海溝の過去と現在 - 深海研究はなぜ海溝に焦点を当てるべきなのか?

編集者注:

2022年11月25日、有人潜水艇「フェンドーゼ」は中国とニュージーランドの初の合同深海潜水科学探検の第一区間を無事に完了し、ニュージーランドのオークランド港に帰還した。航海の第一区間で、有人潜水艇「フェンドゥーゼ」は16回の潜水を行い、そのうち14回は水深6,000メートル以上、うち2回は水深10,000メートル地点での潜水だった。このプロジェクトでは、超高層生物、岩石、堆積物の豊富なサンプルが収集され、超高層における生命の進化と適応のメカニズム、超高層堆積環境の進化、プレートの沈み込みと物質交換の流れをより深く理解するための重要なサポートが提供されました。

中国とニュージーランドの初の合同深海潜水探検隊がケルマデック海溝探検の第一区間を完了した。

人の人生は、胎児期→幼児期→小児期→思春期→青年期→中年期→老年期を経て、死に至ります。誕生、老化、病気、そして死は自然の法則です。知っていましたか？海洋も同様の過程をたどり、胚期→幼生期→若齢期→衰退期→残存期→絶滅期となります。このプロセスはウィルソンサイクルと呼ばれます。このプロセスの産物である超高層海溝は、超高層生物の進化と適応性、超高層環境の進化とそれが資源と環境に与える影響、超高層地殻変動活動、地質学的進化などの主要な科学的問題を研究するのに最適な場所です。

外見は心によって決まる - プレートテクトニクス理論

人の外見は心で決まり、外見は内面で決まるとよく言われます。この単語は、地球表面の基本的な地形を説明するためにも使用できます。

地球は内側から核、マントル、地殻に分かれています。地殻は横方向に大陸地殻と海洋地殻に分かれ、マントルは縦方向に上部マントルと下部マントルに分かれます。上部マントルと地殻の上部はリソスフェアを構成します。リソスフェアは横方向に大陸リソスフェアと海洋リソスフェアに分けられます。大陸リソスフェアの厚さは一般に海洋リソスフェアの厚さよりも厚く、密度は一般に海洋リソスフェアよりも低い。

上部マントルの最上部とリソスフェアの底部には、アセノスフェアと呼ばれる非常に重要な物質層があります。非常に可塑性が高く、基本的に地球全体に分布しており、マグマの起源です。アセノスフェアの平均密度は、その上にある海洋リソスフェアよりも小さいが、大陸リソスフェアよりも大きく、その上面は不均一であるため、上にあるリソスフェアに深刻な不安定性を引き起こし、それを横方向に異なるサイズのプレートに分割します。これらのプレートはアセノスフェアの上に浮かんで大規模な横方向の動きを起こし、衝突したり、圧迫されたり、分離したりして、地球表面の基本的な地形を形成します。

大陸プレートが海洋プレートと衝突すると、海洋プレートは高密度のため大陸プレートの下に沈み込み、沈み込み帯としても知られる収束型プレート縁を形成することがよくあります。世界の地震と火山活動の90％がここに集中しています。プレートが収束する境界は最も低い地形になっており、海溝と呼ばれます。 2つの大陸プレートが衝突すると、ヒマラヤ山脈のような巨大な山脈が形成されることがよくあります。プレートが分裂して分離する地域では、地溝帯や海が形成されることが多い。このようにして、東アフリカの大地溝帯と大西洋が形成されました。プレートの端は、最も激しい地質活動（マグマ、地震、変成作用、変形、堆積作用など）が起こる領域になります。

ちょっとした豆知識：世界は、太平洋プレート、ユーラシアプレート、北アメリカプレート、南アメリカプレート、アフリカプレート、インド・オーストラリアプレート、南極プレートの 7 つの主要なプレートに分かれています。太平洋プレートはほぼ完全に海にありますが、他の 6 つのプレートには広大な陸地と海が含まれています。大きなプレートをいくつかの小さなプレートに分割することもできます。

