ペンシルバニア州セントラリアのセンターとローカストの交差点を過ぎたところで、微生物学者のタミー・トービンは老朽化したプリウスのハンドルを急に右に回した。みぞれをかわすためにフロントガラスのワイパーが猛烈に前後に揺れる中、冬はまだ別れを告げていないことを思い出させます.Tobinは「私たちはここにいます」と発表しました。 SSの奥にある芝生の斜面のふもとにいた。ピーターとポール墓地.ペンシルベニア州東部の無煙炭の丘にある無数の小丘のように見えました。しかし、私たちの足元から約 50 メートル下には、隠れた脅威が潜んでいました。セントラリアは燃えていた。
というか、かつてセントラリアの町だった地下の炭層が燃えていた。石炭は 50 年以上燃焼しており、今後数世紀にわたって燃焼する可能性があります。カトリック墓地の裏手にある低層に登ると、炎は見えず、土が余分な熱を吐き出し、草が頑固に氷の帽子をかぶることを拒否した蒸気のパフだけが見えました.政府が 2002 年にセントラリアの郵便番号を撤回したとき、一握りの町民を除いて全員が逃げ出しました。しかし、セントラリアの西 30 マイルにあるサスケハナ大学のトービンは、かつて繁栄していた町の残骸をくまなく調べるためにここにいませんでした。
代わりに、彼女と協力者のグループは、もっと小さなものに目を向けていました.地下火災による熱と汚染は、セントラリアの動植物にストレスを与えるだけではありませんでした。また、この地域の微生物に危機をもたらしました。セントラリアの土壌に生息する何兆もの微視的な単細胞生物は、突然、真のサウナに住んでいることに気づきました。それは順応するか死ぬかでした。またはそう科学者は考えました。
「セントラリアは、環境破壊の際に何が起こるかを尋ねるための美しいサンドボックスです」と、トービンの元学生であり、現在はミシガン州立大学の微生物学者であり、プロジェクトの共同研究者であるアシュリー シェイドは述べています。 「その妨害が大槌のようなものであっても。」
セントラリアの炭層火災は、微生物シードバンクとして知られる新しいアイデアをテストする絶好の機会を研究者に提供します。これは、一般的に見過ごされがちな休眠中の個体が生物多様性の広大な貯水池を構成し、環境条件が変化したときにすぐに生き返る準備ができているというものです。科学者たちは実験室や環境実験から、そのようなシード バンクが存在するというヒントを発見しましたが、セントラリアは、微生物シード バンクが現実の世界でどのように機能するかを確認するめったにない機会です。
地上で華氏900度
セントラリアでの火事がどのように始まったのか、正確には誰にもわかりません。地元の伝説によると、誰かが坑道のすぐ外でゴミを燃やしているときに、誤って継目に火をつけたということです。確かなことは、1962 年の戦没将兵追悼記念日の直前に、オッド フェローズ墓地のすぐ東にある町の炭鉱で火災が発生したとセントラリアの住民が報告したことです。最も積極的な方法でさえ、炎の広がりを止められないことがすぐに明らかになりました.住民は、火が消えるのを待つだけです。しかし、自らを「石炭の国」と呼んだ地域では、燃え尽きる地下物質が不足していなかったため、火事は人々より長続きしました。住民は当初、火災が完全に地下にあったため、セントラリアに住み続けることができると期待していましたが、有毒ガスの放出と陥没穴の開口部により、非常に危険でした.
ほとんどの家族は、選択によって去ったか、政府に買収されました。少数の家族は、勇敢であれ無謀であれ (好きな方を選んでください)、セントラリアに住み続けています。セントラリアは運命が最も急激に逆転したかもしれませんが、この地域全体の経済は過去数十年で悪化の一途をたどっています.
Ashley Shade は、ペンシルベニア州中部の苦労に精通しています。彼女はセントラリアから目と鼻の先で育ち、火事のことは知っていましたが、セントラリアの近くに住んでいて、それを知らないわけにはいかないと彼女は言います。 2002 年にサスケハナ大学の学部生として初めて遺伝学のクラスを受講するまで、彼女はセントラリアを近くにある奇妙なもの以上のものとして考え始めました。その前年、サスケハナの地質学者と土壌科学者のチームが、当時シェードの教授だったトービンに、火災がセントラリアをどのように変化させているかについての正式な研究を設定するように持ちかけました。彼らはトービンに、セントラリアの土壌微生物の研究を手伝ってくれるかどうか尋ねました。彼女は微生物学について何も知りませんでしたが、そのトピックが風変わりで興味深いものであると感じたので、彼女は同意しました。彼女は 2002 年に生徒たちに、セントラリアでの彼女の新しいプロジェクト、またはウシの遺伝学に関する既存の研究に参加したいかどうかを尋ねました.
