微生物の生命は、ほとんど信じられないほど回復力があり、沸騰した温泉や完全に乾燥した砂漠、酸と極地の氷のプール、上空数キロ、海底下数キロに生息しています。科学者たちは、太陽系を超えたさらになじみのない領域で微生物を発見することを熱望していますが、それはそのリストの最後の地球に縛られたフロンティアであり、深部の地下であり、生命の極端な適応性を調査するための努力において刺激的な進歩を遂げています.
光がなく、必須栄養素がなく、想像を絶する圧力に押しつぶされている深部の地下は、容赦なく住みにくいように見えますが、地球最大の生息地の 1 つになりつつあります。さらに、その奇妙さにより、科学者は、地表の住人が慣れ親しんでいるものとはまったく異なるエネルギー源と時間スケールで動作する生物学的システムを考慮せざるを得なくなりました.
科学者たちは何十年もの間、太陽から遠く離れた海の下で、微生物がどのように、どこで存続し、さらには繁栄するかを研究してきました。その研究のほとんどは、海底堆積物、所々で水面下数キロメートルに及ぶ密集した泥と破片に焦点を当てています。しかし、その下には火山岩、地殻自体もあります。これらの岩石の生命にアクセスして分析することははるかに難しく、サンプルも不足しています。
テネシー大学ノックスビル校の微生物学者であるカレン・ロイド氏は、「現在、深部の地下微生物の地図はありません。その結果、その多様な環境を研究している研究者は、「森には木があり、海には魚が泳いでいる」と同等の単純な一般化さえできないと彼女は指摘しました。
しかし、いくつかの新しい発見により、ついにその風景とそこに生息する微生物への窓が開かれました.また、この惑星と宇宙のどこかで、生命の起源と進化を垣間見ることもできます。
太陽のない生活
地球の地殻は、主に地質学者の範囲でした。微生物学者にとっても興味深いかもしれないという最初の兆候は、研究者がイリノイ州の深い油井に細菌が存在することを報告した1926年に来ました.しかし、そのような発見は何十年もの間真剣に受け止められませんでした.サンプルの汚染は、地球上の他の場所の生命を支える太陽駆動の光合成から切り離されて生きる可能性よりもはるかに可能性が高いと思われました. (1950 年代に 2 人の微生物学者が一連の実験を行い、生物圏の底を海底からわずか数メートル下の堆積物に固定することに成功したことは役に立ちませんでした。)
1977 年、すべてが変わり始めました。科学者たちは潜水艦に乗り込み、ガラパゴス諸島近くの 2 つの構造プレートの間に広がる海嶺を調査し、最初の熱水噴出孔を発見しました。そこでは、やけどするほど熱く、ミネラルが豊富な液体が岩の割れ目から噴き出し、非常に冷たい海水と混ざり合って、地球が黒い煙の大波を吐き出しました。それらの通気孔の周りでは、チューブワーム、シャコガイ、アイレスシュリンプを含む生態系全体が繁栄し、それらを維持する微生物が非常に多く存在することが判明しました.トロント大学の地質学者であるバーバラ・シャーウッド・ロラーは、「彼らが生命を見つけるとは思っていなかった、海のこれらの暗くて深い部分で、確かに彼らは生命を見つけた.そして、それは「私たちが知らなかった文字通りの人生」でした。
科学者たちは、太陽に依存しない生態系が地球上に存在する可能性があることを初めて認識しました。微生物は、太陽エネルギーではなく、通気口から放出される鉱物や化学物質によって動力を供給されていました。彼らは生命とは何か、そしてその限界はどこにあるのかに挑戦しました。
1980 年代から 90 年代にかけて、科学者たちは、照明がなくても人口の多い王国のさらなる証拠を発見し始めました。大陸と海の両方の下にある岩石は、非生物反応だけの結果であるとは考えにくい風化を示しました。陸上および海上での掘削プロジェクトにより、あらゆる種類の環境で生きている細胞と DNA 配列が明らかになり、研究者は、地下の微生物が隠れた広範な大多数を構成し、上の世界で見つかった微生物細胞をはるかに上回っていると推測するようになりました。実際、現在の推定では、地下の微生物の数は 10 細胞程度であり、土壌や外洋に生息すると考えられている微生物の数よりも 1 桁多い。マサチューセッツ州ウッズホール海洋研究所の海洋微生物学者であるバージニア・エッジコム氏は、「深部生物圏は広範囲に及びます。微生物学者の注目を集めたのは、その[潜在的な]程度でした。」
そして、それ以来、彼らがその広大な領域のどこを見ても、どんなに深いところや栄養不足に見えたとしても、彼らは生命を見つけました.
