TED日本語 - カレン・ロイド: 深海の謎は生命への理解を変える

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TED日本語 - カレン・ロイド: 深海の謎は生命への理解を変える

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深海の謎は生命への理解を変える
This deep-sea mystery is changing our understanding of life
カレン・ロイド
Karen Lloyd

内容

生命はどれだけ地下深くまで存在するのか。それをどうやって見つけるのか。微生物学者のカレン・ロイドが地下深部の微生物を紹介します。海底よりさらに深い場所で、動物よりはるか以前から生きていた小さな生命。研究室では繁殖せず、われわれ人間とはまったく違う時間とエネルギーとの関わりを持つ、 この謎めいた微生物群についてのトークをお楽しみください。

Script

I'm an ocean microbiologist at the University of Tennessee, and I want to tell you guys about some microbes that are so strange and wonderful that they're challenging our assumptions about what life is like on Earth.

So I have a question. Please raise your hand if you've ever thought it would be cool to go to the bottom of the ocean in a submarine? Yes. Most of you, because the oceans are so cool.

Alright, now -- please raise your hand if the reason you raised your hand to go to the bottom of the ocean is because it would get you a little bit closer to that exciting mud that's down there.

(Laughter)

Nobody. I'm the only one in this room.

Well, I think about this all the time. I spend most of my waking hours trying to determine how deep we can go into the Earth and still find something, anything, that's alive, because we still don't know the answer to this very basic question about life on Earth.

So in the 1980s, a scientist named John Parkes, in the UK, was similarly obsessed, and he came up with a crazy idea. He believed that there was a vast, deep, and living microbial biosphere underneath all the world's oceans that extends hundreds of meters into the seafloor, which is cool, but the only problem is that nobody believed him, and the reason that nobody believed him is that ocean sediments may be the most boring place on Earth.

(Laughter)

There's no sunlight, there's no oxygen, and perhaps worst of all, there's no fresh food deliveries for literally millions of years. You don't have to have a PhD in biology to know that that is a bad place to go looking for life.

(Laughter)

But in 2002, [ Steven D'Hondt ] had convinced enough people that he was on to something that he actually got an expedition on this drillship, called the JOIDES Resolution. And he ran it along with Bo Barker Jorgensen of Denmark. And so they were finally able to get good pristine deep subsurface samples some really without contamination from surface microbes. This drill ship is capable of drilling thousands of meters underneath the ocean, and the mud comes up in sequential cores,one after the other -- long, long cores that look like this. This is being carried by scientists such as myself who go on these ships, and we process the cores on the ships and then we send them home to our home laboratories for further study.

So when John and his colleagues got these first precious deep-sea pristine samples, they put them under the microscope, and they saw images that looked pretty much like this, which is actually taken from a more recent expedition by my PhD student, Joy Buongiorno. You can see the hazy stuff in the background. That's mud. That's deep-sea ocean mud, and the bright green dots stained with the green fluorescent dye are real, living microbes.

Now I've got to tell you something really tragic about microbes. They all look the same under a microscope, I mean, to a first approximation. You can take the most fascinating organisms in the world, like a microbe that literally breathes uranium, and another one that makes rocket fuel, mix them up with some ocean mud, put them underneath a microscope, and they're just little dots. It's really annoying. So we can't use their looks to tell them apart. We have to use DNA, like a fingerprint, to say who is who.

And I'll teach you guys how to do it right now. So I made up some data, and I'm going to show you some data that are not real. This is to illustrate what it would look like if a bunch of species were not related to each other at all. So you can see each species has a list of combinations of A, G, C and T, which are the four sub-units of DNA, sort of randomly jumbled, and nothing looks like anything else, and these species are totally unrelated to each other. But this is what real DNA looks like, from a gene that these species happen to share. Everything lines up nearly perfectly. The chances of getting so many of those vertical columns where every species has a C or every species has a T, by random chance, are infinitesimal. So we know that all those species had to have had a common ancestor. They're all relatives of each other.

So now I'll tell you who they are. The top two are us and chimpanzees, which y'all already knew were related, because, I mean, obviously.

