Sinking particle fluxes and nitrogen loss in the eastern tropical North Pacific oxygen deficient zone measured using incubating sediment traps

太陽の光が降り注ぐ広大な海洋の上層部では、植物プランクトンと呼ばれる微小な植物が成長・増殖し、海洋食物網の基礎を形成しています。これらの生物が死滅したり、動物がそれらを食べて排泄物を出したりすると、この有機物は雪の結晶のように暗い深海へと沈んでいきます。沈降するにつれて、細菌やその他の微生物がそれらを分解しますが、このプロセスは酸素を消費します。海の大半の地域では、この酸素は海流や混合によって迅速に補充されます。しかし、赤道付近の特定の海域では、海水が非常に安定しており、酸素の消費が極めて激しいため、酸素がほとんど存在しない厚い水層が形成されます。科学者たちはこれらを酸素欠乏帯と呼んでいます。これらの暗く空気のない環境では、異なる種類の微生物の生命が主役となります。酸素を吸う代わりに、これらの微生物は生存のために窒素化合物を利用しており、このプロセスは最終的に窒当ガスを大気中に放出します。この窒素の除去は海洋化学の重要な一部であり、地球規模で海洋がどれだけの植物生命を支えられるかに対するブレーキとして機能しています。

何十年もの間、科学者たちはこれらの帯域でどれほどの窒素が失われているのか、そしてこのプロセスの燃料がどこから来るのかを正確に理解しようと努めてきました。支配的な見解は、窒素の損失は、上層から降り注ぐ死んだ植物や動物の絶え間ない雨のように、沈降する有機物によってほぼ完全に引き起こされているというものでした。これを測定するために、研究者たちは伝統的に、数週間あるいは数ヶ月にわたって沈降する破片を収集するために、海底に設置されたり一定の深さに漂ったりする長期設置型のトラップを使用してきました。しかし、これらの長期的な展開は、システムにとって極めて重要かもしれない短期間の活動の急増を見落としてしまうことがよくあります。さらに、これらの深海の酸素不足の帯域から水サンプルを採取して地上へ持ち上げることは非常に困難です。水が空気に触れた瞬間に、中の微生物に必要な繊로細な化学バランスを損なう酸素による汚染が生じる可能性があるからです。

メーガン・ダフィー率いる研究チームは、深海を研究所に持ち込むのではなく、研究所を深海に持ち込むことによって、これらの問題を解決しようと試みました。彼らは、世界最大の酸素欠乏帯が存在する東部熱帯太平洋に、新しいタイプの装置を配備しました。これらの装置は、インキュベーション・チャンバー（培養室）を備えた、高度なフリーフローティング型（自由浮遊型）堆積物トラップです。単に落下する粒子を収集するだけでなく、これらのトラップは特定の深さでゲートを閉じ、中の水と沈降粒子を閉じ込め、さらに特殊なトレーサーを注入することで、微生物がどれくらいの速さで窒素をガスに変換しているかを、本来の住処である冷たく暗い無酸素の圧力下で維持しながら測定することができます。チームは2017年、2018年、2019年の3回の航海にわたって実験を行い、酸素不足の層内の様々な深さでデータを取得しました。

結果は、標準的なモデルが予測していたよりもはるかにダイナミックで驚くべき海洋の姿を明らかにしました。研究者たちは、沈降する粒子の流れが、数十年にわたって予想されていた滑らかで予測可能な減少には従わないことを発見しました。深く沈むにつれて単に薄くなっていくのではなく、有機物の量は酸素欠乏帯内の特定の深さにおいて実際に増加していました。この「逆転フラックス」は、新鮮な有機物が単に表面から降ってくるだけでなく、その水中に存在するソースから、酸素欠乏帯の中央部へと注入されていることを意味していました。チームは、この局所的な生産の主な供給源として2つの主要なソースを特定しました。第一に、酸素欠乏帯の上部において、低光量に適応したシアノバクテリアの一種である二次的な緑藻の層が成長し、沈降する流れに新鮮な物質を加えていました。第二に、より深い場所では、動物プランクトンや小型魚類のような回遊動物が水柱を上下に移動し、排泄物や断片を放出することで、それらの特定の深さにおける有機物を増加させていました。

研究者が窒素ガスの生成速度を測定したところ、これらの局所的な有機物のソースが、以前考えられていたよりも強力にプロセスを駆動していることが分かりました。実験によれば、沈降粒子上に生息する微生物が、窒素損失の大部分を担っていました。実際、水サンプルを地上に持ち上げて行う従来の調査による測定値よりも、深海で直接測定された窒素生成速度の方が高かったのです。これは、従来のサンプリング手法が、最も活発な微生物のホットスポットを見逃していた可能性を示唆しています。おそらく、これらの反応を促進する大きな粒子が、標準的な水採取用ボトルでは捕らえきれないほど速く沈降してしまうためです。粒子と水を自然な環境の中で一緒に保持することで、新しいトラップは生物活動の真の強度を捉えることができました。

この研究は、失われる窒素の量が、海洋の最表層で成長する植物の量に厳密に結びついているという考えにも疑問を投げかけました。表面の生産性も重要ではありますが、研究者たちは、沈降する粒子のフラックスが、表面の成長が激しく変動する場合でもしばる一貫していることを発見しました。これは、システムが単に上方から降ってくるものだけでなく、暗い帯域の中で自ら作り出されるものによっても燃料を補給しているためです。シアノバクテリアや回遊動物は、内部エンジンとして機能し、表面の水が静穏な時であっても、窒素を除去する微生物に餌を与える新鮮な有機物を生成しています。この発見は、海洋の窒素収支の仕組みに関する理解を変えるものです。気候変動によってこれらの酸素欠乏帯が拡大し、新たな領域へと移動していく中で、海洋は表面の生産性が低下したとしても、これらの内部ソースによって高い割合で窒素を失い続ける可能性があることを示唆しています。

研究者たちは、測定に基づき、この地域で年間におよそどれだけの窒素が失われるかを算出しました。沈降粒子のみで年間約24.0テラグラムの窒素が失われ、水の溶解成分を含めると、総損失量は40.7テラグラムに達すると推定しています。これらの数値は、異なる手法を用いた以前の推定値とも密接に一致しており、新しいアプローチの信頼性を裏付けています。しかし、重要なポイントは総量ではなく、そのメカニズムです。この研究は、海洋が表面の堆積物の受動的な受け手ではなく、暗闇の中の生命がグローバルな窒素循環を駆動するための自前の燃料を作り出す、能動的で自立したシステムであることを証明しています。海洋を自然な状態で観察することにより、チームは、深海を地上に持ち出すという妨げを受けることなく、地球上で最も重要な化学プロセスの一つについて、より明確で正確な視点を提供したのです。