北極圏の古代微生物が目覚め、温暖化を加速させる恐れ

古代微生物が今、重要な理由

北極圏の凍土では、数万年前に古代の植物や動物を餌にしていた微生物が、再び活動を始めている。アラスカ内陸部の永久凍土サンプルを使った実験では、最長で約4万年前のものを含む休眠中の微生物群が、暖かく湿った状態が続けば数カ月で目覚めることが分かった。活動を再開すると、長く凍結していた有機物を分解し、熱を閉じ込める二つのガス、二酸化炭素とメタンを放出する。この過程は温暖化に拍車をかけ、永久凍土の融解が自己強化的な循環の中で加速するリスクを高める。

永久凍土とは、少なくとも2年連続で凍結した状態が続く地盤を指す。深さは1メートルほどの場合もあれば数百メートルに及ぶ場合もあり、遠い昔に姿を消したツンドラや北方林の生態系に由来する古代の炭素を閉じ込めている。表層は夏によく融解するが、深い層は最終氷期以来、封じ込められたままだ。新たな研究は、夏が長くなり、活動期が春や秋まで延びれば、永久凍土の深部にいる微生物でさえ、現代の炭素循環に季節的に加わる可能性を示している。

その時期が重要だ。北極圏の温暖化の速度は世界平均の約2倍で、融解期も拡大している。植物の活動がほぼ止まる秋、冬、春に、北方の地表から温室効果ガスの排出が増えていることを科学者たちは観測してきた。こうした季節外れの排出を含めると、近年の多くの年に、この地域は大気中への炭素の純排出源となっているようだ。古代微生物が目覚めれば、排出量はさらに増える。

アラスカの永久凍土トンネルが明らかにすること

微生物が活動を再開する速さを調べるため、研究者たちはアラスカ州フェアバンクス近郊にある永久凍土研究トンネルから凍結したコア試料を採取した。トンネルは地表から約50フィート（約15メートル）下にあり、凍土の中を350フィート（約107メートル）以上にわたって延びている。後期更新世の地形を詳細に記録した場所だ。数千年にわたり凍結状態を保ってきた、手つかずの古代の土壌や氷を採取できる貴重な場所でもある。

アラスカは、州内の広い範囲が永久凍土に覆われているため、理想的な研究地域だ。トンネルの凍った壁面には、シルト、砂、有機物に富む層が露出し、土壌の凍結時に形成された地中氷も見られる。こうした地層の多くには、微生物による分解がほとんど進んでいない植物や動物の遺骸が埋もれている。融解によって液体の水が生じ、気温が氷点を超えると、長く休眠していた微生物群は代謝を再開するための条件を得る。

氷期の微生物をどう目覚めさせたのか

研究室では、古代の永久凍土を小片にし、現在と将来のアラスカの夏を想定した温度で湿らせて培養した。研究者たちは、水素の重い同位体である重水素を加えた水を使い、新たに増殖した微生物が検出可能な原子の標識を取り込むようにした。1カ月後、活動の兆候を示した細胞はわずかで、再始動がゆっくりであることが示された。しかし、より高い温度で6カ月培養すると、状況は大きく変化した。微生物群の構成が変わり、目に見えるバイオフィルムが現れ、目覚めた微生物は現代の微生物とよく似た振る舞いを見せた。

原子一つ一つを追う、低温下での再始動

重水素標識法を使えば、推測に頼らず微生物の増殖を追跡できる。微生物が新たな細胞膜などの分子を作る際、水素原子を取り込む。その原子が重水素であれば、装置で重い同位体の特徴を検出し、増殖が汚染ではなく実験によるものだと確認できる。アラスカでのデータは、微生物がすぐに目覚めるわけではないことを示している。多くの微生物は数週間にわたって環境に適応した後、暖かい状態が長く続いて初めて構成を変え、増殖するようだ。この遅れは、単発の猛暑より融解期の長期化が重要になり得る理由を示している。

数カ月暖かい状態が続くと何が起きるか

重要な発見は、目覚めるまでにかかる時間だ。実験では、古代の微生物群の一部が融解してから本格的に活動するまで、およそ1〜6カ月かかることが示された。現在の気候でも、北極圏の一部では年間のうちそれほど長い期間、気温が氷点を上回っている。気候予測によれば、今後は融解期がさらに長くなる。暖かい期間が延びれば、微生物は細胞膜を再構築し、凍結による損傷を修復し、複雑な炭素を分解する酵素を働かせる時間を得る。こうした機能が整うと、微生物は凍結していた有機物を速やかに炭素ガスへと変えることができる。

この時間差は、野外観測で見られるより広範な傾向の説明にも役立つ。多くのツンドラ地帯では、植物が活動する短い夏の成長期に二酸化炭素を吸収する。しかし、微生物が呼吸を続けるため、年間の残りの期間に生じる放出が、その吸収分をますます相殺している。古代の炭素を分解する新たな微生物が加われば、季節外の排出がさらに増え、地表が炭素の純排出源となる可能性がある。