ゾンビ細胞は別の時計に従う
海底下のドメインは、堆積物と岩石という 2 つの異なる領域に分けることができます。前者は、海底に堆積する泥やデトリタスで構成されています。この層は、構造が高密度のスポンジに似ています。その重量の 90% は水である可能性がありますが、その中を効率的に流れるものは何もありません。代わりに、液体や化合物がゆっくりと拡散します。微生物細胞は基本的にそこに埋もれており、エネルギーに使用する可能性のある物質も一緒です。
浅い地域、特に栄養分が豊富な海岸近くでは、この埋もれた生物が繁栄しています。数百万または数十億の微生物細胞がその堆積物 1 立方センチメートルに生息している可能性があります。研究者がより深く掘り下げるほど、発見する細胞の数は少なくなります。
それでも、彼らは常に何かを見つけているようです。彼らは海底下 2,500 メートルまで堆積物を掘り下げました。そこでは、1 立方センチメートルあたり数個の細胞しか発見できず、検出能力の限界に近づいています。
これらの細胞は、少なくとも私たちの基準では、ほとんど生きているようには見えません。彼らは非常にゆっくりと生き、分裂することはめったになく、エネルギー消費量は、表面の生息地に住む細胞よりも6桁少ない場合があります。オレゴン州立大学の海洋生態学者であるマーティン・フィスクは、「一度分裂するのに100年か1,000年かかるかもしれません。 「彼らは非常にゆっくりと活動を続けています。」
ロードアイランド大学の海洋学者であるスティーブ・ドントは、それらを「ゾンビ細胞」と呼んでいます。しかし、彼らは確かに生きています — 彼らは単に慣れ親しんだ時間スケールで動作していません.細胞の活動を観察することは、カゲロウが木の命を経験することに似ているかもしれません。昆虫は、木がどのように成長し、それ自体を維持しているかを真に理解する前に、死んでしまいます。
しかし、堆積物の下にある玄武岩では、別のことが起こっている可能性があります。固く詰まった泥とは異なり、これらの岩には海水が循環する細孔、亀裂、裂け目があり、それとともに、微生物が食べられる有機物も含まれています。
残念なことに、その岩石から汚染されていないサンプルに侵入して取得することも、はるかに困難です。堆積物は、パイプを泥の中に垂直に打ち込むことでサンプリングできますが、岩は硬すぎてそれを行うことはできません。代わりに、科学者はドリルを使用し、海水と泥の液体混合物を使用して潤滑する必要があります。そのプロセスは、サンプルの端や隙間を上層部からの生物学的物質で汚染します.
そのため、岩の内部に何が生息しているのかを調査するために、微生物学者は岩をきれいにし、アルコールで洗い流し、表面を火にかけ、岩を割る必要があります。それでも、これらの方法は非常に限られた数の細胞を発見する傾向があり、写真による証拠がなければ、「サンプリングされているものが本当にそこからのものであり、汚染されていないことを証明することは常に非常に困難です」と、ミュンヘン大学
玄武岩の生命を調べた一握りの研究のほとんどは、熱水噴出孔近くの岩石または新しくできた海底に焦点を当てています。これは、800 万年までしか経っていない比較的若い岩石です。それは、海水が最も容易に循環し、微生物の食物供給を補充できるのは、若い岩盤だからです。これらの岩石は化学反応性も高く、特定の「岩石を食べる」微生物もこれらの反応をエネルギー源として利用できます。
しかし、玄武岩が冷えて形成された場所から離れ、海底に沿ってさらに沈み込み帯に向かって移動すると、その多くの亀裂や細孔が沈殿した鉱物で満たされ、このより活発な流体の流れが妨げられ、より孤立したシステムにつながります.そのような条件下で生命が生き残ることができるかどうかは、今まで不明でした.
