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研究概要

2024.11.28


地下生命圏と炭素循環

Deep Biosphere あるいは Deep Life 、いわゆる「地下生命圏」には、何が棲息していて、どこまで広がり、どのような仕組みで成り立っているのでしょうか。

1970年後半には、潜水調査船アルビン号によるガラパゴス沖の海底熱水系と周辺に広がる特異な生態系が初めて報告されました(Lonsdale, 1977; Corliss et al., 1979)。同じ頃、日本周辺でも深海底の生態系調査が行われるようになり、化学合成生物群集のホットスポットが報告されました(e.g., Okutani and Egawa, 1985)。1990年代に入り、海底下に広大な「地下生命圏」が存在していることが提唱され(Gold, 1992)、地下圏の炭素循環(Deep Carbon)の理解と併せ、生命科学的かつ物質科学的な解析が広まりました。 一方、陸上では、地殻内の岩石・水文学的調査とともに「地下生命圏」の研究も進みました。分子生物学の本格的な参入が加わり、海底下の試料に応用されるようになりました(e.g., Parkes et al., 2000)。以降、「Deep Biosphere」という言葉が徐々に浸透し、更に新しい分析手法の技術開発も進みました。

図1:糸魚川―静岡構造線の交点上に位置する断層湖(諏訪湖)から湧出する深部メタンによる厳冬期のビッグホールの様子(2022年1月撮影:Urai et al., 2022)

原核生物のうち、アーキア(古細菌)の多様性は、当初の2つの門(クレンアーキオータ門、ユーリアーキオータ門)から、今や約30を超える門(phyla)に拡大し、その数(species)は2万種を超えています。アーキアは、進化系統的にも多様な微生物群であることが認識され、地球上のあらゆる環境に存在し、バクテリア(真正細菌)やユーカリア(真核生物)と共存しています。一方、アーキアは、培養された種類も比較的少なく、その知見はまさに日進月歩といえるでしょう。

地球深部における「Deep Biosphere」の根源的な問いに答えるための分野の一つが、地球生命科学であり、水圏および地下圏での炭素循環「Deep Carbon」を広く理解する領域が、地球物質科学と位置づけられます。

図2:黒海の海底下に分布する嫌気的メタン酸化アーキアのハビタットと安定炭素・放射性炭素同位体システマティックス(Takano et al., 2018)

