マイアミ大学ローゼンスティール海洋・大気・地球科学部の新たな研究は、魚の内臓に生息する微生物が海洋化学と地球規模の炭素循環の再構築において予想外に重要な役割を果たしている可能性があることを示した。研究チームは、これらの細菌が宿主の魚と協力して炭酸カルシウム鉱物を生成し、それによって海洋の重要な炭素吸収経路を構成している可能性があることを発見し、「このプロセスは魚自身の生理機能によってのみ引き起こされる」という従来の理解に疑問を投げかけた。
同校の元大学院生であるアンソニー・ボナコルタ氏が主導したこの研究は、魚の腸内の細菌と宿主がどのように連携して重要なミネラルである炭酸カルシウムを生成するかに焦点を当てた。炭酸カルシウムは、海洋の酸塩基平衡などの化学プロセスに深く関与しているだけでなく、海洋環境における炭素貯蔵の重要な形態とみなされており、地球の気候に長期的な影響を及ぼします。
通常、硬骨魚（エイヒレ魚）は体液の浸透圧バランスを維持するために海水を飲み続けます。この過程で、彼らの腸は過剰なカルシウムと炭酸イオンを積極的に除去し、イクチオ炭酸塩と呼ばれる固体の炭酸カルシウム粒子の形で排泄します。長い間、科学界は一般に、魚由来の炭酸塩は完全に魚自体の生理学的調節活性によって動かされていると信じてきました。この研究は、新たに発見された腸内微生物の関与が、このプロセスにおける重要な「隠れたつながり」を構成する可能性があることを提案しています。
この論文の主著者の一人で、メイタグ魚類学の教授で同校海洋生物学・生態学部長のマーティン・グローセル氏は、この研究が魚類生物学、さらには地球規模の海洋栄養循環における魚の腸内微生物叢の役割を再検討する必要性を促していると指摘した。以前は「純粋に魚自体によって完了する」と考えられていたミネラル形成プロセスは、現在では魚とその腸内微生物との密接な共生の結果である可能性が高まっている、と同氏は述べた。
微生物の考えられる機能を探るため、研究チームはメキシコ湾のヒキガエル（学名 Opsanus beta）を実験対象として使用し、さまざまな塩分条件下での魚由来の炭酸塩の生成を体系的に調べました。実験では、魚を塩分濃度の低い汽水（9 パーセント）、普通の海水（35 パーセント）、塩分濃度の高い超塩水（60 パーセント）の 3 つの環境にさらしました。これまでの研究では、環境の塩分濃度が増加すると、魚は通常の浸透圧調節中に魚由来の炭酸塩の排泄が増加することが示されています。
この実験の結果は、低塩分環境ではヒキガエルは魚由来の炭酸塩をほとんど生成しないが、通常の海水条件下では明らかな炭酸塩粒子の放出が観察され、この生成量は高塩分環境ではさらに増加することを示している。研究者らは、腸のさまざまな部分、魚由来の炭酸塩粒子そのもの、魚の周囲の水など、さまざまな場所からサンプルを収集し、微生物群集とその遺伝子発現を分析した。研究チームは、ゲノム配列決定を通じてサンプル中の微生物種を特定し、遺伝子発現解析と組み合わせて、これらの微生物の潜在的な代謝経路と機能的特徴を推測しました。
分析の結果、ビブリオ微生物、特に Photobacterium damselae subsp. が存在することが示されました。 damselae は魚の腸や魚由来の炭酸塩粒子に豊富に存在していました。遺伝子機能分析により、これらの細菌は炭酸カルシウムの沈殿に関連する特徴と代謝経路を有しており、単に腸内環境に受動的に生息しているのではなく、ミネラルの形成に直接関与している可能性があることが示唆されました。これに基づいて、研究チームは、魚とその腸内微生物が相乗的な相互作用を通じて魚由来の炭酸塩の生産を共同で促進する可能性が高いと結論付けました。
グロッセル氏は、地球上の生命体の大多数は微生物に属しており、微生物は栄養循環を推進し、生態系機能をサポートし、共生的な形で生命多様性の新たな側面を明らかにし続けていることを強調した。共生現象は海洋環境で特に豊富であり、炭酸カルシウムの形成におけるヒキガエルとビブリオ菌の間の潜在的な共生関係は、この状況に新たな代表的な事例を追加します。
研究者らは、この発見は海洋生態系が海洋化学と海洋の炭素循環にどのような影響を与えるかについて新たな洞察を提供すると指摘している。追跡調査によってこのメカニズムがさらに確認できれば、魚に生息する多数の微生物がより大規模な炭素貯蔵プロセスと海洋全体の健全性への影響に関与している可能性があり、その役割はこれまでの理解をはるかに超えていることを意味する。