科学者たちは、私たちの足の下の土や岩の中に、 広大な生物圏 地球全体の体積は、全世界の海洋のほぼXNUMX倍です。 これらの地下生物についてはほとんど知られていないが、これらは地球上の微生物集団の大部分を占めており、その多様性は地表に住む生命体の多様性を超えている可能性がある。 彼らの存在には大きな謎が伴います。研究者らは、これらの地下領域の多くは酸素欠乏の死んだゾーンであり、原始的な微生物だけが生息し、生命力を維持していると考えてきました。 代謝が急上昇 そして栄養素の痕跡を削り取ります。 それらの資源が枯渇すると、地下環境はさらに深くなり、生命が失われるに違いないと考えられていました。

In 新しい研究 先月出版された ネイチャー·コミュニケーションズ、研究者はそれらの仮定に疑問を投げかける証拠を提示しました。 カナダのアルバータ州の化石燃料田の地下200メートルにある地下水貯留層で、光のない場所でも予想外に大量の酸素を生成する微生物が豊富に存在することを発見した。 微生物は研究者らが「暗黒酸素」と呼ぶものを大量に生成・放出するため、「アマゾンの熱帯雨林で光合成によってもたらされる酸素の規模」を発見したようなものだという。 カレン・ロイドテネシー大学の地下微生物学者だが、この研究には参加していない。 細胞から拡散するガスの量は非常に多いため、周囲の地下水や地層に酸素に依存する生命にとって好ましい条件を作り出していると考えられます。

「これは画期的な研究だ」と述べた バーバラシャーウッドロラー、トロント大学の地球化学者でしたが、この研究には関与していませんでした。 過去の研究では、水素や地下生物にとって重要なその他の分子を生成するメカニズムがしばしば検討されてきたが、酸素は光合成や光の存在と密接に関係していると思われるため、酸素含有分子の生成はほとんど見落とされてきた。 これまで、「今回のようにすべてをまとめた研究はありません」と彼女は言う。

新しい研究では、カナダのアルバータ州の深部帯水層を調べた。同州には「カナダのテキサス」と呼ばれるほど地下にタール、オイルサンド、炭化水素が豊富に埋蔵されている。 大規模な畜産と農業産業は地下水に大きく依存しているため、州政府は水の酸性度と化学組成を積極的に監視しています。 しかし、地下水の微生物学を体系的に研究した人は誰もいませんでした。

エミール・ラフ2015年にカルガリー大学で微生物学の博士研究員としての研究を始めたとき、このような調査を実施することは「簡単に実現できる成果」のように思えた。 この一見単純な研究が、その後 XNUMX 年間にわたって彼に負担をかけることになるとは、彼はほとんど知りませんでした。

混雑した深み

アルバータ州中の 95 の井戸から地下水を収集した後、ラフ氏と彼の同僚は基本的な顕微鏡検査を開始しました。彼らは地下水サンプル中の微生物細胞を核酸色素で染色し、蛍光顕微鏡を使用して細胞数を数えました。 研究者らは、サンプル中の有機物を放射年代測定し、それらが採取された深さを確認することで、採取していた地下水帯水層の年代を特定することができた。

数字のパターンが彼らを困惑させた。 たとえば、通常、海底下の堆積物の調査では、科学者は微生物細胞の数が深さとともに減少することを発見します。古くて深いサンプルは、光合成植物によって作られる栄養素がより遮断されているため、それほど多くの生命を維持することができません。そして表面近くの藻類。 しかし、ラフ氏のチームが驚いたことに、古くて深い地下水には、淡水よりも多くの細胞が存在していた。

次に研究者らは、分子ツールを使用してサンプル中の微生物の識別を開始し、その証拠となるマーカー遺伝子を見つけ出しました。 その多くはメタン生成古細菌で、岩石や腐敗した有機物からにじみ出る水素と炭素を消費してメタンを生成する単純な単細胞微生物です。 また、水中のメタンやミネラルを餌とする多くの細菌も存在しました。

しかし、理解できなかったのは、細菌の多くが好気性微生物、つまりメタンやその他の化合物を消化するために酸素を必要とする微生物であるということでした。 光合成が不可能なため、酸素が存在しないはずの地下水で好気性生物はどのようにして繁殖できるのでしょうか? しかし、化学分析では、深さ200メートルの地下水サンプルからも大量の溶存酸素が検出された。

前代未聞のことでした。 「サンプルは間違いなくダメだった」というのがラフの最初の反応だった。

彼はまず、サンプル中の溶存酸素が誤った取り扱いの結果であることを証明しようとしました。 「シャーロック・ホームズになったようなものです」とラフ氏は語った。 自分の思い込みを反証するために「証拠や兆候を見つけようとします」。 ただし、溶存酸素含有量は数百のサンプルにわたって一貫しているように見えました。 誤った取り扱いでは説明できませんでした。

