RESEARCH HIGHLIGHT

HIGHLIGHT: シャコガイ殻に残された台⾵の痕跡〜新たに発⾒ 過去の台⾵の復元指標〜

概要:本研究では台風を経験したシャコガイの殻を調べることで,これまで復元できなかった過去の台風の情報を復元する方法を発見しました。近年,地球温暖化に伴い台風をはじめとした大型の熱帯低気圧の増加が危惧されています。今後の 熱帯低気圧の発生頻度を予測には,現在よりも温暖だった時代の熱帯低気圧の頻度を調べることが重 要です。 大型の二枚貝であるシャコガイは成⻑が早く,殻は時間的に高い精度で古環境について調べられる 指標として注目されています。日本に接近する台風の通り道である沖ノ鳥島でシャコガイの殻を調べ たところ,台風通過時に殻の化学組成,成⻑線幅の変化が生じることを発見しました。本研究の成果 は,シャコガイ殻から過去の台風をこれまでにない高い時間的精度で復元できる可能性を示唆してい ます。

 地球温暖化に伴い,台⾵をはじめとした⼤型の熱帯低気圧の発⽣頻度が⾼まることが危惧されています。地球には過去にも温暖な時代があったため,今後の熱帯低気圧の発⽣頻度を予測するためには,現在より温暖だった時代の熱帯低気圧の頻度を調べることが重要です。しかし,過去の熱帯低気圧の古環境記録は古⽂書や堆積物などによるものが主であり,古⽂書がない時代ではその発⽣時期まで復元することは困難でした。熱帯・亜熱帯にかけて⽣息し,最⻑で100 年以上の寿命を持つ⼆枚⾙であるシャコガイは,体内に褐⾍藻*1 を共⽣させることで,光合成による栄養分で成⻑することができます。その殻には昼夜のリズムに対応し,数⼗マイクロメートル間隔で⼀⽇⼀本の成⻑線,⽇輪*2 が形成されます(図1)。本研究では,沖ノ⿃島で台⾵を経験したシャコガイの殻を⽤いて,台⾵通過時に殻の化学組成や成⻑線幅の変化が台⾵の痕跡として残されているかを精査しました。


図1.沖ノ⿃島で採取されたシャコガイ(シラナミTridacna maxima)殻試料
(a)シャコガイ殻を最⼤成⻑軸に沿って切断し,切⽚を作成した。(b)殻の2 枚の切⽚。(c)化学分析に⽤いた切⽚。(d)成⻑線解析に⽤いた切⽚。(c)とは反対側の⾯なので,成⻑線を数えることで化学分析の結果と⽇付を対応させることができる。下図は四⾓部の拡⼤図。

 ⽇本最南端の沖ノ⿃島からシャコガイ(シラナミガイTridacna maxima)を採取し,殻の酸素安定同位体⽐*3,バリウム*4/カルシウム⽐の分析,成⻑線幅を計測しました。沖ノ⿃島は外洋の孤島であり,陸や⼈為起源の影響がほとんどない環境と考えられます。さらに,⽇本に接近する台⾵の通り道となっているため,台⾵の影響を捉えやすい地点でもあります(図2)

図2.沖ノ⿃島と台⾵の経路。
沖ノ⿃島は⽇本に接近する台⾵の通過地点となっており,1993 年から1998 年に発⽣した157 個の台⾵のうち46 個が沖ノ⿃島の500km(⼤型台⾵の半径)圏内を通過している。

 検証の結果,シャコガイ殻の⽇輪を数えることで化学分析結果に正確な⽇時を対応させることができました(図3)。これにより,海洋の観測記録とシャコガイの化学分析結果の精密な⽐較が可能となります。さらに,沖ノ⿃島を台⾵が通過するタイミングに合わせて,シャコガイ殻の成⻑線の幅が減少し,バリウム/カルシウム⽐のピーク,酸素同位体⽐の増加が同時に⽣じていたことが明らかになりました(図4)。これらのシャコガイ殻のシグナルは台⾵によるストレスで成⻑が遅くなったこと,台⾵に伴った湧昇流(深層から表層に海⽔が湧き上がる現象)で海域にバリウムが供給されたこと,台⾵による海⽔温の低下を反映したものと考えられます。

図3.シャコガイ殻の化学分析・成⻑線解析の結果と海洋観測記録の⽐較。
シャコガイ殻の(a)バリウム/カルシウム⽐,(b)成⻑線幅,(c)炭素同位体⽐,(d)酸素同位体⽐。(e)沖ノ⿃島の実測⽔温,グラフ上の⿊丸・灰⾊丸は台⾵の通過⽇を⽰す。(f)外向き⻑波放射は値が⼩さいほど積乱雲の発達を⽰す。(g)衛星観測による海洋のクロロフィル濃度。

 本研究は,シャコガイが台⾵を経験することで殻に残される特徴的なシグナルを明らかにしました。シャコガイ殻は化⽯となっても保存性がよいため,化⽯試料に応⽤することで,⼈類による記録のない時代の台⾵を今までにない精度で復元することが期待できます。

【⽤語解説】

*1 褐⾍藻 … 海産無脊椎動物と共⽣する渦鞭⽑藻類の単細胞藻類。シャコガイは褐⾍藻を体内に共⽣させ,光合成産物や藻類⾃体をエネルギーとして利⽤できる。

*2 ⽇輪 … シャコガイは昼と夜で⾙殻の成⻑速度が異なるため,1 ⽇ごとに殻に縞模様が形成される。

*3 酸素安定同位体⽐ … 酸素には質量数16, 17, 18 の3 種類の原⼦(安定同位体)が存在する。⼆枚⾙やサンゴなどの炭酸カルシウム⾻格は,質量数 16 の酸素原⼦に対する質量数 18 の酸素原⼦の割合(酸素同位体⽐)が⾻格形成時の⽔温や海⽔の酸素同位体⽐(塩分)に依存することが知られている。そのため,過去の⼆枚⾙等の炭酸カルシウム⾻格を調べることで,当時の⽔温や海⽔の酸素同位体⽐を調べることができる。

