注目すべき海洋珪藻類！科学者らが珪藻類における光エネルギー利用の新たなメカニズムを発見

制作：中国科学普及協会

著者: 周陸高山 (中国科学院海洋研究所)

プロデューサー: 中国科学博覧会

食物連鎖について言えば、ほとんどの人の頭に「大きな魚は小さな魚を食べ、小さな魚はエビを食べる」という言葉が自動的に思い浮かぶでしょう。しかし、皆さんはこんなことを考えたことがありますか。小魚はエビを食べますが、エビは何を食べるのでしょうか?

海の様々な魚

（写真提供：Veer Gallery）

実は、海の中にはエビよりも小さく、肉眼でも見えない「先住民」、つまりさまざまな微生物がたくさんいるのです。エビは濾過摂食（飲料水と同様）によってそれらを食べます。しかし、海洋食物連鎖の底辺にいる微生物、特に植物プランクトンこそが、その小さな体で常に海洋生態系全体を支え、生産者の役割を担っているのです。

海中の珪藻類と渦鞭毛藻類は、疲れを知らないユニークな競争相手です。これらは海洋動物の食料源となり、不可欠かつ重要な存在です。しかし、人間の活動は赤潮、特に渦鞭毛藻類による赤潮の主な要因でもあり、養殖生産に大きな損害を与えることが多い。そのため、有毒な赤潮をいかにして排除するかが頭の痛い問題となっている。

諺にあるように、自分と敵を知れば百戦錬磨の勝利が確実です。有毒な赤潮を効果的に排除したいのであれば、まずこれらの自然の競争相手について深く理解する必要があります。

致死性の渦鞭毛藻 - 埋葬品を作るもの

毎年夏になると、携帯電話の電源を入れてさまざまなソーシャルプラットフォームで「サーフィン」すると、「青い涙」や「蛍光の海」に関するさまざまなニュースレポートや長短のビデオが目に入ります。 「青い涙」や「蛍光の海」も、その「美しさ」で多くの観光客を魅了し、写真を撮ったり鑑賞したりしています。この光景を引き起こす微生物、Noctiluca scintillans も渦鞭毛藻類です。夜光虫は蛍光色素を多く含んでいるため、刺激を受けると光り輝き、「青い涙」や「蛍光の海」など、おとぎの国のような幻想的な効果を生み出します。

「青い涙」

（写真提供：Veer Gallery）

「青い涙」

（写真提供：Veer Gallery）

しかし、この華やかな外見に惑わされないでください。渦鞭毛藻類による赤潮の発生は、多くの場合、大量の毒素の生成を伴うからです。渦鞭毛藻類は魚の幼生の餌として利用できますが、一部の渦鞭毛藻類はさまざまな毒素を生成する可能性があります。

例えば、シガテラ毒素は渦鞭毛藻類が産生するポリエーテル毒素の代表例です。シガテラ毒素は、電位依存性Na+チャネルの作動薬として、細胞膜のNa+透過性を高め、強い脱分極を引き起こし、神経筋興奮伝導に変化を引き起こし、それによって魚類の神経麻痺、代謝障害、呼吸障害を引き起こし、最終的には魚類の大量死につながります。

赤潮が発生しやすい地域では、渦鞭毛藻類の死後に放出される藻類毒素が水中の魚介類に大きな害を及ぼし、魚介類が渦鞭毛藻類の犠牲となり、漁業部門に多大な経済的損失をもたらす可能性があります。

砕ける波は「赤潮」の兆候を示している

（写真提供：Veer Gallery）

渦鞭毛藻類赤潮による被害は深刻ですが、どのように制御すればよいのでしょうか？

化学藻類駆除剤は一般に漁業での散布に使用されます。しかし、薬の投与量や副作用を制御することは困難です。さらに、有毒な赤潮を無毒な赤潮に変化させることを促進するという、もう一つの自然な制御方法があります。