凍結した炭素の貯蔵庫から温室効果ガスの排出へ

永久凍土はしばしば、巨大な炭素の貯蔵庫と表現される。寒冷な環境によって植物や動物の遺骸が完全に分解されず、蓄積して凍結したことで形成された。融解はその貯蔵庫を開く。酸素が豊富な土壌では、微生物は主に二酸化炭素（CO2）を放出する。泥炭地、湿地、融解湖の湖底のように水がたまり酸素が乏しい環境では、メタン生成菌と呼ばれる微生物がメタン（CH4）を生み出す。

CO2とメタンの違い

メタンは数十年単位で見ると二酸化炭素よりはるかに多くの熱を閉じ込めるが、大気中ではより速く分解される。二酸化炭素は分子ごとの温室効果は弱いものの、何世紀にもわたって大気中に残る。融解する地盤から出るCO2とメタンの比率は、地域の条件によって異なる。乾燥して水はけのよい土壌ではCO2の排出が多くなる。水で飽和した土壌や融解湖ではメタンの排出が増える。アラスカとカナダ西部での最近の研究によると、森林は生産活動が活発な時期に、排出量をわずかに上回るCO2を吸収することがある。しかし、その吸収分は湿地や湖、火災、寒冷期の呼吸による排出で相殺される。この地域全体の温室効果ガス収支は、今後数十年の温暖化をさらに押し進めることを示している。

炭素の放出量はどれほどになるのか

北方の永久凍土地域の土壌には、約1兆4,600億〜1兆6,000億トンという膨大な量の有機炭素が蓄えられている。現在、大気中に存在する炭素量のおよそ2倍に当たる。その大半は地表から深さ3メートル以内にあるが、氷に富む堆積物や、イェドマと呼ばれる古代のレス堆積物には、より深い場所にも大量に閉じ込められている。深部のイェドマに含まれる炭素量は、3,270億〜4,660億トンと推定される。北極圏の河川デルタには、さらに約960億トンが存在する。地表から徐々に融解が進むと、時間の経過とともに地表近くの炭素の多くが露出する。氷に富む地盤が崩壊してサーモカルストのくぼ地や湖をつくる急激な融解では、深い層も一季節で動き出す可能性がある。

フラックス観測によると、この巨大な炭素貯蔵庫はすでに大気中への放出源となり始めている。地域別の新たな観測や冬季のデータは、寒冷期の排出を含めると、永久凍土地域の生態系が二酸化炭素として年間純量で3億〜6億トンの炭素を放出していることを示している。アラスカ上空での航空機観測では、ツンドラは一貫した炭素の放出源となっている一方、北方林は火災や天候に応じて、ほぼ中立からわずかな吸収源の間で変動すると推定されている。植物が活動を止めても微生物は活動を続ける長く寒い期間を捉えるセンサーが増えた結果、一部の分析では冬季の排出量が従来推定の2〜3倍に上方修正された。こうした結果は、永久凍土の融解によるフィードバックがすでに始まっているという見方と一致する。

植物や寒冷期は排出を相殺できるのか

毎年夏になると、ツンドラや北方林の植物は光合成によって二酸化炭素を取り込み、その一部をバイオマスや新たな土壌有機物として蓄える。健全な森林や湿地では、この吸収量は大きくなり得る。問題は、北極圏では寒冷期が非常に長いことだ。積雪の下でも、微生物の呼吸は年間の大半にわたって低い割合ながら続く。250日以上に及ぶ長い期間には、日々の小さな排出が夏の吸収分の大半、あるいはすべてを相殺しかねない。

微生物の適応力も課題を大きくする。スバールバル諸島など北極圏の各地での研究は、季節的に融解する表層の微生物が、寒冷環境にうまく適応していることを示している。低温でも効率よく働く酵素を作り、幅広い炭素化合物を利用できる。条件によってはCO2を直接取り込む微生物もいるが、その経路の規模は分解による炭素放出に比べて小さい。湿地や泥炭地は、何世紀にもわたって泥炭を蓄積し、重量ベースでは炭素の純吸収源であり続けることがある。それでも、強い温暖化作用を持つメタンを排出する。最近のデータを総合すると、この地域全体で植物が吸収する炭素は、呼吸による損失の増加や融解する地盤からのメタン排出を十分に相殺できていない。

温度だけでなく時期がリスクを左右する理由

新たな実験結果は、季節の長さに焦点を当てている。何千年も眠っていた微生物は、増殖する前に損傷を修復し、構成を整え直すため、数週間から数カ月を必要とする可能性がある。融解期が長くなれば、その時間が得られる。暑い日があること自体より、春の融解が早まり、秋の凍結が遅れることの方が重要だ。北極圏の多くの地域では、気候の記録からすでにその変化が始まっていることが分かる。

