4億6000万年前に海洋生物の多様性が劇的に減少した原因は何でしょうか?

制作：中国科学普及協会

著者: 張俊鵬盛傑 (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

「赤潮」現象については、皆さんもよくご存知だと思います。湖や半閉鎖湾でよく発生するこの藻類の大量発生現象は、非常に厄介な環境問題です。

「赤潮」は、現代によく見られる水域の富栄養化現象であり、主にリンや鉄などの栄養分を豊富に含んだ大量の産業廃水によって引き起こされます。赤潮が発生すると、少なくとも水面の藻類が爆発的に増殖し、水の光透過率が低下し、溶存酸素量が減少し、水中に化学成層が生じ、底部に硫化水素などの毒性の強い成分が現れ、水面には死んだ魚などの水生動物が見られ、死骸が堆積して生態系に深刻な被害が生じることもあります。

図1 赤潮

（写真提供：浦東環境）

4億6千万年前、地球の低緯度海域で大規模な「赤潮」が発生し、海洋生態環境に大きな影響を与え、無数の海洋生物が死んだことを想像できますか...

最近、中国科学院南京地質古生物学研究所の研究者が率いる中国とアメリカの研究チームが、 4億6000万年前に保存された海洋黒色頁岩の古生物学および堆積地球化学の研究を実施した。当時の酸素欠乏海洋水域の拡大が海洋生物の多様性の大幅な減少を引き起こし、当時の「オルドビス紀大放射」の「一時停止ボタン」を押したことがわかった。関連する研究成果は、総合地球科学誌「Earth and Planetary Science Letters」に掲載されました。

「オルドビス紀の生物放射線」とは何か、なぜ海洋黒色頁岩の研究を始める必要があるのか​​、そして海洋の酸素欠乏水域の拡大がどのような深刻な結果をもたらすのか、ご興味があれば、一緒に読み進めましょう。

生命の繁栄：オルドビス紀の生物学的放散

長い年月をかけて、生物の進化の過程は比較的ゆっくりとしたペースで進んできました。大生物放射能汚染のような重要な地質学的時期には、地球上の生命のゆりかごである海洋は、比較的短期間のうちに多様な生物を生み出しました。皆さんがよくご存知の「カンブリア爆発」は、大規模な生物学的放射線現象です。

4億6000万年前に起こった「オルドビス紀の生物放射線」は、かつて「カンブリア爆発」に次ぐ地球の生物進化史上最大の生物放射線現象として称賛された。

この生物放射イベントは、属や種のレベルで海洋生物の多様性を倍増させただけでなく、複雑な捕食者と被食者のネットワークの確立、プランクトンや遊泳動物の生態学的拡大、底生生態系の発達など、生態系の段階的な複雑性と安定性にも現れました。当時の海は生命力に満ち溢れており（図2）、同時に陸上の初期の植物も上陸し、長い拡大の旅を始めていました。

図2 オルドビス紀の海洋生態系復元地図

（画像出典：Fang Xiang et al., 2022）

繁栄から衰退の理由：低酸素海水の拡大

しかし、このような生命の繁栄は長くは続かず、オルドビス紀の生物放射も同様でした。

近年、スーパーコンピュータの応用と「オルドビス紀の生物放射線」に関する詳細な研究により、高解像度の生物多様性曲線により、この生物放射線イベントの間、生物多様性はピークに達してから約1000万年以内に約50％減少し続けたことが明らかになりました。この明らかな転換点は地質学者の注目を集めています。

これまでの研究によれば、オルドビス紀の生物放射は、オルドビス紀初期に始まった地球規模の気候寒冷化や大気中の酸素含有量の増加などの環境変化の恩恵を受けた。

しかし、湖南省、江西省、安徽省、浙江省など中国南部の地域の中期および後期オルドビス紀の地層では、有機物を豊富に含む泥岩（「黒色頁岩」とも呼ばれる）の大規模な集合体が形成されており、当時の海底はおそらく酸素が不足していたことを反映している。

仮に、大気中の酸素含有量の増加が生物学的な大規模放射の恩恵を受けたとしたら、海洋底の大規模な低酸素状態が生物学的大規模放射の停止の原因である可能性が高い。

そのため研究者らはさらなる調査を開始した。これらの堆積岩の主元素、微量元素、鉄組成、黄鉄鉱形態、窒素同位体、モリブデン同位体を分析した結果、当時は海岸から遠く離れた表層水で富栄養化が起こり、底部の酸素欠乏水域が徐々に拡大して嫌気性状態にまで達し、底層水域に硫化水素などの毒性の強い成分が大量に発生したことが判明した。

オルドビス紀の海洋には産業廃水が排出されていなかったのに、なぜ「赤潮」に似た現象が起こったのでしょうか?

