地学雑誌

Journal of Geography 107(2) 189-202 1998

古環境を復元す る指標 としてのバイオマーカー

太平洋における深海底堆積物を例として

大 河 内 直 彦* 河 村 公 隆 *

Biomarkers as Tools for Reconstructing Paleoenvironments

Naohiko OHKOUCHI * and Kimitaka KAWAMURA *

Abstract

We present analytical results of organic compounds in the deep sea sediments recovered

from the Central Pacific and the western tropical Pacific and describe recent progresses in

sedimentary biomolecules as tools for reconstructing paleoenviroments. Biomolecules derived

from terrestrial higher plants such as C25-C35 n-alkanes, C24-C28 fatty alcohols, or C23-C34 fatty

acids in the surface sediments from 175•‹ E transect show high concentrations in the higher

latitudes in the Northern Hemisphere. Relative abundances of these terrestrial biomarkers

are markedly different between low (15•‹ N-15•‹ S) and high (48•‹ N-19•‹ N) latitudes. Such a

difference could be interpreted in terms of different wind regimes between the two areas.

Unsaturation degree of long-chain alkenones (Uk37) derived from haptophyte algae suggests

that sea surface temperature in the western tropical Pacific during the last glacial maximum

was nearly the same as that of the present. We also found that the alkenone abundances

over the last 20 kyr are anti-correlated with sedimentary nitrogen isotopic ratios, suggesting

that a production rate of alkenones by haptophyte algae is controlled by the nutritional state

of the algae.