海の生命 - ウィルソンサイクル

海洋地殻盆地（簡単に言えば海洋）は永久に存在するわけではなく、一般的には亀裂、膨張、収縮、閉鎖という発達過程を経ます。分裂した大陸リソスフェアの間に海洋盆地が形成されます。大陸岩石圏の水平方向の分離と集合の全過程はウィルソンサイクルと呼ばれ、これは海洋の誕生から消滅までの過程でもある。始まりと終わりは、胚期→幼年期→青年期→衰退期→残存期→絶滅期で表現できます。対応する例としては、東アフリカ大地溝帯 → 紅海アデン湾 → 大西洋 → 太平洋 → 地中海 → ヒマラヤ山脈などが挙げられます。

（１）胎児期

地域的な応力の作用により、大陸リソスフェアはまず上部大陸地殻の弱い構造帯で亀裂が生じ、大陸の裂け目が形成されます。地溝帯は、近年火山活動や地震活動が活発な地帯であるが、東アフリカの大地溝帯のような海洋環境は形成されていない。

（２）幼少時代

大陸地殻は引き続き割れ、溶融したマントル物質が大規模に上昇します。一部の地域では海洋地殻が出現し、元々の地溝帯は紅海やアデン湾などの狭い海盆になりました。

（３）若者と中年

狭い海盆は拡大を続け、外洋へと発展していきます。海の真ん中は海嶺で、ここで湧き上がるマグマが新たな海洋地殻を形成し、それが両側に成長し続けます。発達した海洋地殻には厚い海洋堆積物が蓄積され、その典型的な例が大西洋です。

（４）衰退

中央海嶺は拡大と成長を続けていますが、その拡大の過程で海洋地殻は熱を失い、冷え、重くなり続けています。安定した大陸縁辺部は極めて厚い堆積物に覆われており、地球内部の熱が放散されにくいため、熱によって膨張し軽くなり続けています。亀裂は、密度と岩石の機械的特性に大きな差がある領域で発生します。重い海洋地殻は軽い海洋地殻または大陸地殻の下に沈み込み、マントルに入り込んで溶けます。この場所は沈み込み帯と呼ばれます。 **沈み込み帯では、2つのプレートの間に海溝が形成され、海洋の最も深い部分になります。 **沈み込み帯の上にあるプレートは島弧を形成し、火山や地震が頻繁に発生します。海洋は徐々に面積が縮小しており、最近の例としては太平洋が挙げられます。

（５）残余期間

海洋プレートがさらに沈み込むと、海洋地殻の面積は徐々に縮小し、両側の大陸地殻ブロックが互いに接近し、その間には地中海などの小さな海洋地殻盆地だけが残ります。

（６）絶滅期間

大陸の衝突と海の消失により、大陸の端にあった元々の堆積物は大きく変形し、隆起してヒマラヤやアルプスなどの山脈を形成しました。

法則の法則はない - すべてにはそれぞれの法則がある

アセノスフェア内のプレートの動きと相互作用、そして海盆の開閉によって、それぞれの海に生命が生まれます。海の寿命は2000万年から数億年までの範囲で、明確な規則性はありません。これは、深部構造プロセス、大陸地殻の拡散速度、沈み込み境界におけるプレートの沈み込み速度、受動的大陸縁辺の特性など、多くの要因に関連しています。このプロセスは「ウィルソンサイクル」と呼ばれていますが、分裂した大陸は再び閉じることはできません。再度閉じたとしても、元の場所で再度分割することはできません。この意味では、それは周期的ではありません。陸地の総面積は比較的安定しているため、海洋が縮小期に入るということは、他の海洋の拡大または誕生も意味します。生き物と少し似ています。個々の生物は老化して死にますが、繁殖を通じて新たな活力ある生命が生まれ、世代から世代へと増殖し続けます。

人間と同様に、海にもライフサイクルがあります。サイクルの長さは多くの要因によって決まります。一つの命の終わりは、新しい命によって継続されます。同様に、太陽や地球などの天体も絶えず運動しており、寿命があります。では宇宙はどうでしょうか?宇宙の外はどうですか？

世界で最も深い地点である海溝は、海の両側のプレートが衝突して押し上げられると、世界で最も高い地点になる可能性があります。

地質学を学ぶ利点の 1 つは、地質学者がよりマクロかつ長期的な規模で問題を考察できることです。世界の変化は、少しロマンチックで感動的であるだけでなく、私たちが生涯にわたって感謝し追求する価値のある深遠な哲学と知恵も含んでいます。

