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: 観測記録が不足するオマーン湾の湧昇流発生をサンゴが記録

概要:湧昇流※1は海洋表層に栄養塩を輸送するため,海洋生態系や漁業に影響を与えると考えられていますが,湧昇流の観測には海水温,塩分,栄養塩といった多くの環境情報が必要であり,これらの広範囲かつ連続的な観測には困難が伴います。一方,造礁性サンゴ※2は,海水温や海洋表層の一次生産※3量といった海洋環境の変化を,サンゴ骨格の化学組成の変化として記録することができます。本研究では,この造礁性サンゴ骨格を用いて,オマーン湾に湧昇流が発生した時期と発生期間を明らかとすることに成功しました。

 世界有数の湧昇域であるアラビア海のオマーン湾における湧昇流は,季節変化するモンスーンの影響を受けて発生していることが示唆されてきました。湧昇流は深海に富む栄養塩を海洋表層に輸送することから,海洋生態系や漁業に影響を与えていると考えられます。しかし,この湧昇流の観測には,海水温,栄養塩量,海洋表層の一次生産量といった多くの観測記録が必要であり,これらの広範囲かつ連続的な観測には困難を伴います。近年,衛星観測の技術向上に伴いこれらを観測できるようになりましたが,その精度は十分とはいえません。オマーン湾でもこれらの観測記録が不足しており,湧昇流の発生頻度や発生日数を知ることは困難でした。本研究では,湧昇域の環境変動を捉えるため,これまでに様々な変動要因が挙げられている造礁性サンゴの炭素安定同位体比※4(以下,炭素同位体比),海水温指標及び塩分指標である酸素安定同位体比※5 (以下,酸素同位体比),Sr/Ca 比※6 の過去26 年間にわたる記録を解析し,炭素同位体比が変動する要因を検討しました。

 造礁性サンゴの骨格には樹木のように年輪が刻まれ,過去の大気・海洋の環境変動が 1 週間〜1 ヶ月間程度の細かい精度で記録されています。研究グループは,アラビア海のオマーン湾に生息する造礁性サンゴ群体から長さ 71cm の骨格柱状試料を採取し,年輪を 2 週間に相当する細かさで区切って化学分析を行いました。従来,造礁性サンゴ骨格の炭素同位体比には様々な変動要因があげられており,統一的な解釈はありませんでしたが,この変動要因を精査し,観測記録,復元した海水温及び塩分変動と比較することで,炭素同位体比が過去の湧昇流を記録するか検証しました。

 検証の結果,造礁性サンゴ骨格は,湧昇流発生時に起きる深層水の湧き上がりと植物プランクトンの増加を炭素同位体比の急激な減少として反映していました。また,その下がり幅が,観測記録の海水温変動から推測した湧昇流の発生期間と相関関係にあることがわかり,これにより湧昇流の発生日数を復元できるようになりました。すなわち,本研究により,造礁性サンゴ骨格を調べることで,湧昇流の過去の発生時期と発生日数を調査できることが解明されました。

 本研究の成果は,100 年を超える長期の記録を復元できるサンゴを用いることで,過去の湧昇流の発生頻度と発生日数を推定できるようになったことです。さらに過去へさかのぼり,過去の湧昇流の様子を調査することで,湧昇流の発生メカニズムの理解の深化が期待されます。

図1 本研究に使用したサンゴの試料採取地(左図)。オマーン湾内の★で示した場所でサンゴの骨格柱状試料を採取した。採取したサンゴの骨格柱状試料の軟X 線画像(右図)。白線部位から粉末試料を採取し,化学分析に使用した。

