土壌中の微生物の分析は、従来の手法が周囲の構造を破壊してしまうため困難になることがあります。
しかし「サイボーグ土壌」を使えば、研究者は現場の状態を乱すことなくパターンを分析できます。
サイボーグ土壌は半分が天然、半分が人工のもので、微細加工されたチップから成り、泥の中で微生物の都市が形成されるのを可能にします。
身近な土の塊にスプーンを一さじ差し込めば、すくい上げたものには 地球上の人間の数よりも多くの微生物 が含まれています。この事実は、実験室での研究から分かっています。これらの研究では、微生物の世界から採取した土壌サンプルを分析し、足元の世界にどのような微小な生命体が存在するのかを明らかにしています。
問題は、こうした研究では、菌類、鞭毛虫類、アメーバ類からなるこの地下の世界が地中でどのように機能しているのかを実際には明らかにできないことです。これらの研究は土壌をその環境から取り出すことを伴うため、土壌微生物が生息する泥、水、空気の繊細な構造を破壊してしまいます。
このことから、私たちの研究室では、有機物の再循環を担う存在として欠かせないこれらの地下の働き手を、その微小な生息環境を乱すことなく観察する方法を開発することになりました。
私たちの研究では、土壌微生物が生息する暗く湿った都市の姿が明らかになりました。微生物が食物を見つけたり、他の生物の次の餌食になることを避けたりするために移動する、小さな高速道路、摩天楼、橋、川の迷路のような構造を確認しました。地下で起きていることを見るこの新たな窓は、地球のますます損なわれつつある土壌の価値をより深く理解し、保全する助けになるかもしれません。
サイボーグ土壌
私たちの研究では、半分が天然、半分が人工の、新しい種類の「サイボーグ土壌」を開発しました。これは、野外に埋めるか、実験室で土に囲まれた状態で、泥の中に微生物の都市が形成されるのに十分な時間置いた微細加工チップから成ります。
チップは文字通り、地下を覗く窓のような役割を果たします。不透明な土壌の中の透明な部分であるチップは、実際の土壌の孔隙構造を模倣するように切り出されています。微生物が体験するスケールでは、その構造はしばしば奇妙で直感に反するものです。
マクロな世界で私たちが慣れ親しんでいるものとは異なり、微視的なスケールでは別の物理法則が支配的になります。水は表面に張り付き、休止中の細菌は水分子の動きによって押し流されます。泡は、周囲の水の表面張力により、多くの微生物にとって越えられない障壁となります。
チップを土壌に埋め込んだ後、微生物が分解の通勤路を通り抜ける様子を観察することができ、その相互作用、食物連鎖、そして異なる微生物が周囲の絶えず変化する微小な生息環境をどのように作り変えるのかが明らかになりました。
菌類の高速道路
最初のチップを掘り出したとき、土壌に存在するあらゆる種類の単細胞生物に加え、線虫、微小な節足動物や細菌類にも出会いました。 菌糸は、植物の根のように地中に広がっており、急速に伸長し、サイボーグ土壌の孔隙の奥深くまで達していました。これにより、実際の土壌と私たちのチップとの間に直接的な生きた接続が生まれていました。
これにより、実験室研究でのみ知られていた現象を観察することができました。すなわち、細菌が土壌中を拡散するために「菌類の高速道路」に沿って「ヒッチハイク」する現象です。細菌は通常、水の中を拡散するため、チップの一部に空気を満たすことで、細菌が菌糸の手探りするような腕を辿って新しい孔隙へ密航する様子を観察することができました。
予想外にも、菌糸の周囲の空間で、多数の原生生物も確認されました。原生生物は、動物、植物、菌類のいずれでもない、謎の多い単細胞生物です。明らかに、彼らもまた菌類の高速道路にヒッチハイクしているのであり、これはこれまで全く研究されていなかった現象です。
サイボーグ土壌チップ内の数百の経路を、数千の個々の孔隙空間を含めて調査したため、この現象が頻繁に起きていることも定量的に確認できました。このことから、菌糸は多様な遊泳性微生物の拡散にとって重要な媒介となっており、地下の微小都市で食物を探す際に大きな利点を与えていると考えられます。
地下の工学
私たちの研究では、微生物の都市がどのように、どのような手段で構築されるのかも探りたいと考えました。その方法の一つは、土壌の鉱物がチップにどのように入り込むかを観察することでした。これにより、地中に設置した人工構造の内部に、実際の土壌の空間がポケット状に形成されました。
チップが乾燥し始めると、土壌の孔隙を水が吸い上げられる様子が観察されました。雨や日照によって微小な世界が乱されるたびに、土壌微生物が定期的にさらされる水の動きは、まさに津波のようでした。その結果生じた土壌鉱物のパターンは、マクロな世界の河床システムとそっくりに見えました。
また、土壌微生物の生息環境を形作るのは物理的な力だけではありません。強い菌糸の先端を持つ菌類は、しばしば「生態系エンジニア」のように振る舞い、通路を開いたり、細胞によって他の通路を塞いだりします。微生物の大都市にある多くの道路、大通り、橋は、菌類によって作られたものです。
さらに意外なことに、より「強くない」他の生物も土壌の微細構造を変えていることが分かりました。例えば、運動のための小さな毛状の突起を持つ繊毛虫は、活発な餌探しによって土壌をブルドーザーのように押し崩すこともあります。
土壌、科学、社会
私たちのサイボーグ土壌の研究は、最終的に、野外生態学と管理された実験室研究を結びつける助けとなります。現実的で複雑な土壌生物群集を研究する利点と、栄養供給や温度などの要因を慎重に制御・調整する利点を組み合わせ、地上の変化に対して土壌とその微生物がどのように反応するのかを把握できるようにします。
しかし、もう一つの利点もあります。土壌の隠された世界とそこに住む興味深い生物を観察することは、人々がこの重要な生態系に感情的に関わるきっかけになると私たちは考えています。他の生態系では、保全の取り組みを象徴する象徴的な動物が長く存在してきました。一方、土壌は今も汚れと結びつけられ、不潔なものと見なされがちです。しかし、土壌は食料生産の95%を支えています。また、土壌は、生物圏と大気を合わせたよりも2倍以上の炭素を貯蔵しています。
スプーンを地面に差し込むとき、あなたは次のような刺激的な秘密の大都市の上層部を掘り起こしていることを示したいと思います。その都市には、四分の一の地球上の種が生息しています。スプーンの中の愛らしい生物は決して汚いものではなく、地上のあらゆる生命を支える重要な生態系サービスを静かに提供しています。これらの土壌都市の住人は、緊急に必要としていますより良い保護を。
