第9話
 シリーズ 水中の不思議なミクロの世界 〜その1〜 

     水 −生命を支える基本物質−
 

 
「主な対象読者」
 中学生から高校低学年生までが主な対象者です。
「先生へのお願い」
 言葉に惑わされると先に進みませんから、むずかしい漢字は誰かに聞くとよい、また意味が判らない用語がありましたら「微生物の用語解説」で調べてみてください。
 児童や生徒でも読めるように難しい漢字には(おくりかな)をつけました。お父さんやお母さんが子供と一緒に読んでくださることをのぞんでいます。
 親子で興味と時間を共有できることを期待しています。
 
 
 
 
 
 
本 文 目 次
 
第一章 さまざまな水の環境(かんきょう)
1.水と生物
2.地球上の水
第二章 地球の創造(そうぞう)と海の出現
1.地球の創造
2.海の出現
第三章 生命の誕生(たんじょう)
1.無機物から有機物への変化
2.最初の生命体
第四章 生物界の区分
1.動物界
2.植物界と菌界
3.原生生物界
4.原核生物界
5.ウイルス、ウイロイド、プリオン
第五章 ミクロの生物界
1.微生物とは
2.水界の微生物
 
著作 野村 節三
 

 
第9話 シリーズ 水中の不思議なミクロの世界 〜その1〜

     水 −生命を支える基本物質−
 
 
 
第一章 さまざまな水の環境(かんきょう)
1.水と生物
 水は自然界のいたるところに存在し、すべての生物にとって欠かすことができない、基本的な物質であることは誰でも知っています。
 では、なぜ水が生物にとって一番大切な物なのでしょうか ?
 地球が誕生(たんじょう)してから、原始(げんし)の地球上に大量の水ができ、その水の中で最初に生命が誕生しました。そこで、生物はその水を生きるための手段として、体内へ取り込み、体内の仕組みが水を介して行なわれるようになりました。そして、気が遠くなるような長いながい進化の道を経て、現存(げんそん)する生物になったのですから、地球上の生物はすべて水なしには生きてゆけないのです。
 
2.地球上の水
 地球が「水の惑星(わくせい)」といわれるように、水は地球の表面積(ひょうめんせき)のほぼ4分の3を占めています。そして、地球上の水のほとんどが海水で、その割合は 97.2%です。
 陸地では、氷雪や氷河(ひょうが)が2.1%、地下水が0.6%、河川水や湖沼水(こしょうすい)その他の陸水は0.1%です。また、水は大気中に雲や水蒸気(すいじょうき)として、0.001%存在しています。
 陸水のほとんどは塩分を含まない河川や湖沼などの淡水(真水)(まみず)です。世界最深の湖であるシベリアのバイカル湖は純淡水湖(じゅんたんすいこ)です。
 一般の淡水はカルシウムやマグネシウムの量が非常に少ない水で、これを軟水といいます。これに対して、石灰岩地帯の洞窟(どうくつ)、鍾乳洞(しょうにゅうどう)の水やその地下水にはカルシウムやマグネシウム量が多く含まれ、それを硬水といいます。
 
表1.地球上の水の割合
  水の種類           割合(%) 
   海 水             97.2
   陸 水
             2.8
    (氷雪、氷河
         2.1)
    (地下水
           0.6)
    (河川・湖沼水
        0.1)
   水蒸気            0.001
 
