海洋研究開発機構(JAMSTEC)と東京大学大気海洋研究所は10月11日、下北半島八戸沖の46万年前の海底下地層中に大量の「生きている」微生物細胞を確認したことを発表した。JAMSTEC高知コア研究所地下生命圏研究グループ兼同機構海底資源プロジェクト地球生命工学研究グループの諸野祐樹主任研究員と稲垣史生グループリーダー、東京大学大気海洋研究所の研究グループらによる研究で、成果は日本時間10月11日に「米科学アカデミー紀要(Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America)」電子版に掲載された。

今回、研究グループは、JAMSTECの地球深部探査船「ちきゅう」が下北半島八戸沖約80kmの海底(水深約1180m)から得た掘削コア試料(海底下深度219mの部分)を用いて、地球のバイオマスの約10%を占めるという海底下における微生物群集の生存活動に関しての研究に取り組んだ。生命維持に不可欠とされる炭素や窒素の代謝の実体解明に挑んだのである。

近年、次世代のクリーンエネルギーとして、燃焼時に石油や石炭よりもCO2排出量が少ない「メタンハイドレード」などの未採掘の海底資源の可能性が注目されるようになってきた。メタンハイドレードは、その生成過程において海底下の微生物の活動が極めて重要な役割を担っていると考えられている。

しかし、海底下の微生物細胞は著しく代謝活性が低いことなどから、その詳細な解析は地球で最も困難な生態系であるといわれている。これまでに間接的なものであれば海底下の生命活動を示唆するデータは得られているものの、どのぐらいの割合が実際に「生きている」(増殖や呼吸代謝などの生命機能を保持している状態)のか、そうした基礎的な疑問ですら未解明だったのである。

研究グループでは今回、海底下の微生物の代謝を調べるため、追跡可能な物質として分子内の炭素原子や窒素原子をそれぞれの安定同位体原子(13C、15N)で置換したさまざまな栄養源(グルコース[ブドウ糖]、酢酸、ピルビン酸、重炭酸、アミノ酸、メタン、アンモニア)を試料に加え、東京大学海洋研究所および仏キュリー研究所が所有する超高解像度2次イオン質量分析計「NanoSIMS」(画像1)を用いて、個々の細胞(サイズは0.5～1μm)ごとに栄養源の取り込みを可視化し、取り込み量と速度を評価した。

画像1。超高解像度2次イオン質量分析計(NanoSIMS)。NanoSIMSを用いた超高解像度2次イオン質量分析では、安定同位体原子で置換された栄養源を取り込んだ(同化した)微生物を、最小50nmの空間分解能で可視化し、栄養源の取り込み量を定量することが可能だ。JAMSTEC高知コア研究所に2011年11月導入予定となっている

各種栄養源を添加した海底下の微生物細胞を分析した結果、メタンを除いたすべての炭素・窒素化合物が取り込まれていることを確認(画像2)。また、栄養源を取り込むことのできる(生存している)微生物の割合は最大で全体の76%を占めており(画像3)、過去約46万年前に形成された海底下深部の地層(深度約219m)中に、現在でも膨大な数の微生物が生きていることが、世界で初めて細胞単位で実証されたというわけだ。

画像2。炭素(13C)および窒素(15N)安定同位体でラベルされた栄養源を取り込んだ微生物細胞のNanoSIMS画像。海底下の試料に添加した安定同位体(13Cまたは15N)の取り込みが大きい微生物細胞が可視化されている。細胞1つあたりの大きさは、0.5～1μm

画像3。(A)は、各種栄養源を取り込んだ微生物の割合と栄養源添加による細胞分裂の回数。グルコース、ピルビン酸、混合アミノ酸を添加した系では細胞数の増加が見られたのに対し、酢酸や重炭酸、メタンを添加した系では細胞数の増加は見られなかった。(B)は、炭素安定同位体(13C)で標識されたグルコースを取り込んだ細胞のNanoSIMS分析画像の例

生きていることの具体的な証拠として、与えた栄養源の中でもグルコース、ピルビン酸、アミノ酸といった高い代謝エネルギーを生む物質を与えた場合にのみ、微生物が細胞増殖できることが判明した。一方、細胞増殖のための代謝エネルギーが取りにくい酢酸や二酸化炭素の場合は、栄養源は細胞内に取り込まれるものの、細胞の増殖は認められなかったのである(画像3)。

また、海底下の微生物が栄養源を細胞内に取り込む速度は、1細胞が平均1日辺りに約1京分の1グラムに相当し、大腸菌などの一般的な微生物の活性と比べて極めて遅い(大腸菌の約10万分の1以下)ことが確認された。これは従来不明確だった海底下深部の微生物細胞の代謝活動を、世界で初めて定量的に評価した画期的な成果となった。

さらに、海底下の微生物に添加した窒素の取り込み率が、炭素の取り込み率よりも高い傾向であることも判明(画像4)。これは、微生物細胞が窒素の取り込みをコントロールすることにより、細胞内エネルギーを節約し、海底下という栄養源に乏しい環境下で長期間生存していることを示唆している。また、これらの成果は海底下における生命進化や極限環境への適応能力の解明につながる可能性があるとした。

画像4。炭素安定同位体(13C)で標識されたグルコースと窒素安定同位体(15N)で標識されたアンモニアを取り込んだ微生物細胞のNanoSIMSを用いた分析例。(A)の赤色は13C-標識グルコースで、緑色は15N-標識アンモニアの取り込みを示すNanoSIMS画像を重ね合わせた合成画像。(B)は、(A)の画像で番号をつけた各細胞(または細胞部所)における炭素と窒素の取り込み割合。炭素の取り込み率よりも窒素の取り込み率の方が大きいことを示している。点線は炭素と窒素を1:1の割合で取り込んだ場合を示す

今回の分析手法については、地球科学と生命科学における先端研究手法を融合して導き出したものであり、地球深部探査船「ちきゅう」によって得られる海底下の深部フロンティアの研究を初め、分野横断的な学際研究の発展に大きく貢献することが期待されている。

また今回の成果については、海底下の深部生命の実態や代謝機能、その生理・生化学的特徴などについての理解を促進させ、生命活動が関与するさまざまな物質循環プロセスなどの解明につながるとした。例えば、日本近海の海底下に豊富に存在するといわれるメタンハイドレードや天然ガスといった炭化水素資源の成因の解明や、地球温暖化物質であるCO2を海底下の微生物が有機物へと変換させる潜在能力の評価と機能開発など、次世代の経済社会の合理的、効果的な進展に貢献することが期待されている。