Vol. 80特集

No. 111117

恐竜の進化とその時代

海洋無酸素事変―― 地球のダイナミックな営みを探る

特集 恐

おおこうち なおひこ 独立行政法人海洋研究開発機構 海洋・極限環境生物圏領域
くろだ じゅんいちろう 独立行政法人海洋研究開発機構 地球内部ダイナミクス領域

進

＊2の＊1

竜

大河内直彦＊1・黒田潤一郎＊2化た．しかし，黒色頁岩が形成された詳しい成因や濃度は 1000〜3000 ppm と現在の 5〜10 倍もあり，当時の海洋環境について理解が進んだのは，実は極域に氷床がないどころか，赤道域の平均表面海この 10 年ほどのことである．それらの成果は，水温は 35℃，白亜紀には極域でも 20℃ 以上とい海洋無酸素事変が単に海洋環境の酸化還元状態のう，きわめて地球温暖化が進んだ気候であったと変化にとどまらず，地球内部から表層環境までを推定されている．この時期，海洋では「海洋串刺しにするダイナミックなイベントであった可無酸素事変（OAE: Oceanic Anoxic Event）」 と呼能性を示唆している．本稿ではこういった新しいばれる現象が何度も繰り返された．

成果や，将来の研究の展望について解説すること

（1）
（2）

（3）

海洋無酸素事変とは，黒色頁岩と呼ばれる有機にしよう．

物に富んだ堆積物が海洋の広範囲にわたって形成されたことで特徴づけられる．海洋の底層水や深黒色頁岩の謎層水が無酸素状態になることによって有機物に富んだヘドロ状の堆積物が形成されたと考えられた

図 1 は，白亜紀の地層中にみられる典型的な黒ことから，「海洋無酸素事変」という名称が広く色頁岩の写真である．ヨーロッパでは，白い石灰用いられてきた．本来ならば，「黒色頁岩イベン岩中に黒色頁岩がはさまれていることが多く，数ト」とでも呼ぶべきところを，「海洋無酸素事km 離れたところからも肉眼で識別できるケース変」という成因論まで含んだ名称が長年慣用的にもある．黒い色を呈するのは，含まれている硫化用いられてきたため，一部混乱をきたす原因にな

鉄，有機物などが原因と言われている．っている．とはいえ，研究者の間で広く馴染んで黒色頁岩の物質科学的に最も重要な特徴は，先いるので，本稿でもその名称を踏襲することにしにも述べたとおり有機物が濃集していることであよう．

る．遊離酸素が存在しない環境下では酸化剤が限代時代でもある．中生代には，大気中の二酸化炭素

時的な研究は 1 世紀以上にわたって続けられてきの恐竜の時代は，地球温暖化がきわめて進行した

そざまな微量金属を濃集しているため，その地質学と黒色頁岩は，石油の根源岩であるとともにさま

海洋無酸素事変とは

科学

1118

Nov. 2010て構成されるタンパク質（C/N 比=3〜5）の分解生成物が多量に含まれるため，C/N 比がほとん
どの場合 10 以下である．もともと高い C/N 比をもつ難分解性の糖や脂質（の誘導体）が有機物の主要な成分を占めない限り，黒色頁岩の高い C/N 比は説明できない．つまり海洋無酸素事変時に海洋表層で生産されていた有機物の種類が，現在の海洋で生産される有機物とはかなり異なっていたことを示唆しているのである（4）．海洋が無酸
図 1 ――カリフォルニア州に分布するフランシスカン層中にみられる白亜紀海洋無酸素事変‑1a（OAE‑1a）の黒色頁岩（矢頭）．

素状態になることは，黒色頁岩を形成する十分条件ではないのだ．

特ポルフィリンから読む光合成生物されにくくなる．海洋が無酸素状態になることは，の黒色頁岩を形成するための必要条件であろう．し当時の海洋表層において，どのような生物が生かし，黒色頁岩にはそれだけでは説明できそうに息していたかを知るためには，「バイオマーカない化学的な特徴がある．炭素量に比べて窒素量ー」と呼ばれる起源生物に特異的な有機分子が役が極端に少ないことだ．遠洋域で形成された黒色に立つ．とくに，バイオマスとして最も重要な一頁岩であっても，その炭素/窒素（C/N）
比は 100次生産者である光合成生物の情報を得るためには，近くに及ぶこともある．現在の遠洋域で形成されクロロフィルの中心環の分解生成物であるポルフる堆積物中に含まれる有機物は，アミノ酸によっィリンが有用である．海洋表層で光合成生物によ進

