Menu
ABOVE: © ISTOCK.COM, RAWINTANPIN
オンタリオ州の工業都市ティミンズから車で20分ほど北上すると、100メートル以上もある大きな穴がぽっかりと口を開けているのが見えます。 これが、世界で最も深い銅・亜鉛鉱山であるキッド・クリーク鉱山の最大の特徴である。 地表の下には、迷路のような地下トンネルとシャフトが、3キロメートルにわたる太古の火山岩を貫いている。
トロント大学の水文地質学者であるバーバラ・シャーウッド・ロラーは、ここで生命の痕跡を探すために地殻の中を旅しているのです。 「小さなトラックや車に乗り込み、地球の中に向かってコークスクリューのように長く曲がりくねった道を下っていきます」と彼女はThe Scientist誌に語っています。 彼女と仲間の乗客が車道の端の通路によじ登る頃には、「私たちは、27億年前の海底を文字通り歩いているのです」と彼女は言います。 「まったく魅力的で不思議な場所です」
金属鉱石を求めてこれらのトンネルを進む鉱夫とは異なり、シャーウッド・ロラー氏と彼女の同僚は塩分を含んだ水たまりを探し回っているのです。 「コテージに汲んで飲んだり、農作物にまいたりするような水ではありません」とシャーウッド・ロラーは言う。 「岩石から溶出した陽イオンや陰イオンをたっぷり含んでいるのです」。 そのため、独特のカビ臭いにおいがするのです。 「このトンネルを歩いていて、もし悪臭を感じたら、その方向に向かうんだ」
水があるところには、生命の可能性がある。 2006年、シャーウッド・ロラーはプリンストン大学のタリス・オンストット率いるチームの一員として、南アフリカのムポネン金鉱山の地下2.8kmにある硫酸塩に富んだ破砕水中で嫌気性硫酸還元菌が繁栄していることを発見しました1。 最近、キッド鉱山の岩石から20億年前の水素と硫酸塩に富んだ水が滲み出ているのが発見され、シャーウッド・ロラーらは、再び生命体が見つかるかもしれないと期待しているのである3。
陸上植物が出現する以前は、深部のバイオマスが地上の生命を桁違いに上回っていた可能性があります。
これらの探査は、地殻（地球のマントルを包む広大な岩の層）の数百メートル深いところに住む微生物や真核生物の記録に焦点を当てて、急速に拡大している研究分野の1つにすぎません。 現在、研究者たちは、私たちの足元にある古くてゆっくりと変化する大陸地殻だけでなく、海底にある薄くてダイナミックな海洋地殻にも、この生きた地下世界、すなわち深部生物圏を探ろうとしている。 (このような生息環境は、過去20年間の科学掘削プロジェクトの拡大（地表で研究するために岩石のコアを採取する）、および鉱山や海底の割れ目から地球を探る探検の増加により、よりアクセスしやすくなっています。 テキサスA&M大学の地質微生物学者ジェイソン・シルバン氏は、「すべての答えを知らなくても構わないのであれば、とても良い分野だと思います」と語る。 「人によっては、それが怖いと思うかもしれません。 私にとっては、本当に大きな疑問を投げかけられるとき、その分野はよりエキサイティングです」
Researchers Explore the Deep BiosphereThe deep biosphere の研究のほとんどは、地表から 1 キロもないところで採取したサンプルで行われてきました。  1番から10番までの数字。 西から東へ。
Holes in the ground深層生物圏を探索したいという欲求から、マサチューセッツ州のウッズホール海洋研究所の微生物海洋学者ジュリー・フーバーは、地球上で最も遠隔地にあるいくつかの場所へと足を運んでいます。 ヒューバー氏は、地殻内の岩石粒子の間を行き交う大量の水と、その中に生息する微生物生命の範囲と多様性に関心を寄せている。 この水を利用する方法のひとつが、国際海洋発見プログラム（IODP）が主催する高価な掘削プロジェクトで、海洋堆積物から地殻まで掘り進むものです。 2013年、このアプローチにより、太平洋の地下にある350万年前の玄武岩に生息するバクテリアが発見されました4 もうひとつの方法は、「海底から自然に漏れ出している水を見つけ、出てきたところでそれを捕らえること」だと、フーバーは説明します。 この目的のために、フーバーは、エンジニアのチームと協力して、遠隔操作で海底を案内するだけでなく、アメリカ海軍が所有する3人乗りの潜水調査船で、4,500メートルまで潜れるアルビンと共に、思い切って潜水する科学者の仲間入りをしたのである。 「閉所恐怖症の人はうまくいかない」とヒューバー氏は認め、ダイビングを計画している人は、「海に投げ出されて完全にパニックになる」のを避けるために、ボートデッキを離れる前に潜水艦に座ってみるよう招待されていることを付け加えています。 現在、オンタリオ州のキッドクリーク鉱山（左）から南アフリカの金鉱（右）まで、科学者たちはこうした場所のいくつかを使って、地下の生命を探っています。 VOGLESONGER, UNIVERSITY OF TORONTO; G. BORGONIE これらの技術により、フーバーは海底火山や熱水噴出孔から地殻に染み出し、時には爆発する流体のサンプルを採取することができます。 