超深海?海沟生命圏を発见—マリアナ海沟の超深海水块に独自の微生物生态系—
2015.02.24
- プレスリリース
- 研究
超深海?海沟生命圏を発见—マリアナ海沟の超深海水块に独自の微生物生态系—
平成27年2月20日
独立行政法人海洋研究开発机构
国立大学法人东京工业大学
公立大学法人横浜市立大学
国立大学法人东京大学
独立行政法人海洋研究开発机构
国立大学法人东京工业大学
公立大学法人横浜市立大学
国立大学法人东京大学
概要
独立行政法人海洋研究开発机构（理事長 平 朝彦、以下「JAMSTEC」という。）海洋生命理工学研究開発センターの布浦拓郎主任研究員らと国立大学法人东京工业大学、公立大学法人横浜市立大学、国立大学法人东京大学の共同研究グループは、世界最深の海であるマリアナ海溝チャレンジャー海淵内の超深海（水深6000m以深）水塊（水温や塩分などの特性が比較的均質な海水の広がり）中に、上層に拡がる深海水塊とは明瞭に異なる微生物生態系、即ち、独自の超深海?海溝生命圏が存在することを世界で初めて明らかにしました。
超深海の海溝環境における微生物調査の歴史は1950年代に遡りますが、これまでの研究は主に海底堆積物を対象としており、海溝内水塊は未探査の海洋微生物生態系として残されていました。このため研究グループでは、2008年6月、KR08-05航海にて、チャレンジャー海淵中央域（11?22.25’N, 142?42.75’E, 水深10300 m）において、海洋表層から海溝底直上(水深10257m)までの海水試料を大深度小型無人探査機 「ABISMO」により採取し、分子生態解析、化学解析を展開しました。
その结果、海沟内超深海层と上方の深海层（水深4000～6000ｍ）では、塩分、温度、栄养塩浓度等の物理化学环境からも、また微生物数にも明瞭な违いが见られないにも関わらず、超深海の微生物群集构造は、深海层の微生物群集とは明瞭に异なり、従属栄养系统群（※１）が优占することが明らかになりました。このことは、超深海环境特有の有机物源に依存する微生物生态系が超深海で発达していることを示唆しており、海洋微生物生态系像に全く新たな知见をもたらすものです。
マリアナ海沟は他の海沟から独立しているため、他の海沟からの有机物流入など、上层水块と完全に异なる有机物源の存在を考えることは困难です。従って、今回発见された海沟水块独自の生态系は、いったん海沟斜面に堆积した有机物が、地震等による海沟斜面の崩壊に伴って放出される现象に支えられている、即ち、超深海?海沟生命圏は、海沟地形を形作る地球活动に支えられた生态系であると考えられます。
なお、本研究の一部は、日本学術振興会の科研費24370015の助成を受けて実施したものです。本成果は、米国科学アカデミー紀要「Proceedings of the National Academy of Science」に2月24日付け（日本時間）で掲載される予定です。
タイトル：Hadal biosphere: insight into the microbial ecosystem in the deepest ocean on Earth
着者：布浦拓郎1、高木善弘1、平井美穂1、岛村繁1、眞壁明子1,2,3、小出修1、菊池彻4、宫崎淳一1、木庭启介2、吉田尚弘3、砂村伦成5、高井研1
1. 独立行政法人海洋研究开発机构、2. 東京農工大学、3. 東京工業大学、4. 横浜市立大学、5. 東京大学
超深海の海溝環境における微生物調査の歴史は1950年代に遡りますが、これまでの研究は主に海底堆積物を対象としており、海溝内水塊は未探査の海洋微生物生態系として残されていました。このため研究グループでは、2008年6月、KR08-05航海にて、チャレンジャー海淵中央域（11?22.25’N, 142?42.75’E, 水深10300 m）において、海洋表層から海溝底直上(水深10257m)までの海水試料を大深度小型無人探査機 「ABISMO」により採取し、分子生態解析、化学解析を展開しました。
その结果、海沟内超深海层と上方の深海层（水深4000～6000ｍ）では、塩分、温度、栄养塩浓度等の物理化学环境からも、また微生物数にも明瞭な违いが见られないにも関わらず、超深海の微生物群集构造は、深海层の微生物群集とは明瞭に异なり、従属栄养系统群（※１）が优占することが明らかになりました。このことは、超深海环境特有の有机物源に依存する微生物生态系が超深海で発达していることを示唆しており、海洋微生物生态系像に全く新たな知见をもたらすものです。
マリアナ海沟は他の海沟から独立しているため、他の海沟からの有机物流入など、上层水块と完全に异なる有机物源の存在を考えることは困难です。従って、今回発见された海沟水块独自の生态系は、いったん海沟斜面に堆积した有机物が、地震等による海沟斜面の崩壊に伴って放出される现象に支えられている、即ち、超深海?海沟生命圏は、海沟地形を形作る地球活动に支えられた生态系であると考えられます。
