今日の海でサンゴ礁をどうやって保護すればよいのでしょうか? ——3億3000万年前のサンゴ礁形成からインスピレーションを得た

制作：中国科学普及協会

著者: ヤオ・レ、リウ・ユン (中国科学院南京地質古生物学研究所)

プロデューサー: 中国科学博覧会

サンゴ礁は地球の海洋環境において重要な役割を果たしています。これらは海洋最大の生態系であり、海洋の「熱帯雨林」として知られています (Bouchet、2006)。サンゴ礁は海洋動物の隠れ家となっており、約 10 万種の生物が生息していることが知られています (Reaka-Kudla、1997 年、Plaisance 他、2011 年)。さらに、サンゴ礁に生息する生物は、人類に食料や医薬品の資源も提供しています。地球上の 100 か国以上、4 億 5000 万人以上の人々の生活は、サンゴ礁と密接に関係しています (Pandolfi 他、2011)。

しかし、海洋サンゴ礁の現在の生存状況は楽観的ではありません。人類は、劣化が進むサンゴ礁をどう守ることができるのでしょうか?科学者たちは、3億3000万年前に生息していた造礁サンゴからその答えを発見した。

海洋サンゴ礁の現状

近年、地球温暖化と人間の活動により、降雨量の増加、陸上の氷河の融解の加速、陸上の化学的風化の促進、海洋への栄養分の流入の増加が起こり、その結果、海水の富栄養化、濁度の上昇、低酸素症と酸性化が進み、海洋の造礁サンゴの死滅とサンゴ礁システムの崩壊につながっています。

人為的要因による海洋環境汚染に加え、陸生ゴミの流入という自然要因も海洋サンゴ礁に深刻な影響を及ぼしており、造礁サンゴの死滅や形態変化を伴うことも少なくありません。

陸源性堆積物とは、砂や粘土など、陸上の岩石が風化した後に形成された堆積物を指します。その組成は比較的複雑で、主にシリコン (Si) とアルミニウム (Al) の濃縮が特徴です。降雨量や植物の繁茂などの影響を受けて陸上の風化が激化し、陸源ゴミの流入がさらに増加し​​、海洋の栄養元素含有量が増加しています。現在の人為的排出物も海水の富栄養化を引き起こす可能性がありますが、この影響は地質学的期間に反映されません。一方、陸源性堆積物の流入の影響は古くから存在しており、古代から現代にまで及びます。

図1. 東南アジアとオーストラリアにおける陸生ゴミ流入と造礁サンゴの関係

(画像出典: McLaughlin et al., 2003)

地質史から見たサンゴ礁の進化

地質学の歴史において、陸源性堆積物の流入が増加してきましたが、サンゴ礁を形成するサンゴがこの流入にどのように反応するかについては、まだよくわかっていません。いわゆる造礁サンゴとは、海洋の大陸棚で発達し、その場で成長できるサンゴを指します。海底に隆起地形を形成してサンゴ礁を形成することもあります。

ミシシッピ紀中期および後期（ヴェシアン-セルプホフ期）には、陸上植物が繁茂し、大きなヘルシニア造山運動が起こりました。これら 2 つの要因が相まって、陸上の化学的風化が激化し、陸源の残骸と栄養素の流入が増加し、その結果、地球の気候が急激に寒冷化し、海面が低下しました。

後期古生代氷河期は顕生代で最も長い氷河期であり、南半球のゴンドワナ大陸における氷河堆積物の発達を特徴とする、一連の複数回の氷河期と間氷期から構成されています。最新の研究によると、後期ビジアン期（アスビアン期からブリガンティアン期への移行期）に腕足動物の殻の酸素同位体が有意な正の偏差を示したことが分かりました。これは、この期間の古代の海水温度が大幅に低下したことを示しており、これは後期古生代氷河期の主な時期の始まりを示している可能性があります。同時に、海洋サンゴ礁システムが崩壊し、底生生物の多様性が減少しました（Yao et al.、2022）。

したがって、中期および後期ミシシッピ紀の造礁サンゴの形態と大きさを研究することで、今日の陸源性堆積物の影響下にある造礁サンゴの進化の傾向に関する新たな洞察が得られる可能性があります。