竜集 恐られ，有機物は化学的あるいは微生物学的に分解

化とその時
代NNNi
NNNN

Mg
NN

DPEPOOOONONNi

クロロフィル aNN

3 nor DPEP
窒素固定

硝酸同化

3 nor DPEP
DPEP
−15−10−50

窒素同位体比（‰）

510

図 2 ――（上）堆積物中でクロロフィル
か ら 生 成 さ れ る DPEP お よ び 3‑
nor‑DPEP．（下）白亜紀黒色頁岩試料
中 か ら 単 離 さ れ た DPEP お よ び 3‑
nor‑DPEP の窒素安定同位体比．比較のため，窒素固定および硝酸同化によって生成されるクロロフィルの典型的な窒素同位体比の範囲も示す．

Vol. 80

海洋無酸素事変No. 111119って合成されるクロロフィルは，水界や堆積物中されたクロロフィルの窒素同位体比は，ふつうで多様な分解プロセスを経た後，最終的には中心-6〜-5‰ という値をとる（5）．

環のテトラピロール構造が各種アルキル基で置換されたポルフィリンとして堆積物中に残される．

犯人はシアノバクテリア

筆者らが，約 1 億 2400 万年前に起きた OAE‑1a および約 9400 万年前に起きた OAE‑2 に堆積

窒素固定能をもつ光合成生物は一部の原核生物

した黒色頁岩中に含まれるポルフィリンを分析しに限られており，とくにシアノバクテリアや光合た 結 果，DPEP（Deoxophylloerythroetioporphy-

成細菌には窒素固定能をもつものが多い．クロロrin）
や 3‑nor‑DPEP といったクロロフィル a 起源

フィル a をアンテナ色素としてもち，窒素固定と考えられるものが多量に含まれていることが明能をもつという 2 つの条件を満たす光合成生物

らかになった（図 2 上）．ポルフィリンの構造とは，シアノバクテリアにほぼ限られる．つまり，組成は，（バクテリオクロロフィル類ではなく）ク

黒色頁岩が形成されたときは，海洋表層では窒素

特ロロフィル a を起源とする生物が，主要な一次固定を行うシアノバクテリアが多量に生息してい集 恐．

たものと推定できる．一部のシアノバクテリアや定同位体比（用語解説参照）の精密測定法を確立し，的である（7）．

べてのポルフィリンの窒素同位体比が -5‰ 付

熱帯海域の貧栄養海域においては表層水中に多数近に集中することを見出した（図 2 下）．この窒

生 息 し て お り，Trichodesmium 属 や Synechococ-

素同位体比は，当時の海洋の一次生産者が窒素固

cus 属などはまれに大規模な赤潮を形成する．現定された窒素を主に用いてクロロフィルを合成し代の海洋において，熱帯〜亜熱帯海域に生息するていたことを示唆している

シアノバクテリアが行う窒素固定量は，窒素量に．

（5）
（6）

窒素固定とは，表層水中に溶存している窒素ガして年間 1 億トン以上にも及んでいる．とはいを細胞内に取り込み，ニトロゲナーゼにス（N2）

え全球的にみれば，海洋表層に生息する光合成独よってアンモニアに還元するプロセスである．ニ

立栄養生物にとって硝酸のほうが重要な窒素基質

トロゲナーゼに触媒された窒素ガスのアンモニアであるし，シアノバクテリアよりも渦鞭毛藻や珪化では，ほとんど同位体分別（用語解説参照）
は生藻のほうが桁違いに大きなバイオマスをもっていじない．しかし，クロロフィルの前駆体であるグる．

