植物プランクトン
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植物プランクトン(/ ˌ F aɪ T oʊのP L æ ŋ K T ə N /)である独立栄養の(自己給電)成分プランクトンコミュニティと海と淡水の重要な部分の生態系。この名前は、ギリシャ語で「植物」を意味するφυτόν(フィトン)と、「放浪者」または「漂流者」を意味するπλαγκτός(プランクトス)に由来しています。[1] [2] [3]
植物プランクトンは、陸上の木や他の植物と同様に、光合成によってエネルギーを獲得します。これは、植物プランクトンが太陽からの光を持っている必要があることを意味します。そのため、植物プランクトンは海や湖の明るい表層(有光層)に住んでいます。陸生植物と比較して、植物プランクトンはより広い表面積に分布し、季節変動が少なく、樹木よりも著しく速い回転率を示します(数日対数十年)。その結果、植物プランクトンは地球規模で気候変動に迅速に反応します。
植物プランクトンは、海洋および淡水食物網の基盤を形成し、世界の炭素循環の主要なプレーヤーです。それらは、世界の植物バイオマスの約1%にすぎないにもかかわらず、世界の光合成活動の約半分と酸素生産の少なくとも半分を占めています。植物プランクトンは非常に多様で、光合成細菌から植物のような藻類、鎧でメッキされた円石藻までさまざまです。植物プランクトンの重要なグループには、珪藻、シアノバクテリア、渦鞭毛藻が含まれますが、他の多くのグループが代表されています。[2]
ほとんどの植物プランクトンは小さすぎて、肉眼で個別に見ることはできません。ただし、十分な数が存在する場合、一部の種では、細胞内にクロロフィルが存在し、補助色素(フィコビリタンパク質やキサントフィルなど)が存在するため、水面に色付きの斑点として目立つ場合があります。
概要
科学者たちは、地球上の光合成炭素固定の半分と地球上の酸素生成の50-80%が海洋から来ていると推定しています。[4] [5]この生産のほとんどは、海藻、海藻、およびシアノバクテリアと呼ばれるいくつかの光合成細菌などの海洋植物プランクトンからのものです。バクテリアの1つの特定の種、プロクロロコッカスは、地球上で最小の光合成生物です。しかし、この小さな細菌は、地球規模の生物圏で全酸素の最大20%を生成します。これは、陸地にあるすべての熱帯雨林を合わせたものよりも高い割合です。[5]
海洋で生成される酸素の正確なパーセンテージを計算することは、量が絶えず変化するため困難です。科学者は、海洋カラー 衛星画像を使用して、光合成プランクトンを追跡し、海洋で発生する光合成の量を推定することができます。[3]しかし、衛星画像は全体像を伝えることはできません。プランクトンの量は季節によって変化し、水の栄養負荷、温度、その他の要因の変化に応じて変化します。研究によると、特定の場所の酸素量は、時間帯や潮の干満によって異なります。[5]
タイプ
植物プランクトンは、地球上のほぼすべての海と淡水の体の上部の太陽に照らされた層に生息する、光合成する微視的な原生生物とバクテリアです。陸上植物と並行して、植物プランクトンは水中での一次生産のための薬剤です。[2]それらは、水に溶解した二酸化炭素から有機化合物を生成します。これは、水生食物網を維持するプロセスです。[6]植物プランクトンは海洋食物網の基盤を形成し、地球の炭素循環の重要なプレーヤーです。[7]
「海洋の光合成は、シアノバクテリアと一緒になって植物プランクトンと総称される微細藻類によって支配されています。」[8]植物プランクトンは非常に多様で、光合成細菌(シアノバクテリア)から植物のような珪藻、鎧でメッキされた円石藻までさまざまです。[9] [2]
エコロジー
植物プランクトンは、光合成の過程でエネルギーを獲得するため、海、海、湖、またはその他の水域の明るい表層(有光層と呼ばれる)に生息している必要があります。植物プランクトンは、地球上のすべての光合成活動の約半分を占めています。[11] [12] [13]炭素化合物におけるそれらの累積エネルギー固定(一次生産)は、大多数の海洋および多くの淡水食物網(化学合成)の基礎となっています。 注目すべき例外です)。
ほとんどすべての植物プランクトン種は必須の 光合成独立栄養生物ですが、混合栄養生物や、実際には従属栄養生物である他の無着色種もあります(後者は動物プランクトンと見なされることがよくあります)。[2] [14]これらの中で最もよく知られているのは、他の生物や砕屑物を摂取することによって有機炭素を獲得する、NoctilucaやDinophysisなどの渦鞭毛藻属です。
