LESSON 7
大気組成と海洋生物
p. 56～66

2023年度

教養課程：地球環境科学の最前線

担当：熊本大学大学院

A&B

横瀬久芳（海洋火山学）

生物を車で考えると様々なパーツ（＋人間）＋エネルギー＝動く

様々なパーツエネルギー

いろいろな材料(元素）から作り出した素材→加工→パーツ→組み立て原油から精製したガソリン

そもそも我々人間を含めた生物圏と海洋はどんな関係になっているの？
生物は、その生命を維持するために
１） エネルギーの補給
２） 体を作る材料の補充が必要不可欠

つまり、物質の流れとエネルギーの流れを把握することが大切になる。

さらに、繁殖行動によって、次世代に情報を受け継がなければ滅亡する。

なぜ生物は、CとHとOが主体なのか？
人体（70㎏の場合）の元素比：酸素（45.5ｋｇ），炭素（12.6㎏）水素（7㎏），窒素（2.1㎏）カルシュウム（1㎏）
水分≒約42リットル

Oddo-Harkins rule

反応性があって宇宙存在度が極めて高い元素群だから地球における生命誕生のなぞ

ユーリー ＆ ミューラーの実験（原始大気と海洋そして放電を使ってアミノ酸を合成）
原始大気および海洋組成に誤りがある。

大気中における気体成分の濃度％

地球史における大気組成の変遷
メタン、アンモニア

大気圏は不明
窒素
水
二酸化炭素

酸素

10億年（対数表示であることに注意）

原始大気には、酸素が存在しないため、オゾン層が形成されておらず地球表層部は、強烈な紫外線にさらされていたと考えられている。

生命の海底起源説

太陽光が弱く、不安定な地表面よりは、熱水活動の盛んな深海底が、生命を育むのに好都合なのでは？

３５億年前の岩石にバクテリアのような痕跡が現在は、蛇紋岩海山の湧水域が新たな生命誕生の地として浮上してきている。

深海底熱水活動と生物群集
原始地球の姿かもしれない• How do the vents change our understanding oflife? The existence of an ecosystem based on
chemosynthesis has overturned many assumptions
about the nature of life – in particular, theidea that sunlight is essential for life tothrive. There is evidence that life on Earth
may have originated in the vents, rather thanin the upper reaches of the ocean. Even more
exciting is the prospect of finding life
elsewhere in the universe. It seems
increasingly likely that life might exist
elsewhere in our own solar system; hereorganisms resembling the chemosynthetic
microbes at vents might exist, perhaps forming
the base of complex food webs comprised ofhigher organisms. Lately, much attention has
been focused on Europa, a frozen moon ofJupiter. Observations show that the ice
covering the planet shifts, perhaps indicating
the presence of water beneath the ice – and,possibly, of chemosynthetic-based life forms.

http://www.stephenlow.com/project/volcanoes-of-the-deep-sea/
チャプター10：生命の工場より（27分から）しかし、現在は、蛇紋岩海山の湧水域が新たな生命誕生の地として浮上してきている。

火星で確認される有機分子
Science, vol 360, Issue 6393, 1068-1069

Data from the Curiosity rover provide evidence for organic molecules inancient Martian rocks and in the atmosphere
Inge Loes ten Kate（2018） Science, vol 360, Issue 6393, 1068-1069.

地球大気組成の歴史的変遷
現在の大気組成は生物が生み出した。

相対的な濃度

二酸化炭素
酸素
大気中に酸素が貯まるとオゾン層ができて紫外線が和らげられる

X 10億年動物の出現
酸素の放出
シアノバクテリアの出現
微生物の出現
二酸化炭素主体我々の祖先は、ホヤやナメクジウオ
硬骨魚類
無顎類

鳥類

ホヤ
ナメクジウオ
軟骨魚類

古生代

両生類

爬虫類

白亜紀
ジュラ紀
二畳紀紀
三畳紀石炭紀
デボン紀
シルル紀
オルドビス紀
カンブリア紀原生代
脊索・脊椎動物の祖先

哺乳類
1.35億年前
3.75億年前
5億年前

大量絶滅と生物進化

5度の大量絶滅（オルドビス紀末（O-S境界）、デボン紀末（F-F境界）、ペルム紀末（P-T境界）、三畳紀末（T-J境界）、白亜紀末（K-Pg境界））

6番目の大量絶滅時代に突入したかも？
Fig. 1 Cumulative vertebrate species recorded as extinct or extinct in the wild by the IUCN
(2012).