ルタミン酸からテトラピロール構造が合成される

黒色頁岩中に含まれる有機物の C/N 比がきわ際に同位体分別が起きるため，窒素固定系で合成めて高いのは，シアノバクテリアが窒素固定のた【用語解説】
安定同位体比の場合は d15N={(15N/14N) 試料 /(15N/14N) 標準物質
炭素，窒素，酸素など軽元素には，安定同位体がごく少量含まれている．たとえば窒-1}#1000（‰）であり，標準物質は通常大気中の窒素ガス（AIR）が採用される．

素の場合は，15N が 14N 中におよそ 0.4％ 含まれている．天然試料における安定同位体の存在比

同位体分別

各同位体間で，反応系や外部環境には，慣用的に標準試料からの偏差を千分率で表し応じて反応速度が異なる結果として，反応物と生た d（デルタ）スケールで表される．たとえば窒素成物の間で同位体の存在比に違いが生じること．

代ても重要な一次生産者のひとつである．熱帯〜亜時位体比の精密測定に成功した．その結果，ほぼすのシアノバクテリアは，現在の一部の海洋においそ

黒色頁岩中に含まれる各種ポルフィリンの窒素同と色頁岩中から見出されることも，この結論と整合化のポルフィリンを単離してその炭素および窒素安進

光合成細菌のみが合成する 2‑メチルホパンが黒のさらに筆者のグループでは，堆積岩中から単一竜生産者であったことを強く示唆している

（5）
（6）

科学

Nov. 2010

めに特化した異質細胞ヘテロシストが犯人なので海洋の無酸素化が長期間にわたって続けば，海はないかと筆者らは睨んでいる．ヘテロシストは水中に溶存する遷移金属類の組成変動を引き起こ細胞内に酸素が拡散してくるのを防ぐために，糖すだろう．遷移金属は多くの酵素に含まれているや糖脂質でできた構造的に緻密な細胞壁を作る．

ため，海水中の溶存濃度の極端な変化は，海洋生

筆者らが走査型電子顕微鏡/エネルギー分散型 X物の生理学的な機能に影響を及ぼすことも考えう

線分析装置を用いて観察した結果によると，黒色る．OAE‑2 の後に見られる異常巻きアンモナイ頁岩中に含まれる有機物粒子の中にはほとんど炭トなどは，そういった影響を受けたものかもしれ素だけからできたものが多数見出されている ．

ない．また白亜紀には，太平洋に点在していた石こういった有機物は微生物分解されにくく，黒色灰礁が大規模に死滅する現象が知られている．し頁岩の有機炭素濃度を高める効果をもっているもかし，平頂海山の造礁石灰岩のストロンチウム同の と 考 え ら れ る．ま と め る と，通 常 の C/N 比

位体層序をもとに石灰礁の死滅時期を調査した研特（110）をもつ有機物粒子と，ほぼ無限大の C/N

究では，石灰礁の大規模な死滅時期は海洋無酸素

集 恐

比をもつ
（海洋起源の）有機物粒子が混在したもの

事変と一致していない（9）．海洋無酸素事変にともが，黒色頁岩なのであろう．

なう海洋化学組成の変動が海洋生物へ及ぼす影響

1120

（4）

竜のについては，まだアイデアの段階を出ておらず，

進化今後の興味深いテーマとして残されている．

まだ謎が多い当時の海洋環境と通常，黒色頁岩には生物源炭酸塩は含まれていその時
代

黒色頁岩中からは，さらにごく少量だが，絶対ないが，生物源ケイ酸塩はほとんどのものに含ま嫌気性光合成細菌しか合成しないバクテリオクロれている．このことを説明するために，ケイ酸塩ロフィルを起源とする特殊な（炭素数 34 以上の）殻を作る珪藻と窒素固定シアノバクテリアの共生ポルフィリンや，イソレニアラタンと呼ばれるカというシナリオも考えうることを最後に指摘して．このこおきたい．海洋無酸素事変の地中海ミニチュア版とは，海洋表層の有光層内（およそ 200 m 以浅）ともいえる第四紀に形成されたサプロペル（腐泥）にまで無酸素水塊が存在したことを示している．

