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特集

地下深くに広がる生命体の森へ(前編)

地下深くに広がる
生命体の森へ(前編)

地球深部探査船
「ちきゅう」の挑戦

文/荒舩 良孝

現在、地球上には約175万種の生物がいると言われています。ただし、この数はあくまでも発見されている生物の数。地上や海洋と比べて圧倒的に探査が遅れていた地球深部で、近年「生命体の森」と呼べるほど、おびただしい数の微生物の存在が明らかになりました。数々の掘削調査プロジェクトを主導したJAMSTEC(海洋研究開発機構)の稲垣史生さんに伺います。

地球のブラックボックスに迫る

私たちの暮らす地球は、100以上の元素によって構成されています。その中でも、炭素はとても重要な元素です。炭素は、生命体の体を構成する元素の一つであり、石油や天然ガスのような燃料にも存在しています。地球温暖化を引き起こす原因とされる二酸化炭素にも含まれる炭素の動きを理解することは、生命や地球の歴史・未来を考えるうえで、とても大切です。

石炭の表面。動植物の死骸は、地下に埋没したのち、熱や圧力の影響を受けることで変質し、化石燃料となり、地下に貯蔵される。それを現代に生きる私たちが掘り出し、産業エネルギーとして大量に燃焼させることで、大気中の二酸化炭素濃度が急激に高くなっていった
©︎dkey/a.collectionRF /amanaimages

地上や海洋ほどには探査が進んでいない地下の世界で、炭素がどのように存在し、地表の世界と関係を持っているのか理解するため、2009年にDCO(Deep Carbon Observatory : 深部炭素観測)という国際的な科学者ネットワークが組織されました。

「もともと地球の地下圏は、生命が存在しないライフレスな環境―化石の世界と言われていました。生命が暮らすスペースも、栄養もないと思われていたのです」

そう語るのは、DCOの創設当初からJAMSTEC(海洋研究開発機構)の研究員として関わってきた、稲垣史生さんです。

稲垣 史生(いながき・ふみお)/国立研究開発法人海洋研究開発機構(JAMSTEC)マントル掘削プロモーション室 室長・上席研究員。地球微生物学者。2000年九州大学大学院農学研究科 遺伝子資源工学専攻博士課程修了。海洋科学技術センター 極限環境生物フロンティア研究員、ドイツ・マックスプランク海洋微生物学研究所 客員研究員、海洋研究開発機構 高知コア研究所 研究所長代理、海洋掘削科学研究開発センター センター長代理を経て、19年度より現職。10年 IODP(統合国際深海掘削計画)第329次航海「南太平洋環流域生命探査」共同首席研究者、12年IODP 337次航海「下北八戸沖石炭層生命圏調査」共同首席研究者、16年 IODP(国際深海科学掘削計画)第370次調査航海「室戸沖限界生命圏掘削調査」共同首席研究者を務める
(撮影:佐々木 孝行)

これまで、私たちにとって地下にある炭素のイメージと言えば、石油、石炭、天然ガスといった化石燃料でした。化石燃料は、もともと地球の表層部にいた動植物の死骸が姿を変えたもの。生命は地球の表層部分のみで栄え、死骸となることで、地下に埋没していくと理解されていました。


しかし、研究が進むうちに「地下で化石燃料がつくられるプロセスには、生物が関与しているのではないかと考えられるようになってきました」と稲垣さんは言います。

「例えば、地中に微生物が存在し、それらの微生物が埋没した動植物の死骸を食べ、メタンハイドレートなどの天然ガスにまで分解するという仮説も語られるようになりました。しかし、まだ地球の深部地下に到達していない私たちには、それを確かめる術はありません。地球の地下圏は、長い間、ブラックボックスだったのです」

地球の内部構造は卵にたとえられる。表面を薄く覆う「地殻」が卵の殻の部分にあたり、その内部には白身にあたる「マントル」、中心部分の黄身になるのが金属でできた「核(コア)」。マントルは地球の体積の83%を占めるが、人類の直接探査はいまだ地殻の下にあるマントルにさえ到達していない
©︎SCIENCE PHOTO LIBRARY /amanaimages

