地球深部で起きる炭素循環を解明！驚きの事実 10年にわたる「深部炭素観測(DCO)」プロジェクト : サイエンスジャーナル

炭素の循環

炭素の循環というと、大気圏中の二酸化炭素と生物の間で行われる呼吸や、光合成のはたらきで吸収したり、排出される関係が思い浮かぶ。ガスの状態で存在する。全大気のなかでは少量（増加しつつあるがおよそ0.04%）であるが、生命活動が維持されるための重要な役割を果たしている。

二酸化炭素は様々な過程を経て大気に放出される。まず動物や植物の呼吸による放出がある。これは有機物が二酸化炭素と水に分解される過程で発生する。また分解者による方法もある。菌類やバクテリア又は古細菌が動植物の遺骸を構成する有機物質を分解し、炭素を酸素がある場合は二酸化炭素、酸素が無い場合はメタンに変える。

また、火山活動による二酸化炭素の放出もある。継続的な火山活動により堆積物中の炭酸塩から、二酸化炭素は放出される。

問題となっているのは、有機物の燃焼（炭素を含む物質の酸化反応を含む）による排出である。石炭や石油製品、天然ガス等の化石燃料の燃焼で放出される炭素は、何百万年もかけて地圏に貯蓄されたものであるが、この燃焼が、現在の大気中の二酸化炭素レベルの増加を招いていて、地球温暖化の大きな理由とされている。

逆に炭素を空気中から除去するものには植物の光合成がある。植物は太陽光によって光合成を行い、二酸化炭素から炭水化物を合成し、その過程で酸素を放出する。森林で急速に樹木が生長すること等から、この過程が最も二酸化炭素を吸収すると考えられている。

それ以外には海水のはたらきがある。極域付近の海洋表層では海水が低温なため、より多くの二酸化炭素を溶かし込む。また、陸地の化学風化反応によって炭酸塩として除去される。海洋における炭酸塩鉱物の沈降によって除去される。

こうした、空気や海、岩石、そして別の生物の体の中にある炭素はあらゆる生命に欠かせないものだ。意外なことに今回、地球に存在する炭素の90%以上が地中にあるということが分かった。

55カ国、1200人の研究者が10年にわたって地球内部の機構を調べた「深部炭素観測」DCOは、プロジェクトの締めくくりとして10月24日から26日にかけて米ワシントンDCで会合を開き、世界中から数百人の科学者が参加して研究成果を共有した。

「岩石圏」に巨大な生物圏

薄明かりの中、噴煙を上げるエクアドルのトゥングラワ火山。火山噴火は、地球が内部に蓄えた炭素を表面に戻す方法の1つだ。大人である私は、常に12kg強の炭素を持ち歩いている。皆さんもほぼ同じだ。人体の約18%が炭素原子からできているからである。

こうした炭素原子は、私たちが食べ物として取り込む前、空気や海、岩石、そして別の生物の体の中にあった。炭素はあらゆる生命に欠かせない。だから、実は地球に存在する炭素の90%以上が地中にあると言ったら、意外に思われるかもしれない。

さらに驚くべきことに、地中にも微生物が繁栄していて、それらがもつ炭素の質量の合計は、77億人の人類がもつ炭素質量の合計の400倍に上ることがわかっている。地球最大級の生態系が地下深くにあるという。

生物活動がない世界だと思われていた地下の岩石圏に，実に多種多様な生物が生息していることが明らかになってきた。ある試算によれば、地下に生息する生物のバイオマスは，地表に生息する生物の総量に匹敵するとまで言われている。

つまり地球は、地上のみならず地下にも一大生物圏を有しているのである。地下空間は、暗黒・高圧・高温・低栄養・無酸素という極限的な環境下にあり、従って、そのような極限環境下に生息する生物は、地表生物と異なった特殊な生理・生態を持つものが多いことが予想される。

また、地表との間に限られた相互作用しか存在しないために、隔離された空間である地下生物圏では、「生きている化石」が発見される可能性も高い。まさに地下空間は，微生物や微小な真核生物のタイムカプセルとなっているかもしれないのである。

しかし、地殻内に生息する莫大な量の生物についての研究は、まだほとんど行われてはいない。地殻内生物圏は、正真正銘のフロンティアと言えよう。

「私たちは今や、地球の生物圏と岩石圏が1つに統合された複雑な系であること、そして、炭素がその鍵を握っていることを知っています」とDCOの事務局長を務める米カーネギー研究所のロバート・ヘイゼン氏はインタビューで語った。

「これは、地球についてのまったく新しい考え方です」

この10年間に、DCOは268のプロジェクトを立ち上げ、その研究から1400本の査読付き論文が生まれた。以下では、地球深部に関するDCOの驚くべき発見の中から、いくつかを選りすぐって紹介する。

地中と地上の炭素循環

植物や動物に由来する炭素は、海洋プレートが大陸プレートの下に沈み込むプロセスにより、数億年の歳月をかけて地中深くに潜ってゆく。その証拠に、かつて生物の一部だった炭素が、地下410〜660kmで形成されたダイヤモンドの中から見つかっている。地中に取り込まれた炭素は、長い時間がたてば、ダイヤモンドや岩石、火山ガス中の二酸化炭素となって、再び地表に戻ってくるのだ。

炭素を隔離する「強力」な仕組みも別の見方をすると、地球は私たちと同じように、炭素を取り込んだり排出したりしていることになる。こうした炭素循環のプロセスは、かつては安定していたが、人間がバランスを崩してしまった。

人類が膨大な量の炭化水素（石油、天然ガス、石炭）を地中から取り出して燃やすようになったせいで、地中の炭素が地表に戻る部分だけが加速してしまったからだ。さらに、都市や道路の建設や森林伐採などにより地表が大きく変化した結果、地球が炭素を取り込む能力も損なわれてしまった。