地球最深部に触れる - アビス海溝

世界の主要な超深海溝の分布図

（赤い五芒星でマークされた溝は、中国とニュージーランドの第一回合同深海潜水探検隊の第一区間の潜水エリアです）

「ウィルソンサイクル」の衰退期と残余期には、中央海嶺の底にあるマグマ溜まりが発達し、継続的に湧昇して新たな海洋地殻を形成し、それが両側に押し出されて徐々に冷えて密度が増していった。より密度の高い海洋地殻はより軽い海洋地殻または大陸地殻の下に沈み込み、2つのプレートが海底で出会い、海溝を形成します。

超高層海溝は通常、深さ6,000 メートル以上の海底谷地形を指し、地球表面の地形学的単位の重要な部分です。世界には深さ6,000メートルを超える海溝が37か所あり、そのうち5か所は大西洋に、4か所はインド洋にあります。減少期にある西太平洋には、海溝が最も多く、北から南に、千葉・カムチャッカ海溝、マリアナ海溝、フィリピン海溝、トンガ海溝、ケルマデック海溝の5つの1万メートル級の深海溝を含む28の海溝があります。 「地球の第4層」として知られるマリアナ海溝は、深さ10,909メートルで、世界で最も深い地域です。中国とニュージーランドの初の合同深海潜水探検の第1区間が行われたケルマデック海溝は、南太平洋のケルマデック諸島の東に位置する。トンガ海溝につながり、長さは約1,200キロメートル、最大深度は10,047メートルです。太平洋プレートがインド・オーストラリアプレートに沈み込んだときに形成されました。

海溝系とは、主に海溝と、その付近で水圏と岩石圏が相互作用する海底境界層界面を指します。もちろん、溝を研究することは、単にこの境界面を研究することと同じではありません。超深海溝と海洋上層部および海底下の間では物質とエネルギーの広範な交換が行われており、複数の領域で物質とエネルギーの循環が起こっています。海溝は暗く、静水圧が極めて高く、水の交換が遅く、食糧供給が乏しく、生命の仕組みが特異で、海底の地形が複雑で、地質構造が活発です。これらの特性は、テクトニクス、地質学、生物学、薬学、海洋物理、生態学、環境、化学、気候学、さらには航空宇宙の分野の科学者の注目を集めています。

沈み込み工場 - 沈み込み帯

溝は沈み込み帯の存在を示しています。世界中の活発な沈み込み帯の全長は約 43,500 キロメートルで、これは火山島弧の全長とほぼ同じです。

沈み込み帯は比喩的に沈み込み工場に例えられます。工場の原材料は、海底堆積物、火成海洋地殻、リソスフェアマントルの一部を含む沈み込むプレートです。これらの物質は、沈み込みの過程で圧力と温度が上昇すると、水と揮発性物質を放出します。流体と堆積物は「処理」されてマグマを形成し、流体/ガスの放出、地震などの現象を伴い、火山島弧または背弧地域を通じて大陸に戻ります。これらの液体、ガス、マグマ、その他の物質は工場の製品です。沈み込み工場で処理された後、残留物はマントルのさらに深いところに沈み込み続け、脱水と脱炭素化を経て深層水循環、炭素循環、岩石循環に参加し、その後、火山噴火などの現象を通じて大気中にフィードバックされます。

沈み込み工場は、地球の大気圏、水圏、生物圏、岩石圏、マントル、その他の圏の間で物質とエネルギーを交換する中心領域です。これらは地球のほぼすべての領域に関係しており、地球システムの機能と進化における重要なリンクです。沈み込み工場の稼働は、世界のほとんどの地震、津波、火山噴火を引き起こし、人類に深刻な災害をもたらします。したがって、沈み込み系の物質・エネルギー循環や地震発生メカニズムを研究することが特に重要です。

