雪が降っています。フレークがゆっくりと流れ落ち、スポットライトを浴びると白く輝きます。円錐の外には完全な暗闇と静寂があります。黒い森を巡る冬の旅ですか？それとは程遠い。研究者は、ダイビングロボットのカメラを通してこのような光景を見ることができます。デバイスが深海で噴射されるとき、多くの場合、多かれ少なかれ密度の高い、いわゆるマリンスノーの継続的なシャワーの中で行われます。ただし、一見すると大気中のものと似ているだけです。マリンスノーは氷の結晶でできているのではなく、死んだ藻類、糞便、粘液のかけら、小動物の死骸などがごちゃ混ぜになった有機物がほとんどです。全体にもバクテリアが定着しています。それらは海洋マルチを分解し、同時にその栄養価を変化させます。なぜなら、フレークは多くのより大きな生き物の餌にもなるからです。ある人々の排泄物や他の人々のパンになります。
マリンスノーは海洋循環において重要な役割を果たしています。物質の絶え間ない流れとして、それは大量の炭素を深部に輸送するため、巨大な貯蔵装置の一部となっています。そしてそれが地球規模の気候を安定させます。予測によると、工業化が始まって以来、世界の海洋は人間が排出した二酸化炭素の約 3 分の 1 を吸収しています。それは約500ギガトンという膨大な量になります。
- 植物プランクトンは光合成中に炭素を吸収します。第 2 段階では、オキアミなどの海洋生物が植物を糞便に加工し、地面に向かって沈みます。
- 小さなサルプと大きなクジラは、海洋 CO2 貯留の前提条件として適切な栄養比を確保します。
隔離とも呼ばれるストレージの背後にあるメカニズムは複雑です。それは物理的なプロセスから始まります。空気中の二酸化炭素が、大気と海の境界層の水に溶解します（ 環境物理学者ベルント・イェーネのインタビューも参照）。その後、乱流と流れによって、炭酸として溶解したガスがさらに運ばれます。結局のところ、藻類の分布は決して均一ではなく、あらゆる種類の生物が継続的な下方移動を引き起こします。ブレーマーハーフェンのアルフレッド・ウェゲナー研究所（AWI）の海洋生物学者モルテン・イヴァーセン氏は、「深くなればなるほど、炭素濃度は高くなる」と説明する。 「生物学がなければ、これは不可能です。」
海洋の CO2 貯留のうち物理的に発生するのはわずか 10% であるとアイバーセン氏は強調します。無数の生物が残りの作業を行います。そこで専門家は「生物学的炭素ポンプ」について語っています。研究者たちは、1980 年代にこれらのプロセスの基本を初めて詳しく調べました。 Iversen 氏によると、2 つの亜種を区別することができます。有機性軟組織ポンプは、海洋の炭素隔離に約 70% 貢献しています。これに、微生物やマクロ生物の殻や骨格に石灰の化学成分として炭素を貯蔵する無機炭酸塩ポンプが加わります。保管金額の約 20% が彼らの口座に入金されます。
どちらのポンプも何百万年もの間作動し続けています。今日、炭酸塩ポンプからの原始堆積物は、主にリューゲン島のような白亜の崖として知られています。しかし、有機ベースのメカニズムによってかつて堆積した炭素の一部が、現在の気候変動の原因の一部となっています。彼らは化石燃料である石油とガスを生産します。
有機炭素ポンプの基礎は、単細胞藻類やシアノバクテリアなどの他の独立栄養微生物である植物プランクトンです。これらのマイクロ植物が光合成を行うためには、光だけでなくCO2も必要とします。そしてそれは海水中に十分に存在します。炭素は光合成によって有機物に取り込まれ、細胞の一部になります。植物プランクトンは海洋食物ピラミッドの基礎です。この小さな生き物は、小さな甲殻類、カタツムリ、その他の動物プランクトンの群れ全体の餌となります。これらはその後、より大きな動物によって消費されます。海洋生態系は、炭素を含む死骸や廃棄された物質を再吸収します。
