細胞が光なしで「ダーク酸素」を作る秘密

この物語 のオリジナル版はQuanta Magazineに掲載されました。

科学者たちは、私たちの足元の土壌や岩石の中に、地球上の海洋全体のほぼ2倍の体積を持つ広大な生物圏が存在することを認識するようになりました。地球上の微生物の大部分を占め、その多様性は地上の生命体を上回る可能性があるこれらの地下生物については、ほとんど何も分かっていません。彼らの存在には大きな謎が伴います。研究者たちはしばしば、これらの地下領域の多くは酸素が欠乏したデッドゾーンであり、代謝を極端に抑え、微量の栄養素でなんとか生き延びている原始的な微生物だけが生息していると考えてきました。これらの資源が枯渇するにつれて、地下環境はより深くなるほど生命のいないものになると考えられてきました。

ネイチャー・コミュニケーションズ誌に6月発表された新たな研究で、研究者らはこうした仮説に疑問を投げかける証拠を提示した。カナダ・アルバータ州の化石燃料田の地下200メートルの地下水貯留層で、光がない場合でも予想外に大量の酸素を生成する微生物が豊富に存在するのが発見された。微生物は研究者らが「暗黒酸素」と呼ぶものを大量に生成・放出するため、「アマゾンの熱帯雨林で光合成によって得られる酸素の規模」を発見するようなものだと、テネシー大学の地下微生物学者でこの研究には参加していないカレン・ロイド氏は述べた。細胞から拡散するガスの量が非常に多いため、周囲の地下水や地層で酸素依存型生物にとって好ましい条件を作り出していると思われる。

「これは画期的な研究です」と、トロント大学の地球化学者バーバラ・シャーウッド・ロラー氏は述べた。同氏は今回の研究には関わっていない。過去の研究では、地下生物にとって不可欠な水素やその他の分子を生成するメカニズムがしばしば検討されてきたが、酸素を含む分子の生成については、地下環境で急速に消費されるため、ほとんど見過ごされてきた。「これまで、これほど多くの点を網羅した研究は他にありません」と彼女は述べた。

新たな研究は、カナダのアルバータ州の深層帯水層を対象としました。アルバータ州は、地下タール、オイルサンド、炭化水素が豊富に埋蔵されていることから、「カナダのテキサス」と呼ばれています。州では畜産業や農業が盛んに行われており、地下水に大きく依存しているため、州政府は地下水の酸性度と化学組成を積極的に監視しています。しかし、地下水の微生物学を体系的に研究した人はいませんでした。

エミル・ラフにとって、2015年にカルガリー大学で微生物学のポスドク研究員として研究を始めた頃、このような調査を行うことは「簡単にできる成果」のように思えた。しかし、この一見単純な研究が、その後6年間、彼に大きな負担をかけることになるとは、知る由もなかった。

混雑した深淵

アルバータ州全域の95の井戸から地下水を採取した後、ラフ氏らは基本的な顕微鏡検査に着手した。地下水サンプル中の微生物細胞を核酸染色し、蛍光顕微鏡を用いて細胞数を数えた。サンプル中の有機物の放射性年代測定と採取深度を調べることで、研究者たちは採取していた地下水帯水層の年代を特定することができた。

数値に見られるあるパターンが彼らを困惑させた。例えば海底堆積物の調査では、通常、微生物細胞の数は深度とともに減少することが分かっている。古く深いサンプルは、表層近くの光合成植物や藻類が作り出す栄養素からより隔離されているため、多くの生命を維持できないのだ。しかし、ラフ氏のチームを驚かせたのは、古く深い地下水には、淡水よりも多くの細胞が含まれていたということだった。

研究者たちはその後、分子生物学的手法を用いてサンプル中の微生物の同定を開始し、特徴的なマーカー遺伝子を同定した。その多くはメタン生成古細菌であった。メタン生成古細菌は、岩石から滲み出る水素と炭素、あるいは分解中の有機物からメタンを生成する単純な単細胞微生物である。また、メタンや水中のミネラルを餌とする細菌も多数存在していた。

しかし、腑に落ちないのは、バクテリアの多くが好気性菌、つまりメタンなどの化合物を分解するために酸素を必要とする微生物だったことです。光合成が不可能なのなら、酸素がないはずの地下水で好気性菌が繁殖できるはずがありません。しかし、化学分析の結果、深さ200メートルの地下水サンプルにも大量の溶存酸素が含まれていることが判明しました。

