クアンタマガジン

2023 年 6 月 7 日

ウッズホール海洋研究所（WHOI）の施設では、研究者のクリス・ジャーマン氏が、最も深い海溝の底まで11,000メートル降下できる遠隔操作車両の横に立っている。

イアン・マクレランがQuanta Magazineに寄稿

寄稿者

2023 年 6 月 7 日

英国のロチェスターで育った少年のクリス・ジャーマンは、家族の強い海事の伝統を知っていましたが、それを継承するつもりはありませんでした。 彼の祖父の1人は生涯の大半をイギリス海軍に勤務し、もう1人はジャーマンの父親と2人の叔父と同様にチャタム海軍造船所で働いていた。 しかしジャーマンは、将来の海洋航海士を訓練するために 1708 年に設立された学校に通ったにもかかわらず、決して海には行かないと誓った。

ジャーマン氏は、他のキャリアについても決して考慮しない強い意見を持っていました。 彼は地質学が嫌いでした。彼の限られた経験では、母と弟と一緒にテムズ河口の悪臭を放つ干潟を歩き、泥の中から化石を探しました。 生物学も彼があまり熱心に取り組んでいなかった科目でした。

したがって、若いドイツ人は、大人になった自分が海洋地球化学者になると知ってひどく失望したかもしれない。 それでも、この選択は、深海の領域についての科学的理解を進める上で恩恵をもたらしました。 現在ウッズホール海洋研究所の上級科学者であるジャーマン氏は、おそらく誰よりも熱水噴出孔（熱くミネラル豊富な流体を海に放出する海洋地殻の亀裂）の探索に貢献した。

ロードアイランド大学の海洋学者アダム・ソウル氏は、「彼は深海で研究し、熱水噴出孔とそれが支える生物群集を発見する天才だ」と語った。

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WHOI のドイツ人の研究室の作業台には、世界中の熱水噴出孔への過去の遠征中に収集されたサンプルと画像が並べられています。 壁に貼られた凍った月の写真は、彼が探検したいと願っている奇妙な海を証明しています。

イアン・マクレランがQuanta Magazineに寄稿

最初の熱水噴出孔は、ドイツ人が高校生だった 1977 年に、ガラパゴス諸島から約 400 マイル離れた場所で科学者によって発見されました。 その後何年もの間、熱水噴出孔は太平洋にのみ存在するという考えが主流でした。 ジャーマンはその状況を変えるのに貢献しました。彼は南極沖と北極海の噴出口を最初に発見した人でした。 彼は、これらの現場やその他の現場をアルビンやその他の潜水艇で直接調査しましたが、より遠隔の海底環境から写真、測定、サンプルを撮影するためのセンサー、ロボット探査機、その他の機器も開発しました。

生命とその可能性は、海底での発見で顕著に表れています。 太陽光や光合成の成果が完全に遮断された噴出口付近の繁栄した生態系で、600種以上の新種が発見されている。 2012年、ドイツ人はミッド・ケイマン・ライズへの遠征隊を率いた。ミッド・ケイマン・ライズは、地殻プレートが離れつつあるカリブ海のふもとに広がる海中山脈（または中央海嶺）の中心である。 そこで初めて、彼と彼の同僚は水中での非生物合成、つまり完全に非生物学的なプロセスによる生命の構成要素である有機分子の生成を目撃しました。

「それが私の宇宙生物学への関わりの出発点でした」とジャーマン氏は語った。 「このような発見は、NASAが関心を持っている水中環境が存在し、将来の地球外生命探査において重要になる可能性があることを認識するのに役立ちました。」

2020年、ジャーマンは、NASAが資金提供した5年間の760万ドルの海洋世界プロジェクトの指揮を依頼され、エウロパ、エンケラドゥス、タイタン、トリトン、その他の天体の氷に覆われた海で生命を探索する戦略を考案する任務を負った。太陽系。 技術的な課題は気の遠くなるようなものである、と同氏は認めた。「しかし、NASAは、地球の海でそれらの問題を解決しようとする豊富な経験があるので、車輪を一から再発明する必要はない。」

2019年、北極のオーロラ熱水噴出孔の上空4,000メートルの氷の上で、ドイツ人はノルウェーの調査船クロンプリンス・ホーコンの横に、遠征の主任科学者であるREVオーシャンのエヴァ・ラミレス・リョドラとともに立っている。