セントラリア プロジェクトが開始されると、「牛の免疫遺伝学に取り組む人を集めるのは非常に困難でした」とトービンは冷静に言いました。
シェードとトービンはすぐにセントラリアに恋をしました。チームは、対照的な 3 つのエリアにまたがるさまざまなサイトを杭打ちしました。1 つは火災が発生したことのない場所の上、もう 1 つは現在火災が発生している場所の上、もう 1 つは地中の炎がすでに出入りした場所です。これにより、研究者は土壌微生物が時間とともにどのように変化したかを知ることができます。火がその方向に動いていたので、いくつかの決して燃えていないサイトは特に重要でした.トービンと彼女の仲間の科学者たちは、土壌に何が起こったのかをリアルタイムで追跡できました。
17 年前、多数の環境微生物のゲノムの配列決定に法外な費用がかかったとき、土壌微生物の遺伝学を研究することは、科学者が DNA を小さな断片に切り刻むことを意味していました。微生物のそれぞれの異なる種は、サイズによって分類できる遺伝子断片のコレクションを生み出しました。プローブを使用してそれぞれの種に固有のリボソーム DNA 配列を強調することで、科学者は微生物の遺伝子フィンガープリントを導き出し、その結果を既知の原核生物の大規模なデータベースと比較することでその種を特定できます。この「リボタイピング」は、現在の分子解析法よりも時間がかかり、精度も劣りますが、トービンとシェイドは、セントラリアの地下地獄を生き延びた可能性があるものについて、最初の手がかりを得ることができました。
「場所は、涼しい場所から非常に暑い場所に急速に変化する可能性があり、あらゆる種類の気候的および地質学的要因によって変動します」とトービン氏は言います. 「物事は十分に迅速に適応できるでしょうか?」
セントラリアの下の炎は、火に到達できる酸素の量によっては、華氏 1,350 度もの熱さで燃え、地温が 900 度を超えることもありました。蒸気口で揚げて、カメラのギミックとして朝食に食べます。しかし、卵は揚げませんでした。代わりに、土が非常に熱かったため、乗組員がショットをフレームに収める前に、卵が認識できないほど黒焦げになり、トーストや視聴者には何も残りませんでした。このような極端な状況下で、サスケハナにある彼女の研究室からセントラリアまでペンシルベニア州のバイウェイをたどっているとき、Tobin は私にこう言いました。嬉しいことに、彼女は間違っていました。
Soil Science の 2005 年の研究で 、トービンと同僚は、微生物が活発に燃えている地域の上の土壌で生き残るだけでなく、いくつかの種がそこで繁栄することを示しました.多様性の全体的なレベルは、火災がまだ到達していない地域と同じでした。研究者がさらに詳しく調べたところ、全体的な細菌の多様性は温度が高くなるにつれて減少しましたが、最も高温のサンプルでさえ、明らかに活発な微生物群集を保持していることがわかりました. Shade と Tobin はまた、アイスランドの地熱温泉の近くに生息する微生物に似た熱を好むバクテリア (好熱菌) を特定しましたが、それらのデータは生物がどれほど密接に関連しているかを示すほど詳細ではありませんでした.
しかし、彼らのデータからは分からなかったのは、火の上に住んでいた微生物が非常に少数でずっとそこに潜んでいたのか、それとも吹き飛ばされたのか、おそらく世界中の他の地熱地域から遠くから来たのかということでした. .どちらが正しいかは誰にも推測できませんでした.
