ラマン-SIPで捉えた微生物増殖速度が示す、蛇紋化が駆動する高活動な地殻深部バイオスフィア

岩石の深部に隠れた生命

私たちの足元のはるか下、古代の海洋地殻が陸上に隆起してできた暗い裂け目の中で、微生物たちが静かに働いています。これらの微小な生物は、鉄を多く含む岩石を浸透する地下水に生息し、その反応を通じて水素やその他の高エネルギー分子を生み出します。これまで科学者たちは、こうした過酷でアルカリ性の水中の生命は地質学的なスローペースでしか進まないと考えていました。本研究は、むしろ多くの深部微生物が日から月単位のスケールで増殖しうることを示しており、地球の隠れたバイオスフィアと、将来の水素エネルギーや炭素貯留プロジェクトにおけるその役割の見方を塗り替えます。

石の世界にある奇妙な水

オマーンのサマイルオフィオライトでは、かつての海底マントルが陸上に露出しています。雨や地下水が亀裂に浸入し、超基性岩と反応する過程は蛇紋化と呼ばれます。水がより深く移動するにつれてアルカリ性が増し、水素やメタンが豊富になり、溶存炭素やその他の栄養塩は乏しくなります。研究者たちは地表から250〜270メートルの深さで、溶存炭素や酸化剤に富むややアルカリ性の流体、中程度のアルカリ性で硫酸塩が豊富な中間流体、そして溶存炭素が極端に欠乏し水素とメタンが非常に豊富な超アルカリ性流体という三種類の地下水を採取しました。これらの自然な勾配は、深部微生物が生息する対照的な“世界”のセットを作り出します。

一細胞ずつ測る微生物の増殖

地下で微生物がどれほど速く増えるかを測るのは著しく難しい作業です。特定の栄養源を追跡する代わりに、研究チームは重水（重い水素である重水素を含む水）を用いました。成長するすべての細胞は新しいバイオマスを構築するために水を必要とするので、活動的に細胞物質を合成している微生物は、自らの水素の一部を密かに重水素と置換します。レーザーを用いて個々の細胞内の化学的振動を読み取るラマン顕微分光法を使うことで、研究者たちは各単一細胞がどれだけ重水素を取り込んだかを検出できました。ここから、個体の同定や摂食経路を事前に知らなくとも、二千を超える個々の微生物について増殖速度や世代時間を推定しました。

意外な場所にいた速成長群

単一細胞測定は、驚くほど活発な深部バイオスフィアを明らかにしました。ややおよび中程度のアルカリ性の水では、ほとんどの細胞が活動的で、多くが日から週単位の世代時間を持つ速い成長株でした。外部から追加の栄養を与えなくても、多くの細胞は2週間未満で倍加しました。それとは対照的に、pHが家庭用排水洗浄剤に近く溶存無機炭素が極めて乏しい超アルカリ性流体では、個体群の増殖は遅く、典型的な世代時間は数か月から年単位に伸びていました。それでも、こうした極端な水環境においても、有意な少数派の細胞は明らかに活動的で増殖能力を有していました。

岩石の化学をメタンに変える微生物

DNA配列解析は、インキュベーション後の群集でメタン生成古細菌（メタン生成菌）や硫酸還元微生物が優占していることを示しました。時間経過でのメタンと硫化物の生成を追跡すると、これらの群が単に存在するだけでなく代謝的に活発であることが確認されました。メタンはアルカリ性が低い流体で最も速く蓄積し、pHが上がるにつれて著しく減速しました。これは溶存二酸化炭素の希少性による制約を示唆します。研究者が炭酸水素塩（無機炭素の一形態）を添加すると、多くの群集が最も速い増殖とメタン生成率の一部を示しました。この反応は、こうした岩石被覆の生態系では、微生物が高度に溶存無機炭素の利用に適応しており、ほとんどの炭素が利用しにくい形で閉じ込められている極めてアルカリ性の地下水でも同様であることを示しています。

クリーンエネルギーと他世界への含意

単一細胞の増殖測定を細胞数とメタン産出量の推定と組み合わせることで、著者らは岩石貯留層全体のスケールで地下微生物が消費できる水素量を算出しました。その結果、蛇紋化する岩石に生息する微生物群集は、地表へ逃げる速さよりも速く水素を利用しうる可能性があり、水素と注入された二酸化炭素のかなりの部分をメタンや硫化物に変換しうることが示唆されました。『地質起源の水素』を採取する計画やそのような岩石に二酸化炭素を貯留する計画にとって、在来の微生物が化学組成を大きく変える可能性があることは、リスクであると同時に機会でもあります。より広く見れば、こうした深部でアルカリ性の岩石における生命が活発かつ適応的であり得るという発見は、火星や氷に覆われた衛星のような他の天体でも、同様の岩石—水システムが検出可能なバイオスフィアを抱えうるという主張を強めます。

引用: Kashyap, S., Caro, T.A. & Templeton, A.S. Microbial growth rates captured using Raman-SIP reveal a highly active subsurface biosphere fueled by serpentinization. Nat Commun 17, 4128 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70622-w

キーワード: 地殻深部微生物学, 蛇紋化, 地質起源水素, メタン生成, バイオスフィアの居住可能性