 また、陸水でもまれに、アメリカのグレート・ソルト湖やイスラエルとヨルダンの国境にある死海(しかい)のように、高い濃度の塩分を含む塩湖の水もあります。塩分についてはのちに述べます。
 塩分を含まない淡水に対して、塩分を含む水を鹹水(かんすい)といい、その代表が海水ですが、塩湖の水も鹹水です。また、海へ流れこむ河口付近の水は河川水と海水が混ざっていますので、これを汽水(きすい)といいます。
 サロマ湖や浜名湖は汽水湖です。世界最大の湖である中央アジアのカスピ海とその東にあるアラル海は太古の海が変化してできた湖で、カスピ海は淡水域と鹹水域(海水の塩分の3分の1)がある特殊な湖ですが、アラル海は淡水域がなくカスピ海と同じ塩分濃度の大塩湖です。
 そのほか、火山地帯にある硫酸や塩類を含む酸性度の強い温泉水鉱泉水は特殊な陸水です。また、最近になって深海の熱水噴出孔(ねっすいふんしゅつこう)の付近の不思議な様子も判ってきました。このような環境は地球が誕生した当時の状態を現在も残しているわけで、生物の進化の謎がひそむ貴重な環境です。
 一方、自然界では生物の体内や鉱物の中にも水が存在します。これらの水が単独で存在している場合は自由水または遊離水(ゆうりすい)といいます。これに対して、ほかの物質と結合している場合は結合水(けつごうすい)といい、それぞれ、生体内での働きや物質の特性を表しています。
 
表2.環境水の種類
 水の区分          環 境 水
  陸水
    淡 水:
地下水、河川水、湖沼水(こしょうすい)
    汽 水:
河口水、一部の湖沼水
    塩 水:
塩湖水(えんこすい)(鹹水 かんすい)
    鉱泉水:
温泉水、鉱山水(こうざんすい)
  海水(鹹水 かんすい)
   一般海水、深海水


第二章 地球の創造(そうぞう)と海の出現
1.地球の創造
 地球の水のほとんどは海水です。「海は生命のふるさと」といわれるように、地球が創造されてから海が出現し、そこで生命が誕生したと考えられています。
 では、どのようにして地球が創造され、そこに海が出現したのでしょうか ?
 今からおよそ46億年前に、宇宙のガスや粒子が集まって、微惑星(びわくせい)といわれる小さな天体になり、さらに、それらが衝突、合体して原始(げんし)地球が創造されたと考えられています。その時の原始地球には、隕石(いんせき)が絶え間なく衝突して、地球は超高温のコアといわれる中心部と、それを被う灼熱(しゃくねつ)のマントルからなっていました。
 やがて、それが徐々に冷えて、地球には中心部の核、マントル、地殻(ちかく)ができ、ほぼ現在の地球に似た状態になったと考えられています。
 
2.海の出現
 原始の地球では、火山の爆発などで大気中へ多量の水蒸気が吹き出し、その水蒸気が凝結(ぎょうけつ)して大量の雨になりました。その時、大気中にあった二酸化炭素や塩素が雨に溶け込んで地上に降り注いだり、岩石の中のナトリウム、カリウム、カルシウム、マグネシウムなど水に溶けやすい成分が川からも広い低地へ流れ込んで、原始の海になったと考えられています。
 
表3.海水のおもな化学成分
成 分 濃度(g/kg)*1 塩分中の比率(%)*2
塩素イオン
ナトリウムイオン
硫酸イオン
マグネシウムイオン
カルシウムイオン
カリウムイオン
炭酸水素イオン
臭素イオン
硼 酸
18.98
10.65
2.65
1.27
0.40
0.38
0.14
0.065
0.026
54.91
30.82
7.67
3.67
1.16
1.10
0.40
0.19
0.08
塩 分 量 34.56 100.00
*1:化学大辞典(1998)引用  *2:濃度より算出


 この原始の海が出現したのは、今からおよそ41億年前といわれています。そして、およそ38億年前に現在の海に近い状態になったと考えられています。では、どのようにして生命が誕生したのでしょうか ?
 



