茜 灯里
＜深海の海底で多種類の金属を含んだ「黒いじゃがいものような岩石塊」が、海水を電気分解して酸素を生成している可能性があることを英米の国際研究チームが示した＞
地球が約46億年前に誕生した時、地球の大気中には酸素がほとんど含まれていませんでした。太陽光を利用して光合成を行うラン藻（シアノバクテリア）が約27億年前に海中に誕生し、二酸化炭素と水から有機物と酸素を生成するようになると、大気中の二酸化炭素は減少し、酸素が増えはじめます。
その後、生物は陸上に進出し、多様な植物が光合成を行うようになりますが、現在でも地球の酸素の3分の２は海中の植物プランクトンや海藻によって作られています。
とはいっても、海の中で光合成ができる場所は、太陽光が十分に届く海面から70～80メートルまでに限られます。それより深いところにいる生物は、これまでは海中に溶けた酸素（溶存酸素）に依存していると考えられてきました。
スコットランド海洋科学協会（SAMS）やアメリカのノースウェスタン大、ボストン大などによる国際研究チームは、光の届かない深海では海底にある多種類の金属を含んだ岩石塊（ポリメタリック・ノジュール、多金属団塊）が天然の電池として働き、海水を電気分解して酸素を生成している可能性を示しました。研究成果は、地学分野の学術誌「Nature Geoscience」に7月22日付で掲載されました。
もし、深海の団塊が地球の酸素生成に大きな役割を果たしているとすれば、これまでの学説が大きく変わるかもしれません。研究者たちは、どのようにしてこの仮説に行きついたのでしょうか。概観してみましょう。
謎多きポリメタリック・ノジュール
深海の地形は、地上と同じように山脈（海嶺）や谷（海溝）、平原（深海平原）などがあって多様です。
なかでも、深海平原には、黒いジャガイモのような物質がたくさん散らばっています。この塊がポリメタリック・ノジュールで、魚の歯や小石などを核として、その周囲に鉱物層が堆積したものと考えられています。生成の仕組みはまだ分からないことも多いですが、ジャガイモ大の大きさになるには数百万年以上かかると推定されます。
ポリメタリック・ノジュールは、マンガンや鉄、銅に富むだけでなく、陸地で採掘される鉱石の約3倍のニッケル、4倍のイットリウム、6倍のコバルトが含まれています。レアメタルのテルルにいたっては、数千倍に濃縮されたものが発見されると言います。
これらの金属は太陽電池や電気自動車、風力タービンといったクリーンエネルギーを用いた技術には必要不可欠であるため、約50年前から「宝の山」である海底資源の採掘が試みられています。けれど、採掘による深海環境や生態系への影響は、近年になって研究が進んでいる分野のため、世界の海域で採掘許可の基準ができるにはまだ時間がかかりそうです。
これまでは、ポリメタリック・ノジュールをむやみに採掘すれば、海底環境のバランスが崩れ、漁業に影響を与えたり生物多様性を損なったりする恐れがあると考えられてきました。しかし、今回の国際チームの仮説が正しければ、行き過ぎた採掘は海洋の酸素不足につながりかねないという、さらに深刻な負の効果が懸念されます。
低下し続けるはずの酸素濃度が...