マントル由来の「かんらん岩」(緑色の部分)。地下600km位の深さまでのマントルは、かんらん石(宝石名はペリドット)のたくさん集まった、かんらん岩だと考えられている。また地下600km程度よりも深い部分は、かんらん岩と同じ化学組成を持つ、高圧で安定な岩石だと推測されている。
©︎JAMSTEC

DCOの科学者はこの10年間、IODP(統合国際深海掘削計画。現在は、国際深海科学掘削計画に移行)と協力して世界の海底を掘削することで、地球の深部地下について、さまざまな角度から調査しています。稲垣さんは、DCOの立ち上げ時期から関わり、深部生命研究の部門のリーダーの一人として、地下に暮らす生命について調査、研究に携わってきました。

その結果、海底に形成された堆積層*1の中に、たくさんの微生物が存在することが明らかになってきました。しかも、それらの生物は、地球の表層にいる生物とは違う、独自の進化を遂げていたこともわかってきたのです。

*1 堆積(たいせき)層

岩石惑星の地球表面には、大まかに陸地では花崗岩や安山岩、海底には玄武岩質の岩石が「地殻」として広がっている。それらの上に、礫(れき)、砂、泥、生物の遺骸などが積み重なったのが、堆積層と呼ばれる新たな地下層。長い年月をかけて圧縮され、水分が抜け、硬い岩石のような状態へと変化している。


微生物が主人公の星、地球

DCOとIODPの掲げる大きな科学目標の一つに「生命圏の限界」を理解することがあります。これまでの調査からは、温泉や塩田、海底の熱水噴出孔*2などの極限環境にも、微生物が存在することが確認されています。しかし、地球の内部に生命が存在できる限界や、なぜ生命が存在できるのか(できないのか)は、まだ正確にわかっていません。

稲垣さんは、2012年にJAMSTECの地球深部探査船「ちきゅう」を使って、青森県の下北半島八戸沖約80kmの地点にある石炭層を調べる掘削調査のリーダーを務め、その限界に迫りました。

JAMSTECが運用する地球深部探査船「ちきゅう」は、全長210m、高さ130m。世界最大の科学掘削船として、巨大地震の発生メカニズムや生命の謎に迫る調査を行ってきた
©︎JAMSTEC

この調査では、水深1,180mの海底を、さらに2,466mの深さまで掘削し、堆積層のサンプル採取に成功。当時の海洋科学掘削での世界最高到達深度記録を20年ぶりに更新しました(2018年12月に南海トラフ地震発生帯掘削計画においてコア試料を採取した際、海底下3,262.5mまで記録を再更新)

稲垣さんが手にしているのは、八戸沖の海底下2,000mから採取した直後の石炭層のサンプル。掘削調査では「コア」と呼ばれる円筒形の地層サンプルが採取される
©︎JAMSTEC/IODP


堆積層から採取したサンプルを分析した結果、まず深さ1,500〜2,500mの部分に、約2千万年前に形成された石炭層が17カ所あることが確認されました。これは、北海道南部から東北地方の太平洋沿岸に、かつて、たくさんの植物が繁茂する森や湿地が存在していたことを示しています。

稲垣さんたちは、採取したサンプルから微生物の細胞を選択的に取り出し、より高精度に確認する技術を開発しました。その技術を使って分析したことで、少量の微生物細胞やその遺伝子が確認されました。これによって、生命圏は深さ2,466mまで存在することがわかったのです。

©︎JAMSTEC/IODP

©︎JAMSTEC/IODP

堆積層に存在する微生物は、その多くが単細胞の細菌や古細菌です。海底表層付近の堆積物には、細胞数に換算して、1立方cmあたり10万〜100億の微生物が存在することも確かめられました。この数は、全世界の海洋で計算すると、約2.9×1029(29穣:じょう)個の細胞に相当します。つまり、地球深部には膨大な数の微生物が存在することになります。これらの地下微生物を炭素量に換算すると、全人類の炭素量の100倍ほどにもなるのです。

