中深海域

中深海 帯（ギリシャ語でμέσον、中間）は、中深海帯または薄明帯とも呼ばれ、有光表深海帯と無光深海帯の間にある深海帯の一部です。^{[1]中深海帯は光によって定義され、入射光のわずか1%が届く深さから始まり、光がまったく届かない深さまで続きます。この帯の深さは、}海面下約200〜1,000メートル（約656〜3,280フィート）です。^[1]

中深海域は地球の表面積の約60%、海洋容積の約20%を占め、生物圏全体の大部分を占めています。^[2]そこには、イシモチ類、ブロブフィッシュ、発光クラゲ、ダイオウイカ、その他、低光量環境に適応した無数のユニークな生物を含む多様な生物群が生息しています。^[3]科学者、芸術家、作家の想像力を長い間魅了しており、深海生物は大衆文化でよく知られています。^[4]

中深海域には、温度躍層、塩分躍層、密度躍層と呼ばれる、温度、塩分、密度が急激に変化する領域が含まれます。^[1]温度変動は大きく、上層では20 °C (68 °F) 以上、深海域との境界では約4 °C (39 °F) になります。^[5]塩分変動はより小さく、通常は34.5～35 psuです。^[5]密度は海水1Lあたり1023～1027 gです。^[5]温度、塩分、密度のこれらの変化により成層が生じ、海洋層が形成されます。これらの異なる水塊は、栄養素と溶存ガスの勾配と混合に影響を及ぼします。これにより、この領域は動的になります。

中深海域には、音響的に独特な特徴がある。塩分濃度と温度変化により音の伝わり方が最も遅い音響定位測距（SOFAR）チャネルは、中深海域の底部、水深約600～1,200メートルに位置している。 ^[6]これは、音波が層内で屈折し、長距離を伝わる導波帯である。^[5] このチャネルの名前は、第二次世界大戦中に米海軍が人命救助ツールとして使用することを提案したことに由来する。難破船の生存者は、SOFARチャネルに爆発するようにタイミングを合わせた小型爆薬を投下することができ、その後、聴音ステーションが救命いかだの位置を特定できた。^[7] 1950年代、米海軍は音響監視システム（SOSUS）と呼ばれる水中聴音機の配列を作り、この海域を利用してソ連の潜水艦を探知しようとした。 ^[7] 海洋学者は後にこの水中監視システムを使い、SOSUS配列で探知できるSOFARフロートを投下して深海の流れの速度と方向を割り出した。^[7]

中深層水域は、モード水などの水塊の形成に重要です。モード水は、通常、垂直方向に混合する特性によって定義される水塊です。^[5]モード水は、サーモクライン深度で深い混合層として形成されることがよくあります。^[5]中深層のモード水の滞留時間は、 10年または100年スケールです。^[5]より長い転覆時間は、さまざまな動物がゾーンを垂直に移動したり、さまざまな破片が沈んだりする日次およびより短いスケールとは対照的です。

中深海域は海洋の生物ポンプにおいて重要な役割を果たしており、海洋炭素循環に貢献している。生物ポンプでは、光が光合成を促進する表層の有光層で有機炭素が生成される。この生成の一部は表層混合層から中深海域に輸出される。有光層からの炭素輸出経路の1つは粒子の沈降であり、動物プランクトンの糞便ペレット、バラスト粒子、凝集体中の有機物の再パッケージ化によって加速される可能性がある。^[8]

中深層では、この層は主に粒子状有機炭素（POC）の再鉱化によって支配されているため、生物ポンプが炭素循環の鍵となります。一部のPOCが有光層から排出されると、そのPOCの約90％が中深層で呼吸されます。^[8]これは、有機物を呼吸して栄養素を再鉱化する微生物によるもので、中深層魚類は有機物を沈みやすい塊に詰めてより深いところへ排出します。^[9]

この海域で起きるもう一つの重要なプロセスは、特定の種の日周垂直移動である。これらの種は、有光層と中深海層の間を移動し、粒子状有機物を深海へ能動的に輸送する。^[8] 赤道太平洋でのある研究では、中深海層のハダカミキリが、受動的に沈降するPOCの15～28%を深海へ能動的に輸送していると推定された。 ^[10]一方、カナリア諸島付近の研究では、垂直炭素フラックスの53%が動物プランクトンとミクロネクトンの組み合わせによる能動輸送によるものと推定された。^[11]一次生産性が高い場合、垂直移動による能動輸送の寄与は、沈降粒子の輸出に匹敵すると推定されている。^[8]