*4 バリウム … 海洋ではバリウムは表層よりも深層に多く存在し,深層では栄養塩と類似した分布をとる。深層のバリウムは海⽔が深層から表層に湧き上がる現象(湧昇流)で運ばれる。

本研究成果は,Journal of Geophysical Research‒ Biogeosciences 誌に掲載されました

Komagoe, T., Watanabe, T., Shirai, K., *Yamazaki, A., Uematu, M. (2018) Geochemical and microstructural signals in giant clam Tridacna maxima recorded typhoon events at Okinotori Island, Japan, Journal of Geophysical Research: Biogeosciences, 123, https://doi.org/10.1029/2017JG004082

RESEARCH HIGHLIGHT

HIGHLIGHT: 貧栄養海域でサンゴ礁が形成される謎 ーサンゴ骨格を用いた栄養塩起源の推定法ー

熱帯・亜熱帯の海は全海洋の60%以上を占めますが、生物生産に不可欠な栄養塩(生物の生育に必要な元素—窒素、リン、ケイ素)が少なく、栄養塩の観測に困難が伴います。しかし、熱帯・亜熱帯域に分布するサンゴ礁は貧栄養海域にありながら、豊かな生態系を育んでいます(参考図1)。本研究では栄養塩が少ない中で、サンゴをはじめとするサンゴ礁の生物が取り入れる栄養塩がどこから来ているのか、サンゴ骨格の化学分析から明らかにしようと試みました。

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参考図1:サンゴ礁の分布(緑色)と海洋表層の硝酸濃度の分布。サンゴ礁は硝酸濃度が低い(白い部分)に分布している。

本研究ではサンゴ骨格に微量に含まれる有機物の窒素同位体比に着目し、その測定法を開発しました。主要な栄養塩の一つである窒素の化合物はそれぞれ固有の窒素同位体比組成を持っているため、サンゴ骨格の窒素の起源物質が特定できれば、その起源物質の窒素同位体比の変動をサンゴ骨格から読み取れると考えました。そこで、石垣島の白保サンゴ礁轟川河口においてサンゴの主な窒素起源物質と考えられている海水中の硝酸とサンゴ骨格の窒素同位体比の分布を比較した結果、両者の分布が一致しました(参考図2)。

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 参考図2:石垣島白保サンゴ礁・轟川河口の海水硝酸とサンゴ骨格の窒素同位体比分布
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この結果は、過去に形成されたサンゴ骨格の化学分析から、海水中に含まれる硝酸の起源を調べることが可能であることを示唆します。そして、日本最南端の沖ノ鳥島のサンゴ骨格を用いて、窒素同位体比の季節変動を調べました。沖ノ鳥島は外洋の孤島であり、陸からの栄養塩供給がないため、サンゴはとても貧栄養の状態で生息していると考えられます。本研究で沖ノ鳥島サンゴの窒素同位体比を測定した結果、低水温の時に窒素同位体比が高くなり、高水温の時に窒素同位体比が低くなる傾向が見られました。沖ノ鳥島では低水温のときに、海水の混合が起き、栄養塩が豊富な海洋深層から表層へ、窒素同位体比の高い硝酸が運ばれていることが分かりました。また、沖ノ鳥島を通過する台風が海水を撹拌し、栄養塩が湧昇する可能性も示しました(参考図3)。そして、高水温(貧栄養状態)のときには、海洋表層で窒素固定が活発化し、表層の硝酸の窒素同位体比は低くなることが分かりました。本研究の成果から沖ノ鳥島のサンゴ礁では栄養塩が少ない状態でも生物生産が可能なシステムが存在することが分かりました。

参考図3:石垣島白保サンゴ礁・轟川河口の海水硝酸とサンゴ骨格の窒素同位体比分布

造礁性サンゴの群体は数百年間もの間、生息環境を骨格に記録しています。本研究の成果により、栄養塩の観測記録が少ない海域、時代の情報が得られることが期待されます。海洋表層の栄養塩濃度は生物生産をコントロールし、大気中の二酸化炭素の濃度に大きく影響します。海洋における栄養塩濃度の推移と気候変動との関係をサンゴ骨格記録から明らかにできる可能性があります。また近年、人為起源の栄養塩負荷によるサンゴ礁の衰退が懸念されています。サンゴ骨格の窒素同位体比から、サンゴ礁を汚染する物質の起源を特定することにより、サンゴ礁汚染対策の手助けになると考えています。

本研究の成果は、以下の学術誌に掲載されました。
Yamazaki, A., T. Watanabe, and U. Tsunogai (2011) Nitrogen isotopes of organic nitrogen in reef coral skeletons as a proxy of tropical nutrient dynamics, Geophys. Res. Lett., 38, L19605, doi:10.1029/2011GL049053.
Yamazaki, A., T. Watanabe, N. Ogawa, N. Ohkouchi, K. Shirai, M. Toratani, and M. Uematsu (2011) Seasonal variations in the nitrogen isotope composition of Okinotori coral in the tropical Western Pacific: A new proxy for marine nitrate dynamics, J. Geophys. Res., 116, G04005, doi:10.1029/2011JG001697.