図2. ミシシッピ紀の海洋造礁サンゴと生物全体の多様性の変化と進化パターン

（写真提供：南京古生物学研究所）

深海におけるサンゴ礁形成に関する研究

最近、中国科学院南京地質古生物学研究所後期古生代研究チームの副研究員であるヤオ・レ氏と助手研究員であるリン・ウェイ氏は、フランスのトゥールーズ第三大学のマルクス・アレッツ教授、米国南カリフォルニア大学のデビッド・J・ボットジャー教授、南京大学の王翔東教授と共同で、中期および後期ミシシッピ紀の造礁サンゴの形態、大きさ、陸源堆積物の流入に関する体系的な研究を行った。

研究チームは、中国国内の4つの異なる堆積相セクション（貴州省ヤシュイ、湖南省マランビアン、安徽省ワンジア村、内モンゴル自治区ジャンシャンジ）で、セルプホビアン期に世界中に分布する造礁サンゴ化石、Aulina rotiformisとLithostertion decipiensの個々のサイズパラメータ（単一骨格の直径、横断板帯の直径、および区画の数）を数えた。研究チームはまた、サンゴ礁を形成するサンゴと周囲の岩石の元素含有量も研究した。関連する研究結果は Proceedings of the Royal Society B に掲載されました。

研究の結果、ヤシュイセクションのサンゴの個体は最大であり、ジャンシャンジセクションのサンゴの個体は最小であることが判明した。 Aulina rotiformis と Lithostrotion decipiens の横板の直径はそれぞれ 31% と 23% 減少しました。

その中で、ヤシュイセクションからジャンシャンジセクションにかけてのサンゴ個体が徐々に小さくなっている理由は、陸生ゴミの流入の増加に関連している可能性があります。ゴミはサンゴポリプの表面を覆い、サンゴポリプを直接死滅させたり、ゴミを取り除くために余分なエネルギーを消費したりして、サンゴの成長に供給されるエネルギーを減らし、サンゴ個体をさらに小さくする可能性があります。

図3. 後期ミシシッピ紀の異なる堆積相における造礁サンゴLithostertion decipiensとAulina rotiformisの個々の死骸の直径、横板直径、隔壁数の変化

（写真提供：南京古生物学研究所）

研究チームのメンバーは、サンゴ類のLithostrotion decipiensの埋没特性も研究し、ヤシュイセクションからワンジア村セクションにかけて、Lithostrotion decipiensの個体の保存状態が徐々に悪化し、サンゴ周囲の岩石中の陸源性堆積物（泥と石英）の含有量が徐々に増加し、それに伴ってケイ素（Si）、アルミニウム（Al）、リン（P）の含有量も増加していることを発見しました。王家村セクションの岩石を囲むサンゴには、豊富な微生物が含まれており、後生動物は発達していません。

微生物の呼吸は低酸素症や環境の酸性化を引き起こし、サンゴの成長を阻害する可能性があります。ヤシュイセクションからワンジアチュンセクションにかけてのサンゴ個体のサイズが徐々に縮小する現象と、サンゴ周囲の岩屑の含有量の変化を組み合わせると、陸源性岩屑の流入がサンゴ個体のサイズの縮小を制御する主な原因であることがわかります。

図4. 後期ミシシッピ紀の異なる堆積相セクションにおける造礁サンゴLithostertion decipiensとその周囲の岩石の微細相と元素分布特性

（写真提供：南京古生物学研究所）

さらに、研究結果によると、セルプホフ期には、南中国プレートの浅海開放炭酸塩岩相、炭酸塩岩-砕屑岩遷移相から浅海砕屑岩相にかけて、造礁サンゴ個体が徐々に小型化し、サンゴ周囲の岩石中のSi、Al、P元素の含有量が大幅に増加したことも示されています。

長期的には、中国、西ヨーロッパ、北アフリカの中期から後期ミシシッピアンに生息する造礁サンゴ Lithostertotion decipiens と Siphonodendron pauciradiale の個体サイズデータに基づくと、後期ビジアン期（アスビアン-ブリガンティアン移行期）に造礁サンゴの数が著しく減少したことがわかります。これは、後期古生代氷河期の主要エピソードの始まりに関連する陸上風化の促進と陸源性堆積物の増加と一致しています。

図 5. ミシシッピ紀中期から後期にかけての造礁サンゴ Lithostrotion decipiens と Siphonodendron pauciradiale の形態と大きさの変化と、この期間の陸源からの流入、海面温度、低緯度の海面、中緯度と高緯度の氷河記録との関係。

