令和4年度
第1回海洋技術フォーラムシンポジウム
2022年6⽉28⽇

地球と太陽系の海洋における普遍的⽣命(ユニバーサルライフ)の誕⽣と存在
⾼井研
海洋研究開発機構
超先鋭研究開発部⾨⾼井研ってナニモンなん︖

⽇本を変える研究者30⼈wwwにしてアバンギャルドな研究開発の守護神
我々は来る7年に（中略）我々の知性とプロフェッショナリズムの奥底から湧き出ずる、独創的なアイデ
ア・計算し尽くされた戦略・抑えがたい情熱に⽀えられたアバンギャルドな（超先鋭的）研究を⾏っていきます。「そんな抽象的なことを聞いているのではないのだよ。もっと具体的な研究の中⾝を教えてくれたまへ」だと︖「さてはおめー、○○省の回し者だな」。そんな冗談はさておき、前もって予測できない展開・成果を求めるからこその超先鋭研究です。

国際連合(UN)様の金科玉条

持続可能な開発のための国連海洋科学の10年（2021〜2030）
ぼくたちわたしたちはきれいで健全で回復力のある生産的で予測できて安全で開かれた
魅惑的な海にするため研究しますJAMSTEC海洋研究開発の7年（高井Ver.）地球環境部⾨

地球環境の状況把握と変動予測のための研究開発

海洋機能利⽤部⾨

海洋資源の持続的有効利⽤に資する研究開発

海域地震⽕⼭部⾨

海域で発⽣する地震及び⽕⼭活動に関する研究開発

付加価値情報創⽣部⾨

数理科学的⼿法による海洋・地球情報の⾼度化及び最適化にかかる研究開発

超先鋭研究開発部⾨挑戦的・独創的な研究開発

研究プラットフォーム
運⽤開発部⾨海洋調査プラットフォームにかかる
先端的技術開発及び運⽤開発

JAMSTEC海洋研究開発の7年（国連Ver.）
予測可能

綺麗 健全

地球環境部⾨

地球環境の状況把握と変動予測のための研究開発

海洋機能利⽤部⾨

海洋資源の持続的有効利⽤に資する研究開発

生産的海域地震⽕⼭部⾨

海域で発⽣する地震及び⽕⼭活動に関する研究開発

安全 予測可能付加価値情報創⽣部⾨

数理科学的⼿法による海洋・地球情報の⾼度化及び最適化にかかる研究開発

超先鋭研究開発部⾨挑戦的・独創的な研究開発

魅惑の深海パーティー

研究プラットフォーム
運⽤開発部⾨海洋調査プラットフォームにかかる
先端的技術開発及び運⽤開発

すべてを支える技術・運用

生産的

予測可能

オープン
健全

綺麗
オープン

オープン

安全

「魅惑の深海パーティー」
from 映画バック・トゥ・ザ・フューチャー
1950年代のアメリカにおいて「深海」は言葉の響きだけで「うっとり」する程ココロを揺さぶる憧れだった

「アバター」を生み出した好奇心
by ジェームス・キャメロンTED Talk

パパとママがダンスパーティーで結ばれるのも壮大なスケールの面白くて儲かる映画が出来上がるのもすべからく「心揺さぶる魅惑的な海」
それを創り上げる出発点は海のプロフェッショナル
特に未知に挑む研究者達⽣命とは何か・・・
とくに普遍的な答え
そんな偉そうな事⾔ったら出てくるよ。いつもの定番が︕︕

11

「⽣命とは何か」と問うと必ず出てくる
スノッブな科学者の定番・鉄板メニュー

生命とは何か「探しものは何ですか︖⾒つけにくいものですか︖」（井上陽⽔・夢の中へ）

NASAの定義

Life is a self-sustained chemical system capable of undergoingDarwinian evolution.
⽣命とは，ダーウィン進化を受けることが可能な，⾃⼰保存的な化学系である

Joyce, G. in Origins of Life: the Central Concepts (eds Deamer, D. W. & Fleischaker, G. R.) xi-xii (Jones and Bartlett,Boston, 1994).

Life is the sum total of events which allows an autonomous
system to respond to external and internal changes and to
renew itself from which in such a way as to promote its own
continuation.

⽣命とは，外的および内的変化に応答し，⾃⼰の存続を推進するような⽅法で⾃⼰を更新する⾃律系を可能にするような 事象の総和である
Oliver, J. D. & Perry, R. S. Definitely life but not definitively. Orig. Life Evol. Biosph. 36. 515-521 (2006).

