マッドサイエンティストが1億年前の微生物を復活させる

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これは、科学者たちがいかにして海の最も深く暗い深海へと赴き、堆積物の76メートルも下まで掘り下げ、古代の微生物群集を採取し、研究室に持ち帰って蘇らせたかという、奇妙な物語です。そしてあなたは思うでしょう。「すでに恐ろしい2020年に、なぜ彼らはこんな運命に挑戦したのか？」と。ところが、全てが順調なだけでなく、実に素晴らしい状態であることが判明しました。少なくとも、人類から遠く離れた世界の深海の泥の中では。

この物語は1億年以上前、私たち人類が現在太平洋と呼んでいる場所の真ん中で始まります。火山岩が海底の硬い「基盤」（地質学者の言葉で言うところの）を形成し、その上に堆積物が堆積し始めました。しかし、それは私たちが想像するような堆積物ではありませんでした。

世界の他の地域の海では、海底堆積物の多くは有機物です。極小のプランクトンから大型のクジラまで、動物の死骸は死後沈み、泥となり、それを腐食動物が吸い上げて排泄します。アメリカ大陸の西海岸はその典型的な例です。湧昇流が深海から栄養分を運び、それが表層近くのあらゆる種類の生物の栄養となり、さらにその表層近くのより大きな動物の栄養となり、食物連鎖の上位へと続きます。すべての生物は最終的に死んで海底に沈み、そこで堆積物は底生生物の餌となります。海は生命で満ち溢れているため、実に濁っています（例えば、カリフォルニア州の非常に生産性の高いモントレー湾を考えてみてください）。有機物は海底で非常に速く蓄積するため、腐食動物がたどり着く前に、その多くはさらに深い有機物の層の下に埋もれてしまいます。

対照的に、太平洋の真ん中には確かに生命は存在しますが、その数ははるかに少ないです。そのため、オーストラリアとニュージーランドの沖合の海水は世界でも有数の透明度を誇ります。湧昇がなく、表層部の生命もはるかに少ないため、海底に沈んで堆積物となる有機物もはるかに少なくなっています。沈んだわずかな有機物は、ナマコのような希少な底生生物によってすぐに吸い上げられます。

「地球表面の70%を覆うにもかかわらず、地球上で最も探査が進んでいない大規模バイオームです」と、今回の探検隊の共同リーダーであり、ネイチャー・コミュニケーションズ誌に発表された今回の研究成果に関する新論文の共著者でもあるロードアイランド大学のスティーブン・ドント氏は語る。「そして、私たちはこのバイオームについて、あまりにもほとんど何も知らないのです。」

ニュージーランドの北東約2,200キロの深さ19,000フィートまでドリルを投下し、ドント氏とその同僚たちは、これらの古代の深海堆積物に生命が存在するかどうかを探るミッションに挑んでいた。海底の大部分は、陸地から吹き飛ばされた火山灰や宇宙から飛来した金属片で構成されている可能性がある。「宇宙の破片も測定可能な割合で含まれています」とドント氏は言う。「浅い粘土層を磁石でトロールすれば、微小隕石が見つかるでしょう。」

ナマコが生息する堆積物の表層でさえ、相対的に見て微生物は非常に少ないと予想される。「そこの海底では、1立方センチメートルあたり100万個の微生物がいるかもしれません」とドント氏は言う。「一方、サンフランシスコ沖では、1立方センチメートルあたり10億個から100億個いるかもしれません」。研究者たちは、有機物がほとんど存在しないさらに深いところでは、微生物の数も少なくなると予想していた。

これらの微生物を捕獲するため、研究者たちは75メートルもの超微細堆積物を掘削し、火山岩の基盤に達するまで掘り下げ、サンプルを採取した。付近で行われた以前の掘削から、1億150万年前の堆積物が採取されるだろうと分かっていた。この海域では、堆積物は100万年ごとに約10センチメートルの速度で堆積する。

海洋研究開発機構（JAMSTEC）の地球微生物学者で、今回の論文の筆頭著者でもある諸野由紀氏は、堆積物のサンプルを手に、超微細堆積物の中から極小の微生物を探し出さなければならなかった。原理的には、このプロセスは簡単なはずだった。諸野氏はDNAを染色する化学物質を用い、無数の堆積粒子にまぎれ隠れていた微生物を探し出した。

彼が発見したのは驚くべきものだった。堆積物1立方センチメートルあたり10の11^乗個という、理論上は生命の存在自体が極めて少ないはずの細胞数だった。JAMSTECの理事たちは狂喜乱舞した。「彼らは画期的な成果で教科書を塗り替えるだろうとか言っていました。私は本当に心配しました」と諸野氏は振り返る。栄養分も酸素もほとんどない堆積物中にこれほど多くの細胞が存在することは、彼に警鐘を鳴らした。そこで諸野氏は自らの手法と結果を検証し、確かに何かがおかしいことを発見した。「最終的に、半年ほどで、結果が間違っていたことを証明することができました。以前の技術で検出した細胞の99%以上は、細胞ではなかったのです」と彼は語る。

彼が学術誌に投稿した論文は、当時査読中で、掲載を取り下げざるを得ませんでした。しかし、彼はもう一度挑戦してみることにしました。「あのひどい悪夢の記憶をもとに、念のために技術開発を試みました」とモロノ氏は言います。

