話題の研究 謎解き解説
世界最深の海底下微生物と生命圏の限界（前編）
今回ご紹介する成果発表はこちらです。
2015年7月24日報道発表「「ちきゅう」により世界最深の海底下微生物群集と生命圏の限界を発見 ―石炭・天然ガスの形成プロセスを支える「海底下の森」が存在―」です。
地球深部探査船「ちきゅう」が青森県八戸市沖合の海底下約2,466ｍから採取した地層サンプル（コア試料）に含まれる微生物の分析結果をまとめた科学論文が、米国科学誌「SCIENCE」で発表されました（2015年7月24日）。
Exploring deep microbial life in coal-bearing sediments down to ~2.5km below the ocean floor.
- 世界最深記録となる深度から、海底下微生物を発見した。
- 海底下生命圏の限界域にせまったと考えられる。
- 世界最深部となる海底下微生物群集の培養に成功した。
- 海底下深部の微生物の活動が、石炭・天然ガスの形成に関わっていた。
海底下生命圏とはどんな世界？ 海底下微生物の培養とは？ 前編では、本研究を主導している高知コア研究所の稲垣史生所長代理に海底下生命圏について聞いてきました。
海底下生命圏と地球の物質循環には深い関係がある
こんにちは！ 今回、海底下で最も深い場所に生命圏を発見されたわけですが、どんな世界なのですか？
写真1 稲垣史生上席研究員
地球上には、生物がすめるとは到底思えない環境があちこちにあります。たとえば、塩分が極端に高い塩湖や塩田、暗黒で高圧の深海底、海底から熱水を噴き出す熱水噴出孔などです。1960年代頃から、そんな極限環境でも微生物がいることがわかり始めました。しかし、深海底のさらに下、海底下深部は長らく「化石の世界」と言われ、生命が存在するような環境ではないと考えられてきました。
ところが、この考えは後に覆されます。当時英国ブリストル大学の微生物学者であったジョン・パークス氏が、米国の掘削船ジョイデス・レゾリューション号による国際深海掘削計画（ODP）の研究航海で、主に太平洋沿岸の海底から採取された柱状のコア試料の中心部を取り出し、微生物細胞を蛍光色素で染色して顕微鏡で数えました。その結果、深さ約800mまでの海底下でも、1㎝3あたり10万個を超える微生物細胞が存在することを確認しました。その密度は、海水中のそれをはるかに上回ります。海底下に拡がる生命圏を確認したこの論文は、1994年に英国科学誌「NATURE」に掲載されました。当時、私はこれを大学の図書館で読み、大きな衝撃を受けたのを覚えています。
その後も地下圏における微生物の研究は進み、海底下や陸域の地下は多様な微生物であふれていることがわかってきました。現在、地球全体の海底下にいる微生物の細胞数は約2.9ｘ1029個とも推計されます。炭素量に換算すると約4ギガトン、地球の全生命体の炭素量の約1%を占め、地球の元素循環に重要な役割を果たしていると考えられています。
図1 1994年、パークス博士らが報告した海底下約800メートルまでの堆積物に存在する微生物細胞の数。海底下の深度が増すほど対数的に微生物の数は減少する傾向がある。
海底下に住む微生物は、地質学的時間を栄養源に乏しい極限環境で生き抜くため、エネルギー消費を極力抑えゆっくりと生きています。細胞分裂は千年か1万年に1回とも考えられています。海底下には、静かに、そして大きな生命圏が存在しています。
なぜ、海底下生命圏を研究するのか
今回の研究では、海底下の微生物のどんなところに注目したのですか？
海底下生命圏は、未だ多くの謎に包まれています。どれくらいの深さまで生命が存在しているのか？どんな生命が、なぜそこにいるのか？そして、海底下で何をしているのか？解明すれば、地球規模の元素循環や海底下の生命進化、惑星内部の生命生息可能条件などを知る手がかりとなります。
地球規模の元素循環とは、どういう意味ですか？