絶滅が確認された数と推定値に基ずいた計算

絶滅が確認された数に基ずいた計算

産業革命以前の推移
Gerardo Ceballos et al. Sci Adv 2015;1:e1400253
Copyright © 2015, The Authors

産業革命以前の推移

現在の地球における人口増加と絶滅種数の相関関係

絶滅
種数

人口増加
生物の絶滅種数人
口生存エネルギーの確保

光合成：太陽エネルギーを有機物に変換
太陽光エネルギー

二酸化炭素

葉緑素

ブドウ糖 属水酸素

化学合成：化学反応エネルギーを有機物に変換する

二酸化炭素

ブドウ糖

硫化水素

酸素

硫黄

水

生物間におけるエネルギーサイクル
独立栄養生物

有機炭素

有機炭素

無機栄養塩
クロロフィル

太陽エネルギー

従属栄養生物生物活動

エネルギーの流れ
光合成
生産者(独立栄養生物）

太陽消費者（主に従属栄養生物）

動物、分解、夜間の植物

エネルギーと材料確保のために（食べる運命にある、従属栄養生物）

肉食性海洋無脊椎動物

仔魚や幼魚
動物プランクトン植物プランクトン

ニシンが大きくなる時の食物網
幼魚や仔魚の時代より低次の捕食者によって食べられてしまう。

食物連鎖というよりは、食物網
５次トップ肉食

Food web

４次消費者
３次消費者

２次消費者
１次消費者
１次生産者

相互関係が複雑で、まるで蜘蛛の巣エネルギー交換効率
50万ユニット

太陽の放射エネルギーを食物網を介して人間が取り込むとき、エネルギー交換効率は５０万対1程度になる。

食物の材料としての効率100ｇのマグロを作るのに必要な材料（一次生産）は、１０トンに達する。

生物の成長は、一年が基本単位ではない。
• 人間（20歳：60㎏）が成長するのに、1日に平均1㎏の食糧を食べると仮定する。
1㎏＊365＊20＝7300㎏ 7.3トンを消費し、大人になって繁殖行動を行う。
繁殖行動の後、生まれてくるのは、10月10日後。
その後は、毎年増殖することが可能。

• 宇宙人の襲撃で、繁殖期をすぎた人間が食糧とされたら（40億人*60㎏）／（40億宇宙人*1ｋｇ）＝60日分の食糧
宇宙人は飢え死にしちゃうから、繁殖期に満たない人類も食糧とし始め、人類を絶滅の淵に追いやり、宇宙人も滅亡の道を辿る。

桃栗3年、人15~30年
1973年アメリカＳＦ映画：ソイレント・グリーン（ベートーベンの田園がシュール）
主人公が最後に発した言葉 “Soylent Green is PEOPLE!” は今も耳に残る。

サイズの違いは、年齢の違い
4~5㎝

1-2歳

2-3歳

アサリ

４歳
5歳

1-2歳

6歳

４歳４歳

6歳
8歳

瀬戸内海の研究例では、1年：体長8cm、2年：12.5cm、3年：14．
5cm、4年：16cm、5年：17.5cmにしかならないらしい。尺ギスは、8年を超える。上に写真は天草のシロギス。恐らくこの位の期間、海で暮らしていたのだろう。

ハマグリ

ハマグリ

浮遊幼生となり、1日目（トロコフォア）2日目（D状期0.1mm）、アンボ期、フルグロウン期0.2mmを経て2～4週間で着底する。着底直後の稚貝は足糸を分泌して砂礫等に付着し、成長とともに足糸は退化する。その後、着底初期稚貝（0.25mm） 1～1.5ヶ月稚貝（1mm） 4～6ヶ月稚貝（10～20mm） 8ヶ月～1年貝（25～30mm）、成貝1～2年以上（35～40mm以上）と成長していく。
上に写真は、4㎝以上だから3年以上捕まらずにいたアサリかもしれない。

漁師は生活のために、毎日漁をするが、生物は毎日増殖しているわけではない。
農産物でさえ、毎日収穫できない事を考えれば、容易に想像がつくはず。

生物多様性を維持しないといけない
理由• 食物網に穴が開くと多くの種に影響が出る。
• 地球環境の破壊が進むと生産者がいなくなり、生物のエネルギー源がなくなる。
• 一次生産者がいなくなると、大気中の二酸化炭素が固定できなくなると同時に酸素の供給減がなくなり、大気組成の大幅な変更が余儀なくされる。
• 絶滅イベントに対応するため、多様な能力を確保しておくことは、生き残り戦略として重要。