死んでいないが休眠中
Tobin と Shade がセントラリアの微生物の謎を解き明かし続ける中、インディアナ大学の生物学者 Jay Lennon は彼自身の謎を抱えていました。遺伝子配列決定のコストが急落し、コンピューター プログラムがより高度になるにつれて、メタゲノミクスとして知られる研究のために、研究者が環境サンプルから DNA を直接配列決定することが可能になりました。初めて、科学者は実験室で生物を研究するために生物を培養する必要がなくなりました。環境内の微生物の DNA を配列決定するだけで、そこに何がどのくらいの量で生息しているかがわかります。
しかし、ウィーン大学の微生物学者であるアレクサンダー・ロイ氏は、「生物の数は、それが活動しているかどうかを教えてくれません」と述べています。代謝活性を分析するために、生物学者は生物がどれだけの RNA を作っているかを測定するなどの戦略を使用します。 RNA は比較的耐久性のある DNA よりもはるかに短命の分子であるため、細胞の存在だけでなく、現在の代謝のより正確な指標となります。類推すると、国勢調査員は 1 つの街区にあるすべての建物を数えることができますが、それだけでは、それらが家なのか会社なのか、または現在占有されているのかはわかりません。これらの回答を得るために、国勢調査員は戸別訪問を行ったり、水や電気の使用量を測定したりする必要がある場合があります。
レノンが2010年に湖の水、土壌、さらには糞便からの生物学的サンプルを調べ始めたとき、彼は何度も放棄された建物に相当する微生物を見つけました.そこにはたくさんの種がありましたが、一見すべての環境にある微生物の大部分は、何もしていないように見えました.
代謝活性が非常に低下したこれらの休眠微生物は、生と死の間の境界空間に存在します。彼らは、成長、食事、遺伝子の複製など、生命に通常関連する活動の多くを行っていない可能性がありますが、非常に明確に死んでいるわけでもありません。 「もしそうなら、寝てください。そうすれば、再び目を覚ますことができます」とレノンは言いました.
休眠微生物の概念は少なくとも 1 世紀前から存在していましたが、生物学者はそれらはまれだと考えていました。休眠について知られていることのほとんどは、Bacillus anthracis を含む丈夫な胞子を形成する細菌に由来します。 、炭疽菌を引き起こすことで有名な土壌微生物。胞子を形成する能力は、高線量の紫外線やガンマ線、長期にわたる干ばつ、宇宙の真空など、あらゆるものから細菌を守ることができます。 「人々は琥珀からバクテリアを復活させました」と彼は言いました。
生存戦略として胞子に頼ることの欠点は、非常に要求が厳しいことです。 B の 10 パーセント。炭疽 ゲノムは胞子の形成に専念しており、このプロセスには最初から最後まで 5 時間以上かかることがあります。研究者が知る限り、このような高い生物学的初期コストにより、この能力は単一のバクテリアグループで一度しか進化しませんでした.これは、そのようなラザロの微生物が小さな奇妙なものであることを示唆しています.
しかし、レノンや他の微生物学者のデータは、休眠は例外ではなく規則である可能性があることを示しています. 「[土壌中の] 微生物バイオマスの 90% 以上が不活性です」と彼は言いました。
休眠状態は、非常に多くの微生物 (土壌 1 グラムあたり最大 10 個の細胞) がどのように共存できるかを説明しました。ある意味では、少なくとも同時にではありませんでした。微生物は、食べ物や空間をめぐって互いに争って貴重な資源を使い果たすのではなく、より良い環境条件を待つために休眠期に入ることができます.休眠はまた、極限環境の限界だけでなく、食物やその他の必需品の饗宴または飢饉の波を生き残る方法を微生物に与えました.休眠生物は胞子ほど丈夫ではありませんが、静止状態にあるということは、ストレッサーに対処するために貴重な資源を浪費する必要がないことを意味します。微生物が食物を見つけたり、タンパク質を作ったり、他の家事をする必要がなければ、急速に分裂している生物を殺すかもしれない温度は耐えられるようになります.その結果、静止している生物は、通常どおりに成長している場合よりも、より広い範囲の温度やその他の環境条件に耐えることができます。植物学の言葉を借りて、レノンはこの休眠生物の広大な保護区を「微生物種子バンク」と呼びました。これは、適切な環境条件が成長して繁栄するのを待っていたものです。
科学者たちは、南極の砂漠に見られる土壌微生物は、アマゾンの熱帯雨林に見られるものと同じであると信じていましたが、研究により、すべての生物と同様に、土壌微生物は地域の条件に高度に適応していることが示されました.このため、レノンは、地球に地球規模の微生物種子バンクがあるとは考えていません。代わりに、セントラリアの土などの各土壌コミュニティには、独自のローカル シード バンクがあります。条件が理想的ではない場合、地元の微生物はシードバンクに自分自身を預けます.他の場所からの微生物もヒッチハイクでこの地域に侵入し、鳥の足や羽に付着したり、風に乗って飛来したりします。そのうちの何人かはそれをやり遂げようとし、繁栄するか死ぬかのどちらかになるかもしれませんが、他の人は身を潜めて待つでしょう.