突き詰めて⽣命を考えると⽣命（の起源や定義）には必ずしもダーウィン型進化いらんやろ︕

そう考えるきっかけは⾦⼦邦彦＆古澤⼒の研究

⽣命(圏)限界探査→⽣命とは何か
⽣命という現象は、⽣物や細胞のような物体ではなく、⽣物が⽣命活動を営む環境そのもの

生きものじゃない部分（環境）

生きもの

⽣命≒⽣命圏≒⽣命存在環境
⽣命が存在できることと存在できないことの境⽬

生きものが必要でない部分（環境）

生きものが必要な部分（環境）

⽣命圏と⾮⽣命圏の境界を知る事で⽣命とは何かをリアルに感じる事ができるのでは生きもの

⽣命存在条件＝ハビタビリティとは︖
理論的最⼤⽣命存在可能条件
現実的⽣命存在可能条件

現実的⽣命存在

観測可能な現実的⽣命存在

⽣命存在条件＝ハビタビリティとは︖

⽣命存在条件＝ストライクゾーンとは︖

我々の知る⽣命は地球⽣命のみ
Ø地球⽣命から演繹される普遍的⽣命は真に普遍的とはいえないØよって理論的最⼤⽣命存在可能条件というのも幻でしかないØ確実なのは観測可能な現実的⽣命存在、つまり観察された地球⽣命の存在、だけAll the photos from NASA.gov

現実の⽣命圏の限界を地球深部に求めて
温度
圧⼒

pH

マリアナ海溝(= 1100 bar)

深海熱水(= 407˚C)

塩濃度

地下鉱山排水(=pH-3.6)

蛇紋岩海山地下(= pH13.1)

現実の⽣物の限界を地球深部に求めてMethanopyrus kandleri 116 (Takai et al., 2008)

Growing at up to122˚C

Alkaliphilus transvaalensis (Takai et al., 2001)

Growing at up to pH12.4
Serpentinimonas maccroryi (Suzuki et al., 2014; Bird et al., 2021)

Growing at up to pH12.5
Thermococcus piezophilus (Alain et al., 2016) Colwellia marinimarinae (Kusube et al., 2017)Growing at up to 130 MPa Growing at up to 140 MPa

その他の現実の⽣命圏限界(放射線)Deinococcus peraridilitoris

ヒトクマムシ

2-3 Gy2000-3000Gy

⾃然界に108細胞/cm3いたとして320000Gyでほぼ完全に消滅

地球環境で最⼤の放射線照射があったのはどこか
広島型原爆の爆⼼地=1000Gy
原発の使⽤済み核燃料棒の表⾯＝100000Gy/h
宇宙空間（⽉⾯）＝0.002Gy/day

地球環境で最⼤の放射線照射環境
オクロの天然原⼦炉
20億年前
地球の⼤気のO2が上昇しU235が地下⽔に溶けてあるところで濃縮
勝⼿に臨界反応

1000 Gy/h
2週間で絶滅100000 Gy/h

その他の現実の⽣命圏限界(紫外線)Geodermatophilus obscurus
⾃然界に108細胞/cm3いたとして16000J/m2でほぼ完全に消滅

地球環境で最⼤の紫外線照射があったのはどこか
約40億年前の地球表⾯=~1W/m2 (1⽇）
宇宙ステーション＝6.4W/m2 (4時間)リング内（実験室内）
温度最強伝説IODP Exp. 337での最深の海底下⽣命圏探査

IODP Exp. 337での最深の海底下⽣命圏探査
Inagaki et al., Science, 2015

IODP Exp. 337での最深の海底下⽣命圏探査
Inagaki et al., Science, 2015

海底下2.4 kmの石炭層
F430というメタン菌のメタン生成のライブバイオマーカー発見

海底下2.4 kmの石炭層からメタン菌を培養

IODP Exp. 337での⽣命圏限界
Inagaki et al., Science, 2015

Uninhabitable zone

Uninhabitable zone

ちなみに世界最深の⽣命圏の限界にはまだ⼈類は到達していない
Kato et al., 1997, Takami et al., 1997, Goodfellow, 2006,
Nunoura et al., 2015; 2018
Proteobacteria >100株
Pseudomonas
MoritellaAlteromonas
Marinobacteria
Idiomarina
Actinobacteria >50株
Dermacoccus
Kocuria
Micromonospora
Streptomyces
Tsukamurella
Williamsia
Firmicutes >50株
Geobacillus
Bacillus
Thermaerobacter
Thaumarcheota
Nitrosopumilus