(Laughter)

But we're also related to things that we don't look like, like pine trees and Giardia, which is that gastrointestinal disease you can get if you don't filter your water while you're hiking. We're also related to bacteria like E. coli and Clostridium difficile, which is a horrible, opportunistic pathogen that kills lots of people. But there's of course good microbes too, like Dehalococcoides ethenogenes, which cleans up our industrial waste for us. So if I take these DNA sequences, and then I use them, the similarities and differences between them, to make a family tree for all of us so you can see who is closely related, then this is what it looks like. So you can see clearly, at a glance, that things like us and Giardia and bunnies and pine trees are all, like, siblings, and then the bacteria are like our ancient cousins. But we're kin to every living thing on Earth. So in my job, on a daily basis, I get to produce scientific evidence against existential loneliness.

So when we got these first DNA sequences, from the first cruise, of pristine samples from the deep subsurface, we wanted to know where they were. So the first thing that we discovered is that they were not aliens, because we could get their DNA to line up with everything else on Earth. But now check out where they go on our tree of life. The first thing you'll notice is that there's a lot of them. It wasn't just one little species that managed to live in this horrible place. It's kind of a lot of things. And the second thing that you'll notice, hopefully, is that they're not like anything we've ever seen before. They are as different from each other as they are from anything that we've known before as we are from pine trees. So John Parkes was completely correct. He, and we, had discovered a completely new and highly diverse microbial ecosystem on Earth that no one even knew existed before the 1980s.

So now we were on a roll. The next step was to grow these exotic species in a petri dish so that we could do real experiments on them like microbiologists are supposed to do. But no matter what we fed them, they refused to grow. Even now,15 years and many expeditions later, no human has ever gotten a single one of these exotic deep subsurface microbes to grow in a petri dish. And it's not for lack of trying. That may sound disappointing, but I actually find it exhilarating, because it means there are so many tantalizing unknowns to work on. Like, my colleagues and I got what we thought was a really great idea. We were going to read their genes like a recipe book, find out what it was they wanted to eat and put it in their petri dishes, and then they would grow and be happy. But when we looked at their genes, it turns out that what they wanted to eat was the food we were already feeding them. So that was a total wash. There was something else that they wanted in their petri dishes that we were just not giving them.

So by combining measurements from many different places around the world, my colleagues at the University of Southern California, Doug LaRowe and Jan Amend, were able to calculate that each one of these deep-sea microbial cells requires only one zeptowatt of power, and before you get your phones out, a zepto is 10 to the minus 21, because I know I would want to look that up. Humans, on the other hand, require about 100 watts of power. So 100 watts is basically if you take a pineapple and drop it from about waist height to the ground 881,632 times a day. If you did that and then linked it up to a turbine, that would create enough power to make me happen for a day. A zeptowatt, if you put it in similar terms, is if you take just one grain of salt and then you imagine a tiny, tiny, little ball that is one thousandth of the mass of that one grain of salt and then you drop it one nanometer, which is a hundred times smaller than the wavelength of visible light, once per day. That's all it takes to make these microbes live. That's less energy than we ever thought would be capable of supporting life, but somehow, amazingly, beautifully, it's enough.

So if these deep-subsurface microbes have a very different relationship with energy than we previously thought, then it follows that they'll have to have a different relationship with time as well, because when you live on such tiny energy gradients, rapid growth is impossible. If these things wanted to colonize our throats and make us sick, they would get muscled out by fast-growing streptococcus before they could even initiate cell division. So that's why we never find them in our throats. Perhaps the fact that the deep subsurface is so boring is actually an asset to these microbes. They never get washed out by a storm. They never get overgrown by weeds. All they have to do is exist. Maybe that thing that we were missing in our petri dishes was not food at all. Maybe it wasn't a chemical. Maybe the thing that they really want, the nutrient that they want, is time. But time is the one thing that I'll never be able to give them. So even if I have a cell culture that I pass to my PhD students, who pass it to their PhD students, and so on, we'd have to do that for thousands of years in order to mimic the exact conditions of the deep subsurface, all without growing any contaminants. It's just not possible. But maybe in a way we already have grown them in our petri dishes. Maybe they looked at all that food we offered them and said, "Thanks, I'm going to speed up so much that I'm going to make a new cell next century. Ugh.