伊豆・小笠原・マリアナ弧は太平洋西部に位置しています。太平洋プレートがフィリピンプレートの下に沈み込むことによって形成されました。完全な海溝・弧・盆地システムと明確な進化の歴史を持っています。これは沈み込み工場システムに関連するプロセスを研究するための理想的な研究対象です。このシステム内のマリアナ海溝は、沈み込み工場の表層的な現れであり、世界で最も深い地点であるため、沈み込み工場を研究するための重要な窓口です。

認知の覆し：生命の起源を再考する

「万物は太陽とともに成長する」という言葉は、海洋生物を含む地球上の生命のエネルギー源に関する金言として常に考えられてきました。浅海生物のエネルギー源は、海面上の藻類、植物、海洋細菌による光合成により太陽エネルギーを変換・貯蔵し、それを海洋草食動物が食べ、さらにそれを肉食動物が食べるという食物連鎖を形成していると考えられてきました。一方、深海生物のエネルギー源は、浅海生物の排泄物、死骸、有機残骸に依存しています。つまり、エネルギーの始まりは太陽エネルギーです。では、地球上の最古の生命も太陽エネルギーで生き延びていたのでしょうか?

1979年、有人潜水艇アルビン号が水深2,500メートルの海底のブラックチムニー地帯で異常に繁栄した生命の光景を発見し、生命の起源に関する人々の理解を一変させました。

黒い煙突、イソギンチャク、エビ、熱水域、インド洋南西部、水深 3312 メートル

写真/有人潜水艇「ディープシー・ウォリアー」

世界の最も深い部分である超深海溝は、高圧、無光、低温、貧栄養を特徴とし、かつては生命の禁断地帯と考えられていました。 1,100気圧の圧力がかかるマリアナ海溝の底に生命が存在するとは想像しがたい。しかし、未知の世界を探求し、認知の限界を超えることこそが、科学者が行うことなのです。近年、各国の超深海研究プログラムの支援を受け、科学者らは深海曳航、グラブ、堆積柱サンプラー、生物トラップ、着陸船、ブイ、有人・無人潜水艇などの技術的手段を用いて、西太平洋の1万メートルの深さの海溝に焦点を当てた科学研究活動を実施し、我々の認識を一新する一連の成果を達成した。深海の深淵には生命が存在するだけでなく、生命が数多く存在します。

異なる生き方——深淵の人生

半閉鎖型で漏斗効果のある「V 字型」の地形を持つ超深海溝は、海洋堆積物が自然に堆積する場所となっています。堆積物は難分解性有機物と火山性物質を豊富に含み、微生物活動が活発な場所であり、豊かでユニークな生命体が生息しています。海溝とその周辺地域の複雑な地形は、異なる深さの海流を複雑かつ変化しやすくし、海底生態環境の多様性を生み出します。海底の海溝は遮るものがなく、いくつかの海底台地や尾根によっていくつかの不連続なセクションに分割されています。各セクションの延長方向には明確な転換点があり、深さも変化します。溝のさまざまなセクションの生物には、同じ種または類似の種だけでなく、多数の異なる種が含まれています。海水の深さが増すにつれて、大型生物や高等動物の数はますます少なくなります。水平方向でも垂直方向でも、深海バイオームは独特の地域的特異性を示します。

超深海溝には、細菌、古細菌、真菌、ウイルスなど多種多様な微生物だけでなく、魚類、棘皮動物、刺胞動物、海綿動物、節足動物、軟体動物など多数の大型生物も生息している。2021年、有人潜水艇「フェンドゥーゼ」はマリアナ海溝への科学調査中に、水深1万メートルの深淵にエビ、ナマコ、イソギンチャク、多毛類など多数の生物が生息していることを発見した。

アンコウ、ケルマデック海溝、5736m

写真/有人潜水艇「ストラグラー」

珍しい深海ヒトデ、ケルマデック海溝、水深6700メートル

写真/有人潜水艇「ストラグラー」

ブリルアンウナギ、ケルマデック海溝、6500m

写真/有人潜水艇「ストラグラー」

硬い岩のかけらがヒトデ、イソギンチャク、小さなサンゴ、海綿動物、ホヤの共通の住処となる。ケルマデック海溝、水深 6124 メートル。写真/有人潜水艇「ストラグラー」

