海洋酸性化により小魚の聴力が低下する可能性

2021年3月12日午前8時

炭素を多く含む水の中で育つと、内耳が不調になり、幼魚がサンゴ礁までたどり着けなくなる可能性があります。これは問題となる可能性があります。

クレイグ・ラドフォードの指の間には、身動きが取れない魚が横たわっていた。数週間前のオーストラリア産フエダイは、小指の爪ほどの長さしかなく、小さなホッチキスで固定された粘土板の上に平らに置かれていた。「まるで救急車のベッドに縛り付けられて固定されているみたい」とラドフォードは言う。彼は魚の頭に小さな電極を貼り付け、水槽に沈めて水中スピーカーのスイッチを入れた。いよいよ聴力検査の時間だ。

「実際に頭を水中に入れて、時間をかけて耳を澄ませば、驚くほどの音が聞こえてくるはずです」とラドフォード氏は言う。「クジラから魚、甲殻類まで、音は実に様々な生物の生命戦略において重要な役割を果たしているのです。」

しかし、ラドフォードの実験は、魚にとって世界の音がどんな音なのかという好奇心から始まったわけではありません。彼は、魚がどれほどよく聞こえるのかを心配していたのです。

地球の海に潜む生命体は、人間の地上での活動に大きく依存しています。各国が地中から採掘、伐採、吸い上げてきた炭素を豊富に含む燃料を私たちが燃やした後、それらは二酸化炭素などの汚染物質として大気中に放出されます。大気中の二酸化炭素_{濃度が増加すると、海水中の二酸化炭素}_濃度も増加し、動植物の生息地が酸性化します。場合によっては、その影響は直感的に理解できるものもあります。酸性化した海は、サンゴ礁とその周囲に生息する共生微生物を腐食させるのです。しかし、そうでない影響もあり、ラドフォード氏と彼のチームは奇妙な例を発見しました。二酸化炭素_濃度が魚の内耳に変化をもたらし、難聴につながる可能性があるのです。

ニュージーランドのオークランド大学とオーストラリアのジェームズ・クック大学の研究チームは、新たな研究で、神経電極とマイクロCTスキャナーを用いて、酸性度の高い海で幼生が成長する際にサンゴ礁に生息する魚の聴覚に何が起こるかを示す最初の証拠を測定した。その結果、オーストラリア産フエダイの幼生は音に対する感度が約10分の1になる可能性があることが判明した。これは、聴覚を頼りに帰巣する魚にとって致命的な打撃となる可能性がある。この研究結果は、大気変動の連鎖反応の驚くべき例を浮き彫りにしている。この研究は先週、英国王立協会紀要（Proceedings of the Royal Society B）に掲載された。

「魚が聞こえない、嗅覚がない、あるいは正しく行動できないというのは、直感的に理解できないことです」と、コンコルディア大学アーバイン校海洋研究所の生物学者ショーン・ビニャミ氏は語る。同氏は今回の研究には関わっていない。ビニャミ氏は酸性化が海洋生物に及ぼす影響を研究しており、博士論文では魚の内耳を研究した。「非常に興味深い研究結果だと思います」と、同氏は今回の研究結果について述べている。

サンゴ礁に生息する魚の多くは、実際には外洋で孵化し、幼魚は住み処となるサンゴ礁まで泳いで戻らなければならないとラドフォード氏は言う。「多くの研究で、音が帰路を見つけるための方向感覚の手がかりであることが示されています」と彼は言う。この聴覚を阻害することは、種の存続を脅かす可能性がある。

空気呼吸をする海洋生物の行動が、ヒレを持つ仲間である私たちの仲間にどのような影響を与えているかを研究する海洋生態学者にとって、音は大きな懸念事項です。海水温の上昇により、テナガエビのパチパチという音が大きく響き、水中の仲間にとって騒音の妨げとなっています。2月にサイエンス誌に掲載された、ラドフォード氏も共著者である膨大なレビュー論文は、人間の騒音が海洋生物にとって耐え難い「音の風景」を作り出していると結論付けています。例えば、騒音公害はクジラの鳴き声をかき消し、社会化や交尾を困難にしています。

オーストラリアフエダイを含む魚類は、音を使ってコミュニケーション、繁殖、そして方向感覚を得ています。中には、交尾相手を引き付けたり、卵子と精子の放出を同期させたりするために音を使う魚もいます。また、稚魚の中には、生息に適したサンゴ礁を見つけるために音を使う魚もいます。

海洋酸性化は魚類の解剖学的構造を通して問題を引き起こします。過去12年間に蓄積された研究によると、魚の「耳」を構成する硬い石である耳石は、幼生が酸性度の高い水域で成長すると異常に大きくなることが示されています。ビニャミ氏と共著者による以前の研究では、これが聴力を改善すると予測されていました。しかし、モデルの精度はデータによって決まり、データは限られていました。そこでラドフォード氏の研究チームは、魚における実際の神経学的影響を検証したいと考えました。「耳の機能に関して、それが何を意味するのか？」とラドフォード氏は言います。「私たちには全く分かりませんでした。」

