大型放射光施設 SPring-8

公開日

2024年10月03日

2024年10月3日
理化学研究所
東京科学大学
高知大学

背景
　光が届かない深海には、巨大な構造物である深海熱水噴出孔がそびえ立っています。この煙突状の構造物は、さまざまな金属イオンを含む熱水を冷たい海水に向けて放出し続け、その過程で徐々に成長し、時にはその高さが60mにも達することがあります。そして熱水噴出孔には、地表とは異なる独自の生命圏が形成されています。
　近年、この構造物は地球だけにとどまらず、土星の衛星エンケラドス^[3]など、氷に覆われた天体でも発見されています。また、熱水噴出孔は、生命が誕生する以前の太古地球にも存在していたため、研究者たちは、これらの熱水噴出孔が、地球上で最初の生命が誕生するための「天然の化学合成装置」として重要な役割を果たしていた可能性があると考えています。
　これまで中村チームリーダーらは、最先端の材料化学の知見を用いて、熱水噴出孔の解析に取り組んできました。2010年から現在に至るまで、黒煙を噴出するブラックスモーカー型熱水噴出孔の解析に取り組み、この噴出孔が燃料電池^[4]のように発電し、その電気を使って二酸化炭素から有機分子が生成されることを明らかにしました^注1）。
　今回、国際共同研究グループは、もう一つのタイプであるホワイトスモーカー型熱水噴出孔の解析に取り掛かりました。400℃近い高温の熱水を放出するブラックスモーカー型とは異なり、ホワイトスモーカー型は90℃程度の温和なアルカリ性の熱水を噴出します。そして、マグネシウムやシリコンなどの金属水酸化物が主成分となり、細孔をたくさん持つ多孔質状の構造を作り出します。この特異な構造と環境が生命起源に関する重要な手掛かりを提供する可能性があると考えられています。そのため、国際共同研究グループは、深海マリアナ海溝より採取されたホワイトスモーカー型サンプルに対して、実験室における物性評価と併せて、大型放射光施設「SPring-8」^[5]において詳細なナノレベルでの構造解析を行いました。

注）2022年12月8日クローズアップ科学道「深海の発電現象から探る無機物と生命の接点」
https://www.riken.jp/pr/closeup/2022/20221208_1/

研究手法と成果
　国際共同研究グループは、地球上で最も深い海溝の一つであるマリアナ海溝の北西側斜面、水深約5,700mに位置する「しんかいシープフィールド」から採取された熱水噴出孔サンプルを研究対象にしました。ここでは、カンラン石^[6]と水が反応することでできたアルカリ性の熱水により、板状の形を持つブルーサイト^[7]と呼ばれる鉱物を主成分としたホワイトスモーカー型の熱水噴出孔が作り出されています（図1a）。
　採取したサンプルについて顕微鏡を用いた観察を行ったところ、大きさが100ナノメートル（nm、1nmは10億分の1メートル）程度の小さな板状の結晶が集合することで分厚い膜を作り、熱水と海水の通り道を作り出していることが分かりました（図1b）。そして、この膜には、周期的なしま模様が刻まれ、これが何層にも重なることで200～400マイクロメートル（μm、1μmは100万分の1メートル）の厚さに成長していました（図1c、d、e）。

　次に、鉱物から出来上がった膜の構造を詳しく調べるために、放射光X線回折実験^[8]を行いました。試料の複数の領域をX線でスキャンし、回折強度の最も強い方向を矢印で示しました（図2上）。この図では、ブルーサイトが整列する方向を色分けしました。驚くことに、スキャンした試料の全体にわたって、板状の形を持つブルーサイトのナノ結晶が規則正しくきれいに配列し、海水と熱水の通り道から放射状に広がっていることが分かりました（図2下）。そして、この配列により、80cmの高さを持つ試料全体に、イオンを運ぶのに適したナノサイズのチャネル（通路）のような構造物が作り出されていることが確認されました。

　実際に、国際共同研究グループは、この仮説を検証するために、試料を海水中に含まれるナトリウムやカリウムなどのイオンの濃度に違いがある環境に浸し、イオンの輸送を調べました（図3左）。その結果、ナノサイズのチャネルが持つ表面電荷によって、熱水噴出孔全体が選択的なイオン輸送材料として働き、ナトリウムイオンやカリウムイオン、そして塩化物イオンや水素イオンなどの濃度の違いを電気エネルギーに変換できることが分かりました（図3右）。つまり、天然の熱水噴出孔は、海水中の多様なイオンを選択的に運ぶことで、電気エネルギーを生成する浸透圧発電システム^[9]として機能する可能性があることが示されました。