（写真提供：南京古生物学研究所）

陸生ゴミに対する現代の海洋造礁サンゴの反応

研究者らは、現在オーストラリアのグレートバリアリーフから、直径20センチを超える塊状の複合サンゴであるミドリイシ、ミレポラ、ポシロポラ・アクタを採取し、海洋サンゴ礁に近い生息環境（水温27℃、アラゴナイト基質、共生サンゴ状藻類など）を維持できる屋外水流システムに移植し、その中でサンゴの幼生を育てた。

実験では、研究者らは3～6か月齢の3種類のサンゴを選択し、4つの異なる浮遊性沈殿物含有量（0、10、30、100 mg l−1）と栄養含有量の水体にさらし、40日間サンゴの成長を観察しました（図6）。

実験結果によると、浮遊堆積物は A. millepora の生存率を大幅に低下させ、死亡した A. millepora 幼虫の数は堆積物の濃度に比例していました。また、A. tenuis と P. acuta の幼虫数は有意に減少しなかったものの、幼虫の成長サイズは半分以下に減少するか、成長が停止しました (図 7)。

図6. 浮遊性沈殿物の含有量が異なる海域における現代の海洋サンゴ Acropora tenuis、A. millepora、Pocillopora acuta の生存状況

(画像出典: Humanes et al.、2017)

図7. 3つのサンゴ実験における幼生の成長サイズと堆積物含有量の相関関係

(画像出典: Humanes et al.、2017)

これは、一部のサンゴ種の幼生が浮遊堆積物にさらされるとエネルギーコストがかかることを示唆しており、堆積物の流入量の増加は特定の種の個体群とサンゴ礁を形成するサンゴの成長に一定の影響を与えることを意味します (Humanes et al., 2017)。

陸生ゴミの流入が増加すると、呼吸、堆積物の除去、生態環境の修復などの活動におけるサンゴのエネルギー消費も増加します。さらに、有機物により堆積物が大きな粒子を形成し、サンゴのエネルギー消費がさらに増加し​​ます。さらに、栄養分の増加は微生物の繁栄を促進し、それらが代謝する有機物によって、局所的に酸素欠乏と酸性化の環境が形成され、サンゴの生存に不利な状況となります。上記の要因の多くは、サンゴの成長を遅らせたり、サンゴを死滅させたりします。

現在の海洋サンゴ礁保護への影響

古生代後期氷河期は、地球上の植物や動物が繁栄して以来、大気中の二酸化炭素濃度が現代に近い唯一の時代です。したがって、後期古生代氷河期の海洋生物の進化を研究することは、今日の海洋生態系の進化を探る上で参考資料やインスピレーションを提供することができます。

約3億3000万年前の造礁サンゴの形態と大きさの変化、および陸源性堆積物の流入に対する反応に関する体系的な研究を通じて、学者たちは、後期古生代氷河期の始まりと陸源性堆積物と栄養塩の流入の増加が造礁サンゴの小型化につながる進化の傾向を時空的に明らかにしました。

古生代後期氷河期における陸源堆積物の流入と古環境の変化に直面し、一部のサンゴは絶滅しましたが、一部のサンゴは悪化する環境を克服して生き残りました。なぜ？

研究により、環境の変化を克服したサンゴは、強い表現型の可塑性を持っている可能性がある、つまり、環境の変化に直面しても、サンゴは個体の大きさを変えることで新しい環境条件にうまく適応できる可能性があることが判明した。言い換えれば、3億3000万年前に生き残った造礁サンゴは、サイズを縮小することで、古生代後期氷河期に伴う古代の環境変化に適応することができたのだ。

さらに、この研究は、長期的な生物進化の観点から、今日の海洋サンゴ礁保護対策と将来の開発動向にインスピレーションを与えています。つまり、表現型の可塑性が強い造礁サンゴは、陸生ゴミの流入や低酸素症などの今日の環境変化に適応しやすい可能性があるのです。したがって、今後のサンゴ礁保護においては、量と速度のみを重視した「場当たり的」な修復を避け、表現型の可塑性が強い造礁サンゴを優先して修復することで、今日の海洋最大の生態系であるサンゴ礁の質の高い保護を実現する必要があります。

（注：この研究は、中国国家自然科学基金、中国科学院青年イノベーション促進協会、中国科学院戦略的優先研究計画（​​クラスB）の共同資金提供を受けて実施されました。）

編集者：馬一群

参考文献:

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(注: ラテン語のテキストは斜体にする必要があります。)