メタンは重要な「温室効果ガス」です。つまり、地球の熱収支、ひいては気候に影響を与えるガスです。実際、分子ごとに、メタンは二酸化炭素よりも熱を閉じ込めるのに効果的です。したがって、現在、大気中にはメタンの約 200 倍の二酸化炭素が存在しますが、科学界では、大気へのメタンの発生源と吸収源を理解することに強い関心が寄せられています。アラン M. シラー博士は、近年、これを彼のキャリアの焦点にしています。
結局のところ、メタンのかなりの貯留層が海洋堆積物に存在し、このメタンは海水の温暖化が進行するにつれて堆積物から放出される可能性があります.放出されたメタンが海を通って大気に到達すると、その熱を閉じ込める性質が気候変動を悪化させる可能性があります。実際、海底から大量のメタンが放出されたことは、過去の気候変動に関係しているとされてきました。しかし、メタンを食物源として利用するメタノトローフとして知られる海水中のバクテリアがいます。これらのメタノトローフが海洋のメタンを十分に迅速に消費できる場合、堆積物からのメタンフラックスのほとんどは大気に到達しない可能性があります.
2010 年にメキシコ湾北部で発生したディープウォーター ホライズンの噴出は、「油流出」としてよく知られています。しかし、坑口から出てきた炭化水素物質の約半分は原油ではなく、メタンを主成分とする天然ガスでした。このメタンは、海の深さ約 1100 m (3600 フィート) の水中プルームに蓄積されました。これは、海洋堆積物から大量のメタンが放出されたときに何が起こるかをテストするための「計画外の実験」として機能しました。科学者のいくつかのグループによって観察され、発表されたのは、メタノトローフが予想よりもはるかに急速に（数年ではなく数か月で）開花し、水中のプルーム内のメタンを消費したということでした.これは、気候変動に反応して海底堆積物から放出されたメタンが、大気への影響を抑えている可能性があることを示唆しています.
深海地平線後の希土類元素
ディープウォーター ホライズンの微生物ブルームに関する研究が発表された頃、オランダのグループは、イタリアのナポリ近くのソルフォタラにある有名な火山の泥沼を研究しているときに発見した、新しいタイプのメタノトローフィーに関する研究も発表しました。メタノトローフィの重要な酵素であるメタノール脱水素酵素または MDH は、通常、活動のためにカルシウムイオンを必要とします。しかし、ソルフォタラのマッドポットでは、メタノール脱水素酵素にカルシウムではなく希土類元素を必要とする生物が発見されました。希土類元素 (ランタニド元素とも呼ばれます) は、周期表の主要部分の下に配置された 2 つの余分な行の上部として一般的に示される元素のグループです。 「希土類元素」という用語は、実際には少し誤称です。これらの「希土類」元素の一部は、銅や鉛などの他のよりよく知られている元素と同じように地殻で一般的であるためです.実際、レアアースの多くは、現代の産業界で重要な用途を見出しています。たとえば、ハイブリッド車では、車のハイブリッド バッテリーと電気モーターに数ポンドのランタンとネオジムの元素が含まれている可能性があります。
ディープウォーター ホライズンのメタン消費量の観測結果と、メタノトローフィのメカニズムを必要とするこの新たに観測された希土類元素を一緒に考慮して、噴出中に希土類元素の分布が影響を受けたかどうかを確認することにしました。これが実現できたのは、イベント中とイベント後に微量元素分析に適したサンプルを収集できたからです。また、2010 年の 5 月から 6 月にかけて (つまり、噴火の際)、ランタンとその周期表に隣接するいくつかの元素の大幅な枯渇が観察されましたが、1 年半後にメタン濃度が元の非常に低い濃度に戻ったときは観察されませんでした。次に、メタノトローフィを研究するために開発したメソコスム システムを使用して、ディープウォーター ホライズン サイトの北西約 10 マイル (17 km) にある自然の海底メタン浸透で採取した水サンプルを培養しました。もう一度、メタンの消費中にランタンとその近隣のいくつかの枯渇を観察しました。さらに、酵素を必要とする希土類元素をコードする遺伝子の発現を検出することができました。
さて、これはすべてマイナーな学術的ポイントのように思えるかもしれません.結局、ディープウォーター ホライズンのメタンは急速に消費されました….他に何を知る必要がありますか?これが重要な理由の 1 つは、希土類元素が海洋生物学的プロセスにおいて重要であることが初めて判明したことです。実際、オランダのグループの研究が行われるまで、レアアースは生物学的に重要ではないと一般に考えられていました。しかし、これらの元素は海洋中にわずか 1 兆分の 1 の濃度しか存在しないため、海洋からのメタンの除去においてそれらの利用可能性が過小評価されていること、したがってこの重要な温室効果の制御において不確実な役割を果たしていることを私たちの研究は示しています。ガス。さらに、海洋学者は希土類元素は生物活性がないと仮定していたため、その分布の解釈を再検討し、希土類元素が海洋プロセスについて私たちに何を伝えているかについての理解を深めることができるかどうかを確認する必要があります.
海洋生態系における希土類元素の役割
これらすべてから、2 つの興味深い疑問が残ります。最初の疑問は、なぜ生物は海水中の濃度が非常に低いこれらの元素を必要とするように進化したのでしょうか?その答えは推測することしかできませんが、おそらくいくつかの重要な要因があるでしょう。まず第一に、希土類元素イオンは、MDH などの酵素でより一般的に見られるカルシウムイオンと化学的に類似しています。さらに、希土類元素はカルシウムよりも優れた触媒となる可能性のある化学的性質を実際に持っています。メタノトロフィは、最も古い代謝経路の 1 つと考えられています。したがって、メタノトロフィが最初に進化したのは、現在の海よりも希土類が豊富な環境だったのかもしれません。実際、ソルフォタラの熱水システムは、ディープウォーター ホライズン サイトの海水よりも 40,000 倍高い濃度の希土類元素を溶解しており、熱水システムにはかなりの量のメタンが溶解していることがしばしば観察されます。したがって、酵素による希土類元素の必要性は、これらの生化学的に望ましい元素が今日の海洋よりも入手しやすい環境で発達した可能性があります。これはまた、発見されるのを待っている酵素を利用する他の希土類元素が存在する可能性があることを示唆しています.実際、活動にランタニドを必要とするエタノール脱水素酵素についての報告がすでに発表されています。
最後に、海洋堆積物から放出された大量のメタンの運命の問題に戻ることができますか?たとえば、今日の海洋におけるランタニドの在庫と滞留時間は、5,500 万年前の暁新世 - 始新世熱極大 (PETM) として知られる気候イベント中にメタノトローフが必要とした可能性があるものと同様の大きさであることを観察しています。 PETM は、おそらく海洋堆積物から大量のメタンが放出されたことによる炭素系の大きな変化の結果であると考えられています。ランタニドとカルシウムの化学的類似性のため、特定の単細胞生物 (有孔虫) の炭酸カルシウム殻に保存され、海洋堆積物に埋もれた海洋ランタニド濃度の記録がある可能性があります。これにより、ランタニドへの影響を通じて PETM 中に大量の堆積メタンが放出されたという仮説を検証する手段が得られ、地質学的過去における気候変動のメカニズムについての洞察が得られる可能性があります。
この研究、 Deepwater Horizon ブローアウト メタノトロフィ中の軽希土類元素の枯渇は、最近、Scientific Reports ジャーナルに掲載されました。
