たった一日で、2匹のホリネズミが火山を変えた

その影響は数十年にわたって続きます。

1980年5月18日、米国ワシントン州のセントヘレンズ山が突然噴火し、150万トンの二酸化硫黄と5億4000万トンの火山灰を噴き出し、米国史上最も破壊的な火山噴火の一つとなった。

セントヘレンズ山 (画像提供: Lyn Topinka、パブリック ドメイン、Wikimedia Commons 経由)

高温により火口から10キロ以内の植生が直接破壊された。さらに遠くでは、巨大な衝撃波が地球を襲い、広大な森林を地面までなぎ倒しました。軽石と灰は火口から数百キロメートルにわたって広がり、カスケード山脈の350平方キロメートル以上の針葉樹林と山岳生息地を破壊した。

この火山噴火の破壊力は地表だけにとどまらず、地下の生態系にも甚大な影響を及ぼしています。もともと活発だった土壌微生物は、熱い火山灰によってほぼ完全に死滅しました。同時に、火山灰は土壌をより酸性化し、地下の生態機能に深刻なダメージを与え、さらに植生の成長を阻害しました。噴火から2年が経過したが、土地は依然として不毛で、生命の気配はほとんど見られない。鳥が時々植物の種子を運んでくることもありますが、この不毛の土壌では種子が育つのは非常に難しく、散在する植物しか見られません。

ユタ州立大学の科学者マイケル・F・アレン氏とジェームズ・A・マクマホン氏は、表土は破壊されたが、生きた細菌や菌類が土壌の深層部にまだ保存されている可能性があり、それが植生回復を促進する希望を与える可能性があるという仮説を立てた。しかし、菌類の生殖体が厚い火山灰の下に長い間埋もれたままになると、菌類も死んでしまう可能性があります。では、この土地が完全に消滅する前に、どうすればこの土地を救うことができるのでしょうか?

アレン氏とマクマホン氏は大胆なアイデアを思いついた。土壌の奥深くに残っている細菌や菌類を地表まで「掘り出す」ことができれば、土地の生態系回復プロセスを再開できるのではないか？そこで彼らは、穴を掘る能力があることで知られる動物、ホリネズミ（Thomomys talpoides）に注目した。この小型のホリネズミは北アメリカ原産で、長い茶色の毛で覆われています。ホリネズミ1匹あたり、1か月あたり最大227kgの土壌を緩めると言われています。

キタホリネズミ (写真提供: Henggang Cui、CC0、Wikimedia Commons 経由)

この仮説を検証するために、研究者らは火山灰に覆われた特定の地域にホリネズミを数匹置き、1日だけ放置した。最近「Frontiers in Microbiomes」誌に発表された論文で、研究者らは実験の長期的な影響を評価した。予想外にも、この一日の実験は、何十年にもわたって土地に広範囲にわたる影響を及ぼしました。

北方ホリネズミの力

1982年9月と1983年8月、アレン氏とマクマホン氏はセントヘレンズ山の北にある軽石平原に足を踏み入れました。スピリット湖の上に位置し、20メートル以上の火山灰に覆われたこの地域は不毛で生命がなく、太平洋ルピナス（Lupinus lepidus）が数本散在しているだけである。

軽石平原と噴火で跡形もなくなってしまった別の地域で、アレン氏とマクマホン氏は1平方メートルの金網フェンスを設置し、それぞれに太平洋ルピナスの植物を囲い、地元で捕獲した北方ホリネズミを放した。 2 匹のホリネズミは囲いの中に 24 時間だけいて、その間は自由に動き回っていたが、その後、取り出された。驚いたことに、しばらくすると、フェンス内のパシフィック ルピナスの植物はアーバスキュラー菌根（AM）を発達させましたが、フェンスの外側の植物には同様の変化は見られませんでした。

菌根は植物の根と菌類の間に形成される共生構造であり、植生の回復に不可欠です。ほとんどの植物は、必要な栄養素と水分をすべて自力で効率的に得ることができないため、これらの小さいながらも強力な菌類のパートナーに頼っています。直径わずか数マイクロメートルの菌糸が土壌中に広大なネットワークを形成し、その巨大な表面積を利用して環境から水分と栄養素を吸収し、植物に届けます。同時に、これらの共生生物は土壌中の病原体から植物を守るのにも役立ちます。その代わりに、植物は菌類に成長に必要な炭素を含む有機物を提供します。

囲いの中のホリネズミ（画像出典：原論文）

実験終了から6年後、アレン氏とマクマホン氏は、北部ホリネズミが放された区画が、放されなかった区画とはまったく異なる様相を呈していることを発見した。かつてホリネズミが短期間訪れた土地は、現在では約 40,000 本の植物で青々と覆われ、在来のホリネズミの個体群を惹きつけ、回復させています。一方、北部ホリネズミが配置されなかった地域は荒廃したままとなっている。