沖縄トラフ熱⽔海底下⽣命圏

真⽥丸

熱すぎ⾮⽣命圏
討ち死海⽔ジャバジャバ
最下部に気配現在
40­65℃

過去~120℃

環境（路上）でも温度最強伝説

宇宙における⽣命存在条件
Habitability
Tori Hoehler (2007)

こ 辛 熱
ってり
電圧(V)

ラ カ 温
ー レ 度
メ ーン

あ 甘 冷っ
さり

激ヤセ

電力(W)

摂取カロリー超デブ地球生命のハビタビリティ
たったこれだけ
100V, 1500W~1 x 10-10 W

最大エネルギー勾配

1.23 V

最大エネルギー量

最小エネルギー量利用可能なエネルギー勾配 (V)

1.8 x 10-18 W
at 5 ˚C

1.4V, 0.35W
生命の存続に必要なエネルギー領域

Hoehler, 2007
Takai, 2018

0.047 V

最小エネルギー勾配

1V, 100W

利用可能な時間当たりのエネルギー量 (W)地球におけるエネルギーマスバランス

最⼤のエネルギーインプット＝太陽放射
地球におけるエネルギー量の99.9% (174,000 Terawatts)
1⽇当たりのエネルギー＝M11.5
地球外部エネルギー
光合成⼀次⽣産によって地球の⽣命活動のほぼすべてが⽀えられている

地球におけるエネルギーマスバランス

第⼆のエネルギーインプット＝地球内部熱エネルギー

地球におけるエネルギー量の0.013% (23 Terrawatts)
1⽇当たりのエネルギー＝Ｍ8.9
化学合成⼀次⽣産者（独⽴栄養微⽣物）もいることはいる地球におけるエネルギーマスバランス
第三のエネルギーインプット＝⽉の潮汐⼒
地球におけるエネルギー量の0.001% (2.4 Terawatts)
1⽇当たりのエネルギー＝Ｍ8.2
潮汐⼒をエネルギー源とする⽣命は地球には⾒つかっていない太陽エネルギーと惑星内部エネルギーの最⼤の違い

惑星内部エネルギーは熱拡散ではなく、地殻内の熱⽔循環で運ばれる

惑星内部エネルギーに依存した（地球を⾷べる）⽣命
1977年、アメリカの有⼈潜⽔艇Alvinが深海底熱⽔噴出孔の周辺に地球内部エネルギーに依存した、「地球を⾷べる」⽣態系を発⾒

⽣命惑星地球の誕⽣とその進化

40億

30億

46億年前

先カンブリア紀HadeanArcheanProterozoic

46-40億年前

40-25億年前

25-6億年前

冥王代

始生代

６億年前

原生代

顕生代

6億年前-現在

これまでに⾒つかった深海熱⽔

Pacific

Atlantic
Indian暗⿊の⽣態系を⽀配するエネルギー論的原理
地質学的条件がその環境の化学環境を⽀配する
その環境の化学環境がその環境に起こり得るエネルギー代謝を⽀配する
その環境に起こり得るエネルギー代謝の多様性はその環境の微⽣物⽣態系を⽀配する
その環境に起こり得るエネルギー代謝は物理・化学条件から熱⼒学計算で予想できる（特に深海熱⽔）(McCollom & Shock, 1997)
マッカラム・ショック予想

マッカラム・ショック予想の証明(Takai & Nakamura, 2010; 2011; Nakamura & Takai, 2014; Takai et al., 2015)

世界94箇所の深海熱⽔のデータを網羅
ワイの１２〜１３年の⼈⽣の時間を返せ︕

マッカラム・ショック予想の証明(Takai & Nakamura, 2010; 2011; Nakamura & Takai, 2014; Takai et al., 2015)
Analyzed

Theoretical

Analyzed

Theoretical

世界94箇所の深海熱⽔のデータを網羅
ワイの１２〜１３年の⼈⽣の時間を返せ︕
Analyzed

Theoretical

Analyzed

Theoreticalマッカラム・ショック予想の証明の衝撃
マッカラム・ショック予想はいかなる⽣命にも当てはまる物理法則、⼀般性原理が存在することを予想したもの
⾼井・中村によってそれが現世の地球の海でほぼ正しいことが現実になった
現世の海で正しいなら太古の海でも正しいじゃない（マリー・アン
トワネット⾵に）40億年前の深海熱⽔活動

Shibuya et al., 2012; Russell et al., 2014;
Shinuya et al., 2016

40億年前の冥王代海底熱水のマッカラム・ショック予想
Russell type =Lost city type

(mM)