今後の期待
　今回の研究結果は、生命にとって不可欠なイオンを利用したエネルギー変換が、地質学的な過程によって自然に生じることを示しました。イオンの濃度差は自然界で広く見られ、生命が誕生する以前の太古の地球でも同様の現象が起こっていた可能性があります。また、最近の研究では、土星の衛星エンケラドスなどの氷に覆われた天体で熱水活動が確認されています。将来、これらの天体からのサンプルが地球に持ち帰られ、詳細な解析が行われることで、類似した構造と発電現象が見つかる可能性もあります。
　また、自然界に豊富に存在するブルーサイトにより発電現象を実証した本研究の成果は、海水と淡水を利用する浸透圧発電のための新たな材料合成法としても期待されます。そのため、この研究成果は、国際連合が定めた持続可能な開発目標（SDGs）^[10]の「7.エネルギーをみんなにそしてクリーンに」にも寄与するものです。

補足説明

国際共同研究グループ
理化学研究所
　環境資源科学研究センター　生体機能触媒研究チーム
　　チームリーダー　中村龍平（ナカムラ・リュウヘイ）
　　（東京科学大学　未来社会創成研究院（研究当時：東京工業大学 国際先駆研究機構）地球生命研究所　教授）
　　研究員　大岡英史（オオオカ・ヒデシ）
　　基礎科学特別研究員（研究当時、現　客員研究員）イ・ヘウン（Hye-Eun Lee）
　　（東京科学大学　未来社会創成研究院（研究当時：東京工業大学　国際先駆研究機構）地球生命研究所　特任助教）
　　客員研究員　マックグリン・エリン・ショーン（Shawn Erin McGlynn）
　　（東京科学大学　未来社会創成研究院　（研究当時：東京工業大学　国際先駆研究機構）地球生命研究所　准教授）
　　客員研究員　山口　晃（ヤマグチ・アキラ）
　　（東京科学大学（研究当時：東京工業大学）物質理工学院　助教）
　　特別研究員（研究当時）イ・ジウン　（Ji-Eun Lee）
　　研修生　高橋紘哉（タカハシ・ヒロヤ）
　　（東京科学大学（研究当時：東京工業大学）物質理工学院）
　創発物性科学研究センター　物質評価支援チーム
　　チームリーダー　橋爪大輔（ハシヅメ・ダイスケ）
　　テクニカルスタッフI　足立精宏　（アダチ・キヨヒロ）
　放射光科学研究センター　利用システム開発研究部門
　　部門長　山本雅貴（ヤマモト・マサキ）
　　研究員（研究当時）引間孝明　（ヒキマ・タカアキ）
　　専任技師　平田邦生（ヒラタ・クニオ）
　　専任技師　河野能顕（カワノ・ヨシアキ）
　　客員研究員　松浦滉明（マツウラ・ヒロアキ）
高知大学　海洋コア国際研究所
　　准教授　奥村知世（オクムラ・トモヨ）
海洋研究開発機構
　　研究員　山本正浩（ヤマモト・マサヒロ）
ソウル大学校（韓国）
　　教授　ナム・キテ（Ki Tae Nam）
海上保安庁海洋情報部海洋研究室
　　室長　小原泰彦（オハラ・ヤスヒコ）
　　（海洋研究開発機構　招聘上席研究員、名古屋大学　大学院　環境学研究科　客員教授）

研究支援
　本研究は、理化学研究所基礎科学特別研究員（SPDR）制度（代表者：イ・ヘウン）、日本学術振興会（JSPS）科学研究費助成事業学術変革領域研究（A）「化学班：CO環境で駆動される前駆代謝システムの実証（22H05153、研究分担者：中村龍平）」および若手研究「化学合成微生物群集によるストロマトライト形成の検証（15H05468、研究代表者：奥村知世）」「合成実験とゲノム解析から明らかにするチムニー内初期生命誕生・進化のシナリオ（19K14830、研究代表者：奥村知世）」の助成を受けて行われました。また、試料の解析は、大型放射光施設「SPring-8」のビームラインBL32XUおよびBL38B1において実施されました。本研究では、マリアナ海溝海洋国定公園における調査に関する米国魚類野生生物局の特別使用許可（#12541-14001）の下、有人潜水調査船「しんかい6500」および支援母船「よこすか」を用いた調査航海（YK14-13）にて採集された試料を使用しました。