北極の奥地で光がなくても光合成する植物

この物語 のオリジナル版はQuanta Magazineに掲載されました。

生命のエンジンのほとんどは太陽光で動いています。大気中を降り注ぐ光子は、植物や藻類などの光エネルギーを利用する生物に熱心に吸収されます。光合成を通して、光子は細胞反応を促し、化学エネルギー（糖の形で）を生成します。そして、そのエネルギーは、草食動物、捕食動物、腐肉食動物、分解者など、複雑な食物網を通して生物に渡されます。

明るく晴れた日には、光子が豊富に存在します。しかし、光量が少ない場合はどうなるのでしょうか？生物学者は長年、光合成がどれだけの光量で行われるのか、あるいは細胞の光合成機構が二酸化炭素を酸素とエネルギーに変換するには、どれだけの光子がどれだけの速さで到達する必要があるのか​​、という疑問を抱いてきました。計算によると、理論上の最小値は1平方メートルあたり毎秒約0.01マイクロモルの光子、つまり晴れた日の光の10万分の1以下であることが示唆されています。

低光量下での光合成研究の難しさを考えると、この計算は数十年にわたり理論的なものでした。地球上には光がほとんど届かない場所が数多くあるにもかかわらず、現場でそれを確認できた人は誰もいませんでした。例えば、北極圏では毎年冬になると、地球の傾きによって太陽が何ヶ月も消えてしまいます。何メートルもの雪が海氷を覆い、入ってくる光を遮るため、その下の極寒の海は墓の中のように暗くなります。生物学者たちは、そこで水と氷の中に生息する光合成を行う微細藻類が、季節ごとに活動を停止し、暖かさと光が戻るのを待っていると推測していました。

「極夜は、生命がほとんど存在せず、あらゆるものが眠り、冬眠し、次の春を待つ砂漠のような環境だと人々は考えていました」と、ドイツのアルフレッド・ヴェーゲナー研究所の生物地球化学者クララ・ホッペ氏は語る。「しかし、実際には、人々はそれを真剣に観察したことがなかったのです。」

2020年の冬、ホッペ氏は極夜の間、氷床に挟まれた船上で数ヶ月間生活し、暗闇における光合成の限界を研究した。彼女のチームが最近Nature Communicationsに掲載した研究によると、微細藻類は理論上の最小光量、あるいはそれに近い光量で生育・繁殖することが報告されている。これはこれまで自然界で観測されていた光量よりもはるかに低い。

この研究は、地球上で最も寒く暗い場所のいくつかにおいて、ごくわずかな光量でも生命が繁栄していることを示しています。「少なくとも一部の植物プランクトンは、ある条件下では、非常に弱い光量でも非常に有用な働きをする可能性があります」と、カナダのマウント・アリソン大学の水生光合成の専門家であるダグラス・キャンベル氏は述べています。キャンベル氏はこの研究には関与していません。「これは重要な研究です。」

ダークサイドの力

科学者たちは伝統的に、北極圏は年間の大部分において停滞した状態にあると理解してきました。冬には、極寒の海から逃れられる生物はそうします。残った生物は蓄えた栄養分で生きるか、静かな眠りにつくかします。そして、太陽が戻ると、北極圏は再び活気を取り戻します。春のブルーム期には、光合成を行う藻類やその他の微生物が急増し、北極圏の生態系を活性化させます。小さな甲殻類、魚類、アザラシ、鳥類、ホッキョクグマ、クジラなど、一年を通して様々な生物が活発に活動します。

ホッペは、他の植物プランクトンよりも早く活動を開始できれば、夏をよりうまく過ごせると考えました。そこで彼女は、植物プランクトンが光の戻りに正確にいつ反応できるのか疑問に思いました。

彼女の興味は、2015年にノルウェーのトロムソ大学の研究者が主導する研究プロジェクトに同行したことで、一気に高まりました。学際的な研究チームは、スヴァールバル諸島沖の冬の海域で、予想外に繁栄した生態系を発見しました。特に二枚貝などの一部の生物は、夏よりも活発に活動していました。皆が驚いたことに、植物プランクトンも眠っていませんでした。ホッペは、活発な光合成の有用な指標となる色素であるクロロフィルの濃度を、海水中で誰もが予想していたよりも高く測定しました。表層堆積物に沈み、休眠状態の「スリープモード」で冬を越すのではなく、ホッペが発見した多くの細胞は、細胞機能が完全に作動し、活発に冬を過ごしていました。