植物プランクトンは、光合成が可能な海洋の有光層に生息しています。光合成の間に、それらは二酸化炭素を吸収し、酸素を放出します。日射量が多すぎると、植物プランクトンが光分解の犠牲になる可能性があります。植物プランクトンの細胞は、成長のために、川、大陸の風化、極の氷河の氷の融解水によって海に入る栄養素に依存しています。植物プランクトンは溶存有機炭素(DOC)を海洋に放出します。植物プランクトンは海洋食物網の基礎であるため、動物プランクトン、魚の幼生、その他の従属栄養生物の餌食となります。生物。それらはまた、細菌またはウイルス溶解によって分解される可能性があります。渦鞭毛藻などの一部の植物プランクトン細胞は垂直に移動できますが、それでも電流に逆らって積極的に移動することはできないため、ゆっくりと沈み、最終的には死んだ細胞やデトリタスで海底を肥沃にします。[15]
植物プランクトンはミネラルに決定的に依存しています。これらは主に硝酸塩、リン酸塩、ケイ酸などの主要栄養素であり、その利用可能性は、いわゆる生物ポンプと栄養豊富な深層水の湧昇との間のバランスによって左右されます。植物プランクトンの栄養素組成は、海面全体で一般的に利用可能な主要栄養素のレッドフィールド比によって促進されます。しかし、南極海などの海の広い領域で、植物プランクトンは微量栄養素の鉄の不足によって制限されています 。これにより、一部の科学者は、大気中の人間が生成した二酸化炭素(CO 2)の蓄積を打ち消す手段として鉄の施肥を提唱しています。[16]大規模な実験では、植物プランクトンの成長を促進し、大気中のCO 2を海洋に引き込むために、鉄(通常は硫酸鉄などの塩として)を海洋に追加しました。生態系の操作と鉄の施肥の効率についての論争は、そのような実験を遅らせました。[17]
植物プランクトンは生存のためにビタミンB群に依存しています。海の地域では、いくつかのビタミンB群、それに対応して植物プランクトンが大幅に不足していることが確認されています。[18]
植物プランクトンの世界人口に対する人為的温暖化の影響は、活発な研究分野です。水柱の垂直成層の変化、温度に依存する生物学的反応の速度、および栄養素の大気供給は、将来の植物プランクトンの生産性に重要な影響を与えると予想されます。[19] [20]
植物プランクトンの成長と群集構造に対する人為的海洋酸性化の影響もかなりの注目を集めています。円石藻などの植物プランクトンには、海洋酸性化に敏感な炭酸カルシウムの細胞壁が含まれています。それらの短い生成時間のために、証拠は、いくつかの植物プランクトンが急速な時間スケール(数ヶ月から数年)で二酸化炭素の増加によって引き起こされるpHの変化に適応できることを示唆しています。[21] [22]
植物プランクトンは水生食物網の基盤として機能し、すべての水生生物に不可欠な生態学的機能を提供します。人為的温暖化と海洋酸性化の将来の条件下では、動物プランクトンの放牧率の変化による植物プランクトンの死亡率の変化が重要になる可能性があります。[23]海にある多くの食物連鎖の1つは、リンクの数が少ないために注目に値するが、植物プランクトンがオキアミ(小さなエビに似た甲殻類)を維持し、それがヒゲクジラを維持していることです。
赤道太平洋地域のエルニーニョ南方振動(ENSO)サイクルは、植物プランクトンに影響を与える可能性があります。[24] ENSOサイクル中の生化学的および物理的変化は、植物プランクトン群集構造を変更します。[25]また、特にエルニーニョ期の間に、バイオマスと植物プランクトン密度の大幅な減少など、植物プランクトンの構造の変化が発生する可能性があります。[26]植物プランクトンが環境の変化に敏感であることが、河口および沿岸の生態学的条件と健康の指標として使用される理由です。[27]これらのイベントを研究するために、衛星の海の色の観測がこれらの変化を観測するために使用されます。衛星画像は、それらの世界的な分布をよりよく見るのに役立ちます。[28]
多様性
植物プランクトンという用語は、水生食物網に含まれるすべての光合成独立栄養微生物を含みます。ただし、ほとんどの独立栄養生物が植物である陸生コミュニティとは異なり、植物プランクトンは多様なグループであり、原生生物の真核生物と、真正細菌および古細菌の両方の原核生物が組み込まれています。海洋植物プランクトンには約5,000種の既知の種があります。[29]リソースが不足している(ニッチな差別化を制限している)にもかかわらず、そのような多様性がどのように進化したかは不明です。[30]
