10億年に一度の進化的事件、2つの生命体の融合

 (newatlas.com)
2 ポイント 投稿者 GN⁺ 2024-04-21 | 1件のコメント | WhatsAppで共有
  • 藻類 Braarudosphaera bigelowii がシアノバクテリア UCYN-A を細胞内に取り込み、1つの器官のように使っている事例が確認され、まれな 一次細胞内共生 が進行している例として注目されている
  • 一次細胞内共生とは、ある微生物が別の微生物を取り込んだ後、内部器官のように利用し、やがて共生体が独立して生存する能力を失って 細胞小器官 になる過程を指す
  • 地球生命の約40億年の歴史で知られる大規模な事例は、約22億年前の ミトコンドリア、約16億年前の 葉緑体 の形成のみであり、それぞれ複雑な生命と植物進化の転換点となった
  • UCYN-A は宿主である藻類とのサイズ比、代謝、細胞分裂が連動しており、必要なタンパク質の約半分を宿主に依存していることから、nitroplast という細胞小器官と判断されている
  • nitroplast の研究は、植物に 窒素固定 能力を導入する道につながる可能性があり、長期的には作物改良の可能性を見据えた研究対象となっている

再び観察された一次細胞内共生

  • 科学者たちは、2つの生命体が1つの生物へと合体する 進化的事件 が進行中の事例を確認した
  • 対象は藻類 Braarudosphaera bigelowii とシアノバクテリア UCYN-A である
  • UCYN-A は、藻類が通常はできないことを可能にする
    • 空気中の窒素を直接 固定 する
    • 窒素を他の元素と結合させ、より有用な化合物にする

細胞内共生が細胞小器官になる過程

  • 一次細胞内共生(primary endosymbiosis) とは、ある微生物が別の微生物を取り込んだ後、内部器官のように使う現象である
  • 宿主細胞は共生体に栄養、エネルギー、保護といった利点を提供する
  • 時間が経つにつれ、共生体は独立して生きられなくなり、微生物細胞内の 細胞小器官(organelle) のような位置を占めるようになる

ミトコンドリアと葉緑体がもたらした以前の転換点

  • 地球生命の約40億年の歴史で知られている一次細胞内共生は、2回だけだと考えられている
  • 最初の事例は約 22億年前 に発生した
    • 古細菌が細菌を取り込んだ
    • この細菌が ミトコンドリア になった
    • エネルギー生産に特化したミトコンドリアは、複雑な生命体の進化を可能にした
  • 2つ目の事例は約 16億年前 に発生した
    • より発達した細胞が、太陽光エネルギーを収穫できるシアノバクテリアを取り込んだ
    • このシアノバクテリアが 葉緑体 になった
    • 葉緑体は植物に、太陽光を利用する能力と緑色を与えた

B. bigelowii と UCYN-A の結合が特別な理由

  • 植物や藻類は通常、別個の細菌と共生関係を結ぶことで 窒素 を得る
  • 当初は B. bigelowii も UCYN-A とこのような別個の共生関係を結んでいると考えられていた
  • より詳しい調査により、2つの生命体の関係がはるかに密接であることを示す証拠が出てきた

UCYN-A が nitroplast と判断された根拠

  • ある研究チームは、藻類と UCYN-A の サイズ比 が、関連する藻類種の間でも同じように保たれていることを確認した
    • 成長過程は栄養交換によって調節されているように見える
    • これはミトコンドリアや葉緑体が細胞サイズに合わせられる仕組みと同じである
  • 続く研究では、強力な X線イメージング 技術で生きた藻類細胞の内部を観察した
    • 宿主と共生体の複製および細胞分裂が同期している
    • これは一次細胞内共生が機能している追加の証拠である
  • 研究チームは、分離された UCYN-A と藻類細胞内の UCYN-A タンパク質を比較した
    • 分離された UCYN-A は、必要なタンパク質の約半分しか自ら生産できない
    • 残りは藻類の宿主が提供しなければならない
    • これは内共生体が細胞小器官へ移行する際に見られる特徴である
  • UCYN-A は nitroplast という名前の完全な細胞小器官と判断されている
  • nitroplast の進化は約 1億年前 に始まったと見られ、ミトコンドリアや葉緑体と比べれば非常に短い時間である