英国ボーンマス大学の微生物生態学者 Genoveva Esteban は、英国北部の湖水地方にある 10,000 年前の池であるプリースト ポットで微生物種子バンクが機能しているのを見ました。エステバンは微生物の真核生物 (核を持つ小型の単細胞生物) のサンプルをプリースト ポットから研究室に持ち帰り、成長させました。核欠損原核生物の同胞と同様に、真核生物は培養下での成長に挑戦しています。ほとんどの人は、研究室で成長したくないだけです。エステバンが顕微鏡で湖の水滴をのぞくと、数百種類の渦を巻いて泳いでいる生き物が見えました。研究室では、彼女は培養瓶で成長している 20 種しか特定できませんでした。その後、彼女は文化を分割し、さまざまな環境で育てました。 (「私たちは本当に想像力を働かせて」、考えられる条件のあらゆる組み合わせを考え出しました、と Esteban は言いました。) 3 か月後、彼女は 135 の種を持っていました。
「これらの隠された生物はすべて、適切な条件が現れるのを待っていました」と彼女は言いました.
エステバンがアンダルシアの塩田からサンプルを採取したときも同じことが起こりました。現在のスペイン南部にある太古の海の名残です。当初、彼女は 6 つの異なる塩原のサンプルから 7 つの微生物種しか検出できませんでした。彼女はそれらのサンプルを徐々に希釈し、5 週間以上成長させたところ、種の数は 95 まで急増しました。
ある意味で、エステバンの意図的な環境操作は、自然界で条件が変化したときに起こることを模倣したものであり、気候が温暖化し続けるときに起こることも含まれます。アラスカ北極圏の高地で、ワシントン州リッチランド郊外のパシフィック ノースウェスト国立研究所の微生物学者であるジャネット ジャンソンは、地球温暖化がヘス クリークの微生物にどのような影響を与えているかを追跡していました。何千年もの間、この地域の地下土壌は恒久的に凍結していましたが、地球温暖化によってそれが変わり、地下の土壌層が解け始めています。
Nature に掲載された結果 2011 年、ヤンソンはサンプルをわずか 48 時間解凍しただけで、コミュニティの DNA に変化が見られることを発見しました。これは、鉄をエネルギー源として利用して生計を立てている永久凍土層に通常見られるタイプの微生物とは対照的に、炭素を食べるバクテリアの存在量が増加していることを示唆しています。
その後、RNA分析によって裏付けられた解凍部位と凍結部位の両方のサンプリングにより、DNAが嘘をついていないことが確認されました.解凍された土壌では、鉄分を還元する微生物の大部分が、有機炭素を食物として使用する他の微生物に取って代わられていました。 Jansson が発見したこれらの違いは、システムに固有のものでした。
「それは機能の非常に極端な違いです」と彼女は言いました. 「これらの生物はすでに存在していますが、数が少ないだけです。環境は、成長できるものを選択します。」
ロイ氏によると、生態学的な観点から、種バンクはシステムに一種の保険を提供します。 「抗生物質を服用すると、耐性遺伝子を持つ遺伝子が成長し、空いているニッチを引き継ぐことができます」とロイは言いました。種子バンクも同じように機能し、環境条件が変化すると休眠生物が優勢になります。 Tobin と Shade は、微生物シードバンクがセントラリアで見たもののいくつかを説明できるという仮説を立てました。彼らの長期にわたる実験は順調に進んでおり、このアイデアをテストする絶好の機会を与えていましたが、突然災害が発生しました.