Key words biomaker, sediments, higher plants, Uk37, last glaciai maximum

キ ー ワ ー ド:バ イ オマ ー カ ー,堆 積 物,高 等 植 物,uk37,最 終 氷 期

I.　 は じ め に

「化 学 化 石(chemical fossil)」 とい う言 葉 が,

初 め て 提 唱 さ れ た の は1967年 の こ と で あ る

(Eglinton and Calvin,1967)。 「化 学 化 石 」 とは,

か つ て生 息 して い た生 物 に よっ て生 合 成 さ れ た 有

機 分 子 が そ の骨 格 や基 本 構 造 を保 持 した 状 態 で 堆

積 物 中 に残 され た もの,と して定 義 され る 。 こ れ

を機 会 に 「化 石 」 とは,地 層 中 に埋 没 ・保 存 さ れ

た 過 去 の 生 物 の 形 態,と い う従 来 の 定 義 に 加 え て,

生 物 に よ って 生 産 され た 有 機 化 合 物 も 「化 石 」 の

仲 間入 りを果 た す こ と に な った 。 先 カ ン ブ リ ア 時

代 初 期 の約40億 年 前 か ら現 在 まで に 形 成 さ れ た

ほ とん ど全 ての 堆 積 物 中 に有 機 物 が 含 ま れ て い る

(例 え ば,Schopf,1983;Schidlowski,1988;Dex

Maraix et al.,1992)と い う事 実 は,「 化 学 化 石」

を用 い る研 究 は あ らゆ る時 代 ・地 域 ・海 域 を越 え

て広 い対 象 を もっ て い る とい う こ とを意 味 す る 。

* 北海道大学低温科学研究所*

Institute of Low Temperature Science, Hokkaido University

189

また生物種は進化 しても,生 化学プロセスの多 く

(例えば,光 合成や代謝のメカニズム)は 不変 も

しくは非常に進化速度が遅 く,こ のことをうまく

利用すれば,生 理学や分子生物学の知見が太古の

時代の環境解析 に直接応用できるという可能性 も

秘めている。この 「化学化石」の研究 も,1960-

1970年 代を中心に行なわれた記載的なものから徐々

に応用的な段階へと発展 し,特 にこの数年間は地

球科学の分野で急速に普及 して,古 環境を復元す

る有力な手法として高い評価 を得ている(例 えば,

Brassell, 1993 ; Ourisson, 1994 ; Ohkouchi et

al.,1997c)。 研 究 の 進 展 と と もに 「化 学 化 石 」 と

い う言 葉 は あ ま り使 わ れ な くな り,現 在 で は 「バ

イオ マ ー カ ー(biomarker)」 ま た は 「バ イ オ ロ

ジ カル ・マ ー カー(biological marker)」 と い う

言 葉 が よ り一 般 的 に使 わ れ る よ う に な って い る 。

本稿 で も 「バ イオ マ ー カー 」 で 統 一 す る こ と に す

る。

堆 積 物 中 に含 まれ る数 多 くの 有 機 化 合 物 の 中 で

も,脂 質(lipids)は 特 に そ の 起 源 に 関 す る情 報

を豊 富 に も って お り,数 多 くの バ イ オマ ー カ ー が

見 出 され て い る。 脂 質 とは 有機 溶 媒 に可 溶 な生 物

起 源 有機 化 合 物 と定 義 され,脂 肪 族 炭化 水 素,ス

テ ロー ル,脂 肪 酸 な ど数 多 くの種 類 の 化 合 物 を 含

ん で い る。脂 質 は 生 体 中 で は エ ネ ル ギ ー 源,膜 構

成 成 分,代 謝 調節 物 質,ク ッ シ ョン,浮 力 獲 得 物

質 な どの機 能 を もち,そ の生 物 体 に 占め る 割 合 は

多 い もの で は70%以 上 に 達 す る もの もあ る 。 生

物 体 の 死 後,そ の 多 くが 分解 ・変 質 し,生 合 成 当

時 の 分 子 骨 格 を残 し た 化 合 物 量 は 水 柱(water

column)も し くは堆 積 物 表 層 数cmで 激 減 す る 。

脂 質 は核 酸 や蛋 白 質 に比 べ る と変 質 ・分 解 され る

速 さは 遅 い もの の"通 常 の酸 化 的 な 深層 水 中 で堆

積 した 深海 底 堆 積 物 にお い て は'有 機 物 の う ち の

数%以 下 の微 量 成 分 にす ぎな い(例 え ば,Tissot

andWeRte,1984)。 しか し現 在 のFID(Flame

Ionization Detector:水 素 炎 イ オ ン化 検 出器)付

きガ ス ク ロ マ トグ ラ フの検 出 限界 は 十分 に 低 く,

堆 積 物 中 に保 存 され て い る微 量 な化 合 物 に対 して

もそ の定 量 に威 力 を発 揮 す る 。

筆 者 らは,こ れ まで 中央 太 平 洋 の深 海 底 堆 積 物

表層サンプルおよび西赤道太平洋域で得 られた深

海底堆積物柱状試料について,そ れらに含 まれる

脂質分析を行なってきた。これらの研究は,深 海

底堆積物中における様々なバイオマーカーの分布

を支配する要因を明らかにし,そ れらをよ り定量

的な古環境指標 として用いるための基礎 的な研究

という位置づけにある。本稿では,わ れわれの結

果を中心にこれまでの研究成果も交えなが ら,深

海底堆積物中に残されている陸上高等植物および

海洋の植物 プランクトンである円石藻のバイオマー

カーの組成や量を規定している要因,お よびそれ

らを用いた最終氷期以降の古環境の復元について

解説する。

II.　試料 と分析 法

今回われわれが分析 した深海 底堆積物 は,1992

年および1993年 の白嶺丸の航海で東経175度 線

上,北 緯48度 か ら南緯15度 にわたる24地 点で

得 られた堆積物表層2cmの サ ンプル,お よび

1992年 の白鳳丸の航海で西赤道太平洋カロリン海

盆で得られた深海底ボ ックスコアKH92-1-5cBX

(水深2,282m,コ ア長30cm)で ある(図1)。 前

者のサンプルのほとんどは4,500m以 深で採取 さ

れたもので,い わゆる赤色粘土である。通常北太

平洋における深海底堆積物の堆積速度が平均4-10

mm/1,000年 であるから(Yang et al.,1986),表

層2cmの 堆積物は主に後氷期 に堆積 した物質に

よって構成されているものと考えられる。すなわ

ち,問 氷期 という安定した気候条件 における有機

化合物の平均的な分布 を知ることができる。後者

の堆積物は炭酸カルシウムに富んでおり,浮 遊 性

有孔虫の放射性炭素年代の測定により"過 去2万

年にわたる堆積物であることが明らかになってい

る (Oba et al., 1993 ; Ohkouchi et al., 1994 a;

Ikehara,1994MS)。 この深海底 コアは2cm間 隔

で15サ ンプルに分割 し,そ れらに含まれる有機

化合物 をはじめとする様々な化学成分を測定 した。

脂質の分析方法は研究者や実験室によって若干

異なるが,わ れわれは以下に述べるような分析法

を用いた。湿潤堆積物をメタノールおよびジクロ

ロメタンによって抽出し,そ の抽出物を水酸化力

190

リウムのメタノール溶液を用いてケン化す る。こ

の処理によって"堆 積物中にグリセライ ドお よび

ワックスエステルとして存在 している脂肪酸 を遊

離の脂肪酸に加水分解する。このケン化画分 を中

性成分(カ ルボキシル基をもたないもの)お よび

酸性成分(カ ルボキシル基をもつもの)に 分離 し,

中性成分はシリカゲル ・カラムクロマ トグラフィー

にて極性の異なる化学種,す なわち脂肪族炭化水

素 ・芳香族炭化水素 ・ケ トン ・アルコールに分画

する。酸性成分はBF3/メ タノールを用いてメチ

ルエステルに誘導体化 し,カ ラムクロマトグラフィー

にてカルボン酸 ・ジカルボン酸 ・ヒ ドロキシ酸 に

分画する。それらを適量に濃縮後,FIDガ スクロ

マ トグラフ(GC)に て測定す る。また,GC/質

量分析計を用い,電 子衝撃により得られた質量ス

ペク トルに現れる分子イオンや開裂イオ ンの解析

により化合物の同定を行なう。

III.　結 果 と考 察

1)　陸上 植 物 起 源 の化 合 物

これ まで 多 くの 化 合 物 お よび 化 合 物 群 が 陸 起 源

の バ イ オマ ー カー と して 認 識 され て きた 。 こ こ で

は,炭 素 数25-36の 直鎖 ア ル カ ン,炭 素 数24-28

の アル コ ール,炭 素 数23-34の 脂 肪 酸(図2)に

関 して 述 べ る。 これ らの 化 合 物 は 陸 上 高 等 植 物 の

葉 や 茎 の 上 ク チ ク ラ 層(epicuticular layer)と し

て 形 成 され る ワ ッ クス の 主 成 分 と して 生 合 成 さ れ

る こ とが 知 られ て い る(例 え ば,Egiinton et al.,

1962 ; Eglinton and Hamilton, 1967 ; Tulloch,

1976)。 このワックスは,生 体からの水分の蒸発

や,鳥 や昆虫による捕食を防 ぐ役割 りを果た して

図1　 本 研 究 で 用 い た深 海 底 堆 積 物 の 採 取 された位 置.

