地球の酸素の20%を生産していますが、現在は死につつあります...

地球上のほとんどの生命にとって、生きていくためには酸素を呼吸することが不可欠です。私たちが今日呼吸する酸素のほとんどは、植物による光合成など、生物によって生成されています。しかし、最も重要な酸素生成者は、私たちがよく知っている木々ではなく、水中の微小な生物であり、その中で最も重要なグループの一つが珪藻類です。珪藻は極めて小さな単細胞藻類で、そのほとんどは数ミクロンから数十ミクロンの長さしかなく、数個は針の先に収まるほどです。しかし、顕微鏡でこれらの小さな生物を観察すると、その美しい外観に衝撃を受けるでしょう。実際、あなたが見ているこれらの美しい構造は、珪藻類の細胞壁であり、「シリカ殻」としても知られています。

1500 倍の顕微鏡で見た珪藻の殻 (画像提供: Massimo brizzi/Wikipedia)

植物や動物とは異なり、珪藻類はシリカ（水和シリカ）でできた細胞壁を持っています。シリカは宝石のオパールと同じ材料です。オパールの色の遊びと同様に、珪藻類の細胞壁も鮮やかな構造色を示します。

オパールの色の遊び（画像提供：Dpulitzer）

このような硬い殻のおかげで、珪藻類は地球上で絶対的な勝者となったのです。珪藻類には2万種以上の種が知られており、世界中の海、川、湖に分布しています。温泉や南極海でも珪藻を見つけることができます。

このような広範な配布は、大きな生産性ももたらします。平均して、私たちが呼吸する酸素の 20% ～ 30% は珪藻類によって生成されると推定されています。この数は「地球の肺」と呼ばれる熱帯雨林の数をはるかに上回ります。珪藻類は酸素を生成すると同時に、環境から大量の二酸化炭素を吸収し、それを海の深いところに蓄えています。 「珪藻は海洋で最も重要なプランクトンの一つです」とGEOMARヘルムホルツ海洋研究センターの海洋生物学者ヤン・タウチャー氏は珪藻への関心について語る。 「これらの変化は海洋食物連鎖に大きな変化をもたらし、さらには炭素吸収源としての海洋の二酸化炭素吸収能力に変化をもたらす可能性がある。」

パート1

海洋酸性化

気候変動が私たちの海を脅かしていることは誰もが知っています。大気中の二酸化炭素が海水に溶け込み、海水の酸性度が高まります。炭酸塩殻（主に炭酸カルシウム）を持つ海洋生物にとって、これはほぼ災害です。酸性化した海水では、これらの生物は炭酸カルシウム殻を形成する過程でより多くのエネルギーを消費することになります。そして、海水の酸性化が進み、炭酸塩濃度が低下しすぎると、炭酸塩の殻が溶解してしまう可能性もある。これはまさに、多くの地域でサンゴや貝が経験している災害である。

海洋酸性化が進むにつれ、多くの海洋生物の炭酸塩殻が脅かされている（画像提供：NOAA）

しかし、珪藻類の場合、気候変動の話ははるかに複雑です。多くの研究は、珪藻類は理論的には海洋の酸性化に抵抗する能力を持ち、気候変動から利益を得る可能性さえあることを示唆している。

一方、珪藻は光合成が可能な微生物であるため、海水中の溶存二酸化炭素の量が増加すると、二酸化炭素を吸収しやすくなり、光合成速度を高めることができます。一方、酸性環境ではシリカの溶解速度が低下するため、珪藻類は少ない労力で独自の「シリコン小屋」を構築することができます。問題は、これらが単なる理論的な推測に過ぎないということです。単細胞藻類でさえ、非常に複雑な生命システムを持っています。気候変動下での珪藻類のより具体的かつ可能性のある運命を知るためには、さらなる研究が必要です。最近、タウシェル氏とその同僚は、珪藻類に関するこれまでの議論では珪藻類の生存を脅かす可能性のある重要な要素がしばしば見落とされていることを発見した。

