約750万年前の地球寒冷化に伴う日本海の海洋循環と化石生物の絶滅

2022年7月20日

東京大学 大気海洋研究所
東京大学 大学院理学系研究科

研究成果

発表のポイント

◆巨大サメ“メガロドン”や絶滅哺乳類デスモスチルスが絶滅した約750万年前に、日本海で多産した放散虫固有種化石が絶滅し、北方侵略種が増加した。
◆この原因として、全球的な寒冷化に伴う太平洋の深層水循環が弱化と冬季モンスーンの強化による日本海の深層水循環の変化と考えられる。
◆750万年前の北太平洋の海洋環境変化は日本海の生態系に大きい影響を与えた可能性がある。

発表者

松崎　賢史（東京大学　大気海洋研究所　海洋底科学部門　助教）
池田　昌之（東京大学　大学院理学系研究科　地球惑星科学専攻　准教授）
多田　隆治（千葉工業大学　地球学研究センター　嘱託主席研究員）

発表概要

北半球氷床が拡大した中新世後期（約790万年前から580万年前）、様々な生物が絶滅した一方、最古のヒト科が出現し、現代型の生態系が成立した。同時期の日本海でも、海洋環境や生態系が大きく変化したが、そのプロセスについて議論が続いていた（図1）。

東京大学大気海洋研究所の松崎賢史助教、東京大学大学院理学系研究科の池田昌之准教授らの研究チームは、日本海の深海堆積物コアの放散虫化石の種毎の産出率を万年オーダーで計測 から日本海の海洋循環の変化を復元して、これが化石生物相の絶滅要因となった可能性を指摘した。

中新世後期750万年前を境に太平洋底層水の影響が弱まる一方、北太平洋中層水の影響が強くなった。これは、北半球氷床拡大と冬季モンスーンの強化に伴う北太平洋中層水の強化に起因すると考えられる（図1）。

さらに日本周辺では、いくつかの放散虫のみならず、メガロドン、海洋哺乳類デスモスチルスも絶滅し、代わりに珪藻やイルカといった現代型の海洋生態系へ移行した。本研究は初めて、中新世の現代型海洋生態系の成立と海洋循環の変動、地球の寒冷化との関係性を検討した。ただし、大型化石は産出記録が多くないため、今後、古脊椎動物学的研究を統合することで、現代型生態系の確立史についてより深い理解を得られると期待される。

本研究成果は、2022年7月20日午前10時（英国夏時間）に「Scientific Report」のオンライン版に掲載された。

発表内容

中新世後期の寒冷期には（約790万年前から580万年前）、中高緯度が寒冷化し、生態系が現代型に移行した。東アジアは夏季モンスーンが弱化して冬季モンスーンが卓越し、イネなどC4植物を主体とした草原が拡大した。北西太平洋では、珪藻など海洋一次生産が増加し、クジラなど海洋大型生物の進化する一方、デスモスチルスや巨大ザメのメガロドンが消失した。同時期の北西太平洋の縁海である日本海でも、大きな海洋環境・生態の変化が発生した報告も少なくない。

本研究では日本海を対象として中新世後期の寒冷化がどの程度海洋生態系に影響したか検討した。検討にあたっては放散虫という珪質殻を持つ浮遊性原生生物に着目した。放散虫の大きさは0.03〜2mm程度であり、19世紀中頃から多くの研究が行われている。放散虫は堆積物中に良く保存されているので、地層の年代や過去の海洋環境を推定するなど、地質学分野においては重要な指標である。特に放散虫は、海域や表層水-中層水-深層水で群集が異なるため、放散虫の群集の変動から海洋循環のダイナミクスの復元も可能である。

そこで本研究では、中新世後期の地球寒冷化における日本海の放散虫の種レベルの産出個体数から埋没フラックスを高時間解像度で復元して、海洋環境変動・生態系の応答の相互作用について議論をした。

本研究の共同研究者である千葉工業大学の多田隆治嘱託主席研究員（元東京大学大学院理学系研究科）の主導で国際深海科学掘削計「画」（International Ocean Discovery Program；IODP）を通じて2013年に日本海の中新世後期の堆積物を大和海盆のサイトU1425に採取することに成功した。そこで、本研究ではサイトU1425の堆積物中の放散虫の群集の変化を研究し、そこから北太平洋深層水・中層水を反映する種を抽出し、堆積物の密度、堆積物速度などを用いて北太平洋深層種・中層種などの埋没速度を計算し、そこから中新世後期の日本海の古海洋変動と生態系の応答を議論した。

その結果、中新世後期の日本海における卓越固有種の絶滅と北極侵略種の増加などが確認され、海洋中の生命圏に大きな変化があったことが明らかになった（図1）。この時代に、冬季アジアモンスーンの強化と北半球氷床の部分氷河作用、並びに太平洋子午面循環（PMOC; Pacific Meridional Overturning Circulation）の弱化によって、地球表層システムに重要な進化が起きたと提案した（図1）。また、700～900万年前の表層から、北太平洋深層水の放散虫種変動の主周期は、日本海の堆積物の色（Sediment Reflectance L*）のデータにおける卓越周期と同位相であることも明らかにした。堆積物の色は有機物量を反映し、中新世後期の日本海の海底に埋没する有機物量の変動がPMOCの強弱により制御されている可能性があることも提案した。

今から数百年先に向かって地球温暖化の影響により北半球氷床の融解とモンスーンシステムの変動が引き起こされ、生命圏に影響を与え始めている。生物の生息地の緯度方向の移動により、固有種の絶滅に繋がる恐れが懸念されている。モンスーンの変動は大規模な洪水や干ばつを引き起こし、農業にも影響している。本研究では現在より温暖であった過去に全球的な寒冷化によってどう深層水循環が変わったか、どう生態系が応答したかについて、いくつかの可能性を提案していることから地球温暖化に伴う生態系の応答のヒントになる可能性もある。今後は微化石・大型化石・地球物理・地球化学のデータを融合して今より温暖な過去の地球の重要な気候イベントの研究を実施したいと考えている。

本研究は、科研費「国際強化研究加速 (B)（課題番号：19KK0089）」、「若手研究（課題番号：18K13647）」の支援により実施された。

発表雑誌

雑誌名：「Scientific Report」（7月20日付）
論文タイトル：Weakened Pacific Overturning Circulation, winter monsoon dominance and tectonism re-organized Japan Sea paleoceanography during the Late Miocene Global Cooling
著者：Kenji M. Matsuzaki*, Masayuki Ikeda, Ryuji Tada
DOI番号：https://doi.org/10.1038/s41598-022-15441-x​
アブストラクトURL：https://www.nature.com/articles/s41598-022-15441-x

問い合わせ先

東京大学大気海洋研究所
助教　松崎　賢史（まつざき　けんじ）
E-mail：kmatsuzaki◎g.ecc.u-tokyo.ac.jp　　　※「◎」は「@」に変換してください

添付資料

図1：（A）現在の日本海の海洋循環と（B）北西太平洋の水塊深度分布、および本研究で用いた放散虫種の生息深度。（C）900万年前〜700万年前までと（D）700万年前の日本の古地理と放散虫化石から推定した日本海の海洋循環。