ヒトデ、マリアナ海溝、水深 9580 メートル

イソギンチャク、マリアナ海溝、水深 9254 メートル

多毛類、マリアナ海溝、7120 m

スポンジ、西フィリピン海盆、7464メートル

ナマコ、マリアナ海溝、水深 10,812 メートル

イソギンチャク、マリアナ海溝、水深 9000 メートル

マリアナ海溝の深さ 9347 メートルの岩の下のイソギンチャクの列

写真/有人潜水艇「ストラグラー」

海を渡る八仙人、それぞれが持つ魔力を発揮する - 特殊能力を持つ深海の生物

深海生物は主に海面から沈んでくる有機物に依存して生命を維持していますが、化学合成によってエネルギーを得るために地球深部からの物質に依存する生物もいます。極限環境に適応するために、深海生物は表層や浅海の生物とは異なる生命メカニズムと特殊な代謝経路を持っています。

ミノカサゴは地球上で最も深いところに生息する脊椎動物であると考えられており、水深8,145メートルで発見されています。皮膚、筋肉、骨はすべて深海の高い水圧に適応していることがわかります。

ミノカサゴの群れ、西フィリピン海盆、7731メートル

端脚類のフックシュリンプは深淵の主役の一人です。その食物は明らかに海上上層の水の生産性によって制御されています。深淵に落ちた生物学的残骸はすべて、深淵によって発見され、食べられます。一方、カワハギは他の大型捕食動物の食料源にもなります。例えば、中国科学院の深海探検隊がマリアナ海溝の水深7,400メートルで捕獲したミノカサゴを解剖したところ、その胃の中には比較的完全な状態のエビが大量に詰まっていた。食物からエネルギーを得ることに加え、ガマラスやミノカサゴの腸内の共生微生物は、必須栄養素や免疫防御も提供します。

ガマラス、マリアナ海溝、10,900メートル

写真/有人潜水艇「ストラグラー」

ナマコは一万メートルの深淵に適応するために、胴体を支える骨針さえも捨て、小さな透明な生き物に変身します。

上記のマクロ生物に加えて、深淵微生物も独自のスキルを持っています。マリアナ海溝の深部環境において、いくつかの微生物は窒素循環、硫黄循環、エネルギー変換において重要な役割を果たしています。今年ネイチャー・コミュニケーションズ誌に掲載された論文では、マリアナ海溝の13地点の堆積物を分析した結果、堆積物中の主要な微生物が深海に蓄積された有機窒素を窒素ガスに変換し、上層水域に放出できることがわかった。このことが地球全体の窒素バランスに寄与している可能性がある。

科学者たちはマリアナ海溝の堆積物の中で、微生物の物質とエネルギーの代謝を変化させることで海洋生態系の構成と物質とエネルギーの循環を調節し、影響を与える多種多様なウイルスも検出しています。

別の研究では、マリアナ海溝の1万メートルの海水中に、炭化水素を分解する細菌である「石油を食べる」微生物が多数存在することが判明した。これらはアルカンを効果的に分解できるため、アルカンは水深1万メートルの水域の微生物にとって重要な「燃料」である可能性が示唆される。

それだけでなく、科学者たちはマリアナ海溝の堆積物の中に、好気性呼吸遺伝子と嫌気性呼吸遺伝子の両方を持つ、つまり好気性環境と嫌気性環境の両方で粘り強く生き残ることができる「水陸両用」微生物も発見しました。

さらに驚くべきことは、深淵の下で、沈み込み帯の海洋リソスフェアの岩石の変化によって生成された流体が、特別な生命群を育んでいることです。これらの生命は地下14キロメートルでも生き延びる可能性がある。これは地球上で最も深く隠された生命なのかもしれない。

深淵の中には、私たちが発見するのを待っている未知の生命がいくつあるのでしょうか?深海生物と陸上や浅瀬の生物との類似点、相違点、つながりは何でしょうか?さまざまな深淵の生命体の間にはどのような関係があるのでしょうか?深海生物の環境適応メカニズムとは？超高層帯の微生物は地球の気候調節においてどのような役割を果たしているのでしょうか?深海生物については疑問が多すぎます。これらの疑問を解決することで、深海生物資源ライブラリーや遺伝子資源ライブラリーの構築に役立ち、深海生物資源の開発の基盤が築かれます。