主な発表論文

  • Imachi, H., Nobu, M.K., Kato, S., Takaki, Y., Miyazaki, M., Miyata, M., Ogawara, M., Saito, Y., Sakai, S., Tahara, Y.O., Takano, Y., Tasumi, E., Uematsu, K., Yoshimura, T., Itoh, T., Ohkuma, M., and Takai, K. (2024) Promethearchaeum syntrophicum gen. nov., sp. nov., an anaerobic, obligately syntrophic archaeon, the first isolate of the lineage ‘Asgard’ archaea, and proposal of the new archaeal phylum Promethearchaeota phyl. nov. and kingdom Promethearchaeati regn. nov. International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology, 74, Article number: 006435. doi:10.1099/ijsem.0.006435. (アーキアと真核生物の共通祖先の単離株に関する学名登録と認証)
  • Nomaki,H., Chen, C., Ogawa, N.O., Miyairi, Y., Ohkouchi, N., Makabe, A., Kawagucci, S., Yokoyama, Y., and Shimanaga, M. (2024) Elucidating carbon sources of hydrothermal vent animals using natural 14C abundances and habitat water temperature. Limnology and Oceanography, 69, 1270-1284. doi:10.1002/lno.12570. (海底熱水系の生物群集と放射性炭素トレーサー法による炭素循環の解明)
  • Methou, P., Ogawa, N.O., Nomaki, H., Ohkouchi, N., Chen, C., and Schnabel, K. (2024) Genetic connectivity and isotopic niches of alvinocaridid shrimps from chemosynthetic habitats in Aotearoa/New Zealand, with a new Alvinocaris species. Marine Ecology Progress Series, 739, 85-109. doi:10.3354/meps14611. (ニュージーランド沖の海底熱水系における生物群集の遺伝的特徴と生元素動態に関する詳報)
  • Nomaki, H., Kawatani, K., Motomura, Y., Tame, A., Uyeno, D., Ogawa, N.O., Ohkouchi, N., and Shimanaga, M. (2023) Bacterivory of the hydrothermal-vent-specific copepod Stygiopontius senokuchiae (Dirivultidae, Siphonostomatoida) from copepodite through adult stages. Journal of the Marine Biological Association of the United Kingdom, 103: e21. doi:10.1017/S0025315423000139. (海底熱水系に特有なカイアシ群集の栄養性応答と進化に関する詳報)
  • Urai, A., Takano, Y., Matsui, Y., Iwata, H., Miyairi, Y., Yokoyama, Y., Miyabara, Y., Ohkouchi, N. and Park, H.-D. (2022) Origin of Deep Methane from Active Faults along the Itoigawa–Shizuoka Tectonic Line between the Eurasian and North American Plates: 13C/12C and 14C/12C Methane Profiles from a Pull-Apart Basin at Lake Suwa. ACS Earth and Space Chemistry, 6, 1689-1697. doi: 10.1021/acsearthspacechem.1c00392. (糸魚川―静岡構造線の交点上に位置する断層湖から湧出する深部起源ガスの化学種特定と表層水圏生態系への影響)
  • Kaneko, M., Takano, Y., Kamo, M., Morimoto, K., Nunoura, T. and Ohkouchi, N. (2021) Insights into the methanogenic population and potential in subsurface marine sediments based on coenzyme F430 as a function-specific compound analysis. JACS Au, 1, 1743-1751. doi: 10.1021/jacsau.1c00307. (海洋堆積物の深層に存在するメタン生成アーキアに由来する補酵素F430と分子指標性の総括)
  • Nomaki, H., Rastelli, E., Alves, A., Suga, H., Ramos, S., Kitahashi, T., Tsuchiya, M., Ogawa, N.O., Matsui, Y., Seike, K., Miyamoto, N., Corinaldesi, C., Manea, E., Ohkouchi, N., Danovaro, R., Nunoura, T., and Amaro, T. (2021) Abyssal fauna, benthic microbes, and organic matter quality across a range of trophic conditions in the western Pacific ocean. Progress in Oceanography, 195:102591. doi:10.1016/j.pocean.2021.102591. (深海平原の炭素循環とベントスの栄養性応答からみた微生物生態学的特徴)