なお、本研究の一部は、日本学術振興会の科研費24370015の助成を受けて実施したものです。本成果は、米国科学アカデミー紀要「Proceedings of the National Academy of Science」に2月24日付け（日本時間）で掲載される予定です。
タイトル：Hadal biosphere: insight into the microbial ecosystem in the deepest ocean on Earth
着者：布浦拓郎1、高木善弘1、平井美穂1、岛村繁1、眞壁明子1,2,3、小出修1、菊池彻4、宫崎淳一1、木庭启介2、吉田尚弘3、砂村伦成5、高井研1
1. 独立行政法人海洋研究开発机构、2. 東京農工大学、3. 東京工業大学、4. 横浜市立大学、5. 東京大学
背景
超深海環境（水深6000m以深）に棲息する微生物を対象とした研究は1950年代より開始され、主に堆積物や動物体内からの単離培養が行われてきました（Bartlett 2009）。また、分子生態解析の普及当初には、無人探査機「かいこう（初代）」がマリアナ海溝底から採取した堆積物を対象とした解析が、JAMSTEC研究者により試みられています（Kato et al.1998）。また、近年では、JAMSTEC研究者を含むグループによる、マリアナ海溝底堆積物では近傍深海底に比べ微生物活動が盛んであるとする発見（Glud et al. 2013）（2013年3月18日既報）や、小笠原海溝底での物質循環に関与する微生物活動が報告されています（Nunoura et al. 2013）。しかし、超深海?海溝水塊の微生物生態研究は、依然として全く未踏の研究対象として残されていました。
一方、海洋水塊中の微生物生態系像は、近年、著しく変貌しています（図1）。従来の海洋水塊中の微生物生態系とは、海洋表層で珪藻やシアノバクテリア等が行う光合成により生産された有機物が、微生物や動物プランクトンに分解されつつ沈降し、最終的には深海域の生命圏を支えるというものでした。即ち、深海水塊に棲息する微生物の殆どは従属栄養生物であると認識されていました。ところが、近年の研究は、海洋表層で生産された有機物の分解等に伴って生じるアンモニアや硫黄化合物をエネルギー源として炭素固定（※2）を行う微生物が、深海水塊中の微生物生態系において、相当程度優占することを示唆しています。即ち「暗黒での炭素固定」を行う化学合成生物群が深海水塊において重要な役割を果たしており、海洋表層で生産された有機物はただ分解されて沈降するのではなく、有機物の分解と合成を繰り返しながら海底に至るという新しい生態系像が構築されつつあります（布浦?木庭 2014a；横川 2014）。特に、炭素固定能を有す系統群の代表格であるアンモニア酸化アーキアは、深海水塊中微生物の数十%を占めることがあり、また、エネルギー源となるアンモニアの供給量に応じて各アンモニア酸化アーキア系統群が棲み分けていることも指摘されています（布浦?木庭2014b）。
本研究では、この新たな生态系像を体系的に确认するために、海洋表层から海沟底直上までの海水试料について、无机化学分析を行うと共に、微生物群集构造を微生物?ウイルス计数、培养评価という伝统的手法と、分子生态解析技术を駆使して比较検讨し、超深海?海沟水块の微生物生态系を世界で初めて明らかにしました。
一方、海洋水塊中の微生物生態系像は、近年、著しく変貌しています（図1）。従来の海洋水塊中の微生物生態系とは、海洋表層で珪藻やシアノバクテリア等が行う光合成により生産された有機物が、微生物や動物プランクトンに分解されつつ沈降し、最終的には深海域の生命圏を支えるというものでした。即ち、深海水塊に棲息する微生物の殆どは従属栄養生物であると認識されていました。ところが、近年の研究は、海洋表層で生産された有機物の分解等に伴って生じるアンモニアや硫黄化合物をエネルギー源として炭素固定（※2）を行う微生物が、深海水塊中の微生物生態系において、相当程度優占することを示唆しています。即ち「暗黒での炭素固定」を行う化学合成生物群が深海水塊において重要な役割を果たしており、海洋表層で生産された有機物はただ分解されて沈降するのではなく、有機物の分解と合成を繰り返しながら海底に至るという新しい生態系像が構築されつつあります（布浦?木庭 2014a；横川 2014）。特に、炭素固定能を有す系統群の代表格であるアンモニア酸化アーキアは、深海水塊中微生物の数十%を占めることがあり、また、エネルギー源となるアンモニアの供給量に応じて各アンモニア酸化アーキア系統群が棲み分けていることも指摘されています（布浦?木庭2014b）。
本研究では、この新たな生态系像を体系的に确认するために、海洋表层から海沟底直上までの海水试料について、无机化学分析を行うと共に、微生物群集构造を微生物?ウイルス计数、培养评価という伝统的手法と、分子生态解析技术を駆使して比较検讨し、超深海?海沟水块の微生物生态系を世界で初めて明らかにしました。