「地球の内部に“アナザーワールド”があることがわかったのです。もし、地球に他の星から知的生命体が来たら、地球は人間の星ではなく『微生物の星なんだ』と思うでしょうね。あくまで生命の個体数だけで評価すれば、の話ですが」

*2 熱水噴出孔

海底下に染みこんだ海水が、マグマからの地熱により加熱され、300℃ほどの高温となって海底から噴き出す場所。このとき海水には硫化水素、メタン、水素や金属成分などが豊富に溶け込んでいる。太陽の光が届かない深海の世界では、それらの化学物質からエネルギーを取り込む、化学合成生物がたくさん集まる。また、それらを捕食する別の生物も熱水噴出孔の周りに集まって、独自の生態系(エコシステム)が形成されている。


2千万年も隔離された世界で

また、深さ1,900m〜2,000mと2,400m付近の石炭層では、細胞数に換算して、周りの堆積層よりも千倍以上も多い微生物が存在することも明らかになりました。石炭層は栄養分に富んでいるため、同じ堆積層の中の他の部分と比べて、たくさんの生命が育まれることとなったのでしょう。

海底下約2kmの石炭層のコアサンプルから培養された世界最深部の海底下微生物群集。A:石炭層に付着する微生物細胞と、C:胞子様の細胞(矢印)を示す光学顕微鏡写真。ともに右下白線のスケールは10㎛
©︎JAMSTEC

深さ365mまでの堆積層の表層部分と、1,200mより深い深層部分の微生物を比べると、深層部分には、陸の森林地帯などに生息している微生物に近い種の微生物が生息していることがわかりました。八戸沖の堆積層深部に暮らす微生物は、2千万年以上前に陸地にいた微生物が、海底下の環境に適応したものだと考えられています。

つまり、森林や湿原だった土地が埋没して海底下の堆積層になっても、その当時の微生物生態系の一部を維持しながら、独自の進化を遂げていたのです。

「人間の体にも、腸内や肺、口の中など様々なところに無数の微生物が住んでいます。たとえ強酸性の胃の中であっても、ピロリ菌のような微生物がいます。そこではものすごくエネルギーリッチで、人間の体内に順応した生態系ができている。それらのゲノム遺伝子を網羅的に解読して、医療に役立てようとする研究も行われています」

「一方で、地球内部はものすごいエネルギープアで、微生物でも呼吸することが難しい極限的な環境です。しかし、そんな環境でも、独自の生態系ができていることがわかりました」


(撮影:佐々木 孝行)

「発見された微生物たちは、堆積層に残った有機物を分解しながら天然ガスの主成分であるメタンや石炭の熟成に寄与しています。人体で言うと、まさに腸内細菌の働きです。地球そのものが、そうした生命体としての機能を持っているという説を唱える人もいます」

石炭層のサンプルから培養されたメタン生成菌。他の細菌が堆積層に残っている有機物を分解、最終的にメタン生成菌が水素と二酸化炭素からメタンをつくる。石炭の熟成にもこれらの微生物の働きが重要だと考えられている。白線のスケールは10㎛
Image courtesy of Hiroyuki Imachi (Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology (JAMSTEC), Japan).