本研究は2013年に始まりました。SAMSのアンドリュー・スウィートマン博士らは、もともとは深海底採掘の影響を評価するために、海底の酸素レベルを調査するつもりでした。
プロジェクトでは、メキシコとハワイの間にある太平洋の深海、クラリオン・クリッパートン地帯の水深約4000メートルの海底に底生チャンバーを設置し、複数の場所で酸素濃度を測定しました。底生チャンバーは、底を開けて海底に押し込むことで、周囲から閉鎖された密閉環境を作ることができる装置です。すると、測定開始から2日間でチャンバー内の酸素濃度が増え続け、開始時の３倍にもなっていました。
これまでの常識から想定される結果は、光が届かない深海では光合成ができないため酸素は生産されず、生物の呼吸や有機物の分解によって海中に溶けた酸素が消費され続けるため、時間が経つにつれて酸素濃度は低下し続けるはずでした。
スウィートマン博士らは、はじめはセンサーの故障と考えました。けれど、再調整した機器を使っても、「深海底付近では時間が経つにつれて酸素濃度が上昇する」という結果は変わりませんでした。
その後、研究チームは21年と22年に別の原理で動く酸素濃度測定器を使い、同海域で4000キロ離れた複数の地点で再度、調査を行いましたが、やはり酸素濃度は時間とともに増え続けました。つまり、酸素濃度の上昇は測定装置のせいや特殊な場所だからではなく、実際にこの海域で起こっているありふれた現象だと考えられました。
「暗黒酸素」の発生源は？
チームは、測定された酸素を「暗黒酸素（dark oxygen）」と名付け、発生源を突き止めることにしました。
原因としてまず考えられたのは、深海の微生物です。たとえば22年には、光が届かない深海に生息している古細菌ニトロソプミルス・マリティムス(Nitrosopumilus maritimus)が、暗闇の中で酸素を生成していることが発見されています。ただし、生成できる酸素はせいぜい自身が利用できる程度の微量でした。
研究者たちは微生物の影響を検証するために、毒性の強い塩化水銀をチャンバー内に流し込んでみました。微生物は排除されたと考えられましたが、酸素濃度は同じように上昇し続けました。
次に、研究者たちはポリメタリック・ノジュールに着目しました。この団塊は多様な金属を含んでいるので、放射性元素によって水が分解されて酸素濃度が上がった可能性を検討しました。しかし、団塊の成分分析をすると、多く見積もっても実際の酸素発生量の0.5%未満しか説明できないことが分かりました。
そこでスウィートマン博士は、ポリメタリック・ノジュールをノースウェスタン大で電気化学を専門としているフランツ・ガイガー博士に送り、協力を依頼しました。
ガイガー博士は以前の研究で、鉄さび（酸化鉄）が海水に触れると電気が発生することを発見していました。ポリメタリック・ノジュールに含まれている多種類の金属は酸化された状態なので、海水に触れると電気が発生する可能性があるのか見解を仰ぎたかったのです。この団塊が天然の電池として働くとすれば、水を水素と酸素に電気分解することができるかもしれません。
ガイガー博士は12個のポリメタリック・ノジュールを使って、表面に白金電極を配置して153カ所の電圧を測定しました。その結果、様々な値でしたが最大で0.95ボルトの電圧が観測されました。
Camille Bridgewater/Northwestern University
海水の電気分解には約1.5ボルト（乾電池1本分）ほどの電圧が必要です。ポリメタリック・ノジュールは層状に成長し、層ごとに豊富に含まれる金属が異なります。また、この団塊は多孔質であり、電池の役割を果たすのに適切な金属層が露出する可能性があります。それらの電位差によって「電池の直列つなぎ」の状態になることで、1.5ボルトを超えることは十分に考えられます。さらに実験を進めると、団塊の表面積と酸素生成量は相関していることが分かりました。
