原生代中期(17から14億年前)の海洋の酸化還元状態と微生物活動の解明

2014 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 26400484
• Research Institution: Tokyo Institute of Technology
• Principal Investigator: 吉屋 一美 東京工業大学, 地球生命研究所, Affiliated Scientist (00636897)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 澤木 佑介 東京工業大学, 理工学研究科, 助教 (00635063) ; 西澤 学 国立研究開発法人海洋研究開発機構, 海洋地球生命史研究分野, 研究員 (60447539)
• Project Period (FY): 2014-04-01 – 2017-03-31
• Keywords: 黄鉄鉱 / 鉄同位体比局所分析 / 中期原生代 / 窒素同位体比 / オーストラリア北部準州 / 炭素同位体比

Outline of Annual Research Achievements

原生代中期の海洋の酸化還元状態を解明することは、微生物から多細胞生物への生命進化を知る上で非常に重要である。この時代の深海は、長期に渡り嫌気的で鉄に枯渇したsulfidic な状態が続いたとされているが、その証拠は乏しく、定量性はもちろん、その存在さえ未解明である。生命進化の鍵となる海洋の酸素濃度の変化は、遷移金属元素などの微量元素の組成に反映される。中でも鉄は、酸素濃度の変化に敏感な元素であり、炭素・窒素と共に生物の必須元素の一つである。本研究では、原生代中期の堆積岩に含まれる個々の黄鉄鉱の鉄同位体比を測定することで当時の海洋の酸化還元状態を解明し、海洋が長期的に sulfidic であったかどうかを検証する。また、全岩の炭素・窒素同位体比を分析することで、その海洋環境における微生物活動の変動を検証する。
平成２６年度は、オーストラリア地質調査所で採取済みの海洋深部および中深部の掘削試料を使用して、黄鉄鉱の鉄同位体比の局所分析と有機窒素・炭素同位体比の測定を行い、分析結果を得た。岩相から推定した海洋の深度と、黄鉄鉱の鉄同位体比の結果を組み合わせて鉄同位体比の分布の違いをみると、少なくとも１７－１６億年前の海洋深部は太古代と同様に二価鉄に富むferruginousな状態であったことが示唆される結果となり、長期に渡ってsulfidicな状態が継続したわけではないと推定された。また、海洋深部と中深部の窒素同位体比の違いから浅海部分は安定して酸化的な状態であったことが示唆された。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

平成２６年度の前半は、すでに入手済みの中期原生代の海洋深部の掘削試料、９９試料を使用して黄鉄鉱の局所鉄同位体分析用の岩石薄片の作成と鉄同位体比の測定および解析を行った。また、これらの掘削試料の全岩の窒素・炭素同位体比の測定用に岩石粉末を作成し、酸処理を行い、ＪＡＭＳＴＥＣの分担研究者のもとで全岩の窒素・炭素同位体比の測定を行った。掘削試料の鉄同位体比と窒素同位体比の測定については、ひととおりの分析は終了し、議論に必要なデータの取得も順調に進展している。現在は、鉄同位体比と窒素同位体比の結果を用いて当時の海洋の酸化還元状態についての議論を進めているところであり、この結果から論文を作成し、国際学術雑誌に投稿する予定である。
当初、平成２６年度に予定していた北オーストラリアにおける地質調査は該当地域の調査可能時期にメンバーの予定を合わせることができず実現できなかったが、平成２７年度に実施する予定である。詳細については次の項目で記述する。

Strategy for Future Research Activity

これまでの結果に環境の炭素同位体比の指標である無機炭素同位体比の測定を加えることで有機炭素同位体比の結果から当時に微生物活動についての議論を行うことができる。無機炭素同位体比の測定は平成２７年度の前半に行う予定である。
平成２７年度に行う最も大きな研究内容はオーストラリアにおける地質調査である。平成２６年度は北オーストラリアで調査可能な６月上旬から９月末の間に調査メンバーの予定を合わせることができず、平成２７年度に延期することとなった。そのため、平成２６年度に残額が発生し、平成２７年度に繰越しを行った。地質調査と１７－１４億年前の浅海堆積物岩石採取は、平成２７年度以降の６月下旬から７月中旬にかけてオーストラリア北部準州、マッカーサー盆で行う予定である。採取した岩石は船便で日本に輸送する。
研究遂行上の課題：オーストラリア北部準州での地質調査はアボリジニ居住区や国立公園など、岩石採取が困難な場所が多い。現在、４か所の調査地点を選出し、調査地に対する情報収集および許可の申請を行っているが、すべての地点で調査を行えるかどうか不確定であるため、掘削試料を入手することで補足する予定である。
平成２７年度に入手した岩石が到着した後は、岩石薄片の作成や岩石粉末を作成して、これまでに分析した掘削試料と同様の手順で鉄、窒素および炭素同位体比の測定を行い、深度を考慮した海洋の酸化還元状態の推定を行う。

