九州大学 理学研究院 理学府 理学部

火山と共に生きる島

　硫黄島 (薩摩硫黄島、図1) は、鹿児島県 鹿児島郡 三島村にある火山島で、海底に潜む鬼界 “Kikai” カルデラ “caldera” ^[3]の縁に位置します。島の東側には、活発な火山活動を続ける硫黄岳 (標高 703m) がそびえており (図2)、かつてはこの火山活動によって生じた硫黄や珪石^[4]の採掘が行われていました。硫黄岳を構成する岩石 (流紋岩) の成分が溶け出すことで、島の東側の海水には乳白色の濁りが見られます。一方、長浜湾周辺の海水は、鉄を多く含んでいるために赤茶色に濁っています。この理由は、硫黄岳の地熱によって温められた地下水が、硫黄岳と長浜湾の中間に位置する稲村岳 (標高 236m) を構成する岩石 (玄武岩) の成分を取り込みながら長浜湾に流出しているためだと考えられています。

三島村・鬼界カルデラ ジオパーク

　このように「ジオ」^[5]にあふれ、地球の営みを感じることのできる硫黄島は、同じく鹿児島県 鹿児島郡 三島村の竹島・黒島とともに三島村・ “” 鬼界カルデラ “” ジオパーク “” (図3、図4) として、2015 年に日本ジオパークに認定されました (日本ジオパークネットワーク web サイト)。ジオパーク “geopark” とは、地球科学的な価値があり、地球を学んで楽しめる地域のことで、2022 年 6 月現在 46 地域が日本ジオパークの認定を受けています。

太古の海の模型としての長浜湾

　長浜湾の海水が赤茶色である理由は鉄が多く溶け込んでいるためでしたが、その詳細を調べることは、硫黄島を理解すること以上の意義があるかもしれません。実は、大昔 —— 恐竜の時代よりもはるかに大昔 —— 太古代という時代の海は、長浜湾の熱水のように鉄が多く溶け込んでいたのではないかと言われています。その後、約 27 億年前 (太古代の後期) に光合成を行うシアノバクテリア “cyanobacteria” が大繁栄し、それ以前の大気や海洋にはあまりなかった酸素が急激に増加しました。この海中の酸素濃度の増加が原因で、それまで還元的だった海にたくさん溶け込んでいた鉄が一気に酸化して沈殿し^[6]、大規模な鉄鉱層が形成したと考えられています。

　しかし、あらゆる鉄鉱層が上記のような無機的なシナリオだけで形成したとは言えません。例えば、鉄酸化 “iron-oxidizing” バクテリア “bacteria” が関与して鉄鉱層を形成した可能性も指摘されています。このバクテリアは、鉄を酸化することでエネルギーを取り出し、老廃物として鉄の水酸化物を排出します。この鉄酸化バクテリアの「ふん」(図5) が鉄鉱層形成に一役買っているかもしれません。そこで、倉冨さんらは現世で今まさに鉄の沈殿が生じている長浜湾の堆積システムを調べることで、十分に理解されていない太古の鉄鉱層形成の場を推定しようと考えました。

鉄が豊富にある熱水環境は硫黄島以外にもありますが、それらは深海底であることが多くアクセスが困難で詳細な検討が難しい。浅海熱水域の中で硫黄島は圧倒的に鉄の濃度が高いので、鉄鉱層の形成を研究するにはもってこいの場所です (倉冨 & 清川, 2015)。

研究の基本は「観察」

　清川准教授の研究室では、観察を重要視しているそうです。実際に長浜湾に潜ってみると、海底には熱水が湧き出るチムニー “chimney” という煙突状の構造が多数あることがわかりました (図6)。このチムニーの一部を採取し、X 線 CT スキャンを撮ったものが 図7 です。これらの観察から、チムニーは黒っぽくて硬めの殻のようなもの (以下では「ハード層」と呼ぶ) が幾重にも重なった構造をしており、下から上に積み重なって大きくなっていることがわかりました。この「ハード層」の隙間には、泥っぽい物質 (「ソフト層」と呼ぶ) が満たされています。また、「ソフト層」には枝分かれした細い熱水の通り道がたくさんあることもわかりました。

まずは観察と記載、と口酸っぱく言われました。そこから仮説を立てて、それを立証するために化学分析などを行いました。

　さらに、走査型電子顕微鏡 (SEM, Scanning Electron Microscope)^[7]による観察と薄片観察^[8]から、「ソフト層」の部分に鉄酸化バクテリアの活動の痕跡が見つかりました (図8)^[9]。一方「ハード層」では、「ソフト層」に見られた構造が核となって、生物活動とは関係のない無機的に生じた鉄の水酸化物で覆われた様子が観察されます。このことから、「ソフト層」は主に鉄酸化バクテリアによってつくられ、「ハード層」は熱水の供給が中断したことなどが原因で微生物の活動が停止して形成したと考えることができます。すなわち、長浜湾の鉄鉱層形成には有機的・無機的反応の両方が関わっていることになります。

今回のチムニーのような柔らかい試料の薄片を作成するのは大変でした。そのまま乾燥させると乾裂して構造が壊れてしまうため、有機溶媒を用いて中の水分を置換する必要があります。それを樹脂で固定して慎重に削ることでようやく1枚の薄片が完成です。

この研究を始めた頃は、微生物の活動が長浜湾の鉄鉱層形成に関係しているとは想定していませんでした。研究を進めていくにつれ、無機的な反応だけで形成したと説明するのは難しいことが分かり、鉄酸化バクテリアの関与を視野にいれる必要が出てきました。そして、海洋研究開発機構 高知コア研究所の星野さんとの共同研究がスタートしました。

　また、海水の水質測定からも、長浜湾では無機的な反応だけでなく、鉄酸化バクテリアによる鉄鉱層形成が可能であることが裏付けされました (図9左、中)。一方で、長浜湾の海水の濁りの大部分は、無機的な反応による沈殿物が浮遊しているためであることも確認されました (図9右)。この濁りをつくる鉄水酸化物もまた、少しずつ海底に堆積し、鉄鉱層形成に助力しています。もしかすると、このような生物活動と無機的な反応の共存が太古の海でも起こり、その名残が私たちの生活を支える鉄資源になっているのかもしれません。

硫黄島での調査

　倉冨さんは学生時代、年に数回の頻度で硫黄島に出向き調査を行っていたそうです。その調査の様子をお話していただきました。

　長浜湾の港にはコンテナを利用した機材置き場があり、研究室のメンバーは「第一研究所」と呼んでいたそうです (図10左)。ここを拠点として、湾の調査する地点に手漕ぎボートで向かいます (図10右)。研究にはたくさんの方が関わり、さまざまな装置を使って行われました (図11)。また、島の旅館には泊まらず、あえてテントを張って寝泊まりするのが、当時の清川研究室 流の調査のやり方でした (図12)。

清川先生はどんなところでも学生数人分 (クラスの巡検では数十人分！？) のご飯はあっという間に作ってしまいます。それも朝昼晩。味は言うまでもなく美味しく、調査中の方が太ってしまいます。