「もしこれらのものが活動しているなら、当然疑問になるのは、いつ生態系のために再び機能し始めるのかということです」とホッペ氏は言った。彼女は極地の海の広大で冷たい黒さについて考え始めた。

2020年初頭、ホッペは光合成の限界を直接試すという任務を負いました。砕氷船は意図的に氷盤に衝突させられ、エンジンを停止させたまま極夜を漂流させられました。モザイク（北極の気候研究のための学際的漂流観測所）の科学者チームが交代で乗船し、北極の冬に関するデータを可能な限り収集する航海を続けました。

ホッペ氏と同僚たちは、24時間続く暗闇の中、きらめく氷の広がる海と華氏マイナス76度にまで冷え込む風の中で作業を行った。氷の亀裂や隆起によって航路は絶えず変化し、「オーシャン・シティ」と名付けられた氷の永久的な穴へと繋がった。ホッペ氏とチームはそこから数百リットルの海水サンプルを採取し、分析のために船に持ち帰った。

研究チームは2つの測定を並行して行った。まず、海水と海氷から微細藻類のサンプルを船上の研究室に持ち込んだ。そこで細胞を培養し、炭素（同位体、つまり原子核内の中性子の数で追跡可能）と微量の光（ただし氷の下で得られる光量よりもはるかに多い）を与えた。細胞の炭素吸収速度を測定することで、生物の光合成能力の限界を推定することができた。

研究者たちは定期的に海水サンプルを採取し、植物プランクトンとクロロフィルの量を経時的に追跡しました。ホッペ氏によると、2月中はどちらの数値も安定していました。しかし、3月末までに、微細藻類の炭素吸収量、細胞数、クロロフィル濃度（成長と光合成の指標）が急増しました。ホッペ氏とチームは様々な可能性を検討し、排除した結果、光合成の増加は春の最初の太陽光の回復と一致していることがわかりました。

しかし、ホッペ氏によると、重要な証拠は探検から3年後になってようやく、別の部門の研究者から得られたという。それは、海氷下の光を測定する物理学者たちによるものだった。これは歴史的に見て難しい問題だった。「測定対象の環境を乱さずに氷下の光を測定するのは、実際には不可能です」とホッペ氏は語る。「穴を掘るには歩き回らなければなりません。雪や氷の上を歩くだけでも、光の場は変わってしまうのですから」

この問題を回避するため、海氷物理学者のニールス・フックス氏とRV ポーラーシュテルン号に乗船した彼のチームは、シーズンの早い時期に氷盤の周囲に極めて高精度の光センサーを設置し、冬の間は氷の裏側に凍結させた。野生生物学者が奥地に設置するトレイルカメラのように、光センサーは氷下の光のデータを何ヶ月もの間、邪魔されることなく記録した。

2月には極夜の暗闇はほぼ完全なもので、明るい月や束の間の薄明かりからの光子さえも、その下の暗い海に届きませんでした。そして3月下旬、太陽が一瞬地平線上に顔を出しました。その氷の下で、光センサーは天文学的に低い光子数を記録しました。上限は1平方メートルあたり毎秒0.04マイクロモルで、これは光合成が可能な理論上の最小光量に非常に近い数値です。実際の光量はおそらくこれより低かったでしょう。

「私たちが観測した光は、通常の晴れた日と比べると、3リットルの水と1滴の水のようなものだ」と、ハンブルク大学の氷の専門家でこの研究の共著者であるフックス氏は語った。

彼らの推定は控えめなもので、実際にはさらに少ない光子しか透過していない可能性もあると彼は付け加えた。「氷床は非常に不均一です」と彼は説明した。氷床の一部は他の部分よりも多くの光を透過する可能性があるため、研究チームは光測定の上限値を設定した。「結局のところ、ある程度のばらつきがあり、私たちは安全側に立っていたいのです。つまり、これが本当に光量であると100%確信できないような下限値には賭けないということです。」