では，Rechelia 属のシアノバクテリアを内部共生

海洋は底層水や深層水が還元的になっただけでなさせる Rhizosolenia 属の珪藻の殻化石が大量に見く，大西洋の中央部やテチス海の奥部など一部の出されている（10）．Rhizosolenia 属を含む一部の珪海域では，酸化還元境界（O2/H2S 境界）がかなり藻は，窒素固定能をもつシアノバクテリアを内部表層近くにまで上がってきていたことを示す証拠

共生させることによって，窒素源に枯渇する貧栄である．

養海域までニッチを広げることに成功し，時としロチノイド色素の誘導体が見出せる

（5）
（7）

黒色頁岩が形成された当時，一般に海洋表層でて大増殖して赤潮を引き起こすことがある．白亜は高い生物生産性があったとされることが多い紀の海洋無酸素事変時も，珪藻 シアノバクテリが ，これについて筆者らは懐疑的に考えている．

ア系の共生が重要な役割を果たしていたのだろう

海洋の成層化は常識的には表層水の貧栄養化をもか？（6） 今後の研究に俟つところである．

（8）

たらすはずだし，現在の海洋生態系を見る限り，硝酸に枯渇した貧栄養環境下においてはじめて窒究極的な原因は火山活動か素固定シアノバクテリアのニッチが生まれる．つまり黒色頁岩とは，基本的には貧栄養環境下にお当時，海洋が成層化した直接的な原因は，深層ける産物だろうと考えている．ただし，海洋表層水形成場の水温上昇や塩分低下といった気候学的におけるシアノバクテリアの細胞密度については，な現象であろう．そのさらに背後にはいったい何残念ながら推定する材料を持ち合わせていない．

があったのだろう？ ここでは，大気海洋系と地海洋無酸素事変

No. 11112139.5
OAE 2 直前

大陸地殻

OAE 2 直前

大陸地殻
39.0

OAE 2 時

Pb

ル
洪水
玄武岩

204

38.5

208

ブ
カリ

38.0

15.50

マダ
ガス
カマ
ダ
洪 ガス
水玄 カル
武岩

15.55

Pb/

海台

15.60

207

Pb/

204Pb

OAE 2 時

カリ

15.65

海台

15.70

ブ

Vol. 8037.5
171819206

Pb/

20

204

171819206

Pb

Pb/

20204Pb

これらは数十万年〜100 万年程度の時間で大量の緯度域ではマダガスカル洪水玄武岩といった巨大玄武岩質マグマを断続的に放出する特徴をもち，火成岩区が噴出していたことが知られ，両者の関巨大火成岩区（LIP: Large Igneous Province）と呼連について 1990 年代以降活発に議論されてきた．

ばれている．LIP はプレート内部で形成されるた筆者らの研究グループがイタリアに露出する黒色め，地球深部に根をもつマントル・プルーム が頁岩「Bonarelli 層」およびその前後の地層中に＊その原因であろうと考えられてきた

．

（11）

含まれる鉛の同位体比を測定したところ，黒色頁1980 年代以降，火山岩の放射年代測定により岩の堆積開始とぴったり同時に，大陸地殻に特徴決められた巨大火成岩区の形成の時期が，層序学的な同位体比から巨大火成岩区の玄武岩に特徴的的に決められた海洋無酸素事変の年代と比較的近な同位体比にシフトすることが明らかになった．

いことが知られてきた．このため，巨大火成岩区

このことは，鉛を含むエアロゾルや火山灰を大気の形成にともなう大規模火山活動が引き金となっ中に大量に放出する大規模な火山噴火が起きるとて海洋無酸素事変が引き起こされた，という仮説

同時に，黒色頁岩の堆積が始まったことを示唆しが提唱された．ごく最近になって，堆積岩中に極ている．おそらく，陸上噴火もしくは浅海部での微量に含まれる鉛やオスミウムといった金属の同爆発的な噴火であったと予想される．