太陽エネルギーだけでは決まらない
一次生産量をコントロールするもの

例えば、生物数を材料が決める場合
海水中海水中

L I
L

FI
FLI
LL F I

EEI
F

海水中の材料物質： L、 I、 F、 E、生物を作る設計図： 赤星、オレンジの星
生物活動を支えるエネルギー： 過剰に存在

F E

L

EI

FE

海水中の栄養塩類濃度と生物生産の関係（硝酸、燐酸、珪酸）

Biolimiting：生物生産を制限する物質

一次生産力の分布

沿岸域や太平洋の中央部に生産性の高い地域が存在する。

一次生産をコントロールする地域性
光量
シリコン
リン酸
硝酸
鉄（Fe）

高緯度では、光量が支配し、低・中緯度では栄養塩類が支配する。

条件が整うと、植物プランクトンが増殖（springbloom)それに遅れて、動物プランクトンが反応します。

生産と消費：材料のリサイクル

生物界の物質及びエネルギー循環
材料の再利用トップ肉食性 消費者
エネルギーの放出

3次肉食性 消費者

物質の分解

2次肉食性 消費者
一次肉食性 消費者
草食性 消費者

一次生産者

栄養分の供給それぞれの物質が菌類やバクテリアなどによって分解され、材料として再利用される。

プランクトンの海水表面における材料の循環

捕食
光合成

排泄
魚等の糞

有機物の分解過程 バクテリアによる分解過程

消費

海面

動物プランクトンの鉛直移動

有光層

動物プランクトン

植物プランクトン

マリンスノーとして海底に細粒の死骸や糞は分解されて再利用されるが、大きな塊はマリンスノーとして深海底に降り積もるバクテリアによる有機物の分解過程

様々な細菌類が関わりながら生体の分解過程と化学変化をもたらす

富栄養化した水域における“死の海”へのシナリオ• 過剰の栄養塩類が追加される（陸起源の余剰肥料、生活排水）。
→

一次生産が急激に起こる（増殖速度大）。

→

一次消費者の大量発生（増殖速度大）。

→赤潮や青潮の状況が生まれる（毒性のあるプランクトンも大繁殖）。

→

二次・三次消費者（増殖速度が遅い：ライフサイクルが長い）で処理。
しきれないため、一時生産者・消費者の余剰が生じる。

→

死体や糞となって、過剰の有機物が海底に追加される。

→

過剰の有機物は、バクテリアによって一気に分解が進む。
（この時、海底付近の海水中酸素が多量に消費される）。

→海底の溶存酸素が激減し、底生生物が窒息死し、さらにバクテリアの餌が供給される。

→

低酸素状態の部分が広がり、生物活動が維持できず、死の海になる。

海底堆積物を用いた有明海１００年環境変遷史の評価
天草湯島

早崎瀬戸

海苔養殖

熊本港

白川

横瀬久芳（熊大・理）yokose@sci.kumamoto-u.ac.jp
百島則幸（熊大・理）松岡數充（長崎大・水産）
長谷義隆（熊大・理）
本座栄一（熊大・理）

坪井川

地球惑星合同大会2004年５月（幕張メッセ有明海環境変化の原因を探る
有明海周辺の社会整備事業と環境変動
海産資源の異変 ：アサリやタイラギなど底棲生物の漁獲量が激減
海苔の色落ち海の異変:

赤潮の発生、透明度の増加、潮流の変化

巨大社会整備事業：筑後大堰（昭和６０年）、熊本新港の開発（昭和５５年から継続中）、諫早湾の干拓および潮受け堤防の締め切り（平成９年）“社会整備事業”と“海の異変”の因果関係
横瀬ら（2004）の研究目的• 有明海の底質の変化はいつから始まったか？
• なぜそのような事が起こったのか？
• 有明海の水塊変遷はいつから始まったか？

• 社会整備事業との因果関係を再評価

－＞

複雑な問題

ということで RKKに出演

２００５年放映分より

“疲弊した有明海！”とマスコミが声高に叫んでいるさなか
有明海のとある潮干狩り場では、普通にアサリ掘りができたし、タイラギ貝も売っていた。

単なる比較の問題なのだろうか？

蛇足（環境問題と研究者）
不機嫌なジーン（結構リアルな設定）
基本的にはラブストーリーではあるが、環境問題を取り巻く利害関係を概観するには面白い作品である。早速
蔦屋で借りて全巻を制覇。利害関係の描写が結構リアリティーあふれるものであって、むしろ控えめなくらい。
国、研究者、住民それぞれの立場で、利害関係が複雑に絡みあうため、純粋に環境問題を解決しようと思ったら独立した立場で見極める必要がある。特に、環境問題を取り扱う会社は、クライアントが住民なのか国なのかによって報告書のまとめ方が変わってくる。偽学者（御用学者）はもっとたちが悪い。
『不機嫌なジーン』は、フジテレビ系で2005年（平成17年）に放送された、竹内結子主演の連続テレビドラマ。全11回。
とある理学部の研究室が舞台。内容は・・・、でも背景は結構リアル。

なかなか解決しない環境問題の事例は、このドラマのような茶番劇かもしれない。