  • Urai, A., Matsushita, M., Park, H.-D., Imachi, H., Ogawara, M., Iwata, H., Kaneko, M., Ogawa, O.N., Ohkouchi, N. and Takano, Y. (2021) Detection of planktonic coenzyme factor 430 in a freshwater lake: Small-scale analysis for probing archaeal methanogenesis. Progress in Earth and Planetary Science, 8, Article number: 62. doi: 10.1186/s40645-021-00450-7. (諏訪湖の水柱と底質から検出した補酵素F430の起源と微生物相の考察について)
  • Urai, A., Takano, Y., Imachi, H., Ishii, S.i., Matsui, Y., Ogawara, M., Tasumi, E., Miyairi, Y., Ogawa, N.O., Yoshimura, T., Inagaki, F., Yokoyama, Y., Kawano, K., Murai, D., Park, H.-D. and Ohkouchi, N. (2021) Origin of deep methane associated with a unique community of microorganisms in an organic- and Iodine-rich aquifer. ACS Earth and Space Chemistry, 5, 1-11. doi: 10.1021/acsearthspacechem.0c00204. (有機質およびヨウ素を含む深部帯水層から産出するメタンの起源と微生物相の詳報)
  • Imachi, H., Nobu, M.K., Nakahara, N., Morono, Y., Ogawara, M., Takaki, Y., Takano, Y., Uematsu, K., Ikuta, T., Ito, M., Matsui, Y., Miyazaki, M., Murata, K., Saito, Y., Sakai, S., Song, C., Tasumi, E., Yamanaka, Y., Yamaguchi, T., Kamagata, Y., Tamaki, H. and Takai, K. (2020) Isolation of an archaeon at the prokaryote-eukaryote interface. Nature, 577, 519-525. doi:10.1038/s41586-019-1916-6. (アーキアおよび真核生物の共通祖先の単離・培養の初報)
  • Nomaki, H., Uejima, Y., Ogawa, N.O., Yamane, M., Watanabe, H.K., Senokuchi, R., Bernhard, J.M,, Kitahashi, T., Miyairi, Y., Yokoyama, Y., Ohkouchi, N., and Shimanaga, M. (2019) Nutritional source of meio- and macrofauna at hydrothermal vents and adjacent fields: natural-abundance radiocarbon and stable isotope analyses. Marine Ecology Progress Series, 622, 49-65. doi:10.3354/meps13053. (海底熱水系の生物群集と生元素動態からみた栄養性基質の物質循環に関する詳報)
  • Isaji, Y., Kawahata, H., Takano, Y., Ogawa, N.O., Kuroda, J., Yoshimura, T., Lugli, S., Manzi, V., Roveri, M. and Ohkouchi, N. (2019) Diazotrophy drives primary production in the organic-rich shales deposited under a stratified environment during the Messinian salinity crisis (Vena del Gesso, Italy). Frontiers in Earth Science, 7, Article number: 85. doi: 10.3389/feart.2019.00085. (メッシニアの塩分危機における成層環境下で堆積した有機質頁岩を用いた一次生産者と古環境復元)
  • Takano, Y., Chikaraishi, Y., Imachi, H., Miyairi, Y., Ogawa, N.O., Kaneko, M., Yokoyama, Y., Krueger, M. and Ohkouchi, N. (2018) Insight into anaerobic methanotrophy from 13C/12C- amino acids and 14C/12C-ANME cells in seafloor microbial ecology. Scientific Reports, 8, Article number:14070, doi: 10.1038/s41598-018-31004-5. (嫌気的メタン酸化アーキアの分子レベル評価と安定炭素・放射性炭素同位体システマティックス)
  • Yamaguchi, T.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 chemoautotrophic microbes across Eukarya, Bacteria, and Archaea: Effects of nitrogen sources and metabolic pathways. Organic Geochemistry, 111, 101-112. doi:10.1016/j.orggeochem.2017.04.004. (原核生物と真核生物を用いた独立および従属栄養性とアミノ酸窒素同位体比の応答性に関する詳報)
  • Kaneko, M., Takano, Y., Ogawa, N.O., Sato, Y., Yoshida, N. and Ohkouchi, N. (2016) Estimation of methanogenesis by quantification of coenzyme F430 in marine sediments. Geochemical Journal, 50, 453-460. doi:10.2343/geochemj.2.0410. (海底下のメタン生成アーキアと補酵素F430からのメタン生成ポテンシャルの推定)