2000年代初頭、彼女と彼女の同僚たちは、オレゴン州の西約480km、水面下約1.5kmにある海底火山、アキシャル海山の複数回の噴火に伴い、16S rRNA遺伝子シーケンスを使用して海底下の微生物多様性を分析しました。 噴火地点で採取したサンプルからは、背景の海水と比較して、地殻から吹き出したと思われる複数のユニークな細菌5および古細菌6分類が検出され、海底下に多様な微生物群集が繁栄していることが示唆されました。 さらに最近、フーバー教授のグループは、スイスの深海冒険家ジャック・ピカールにちなんでピカールと呼ばれる世界最深の熱水噴出孔で詳細な調査を行い、最高温度108℃の地殻から出る流体から数千もの噴出孔特有の微生物分類を発見しました7 こうした発見は、この若い研究分野の典型的な例となりつつあります。 現在までに、世界中の海洋および大陸の地殻の研究により、最近まで人を寄せ付けないと考えられていた環境下で、あらゆる種類の生物が生存していることが報告されており、現在では、少なくとも地殻の 10 km の深さまで生物が生存している可能性を示唆する理論的推定値もあります。 また、深部生物圏は、かつて考えられていたように、バクテリアと古細菌だけで構成されているわけではない。現在では、地下にはさまざまな菌類8や、時には動物さえも生息していることが分かっている。 2011年に南アフリカの金鉱で線虫類が発見された後、2年間の集中的な調査により、地表から1.4kmの深さに4つの無脊椎動物門（ヒラムシ、ワムシ、節足動物）が生息していることが判明したのである9。  THE SCIENTIST STAFF 1864Jules Verneは、地下のSF「地球の中心への旅」で、地下海や先史時代の動物の物語で読者を魅了している。 1926シカゴ大学の地質学者エドソン・バスティンと微生物学者フランク・グリアが、地下数百メートルに埋まった3億年前の石油から採取したサンプルから硫酸還元菌を発見したと報告しました。 1938微生物学者クロード・ゾベルは、カリフォルニア沖の深海の海洋堆積物から採取した50センチメートル以上のコアに好気性細菌を発見し、海底の生命について推測するきっかけとなったと報告しています。 1960海洋探検家ジャック・ピカールが、マリアナ海溝のチャレンジャー海淵で、水面下約11kmの深海で動物の生態を発見する。 1987米国エネルギー省のエンジニアが、表面汚染を避けるために設計された掘削装置を使用して、サウスカロライナ州のサバンナ川近くの核処理施設周辺の地下500メートルに生息する微生物を発見しました。 1990Astrophysicist Thomas Goldは、「The Deep, Hot Biosphere」という影響力のある、議論を呼ぶ論文を発表し、地下のバイオマスは表面のバイオマスと同等の体積であり、生命は地下で誕生した可能性があると主張しました。 その後の研究で、その細菌は地表に近縁種がないことが判明しました。 2013海洋掘削プログラムで微生物を含む玄武岩を回収し、海洋地殻における生命の最初の決定的証拠を得ました。 2030年までに開始予定のこのプロジェクトは、地下深くの生命がどのように生き残ることができるかという長引く疑問に答えることを一部目的としています。 意外にも、研究者がこれらの珍しい生息地を探索すると、最近まで科学に知られていなかった多くの生物を発見しているのです。 過去 10 年間の「好極性」古細菌の発見により、科学者はこの領域全体の系統を再考することになりました。 (「Archaea Family Tree Blossoms, Thanks to Genomics」The Scientist, June 2018を参照)。 また、深部生物圏で発見された細菌や古細菌の多くは、地表にアナログや近縁種が存在するが、中には他のどこにも見られないものもある 一例は、2006年にOnstottのチームがMponeng金鉱で最初に見つけたCandidatus Desulforudis audaxviatorだ。 (Audax viator」は、ラテン語で「大胆な旅人」という意味で、ジュール・ヴェルヌの『地球の中心への旅』の一節にちなんでいる)。 その後、研究者たちはこの種に似た細菌を地殻の1キロメートル以上下にある他の場所で確認したが、地表の生物群にはまだ近縁種を発見していない。 コロラド州のヘンダーソンモリブデン鉱山で発掘された別の細菌種は、Nitrospirae 門のメンバーとの系統的なつながりをかすかに示しているが、それ以外は地上のものとは異なっている10 現在の研究の鍵は、こうした生命がどのように生存しているのかを理解することである。 シャーウッド・ローラー氏は、「太陽光が届かないこのようなシステムは、一般的にエネルギーが不足しています」と語る。 また、深部生物圏の微生物は、地表の生物群に比べ、比較的成長が遅く、まばらに分布していると考えられるという。 表層の土壌には1グラムあたり100億個以上の微生物が生息している可能性があるが、海洋地殻には通常1グラムあたり約1万個、大陸地殻には当然ながら水の供給が少なく、1グラムあたり1000個以下しか生息していないのだ。  Click to watch the video about some of the deepest holes whose scientists drilling into the Earth’s crust.