(Laughter)

So why is it that the rest of biology moves so fast? Why does a cell die after a day and a human dies after only a hundred years? These seem like really arbitrarily short limits when you think about the total amount of time in the universe. But these are not arbitrary limits. They're dictated by one simple thing, and that thing is the Sun. Once life figured out how to harness the energy of the Sun through photosynthesis, we all had to speed up and get on day and night cycles. In that way, the Sun gave us both a reason to be fast and the fuel to do it. You can view most of life on Earth like a circulatory system, and the Sun is our beating heart.

But the deep subsurface is like a circulatory system that's completely disconnected from the Sun. It's instead being driven by long, slow geological rhythms. There's currently no theoretical limit on the lifespan of one single cell. As long as there is at least a tiny energy gradient to exploit, theoretically, a single cell could live for hundreds of thousands of years or more, simply by replacing broken parts over time. To ask a microbe that lives like that to grow in our petri dishes is to ask them to adapt to our frenetic, Sun-centric, fast way of living, and maybe they've got better things to do than that.

(Laughter)

Imagine if we could figure out how they managed to do this. What if it involves some cool, ultra-stable compounds that we could use to increase the shelf life in biomedical or industrial applications? Or maybe if we figure out the mechanism that they use to grow so extraordinarily slowly, we could mimic it in cancer cells and slow runaway cell division. I don't know. I mean, honestly, that is all speculation, but the only thing I know for certain is that there are a hundred billion billion billlion living microbial cells underlying all the world's oceans. That's 200 times more than the total biomass of humans on this planet. And those microbes have a fundamentally different relationship with time and energy than we do. What seems like a day to them might be a thousand years to us. They don't care about the Sun, and they don't care about growing fast, and they probably don't give a damn about my petri dishes ...

(Laughter)

but if we can continue to find creative ways to study them, then maybe we'll finally figure out what life, all of life, is like on Earth.

Thank you.

(Applause)

私はテネシー大学の海洋微生物学者です 今日はある微生物について話します とても不思議で興味深く 地球上の生命とはどんなものかという これまでの考えを変えるものかもしれません

質問します もし潜水艦で 海底まで行けたら楽しいだろうなと 思ったことがある人は 手を挙げてください そうですよね ほとんど全員ですね 海は最高ですから

では次に 今 手を挙げた人の中で 海底に行きたい理由は そこに沈む 「ドロ」が素晴らしいからで それに少しでも近づきたいから という人は手を挙げてください

(笑)

誰もいない この部屋で私だけですね

私はいつもそんなことを考えています 寝てる間を除いて ずっと 生命はどれだけ地下深くまで存在するのか それをどうやって見つけるかを 研究しています 地球上の生命には まだまだ根本的な 疑問があるからです

1980年代 英国の科学者の ジョン・パークスは 似たようなことを考えていました そして あるクレイジーな考えに至りました 広大で深く広がる「微生物の生命圏」が 海底よりさらに 数百メートルの「地下」に 広がっているという考えです 素晴らしいですが 唯一の問題は 誰も信じなかったということです その理由はおそらく 海底下の堆積層は地球上で もっとも退屈な場所だからでしょう

(笑)

光も酸素もなく おそらくこれが最悪で 文字通り何百万年も 食物の供給がないのですからね 生物学の博士号を持っていなくても 生物を探しに行くには 適さない場所だとわかりますね

(笑)

しかし2002年 スティーブン・ドントは 周囲の人々を口説いて ジョイデス・レゾリューションという 採掘船に乗って調査の旅に出ました 彼はデンマークのB・B・ヨルゲンセンと共に 計画を実行し ついに 純粋な海底下の堆積層のサンプルを 手に入れました 海底表面の微生物の混入のない 純粋なものです この船は 海底から さらに 何千メートルも下を採掘でき 海底の地盤から 一連の長いコアを取り出します コアはご覧のように 私たち科学者チームが運んでいる パイプの中に入っています 私たちは船上で そのコアを処理して 研究室に持ち帰り さらに詳しい研究をします