この炭素循環の破壊こそ、私たちが「気候クライシス」と呼んでいるものの正体なのだとヘイゼン氏は言う。「気候変動は、遠い未来ではなく、ほんの1世代か2世代先の人類の存亡にかかわる問題です」

非常に危険なレベルの地球温暖化を避けるためには、今から20〜40年後には化石燃料による二酸化炭素の排出をゼロにし、すでに大気中に放出された二酸化炭素の多くも除去しなければならない。しかしヘイゼン氏は、DCOが明らかにした深部炭素循環に関する新しい知識に希望を見いだしている。自然界には、炭素を隔離する「信じられないくらい強力」な仕組みがあるというのだ。

二酸化炭素を吸収する岩石

自然がもつ炭素隔離作用の一例は、オマーンにある「サマイル・オフィオライト」という岩石層に見ることができる。はるか昔、地球の上部マントルから押し上げられてきたこの岩石は、風化作用と岩石中の微生物の作用によって空気中の二酸化炭素を取り込んでいる。

このプロセスの効率は非常に高く、「大気中の二酸化炭素が吸収されて岩石として蓄積される様子を、実際にその目で見ることができます」とヘイゼン氏は言う。

実験により、オフィオライトの岩石層に炭素を豊富に含む流体を注入すると、炭酸塩鉱物が速やかに形成されることがわかっている。これを利用して、大気から数十億トンの二酸化炭素を除去できる可能性があるが、途方もない規模のプロジェクトになると、ヘイゼン氏は話す。

オフィオライトは北米やアフリカなどでも見つかっている。他にも、ハワイなどで見つかる玄武岩も、自然界の炭素隔離作用の一つだ。アイスランドでは、DCOのプロジェクト「CarbFix」が、炭素を含む流体を玄武岩に注入し、固体に変化させられることを実証している。

地球の炭素吸収能力に関するこれらの新しい発見は「私を非常に楽観的にしてくれます」とヘイゼン氏は言う。別の見方をすると、地球は私たちと同じように、炭素を取り込んだり排出したりしていることになる。こうした炭素循環のプロセスは、かつては安定していたが、人間がバランスを崩してしまった。

非常に危険なレベルの地球温暖化を避けるためには、今から20〜40年後には化石燃料による二酸化炭素の排出をゼロにし、すでに大気中に放出された二酸化炭素の多くも除去しなければならない。

しかしヘイゼン氏は、DCOが明らかにした深部炭素循環に関する新しい知識に希望を見いだしている。自然界には、炭素を隔離する「信じられないくらい強力」な仕組みがあるというのだ。

地球外生命が存在する可能性

DCOが期待を高めてくれたものは他にもある。地球以外の惑星に生命が存在する可能性についてだ。純粋なダイヤモンドは炭素のみからできているが、ほとんどのダイヤモンドには不純物が含まれている。こうしたダイヤモンドは宝石としての質は劣るが、研究にとっては非常に貴重。地球深部に暮らす生物のエネルギー源となるメタンが含まれているからだ。

高圧下で水がカンラン石というありふれた鉱物と出会うと、カンラン石は蛇紋石という鉱物に変化し、同時にメタンを生成する。地球深部の高温・高圧下で、微生物が岩石由来の化学エネルギー（メタン）を利用して生きることができるなら、地球以外の惑星でもそうした生命の可能性が高まるだろう。

この発見から、最初の生命は一般に信じられているように海で生まれたのではなく、地球深部で生まれて進化したのかもしれないとする仮説も登場している。「DCOはこの仮説に重要な証拠をもたらしました」と米アルフレッド・P・スローン財団の科学顧問を務める米ロックフェラー大学のジェシー・オーズベル氏は言う。

ダイヤモンドは、DCOの研究者に別の証拠も与えた。地球深部には全海洋よりも多くの水があることがわかったのだ。ただし、その水のほとんどは液体ではなく、鉱物の結晶中に存在している。炭素の場合と同様、巨大なプレートの沈み込みによって、地球深部に水が引き込まれたものと考えられている。

地球が鳴らす警報

火山ガスを監視するDCOプロジェクトでは、コスタリカの火山噴火の前に、火山ガス成分が変化することを初めて検出した。ガスに含まれる二酸化硫黄と二酸化炭素の比率が変化していたことで、早期警報システムの実現可能性が示された。

「噴火の前にガスの成分が変化するというのは理論でしかありませんでしたが、DCOは実際に現地で検証させてくれたのです」と英セントアンドリューズ大学のサーミ・ミハイル氏は言う。「火山ガスの成分の変化は、何かの来訪を告げるドアベルのようなものかもしれません」

現在、エクアドルのトゥングラワ火山、イタリアのエトナ山など、人々の居住地に近い複数の火山が監視されている。こうした火山観測はまた、火山から排出される二酸化炭素の量が、化石燃料の燃焼による排出量に比べて非常に少ないという決定的な証拠も示している。気候変動は人為的なものでないと考える人の中には、大気中のCO2濃度上昇は火山のせいと主張する人がいたが、これが否定されたことになる。

DCOの今後

DCOのプロジェクト期間は終了したが、深部炭素を研究する世界の科学者コミュニティーは、NASA、全米科学財団、ドイツ研究振興協会、カナダ先端研究機構などの支援を受けて、これまでの研究を続けるとともに、新しい研究を開始する予定だ。新たな本部はフランスのパリ地球物理研究所に置かれる。

参考 National Geographic： https://natgeo.nikkeibp.co.jp/atcl/news/19/102800618/