深海の配管工事 - 株式会社チェリーブロッサム

特徴

ピーター・ガーギスが海底の生物を調査する

ヴェロニク・グリーンウッド著

2023年5月～6月

巨大なチューブワームは、カリフォルニア湾の深さ 6,200 フィートの熱水噴出孔から化学物質を吸収します (ギルギスの研究室は、これらのワームの研究で世界的に有名です)。

写真提供：シュミット海洋研究所

ハーバード大学生物学研究所の裏にある洞窟のような地下空間で、生化学者のピーター・ガーギスは手に持った圧力容器を見て眉をひそめた。フレンチプレスほどの大きさの機械加工されたチタンシリンダーが、キャップを外そうとするときに光り、彼は自分の頑固さを笑いました。おそらくそれを緩めるツールを見つけることができるだろう、と彼は言う。しかし、ギルギスは、生化学者というよりも、オーバーオールを着た航空機整備士に特徴的な、物理的な対象に対して穏やかな自信を持っています。手首を軽く動かすと、キャップが外れます。容器の壁の厚さは約1インチで、内部の空間はジャム瓶ほどの大きさであることが判明した。この夏、圧力が平方インチあたり約3,200ポンドであるこの場所は、3マイル下流の遠隔操作車両によってすくわれた深海カタツムリの一種の生息地となる予定です。地表の圧力は 1 平方インチあたりわずか 15 ポンドです。人間にとっては快適ですが、深海の生物にとっては厳しいものです。そのため、ギルギスと彼の同僚は調査船で深海の圧力を再現するのに約 45 分かかります。カタツムリが死に始める前に、容器を硫化水素、酸素、その他の必需品で満たします。船内の状態が安定すると、私たちの生態系とはかけ離れたコンパクトでほぼ無傷の生態系の断片が得られるため、長い間、それを直接研究する方法はほとんどありませんでした。

研究室の大地で働くピーター・ガーギス

写真撮影：ジム・ハリソン

生物進化生物学の教授であるギルギス氏は、熱水噴出孔に集まる群集を理解するために30年近く研究してきました。熱くて刺激的な水の間欠泉が噴出する海底の亀裂の周囲には、奇妙な生物が生息しています。鉄の側面を持つカタツムリ、硫化水素を消化するチューブワーム、そのような生物の体内または海底で単独で生息するバクテリアなどです。圧力容器とその作動を維持するシステム、およびギルギスが発明に協力した他のツールは、海洋で最も創造的な研究者の一人としてのギルギスの名声に貢献しました。彼は彼らとともに、深海の生物がどのようにして岩石に含まれるエネルギーを利用して生きられるのか、どのようにして植物と同じくらい効率的に炭素を固定することができるのか、そしてそれがこの地球や太陽系の他の場所の生命にとって何を意味するのかを探ります。

この夏、ギルギス氏とその乗組員は、シュミット海洋研究所の調査船の甲板に固定された、機器を詰めた輸送用コンテナである新しい移動式実験室に圧力容器を積んで海に出す予定である。 7月から8月にかけて、コスタリカ沖やさらに南のガラパゴス諸島で発見されるだろう。そこでは海底が熱水噴出孔でうねり、空隙を埋めている。

上: 南カリフォルニア沖の深海のサンゴ礁であるエメリー・ノールでの遠隔ダイビングでは、カニ、カイメン、サンゴが見られます。下: 7本腕の巨大なタコ、ハリフロン・アトランティクスの珍しい目撃例

写真提供：シュミット海洋研究所

1970 年代、ガーギスがカリフォルニア州ダウニーで育った頃、宇宙探検家たちが話していた空虚とは宇宙のことでした。ダウニーは、スペースシャトルの請負業者であるロックウェル・インターナショナルの本社でした。ギルギスの両親、生化学者（父親）と航空宇宙技術者（母親）はエジプトから移民しており、ギルギスがロックウェルで働いていたためエジプトに移住した。「私はロックウェル・インターナショナルの余剰品店から 2 ブロック離れたところに住んでいました。そこでは宇宙船の断片や、ありとあらゆるものが売られていました」とガーギスさんは振り返る。「だから、私の地下室には、私が持ち歩いた宇宙船の破片が眠っていて、パートナーはとても残念がっていました。」