これらの現象のメカニズムについて、研究者らは次のように説明している。「オルドビス紀中期には、気温がさらに大幅に低下し、高緯度の深海の寒流が激化した。大量の栄養分が湧昇流の形で中低緯度の沿岸盆地に運ばれ、表層水の富栄養化を引き起こした。これは現代の湖の赤潮現象に似ている。」

この推論に基づいて、研究者たちは世界の他の地域の当時の地層を研究し、この現象は当時南中国プレートに限定されていなかったことを発見しました。中国の北シナプレートとタリムプレート、アメリカのローランプレート、ヨーロッパのバルトプレートには、いずれも同時期に黒色頁岩の鉱床が存在した。これは、当時の海が以前の研究で考えられていたほど酸化されていなかったことを示しています。同時に、本研究で初めて報告された中国南部の中期オルドビス紀黒色頁岩のモリブデン同位体の証拠とシミュレーション結果もこれを裏付けている。

図3 中期オルドビス紀の気候・海洋環境の変化と生物地質学的イベントの総合図。上から下へ：炭素同位体証拠、酸素同位体証拠と海水温変化傾向の反映、海面変動と無酸素水塊の分布、モリブデン同位体証拠、生物多様性データ（種レベル）など。

(画像出典: Zhang Junpeng 他、2022)

海の「死の息吹」 - 海の酸素不足がもたらす大きな影響

現時点では、オルドビス紀の放射の中期および後期に、海洋の酸素欠乏水が大幅に拡大したことがわかっています。では、この現象は海洋生態環境にどのような影響を与えたのでしょうか?

気候の寒冷化は地表水域の生態系に影響を及ぼします。同時に、水域の富栄養化により、大量の有機炭素が海底に沈んでしまいます。有機物の酸化分解により水中の酸素が消費され、酸素欠乏海水の大規模な拡大を引き起こします。溶存酸素が不足し、硫化水素が濃縮された水域は、海洋生態系（特に底生生物群）に致命的な損害を引き起こします。

そのため、この一連の気候・環境の変化が、オルドビス紀中期から後期にかけての生物の大放散の転換点の主因であると考えられています。

同様の現象は地質学の歴史の中で何度も起こっています。最も有名なのは、2億5000万年前の「ペルム紀末絶滅」です。これは、知られている中で最大の生物絶滅イベントであり、地球規模の海洋低酸素症とも関連しています。

「過去から学び現在を導く」という考え - 地質学の歴史を探ることから環境保護のインスピレーションを得る

地質学の歴史における生物の絶滅事象に加えて、地球の気候が「定常状態」を破ることによって引き起こされる可能性のある災害も、現代の私たちにとってインスピレーションに満ちています。

地球温暖化は、さまざまな国や地域の地球科学者の間で合意された見解です。しかし、気候変動に注目する場合、それを単純に平均気温の上昇や下降として理解すべきではありません。むしろ、2億3000万年前の三畳紀後期に100万年続いた「カーニアン沖積事件」など、地質学の歴史と同様に、地球の気候が「定常状態」を破ったときに発生する一連の異常気象や環境災害について考えるべきだ。

同時に、我が国が近年提唱する「デュアルカーボン」目標は、地球規模の課題である気候変動に積極的に対応するための大きな戦略です。中国科学院院士の丁忠礼氏は、最新の重要な著書『カーボンニュートラル：論理システムと技術的要件』の中で、「カーボンニュートラルは、炭素排出（炭素源）と炭素固定（炭素吸収源）の2つの側面から理解される必要がある」と述べている。これら両方のプロセスにおいて、自然は重要な割合を占めています。

地質学の歴史において、火山の噴火は炭素排出の重要な形態であり、海洋炭酸塩工場と有機炭素の埋没は炭素固定の重要なプロセスであり、「黒色頁岩」は地質学の歴史における海洋炭素埋没の重要な産物であり証拠です。

したがって、地質史時代の「炭素」を探究し、関連する気候や環境の変化を深く研究することは、私たちが今日「デュアルカーボン」戦略を実行するための重要な参考資料とインスピレーションを提供することができます。現在と過去を議論し、過去から教訓を引き出すことによってのみ、現在をより良く実践し、将来に利益をもたらすことができます。

編集者：郭 雅新