前代未聞の出来事だった。「サンプルを台無しにしてしまったのは間違いない」というのがラフの最初の反応だった。

彼はまず、サンプル中の溶存酸素濃度が不適切な取り扱いによるものだと示そうとした。「シャーロック・ホームズのようなものだ」とラフ氏は言う。「仮説を反証するために、証拠や兆候を探そうとする」のだ。しかし、溶存酸素濃度は数百のサンプルを通して一貫しているように見えた。不適切な取り扱いでは説明できなかったのだ。

溶存酸素が汚染物質由来でないなら、一体どこから来たのだろうか？ラフは、物議を醸すような主張をするのは性に合わないと感じていたものの、自分が大きな発見の瀬戸際にいることを認識していた。共著者の多くも疑念を抱いていた。この発見は、地下生態系に関する私たちの理解の基盤を根底から揺るがす恐れがあったからだ。

すべての人に酸素を

理論上、地下水中の溶存酸素は、植物、微生物、あるいは地質学的プロセスに由来する可能性がある。その答えを見つけるため、研究者たちは原子同位体の質量を測定できる質量分析法に着目した。一般的に、地質学的起源の酸素原子は生物起源の酸素よりも重い。地下水中の酸素は軽かったため、生物由来であることが示唆された。最も可能性の高い候補は微生物であった。

研究者たちは地下水中の微生物群集全体のゲノム配列を解析し、酸素を生成する可能性が最も高い生化学的経路と反応を突き止めた。その答えは、カルガリー大学のマーク・ストラウス氏が10年以上前に行った発見に帰結した。ストラウス氏は今回の研究の筆頭著者であり、ラフ氏が所属していた研究室の所長でもあった。

2000年代後半、オランダの研究室で研究をしていたストラウス氏は、湖沼の堆積物や下水汚泥によく見られるメタンを餌とする細菌の一種が奇妙な生態をしていることに気づいた。この細菌は、他の好気性細菌のように周囲から酸素を取り込むのではなく、酵素を使って亜硝酸塩（窒素と酸素原子2個からなる化学基を含む）と呼ばれる水溶性化合物を分解し、自ら酸素を生成していた。そして、自ら生成した酸素を使ってメタンを分解し、エネルギー源としていた。

微生物がこのように化合物を分解することを不均化反応と呼びます。これまで、自然界で酸素を生成する方法として不均化反応が見られるのは稀だと考えられていました。しかし、人工微生物群集を用いた最近の実験では、不均化反応によって生成された酸素が細胞から周囲の培地に漏れ出し、他の酸素依存型生物に有益な影響を与えることが明らかになりました。これは一種の共生プロセスです。ラフ氏は、このプロセスこそが、好気性微生物群集全体が地下水中、そしておそらく周囲の土壌中でも繁栄することを可能にしているのではないかと考えています。

他の場所の生命のための化学

この発見は、広大な地下生物圏がどのように進化してきたのか、そして不均化が地球環境を移動する化合物の循環にどのように寄与しているのかについての理解における重要なギャップを埋めるものです。地下水に酸素が存在するという可能性は、「地下の過去、現在、そして未来についての私たちの理解を変える」と、現在マサチューセッツ州ウッズホールにある海洋生物学研究所の助手であるラフ氏は述べています。

地球の地下に何が生息しているかを理解することは、「その知識を他の場所で応用する上で極めて重要」だとシャーウッド・ロラー氏は述べた。例えば、火星の土壌には過塩素酸塩が含まれており、地球の一部の微生物はこれを塩化物と酸素に変換できる。木星の衛星エウロパには深い凍った海があり、太陽光は届かないかもしれないが、光合成ではなく微生物の不均化反応によって酸素が生成されている可能性がある。科学者たちは、土星の衛星の一つであるエンケラドゥスの表面から噴き出す水蒸気の柱を観測した。この柱は、おそらく液体の水の地下海から発生している。もし将来、私たちがそのような他の惑星で生命を発見した場合、それは不均化反応を利用して生存している可能性がある。

宇宙の他の場所で不均衡がどれほど重要であるかはさておき、ロイドは、今回の新たな発見が生命の必要性に関する先入観を覆すものであること、そして地球最大の生物圏の一つであるこの惑星に関する科学的無知を露呈していることに驚いている。「まるでずっと恥をかかされてきたかのようです」と彼女は言った。

編集者注：ラフ氏は、サイモンズ財団から若手研究者向けの助成金を受けています。同財団は、編集上独立した科学ニュース誌であるクオンタ誌の支援も行っています。助成金の決定は、編集記事の内容に影響を与えません。

オリジナルストーリーは、数学、物理科学、生命科学の研究の進展や動向を取り上げることで科学に対する一般の理解を深めることを使命とする、 シモンズ財団の編集上独立した出版物であるQuanta Magazineから許可を得て転載されました。