2024年9月9日
これを読んでいる今、冷蔵庫ほどの大きさの白い箱が時速 17,500マイル（28,000 km/h）で宇宙を疾走しており、地球に向けて 1 秒間に242回4本のレーザーを発射しています。これは、Global Ecosystem Dynamics Investigationセンサー、すなわちGEDIと呼ばれます。
GEDIレーザービームは、ミシガン州アッパー半島の森林まで250マイル（400km）移動し、真っ直ぐに狙った30メートル（98フィート）の木々に衝突します。一部の波長は天蓋から反射し、一部の波長は下の枝に浸透し、他の波長は宇宙に戻る前に地面まで達します。
このテクノロジーは、ソナーのように音波ではなく、光波を使用しています。1000分の1秒で、ビームはGEDIに戻り、各波長がどの程度吸収されたかを比較して、地形、葉密度、天蓋の高さなどの四角形の3次元マップを作成します。
GEDIは、国際宇宙ステーションに搭載されたいくつかの装置の1つで、世界の森林を常に測定しています。もう1つのECOSTRESSは、赤外光を使用して葉の温度を読み取ります。3つ目はDESISで、可視光を何千もの特定の波長に分離し、葉が反射する色パターンを正確に確認することで、樹木の内部構造の詳細を推測できます。
インディアナ州のノートルダム大学環境研究センターでは、Nathan Swenson 教授とその学生たちは、これらのすべての情報を樹木の遺伝子シーケンスデータと相互参照しています。宇宙から撮影された超高解像度の画像と、個々の葉の微細な遺伝子発現パターンを関連付けることで、これまでにない精度で森林の健康状態をマッピングしています。
GEDIからの林高データの視覚化。NASA提供の画像
木々の森を見逃さないように
樹木生態学者や遺伝子研究者は、宇宙からのデータをどのように利用しましたか？ 彼らのパートナーシップはかなり斬新で、どのようにしてそこに至ったかを知るには、彼らの仕事がこれまでどのように行われたかを考えるのに役立ちます。
これまで、生態学者は現場に入り、樹木密度やエリアあたりの葉塊など、サンプルツリーの重要な特性を数個測定して、森林の健康状態を評価してきました。これを行うことで、樹木が環境の変化にどのように反応するか少しわかりますが、これは時間がかかり、森林全体に拡張できるものではありません。そこで、この10年間で、Swensonはツリートランスクリプトームのシーケンスという新しい手法を検討してきました。
ゲノミクスでは主にDNAを研究しますが、トランスクリプトミクスでは、DNAから細胞の他の部分に指示を伝えるメッセンジャーRNA分子を研究します。通常、生物のゲノムは生涯にわたって変化しませんが、トランスクリプトームは特定の時点で活性化しているすべての細胞プロセスの動的なスナップショットであり、生物の現在の環境によって異なります。
Nathan Swenson教授は、遺伝子シーケンスとリモートセンシングプロジェクトのためにサンプリングされている樹木を調べます。写真： Barbara Johnston
Swensonは実験を行いました。彼は温室内の苗木に異なる干ばつ条件を与え、その後RNAシーケンシングを行い、遺伝子がどのように反応しているかを調べました。その結果、自然の樹木の健康状態をより正確に予測することができました。まさに飛躍的な進歩です。その後の研究でパターンが確認されました：干ばつ下で特定の遺伝子を樹木が発現する方法は、同じ条件下での野生における種の分布を正確に予測しました。「葉の厚さのような単純なものを測るだけでは、この情報は得られません。」
このアプローチはすぐには実現不可能でした。従来の知恵では、野生型の遺伝子発現は変動しすぎ、シーケンスにコストがかかりすぎていると考えていました。「時間の経過とともに、それが完全に可能であることが分かりました」と、Swenson氏は述べています。「今では、サンプル1個あたりのコストが、以前の3分の1程度になりました。今では手の届く範囲にあり、生態学者が必要とするサンプルの種類に合わせて拡張が可能です。」
彼は何か大事なことを掴んでいたのです。サンプルのトランスクリプトームを使用して野生植物の反応を予測するという下から上へのアプローチにより、彼はいわゆる「木々」を見ることができたのです。しかし、森林全体を見渡し、そのパターンを実用的なデータに変えるためには、上から下まで、まさに頂点から取り組む必要がありました。
生態学者のVanessa Rubioが、フィールドポータブル分光放射計を使用して、赤色のメープルリーフのスペクトル反射率を測定。写真： Barbara Johnston
内部空間と外部空間の出会い
2019年、米国森林局のNational Remote Sensing ProgramマネージャーであるEverett Hinkleyは、NASAでApplied Sciencesプログラムのディレクターを務めたLawrence Friedl氏と会いました。この2人は、NASAと政府の土地管理機関とのよりオープンな会話の必要性を感じていました。それぞれの組織は、どのように協力して互いの研究ニーズに対応し、データを共有し、地球観測データ製品を運用上の土地管理の決定サポートに統合することができるでしょうか?