平均粒子沈降速度は1日あたり10～100mである。^[12]沈降速度は、沈降速度トラップを使用してVERTIGO（全球海洋の垂直輸送）プロジェクトで測定された。^[13]沈降速度の変動は、バラスト、水温、食物網構造、海洋のさまざまな地域の植物プランクトンと動物プランクトンの種類の違いによる。^[13]物質がより速く沈むと、細菌による呼吸が少なくなり、より多くの炭素が表層から深海に運ばれる。より大きな糞便ペレットは摩擦面/質量比が低いため、より速く沈む。より粘性の高い水は粒子の沈降速度を遅くする可能性がある。^[13]

溶存酸素は好気呼吸に必要であり、海洋表層部は大気とのガス交換と光合成により通常酸素に富んでいるが、中深層部は表層混合層の底部の成層により大気と直接接触していない。有機物は上部の有光層から中深層部に輸出されるが、中深層部の最小限の光は光合成を制限する。沈降する有機物のほとんどが呼吸し、ガス交換が行われないため、酸素が消費され、中深層部に酸素極小帯（OMZ）が形成されることが多い。中深層のOMZは、換気が悪く、有機炭素が中深層部へ輸出される率が高いため、熱帯太平洋東部と熱帯インド洋で特に深刻である。^[8]中深層の酸素濃度は時折亜酸素濃度をもたらし、生物の好気呼吸を困難にする。^[8]これらの無酸素地域では、CO2と硫化物やアンモニアなどの還元化合物が吸収されて有機炭素を形成する化学合成が起こり、中深海の有機炭素貯蔵庫に貢献している可能性_があります。^[14]この炭素固定経路は、この海洋領域における従属栄養生物の生産による貢献と速度が同等であると推定されています。^[15]

中深層水域は、呼吸と有機粒子の再鉱化が著しく活発な領域であり、一般的に栄養分が豊富である。これは、栄養分が限られていることが多い上部の有光層とは対照的である。OMZなどの低酸素領域は、原核生物による脱窒の重要な領域であり、硝酸塩が窒素ガスに変換される従属栄養経路であり、その結果、反応性窒素の海洋貯蔵庫への損失が生じる。^{[8] OMZの端にある酸素欠乏界面では、亜硝酸塩とアンモニウムが結合して、}アナモックスを介して窒素ガスを生成し、生物学的に利用可能なプールから窒素を除去することができる。

中深海域にも多少の光は差し込むが、光合成には不十分である。中深海域の生物群集は低光環境に適応している。^{[16]これは非常に効率的な生態系であり、多くの生物が}表層域 から沈んでくる有機物をリサイクルしているため^{[17] 、}深海域に運ばれる有機炭素はごくわずかである。見られる一般的な生物の種類は、昼間に活動する草食動物、死んだ生物や排泄物を食べる腐食動物、そしてそれらの腐食動物を食べる肉食動物である。 ^[16]

中深海域の生物の多くは、夜間に表層域に移動し、日中は中深海域に戻る。これは日周垂直移動として知られている。^[8]これらの回遊魚は、そのため日中は視覚的な捕食者を避け、夜間に餌をとることができる。一方、一部の捕食者も獲物を追って夜間に移動する。この回遊には膨大なバイオマスが含まれるため、第二次世界大戦中のソナー操作員は、この厚いプランクトンの層から返される信号を偽の海底と誤認することがよくあった。^{[18] [19]}中 深海魚の世界バイオマスの推定値は、網曳きによる1ギガトン（Gt）から、能動音響測定による7～10 Gtに及ぶ。^[20]