材料の量が変動する
ジュディス・ハウクは地球規模の文脈で炭素の流れを分析します。毎年、6ギガトンから10ギガトンの炭素が有機物質として海洋表層から深海に輸送されていると、AWIでも働く海洋学者は説明する。さらに、水は物理溶液中で約 2.5 ギガトンを吸収します。金額は年によって異なります。 「しかし、この変動がどれほど大きいのかはまだ正確にはわかっていません」とハウク氏は言う。
太平洋では、周期的な暖流「エルニーニョ」が CO2 貯留の重要な要因となっています。ハウク氏によると、火山の噴火も寄与する可能性が高いという。エアロゾルは太陽放射を減少させ、海面はわずかに冷却されるため、短期的にはより多くの二酸化炭素が水中に溶解する可能性があります。しかし、ハウク氏らの計算では、一部の熱帯海洋地域では二酸化炭素が放出されていることが示されている。この新たな発展はおそらく気候変動によるものです。場所によっては、水温の上昇により、CO2 が吸収されずにすでに放出されている可能性があります。
科学にとって、生物学的ポンプの動作は、ほぼ終わりのないパズルでもあります。非常に多様な非生物的要因の影響を受ける、海洋構造における何千もの種の相互作用を理解するのは困難です。それにもかかわらず、すでにいくつかの大きな線が見られます。たとえば、マリンスノーは主に重力によって引き下げられますが、粒子の沈下は水の動きによって加速される可能性があります。したがって、海洋前線で頻繁に発生する渦は重要な役割を果たします。流氷と同様に、互いの下や上を滑り落ちる水の層にも同じことが当てはまります。海の雪の結晶が深海まで移動するのにどれくらいの時間が必要か、そして深海に到達するかどうかも、その形状、組成、個体数によって異なります。重くてコンパクトなものは、繊細なものや葉っぱのものよりも早く沈みます。別の方法で運ばれない限り、物によっては浮いたままになる場合もあります。
垂直ハイキング
生きたベルトコンベアのようなものがあります。毎晩、何十億もの海洋生物が垂直移動を始めます。彼らは暗闇に紛れて餌を求めて海の深さから上層まで上昇します。夜が明けると、通勤者たちは昼間の宿舎に戻ります。後者は通常、200メートルラインよりも下の中遠層にあり、実際には光が届きません。毎日移動する動物の量は膨大です。ソナーの発明後、船員たちは、装置からの信号を海底に同程度に反射する、当初は謎に満ちた水の層を観察しました。今日、私たちはこの偽りの土壌が生きていることを知っています。多くの場合、Myctophidae 科のランタンフィッシュが大部分を占めます。群れが深層で休んでいる間、上層で食べたものは消化されます。最終的に糞便中に排泄される炭素は、非常に迅速かつ効率的に下方に自由に移動します。海洋での保管は主に水深によって決まります、とモーテン・イヴァーセン氏は説明します。炭素が 100 メートルのマークを超えると、数十年間そこに留まる可能性があります。専門家によれば、深さ1,000メートルからの滞在は平均して数世紀、深海底近くでは数千年に及ぶこともあるという。炭素が無機的に溶解しているか、有機的に結合した形で溶解しているかは二次的に重要です。
沿岸地域の外では、海洋は通常、大きく分けて 2 つの水域、つまり表面近くのいわゆる有光域 (表皮層) とその下にあるすべての水域で構成されています。境界はピクノクリン、つまり摂氏 10 度に達することもある強い温度勾配を持つ薄い層です。冷たい深層水は塩分が高く、溶解物質が豊富であるため、ケモクラインとも呼ばれます。これらの違いにより、下層の水域の密度が高まり、特に上層での交換が妨げられます。したがって、ピクノクラインは一種の自然の障壁を表しており、生き物や一部の沈下するものだけが簡単に乗り越えることができます。