研究を通じて、科学者は、N/P が赤潮発生時の水体の栄養状態を示すことができ、N または P による藻類の制限の重要な指標であることを発見しました。さまざまな藻類の成長に必要な N/P は異なり、特定のものである可能性があり、各栄養元素の制限状態によって、通常、藻類間の競争の結果が決まります。したがって、水体のN/P比を調節することで、無害な競争相手、特に珪藻類がこの植物プランクトンの爆発戦争で主導権を握るのを助けることができます。

普遍的な珪藻類 - 海洋退化の王者

珪藻類には宝物がいっぱいです。

生きている珪藻類は、特に三角形の茶色の指状藻類、小さな三日月形の藻類などの貝類の幼生は、栄養が豊富でバランスが取れており、コストが低く、消化が容易で、水を浄化する能力があるなどの利点があり、養殖餌として重要です。同時に、珪藻類は油分が豊富で、バイオディーゼルを生産するための主力原料生物です。さらに、珪藻にはフコキサンチン、昆布多糖類、長鎖多価不飽和脂肪酸のエイコサペンタエン酸（EPA）、ドコサヘキサエン酸（DHA）など、人間の健康に有益な多くの生理活性物質が蓄積されており、その多くは医薬品や健康食品の製造に使用されています。珪藻類は独特のシリカ殻を持っているため、標的治療用の薬剤キャリアの製造にも科学者に好まれています。

生きている珪藻には多くの機能があり、死んだ珪藻も重要な役割を果たしています。珪藻は死んだ後も、沖合石油の原料や探査マーカーとして使われます。さらに、その細胞壁は、日常的に購入できる実用的な珪藻土吸収パッドなどの珪藻土製品にもなります。珪藻類は静止した状態でも、その独特の美しく豊かな外観を芸術家によって捉えられています。つまり、珪藻は伝説上の「容姿端麗で働き者の他家の子供たち」に過ぎないのです。

珪藻類は単に「巻き付いている」だけではなく、非常に「個性的」でもあります。私たちがよく知る緑色植物とは異なり、珪藻類の進化の道は常に海中にあったため、二次共生という独特の進化の道をたどってきました。

このユニークな進化の系統は、2 回の生物の取り込みから生じました。一般的には、真核生物が初めて原核生物を取り込んだときに、細胞内で自律的に複製できる葉緑体やミトコンドリアなどの膜小器官が生まれたと考えられています。二次貪食作用の影響により、珪藻類の葉緑体膜は二重、つまり4層になっています。

珪藻類の葉緑体は非常にユニークですが、その極めて強力な光合成能力には影響しません。珪藻は、数千メートルの暗い海底から輝く海面まで分布しています。珪藻は弱い光でも非常に強い光でも、それを非常に効果的に利用することができます。これは、珪藻類を「海の王様」たらしめる中核的な競争優位性の 1 つです。珪藻類は強力な光合成能力を持ち、世界の一次生産力の 20% 以上を担っています。

上昇するもの、下降するもの：植物プランクトンの季節的変化

春には体を伸ばし、冬には眠り、私たちが地球上の四季の素晴らしい変化に適応し楽しんでいるように、これらの古代の微生物もまた季節の変化を経験しています。

珪藻類は「海の王様」として、外部環境条件が適切である限り、海域を支配する傾向があります。そのため、春先に海氷が溶けると、珪藻は最初に起きて働く「模範的な労働者」、つまり先駆的な藻類種となります。夏は渦鞭毛藻類の大規模な発生が主に起こる時期ですが、珪藻類はすでに「昼寝」を始めており、冬になると「巣」（南極の堆積物）に戻るまで減少します。

一年を通じて、珪藻類の季節的な交互発生はこのような傾向を示していますが、「巻き上がった」渦鞭毛藻が春に頻繁に発生する可能性も否定できません。しかし、渦鞭毛藻の増加は「巨人の肩」、つまり珪藻類の爆発的な増加と切り離せない。言い換えれば、珪藻類の先駆的地位は、常に揺るがすことが困難であった。

時は流れ、星は動きますが、珪藻類と渦鞭毛藻類の季節ごとの交互発生は変わりません。科学者たちは、温度、栄養、風などの要因を用いて、なぜ渦鞭毛藻類が目立つようになり、珪藻類が減少しているのかを説明してきた。しかし、科学者たちは珪藻類の先駆的発生を明らかにする重要な手がかりをまだ見つけていない。こうなると、私たちは疑問に思う。見落とされている手がかりは他にもあるのだろうか？それとも、これらの断片的な手がかりを統合する必要があるのでしょうか?

