知ろう!記者に発表した最新研究

2014年12月5日発表
海水中の(どう)同位体(どういたい)分析(ぶんせき)成功(せいこう)
海洋循環(じゅんかん)をたどる新たな方法(ほうほう)誕生(たんじょう)

海にある物質(ぶっしつ)は、どこが起源(きげん)でどこを通ってきたのか。それを明らかにする方法(ほうほう)に、新たな道が()(ひら)かれました。「(どう)同位体(どういたい)」を使った分析(ぶんせき)です。いったいどんなもの? 高野(たかの)祥太郎(しょうたろう)博士(はかせ)(京都大学)と谷水(たにみず)雅治(まさはる)博士(はかせ)(ジャムステック)の最新(さいしん)研究を紹介(しょうかい)します!

なぜ、海を調べるの?

地球上の物質(ぶっしつ)は、形を()えながら場所を移動(いどう)し、最後(さいご)には海へたどり着きます(図1)。そのため、海を調べることは、地球に起きた変動(へんどう)解明(かいめい)する手がかりとなります。

図1 物質の移動

図1 物質の移動

 

では、海にある物質はどこが 起源(きげん)でどこを通ってきたのか。それを知るには、「同位体」を使います。

物質は様々な元素からできていて、その元素には、同じ元素(げんそ)でも質量(しつりょう)がわずかに違うものがあります(図2)。それを同位体と呼びます。

図2 同位体

図2 同位体

軽い同位体も重い同位体も、物質にのって移動します。 移動(いどう)途中(とちゅう)で何らかの 現象(げんしょう)が起きると、軽い同位体と重い同位体の割合(わりあい)が少しずつ変わっていきます。それぞれの同位体で動く速さが(ちが)うためです。このとき、軽い同位体と重い同位体の割合について、標準(ひょうじゅん)の割合と比べた値を「同位体(どういたい)()」と ()びます。 標準(ひょうじゅん)と同じならば「0」、標準より高ければ「+」、低ければ「−」の(あたい)で表します(図3)。

同位体比の変化を 指紋(しもん)のようにたどれば、物質の起源や 経路(けいろ)を見つけ出せます。

図3 同位体比

図3 同位体比

 

海水中には色々な元素(げんそ)がふくまれますが、その中には「遷移(せんい)金属元素(きんぞくげんそ)」と()ばれる
元素(げんそ)存在(そんざい)し、そのうちいくつかは生物の活動に必須(ひっす)です。

しかし、その濃度(のうど)はごくわずかで、これらの少量(しょうりょう)元素(げんそ)同位体(どういたい)()分析(ぶんせき)はとても(むずか)
いという問題がありました。

どうやって金属元素の同位体比を調べるの?

谷水博士が注目したのは、少量元素の中でも銅です。なぜ銅かというと、海のプランクトンにとって欠かせない大切な栄養分(えいようぶん)だからです。 銅の同位体には、65Cuと63Cuがあります(図4)。

図4 銅の同位体

図4 銅の同位体

 

ただ、海水中の銅の同位体比の変化もほんのわずかですし、海水に多く(ふく)まれるナトリウムやマグネシウムなどの 塩類(えんるい)には銅の同位体比分析に誤差を与えやすくする性質があります。

谷水博士は2013年、海水のナトリウムやマグネシウムなどの塩類を取りのぞき、樹脂(じゅし)を使って海水中の金属元素(きんぞくげんそ)だけを効率的(こうりつてき)に集める方法(ほうほう)()()し、銅の同位体比だけを分析することを 可能(かのう)にしました。今回、その方法(ほうほう)を使って実際(じっさい)の海水の分析(ぶんせき)(いど)みました。

結果はどう、いったい(同位体)?

高野博士と谷水博士は、2008年〜2012年に東太平洋、西太平洋、インド洋、北大西洋でとった海水を分析しました(図5)。

図5 海水サンプルをとった代表的な海域

図5 海水サンプルをとった代表的な海域

 

その結果(けっか)、世界で(はじ)めて、海水の銅の同位体比の分析に成功しました!

まず、銅の同位体比は表層(ひょうそう)より深層(しんそう)の方が平均で約0.3パーミル(パーミル:1000分の1)高くなっていました(図6)。

図6 深さ別の銅の同位体比

図6 深さ別の銅の同位体比

 

これは表層に比べ深層の方が、軽い同位体の割合が低いことを意味します。なぜ? おそらく、海水中に溶けていた軽い同位体(63Cu)が、海の中で落ちていく生物の死がいなどの (つぶ)にくっついて ()(のぞ)かれたのだと考えられます(写真)。軽い同位体の方がくっつきやすい理由は、研究中です。

写真 マリンスノーにくっつく銅の同位体イメージ

写真 マリンスノーにくっつく銅の同位体イメージ

 

次に、その軽い同位体(63Cu)が深海に()める割合(わりあい)は、大西洋が(もっと)も高く、次にインド洋、太平洋でした(図7)。

図7 深海で占める63Cuの割合が多かった海域の順番

図7 深海で占める63Cuの割合が高かった海域(かいいき)順番(じゅんばん)

 

この順番(じゅんばん)は、(やく)2000年かけて地球を1(しゅう)する海洋循環(じゅんかん)()ています。そこで、海水の年齢(ねんれい)の目安となる「見かけの酸素(さんそ)消費量(しょうひりょう)」(AOU)との関係(かんけい)に注目しました。AOUとは、実際(じっさい)溶存(ようぞん)酸素量(さんそりょう)と、最大(さいだい)()()める酸素量(さんそりょう)との()です(図8)。

図8 AOUの求め方

図8 AOUの(もと)(かた)

 

海洋循環では、大西洋北部や南極(なんきょく)周辺(しゅうへん)()やされた表層の海水が()やされ重くなって(しず)()み、地球をめぐります。沈み込んでから短時間の海水は酸素が多いためAOUは(ひく) く、沈み込んでから長時間の海水は生物による呼吸やバクテリアによる分解により酵素が使われ少なくなるために、AOUは高くなります。AOUは海水の 年齢(ねんれい)を知る手がかりとなります(図9)。

図9 海水の年齢をしる手がかりとなるAOU

図9 海水の年齢をしる手がかりとなるAOU

  

図10を見ると、銅の同位体比とAOUの変動(へんどう)傾向(けいこう)()ています!

図10 深さ別の銅の同位体比とAOU

図10 深さ別の銅の同位体比とAOU

 

銅の同位体が高くなるとAOUも高くなり、銅の同位体が低くなるとAOUも低くなっているでしょう?

統計(とうけい)結果(けっか)でも、銅の同位体比とAOUには強い関係が(みと)められました。これは、銅の同位体が、海水がどこをどれくらいの速さで循環(じゅんかん)するのか明らかにする化学トレーサーとして利用(りよう)できる可能性(かのうせい)(しめ)しています。

これからはどうするの?

この研究により、銅の同位体の分析が役立つことが実証(じっしょう)されました。産業(さんぎょう)革命(かくめい)以降(いこう)、海に大量(たいりょう)(なが)()むようになった金属(きんぞく)(あた)えるプランクトンへの影響(えいきょう)解明(かいめい)に役立つと期待されます。

また、海水中の金属(きんぞく)成分(せいぶん)沈殿(ちんでん)してできたマンガンノジュール(図11)には、数千万年前までの古い海水の記録(きろく)(のこ)されています。谷水博士は、「銅の同位体を使って、海底のマンガンノジュールなどと組み合わせながら、太古の海洋循環を明らかにしたい」と話します。

図11 計算上の、銅の同位体比の変化

図11 計算上の、銅の同位体比の変化

 
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