海洋にどれだけの有機物が蓄えられるかは、受光層でどれだけのバイオマスが生成されるかによって決まります。言い換えれば、植物プランクトンの一次生産からです。そして、食物連鎖のさらに一歩上のオキアミも影響を及ぼします。小さなエビは主に単細胞の藻類を餌としており、それを水からろ過したり、南極では海氷の上で食べたりします。オキアミの糞は固体ペレットの形で放出されます。これらのコンパクトなミニボトルは、1 日に約 250 メートルの速度で沈みますが、場合によってはそれより速いこともあります。これは、大量の有機物質がすぐに地下に送られることを意味します。南極地域では、オキアミが地域の炭素貯蔵量の最大 72 パーセントを担っています。 「全体として、そこにあるエビは、年間3,500万台の自動車が同じ期間に排出するのと同じ量のCO2を間接的に結合します」とアイバーセン氏は言う。
オキアミは植物プランクトンを消化する際に多量の鉄を変換します。この微量元素は一次生産にとって極めて重要です。鉄がなければ藻類は成長しません。しかし、南極を含む南極海では、その量はかなり限られています。したがって、植物プランクトンの繁殖は通常、鉄濃度によって制限されます。オキアミは鉄を排泄することで自身の食物源を肥やし、同時に生物学的炭素ポンプを駆動し続けます。したがって、エビは海洋代謝において中心的な位置を占めています。
オキアミ争奪戦
最近、オキアミはサルプとの競争激化に直面している。系統学者らは、この袋状の生物を先史時代の脊椎動物の遠い親戚として分類している。一見するとクラゲかと思うかもしれません。彼らのライフスタイルは遠洋性で、外海を移動し、食物を濾過します。サルプは時々巨大な個体群を形成します。南極海には、ここ数十年で着実に生息域を拡大している典型的な冷水種であるサルパ・トンプソニの巨大な群れが生息しています。その間、オキアミは南極大陸にますます近づいて後退しました。科学者たちはこれを気候変動の影響の可能性があると見ています。 Salpa thompsoni は、南極オキアミの Euphausia superba よりもわずかに高い水温を好みます。それとは別に、海氷は、特に稚エビにとって重要な生息地であるようです。そしてそれは急速に減少しています。
動物交換の起こり得る結果は専門家らを悩ませている。オキアミとサルプには多くの共通点があります。両方の種が大量に発生し、主に植物プランクトンを食べるだけでなく、糞便も似ています。しかし、サルプの糞粒はオキアミの糞粒よりわずかに大きく、約2倍の速さで沈みます。調査船「ポーラースターン」に乗船した生物学者が実際に南極海水中の糞粒でテストしました。研究者らは、糞便粒子の他の特性も調べた。したがって、塩水ペレットにはオキアミペレットよりも多くの炭素が含まれています。しかし、それらは明らかにはるかに早く腐敗します。したがって、塩水排泄物の 20 パーセントだけが深さ 200 メートル以上に沈みます。残りは崩れて上皮領域に残ります。科学者たちは当初、サルプによって深海への炭素の輸送が増加すると考えていた。しかし、どうやらその逆のようです。
「南極海は海洋CO2隔離の中心的な発電所です。世界の海洋摂取量の約 40 パーセントがここで行われています」とアイバーセン氏は説明します。これは、一方ではこの地域の広さによるものであり、他方では豊富なリンと窒素、植物プランクトンにとってのミルクと蜂蜜の土地など、栄養素の豊富さによるものです。しかし、オキアミの個体数が減少し続け、海藻の個体数に取って代わられると、生態系の生物学的ポンプ能力が低下する可能性があります。地球規模の気候については良い見通しはありません。結局のところ、サルペンの糞便は炭素の直接貯蔵には限られた用途しかありませんが、他の性質もあります。崩れたペレットはオキアミの残骸よりも大幅に多くの鉄を放出し、微量元素の生物学的利用能も優れています。これにより一次生産が刺激されます。この効果が炭素輸送の不足をどの程度補うことができるかは、当面は不明のままである。