Causes of Carryover

平成２６度は地質調査を行うメンバーの予定を合わせることができなかったため、北オーストラリアにおける地質調査を平成２７年度に延期した。繰越額が生じたのはそのためである。予定していた地質調査は平成２７年度の６月下旬から７月上旬にかけて行う予定である。

Expenditure Plan for Carryover Budget

オーストラリア地質調査所にはこれまで学術的、資源探査などの目的で掘削された掘削試料が保管されており、研究目的が適切と判断された場合は、試料を入手して測定を行うことができる。今回の調査では露頭の岩石だけでなく、この掘削試料を入手することも計画している。そのために必要な費用（渡航費、宿泊費、レンタカー使用料、地質調査所の施設利用費、試料の輸送費など）は、平成２６年度の繰り越しと平成２７年度の予算の一部を充当する予定である。

Research Products

• [Journal Article] In-situ iron isotope analysis of pyrites in ~3.7 Ga sedimentary protoliths (2015)
  • Author(s): Yoshiya, K., Sawaki, Y., Hirata, T., Maruyama, S., Komiya, T.,
  • Journal Title: Chemical Geology Volume: 401 Pages: 126-139
  • DOI: doi.org/10.1016/j.chemgeo.2015.02.022
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] In-situ iron isotope analyses of pyrites from 3.5 to 3.2 Ga sedimentary rocks of the Barberton Greenstone Belt, Kaapvaal Craton (2015)
  • Author(s): Yoshiya, K., Sawaki, Y., Shibuya, Yamamoto, S., Komiya, T., Hirata, T., Maruyama, S.
  • Journal Title: Chemical Geology Volume: 403 Pages: 58-73
  • DOI: doi.org/10.1016/j.chemgeo.2015.03.007
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Three-step modernization of the ocean: Modeling of carbon cycles and the revolution of ecological systems in the Ediacaran/Cambrian periods. (2015)
  • Author(s): Tahata, M., Y. Sawaki, Ueno, Y., Nishizawa, M., Yoshida, N., Ebisuzaki, T., Komiya, T., Maruyama, S.
  • Journal Title: Geoscience Frontiers Volume: 6 Pages: 121-136
  • DOI: doi:10.1016/j.gsf.2014.05.005
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] The anomalous Ca cycle in the Ediacaran ocean: evidence from Ca isotopes preserved in carbonates in the Three Gorges area, South China (2014)
  • Author(s): Sawaki, Y., Tahata, M., Ohno, T., Komiya, T., Hirata, T., Maruyama, S., Han, J., Shu, D.
  • Journal Title: Gondwana Research Volume: 25 Pages: 1070-1089
  • DOI: doi:10.1016/j.gr.2013.03.008
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Initiation of leaking Earth: An ultimate trigger of the Cambrian explosion (2014)
  • Author(s): Maruyama, S., Sawaki, Y., Ebisuzaki, T., Ikoma, M., Omori, S., Komabayashi, T.
  • Journal Title: Gondwana Research Volume: 25 Pages: 910-944
  • DOI: doi:10.1016/j.gr.2013.03.012
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] The Cambrian Explosion: Plume-driven birth of the second ecosystem on Earth (2014)
  • Author(s): Santosh, M., Maruyama, S., Sawaki, Y., Meert, J. G.
  • Journal Title: Gondwana Research Volume: 25 Pages: 945-965
  • DOI: doi:10.1016/j.gr.2013.03.013
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] New chronological constraints for Cryogenian to Cambrian rocks in the Three Gorges, Weng’an and Chengjiang areas, South China (2014)
  • Author(s): Okada, Y., Sawaki, Y., Komiya, T., Hirata, T., Takahata, N., Sano, Y., Han, J., Maruyama, S.
  • Journal Title: Gondwana Research Volume: 25 Pages: 1027-1044
  • DOI: doi:10.1016/j.gr.2013.05.001
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Nitrogen isotope chemostratigraphy of the Ediacaran and Early Cambrian platform sequence at Three Gorges, South China (2014)
  • Author(s): Kikumoto, R., Tahata, M., Nishizawa, M., Sawaki, Y., Maruyama, S., Komiya, T., Takai, K., Ueno, Y.
  • Journal Title: Gondwana Research Volume: 25 Pages: 1057-1069