● は 東 経175度 線 上 で 得 ら れ た 表 層 堆 積 物

(175゜Etransect)お よ び ■ は 深 海 底 コ ア

KH92-1-5cBX(北 緯3゜32',東 経141゜52',水 深

2,282m)。

Fig. 1 The location of surface sediments col-

lected along the 175•K E transect from 48゜

N to 15゜S.

図2　 本 稿 で取 り上 げ る主 な化 合 物 の構 造 式.

上 か ら順 に,炭 素 数31の 直鎖 ア ル カ ン,炭 素 数26の アル コー ル,炭 素 数26の 脂

肪 酸,炭 素 数37で2不 飽 和 の ア ル ケ ノ ン,炭 素 数37で3不 飽和 の ア ル ケ ノ ン.

Fig. 2 Chemical structures of compounds refrred in this study.

191

いる。これらの脂質はその合成経路で,ピ ルビン

酸,ア セチルCoAを 経由し,炭 素数2個 の単位で

合成 されていくため'ア ルカンの場合は奇数の も

のが偶数のものより,ま たアルコールおよび脂肪

酸の場合は偶数のものが奇数のものより選択的に

合成されるという特徴をもっている。バ クテリア

もこれらの化合物を合成するが,合 成経路が異な

り炭素数による優位性がみ られないという点で異

質である。陸上高等植物により生合成されたこれ

らの化合物群は,風 によって葉や茎の表面か ら物

理的に剥離されたり,も しくは落葉や枯死後風 に

よって土壌粒子の一部 として大気中に舞い上が り

エアロゾル粒子になる。北西大西洋のバルバ ドス

島では,大 西洋を横断 してきたと考えられる高等

植物の破片 などが大気 中か ら見 出されて お り

(Delaney et al.,1967),こ の ような化合物を含

んだ物質が大気中を長距離輸送されてることが知

られている。実際に海洋大気中のエアロゾルや遠

洋性堆積物中には,陸 上高等植物で見出されるも

のと同程度の炭素数優位性をもったアルカン,ア

ルコール,脂 肪酸が見出され,陸 上高等植物由来

の化合物が大気を経由 して長距離輸送されている

こ とが 証 明 され てい る(例 え ば,Simoneit,1977;

Gagosian and Peltzer, 1986 ; Gagosian et al.,

1987 ; Kawamura, 1995).

東経175度 線上の堆積物 中に含 まれるこれら3

種類三の陸上高等植物起源バイオマーカーは,北 半

球高緯度ほど高い濃度を示 した(図3)。 しか し化

合物群によってその分布はい くらか異なってお り,

生成-輸 送-沈降過程が異なっていることを示唆 し

ている。特に脂肪酸は高緯度と同様,低 緯度でも

高い濃度を示 している。これら3種 類の陸上高等

植物起源バイオマーカーの相対濃度を図4に 三角

ダイアグラムで示 した。ほとんどの試料は2つ の

グループに分類され,北 緯19-48度 の中高緯度で

得られた堆積物では相対的にアルカンの濃度が高

いグループに,北 緯15度-南 緯15度 の低緯度で

得られた堆積物では相対的に脂肪酸が多いグルー

プに分けられる。前者が一年を通して偏西風の卓

越した海域に,後 者が貿易風の卓越 した海域 に相

当することから,前 者がアジア大陸に起源を もつ

エアロゾルの分子組成を反映しているのに対 し,

後者は主にアメリカ大陸を主な起源としたエアロ

ゾルの分子組成を反映しているものと解釈 される。

図3　 東 経175度 線 上 の表 層 堆 積 物 中 に含 ま れ る陸 上 高 等 植 物 バ イ オマ ー カ ー,C25-C35ア ル カ ン

(左),C24.C28ア ル コー ル(中),C23-C34脂 肪 酸(右)の 濃 度 分布.

Fig. 3 The latitudinal distributions of concentrations of C25-C35 n-alkanes, C24-C28 fatty

alcohols, and C23-C34 fatty acids as normalized by the weight of CaCO3 free dry

sediment.

