リンと渦鞭毛藻（One Glance）

Sun, 05 Apr 2020 00:00:00 +0000

初めての出会い

强壮前沟藻。この名前を僕は数えきれないほど口にした。最初は舌がもつれたが、やがてすらすらと言えるようになり、まるで旧友の名を呼ぶようになった。

それは有害赤潮を引き起こす渦鞭毛藻で、渦鞭毛藻門、渦鞭毛藻綱、ペリディニウム目、ギムノディニウム科、アンフィディニウム属に分類される。世界の熱帯・温帯海域に分布し、中国国内では主に南シナ海や海南島の三亜で見られる¹。この小さな藻が毎年どれほどの経済的損失をもたらし、どれだけの沿岸住民を眠れぬ夜に追い込んでいるのか、誰か統計を取ったことがあるのだろうか。僕が知っているのはただ、初めて顕微鏡でそれを見たとき、鞭毛がスライドガラスの上に優雅な弧を描き、その瞬間「赤潮生物」という悪名をすっかり忘れてしまったということだけだ。

この研究テーマに関わるようになったのは、彼女のせいだった。彼女の卒業論文のテーマがこれ——强壮前沟藻のホスホン酸利用——だったのだ。彼女の指導教官は僕たちの専門科目を教えてくれていて、すでに顔なじみだった。彼女がこの方向を選んだのも、実は先生の博士論文の研究を引き継いだに過ぎない。

あの頃の僕は、当てもなく迷っていた。程先生はすでに大学を離れ、あとは遠隔でやりとりするしかなく、たまにメールを送る程度だった。毎日実験室に通い、先生と進捗を詰めている彼女の姿を見ていると、少しだけその熱に当てられた——少なくとも彼女は、自分が何をしているのかわかっていた。

彼女が実験をしているとき、僕も時々実験棟に足を運んでキャンパスのWi-Fiを借りていた。先生は僕のルームメイトの指導教官でもあり、僕のことをまったく他人扱いせず、たまに彼女に冗談を飛ばした——「彼氏にも練習させなよ、そのうち手伝ってもらえるから」。

一度、彼女の進捗報告に付き添って研究室へ行ったことがある。先生は口数こそ少ないが、質問はとても細かかった。培養温度は？光強度は？カウント方法はどれを使っている？彼女はやや緊張しながら答え、僕は横に座ったまま口を挟めず、壁に貼られた培養器の操作手順書を読んでいるふりをするしかなかった。

報告が終わり、先生は僕たちを見送りがてら、廊下の突き当たりにずらりと並ぶ三角フラスコの培養棚を指さして教えてくれた。「これは別の研究グループのだ。東シナ海のプロロケントルムをやってるのもいるし、ヘマトコッカスをやってるのもいる——海洋藻類の分野は、実はけっこう研究が進んでるんだよ」。当時の僕はこの界隈のことを何も知らず、ただ先生は愛想のいい人だなと思っただけだった。あとになってようやくわかった——こうして「ちょっと見せてあげる」という習慣こそが、研究の駆け出しに対する、かけがえのないやさしさなのだ。

リンの小宇宙

リンはDNAの骨格であり、ATPのエネルギー源であり、細胞膜のリン脂質二重層の構成要素である²。リンは海洋植物プランクトンの細胞サイズ、栄養状態、光合成効率に影響を与えるだけでなく、群集の種構成や個体数にも深い影響を及ぼす²。リンが欠乏した植物プランクトンは、背骨を抜かれた人のように、生命が弱々しく鈍る。

伝統的な海洋生態学では、窒素が主要な制限栄養塩だと考えられてきた。しかし、研究が積み重なるにつれ、世界の海域ではリン制限が窒素制限よりも普遍的な問題になりつつあることが示されている³⁴。長い地質学的時間スケールで見れば、リンは海洋生態系における重要な究極の制限栄養塩だと考えられている³⁴。