ギルギスさんは自分自身を心配性の子供だと説明しています。彼は文字を読むのが困難で、両親はアメリカ人の子供の生活を規定する社会規範に常に注意を払っていたわけではありませんでした。彼らは息子をフォーマルな服装で学校に通わせたが、それは同僚のリーバイスとは対照的だった。 1989 年に UCLA に入学したとき、彼は医学部進学の授業で苦労しましたが、海洋学の分野でつまずいたとき、彼の運命は決定されました。彼は、深海の異質な奇妙さが大好きでした。特に、科学者たちが 1977 年以来、アメリカ海軍のアルビン潜水艦の小さな部屋に降りて探索してきた熱水噴出孔の周囲が大好きでした。

太陽の光がまったく届かない熱水噴出孔では、生き物たちは真っ暗闇の中で暮らしています。彼らは自分たちの体を作り、太陽の光に照らされた領域の住民とほとんど共通点がないように見える方法で存在します。人間と他のほとんどの動物は太陽のエネルギーに依存しており、植物やそれを餌とする種を食べ、光合成の産物を呼吸しています。噴出孔の住人は、地球の溶融核によって加熱され、海水と岩石の間の奇妙な反応によって供給される惑星のエネルギーを利用しています。

ギルギスは、科学者になる動機の一部をテレビ番組「スタートレック: ネクストジェネレーション」に遡ります。今日、ハーバード大学のオフィスに座って、本やサターン V ロケットや捕鯨船の模型に囲まれながら、彼は笑いました。「認めるのは恥ずかしいことですが、それが科学の道に進むという私の決断の大きな部分を占めていました」と彼は言います。「なぜなら、私はそのテレビ番組から、自分の周りの世界を理解することが、おそらくあなたが持つことができる最大の特権であるという考えに本当に夢中になったからです。」

上：熱水煙突の風景。下: エメリー・ノールのタカアシガニとカイメン。前景にスケートの卵が見えます。

写真提供：シュミット海洋研究所

1995 年にカリフォルニア大学サンタバーバラ校 (UCSB) で、ギルギスは海洋生物の代謝を研究するジェームズ・チルドレス研究室の大学院生になりました。チルドレス氏は圧力容器の初期バージョンに取り組んでおり、目標を達成するために必要なあらゆるツールを設計できるギルギス氏がシステムを動作させました。彼の最初の標的は、深紅の羽毛で縁取られた長い白い管の花束の中で通気口で成長する巨大なチューブワーム、リフティア・パキプチラだった。彼はイースト・パシフィック・ライズの調査船で働き、繊細な生き物を育てた。「彼は大学院生として海に出て、UCSBの研究室で彼らを生かした最初の一人でした」と、当時サンタバーバラ大学の学生でもあったカリフォルニア工科大学の地質生物学者ビクトリア・オーファンは振り返る。「これらの動物がキャンパスに連れ戻されるのを見るのはとても興奮しました。」

チューブワームには口、肛門、消化管がありません。 1981年、ハーバード大学の生物進化生物学教授コリーン・カバノーとその同僚は、人間は組織内に生息する細菌の代謝からエネルギーを得ていると主張した。科学者たちは、共生細菌が二酸化炭素や酸素とともに通気口から腐食性の硫化水素を消費することを知っていました。しかし、死んだ虫はその内部の仕組みについてほとんど明らかにしませんでした。

UCSB では、ギルギス氏が深海から持ち帰った生きた虫が消費する酸素、硫化水素、二酸化炭素を監視しました。彼は、その異常な代謝が各物質のどの割合を使用したかに関する最初のデータを公開し、ブラックボックスを開くプロセスを開始しました。そして彼は、この線虫が動物界の他のどこにも見られない速度で体内から陽子を送り出し、これが酸性度を管理する方法であることを発見した。ギルギスの手法により、リフティアが血流中で硫化水素に結合し、それを共生生物に運ぶタンパク質によって硫化水素から身を守っているという発見を含め、この線虫に関する新たな研究が急増することが可能となった。

