アタカマ海溝における炭素・窒素・硫黄の循環が深海微生物のニッチを明らかにする

最深部の暗闇における生命

チリ北部沖の波のはるか下、海底は冷たく暗く、一見すると不毛に見える。しかしこれらの堆積物には重要な元素を静かに再生させ、海洋を居住可能に保つ忙しい微生物群集が棲んでいる。本研究は、アタカマ海溝域の深部でそれらの微生物が誰で、どのように生計を立てているかを探り、広く分布する「降下性」深海生態系と、地下から漏れる化学エネルギーに支えられた隠れたオアシスの双方を明らかにする。

深海を養う二つの道

研究チームはペルー–チリ海溝系の航海に参加し、水深約2,400〜4,000メートルの深海堆積物に焦点を当てた。採取した大部分のサイトは典型的な深海底で、生命は「海雪」と呼ばれる—光が届く表層から沈降する死んだプランクトンやその他の微粒子—のゆっくりとした降下に依存している。これらの場所では、微生物群集は数十キロにわたって驚くほど均一であった。細菌と古細菌が優勢で、主に年を経た有機物を分解して生き、利用可能な場所では酸素を用い、泥の深部では別の代謝経路に切り替えていた。

海底の化学的オアシス

しかし、一つの地点は際立っていた。約2,800メートルの深さで、遠隔操作車は暗めの堆積物、明るい白色の微生物マット、大きな二枚貝の群落を発見した。これらの手がかりはコールドシープを示している—海底から化学的に豊富な流体が熱を伴わずに染み出す場所である。ここでは、上から降るデトリタスに主に頼る代わりに、多くの微生物が下方から上がってくる還元硫黄化合物をエネルギー源として利用しているように見えた。チームは、この斑点状の場所と周辺平原の化学および生物学的特性を比較するため、堆積物コアを採取した。

鉱物と分子に書かれた手がかり

解析室に戻ると、堆積物は層状の物語を語った。域内全体で、石英粒や他の岩片が表層海洋由来の珪藻の破片と混ざり合い、海雪との結びつきを裏付けた。しかしその特異なシープ地点では、表面から1センチほどの堆積物に小さな白云石（ドロマイト）の結晶が見られ、より深い層には黄鉄鉱などの硫化鉄鉱物が充満していた。これらの鉱物と高濃度の硫黄・鉄は、かつてシープ流体が泥中で激しい化学反応を促していたことを示唆する。同時に間隙水の測定は酸素の乏しさと深部での強い還元の兆候を示し、硫酸塩などを用いて酸素の代わりに呼吸する微生物にとって理想的な条件であった。

メタンではなく硫黄を扱う微生物たち

チームは、発現中の遺伝子を読み取るメタトランスクリプトミクスを用いて、どの微生物が何をしているかを地図化した。シープ外では、コミュニティは酸素を好む細菌やアンモニアを酸化する古細菌が優勢で、窒素・炭素・微量の硫黄を処理していた。シープ内では、表面のマットは古典的な白い糸状硫黄酸化細菌に関連する群や、内部に硫黄を食べる共生体を持つ二枚貝であふれていた。数センチ下ではコミュニティが急激に変化した：好気性生物は減少し、嫌気性の専門家が台頭した。ここには硫酸塩を硫化物に還元する微生物、溶存二酸化炭素を用いて炭素を固定するもの、難分解性有機化合物を分解するものが含まれる。注目すべきは、多くのコールドシープで見られる典型的なメタン酸化古細菌がほとんど存在せず、メタン処理に関わる主要遺伝子も稀であったことだ。これはこの系が主にメタンではなく硫黄により駆動されていることを示している。

この隠れた世界が語ること

地質学的および遺伝学的証拠を合わせると、二つの絡み合った生活様式がある深海景観が浮かび上がる。域内の大部分の海底は海雪の遅い分解に依存して生き残るコミュニティを抱え、比較的安定した形で炭素と窒素を再循環している。一方で、そのコールドシープは還元硫黄からの化学エネルギーが濃密な細菌マット、二枚貝、そして高度に特殊化した地下微生物群を支える局所的なオアシスとして機能している。溶解するドロマイトや豊富な黄鉄鉱の存在は、かつてシープ起源の湧出がより強かった可能性を示唆するが、現在でも硫黄循環は激しい。一般の観察者にとっての主要なメッセージは、深海は均一な砂漠ではなく、微妙な化学エネルギーの漏出が異なる生息地を生み、それぞれが炭素・窒素・硫黄の地球規模循環を静かに形作る独自の微視的な担い手たちを抱えているということだ。

引用: Arribas Tiemblo, M., Azua-Bustos, A., Sánchez-España, J. et al. Carbon, nitrogen, and sulfur cycling unveil deep-sea microbial niches in the Atacama Trench. Nat Commun 17, 4606 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70869-3

キーワード: 深海微生物, コールドシープ, 硫黄循環, 海雪, アタカマ海溝