クジラのおかげで肥料が得られる
鉄のリサイクルに関しては、クジラという別のグループが登場します。個々の体重が最大 200 トンにも達する海洋哺乳類は、文字通り重大な要因です。シロナガスクジラのようなヒゲクジラは、大量のオキアミを食べることが知られています。クジラが消化されると、クジラに含まれる鉄分の大部分が、クジラの排泄物とともに直接水中に放出されます。もちろん、糞便には他の微量元素に加えて、リンや窒素化合物も含まれています。まさに第一級の肥料です。
一方、マッコウクジラは栄養供給に特に大きく貢献しています。彼らはオキアミを食べるのではなく、暗い深さで捕食するイカを食べます。 1 頭のマッコウクジラは 1 日に 400 ～ 1,500 キロのイカなどを消費しますが、このバイオマスの多くはすぐに海に戻ります。特徴: マッコウクジラは、潜水する前にほとんど腸の中を空にし、その糞便が強力な尾びれによってかき混ぜられます。その結果、巨人は常に必須栄養素を深層から表層領域に輸送し、そこで植物プランクトンがすぐに利用できるようになります。海洋生物学者はこれを「クジラポンプ」と呼んでいます。
残念ながら、巨人は今日でも稀に見られますが、これはかつての容赦のない狩猟の末期の結果です。株価はゆっくりとしか回復していない。それにもかかわらず、南極海は栄養不足に陥っているようには見えません。したがってアイバーセン氏は、急速なリサイクルを行うサルプが少なくとも部分的にクジラの役割を引き継いでいないのではないかと疑問を抱いている。しかし、これまでのところ、これはかなり曖昧な理論です。
植物プランクトン、オキアミ、サルプ、クジラの混合物は、巨大な生化学機構の一部を形成するだけです。この構造物には、海雪上のバクテリアなど、有機物を消化する他の何万もの種が生息しています。いわゆるファージの影響も小さくないと考えられます。これらのウイルスは細菌を攻撃し、細菌を破裂させます。その後、細胞の内容物は栄養素とともに直接水に戻ります。植物プランクトンの餌がさらに増えます。
現在では、植物プランクトンは動物性食品の形で CO2 を貯蔵する役割を果たすだけではないことさえ示されています。キール大学のカイ・ワーツ氏とその同僚は、興味深い発見をしました。研究チームは、これらの小さな緑色の生き物の不思議な動きの正体を解明したいと考えていました。 「すべての植物プランクトン種の60から70パーセントは移動することができます」と海洋生物学者は言います。多くは活発に泳ぎますが、熱気球のように浮力を変化させて位置を変えるものもいます。包括的な分析により、最終的にこのパズルの推定解が明らかになりました。植物プランクトンの大部分も、遠洋性の生物と同様に、移動しているようです。頂上にはたくさんの光がありますが、栄養素はすぐに不足する可能性があるとワーツ氏は説明します。したがって、微小成長はケモクリンに下降し、そこでリンと鉄で満たされ、光合成のために日当たりの良いレベルに戻ります。論理的には、この大量移動には大量の物質の流れも伴うはずです。
海洋炭素貯留における植物プランクトンの移動の重要性は、現時点では分類できないとワーツ氏は言う。 「しかし、このプロセスは少なくとも販売率の向上を示しています。」AWI 専門家のジュディス・ホーク氏とモーテン・アイバーセン氏も将来を楽しみにしています。 「まだ発見されていない生物学的ポンプがいくつかあるのではないかと考えています。」
訂正: 以前のバージョンで、太平洋では周期的な冷たい海流「エルニーニョ」が CO2 貯留の重要な要因であると書きました。しかし、「エルニーニョ」が暖かい海流であることは事実です。冷たい海流が「ラニーニャ現象」です。誤りをお詫び申し上げます。