ポリメタリック・ノジュールが作る地球全体での暗黒酸素量の見積もりなど、今後、調査すべきことは多々ありますが、「私たちは天然の『地球電池（Geobattery）』を発見したようです。クラリオン・クリッパートン地帯にあるポリメタリック・ノジュールの総量だけでも、数十年にわたる世界のエネルギー需要を満たすのに十分でしょう」とガイガー博士は語ります。
地球電池の発見は、1980年代に深海底採掘された場所が、2010年代になっても細菌すら存在しない「デッドゾーン」になっていることの解明につながるかもしれません。つまり、採掘によって暗黒酸素の生成源が失われたため、酸素不足によって生物がそこに住めなくなってしまった可能性があるということです。
研究チームの仮説が正しければ、今後、深海底採掘でポリメタリック・ノジュールが採り尽くされてしまえば、海洋、特に海底の生物の生存に多大な影響を与えるでしょう。ポリメタリック・ノジュールが豊富な地域の海底動物相の多様性は、陸上で最も多様な熱帯雨林よりも高いと言います。しかも、酸素供給源の団塊は、一度失われれば再生に数百万年かかるのです。
研究者たちは、採掘業界は深海底採掘活動を計画する際に、今回の発見を考慮すべきだと主張しています。さらに調査が進めば、規制機関である国際海底管理局（ISA）を動かすこともできるかもしれません。
宇宙生物学の発展にも貢献か
一方、スウィートマン博士は、今回の結果が生命の起源に関する議論にも一石を投じる可能性があると考えています。
「好気性生物には酸素が必要なので、地球では光合成生物がまず現れて、酸素供給源となったというのがこれまでの定説です。しかし、本研究によって光がまったくない深海でも暗黒酸素が生成されていることが示されました。したがって、好気性の生命体はどこから始まったのか、という疑問を再考する必要があると思います」
惑星科学では長い間、豊富な酸素は光合成を示唆している、つまりその惑星には光合成を行う生命が存在していると考えられてきました。実際に宇宙で生命を探す場合、酸素量を指標とすることが有力視されてきました。
しかし15年、日本の自然科学研究機構を中心とした研究チームが、生命が必ずしもいなくても、酸化チタンの光触媒反応によって酸素を豊富に保持した地球型惑星になりうることを理論的に明らかにしました。
今回の研究で提唱された「暗黒酸素説」は、惑星での非生物的な酸素発生の多様性を示唆するもので、宇宙生物学の発展にも貢献することが期待されます。
今年は日本初の月面着陸成功や、アルテミス計画での日本人の月面着陸決定で、宇宙開発新世紀の幕開けの年とも言えます。けれど、足元の地球も、まだまだ解明すべき謎に満ち溢れているようです。
＜深海の海底で多種類の金属を含んだ「黒いじゃがいものような岩石塊」が、海水を電気分解して酸素を生成している可能性があることを英米の国際研究チームが示した＞
地球が約46億年前に誕生した時、地球の大気中には酸素がほとんど含まれていませんでした。太陽光を利用して光合成を行うラン藻（シアノバクテリア）が約27億年前に海中に誕生し、二酸化炭素と水から有機物と酸素を生成するようになると、大気中の二酸化炭素は減少し、酸素が増えはじめます。
その後、生物は陸上に進出し、多様な植物が光合成を行うようになりますが、現在でも地球の酸素の3分の２は海中の植物プランクトンや海藻によって作られています。
とはいっても、海の中で光合成ができる場所は、太陽光が十分に届く海面から70～80メートルまでに限られます。それより深いところにいる生物は、これまでは海中に溶けた酸素（溶存酸素）に依存していると考えられてきました。
スコットランド海洋科学協会（SAMS）やアメリカのノースウェスタン大、ボストン大などによる国際研究チームは、光の届かない深海では海底にある多種類の金属を含んだ岩石塊（ポリメタリック・ノジュール、多金属団塊）が天然の電池として働き、海水を電気分解して酸素を生成している可能性を示しました。研究成果は、地学分野の学術誌「Nature Geoscience」に7月22日付で掲載されました。
もし、深海の団塊が地球の酸素生成に大きな役割を果たしているとすれば、これまでの学説が大きく変わるかもしれません。研究者たちは、どのようにしてこの仮説に行きついたのでしょうか。概観してみましょう。