ドントが仲間と共に その貴重な海底そのままのサンプルを 顕微鏡で調べてみると このようなものが見えました これは正確には 博士課程のJ・ボンジョルノが 別の調査で 採掘したものです 背景のぼんやりしたものは 深海の泥です 緑の蛍光色に染まった点々が 実際の生きた微生物です

ここからは 微生物の 少々残念な話になります 顕微鏡で見ると すべて同じに見えるのです ざっくり言えばですが 本当におもしろい生物 ― たとえば ウランで呼吸するものや ロケット燃料を生み出すものが 手元にいるとしましょう それもみんな 泥に混ざった状態で 顕微鏡で眺めると ただの点にしか見えないのです 本当にがっかりしますよ 見た目では区別できないので 指紋で見分けるように DNAで 種類を識別することにしました

その方法を説明します これは本物のデータではありませんが それぞれの生物が互いにまったく 別の種であった場合を 表したものです それぞれの種ごとに DNA配列の要素として A G C T が並んでる状態です まったくバラバラなので それぞれの間に 何の関係もないことを示します 本物のDNAのデータだと 共通の遺伝子配列があり こんな感じになります 完全に近いぐらいに揃っています これほどたくさんの縦の列で ここはC ここはTと揃うことが 偶然 起こる可能性は極めて小さいものです つまり すべてに同じ祖先がいて つながりがあることを示しています

では何の DNA か見てみましょう 上の2列は 人間とチンパンジーです つながりがあるのはご存知のとおりですね

(笑)

しかし 私たちは たとえば マツの木や アウトドアで生水をのんだときに 胃腸炎を引き起こす寄生虫 ジアルディアとも つながりがあるのです さらには 大腸菌や 致命的な日和見菌である C・ディフィシル菌とも 私たちは仲間なのです もちろん 産業廃棄物を分解する デハロコッコイデスのような 良性の細菌とも つながっています このような DNA 解析をして すべての生物の類似性や違いをもとに おたがいの関係性がわかるように 系統樹をつくると このようになります 一目見て 人間やジアルディア ウサギやマツが すべて兄弟のようなものだとわかります 細菌は遠い親戚ですね つまり 私たち地球上の生物はすべて仲間なのです つまり 私は日々 サルトルの「実存的孤独」に対して 科学的な反証データを積み重ねています

私たちが初めて海底下の堆積層から DNAサンプルを手にしたときに 知りたかったことは それがどこに位置するかでした 私たちが最初に発見したのは エイリアンではないことでした そのDNAは 地球上の他の生物と 同様の配列なのですからね ではその微生物群は系統樹の どこにあてはまるのでしょうか まず気がつくのは たくさん種類がいることです 厳しい環境で生き延びた 単一の生物種ではなかったのです むしろ たくさんと言えるでしょう 次ですが お気付きでしょうか これまで知られている どの生物とも違うということです それぞれは互いに違う種の生物で これまでに知られているどの種とも違い その隔たりは たとえばヒトとマツの違いほどです ジョン・パークスは正しかったのです 彼と私たちは 80年代以前は誰も知らなかった まったく新しく多様性に富む 微生物の生態系を発見したのです

そして これからが本番です 次にやることは 培養皿で これらの未知の種を培養して 微生物学的にしかるべき実験に 進むわけです しかし どう頑張っても それらは繁殖しません 15年を経て何度も採掘航海を行った 今に至っても いまだかつて この海底下の微生物の培養に 成功した人はいないのです 試行が足りないのではありません 残念に思えますが これ自体 未知の何かを意味するので ワクワクすることだと思っています たとえば同僚たちと こんな良いアイデアを思いつきました レシピ本を読むように遺伝子を読んで それらに必要な栄養を特定して与えれば 繁殖するはずです しかし遺伝子から導き出された餌は すでに 私たちが与えた餌そのものだったので これは完全に失敗でした 培養皿の上で必要なものは 与えられていない 何か別のものなのです