海中の溶存態リンは、主に溶存無機リンと溶存有機リンの二つに分けられる。無機リンは植物プランクトンに直接利用され、光が十分で生産性の高い有光層では急速に消費し尽くされる。一方、溶存有機リンは主にリン酸エステルとホスホン酸エステルという二つの形態で存在する。海水中の高分子量溶存有機リンの約75％はリン酸エステルで、C-O-P結合を特徴とし、主に核酸や膜リン脂質などの高分子中に存在する⁵。ホスホン酸エステルは海水中の高分子量溶存有機リンの25％を占め、安定で切断しにくいC-P結合を特徴とし、含リンタンパク質や膜ホスホン脂質中によく見られる⁵。

植物プランクトンはリン酸エステルを利用できる。主にアルカリホスファターゼによる加水分解でC-O-P結合を切断し、細胞が利用可能な無機リンを遊離させるのだ⁶。しかしホスホン酸エステルのC-P結合は極めて安定で、一般のホスファターゼでは加水分解されにくい。細菌はC-Pリアーゼを発現してホスホン酸エステルを利用でき、藍藻のような原核藻類ではすでに報告がある⁷。だが、真核植物プランクトンはホスホン酸エステルを直接利用できるのか？この問いについて文献ではほとんど決着がついておらず、散発的な報告にも議論の余地がある。

藻を育てる

彼女が使った実験材料は2-AEP、すなわち2-アミノエチルホスホン酸で、代表的な天然ホスホン酸エステル化合物だ。実験は三つの条件群を設定した。リン無添加、リン無添加＋2-AEP、そしてリン添加を対照群とするものである。

僕はカウントと測定の一部を手伝った——手伝いと言っても、実は学んでいるに近かった。彼女はプランクトン計数板の使い方、藻細胞の状態の見分け方、いつ希釈すべきか、いつ栄養液を補充すべきかを教えてくれた。聞けば簡単そうだが、実際にやってみると、実験のすべての段階に落とし穴が潜んでいることがわかる。藻株は活性化しなければならない、培地は滅菌しなければならない、抗生物質は適量でなければならない——除菌処理そのものは藻の成長にさほど影響しないが、細菌汚染が起これば実験全体が台無しになる⁸。

二日おきにサンプリングを行う。1000マイクロリットルの藻液を採取し、成長状況に応じて希釈した後、ルゴール液を加え、顕微鏡下でプランクトン計数板を使って手動カウントする。同時に培養系内の無機リン濃度を測定する——リンモリブデンブルー法だ。藻液をろ過した後に試薬を加え、しばらく静置し、分光光度計で読み取る。データポイントが一つ一つ積み重なり、曲線が方眼紙の上に少しずつ形を成していく。

あの頃、僕たちはたくさん話をした。卒業して何をするか、大学院に進むべきかどうか。彼女は「このまま続けたら髪が全部抜けちゃう」とこぼした。僕も「どうだろうな……」と答えた。二人で培養器の前に立ち、三角フラスコを眺めながら、とりとめのない話をしていた。あれはあの時期、一番気楽なひとときだったと思う。

先が見えている

実験結果が出た日、彼女は長いこと黙っていた。

八日目になると、三条件すべてでリン酸塩濃度がゼロに近づいた。リン添加群では細胞密度が低下し始め、リン無添加群と2-AEP添加群の細胞密度は終始、明確な増加を示さなかった。カウント結果を繰り返し確認し、機器のキャリブレーションを確認し、どこかの段階で凡ミスをしていないか確認した。

事実はこうだ。强壮前沟藻は2-AEPを唯一のリン源として利用できない。

その日、実験室を出てから、僕たちは大学の裏通りで屋台の鉄板焼き冷麺を買って食べた。二人で街灯の下に立って食べながら、しばらく何を言えばいいのかわからなかった。彼女の表情は、落胆というより、ある種の解放感だった——「少なくとも結果ははっきりしてる」と彼女は言った。「陰性結果も結果だから」。

