北極海の海洋酸性化

北極海は14,056,000平方キロメートルの面積を覆い、平均水温が華氏32度であるにもかかわらず、多様で重要な社会経済的食物網の生物を支えています。^{[ 1 ]}過去30年間、北極海は気候変動により劇的な変化を経験してきました。^{[ 1 ]}その変化の1つは海洋の酸性度で、太平洋と大西洋の2倍の速度で一貫して増加しています。^{[ 2 ]}北極海の酸性化は気候システムのメカニズムからのフィードバックの結果であり、北極海の生態系とその中に生息する生物に悪影響を及ぼしています。

海洋酸性化は、大気と海洋の平衡化によって引き起こされ、これは世界中で起こっているプロセスです。大気中の二酸化炭素は平衡化して海洋に溶け込みます。この反応中に、二酸化炭素は水と反応して炭酸を形成します。炭酸はその後、重炭酸イオンと水素イオンに解離します。^{[ 3 ]}この反応により水のpHが低下し、実質的に酸性化します。^{[ 3 ]}海洋酸性化は世界中のすべての海洋で起こっています。産業革命の開始以来、世界の海洋は約5250億トンの二酸化炭素を吸収しました。^{[ 1 ]}この間に、世界の海洋のpHは全体として8.2から8.1に低下し、気候モデルは2100年までにpHがさらに0.3単位低下すると予測しています。^{[ 1 ]}しかし、北極海は、水温が低く、水温の低下に伴うガスの溶解度が増加するため、より大きな影響を受けています。冷たい北極海の海水は、温暖な太平洋や大西洋に比べてより多くの二酸化炭素を吸収することができる。^{[ 4 ]}

北極海の酸性化によって引き起こされる化学変化は、生態学的および社会経済的に悪影響を及ぼしています。環境の化学組成の変化に伴い、北極の生物は新たなストレス要因に直面しています。これらのストレス要因は生物に有害な影響を与える可能性があり、影響を受ける生物の種類によって程度は異なります。特に石灰化生物は、生存に炭酸塩の利用可能性に依存しているため、この水質変化の影響を最も受けているようです。溶存炭酸塩濃度は、二酸化炭素の増加と水中のpHの低下に伴って減少します。^{[ 5 ]}

海洋酸性化は生態系の食物網も変化させます。酸性化は多くの魚の成長能力を低下させ、食物網だけでなく、これらの漁業に依存する人間にも影響を与えます。^{[ 1 ]}食物網の変化によって人気のある魚の個体数が減少することで経済的影響が生じます。これらの魚の個体数は、漁業に従事する人々に雇用を提供しています。^{[ 6 ]}明らかなように、海洋酸性化には何のプラスの効果もなく、その結果、米国や、海洋研究科学委員会、ユネスコの政府間海洋学委員会、海洋炭素・生物地球化学プログラム、統合海洋生物地球化学・生態系研究プロジェクト、海洋リーダーシップコンソーシアムなどの他の組織において、優先順位の高い課題として位置づけられています。^{[ 1 ]}

北極海の生物は、極寒の水など、高い環境ストレスにさらされています。この高いストレス環境により、海洋酸性化要因がこれらの生物に強い影響を与えると考えられています。また、これらの影響が海洋の他の地域よりも先に北極で現れる可能性もあります。海洋生物の海洋酸性化の増加に対する感受性には大きなばらつきがあります。石灰化生物は、一般的に、多くの応答変数において、非石灰化生物よりも海洋酸性化に対してより大きな負の反応を示しますが、石灰化するが負の影響を受けないと思われる甲殻類は例外です。 ^{[ 12 ]}これは主に、石灰化生物が利用する海洋生物起源石灰化のプロセスによるものです。