謎多きポリメタリック・ノジュール
深海の地形は、地上と同じように山脈（海嶺）や谷（海溝）、平原（深海平原）などがあって多様です。
なかでも、深海平原には、黒いジャガイモのような物質がたくさん散らばっています。この塊がポリメタリック・ノジュールで、魚の歯や小石などを核として、その周囲に鉱物層が堆積したものと考えられています。生成の仕組みはまだ分からないことも多いですが、ジャガイモ大の大きさになるには数百万年以上かかると推定されます。
ポリメタリック・ノジュールは、マンガンや鉄、銅に富むだけでなく、陸地で採掘される鉱石の約3倍のニッケル、4倍のイットリウム、6倍のコバルトが含まれています。レアメタルのテルルにいたっては、数千倍に濃縮されたものが発見されると言います。
これらの金属は太陽電池や電気自動車、風力タービンといったクリーンエネルギーを用いた技術には必要不可欠であるため、約50年前から「宝の山」である海底資源の採掘が試みられています。けれど、採掘による深海環境や生態系への影響は、近年になって研究が進んでいる分野のため、世界の海域で採掘許可の基準ができるにはまだ時間がかかりそうです。
これまでは、ポリメタリック・ノジュールをむやみに採掘すれば、海底環境のバランスが崩れ、漁業に影響を与えたり生物多様性を損なったりする恐れがあると考えられてきました。しかし、今回の国際チームの仮説が正しければ、行き過ぎた採掘は海洋の酸素不足につながりかねないという、さらに深刻な負の効果が懸念されます。
低下し続けるはずの酸素濃度が...
本研究は2013年に始まりました。SAMSのアンドリュー・スウィートマン博士らは、もともとは深海底採掘の影響を評価するために、海底の酸素レベルを調査するつもりでした。
プロジェクトでは、メキシコとハワイの間にある太平洋の深海、クラリオン・クリッパートン地帯の水深約4000メートルの海底に底生チャンバーを設置し、複数の場所で酸素濃度を測定しました。底生チャンバーは、底を開けて海底に押し込むことで、周囲から閉鎖された密閉環境を作ることができる装置です。すると、測定開始から2日間でチャンバー内の酸素濃度が増え続け、開始時の３倍にもなっていました。
これまでの常識から想定される結果は、光が届かない深海では光合成ができないため酸素は生産されず、生物の呼吸や有機物の分解によって海中に溶けた酸素が消費され続けるため、時間が経つにつれて酸素濃度は低下し続けるはずでした。
スウィートマン博士らは、はじめはセンサーの故障と考えました。けれど、再調整した機器を使っても、「深海底付近では時間が経つにつれて酸素濃度が上昇する」という結果は変わりませんでした。
その後、研究チームは21年と22年に別の原理で動く酸素濃度測定器を使い、同海域で4000キロ離れた複数の地点で再度、調査を行いましたが、やはり酸素濃度は時間とともに増え続けました。つまり、酸素濃度の上昇は測定装置のせいや特殊な場所だからではなく、実際にこの海域で起こっているありふれた現象だと考えられました。
「暗黒酸素」の発生源は？
チームは、測定された酸素を「暗黒酸素（dark oxygen）」と名付け、発生源を突き止めることにしました。
原因としてまず考えられたのは、深海の微生物です。たとえば22年には、光が届かない深海に生息している古細菌ニトロソプミルス・マリティムス(Nitrosopumilus maritimus)が、暗闇の中で酸素を生成していることが発見されています。ただし、生成できる酸素はせいぜい自身が利用できる程度の微量でした。
研究者たちは微生物の影響を検証するために、毒性の強い塩化水銀をチャンバー内に流し込んでみました。微生物は排除されたと考えられましたが、酸素濃度は同じように上昇し続けました。
次に、研究者たちはポリメタリック・ノジュールに着目しました。この団塊は多様な金属を含んでいるので、放射性元素によって水が分解されて酸素濃度が上がった可能性を検討しました。しかし、団塊の成分分析をすると、多く見積もっても実際の酸素発生量の0.5%未満しか説明できないことが分かりました。
