陸と海の炭素のつながり

## 炭素は陸と海を行き来している地球上の炭素は、大気、海洋、生物、土壌、岩石などの間を移動している。陸上と海洋は別々の環境に見えるが、炭素循環という観点では強く結び付いている。大気を介した二酸化炭素の交換だけでなく、河川による物質輸送、沿岸での堆積、生物による炭素固定、岩石の風化などが、陸と海を一つの地球システムとして結んでいる。このつながりは、生命史にも影響してきた。陸上生態系が発達すると、土壌形成や風化、有機物の輸送が変わり、その影響は河川を通じて海へ及ぶ。逆に、海洋で炭素がどのように固定され、分解され、堆積するかによって、大気中の二酸化炭素濃度や酸素濃度が長期的に変化する可能性がある。ただし、地質時代の炭素循環は多くの過程が同時に作用しているため、「陸上生物が増えたから気候が変わった」といった単純な因果関係に還元することはできない。火山活動、大陸配置、海洋循環、気候、生物活動などを含む相互作用として考える必要がある。 ## 大気は陸と海を結ぶ炭素の通路陸と海を結ぶもっとも広域的な経路の一つが大気である。植物や藻類などの光合成生物は、二酸化炭素を取り込み、有機物として炭素を固定する。一方、生物の呼吸や有機物の分解によって二酸化炭素は再び放出される。陸上でも海洋でも、この固定と放出が絶えず繰り返されている。海面では、大気と海水の間でも二酸化炭素が交換される。海水がどれだけ二酸化炭素を吸収できるかは、水温や海水の化学組成、海洋循環、生物活動などに左右される。そのため、海洋は常に一方的に炭素を吸収しているわけではなく、場所や時期によっては大気へ二酸化炭素を放出する。陸上生態系も同様である。森林や土壌には大量の炭素が蓄えられるが、枯死や分解、火災などによって炭素が大気へ戻る。したがって、生物量が多いことだけでは、大気中の炭素が長期的に減少するとは限らない。重要なのは、固定された炭素の一部が通常の循環から長期間隔離されることである。 ## 河川が運ぶ陸由来の炭素陸と海の間には、大気だけでなく河川という直接的な物質輸送路がある。雨水や地下水は陸地を流れる過程で、土壌や岩石、生物遺骸などからさまざまな物質を取り込む。河川水には、有機物として存在する炭素だけでなく、岩石の風化などに由来する無機炭素も含まれる。こうした物質は最終的に湖沼や河口、沿岸域、外洋へ運ばれる。その途中で一部は微生物に分解され、二酸化炭素として大気へ戻る。一部は生物に利用され、一部は粒子として海底へ沈む。したがって、陸から海へ運ばれた炭素がそのまますべて海底に保存されるわけではない。河川から海へ至る過程そのものが、炭素を変換する巨大な反応系になっている。とくに河口や沿岸域は、陸由来物質と海洋由来物質が混ざる場所である。栄養塩の供給によって生物生産が高まる場合もあれば、有機物の分解によって酸素が消費される場合もある。陸上環境の変化が海洋生態系に伝わる重要な境界領域といえる。 ## 風化は炭素循環と海洋化学を結び付ける陸地では、岩石が雨水や二酸化炭素を含む水と反応して化学的に変化する。この風化作用も、長期的な炭素循環に関わっている。とくにケイ酸塩岩石の化学風化は、地質学的な時間スケールでは大気・海洋系から二酸化炭素を取り除く過程と結び付いている。風化によって生じた溶存成分は河川を通じて海へ運ばれ、海洋中で炭酸塩形成などに関与する。ここには生命も関係する。陸上植物の根は岩石の割れ目に入り、土壌中では根や微生物の活動によって二酸化炭素や有機酸が生じる。こうした作用は岩石の風化速度を変える可能性がある。そのため、陸上植物の進化と拡大が地球規模の風化や炭素循環に影響したと考えられている。ただし、その影響の大きさや時期を正確に推定することは容易ではない。大陸の位置、山脈形成、降水量、気温、露出する岩石の種類なども風化速度を大きく左右するからである。陸上生命の発達と気候変化が同じ時代に観察されたとしても、それだけで一方を他方の単独原因とみなすことはできない。 ## 陸上植物の進化は海にも影響した植物が陸上へ進出し、やがて広大な植生が形成されるようになると、陸上の炭素循環は大きく変化した。植物は大気中の二酸化炭素を固定し、体内に有機炭素を蓄える。植物遺骸は土壌に供給され、微生物によって分解される。また根系の発達は土壌構造や水の流れ、侵食や風化にも影響する。