石灰化生物

炭酸イオン（CO ₃ ^2-）は、プランクトンや貝類などの海洋石灰化生物にとって不可欠であり、炭酸カルシウム（CaCO ₃）の殻や骨格を作るために必要です。^{[ 13 ]}海洋が酸性化すると、海水によるCO _{2の吸収が増加し、}水素イオンの濃度が高まり、水の pH が低下します。^{[ 14 ]}無機炭素系の化学平衡のこの変化により、これらの炭酸イオンの濃度が低下します。これにより、これらの生物が殻や骨格を作る能力が低下します。

海洋生物によって生成される炭酸カルシウムの2つの多形はアラゴナイトと方解石です。これらは、これらの石灰化生物の殻や骨格の大部分を構成する物質です。たとえば、アラゴナイトは、ほぼすべての軟体動物の殻とサンゴの外骨格を構成しています。^{[ 13 ]}これらの物質の形成は、海水中のCaCO3の飽和状態に依存します。CaCO3が飽和している水は、_CaCO3の殻や骨格の沈殿と形成に適していますが、不飽和の水はCaCO3_の殻を腐食します。保護機構がない場合、炭酸カルシウムの溶解が起こります。より冷たい北極の水はより多くのCO2_{を吸収するため、 CO32-}の濃度が低下し、したがって、炭酸カルシウムの飽和は^、熱帯または温帯の海洋よりも高緯度の海洋で低くなります。^{[ 10 ]}

CaCO ₃の不飽和状態は、石灰化生物の殻を溶解させ、生態系に壊滅的な影響を与える可能性があります。^{[ 15 ]}殻が溶解すると、生物は適切な健康状態を維持するのに苦労し、大量死につながる可能性があります。これらの種の多くが失われると、北極海の海洋食物網に深刻な影響を及ぼします。なぜなら、これらの海洋石灰化生物の多くはキーストーン種だからです。高CO ₂環境下でのさまざまな海洋生物に対する実験室実験では、アラゴナイト飽和度の変化が、円石藻、有孔虫、翼足類、ムール貝、二枚貝など、多くの海洋生物種の全体的な石灰化速度に大きな変化をもたらすことが示されています。^{[ 10 ]}

北極海の水の不飽和度が生物の殻形成能力に影響を与えることは証明されているが、最近の研究では、サンゴ、円石藻、有孔虫、二枚貝などの石灰化生物の石灰化速度は、 CaCO ₃に関して過飽和な海水であっても、 p CO ₂の増加とともに低下することが示されている。さらに、p CO ₂の増加は 、さまざまな海洋石灰化生物の生理、成長、および繁殖成功に複雑な影響を与えることがわかっている。^{[ 16 ]}

ライフサイクル

CO ₂耐性はさまざまな海洋生物間で異なり、また、ライフサイクルのさまざまな段階 (たとえば、幼生と成体) でCO ₂耐性が異なるようです。高CO _{2濃度によって深刻なリスクにさらされる海洋石灰化生物のライフサイクルの最初の段階は、プランクトン幼生段階です。}ウニや二枚貝などのいくつかの海洋種の幼生の発達は、海水中の p CO ₂の上昇によって大きく影響を受けます。^{[ 16 ]}実験室でのテストでは、多数のウニ胚が幼生段階に発達するまでさまざまなCO ₂濃度で飼育されました。この段階に達すると、幼生と腕のサイズが著しく小さくなり、p CO _{2 の}増加に伴って異常な骨格形態が観察されました。^{[ 16 ]}

CO ₂処理したムール貝の幼生でも同様の所見が見られ、幼生のサイズが約 20% 減少し、凸状の蝶番、弱くて薄い殻、外套膜の突出などの形態異常が見られました。^{[ 17 ]}幼生の体サイズは、食物粒子との遭遇率と除去率にも影響し、幼生の殻が小さいか変形している場合、これらの幼生は飢餓に陥りやすくなります。CaCO ₃構造は、捕食に対する防御、摂食、浮力制御、pH 調節の役割など、石灰化した幼生にとって重要な機能も果たします。^{[ 16 ]}