192

また 北 緯19度 お よび 南 緯15度 は そ の組 成 は 両 グ

ル ー プの 中間 的 な値 を と って い るの で,偏 西 風 と

貿 易 風 の 両 方 の 影 響 を受 け て い る もの と思 わ れ る

(Ohkouchi et al.,1997a)。 ア ル カ ンの炭 素 数 の

奇 数/偶 数比(CPI:Carbon Preference Index)

も北 緯17度 付 近 を 境 に して 劇 的 に変 化 して お り

(図5),堆 積 物 中 に残 され て い る ア ル カ ン の分 布,

す な わ ち陸 上 高 等 植 物 バ イオ マ ー カー の 質 が こ の

緯 度 を境 に して,大 き く異 な って い る こ と を示 し

てい る もの と考 え られ る(ohkouchi,1995)。

陸 上 植 物 起 源 の 各 種 バ イオ マ ー カー は,最 も北

のサ ン プ リ ン グ 地 点 で あ る 北 緯48度 で 最 も高 い

濃 度 を示 した の に対 し,こ れ まで 陸 起 源 物 質 と し

て用 い ら れて き た大 気 中お よ び堆積 物 中 の 石 英 粒

子(Griffin et al.,1968;Uematsu et al.,1983)

や 表 層 水 中 の210Pb(Nozaki and Tsunogai,1976)

な どは,全 て 北 緯30-40度 付 近 の 中緯 度 域 で 最 も

高 い 濃 度 を示 して きた 。 この 違 い は"鉱 物 エ ア ロ

ゾ ルが 数 ミク ロ ンサ イズ に最 大 頻 度 を示 す の に対

し"有 機 物 は サ ブ ミ ク ロ ンサ イズ(＜1μm)の

微 細 エ ア ロ ゾ ル に濃 集 され て い る(Zenchelsky et

al.,1976)こ とに起 因 す る と思 わ れ る(Ohkouchi

et al.,1997a)。 す な わ ち"ア ジ ア大 陸 東 部 の 半

乾 燥 地 帯 で生 成 され るエ ア ロ ゾル 粒 子 は偏 西 風 に

の っ て 太 平 洋 上 に ま で 運 ば れ,よ り微 細(0.上

1μm)な 有機 エ ア ロ ゾ ル粒 子 は 大 気 中 で の 滞 留

時 間が 長 い た め(Slinn and Slinn,1980),重 力

沈 降 に よっ て大 気 か ら除去 され る前 に コ ー ル ド ・

シ ンク と して の高 緯 度 域 ・極 域 に まで 大 量 に運 ば

れ て い る もの と考 え られ る(Kawamura et al.,

1996)。

西 赤 道 太 平 洋 で得 られ た深 海 底 コ ア に含 ま れ て

い る 陸起 源 バ イ オ マ ー カ ー の濃 度 か ら求 め た見 か

け上 の フラ ック ス は,堆 積 物 表 層 か ら深 度 方 向 に

(時 代 が 古 くな る に した が っ て)顕 著 に減 少 して

い く傾 向 を もっ て い る(図6)。 こ の減 少 傾 向 は こ

れ らの有 機 化 合 物 が 埋 没 して い く過 程 で 変 質 や 分

図4　 東 経175度 の表 層 堆 積 物 中 に含 ま れ る3つ の

陸 上高 等 植 物 バ イ オマ ー カ ー(C25-C35ア ル

カ ン,C24-C28ア ル コー ル,C23-C34脂 肪 酸)

の 相対 濃 度 を示 した三 角 ダ イ ア グ ラ ム.

プ ロ ッ トした点 は大 き く2つ に分 類 さ れ,上

方 の 影 を つ け た 部分 は北 緯15度 か ら 南 緯12

度 で得 られ た堆 積 物 が 含 ま れ る グ ル ー プ で,

下 方 の影 を つ け た 部分 は北 緯48-21度 で 得 ら

れ た堆 積 物 が含 ま れ る グ ル ー プ,

Fig. 4 Triangular plots of relative compositions

of C25 -C35 n-alkanes, C24 -C28 fatty alcohols, and C23-C34 fatty acids detected

in the Central pacific sediments.

図5　 C25-C36ア ル カ ンの 奇 数 炭 素 優 位 性 をCPI

(carbon preferenoe index)と い う指 標 で 示

した もの.

こ こでCPIと は 以 下 の 式 に よ っ て 定 義 さ れ

る.

Fig. 5 The latitudinal distributions of carbon

preference index of C25-C36 n-alkanes.

193

解をおこした結果であると考えられる。しか し,

これらの化合物の氷期における見かけ上のフラッ

クスは,い ずれも氷床融解期に比べて増加 してお

り,そ の増加分はアルカン,ア ルコール,脂 肪酸

でそれぞれ70%,66%,59%で ある。分解 の効

果を過去2万 年間一定として補正すれば,氷 期は

陸起源バイオマーカーの真のフラックスがそれ以

上に増加 したものと考えられる(Ohkouchi et al.,

1997b)。

これら陸上高等植物のバイオマーカーの分析結

果は'氷 期により多量の陸起源物質が大気を経由

して深海底に運搬 されていたことを示 している。

氷期 に陸起源有機化合物が堆積物中にしめる割合

が大きくなる傾向は,中 央太平洋でも見出されて

お り(Prahl et al.,1989a),太 平洋赤道域全体

でみ られる現象であろう。これらのことは,地 球

が寒冷化 した時代に乾燥化がすすんだか,あ るい

は大気循環が活発になった可能性を示 している。

2)　円石藻起源のアルケノン

炭素数37-39で 二重結合を2-4個 もつ(2-4不

飽和)メ チルおよびエチルケ トンは長鎖不飽和ア

ルケノン(図2:以 後アルケノン)と 呼ばれてい

る 。 こ れ ら の 化 合 物 は,Emiliania huxleyiや

Gephyrocapsa oceanicaな ど重 要 な植 物 プ ラ ン ク

図6　 西 赤 道 太 平 洋 カ ロ リ ン海 盆 で 得 られ た 深 海底 コ アKH92-1-5cBX(北 緯 ○ 度,東 経 ○ 度,水 深

2,282m)中 に含 ま れ る陸 上 高 等 植 物 バ イ オマ ー カ ー(C25-C35ア ル カ ン,C24-C28ア ル コ ー ル,

C23-C34脂 肪 酸)フ ラ ッ クス の 過 去2万 年 に お け る 変動.