そこでスウィートマン博士は、ポリメタリック・ノジュールをノースウェスタン大で電気化学を専門としているフランツ・ガイガー博士に送り、協力を依頼しました。
ガイガー博士は以前の研究で、鉄さび（酸化鉄）が海水に触れると電気が発生することを発見していました。ポリメタリック・ノジュールに含まれている多種類の金属は酸化された状態なので、海水に触れると電気が発生する可能性があるのか見解を仰ぎたかったのです。この団塊が天然の電池として働くとすれば、水を水素と酸素に電気分解することができるかもしれません。
ガイガー博士は12個のポリメタリック・ノジュールを使って、表面に白金電極を配置して153カ所の電圧を測定しました。その結果、様々な値でしたが最大で0.95ボルトの電圧が観測されました。
Camille Bridgewater/Northwestern University
海水の電気分解には約1.5ボルト（乾電池1本分）ほどの電圧が必要です。ポリメタリック・ノジュールは層状に成長し、層ごとに豊富に含まれる金属が異なります。また、この団塊は多孔質であり、電池の役割を果たすのに適切な金属層が露出する可能性があります。それらの電位差によって「電池の直列つなぎ」の状態になることで、1.5ボルトを超えることは十分に考えられます。さらに実験を進めると、団塊の表面積と酸素生成量は相関していることが分かりました。
ポリメタリック・ノジュールが作る地球全体での暗黒酸素量の見積もりなど、今後、調査すべきことは多々ありますが、「私たちは天然の『地球電池（Geobattery）』を発見したようです。クラリオン・クリッパートン地帯にあるポリメタリック・ノジュールの総量だけでも、数十年にわたる世界のエネルギー需要を満たすのに十分でしょう」とガイガー博士は語ります。
地球電池の発見は、1980年代に深海底採掘された場所が、2010年代になっても細菌すら存在しない「デッドゾーン」になっていることの解明につながるかもしれません。つまり、採掘によって暗黒酸素の生成源が失われたため、酸素不足によって生物がそこに住めなくなってしまった可能性があるということです。
研究チームの仮説が正しければ、今後、深海底採掘でポリメタリック・ノジュールが採り尽くされてしまえば、海洋、特に海底の生物の生存に多大な影響を与えるでしょう。ポリメタリック・ノジュールが豊富な地域の海底動物相の多様性は、陸上で最も多様な熱帯雨林よりも高いと言います。しかも、酸素供給源の団塊は、一度失われれば再生に数百万年かかるのです。
研究者たちは、採掘業界は深海底採掘活動を計画する際に、今回の発見を考慮すべきだと主張しています。さらに調査が進めば、規制機関である国際海底管理局（ISA）を動かすこともできるかもしれません。
宇宙生物学の発展にも貢献か
一方、スウィートマン博士は、今回の結果が生命の起源に関する議論にも一石を投じる可能性があると考えています。
「好気性生物には酸素が必要なので、地球では光合成生物がまず現れて、酸素供給源となったというのがこれまでの定説です。しかし、本研究によって光がまったくない深海でも暗黒酸素が生成されていることが示されました。したがって、好気性の生命体はどこから始まったのか、という疑問を再考する必要があると思います」
惑星科学では長い間、豊富な酸素は光合成を示唆している、つまりその惑星には光合成を行う生命が存在していると考えられてきました。実際に宇宙で生命を探す場合、酸素量を指標とすることが有力視されてきました。
しかし15年、日本の自然科学研究機構を中心とした研究チームが、生命が必ずしもいなくても、酸化チタンの光触媒反応によって酸素を豊富に保持した地球型惑星になりうることを理論的に明らかにしました。
今回の研究で提唱された「暗黒酸素説」は、惑星での非生物的な酸素発生の多様性を示唆するもので、宇宙生物学の発展にも貢献することが期待されます。
今年は日本初の月面着陸成功や、アルテミス計画での日本人の月面着陸決定で、宇宙開発新世紀の幕開けの年とも言えます。けれど、足元の地球も、まだまだ解明すべき謎に満ち溢れているようです。