成果
本研究では、マリアナ海沟チャレンジャー海渊中央部（図2）において、海洋表层から超深海?海沟底直上（水深0-10257尘）まで50?1000尘おきに採水した试料を対象に、无机化学解析、微生物?ウイルス数计数、分子生态解析を展开しました。栄养塩浓度や微生物?ウイルス数には、深海层と超深海に违いが観察されません（図3）。しかし、微生物群集构造解析からは、中深层から深海层にかけて、炭素固定能を有す化学合成系统群が优占するのに対し、超深海水块には、従属栄养系统群が优占することが明らかになりました（図4）。更に、有机物分解により生じるアンモニアをエネルギー源とするアンモニア酸化菌、アンモニア酸化で生じた亜硝酸をエネルギー源とする亜硝酸酸化菌とも、深海层と超深海层では、优占するグループに変化が生じることが示されました（図5）。これらの観察结果は、超深海?海沟内水块に、上层の深海层とは异なる有机物の供给源が存在し、その有机物に强く依存した生态系が成立していることを示すものです。
深海への有机物供给には、（1）当该海域海洋表层での日光に依存した光合成による一次生产（炭素固定）に由来する沉降有机物、（2）深海の潮流により他海域から运ばれた沉降有机物、そして、（3）堆积物から悬浊された有机物が考えられます。マリアナ海沟は他の海沟からは独立している為、（2）のような超深海独自の潮流による有机物供给はありません。また、（1）の海洋表层からの沉降有机物に単纯に依存するならば、海沟の沉み込み深度である水深6000尘付近を境界として、深海层と超深海?海沟とで异なる生命圏が存在していることの説明がつきません。従って研究グループは、他の状况証拠とも併せ（3）に示される海沟地形故に生じる地震等に起因する海沟斜面の崩壊と、それに伴う堆积物からの有机物放出が海沟内水块中の微生物生态系を支えていると结论づけました（図6）。即ち、超深海?海沟生命圏は、海沟地形を形作る地球活动に支えられた生态系であると考えています。
なお、深海斜面における地崩れが深海水塊微生物生態系へ影響を及ぼす現象は、既に東日本大震災に伴う現象としても観察されており（Kawagucci et al.2012）（2012年2月17日既報）、そこで観察された微生物相の変化も、今回、超深海?海溝生命圏で観察された微生物群集構造の変化と類似の傾向を示していました。このことも、今回提唱する超深海?海溝生命圏成立メカニズムに関する仮説を支持するものです。
深海への有机物供给には、（1）当该海域海洋表层での日光に依存した光合成による一次生产（炭素固定）に由来する沉降有机物、（2）深海の潮流により他海域から运ばれた沉降有机物、そして、（3）堆积物から悬浊された有机物が考えられます。マリアナ海沟は他の海沟からは独立している為、（2）のような超深海独自の潮流による有机物供给はありません。また、（1）の海洋表层からの沉降有机物に単纯に依存するならば、海沟の沉み込み深度である水深6000尘付近を境界として、深海层と超深海?海沟とで异なる生命圏が存在していることの説明がつきません。従って研究グループは、他の状况証拠とも併せ（3）に示される海沟地形故に生じる地震等に起因する海沟斜面の崩壊と、それに伴う堆积物からの有机物放出が海沟内水块中の微生物生态系を支えていると结论づけました（図6）。即ち、超深海?海沟生命圏は、海沟地形を形作る地球活动に支えられた生态系であると考えています。
なお、深海斜面における地崩れが深海水塊微生物生態系へ影響を及ぼす現象は、既に東日本大震災に伴う現象としても観察されており（Kawagucci et al.2012）（2012年2月17日既報）、そこで観察された微生物相の変化も、今回、超深海?海溝生命圏で観察された微生物群集構造の変化と類似の傾向を示していました。このことも、今回提唱する超深海?海溝生命圏成立メカニズムに関する仮説を支持するものです。
今后の展望
今回観察された现象は、频度を考虑すると、斜面崩壊等により堆积物から放出された有机物が、周辺相当程度の长期间、広范囲にわたり、ある程度物理的に隔离された海沟环境において水块中の微生物生态系に影响を与えうることを示唆しています。超深海?海沟生命圏形成メカニズムは、自然现象だけでなく、海底资源开発等、人為的要素による海底环境搅乱に伴う堆积物からの有机物放出の深海环境へ与える影响の程度、范囲等を考える上で、非常に重要な知见であると考えられます。
研究グループでは今后、有机化学分析等を加えた更に学际的な研究により、今回の调査结果を検証していくことで、超深海?海沟生命圏が、堆积物から放出される有机物に支えられた生态系であることを、より直接的に証明する予定です。さらに、今回の调査で强く示唆された超深海?海沟生命圏を支える仕组み、そして微生物生态系が、海沟环境共通の现象であるのかどうか検証するため、マリアナ海沟だけでなく他の海沟环境においても调査?研究を展开していきます。