たとえば生命活動に欠かせない元素のひとつ「炭素」は、様々なかたちで地球を巡っています。陸上では、植物が光合成一次生産をして二酸化炭素（CO2）から有機物をつくります。その有機物を動物が食べて、酸素を使って炭水化物を燃やすことでエネルギーを作り、CO2を大気に放出します。一方、地質学的時間をかけて地下でできた石油などの化石燃料は、人間活動や産業活動により短期間で利用され、大気中にCO2として放出されます。CO2は地球温暖化を促進させる働きをします。 炭素が巡り巡る中、生命活動や環境中でやり取りされる炭素の排出と吸収のバランスは、気候や海水などの地球環境に大きな影響を与えているのです。
これまで、陸域や海洋などの地球「表面」の生命圏が関係する生物学的な炭素循環は大きく注目されてきました。しかし、地球「内部」、つまり海底下にどんな生命活動や炭素循環があるのかは、あまりわかっていませ（図2）。特に莫大な炭素を含んでいる石炭や天然ガスなどの炭素資源の形成に、微生物の活動が関与している可能性が指摘されていましたが、本当のところはよくわかっていません。
図2 地球表層と内部の生命圏と炭素循環
海底下のどのような条件であれば、どんな生命活動が営まれるのか？その海底下の生命活動は、天然ガスなどの資源形成や炭素循環にどんな役割を果たすのか？
それらをはっきりさせれば、それをどう生かすかという未来へのアイディアにつながっていくと考えています。
海底下深部にも陸の地層が存在する
今回コア試料を採取した青森県八戸市沖の海底下とは、どんなところですか？
海底下深部に石炭層があり、そこには天然ガスの主成分であるメタンが含まれています（図3）。石炭層の上の比較的浅い海底下には、早い速度で積もった珪藻の化石や砂・火山灰などの堆積層があり、そこには次世代資源として期待されるメタンハイドレートがあります。
図3 掘削調査した八戸沖の海底下の模式図
なぜ、そんな構造になっているのですか？
八戸沖の海底石炭層は、かつてユーラシア大陸の沿岸だった場所にあったと思われます（図4）。当時、そこには湿地や森林が広がっていましたが、やがて植物が枯れて埋没し、泥炭のような有機物を多く含む地層が形成されました。それが日本海の拡大と日本列島の形成に伴い、2,000万年以上前に海底下に沈みます。長期にわたり地熱や圧力の影響を受けて、石炭や天然ガス（メタン）へと変化していきました。
図4 地殻変動の超簡略イメージ
そして石炭に含まれる有機物の一部が地層中の微生物に分解されメタンができて、一部は石炭にある無数の穴に閉じ込められたと考えられます。「コールベットメタン」と呼ばれます。また、地層中でできたメタンは上昇するものもあり、ある温度と圧力の条件下（100気圧で0℃以下、250気圧で10度以下）で水と反応してメタンハイドレートとなって、海底下数百メートルまでの地層の中で溜まったと考えられています。
採れたコア試料はどんなものでしたか？
2012年7月から9月にかけて、地球深部探査船「ちきゅう」を使って、青森県八戸市の沖合約80㎞、水深1,180mの海底下2,466mまでの掘削調査を行いました。写真2は、海底下約2kmの石炭層を採取した時のものです。
写真2 左 採取直後のコア。右 採取したコア試料はタテ半分に切り、半分は分析、残りは保管する。
この研究航海は、もともと2011年3月15日から行う予定でした。しかし直前の3月11日に東北地方太平洋沖地震が発生したため一旦延期し、2012年に実施することになりました。
私は、以前は海底下の微生物に対する純粋な興味が強かったのですが、東日本大震災で大きく意識が変わりました。掘削航海から日本がリードするサイエンスを世界に向けて発信する、という意気込みだけではなく、それらの基礎的な知見を、地球環境の維持・修復や持続的な産業社会の成長に活かすフィードバックにつなげなければ、と強く思うようになったのです。航海中は逸泥（ライザー掘削に使う泥水がなんらかの理由で地層にすわれ、掘削ができなくなる現象）などの難局に直面しましたが、「ちきゅう」の船員・掘削チームや各国から集まった国際乗船研究者のすばらしいチームワークに助けられました。世界最深部からのコア試料は、こうした中で採取に成功したものです。