数の点では、植物プランクトンの最も重要なグループには、珪藻、シアノバクテリア、渦鞭毛藻が含まれますが、他の多くの藻類のグループが表されています。 1つのグループである円石藻は、(部分的に)かなりの量の硫化ジメチル(DMS)の大気中への放出に関与しています。 DMSは酸化されて硫酸塩を形成します。これは、周囲のエアロゾル粒子濃度が低い地域では、雲凝結核の集団に寄与し、主に雲量と雲アルベドの増加につながります。いわゆるCLAW仮説によると。[31] [32]さまざまな種類の植物プランクトンが、さまざまな生態系内のさまざまな栄養段階をサポートしています。貧栄養などの海洋領域サルガッソー海や南太平洋GYRE、植物プランクトンが呼び出され、小さなサイズのセルによって支配されるピコプランクトン及びnanoplankton(またpicoflagellatesとnanoflagellatesと呼ぶ)、大部分からなるシアノバクテリア(Prochlorococcus、シネココッカス)などpicoeucaryotes Micromonasとして。より生産的なエコシステム内で、湧昇または高い陸生投入量では、より大きな渦鞭毛藻がより優勢な植物プランクトンであり、バイオマスの大部分を反映します。[33]
成長戦略
20世紀初頭、アルフレッドC.レッドフィールドは、植物プランクトンの元素組成が深海の主要な溶存栄養素と類似していることを発見しました。[34]レッドフィールドは、植物プランクトンが再石灰化されると窒素とリンを放出するため、海洋における炭素、窒素、リンの比率(106:16:1)は植物プランクトンの要件によって制御されると提案した。植物プランクトンと海水の化学量論を説明する際のこのいわゆる「レッドフィールド比」は、海洋生態学、生物地球化学、植物プランクトンの進化を理解するための基本原理になっています。[35]ただし、レッドフィールド比は普遍的な値ではなく、外因性栄養素の供給[36]や、窒素固定、脱窒、嫌気性アンモニアなどの海洋における微生物代謝の変化により、発散する可能性があります。
単細胞藻類に示される動的化学量論は、内部プールに栄養素を貯蔵し、さまざまな栄養素を必要とする酵素間を移動し、浸透圧調節物質の組成を変化させる能力を反映しています。[37] [38]さまざまな細胞成分には、独自の化学量論特性があります[35]。たとえば、タンパク質やクロロフィルなどの資源(光または栄養素)取得機構には、高濃度の窒素が含まれていますが、リンは少なくなっています。一方、リボソームRNAなどの成長機構には、高濃度の窒素とリンが含まれています。
植物プランクトンは、資源の配分に基づいて、サバイバル、ブルーマー[39]、ジェネラリストの3つの異なる成長戦略に分類されます。サバイバリストの植物プランクトンは、N:Pの比率が高く(> 30)、希少な資源の下で成長を維持するための豊富な資源獲得機構を備えています。ブルーマー植物プランクトンは、N:P比が低く(<10)、成長機構を高い割合で含み、指数関数的成長に適応しています。ジェネラリストの植物プランクトンは、レッドフィールド比と同様のN:Pを持ち、比較的同等の資源獲得および成長機構を備えています。
存在量に影響を与える要因
NAAMES研究は科学者によって2015年と2019年の間で行われ、5年間の科学研究プログラムだったオレゴン州立大学とNASA海洋生態系における植物プランクトンの動態の調査側面に、そしてどのようなダイナミクスは影響大気エアロゾル、雲、そして気候(NAAMESの略北大西洋エアロゾルと海洋生態系の研究)。この研究は、地球最大の植物プランクトンのアオコの1つである北大西洋の亜北極圏に焦点を当てました。この場所での研究の長い歴史と、比較的アクセスしやすい場所により、北大西洋は一般的な科学的仮説をテストするのに理想的な場所になりました[40]。地球のエネルギー収支における植物プランクトンのエアロゾル放出の役割をよりよく理解するための努力において。[41]