※1 従属栄养生物 生育に必要な炭素を得るために有机化合物を利用する生物を従属栄养生物といい、动物?菌类の全て、バクテリア?アーキアの多くもこれに属する。従属栄养生物は炭素を固定することができないので、他の生物が合成した有机化合物を得なければならない。これに対し植物は独立栄养生物である。
※2 炭素固定 植物や一部の细菌が光あるいは化学エネルギーを用いて、取り込んだ二酸化炭素から有机化合物を生产（固定）すること。前者を光合成、后者を化学合成という。
研究グループでは今后、有机化学分析等を加えた更に学际的な研究により、今回の调査结果を検証していくことで、超深海?海沟生命圏が、堆积物から放出される有机物に支えられた生态系であることを、より直接的に証明する予定です。さらに、今回の调査で强く示唆された超深海?海沟生命圏を支える仕组み、そして微生物生态系が、海沟环境共通の现象であるのかどうか検証するため、マリアナ海沟だけでなく他の海沟环境においても调査?研究を展开していきます。
※1 従属栄养生物 生育に必要な炭素を得るために有机化合物を利用する生物を従属栄养生物といい、动物?菌类の全て、バクテリア?アーキアの多くもこれに属する。従属栄养生物は炭素を固定することができないので、他の生物が合成した有机化合物を得なければならない。これに対し植物は独立栄养生物である。
※2 炭素固定 植物や一部の细菌が光あるいは化学エネルギーを用いて、取り込んだ二酸化炭素から有机化合物を生产（固定）すること。前者を光合成、后者を化学合成という。
お问い合わせ先
（本研究について）
独立行政法人海洋研究开発机构
海洋生命理工学研究开発センター 生命机能研究グループ
布浦 拓郎 电话：046-867-9707
（报道担当）
独立行政法人海洋研究开発机构 広報部 報道課長 菊地 一成 電話：046-867-9198
国立大学法人东京工业大学 広報センター 電話：03-5734-2975
2．Kato C, et al. （1998） Extremely barophilic bacteria isolated from the Mariana Trench, Challenger Deep, at a depth of 11,000 meters. Appl Environ Microbiol 64（4）：1510–1513.
3．Glud RN, et al. (2013) High rates of microbial carbon turnover in sediments in the deepest oceanic trench on Earth. Nat Geosci 6(4):284–288.
4．Nunoura T, et al. (2013) Molecular biological and isotopic biogeochemical prognoses of the nitrification-driven dynamic microbial nitrogen cycle in hadopelagic sediments. Environ Microbiol 15(11):3087-3107.
5. 布浦?木庭 (2014)地球温暖化関連物質と海洋微生物の関わり 生物の科学 遺伝 68(6)480-481
6. 横川(2014)深海における暗黒の炭酸固定 生物の科学 遺伝 68(6)514-518
7. Kawagucci S, et al. (2012) Disturbance of deep-sea environments induced by the M9.0 Tohoku Earthquake. Sci Rep 2:270.
8. 布浦?木庭 (2014)海洋中の一酸化二窒素生産とアンモニア酸化 生物の科学 遺伝 68(6)504-508
独立行政法人海洋研究开発机构
海洋生命理工学研究开発センター 生命机能研究グループ
布浦 拓郎 电话：046-867-9707
（报道担当）
独立行政法人海洋研究开発机构 広報部 報道課長 菊地 一成 電話：046-867-9198
国立大学法人东京工业大学 広報センター 電話：03-5734-2975
参考文献
1．Bartlett DH（2009） Microbial life in the trenches. MTS J 43（5）：128-131.2．Kato C, et al. （1998） Extremely barophilic bacteria isolated from the Mariana Trench, Challenger Deep, at a depth of 11,000 meters. Appl Environ Microbiol 64（4）：1510–1513.