影 をつ け た 部 分 は 氷 床 融 解 期 を示 す 。

Fig. 6 Downcore mass accumulation rates of C25-C35 n-alkanes, C24-C28 fatty alcohols, and

C23-C34 fatty acids. Shaded area indicates the deglaciation period.

図7　 Uk37と 水 温 の 関 係.

● は 円石 藻E.huxleyiの 培 養 実 験 に よ る も

の で実 線 は そ の 回帰 直 線:

○ は 海 洋 表 層 の 浮 遊 懸 濁 物 質 の 分 析 結 果

(Prahl and Wakeham,1987を 改 変).

Fig. 7 Relationship between Uk37 value and sea

water temperature of E. huxleyi culture

samples and suspended matter in the

ocean.

194

トンで あ る 円石 藻(よ り厳 密 に は,ハ プ ト藻 類)

が 作 り出 す 特 有 の 有 機 化 合 物 で あ る(Volkman

et al.,1980;Marlowe et al.,1984,1990)。 こ

の うち炭 素 数37の ア ル ケ ノ ン の2不 飽 和 の も の

と3不 飽 和 の もの の 生 合 成 比(不 飽 和 度)は,生

育 温 度 に依 存 す る こ とが知 られ て い る(図7:例

え ば,Brassell et al.,1986;Prahl and Wakeham,

1987;石 渡,1992;Brasseli,1993)。 す な わ ち'

水 温 の よ り高 い環 境 中 で生 合 成 され る ア ル ケ ノ ン

は,よ り融 点 の 高 い2不 飽 和 の 相 対 濃 度 が 高 く,

よ り低 温 環境 中 で は3不 飽 和 の 濃 度 が よ り高 くな

る。 一 般 に生体 膜(細 胞 膜 や核 膜 な ど)を 構成 す

る脂 質 化 合物 は,環 境 温 度 の 変化 に対 して そ の 化

合 物 組 成 を変 え る こ と に よっ て 生体 膜 の 流 動 性 を

一 定 に保 つ こ とが 知 られ て お り(Quinn,1981;

Harwood and Russell,1984),ア ル ケ ノ ン も円

石 藻 の 生 体 膜 の 成 分 で あ るた め この よ う な温 度 依

存 性 を も っ て い る も の と 推 測 さ れ て い る

(Mariowe et al.,1984)。 しか し,ア ル ケ ノ ンの

生 理 学 的 な意 義 や 役 割 りにつ い て は,い ま だ 十 分

な研 究 が 行 な われ てお らず 不 明 な点 が 数 多 く残 さ

れ て い る 。 さ て,ア ル ケ ノ ン に 関 す る不 飽 和 度

(Uk37)は 以 下 の式 に よ っ て定 義 さ れ る(Brasseli

et al., 1986)•B

こ こで,[C37:2],[C37:3],[C37:4]は そ れ ぞ

れ2不 飽 和,3不 飽 和,お よ び4不 飽 和 の 炭 素 数

37ア ル ケ ノ ン の 濃 度 で あ る 。 通 常,[C37:4]は

[C37:2]や[C37:3]に 比 べ て 十 分 に小 さ い の で"

以 下 の 式 に省 略 され る。

海 水 温(T)と の 換 算 に 関 して 多 くの 式 が 提 唱

さ れ て い る が,こ こで はE.huxleyi培 養 実 験 に

よ っ て 決 め られ 最 も よ く使 わ れ て い るPrahi et

al.(1988)の 式 を紹 介 しよ う(図7)。

Uk37'が0お よび1の 時 の 水 温 はそ れ ぞ れ-1.1

度 と28.3度 を 示 し,現 在 の 海 洋 で み られ る 表 層

水 温 の範 囲 とほ ぼ一 致 して い る こ とは興 味 深 い 。

このUk37'は,現 在 の 第 四紀 古 海 洋 学 に お け る 古

水 温 を求 め る方 法 の 中 で も最 も有 力 な指 標 の 一 つ

とな っ て い る(例 え ば,Egiinton et al.,1992;

Ikehara et al., 1997 ; Schneider et al., 1995).

われわれが分析 した東経175線 上の堆積物中に含

まれるアルケノンから求められたUk37'値 は,北

図8　 東 経175度 線 上 の 表 層堆 積 物 中 に含 ま れ る ア ル ケ ノ ン濃 度(左)とUk37'値(右).

Uk37'の 定 義 お よび 海 水 温 との換 算 に 関 して は本 文 を参 照.