NAAMESは、ブルーム形成のタイミングと年間ブルーム再作成を推進するパターンに関する議論を解決するために、年間植物プランクトンサイクルの特定のフェーズ(最小、クライマックス、および中間のバイオマスの減少と増加)を対象とするように設計されました。[41] NAAMESプロジェクトは、植物プランクトンのアオコが雲の形成と気候にどのように影響するかを理解するために、一次生産によって生成されるエアロゾルの量、サイズ、および組成も調査しました。[42]


生産性に影響を与える要因
植物プランクトンは、生物ポンプの主要なメディエーターです。環境条件の変化に植物プランクトンの応答を理解することは、COの将来の大気中濃度を予測するための前提条件である2。温度、放射照度、栄養素濃度は、CO 2とともに、植物プランクトンの生理機能と化学量論に影響を与える主要な環境要因です。[48]植物プランクトンの化学量論または元素組成は、栄養の質を決定し、海洋食物連鎖を通るエネルギーの流れに影響を与えるため、カイアシ類、魚、エビなどの二次生産者にとって最も重要です。[49]気候変動は、植物プランクトンの群集を大幅に再構築し、海洋食物網に連鎖的な結果をもたらし、それによって海洋内部に輸送される炭素の量を変化させる可能性があります。[50] [46]
右の図は、植物プランクトンの生産性に影響を与えるさまざまな環境要因の概要を示しています。これらの要因はすべて、地球規模の変化により、将来の海洋で大きな変化を遂げると予想されます。[51]地球温暖化シミュレーションは、海洋の気温上昇を予測します。海洋の成層、循環、雲量と海氷の劇的な変化により、海面への光の供給が増加します。また、水柱の成層化が進み、深層水から地表への栄養素の混合が減少するため、栄養素供給の減少は海洋の酸性化と温暖化と同時発生すると予測されています。[52] [46]
植物プランクトンの役割
右の図では、植物プランクトンの影響を受ける区画には、大気ガス組成、無機栄養素、微量元素フラックス、および生物学的プロセスによる有機物の移動と循環が含まれています。光合成で固定された炭素は急速にリサイクルされ、表層の海洋で再利用されますが、このバイオマスの特定の部分は沈下粒子として深海に輸出され、そこで再石灰化などの継続的な変換プロセスが行われます。[53]
人為的変化
海洋植物プランクトンは、世界の植物バイオマスのわずか1%にすぎないにもかかわらず、世界の光合成CO 2固定の半分(年間の純世界一次生産は約50 Pg C)と酸素生産の半分を実行します。[4]陸生植物と比較して、海洋植物プランクトンはより広い表面積に分布し、季節変動が少なく、樹木よりも著しく速い回転率を示します(数日対数十年)。[4]したがって、植物プランクトンは地球規模で気候変動に迅速に反応します。これらの特性は、炭素固定への植物プランクトンの寄与を評価し、摂動に応じてこの生産がどのように変化するかを予測する場合に重要です。一次生産性に対する気候変動の影響の予測は、ボトムアップ制御(たとえば、必須栄養素の利用可能性と垂直混合)とトップダウン制御(たとえば、放牧とウイルス)の両方の影響を受ける植物プランクトンのアオコサイクルによって複雑になります。[55] [4] [56] [57] [58] [59]太陽放射、温度、および地表水への淡水の入力の増加は、海洋の成層を強化し、その結果、深層水から地表水への栄養素の輸送を減らし、一次生産性を低下させます。[4] [59] [60]逆に、CO 2レベルの上昇は植物プランクトンの一次生産を増加させる可能性がありますが、それは栄養素が制限されていない場合に限られます。[61] [62] [63] [23]
いくつかの研究は、世界全体の海洋植物プランクトン密度が過去1世紀に減少したことを示していますが[64]、長期の植物プランクトンデータの利用可能性が限られていること、データ生成の方法論の違い、および植物プランクトンの生産。[65] [66] [67] [68]さらに、他の研究は、海洋植物プランクトン生産の世界的な増加[69]と、特定の地域または特定の植物プランクトングループの変化を示唆している。[70] [71]世界の海氷指数は低下しており[72]、より高い光透過率と潜在的により多くの一次生産につながっています。[73]ただし、変動する混合パターンと栄養素供給の変化の影響、および極域の生産性の傾向については、矛盾する予測があります。[59] [23]