  • Inagaki, F., Hinrichs, K.-U., Kubo, Y., Bowles, M.W., Heuer, V.B., Hong, W.-L., Hoshino, T., Ijiri, A., Imachi, H., Ito, M., Kaneko, M., Lever, M.A., Lin, Y.-S., Methe, B.A., Morita, S., Morono, Y., Tanikawa, W., Bihan, M., Bowden, S.A., Elvert, M., Glombitza, C., Gross, D., Harrington, G.J., Hori, T., Li, K., Limmer, D., Liu, C.-H., Murayama, M., Ohkouchi, N., Ono, S., Park, Y.-S., Phillips, S.C., Prieto-Mollar, X., Purkey, M., Riedinger, N., Sanada, Y., Sauvage, J., Snyder, G., Susilawati, R., Takano, Y., Tasumi, E., Terada, T., Tomaru, H., Trembath-Reichert, E., Wang, D.T. and Yamada, Y. (2015) Exploring deep microbial life in coal-bearing sediment down to ~2.5 km below the ocean floor. Science, 349, 420-424. doi: 10.1126/science.aaa6882. (海底下の地下生命圏の存在限界の証明と物質循環に関する科学掘削の詳報)
  • Kaneko, M., Takano, Y., Chikaraishi, Y., Ogawa, N.O., Asakawa, S., Watanabe, K., Shima, S., Krueger, M., Matsushita, M., Kimura, H., and Ohkouchi, N. (2014) Quantitative analysis of coenzyme F430 in environmental samples: a new diagnostic tool for methanogenesis and anaerobic methane oxidation. Analytical Chemistry, 86, 3633-3638. doi: 3610.1021/ac500305j. (補酵素F430を用いた微生物学的メタン生成と嫌気的メタン酸化の定量的評価法)
  • Nomaki, H., Chikaraishi, Y., Tsuchiya, M., Toyofuku, T., Ohkouchi, N., Uematsu, K., Tame, A., and Kitazato, H. (2014) Nitrate uptake by foraminifera and use in conjunction with endobionts under anoxic conditions. Limnology and Oceanography, 59, 1879-1888. doi:10.4319/lo.2014.59.6.1879. (嫌気条件における硝酸呼吸と共生機構について)
  • Ohkouchi, N. and Takano, Y. (2014) Organic nitrogen: sources, fates, and chemistry. Treatise on Geochemistry, Vol. 12, 10: Organic Geochemistry (Edited by Birrer, B., Falkowski, P., Freeman, K.), Elsevier, pp. 251-289. doi: 10.1016/B978-0-08-095975-7.01015-9. (有機態窒素の起源と化学の総説)
  • Schouten, S., Hopmans, E.C., Rosell-Mele, A., Pearson, A., Adam, P., Bauersachs, T., Bard, E., Bernasconi, S.M., Bianchi, T.S., Brocks, J.J., Carlson, L.T., Castaneda, I.S., Derenne, S., Selver, A.D., Dutta, K., Eglinton, T., Fosse, C., Galy, V., Grice, K., Hinrichs, K.-U., Huang, Y., Huguet, A., Huguet, C., Hurley, S., Ingalls, A., Jia, G., Keely, B., Knappy, C., Kondo, M., Krishnan, S., Lincoln, S., Lipp, J., Mangelsdorf, K., Martinez-Garcia, A., Menot, G., Mets, A., Mollenhauer, G., Ohkouchi, N., Ossebaar, J., Pagani, M., Pancost, R.D., Pearson, E.J., Peterse, F., Reichart, G.-J., Schaeffer, P., Schmitt, G., Schwark, L., Shah, S.R., Smith, R.W., Smittenberg, R.H., Summons, R.E., Takano, Y., Talbot, H.M., Taylor, K.W.R., Tarozo, R., Uchida, M., van Dongen, B.E., Van Mooy, B.A.S., Wang, J., Warren, C., Weijers, J.W.H., Werne, J.P., Woltering, M., Xie, S., Yamamoto, M., Yang, H., Zhang, C.L., Zhang, Y., Zhao, M., and Sinninghe Damste, J.S. (2013) An interlaboratory study of TEX86 and BIT analysis of sediments, extracts and standard mixtures. Geochemistry, Geophysics, Geosystems, 14, 5263-5285. doi: 10.1002/2013GC004904. (分子指標性のTEX86とBITを対象とした室間比較検証)