  • DOI: doi:10.1016/j.gr.2013.06.002
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] In-situ analyses of phosphorus contents of carbonate minerals: Reconstruction of phosphorus contents of seawater from the Ediacaran to early Cambrian (2014)
  • Author(s): Shimura, T., Kon, Y., Sawaki, Y., Hirata, T., Han, J., Shu, D., Komiya, T.
  • Journal Title: Gondwana Research Volume: 25 Pages: 1090-1107
  • DOI: doi:10.1016/j.gr.2013.08.001
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Zircon U–Pb dating from the mafic enclaves in the Tanzawa Tonalitic Pluton, Japan: Implications for arc history and formation age of the lower-crust (2014)
  • Author(s): Suzuki, K., Yamamoto, S., Sawaki, Y., Aoki, K., Omori, S., Kon, Y., Hirata, T., Li, Y., Takaya, Y., Fujinaga, K., Kato, Y., Maruyama, S.
  • Journal Title: Lithos Volume: 196-197 Pages: 301-320
  • DOI: doi:10.1016/j.lithos.2014.02.010
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Accreted Kula plate fragment at 94Ma in the Yokonami-Melange, Shimanto-Belt, Shikoku, Japan (2014)
  • Author(s): Saito, T., Okada, Y., Fujisaki, W., Sawaki, Y., Sakata, S., Dohm, J., Maruyama, S., Hirata, T.
  • Journal Title: Tectonophysics Volume: 623 (2) Pages: 136-146
  • DOI: doi:10.1016/j.tecto.2014.03.026
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Physiological and isotopic characteristics of nitrogen fixation by hyperthermophilic methanogens: Key insights into nitrogen anabolism of the microbial communities in (2014)
  • Author(s): Nishizawa, M., Miyazaki, J., Makabe, A., Koba, K., Takai, K.
  • Journal Title: Geochimica et Cosmochimica Acta Volume: 138 Pages: 117-135
  • DOI: doi:10.1016/j.gca.2014.04.021
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 生命の初期進化と物質動態に関する地球化学的、微生物学的研究 (2014)
  • Author(s): 西澤学
  • Journal Title: 地球化学 Volume: 48 Pages: 169-186
  • DOI: 10.14934/chikyukagaku.48.169
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Microbial sulfate reduction within the Iheya North subseafloor hydrothermal system (2014)
  • Author(s): Aoyama, S., Nishizawa, M., Takai, K., Ueno, Y.
  • Journal Title: Earth and Planetary Science Letters Volume: 398 Pages: 113-126
  • DOI: doi:10.1016/j.epsl.2014.04.039
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Microbial Community Stratification Controlled by the Subseafloor Fluid Flow and Geothermal Gradient at the Iheya North Hydrothermal Field in the Mid-Okinawa (2014)
  • Author(s): Yanagawa, K., Breuker, A., Schippers, A., Nishizawa, M., Ijiri, A., Hirai M., Takaki, Y., Sunamura, M., Urabe, T., Nunoura, T., Takai, K.
  • Journal Title: Applied and Environmental Microbiology Volume: 80/19 Pages: 6126-6135
  • DOI: doi: 10.1128/AEM.01741-14
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Nitrogen isotope chemostratigraphy across the Permian-Triassic boundary at Chaotian, Sichuan, South China. (2014)
  • Author(s): Saitoh, M., Y. Ueno, Nishizawa, M., Isozaki, Y., Takai, K., Yao, J., Ji, Z.
  • Journal Title: Journal of Asian Earth Sciences Volume: 93 Pages: 113-128
  • DOI: doi:10.1016/j.jseaes.2014.06.026
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Isotopic evidence for water-column denitrification and sulfate reduction at the end-Guadalupian (Middle Permian) (2014)
  • Author(s): Saitoh, M., Ueno, Y., Isozaki, Y., Nishizawa, M., Shozugawa, K., Kawamura, T., Yao, J.,Ji, Z., Takai, K., Yoshida, N., Matsuo, M.
