地球の60％を覆う神秘の領域に、生態学における新たな発見が隠されています！

人類の技術により、火星への旅行や地球上のほぼあらゆる地表への到達が可能になりましたが、広大な海についての理解は現時点でははるかに乏しいのが現状です。

深海平原が地球の表面の60％を占めているのに、そこに生息する生物の分布パターンがまだよくわかっていないなんて想像できますか。ここの生物群集は脆弱なバランス状態にあります。環境が少し変化しただけでも、何万平方キロメートルもの海底の生物地図が書き換えられ、大量の生物が絶滅してしまうこともあります...

最近の研究により、水中の世界についての新たな理解が得られました。

深海ってどんなところ？

広大な海は地球の表面の約 70% を覆っていますが、私たちの海に対する理解はまだ非常に浅いです。海洋は垂直方向には大陸棚、大陸斜面、深海平原、海溝、盆地、海底山脈、海底峡谷、海底山脈などの地形を含み、最大垂直深度は11キロメートルです。最もよく知られている比較は、マリアナ海溝がエベレスト山を収容できるほど深いというものです。

典型的な海盆の縦断面。左から右、上から下へ: 大陸棚、大陸斜面、深海平原、海山、海溝、火山島 (画像提供: アメリカ海洋大気庁)

しかし、上記のような海洋構造の一般的な画像は、いくつかの誤解を招きます。海底の地形は、多くの場合、急勾配で不均一です。しかし、実際の海はそうではありません。海溝のほとんどの地域を除いて、海の深さはゆっくりと減少しており、大陸斜面の最大傾斜はわずか約 26° です。そのため、実際の海で最も目を引く地形は、広大な深海平原です。

西大西洋盆地の衛星リモートセンシング画像。濃い青色の領域は広大な海盆です（画像提供：アメリカ海洋大気庁）

深海平原とは、大陸斜面の麓より下、水深6,000メートル（海溝域）より上に位置する海底を指します。

その特徴は次のとおりです。

1) 地球全体の海底面積の84.7%（地球の表面積の約60%）を占める広大さです。

2) 地形の起伏が少なく、比較的平坦です。深海平原（起伏300メートル未満）、深海丘陵（起伏300〜1000メートル）、深海山地（起伏1000メートル超）の3種類に大きく分けられます。

3) シルト、珪質粘土などの細粒の堆積物で覆われている。

4) バイオマスは小さく、全体的な生物多様性は高くありません。

5) 温度は低く安定しており（0.5～3℃）、流速は非常に小さい（0～0.25m/s）。

6) 照明条件が非常に弱い。

7) 生態系を維持するために表層水からの有機物の供給に依存する。

深海生物は太陽光が不足しているため、主に「空想のパイ」、つまり浅瀬から沈殿する有機粒子に頼っており、深海環境全体のエネルギーは非常に限られています。そのため、従来の認識では、深海は高い種の豊富さとバイオマスを支えることができず、深さが増すにつれてエネルギー供給が減少し、種の豊富さはますます低くなると考えられています。

アンコウは深海生物の代表です。この写真は、海洋性ロングフィンアンコウを示しています (出典: Miya et al. 2010. アンコウ (硬骨魚類: トビウオ目) の進化史: ミトゲノミクス的観点。BMC Evolutionary Biology 10: 58.)

クイックファクト: 種の豊富さとは?これは、遺伝的多様性、種の多様性、生態環境の多様性など、ミクロからマクロまでのあらゆるレベルをカバーする生物多様性の一部です。

しかし、最新の研究によると、深海は私たちが以前考えていたほど孤独ではないかもしれないことが分かっています。深海は他の海洋環境に比べるとバイオマスは高くないが、それでも種の豊富さは高い。

さらに、深海の生息地は地球規模の炭素循環において重要な役割を果たしています。これらは海洋生物多様性の貯蔵庫であると考えられており、海洋生態系全体に重要なサービスを提供しています。

