地下深くに広がる
生命体の森へ（前編）

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。

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。

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。

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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」

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。

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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。

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）

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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。

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」

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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。

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」

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「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」

「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」

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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」

「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。

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「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。

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。

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

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