微小な「食べて排便する機械」は炭素を吸収するのに優れている

世界最小の動物の小さな排泄物は、地球の大気から温室効果ガスを吸収するのに役立つかもしれない。研究室で粘土の粉塵を使った新しい実験方法をテストしていた科学者チームは、粘土が動物プランクトンが温室効果ガスを多く吸収するのを助けることを発見した。動物はその後、その炭素を海洋の最深部に堆積させ、排泄物として蓄えることができる。この実験方法はまだ海洋に投入できる状態ではないが、12月10日にScientific Reports誌に掲載された研究で詳細が説明されている。研究結果は、本日開催されるアメリカ地球物理学連合の年次会議でも発表される。

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動物プランクトンに餌を与える植物プランクトン

この新しい技術は、植物プランクトンと呼ばれる微小な植物の大群から始まります。これらの植物プランクトンは光合成を行い、毎年大気中からおよそ 1,500 億トンの二酸化炭素を除去します。植物プランクトンは温室効果ガスを有機炭素粒子に変換し、それを餌として繁殖します。

しかし、植物プランクトンが死ぬと、海洋細菌が腐った死骸を食べ、捕らえられた二酸化炭素の多くが大気中に放出されます。そこで登場するのが、植物ではなく動物である動物プランクトンです。

粘着ボール

新しい研究では、科学者チームが2023年の植物プランクトン大量発生時にメイン湾から採取した水を使用して実験室実験を行った。彼らは水サンプルに粘土の粉塵を散布し、植物プランクトンによって有機炭素に付着した粉塵が放出された。これにより海洋細菌が接着剤のような物質を生成し、粘土と有機炭素がフロックと呼ばれる小さな粘着性のボールを形成する。

研究チームによると、動物プランクトンがその後、粘着質の塊を貪り食ったという。塊が消化されると、動物の排泄物に埋め込まれた粘土が沈み、炭素を何千年も貯蔵できる深い所に埋めてしまう可能性がある。食べ残した塊も沈み、その途中で有機炭素や死んだり死にかけの植物プランクトンとして大きくなる可能性がある。

実験では、死んだ植物プランクトンが放出した炭素が空気中に放出される前に、粘土の粉塵が炭素の 50 パーセントを捕らえた。実験用の粘土を加えると、炭素を捕らえることができる粘着性のある有機粒子の濃度が上昇した。粘土で処理された海水では、炭素を大気中に放出する細菌の個体数も同時に減少した。

マリンスノー

表面に粘土を撒くと、大気中の炭素が除去され、海に蓄えられるという生物ポンプと呼ばれる自然のサイクルが加速されます。

「通常、海面で捕獲された炭素のうち、深海に長期貯蔵されるのはごく一部です。私たちの方法の斬新さは、粘土を使って生物ポンプの効率を高めたことです」と、研究の共著者でダートマス大学の惑星科学者であるムクル・シャルマ氏は声明で述べた。「私たちは海洋の生物学を利用して、植物プランクトンが除去した二酸化炭素を捕獲し、これらの小さなポッドを海洋食物連鎖に送り込むことで、二酸化炭素を深海に閉じ込めたいのです。」

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シャルマ氏によると、研究対象となった炭素粘土のフロックは、マリンスノーと呼ばれる生物ポンプの重要な部分にもなるという。死骸、鉱物、その他の有機物が絶えず海面から降り注ぎ、栄養分や食物を海の深部へと運ぶ。

「私たちは粘土鉱物の混合物に特に付着することで、はるかに速い速度で炭素を埋めることができるマリンスノーを作り出している」とシャルマ氏は語った。

あらゆる動物プランクトンが一斉に

動物プランクトンは、日々の移動により、海洋の雪生成プロセスをさらに加速させることもできます。日周垂直移動中、動物プランクトンは深海から数千マイル上空まで上昇し、海面近くの栄養豊富な水を食べます。この大規模な移動は、町全体が毎晩お気に入りのレストランで夕食をとるためだけに何百マイルも歩くようなものです。

「動物プランクトンは食べる機械であり、排泄機械です」とシャルマ氏は言う。「彼らの排泄物を切り分けると、消化されなかった植物プランクトンの残骸が見えます。」

ビデオ：研究者らの手法では、数百平方マイルを覆うことができ、毎年1500億トンの二酸化炭素を大気から除去する、植物プランクトンと呼ばれる微細な海洋植物の大規模なブルームに粘土の粉末を散布する。しかし、その炭素のほとんどは、植物が死ぬと大気中に再流入する。研究者らの手法では、浮遊炭素を、動物プランクトンに消費されるか、深海に沈むフロックと呼ばれる粘土と有機炭素の小さな粘着性のボール（写真）の形で海洋食物連鎖に転用する。クレジット：ムクル・シャルマ/ダートマス。

この研究で混合された粘土と炭素の塊は、動物プランクトンが消費する他のすべての物質と混ざり合う。太陽が昇ると、炭素の塊は動物プランクトンとともに深海へと戻り、排泄物として堆積する可能性がある。この動態は能動輸送と呼ばれ、海洋の生物ポンプのもう 1 つの重要な部分である。炭素が再び沈降することで、炭素が深海に到達するのにかかる時間が数日短縮される。

「動物プランクトンは粘土を多く含んだ排泄物を作り、それがより速く沈みます」とシャーマ氏は言う。「この微粒子物質こそ、この小さな生き物たちが食べるために作られたものです。私たちの実験では、動物プランクトンはそれが粘土と植物プランクトンなのか、それとも植物プランクトンだけなのか区別がつかず、ただ食べてしまうことが分かりました。そして、動物プランクトンは排泄物を水面下数百メートルのところに排出し、そこに溜まった炭素もすべて水面下にあります。」

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「まだ始まったばかりだ」

今後の研究では、研究チームは、南カリフォルニア沖の植物プランクトン群に農薬散布機で粘土を散布するフィールド実験を行う予定だ。沖合のさまざまな深さに設置されたセンサーにより、さまざまな動物プランクトン種が粘土と炭素の塊をどのように食べるかを捉えることができるかもしれない。これを理解することで、研究チームはこの方法を実施する最適なタイミングと場所、そして深海に排出される炭素の量についてよりよい考えを持つことができるだろう。

「この作業を行うには、適切な海洋環境を見つけることが非常に重要です。粘土をいたるところに無差別に投棄することはできません」とシャルマ氏は言う。「まず、さまざまな深さでの効率を理解し、このプロセスを開始するのに最適な場所を把握してから作業を開始する必要があります。まだそこまでには至っていません。まだ始まったばかりです。」