これらの変化は陸上だけで完結しない。侵食によって運ばれる粒子や、風化で生じたリンなどの栄養元素が河川を通じて海へ届けば、海洋の生物生産に影響する可能性がある。海洋生物がより多くの有機物を生産すれば、その一部が海底へ沈降する。一方で、栄養塩供給が増えすぎると、有機物の分解による酸素消費が大きくなり、海底付近が低酸素化する可能性もある。このように、陸上植物の進化は、大気中の二酸化炭素を直接固定するだけでなく、風化、侵食、河川輸送、海洋生産といった複数の経路を通じて海に影響しうる。 ## 海に沈む炭素と長期的な隔離海洋で光合成によって作られた有機物の多くは、食物網や微生物分解を通じて比較的短期間のうちに再び二酸化炭素へ戻る。しかし、その一部は粒子となって深海へ沈む。この働きは一般に、生物活動による表層から深海への炭素輸送として理解されている。深海へ運ばれた炭素も最終的には分解されることが多いが、ごく一部が海底堆積物に埋没すると、短期的な生物循環から離れる。さらに長い時間を経れば、堆積物の一部は堆積岩となる。陸上から運ばれた有機炭素についても同様に、一部が河川や沿岸域を経て海底堆積物へ保存されることがある。炭素の長期的な隔離を考えるときには、「どれだけ光合成されたか」だけでなく、「固定された炭素のうち、どれだけが分解されずに埋没したか」が重要になる。この埋没率は、海水中の酸素濃度、堆積速度、生物活動、海洋循環などによって変化する。 ## 炭素の埋没と酸素の関係光合成では、有機物と酸素が生み出される。一方、その有機物が呼吸や分解で消費されれば、酸素も消費される。そのため、光合成で作られた有機炭素の一部が分解されずに埋没すると、炭素と酸素の循環の収支に影響する。地質時代を通じて有機炭素の埋没が大気中の酸素蓄積に関係してきたと考えられているのはこのためである。しかし、大気中の酸素濃度は有機炭素埋没だけで決まるわけではない。硫黄など他の元素の循環、岩石の酸化、火山活動、堆積物の再露出など、多数の過程が関与する。したがって、ある地層に多量の有機炭素が残っていることだけから、その時代の酸素濃度を単純に判断することはできない。炭素循環と酸素循環は密接に結び付いているが、その関係は地球全体の物質収支の中で理解する必要がある。 ## 海から陸へ戻る炭素炭素の移動は陸から海への一方通行ではない。海洋で形成された炭酸塩や有機物は海底に堆積し、長い時間をかけて岩石になる。その後、プレート運動や造山運動によって地層が隆起すれば、かつて海底にあった岩石が陸上に露出することがある。露出した岩石は再び風化や侵食を受ける。また、プレートの沈み込みによって地球内部へ運ばれた炭素の一部は、火山活動などを通して二酸化炭素として地表へ戻る。こうして見ると、河川による輸送は数年から数千年程度の比較的短い循環に関与する一方、堆積、岩石化、プレート運動、火山活動は数百万年以上に及ぶ炭素循環を形成する。地球の炭素循環には、異なる時間スケールの仕組みが重なっているのである。 ## 生命は炭素循環の参加者であり、環境の改変者でもある生命は与えられた地球環境の中で進化してきたが、同時に地球環境そのものを変える要因にもなってきた。光合成生物は無機炭素を有機物へ変換し、陸上植物は土壌や風化を変え、微生物は有機物を分解し、海洋生物は炭素を深海へ運ぶ。貝殻や骨格を形成する生物は炭酸塩の形成にも関与する。一方、生物がどのような働きをできるかは、気温、降水、酸素濃度、栄養塩、大陸配置、海洋循環などによって制約される。つまり、「地球が生命を変える」という方向と「生命が地球を変える」という方向は切り離せない。陸と海の炭素循環は、その相互作用をよく示している。陸上で固定された炭素や風化によって生じた物質は川を下り、海洋生態系に影響する。海では炭素の一部が深海や堆積物へ移り、長期的な大気組成にも関係する。そして海底に蓄積した炭素は、地殻変動によって再び陸や大気へ戻る。地球生命史を理解するうえで重要なのは、陸、海、大気、生物を独立したものとして見るのではなく、炭素をはじめとする物質がその境界を越えて循環していると捉えることである。生命の歴史は地球環境の変化によって形づくられてきた。同時に、生命活動の積み重ねもまた、地球環境を変えてきた。その相互作用の具体的な経路の一つが、陸と海を結ぶ炭素の循環なのである。