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2017年11月21日 (火)

海底下生命圏の微生物群が地球の元素循環を促進している

海底下には、地球表層の生命群とは大きく異なる進化を遂げた生命圏が構成されています。
そして、これらの微生物の代謝活動が、地球における元素循環を促進しています。
一方、この微生物は細胞の倍加速度(≒成長速度)が非常に遅いことが判明しました。極限環境の中では、成育速度を抑えることで、代謝にもちいる材料が不足した場合の適応可能性を高めてきたのかもしれません。
◇JAMSTEC、海底下2000mの石炭層に倍加時間が数百年以上の微生物群を発見リンク
<>より
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地球表層の約7割を占める海の下には、約1029細胞の微生物が生息する広大な「海底下生命圏」が存在することが知られている。これまでの科学掘削調査において、海底下に生息する微生物の多くが地球表層の生命と系統的に大きく異なり、特異な進化を遂げた性状未知の微生物種から構成されることや、有機物に富む大陸沿岸域の海底堆積物に生息する微生物の多くが「生細胞」であること、外洋の堆積物環境に酸素が豊富に存在する好気的な生命圏が広がっていることなどが明らかになっている。さらに、2012年には海底下2,466mまでの掘削コアサンプルの採取に成功し、世界最深の海底下微生物群集の存在が確認された。
これらの成果は、地球内部の地下環境に「陸」や「海」の生命圏とは特性が大きく異なる「第三の生命圏」が存在し、そこに生息する微生物の代謝活動が、有機物の分解や天然ガス(メタン)の生成など地球規模の元素循環に大きな役割を果たしている。一方、海底下深部にいる微生物の栄養源や生育の速さについては不明であったため、2012年、地球深部探査船「ちきゅう」により八戸沖の水深1,180 mの海底から採取された海底下約1.6 kmの泥岩層と2.0 km付近の石炭層(褐炭)のサンプルを用いて、単一細胞レベルのより詳細な分析研究を実施した。
同サンプルを無酸素環境下で滅菌されたガラス瓶に入れ、炭素、窒素、水素の安定同位体で標識されたメタノール、メチルアミン、アンモニウムイオン、重水を基質としてそれぞれ少量ずつ添加し、現場環境に近い温度で暗所に静置した。実験開始から30ヶ月後、ガラス瓶の中に含まれるメタンや溶存無機炭素(二酸化炭素)の炭素・水素安定同位体組成を測定した。次にガラス瓶から取り出したサンプルに含まれる微生物細胞をセルソーターを用いて分取・濃縮した後、1細胞あたりに取り込まれた安定同位体の量を、超高空間分解能二次イオン質量分析器(NanoSIMS)を用いて測定した。さらに、それらの細胞からゲノムDNAを抽出し、次世代シーケンサーを用いて16S rRNA遺伝子断片の塩基配列を解読し、この実験により生育した微生物の種類を同定した。
その結果、安定同位体で標識された基質をサンプルに添加してから30ヶ月後、ガラス瓶の中に含まれるメタンの約0.04%が"重い"メタン(13Cに富むメタン)に変化していた。これは、13Cで標識されたメタノールやメチルアミンを基質とするメチロトローフな代謝活動によるもので、微生物が生育のためのエネルギーを獲得し、最終産物としてメタンが生産されたことを示唆している。
同様に、溶存無機炭素も30ヶ月後には"重い"二酸化炭素(13Cに富む二酸化炭素)へと変化していた。これらの結果は、地層中に生息する微生物群がメタノールやメチルアミンといった石炭層(褐炭)に多く含まれるメチル化合物を分解・消費し、最終的にメタンや二酸化炭素を産生する代謝が起きていることを示している。
~中略~
この研究では、炭素や窒素の同化作用を示した全ての微生物細胞が、重水に由来する水素(2H)を窒素(15N)とほぼ同じ割合で同化していたことが明らかとなったほか、細胞に同化されたメチルアミンやメタノールに由来する13Cの量は、15Nや2Hよりも少ない傾向が認められた。これは、メチルアミンやメタノールが、細胞を構成する新しい生体化合物の元素として使われるだけではなく、呼吸によりエネルギーを獲得する代謝に使われ、その代謝産物が細胞外に排出されたためと推察される。さらに、1細胞あたりの全窒素と全水素の量と、30ヶ月間に固定された15Nや2Hの量の割合から、細胞の倍加時間を推定したところ、数十年から数百年の時間を要することが明らかになった。
また、30ヶ月後のサンプルから直接ゲノムDNAを抽出し、微生物の種類を調べた結果、それらの多くが約2000万年前の陸域の森林土壌や浅海の堆積物環境に由来する固有の地下微生物であることが確認されたとともに、長期生存のための内生胞子を作る微生物種や好熱性細菌と推測される微生物種が検出された。
これらの研究成果は、大陸沿岸の有機物に富む海底堆積物に生息する地下微生物群が、地層中に含まれる有機成分を持続的に分解し、地質学的時間スケールと空間規模で、石炭の熟成や天然ガス(メタン)の生成といった炭化水素資源の形成プロセスに重要な役割を果たしていることを示唆している。
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稲依小石丸

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