第三章 生命の誕生(たんじょう)
1.無機物から有機物への変化
 原始の海ができた頃、陸上や海水はまだかなり高温で、太陽から強い紫外線(しがいせん)が降り注いでいたと考えられています。当時の大気中のどのような成分が生命の誕生につながったかについては、いくつかの仮説があります。
 1953年にアメリカのシカゴ大学の大学院生だったS.ミラーが水蒸気、水素、アンモニア、メタンを材料にして、原始地球の条件を再現した実験を行って、アミ ノ酸などの有機化合物が合成されました。その後あいついで、いくつかの材料を使ったミラーの実験が行なわれて、核酸(かくさん)の成分や糖が合成されました。
 そこで、当時の大気には水蒸気、水素、アンモニア、メタン、硫化水素(りゅうかすいそ)、リン化水素などが存在していたという考え方です。つまり、これらが溶けた海水の中で、高熱と強い紫外線や放電(ほうでん)作用を受けて、ホルムアルデヒドやシアン化水素などを経て、タンパク質の成分であるアミノ酸や核酸の成分であるプリン、ビリミジンなどの有機物に変化したという説です。
 その後、材料を窒素、一酸化炭素、二酸化炭素に置き換えたミラーの実験が行なわれたところ、合成された有機化合物は極端(きょくたん)に少なかったことから、生命誕生の元になった物質は、当時の大気中にあった成分ではないという説もあります。
 また、深海の熱水が噴出する付近で、生命が誕生したのではないかという説もあります。この特殊な環境は高温・高圧で、水素、アンモニア、硫化水素、メタンなどのほかに、鉄やマンガンなどの金属イオンが存在します。
 その環境条件を再現した実験で、アミノ酸からタンパク質を含んだ膜状の微小球ができたことから、地球上に海が出現した当時の環境と同じような、海底の熱水噴出孔付近での反応が、生命の誕生につながった可能性もあると考えられています。
 いずれにしても、原始地球の海の中で、単純な無機物から生物の基本となるタンパク質や遺伝子の本体である核酸など、複雑な有機物になったと考えられます。このように、地球上で生命が誕生する以前の、無機物から有機物への変化は「化学進化」とよばれています。
 
2.最初の生命体
 海が出現してから数億年という長い間に、複雑な有機物がゲル状、膜状あるいは粘土状物質へと変化して、初めて原始の海の中で生命が誕生したのではないかと考えられています。実際にその生命が誕生したのはいつ頃なのでしょうか?
 これは非常に古い地層や岩石の中にあった微生物化石から推定されています。1968年に南アフリカで約35億年前の岩石から、ある種の生命体(原始的な藻類か細菌類)と考えられる最古の微生物化石が発見されました。
 ところが、1996年にグリーンランドの約38億年前の堆積岩(たいせきがん)から、生命の証拠(しょうこ)とされるリン酸カルシウムや炭素の同位体からなる粒が発見されましたので、生命誕生の歴史はさらに3億年もさかのぼることになります。
 恐竜(きょうりゅう)の全盛時代は約2億年前ですが、2001年にアフリカのチャドで発見された 、人類の祖先とされる最古の猿人〈サヘラントロプス・チャデンシス)の化石が約700万年前のもの といわれています。これらの年代を比べても、生命の誕生がいかに古い年代であったかが判ります。
 

第四章 生物界の区分
 現在、地球にはおよそ 1 千万から数千万種の生物がいると推定されています。海で生命が誕生してから35億年ないし38億年という長い時間をかけて、現在生存している膨大な種類の生物に進化したのです。
 それでは、この多種類の生物はどのように区分されているのでしょうか ?
生物界は高等生物から順に、動物界、植物界、菌界、原生生物界、原核生物界(げんかくせいぶつ)とウイルスの6つの界に大きく分けられています。
 
1.動物界
 動物界はよく知られているように、高等動物として哺乳類(ほにゅうるい)、鳥類、爬虫類(はちゅうるい)、両生(棲)類(りょうせいるい)、魚類、それにヤツメウナギやメクラウナギなどの円口類(えんこうるい)が属します。これらは典型的な脊椎をもっていますから脊椎(せきつい)動物とよばれます。
 三陸沿岸で養殖が盛んなホヤは原始的な脊索をもっていますから、原索(げんさく)動物の仲間でタコやイカより高等です。
 動物界はさらに広く、昆虫、クモ、カニ、エビなどの節足動物やタコ、イカ、 カイ、アメフラシなどの軟体(なんたい)動物、ウニ、ナマコ、ヒトデ、クモヒトデ、ウミユリが属する棘皮(きょくひ)動物のほか多種類の下等動物がいます。これらは無脊椎動物とよばれ、その多くが海に生息しています。
 