その後、アメリカ、ドイツ、日本でデータを分析し、結果をまとめたのが、このたび発表した論文なのですね。
これまでで最も深い場所にいる海底下微生物を発見
海底下生命圏はどのくらい広がっていたのですか？
海底下の地層の中から生命シグナルをとらえるのは、そう簡単ではありません。地層中に生息する微生物細胞を正確に検出し、その数を評価するため、高知コア研究所の諸野祐樹主任研究員が中心となり特別な手法を開発しました。
この手法では、最初にコアサンプルを孔の細かいフィルタにかけ、フィルタ上に残ったものをDNAに吸着する染色剤で処理します。これを蛍光顕微鏡で見ると、DNAが緑色の蛍光を発します（写真3左）。しかしそこには微生物以外も含まれるため、微生物と微生物以外が発する蛍光の波長の微妙な違いを利用して（写真3中）、微生物由来の蛍光シグナルだけをイメージ解析で抽出し、コンピュータに読み取らせてカウントします（写真3右）。
写真3 蛍光顕微鏡画像
堆積物1立方センチメートルあたり10細胞程度の細胞であれば統計的に信頼できるデータをだせる技術です。それによって、細胞数が極端に少なくなる生命圏の限界域でも、正確にカウントできるようになりました。
写真4 微生物細胞数をカウントする装置と諸野主任研究員
検出精度が大きく向上したのですね。
しかし、コア試料には「ちきゅう」が掘削時にパイプ内をめぐらせる「泥水」中の、海底下由来ではない外来微生物が混入しています。泥水中の外来微生物は1ccあたり10億個と莫大です。海底下の現場に生息する微生物細胞と現場以外の外来微生物を仕分けるため、遺伝子レベルの検証が必要でした。これが非常に大変で3年を要しました。それだけ難しいサンプルなのです。
それで海底下に微生物は存在していたのですか？
今回採取した海底下2,466mまで全ての堆積物コア試料に微生物が存在するとわかりました（写真6）。これまでの海底下生命圏の深度記録を500m以上更新した成果です。
写真5 海底堆積物に生息する微生物を濃縮し、蛍光染色した顕微鏡写真。
一つ一つの細胞は、直径がおよそ500ナノメートル程度（1ミリの約2000分の1）の小さなもの。
その微生物の数は、海底下1.2㎞付近から先は全体的に急激に低下し、1㎝3あたり100個以下となりました。
実は、実験前は、世界平均のトレンドから見ても海底下2.5kmでも1㎝3あたり数千個の細胞が存在するだろうと予想していました。加えて今回の掘削では、厚さ30cm以上の石炭層が17層見つかっています。そこには炭素のほかに水素、リン、窒素など微生物の栄養源が濃集していますので、栄養源があれば微生物も多いはずと予測していました。実際に、石炭層付近で微生物数は全体に比べて100倍程度多かったのですが、全体としては非常に小さな生命圏でした。
すなわち、八戸沖の海底下環境では、この深さが生命の限界域と考えられます。ただし、世界中どこでもこの深さが生命圏の限界となるのではなく、地質学的な環境条件などによって変わります。
八戸沖の生命圏の限界とは、いったいどのような環境だったのですか。
八戸沖の海底下には、2,000万年以上前に大陸の沿岸で形成された石炭などの地層が広がっています。海底下2.5kmの温度は約60℃で、実験室内で生育可能な微生物の限界温度と言われる約120℃よりもかなり低い温度でした（図5）。
図5 研究により明らかにされている微生物の限界温度
微生物の生育に必要な栄養源は石炭などから供給され、温度や圧力も十分に微生物の生息可能な範囲であると思われました。それなのに、なぜ生命圏が限界に達したのか？考えられる仮説の一つが、「水」の存在です。
