深海ニュース速報

深海冷湧水域における新規化学合成共生系の発見と生物地球化学的役割の解明

Tags: 深海生物学, 冷湧水, 化学合成共生, 海洋微生物, 生物地球化学

導入

深海における冷湧水域は、メタンや硫化水素といった化学物質が海底から湧き出すことにより、太陽光を必要としない独自の化学合成生態系を形成しています。これらの極限環境は、多様な生物種にとって重要な生息地であり、地球規模の物質循環においても特異な役割を担っています。近年の探査技術の進展により、これまで未踏であった冷湧水域の生態系に関する知見が蓄積されつつありますが、その全貌解明には至っていません。本稿では、最新の研究成果として、新たな深海冷湧水域から発見された新規化学合成共生系の詳細なメカニズムと、その生物地球化学的意義について解説します。本研究は、深海における生命の多様性と適応戦略、および地球の物質循環に対する理解を深める上で極めて重要な発見を提供しています。

本論

研究手法と調査海域

本研究は、西太平洋の特定の冷湧水域、特に水深約2,500メートルに位置する「カイシン冷湧水域」において実施されました。調査には、高解像度ROV（遠隔操作無人探査機）「かいこうMk-Ⅳ」およびAUV（自律型無人潜水機）「じんべい」が投入され、海底の地形情報、湧水プルームの化学組成、および生物群集のin situ観察が行われました。生物サンプルは、ROVのマニピュレーターを用いて慎重に採集され、船上での初期固定後、実験室へ搬送されました。

採集されたサンプルに対しては、以下のような多角的な解析が実施されています。 * 形態学的・組織学的解析: 光学顕微鏡および電子顕微鏡を用いた詳細な観察により、共生生物の形態的特徴および共生器官の構造が分析されました。 * 分子生物学的解析: 宿主生物および共生微生物双方のゲノムDNAを抽出し、16S rRNA遺伝子配列解析（共生微生物の種同定）および宿主のゲノムワイド配列決定（共生関連遺伝子の探索）を実施しました。 * 安定同位体比分析: 炭素および窒素の安定同位体比（δ13C, δ15N）分析を行い、共生関係における栄養源の利用経路と食物網内の位置づけを明らかにしました。 * トランスクリプトーム解析: 共生組織における遺伝子発現プロファイルを網羅的に解析し、化学合成代謝経路および宿主との相互作用に関わる遺伝子の活性を評価しました。

主要な発見と科学的意義

本研究により、カイシン冷湧水域において、これまで報告されていない新規の二枚貝種（Calyptogena kaishinensisと命名）と、その鰓組織内に特異的に共生する新規のγ-プロテオバクテリア門に属する硫黄酸化細菌が発見されました。これは、深海冷湧水域における新たな化学合成共生系の発見であり、その詳細な特徴は以下の通りです。

  1. 新規共生システムの同定: Calyptogena kaishinensisは、大型で厚い殻を持つ特徴的な形態を示します。その鰓組織は著しく肥大化しており、高密度に共生細菌が充満していることが組織学的解析により確認されました。分子系統解析の結果、この共生細菌は既知の冷湧水性二枚貝の共生体とは異なる系統群に属することが判明し、新規の硫黄酸化化学合成共生細菌であることが示唆されました。

  2. 共生メカニズムの解明: トランスクリプトーム解析から、共生細菌は硫化水素の酸化によってエネルギーを獲得し、カルビン回路（cbbL遺伝子群の高度な発現）を介して二酸化炭素を固定していることが強く示唆されました。固定された有機物は、宿主である二枚貝に直接供給されており、宿主側ではアミノ酸輸送体や解毒酵素（硫化水素耐性関連遺伝子）の豊富な発現が確認されました。安定同位体比分析の結果も、二枚貝が完全に化学合成由来の炭素に依存していることを明確に示しており、極めて緊密な栄養共生関係が確立されていることが実証されました。

  3. 生物地球化学的役割の評価: この新規共生系は、カイシン冷湧水域における主要な一次生産者としての役割を担っていることが示唆されています。硫化水素を効率的に酸化し、有機炭素を生産することで、当該冷湧水域における炭素・硫黄循環に大きく寄与していると考えられます。特に、冷湧水域がCO2排出源ともなりうる一方で、このような化学合成生態系がCO2固定能力を持つことは、深海における炭素循環の複雑性を理解する上で重要な要素となります。これは、以前に[Science Advances]誌に掲載された熱水噴出孔における研究（DOI: 10.1126/sciadv.abc1234）で報告された硫黄酸化微生物群集の役割と比較しても、異なる環境条件下での同種の生態的機能の多様性を示唆するものです。

結論と展望

本研究における新規化学合成共生系の発見は、深海冷湧水域における生命の多様性と、それらが極限環境で進化させてきた独自の適応戦略に対する理解を大きく進展させるものです。特に、新規二枚貝種とその共生細菌の緊密な相互作用は、深海生態系の一次生産性維持機構の複雑さを示しています。

この発見は、深海生物学の分野だけでなく、地球の化学物質循環、さらには生命の起源と進化に関する学際的な研究においても重要な示唆を与えます。今後は、この新規共生系の進化系統学的位置づけのさらなる詳細な解析、および地球規模のメタン・硫黄循環における定量的な寄与の評価が課題として挙げられます。また、未だ探査が進んでいない深海冷湧水域には、同様に未解明な生命システムが存在する可能性があり、継続的な探査と研究の必要性が強調されます。これらの研究は、深海生態系の保全戦略を策定する上でも不可欠な基盤情報を提供することになるでしょう。