同時に、深海は多金属団塊、硫化物、その他の鉱物が豊富な地域でもあり、海洋鉱物資源の開発にとっても重要な地域です。

マンガン結節、出典: De.wikipedia の Koelle

深海の特徴を 5 つの言葉でまとめると、「安定しているが脆弱」となります。しかし、地球上で最大の生物群集の生物地理学的分布パターンに関する知識はまだ非常に限られており、深海の生息地に関するマクロ生態学的な理解を深めることが不可欠です。

深海では、生物は2つの大きな「派閥」に分かれている

最近、Nature Ecology & Evolution誌に掲載された研究は、深海生物の生物地理学的分布を地域規模で初めて描写し、この未知の領域の謎を解明するための重要な一歩を踏み出した。

この研究は英国、ドイツ、ポルトガル、韓国などの国の科学者によって行われた。調査現場は太平洋北東部のクラリオン・クリッパートン帯に位置し、5,000キロメートルに及ぶ広大な深海域に及んでいた。

調査地域（画像出典：参考資料1）

深海のマクロ生態学的研究が直面している最大の課題は、生物学的データの不足と、方法論および分類学の標準化の欠如です。研究者らは北東太平洋の28地点からの画像データを統合・再分析し、13門にわたる10mmを超える大型動物標本5万点以上を含む、最大規模の深海生物多様性データセットを入手した。研究者たちはこれらのデータの詳細な分析を通じて、これまでとは異なる3つの重要な結論に達しました。

結論1:

深海生物は一枚岩ではない

研究により、クラリオン・クリッパートン帯の深海世界には2つの全く異なる生物群集が存在することが判明した。一つは水深3800～4300メートルの比較的浅い層に分布する生物群集であり、もう一つは水深4800～5300メートルの比較的深い層に分布する生物群集である。これら 2 つの生物群集の間には、4300 ～ 4800 メートルの遷移帯があります。

クラリオン・クリッパートン帯で研究者らが発見した 2 つの深海生物群集と遷移帯 (画像出典: 参考文献 1)

バイオアセンブリとは何ですか?それは、ある地域に生息する生物群集の構成として理解することができます。

浅い群集における生物の特徴は何ですか?研究により、この地域のスター生物は軟サンゴとクモヒトデ（棘皮動物門に属する綱）であることが判明した。浅瀬では、ソフトコーラルの数は1平方キロメートルあたり最大2,500個に達し、この地域のスーパースターとなっています。蛇紋石の数は1平方キロメートルあたり2,000個にも達し、依然としてスーパースター級の生物と言えます。これらのソフトコーラルとクモヒトデは森の中の大きな木のような存在であり、地域の生態系において重要な位置を占めています。

ソフトコーラルの Isidella tentaculum (上) とオリビンの Ophiocoma erinaceus (下)。 (画像クレジット: NOAA、Maéva Bovio)

深海域の生態学的段階は明らかに変化している。軟サンゴやヒトデの数は急激に減少し、1平方キロメートルあたりわずか100匹程度となっている。その代わりに、イソギンチャクとナマコという2つの新しいスーパースターが登場しました。イソギンチャクは海底に直立した肉質の口のように見えます。彼らは骨格によるサポートを必要とせず、食物やカルシウムが不足する深海環境での生活に適しています。イソギンチャクの数は1平方キロメートルあたり1,500個に達し、ナマコの数も約500個とかなり多い。

イソギンチャク、Actinoscyphia_aurelia (上) とナマコ、Chiridota heheva (下) (画像提供: アメリカ海洋大気庁、Aquapix、Expedition to the Deep Slope 2007)

同じ地域でも深さによって生物組成にこれほど大きな違いがあるのはなぜでしょうか?これは、従来の有機物粒子と緯度の変化の理論だけでは説明が難しく、ここでは具体的な理由については説明しません。研究者が出した2番目の結論を見てみましょう。

結論2:

