キッチンに隠された宇宙をマッピング

最近の朝、コロラド大学ボルダー校の生態学および進化生物学の教授であるノア・ファイアー氏は、コロラド州東部の農地の上空 1,000 フィートに立っていた。彼はボルダー大気観測所の頂上近くに腰掛けていた。この観測所は、気候と天気の研究を行うために 1977 年に建設された、携帯電話の電波塔のような尖塔である。頂上に到達するために、ファイアー氏と同僚のジョアン・エマーソン氏は、塔の狭いエレベーターで 5 分ほど乗り、さらに狭い 90 階の高さの通路を進んだ。ヘルメットと安全ハーネスを身に着けた 2 人は、格子細工のプラットフォームに固定された小さな装置を確認するために身を乗り出した。数か月前に設置したこの装置は、毎晩空気を吸い込み、それを濾過し、2 週間ごとの収集のために内容物を保管する。基本的には掃除機だが、汚れを吸い取る代わりに微生物を捕らえる。

微生物は私たちを取り囲んでいる。高度1,000フィートの比較的荒涼とした大気では、1立方メートルの空気あたり約1,000個の微生物が含まれている。地面に近いところでは、その数は10万個にまで急増し、人間の皮膚1平方センチメートルあたりでは1,000万個に跳ね上がる。小さじ1杯の土には500億個の微生物が含まれており、これは地球上の人口の7倍以上である。しかし、これほど豊富であるにもかかわらず、科学者は微生物の生態系についてほとんど知らない。たとえば、私たちは家の中にいる虫について、海の最も深い海溝にいる動物よりも理解が浅い。微生物が私たちに与える影響についてはさらに分かっていない。微生物は私たちの日常生活をどのように形作っているのか、そして私たちは微生物の日常生活をどのように形作っているのか。微生物は喘息やアレルギーを引き起こすのか、それとも予防に役立つのか。まるで私たちは目に見えない世界に住んでいるかのようであり、先代のビクトリア朝の博物学者たちと同様、ファイアーはその世界を描き出している。

国内屈指の微生物生態学者であるファイアー氏は、バクテリア、古細菌、真菌、ウイルスなどの微生物を収集し、分類している。「私はシラミの自然史学者です」と同氏は言う。数年前まで、微生物生態学は比較的堅苦しい分野だった。対象とする生物が非常に小さく、多くをペトリ皿で培養できないため、マイクロバイオーム研究のほとんどは、アマゾン熱帯雨林の生物多様性を調査して5つの種だけを見つけるようなものだったとファイアー氏は言う。その後、DNA配列解析が登場した。現在、ファイアー氏らは数千の種を迅速かつ容易に分類し、その機能を判定できる。「微生物生態学の黄金時代に突入していると言っても過言ではないでしょう」と同氏は言う。

ファイアー氏は過去 5 年間、公衆トイレ、脇の下、イモムシの胃などの環境における微生物の多様性を調査してきました。時には、彼の発見が微生物のより広い世界を明らかにすることもあります。ボルダー大気観測所の塔では、カリフォルニアやその先から吹き込む気流の中でどのような生物が生き残ることができるかをエマーソン氏が特定するのを手伝っています。また、彼の発見が私たち自身について、そして私たちが知らないうちに微生物の世界をどのように形作っているかについて教えてくれることもあります。たとえば、彼は、コンピューターのキーボードなどの表面に、人が触ってからかなり経った後も独特の微生物の指紋を残すことを証明しました。この事実は、最近の CSI: 科学捜査班のエピソードで取り上げられました (実際の捜査でこの手法が使用された人はいません)。

最近、ファイアー氏は、微生物が最も豊富でありながら最も理解されていない環境の 1 つであるアメリカの家庭に注目している。2011 年、彼はノースカロライナ州立大学の生物学者ロブ・ダン氏 (甲虫の細菌と人間のへそに生息する生物を調査したファイアー氏の共著者) が始めた「Wild Life of Our Homes」プロジェクトに参加した。このプロジェクトは、米国全土の家庭の微生物の多様性をマッピングすることを目的としている。「私たちは、何を期待してよいかまったくわかりませんでした」とファイアー氏は言う。彼とダン氏が研究でよく指摘するように、一般的な家庭には地球上の鳥の種の数よりも多くの種類の微生物がいる。「私たちが何千もの種と一緒に暮らしていて、そのうちのいくつかは私たちを病気にし、いくつかはそうでないことは、人々にとって衝撃的なはずです」とダン氏は言う。「あなたの家にどの種が生息しているかを決定するものが何であるかはわかりませんし、ほとんどの場合、どれが有益でどれが有害であるかもわかりません。」