溶存酸素が汚染から来たものではないとしたら、どこから来たのでしょうか? ラフは、たとえ物議を醸すような主張をすることが彼の性質に反するものであったとしても、自分が何か大きなことの瀬戸際に立たされていることに気づいた。 彼の共著者の多くも疑問を抱いていました。この発見は、地下生態系に関する私たちの理解の基礎を打ち砕く恐れがありました。

みんなのために酸素を作る

理論的には、地下水中の溶存酸素は植物、微生物、または地質学的過程に由来する可能性があります。 その答えを見つけるために、研究者らは、原子同位体の質量を測定できる技術である質量分析に目を向けました。 通常、地質源からの酸素原子は生物源からの酸素よりも重いです。 地下水中の酸素は軽いので、それが生命体から来たものであることを示唆しています。 最も有力な候補は微生物でした。

研究者らは、地下水中の微生物群集全体のゲノムを配列し、酸素を生成する可能性が最も高い生化学的経路と反応を追跡した。 答えは、XNUMX 年以上前に発見されたことを示し続けました。 マーク・ストラウス カルガリー大学の博士で、新しい研究の主任著者であり、ラフが働いていた研究室の所長でもある。

2000 年代後半にオランダの研究室で働いていたストラウス氏は、湖の堆積物や下水汚泥によく見られるある種のメタンを食べるバクテリアが奇妙な生き方をしていることに気づきました。 この細菌は、他の好気性微生物のように周囲から酸素を取り込むのではなく、亜硝​​酸塩と呼ばれる可溶性化合物（窒素と XNUMX つの酸素原子からなる化学基を含む）を分解する酵素を使用して、独自の酸素を生成しました。 細菌は自己生成した酸素を利用してメタンを分解し、エネルギーを得た。

微生物がこのように化合物を分解することを不均化と呼びます。 これまで自然界では酸素を発生させる方法としては珍しいと考えられていました。 最近の実験室実験 しかし、人工微生物群集を含む研究では、不突然変異によって生成された酸素が、一種の共生プロセスにおいて、細胞から周囲の培地に漏れ出て、他の酸素依存性生物の利益となる可能性があることが明らかになった。 ラフ氏は、これが好気性微生物の群集全体が地下水で、そして潜在的には周囲の土壌でも繁栄することを可能にしているのではないかと考えている。

他の場所での生命のための化学

この発見は、巨大な地下生物圏がどのように進化してきたのか、そして不均化が地球環境中を移動する化合物のサイクルにどのように寄与しているのかについての私たちの理解における決定的なギャップを埋めるものである。 地下水に酸素が存在するという単なる可能性は、「地下の過去、現在、未来についての私たちの理解を変えることになる」とラフ氏は語った。ラフ氏は現在、マサチューセッツ州ウッズホールの海洋生物学研究所で科学助手をしている。

私たちの惑星の地下に何が住んでいるのかを理解することは、「その知識を他の場所に翻訳するためにも重要です」とロラー氏は言います。 たとえば、火星の土壌には過塩素酸塩化合物が含まれており、地球の微生物の一部はこれを塩化物と酸素に変えることができます。 木星の衛星エウロパには深く凍った海があります。 太陽光はそこを透過しないかもしれないが、光合成の代わりに微生物の不均化によってそこで酸素が生成される可能性がある。 科学者らは、土星の衛星の一つであるエンケラドゥスの表面から水蒸気の噴煙が噴出しているのを観察した。 プルームはおそらく、液体の水の地下の海から発生していると考えられます。 いつか私たちがそのような別の世界で生命を発見するとしたら、それは生き残るために不均化経路を使用している可能性があります。

不均化が宇宙の他の場所でどれほど重要であることが判明したとしても、ロイドは、新しい発見が生命の必要性についての先入観をどれほど覆しているか、そして地球最大の生物圏のXNUMXつについてそれらが明らかにした科学的無知に驚いています。 「まるでずっと顔に卵を付けていたようなものです」と彼女は言う。

編集者注: ラフ氏は、シモンズ財団から初期キャリア研究者への資金提供を受けています。 クアンタ 編集的に独立した科学ニュース雑誌として。 資金提供の決定は編集報道には影響しません。

訂正：17年2023月XNUMX日
この記事の以前のバージョンでは、亜硝酸塩には酸素原子が XNUMX つではなく XNUMX つ含まれていると誤って記載されていました。