古代の玄武岩内の細胞
先月、日本の科学者チームは、2010 年の掘削遠征で採取された玄武岩の中に生命が存在し、海底の地殻の深さ 120 メートルに達し、3,300 万年から 1 億 400 万年前の岩石が発見されたことを報告しました。研究に参加しなかったロイドによると、岩石の年代だけでも刺激的だった。 「それが形成されたとき、恐竜は地球を歩いていました。」
しかし、さらに興味をそそられたのは、微生物が岩の中で成長している密度でした.研究者らは、サンプル中の細胞を正確に数えるための新しい技術を使用して、微生物が玄武岩のミネラルで満たされた亀裂の特定のサブセットに集中していることを発見しました。そこで、彼らはバイオフィルムのようなものを形成し、1立方センチメートルあたり100億個の細胞の数に達しました. 「[私たちは] 古くて冷たい固い岩石にこれほど多くの細胞があるとは思っていませんでした」と、東京大学の地球科学者であり、この研究の筆頭著者である鈴木洋平氏は述べています。
研究者はまた、細胞がどのタイプのミネラルと関連しているか、または関連していないかをマッピングすることもできました.彼らは、バクテリアがそれらのミネラルに閉じ込められた有機物を食べて生き延びたと仮定しています.
テキサス A&M 大学の生物地球化学者で、この研究には関与していないジェイソン・シルバン氏は、「これにより、微生物が生息することがわかっている海底がさらに広がります」と述べています。
実際、生命の処方箋が以前に予想されていたよりも厳しくない可能性があることを示唆しています。おそらく、それを維持するために必要なのは、岩と流体の流れの組み合わせだけです。
それはまったく新しい考えではありません。南アフリカやカナダのような場所では、最古の海底玄武岩よりも何十億年も古い岩石に降りる地上の深い鉱山での作業が、過去 10 年間、これを示唆してきました。 Sherwood Lollar は、プリンストン大学の Tullis Onstott と他の同僚と共に、それらの鉱山に足を踏み入れ、彼らが「隠された水圏」と呼んでいるものを研究しました。場合によっては、何百万年、あるいは何十億年も地表の環境要因にさらされていない水を発見しました。
そして、その 10 億年前の水の中で、研究者たちは生命を発見しました。
彼らはまた、これらの微生物が放射線分解と呼ばれる非生物的プロセスからエネルギーを得ることによって存続しているという証拠も発見しました。このプロセスでは、岩石から放出された放射線がシステム内の水と反応して水素を放出し、細胞はそれをさまざまな形で燃料として使用できます。これは科学者に興味深い疑問を投げかけました:放射線分解は、地下生物の多くを動かす代替プロセスになるのでしょうか?
放射線分解があらゆる場所で発生していることを考えると、「海洋深層生物をサポートしている可能性もあります」と Orsi 氏は述べています。 「誰も知らない」
流体の流れが多く、孤立が目立たない海洋環境では、その証拠を得るのがはるかに困難です。しかし、古い海底下の玄武岩の研究に参加したドントは、そこで最近発見されたバクテリアも放射線分解に依存している可能性があると推測している. 「これらの細胞密度を維持するのに十分な量の有機物がそこから流出しているとは想像しがたいです」と彼は言いました。おそらく、放射線分解もその一部です。ミネラル充填のおかげで生息地が比較的隔離されているため、今後の研究の興味深い対象となります。
デラウェア大学の海洋科学者であるジェニファー・ビドル氏は、少なくとも「（地上の）研究から、生命は水のあるほぼすべての隙間に収まることを基本的に学びました」と述べています。現在、スズキ、ドント、および彼らのチームが行ったこの種の研究は、「海洋環境は陸上環境と同じ規則に従っていることを示しています。スペースと水がある限り、何かが起こる可能性があります。行く」と彼女は言った。おそらくそれは放射線分解にも当てはまります — 光合成が地表の生命にとって何であるかは、おそらく地下の生命にとってです.