植物の窒素固定につながる可能性

  • 研究者たちは、nitroplast が他の細胞にも存在するのか、どのような影響を持つのかについて研究を続ける予定である
  • 考えられる利点の1つは、植物に 窒素固定 能力を導入する新たな経路を提供することである
  • この能力は、より優れた作物を栽培するために活用できる可能性がある
  • 研究は Cell00182-X.pdf) と Science に掲載された

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1件のコメント

 
GN⁺ 2024-04-21
Hacker News のコメント

  • 高校で生物を3年も学んだのに、ある生物が別の生物を取り込んだことが、こうした驚くべき能力の起源になったなんて、なぜ聞かなかったのか分からない
    ミトコンドリアと葉緑体は習ったが、ものすごく無味乾燥に扱われただけだった
    こういう文脈も一緒に教えてくれれば、初等・中等教育は子どもたちにとってずっと面白くなり得る

    • 同じ流れで、この記事も読む価値がある: https://jsomers.net/i-should-have-loved-biology/
    • いつ習ったかによる
      細胞内共生説は、2000年代に入っても関連するつながりが解明され続けていた
      https://www.nature.com/scitable/topicpage/the-origin-of-mito...
    • 昔の10年生の生物の授業で、ミトコンドリアと葉緑体についてこの内容を習った記憶がある
      ただ、今高校時代の同級生に聞いたら、その授業内容として覚えている確率は半々くらいだと思う
      細胞小器官を習うときに出てきたどんな情報でも同じだし、そもそも細胞小器官という言葉を覚えているかどうかも半々だと思う
      記事なしで聞いていたら、こうした出来事がだいたいいつ起きたのかも言えなかったはず
      それでも昔の同級生全員は、たぶん「細胞の発電所」ミームは覚えていると思う
    • 過度に刺激された生徒25人、45分授業、低賃金の教師という条件では、面白くするのは普通に不可能
    • 学校でミトコンドリアには独自のDNAがあることも習ったのか気になる
      それに、私たちのミトコンドリアは卵子由来なので、ミトコンドリアDNAは常に母親のミトコンドリアから来るという点もある
      あるいは Parasite Eve をプレイしたことがあるのかもしれない [0]
      [0] https://en.wikipedia.org/wiki/Parasite_Eve_(video_game)#Plot

  • 最初の共生イベントは、2回目や3回目より100万倍は難しかった
    最初は、宿主が共生体の生と死の過程で作られるDNAとRNAを処理しなければならないという、非常に難しい課題があった
    宿主は生き残るために細胞核や有性生殖のようなものを進化させる必要があり、共生体由来の利己的遺伝要素のせいで全遺伝子が損傷した状況に対処するために、選択的スプライシングも必要だった
    その後に共生体を統合する作業も依然として難しいが、あの最初の段階ほどではない
    真核生物の起源につながった最初の共生は、10億年に一度ではなく、1兆年に一度、あるいは10^20年に一度以下という希少な出来事だった可能性もある
    単純な生命がある惑星10億個のうち1つだけが、動物のような複雑な生命を「生み出す」という意味かもしれず、これがフェルミのパラドックスにつながる大きなフィルターなのかもしれない

    • だんだん同じように見ている
      大きなフィルターはすでに私たちが通過したものかもしれず、今日の私たちに至らせた制約条件の組み合わせが信じがたいほど希少だったからかもしれない
      もう一つの極小確率イベントは、抽象的知能の発達かもしれない
      私たちのような知能が進化上の利点になるようにした条件は、とりわけ独特に見える: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK210002/

  • タイトルだけ見ると先週起きたことのように聞こえるが、実際には1億年前に起きたことで、今になって発見したもの

    • よかった
      今まさに生まれた新種のように聞こえていたら、ものすごく怖かったと思う
      その種が私たちの生態系を圧倒して混乱を引き起こし、最終的に新しい均衡と勝者、新しい支配種が現れる状況を想像していた
    • ありがとう
      こんな珍しいことが起きる瞬間に、たまたま顕微鏡で見ていた確率がどれほどなのかと思って怪しんでいた
      それなら記事で触れていないところを見ると、結果的に今のところはあまり面白いことは起きていないのかなと思う
    • 先週も起きていた可能性はある
    • 進化的な時間尺度では、1億年前はほとんど先週のようなもの
    • 瞬間的な出来事だったわけでもない
      共生関係が1億年前に初めて発達し始めたのなら、細菌が現在のように宿主の藻類細胞に完全に依存する細胞小器官になるまで、その時間すべてがかかった可能性がある

