の安定性を説明するには、高い大気中pCO2濃度が必要であり、これは温暖な気候を示唆する。
• 27億年前の海水の粘性推定値は、高温のアーケアン気候と整合しており、地球化学的データの熱的解釈を強化する。
• 海洋底の風化が炭素の主要な吸収源でないことは、より高い大陸風化強度を示唆しており、これは温暖な条件下でのみ実現可能である。
• 統合された証拠は、寒冷なアーケアンを示唆するモデルを覆し、生物進化のテンポに影響を与えた長期にわたる温暖気候であることを支持する。