位体比の測定結果をもとに，海洋無酸素事変が巨筆者らがこの後に行った海洋無酸素事変

大火成岩区の大規模火山活動と時期的にぴったり「OAE‑1a」の研究でも，同様のことが明らかに一致することが明らかになった．

なった．バレミアン／アプチアン境界に近い

たとえば，図 3 はイタリアに露出する海洋無酸OAE‑1a 時（約 1 億 2400 万年前）には，大西洋やテチス海西部，太平洋の海台上で黒色頁岩が堆積＊1

上昇流と下降流の両方があるが，ここでは，コア／マントル境界に端を発する，周囲よりも高温の物質からなる上昇流を指している．

した．一方，同じ頃の太平洋中央部では，マニヒキ海台，オントンジャワ海台，ヒクランギ海台と代ほぼ同じ頃に太平洋ではカリブ海台が，南半球高時洪水玄武岩などが多数形成された時代と一致する．の洋やテチス海など広い範囲で黒色頁岩が堆積した．

そ海台，マニヒキ海台，カリブ海台，マダガスカルとマニアン/チュロニアン境界付近に相当し，大西化は，大規模な火山活動が頻発し，オントンジャワ

進比の変化である（12）．OAE‑2 は白亜紀後期のセノの海洋無酸素事変が頻繁に起こった白亜紀の中頃

竜（約 9400 万年前）の鉛同位体
素事変「OAE‑2」時

集 恐

球内部変動とのリンクについて注目したい．

特図 3 ――イタリア中部で採取された海洋無酸素事変‑2（OAE‑2）黒色頁岩（■）とその堆積直前の石灰岩（□）の鉛同位体比（12）．いず
れも年代補正済みの同位体比．比較のため，同時代に噴出した巨大火成岩区であるカリブ海台およびマダガスカル洪水玄武岩および上部大陸地殻（ユーラシア，アフリカ，南米大陸）の鉛同位体比を示す．黒色頁岩の堆積とともに鉛同位体比は巨大火成岩区寄りにシフトしている．

科学1122

Nov. 2010

二酸化炭素？
メタン？

気候変動
大気表層水

海洋循環の変動

シアノバクテリア

酸化的還元的
巨大火成岩区

深層水の還元化

深層水黒色頁岩の形成

地殻
特集 恐

マントル・プルーム

マントル

竜の図 4 ――筆者らが提唱している黒色頁岩の生成を説明する模式的な図．

進化とその時代

いった巨大海台が形成されていたことが火山岩のう火山噴火イベントと，海洋無酸素事変を引き起放射年代測定によって明らかにされてきた．

こした気候変動の間をつなぐメカニズムである．

OAE‑1a を代表する黒色頁岩「Selli 層」では，黒

これまでのところ，火山ガス中に含まれる二酸化色頁岩の堆積とぴったり同時に，オスミウム同位炭素の放出や，広域の火山活動にともなうメタン体比がマントル由来のオスミウム同位体比まで急ハイドレートの崩壊にともなう地球温暖化が提唱

変し，黒色頁岩が堆積した 100 万年ほどの期間されている（12）．また温暖化にともなって大陸風を通して，その状態が続いていたことが明らかに化が進み，大陸から海洋へのリンなどの栄養塩のなった．このことは，マントル物質を大量に供給が増加して海洋の生物生産が増加したという放出する大規模な火山活動と，海洋無酸素事変がシナリオも提案されている（15）．大量の二酸化炭起きて世界各地で黒色頁岩が堆積することが密接

素が海水中に放出されれば，大規模な海水の酸性にリンクしていることを強く示唆している（図 4）．

化を引き起こすだろう．テチス海の化石記録によこういった地球化学的証拠はいずれも，海洋環ると，OAE‑1a とほぼ同時に石灰質ナノプランク境の急激な変動が，究極的には火山活動によってトン（Nannoconid）の消滅や群集組成の大規模な引き起こされていた可能性がきわめて高いことを変化が起こっている．これは，海洋の一時的な酸示している．堆積物中に含まれる微量金属の同位性化と関連づけて解釈されている（16）．しかし，体比を精密に測定できるようになって，はじめて現時点ではいずれのシナリオも仮説の域を出てお実証的に考察できるようになったのである．近年らず，今後の研究に俟つところである．