中深海の微生物群集については、研究が難しい海洋部分であるため、ほとんどわかっていない。海水サンプルのDNAを使用した最近の研究では、微生物ループとして知られる海洋表層からの有機物のリサイクルにおけるウイルスと微生物の役割の重要性が強調された。これらの多くの微生物は、異なる代謝経路からエネルギーを得ることができる。^[21] 一部は独立栄養生物、従属栄養生物であり、2006年の研究では化学合成独立栄養生物も発見された。^[21] この化学合成独立栄養の古細菌Candidatusは、酸素なしでエネルギー源としてアンモニウムを酸化することができ、窒素と炭素の循環に大きな影響を与える可能性がある。^[21] ある研究では、微生物集団のわずか5％であるこれらのアンモニウム酸化細菌は、年間1.1 Gtの有機炭素を捕捉できると推定されている。^[22]

中深海域では、上層からの食物の一般的な減少に伴って、 微生物のバイオマスと多様性は水深とともに指数関数的に減少するのが一般的です。 ^[8]中深海域では、さまざまな生物がさまざまな光条件に合わせて進化するため、群集構成は水深によって異なります。^[8]中深海の微生物バイオマスは高緯度で大きく、熱帯に向かうにつれて減少しますが、これはおそらく表層水の生産性レベルの違いに関連していると考えられます。^[8]しかし、ウイルスは中深海域で非常に豊富で、1立方メートルあたり約10 ¹⁰ - 10 ^{12 個}で 、中深海域全体でほぼ均一です。^[8]

中深海域には多様な動物プランクトン群が生息している。一般的な動物プランクトンには、カイアシ類、オキアミ、クラゲ、クサビクラゲ、幼生類、頭足動物、翼足動物などがある。^[8]中深海域では一般的に食物が乏しいため、捕食者は食物を効率的に捕獲する必要がある。ゼラチン質の生物は中深海の生態系で重要な役割を果たしていると考えられており、一般的な捕食者である。^[23] クラゲはこれまで水柱の中を漂うだけの受動的な捕食者と考えられていたが、より能動的な捕食者である可能性がある。ある研究では、ヘルメットクラゲPeriphylla periphylla が社会的な行動を示し、深いところで互いを見つけて群れをなすことができることがわかった。^[23] このような行動は以前は交尾によるものと考えられていたが、科学者はこれがクラゲの群れが一緒に狩りをするための摂食戦略である可能性があると推測している。^[23]

中深海性動物プランクトンは、低光量に独自の適応をしています。 多くの動物プランクトンでは、生物発光は非常に一般的な戦略です。この発光は、同種間のコミュニケーション、獲物誘引、獲物抑止、および/または繁殖戦略として機能すると考えられています。^[8] もう一つの一般的な適応は、強化された発光器官、つまり眼で、オキアミやエビによく見られ、限られた光を活用できます。^[16] タコやオキアミの中には、水柱の上方を見る管状の眼を持つものもあります。^[18]

成長率や繁殖率など、ほとんどの生命活動は中深海では遅くなります。^[16] 代謝活動は、水温の低い環境では深度が深くなり温度が下がるにつれて低下することが分かっています。^[24] 例えば、中深海に生息するエビに似たアミ類、Gnathophausia ingensは6.4～8年生きますが、同様の底生エビは2年しか生きられません。^[16]

中深海には、世界の魚類総バイオマスのかなりの部分が存在する。^[2] 中深海魚は、北極海を除いて世界中に生息している。^[9] 1980 年の研究では、中深海魚のバイオマスは約 10 億トンとされている。^[25]その後、2008 年の研究では、世界の海洋魚類のバイオマスは 8 億トンから 20 億トンの間であると推定された。^[26]さらに最近の研究では、中深海魚のバイオマスは 100 億トンに達する可能性があると結論付けられている。これは、従来の漁業の年間漁獲量約 1 億トンの約 100 倍に相当する。^{[27] [28]} しかし、このバイオマス推定には多くの不確実性がある。^[2]この海洋領域には世界最大の漁業が存在する可能性があり、この海域を商業漁業にするための開発が活発に行われている。^[9]

現在、中深海魚は30科が知られています。^[29]中深海域で優勢な魚類の1つは、33の異なる属に分布する245種を含むハゼ科です。[ ^25]腹側には目立つ発光器官があります。ゴノストマ科、またはブリッスルマウスも一般的な中深海魚です。ブリッスルマウスは地球上で最も豊富な脊椎動物である可能性があり、その数は数百兆から数千兆に上ります。^[30]