その後 世界中からさまざまな データを集め USC の研究者である ダグ・ラロウと ヤン・アメンドは ある量を推定することができました 微生物の細胞1つが 1日に必要とするエネルギーは たったの1ゼプトワットだということです スマホを出して調べる前に言うと ゼプトというのは 10のマイナス21乗です 人間には 1日に100ワットのエネルギーが必要です 100ワットというのは パイナップルを 腰くらいの高さから地面に 881,632回 落とすことに相当します それをタービンにつないで 取り出せるエネルギーが 人間の1日の消費カロリーです この表現で ゼプトワットを表しましょう 一粒の塩があるとします そして その1000分の1くらいの とても小さな粒を 想像してみてください それを 1ナノメートル落とします 1ナノメートルは 目に見える光の波長の100分の1です それを1日1回です それだけで この微生物たちは 生きていけるのです 生命を維持するのに必要なエネルギーとして 想定されていたよりもずっと小さなエネルギーです しかしどういうわけか 驚くべきことに 見事に それで十分なのです

もし地中の微生物にとっての エネルギーのレベルが 想定外のものであれば 「時間」のレベルも 想定外になるはずです わずかなエネルギー勾配で生きる生物に 急速な成長は 無理でしょう もしそれらが人間の喉に寄生しようとしても 細胞分裂さえできず 急速に増殖するレンサ球菌によって 滅ぼされてしまうでしょう したがって人間の喉には そういう微生物がいないということです おそらく海底下が退屈な場所であることは 微生物にとっては 強みであるでしょう 嵐に流されることはないし 海藻に栄養を奪われることもない そこにいるだけで いいのですから おそらく培養皿の上に なかったものは 栄養分ではなく 物質でさえないかもしれません 本当に必要なのは 「時間」なのかもしれません でも 時間を与えることは不可能でしょうね もし 培養皿を学生らに引き継いで 彼らがまた 次の世代に引き継いでいったとしても 何千年もかけなければなりません 海底下の環境を正確に再現し 不純物の繁殖を防ぐ必要があり 実施は不可能です でも ある意味 私たちは 培養に成功していたのかもしれません 食料を与えられて こう言ったのかもしれません 「ありがとう 急いで新しい細胞を作るよ 100年後に」

(笑)

では逆に なぜその他の生物は「速い」のでしょうか? なぜ細胞は1日で死に 人間は100年しか生きられないのでしょうか 宇宙の時間を考えると 不自然なくらい短いと思いませんか? でもこれは不自然ではないのです この寿命はあるものによって決まるのです それは太陽です ひとたび 生命が 光合成で 太陽エネルギーを利用し始めると 生命はすべて 昼と夜のサイクルに 合わせたものとなります こうして太陽が 急ぐ理由とエネルギー源を 生命に与えました 地球上の生物を 循環器系として見れば 太陽は心臓にあたります

でも海底下は違います 完全に太陽からは 切り離された循環器系です 非常にゆっくりした 地質学のリズムによって動いているのです 現時点では理論上 細胞に寿命はありません ほんの少しでもエネルギー勾配があれば 理論上1つの細胞は 10万年以上 生きることができます 何年もかけて 壊れた部品を 交換していけばよいのですから そういう生き方をする微生物に 培養皿で繁殖しろと望むのは 忙しい太陽のリズムにあわせて 生きろということです もっと他にしたいことが あるかもしれないのに

(笑)

もしそのライフサイクルを 解明できたらと想像してみてください もしその過程に 生物医学や産業的に応用できる きわめて持続性のある化合物が含まれていたら もしそのきわめて遅い成長のメカニズムを 解明できたら それを がん細胞の増殖を遅らせるのに 使えるかもしれません わかりませんけどね 正直 すべて憶測ですが ひとつ確実なのは 世界中の海底の下には 100の10億倍の10億倍の10億倍個もの 微生物の細胞が生息しているということです その総量を重さで測れば 地球上の人類の重さの200倍になります そしてこれらの微生物が扱う 時間とエネルギーは 根本的に 私たちとは違うのです 微生物にとっての1日は 私たちにとっての1000年かもしれません 太陽は関係ありません 成長を急ぐこともありません 私の培養皿なんて 気にもしてないでしょう

(笑)

でも 研究の手法を創造的に探し続けることで いつか生命の謎を すべての生命の謎を 解明できるかもしれません

ありがとうございました

(拍手)

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品詞分類

  • 主語
  • 動詞
  • 助動詞
  • 準動詞
  • 関係詞等

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