DNRA stimulates aerobic microbial processes and restructures the surface planktonic community in the Chilean OMZ
チリ沿岸の酸素最小層の生物地球化学モデルに、硝酸塩非脱窒（DNRA）を組み込むことで、DNRAは主に窒素を酸素レベルへの影響を最小限に抑えつつ再循環へと転換するものの、予期せぬことに、硝化作用の促進を通じて亜硝酸塩およびアンモニウム濃度を低下させ、それによって表層水における大型の植物プランクトンおよび動物プランクトンの成長を刺激することを、この研究は明らかにしている。
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海洋は静止した水の溜まり場ではなく、栄養塩の移動によって駆動される、広大で呼吸するエンジンのようなものである。このエンジンの中心にあるのは窒素であり、これは微細な単細胞藻類から巨大なクジラに至るまで、あらゆる海洋生命にとって不可欠な化学元素である。世界の多くの地域において、海洋は窒素に飢えており、その利用可能性が海がどれほどの生命を支えられるかを決定している。しかし、酸素最小層として知られる特定の領域では、物語はより複雑になる。これらは、酸素が補充されるよりも速く消費されてしまい、窒息しそうな環境を作り出している深い水層である。これらの暗く低酸素の領域では、異なるルールが適用される。微生物が主役となり、酸素のない状態で有機物を分解するが、このプロセスはしばしば海洋から利用可能な窒素を奪い去り、大気中へと逃げていくガスへと変えてしまう。数十年にわたり、科学者たちはこれらの領域を主に窒素が永遠に失われる場所、つまり海洋の生産性を制限する生物学的な行き止まりであると考えてきた。
研究チームは、脱窒素（DNRA：硝酸塩をアンモニウムへと還元する異化的なプロセス）と呼ばれる特定の微生物プロセスに焦点を当てることで、この長年の見解に異を唱えた。その名称は専門的に聞こえるが、メカニズム自体は単純である。酸素が存在しない状況下で、特定の細菌が、窒素の一形態である硝酸塩を、植物が利用できるもう一つの形態であるアンモニウムへと直接変換するのである。システムから窒素を取り除く他のプロセスとは異なり、DNRAは窒素を循環させ続ける。研究者たちは、地球上で最も激しい酸素最小層の一つが存在するチリ中央部沿岸の海域を用いて、高度なコンピュータモデルを構築し、このリサイクルプロセスが活性化している場合に何が起こるかをシミュレーションした。彼らは、DNRAが単にアンモニウムを増やすだけではないことを発見した。むしろ、DNRAは連鎖反応を引き起こして生態系全体を根本的に再編し、窒素の喪失領域を、窒素の保存と驚くべき新たな成長の領域へと変貌させるのである。
研究者たちは、深海から栄養豊富な冷たい水が湧き上がり、プランクトンの大規模なブルーム（大量発生）を促しているチリ沖合の「デジタルツイン」を構築した。彼らはこのモデルに、実際の海洋では観察されているものの、大規模なシミュレーションには決して統合されてこなかったDNRAプロセスを組み込んだ。そして、従来の水の機能に関する見解を表す「DNRAが存在しない」シナリオと、「DNRAが活性化している」シナカリオの2つを実行した。結果は直感に反するものだった。科学者たちは、DNRAがアンモニウムを生成することで、水中のこの栄養塩濃度を単に増加させると予想していた。しかし、モデルが示したのは、DNRAの存在によって、対照実験と比較してアンモニウムと亜硝酸塩の両方のレベルが、それぞれ2倍および5倍の係数で大幅に低下したということであった。
このパラドックスは、DNRAによって生成されたアンモニウムが、別のグループの微生物、すなわち硝化菌によって即座に捕らえられたために起こった。これらの好気性生物は酸素を必要とし、新しく生成されたアンモニウムを急速に酸化して硝酸塩へと戻す。これにより、窒素が蓄積したり逃げ出したりすることなく、異なる化学形態の間で絶えずリサイクルされる、緊密で効率的なループが形成された。この急速なリサイクルによって生成された硝酸塩は、海流によって日光の届く表層へと運ばれる。そこで、それは強力な肥料として機能するが、そこには一癖ある。その余剰な硝酸塩は、通常この海域を支配している小さな単細胞藻類を育てるのではなく、より複雑な食物網の構成要素である珪藻のような、より大きな植物プランクトンの成長を促進するのである。
食物網の底辺におけるこの変化は、上方へと波及していった。大型の植物プランクトンが繁栄するにつれ、それらを餌とする小型の動物プランクトン（微小な甲殻類）の急増を支えることになった。逆に、小型の植物プランクトンや小型の動物プランクトンの個体数は減少した。モデルは、生態系全体がこの新しい栄養塩の流れに合わせて構造を再編していることを明らかにした。また、このプロセスは窒素の損失のバランスをも変えた。DNRAがない従来のシナリオでは、窒素をガスへと変換するプロセスを通じて、海洋はかなりの量の固定窒素を失っていた。DNRAが活性化すると、これらの損失経路は抑制された。栄養塩をめぐる競争の結果、システムから窒素を奪い取る細菌が利用できる窒素が少なくなり、結果として窒素を海洋の食物網の中に閉じ込め、再び生命が利用可能なものとしたのである。
この研究はまた、物理的な海流がこの生物学的なダンスにおいて果たす重要な役割を浮き彫りにした。風と地球の自転によって駆動される水の湧昇運動が、リサイクルされた硝酸塩を深層の酸素の乏しい層から表層へと運び出した。この物理的な輸送こそが、深海の微生物活動が表層のエコシステムに影響を与えるための架け橋となった。研究者たちは、この結合が強固であることを発見した。細菌の働きがどれほど速いか、あるいはプロセスを誘発するためにどれほど少ない酸素が必要かといった不確実性を考慮してモデルのパラメータを調整しても、主要な結果は変わらなかった。システムは一貫して、深層のリサイクルプロセスが表層の生産性を刺激するという状態へとシフトした。
これらの知見は、酸素最小層を単なる窒素喪失の砂漠とする古典的なイメージが不完全である可能性を示唆している。DNRAが活性化している領域では、これらの層は単なる喪失の場ではなく、内部リサイクルのエンジンとして機能し、予想よりも高いレベルの生産性を維持している可能性がある。本研究は、世界の窒素循環の全容を解明したと主張しているわけでも、このプロセスがどこでも起きていると示唆しているわけでもない。しかし、DNRAを無視することは、海洋に保持されている窒素量と食物網の構造を著しく過小評価することにつながるという、シミュレーションに基づく説得力のある議論を提供している。研究者たちは、自然が彼らのデジタルモデルが予測する通りに振る舞うかどうかを確認するために、特に表層と深層の両方におけるアンモニウムレベルの、より頻繁で詳細な実測が必要であると強調している。微小なプロセスがいかにして深海から表層に至る生命の豊かさを形作るかを明らかにすることで、この研究は、複雑に相互接続された海洋の機構を捉えるための新たな視点を提供している。
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