中深海魚は、その独特な解剖学的構造のため研究が難しい。これらの魚の多くは浮力を制御するために浮き袋を持っているが、魚が網にかかって浮上するとガスで満たされたこの部屋が破裂し、魚が死んでしまうため、サンプル採取が困難である。^[31] カリフォルニアの科学者は、制御された雰囲気と圧力の下で魚が水面まで浮上する途中で生きたままにできる潜水室を開発することで、中深海魚のサンプル採取を進歩させてきた。^[31] 中深海魚の個体数を推定する受動的な方法は、これらの音響サウンダーから受信した後方散乱を通して「深部散乱層」を見つけるためのエコーサウンディングである。^[17] 2015年の研究では、1970年代にさかのぼる長期研究を 使用して、南カリフォルニア沖を含む一部の地域で中深海魚の個体数が減少していることが示唆された。 ^[32] 冷水種は特に減少の影響を受けやすい。^[32]

中深海魚は低照度の環境に適応しています。多くの魚は黒や赤ですが、これは深海では光の浸透が限られているため、これらの色が暗く見えるためです。^[16] 魚の中には、周囲の環境を模倣するために、体下部に発光器という小さな発光器官の列を持つものもいます。 ^[16]他の魚は、周囲の海の低照度の色を反射して魚が見られないように角度をつけた鏡のような体を持ちます。また、別の適応として、魚の腹側が明るい色で背側が暗い色のカウンターシェーディングがあります。^[16]

中深海では食物が限られていて、まばらなことが多いため、食餌適応が進む。魚類が持つ一般的な適応には、より活発で機敏な摂食を可能にする敏感な目と巨大な顎などがある。^[30] また、成長と筋肉形成に必要なエネルギーを減らすため、魚類は一般的に小型である。^{[ 16]} その他の摂食適応には、外れる顎、弾力性のある喉、巨大で長い歯などがある。 [16] 捕食者の中には、フサアンコウのように獲物を引きつける発光ルアーを開発するものもいるが、視覚に頼らず圧力や化学的な合図に反応する捕食者もいる。^[16]

海洋ゴミ、特にプラスチックの形態のゴミは、あらゆる海域で発見されており、海洋世界に広範囲にわたる影響を及ぼしています。^[33]

最も重大な問題の一つは、プラスチックゴミ、特にマイクロプラスチックの摂取である。^[34]多くの中深海魚種は表層水まで回遊し、主な餌である動物プランクトンや植物プランクトンを捕食するが、これらは表層水中のマイクロプラスチックと混ざっている。さらに、研究によると、動物プランクトンでさえマイクロプラスチックを消費していることがわかっている。^[35]中深海魚はエネルギー動態において重要な役割を果たしており、鳥類、大型魚類、海洋哺乳類など多くの捕食者に餌を提供している。これらのプラスチックの濃度は増加する可能性があるため、経済的に重要な種も汚染される可能性がある。^[36]中深海魚の個体群におけるプラスチックゴミの濃度は、地理的な場所やそこに生息する海洋ゴミの濃度によって異なる可能性がある。2018年には、北大西洋で採取された約200匹の魚のうち約73％がプラスチックを摂取していた。^[37]

中深海域では、生体蓄積（脂肪組織における特定物質の蓄積）と生体濃縮（食物連鎖の上位にいくほど物質の濃度が高くなる過程）が大きな問題となっている。^[38] 魚類の水銀は、自然要因に加えて（石炭採掘など）人為的要因の組み合わせにまで遡ることができる。水銀は、中深海域での濃度が表層水よりも急速に増加しているため、特に重要な生体蓄積汚染物質である。^[39]無機水銀は、気体元素の形で人為的な大気放出物中に存在し、その後酸化されて海洋に沈着することがある。^[40]海洋に沈着すると、酸化された形は有機形であるメチル水銀に変換される可能性がある。 ^[40]研究によると、現在の人為的排出量では、数十年から数世紀にわたって大気と海洋の間で平衡を保つことはできないと示唆されており、^[41]現在の海洋中の水銀濃度は上昇し続けることが予想されます。水銀は強力な神経毒であり、それを摂取する中深層生物だけでなく、食物連鎖全体に健康リスクをもたらします。ミクトフィラ類など、毎日垂直に表層水まで移動する中深層生物の多くは、外洋性の魚、鳥、哺乳類に摂取されると神経毒を拡散させる可能性があります。^[42]