  表4.動物界の区分(特殊な生物群は省略)
(1)脊椎(せきつい)動物
  哺乳類:ヒト、サル、イヌ、ネズミ、クジラ、イルカ、アザラシなど
  鳥類:ニワトリ、スズメ、ワシ、カモ、ペンギンなど
  爬虫類:ヘビ、トカゲ、ヤモリ、ワニ、カメなど
  両生類:カエル、イモリ、サンショウウオなど
  魚類:マグロ、タイ、サバ、イワシ、サメ、チョウザメ、エイなど
  円口類:ヤツメウナギ、メクラウナギなど
(2)原索(げんさく)動物:ホヤ、ナメクジウオなど
(3)無脊椎(むせきつい)動物
  節足動物
  昆虫類:カブトムシ、カミキリムシ、ハチ、アリなど
  甲殻類:カニ、エビ、ザリガニ、ヤドカリ、フジツボ、ミジンコなど
  無角類:カブトガニ、クモ、サソリ、ダニなど
  軟体動物:タコ、イカ、カイ、アメフラシなど
  棘皮(きょくひ)動物:ウニ、ナマコ、ヒトデ、ウミユリなど
  腔腸(こうちょう)動物:クラゲ、イソギンチャク、サンゴなど
  海綿動物:カイメンなど
  環形動物:イソメ、ゴカイ、ミミズ、ヒルなど
  輪形動物:ワムシなど


2.植物界と菌界
 植物界もよく知られている多くの樹木、草のほかに、シダ類、コケ類が含まれます。また、菌界にはキノコ、カビ、酵母などの真菌類や地衣類(菌類と藻類の共生体) が入ります。アマモのような海の植物は本来は陸上にあった草ですが、長い間にその場所が内湾の浅い海になり、その環境に順応して生きていると考えられています。このような植物を海草といって、よみは同じですが海藻と区別されています。
 


表5.植物界と菌界の区分(特殊な生物群は省略)
植物界
  (1)被子植物:モクレン、サクラ、キク、ユリ、ラン、イネ、タケ、ススキなど
  (2)裸子植物:ソテツ、イチョウ、マツ、スギ、マオウなど
  (3)シダ植物:トクサ、スギナ、ワラビ、ゼンマイ、ウラジロなど
  (4)コケ植物:ゼニゴケ、ミズゴケ、スギゴケなど
菌界
  (1)地衣類:ウメノキゴケ、リトマスゴケなど
  (2)真菌類:キノコ、アオカビ、酵母、ツボカビなど
 
3.原生生物界
 原生生物界には緑藻(りょくそう)、紅藻(こうそう)、褐藻(かっそう)、珪藻(けいそう)などの藻類、アメーバ、ゾウリムシなどの原生動物(原虫)、変形菌(粘菌)などが含まれます。この内、すべての藻類や多くの原生動物が水生です。
 これまでに述べた、動物界、植物界、菌界、原生生物界の生物は共通に進化した核と複雑な細胞からできていますので、真核生物とよばれます。
 
表6.原生生物界の区分(特殊な生物群は省略)
 (1)緑藻、紅藻、褐藻、珪藻類:クロレラ、アサクサノリ、コンブ、
   ワカメ、クチビルケイソウなど
 (2)渦鞭毛藻類(うずべんもうそうるい):夜光虫、ディノフィシスなど
 (3)変形(粘)菌類:ホコリカビなど
 (4)原生動物:アメーバ、ゾウリムシ、太陽虫、放散虫、ラッパムシなど
 
4.原核生物界
 原核生物界は原始的な核をもった細胞で、生物界の底辺に存在しています。この界には非常に多くの種類がある細菌(バクテリア)と藍藻(シアノバクテリア)が含まれます。
 藍藻は以前には、下等な藻類の1群と考えられていましたが、近年になって細菌と同じような原始的な細胞であることが判って、原核生物に属することになりました。そこで、藍藻類は藍色細菌またはシアノバクテリア(シアノは青緑色という意味)とよばれるようになりました。ここでは、一般的な藍藻とします。
 