フックス氏の光データとホッペ氏の微細藻類の観察結果を組み合わせることで、その真価が明らかになった。3月末、太陽光がわずかに回復したまさにその瞬間、微細藻類は光合成装置を稼働させていただけでなく、成長し、バイオマスを蓄積していた。彼女のチームは、理論上の最小値付近、つまり自然界でこれまで観測されていた光量よりも桁違いに少ない光合成の野外観測を、史上初となる形で実現したと結論付けた。

眠れない夜

ホッペは、生命活動に必要な最低限の光量、あるいはそれに近い光量で光合成を観察できたことに興奮を覚えた。しかし、この発見は一つの疑問を提起した。春の最初の光が氷の間から差し込むまさにその瞬間に、休眠中の細胞がどのようにして光合成を開始できる状態になっているのだろうか？

彼女のチームは、極夜の最も暗い時期に、微細藻類の炭素吸収に目立った増加が見られないことを発見した。つまり、藻類は成長も光合成も行っていないのだ。しかし、完全に休眠状態にあるわけでもなかった。細胞は低電力で活動を続けていた。そして3月下旬、光量が活発な炭素固定を支えられるほどに上昇すると、藻類は爆発的な活動を開始する準備が整った。

「これはいわば苗床、あるいは接種の問題のようなものです」とキャンベル氏は述べた。「非常に弱い光を生産的に利用する能力は、生存能力を高め、光が戻った時に素早く行動する準備を整えるのです。」

研究者たちは、微細藻類がどのようにして最も暗い時期に休眠状態から抜け出し、生き延びてきたのかを完全には解明していない。珪藻類のように、水中の溶存有機栄養素を直接摂取できるものもある。氷の割れ目から漏れてきた光子や、何らかの発光生物から放出された光子を利用して、かろうじて生き延びているのかもしれない。あるいは、極地の藻類は、極寒の温度でも代謝を低く保ち、夜明けとともに活動できる独自のメカニズムを進化させているのかもしれない。

プリマス海洋研究所のプランクトン専門家ケビン・フリン氏は、こうした適応は地域の生態系にとって重要かもしれないと述べ、今回の研究には関与していない。「生物は私たちが考えるよりも早く準備を整えているのかもしれません」とフリン氏は述べた。この発見は「自然が実際に何をしているのかを現実的に検証する重要な研究です」

しかし、彼は3月下旬の細胞の成長が光合成によるものだとは完全には確信していない。「クロロフィルの出現は、必ずしも成長のために光合成を行っていることを意味するわけではありません」と彼は述べた。「単に有機物からクロロフィルを多く作り出し、光合成の準備をしているだけかもしれません。季節が進むにつれて光が出てくるからです。そして、他の生物よりも早く光の準備が整った生物が最も早く成長するのです。」

一方、キャンベル氏は、藻類がホッペ氏のチームが示唆するよりもさらに早い時期から光合成を行っていた可能性があると考えている。同氏によると、彼らの光レベルの推定値は控えめであり、光合成は容易に測定できるバイオマス蓄積よりもずっと前から行われていた可能性があるという。したがって、「これらの藻類は生化学的熱力学的限界のすぐ下、あるいはそれに近いレベルにある」可能性もあるとキャンベル氏は述べた。

この発見は、北極の極夜、そしておそらくその先にある生命の新たな姿を描き出している。生命は夏の数ヶ月間だけに集中しているわけではないかもしれない。むしろ、北極海は一年を通して生命を育み、あるいは少なくとも生命が存在している可能性がある。ホッペ氏は、この発見は北極の生物のライフサイクル、相互作用、そしてエネルギー貯蔵量に関する私たちの理解を塗り替える可能性があると述べた。

彼女はまた、北極の植物プランクトンがほぼ完全な暗闇を耐え抜く能力が、深海のより冷たく暗い海域に生息する藻類にも備わっているのではないかとも考えている。もし彼女の考えが正しければ、生産性の高い海域は誰もが考えていたよりも深い場所にあるかもしれない。「極地の植物プランクトンがこうしたメカニズムを進化させることができたのであれば、他の海域の植物プランクトンも同じことができるはずです」とホッペ氏は示唆した。

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。