歴史的に、中深海域を​​商業化する取り組みの例は、経済的価値、技術的実現可能性、環境への影響が低いためほとんどなかった。^[25]バイオマスは豊富かもしれないが、深海に生息する魚種は一般的にサイズが小さく、繁殖も遅い。^[25]大型トロール網を使った漁業は、混獲率が高く、炭素循環プロセスに影響を及ぼす可能性がある。^[25] さらに、生産性の高い中深海域に到達しようとする船舶は、沖合までかなり長い航海を必要とする。^[43] 1977年にソ連の漁業が始まったが、商業利益が低かったため20年も経たないうちに閉鎖され、南アフリカの巻き網漁業は、魚の油分が多いために加工が困難だったため、1980年代半ばに閉鎖された。^[44]

中深海のバイオマスが非常に豊富なため、これらの個体群が直接の人間の消費以外の分野で経済的に利用できるかどうかを見極める関心が高まっています。たとえば、この地域の魚類の豊富さは、魚粉や栄養補助食品の需要を満たす可能性があることが示唆されています。^[25] 世界人口の増加に伴い、成長する水産養殖産業を支える魚粉の需要は高くなっています。経済的に実行可能な収穫の可能性があります。たとえば、中深海のバイオマス50億トンは、約12億5000万トンの人間の消費用の食料を生産する可能性があります。^{[25]さらに、飼料材料として特定の海洋油を必要とする水産養殖産業に加えて、人間の}オメガ3脂肪酸 の消費が人気であることから、栄養補助食品の需要も急速に増加しています。^[25] ランタンフィッシュは脂肪酸が特に多いため、水産養殖市場で大きな関心を集めています。^[45]

中深海域は、表層有機物のほとんどが呼吸される場所であるため、地球規模の炭素循環において重要な役割を果たしている。 ^[8] 中深海種はまた、表層水で餌をとるために日周垂直移動中に炭素を獲得し、死ぬときにその炭素を深海に運ぶ。^[8]中深海は、年間50億～120億トンの二酸化炭素を大気から循環していると推定されているが、最近までこの推定値は多くの気候モデルに含まれていなかった。^[3] 気候変動は地理的に均一な影響を与えないため、中深海域全体に対する気候変動の影響を定量化することは困難である。研究によると、温暖化した水域では、魚類にとって十分な栄養素と餌がある限り、中深海のバイオマスは、栄養効率の向上と温度による代謝の増加により、実際に増加する可能性がある。^[46]しかし、海洋温暖化は地球全体の中深海域全体で均一ではないため、一部の地域では魚類のバイオマスが実際に減少し、他の地域では増加すると予測されています。^[46]

水柱の成層化も、海洋温暖化と気候変動によって増加する可能性が高い。^[3]海洋の成層化が進むと、深海から有光層への栄養素の流入が減少し、純一次生産量と沈降粒子状物質の両方が減少する。^[3]追加の研究では、多くの種の地理的範囲の変化も温暖化に伴って起こり、その多くが極方向に移動する可能性があることが示唆されている。 ^[47]これらの要因の組み合わせにより、世界の海洋盆地が温暖化し続けると、中深海域では生物多様性と種の豊富さが増加する一方で、特に赤道から遠ざかるにつれて他の地域では減少する可能性があります。^[47]

