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研究概要

2023.07.31

アミノ酸を用いた生態系の復元

地球上の生き物は、そのほとんどが太陽から地球に届くエネルギーを分かち合って暮らしています。生き物の世界は一般に、太陽エネルギーによって暮らす植物と、それを食べて生きる動物に分けられます。動物の世界では、植物を食べる草食動物から、それを食べる肉食動物、さらにそれを食べる生き物というふうに食物連鎖を通じて太陽エネルギー、炭素や窒素などの物質がつながっています。そんな生き物が織りなす食物網は、炭素同位体比(δ13C)や窒素同位体比(δ15N)を用いて解析することができます。特に、タンパク質を構成するアミノ酸は多様な情報を保持しています。

図1：グルタミン酸(Glu)とフェニルアラニン(Phe)の窒素同位体比を用いて、水域に暮らす生き物の栄養段階を推定する方法の原理。

たとえば、グルタミン酸(Glu)とフェニルアラニン(Phe)の窒素同位体比は食物網の解析に広く役立つことが知られています。グルタミン酸は、動物の体内で代謝される際に窒素同位体が分別し、捕食者のグルタミン酸の窒素同位体比は、被食者に比べて平均8.0‰規則的に高くなります。一方、フェニルアラニンは代謝でアミノ基の脱離はほとんど起きないため、被食者に比べ平均わずか0.4‰上昇するにすぎません。図１は、これら2種類のアミノ酸の窒素同位体比と、その生き物の栄養段階*の関係を示したものです。両者を関連づける式は以下のようになります。

（水域生物）　栄養段階 = (δ15NGlu – δ15NPhe – 3.4) / 7.6 + 1
（陸域生物）　栄養段階 = (δ15NGlu – δ15NPhe + 8.4) / 7.6 + 1

重要なことは、生き物の栄養段階がグルタミン酸とフェニルアラニンの「窒素同位体比の差」の一次関数として表せることです。目的生物の試料さえ手にすればその栄養段階を知ることができます。またアミノ酸の窒素同位体比は、栄養段階の推定のみならず、環境中の窒素源やその動態の解析にも威力を発揮します。

* 植物プランクトンなどの独立栄養生物が1、それを食べる植食者が2、植食者だけを食べる動物が3という数値。多様な生き物を捕食することによって小数点以下の数値もありえます。