  • 問題の藻類を見るとよい: https://en.m.wikipedia.org/wiki/Braarudosphaera_bigelowii
    12枚の五角板で自分を囲み、完全な正十二面体を作る
    本当に信じられないほど格好いい生物だ

  • 一次情報源です
    [1] https://www.cell.com/cell/pdf/S0092-8674(24)00182-X.pdf
    [2] https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38603509/
    LBLのプレスリリースもあります
    [3] https://newscenter.lbl.gov/2024/04/17/scientists-discover-fi...
    [1]はオープンアクセスです

  • 10億年に一度起きることを、たまたま私たちがまさにその標本として捉えた可能性のほうが高いのか、それとも実際にはもっと頻繁に起きているが、たいていは言及された事例ほど影響力があったり記憶に残ったりしない事例を1つ見ているだけである可能性のほうが高いのか
    扇情的な報道がひどすぎます

    • この特定の事例は1億年前に始まったものなので、適切な場所と瞬間に偶然居合わせたという状況ではありません
      共生発生は、知られている事例がミトコンドリアと色素体（その中には葉緑体も含まれる）の2回だけなので、「10億年に一度」という表現にはある程度の正当性があります
      ほかの事例も疑われています: https://en.wikipedia.org/wiki/Symbiogenesis
      細胞内共生体は多数知られています
      ほかの生物の体内や細胞内に住む別個の生物であり、共生発生の前提条件です
      https://en.wikipedia.org/wiki/Endosymbiont
    • 「全体として研究チームは、これがnitroplastと名付けられた完全な細胞小器官であることを示していると言う。約1億年前から進化し始めたとみられ、信じがたいほど長い時間に聞こえるが、ミトコンドリアや葉緑体に比べれば瞬きのようなものに近い。」
      実験室のペトリ皿の中ではなく、1億年前に起きたことです
    • 生命の歴史の中で実際に数回しか起きておらず、少なくとも生き残ったものは数回だけです
      ただしタイトルは少し直す必要があります

  • 一次細胞内共生がそれほど珍しいという主張には、あまり納得できません
    ほぼすべての昆虫は遺伝する細胞内共生体を持っています: https://doi.org/10.3389/fphys.2013.00046

    • それは、よりマクロなスケールで使う別の意味での細胞内共生です
      ここでは細胞レベルの細胞内共生を指しています
      腸内細菌を持つことと、それが分子レベルで細胞内に統合されて細胞小器官になることは同じではありません
      ただし、メディアの誇張に対する懐疑はおおむね妥当です
      この種の細胞内共生には、一次・二次のどちらにも、ほかによく知られた例があります
      おそらくシアノバクテリアとの一次共生ではないかもしれませんが、すでに知られているほかの事例と比べて、理解や驚きの面で巨大な「科学的飛躍」とは言いにくいです
      皮肉なことに、昆虫の腸内共生体の間でもこのような細胞レベルの共生が見られ、最も極端な例はおそらくMixotricha paradoxaでしょう: https://en.wikipedia.org/wiki/Mixotricha_paradoxa
      Hatena arenicola https://en.wikipedia.org/wiki/Hatena_arenicolaは今回の発見に非常によく似ていますが、シアノバクテリアではなく藻類を対象とするため二次細胞内共生であり、むしろさらに興味深く奇妙かもしれません
      Smybiodiniumのゲノムからも、複数回の細胞内共生の取り込み事象があったことが分かっており、一部は藻類との二次共生で、一部は細菌との一次共生だった可能性も高いです: https://en.wikipedia.org/wiki/Symbiodinium

  • より良い情報源がこちらに投稿されていますが、議論はありません: https://news.ycombinator.com/item?id=40101317