「埋没によって2千万年以上、外部から隔離された世界でも、非常にゆっくりとした速度で有機物が分解され、最終的にメタンがつくられる。言うなれば、海底下に『生命体の森』とも言える生態系の機能が保持されていたのです」


地下深くの“超スローライフ”

稲垣さんの研究チームでは、「ちきゅう」で掘削した堆積層のサンプルから微生物を効率よく分離し、培養する独自の技術*3を開発してきました。その結果、海底下2,000m付近に生息する微生物を培養することにも成功しています。

「地球生命の進化のプロセスを考えると、住みかとなる堆積層が次第に深くなり、栄養供給が制限された地質環境に適応して進化してきたプロセスがあるはずです。そうでなければ、海底下2,500m付近の地層に生命は存続できないでしょう」

石炭に膨大な数の微生物が付着し増殖している様子がわかる走査型電子顕微鏡写真。海底下約2,000mから採取された石炭層のサンプルを粉末にし、スポンジに染みこませた後、無酸素環境で培養したところ、たくさんの微生物を確認できた
©︎JAMSTEC

「外部から隔離されて2千万年も時間が経過すれば、微生物の数は減ってきます。絶滅した微生物種の役割を補うことができないのに、有機物が分解されメタンが生成される生態系のシステムが維持されているのは、本当に謎に満ちていますし、美しいと思います。これは言うなれば“超スローライフ”からなる『究極のエコなシステム』だと思います」

海底下に暮らす微生物の実態や機能がより詳しくわかってくれば、エネルギー資源がどこに、どういう形で存在しているのかを理解するための大きな手がかりを与えてくれるでしょう。


©︎JAMSTEC/IODP

「地球規模の課題を解決し、持続可能性を見出すのは、基礎科学の重要な役割だと思います。現在、地球が抱えている多くの課題は、地球環境と人間社会との調和に集約されます。その解決と持続可能性のためのヒントは、おそらく地球システムの中にあるはずです。地球そのものが持っているシステムを発見し、活かしていくことが重要になります」

地球深部の生命圏には、生物がどのように地下環境に適応したのか、生き残った生物はどのような生存戦略を採用したのかといった謎が、まだたくさん残されています。

それらの謎が解き明かされることで、深部地下につくられた生命圏が地球でどのような役割を持っているのか、そして、それが表層の生物や環境にどんな影響を与えているかが明らかになってくるはずです。

©︎JAMSTEC/IODP

そうした発見の中から、地球温暖化や海洋酸性化といった地球規模の環境問題を解決し、地球環境と人間社会を調和させるような手立てが見出されるかもしれません。

©︎JAMSTEC/IODP

地球深部に存在することがわかった微生物による生態系の森を、しばしば人間の体内にあるシステムにたとえた稲垣さんは、大学では農芸化学を専攻し、お酒や食品に使われる微生物発酵や、抗生物質を生産する微生物について研究していました。どのようなきっかけで、深部地下生命を研究するようになったのでしょうか。

>>地下深くに広がる生命体の森へ(後編) へ続く

*3 独自の技術

JAMSTECではかねてから、陸上の温度と気圧に触れさせることなく、深海と同様の低温高圧を保ったまま微生物を回収・培養するための装置を制作してきた。下北八戸沖の掘削調査では、水処理技術を応用して、微生物の棲み家になるポリウレタンスポンジを入れたガラス製容器(バイオリアクター)から構成される「下降流懸垂型スポンジ(DHS)バイオリアクター」による培養法を開発した。

©︎JAMSTEC/IODP


Profile
Writer
荒舩 良孝 Yoshitaka Arafune

1973年生まれ。科学ライター。東京理科大学在学中より科学ライター活動を始める。宇宙論から日常生活で経験する科学現象まで幅広い分野をカバーし、取材・執筆活動を行ってきた。日々、新発見が続いている科学のおもしろさを、たくさんの人に伝えていきたいと思っている。主な著書は『5つの謎からわかる宇宙』(平凡社)、『思わず人に話したくなる地球まるごとふしぎ雑学』(永岡書店)など。

Editor
神吉 弘邦 Hirokuni Kanki

NATURE & SCIENCE 編集長。コンピュータ誌、文芸誌、デザイン誌、カルチャー誌などを手がけてきた。「微生物の働きを考えることで、私たち自身の身体と、地球や他の惑星が地続きであると感じられました。新しい時代、いよいよ人類未到のマントルへ。JAMSTECが挑む直接探査の成功に期待がかかります」

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