「垞識芆す成果」海底地䞋の岩石1cm3圓たりに100億现胞の埮生物

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亀裂の粘土に濃集する有機物が密集の鍵

2020-04-03 東京倧孊

鈎朚 庞平(地球惑星科孊専攻 准教授)

発衚のポむント

  • 海掋地殻䞊郚を構成する玄歊岩(泚1)を察象に、岩石内の埮生物现胞数を蚈枬する技術を開発し、玄歊岩の亀裂内郚を調べた結果、亀裂を埋める粘土鉱物に、極めお高い密床(䟋えるず人間の腞内ず同等)で埮生物が生息しおいた。
  • 岩石内のDNA や脂質を詳しく調べた結果、埓来考えられおきた無機物が゚ネルギヌ源の独立栄逊生物(泚2)ではなく、有機物を゚ネルギヌ源にしおいる埓属栄逊生物(泚3)に分類される埮生物であるず刀明した。
  • 海掋地殻䞊郚の玄歊岩は、火星の衚面の倧半を芆う岩石でもあり、岩石ず氎が反応しお圢成される粘土鉱物も同じ皮類であるこずから、火星の岩石内にも類䌌する生態系が存圚する可胜性が瀺唆された。

発衚抂芁

地球衚面積の70%を占める海掋地殻の䞊郚を構成する岩石は、䞭倮海嶺で噎出する溶岩が冷え固たった玄歊岩で、38億幎前からその圢成が知られる。圢成幎代が1000䞇幎前より叀く、冷え切った玄歊岩は、岩石の䞭で䟛絊される゚ネルギヌが少ないず考えられおいるため、生呜の生息が可胜かどうかは䞍明であった。

他方で、火星の地殻䞊郚も37億幎前の倧芏暡な火山掻動で噎出した玄歊岩からなるこずが知られおいる。最近の芳枬により、火星の地䞋深郚にも生呜掻動に必芁な液䜓の氎が存圚するこずが明らかになったこずから、火星に地球倖生呜が存圚する可胜性が指摘されおいる。

火星の地殻䞊郚ず類䌌する、地球の海掋地殻䞊郚における埮生物生態系の分析が進むこずにより、火星における地球倖生呜の存圚可胜性を類掚するための手がかりが埗られるこずが期埅されるが、海掋地殻䞊郚の玄歊岩は堆積物で芆われおおり、詊料採取ず岩石内郚埮生物の分析の困難さから、実態解明が立ち遅れおいた。

東京倧孊倧孊院理孊系研究科の鈎朚庞平准教授の研究グルヌプは、統合囜際深海掘削蚈画(IODP(泚4))第329次研究航海「南倪平掋環流域生呜探査」にお、南倪平掋環流域の海底を米科孊掘削船「ゞョむデス・レゟリュヌション号(泚5)」で掘削し、海掋地殻䞊郚の玄歊岩コア詊料の取埗に成功した(図1)。

「垞識芆す成果」海底地䞋の岩石1cm3圓たりに100億现胞の埮生物

図1:掘削船ゞョむデス・レゟリュヌション号(巊䞊)、IODP第329次研究航海で埗られた亀裂を含む玄歊岩コア(右䞊)、岩石の亀裂に沿っお粘土鉱物が圢成する領域の蛍光顕埮鏡図(例)。緑色郚がDNA染色された埮生物现胞、オレンゞ色が粘土鉱物、黄色郚は粘土鉱物ず埮生物现胞が混圚する領域を瀺す。

これたで玄歊岩のような硬い岩石内郚の埮生物は、掘削による汚染や岩石内郚を調べる技術がなかったため、未解明であった。本研究で埗られた成果により、地球䞊の膚倧な空間を占める岩石内生態系に関する研究が進展するず期埅される。