植物プランクトンの生物多様性に対する人為的な気候変動の影響はよく理解されていません。温室効果ガスの排出量が2100年までに高レベルに上昇し続ける場合、一部の植物プランクトンモデルは種の豊富さの増加を予測します、または特定のエリア内の異なる種の数。プランクトンの多様性のこの増加は、海水温の上昇に起因しています。種の豊富さの変化に加えて、植物プランクトンが分布する場所は地球の極に向かってシフトすると予想されます。植物プランクトンは動物プランクトンによって消費され、動物プランクトンが漁業を維持するため、このような動きは生態系を混乱させる可能性があります。植物プランクトンの位置のこのシフトはまた、人間の活動によって放出された炭素を貯蔵する植物プランクトンの能力を低下させる可能性があります。植物プランクトンに対する人間の(人為的)変化は、自然と経済の両方のプロセスに影響を与えます。[74]
養殖
植物プランクトンは、水産養殖と海洋養殖の両方で重要な食品です。どちらも、飼育されている動物の餌として植物プランクトンを利用しています。海洋牧場では、植物プランクトンは自然に発生し、通常の海水循環で囲いの中に導入されます。水産養殖では、植物プランクトンを直接入手して導入する必要があります。プランクトンは、水域から収集することも、培養することもできますが、前者の方法はほとんど使用されません。植物プランクトンはワムシの生産のための食料源として使用され[75]、ワムシは他の生物に餌を与えるために使用されます。植物プランクトンは、アコヤガイやアコヤガイなど、さまざまな種類の水産養殖軟体動物の餌にも使用されています。 シャコガイ。 2018年の研究では、衛星からの海の色のデータを使用して、世界中の海洋全体の炭水化物、タンパク質、脂質の観点から天然植物プランクトンの栄養価を推定し[76]、植物プランクトンのカロリー値は、異なる海洋地域間および異なる一年の時間。[76] [77]
人工条件下での植物プランクトンの生産は、それ自体が水産養殖の一形態です。植物プランクトンは、他の養殖生物のfoodstockを含め、様々な目的のために培養された[75]捕虜のための栄養補助食品無脊椎動物で水槽を。養殖サイズは、1L未満の小規模な実験室養殖から、商業養殖用の数万リットルまでさまざまです。[75]培養物のサイズに関係なく、プランクトンの効率的な成長のために特定の条件を提供する必要があります。養殖プランクトンの大部分は海洋性であり、比重の海水1.010から1.026の培地を培地として使用することができます。この水は、培養物の生物学的汚染を防ぐために、通常はオートクレーブ内の高温または紫外線への曝露のいずれかによって滅菌する必要があります。プランクトンの成長を促進するために、さまざまな肥料が培地に添加されます。プランクトンを浮遊状態に保ち、光合成のために溶存二酸化炭素を供給するために、培養物を何らかの方法で曝気または攪拌する必要があります。一定の通気に加えて、ほとんどの培養物は定期的に手動で混合または攪拌されます。植物プランクトンの成長のために光を提供する必要があります。色温度 照明の量は約6,500Kである必要がありますが、4,000Kから20,000K以上の値が正常に使用されています。露光時間は1日約16時間です。これは最も効率的な人工日長です。[75]
も参照してください
- Algaculture -藻類の養殖を含む水産養殖
- AlgaeBase –種データベース
- バクテリオ プランクトン–水柱を漂うプランクトンのバクテリア成分
- 生物ポンプ –大気から海洋内部および海底への海洋の生物学的に駆動される炭素隔離
- CLAW仮説 –海洋生物相と気候をつなぐ仮説の負のフィードバックループ
- 臨界深度
- 深部クロロフィル極大
- 淡水植物プランクトン
- 鉄の施肥
- Microphyte(微細藻類)
- NAAMES
- 海洋酸性化
- プランクトンのパラドックス –少ない資源をめぐる競争にもかかわらず、プランクトンの多様性が高いことの生態学的観察
- 光合成ピコプランクトン
- ホワイティングイベント –水域での細粒炭酸カルシウム粒子の懸濁
- 薄層(海洋学)
参考文献
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外部リンク
- 透明度板と透明度板、植物プランクトンを研究する市民科学プロジェクト
- オーシャンドリフターズ、プランクトンのさまざまな役割についてデイビッドアッテンボローがナレーションした短編映画
- Plankton Chronicles、短編ドキュメンタリー映画と写真
- DMSと気候、NOAA
- Plankton * Net、プランクトン種の画像