Working with such low biomass samples has a own challenge, but researchers are using a combination of techniques, including metagenomic analysis and incubation of subsurface rock or fluid with different potential food sources in lab, to probe of subround microstances. こうした研究により、地下微生物がさまざまなエネルギー源、特に水と岩石の化学反応によって放出される水素やその他の分子からエネルギーを得ることができることを示唆する代謝酵素の遺伝子が明らかになりつつある。 例えば、セントアンドリュース大学の地質微生物学者ロッタ・プルカモとその同僚が、フィンランド北部の深さ600mのボーリング孔の生態系を調べたところ、硫酸、硝酸、メタン、アンモニア、鉄の還元・酸化に基づく代謝経路や、炭素を含む固定化反応の証拠が見つかったのである11。 これらの発見は、深海生物圏の生命の多様性と独自性に関する大きな問題のいくつかを削り取っています。 しかし、ベルゲン大学の地質学者であるSteffen Jørgensen氏は、1つのドリルコアや流体サンプルから得られる洞察は、もどかしくはかないものであると述べています。 1つのサンプルからは、システムのダイナミクスや時間の経過とともにどのように進化していくのか、まったく理解できないのです」と彼は言う。 地球深部の生命をより長期的に観察するために、研究者たちは地下で実験を行っている。 4次元昨年の夏、ヨルゲンセン氏はヘリコプターから、アイスランドの南海岸から約30キロ離れた小さな玄武岩の島に降り立ちました。 岩が多くて船で行けないスルツエイ島は、1960年代半ばに4年近く続いた海底火山の噴火で海底から吹き出したマグマの巨大な塊の先端部分である。 この新しくできた海底地殻は、「私たちに大きな利点を与えてくれます」とヨルゲンセン氏は言う。 「ヘリコプターでスルツィーに飛んだ装置を使い、ヨルゲンセン氏とエンジニアの大規模なチームは玄武岩に穴を開けました。 単にコアを採取するだけでなく、小型の観測所を設置し、深部の生物圏をその場で測定した。 深さ190メートルの岩穴に、長さ10メートルのアルミチューブを何本も設置し、そのうちの何本かには、周囲の岩石から液体が流れ出るように小さなスリットを何本も入れた。 そして、その管の中に、温度・圧力ロガーや微生物培養器などさまざまな機器を取り付けたケーブルを、機器がスリットに並ぶまで一定の間隔で下ろしていきました。 それ以来、観測所の機器は海洋地殻のデータを収集しており、来年の夏、ヨルゲンセン氏と彼の同僚は、彼らが何を発見したかを確認するために再び行く予定です。 このような場所は、深部生物圏の活動を見る窓であると同時に、その生物圏が時間とともにどのように変化するかを理解するために不可欠な時系列データを収集する機会でもあります。 これは、『私は世界の歴史の中で一度だけこの場所に行き、岩石をたくさん取ってきて、こうして見た』という以上の観測ができる唯一の方法なのです」とシルヴァンは言う。 地球の中心への旅 最近の大規模な科学掘削プログラムの拡大と、地殻への既存の入り口を利用する努力の強化が相まって、深海生物圏に関する研究が爆発的に増加しました。 地殻に穴を開けると、地表から数キロメートル下にある岩石や堆積物のコアを採取することができる。 © AL GRANBERG
