海の最も澄んだ水の中にさえ、地球規模での海洋と気候の変化を示す手がかりが隠されている。海全体には様々な化学元素が微量に存在しており、そこで起きている生物学的反応や物理的プロセスの状況を明らかにしうる。
研究者たちは、これらの微量元素が海洋について正確に何を教えてくれるのかを理解するため、長年研究を続けてきた。そこには、微細な藻類が光合成によって大気中の炭素を取り込み、多くの海洋生物の食物を生み出す仕組みや、この炭素の隔離と生物生産が気候変動に応じてどのように変化しているかが含まれる。
しかし現在、科学者たちは、海底を深く掘り下げて過去の微量元素の堆積記録を探ることで、はるか昔に気候変動がこれらのシステムにどのような影響を与えたかを明らかにできるかもしれないと提案している。過去を理解することは、将来何が起こるかを見極める鍵となりうる。
微量元素は、海洋について驚くほど多くのことを教えてくれる。例えば、海洋中の亜鉛の濃度は、「海洋コンベアベルト」を通じて地球全体に大量の熱と栄養塩を運ぶ深層水の物理的特性と驚くほど似ている。亜鉛と海洋循環のこの注目すべき関連性は、高解像度の観測やモデリング研究によって、ようやく理解され始めたばかりである。
鉄のように生命に不可欠な微量元素があり、バリウムやネオジムのように藻類の生物生産性に関する重要な情報を明らかにする元素もある。これらの元素の同位体（原子量の異なる変種）は、進行中の化学反応や生物学的反応の種類と速度を解明する手がかりとなりうる。
これらの元素の多くは、ごくわずかな量でしか存在しない。しかしここ数年、野心的な国際プロジェクトであるGEOTRACESは、最先端の技術と分析手法を用いて微量元素を採取・分析し、現代の海洋の化学的性質を前例のない詳細さで解明してきた。これにより、栄養塩と炭素が海洋中をどのように移動し、生物生産にどのような影響を与えているかについて、現時点で最も完全な全体像が得られつつある。
炭素の工場
生物生産は、様々なプロセスとサイクルが複雑に絡み合ったものである。一次生産とは、藻類によって有機物に変換される炭素の量を指す。正味輸出生産とは、有機物に取り込まれた炭素のうち、微生物の餌として利用されずに深海へ沈降する、わずかな割合を指す。さらにその一部のみが、最終的に海底の堆積物に蓄積される。
藻類は炭素だけでなく、様々な微量元素も有機物中に取り込み、蓄積している。そのため、利用可能なあらゆる化学情報を用いることで、藻類が どのように成長し、沈降し、海洋内に埋没していくのかについて、全体像を把握できる。また、古い堆積岩の層にさまざまな金属や同位体がどのように取り込まれているかを調べることで、これらの変化を時間の経過に沿って再構築できる。
これは、これらの堆積アーカイブをプロキシ記録として利用できることを意味する。栄養塩の利用、正味一次生産、輸出生産、沈降速度を示す記録として利用できるということである。これにより、比較的最近の地球史だけでなく、遠い過去の時代においても、海洋が気候変動によってどのような影響を受けるのかという問題の解明に着手できるはずだ。
例えば、科学者たちは、現代の海洋内で進行しているプロセスを明らかにするだけでなく、数万年前の海底化石や、5億年以上前の古い岩石に含まれる亜鉛同位体を分析してきた。この情報を用いて、地質学的時間の経過の中で海洋の栄養塩がどのように変化してきたかの全体像を再構築できることが期待されている。
ただし、この研究には注意すべき点もある。現代の生物地球化学に関する知見を、岩石がどのように形成され、地球化学的シグナルがどのように保存されるかについての理解と結びつける必要がある。そうして初めて、先史時代の海底のプロキシ記録について、確かな解釈ができると確信できる。
では、どのようにしてこれを進めるのか？ 2018年12月、GEOTRACEの科学者たちは、地球が過去の気候変動にどのように対応してきたかを再構築する専門家である、別の研究プロジェクトPAGESのメンバーと会合を持った。私たちが考案したアプローチの一つは、本質的に時間を逆にたどることである。
まず問うべきは、海洋堆積物にどのようなアーカイブ（貝殻、堆積粒子、有機物）が保存されているのかということである。次に、海水中の有用な金属や同位体のシグナルのうち、どれがこれらのアーカイブに取り込まれるのかを問う必要がある。深海堆積物の表層の試料を用いて、これらのアーカイブが海洋条件について実際に有用かつ正確な情報を提供しているかどうかを検証できるだろうか。
この問いは逆向きに立てることもできる。まだ調査されていない新たな同位体システムが存在するかどうかを問うことができるのである。GEOTRACESが、新たなプロキシの端緒となりうる海洋化学の興味深いパターンを明らかにしたかどうかを知りたい。もしそうであれば、これらの海洋アーカイブを用いて、海洋有機物への炭素の取り込みが、将来の気候に対してどのように応答し、またフィードバックとして作用するのかを解明できるかもしれない。
例えば、二酸化炭素濃度が高まり、より温暖になった世界では、藻類の成長が促進されるだろうか。そのなら、藻類は過剰なCO₂をより多く吸収し、人為的な炭素排出を抑える役割を果たすかもしれない。それとも、藻類の生産性が低下し、有機物の捕捉量が減少することで、将来的な大気の温暖化がさらに加速するのだろうか。その答えは、すべて海底に隠されているのかもしれない。