上: カリフォルニア沖のラスエン丘を横切るウニ。下: 深さ 4,800 フィートのデビッドソン海山に広がる、餌となるポリプを持つキノコソフトコーラル。

写真提供：シュミット海洋研究所

次に、カリフォルニアにある非営利の海洋学研究センターであるモントレーベイ水族館研究所で、微生物学者のエドワード・デロングと協力して、実験室で別の極端な生物群、つまりメタンを食べる深海の微生物の育成に取り組みました。「彼は、このクレイジーで、ほとんどルーブ・ゴールドバーグのような装置を、大きな堆積物の柱がある寒い部屋に置いていました。これには多くの子守が必要でした」とオーファンは回想する。「それは愛情のこもった仕事でしたが、彼はそれをやり遂げました。これにはロードマップはありませんでした。しかし、彼は工学から基本原則を取り入れ、微生物の生理学を理解するために重要な条件を再現する装置を構築しました。」

地表の住人がどのように呼吸し、食事をするのかは、多かれ少なかれ長い間知られてきました。しかし、海底の神秘的な生物を理解することは、異質な環境の課題によって規定された、生命がたどった別の道を探ることに他なりません。その存在は人類の生存に影響を及ぼします。深海の堆積物は地球最大のメタンの貯蔵庫であり、大気中に放出されると二酸化炭素の 25 倍強力な温暖化物質となります。熱水噴出孔とそのより低温の対応物である冷浸出物からメタンの泡が絶え間なく発生しますが、海に流出するのはごくわずかです。ギルギス氏がモントレー渓谷で水中に潜るロボットですくい上げた微生物と、その近隣にいる特定の種類のチューブワームなどは、それを食い荒らす驚異的な能力を持っています。噴出口や湧出部の周囲の生物は、循環メタンの 90 パーセントを隔離することで地上生態系を保護します。メタンは、さもなければ地表に上昇して地球温暖化の一因となる可能性があります。

上: デッキ上のポータブルラボ。中央: 機器の作業をしているギルギス。下: ABISS 着陸船を調査船ファルコーの後部甲板に回収。

写真提供：シュミット海洋研究所

ギルギス氏がメタンを食べる微生物を増殖させるために構築したシステムのおかげで、科学者たちは一度に何か月も地表で微生物を研究することが可能となり、これは大きな偉業である。「私は常にピートの優れた科学だけでなく、技術工学の才能を賞賛してきました」とオーファンは言います。「彼は自分のやっていることによって、この分野全体を可能にします。」

次の調査航海は数カ月先だが、ハーバード大学のハイベイにある、科学用品のガレージとして使われている廃止された粒子加速器の高圧実験室は、機材がぎっしり詰まった箱に囲まれている。定期的に南極に向かう巨大な望遠鏡の横にある迷路のようなゴミ箱を通って到達する――「他人のおもちゃ」だ、とギルギス研究室の博士研究員で、圧力研究室のシステムを担当するジェシカ・ミッチェルは言う。

コンテナの中の壁にはピンク色の付箋が点在しています。誰かが間もなく、深海から引き上げられたチューブワーム、カタツムリ、ムール貝を収容する容器のための棚をさらに作るために来るでしょう。すべての準備が完了すると、コンテナの壁には圧力容器、海水とガスのタンク、船舶を居住可能な状態に保つために必要なすべての装置が並べられます。中央のギャレーキッチンスタイルでは、科学者たちが肩を並べて背中合わせに作業し、圧力レベルを調整し、動物の組織サンプルを採取し、実験を準備します。ミッチェル自身もチューブワームの研究者であり、チューブワームとその細菌の共生に焦点を当てています。しかし、クルーズでは、全員が生き物を生き返らせるために協力します。