永久凍土が乱された後に炭素放出が進むうえでは、日光も一役買う。融解によって土壌中の炭素が川や湖に流れ込み、日光にさらされることがある。光化学反応は複雑な有機分子を分解し、微生物が利用しやすい状態にする。実験では、微生物群が日光で弱まった炭素を利用するよう代謝機能を切り替え、より多くの炭素をCO2に変えることが示されている。融解が始まると、水の流れ、光、生物の作用が連携し、古代の炭素を生態系内で移動させる。

ほかの要因も影響する。土壌の温暖化は水分条件の変化を伴うことが多く、大気からの沈着や地域内の発生源を通じて窒素が加わる場合もある。永久凍土地域の泥炭土壌を使った実験では、温暖化によってCO2排出が増え、メタン生成菌などの微生物群の活動が高まる可能性が示されている。窒素の追加は微生物群やガスの排出量をさらに変化させる可能性があり、強力な温室効果ガスである亜酸化窒素もその一つだ。こうした相互作用は、融解する地盤の反応が単一の過程ではなく、地形によって異なる複数の連動した過程から成ることを示している。

科学者にもまだ分からないこと

永久凍土中の炭素をガスに変える原動力は微生物だが、その将来の振る舞いを広域で予測するのは依然として難しい。永久凍土は、乾燥した高地から水に浸かった泥炭地まで、鉱物質土壌から厚い有機質層まで、数メートル単位で条件が変わる広大で多様な土地を覆っている。分子レベルの研究が10年にわたって進み、微生物の驚くべき多様性が明らかになった。しかし、遺伝子の一覧を信頼できるガス排出予測に結びつけることは、なお研究の最前線にある。研究者たちは熱の移動、土壌水分、水文学、微生物の代謝を組み合わせ、融解から排出までの全過程を捉えるモデルを構築している。多くのモデルは依然として、急激な融解、水と炭素の横方向への移動、そして新たな実験で示された活動再開までの時間差を再現するのに苦労している。

到達が難しい季節や場所では、観測も不足している。局地的なフラックスタワーのデータを地域全体に適用するボトムアップ手法は、人工衛星や航空機を使ったトップダウン推定と一致しないことがある。多くの場合、その差は冬季データの不足、湿地や湖に関する不確実性、山火事の影響の変化に起因する。複数の手法をより適切に組み合わせることで全体像は改善しつつあるが、排出予測にはなお幅がある。

気候収支とは別に、もう一つの懸念がある。古代微生物を目覚めさせるという考えは、当然ながら安全面への疑問を生む。微生物を目覚めさせる研究では、標準的な実験室での安全対策のもと、小規模で管理されたサンプルが使われる。実験室での研究規模は、毎年夏に自然に融解する広大な永久凍土と比べればごくわずかだ。気候上のリスクは、実験室の菌株ではなく、自然環境で微生物が作り出す温室効果ガスにある。この現実を踏まえ、監視を続けるとともに、季節的に融解する状態へ移る凍土を減らすため、温暖化を抑えることが重要となる。

要点

• 北極圏の古代微生物は、暖かく湿った状態が1〜6カ月続くと目覚める可能性があり、長く凍結していた有機物を分解してCO2やメタンを放出する。
• 永久凍土地域の土壌には約1兆4,600億〜1兆6,000億トンの有機炭素が蓄えられている。大気中の炭素量のおよそ2倍に当たる。
• アラスカ州フェアバンクス近郊の永久凍土研究トンネルから採取された古代サンプルでは、暖かい環境で6カ月培養した後、微生物の活動が劇的に再開した。
• 北極圏の温暖化で融解期が長くなっている。微生物の活動再開には、短期間の猛暑より融解期の長期化の方が重要だ。
• 寒冷期の排出を含めると、北方の永久凍土地域はすでに大気中への炭素の純排出源となっていることを、最近の観測は示唆している。
• 湖や湿地ではメタンが排出されやすく、乾燥した土壌ではCO2の排出が増える傾向がある。両方のガスが異なる時間尺度で温暖化を促す。
• 新たな研究では冬季の炭素損失量が上方修正されており、植物が夏に吸収する炭素の多くを相殺している。
• 日光にさらされた融解後の永久凍土の炭素は微生物が利用しやすくなり、川や湖でのCO2放出を加速させる。
• 微生物群や土壌条件の多様性が大きく、急激な融解や季節変動をモデルで再現するのも難しいため、大きな不確実性が残る。
• 主な公衆リスクは温室効果ガスの増加による気候温暖化であり、厳重に管理され規模も小さい古代微生物の実験室での取り扱いではない。