とにかく、それは科学者に重要な教訓を教えてくれます。それは、深海生物を理解するには、岩石を見るだけではいけないということです。また、水がどのように流れるか、または流れないかについても研究する必要があります。現在、いくつかのグループが世界中の玄武岩系でこれを行っています。
また、生命の潜在的な限界を視覚化する新しい方法を提供します。伝統的に、研究者は生命が最も頻繁に温度によって制限されるという仮説を立ててきました。摂氏約 120 度を超えると、最も頑丈な微生物細胞でさえバラバラになり、死んでしまいます。しかし、もう 1 つの主要な要因は、この非常に重要な流体の流れのようです。温度が十分に低く保たれている限り、生命は「海水が浸入できるほど深くなる可能性があります」とドントは言いました。
おそらく最も重要なのは、このような流体の流れの研究が、生命の起源と進化を精査するための新しいレンズを提供することです。
地球の内外
熱水噴出孔の発見以来、シャーウッド・ロラーは、生命の起源に関する限り、「ダーウィンの『暖かい小さな池』という考えからの変化を見てきました」と述べています。さて、私たちは暖かい小さな池や熱水噴出孔ではなく、オンストットが「暖かい小さな割れ目」と呼んでいるものを考慮する必要があるかもしれません。地球。 「火山岩と水があり、生命を維持することができます」と、最近この可能性をモデル化したフィスクは言いました。
つまり、生命は地球の表面で始まり、より深い環境を含め、生き残り、拡散するための創造的な方法を見つけた可能性があります。しかし、生命が岩と水の間の偶然の分岐点で地下で始まった可能性もあります。最終的には地表に出て、太陽のエネルギーを利用する方法を考え出します. （その点で、光合成に依存する地表の生命と放射線分解に依存する地下の生命は、これまでのところ、古代の共通の祖先を持っていることがわかっています - しかし、一部の研究者は、生命が地球上で2回以上進化した可能性に興味をそそられています。 「第二のジェネシス」)
これは、火星、土星の衛星エンケラドゥス、太陽系外の太陽系外惑星での生命の探索に重要な意味を持ちます。宇宙全体に水と火山岩が広がっていることを考えると、「生命はどこからでも始まった可能性があります」とフィスクは言いました。
ドントは同意した。 「文字通り普遍的な観点からすると、あらゆる種類の惑星で生命を維持する可能性が開かれます」と彼は言いました。 「光合成とは独立した別の世界に生命が存在する可能性があります」.
さらに興味深いのは、おそらく生命はそこでも進化し、適応することができるということです。海底下の細胞がどれだけゆっくりと成長するかを考えると、それらはより緩やかな時間スケールで適応することもできますか?
若い堆積物で実施されたいくつかの予備研究では、そのような進化の証拠は見つかっていませんが、それらは1種類の深部地下環境のみを扱っており、その場合でも約10,000年前にさかのぼるだけです.それは、より遅い種類の自然淘汰が役割を果たすには十分な時間ではないかもしれません. 「100万年、1000万年さかのぼるとどうなる？」オルシは尋ねた.
古い堆積物や、スズキとドントが調査した玄武岩などの他の海底下環境は、新鮮な洞察を保持している可能性があります。 「可能性をますます大きな時間スケールとコンテキストに拡張すると、進化の可能性のあるドライバーがさらに広がります」とロイドは言いました。
現在でも、科学者たちはさらに深く研究を続けています。 Nature に掲載された論文 3 月には、Edgcomb が先頭に立って、これまでで最も野心的なそのようなプッシュの 1 つからの結果を詳述しました。彼らは、海底下800メートル近く、海底地殻が海面近くで膨らんでいる場所を掘削しました。そこで彼らは、マグマがよりゆっくりと冷却されるときに形成される斑れい岩のサンプルを採取しました。通常、それらは玄武岩の下に見られ、マントルや初期の地球の岩石環境がどのように見えたかを見るための窓のようなものと考えられています。そして、科学者たちはこれらの岩石に微量の細胞があったことを報告しました。これは、海水の流れから集めた栄養分によって再び生き残っているように見えました。 Orsi を含む他の研究者は、これらのサンプルが汚染されている可能性について懸念を表明していますが、将来の分析によってそこにある生命が明らかになることも期待しています。
何があっても、エッジコムは、ジュラシック パークの有名なセリフを繰り返して言いました。 、「人生は道を見つける」
この記事はに転載されました TheAtlantic.com .