海洋酸性化によって深刻な影響を受ける可能性のある種のもう 1 つの例は翼足類です。翼足類は殻を持つ浮遊性軟体動物で、さまざまな生態系の食物網で重要な役割を果たしています。翼足類はアラゴナイトの殻を持っているため、人為的なCO ₂排出量の増加によって引き起こされる海洋酸性化に非常に敏感である可能性があります。実験室でのテストでは、石灰化は、現在の pH 値と比較して、2100 年に予想される北極海の pH 値が 28% 低下することを示しました。この低い pH 条件下での石灰化の 28% の低下は、サンゴなどの他の石灰化生物で報告されている範囲内です。^{[ 5 ]}ウニや二枚貝の幼生とは対照的に、サンゴや海洋エビは、ポリプ段階に発達した後、着底後に海洋酸性化の影響をより深刻に受けます。実験室での試験では、 CO ₂処理されたサンゴのポリプ内骨格の形態は、対照ポリプの放射状パターンと比較して乱れ、奇形であった。^{[ 16 ]}

海洋酸性化がさまざまな生物のさまざまなライフサイクル段階に及ぼす影響のこの変動性は、棘皮動物や軟体動物のほとんどが幼生期に殻や骨格の合成を開始するのに対し、サンゴは定着期に開始するという事実によって部分的に説明できます。^{[ 16 ]} したがって、これらの段階は海洋酸性化の潜在的な影響に非常に敏感です。サンゴ、棘皮動物、二枚貝、甲殻類などのほとんどの石灰化生物は、キーストーン種、生物攪拌者、生態系エンジニアとして沿岸生態系で重要な役割を果たしています。^{[ 16 ]}北極海の食物網はやや短縮されており、短く単純です。食物網の主要種に何らかの影響があると、信頼できる食料源がなくなるため、食物連鎖全体に指数関数的に壊滅的な影響を及ぼします。これらの大型生物が栄養源を失うと、それらも最終的には死滅し、北極海の生態系全体が影響を受けます。これは、北極圏の魚を漁獲して生計を立てている北極圏の人々に大きな影響を与えるだろうし、こうした家族にとって食料と生活収入の大幅な不足に伴う経済的な影響も甚大になるだろう。

海洋酸性化は水生生物だけでなく、人間のコミュニティやこれらの水域の近くに住む人々の生活全般にも影響を及ぼします。たとえば、炭酸イオンの減少により甲殻類が殻や骨格を形成できなくなった結果、北半球の一部の地域ではカニなどの個体数が大幅に減少しています。これにより、これらの地域では数百万ドルの損失が発生し、多くの漁業が閉鎖に追い込まれています。さらに、気温の上昇により有毒藻類の異常繁殖が急速に増加しており、この藻類はドモイ酸と呼ばれる神経毒を生成することが知られており、この毒は特定の貝類の体内に蓄積される可能性があります。^{[ 18 ]}この毒素を人間が摂取すると深刻な健康問題を引き起こす可能性があり、そのためさらに多くの漁業が閉鎖に追い込まれています。^{[ 19 ]}

炭素循環は海洋酸性化の問題と密接に関係しているため、海洋酸性化の影響を最小限に抑える最も効果的な方法は、気候変動を遅らせることです。化石燃料の使用を制限し、再生可能エネルギーを利用するなどの方法で、人為的な CO ₂の投入量を削減できます。これにより、最終的には大気中のCO ₂の量が減少し、海洋に溶け込む量も減少します。酸性化を緩和するためのより侵襲的な方法としては、ケイ酸塩などの粉末状の鉱物を陸地や海洋の表面に散布する強化風化と呼ばれる技術があります。 ^{[ 20 ]}粉末状の鉱物は溶解を促進し、陽イオンを放出し、CO _{2 を}重炭酸塩に変換し、海洋の pH を上昇させます。^{[ 20 ]}海洋鉄施肥などの他の緩和方法は、効果的であるとみなされるために、まだ実験と評価が必要です。^{[ 21 ]}特に海洋鉄施肥は、深海の酸性化を増加させる一方で、表面の酸性化をわずかに減少させることが示されています。^{[ 21 ]}