深さは増したが、種の数は減っていない

研究では、深さによって生物群集に違いがあったものの、種の総数（豊かさ）は同様のレベルに留まっていることが判明しました。これは、栄養分の減少に伴い深海の生物種の豊富さも減少するというこれまでの考えとは異なっています。

この研究は主に門レベルでの種の多様性を対象としており、これは単純に、ある地域に生息する種の総数として理解することができます。たとえば、湖に 10 種類の魚、5 種類のエビ、3 種類の貝類がいる場合、その湖の種の豊富さは 10+5+3=18 種になります。

かつては、海面から離れるほど太陽光や食料などの資源が減少し、深海が支えられる生物種の数も減少すると考えられていました。しかし、新たな研究では、標高4,000メートルと5,000メートルの生物群集は異なっているにもかかわらず、各地域の種の数は約50～60種で依然として同様であることがわかった。

図からわかるように、深さ（横軸）が増すにつれて、より高い分類レベルでの種の豊富さ（縦軸）は減少せず、むしろ増加しています（画像出典：参考文献1）

これはどのように達成されるのでしょうか?研究者たちは、主に次の 2 つの方法があると考えています。

1) 異なるカテゴリー間の種の置き換え

浅い場所にはソフトコーラルやクモヒトデが多く生息していますが、深い場所ではそれらは減少し、代わりにイソギンチャクやナマコが生息しています。したがって、大きな分類単位の観点から見ると、生物学的組み合わせは異なりますが、種の総数は似ています。

2) 種の分布がより均等になる

浅い場所には少数の優勢な個体群が存在し、その数は多いものの、深い場所では異なる個体群間の個体数の差が小さくなり、より均一になっています。例えば、比較的浅い水深4,000メートルの海域では、上位10種が全体の60％を占めますが、4,800メートルより深い海域では、最も数が多い上位10種が全体の40％を占めるに過ぎません。これは、種の分布が深い領域でより均一であることを意味します。

簡単に言えば、深海は「仕事の調整と補充」を実現し、異なるカテゴリと個体群の生物を組み合わせて豊かさを維持しています。

さて、謎を解明するときが来ました。生物学的構成の変化と多様性の維持の背後にある理由は何でしょうか?研究者たちは、これが海洋の重要な環境要因、すなわち炭酸カルシウム補償深度（CCD）に関連している可能性があると考えています。

CCDとは何ですか?深海の生物多様性の分布を決定する概念

CCD は炭酸塩補償深度の略称で、中国語では炭酸カルシウム補償深度と呼ばれます。海水中の炭酸カルシウムが沈殿しなくなり、沈降し始める深さを指します。

まず第一に、海は化学物質の巨大な貯蔵庫であることを知っておく必要があります。海水には、カルシウム、マグネシウム、ナトリウム、鉄などの金属元素のイオンや、硫酸イオン、塩化物イオンなど、さまざまなイオンや化合物が溶解しています。

これらにはカルシウムイオンや炭酸イオンが含まれます。この2つは海水中で結合して炭酸カルシウムを形成します。炭酸カルシウムは多くの海洋生物の骨格や殻の主成分であり、多くの生物にとって不可欠です。

海水中の炭酸カルシウムの存在は、溶解と沈殿が起こる動的平衡プロセスです。浅い海水中の炭酸カルシウムは比較的飽和しており、沈殿して生物の骨格を形成する可能性があります。しかし、深さが増すと圧力が上昇し、温度が下がるため、海水中の二酸化炭素濃度は増加します。

深度が臨界点に達し、二酸化炭素含有量が十分に高くなると、炭酸カルシウムは海水から沈殿することが難しくなり、溶解し続けます。この臨界深度点が炭酸カルシウム補償深度です。

CCD 回路図 (Paul Webb 作)

この深さより下では、海水は炭酸カルシウムを沈殿させるよりも溶解させます。そのため、炭酸カルシウムの骨格を形成することは難しく、カルシウムの殻に依存する生物にとっては大きな環境圧力となります。

