季刊誌「生命誌」通巻16号
深海 — もうひとつの地球生物圏:目次

Special Story

深海 — もうひとつの地球生物圏

深海 — もうひとつの地球生物圏:長沼毅
広島大学生物生産学部助教授

かつて生物はいないといわれていた深海底にも、たくさんの生物がいることがわかってきた。
だが、熱帯雨林にも相当するといわれる多様な生物世界の研究は、まだ始まったばかりだ。
太陽光の届かない暗黒の世界の生物たちは、私たちに何を教えてくれるのだろう。

深海アナザーワールド

 人類はいまや、大気圏のはるかかなたに宇宙ステーションをつくろうとしている。来年中には、高度460km上空に「国際宇宙ステーション(ISS)」の最初の組み立てが始まるのだ。ISSは21世紀初頭には完成し、宇宙空間で様々な調査研究が行なわれることになる。
 一方、私たちの足もとに目を転じると、深海底は宇宙よりも遠くに感じられる。最深部でもせいぜい水深11km。それなのに、巨大な水の壁が人類の挑戦を妨げてきた。世界最深のマリアナ海溝底に、初めて人間が到達したのが1960年。以来同じ場所に有人の潜水船は一度も行っていないことからも、深海への挑戦がいかに困難か想像できるだろう。
 地球表面の約70%は海である。そして、海の体積の75%以上は水深1000mより深い部分である。よく「地球は海球である」と言われるが、「地球は深海球である」と言ったほうがあたっている。地球生物圏のほとんどは深海なのだ!それなのに、われわれはその深海を知らずに地球を語り、地球生命を語ってきたのである。潜水船による本格的な深海調査が始まってまだ30年余り、私たちはようやく深海への扉を開けたところだ。
調査船で覗く深海の生き物たち
しんかい6500の調査で、日本海溝の水深5000m以深のところにも、さまざまな動物がいることがわかってきた。現在、詳しい研究が進められているところである。
1センジュナマコ水深6511m(以下いずれも水深を表す)
2ナマコの一種 6480m
3イソギンチャクの一種 6269m
4ヨコエビの一種 6510m
5タコの一種 5110m
6ソコダラとナギナタシロウリガイ6356m
(写真提供=海洋科学技術センター・加藤千明、図作成=木村政司)

深海砂漠

 深海生物学で最初の体系的仮説は、皮肉にも「深海無生物説」だった。ダーウィンが進化論を模索していた19世紀中葉、深海には生物はいないと思われていたのだ。しかし、この仮説は短命で、『種の起源』出版の頃(1859年)にはほとんど否定されていた。1960年代から本格的に始まった有人および無人の潜水船による調査により、世界最深部(マリアナ海溝のチャレンジャー海淵)にもウロコムシやヨコエビ類の生息が確認され、また、海底の泥(底泥)からは100種類以上の微生物が分離されている。現在では、深海底の生物多様性は想像以上に豊富で、熱帯雨林のそれにも匹敵すると認識されるようになった。深海底には無脊椎動物門のほとんどすべてが生息し、今後も新種の発見が相次ぐと思われる。
 深海生物の豊かな多様性の一方で、深海という環境はやはり生物には過酷で、バイオマス(生物量)に関する限り砂漠のように荒涼としている。この過酷さは高水圧や低水温のためだと思われがちだが、実際にはむしろ餌不足に由来する。深海では光合成が行なわれないので、深海生物の食糧源は陸や表層からの沈降有機物ということになる。したがって、深海生物の量はおおむね、陸からの距離および水深が増すとともに減少する傾向がある。

