生物ポンプ

生物ポンプとは

生物ポンプは、海洋における重要な炭素輸送プロセスの一つであり、特に生物海洋学の分野で研究が進められています。これは、太陽光が届く比較的浅い海洋表層（有光層）で生物、特に植物プランクトンが光合成によって大気中の二酸化炭素を取り込み、その炭素を生物の体や排泄物としてより深い海へと運び込む仕組み全体を指します。

地球の炭素循環において、大気中の二酸化炭素濃度は気候変動、特に地球温暖化に大きな影響を与えます。海洋は地球上で最大の炭素貯蔵庫であり、生物ポンプはその貯蔵庫である海洋へ炭素を運び込む主要な生物学的経路として、大気中の二酸化炭素濃度を調整する上で極めて重要な役割を担っています。

炭素の輸送形態とメカニズム

生物ポンプによって深海へ輸送される炭素は、いくつかの異なる形態をとります。主な形態は粒子状の有機物です。これには、光合成を行った植物プランクトンの死骸、動物プランクトンなどの排泄物、これらの粒子が集まってできた「マリンスノー」と呼ばれる複合体などが含まれます。これらの粒子は重力によってゆっくりと海洋内部へと沈んでいきます。

粒子状の形態だけでなく、海水に溶け込んだ有機炭素（DOC）の一部も、生物ポンプの働きに関連して深部へ運ばれることがあります。これは、表層水が物理的に沈み込む過程（沈降流）などに伴って輸送されるものです。

さらに、輸送される炭素は有機物である有機炭素と、貝殻や骨格などを構成する炭酸カルシウムのような無機炭素に分けられます。光合成によって作られる生物の軟体部分を構成する有機炭素の輸送は「軟組織ポンプ」、石灰質の殻を持つプランクトン（石灰質ナノプランクトンや有孔虫など）が作る炭酸カルシウムの輸送は「硬組織ポンプ」（または炭酸塩ポンプ）と呼ばれ、区別されることがあります。

深海へと沈んでいった有機炭素の大部分は、バクテリアなどの微生物によって分解され、溶存二酸化炭素として海水中に戻されます。炭酸カルシウムも、水深や水温、圧力などの条件によって溶解します。これらの分解・溶解プロセスは光合成による炭素固定に比べて時間がかかるため、結果として生物ポンプは炭素を表層から深層、さらには海底堆積物へと隔離する役割を果たしているのです。海底に堆積した炭素は、数千年以上のタイムスケールで地球深部に固定されることになります。

生物ポンプは、海水中の二酸化炭素が物理的に溶解して沈み込む「溶解ポンプ」や、アルカリ度による無機炭素の保持に関わる「アルカリポンプ」といった他の海洋炭素循環メカニズムとも相互に関連しながら機能しています。また、近年では沿岸域の大陸棚上における生物ポンプの特殊な働きを示す「大陸棚ポンプ」という概念も提唱されています。

生物ポンプ仮説と気候変動への関わり

生物ポンプの働きは、大気中の二酸化炭素濃度と地球の気候変動、特に過去の氷期・間氷期サイクルとの関連で注目されてきました。

南極やグリーンランドの氷床コアの分析から、過去の氷期には大気中の二酸化炭素濃度が現在よりも低かったことが分かっています。また、氷床コアには過去の大気から降り積もった塵も含まれており、分析の結果、氷期には陸起源の塵の量が間氷期よりも多かったことが示されています。これは、寒冷な氷期には陸地がより乾燥し、強い風によって大量の塵が大気中に巻き上げられ、それが海洋へと運ばれたことを示唆しています。

ここで提唱されているのが生物ポンプ仮説です。この仮説では、氷期に陸から運ばれた塵に含まれる鉄分などの微量栄養素が、外洋域、特に鉄が不足しがちな高栄養塩・低クロロフィル海域（HNLC域）とされる赤道域などで、植物プランクトンの増殖を促進したと考えます。植物プランクトンの増殖は海洋の基礎生産を高め、大気中からより多くの二酸化炭素を光合成によって取り込むことを可能にします。この炭素が生物ポンプによって深海へ輸送されることで、大気中の二酸化炭素濃度が低下し、それがさらに地球全体の寒冷化を促すという正のフィードバック機構が働いたというものです。

現在、この生物ポンプ仮説の実証や、海洋生態系が将来の気候変動に対してどのように応答するかを予測するための研究が、現場観測、衛星データ解析、海洋モデルシミュレーションなどを組み合わせて精力的に進められています。生物ポンプは、地球の炭素循環と気候システムを結びつける鍵となるメカニズムとして、今後もその理解を深めることが重要視されています。

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