その答えはApplied Earth Observations Innovation Partnership（AEOIP）でした。このパートナーシップは現在、NASA、森林局、米国地質学調査局、および国土管理局の代表者で構成されています。
このコラボレーションと並行して、NASAの生物多様性と生態保全（BDEC）プログラムでは、イルミナと協働する機会を探し始めました。これは、病気に対する感受性、気候変動に対する耐性など、植物の健康のあらゆる側面が遺伝的変動につながると考えているためです。
2023年には、BDECプログラム助成金に完璧に適合するようになりました。これは、スペースステーションセンサーの読み取り値をトランスクリプトームシーケンスと組み合わせることで生物多様性を監視するというNathan Swensonの提案です。NASA Goddard Space Flight CenterのScience Systems and Applications Inc.の従業員であるAEOIPのSabrina Delgado Ariasは、干ばつや山火事のリスクだけでなく、侵入性害虫の蔓延もマッピングするために米国森林局が行っている作業を補完できることに同意しました。
内部空間と外部空間を結びつける鍵は、葉の反射率です。葉が光を反射する方法は、その化学構造と強く相関しています。ですから、十分に高い見晴らし地点から、十分に細かい解像度で、森林全体の遺伝子発現が時間とともにどのように変化するかを文字通りマッピングすることができます。「もしそれが実現できれば、これは素晴らしいサイエンストリックです」と、Swensonは述べています。
上の挿入図は、現在宇宙ステーションで3つのリモートセンサーが取り付けられている場所を示しています。写真：NASA
軌道上からのバイタルサインの測定
プロジェクトで使用される3台のスペースステーション装置は、それぞれ写真の1つの部分に埋め込まれています。森の構造を明らかにするGEDIのライダー技術は、病気のために樹木が枝を失っている可能性のある場所を示すことができます。ECOSTRESSの赤外線センサーは、樹木の温度を測ります。この温度は、どれだけの水を保持しているか、そしてその干ばつストレスの程度と相関しています。また、DESISによって検出される色パターンは、トランスクリプトームの変動による樹木の化学構造を直接反映しています。
以下に例を示します。エメラルド・アッシュ・ボーラー（ナラキクイムシ）は、樹皮の下に卵を産みつけ、孵化した幼虫が樹木の内部を食い荒らします。この昆虫は北米やヨーロッパで特に有害で、これらの地域のトネリコの木は自然の防御機能を進化させていないため、深刻な被害を受けています。寄生虫の外部徴候は、人間の目には微妙すぎることがよくありますが、葉の色のパターンで現れます。
通常、植物のDNAは変化しませんが、特定の時間に発現するRNA（赤色で表示）は環境に応じて変化し、化学構造を変化させます。これらの変化は、植物が反射する光の正確な波長で可視化されます。 イラスト：Dan Letchworth
同じ原理が、カシノキに感染する真菌性の病気である「オークウィルト病」にも当てはまります。カシノキが明らかな症状を示す頃には、救うには手遅れになっています。しかし、葉で反射される短波長赤外線スペクトルは、初期の危険信号を示す可能性があります。
この研究は、この種のものとしては初めてのものです。現在、NASAは世界中のすべての植物種のスペクトル特性のライブラリーを構築しており、最終的にはその種の記録されたゲノム変異と比較することで、より豊かな洞察を得ることができます。
Forest ServiceのRocky Mountain Research StationのHuman Dimensions Programのマネージャーであり、NASAの元職員でもあるJeff “Frenchy” Morisetteは、この研究に基づいて彼の組織が実践できる可能性のあるアプリケーションについて楽観的に考えています。「構造レベルで物事がなぜ起こっているのかを理解するために、遺伝学は優れたツールです」と、彼は述べています。
ECOSTRESSが捉えた、2019年から2020年にかけてのニューメキシコ州の干ばつの変化。NASAによるデータの視覚化
科学分野全体で最高のテクノロジーと専門知識を結集
Swensonにおいてプロジェクトの情報収集段階は順調に進んでいます。ノートルダム大学の彼のチームは、イルミナのカスタムツール、専門知識、資料を活用して、ウィスコンシン州とミシガン州の現地で収集された葉のサンプルから得られたトランスクリプトミクスデータを入手しました。この夏に宇宙ステーションから取得した軌道イメージをダウンロードする番を待っています。今秋には、データに基づく統計モデルの構築を開始する予定です。
生物学的変数をリモートセンシング情報と結びつけることで、研究の範囲が大幅に拡大し、AEOIPを通じて関わる全ての人々が、それによって生態学者の研究方法が変わる可能性に期待を寄せています。これらの最先端技術を活用して世界中の生活や生計を向上させることを目指すと、その可能性は無限に広がっているように感じられます。
「今日の問題は大規模です」とSwenson氏は述べています。「この種の問題に取り組んでいる人はほとんどいません。そのため、このような基本的な疑問に答えるために、孤立せずに複数の分野から最高のテクノロジーを取り入れることに胸を躍らせています。」◆
写真： Barbara Johnston
