10億年ぶりに、2つの生命体が1つの生物に融合した。

進化は実に不思議で長いプロセスであり、いくつかのランダムな活動の爆発が今日の地球上の生命の多様性の原因となっています。これらは、より効率的な手足の進化のように、大規模な規模で発生することがあります。また、細胞のさまざまな部分が最初に形成されたときのように、顕微鏡レベルの細胞レベルでも発生します。

現在、科学者チームが、少なくとも 10 億年は起こっていないと思われる大きな生命現象の兆候を発見しました。彼らは、2 つの生命体が 1 つの生物に融合する一次共生を観察しました。この非常にまれな現象は、豊富な海洋藻類の一種と細菌の間で発生し、研究室で観察されました。参考までに、前回この現象が発生したときから、植物が地球上に初めて点在し始めました。この結果は、 Cell 誌とScience誌に最近発表された 2 つの論文で説明されています。

「細胞の原動力」と葉緑体はどこから来るのか

一次共生は、微生物が別の微生物を飲み込むときに起こります。その後、飲み込んだ微生物を内臓として使い始めます。宿主は、この微生物（これで共生生物と呼ばれる）に、栄養、エネルギー、保護など、さまざまな恩恵を与えます。共生生物が自力で生きられなくなると、飲み込まれた共生生物は、宿主の器官（細胞小器官と呼ばれる）になります。

「細胞小器官がこのようなものから発生するのは非常にまれです」と、 Cell研究の共著者でカリフォルニア大学サンタクルーズ校の博士研究員であるタイラー・コール氏は声明で述べた。「これが最初に起こったとき、複雑な生命のすべてが誕生したと考えられます。」

宿主の生命体が他の生物の機能にとって不可欠となる内部共生は、これまでに知られている限りでは 3 回しか起きていません。これらの事例はすべて進化にとって大きな進歩でした。なぜなら、宿主との融合が内部共生生物の存在そのものにとって不可欠となったからです。

最初の出来事はおよそ 22 億年前です。これは、古細菌と呼ばれる単細胞生物が細菌を飲み込み、最終的にミトコンドリアになったときです。この特殊な細胞小器官は、生物学を学ぶすべての学生が「細胞の原動力」として学び、その形成によって複雑な生物が進化することができました。

「細菌細胞よりも複雑なものはすべて、この出来事のおかげで存在するようになった」とコール氏は言う。「約10億年前、同じことが葉緑体にも起こり、植物が誕生した」とコール氏は言う。

この 2 番目の出来事は、より進化した細胞がシアノバクテリアを吸収したときに起こりました。シアノバクテリアは太陽光からエネルギーを吸収することができ、最終的には太陽光からエネルギーを吸収できる葉緑体と呼ばれる細胞小器官になります。葉緑体は、太陽から食物を作ることができる緑色植物という、生物学のもう 1 つの基本原理をもたらしました。

この最新の細胞内共生現象では、藻類が大気中の窒素を他の細胞プロセスに使用できるアンモニアに変換している可能性があります。ただし、それにはバクテリアの助けが必要です。

新しい細胞小器官？

Cell 誌に掲載された論文で、科学者チームはこのプロセスが再び起こっていることを示している。彼らはBraarudosphaera bigelowiiと呼ばれる藻類の種に注目した。シアノバクテリアを飲み込んだこの藻類は、ちょっとした植物の超能力を持っている。空気中の窒素を直接「固定」し、他の要素と結合させてより有用な化合物を形成できるのだ。これは植物が通常できないことだ。

窒素は生命が存在するために非常に重要な栄養素であり、植物は通常、植物や藻類とは別個のバクテリアとの相互関係を通じて窒素を得ています。研究チームは当初、 B. bigelowii藻類が UCYN-A と呼ばれるバクテリアとこのような共生関係にあると考えていました。実際には、その関係はより緊密で深刻なものでした。

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研究者らは、藻類と UCYN-A 細菌のサイズ比が、 B. bigelowii藻類に関連するさまざまな種で類似していることを発見しました。成長は、主要な栄養素の交換によって制御され、代謝を結び付けているようです。この成長速度の同期から、研究者らは UCYN-A を細胞小器官のような形と呼んでいます。

「細胞小器官ではまさに同じことが起きている」と、研究の共著者でカリフォルニア大学サンタクルーズ校の微生物海洋学者ジョナサン・ゼア氏は声明で述べた。「ミトコンドリアと葉緑体を見れば、同じことが分かる。細胞の大きさに合わせて拡大縮小しているのだ」

ニトロプラストの紹介

この細菌が細胞小器官であるというさらなる証拠を探すために、研究者たちは内部を詳しく調べる必要がありました。サイエンス誌に掲載された研究では、高度なX線画像技術を使用して、生きたB. bigelowii藻類細胞の内部を調べました。その結果、宿主藻類とUCYN-A細菌の間で複製と細胞分裂が同期していることが明らかになりました。これは、この生物の一次共生が機能している融合プロセスのさらなる証拠となりました。

「この論文が出るまでは、これがまだ『内部共生生物』なのか、それとも本当の細胞小器官になったのかという疑問が残っていました」と、バークレー研究所の生物科学領域の教員科学者で、国立X線トモグラフィーセンター所長で、研究の共著者でもあるキャロリン・ララベル氏は声明で述べた。「私たちは、藻類の宿主と内部共生生物の複製と分裂のプロセスが同期していることをX線画像で示しました。これが最初の強力な証拠となりました。」

また、研究チームは、分離した UCYN-A 細菌のタンパク質を藻類細胞内のタンパク質と比較しました。研究チームは、分離した細菌は必要なタンパク質のおよそ半分しか生成できないことを発見しました。生存に必要な残りのタンパク質は、宿主である藻類から供給してもらう必要があります。

「これは、細胞内共生生物から細胞小器官へと移行する過程の特徴の 1 つです」とゼア氏は言います。「細胞は DNA の一部を捨て始め、ゲノムはどんどん小さくなり、それらの遺伝子産物、またはタンパク質自体を細胞内に輸送するために母細胞に依存するようになります。」

研究チームは、これは UCYN-A が完全な細胞小器官とみなせることを示していると考えています。研究チームはこれを「ニトロプラスト」と名付け、約 1 億年前に進化を始めた可能性があるとしています。人間の時間感覚からすると長いように聞こえますが、ミトコンドリアや葉緑体と比較すると、進化の時間としてはわずか 1 ミリ秒です。

UCYN-A とその藻類宿主に関する疑問は他にもたくさんあり、研究チームは UCYN-A と藻類の働きを解明し、さまざまな株を研究することも計画している。ニトロプラストのさらなる研究により、ニトロプラストが他の細胞にも存在するかどうか、またその利点は何かが判明するかもしれない。例えば、農業に幅広く応用できる可能性がある。

「このシステムは窒素固定に関する新たな視点であり、このような細胞小器官を作物に組み込む方法についての手がかりとなるかもしれない」とコール氏は語った。

ゼール氏によると、科学者はUCYN-Aと同様の進化の物語を持つ他の生物を発見する可能性が高いが、この発見は「教科書に載るもの」だという。