ありふれた元素とありふれた細菌から生まれた新発見

ケイ素は地球上で二番目に多い、とてもありふれた元素で、自然界では主に鉱物として存在しています。また、半導体やガラスの材料、乾燥剤のシリカゲルなどとして我々の生活にも広く利用されています。一方、自然界に多く存在する元素でありながら、生きるためにケイ素を活用する生物はそう多くはありません。とくに知られているのは単細胞の藻類である珪藻で、ケイ素を細胞内に取り込んで、複雑な構造のシリカ（ケイ素の酸化物）の殻を作って身を守っています。身近なところでは、稲も根から多量のケイ素を取り込み、やはりシリカとして茎や葉などに蓄積して物理的な強度を高めています。これらはいずれも真核生物（細胞核をもつ生物）に属し、古くから注目されて研究が進んでいましたが、その一方でずっと見逃されてきたものもあったようです。

より原始的な細菌などの原核生物（細胞核をもたない生物）でも、ケイ素を利用して生きているものがいるのではないか――そう興味を持って調べてみたところ、納豆菌に近縁な、やはりありふれた土壌細菌がケイ素を利用していることがわかりました。当初は「これは例外的な存在だろう」「とても珍しい性質なのでは」と思っていましたが、その後、私たち以外の研究グループからも似たような報告が上がり、意外に多くの細菌がケイ素を利用して生きているということが明らかになりつつあります。今では「わりと簡単に見つかるのに、なぜこれまで気づかれなかったのだろうか」と不思議に思うほどですが、未発見の事実がまだ数多く眠っているということに、研究の醍醐味を感じています。

細菌のシリカ画像（電子顕微鏡写真）

こうした発見を経て、今は「海洋酸性化がもたらすケイ素循環の破綻への対策」という新たな研究テーマに取り組んでいます。これまでは土壌中の細菌を対象として研究を進めてきましたが、2023年度の戦略的創造研究推進事業（さきがけ）への申請をきっかけに、ケイ素と細菌の研究を海洋へと展開することになりました。

ケイ素の循環モデルをアップデートし、海洋のさらなる理解を

珪藻は海洋における重要な一次生産者（二酸化炭素から有機物を生産する生物）で、地球上のCO₂固定の約20％を担っているといわれています。海水に含まれるケイ酸（水に溶けているケイ素）を利用してシリカの殻を作ります。シリカは水よりも重いため、珪藻やその遺骸は、徐々に深層へと沈降します。珪藻のシリカの大半は溶解して再びケイ酸へと戻りますが、一部は海底へと沈んでいきます。このときに有機物も一緒に沈んでいくため、珪藻が形成するシリカの沈降は、炭素を海洋深層へと引き込む「生物ポンプ」の機能を果たしています。しかし、大気中CO₂濃度の上昇に伴う海洋酸性化が進むと、このシリカの沈降と溶解のバランスが崩れ、海洋中のケイ素の循環に影響を及ぼすという予想が最近報告されました。ケイ素循環のバランスが崩れると珪藻の生育にも大きな影響がもたらされることになり、最悪のシナリオでは、西暦2200年までに地球上の珪藻の4分の1がいなくなってしまうという予想もあります。そうなれば当然、炭素の循環にも大きな変化が生じることでしょう。

しかし、この予想で考慮されていない要素として、ケイ素を利用する細菌の存在があります。これまで海洋におけるケイ素循環の主役は珪藻だと考えられていましたが、海洋中にもケイ素を利用する細菌がいることが近年発見されました。海洋酸性化が海洋中のケイ素循環に及ぼす影響を正確に把握するためには、ケイ素を利用する細菌という「新たな役者」の存在を無視することはできません。原核生物も含めた形でケイ素循環のモデルをアップデートしていく必要があります。海洋中の細菌がケイ素循環に与える影響を正確に把握したうえで、健全なケイ素循環ならびに健全な炭素循環を維持するために必要な対策を講じていこうと研究を進めています。近年は河川へのダム建設の影響で、陸から海へと供給されるケイ酸量が減少しているともいわれていますが、細菌の力を利用して、鉱物からケイ素を積極的に溶出させる技術を開発できないかということも考えています。これができれば、海洋のケイ素循環のバランスを維持することもできるかもしれません。

異分野の研究者との交流から生まれる新たな気づきに期待

あまり長期的な課題を設定するタイプではありませんが、地球温暖化をはじめとするさまざまな環境問題を先送りせず、少しでもよい形で次世代にバトンを渡していきたいという思いがあります。「さきがけ」に採択されたのも、2023年に新たに発足した研究領域（海洋バイオスフィア・気候の相互作用解明と炭素循環操舵）の目標と、これまで10年以上に渡ってケイ素と細菌について考えてきたことが、うまくつながったからではないかと思っています。

私の専門は主に応用微生物学やバイオテクノロジーと呼ばれる領域で、ケイ素と出合ったのは学位取得後に広島大学の研究員として半導体分野との融合研究を行うことになってからでした（ケイ素は半導体の主要な材料）。農学系の大学院出身の自分が、そのときに初めて工学系の研究者と協働することになり、異分野と連携する際の難しさや面白さを知りました。研究の文化や考え方も大きく異なり、コミュニケーションひとつとっても苦労することがありました。しかしだからこそ、新しい発想も生まれるのだと身をもって体験することができました。

今回「さきがけ」の同じ研究領域に採択された研究者は私にとって異分野の方も多く、意見交換したり連携したりすることで、新たな気づきにつながることもあるのではないかと期待しています。新たな分野に挑戦するためには学ばなければならないことも多く、大変ではありますが、積極的に交流しながら研究を進めていきたいと思っています。