地球上で最も過酷な環境で生きられることが実証されている生命体があります。塩田や、極端に高温または低温の場所も含まれます。
好極限微生物とは、こうした過酷な条件の中で生息し、繁殖する微生物のことです。
これらの微生物を理解することは、医療やその他の分野における科学的発見を前進させる助けになります。
映画『ジュラシック・パーク』の考証担当だったイアン・マルコム博士の有名な言葉を借りれば、「生命は道を見つける」。海の深部、火山性の泉、4メートルの氷の下など、地球上で生命を探すために科学者が思いつくほぼあらゆる場所で、私たちは生命を見つけてきました。
過酷な環境を生き抜くためにこれらの生物が用いる方法は、私たちの体をより良く守る方法や、病気をより正確に診断するためにDNAを複製する方法を教えてくれました。また、生命は1億年にわたる地球規模の氷河期を、どのようにして生き延びたかも教えてくれます。
私はキャリアを通じて、過酷な環境から生物を採取してきました。最初に採取したのは、塩田に生息する単細胞の藻類である「ドゥナリエラ・サリナ」でした。塩田とは、水が蒸発して非常に高濃度の塩分が残された、広く平らな土地のことです。塩分は一見、生物学的ストレスの明白な原因とは思えないかもしれませんが、細胞から十分な水分を引き出して破裂させ、生物を死に至らしめることがあります。生物学的ストレス、しかし
私の研究の目的は、D. サリナが「好極限性生物」（極端な条件を好む生物）であるか、あるいは単に高塩分条件に耐性があり、塩分が少ない方を好むのかを明らかにすることでした。後者でないことは確かでした。実際、私は最適な状態を見つけられませんでした。塩分を加えれば加えるほど、よく増殖したのです。それは真の好極限性生物でした。
D. サリナは、細胞内に高濃度のグリセロール（甘味のある液体化学物質）を蓄えることで塩分ストレスに対応しています。これにより、浸透圧によって細胞から水分が引き出されるのを防ぐため、水が引き寄せられる方向のバランスを保っています。また、乾燥して露出した生息地の塩田では、非常に高レベルの紫外線にも対処しなければなりません。そのため、紫外線による損傷から身を守る、ビタミンAの一種であるβ-カロテンを高濃度で蓄えているのです。
歴史上最大級のバイオテクノロジーの成功例の一つとして、D. サリナは現在、サプリメントやスキンケア製品向けに商業的に培養されています。特に、紫外線から肌を守るファンデーションやフェイスクリームに使用されています。つまり科学者たちは、これらの微生物が持つ紫外線に耐えられるという「超能力」を借用して、私たちの肌を守っているのです。
しかし、おそらくさらに重要な発見は、「好熱菌」、すなわち熱を好む生物から生まれています。科学者たちは、これらの好熱性微生物から、耐熱性タンパク質を抽出しました。このタンパク質は、DNAを解離させて複製し、調べるために必要な60°C以上の温度でも分子の形を保つことができます。例えば、COVIDのPCR検査を受けたことがあれば、あなたのDNAサンプルもこの過程を経ています。検出可能なレベルまでDNAを複製、すなわち「増幅」できるこの能力は、生物学および医学の分野に革命をもたらしました。革命をもたらしました。
ヨーク大学では、スルフォロブスと呼ばれる超好熱性微生物の細胞メカニズムを研究しました。この驚くべき微生物は、古細菌ドメインに属し、細菌および真核生物と並ぶ生命の第3の系統です。
スルフォロブスは、75〜80°Cの活火山の熱の中に生息するだけでなく、pH 2〜3という強酸性の環境である火山性の泉でも繁栄することができます。これはレモン果汁や酢とほぼ同じ酸性度です。その秘密を解明することで、さらに高温でも安定した状態を保つ分子を発見できるかもしれず、医療、遺伝学、環境研究において前進するための、より多様な分析が可能になる可能性があります。
高温から低温へ
好熱菌の研究から、私の研究は地球上の生命の反対側の極端へと向かいました。この4年間、私は北極と南極に生息する微生物を研究してきました。地球の極地は遠くから見ると手つかずで生命に触れられていないように見えるかもしれませんが、微生物は存続しており、さらには繁栄しています。
これらの微生物の多くは、鮮やかな光合成色素のおかげで、景観に鮮やかな色の斑点を加えています。その一例が、「「スイカ雪」」として知られる、ピンクと緑の藻類による雪の繁殖です。南極のアンターシー湖のような凍結した湖の表面を掘り進めると、鮮やかな紫色の光合成シアノバクテリアのマットが見つかります。氷の下の光量が少ないため、その色がついています。紫色の色素により、深い水や厚い氷を最も深く透過する主要な波長である緑色の光を、より効率的に吸収できるのです。
光や栄養分が少ないにもかかわらず、極地の岩の内部や下にある小さな孔に、青緑色のシアノバクテリアが張り付いている姿さえ見つかります。光合成によってエネルギーを生み出し、食物連鎖に供給する生命がごくわずかしかない、このような過酷な環境において、これらのシアノバクテリアは地域の生態系の重要な基盤となっています。
ロンドンの自然史博物館の同僚たちがこれらの色鮮やかな群集を研究している一方で、私は「氷圏のブラックホール」（凍結水域）と呼ばれるクリオコナイト・ホールを研究してきました。クリオコナイト・ホールは、暗色の堆積物を含む小さな融水の窪みで、氷河の融解域に斑点状の模様を与えています。その幅は多くの場合わずか5〜20cmですが、私の同僚と私は、それぞれの窪みから数百種の微小な生物を発見しました。
これらの種の多様性のホットスポットが、スノーボール・アース期（約7億2000万年前から6億3500万年前に起きた、地球規模の氷河期で、動物が化石記録に現れる直前）の間、さまざまな微生物の避難所となった可能性があると提唱されています。私たちの惑星は多くの氷河期を経験してきましたが、クライオジェニアン・スノーボール・アースは特に厳しく、氷が赤道まで達していました。
クリオコナイト生物がスノーボール・アースを生き延びる能力を検証するため、南極の夏の一定温度（0.5°C）で培養したクリオコナイト生物の成長と、24時間ごとに12時間、-5°Cで凍結させたクリオコナイトの成長を比較しました。1か月後、初期結果では0.5°C群と-5°C群の間に観察可能な差は見られませんでした。驚くべきことに、毎晩完全に凍結させても、これらの生物の成長は遅くなりませんでした。
この研究が、過去の過酷な気候の中で生命がどのように生き延びたかを知るだけでなく、現代の気候と微生物の生態系との関係がどのように機能しているかを理解する一助となることを期待しています。