  • Watanabe, T., Kojima, H., Takano, Y., and Fukui, M. (2013) Diversity of sulfur-cycle prokaryotes in freshwater lake sediments investigated using aprA as functional marker gene. Systematics and Applied Microbiology, 36, 436-443. doi: 10.1016/j.syapm.2013.04.009. (機能性遺伝子aprAによる硫黄循環に関わる原核生物群集の多様性の理解について)
  • Kaneko, M., Naraoka, H., Takano, Y., and Ohkouchi, N. (2013) Distribution and isotopic signatures of archaeal lipid biomarkers associated with gas hydrate occurrences on the northern Cascadia Margin. Chemical Geology, 343, 76-84. doi: 10.1016/j.chemgeo.2013.02.003. (カスカディア海底堆積物からのアーキア由来バイオマーカーと分子レベル同位体比の特徴)
  • Takano, Y., Kaneko, M., Kahnt, J., Imachi, H., Shima, S. and Ohkouchi, N. (2013) Detection of coenzyme F430 in deep-sea sediments: A key molecule for biological methanogenesis. Organic Geochemistry, 58, 137-140. doi: 10.1016/j.orggeochem.2013.01.012. (海底堆積物からの補酵素430検出の分析法開発と室間比較検証)
  • Nomaki, H., Ogawa, O.N., Takano, Y., Suga, H., Ohkouchi, N., Kitazato, H. (2011) Differing utilization of glucose and algal particulate organic matter by the deep-sea benthic organisms of Sagami Bay, Japan. Marine Ecology Progress Series, 431, 11-24. doi:10.3354/meps09144. (安定同位体標識法による海底の微生物群集の応答に関する実験的検証)
  • Gay, A., Takano, Y., Gilhooly III, W.P., Berndt, C., Heeschen, K., Suzuki, N., Saegusa, S., Nakagawa, F., Tsunogai, U., Jiang, S.Y., and Lopez, M. (2011) Geophysical and geochemical evidence of large scale fluid flow within shallow sediments in the eastern Gulf of Mexico, offshore Louisiana. Geofluids, 11, 34-47. doi: 10.1111/j.1468-8123.2010.00304.x.(メキシコ湾沖の海底下過剰圧流体の特徴と溶存ガス成分の起源の詳報)
  • Takano, Y., Chikaraishi, Y., Ogawa, O.N., Nomaki, H., Morono, Y., Inagaki, F., Kitazato, H., Hinrichs, K.-U., Ohkouchi, N. (2010) Sedimentary membrane lipids recycled by deep-sea benthic archaea. Nature Geoscience, 3, 858-861. doi:10.1038/ngeo983. (海底堆積物に存在するアーキアと安定同位体標識法を用いた現場培養実験の詳報)
  • Kato, S., Takano, Y., Kakegawa, T., Oba, H., Inoue, K., Kobayashi, C., Utsumi, M., Marumo, K., Kobayashi, K., Ito, Y., Ishibashi, J., and Yamagishi, A. (2010) Biogeography and biodiversity in sulfide structures of active and inactive vents at deep-sea hydrothermal fields of the Southern Mariana Trough. Applied and Environmental Microbiology, 76, 2968-2979. doi: 10.1128/AEM.00478-10. (南マリアナトラフの海底熱水系に広がるチムニー内部の微生物相の詳報)
  • 高野 淑識, 浦井 暖史, 金子 雅紀, 大河内 直彦 (2021) 補酵素F430を経由するメタン生成とメタン酸化の多次元炭素同位体フィンガープリント法の展開. 日本アイソトープ協会誌 Isotope News, 778, 36-40. [PDF]
  • 高野 淑識, 加藤 真悟 (2020)『海底下の試料(地球深部の堆積物および岩石)』 [依頼総説]. 日本分析化学会誌 ぶんせき, 9, 314-319. [PDF]
  • 高野 淑識 (2018) 始原的な気体 「メタン」 と地球生命科学の眺望. Japan Geoscience Letters (JGL), 14, 9-11. [PDF]
  • 高野 淑識, 大河内 直彦 (2015) マントルゼノリスの炭素と窒素の起源について [依頼総説]. 地学雑誌 (Journal of Geography), 124, 503-514. doi: 10.5026/jgeography.124.503. (in Japanese with English abstract) [PDF]
  • 高野 淑識, 大河内 直彦 (2010) 海底下の地下生物圏:過去と現世のリンクを担う生物地球化学プロセス. 地球化学(Geochemistry), 44, 185-204. (in Japanese with English abstract) [PDF]
海底下の地下生命圏分布の限界近傍(~2.5 km)とメタン生成アーキア由来の補酵素F430の存在証拠(Kaneko et al., 2021)