最後の「浄土」の喪失――奈落の汚染

人類から遠く離れた一万メートルの深淵は、本来は浄土であるはずだった。しかし、有人潜水艇は深海でビニール袋、缶、漁網などのゴミを発見しました。マリアナ海溝でのサンプル調査を通じて、マイクロプラスチック、POPs、メチル水銀などの人為的汚染物質が深海水、堆積物、さらには生物の中にも含まれていることが判明しました。この汚染は深海の生物や地球の生態系にどのような影響を与えるのでしょうか?どのような連鎖反応が起こるでしょうか?科学者たちも懸命に探究に取り組んでいます。

ハダル溝で発見されたゴミ

写真/有人潜水艇「ストラグラー」

ハダル海溝：地球外海洋研究の実験場

深海の代表的な海溝である超深海溝は、地球外の海洋世界を探査するための試験場です。近年、深宇宙を研究する科学者たちは、深海という新たな発見をしました。彼らは、深海のいくつかの極限環境がエウロパやエンケラドゥスの氷の下の条件に似ている可能性があることを発見した。したがって、極限の深海環境での生命を研究することは、地球外の海洋での生命の探索に役立つでしょう。現在、米国、欧州、中国の深宇宙・深海分野の科学者や技術者は、地球深部の極限環境の探査を通じて、将来的には地球外の海洋を現地で検出することを目指して緊密に協力しています。

深海研究の強力なツール：有人潜水艇

極めて高い静水圧は、超深海探査にとって大きな課題となります。深海観測とサンプリング技術の制限により、超深海生命プロセスの研究は比較的ゆっくりとしか進んでいません。有人潜水艇は、科学者を深淵の底まで連れて行って個人調査や撮影を行うことができるだけでなく、水、堆積物、岩石、マクロ生物、微生物などのさまざまなサンプルを採取することもできます。これは、深海地球科学システムの形成と進化、生命の起源と環境適応、生物多様性と気候変動などの主要な科学的問題を研究する上で非常に重要であり、深淵科学研究の主要な問題を実際に解決しました。

「闘士」名刺

基本パラメータ:

マザーシップ：ディスカバリーワン

最大作業深度:

11000メートル

サイズ: 長さ10.26m、幅3.17m、高さ4.4m

重量: 36t

ペイロード：

200kg（空中）

10,000メートル深海潜水時間:

12時間

定員: 3人

水中最大速度：2.5ノット

有人キャビン内径：1.8m

観察窓の数: 3

平均上昇率と下降率:

60m/分

有人潜水艇「フェンドウゼ」は、国家重点研究開発計画の重点特別プロジェクト「深海重点技術・装備」の支援を受けて開発された深海装備である。これは我が国初の有人による世界海域への進入能力を備えた重要な装備であり、また、独立した知的財産権を有する初の全深度有人潜水艇でもあります。 2020年11月、「Fendouzhe」は1万メートルの海上公試を完了し、 1万909メートルという中国の有人深海潜水記録を樹立した。中国科学院深海科学工程研究所は、地球規模海溝探査潜水プログラム（Global TREnD）を積極的に展開し、実施した。ケルマディック海溝における中国とニュージーランドの合同深海潜水探検の第一段階が成功裏に完了したことは、Global TREnD プログラムにとって確かな前進を意味します。科学探検隊は今後も「粉豆浙」の深さと技術的優位性を活用し、中国の深海潜水科学研究を世界中の多くの典型的な海溝に拡大し、超深海地質学、生命科学、環境科学の多国籍、体系的、学際的な総合的な深海潜水調査を実施していく。

このような強力なツールがあれば、近い将来、深淵の溝の謎が一つずつ明らかになっていくと信じています。

情報源:

この記事はKong Xiuから転載したものです。海溝の過去と現在 - 深海研究はなぜ海溝に焦点を当てるべきなのか? [EB/OL]。 「Ocean World Culture Unlimited」公開アカウント、2022-12-16。

執筆者：孔秀;アートエディター：Shi Yuqing

編集者: Li Weishan 査読者: Cai You