炭酸カルシウム補償深度は海洋化学と生命活動の交差点となり、海洋の炭素循環バランスと生物地理学的分布に影響を与えます。クラリオン・クリッパートン地帯では、CCD は水深 4400 ～ 4800 メートルの範囲にあります。

この番号は見覚えがありますか?そうです、まさに研究者が発見した深海生物遷移層の深さの範囲です。言い換えれば、 CCD と深海生物群集の境界線はほぼ一致しています。これは偶然でしょうか？

カルシウムの殻は軟体動物にとって贅沢品であり、維持するには多大なエネルギーが必要です。そのため、炭酸カルシウムの補償深度が失われ、石灰質の殻を持つ動物が沈んでいくと、徐々に軟体動物に置き換えられ、生存戦略の最適化が図られます。

浅い深海では、比較的多くの食物が流入するため、他の個体群よりも著しく数が多い個体群がいくつか存在しますが、深い深海では種の数はより均等に分布しています。

生物多様性に影響を与える要因には、地理的範囲の広さや環境勾配の範囲が含まれることがわかっています。多様性のパターンを支配する要因も、規模に応じて異なります。クラリオン・クリッパートン地帯のような広大な地域では、温度や塩分濃度などの環境条件は比較的安定しており、炭酸カルシウム補償深度の変化が生物多様性の分布を支配する重要な要因となります。より小規模では、従来の理論における栄養素の投入量の変化が重要な役割を果たします。

海底の殻を持つ生物は気候変動によって危機に瀕しているのでしょうか?

この画期的な研究は、深海生物の生物地理学的分布の新たな様相を描き出すだけでなく、深海生態系が私たちが想像していたよりも複雑である可能性を示唆しています。炭酸カルシウムは、深さなどの一見微妙な環境変化を補正しますが、広大な深海域における生物の境界を定義することができます。

現在、地球規模の気候変動により海洋の酸性化が進んでおり、大気中の二酸化炭素の増加が海洋に吸収され、海水の pH 値が低下して炭酸カルシウムが海水に溶けやすくなります。これは、CCD が浅くなり、炭酸カルシウムが溶解し始める深さが浅くなることを意味します。

深海の広大な面積と緩やかな傾斜を考慮すると、CCD が数十メートル浅くなると、深海に広大な「浅瀬」が形成される可能性があります。この「浅瀬」は、炭酸カルシウムの殻や骨格に頼っている多くの深海生物にとって「死の地」に等しい。環境中で生存できなくなった場合、絶滅を引き起こします。これは、深海生物圏全体の構造と構成に大きな変化をもたらすでしょう。

現在、深海鉱物資源の開発は軌道に乗る準備ができています。深海環境への大規模な介入が始まれば、その影響は私たちの想像をはるかに超えるものとなるかもしれません。炭酸カルシウムの補償による深さがわずか数十メートル変化するだけでも、数万平方キロメートルの海底環境が変化し、生物相や個体群分布に変化が生じる可能性があることを想像してみてください。これは、一枚の紙の厚さの変化によって山を押し下げるのと同じです。

深海についての私たちの理解はまだ非常に限られておりますが、この研究は、私たちが複雑で相互に関連し、非常に敏感な生態系を変えつつあることを実感させるには十分です。深海採掘によってもたらされる不確実性に直面して、私たちは謙虚かつ慎重な姿勢を保つ必要があります。

タゴールはこう言った。「海の歌はとても優しいので、言葉を必要とせず、反響を求めない。」深海の言語が理解できないのに、どうして軽率な行動がとれるのでしょうか?

主な参考文献:

[1].Simon-Lledó、E.、Amon、DJ、Bribiesca-Contreras、G. 他。炭酸塩補償深度は北東太平洋の深海生物地理学に影響を与えます。ナショナルエコルエヴォル（2023年）。

[2] PTハリス、M.マクミラン・ローラー、J.ラップ、EKベイカー、「海洋の地形学」、海洋地質学、第352巻、2014年。

著者: 張昭

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