Fig. 3 Latitudinal distributions of toal C37 -C39 alkenone concentrations and

Uk37' vslues for surface sediments along the 175•K E transect.

195

緯48度 で最 も小 さな値(0.383:推 定水温10.1度)

を示 し,低 緯度へ向かうにしたがって単調に増加

し,熱 帯海域では1に 近い値をとる(図8)。 堆積

物中に残 されたアルケノンの不飽和度は,円 石藻

が繁殖する季節や水深に依存するので,培 養実験

によって求められたUk37'-水 温の関係式を用い

て,自 然界のアルケノンが生合成 された時の条件

を推定することができる。

また,こ れらの二重結合が トランス結合である

ため分子が立体的に非常に長いものになり,バ ク

テリアによる分解 を妨 げてい る(Rechka and

Maxwell,1988)。 この結果,ア ルケノンは堆積

物中では比較的保存 されやすく,古 海洋研究にとっ

ては好都合な化合物である。それでも酸化的な深

層水に覆われている通常の深海底堆積物の場合で

は,そ の直上の海洋表層で生産されるアルケノン

の85%以 上は,water column中 もしくは初期続

成作用により分解 しているものと推定されている

(Prahl et al.,1989b)。 しか しなが ら,2不 飽和

と3不 飽和のアルケノンは分解速度はほぼ等 しい

ので,2つ の化合物の量比としてのuk37は,動 物

プランクトンの補食による消化過程や堆積後の変

質や分解 に関わ らず一定に保 たれる(Volkman

et al., 1980 ; Sikes et al., 1991) •B

Ohkouchi et al.(1994b)は,西 赤道太平洋の

深海底 コアについてアルケノンを分析 し,過 去2

万年間表層水温 は28度 付近でほぼ一定であった

ことを示 した(図9)。 現在の西赤道太平洋表層は,

世界の海洋で最 も水温の高い海水 を大量に湛えた

海域で 「warm pool」 と呼ばれ,多 量の熱エネル

ギーを蓄えている。氷期/問 氷期の気候変動 に応

じた地球表層におけるエネルギー収支を考える上

で,こ の海域の水温変動をモニターすることは非

常に重要である。上記の深海底 コア採取地点のわ

ずか数100km南 に位置するニューギニアでは,

最終氷期には雪線が約1km低 下 していたことが

知 られ て い る(Hope,1976;Webster and

Streten,1978)。 花粉分析 を用いて最終氷期 にお

けるニューギニア島の植生分布 を復元した結果に

よると,山 岳低地植生帯の下限も約800m低 下 し

ていたことが知られており,こ れらの結果をあわ

せて考慮すると,最 終氷期における西赤道太平洋

域の対流圏における大気気温減率は現在よ り1割

ほど大 きかった可能性が示唆される(図9,10;

Ohkouchi et al.,1997c)。

また,深 海底堆積物中に含まれるアルケノンの

濃度の変動は,円 石藻の生産量の変動を記録 して

いるのではないか と考 え られて きた(例 えば,

Prahl et al., 1988 ; Conte and Eglinton, 1993).