中深海域についての知識が不足しているため、研究者らはこの海域を探索し、サンプルを採取するための新技術の開発に着手している。ウッズホール海洋研究所（WHOI）、NASA、ノルウェー海洋研究所はいずれも、海洋のこの海域とそれが地球規模の炭素循環に与える影響について理解を深めるプロジェクトに取り組んでいる。網などの従来のサンプル採取方法は、曳航網によって形成される圧力波と網にかかった生物発光種が発する光によって生物を驚かせてしまうため、不十分であることが判明している。中深海の活動は、ソナーの反射音が水中のプランクトンや魚に反射するため、最初ソナーを使用して調査された。しかし、音響調査方法には多くの課題があり、これまでの研究では、計測された生物量の誤差は最大3桁と推定されている。^[9]これは、深度、種のサイズ分布、種の音響特性が不正確であることが原因である。ノルウェー海洋研究所は、ソナーを使用して中深海の活動を調査するために、フリチョフ・ナンセン博士と名付けられた研究船を進水させ、漁業活動の持続可能性に焦点を当てています。^[48]音響サンプリングが直面する課題を克服するために、WHOIは、2018年8月に開始された海洋トワイライトゾーンプロジェクトと呼ばれる専用の取り組みで、このゾーンをより正確に調査できる遠隔操作車両（ROV）とロボット（Deep-See、Mesobot、Snowclops）を開発しています。^[30]

中深海域は、その地域に大量のバイオマスが存在するため、深い散乱層を特徴とすることが多い。[ 46 ^]海に送られた音響音は、水柱内の粒子や生物に反射して強い信号を返す。この地域は、1942年に第二次世界大戦中にアメリカの研究者がソナーを使った対潜水艦調査中に初めて発見された。当時のソナーは、音波を遮る生物が多数いたため、この深さより下まで到達できなかった。^[3] 1000メートルより下の深い散乱層を検出することはまれである。最近まで、ソナーは中深海域を​​研究するための主な方法であった。^[46]

マラスピナ周回遠征は、海洋の状態と深海の多様性をより深く理解するために2011年にスペインが主導した科学探検でした。^[49]特にソナー観測を通じて収集されたデータにより、中深海の生物量の推定値はこれまで考えられていたよりも低いことが示されました。^[50]

WHOIは現在、遠洋生態系の特徴を明らかにし、記録するプロジェクトに取り組んでいます。彼らは、調査船の後ろに牽引されるように設計された、重さ約700kgのDeep-Seeという装置を開発しました。^[3] Deep-Seeは最大2000mの深さまで到達でき、この中深海生態系のバイオマス量と生物多様性を推定できます。Deep-Seeには、カメラ、ソナー、センサー、水サンプル収集装置、リアルタイムデータ伝送システムが装備されています。^[48]

WHOIは、モントレー湾水族館研究所（MBARI）、スタンフォード大学、テキサス大学リオグランデバレー校と共同で、重さ約75kgの小型自律型ロボット、メソボットを開発している。 ^{[3] [51]}メソボットには高解像度カメラが搭載されており、中深海生物の日々の移動を長期間にわたって追跡・記録する。ロボットのスラスターは、観察対象の中深海の生物を妨げないように設計されている。^[3]従来のサンプル収集装置では、浮上に伴う大きな圧力変化のため、中深海で捕獲した生物を保存することができない。メソボットには、浮上中の生物を生かしておくことができる独自のサンプリングメカニズムもある。この装置の最初の海上試験は2019年に予定されている。

WHOI が開発したもう一つの中深海ロボットは MINIONS です。この装置は水柱を下り、さまざまな深さの海雪の量とサイズ分布の画像を撮影します。これらの小さな粒子は他の生物の食料源であるため、海雪のさまざまなレベルを監視して、海洋表面と中深海の間の炭素循環プロセスを特徴付けることが重要です。^[3]

ハーバーブランチ海洋学研究所は、生物発光プランクトンの分布パターンを特定し、地図化する空間プランクトン分析技術（SPLAT）を開発した。さまざまな生物発光種は独自の閃光を発し、SPLATはそれぞれの種の閃光特性を識別し、3次元分布パターンを地図化する。^[52]この技術は中深海域の調査を目的としたものではないが、生物発光種の垂直移動中の移動パターンを追跡することは可能である。この地図化技術を中深海域に適用し、この海域で発生する日周垂直移動についてより多くの情報を得ることは興味深いだろう。

• ウッズホール海洋研究所の海洋トワイライトゾーンプロジェクト
• 海のトワイライトゾーンの生き物の特徴
• 海洋トワイライトゾーンが人類にもたらす価値
• 気候と海洋の薄明帯
• 中深海魚

• ドノヴァン、モイラ（2023年11月21日）。「私たちが見ることのできない魚たち」。Hakai Magazine 。 2024年1月14日閲覧。