0.01

Shibuya et al., 2016

(mM)

McCollom-Shock’s Prediction can predict themost ancient chemolithotrophic microbial
ecosystem in the Hadean Ocean 4.0 Ga
Thermophilic H2-trophic acetogens
Thermophilic H2-trophic methanogens
Mesophilic H2-trophic Fe-reducers
Mesophilic CH4-trophic acetogens

Shibuya et al., 2016

最古の⽣態系＝⽔素、⼆酸化炭素、酸化鉄を利⽤する
好熱性メタン菌
好熱性酢酸菌
常温性⽔素酸化鉄還元菌
うおー、⾼井とか⾔う天才が2004年に論⽂に発表したハイパースライムと完全⼀致

Shibuya et al., 2016

マッカラム・ショック予想の証明の衝撃
マッカラム・ショック予想はいかなる⽣命にも当てはまる物理法則、⼀般性原理が存在することを予想した
もの
⾼井・中村によってそれが現世の地球の海でほぼ正しいことが現実になった
今の地球の海で正しいなら今の地球外惑星の海でも正しいじゃない（マリー・アントワネット⾵に）オーシャンズX
潮吹き疑惑︖

潮吹き決定︕

潮吹き疑惑︖

Ceres

Enceladus

Porco et al., 2006

Credit: NASA/JPL

Credit: NASA/JPL/SSI

エンセラダスの南極から内部海⽔が潮吹き© NHKカッシーニによる潮吹きフライバイ探査© NHK

もう我慢できないっす
勝⼿にエンセラダスの内部構造描いたお• 南極域のホットスポットの温度が摂⽒マイナス93度であることと有機物• エンケラドゥスの⽔蒸気に塩化ナトリウムや炭酸塩
岩⽯核の存在と海洋の存在が強く⽰唆されている

エンセラダス海⽔ー深海熱⽔は理論的にコンピューター（エクセル）上で再現できる

エンセラダス海⽔ー深海熱⽔は実験的に実験室で再現できる

エンセラダス熱⽔⽣態系を予⾔︕
地球のハイパースライム

エンセラ内部海⽣態系＝⽔素、⼆酸化炭素、酸化鉄を利⽤する
好熱性メタン菌
好熱性酢酸菌
常温性⽔素酸化鉄還元菌
うおー、⾼井とか⾔う天才が2004年に論⽂に発表したハ
イパースライムと完全⼀致

東京湾の海⽔1滴にいる微⽣物量100000匹
エンセラダスの内部海1滴にいる微⽣物量1000000匹wwwwww

総⽣物量6830000000000000 kg

300000000000 kg

300000000 kg

ワシらはすべてを理解してしまったンゴ
もう地球に残っている謎はないンゴ．．．
宇宙に旅⽴つしかないンゴ．．．

マッカラム・ショック予想外の⽣態系鴨⻑明(57)さんの投稿

時間・空間的に刹那的な現象ンゴwww地球上の⽣物多様性
100億種に対して⽣物の利⽤可能なエネルギー源
1. 化学エネルギー(パスツールやウィノグラドスキー)
科学的証明︓有機物19世紀前半、無機物19世紀後半
化学合成エネルギー代謝 & 化学合成微⽣物

2. 光エネルギー(フォン・マイヤー)

科学的証明︓19世紀中頃
光合成エネルギー代謝 & 光合成微⽣物・植物

3. 電気エネルギー(デレク・ラブリーや中村⿓平他)
科学的証明︓2010­15年
電気合成エネルギー代謝 & 電気合成微⽣物

「パンがないなら電気を⾷べればいいじゃない」(electrotrophic)という概念の新しさ
化学合成（chemolithotrophic）
エネルギー源：還元的分子と酸化的分子
エネルギー変換場：電子伝達系
電気合成（electrotrophic）
エネルギー源：電子（レプトン）
エネルギー変換場：電子伝達系

光合成（phototrophic）
エネルギー源：光子（ゲージ粒子）
エネルギー変換場：電子伝達系

地球上最強の⾃然発電所は
深海熱⽔活動域にあった
Nakamura et al., 2010

世界初のチムニー発電「深海熱水発電」の証明

深海・地殻内生命圏システム研究チームと東京大学工学研究科応用化学専攻の共同研究
熱水内外で800 mV程度の起電力
チムニーの電気抵抗は10Ω/cm以下
高さ1mのチムニー1本のナマの発電量＝>100 W
ちゃんとした電池系を導入すればその10100倍の発電量が期待地球上最強の⾃然発電所は深海熱⽔活動域にあった

