宇宙の始まり

第５章　水はどこからきたのか？

§１　水の誕生（なぜ地球上に水が存在するのか）

宇宙のはじまり、銀河系の誕生、原始太陽の形成、地球の誕生，水/海の誕生

§２　生命の誕生（なぜ地球上に生命が発生し、今まで存在できたのか？）

原始地球上における生体物質の生成（化学進化）、生命の誕生、生物の進化，

豊かな動植物が棲む地球への変化と時間

水の起源をたずねることは、

1.　宇宙のはじまりをたずねること

2.　H(水素原子）, O（酸素原子）がなぜ存在するのか？

3.　H₂Oという分子がなぜ地球上に液体として大量に（海として）存在するのか？

4.　海の中で生体分子がいかにして合成されたのか？

5.　生命はいかにして発生したのか？

6.　生物はどのように進化していったのか？

といった問いに向かい合うこと。自然科学の大課題である。

　　　Q・宇宙で最も多い元素は？　　水素：93％、He（ヘリウム）：7％

　　　　　　　　　　　　　　　　　　他は1％以下

　　　Q・では、酸素(O）など他の元素はどのようにして生成したのか？

　　　　　Carl Saganの VTR「コスモス」を観る。

B. 星の進化

銀河系の誕生（120億年前）

10⁷ から10⁸ Kの高温にある素粒子（ガス状）が膨張しながら部分的に密度の高い部分をつくった（引力が大きい部分）→　他のガス集団を引きつけ、さらに大きなガス集団をつくった　→渦を巻き始めた。あるものは丸く／長円形に／不規則な形に。
わが銀河系もその一つ。全宇宙には同様なガス集団が1000個あると言われている。

　光を発しているのは恒星で水素の核融合の結果だ。太陽もその中の一つ。

　

92種の元素形成プロセス＝星の進化

　超高温状態での核融合反応によって水素原子核(H)からヘリウム(He)がつくられ（H燃焼）、
さらにヘリウム(He)から炭素(C)、酸素(O)がつくられる（He燃焼）。

He, C, Oなどが核融合してさらに重い原子核がつくられ（重イオン反応）、最終核融合反応生成物として最も安定な原子核である鉄(Fe)がつくられる（e プロセス）。

このようなプロセスが星の一生であり、星は平均100億年の寿命がある。

その後、星は自爆して死を迎える（これが超新星の爆発である）。この爆発により鉄は核分裂して様々な大きさ（重さ）の原子核となり、それらがまた結合して鉄よりも重い原子核がつくられる。ウラン(²³⁸U)は自然界の中で最も重い原子核である。

これらの核反応によりどの銀河系でも共通な92種の元素が出そろったと考えられている。

　

　　温度　　　　　　　　核反応　　　　　　　　　　　　　　　　　名称　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

1.　10⁷ K 　　　　4 ¹H 　---------＞⁴He 　　　　　　　　　 H燃焼

　

2.　10⁸ K 　　　　3 ⁴He 　---------＞¹² C 　　　　　　　　　 He燃焼

　　　　　　　　　4He 　+ ¹² C -----＞¹⁶O

　

3.　10⁹K　　　　 2 ¹² C 　---------＞²⁰Ne + ⁴He　　　　　　 重イオン反応

　　　　　　　　 2 ¹⁶O 　---------＞³²S

　

　　　　　　　　　　　　　H, He

　 3x10⁹K 　　　　³²S 　---------＞⁵⁶Fe 　　　　　　　　　　 e プロセス

　

4.　>10⁹K ⁵⁶Fe　---------＞各種の原子核　＋　n(中性子） g -プロセス

　　　　　　nを取り込んで各種原子核を再構成。その中の一つが²³⁸U である.

　　　　　　註：左肩の数字は質量数（陽子数＋中性子数）。

　　　　　　　　核反応の過程で質量が加算されることに注意。

　　　H, O原子核が10⁷ K以下に冷えると負電荷をもった電子と結合し、H, O原子がつくられる。

　　　H, O原子が出会うと安定な分子であるH₂0が形成される。

c. 原始太陽（protosun）と惑星の形成（約50億年前）

銀河系の中の超新星が約50億年前に爆発（gamma g -プロセス）、飛び散った元素（92種）＜これを宇宙塵という＞が再び集まって密度の高い集団（星）を形成した。その一つが太陽（protosun）であり、太陽系惑星である。

太陽；半径：138x104km　（地球の200倍）

　　　重さ：全惑星の700倍　

　　　十分大きく、内部圧によって内部温度は1400万度(10⁷K )となる：核融合反応が開始できる温度。

　　　　　　　　　　4 ¹H ------＞⁴He + energy（太陽エネルギー）

　　　　　　　　　 2 ²D -----＞ ⁴He + energy

　　　　　　　　　　　　　　　　　37x10²⁰ KW/year

　　　　　　　　　　　　　　　　　(地球に届くのはその20億分の１）

D. 原始地球上で起こったこと

・重い元素は地核を形成した。
　　岩石成分：鉄、アルミニウムの硫酸塩　（Fe₂(SO₄)₃, Al₂(SO₄)₃ )

　　　　　　　鉄、アルミニウムの酸化物＋珪酸塩　

　　　　　　　　　　　( Fe₂O₃/Al₂O₃/SiO₂ )

　　　　　　　ナトリウム、カルシウム、マグネシウムの珪酸塩／水和物

　　　　　　　　　　　　( Na, Ca, Mg・SiO₂・H₂O)

・軽い元素は大気成分となった。

　　　　　　　・CO₂ , CO, H₂O, NH₃, CH_4, H₂S, HCl

・H₂ ,He （軽い気体：大部分が宇宙空間へ逃げた）　　　　　

　 cf. 木星の大気: H₂ ,Heが主成分

　　　　* O₂はほとんどが岩石中にとらえられた（ケイ素、金属酸化物として）。

　　　　　　原始地球大気中には酸素ガスはほとんど無かった。

　　　　水蒸気は雲となり激しい雨となって降り注ぎ、また太陽熱／地熱によって蒸発を繰り返していた。

　　　　大気中では絶えず雷（放電）が発生し、同時に太陽からの強い紫外線が地上に注いでいた。

　

・HCl(gas)は雨に溶け、強酸性の塩酸になる。強酸性の雨（水）は岩を溶かし、　　

　　　 Na+, Ca⁺², Mg²⁺, Fe³⁺が溶けた河となり海となった。

　

・CO₂の行方（水星、金星、火星では大気の主成分なのになぜ地球では違うのか？）

　CO₂は海に溶け、Ca²⁺, Mg²⁺と出会って沈殿物（石灰岩）となった。

　CO₂はサンゴが発生した後は、サンゴの身体を作って固体化した（珊瑚礁）。

　　　　　　　→海の存在が地球のCO₂量を減少させた.

　

・原始地球大気中で起こったこと　

　環境：激しい雷雨、強い放電、紫外線

　再現実験：ミラーの実験（図参照）

　　結論：有機化合物（アミノ酸、糖、核酸塩基）が生じた。

　　生成した有機化合物は海に溶けた（太陽からの強い紫外線によって分解されずに蓄積していった）。

　　海の中で有機化合物どうしが反応してより複雑な分子が形成されていった。

　ここまでが、化学進化の時代（原始地球ができてから約10億年間の約出来事）。