円石 藻 の単 位 細 胞 あ た りで合 成 され る ア ル ケ ノ ン

量 が一 定 で あ ろ う と考 え られ て い た か らで あ る 。

しか し,深 海 底 堆 積 物 中 の ア ル ケ ノ ン量 は,と う

て い 円石 藻 の生 産量 の変 化 と して は説 明 で きな い

ほ ど大 きな振 幅 を もっ て変 動 して きた こ とが,近

年 明 ら か に な っ て き た(Conte and Eglinton,

1993;Villanueva et al.,Submitted)。 ま た,

北 大 西 洋 で採 取 され た深 海 底 コ ア に含 ま れ る ア ル

ケ ノ ン量 の スペ ク トル 解 析 の 結 果 は'氷 期/問 氷

期 変 動 に対 応 した10万 年 周 期 を示 さず,2万 年 周

期 が 卓 越 し て い る こ と が 知 ら れ て い る

(Villanueva et al.,Submitted)。

わ れ わ れが 分 析 した東 経175度 線 上 の堆 積 物 中

に 含 まれ る ア ル ケ ノ ン濃 度 の 緯 度 分 布 は,北 緯

30-45度 付 近 に大 き な ピ ー ク を,ま た 赤 道 付 近 に

も小 さな ピー ク を もち,そ の絶 対 濃 度 も25-1,000

ng/g dry sedimentと 大 き な幅 を も って 変 動 し て

い る(図8)。 こ の緯 度 分 布 パ タ ー ンは他 の海 洋 生

物 由 来 と考 え られ る有 機 化 合 物(例 え ば,炭 素 数

12-20の 脂 肪 酸 な ど)の 分 布 とは 大 き く異 な っ て

お り,ア ル ケ ノ ンに特 有 に認 め られ た もの で あ る 。

ア ル ケ ノ ン濃 度 に ピー ク が 認 め られ た北 緯30度

付 近 は,通 常 海 洋 表 層 にお け る生 物 生 産 性 は あ ま

り高 くな い海 域 と して認 識 され て い る 。 しか し,

この海 域 は'円 石 藻 が大 規 模 な ブ ル ー ム をお こす

特 殊 な 海 域 で あ る こ と も知 られ て お り(Brown

and Yoder,1994;高 橋 ほ か,1995),ア ル ケ ノ ン

が 大 量 に生 合 成 さ れ て い る可 能 性 も考 え られ る

(Ohkouchi et al.,Submitted a)。

筆 者 らが 分 析 した 西 赤 道 太 平 洋 の 深 海 底 コ ア

(KH92-1-5cBX)で も全 ア ル ケ ノ ン量 は 非 常 に 大

きな 時系 列 変 動 を示 した(図11)。 最 終 氷 期 お よ

び 完 新 世 後 期 に 比 較 的 高 い 濃 度(>800ng/g

196

CaCO3-free dry sediment)を 示 して い る が,約

8,000年 前 に は30ng/gCaCO3-free dry sedi-

mentに まで低 下 して お り,最 も 高 い 濃 度 を示 し

た2万 年 前 ξ比 較 す る と1/40以 下 と い う極 端 に

低 い値 に な る 。 よ く知 られ て い る よ うに 円 石 藻 は

炭 酸 カ ル シ ウム の殻 を 形 成 す る が,8,000年 前 の

層準 に お け る そ の 炭 酸 カ ル シ ウ ム量 は約90%と

い う高 い 値 を もち,円 石 藻 化 石 は堆 積 物 中 に 豊 富

に存 在 して い る こ と を示 して い る 。 す な わ ち,

8,000年 前 の 層準 にお け る ア ル ケ ノ ン濃 度/円 石 藻

化 石 量 比 が 他 の 層準 と比べ て 著 し く低 い こ と を意

味 し,ア ル ケ ノ ンの 生 産墨 と円石 藻 の生 産 量 の 関

係 が 従 来 考 え られ て きた ほ ど単 純 な もの で は な い

ことを示唆 している。この堆積物中の円石藻の群

集組成は過去2万 年 を通してほぼ一定であ り(田

中裕一郎,私 信),海 洋表層 に生息する円石藻類

の種組成の変動がアルケノン濃度を決めたとは考

えに くい。 また,西 赤道太平洋域の深層水が約

8,000年 前に現在よりもさらに酸化的になったと

いう証拠 も認められないことか ら(Ohkouchi et

al.,1994a,1995),堆 積後の分解によってこの

ようなパターンが生みだされた可能性も低 い。 し

たがって,堆 積物に残されたアルケノン濃度の変

動は,単 に円石藻の生産量の変動だけでは説明で

きず,円 石藻によるアルケノン合成を制御する飼

らかの因子を考慮する必要があると思われる。

われわれは,こ の深海底堆積物のアルケノン量

の変動が,窒 素同位体比の変動と非常に類似 した

パターンをもっていることを見出 した(大 河内ほ

か,1996)。 堆積物中の窒素同位体比は,表 層水

中で生産される生物粒子の窒素同位体比を反映 し

(Altabet and Francois,1994),そ の生物粒子の

窒素同位体比は表層水中の硝酸塩の同位体比に同

化時の同位体分別効果(α=1.005-1.009)を 加味

図9　 (上)Webster and Streten(1978)に よ っ て

ま とめ られ た ニ ュ ー ギ ニ ア 島 に お け る 標 高

2,500m以 上 の 過 去2万3千 年 間 の 気 温 変 動.

(下)西 赤 道 太 平 洋 で え られ た 深 海 底 コ ア

KH92-1-5cBXの アル ケ ノ ンの 分 析 か ら求 め

られ た 過去2万 年 の表 層 水 温,

Fig. 9 Upper : Air temperature during the last

20 kyr in the mountain range (altitudes higher than 2,500 m) in NEW Guinea shown as the difference from that of the present (modified from Webster and Streten, 1978). Lower : Sea surface temperature (SST) during the last 20 kyr in the western tropical Pacific estimated from Uk37 It is shown as both absolute temperature scale and the difference from the present SST.

図10　 現 在 と最 終 氷 期 の 高 度-気 温 分 布.

深 海 底 コ アKH92-1-5cBXの ア ル ケ ノ ン分

析 の 結 果 とHope(1976)の 結 果 を併 せ て

復 元 した.

Fig. 10 Adiabatic lapse ranges at the present

(a thick line) and the LGM (a broken line) in the western tropical Pacific. The altitudes of snowline and montane forest limit at present and LGM were determined by Hope (1976).

197

した値 で あ る(例 え ば,Wada,1980;Saino and

Hattori,1985)。 表 層水 の硝 酸塩 の 窒 素 同 位 体 比

は,隣 接 した 海域 も し くは 深層 水 か ら供 給 さ れ る

栄 養 塩 量 に対 し,そ の 内 の どの 程 度 の 割 合 が 生 物

に よ って 固 定 され 沈 降粒 子 と な って そ の 表 層 水 か

ら除 去 され るか,と い う比 率(硝 酸 の利 用 効 率:

nitrate utilization)に よ っ て 決 ま る(例 え ば,

Wada and Hattori, 1992 ; Altabet and Francois,

1994;Nakatsuka et al.,1995)。 した が っ て,

窒 素 同位 体 比 と アル ケ ノ ンの 生 産 量 が 見 か け 上 一

致 して い る こ と は,海 洋 表 層 にお け る栄 養 塩 の 利

用 効 率 が ア ルケ ノ ン生 産 量 を制 御 して い る こ と,

ま た 円石 藻 の 立 場 か ら言 う と,栄 養 塩(硝 酸 塩)

