スタンフォード大学が開発した新型顕微鏡により、海洋プランクトンの行動や分子プロセスを追跡・測定する方法が初めて実現しました。
回転式顕微鏡から得られる知見は、海洋の微小な生命の謎や、炭素固定など地球の重要なプロセスへの影響を明らかにする可能性があります。
プランクトンは、海洋で炭素を有機化合物へ変換するうえで重要な役割を担っています。
世界と世界のあいだを行き交う精霊のように、目に見えない無数の生き物が星明かりを求めて浮上し、日の出とともに暗闇へ沈んでいきます。微小なプランクトンが毎日、海の深みと表層のあいだを移動することは、地球の重要なプロセスを理解する鍵を握っていますが、これまでその実態の大半は謎に包まれていました。スタンフォード大学が開発した新しい回転式顕微鏡は、8月17日に「研究論文で発表され、同日付でNature Methodsに掲載されました。この顕微鏡により、謎に包まれた微生物が日々の鉛直移動を行う際の行動や分子プロセスを、初めて追跡・測定できるようになります。
「これは、海洋の生命を研究するまったく新しい方法です」と、論文の筆頭著者で、スタンフォード大学の機械工学博士課程に在籍するディーパック・クリシュナムルティ氏は述べました。
論文の上級著者であるマヌ・プラカシュ氏（スタンフォード大学の生物工学准教授）は、この技術革新によって、海洋生物や生態系の知られざる営みを新たな視点から見られるようになると述べています。「これまで夢見ることしかできなかった科学の可能性が開かれます」
海の謎
地球上で炭素が有機化合物に変換されるプロセスの半分は海洋で起こり、その大半をプランクトンが担っています。炭素固定として知られるこのプロセスや、ほかの重要な地球規模の循環において、小さな生き物が果たす役割は非常に大きいものの、深さと時間のスケールが広大な、鉛直方向に層をなす海洋環境では研究が困難でした。
従来のプランクトン採取・調査法は、微生物の大規模な集団に焦点を当てており、生態学的なスケールで個々のプランクトンの行動やプロセスを測定する解像度が不足しているのが一般的でした。その結果、プランクトンがどのように深度を感知して調節するのか、また移動を助ける付属器官がないのにどうやって水柱中に浮遊し続けられるのかなど、海洋における微小スケールの生物学的・分子的プロセスについて、ほとんど分かっていません。
「クジラにタグを付ければ、どこへ行くかを確認できます。しかし、対象がどんどん小さくなると、その本来の行動を知り、理解することは非常に難しくなります」とプラカシュ氏は述べました。「海は非常に広く、鉛直方向にも広がっています。微小な物体が本来の行動をとれるよう、十分な自由を与えながら、その実態にどうすれば近づけるでしょうか」
この隔たりを埋めるため、プラカシュ氏と研究室の研究者らは、「流体力学的トレッドミル」と呼ぶ仕組みに基づく鉛直追跡顕微鏡を開発しました。その発想の根底にあるのは、シンプルでありながら巧みな着想です。円形の構造によって無限に続く水柱の輪を作り、海の深さを再現できるのです。液体で満たされた円形のチャンバーに入れられた生物は自由に動き回り、装置はその動きを追跡しながら、動きに合わせて回転します。カメラはプランクトンなどの微小な海洋生物をフル解像度のカラー画像で撮影し、コンピューターに送って閉ループのフィードバック制御を行います。また、光の強さなど海洋の深度に応じた特性を再現し、研究者らが「仮想現実環境」と呼ぶ、単細胞生物のための環境を作り出すこともできます。
研究チームは、モントレーにあるスタンフォード大学のホプキンス海洋研究所やプエルトリコ、さらにハワイ沖の調査船で、この装置を使った現地試験を行いました。この革新的な顕微鏡によって、これまで科学的に知られていなかったさまざまな微生物の行動がすでに明らかになっています。たとえば、カリフォルニア沿岸に生息するコウモリヒトデ、ナマコ、太平洋のサンドダラーなどの海洋生物の幼生が、一定の深さで漂う方法から、繊毛の動きや遊泳の頻繁な変化、あるいは瞬きに至るまで、さまざまな方法で海中を移動する様子を詳細に捉えました。これにより、外洋におけるこうした特異な生物の分散特性を、科学者がより深く理解できる可能性があります。またこの装置は、海産渦鞭毛藻類など単細胞生物の鉛直方向の遊泳行動も明らかにしており、こうした行動と藻類ブルームなどの生態学的現象を結び付けられる可能性があります。
プエルトリコでは、クリシュナムルティ氏とプラカシュ氏は、遊泳に使う付属器官を持たない微生物である珪藻が、自らの密度を繰り返し変えて水中を沈んだり浮上したりする様子を目撃し、驚きました。この不可解な行動は、今も謎のままです。
「石が浮かんだり沈んだり、また浮かんだりすると誰かに言われたようなものです」とクリシュナムルティ氏は述べました。
海を研究室に持ち込む
プラカシュ氏は、この装置の成功を研究室チームの学際性によるものだとしています。チームには、電気、機械、光学の各エンジニアに加え、コンピューター科学者、物理学者、細胞生物学者、生態学者、生化学者が参加しています。チームはさらに顕微鏡の機能を拡張するため、生物が海の深みへ潜る際に経験する物理的パラメーターのあらゆる側面を仮想的にマッピングする取り組みを進めています。これには、環境的・化学的な手がかりや静水圧も含まれます。
「海洋で働く生物学的プロセスを最小の長さスケールで真に理解するため、海の一部を研究室に持ち込むと同時に、研究室の一部を海へ持ち込むことに期待しています」とプラカシュ氏は述べました。