その謎を解くことは、感覚生理学、特に聴覚を専門とするラドフォード氏を魅了した。空気や水、あるいは上の階の隣人とを隔てる乾式壁の層を介してであっても、音は振動する粒子が互いに前後に押し合うことで伝わる。粒子は元の音と同じ周波数で互いにぶつかり合う。受信側では、その粒子が鼓膜にぶつかり、最大の打撃音と最小の打撃音の間を振動する。つまり高圧と低圧だ。私たちが音をこの圧力波と考えるのは、それが私たちの聞き方であり、スピーカーやマイクの機能でもあるからだ。私たちの耳では、圧力波が小さな骨を揺さぶり、蝸牛内の液体を振動させて神経を発火させる。魚の内耳は異なる。「基本的には加速度計として機能している」とラドフォード氏は言う。魚の耳石は圧力波を感知するのではなく、粒子の動きを感知する。

魚の体は海水とほぼ同じ密度ですが、耳石の密度は3～4倍です。泳いでいる魚に音が当たると、魚の体はそれに合わせて動きます。「密度の高い耳石は音に遅れて反応します」とラドフォード氏は言います。魚の脳は耳石と体の間の遅れを計測し、その感覚入力を音として認識します。

ラドフォードのチームは、海洋酸性化が耳石を変形させることから、聴力にも変化をもたらす可能性があると考えた。彼らはオーストラリアフエダイの卵を採取し、仔魚が孵化してから21日後に試験を開始した。酸性化の影響を解明するため、10匹の仔魚を通常のCO2濃度に、もう10匹を高濃度CO2に曝露した_。 42_日後、仔魚はすべて稚魚へと成長した。ラドフォードは次に、それぞれの条件下で耳石がどのように発達し、それが聴力にどのような影響を与えるかを測定したいと考えた。

骨や石は通常のCTスキャンで鮮明に映し出され、研究室には小さな生物を観察できるほどの解像度を持つ「マイクロ」CTスキャナーさえあります。しかし、今回採取した耳石は、もともと小さな魚の体内にある小さな石でした。鮮明な画像を撮影するために、この小さな部品を安定させるため、ラドフォード氏のチームは工夫を凝らしました。ストローを使うのです。「基本的に、魚をストローに入れ、両端を発泡スチロールで覆いました」と彼は言います。発泡スチロールを詰めた小さなチューブが稚魚を固定し、測定値を歪ませる空気を遮断しました。

予想通り、高濃度の二酸化炭素にさらされた魚の耳石はわずかに大きくなっていました。ラドフォード氏は驚きませんでした。「さらに重要なのは、左右の耳石の対称性が異なっていたことです」と彼は付け加えます。

魚や人間のような左右非対称の動物にとって、左右対称であることは極めて重要です。「人の顔を見ればわかるように、ほとんどの人は左右対称で、左側が右側と一致しています。これは人間の感覚器官でも同じです」とラドフォード氏は言います。魚の脳は、左右対称の解剖学的構造を頼りに、生の音から聴覚を知覚します。この対称性が失われると、脳の計算が変わり、魚の聴覚は鈍くなります。「耳石の形が異なれば、片方がもう片方とは異なるものを感知することになり、音源定位が難しくなります」とラドフォード氏は言います。片方の耳に水が詰まってバランスを崩したことがある人は、似たような経験をしたことがあるはずです。

ラドフォード氏のチームは、海洋酸性化が聴覚をどの程度弱めるかを実際に測定しました。ラドフォード氏は、粘土の中に固定された魚の脳幹のすぐ近くに、微小なセンサーを設置しました。そして、魚を水槽に戻した後、研究者たちは音を鳴らし、「聴覚誘発電位」（脳が受け取る電気信号）を測定したのです。

「低周波の聴力が低下していることがわかりました」とラドフォード氏は言う。80ヘルツから200ヘルツの周波数では、聴覚感度が約10デシベル低下した。ほとんどの鳴き声を出す魚は、100ヘルツから300ヘルツの周波数、つまり低い「ハミング」から軽い「ウー」という音まで、コミュニケーションをとる。そして、デシベルは対数スケールで表す。つまり、10デシベルの低下は10分の1の減少を意味する。「特に魚にとって、これらの低周波が聞こえないのは悪い知らせです」とラドフォード氏は言う。

ビニャミ氏は、モデルを覆す新たな研究結果を冷静に受け止めている。彼のモデルが示したように、耳石が大きくなれば聴覚はより敏感になるはずだが、左右の耳石の非対称性による驚くべき寄与の方がはるかに重要であることが判明した。「幼魚の神経信号を実際に測定するのは非常に困難です」と彼は新たな研究について語る。「非常に説得力があります。彼らはここで非常に明確な変化を観察しているのです。」