が ど の程 度 十 分 な余 裕 を もっ て吸 収 で き る か を意

味 し て い る とい え よ う(Ohkouchi et al.,Sub-

mitted b)。

IV.　 お わ り に

本 稿 で は,陸 上 高 等 植 物 お よび 海 洋 の 植 物 プ ラ

ンク トンで あ る 円石 藻 のバ イ オ マ ー カ ー に つ い て,

筆 者 らの分 析 結 果 も交 え なが ら,そ れ らの 古 環 境

学 的 意 義 を解 説 した 。 こ れ らの他 に も,原 核 生 物

が つ くる ホパ ノ イ ド化 合 物 や 渦 鞭 毛 藻類 が つ くる

ダ イ ノ ス テ ロ ー ル な ど,古 環 境 の復 元 に 威 力 を発

揮 す る で あ ろ うバ イ オ マ ー カ ー の 実用 化 が 期 待 さ

れ て い る(表1;Ourisson et al.,1979;Boon

et al.,1979)。 ま た ク ロ ロ フ ィ ルや カ ロ チ ノ イ ド

とい っ た色 素化 合 物 も また,海 洋 に お け る一 次 生

産 者 の マ ー カー と して 有 用 で あ る こ とが 知 られ て

い る(例 え ば,Baker and Louda,1986)。 さ ら

図11　 西赤道太平洋で え られた深 海底 コアKH92-1-5cBXの 全有機炭 素量(左),ア ルケ ノ ン濃

度(中),窒 素同位体比(左).

影 を付 けた部分 は氷 床融解期 を表わす.

Fig. 11 Total organic carbon (TOC) content, total C37-C39 alkenones, and nitrogen isotopic

ratios (ƒÂ 15N) plotted as a function of "C age in KH92-1-5cbx.

表1　 第四紀後期の古環境復元 に有用 と考え られ る

バイオマー カー.

Table 1 A list of biomarkers useful for paleoenvi-ronmental study in the late Quaternaly.

198

に,近 年GC/C/MS(ガ ス ク ロ マ トグ ラ フ/燃 焼

/同 位 体 質 量 分析 計)の 実 用 化 と と も に,分 子 レ

ベ ル の 炭 素 同位 体 比 の測 定 も可 能 に な り(Hayes

et al.,1990;奈 良 岡 ほ か,1997),こ れ ら の バ イ

オマ ー カ ー の炭 素 同位 体 比 を知 る こ とに よ っ て 新

た な研 究 分 野 の 開 拓 が 模 索 さ れ て い る(例 え ば,

Jasper and Hayes,1990;和 田 ・半 場,1994;

Naraoka et al.,1995)。

こ の よ う に,バ イ オ マ ー カ ー を用 い て 古 環 境 を

復 元 す る研 究 は,過 去10年 間 に多 くの 進 展 が み

られ たが,い ま だ に い くつ か の重 要 な 問 題 点 も抱

え て い る 。例 え ば,初 期 続 成 作 用 で の有 機 物 の 分

解 や 変 質 に と もな う記 録 の質 と量 の劣 化 を どの よ

う に評 価 す る か は,今 後 に残 さ れ た最 も大 き な課

題 の一 つ で あ ろ う。 ま た 生 物 一化 合 物 の 関 係 を よ

り厳 密 に決 定 して い くた め に よ り多 くの 培 養 実 験

が 行 な わ れ る こ と も,議 論が 詳細 にな るに したが っ

て必 然 的 に求 め られ る こ とで あ る 。今 後,バ イ オ

マ ー カ ー を古 環 境 の よ り よい指 標 と して発 展 させ,

古 環 境 研 究 の ブ レー ク ス ル ー を生 み だ して い くた

め に は,こ れ らの 問題 点 を解 決 して い くと と も に,

化 合 物 が生 合 成 され る 際 の生 理 学 的 な側 面 に も研

究 の方 向 を向 け るべ きで あ ろ う。

謝 辞

本稿 で述べた結 果は,著 者 のひ とり(大 河内)が 大学

院生 時代 に東京大学 海洋研 究所 の平 朝彦教授 の指導 の

下 で行 なった研 究が基礎 とな ってい る。 地 質調査 所 の

川幡穂 高博 士には貴重 なサ ンプルを分けていただ き,か

つ多 くの コメ ン トをいただいた。京都 大学生態学研 究セ

ンターの和 田英 太郎教授 には窒素 の循 環や同位体 比に関

して御教 示いただいた。 また,地 質調査所 の山本 正伸博

士 には本稿 に対 して有益 な助言 をいただ き,石 渡 良志,

奈 良岡 浩,大 場忠通,岡 田尚武,多 田隆治,松 本 良,

小 池 勲,田 中裕一郎,福 島 甫,池 原 実の各氏には

分析 結果 に対 する様々な コメ ン トをいただいた。 これ ら

の方々に深 くお礼 申し上げ ます。

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