訳注：「烤冷面」は中国東北部発祥のストリートフードで、冷麺の生地を鉄板で焼き、卵やソースを加えて巻いたもの。日本に直接相当する食べ物がないため、「屋台の鉄板焼き冷麺」と説明的に訳した。

僕はうなずいた。内心ほっとしていたことを、彼女には言わなかった。彼女の論文が書ける、と。

あとになって彼女はこう言った。実はとっくにこうなるだろうと予想していたと。「だから大学院に行って実験を続けたくなかったんだ。先が全部見えてるから」。

遺伝子の物語

研究はまだ続く。先生は彼女に遺伝子解析を勧めた。トランスクリプトームの中にホスホン酸エステル代謝に関連する遺伝子があるかどうかを調べるのだ。僕はBLAST解析を手伝い、結果が出たとき、少し意外だった。强壮前沟藻のトランスクリプトームには、確かにphnWとppdの相同配列が存在していたのだ。phnWは2-アミノエチルホスホン酸-ピルビン酸トランスアミナーゼをコードし、C-P結合を持つ有機リンの分解に関わる。ppdはホスホノ酢酸デカルボキシラーゼと相同で、ホスホン酸エステルの合成代謝に関与する可能性がある。

これは何を意味するのか？この藻類の祖先は、かつてホスホン酸エステルを利用する能力を持っていたが、進化の過程で失ったのかもしれない。そして、より可能性が高いのは——細胞外の2-AEPを細胞内に輸送する酵素を欠いているということだ。外部の有機リンは中に入れず、細胞内の酵素は指をくわえて見ているしかない。

この発見は、同時期の他の研究者の知見とも一致する。ある研究によれば、渦鞭毛藻の一種カレニア・ブレビスも同様に、外部のホスホン酸エステルを直接利用できないが、培養系に存在する細菌がC-P結合の有機リンを効果的に分解し、藻細胞が利用できるリン酸塩を遊離させることが示されている⁹。

先生は結果を見終えて、彼女に言った。「これは論文に書ける」。口調は淡々としていたが、それなりに満足しているのが見て取れた。

終章

その後、先生と僕だけが連絡を取り合い、折に触れて便りを交わす仲になった……

訳注：「互通魚雁」は中国の古典的表現で、「魚」と「雁」が手紙を運ぶという故事に由来し、「文通する・便りを交わす」ことを意味する。日本語では「便りを交わす」が自然な対応表現となる。

ふとあの頃を思い出すことがある。三角フラスコ、培養器、顕微鏡の下で泳ぐ鞭毛。培養器の前に立って「先が全部見えてる」と言った彼女の表情。

リン制限と海洋生態系の関係について、まだわからないことばかりだ。ホスホン酸エステルの、リンが乏しい海域での生物地球化学的循環は、細菌群集構造と関連しているのか？自然に合成されたホスホン酸エステルを直接利用できる真核植物プランクトンは存在するのか？ホスホン酸エステルトランスポーターの原核生物と真核生物の間での分布には、どのような規則性があるのか？

これらの問いは、今回の研究では答えを得られなかった。

ホスホン酸エステルが吸収可能なリンになるには、細菌による「翻訳」が必要なのだ。

强壮前沟藻は、今も大学の裏通りにあるどこかの実験室の三角フラスコの中で、鞭毛を揺らめかせている。それは僕の期待も、僕の戸惑いも知らない。ただ自分のやり方で生き、リンを消費し、光に応答し、誰にも知られないミクロの世界で、その生命の循環を完うしている。

そして僕たちも、おそらく同じことなのだ。

林永水, 周近明, 何建宗. 赤潮生物[M]. 北京: 科学出版社, 2001. ↩︎
Paytan A, McLaughlin K. The oceanic phosphorus cycle[J]. Chemical Reviews, 2007, 107(2): 563-576. ↩︎ ↩︎
Toggweiler J R. An ultimate limiting nutrient[J]. Nature, 1999, 400(6744): 511-512. ↩︎ ↩︎