無視されたKPI - WoLight

これらの問題を解決するために、植物科学者、特に作物の耐性と収穫量の向上に取り組んでいる研究者は、見過ごされてきた外部環境要因である変動する光に徐々に注目するようになりました。

自然界では光は一定ではありません。葉の覆いや雲の動きなどの要因により、太陽光の強度が 100% から 10% に低下する可能性があります。したがって、光合成生物は常に変動する光の脅威に直面しています。このストレスに対処するために、彼らは複数の反応メカニズムを進化させなければなりません。

実は、海洋における波光環境はさらに厳しいのです。波、乱流、内部波などの影響により、植物プランクトンは常に激しい垂直方向の動きにさらされています。そのため、海藻は飽和太陽光から薄暗い環境までの変動に頻繁にさらされ、海域によっては、飽和太陽光の強度が半メートルの深さ内で 100% から 1% に変化することさえあります。陸地、湖沼、河川と比較すると、海洋の光環境はより変化に富み複雑であり、海洋光合成生物にとって大きな課題となっていることがわかります。

科学者たちは、包括的な海洋監視データに基づいて、さまざまな強度の光レベルの変動をシミュレートしました。一般的な赤潮珪藻を比較した結果、変動する光の下では珪藻の方が渦鞭毛藻よりも効率的な光合成能力を持ち、成長が速いことがわかった。これはまた、変動する光に適応しそれを活用するという性能指標の点でも、珪藻類が渦鞭毛藻類より「完全に優れている」ことを示しています。

では、珪藻類はどのようにして敵を打ち負かし、変動する光に抵抗する強力な能力を持っているのでしょうか?科学者たちは、遺伝子編集、光合成電子伝達アッセイ、阻害剤、顕微鏡観察、細胞染色、トランスクリプトミクスとメタボロミクス、同位体標識代謝フラックス分析など、一連の方法（つまり、珪藻に匹敵するほど努力すること）を通じて、珪藻では、重要な光合成ストレス耐性タンパク質のペアであるPGR5/PGRL1が重要な役割を果たしていることを発見し、変動する弱い光と強い光の状況下で異なる対処戦略を採用する珪藻の賢さに驚嘆しました。海でのみ発生する急激な光変動条件下では、PGR5タンパク質が顕著に反応し、珪藻類の光合成が調整され、光合成酸素放出能力が強化され、より多くの油を蓄積し、競争力をさらに向上させることができます。

結論

珪藻類は、変動する光や強度に応じて異なる対処戦略を採用するという点で賢く、一方、人間は水域の窒素/リン比を調整することで渦鞭毛藻類による赤潮を抑制するという点で賢明です。人類は科学技術の助けを借りて、自然を理解し続け、合理的な範囲内で自然を変え続けています。将来、私たちは自然とより密接につながるようになると信じています。

編集者: Ying Yike

参考文献:

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【3】Zhou L, Wu SC, Gu WH, Wang LJ, Wang J, Gao S, Wang GC.激しく変動する光条件下での光合成順応により、珪藻類は渦鞭毛藻類に比べてより速く成長することができる[J]。 BMC植物生物学、2021年、21：164。

【4】Zhou L, Gao S, Yang W, Wu S, Huan L, Xie X, Wang X, Lin S, Wang G (2022) 光変動に対する珪藻類の可塑性のトランスクリプトミクスと代謝シグネチャー。植物生理学。