図2：東北沖で採取された生き物の栄養段階。

主な発表論文

  • Ohkouchi, N. (2023) A new era of isotope ecology: Nitrogen isotope ratio of amino acids as an approach for unraveling modern and ancient food web. Proceedings of Japan Academy, Series B, 99, 131-154. [Open Access]（アミノ酸の窒素同位体比を用いた食物網研究をレビューしました。）
  • Harada, Y., Ito, S.-I., Ogawa, N.O., Yoshikawa, C., Ishikawa, N.F., Yoneda, M., and Ohkouchi, N. (2022) Compound-specific nitrogen isotope analysis in eye lenses as a new tool to reconstruct the geographic and trophic histories of fish. Frontiers in Marine Science, 8: 796532. [Open Access]（魚の眼球のアミノ酸の窒素同位体比が、魚の回遊経路の推定に利用可能であることを示しました。）
  • Matsubayashi, J., Osada, Y., Tadokoro, K., Abe, Y,, Yamaguchi, A., Shirai, K., Honda, K., Yoshikawa, C., Ogawa, N.O., Ohkouchi, N., Nagata, T., Naito, Y.I., Miyamoto, H., Nishio, S., and Tayasu, I. (2020) Tracking long-distance ocean migration of marine fishes using compound-specific stable isotope analysis of amino acids. Ecology Letters, 23, 881-890. [Abstract]（サケの骨中のアミノ酸窒素同位体比を用いて、サケの回遊経路を復元しました。）
  • Takano, Y., Chikaraishi, Y., Imachi, H., Miyairi, Y., Ogawa, N. O., Kaneko, M., Yokoyama, Y., Kruger, M., and Ohkouchi, N. (2018) Insight into anaerobic methanotrophy from 13C/12C- amino acids and 14C-ANME cells in seafloor microbial ecology. Scientific Reports, 8, 14070. [Open Access]（微生物プロセスの解析にアミノ酸の炭素同位体比が利用できることを明らかにしました。）
  • Ishikawa, N.F., Chikaraishi, Y., Takano, Y., Sasaki, Y., Takizawa, Y., Tsuchiya, M., Tayasu, I., Nagata, T., and Ohkouchi, N. (2018) A new analytical method for the determination of nitrogen isotopic composition of methionine: its application in aquatic ecosystems with mixed resources. Limnology and Oceanography: Methods, 16, 607-620. [Open Access]（メチオニンの窒素同位体比を用いて、生物の餌の水界ありは陸起源の割合を定量できることを示しました。）
  • Itahashi, Y., Tsuneki, A., Dougherty, S., Chikaraishi, Y., Ohkouchi, N., and Yoneda, M. (2018) Dining together: Reconstruction of Neolithic food consumption based on the δ15N values for individual amino acids at Tell el-Kerkh, northern Levant. Journal of Archaeological Science: Reports, 17, 775-784. [Abstract]（新石器時代の遺跡から得られた人骨中に含まれるコラーゲンのアミノ酸の窒素同位体比を測定し、当時の人々の暮らしを復元しました。）
  • Ohkouchi, N., Chikaraishi, Y., Close, H.G., Fry, B., Larsen, T., Madigan, D.J., McCarthy, M.D., McMahon, K.W., Nagata, T., Naito, Y.I., Ogawa, N.O., Popp, B.N., Steffan, S., Takano, Y., Tayasu, I., Wyatt, A.S.J., Yamaguchi, Y.T., and Yokoyama, Y. (2017) Advances in the application of amino acid nitrogen isotopic analysis in ecological and biogeochemical studies. Organic Geochemistry, 113, 150-174. [Abstract]（アミノ酸窒素同位体比を用いた研究の成果について、2017年時点におけるレビューです。）
  • Campbell, C.J., Nelson, D.M., Ogawa, N.O., Chikaraishi, Y., and Ohkouchi, N. (2017) Trophic position and dietary breadth of bats revealed by nitrogen isotopic composition of amino acids. Scientific Reports, 7, 15932. [Open Access]（コウモリの食性について、アミノ酸窒素同位体比の測定結果をもとに考察しました。）
  • Ishikawa, N., Chikaraishi, Y., Ohkouchi, N., Murakami, A.R., Tayasu, I., Togashi, H., Okano, J., Sakai, Y., Iwata, T., Kondoh, M., and Okuda, N. (2017) Integrated trophic position decreases in more diverse communities of stream food webs. Scientific Reports, 7, 2130. [Open Access]（新しい生態学指標iTPを提唱しました。）