深海オアシス

 砂漠にオアシスがあるように、深海底にもバイオマスが異常に大きな “ホットスポット” がある。通常の深海底バイオマスが1m2あたり数g〜数十gなのに対し、ある深海オアシスでは数十kgにも達していた。このオアシスとは熱水噴出孔、文字通りのホットスポットである。
 熱水噴出孔はまた、生物多様性のホットスポットでもあり、ここで発見された生物種の大半は新種、いや属や科以上のレベルで新しい分類群をつくる必要があった。とくにハオリムシ(チューブワーム)という動物は奇妙で、これのために新たな動物門が提唱されたほどである。20世紀後半に新たな動物門が提唱されるとは!後にこの新動物門は格下げされ、既存の有鬚(ゆうしゅ)動物門(主に深海にすみ、細長い体をもつ)に置かれたが、チューブワームの生存戦略はわれわれの常識を超えていた。他にも、熱水噴出孔にはシロウリガイやシンカイヒバリガイなどの珍しい生き物がすんでいる。
 チューブワームは白く細長い筒殻(キチン質+タンパク質)の中に軟体部がある。チューブは数十cmから2mにも達する。チューブワームと呼ばれるゆえんである。また、和名「ハオリムシ」の由来は先端部(エラ)の下にある“羽織”のような筋肉帯である。チューブの先端開口部からは赤いエラが見え隠れし、白と赤のコントラストが美しい。これが海底に群生する様は赤い花の咲いた白い森林のようである。
熱水噴出口にすむ生き物たち
1ハオリムシ(チューブワーム)。相模湾。
2シンカイヒバリガイとエビの仲間。沖縄トラフ。
3シロウリガイ。相模湾。海底の地殻活動が活発な場所には、高温の熱水を噴出する煙突状の構造(チムニー)が見られ、その周りにはたくさんの生物が高密度で生息している。高水圧のため、噴出する熱水の温度はしばしば300℃以上にも達する。噴き上げられる熱水の状態により、“ブラックスモーカー”(4沖縄の伊是名海穴)、“ホワイトチムニー”(5小笠原水曜海山。真ん中に見えるのは熱水の温度を測るための温度計)などと呼ばれる。
(写真提供13=海洋科学技術センター・加藤千明。45=海洋科学技術センター)

太陽に背を向けた生物たち

 チューブワームが奇妙なのはその外観ではなく、その生き様である。チューブワームは食べることを放棄した動物で、口も消化管も肛門もない。その代わり、体内に化学合成細菌を共生させていて、それがつくりだす有機物の上前をはねて栄養源にしている。チューブワームでは、化学合成細菌の共生用に特殊化した器官(トロフォソーム)が体の大半を占めている。ちょうど、植物が光合成細菌を共生させて葉緑体にしたのと同じように、チューブワームは化学合成細菌を共生させて生活しているのである。
 チューブワームと同じような深海底にすむシロウリガイにも、化学合成をする共生バクテリアがすんでいる。化学合成細菌に頼る生き方は、深海生物のとった巧妙な生存戦略である。
 チューブワームやシロウリガイに共生する化学合成細菌は主に硫黄酸化細菌である。これは熱水中に含まれる硫化水素を酸化して得られる化学エネルギーを利用して炭酸固定を行なう細菌で、光合成が光エネルギーを利用して炭酸固定を行なうことと比較すると理解しやすいだろう。硫化水素は普通は猛毒だが、硫黄酸化細菌には “おいしい” 食べ物であり、硫化水素に富む海底熱水などは天国のようだろう。この硫黄酸化細菌と結びつくことにより、チューブワームたちは太陽光の届かない深海底で密やかに生き抜いてきたのである。
チューブワームにすむ微生物
チューブワームの筒状の部分には、化学合成をするバクテリアが細胞内共生している。熱水噴出口から出る硫化水素を利用して有機物を作り、チューブワームに栄養を供給している。12は、そのバクテリアを取り出し、蛍光色素で染めてみたもの。34では、チューブワームの中にいる2種類のバクテリアがそれぞれ青く染色されている。チューブワームの中には、複数のバクテリアが存在し、相互に依存しあって生きているのではないかと長沼博士は考えている。
(写真=長沼毅)
5チューブワームの化石。
日本でも、チューブワームの化石が横須賀市の池上地区で見つかっている。約1500万年前のものだった。
(写真=横須賀市自然博物館・蟹江康光)