研究グルヌプのこれたでの調査により、玄歊岩の亀裂䞭においお岩石ず氎が反応するこずで圢成される粘土鉱物が同定され、その粘土の皮類が火星の玄歊岩からも倧量に芋぀かっおいる粘土鉱物(泚6)ず同じであるこずが刀明した。粘土鉱物の皮類は倚様であり、岩石–氎反応の条件に応じお異なる皮類の粘土鉱物が圢成するこずから、火星における岩石内環境は地球の海底地䞋ず類䌌しおいるず掚定された(Yamashita et al. 2019)。続いお、岩石内郚の埮生物を怜出するために、岩石薄片䞭の埮生物のDNAを染色する新しい手法を開発し、亀裂の粘土鉱物充填郚を芳察した結果、有機物ず埮生物现胞が密集しお存圚しおいるこずを明らかにした(Sueoka et al. 2019)。本研究では、粘土充填郚に぀いおさらに薄い厚さの薄片を䜜成し、埮生物を现胞単䜍で可芖化する元玠むメヌゞングを行い、现胞密床の蚈枬に成功した。その結果、粘土充填郚の现胞密床は1cm3圓たり100億個䜓を超えるこずが明らかずなり、この密床は人間の腞内埮生物の密床に盞圓する。さらに、DNAや脂質の解析を詳现に行った結果、無機物を゚ネルギヌ源ずしお二酞化炭玠から有機物を合成する独立栄逊生物ではなく、有機物を゚ネルギヌ源および炭玠源ずする埓属栄逊生物であるこずが明らかずなった。これらの結果は、圢成幎代が3350䞇幎前ず1億400䞇幎前の玄歊岩詊料䞭で埗られたため、海掋地殻䞊郚に肥沃な埓属栄逊生物の生態系が存圚する可胜性を瀺唆した。今埌、過去から珟圚に枡り火星の岩石内郚にも同様の生呜が生息し続けおいるかを明らかにする䞊で、重芁な科孊的知芋が埗られた。

発衚内容

海掋底の倧郚分は、䞭倮海嶺で噎出した玄歊岩から成る溶岩によっお、500から1000メヌトルの厚さで芆われおいる。圢成幎代が1000䞇幎前皋床たでの海掋地殻䞊郚は熱いため、海氎が内郚を埪環するこずで岩石ず氎の反応が促進され、埮生物の生存に必芁な゚ネルギヌが䟛絊されおいるこずが知られおいる。しかし、圢成幎代が1000䞇幎前より叀い海掋地殻䞊郚は、冷华されお氎の埪環が匱たるため、埮生物の生息に必芁な゚ネルギヌ䟛絊が著しく匱たり、生呜の生息が可胜かどうかに぀いおは䞍明であった。圢成幎代が1000䞇幎前より叀く、冷えた海掋地殻は、海掋底党䜓の衚面積の90%を占めおおり、地球䞊の埮生物生態系を理解する䞊で重芁であるが、氎深が深く、堆積物で芆われおいるため、実態解明のための調査が進んでいなかった。

IODP第329次研究航海では、地球䞊で最も衚局海氎の基瀎生産量が小さく、最も透明床の高い海域ずしお知られる南倪平掋環流域においお、3350䞇幎前ず1億400䞇幎前に圢成された海掋地殻䞊郚を掘削し、堆積物䞋の玄歊岩からコア詊料の採取に成功した。先行研究により、玄歊岩を芆う堆積物は光合成由来の有機物に欠乏し、海氎䞭の酞玠が玄歊岩の盎䞊付近たで浞透しおいるこずが明らかになっおいる。

本研究グルヌプは、新芏に開発した岩石内郚に生息する埮生物を可芖化する手法を、鉱物に充填された亀裂を含む玄歊岩コア詊料に適甚した結果、玄歊岩の亀裂に沿った粘土鉱物の同定ず、その粘土鉱物に生息する埮生物现胞の怜出に成功しおいる。本研究では、粘土鉱物の圢成が明らかずなった玄歊岩亀裂郚から、収束むオンビヌム加工技術(泚7)を甚いお厚さ3 ÎŒmの薄片を䜜成した。その薄片に぀いお、高空間分解胜二次むオン質量分析装眮(泚8)を甚い、炭玠、窒玠、硫黄、リンずいった生䜓䞻芁元玠の现胞レベルでのむメヌゞングを行った結果、粘土鉱物内郚で现胞密床が1010 cells/cm3を䞊回るこずが明らかずなった。この倀は、人間の腞内ず同皋床であり、これたで゚ネルギヌに乏しくせいぜい105 cells/cm3皋床ず考えられおきた岩石内の现胞密床ず比べお著しく高いず蚀える。さらに、岩石詊料䞭の埮生物のDNA解析を行った結果、岩石内で優占するのは、有機物を゚ネルギヌ源および炭玠源ずする埓属栄逊现菌であるこずも明らかずなった。これらの結果は、粘土鉱物に含たれる有機物が1010 cells/cm3の埮生物を支えおおり、岩石内の粘土が生態系圢成においお鍵ずなるこずを瀺しおいる。有機物の起源に぀いおは、海氎に含たれる埮量な有機物が浞透しおきたものか、岩石内で合成されたものか䞍明であり、今埌の研究で明らかにする。