クリス・ジャーマン氏の厚意により

ジャーマン氏は、北極海とハワイ近くの活海底火山への旅行の間の一連の会話の中で、マサチューセッツ州ウッズホールのクアンタ氏と深海の冒険について語りました。 インタビューはわかりやすくするために要約および編集されています。

私は 1981 年に化学工学者になることを目指してケンブリッジ大学に学部生として入学しましたが、状況はすぐに変わりました。 私が最初の週に、たまたまプレートテクトニクスの分野の巨人だった講師がアルプスの進化について話してくれました。 私はこれまで家族旅行でスイスアルプスへ行ったことが一度だけイギリスを出たことがありましたが、そこで自然の美しさに衝撃を受けました。 これらすべてを説明する理論が地質学の一部であることを知ったとき、この分野では火山や地震を研究できるようになり、石油精製所や化学工場で働くよりもはるかに面白いだろうと決心しました。

2 年目のとき、著名な火山学者であるスティーブ・スパークスが、最近見出しになったセントヘレンズ山の噴火について講義したとき、私はこのテーマにさらに引き込まれました。 3年生のとき、私はハリー・エルダーフィールドから海洋化学について学びました。 化学と火山学への私の興味と地球の海を組み合わせるというアイデアは興味深く聞こえたので、地質学を副専攻ではなく主専攻にしました。 1984 年に、私はエルダーフィールドの監督の下で海洋地球化学の大学院研究を始めました。

最初のブラックスモーカーは最も壮観な種類の熱水噴出孔であり、1979 年に太平洋で発見され、1981 年の論文で報告されました。 ブラックスモーカーは海底の壮観な特徴であり、高さ約200フィートにもなる鉱床から形成された「煙突」から最も熱く最も暗い噴煙を吐き出します。 1985年、ケンブリッジのエルダーフィールドらは、大西洋中部大西洋海嶺で初めて黒人喫煙者を発見したチームの一員だった。 彼らは興奮して戻ってきましたが、その一部は明らかに私にも影響を与えました。 1年後、私は初めてのクルーズに申し込みました。

出発する前に、私は博士号取得の道をすでにかなり進んでいたので、この研究が気に入ってほしいと同僚に話しました。 仕事。

私たちはカナリア諸島から大西洋中部、TAG [大西洋横断ジオトラバース] 火口の上を目指して航海しました。そこは陸地からどの方向に行ってもほぼ同じ距離にあります。 吐き気はありましたが、3日目には海脚も治りました。 結局のところ、私の遺伝子には何かがあったのかもしれません。

途中、アルビン潜水艦を積んでいたウッズホールの船、アトランティスⅡとすれ違った。 「私はそんなことには絶対に落ち込まないですよね？」 船員が私に尋ねました。

「機会がなければいいのですが、もし頼まれたら断ることができないからです。でも、私は本当に閉所恐怖症に苦しんでいます。」と私は答えました。

数年後、私はまさにそれをするように頼まれました。

2014年、調査船アトランティス号に乗船し、潜水船アルビンの明かりに照らされたドイツ人。1989年、彼は初めて黒人喫煙者を一目見るためにアルビン号に降下した。

クリス・ジャーマン氏の厚意により

これは 1989 年のことであり、マサチューセッツ工科大学での 2 年間のポスドク生活の途中で、私はそこで 1977 年のガラパゴスクルーズで最初の低温熱水噴出孔の共同発見者であるジョン・エドモンドと一緒に研究をしていました。 エドモンドと私は再びTAGに行き、今度はアルビンのおかげで黒人喫煙者を間近で見ることができました。 アルビンは以前にもこの地域を訪れたことがありましたが、パイロットは良好なサンプルを入手するのに十分な距離に近づく安全な方法を見つけることができませんでした。 ブラックスモーカーの上部は、上部が折れた消火栓のようなものです。 巻き込まれそうなほど強い流れがあり、湧き出る水の温度は400℃にも達します。