2 W/m2

特許申請済み
⼈⼯熱⽔噴出孔発電「翼よ、あれが深海の灯だ！」
2012年10月26日、山本正浩を始めとするJAMSTECチームはハイパードルフィンで沖縄トラフの伊平屋北フィールドの人工熱水に着底し、白金チタン電極を熱水と海水にかざし、深海熱水発電による暗黒の深海ライトアップに初めて成功した。

地球上最強の⾃然発電所は深海熱⽔域における電気合成⽣態系
深海熱⽔活動域にあったやべぇ
チムニー＝天然熱電素⼦︕

地球上最強の⾃然発電所は深海熱⽔活動域にあった

地球上最強の⾃然発電所は深海熱⽔活動域にあった

地球上最強の⾃然発電所は深海熱⽔活動域にあった

Yamamoto et al., ACIE, 2017

時間・空間的に全然刹那的な現象じゃないンゴ

地球上最強の⾃然発電所から地球上最強のライチュウ微⽣物をゲット︕

マッカラム・ショック・ヤマモト・タカイ予想

エンセラダス⽣命探査に⾏くしかない
たったの500-1000億円︕︕
キューリオシティの⽕星探査
4年間で1兆円
しんかい6500
25年間で650億円
ちきゅう
10年間で1800億円

ࢲͷओுɿ஍‫ٿ‬ੜ໋͸஍‫͖ͨͰͰٿ‬༗‫ػ‬෺Λ࢖ͬͯਂւ೤ਫͰ஀ੜͨ͠ετϩϯάϙΠϯτɿØ ໿ԯ೥લͷ஍‫ʹٿ‬͸཮஍͕΄ͱΜͲͳ͍ʢ.BYఔ౓ʁʣØ ཮஍͸੢೭ౡ৽ౡΈ͍ͨͳ‫҆Ͱ͡ײ‬ఆ‫ײ‬θϩɻ͙͢ແ͘ͳΔØ ਂւ೤ਫ͸ࠓͷഒҎ্ɻීวੑͱ҆ఆੑ͔Βੜ໋ੜଘ֬཰͸཮஍ͷʼԯഒØ ਂւ೤ਫνϜχʔͰͷి‫ؾ‬Խֶɾ৮ഔԽֶʹΑΔ$0ʴ/0PS/)͔Βͷඇ߬ૉత‫࢝ݪ‬୅ँʢS5$"ճ
࿏΍Ξηνϧਣࢎੜ੒΍Ξϛϊࢎੜ੒ʣ͕࣮ূࡁ
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(有機物量
⼀年当たりのグラム
炭素︶

Chyba & Sagan, 1992
Ehrenfreud et al., 2002
Furukawa et al., 2009
Nakamura & Takai, 2015の 40
マ億,年ク前スのに地必球
要⽣
な命量

紫外線

雷放電

熱⽔循
環

地球有機物隕
⽯衝突衝
撃

隕
⽯・宇宙塵

彗星宇宙有機物Ӊ஦༗‫ػ‬෺ͱ஍‫ٿ‬༗‫ػ‬෺ͷʢ஠ૉʣϑϥοΫε
(窒素量⼀年当たりのグラム窒素︶の 40
マ億,年ク前スのに地必球
要⽣
な命
量

紫外線

雷放電熱⽔循
環

地球有機物

隕
⽯
衝
突
衝
撃

隕
⽯・宇宙塵

彗星

Ehrenfreud et al., 2002
Navaro-Gonzalez et al., 2001
Summer & Chang et al., 1993
Dorr et al., 2003
Nishizawa et al., in prep

宇宙有機物Ӊ஦༗‫ػ‬෺ͱ஍‫ٿ‬༗‫ػ‬෺ͷಉҐମൺ
宇宙起源有機窒素

地球起源有機窒素「カナダのラブラドル地域ヌリアッ
ク表成岩帯の39.5億年前の堆積岩中の有機窒素同位体比は現在測定中」
By 小宮剛（東京大学）

஍ ‫࢈ ٿ‬ɾ஍ ‫ ٿ‬ফҟ࿦͸‫͍ͳ͞ڐ‬ʂ

⽣命誕⽣を巡る多神教派 vs ⼀神教派

2400年間、⼈類が誰も解けなかった最⼤の謎が解けるんです︕

観測可能な現実的⽣命存在の拡張
理論的最⼤⽣命存在可能条件
現実的⽣命存在可能条件
現実的⽣命存在
観測可能な現実的⽣命存在
観測可能な現実的⽣命存在観測可能な現実的野球選⼿の拡張