玄歊岩は高枩のマグマから圢成するため、元々は有機物を含んでいない。しかし、マグマから冷え固たった埌は、岩石内郚で生成された有機物や、倖郚から流入にしおきた有機物が、粘土鉱物に濃集するず考えられる。この粘土鉱物による濃集は、岩石䞭ならば普遍的に起きおいるず考えられるため、生呜誕生以来、岩石内郚の亀裂に存圚する粘土鉱物は埓属栄逊生物の生息堎所ずしお重芁な圹割を果たしおきたこずが掚察される。火星の地殻䞊郚は、37億幎前たでの火成掻動により噎出した玄歊岩質溶岩で厚く芆われ、30億幎前たで地衚付近で液䜓状の氎ず反応するこずで倧量の粘土鉱物が圢成されおいる。本研究で明らかずなった粘土鉱物で充填される玄歊岩の亀裂は、今埌の火星生呜探査(泚9)においお極めお重芁なタヌゲットになる。

関連文献

発衚雑誌

雑誌名
COMMUNICATIONS BIOLOGY論文タむトル
Deep microbial proliferation at the basalt interface in 33.5–104 million-year-old oceanic crust

著者
Yohey Suzuki, Seiya Yamashita, Mariko Kouduka, Yutaro Ao, Hiroki Mukai1, Satoshi Mitsunobu, Hiroyuki Kagi, Steven D’ Hondt, Fumio Inagaki, Yuki Morono, Tatsuhiko Hoshino, Naotaka Tomioka, Motoo Ito

DOI番号
10.1038/s42003-020-0860-1

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甚語解説
泚1 玄歊岩

マグマが地䞊や海底から噎出しお冷え固たった色が黒く、鉄ずマグネシりムに富む火成岩で、兵庫県城厎枩泉の近くにある玄歊掞の岩石ずしおも知られる。

泚2 独立栄逊生物

生育に炭玠を埗るために無機化合物を利甚する生物をいう。地䞋の倧郚分の独立栄逊生物は光合成が䞍可胜なため、゚ネルギヌを埗るためにも無機化合物を利甚する。

泚3 埓属栄逊生物

生育に必芁な炭玠を埗るために有機化合物を利甚する生物をいう。その倧郚分ぱネルギヌを埗るためにも有機化合物を利甚する。

泚4 IODP

日・米が䞻導囜ずなり、2003幎2013幎たでの10幎間行われた倚囜間囜際協力プロゞェクト。日本が建造・運航する地球深郚探査船「ちきゅう」ず、米囜が運航する掘削船ゞョむデス・レゟリュヌション号を䞻力掘削船ずし、欧州が提䟛する特定任務掘削船を加えた耇数の掘削船を甚いお深海底を掘削するこずにより、地球環境倉動、地球内郚構造、海底䞋生呜圏等の解明を目的ずした研究航海を実斜した。2013幎10月からは、囜際深海科孊掘削蚈画(IODP: International Ocean Discovery Program)ずいう新たな枠組みの倚囜間囜際協力プロゞェクトに移行しおいる。

泚5 ゞョむデス・レゟリュヌション号

米囜がIODPに提䟛するノンラむザヌ型掘削船。JAMSTECが提䟛するラむザヌ型の地球深郚探査船「ちきゅう」ず比べお浅郚の掘削を倚数行う圹割を担う。

泚6 粘土鉱物

局状ケむ酞塩鉱物で、マグマが冷华しお圢成した火成岩が、地衚付近や海底䞋で氎ず反応するこずで圢成する。

泚7 収束むオンビヌム加工技術

ガリりムむオンビヌムを甚いお、固䜓詊料から薄片を任意の圢状に䜜成できる装眮。

泚8 高空間分解胜二次むオン質量分析装眮

セシりムむオンビヌム埄が埮生物现胞よりも小さい0.05 ÎŒmで二次元的に走査しお、埮生物现胞䞭の炭玠、窒玠、リン、硫黄の分垃をむメヌゞングできる装眮。NanoSIMSずも呌ばれる。

泚9 今埌の火星生呜探査

2020幎の7月17日に、生呜怜出を目的ずしたシャヌロックず呌ばれる分析装眮を搭茉した探査車Mars2020がケネディヌ宇宙センタヌから打ち䞊げ予定で、火星の岩石を掘削し、採取する装眮も掲茉されおいる。その岩石詊料を回収するためのサンプルリタヌン蚈画が2026幎開始するこずが想定されおいる。

―東京倧孊倧孊院理孊系研究科・理孊郚 広報宀―

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