エドモンドと私が思いついたトリックは、状況が比較的穏やかな煙突の根元から始めて深く降りてから、慎重に上に上がっていくことでした。 このようにして、私たちはその場所から最初の本当に良質なサンプルを入手することができました。この水には硫黄、鉄、銅、亜鉛、鉛が含まれており、それが黒く見えるのです。 これは大西洋の熱水噴出孔からの採取に初めて成功した例となった。

Alvin の中にいること自体が素晴らしい経験でした。 科学者 2 名とパイロット 1 名だけが乗り込むことができ、滞在できる時間はわずか 8 時間です。 あまりにも忙しいので時間があっという間に過ぎてしまいます。 誰も見たことのないものを見ている可能性は非常に高いです。 黒人喫煙者にこれほど近づくのは信じられないほど興奮した。 イエローストーンの温泉まで車を運転することはできません。 そしてこの海底の噴出口は、オールド・フェイスフルとは異なり、何千年もの間絶えず湧き続けています。 それは私たちの惑星の中に閉じ込められた力とエネルギーを物語っています。

MIT での 2 年間に、私は熱水噴出孔の研究に対する情熱を育みました。 私が取り組んだ問題は、もしイギリスを離れてイギリスに戻ったら、どのようにして新しく独創的な役を演じることができるのかということでした。

私が大学院に通い始めたほんの数年前には、大西洋には熱水噴出孔は存在しないとまだ広く信じられていたことを思い出してください。 それが真実ではないことはわかっていましたが、この地球上に熱水地帯がどれだけあるのか、そしてそれらを探す最も効率的な方法は何なのか、疑問に思いました。

通気孔自体は通常、サッカー場ほどの大きさしかありませんが、そこから出るプルームは、水柱の中に上昇して膨張するキノコ雲のようなものであることに気づきました。 10,000倍に薄めた後でも、鉄、マンガン、その他の金属の濃度は通常の海水の100倍です。 光学センサーを使用して水の濁りを測定するだけで、化学測定を行うことなく、これらのプルームの証拠を見つけることができました。 そして、プルームの広がり方により、これらの特徴は数百キロメートル離れた場所からも検出されることがあります。

1990 年にポスドクを終えた後、私は英国に戻り、ワームリー村にある国立海洋研究所に就職しました。 私はもうアルビンのような潜水艦にアクセスできませんでしたが、研究所のグループがソナーを使用して海底の地図を作成する曳航可能な機器を開発したばかりでした。 私は、その乗り物に光学センサーを取り付ければ、熱水活動がどこにあるのかを把握できるだろうと言いました。

初めてこのアプローチを使用したとき、これまで 2 つしか知られていなかった大西洋で 6 つの新しい噴出孔を発見しました。 それはもはや、偶然に物事に遭遇するという問題ではありませんでした。 計画的に取り組むことができます。

上部では、ドイツ人が回収された破片を使用して、ケイマン中部隆起の海底の構造を示しています。 この板は、彼のチームがハワイ近くの海底火山から回収した黒い溶岩の塊（左下）とは対照的である。 通気口の場所のミニチュア 3D モデル (右下) では、通気口の周囲にそびえる細長い石の煙突が触ると鋭く感じられます。

イアン・マクレランがQuanta Magazineに寄稿

1990 年代初頭、構造プレートが年間わずか約 10 ～ 50 ミリメートルしか離れない「ゆっくりと広がっている」または「超ゆっくりと広がっている」海嶺では熱水活動は存在しないというのが常識でした。 （急速に広がる尾根でのプレートの動きは 10 倍の速さです。）なぜそうなる必要があるのか​​わかりませんでしたが、1997 年に私たちは光学センサーをインド洋の最も遅い南西インド尾根（最も遅いものの 1 つ）に持ち込みました。広がる尾根が知られています。 そこで6か所の熱水噴出口を発見しました。 2年後、私たちは南極近くの未踏の海のさらに遠い場所で熱水活動を発見しました。 その時点で、私はこれらの通気口がどこにでも存在する可能性があると信じて安心しました。 つまり、何か新しくて違うことが必要だったということです。

その通り。 1977 年以来、熱水噴出孔ではすでに何百もの新種が発見されており、その発見速度は衰えていませんでした (そして今も)。 新しい噴火口の場所では必ず新種が見つかります。 これらのコミュニティの食物網の根元には、太陽光ではなく化学反応からエネルギーを得る化学合成微生物がいます。 この事実は、光合成が存在しないものの、熱水活動の存在など、生命が誕生する可能性のある条件が依然として存在する他の世界の氷に覆われた海洋に対する NASA の関心を引き起こした。

