 クロロフィル色素は光合成において，アンテナ色素あるいは反応中心として機能しています。堆積物中には，その分解生成物が含まれており，それを分析することによって当時の光合成生物の組成や，光合成が行われた当時の海洋表層環境の復元を行うことができます。数千万年前や数億年前の堆積岩からも，クロロフィルの中心核であるポルフィリンが，ニッケルや酸化バナジウムの錯体として見出されます。さらにポルフィリンが分解して形成されるピロール類（マレイミド）は，数十億年前の堆積岩からも見出されています。これらの化合物は，その化学構造が当時生息していた光合成生物群に関する情報をもたらすだけでなく，炭素・窒素の安定同位体比が当時の海洋表層で起きていた生物地球化学プロセスを教えてくれます。特に，窒素を含むバイオマーカーは現時点でこのポルフィリンとマレイミド以外にないため，海洋の一次生産を支える窒素サイクルの詳細について理解する唯一の手掛かりになります。
私たちのグループは，堆積岩中から単一のクロロフィルやポルフィリンを化学的に単離し，微量でその炭素および窒素同位体比を精密に測定する微量分析法の開発に成功しました。例えば，ポルフィリンがわずか1マイクログラムあれば，その同位体比を測定することができます。またマレイミドは，100ナノグラムというさらに微量で同位体比を測定できます。私たちは自ら開発したこのような研究手法を駆使して，さまざまな地質時代における地球表層環境の復元だけでなく，現在の海洋に生息する光合成細菌の生理生態や堆積物中に含まれるクロロフィルやその同位体比を決める要因に関する基礎的研究を行っています。 |
生物の体内で様々な機能をもつタンパク質は，20種類のアミノ酸が配列することによって成り立っています。私たちのグループは，あらゆる生態系において，１栄養段階につきグルタミン酸の窒素同位体比が８パーミル近く上昇するのに対し，フェニルアラニンのそれはほとんど変動しないことを明らかにしました。これは，フェニルアラニンがいわゆる「必須アミノ酸（不可欠アミノ酸）」であるだけでなく，代謝プロセスでほとんど同位体効果がないことに起因しています。言い換えると，フェニルアラニンの窒素同位体比は，究極的には食物連鎖の原点である植物が合成したフェニルアラニンの窒素同位体比にほぼ一致していることになります。それに対して，非必須アミノ酸であるグルタミン酸の窒素同位体比は，その代謝時における強い同位体効果を反映し，高次捕食者ほど高い同位体比をもつことになります。こういったアミノ酸の窒素同位体比にみられる規則を各種生物に当てはめることにより，生態系における食物網を解析することができます。これまで知られてこなかった生き物の生態について知るだけでなく，昨今の富栄養化などが魚の食性に及ぼす影響などを定量的に示す手法として現在多くの研究者から脚光を浴びています。さらに私たちは，過去の生物化石（殻，骨，歯）中に死後長らく保存されているアミノ酸を用いて，古食性解析を行っています。私たちは，自ら編み出したこの新しい手法を駆使して，地球環境の変遷が生態系の進化にどのような影響を及ぼしたのかについて研究しています。
私たちのグループでは，黒色頁岩中に含まれるポルフィリンの分子組成や炭素および窒素同位体比を測定した証拠をもとに，窒素固定を行うシアノバクテリアがこのヘドロに含まれる有機物の主要な起源であることを初めて明らかにしました。海洋全体が無酸素になることによって有機物の分解速度が遅くなるだけでなく，海洋表層の生態系の変化がこの堆積岩の形成に決定的に重要な役割を果たしていたわけです。さらに珪藻とシアノバクテリアの共生も重要な役割を果たしていた可能性もあり，生物進化という観点からも非常に興味深い視点をもたらたしくれます。この黒色頁岩は，白亜紀以外にも地球史に断続的にみられ，多くのものは大量絶滅をともなっているため，地球生命史に「楔」を打ち込んできました。原始の地球環境において主要な生産者であったシアノバクテリアが，生物進化の節目ごとに主役として繰り返し蘇ってきたことは，地球の進化を考える上で非常に興味深いことです。
近年，地下の奥深くにまで，これまでの想像を超える数の微生物が生息していることが明らかになりました。海底下で生成され，私たちにとって温室効果ガスでもありエネルギー源でもある「メタン」も，こういった地下生物圏と密接に関係しています。しかしこういった地下に生息する微生物が，どのような種組成をもっているのか？ どのような活動（化学反応）を行っているか？ どれくらい深くにまで存在しているのか？ どのような場所を好むのか？ など生理や生態に関する数多くのことについて，未だに明らかにされていません。現在私たちのグループは，高知コア研究センターの稲垣史生PI，諸野祐樹研究員やブレーメン大学のカイ・ヒンリックス教授らと共同で，深海底掘削船「ちきゅう」によって掘削された下北半島沖の堆積物コア，南海トラフ大断層帯の堆積物コア，熊野灘沖の泥火山堆積物中などに含まれる古細菌などが合成する脂質化合物の解析や，その安定同位体組成の分析を行っています。特に近年，培養が難しいと言われている海洋性古細菌について，実際の海洋環境中でトレーサーを用いた生死識別法や難培養性古細菌の代謝活性を評価する手法を確立しました。また，脂質化合物の部位特異的同位体組成から脂質生合成経路における種々の代謝強度の評価にも成功しています。
現在起きつつある地球温暖化による脅威の一つが海面上昇です。例えば，海面が１メートル上昇するだけで，それにより被害を受ける人口は世界で１億人を越えると推定されています。今後地球温暖化によって引き起こされる海面上昇は，西南極氷床あるいはグリーンランド氷床の融解によるものと考えられています。このうち西南極氷床は，海洋中に形成された氷床であるため，気候モデルを用いてその地球温暖化に対する応答をシミュレーションすることは非常に難しいことが知られています。さらに，氷期から間氷期へ至る気候の再編（大規模な温暖化）時における，この氷床の動態についてもほとんど明らかにされていません。その最大の原因は，西南極氷床周辺域で採取される海底堆積物コアの解析から，過去の地球環境記録を読み取る技術が進展していなかったからです。この海域では，南極大陸で削剥され運ばれてきた大量の物質が堆積しており，堆積物中に残されている過去の地球環境記録が「ノイズ」に埋もれてしまっています。
日本海は，いくつかの浅い海峡によって太平洋とつながっています。両者をつなぐ海峡のうち，最も深いのは対馬海峡と津軽海峡で，その最大水深はいずれもおよそ140mです。これらの海峡は，海面が低下した最終氷期には非常に細い海峡となり，日本海はほとんど「湖」のようになります。したがって，日本海の環境は，海面変動に極めて敏感に反応して変動してきました。