図2 サンゴ骨格の化学分析記録とサンゴの成長速度。(a)海水温・塩分の変動を反映するサンゴ骨格の酸素同位体比。(b)海水温の変動の指標となるサンゴ骨格のSr/Ca 比。海水温の季節変動を正確に反映するため,Sr/Ca 比の変動を参考にして,他の指標に日付をつけることができる。(c)サンゴ骨格の酸素同位体比及びSr/Ca 比から計算した海水の酸素同位体比。海水の酸素同位体比は塩分のみの指標となる。(d)サンゴ骨格の炭素同位体比記録。日射量や海洋表層の一次生産の活発さ,濁度を反映する。(e)サンゴの成長速度。大規模な湧昇流発生時にサンゴの成長速度が低下していた。(f)サンゴ骨格の炭素同位体比の異常値(日射量変動を反映した炭素同位体比の季節変動及び数年規模の長期変動を炭素同位体比記録から引いた記録。数年変動と季節変動からどれだけずれてたかを示す)。植物プランクトンの発生や海水温の減少が確認されている年に,負のピーク(黒矢印)が記録されている。(g)観測記録に基づく湧昇流の証拠がある年(四角)を示した。観測記録をもとに夏季の海水温低下及び植物プランクトンの発生が確認された年を昇流の証拠とした。

図 3(a)夏の炭素同位体比の異常値と夏の海水温の低下日数の散布図。両者は強い負の相関関係にあったため,夏の炭素同位体比の異常値から湧昇流の日数を推定できる。(b)(a)の回帰式(点線部分)及び夏の炭素同位体比の異常値から推測した湧昇流の日数。黒色は海水温の低下日数から推測した湧昇流の発生日数を示し,灰色はサンゴ記録から推測した湧昇流の発生日数を示している。

[用語解説]
※1 湧昇流 … 海洋において,海水が深層から表層に湧き上がる現象のこと。
※2 造礁性サンゴ … 体内に褐虫藻(かっちゅうそう)と呼ばれる藻を共生させ,褐虫藻が光合成で得たエネルギーを利用することで骨格の成長速度を速めているサンゴのこと。造礁性サンゴの骨格は炭酸カルシウムからなり,樹木の年輪のような骨格を形成する。この年輪に沿って化学分析を行うことで,1 週間〜1 ヶ月程度の細かい精度で古環境を復元できる。
※3 海洋表層の一次生産 … 植物プランクトンが光合成により,日光のエネルギーと栄養塩から有機物を生産すること。
※4 炭素安定同位体比 … 同位体とは,同じ原子だが,質量(重さ)が微妙に異なる原子のことであり,特に,放射能を持たない同位体(壊れにくい同位体)のことを安定同位体という。炭素には質量数12 と13の2 つの安定同位体が存在するが,造礁性サンゴの骨格に取り込まれる質量数12 の炭素に対する質量数13の炭素の割合(炭素同位体比)は,骨格形成の速さ,造礁性サンゴの生物作用や周囲の海水中の無機炭素(例えば二酸化炭素や炭酸イオン)の炭素同位体比に依存することが知られている。
※5 酸素安定同位体比 … 酸素には質量数16,17,18 の3 つの酸素安定同位体比が存在する。造礁性サンゴなどの炭酸カルシウム骨格は質量数16 の酸素に対する質量数18 の酸素の割合(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。このため,水温のみに依存する他の指標(例えばSr/Ca 比)と組み合わせて検証することで海水の酸素同位体比(塩分)を復元できる。
※6 Sr/Ca 比 … 造礁性サンゴ骨格中の陽イオンはほぼカルシウムイオン(Ca2+)であるが,ごく僅かに別の元素も含まれている。たとえば,ストロンチウムイオン(Sr2+)が造礁性サンゴ骨格に取り込まれる割合は,骨格形成時の海水温に依存することが知られているため,骨格中のSr とCa の比を検証することで,過去の海水温を調べることができる。

本研究の成果はScientific Reports誌に掲載されました。

Watanabe, T. K., T. Watanabe, A. Yamazaki, M. Pfeiffer, D. Garbe-Schönberg, and M. R. Claereboudt (2017) Past summer upwelling events in the Gulf of Oman derived from a coral geochemical record, Scientific Reports, 7, 4578, doi:10.1038/s41598-017-04865-5