それを変えるために、ノースカロライナ州立大学のダン教授の市民科学イニシアチブはボランティアを募集した。全50州から1,400人以上が登録した。各ボランティアは、掃除の習慣、ペットや植物、病歴など、さまざまなことに関する質問票に記入しなければならなかった。その後、参加者は基本的な綿棒キットを受け取り、それを使ってキッチンカウンター、枕カバー、内外のドア敷居の上部からサンプルを採取した。（ノースカロライナ州の40軒の家庭を対象とした2011年のパイロットスタディでは、ボランティアはトイレの便座、ドアノブ、テレビ画面、その他の物体も綿棒で拭いたが、それらのサンプルの微生物群集には重複が十分にあったため、綿棒の採取場所の数を減らすことができた。）その後、サンプルはDNA配列解析のためにファイアーに送り返された。

ファイアー氏のボルダー研究室では、研究者らが化学溶液と遠心分離機を使って綿棒から微生物の DNA を抽出し、その後、種とその機能の特定に役立つ可能性のある特定のマーカー遺伝子を化学的に増幅して配列決定した。わずか数か月で、研究チームは微生物生態学に関する史上最大のデータセットをまとめた。データセットには数億の DNA 配列が含まれており、すぐに新たな発見がもたらされた。たとえば、研究者らは室内ドアのトリムに約 3,500 種の細菌を発見した。つまり、平均的な住宅には約 3,500 種の細菌が浮遊していることになる。これは、研究で発見された屋外ドアのトリムに付着した細菌の数より 500 種多い。

フィエラー氏は、さまざまな地域の家庭データを比較した結果、屋外の細菌とウイルスの感染経路には主に2つの種類があることを発見した。
ドア枠に集まった菌類群集のタイプは、東海岸沿いと太平洋岸北西部に多く、他のどこでも優勢なタイプだった。「それを見た瞬間、『すごい、ここには何か構造がある』と言いました」とファイアー氏は言う。微生物群集の異なる原因は何だろうか？ ファイアー氏は、降水量、土壌の pH レベル、森林被覆などの地理的パターンに関連している可能性があると考えている。しかし、確実なことはさらなる研究によってのみわかる。

一般的な家庭には、地球上の鳥類の種よりも多くの微生物の種が存在します。

ファイアー氏は、自分の研究が法医学にも応用できると考えている。「家の内外で見つかった微生物を使って、その家がどこにあるかを正確に特定できるかもしれない」と同氏は言う。「犯罪者の衣服や車の表面についている微生物を調べることで、犯罪者がどこにいたかを特定できる可能性もある」

Wild Life of Our Homes のデータ分析は継続しており、1,400 人のボランティアが枕カバーに生息するさまざまな微生物の生息数と環境起源の可能性について学べるデジタル インタラクティブ「レポート カード」の開発も進められています。一方、ファイアー氏は新しいプロジェクトを開発しています。皮膚微生物と体臭の関係を調査したいと考えており、絶滅危惧微生物を保護するという考えを支持しています。「植物や動物の保護に関する文献は数多くありますが、微生物の保護についてはしばしば省略されています」とファイアー氏は言います。

ファイアー氏が死ぬまでにやりたいことリストに挙げているすべてのプロジェクトを目にすると、私たちが知っている世界とはまったく異なる世界を思い浮かべずにはいられない。その世界では、あらゆる表面に細菌のコロニー、真菌の堆積物、ウイルスの塊が渦巻いている。そう、ファイアー氏は、私たちはみな、良くも悪くも微生物のスープに浸かっているのだ、と説明する。「ありがたいことに、私は心気症ではありません」と彼は言う。

あなたと一緒に暮らしているものは何ですか？

約 1 年半前のある朝、ニューヨークのブルックリンにある自宅で、いつものように目が覚めました。飼い犬がベッドに飛び込んできて、枕に顔を突っ込んだのです。その日、私は何が一緒に来たのか気になりました。動物と一緒に暮らすことが、アパートの微生物組成に影響を与えたのでしょうか。その疑問に答えるために、私はノースカロライナ州の Rob Dunn が運営する「Wild Life of Our Homes」プロジェクトに参加しました。ボランティアが生活空間の指定された場所を綿棒で拭いて微生物 DNA を採取し、その DNA を配列して、どの種がどこに出現するかを明らかにします。これが、米国の他の 18 人の人と私の比較です。—Brooke Borel

この記事はもともと、Popular Science の 2014 年 4 月号に掲載されました。