研究船には通常、財団や機関によって人員が配置され、運営されており、複数の異なる研究室からの科学者が一度に数週間参加します。船上での生活は充実しています。「人々はただ24時間働くだけです」と、NASAから資金提供を受けて研究室に所属し、圧力に適応した細菌を研究している博士研究員ジェイコブ・ウィニコフは言う。「一か八かの労働環境だ。」後で研究するための標本とデータを収集するのに数週間しかかからないため、場合によっては数年かかる可能性があり、科学者たちは起きているすべての瞬間に研究を続けています。彼らは遠隔操作の潜水艇を操作し、DNAを抽出し、サンプルを冷蔵庫に詰め込み、配管のトラブルシューティングを行います。「この研究室で行う配管工事の量は、[ここ] を通過する人はほぼ誰でも配管工のようなものになると思います」と、ギルギス研究室のマネージャー、ジェニファー・ディラニー氏は言います。物流の女王である彼女は、港湾当局と交渉し、安全を管理し、保険を購入し、装備を梱包して発送します。はい、科学実験室です。しかし、それはまた、未知への毎年の遠征の準備をしている探検家の乗組員でもあります。

上：海底にあるABISS着陸船（ROVサブバスティアンが撮影）。下: カリフォルニア州ポイント・デューム近くの海底から炭酸塩煙突を回収するROVサブバスチャン。

写真提供：シュミット海洋研究所

モントレー湾水族館研究所の海洋生物学者スティーブ・ハドック氏は、「クルーズに参加していると、その人がどんな人なのかがよくわかる」と話す。ギルギスはプレッシャーの下でも元気を維持している、とUCSBで一緒に学生だった頃からギルギスを知っているハドックは言う。「彼は実物よりもちょっと大きくて、まるで小説のページから抜け出てきたような、時々童話の登場人物のように見えます。」

ギルギスの機械の数々はクルーズで真価を発揮します。 2005 年にハーバード大学に到着した後、彼は海水に溶けているガスを検出する装置である水中質量分析計の開発を完了し、それを使って海底のメタンと二酸化炭素の浸透の地図を作成し、それらが変化して移動することを発見しました。時間。彼は水中の同位体を分析する装置を作りました。彼は一度に数か月間海底の海水を監視するために別の施設を建設しました。新しい機器を導入するたびに、彼はそれを共有します。現在、彼の設計を利用した水中質量分析計が世界中に少なくとも 10 台あり、ギルギス自身がおそらく決して訪れることのない場所の海底湧出物のマッピングが可能になっていると同氏は推定しています。

海は本質的にまだ未知であるため、これは重要です。ギルギス氏がよく言うように、たとえほとんどの生命体が住めないとしても、表面積で見ると、深海は地球上の居住可能空間の 80 パーセントを占めます。気候変動は、海の最も基本的なプロセスの一部を脅かしている。たとえば、水が酸性になりすぎてカキやサンゴが貝殻を作れなくなっている。そして、それが海洋の未調査の部分にどのような変化をもたらすのかは未解決の問題である。海洋科学者がギルギスの発明を利用してその最深部を理解できればできるほど、より良いと彼は感じている。

研究者としてのギルギスのペースに匹敵するのは、彼の追求の多様性だけです。 2005 年以来、彼の研究室からは深海生物の生化学に関する洞察だけでなく、ゲノム解析の進歩、海底を観察する新しい方法、微生物を利用した小型燃料電池のアイデア、いつか木星の衛星の海に設置されるかもしれない水中天文台。

彼と他の人々が最初のサンプルを収集して以来、数年の間に発見したリフティア管虫は、血液を介して共生生物に酸素、二酸化炭素、硫化水素をもたらします。共生生物は、エネルギーと糖を生成するこれら 3 つの成分が関与する反応を引き起こします。「その時点で、共生生物は自分の線虫に食物を漏らし、糖分とアンモニウムを管虫の体内に放出します」とギルギス氏は言う。線虫の細胞は糖を消費し、アンモニウムを使ってタンパク質の構成要素であるアミノ酸を組み立てます。ギルギス氏と彼の同僚は、生きた虫（虫が何を食べ、排泄し、どのように遺伝子を発現するか）を研究することで、ブラックボックスを開けた。