3．Glud RN, et al. (2013) High rates of microbial carbon turnover in sediments in the deepest oceanic trench on Earth. Nat Geosci 6(4):284–288.
4．Nunoura T, et al. (2013) Molecular biological and isotopic biogeochemical prognoses of the nitrification-driven dynamic microbial nitrogen cycle in hadopelagic sediments. Environ Microbiol 15(11):3087-3107.
5. 布浦?木庭 (2014)地球温暖化関連物質と海洋微生物の関わり 生物の科学 遺伝 68(6)480-481
6. 横川(2014)深海における暗黒の炭酸固定 生物の科学 遺伝 68(6)514-518
7. Kawagucci S, et al. (2012) Disturbance of deep-sea environments induced by the M9.0 Tohoku Earthquake. Sci Rep 2:270.
8. 布浦?木庭 (2014)海洋中の一酸化二窒素生産とアンモニア酸化 生物の科学 遺伝 68(6)504-508
図1
従来の深海微生物生态系像（左）と、近年の知见を反映した深海微生物生态系像（右）の比较
现在の深海微生物生态系像では、有机物分解によって生じた还元的な物质（アンモニア、硫黄化合物等）をエネルギー源とする化学合成生物が重要な构成者として认识されている。
现在の深海微生物生态系像では、有机物分解によって生じた还元的な物质（アンモニア、硫黄化合物等）をエネルギー源とする化学合成生物が重要な构成者として认识されている。
図2
マリアナ海沟チャレンジャー海渊の海底地形
赤丸が调査地点を示す。狈翱础础のデータを基に闯础惭厂罢贰颁で作成
赤丸が调査地点を示す。狈翱础础のデータを基に闯础惭厂罢贰颁で作成
図3
マリアナ海沟チャレンジャー海渊水块の物理构造（础）、化学プロファイル（叠）、微生物?ウイルス粒子量（颁）
図4
マリアナ海沟チャレンジャー海渊上の微生物群集构造
SSU rRNA遺伝子タグ解析により示す。中深層から深海層ではアンモニア酸化アーキアを初めとする炭素固定能を有す系統群が優占するが、超深海?海溝水塊では、従属栄養系統群（Bacteroidetes、SAR406、Gammaproteobacteria）が優占する。
SSU rRNA遺伝子タグ解析により示す。中深層から深海層ではアンモニア酸化アーキアを初めとする炭素固定能を有す系統群が優占するが、超深海?海溝水塊では、従属栄養系統群（Bacteroidetes、SAR406、Gammaproteobacteria）が優占する。
図5
マリアナ海沟チャレンジャー海渊上における硝化菌（アンモニア酸化菌?亜硝酸酸化菌）群集の组成変化
この海域から検出されたアンモニア酸化菌（アンモニア酸化アーキア系統群及びBetaproteobacteriaに属すアンモニア酸化バクテリア）、亜硝酸酸化菌（Nitrospina及びNitrospira属）について、遺伝子レベルでの定量解析を行い、それぞれの系統群の各深度における分布量を割合で示した。なお、エネルギー物質（電子供与体）に対するそれぞれの系統群の好みを高濃度側から並べるとアンモニア酸化菌では、Betaproteobacteria > Group D > Group A > Group Bの順に、亜硝酸酸化菌では、Nitrospira > Nitrospinaとなると考えられている。
この海域から検出されたアンモニア酸化菌（アンモニア酸化アーキア系統群及びBetaproteobacteriaに属すアンモニア酸化バクテリア）、亜硝酸酸化菌（Nitrospina及びNitrospira属）について、遺伝子レベルでの定量解析を行い、それぞれの系統群の各深度における分布量を割合で示した。なお、エネルギー物質（電子供与体）に対するそれぞれの系統群の好みを高濃度側から並べるとアンモニア酸化菌では、Betaproteobacteria > Group D > Group A > Group Bの順に、亜硝酸酸化菌では、Nitrospira > Nitrospinaとなると考えられている。
図6 超深海?海沟生命圏のモデル図
