Formation of Silica-Containing Thrombolites: A Case Study of Visean Limestone in Fukushima Prefecture, Japan

太古の昔、波の下深くでは、生命は骨や殻以上のものを残していくことがよくあります。時には、微生物による目に見えないコミュニティによって築かれた岩石、すなわち微生物岩（マイクロビアルライト）と呼ばれるものも残していきます。これらの生きた構造物は、巨大な層状の丘へと成長したり、スポンジのような塊であるスロモライトイトと呼ばれる形になったりします。1世紀以上にわたり、科学者たちはこれらの岩石を研究し、それらが形成された環境や、それらを築いた微小な生物について理解しようとしてきました。この分野における重要な問いの一つは、これらの岩石の特定の部位が、どのようにしてシリカ（ケイ素）という硬いガラス状の物質で満たされるようになったのかという点でした。一部の研究者は、古代の岩石に見られるシリカに富んだ層は、特定のシリカ生成生物によって直接構築されたものだと考えてきましたが、他の研究者は、これらの層が地中に埋没した後に、地中の化学変化を通じて形成されたのではないかと疑問を抱いてきました。この違いを理解することは極めて重要です。なぜなら、もしシリカが後から付け加えられたものであるならば、それは特定の古代生物の直接的な活動ではなく、化学反応の物語を物語ることになるからです。

最近の研究において、研究者たちはこの謎を解明するために、福島県にある特定の古代石灰岩のパッチを調査しました。彼らが研究した岩石は、地球が大量絶滅から回復し、新しいタイプの礁（リーフ）が繁栄し始めていた、今から約3億4000万年前のヴィジアン紀に遡るものです。チームは、サンゴやその他の海洋生物の化石を含む暗灰色の石灰岩で有名な、立石層と呼ばれる地層に焦点を当てました。しかし、研究者たちは大きな化石にはあまり関心を持たず、むしろ岩石自体の微細な組織に注目しました。彼らは、この石灰岩の多くが、滑らかな層状ではなく、塊状の質感を持つスロモライトイトの一種であることを発見しました。これらの塊の中で、彼らは珍しいものを見つけました。それは、塊の縁の部分がシリカに富んでおり、また、この岩石の一部には「愚者の黄金」と呼ばれる黄鉄鉱の微細な結晶も含まれていたことです。

これらの特徴がどのように形成されたかを理解するために、チームは数十の岩石サンプルを収集し、光が透過するほど薄い切片にスライスしました。そして、強力な顕微鏡と化学分析装置を使用して、岩石内の元素の分布をマッピングしました。彼らが発見したのは明確なパターンでした。塊状構造の中心部は石灰岩の主成分であるカルシウムに富んでいましたが、外縁部はシリコン（ケイ素）に富んでいたのです。このシリコンは、カルシウムに富む核を取り囲むように、時には最大3ミリメートルの厚さを持つ明確な層を形成していました。研究者たちはまた、微細な黄鉄鉱の結晶が、シリコンの層と残りの岩石が接する境界部分にしばしば存在していることにも気づきました。この特定の配置は、シリカが生物によって作られた硬い殻として始まったのではないことを示唆していました。むしろ、証拠は、このプロセスが岩石が埋没した後に起こったことを指し示していました。

研究者たちは、新しい種類の古代生物を捏造することなく、これらの発見を説明する一連の出来事を提案しています。彼らは、これらの塊状構造が、微小な石灰化藻類や細菌などの微小な生物の密集したクラスターとして始まったと考えています。これらの生物が死に、その残骸が堆積物の下に埋没するにつれて、塊の中の有機物が分解され始めました。この分解プロセスは酸素を消費し、酸を放出することで、岩石の微細な孔の中に閉じ込められた水の酸性度を低下させました。この酸性度の低下により、周囲の石灰岩がわずかに溶解し、より多くの空間が生まれました。同時に、化学的な変化によって、孔水中に浮遊していた溶存シリカが固化し、溶液から沈殿しました。このシリカが分解中の塊の外縁部に沈着し、研究者が観察したような硬いガラス状の縁を形成したのです。黄鉄鉱の存在は、この物語を裏付けています。なぜなら、黄鉄鉱は細菌が低酸素環境で有機物を分解する際に、硫黄を放出し、それが鉄と反応することで形成されるからです。

研究チームは、薄いシート状の層やサンゴの化石の表面を含む、岩石内の他の構造についても調査しました。どちらの場合においても、研究者たちは同様のシリカに富んだ層を発見しました。例えば、サンゴの化石は、元のサンゴの表面を侵食したかのような、薄いシリカの殻に覆われていました。これは、シリカがその場所に取って代わる前に、石灰岩が溶解したことを示唆しています。チームは、珪藻のようなシリカを生成する生物（当時は地球の歴史上に存在していなかった）によってこれらのシリカ層が作られたという説や、細菌の粘着性の外層によって作られたという説を退けました。後者の場合、層はもっとずっと薄くなるはずだからです。代わりに、証拠は、シリカの層が、元の微生物コミュニティの崩壊によって形成された二次的な特徴であることを強く示唆しています。

この発見は、古代の岩石を見るための新しい視点を提供します。それは、微生物構造にシリカに富んだ縁が見られたとしても、特定のシリカ構築生物が存在したと自動的に仮定すべきではないことを示唆しています。代わりに、これらの特徴は一般的な化学プロセス、すなわち有機物の分解がシリカの沈殿を引き起こすことの結果である可能性があります。このメカニズムは、独特の環境や特別な生物群を必要としません。シリカに富んだ水の中で有機物が分解される場所であれば、どこでも起こり得るのです。これら古代の岩石の硬くガラスのような部分が、実は生物学的な設計図そのものではなく、初期の化学変化の結果であることを認識することで、科学者たちは、かつて生きていた微生物コミュニティの真の歴史をより正確に再構成できるのです。研究は、これらの古代の岩石の複雑なテクスチャが、元の生命体と、その埋没後に続いた化学反応の両方によって書かれた物語であり、生物学と化学の両方の層によって刻まれたものであると結論づけています。