  • Journal Title: Global Planetary Change Volume: 123 Pages: 110-120
  • DOI: doi:10.1016/j.gloplacha.2014.10.014
  • Peer Reviewed
• [Presentation] The stepwise increase of continental weathering in the Ediacaran and early Cambrian: evidenced from radiogenic Sr isotope excursion in the strata at Three Gorges, (2014)
  • Author(s): Yusuke Sawaki, Shigenori Maruyama
  • Organizer: AGU Fall Meeting
  • Place of Presentation: サンフランシスコ
  • Year and Date: 2014-12-15 – 2014-12-19
• [Presentation] In-situ iron isotope analysis of pyrite and organic carbon/nitrogen isotope ratios in the Middle Proterozoic sediments from McArthur Basin, Northern Australia (2014)
  • Author(s): Kazumi Yoshiya, Yusuke Sawaki, Manabu Nishizawa, Tsuyoshi Komiya, Takafumi Hirata, Shigenori Maruyama
  • Organizer: Geological Society of America Annual Meeting
  • Place of Presentation: バンクーバ
  • Year and Date: 2014-10-18 – 2014-10-22
• [Presentation] The radiogenic Sr isotope excursion during the Ediacaran and early Cambrian (2014)
  • Author(s): Yusuke Sawaki, Shigenori Maruyama, Tomohiko Sato
  • Organizer: Geological Society of America Annual Meeting
  • Place of Presentation: バンクーバー
  • Year and Date: 2014-10-18 – 2014-10-22
• [Presentation] 好熱性アーキアによるアンモニア酸化の窒素・酸素同位体分別 (2014)
  • Author(s): 西澤学、酒井早苗、高井研
  • Organizer: 2014年度日本地球化学会年会
  • Place of Presentation: 富山大学
  • Year and Date: 2014-09-16 – 2014-09-18
• [Presentation] 原生代中期(17から14億年前)の海洋の酸化還元状態と微生物活動の解明 (2014)
  • Author(s): 吉屋一美、澤木佑介、西澤学、小宮剛、平田岳史、丸山茂徳
  • Organizer: 日本地質学会第121年学術大会
  • Place of Presentation: 鹿児島大学
  • Year and Date: 2014-09-13 – 2014-09-15
• [Presentation] ウェールズ北西部に露出する付加体の堆積年代の制約とその後背地推定 (2014)
  • Author(s): 澤木佑介、浅沼尚、鈴木和恵、岡田吉弘、丸山茂徳
  • Organizer: 日本地質学会第121年学術大会
  • Place of Presentation: 鹿児島大学
  • Year and Date: 2014-09-13 – 2014-09-15
• [Presentation] エディアカラ紀に起きた生命の大型化とそれを引き起こした環境変動 (2014)
  • Author(s): 澤木佑介、丸山茂徳
  • Organizer: 日本進化学会年大会 第１６回大阪大会
  • Place of Presentation: 高槻現代劇場（大阪）
  • Year and Date: 2014-08-21 – 2014-08-24
• [Presentation] 原始地球環境下での低温アンモニア合成 (2014)
  • Author(s): 澤木佑介、丸山茂徳
  • Organizer: 日本進化学会年大会 第１６回大阪大会
  • Place of Presentation: 高槻現代劇場（大阪）
  • Year and Date: 2014-08-21 – 2014-08-24
• [Presentation] In-situ iron isotope analysis of pyrite in ca. 3.8 Ga metasediments from Isua supracrustal belt, Greenland (2014)
  • Author(s): 吉屋 一美、澤木 佑介、小宮 剛、平田 岳史、丸山 茂徳
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2014年大会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜
  • Year and Date: 2014-04-28 – 2014-05-02
• [Presentation] ncient ocean environment in the Ediacaran to Cambrian. (2014)
  • Author(s): 澤木佑介、丸山茂徳
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2014年大会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜
  • Year and Date: 2014-04-28 – 2014-05-02
• [Presentation] 原始海底熱水系における超好熱メタン菌の窒素固定 (2014)
  • Author(s): 西澤学, 宮崎淳一, 高井研
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2014年大会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜
  • Year and Date: 2014-04-28 – 2014-05-02
• [Presentation] （超）深海堆積物における窒素動態と微生物生態 (2014)
  • Author(s): 西澤学, 平井美穂, 野牧秀隆, 柳川勝紀,布浦拓郎 眞壁明子, 木庭啓介
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2014年大会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜
  • Year and Date: 2014-04-28 – 2014-05-02