Toward an integrated theory of the relationship between chemotrophic microbial communities and free energy

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本研究は多様な化学反応からエネルギーを獲得する微生物群集や群集の合成するネットワークの特徴量と、エネルギーを普遍的に記述する熱力学におけるエネルギー状態量との関係を理解するための方法論の確立と理論構築を目指す。生物多様性と生態系の物質流やエネルギー流により与えられるとする生態系機能との関係は長く生態学における1つの問いであるが、反応の利用の多様性と化学エネルギーの関係性を理論的に問う点が本研究の新規制である。初年度に当たる令和4年度は、申請者がこれまで開発してきた数理モデルを発展させ、数百-数千から成る化学反応と微生物種から構成される生態系ネットワークシミュレーションを実施可能とするEco-Redoxモデルを開発した。Eco-Redoxモデルによる数値演算を網羅的に実施することにより、単純なネットワークから構成される群集のエネルギー利用と複雑なネットワークから構成される群集のそれを比較することが可能となった。その結果、ネットワークの複雑性（微生物代謝機能の多様性）や分業による循環構造の維持が、群集全体におけるエネルギー転換効率を上昇することを発見した。本研究成果を2本の論文にまとめ、現在それぞれ国際誌に投稿・査読中である。また、本研究成果に関する成果を国内の学会やシンポジウムで8件発表し、内6件が招待公演、1件が国内開催の国際シンポジウムである。ここまでで得られた仮説を検証するために、窒素反応ネットワークに特化したEco-Redoxモデルにより、微生物窒素代謝ネットワーク進化の再現研究を進めている。また、実証研究を模索するため、水圏の電位測定と環境DNAサンプリングを合わせた化学エネルギーと微生物群集組成動態のモニタリングに着手した。