太古の生命は化学合成で

 熱水噴出孔に見られる環境は、太古の地球の環境とよく似ているという考え方がある。そのような環境の中で、化学合成に頼る原始の生命が生まれたのかもしれない。生命の起源はまだまだ謎に包まれたままだが、もしこの考えが本当なら、現在深海で化学合成に頼って生きている微生物たちは、太古の地球に現れた原始の生命の子孫だということになる。
 化学合成が生命の起源なら、光合成はもともと赤外線センサーだったという説もある。光合成細菌のもつ葉緑素(バクテリオクロロフィル)は赤外線を吸収するが、それがもっともよく吸収する二通りの波長(800〜950ナノメータと1000〜1150ナノメータ)は、海底の熱水噴出孔が放射する赤外線の波長(800〜900ナノメータと1000〜1150ナノメータ)とほぼ同じである。そこで「バクテリオクロロフィルは熱水噴出孔を探すための赤外線センサーだったが、後に光合成色素へと変貌した」という説が提唱されている。その説が正しいかどうかはともかく、光合成が出現したことで、その後の地球環境は一変し、地球生態系は光合成を中心として進化してきた。
 こうして大きく発展した光合成中心の生態系とは別に、熱水噴出孔の微生物群集は化学合成中心の孤高を守り、やがてチューブワームに取り込まれ、太古からの歴史を今に伝えてきたのだと思われる。チューブワーム群集の発見から20年、われわれは「太陽教」的な生態観とは異なる、新たな生態観を認識するにいたった。しかし、その生態系はわれわれ人間にとって新しい、というだけのことで、じつは原始の生命たちがつくっていたもっとも古い生態系なのかもしれないのだ。

地球生命史の地下水脈

 近年は、化学合成に依存した生き方は熱水噴出孔以外の海底でも知られるようになってきた。たとえば、海底から地下水が湧き出すような場所にもチューブワームやシロウリガイがすんでいる。ここでは海底下のメタンが湧出水に溶け込み、メタン酸化を主とした化学合成が行なわれている。また、メタンと硫酸イオン(海水中に豊富に存在する)が反応して生じる硫化水素も化学合成に利用されている。このメタンは光合成による有機物に由来するので、この化学合成が利用するのは“埋蔵された太陽エネルギー”である。しかし、その生き方はいかにも“地球を食べる”チューブワーム的なものだといえよう。
 メタンや硫化水素が供給されれば、その供給先が何であれ、化学合成に頼る生き方は可能である。穀物を満載した船が沈没した。積んでいた穀物は海底で腐り、メタンと硫化水素を生じた。ここにチューブワームがすみついた。別の場所では体長10mを超える鯨が海底でひっそりとその最期を迎えた。海底に横たわった死体は腐ってメタンと硫化水素を生じ、化学合成依存的な生物群集がつくられた・・・。1800万年前の鯨化石にシロウリガイ化石が付着していたという例もあるほどである。
 熱水噴出孔、メタン湧水帯、沈没船、鯨死体などを足掛かりにして、チューブワームなど化学合成依存性の生物たちは、大洋底で少しずつ分布を広げてきた。最古のチューブワーム化石は3億5000万年前のものである。少なくともその時間を、チューブワームは深海の奥底で生き抜いてきた。地球生命史の地下水脈のように「太陽に背を向けた」生き様を伝えてきたのだ。

深海生物から宇宙生命へ

 深海生物学が明らかにした生命の多様性と可能性は、宇宙生命の可能性にもつながっている。太陽に背を向けた生き様が深海に許されたなら、これが他所にも許されないだろうか? メタンや硫化水素があれば、太陽光がなくても生命が存在するのではないだろうか?
 地球の海底で本格的な熱水噴出活動が発見されたとき、木星の衛星イオでは火山活動が確認された(1979年)。イオの表面は火山噴出物の硫黄で覆われている。イオの隣の衛星エウロパにも同様に活発な火山活動があると予想されている。この表面は厚い氷に覆われているので火山活動を直接には観察できないが、氷の下には液体の水(海)の存在が示唆されている。おそらく火山活動により氷底が解けているのだろう。エウロパにあると思われるものは、海、海底熱水活動、硫黄、そして「太陽に背を向けた」化学合成依存の生態系? われわれは深海という地球生物圏の内部を見ながら、同時に宇宙を見ているのかもしれない。
ながぬま・たけし
1961年生まれ。筑波大学、同大学院で学び、理学博士号取得後、海洋科学技術センターに入所。91〜93年、カリフォルニア大学サンタバーバラ校に留学。94年より現職。95年より海洋科学技術センター客員研究員。深海にすむ微生物の研究がテーマ。著書に『深海生物学への招待』(NHKブックス)、訳書に『生物海洋学入門』(講談社)がある。
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