表7.原核生物界の区分(特殊な生物群は省略)
 (1)細菌類:大腸菌、ブドウ球菌、腸炎ビブリオ、破傷風菌、結核菌、
        鉄細菌、硫黄細菌など
 (2)藍藻(藍色細菌):スイゼンジノリ、アオコ、ユレモなど
 
 
5.ウイルス、ウイロイド、プリオン
 ウイルスは最も微小な生物群ですが、細胞ではなく遺伝子の核酸(DNAまたはRNA)をタンパク質が被っている粒子です。1つのウイルス粒子をビリオンといいます。ウイルスは生物界と無生物界の境にある、生命をもった高分子物質ともいえます。すべてのウイルスがほかの生物に寄生して増殖しますので、病気をおこす病原体(カビや細菌と違って病原菌といえない)なのです。
 さらに、ウイルスより小さいウイロイドとよばれる生物も実在します。ウイロイドは核酸(RNA)だけをもっ植物の病原体で、動物からは発見されていません。
ところで、最近世間を騒がせた狂牛病(ウシ海綿状(かいめんじょう)脳症(のうしょう):BSE)やクロイッツフェルト・ヤコブ病の病原体がプリオンであるという説があります。
 プリオンははたして生命体なのでしょうか ? プリオンには生物特有の遺伝子核酸がなく、特殊なタンパク質とされています。そこで、プリオンは感染性タンパク微粒子とよばれています。
 
表8.ウイルス、ウイロイドの区分(特殊な生物群は省略)
  ウイルス:インフルエンザウイルス、脳炎ウイルス、肝炎ウイルス、
        狂犬病ウイルス、エイズウイルス、ノロウイルスなど
  ウイロイド:ジャガイモウイロイドなど
  プリオン:クロイツフェルド・ヤコブ病、BSEの病原体


第五章 ミクロの生物界
1.微生物とは
 さて、一般にミクロの生物界といわれる微生物とはどの範囲をいうのでしょうか ? 微生物はほとんどが単細胞からなり、一般に肉眼では見えず顕微鏡でのみ 観察できる微小な生物群を指します。ただし、キノコや粘菌のように肉眼やルーペでも見える生物も、細胞の仕組みから微生物に入ります。つまり、微生物の範囲は、動物界と植物界を除く、菌界、原生生物界、原核生物界、それとウイルス(ウイロイドも含めて)のすべてが含まれる非常に広い生物の世界です。
 
2.水界の微生物
 前に述べたように、海で原始的な微生物が誕生して以来、ぼうだいな種類の生物に進化してきましたが、水界には陸上にもまして多種類の生物が存在しています。中でも、水界の微生物は多く、生命の歴史からみても、水と微生物は深い関係を保ちながら、地球上の様々な水の環境に適応して生存しています。
 広大な海洋をはじめ、河川、湖沼、水田などの身近な環境には、非常に多種類の微生物がいます。また、高温で強酸性の温泉や深海底の熱水域、あるいは極地や氷河、高濃度の塩分が含まれる塩湖や、一般の生物が生存できない異常な環境にも微生物は生きています。これらの微生物をまとめて水圏(すいけん)環境微生物といいます。そのほかに水産増養殖業や水族館で問題になる多種類の水生哺乳類、魚類、甲殻類、貝類、藻類などに病気をおこす微生物もいます。これを水族病原微生物といいます。水生生物の病気の原因になる微生物については、「シリーズ その5」で述べます。
 このように、水中の微生物界は広くて深く、謎に満ちた不思議な世界です。
 そこでまず、海と海に棲む数々の生物の話から始めて、ミクロの世界を探険することにしましょう。
 
 
平成19年2月20日
著作 野村 節三(せつぞう)
野村環境微生物学研究室 代表
(北里大学名誉教授、理学博士) 
 
 
「水中の不思議なミクロの世界 その2」に続く
 
 

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