細菌は、海洋におけるエネルギー生産の変化を研究者が測定する助けとなる。
これにより、さまざまな海洋環境の生態系を評価することが可能になる。
この種の情報は、変化する気候が複雑な生態系に及ぼす影響をより深く理解する助けとなる。
オーストラリアの調査船RVインベスティゲーター号に乗船し、私たちは南極の氷縁から南太平洋の温暖な赤道まで63日間航海し、387の水サンプルを採取した。
目的は何か。何千もの異なる微生物の遺伝暗号から、海洋の機能的多様性（海洋細菌が担う役割の範囲）について知見を得ることである。
私たちの研究は昨日『Nature Communications』誌に掲載された。研究では、食物網の基盤におけるエネルギー生産の変化を細菌によって測定できることが示された。これらの結果は重要である。さまざまな海洋環境において、大規模な生態系評価に遺伝データを活用する新たな機会が浮き彫りになったからである。
急速に変化する気候の中で、この種の情報は極めて重要である。自然の複雑さを一歩ずつ解き明かすことを可能にするからである。最終的には、人間による圧力を軽減し、貴重な海洋生態系を保護・回復させることに役立つだろう。
なぜ海洋細菌に注目すべきなのか。
海洋は地球の表面の71%を覆い、地球上の生命を支えている。海洋の上部100メートル、すなわち日光が届く部分には、微小な生物が豊富に存在する。実際、世界の酸素の最大50%はこれらの生物によって生み出されている。
近年確立された人間の健康と人間のマイクロバイオーム（「腸内細菌叢」）との関連と同様に、海洋の健全性は大部分が支配されているそこに生息する細菌によって。
しかし、細菌の役割は酸素の生成にとどまらない。細菌は、海洋におけるエネルギー、栄養塩、有機物の流れを維持、供給し、制御している。細菌は、小さな甲殻類から魚の幼生、クジラ、そして私たちが食べる魚まで、海洋食物網全体にエネルギーと食料を供給している。
これらの微生物は、多数の生物地球化学循環（炭素、窒素、リン、硫黄、鉄の循環など）においても重要な役割を果たしている。
したがって、それぞれの細菌の役割を定量化し、異なる細菌種とその機能が環境変化にどのように応答するかを理解することが重要である。
基本的な問い
GO-SHIPやGO-SHIP、GEOTRACESといった地球規模の海洋研究イニシアチブは、私たちの調査航海のような探査を通じて、数十年にわたり海洋の状態を測定してきた。これらの取り組みでは、水温、塩分、栄養塩、微量金属（鉄、コバルトなど）、その他の重要な海洋変数を調査している。
しかしながら、これらのプログラムが地球規模のサンプリング調査において、細菌の遺伝子データなどの生物学的変数の測定を開始したのは、ごく最近のことにすぎない。
海洋の状態を測定するために細菌の遺伝子データを含めることは、細菌の多様性がその多様な役割にどのように影響するかについての重要な知識の欠落を埋める試みを可能にする。ある仮説として、細菌の多様性が大きいほど、生態系の回復力が高まり、気候変動の影響に耐えられるようになるかどうかが挙げられる。
本論文では、この地球規模の海洋微生物生態学の分野における基本的な問いに取り組んだ。すなわち、細菌の同一性と機能の関係はどのようなものか。言い換えれば、誰が何をしているのか。
明らかになったこと
私たちは示した海洋細菌の遺伝暗号を、それらが担うさまざまな機能や役割と関連付け、南極から赤道にかけてこれらの機能がどのように変化したかを定量化することが可能であることを。
変化した機能には、大気中の二酸化炭素の取り込み、細菌の増殖、限られた栄養塩への対処戦略、有機物の分解が含まれる。
もう一つの重要な知見は、「海洋前線」が、一見均一に見える海洋内において境界として機能し、特定の役割を持つ独特な細菌群集を生み出すということである。海洋前線とは、例えば水温や塩分の急激な変化によって定義される、明確に区別された水塊である。水が出会い混ざり合う場所では、乱流が激しくなる。
南極海の冷たい水と熱帯の温かい水を隔てる亜熱帯前線において記録されたエネルギー生産の変化は、海洋前線が海洋における細菌の機能にどのように影響を与えるかを明確に示す例であった。
生態系の変化を追跡する
私たちの研究の結果として、科学者は細菌の機能的多様性を、炭鉱のカナリアのように、生態系の変化を追跡する指標として用い始める可能性がある。
したがって、細菌の機能的多様性は、人間の人口増加や都市化が沿岸域や河口にどのような影響を与えるかを測定するために利用できる。
例えば、水産養殖の生簀が環境に及ぼす影響をより正確かつ包括的に測定することができる。養殖生簀は、炭素、窒素、リンといった栄養塩の濃度を高めることで水質に影響を与えることが知られており、これらはいずれも細菌が好んで利用する元素である。
同様に、河口が果たす環境サービスの変化も追跡できる。例えば、農業の排水や都市廃棄物によって水路に流入する過剰な窒素を除去する重要な役割などである。
世界人口の44%が沿岸地域に暮らしており、河口を含む海洋生態系への窒素の流入量は増加すると予測されており、そこに生息する海洋生物に負担をかけている。
最終的に、遺伝子データを用いて細菌の多様性を分析することは、この微小な生物が将来何をしているか、あるいは何をするのかを予測する機会とともに、海洋において生命を支える自然の複雑な相互作用をより深く理解することに役立つだろう。
