[論文レビュー] Nutrient Supply to Planetary Biospheres from Anoxic Weathering of Mafic Oceanic Crust

Drew D. Syverson, Christopher T. Reinhard+7 more|arXiv (Cornell University)|Feb 18, 2020

Paleontology and Stratigraphy of Fossils参考文献 64被引用数 44

ひとこと要約

本研究は、酸素非存在下でのマグマ性海洋プレートの風化が、顕著な生物利用可能なリンを放出することを示しており、その移動度比（∑PO₄³⁻/∑CO₂）は3.99 ± 1.03 µmol mmol⁻¹であり、現代の河川と同等である。これは、大陸風化が生物利用可能なリンの唯一の供給源であるという長年の仮定に反するものであり、大陸が存在しない海洋世界の系外惑星でも、検出可能な大気バイオシグネチャーを生成できる強固な生物圏が維持可能である可能性を示唆する。

ABSTRACT

Phosphorus is an essential element for life, and the phosphorous cycle is widely believed to be a key factor limiting the extent of Earth's biosphere and its impact on remotely detectable features of Earth's atmospheric chemistry. Continental weathering is conventionally considered to be the only source of bioavailable phosphorus to the marine biosphere, with submarine hydrothermal processes acting as a phosphorus sink. Here, we use a novel 29Si tracer technique to demonstrate that alteration of submarine basalt under anoxic conditions leads to significant soluble phosphorus release, with an estimated ratio between phosphorus release and CO2 consumption (P/CO2) of 3.99+/-1.03 umol/mmol. This ratio is comparable to that of modern rivers, suggesting that submarine weathering under anoxic conditions is potentially a significant source of bioavailable phosphorus to planetary oceans and that volatile-rich Earth-like planets lacking exposed continents could develop robust biospheres capable of sustaining remotely detectable atmospheric biosignatures.

研究の動機と目的

• 酸素非存在下での海底玄武岩風化が、生物利用可能なリンを放出するかどうかを検証し、大陸風化が唯一の顕著なリン供給源であるという仮定に挑戦すること。
• 新規の²⁹Siトレーサー技術を用いて、酸素非存在下の玄武岩風化におけるリン放出量とCO₂消費量の比を定量化すること。
• 初期地球および露出された大陸が存在しない生命可能性のある系外惑星における、このプロセスの生物地球化学的意味を評価すること。
• この風化が、地上の陸上が存在しない状況でも、顕著な生物圏酸素放出量を維持できる可能性を評価すること。
• 酸素非存在下の海底リン放出を主要プロセスとして組み込むことで、既存の惑星酸化還元進化およびバイオシグネチャー可能性のモデルを再評価すること。

提案手法

• ²⁹SiO₂を豊富に含むトレーサーを用い、酸素非存在下海水実験において、一次ケイ酸塩鉱物の溶解度とPO₄³⁻の移動度を直接関連付ける。
• 初期地球の条件を模倣するため、15–75°Cで新鮮なおよび還元的前処理を施した中洋海嶺玄武岩（MORB）を用いた制御された実験室実験を実施。
• 時間経過に伴うSi、P、Fe、その他の陽イオンの溶解度をICP-MSおよびpH電極測定を用いて追跡し、リンの放出量およびCO₂消費量の正確な計算を可能にする。
• 同期放射線X線蛍光（SXRF）およびXANES画像解析を用いて、反応した玄武岩内のFeの化学状態とPの分布を同定し、Fe²⁺の酸化とPの移動度が確認された。
• 時間経過データの線形回帰を用いて∑PO₄³⁻/∑CO₂の移動度比を算出し、リン放出効率の重要な定量的推定値を得た。
• 単純な質量バランスモデルを用い、リン放出に基づいて全球的な生物圏酸素放出量を推定した。ここでは、50%の捕集効率とC/P埋蔵比300を仮定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 酸素非存在下のマグマ性海洋プレート風化は、大陸風化と同等の速度で生物利用可能なリンを放出できるか？
• RQ2 初期地球に類似した条件下で、酸素非存在下の玄武岩風化におけるリン放出量とCO₂消費量の定量的比は何か？
• RQ3 このプロセスは、露出された大陸が存在しない海洋に覆われた系外惑星におけるバイオシグネチャーガス生成の可能性にどのように影響するか？
• RQ4 Fe²⁺の酸化は、酸素非存在下の海洋系におけるPの移動度と捕集にどのような影響を及ぼすか？
• RQ5 このメカニズムは、陸上惑星の長期的酸化還元進化およびバイオシグネチャーの持続可能性に関する我々の理解をどのように変えるか？

主な発見

• 酸素非存在下の海底玄武岩風化は、CO₂消費量1 mmolあたり3.99 ± 1.03 µmolの生物利用可能なリンを放出し、現代の河川からの供給と同等の速度である。
• Fe³⁺酸化物を除去する前処理を行っても、このリン放出比が維持されることから、リンは表面酸化物ではなく一次ケイ酸塩鉱物から供給されていることが示された。
• 時間経過データから、溶解したFe²⁺およびPO₄³⁻の濃度が進行的に増加することが確認され、酸素非存在下の玄武岩風化において両者の共通放出が生じていることが裏付けられた。
• 複数回の実験で移動度比が一貫しており、酸素非存在下でも、リンの移動度が安定的かつ再現可能であることが示された。
• モデル計算によると、このような風化が、地球の現代レベルに相当またはそれを上回る約10 Tmol y⁻¹の生物圏酸素放出量を維持できる可能性がある。
• これらの結果は、大陸が存在しないバニラ・リッチで海洋に覆われた系外惑星でも、海底リン放出によってバイオシグネチャーを生成する生物圏が維持可能である可能性を示唆する。