さらに、深海の動物は二酸化炭素を消費して固定するという驚くべき効果を持っていることも発見した。このプロセスは陸上では主に植物の領域である。この夏、ギルギス氏は質量分析計を使って深海生物群集全体の炭素消費を追跡し、どれだけの量を隔離できるかを計算したいと考えている。「私たちのデータに基づくと、これらの生態系はより生産的であるという予感があります。つまり、すべてではないにしても、ほとんどの光合成生態系よりも平方メートル当たり多くの炭素を固定していることを意味します」と彼は言う。同様に、彼はその情報を使用して、噴出孔によって生成されるエネルギーの各単位によってどれだけの生命が維持できるかを計算することを計画しています。「NASAは私と私の同僚に、木星と土星の海洋衛星でどれだけ大きな生物圏が支えられるかを考える資金を提供してくれました。そこには熱水噴出孔があると確信しています。」と彼は言う。

これらのトピックの広範さは、彼の興味だけでなく、博士課程の学生、博士研究員、スタッフの科学者の興味も反映しています。研究室の博士研究員であるアンドレア・ウンズエタ・マルティネスさんは、深海生物とは程遠いカキを研究していましたが、彼女とギルギスさんは海洋生物のマイクロバイオームに共通の関心を持っており、ギルギスさんはそれを探求するよう彼女に勧めています。「彼は本当に協力的です」と彼女は言う。「私は彼に見られ、増幅されたと感じます。」

おそらく、研究室を歓迎していると感じさせている理由の 1 つは、Girguis が過剰なジェスチャーを好むことです。このラボは、虚栄心の欠如を見事に表現した壮大なホリデーカードで知られています。昨年、科学者たちはマペットの仮装をしました。現在大学院生であるイアン・ヒューズは、まだどの研究室に入るか決めかねてホールをさまよっていたとき、印刷して壁に貼ってあったホリデーカードを見つけた。「衣装引き出しがある研究室なら、きっと楽しいだろう」と彼は考えたのを覚えている。実際、衣装が入った 2 つの大きなプラスチックの箱と、ジェリーで装備されたグリーンスクリーンが研究室のランチルームを飾っています。 2022年、科学者たちは『ロード・オブ・ザ・リング』の登場人物を演じた。ウンズエタ・マルティネスはアルウェン、ヒューズはボロミア、ギルギスはもちろんガンダルフでした。

ハイ・ベイでは、ギルギス氏が周囲を歩き回り、完成した圧力ラボが天井クレーンで海に運ぶトラックに吊り上げられたときにどのようになるかを説明した。最終的に、コンテナは調査船ファルコール号でコスタリカに到着し、チームはプンタレナス港に到着するために飛行機で到着します。彼が天井を見上げると、コンテナの長さいっぱいにシャチのデカールが貼られていました。「彼らはそれにシャチを与えることに決めました。私が一度シャチが好きだと言ったからだと思います」と彼は恥ずかしそうに言う。「少しブランドから外れていますが、大丈夫です！」

この夏、潜水艦が放つ光の中で、チューブワームが生息し、赤い葉が優しく揺れるこの世のものとは思えないような白いパイプを再び見ることになるだろう。カタツムリが通り過ぎ、煙と泡が立つ岩の上に集まったムール貝の上に光が当たります。おそらく、深い噴火で冷えた溶岩が海底を覆い、景観を完全に変えてしまうだろう。おそらく彼と彼の乗組員は、新たなメタン発生源を発見し、それを消費するために集まっている新たなコミュニティを見つけるでしょう。そこで彼は、地上にいる間に考えていたもう一つの世界、つまり私たち自身の惑星の一部であり、あまり探検されていない異星を訪れることになります。

ヴェロニク・グリーンウッドは科学ジャーナリストで、以前この雑誌に火星の赤点と職場での人種について書いたことがあります。