（13）

44444

進展が著しい同位体比測定技術の賜物と言えるだ

また，OAE‑1a や OAE‑2 開始時には，炭素同ろう．ここ数年間，黒色頁岩のオスミウム同位体位体比の 2〜3‰ に及ぶ負のシフトが見られる．

比の結果が続々と発表され，上述の両者の関係は上部マントル中に含まれる炭素は，平均的な濃度ゆるぎないものになりつつあるが数百 ppm でその同位体比が -8〜-3‰ と推定

．

（14）

されているから，上部マントル起源のマグマの噴最大の謎: 火山活動と海洋変動のリンク

出だけでこれら炭素同位体比の負のシフトを説明するには量的に 2 桁足りない．ところが，もし地残された最大の謎は，巨大火成岩区の形成とい球内部で起きたプルームの上昇にともなって，下Vol. 80

No. 11

海洋無酸素事変

1123

部マントルやマントル・コア境界付近，さらには酸素ガスがまだほとんど蓄積していなかった始生コア中に含まれていた大量の炭素が地球表層へも代の海洋表層の生態系がよみがえり，原核生物がたらされたとしたら，話は変わってくる．

大きく幅を利かせた海洋生態系で形成されたのが炭素質隕石の分析結果をもとにした太陽系の元黒色頁岩，という見方である．海洋が還元的にな素存在度によると，炭素は水素，ヘリウム，酸素れば，脱窒によって海洋から大気への窒素フラッに次いで 4 番目に多く，量的にはきわめて重要なクスが増加するが，それを補うかのように窒素固元素である．ただし地球における炭素存在度につ定系が駆動し大気から海洋への窒素フラックスをいては，炭素が揮発性の高い元素であることを反増加させるという，地球環境の恒常的な一面を垣映して 1700 ppm と比較的低く見積もられてき間見ることもできる．
さらに黒色頁岩は石油の根源岩でもあり，シア度がこれまで過少評価されてきたことが指摘されノバクテリアこそが石油の主たる起源生物と考え，地球の核に含まれる炭素濃度が 5％ることができる．現代人は，太古の昔にシアノバにも達するという推定値も提唱されている．地球

クテリアが数百万年にわたってせっせと貯め続け深部の炭素の同位体比が炭素質コンドライトのそた太陽エネルギーの恩恵にあずかって暮らしてい集 恐れ（-16〜-3‰）と同じと仮定すると，地球深部る．そしてもし，その炭素の起源が地球形成当初に起源をもつ大量の二酸化炭素の放出というプロに地球内部に閉じ込められていたものだとしたら，セスによって，黒色頁岩形成時にみられる数 ‰きわめて興味深いことである．の負のシフトを説明できるかもしれない．もし，

文献ており

（18）

最近の研究成果を通して，地球の興味深い一面が新たに顔を覗かせつつある．つまり，海洋無酸素事変とは単なる海洋が成層化したという単純な地球環境イベントではなく，地球深部から地球表層環境までを貫くきわめてダイナミックな地球の営みによる究極の産物というものである（図 4）．
地球史における海洋生態系の変遷という観点からみても興味深い．海洋無酸素事変は，海洋生態系の「先祖返り」とでもいうべき現象として見なすことができるからだ．つまり，大気 海洋系に代らない．しかしながら，海洋無酸素事変に関する

時今後も実証的な研究を積み上げていかなければな（2007）（１） K. Moriya et al.: Geology, 35, 615（２） H. C. Jenkyns et al.: Nature, 432, 888（2004）（３） S. O. Schlanger & H. C. Jenkyns: Geol. Mijnb., 55,179（1976）（４） N. Ohkouchi et al.: Front. Res. Earth Evol., 1, 239（2003）（５） N. Ohkouchi et al.: Biogeosciences, 3, 467（2006）（６） Y. Kashiyama et al.: Org. Geochem., 39, 532（2008）（７） M. M. M. Kuypers et al.: Geology, 32, 853（2004）（８） T. F. Pedersen & S. E. Calvert: Am. Ass. Petrol.
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化機能していたならば，二酸化炭素犯人説は現実味

進の炭素を地球表層に運んでくるメカニズムとしてのマントル・プルームが地球深部に潜んでいる大量竜．ところが最近になって，地球の炭素存在特た（17）