NASA からの私の最初の資金提供は、2009 年から 2013 年まで、カリブ海のミッド ケイマン海峡への 4 回のクルーズを支援しました。 これらの通気口からは大量の水素が放出され、有機化合物の合成が可能になることがわかりました。 さらに、これらの化合物は、単に動物からリサイクルされたものではなく、新たに作成されたもの、つまり「非生物的に合成された」ものです。 私たちは、これが地質学的に活動的な系から生物学的に活動的な系に移行する方法ではないかと提案しました。

次のステップは、エウロパやエンケラドゥスに存在すると信じられているような、氷で覆われた海での作業でした。 私は 2014 年に、私が開発に協力したバッテリー駆動の潜水艦を搭載したドイツの砕氷船に乗って北極海へ旅行する際にチャンスを掴みました。 ROV（遠隔操作車両）と呼ばれる繋がれたロボット潜水艦には通常、垂直に垂れ下がった太い電気ケーブルがあり、横に50メートルしか移動できませんが、氷が常に動いている海ではうまく機能しません。 バッテリー駆動のサブウーファーには、データと通信用の細い光ファイバー ケーブルが装備されており、何キロメートルも横に移動できます。 私たちはミッション終了のわずか2時間前に、北極で史上初の熱水噴出孔であるブラックスモーカーを目撃しました。

私は 2019 年にノルウェーの砕氷船でその場所、オーロラ噴出口フィールドに戻りました。その際、噴出動物を観察できるようになった高性能のカメラを持っていました。 私たちのノルウェー人の同僚は 2021 年に帰国し、その地域から最初の生体サンプルを収集しました。 その時私は遠く離れた南東太平洋を探検していて、そうでなければ彼らに加わっていただろう。

「海は非常に大きいのに、ほとんど探検されていないため、私たちは常に知識の限界を押し広げていますが、これはどの分野についても言えることではありません」とジャーマン氏は語った。

イアン・マクレランがQuanta Magazineに寄稿

まず、氷に覆われた海は北極だけです。 さらに、オーロラの噴出孔には水素が豊富に含まれていることを示しました。したがって、すべての兆候は、氷で覆われた海であるという地質学的条件があり、有機化合物の非生物的合成を引き起こす可能性があることを示しています。 私たちはその仮説を確かめるために、この夏の後半にオーロラに戻る予定です。 私たちはまた、これらの噴出孔に地球上で最も原始的な生命体のいくつかが生息していることを示すことも期待しています。

私はこの夏、ジェット推進研究所のエンジニアたちと北極で時間を過ごし、氷を切り裂くことができるロボットの開発に取り組む予定です。それはいつかエウロパでも実現したいと考えています。 別の惑星の氷を通り抜けたら、私たちは何をするでしょうか? そうですね、腐食性の高い湿った塩分を含んだ環境で、高圧で動作できる電子機器が必要になります。 これは、NASA が伝統的に心配する必要のないことでしたが、海洋技術者は毎日考えていることです。 私たちが現在、Exploring Ocean Worlds プロジェクトを通じて取り組んでいるのは、これら 2 つの専門知識を融合することです。

その上で、私の次の優先事項は、エンセラドゥスの海底で見つかる可能性のある深さと水圧の条件を備えていることもあり、これまでに何度か訪れたハワイの海山[海底火山]に戻ることです。

それの大きな部分は、決して退屈しないということです。 私たちは学びを決してやめません。 海は非常に大きいのに、ほとんど探検されていないため、私たちは常に知識の限界を押し広げていますが、これはすべての分野について言えることではありません。 世界の中央海嶺の 80% は、通気のための探査がまだ行われていません。 私がこれまで可能だと考えていた以上のことが起こっているという事実に、私は常に謙虚に感じています。 私たちの惑星の表面の大部分は深海で覆われているため、誰かがそれに注目する必要があります。

私は、オープンマインドを保ち、人生がどこに転がろうとも従うことが重要であることを学びました。 一般的にはとても良いアドバイスだと思います。

寄稿者

2023 年 6 月 7 日

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