一般的に、あらゆる生物を構成するDNAやアミノ酸などの成分は、40-50℃を越えると急激に損傷することが知られています。例えば卵が、半熟からかためのゆで卵になるようなイメージです。現場の微生物が地質学的な時間をかけて地層で生き残るには、こうした損傷を治し新しいパーツを作るための酵素が必要です。その酵素を働かせるには水とエネルギーが必要ですが、今回の石炭層は水が非常に乏しいドライな環境でした（図6）。
図6 損傷を治す酵素や新たにつくる酵素が働けなかった海底下1.5㎞以深
地球の約7割は海で覆われていますが、その下に広がる生命圏の空間は、実は生物が使える「水」が存在するかどうかによって決まるのかもしれません。当たり前の話かもしれませんが、それほど生命にとって水は重要なものなのです。
海底下の微生物は、どんな種類でしたか？
コア試料から抽出したDNAの塩基配列を解読することで、微生物の種類を調べられます。その解析の結果、海底下の浅部と深部では、微生物の種類が全く違うことが分かりました。海底下約365mまでの海でできた地層には、世界各地の大陸沿岸の海底堆積物に一般的にみられる微生物がたくさん検出されました。ところが海底下約1,200～2,500mでは、そうした海の微生物ではなく、陸の森林土壌などに生息している微生物に近い種類が多く検出されたのです （図7）。
図7 海底下浅部と深部の微生物の種類
いくつかの統計学的な解析の結果から、海底下深部に検出されたこれらの微生物は、2,000万年以上前に埋没した陸の地層に由来する微生物だと推測しています。
海底下2.5kmに陸由来の微生物がいるなんて驚きですね！その微生物は2,000万年前当時から生き残っているのですか？
2,000万年前の微生物が、そのまま生き残っているのか、それとも世代交代をした子孫なのかはわかりません。どのように調べるかも、むずかしいところです。今後、詳細な遺伝子解析によって海底下の微生物の進化が見えてくるかもしれません。
海底下微生物の生命活動
この微生物は、海底下で何をしていたのでしょうか。
掘削した地層に含まれる天然ガスの化学分析の結果から、海底下では微生物の活動によるメタン（天然ガスの主成分）の生産が進行していることがわかりました。
地層に含まれるメタンの起源は、大きく分けて2通りあります。1つは微生物の活動によるもの（生物起源）。代表的な例は、メタン菌が二酸化炭素と水素からつくるメタンです。もう1つは、地熱によって有機物が分解されて生じるメタンです（熱分解起源）（図8）。
図8 メタンの起源
私たちの暮らしの中で利用される天然ガスは、有機物の熱分解によってできたものが多いと言われます。ですが、日本周辺の海底には、メタンハイドレートなど微生物によって作られた天然ガスが多く眠っていると指摘されています。
そして様々な化学分析や微生物学的なデータから、海底下約2.5kmの地層でも、現場の微生物によるメタン生成が起きているという結果が得られました。その考えをさらに確信させるデータが、培養実験からも得られました。
培養実験ですか？
そう。微生物の性質を詳細に理解するには、最終的に培養できるかどうかが決め手です。これまでに、海底下の微生物は極めてゆっくりとした時間の流れで生きているため、人間が生きている時間枠において、実験室で培養するのは極めて困難だと考えられてきました。ですが今回、海底下2kmから採取した石炭サンプルから微生物の培養に成功しました。快挙です。微生物培養のスペシャリストである井町寛之主任研究員が担当したので、本人に聞くと良いでしょう。
むむ？ 後編は世界最深部の掘削コアサンプルからメタン菌の培養に取り組んだ井町研究員にお聞きします！次回もお楽しみに。
- 参考リンク：
- 稲垣上席研究員らが発表した論文は米国科学雑誌「SCIENCE」で閲覧できます。
- 稲垣上席研究員が所属する高知コア研究所と海底資源研究開発センター
