海洋は、世界中で人為的に排出された二酸化炭素を最大30％吸収し、溶け込んだ炭素を数百年にわたって貯留してきました。過去1世紀に二酸化炭素の吸収量が増えるにつれ、世界の海洋の酸性度も高まってきました。産業革命以前から今日までに、海洋のpHは平均8.2から8.1へと低下しています。気候変動の予測によると、2100年までにこの数値はさらに下がって約7.8になるとされています。これは、現在の外洋の海洋生物群集で見られるいかなる水準と比べても大幅に低い値です。
今回、MIT、アラバマ大学、その他の機関の研究者チームは、こうした海洋酸性化の進行が、海洋食物連鎖の基盤を成す海洋表層の微生物である植物プランクトンの世界的な個体群に劇的な影響を及ぼすことを明らかにしました。
学術誌『Nature Climate Change』に本日掲載された研究で、研究者らは、2100年までに海洋酸性化が進むと、植物プランクトンに様々な反応が引き起こされると報告しています。一部の種は絶滅する一方、他の種は繁栄し、世界中のプランクトン種のバランスが変化するというものです。
研究者らはまた、植物プランクトンの反応を海洋酸性化だけでなく、気温上昇や栄養塩供給の減少など、気候変動の他の予測される要因とも比較しました。例えば、チームは数値モデルを用い、地球温暖化に伴い植物プランクトン全体が大きく移動し、大半の個体群が極方向へ移動することを示しました。しかし、全球シミュレーションに基づくと、最も劇的な影響は海洋酸性化に起因することが分かりました。
MITのCenter for Global Change Scienceの主任研究科学者であるStephanie Dutkiewiczは、科学者らは海洋酸性化が海洋生物の個体群に影響を与える可能性を以前から疑っていたものの、今回の研究結果は、植物プランクトン、ひいてはそれを餌とする種も、従来の推定を大きく上回る混乱に見舞われる可能性を示唆していると述べています。
「私は常に気候変動を全面的に信じてきましたし、誰にとっても良くないので、警鐘を鳴らしすぎないよう努めています」と、本論文の筆頭著者であるDutkiewicz氏は述べています。「しかし、実のところ結果には大変驚きました。さまざまな起こりうる変化が非常に多く、植物プランクトンの種によって反応が異なるという事実は、21世紀の過程で群集に相当に衝撃的な変化が生じうることを意味します。群集全体の再編は、より上位の食物網にとっても、また炭素の循環などにとっても重要な意味を持ちます。」
共著者には、MIT地球・大気・惑星科学科の准教授であるMick Followsが含まれます。
勝者と敗者
植物プランクトンの個々の種が、より酸性の強い環境にどのように反応するかを把握するため、チームはメタ分析を実施しました。他の研究者が単一種の低pH条件下での成長を調べた49本の論文のデータを集めています。こうした実験では、通常、生物をフラスコに入れ、酸性度の異なる溶液中でそのバイオマスを記録します。
論文全体では154件の植物プランクトンの実験が検討されました。研究者らは、この種を珪藻類、Prochlorococcus、円石藻類などを含む6つの大まかな機能群に分け、より酸性の強い条件下での成長速度を整理しました。機能群内であっても、酸性度の上昇に対する反応は多様であり、通常より速く成長する「勝者」がいる一方で、絶滅する「敗者」もいることが分かりました。
実験データは主に、制御された実験室環境における個々の種の反応を反映したものでした。研究者らはその後、実験データを全球海洋循環モデルに組み込み、互いに競合する複数の種が、酸性度の上昇にどのように反応するかをシミュレーションしました。
研究者らは、MITの全球循環モデル（海流、水温、塩分などの物理現象をシミュレートするもの）を、96種の植物プランクトンの挙動をシミュレートする生態系モデルと組み合わせました。実験データの場合と同様に、研究者らは96種を6つの機能群に分け、実験で観察された反応の範囲に基づいて、各群に海洋酸性化に対する反応の範囲を割り当てました。
自然な競争のバランスの崩壊
96種について異なる反応の組み合わせを用いて全球シミュレーションを数回実施した後、研究者らは、海洋酸性化によって一部の種が速く成長し、他の種が遅くなる一方で、種間の自然な競争関係も変化することを確認しました。
「通常、進化の時間スケールでは、複数の種が共存できる安定した状態に落ち着きます」とDutkiewicz氏は述べています。「しかし、一方の種が有利になっても、もう一方も有利になるかもしれないものの、その伸びが小さければ、競争に敗れてしまう可能性があります。そのため、反応がわずかに異なるだけで、種全体が消滅してしまうことさえあり得るのです。」
Dutkiewicz氏は、プランクトンのレベルでの競争の変化が、食物連鎖のさらに上位にも大きな影響を及ぼす可能性があると述べています。
「一般に、ホッキョクグマは珪藻類を餌とする生物を食べるものであり、例えばProchlorococcusを餌とする生物によって餌とされることはおそらくないでしょう」とDutkiewicz氏は述べています。「食物連鎖全体が変わってしまうのです。」
2100年までに、温暖化する海水のため、海洋の局所的な構成も大きく異なるものとなる可能性があります。モデルは、多くの植物プランクトンの種が極方向へ移動すると予測しています。例えば、ニューイングランド沿岸では、次の世紀に海洋生物群集が大きく異なって見えるかもしれません。
「ボストン港に行って一杯の水を汲み、顕微鏡で見てみると、後になればまったく異なる種が見られるでしょう」とDutkiewicz氏は述べています。「2100年には、今はノースカロライナ寄りに生息している種が、ボストン近くで見られるようになるでしょう。」
Dutkiewicz氏は、このモデルは海洋酸性化が海洋の世界をどのように変えうるかについての大まかな概観を示すものだと述べています。より正確な全体像を得るには、自然環境における競争を促すため、複数の種を用いたさらなる実験が必要だと述べています。
「要点は、海洋がより酸性化するにつれて、競争がどれほど重要になるかを知る必要があるということです」と彼女は述べています。
本研究は、米国国立科学財団およびゴードン・アンド・ベティ・ムーア財団によって一部資金提供を受けました。
本記事は MIT Newsとの協力により掲載されています。この掲載は、世界経済フォーラムによる見解の支持を意味するものではありません。
Agendaの最新情報を追うには、 週刊ニュースレターにご登録ください。
著者：Jennifer Chuは MIT News に執筆しています。
画像：シナイ半島最南部、シャルム・エル・シェイクの南約30km（19マイル）に位置するRas Mohamed保護区のサンゴ礁。REUTERS/Asmaa Waguih