魚類の行動への最終的な影響は、耳石の過成長、解剖学的構造の非対称性、そして神経化学的影響の組み合わせによって生じます。海洋酸性化により、一部の魚類の脳は衝動的な行動を制御する神経伝達物質に対する感受性が低下します。（ある研究では、酸性化した水域で育った幼生が捕食者の匂いに向かって泳ぎ回ったことが示されています。）

「これは、非常に重要なライフステージにおける関係性を検討しているという点を見逃すべきではありません」と、海洋科学者で現在は環境コンサルティング会社に勤務するサラ・シェンは言う。シェンは今回の研究には関わっていない。シェンの以前の研究は、魚の幼生にとって敏感な移行期において、耳石の大きさと前庭眼反射と呼ばれる一種のバランスとの関連性を示している。ラドフォードが選んだ時期は、幼生がサンゴ礁に定着する時期であり、個体群維持にとって非常に重要である。「これは本当に素晴らしい研究です」と彼女は言う。

では、この実験は気候変動がサンゴ礁の魚にどのような影響を与えているのかを示唆しているのでしょうか？水中の溶存二酸化炭素濃度が450マイクロ気圧から1,000マイクロ気圧へと120%増加した環境にさらされた魚では、聴力が10分の1に低下しました。二酸化炭素は溶存ガスであるため_、この値は空の容器内での圧力を表しており、100万マイクロ気圧は通常の大気圧に相当します。表層水の平均濃度がこれほど急激に上昇することは今後数年間はないでしょうが、二酸化炭素_排出量がこのまま減少し続けた場合の長期的な傾向と合致すると考えられます。

しかし、酸性化が軽度であれば、聴力の低下は小さくても重大な影響を及ぼします。聴覚を失った幼魚は、外洋で孵化した後、回遊する際にサンゴ礁を見つけるのに苦労する可能性があります。定着できなければ、生存も産卵もできません。そして、これらの魚はサンゴ礁の維持に重要な役割を果たしています。例えば、サンゴ礁に生息する捕食性の魚は草食動物を捕食し、その草食動物が藻類の増殖を抑制します。繁殖しすぎた藻類はサンゴを覆い尽くします。サンゴは死滅し、侵食されます。魚の隠れ家や産卵場所も、サンゴとともに消滅します。「その生態系は消滅してしまうのです」と、香港大学の海洋生物学者で、今回の研究には関わっていないイヴォンヌ・サドビー氏は言います。

サドヴィ氏はサンゴ礁の生命を活気あふれる都市に例える。「そこには、様々な種が共存し、互いに依存し合うという、驚くべきバランスが存在します」と彼女は言う。「混沌としているように見えますが、実際はそうではありません。あらゆるもの、あらゆる人がそれぞれの場所と役割を持ち、都市の機能の一部を担っています。もしこれらの機能の一部、例えばバスや電車をすべてなくしてしまったら、都市の他の側面の機能にも影響が及ぶでしょう。」

多くの経済的発展途上国の人々も、食料と生計をサンゴ礁に依存しています。例えば、モルディブの人々は、食事中の動物性タンパク質の77%をサンゴ礁に生息する魚類から摂取しています。これらの海洋環境は、サンゴの侵食や乱獲によって既に圧力にさらされており、聴覚障害はサンゴ礁に生息する魚類の個体群にとって事態をさらに悪化させています。

サドビー氏は、サンゴ礁に生息する魚類とその漁業がいかに重要であるかを人々が必ずしも認識していないと指摘する。彼女は2019年に報告書を発表し、サンゴ礁に生息する魚類が自然資源としていかに過小評価されているかを詳述し、政府による魚類の維持管理のレジリエンス（回復力）向上を求めている。「熱帯および亜熱帯の小規模コミュニティにおける漁業は、何百万人もの人々を支えています」とサドビー氏は語る。「経済的価値も、食糧的価値も、そして生計と地域社会を支えるという点でも、水産物は計り知れないほど大きな価値を持っています。」

もちろん、実験室での実験は野生での実験とは異なります。ビニャミ氏は、種は世代を超えて適応できると指摘します。「野生でどのように展開するかについて、過度に自信を持った結論を出すことはできません」と彼は言います。

それでも、こうした影響が起こり得るという事実自体を知る価値があるとサドビー氏は言う。「多くの人は、海は広大で、私たちはとても小さいので、生物や海そのものに大きな影響を与えるなんてありえないと思っているかもしれません」とサドビー氏は言う。「しかし実際には、私たちはそうした影響を与えているのです。本当にそうなのです。私たちはそれを知っています。」

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