  • Ishikawa, N.F., Hayashi, F., Sasaki, Y., Chikaraishi, Y., and Ohkouchi, N. (2017) Trophic discrimination factor of nitrogen isotopes within amino acids in the dobsonfly Protohermes grandis (Megaloptera: Corydalidae) larvae in a controlled feeding experiment. Ecology and Evolution, 7, 1674-1679. [Open Access]（ヘビトンボの飼育実験を行い、捕食によるアミノ酸の窒素同位体分別を求めました。）
  • Yamaguchi, Y., Chikaraishi, Y., Takano, Y., Ogawa, N.O., Imachi, H., Yokoyama, Y., and Ohkouchi, N. (2017) Fractionation of nitrogen isotopes during amino acid metabolism in heterotrophic and chemolithoautotrophic microbes across Eukarya, Bacteria and Archaea: Effects of nitrogen sources and metabolic pathways. Organic Geochemistry, 111, 101-112. [Abstract]（室内培養実験をもとに、微生物の代謝とアミノ酸窒素同位体比との関係を考察しました。）
  • Naito, Y.I., Chikaraishi, Y., Drucker, D.G., Ohkouchi, N., Semal, P., Wißing, C., and Bocherens, H. (2016) Ecological niche of Neanderthals from Spy Cave revealed by nitrogen isotopes of individual amino acids in collagen. Journal of Human Evolution, 93, 82-90. [Abstract]（ネアンデルタール人の栄養段階を世界で初めて推定しました。）
  • Kruger, B.R., Werne, J.P., Branstrator, D.K., Hrabik, T.R., Chikaraishi, Y., Ohkouchi, N., and Minor, E.C. (2016) Organic matter transfer in Lake Superior’s food web: Insights from bulk and molecular stable isotope and radiocarbon analyses. Limnology and Oceanography, 61, 149-164. [Open Access]（スペリオル湖の食物連鎖について、アミノ酸の窒素同位体比の測定結果をもとに考察しました。）
  • Ohkouchi, N., Ogawa, N. O., Chikaraishi, Y., Tanaka, H., and Wada, E. (2015) Biochemical and physiological bases for the application of carbon and nitrogen isotopes to the environmental and ecological studies. Progress in Earth and Planetary Science, 2: 1. [Open Access]（炭素・窒素同位体比を用いた環境解析や生態系解析の基礎について、近年えられた知見も含めてまとめました。）
  • Chikaraishi, Y., Steffan, S. A., Ogawa, N. O., Ishikawa, N. F., Sasaki, Y., Tsuchiya, M., and Ohkouchi, N. (2014) High-resolution food webs based on nitrogen isotopic composition of amino acids. Ecology and Evolution, 4, 2423-2449. [Open Access]（アミノ酸の窒素同位体比が陸上生物の食性解析に利用できることを示しました。）
  • Ohkouchi, N. and Takano, Y. (2014) Organic nitrogen: Sources, fates, and chemistry. Treatise on Geochemistry (Eds., P. Falkowski and K. H. Freeman), 12, 251-289. [Abstract]（化合物レベルでみた窒素の動態をレビューしました。）
  • Ogawa, N.O., Chikaraishi, Y., and Ohkouchi, N. (2013) Trophic position estimates of formalin-fixed samples with nitrogen isotopic compositions of amino acids: an application to gobiid fish (Isaza) in Lake Biwa, Japan. Ecological Research, 28, 697-702. [Abstracts]（ホルマリン固定された魚類アーカイブ試料が人新世の生態系解析に役立つこと、それによると琵琶湖の富栄養化が魚類の栄養段階を変化させなかったことを明らかにしました。）
  • Naito, Y., Chikaraishi, Y., Ohkouchi, N., and Yoneda, M. (2013) Evaluation of carnivory in inland Jomon hunter-gatherers based on nitrogen isotope ratios of individual amino acids in bone collagen. Journal of Archaeological Science, 40, 2913-2923. [Abstract]（内陸に暮らしていた縄文人の食性を復元しました。）
  • Miller, M., Chikaraishi, Y., Ogawa, N.O., Yamada, Y., Tsukamoto, K., and Ohkouchi, N. (2012) Low trophic position of Japanese eel larvae. Biology Letters, 9, 20120826. [Abstract]（アミノ酸の窒素同位体比の測定結果をもとに、ウナギの稚魚がマリンスノーを食べていることを明らかにしました。）
  • Chikaraishi, Y., Ogawa, N.O., Kashiyama, Y., Takano, Y., Suga, H., Tomitani, A., Miyashita, H., Kitazato, H., and Ohkouchi, N. (2009) Determination of aquatic food-web structure based on compound-specific nitrogen isotopic composition of amino acids. Limnology and Oceanography: Methods, 7, 740-750. [Abstract]（各種アミノ酸の窒素同位体比と栄養段階との関係を定式化しました。）