パート2

シリコン不足

海洋に生息する多くのプランクトン種では、窒素や鉄などの主要な栄養素の濃度によって分布が決まります。しかし、珪藻類は海水中のケイ素をより重視します。海水中のケイ酸塩は一般に不飽和状態にあるため、珪藻類の殻は実際には海水によって容易に侵食され溶解します。珪藻は生きているとき、保護のために殻の外側に有機被膜を分泌します。しかし、珪藻が死ぬと、この保護コーティングはバクテリアによって分解されます。重力によって貝殻が深海に落ちると、貝殻に含まれるケイ素も「途中で」海水中に放出され、海面の珪藻類が消費するケイ素をある程度補うことになります。このように、珪藻類自体が「生物ポンプ」として機能し、海水中のケイ素をポンプのように表層から深層へと運び、その後、地球規模の海洋循環を通じて再び海面へと運び、次の珪藻類の群れが利用できるようにします。

顕微鏡で見ると、珪藻は宝石のように輝いている（画像提供：ワトソン＆サンズ）

気候変動による海洋環境の変化をシミュレートするために、タオ・フアーの研究チームは、囲い込み実験という手法を採用した。つまり、5つの海洋それぞれから海水を隔離し、人工的に出し入れすることで正常な海水循環を維持したのだ。それはまるで海の中で5本の巨大な試験管を切るようなものです。研究者は、試験管にさまざまな濃度の二酸化炭素を投入して、さまざまな程度の海洋酸性化シナリオをシミュレートすることができます。研究者らは、これら5つの試験管で、中程度の排出シナリオ（RCP 6.0）と高排出シナリオ（炭素排出を制御するための措置を講じていない、RCP8.5）における海水の酸性化の程度をシミュレートした。結果は、海洋堆積物中の窒素に対するケイ素の比率が平均17％増加したことを示しました。つまり、海水の酸性度が高くなると、より多くの珪質の殻が海水に溶けるのではなく、堆積物に沈んでいきます。

パート3

珪藻ドミノ

さらなるモデリング研究により、さらなる懸念が生じました。海水中のケイ素の分布は、主に「珪藻ポンプ」と海洋循環輸送という 2 つの要因によって影響を受けます。しかし、海水の酸性化が深刻になると、殻の溶解速度が遅くなり、より多くの珪藻殻が死後海底に直接沈み、長期間そこに留まり、上層の海水に十分なケイ素を補給できなくなります。海洋循環では明らかにこの隙間を埋めることができず、そのため後から成長する珪藻類は自身の殻を作るのに十分なケイ素を得ることができない。

海洋酸性化は、海面水に含まれるケイ酸塩濃度の大幅な減少につながる（赤は増加、青は減少を表す、画像出典：原著論文）

シミュレーション結果によると、高排出量シナリオでは、海洋表面のケイ酸塩濃度は2200年までに約27％低下し、珪藻類の数は直接的に26％減少することになる。これほど多くの一次生産者が失われた場合、地球上の他の生命も大きな影響を受けることになります。論文の中で研究者らは、「生態系の機能と炭素循環に対する関連の影響を評価することはより困難である」こと、そして現在のデータでは食物連鎖の他の消費者に対するドミノ効果について議論されていないことをより懸念している。

画像クレジット: ハワード・リンク

いずれにせよ、この発見は、地球システムにおける気づかれていないフィードバック機構が、環境や生物の変化に関する予測をどのように変える可能性があるかについての警告となる。私たちはまだ、地球とそこに生息する生命体がどのように相互作用するかについて十分に理解していないのだ。タウチャー氏にとって、この発見は衝撃的な驚きだった。「これは、気候変動に対処するために迅速かつ断固とした行動を取らなければ、私たちが直面する計り知れないリスクを最も強く思い出させるものの一つです。」

出典: グローバルサイエンス

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