長期間のデータから判明したこと。深部生物圏の長期的な研究は、ダイナミックな絵を描いています。 今年7月、OnstottとSherwood Lollarを含む研究チームは、南アフリカのBeatrix金鉱に掘削された深さ1,339mのボーリング孔から2年半にわたって収集したデータのメタゲノム解析、メタトランスクリプトーム解析、メタプロテオーム解析を発表した13。 研究期間中、地下水の地球化学的性質、特に硝酸塩や硫酸塩などの電子受容性化合物の有無が自然に変化するのに伴い、微生物群集の構造も変化した。 こうした地下観測所は、原位置実験室としての役割も果たすことができます。 また、地殻の鉱物学的組成が、誰がどこに生育するかにどのように影響するかも研究することができます15。 現在までのところ、地質学的な歴史を通じての深部微生物群集に関する手がかりの多くは、地殻から採取された岩石上のバクテリアや古細菌の化石または鉱物化したような遺骸から得られています。 しかし、地下深部の鉱物化のプロセスについて研究者がほとんど知らないことを考えると、これらの遺体の少なくともいくつかは、真正性が疑問視されています。 “そのサイズでは鉱物と非常によく似ている化石バクテリアを認識することが一般的に難しいだけでなく、それが本当に化石バクテリアである場合、その生物が数十億年前に生きていた時期に地表下に住んでいたことを示すことが困難なのです”。「
深部生物圏の長期ダイナミクスを把握するために、マクマホンなどのグループは、実験室で深部鉱物化を再現しようとしている。 彼らは岩石にバクテリアを植え付け、化石化の引き金となる物理的・化学的条件を微調整することでこれを実現していると、マクマーン氏は説明します。 「アイデアは、微生物が幸せに生きられるスイートスポットを見つけようとすることですが、ほんの少し変えるだけで、鉱物に埋もれて化石化するのです」と彼は言います。 「観測所を持つことで、これらの構造が自然界で生成されるのか、それとも微生物が存在する場所でのみ見られるのか、明らかにできると期待しています」と彼は言います。 「4751>  アイスランドのスルツィー島（左）は、1960年代の4年間の火山噴火で誕生した。
SOLVEIG LIE ONSTAD
.png) 研究者は現在、深海生物圏の生命を監視するために掘削した穴に、深海観測所を設置しています。
PAULINE BERGSTEN
Missing pieces深海生物圏の研究の初期にもかかわらず、この分野の多くの人にとって、何が我々の宇宙における生命を構成するかについて科学が長年歪んだ見解を持っていることは明らかです。 1990年代のある論文では、深海生物は地球の現在のバイオマスの50パーセントを占めるとし、物議をかもしましたが16、現在ではほとんどの推定が15パーセント以下となっています。 しかし、マクマホン教授とアバディーン大学のジョン・パーネル教授がこの夏に発表した計算によると、約4億年前に陸上植物が出現する以前は、深部のバイオマスが地上の生命を一桁上回っていた可能性があります17。 セント・アンドリュース大学の太陽系外惑星科学センターにも所属しているパーカモ氏は、「地球の地殻には、生命は存在しないと思われていました」と指摘する。 「地下のフロンティアから得られた発見は、地下の微生物とその反応が、地表で起きている地球規模のプロセスにどのような影響を与えるかを考えるよう、科学者たちを駆り立てているのです。 「ヨルゲンセンは、「人々はそのようなことをあまり考えていないのではないでしょうか。 「自分たちが歩いているのは、この巨大な生物圏の上であり、その生物圏がシステムの仕組みに大きな影響を及ぼしている可能性があるのです」。 同じことは、地球の歴史を通しての物理的・生物的進化を理解しようとする試みについても言えます。 「地球上の生命が時間とともにどのように変化してきたか、そして、それが岩石、堆積物、地下水、海、大気の化学的性質とどのように相互作用してきたかを考えるとき、我々は、カリスマ的動物や植物についてだけ考えるべきではありません」と、マクマホンは言います。 「そのほとんどは、鉱物粒子の表面に生息し、それらと相互作用しています」 これこそ、今日の深部生物圏研究者が拡大しようとしている見解であり、この分野のほとんどの人にとって、それは刺激的な旅なのです。 「という感じです。 彼のチームは現在、ハワイ島の沖合約35キロにあるロイヒと呼ばれる海底活火山で、深部生物圏を調査しています。 「そして、このような質問をし、このような科学を行い、それを解明しようとすることができるのは、なんという特権でしょうか。
. |
Leave a Reply