ホリネズミが生態系の回復にこれほど大きな影響を与えることができる主な理由は、その穴掘りと土を掘り返す行動にあります。これらの活動を通じて、深層の土壌と表層の火山灰を徹底的に混ぜ合わせ、土壌生態系に欠かせない菌類、種子、昆虫を表層に浮かび上がらせます。さらに、ホリネズミの糞には菌類や菌類の胞子、植物の種子も含まれており、その排泄行動は土地に活力をもたらします。

それだけでなく、火山灰の粒子は大きく、深層土と混合して形成される土壌混合物は通気性がよく、植物の生育に非常に適しています。このため、このタイプの土壌で育った植物は、より健康で青々と茂る傾向があります。これはアレン氏らの観察によっても確認された。対照的に、北方ホリネズミが訪れない土壌で育つ植物は、しばしば枯れて黄色く変色していた。

しかし、アレン氏のチームにとって最も意外だったのは、北方ホリネズミのわずか24時間の活動の影響が最初の数年間だけに限られなかったことだ。これらの変化はこの土地の生態環境に永続的な影響を及ぼし、今日まで続いています。

永続的な影響

2014 年 7 月、アレン氏とマクマホン氏は再びこの馴染み深い土地に足を踏み入れ、軽石平原の実験地域と非実験地域で土壌のサンプルを採取しました。比較のために、彼らは軽石平原からそれほど遠くない「ベア・メドウ」と呼ばれる地域にも行きました。この地域も 1980 年に厚い火山灰に覆われましたが、歴史的な理由により、2 つのまったく異なる景観が見られます。一方は長い間伐採によって草原に変わり、もう一方には古代の森林が残っています。研究者たちは両方の地域から土壌サンプルを採取し、軽石平原からのサンプルとともに研究室に送り返して、その化学組成と微生物組成を分析した。

化学組成分析では、土壌中の炭素と窒素の含有量に焦点が当てられました。これらの指標は土壌中の微生物含有量に関連しています。微生物はアンモニアを有機窒素に変換し、土壌に固定することができるからです。結果によると、軽石平原地域の土壌の炭素と窒素の含有量は、ベア・メドウの森林地帯よりも全体的に低いことが分かりました。しかし、軽石平原内では、ホリネズミを配置した実験区域の土壌中の炭素と窒素のレベルは、ホリネズミを配置しなかった通常の区域よりも有意に高かった。これは、40年前にたった24時間だけ滞在したホリネズミがこの土地に、より永続的な生命力を注入したことを意味します。

セントヘレンズ山とその周辺地域の地図。軽石平原、スピリット湖、ベアメドウの位置を示しています (画像出典: 原文)

土壌中の微生物のDNA分析の結果、かつてホリネズミが放された実験区とホリネズミが放たれなかった通常の区では、土壌中の微生物群集の構成に大きな違いがあることが分かりました。実験地域の細菌と真菌の多様性は、クマ牧場の森林地域のそれを上回っていました。特に実験区では、アーバスキュラー菌根の多様性が大幅に増加しました。この結果は、ホリネズミが土壌の化学組成を変えるだけでなく、微生物群集の長期的な継承においても重要な役割を果たしていることを示唆している。

この研究は、生態系の回復における微生物の重要性を改めて確認するものでもある。 1980 年の噴火以前、ベアメドウズの森林地帯は主にマツ、トウヒ、モミの針葉樹林で覆われていました。火山灰のせいで大量の針葉樹が落ちてしまい、科学者たちはかつて森林が完全に消滅してしまうのではないかと心配した。しかし驚くべきことに、森林地帯は極めて早く回復し、一部の地域では災害後すぐに木々が生育し始めた一方、伐採された地域は不毛のままだった。研究者たちは、この違いは、土壌中の菌類の餌となり、樹木の再生を早める落ちた針葉と密接に関係していると考えている。

この研究は、自然界のあらゆるものが密接につながっていることを私たちに思い出させます。肉眼で見える植物や動物、あるいは直接知覚できないほど小さな微生物であっても、それらは生態系の回復にとって重要な力となる可能性があります。

参考文献

[1]https://www.frontiersin.org/journals/microbiomes/articles/10.3389/frmbi.2024.1399416/full

[2]https://www.tandfonline.com/doi/epdf/10.1080/00275514.1988.12025615

[3]https://www.universityofcalifornia.edu/news/how-gophers-brought-mount-st-helens-back-life-one-day

[4]https://link.springer.com/chapter/10.1007/0-387-28150-9_15

企画・制作

出典: グローバルサイエンス (ID: huanqiukexue)

著者: 黄玉佳

編集者：イヌオ

校正：Xu Lai、Lin Lin