磁性化石

磁気化石は、磁性細菌（磁性バクテリア）によって生成され、地質学的記録に保存された磁性粒子の化石遺物である。鉱物である磁鉄鉱から形成された最も古い決定的な磁気化石は、イングランド南部の白亜紀の白亜層から発見されているが、磁気化石の報告は、確実ではないと考えられているが、地球上では19億年前のガンフリントチャートまで広がっており、40億年前の火星隕石ALH84001も含まれている可能性がある。

磁性生物は原核生物であり、真核生物によって生成されたと思われる巨大磁性化石の例が1つだけ報告されている。^[1]磁性化石の源である磁性細菌は、淡水と海洋の両方の環境で見られる磁鉄鉱 (Fe ₃ O ₄ ) またはグレイジャイト(Fe ₃ S ₄ ) を生成する細菌である。これらの磁鉄鉱を含む磁性細菌は、酸素レベルが大気中よりも低い (微好気性)条件の好気性-無酸素性遷移帯で見つかる。 ^[2] 磁性細菌やその後の磁性化石を生成する磁鉄鉱と比較して、グレイジャイト磁性化石が生成された環境や保存されたグレイジャイト粒子の磁気特性についてはほとんどわかっていない。

磁性細菌の存在が初めて示唆されたのは1960年代、パヴィア大学のサルヴァトーレ・ベリーニが沼地で地球の磁力線に沿っているように見える細菌を発見したときでした。^[3] この発見に続いて、研究者たちは磁性細菌が化石記録や堆積層の磁化に与える影響について考え始めました。

研究のほとんどは海洋環境に集中しているが^[4]、これらの磁気化石は陸上堆積物（陸上起源）でも見つかる可能性があると示唆されている。^[5]これらの磁気化石は堆積記録のいたるところで見つかるため、堆積速度の影響を受ける。磁気細菌の増加と磁気化石の生産量の増加とは相関しない高堆積の時期は、磁気化石の濃度を大幅に減少させる可能性があるが、常にそうであるわけではない。堆積の増加は通常、土地の浸食の増加と一致し、したがって鉄の量と栄養供給が増加する。

磁性細菌では、マグネトソームと呼ばれる細胞小器官内で磁鉄鉱とグレイジャイトの結晶が生合成（バイオミネラル化）されます。これらのマグネトソームは細菌細胞内で鎖を形成し、その際に生物に永久磁気双極子を提供します。生物はこれを地磁気ナビゲーションに使用し、地球の地磁気場に自らを合わせ（磁気走性）、垂直の化学勾配に沿って最適な位置に到達します。

生物が死ぬと、マグネトソームは堆積物に閉じ込められます。適切な条件、特に酸化還元条件が適切であれば、磁鉄鉱は化石化して堆積記録に保存されます。^[5] 堆積物内の磁鉄鉱（磁性化石）の化石化は、堆積層の自然な残留磁化に大きく貢献します。自然な残留磁化とは、岩石または堆積物が形成された後に残る永久磁性のことです。

磁性細菌は鉄を使ってマグネトソーム内に磁鉄鉱を作ります。この過程の結果として、鉄レベルの上昇は磁性細菌の生産増加と相関しています。鉄レベルの上昇は、地球の歴史における超温暖期^[6] (通常 4～8 ℃ の温暖期) と長い間関連付けられてきました。暁新世-始新世温暖期極大期や完新世温暖期(HWP) などのこれらの超温暖期は、プランクトン性有孔虫や底生有孔虫の生産性向上を刺激し^[6]、その結果、堆積量が増加しました。さらに、(HWP のような) 気温の上昇は、湿潤期とも関連している可能性があります。これらの温暖で湿潤な条件は、HWP 中の氷河期後の温暖期に栄養供給が増加したため、磁気化石の生成に好都合でした。その結果、この期間は磁気化石の濃度が増加しています。この濃度の増加を利用して、研究者は磁気化石を地球の歴史の中で比較的高温（または低温）であった期間の指標として使用することができます。これらの岩石の年代測定は、この気候変動の期間に関する情報を提供し、当時の地球の気候がそれほど明確ではなかった可能性のある他の岩石層または堆積環境と相関させることができます。堆積物の老化と磁鉄鉱の溶解または変化は、結晶構造の完全性が維持されない可能性があるため、有用な測定を提供するのに問題があります。^[2]

磁性化石は、古環境や古気候の指標として研究されているだけではありません。前述のように、磁性化石は形成されたときに残留磁化を保持しています。つまり、磁鉄鉱 (またはグレイジャイト) は地磁気の方向に整列します。磁鉄鉱の結晶は、北極と南極を持つ単純な磁石と考えることができます。この南北の向きは、地球の南北の磁極と一致します。これらの化石はその後、岩石記録の中に埋もれます。研究者は、地球の現在の磁場の影響が除去される残留磁力計でこれらの岩石サンプルを調べ、岩石サンプルが形成されたときの残留磁化、つまり初期磁化を判定できます。岩石の原位置の向きと残留磁化を知ることで、研究者は岩石が形成された当時の地球の地磁気を判定できます。これは、磁場の方向、または地球の磁場の反転（地球の北磁極と南磁極が入れ替わる現象、平均して 45 万年ごとに発生） の指標として使用できます。

磁性化石を検出および測定する方法は多数ありますが、同定にはいくつかの問題があります。現在の研究では、磁性細菌で形成された磁鉄鉱結晶^[2]に含まれる微量元素は、他の方法で形成された結晶とは異なることが示唆されています。また、カルシウムとストロンチウムの取り込みを使用して、磁性細菌から推定される磁鉄鉱を識別できることも示唆されています。深部ボーリング孔からのサンプルの透過型電子顕微鏡(TEM) ^[7]や強磁性共鳴(FMR) ^[8]分光法などの他の方法も使用されています。培養された磁性細菌の鎖と堆積物サンプルを比較した FMR 分光法は、地質学的時間枠での磁性化石の保存を推測するために使用されています。研究によると、磁性化石はより深い埋没深度で残留磁化を保持していることが示唆されていますが、これは完全に確認されていません。いくつかのサンプルの飽和等温残留磁化（SIRM）のFMR測定を、過去70年間に行われたFMRおよび降雨量測定と比較すると、磁気化石はより短い時間スケール（数百年）での古降雨量変動の記録を保持できることが示されており^[9]、非常に有用な最近の歴史の古気候指標となっています。^[5]

磁性細菌による磁鉄鉱とグレイジャイトの形成過程と磁性化石の形成はよく理解されているが、これらの化石の形態と気候、栄養分、環境への影響との関係など、より具体的な関係についてはさらなる研究が必要である。しかし、磁気化石によって示される地球の微生物生態学^[9]と長い時間スケールでの地磁気変動に対するより深い洞察の可能性が変わることはない。地球の歴史に関する情報を提供するために使用される他の方法とは異なり、磁気化石は通常、地球の古代の歴史に関する有用な情報を提供するために大量に見られる必要がある。低濃度であっても、地球のより最近の古気候、古環境、古生態学の歴史について独自の物語を語ることができる。