問題はDNAを染色する化学物質にあったことが判明した。この化学物質は、細胞によく似た球状の小さな粒子である他の堆積粒子も染色してしまうのだ。「悪夢のような記憶から分かったのは、微生物は蛍光として緑色に染まるのに対し、DNA染色液を吸収した有機化合物や有機粒子は蛍光によって黄色っぽく染まるということです」とモロノ氏は言う。今回、この新しい技術によって、彼の微生物集団のほぼすべてが普通の堆積物であることがわかった。

しかし、だからといって微生物が存在しないわけではなく、モロノはただ、それらを濾過する方法を見つける必要があった。その解決策とは…ある溶液、具体的には生物学者が細胞を分離するために用いる高密度溶液だった。モロノは堆積物のサンプルを採取し、その溶液の上に置き、遠心分離機で回転させた。微生物は堆積物の他の部分よりも密度が低いため、濾過されて除去されるが、高密度の無機粒子は溶液中に残る。

「最終製品は培養された微生物です」とモロノ氏は言う。「通常、単一の微生物細胞は黄色っぽい物質の束に囲まれていますが、精製することで真に緑色の微生物細胞だけを取り出すことができました。」

モロノは、1億年前の細胞群を分離した。その多くは好気性細菌、つまり酸素呼吸を行う細菌と、古細菌と呼ばれる単細胞生物だった。そして、優れた科学者なら誰もがそうするように、モロノは炭素と窒素を与えることで、これらの細胞群を蘇らせた。わずか68日後――微生物の地質学的時間スケールである1億年の中では、ほとんど感知できないほどのわずかな時間――特定の種類の微生物の数は4桁も増加した。研究者たちは、これらの微生物が栄養を吸収するにつれてどのように体重が増えていくかを実際に測定することができた。「信じられないことでした」とモロノは言う。「99%以上の微生物が蘇生できたのです」

バクテリアは、陸、海、空、そして私たちの体にまで広がる何十億もの細胞の群れを連想させるかもしれません。しかし、モロノ氏と彼の同僚たちは、少数の古代細胞を単離し、それらを活性化させ、より大きなコミュニティを形成させることに成功しました。「このアプローチは、それぞれの微生物細胞が何を『食べている』かを明らかにし、私たちが普段目にすることのない世界を垣間見ることができる窓を提供してくれます」と、この研究には関わっていないETHチューリッヒの地質生物学者カーラ・マグナボスコ氏は述べています。「バクテリアや古細菌を、集団コミュニティではなく個々の細胞として研究できるようになることで、地球上で微生物がどのように生き延びているのか、より多くの発見につながることは間違いありません。」

泥水深250フィート（約75メートル）の栄養分と酸素に乏しい生息地から運ばれてきた微生物たちは、一種の冬眠状態から戻ってきたようで、実際には生きているわけでも死んでいるわけでもなかった。「これは私たちの概念を覆すものです。人間にはこのような観察の時間スケールがないからです」と、ドイツ地球科学研究センターの地質微生物学者で、今回の調査には参加したものの、今回の論文の共著者ではないイェンス・カルマイヤー氏は言う。「考えてみれば、これは恐竜が絶滅した数千万年前の堆積物です。つまり、とてつもなく古いものです」

しかし、科学が人類にとって太古の脅威を解き放ってしまったかもしれないと恐れる必要はありません。「人間の病原体は一般的に深海の堆積物には存在せず、これらの微生物は人類の起源より約1億年前から堆積物の生息地に閉じ込められてきました」とドント氏は言います。「そのため、人類や他の現生動物と共に進化する機会がなかったのです。」

しかし、酸素を供給する海水から遠く離れた泥の中で、バクテリアはどのようにしてこれほど長く生き延びたのでしょうか？極度の資源不足に耐えられるように進化した生物が生息する深海の生態系は、大量の微生物が有機物（ついでに酸素も）を消費する活気あふれる海底よりも有利であることが判明しました。深海の荒地であるこの海底では、堆積物の表面での微生物の活動がはるかに少ないため、余剰酸素が古代の微生物に浸透することができます。確かに微量ですが、それでも何かの役には立ちます。

「彼らは地質学的な時間を超えて、非常に長い間そこに留まり、より良い条件が訪れるのを待っていたに違いありません。そしてついに、彼らは蘇生のチャンスを得たのです」と、海洋研究開発機構（JAMSTEC）マントル掘削推進室長で、今回の掘削調査の共同リーダーを務め、今回の論文の共著者でもある地球微生物学者の稲垣文夫氏は述べています。「これは、地球はもちろんのこと、火星の地下など、他の惑星における生命の居住可能性を理解する上でも重要な情報を提供するものと考えています。もちろん、火星の表面は生命の居住可能性を調査するための理想的な場所ではないかもしれませんが、深く潜れば生命を発見できる可能性があると思います。」

ちなみに、NASAは木曜日にも次の火星探査ミッションを打ち上げます。赤い惑星での生命探査が目的です。探査機は来年初めに火星に着陸し、探査車を送り出して岩石を採取する予定です。ですから、2021年には（古代の微生物に関する）良いニュースがもう少しあるかもしれません。

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