エコシステムのバックアップ プラン
セントラリアが多くの変わった微生物を引き寄せたように、二足歩行の変人も引き付けてきました。凍てつくような午後、トービンと私がセントラリアをぶらぶらしていると、何台かの車がローカスト アベニューから停車し、火事への道順を尋ねてきました。 「これはいつも起こることです」と彼女は車が走り去り、炎を見ることができないことを知って失望した. 1993 年に最後に部分的に崩壊し、州にバイパスの建設を余儀なくされた古いルート 61 は、グラフィティ アーティストのためのアスファルト キャンバスとして今も存在しています。彼らの作品は平凡な「L+L 4EVER」から、よりスカトロ的で性的な性質の作品にまで及びます。
トービンは、この破壊行為の多くを肩をすくめました。しかし 2006 年、トレジャー ハンターのグループがセントラリアとその周辺の土地の大部分を引き裂き、アンティーク ガラスを求めて土を掘り起こしました。彼らが破壊した場所の 1 つは、彼女とシェイドが開発した長期研究サイトでした。一晩で、5 年間の作業が失われました。
「そこは戦争地帯のように見えました」とトービンは言いました。
トービンが研究を完全に再開するまでに、シェイドはウィスコンシン大学マディソン校で微生物学の博士号を取得し、ミシガン州立大学で教職に就いていました。しかし、彼女はセントラリアでの時間を決して忘れなかったので、2014 年に元教授に電話し、トービンに協力を依頼しました。その 10 月、Shade と研究室のマネージャーは飛行機に飛び乗り、ペンシルバニアに飛びました。
こて、クォートサイズの缶詰の瓶、シャベルと靴を消毒するための十分な漂白剤で武装したチームは、町の残りの部分に降りて、土壌サンプルを採取し始めました.チームは再びいくつかの場所から土を掘り起こしました:活発な火災の上、燃えてから冷却された地域の上、そして一度も火事にならなかった鉱山の部分の上。いっぱいになった缶詰の瓶を大きなクーラーに慎重に詰めた後、シェードはイースト ランシングに戻り、研究室で土の研究を始めました。
彼女は、3 つのグループのそれぞれに生息する種を比較することから始めました。彼女は当初、活発に燃えている地域からの微生物が場所間の変動が最も少ないと信じていました。彼女は、このような極端な暑さで成長するという課題は、成長できる生物の種類を厳しく制限するだろうと考えました.火が消えて地面が冷えた後、シェードは微生物がより多様な状態に戻ることを期待していました.実際、彼女と Tobin は正反対のことを発見しました。10 年から 20 年かけて地面が冷えるにつれて、暑い地域の微生物集団は発散し、その後再び収束しました。
「微生物群集には、対応して回復するための計り知れない能力があります」と Shade 氏は言います。 「ただ眠っているだけのシステムには、この固有の能力があるようです。」
微生物の個体数がどのように変化したかに関係なく、Shade と Tobin は、セントラリアの微生物シード バンクが、システムが火災による温度上昇に対応し、初期状態に戻ることを可能にしたという仮説を立てました。 PLOS ONE でのさらなる研究 種子バンクはまた、火災によって放出されたヒ素やその他の重金属のレベルの上昇に土壌が反応することを可能にした可能性があることを示しました.エステバンにとって、それがシードバンクの要点です。
「シードバンクとは、生態系の機能が止まることがないことを意味します。状況が変わっても、エコシステムは継続できます」と彼女は言いました。
このプロセスは、個々の種にも利益をもたらします。 「ほとんどの微生物は、生と死の間のかみそりの端に住んでいます」とレノンは言います。 「そして、休眠することは死ぬよりもましです。」しかし、この休眠の正確な原因は不明のままです。また、微生物の全個体群が休眠を選択するのか、それとも逆境下であっても休眠を試みている同胞のヘッジファンドとして休眠状態になるものがあるのかどうかも、科学者にはわかりません。
しかし、今のところ、微生物シードバンクの役割とその存在さえも推測にとどまっています.シェードと彼女の大学院生は、毎年秋に見捨てられた町に車で戻り、より多くのサンプルを収集します。彼女は最近の旅行で、一度も焼かれたことがない場所から土壌サンプルを採取し、研究室に持ち帰り、制御された条件下でそれらを加熱して、それらがどのように反応するかを確認しました.この一連の実験はまだ進行中ですが、シードバンクの役割に関するいくつかの基本的な質問に答え始めることができることをシェイドは望んでいます.これらの回答は、セントラリアや世界中の何千もの炭鉱火災で何が起こっているかについての洞察を提供するだけではありません。また、世界の微生物が気候の温暖化にどのように反応するかについての貴重な手がかりも得られる可能性があります。
気候問題の支点におけるセントラリアの立場は、その微生物だけに基づくものではありません。町の石炭は地下で燃え続けていますが、近くの尾根の頂上にはいくつかの風力タービンが建てられています。町が地元の微生物によって示されるような回復力を発揮できるかどうかはまだ分からない.その間、タービンはそよ風の中でゆっくりと回転し続けます。
