奇跡的イベントが発生中。2種の微生物が融合するという10億年に1度の進化が起きている

　新たな研究によると、現在”10億年に1度の進化”が起きていることが判明したそうだ。

　10億年に1度の進化とはある種の微生物の細胞が別の種の微生物の細胞に取り込まれる「一次共生」と呼ばれるものだ。これが起きたのは40億年あまりの生命の歴史においてたった2回だけで、1回目ではミトコンドリアが、2回目では植物が誕生した。

　一次共生は生命の誕生に深くかかわる極めて重要なイベントで、そして今回、新たに10億年に1度の進化が確認されたのだ。それでは詳しく見ていこう。

過去に2度発生した10億年に1度の進化「一次共生」　10億年に1度の進化とは、「一次共生」と呼ばれるものだ。

　ある生物が別の生物を飲み込んだとき、ごく稀にだが飲み込まれた側（共生者）が飲み込んだ側（宿主）の内臓のように働き始めることがある。

　するとその見返りとして、宿主が共生者に栄養やエネルギーといったものを与え始める。

　この協力関係に依存するあまり、共生者はもはや単独では生存できなくなり、実質的に宿主の器官（細胞小器官 / オルガネラ）となる。これが一次共生だ。

　これまで、地球の生命40億年あまりの歴史において、一次共生が起きたのはたった2回だけとされてきた。

　一度目は約22億年前に起きた。古細菌がとある細菌を飲み込んだところ、「ミトコンドリア」が誕生したのだ。

　"細胞の発電所"とも呼ばれるミトコンドリアは、今日存在するほとんどの真核生物の細胞内でエネルギーの生産を担っており、あらゆる複雑な生命体が進化できたのはこれのおかげだとも言えるくらい重要な器官だ。

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細胞内のミトコンドリアとその構造 / image credit:National Human Genome Research Institute

　二度目は約16億年前のこと。ある細胞が、太陽の光からエネルギーを作れるシアノバクテリアを飲み込んだことで起きた。

　そのシアノバクテリアは現代では「葉緑体」と呼ばれている。そう、植物が誕生した記念すべき瞬間だ。

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顕微鏡で見たコケの細胞。円形の緑色が葉緑体 / image credit:Des_Callaghan/CC BY-SA 4.0現在3回目の10億年に1度の進化が起きている。　驚くべきことに、今この10億年に1度の進化が現在起きているようなのだ。

　それは「Braarudosphaera bigelowii」という円石藻で発見された。

　円石藻（えんせきそう）は、細胞表面に円石と呼ばれる円盤型の構造を持つ植物プランクトンで、分類学上はハプト植物門に属する単細胞真核藻類である。

　この円石藻が飲み込んだ、シアノバクテリア（藍藻）「UCYN-A」は、空気から直接「窒素」を固定し、これをほかの元素と組み合わせてまた別の化合物を作り出すという、普通の藻類や植物ではできない芸当を可能にする。

　窒素は大切な栄養で、植物や藻類は共生関係にあるバクテリアの力を借りて、これを得ている。共生関係とはいっても、そのバクテリアはれっきとした独立した存在で、細胞内の器官と言えるほど融合しているわけではない。

　当初、円石藻とUCYN-Aもこうした関係だと思われた。ところが、よくよく調べてみると、両者は想像以上に一体化していることが明らかになったのだ。

　その証拠としてたとえば、円石藻とUCYN-Aの大きさの比率が、近縁の種同士でよく似通っていることが挙げられる。

　彼らの成長は栄養の交換によって制御されているらしく、それによって代謝がつながっていた。

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10億年に1度の進化が起きていると考えられる円石藻とシアノバクテリア / image credit:Tyler Coale

　これについてカリフォルニア大学サンタクルーズ校のジョナサン・ゼアー氏は、プレスリリースでこう説明する。

まさに細胞小器官で起きていることです。

ミトコンドリアと葉緑体を見ればわかるように、それらは細胞のサイズと釣り合っています

　さらにX線撮像技術で円石藻の細胞内を観察したところ、宿主と共生者の複製・細胞分裂がシンクロしていることも判明した。これもまた一次共生のさらなる裏付けだ。

　ダメ押しとばかりに、UCYN-Aのタンパク質を調べてみたところ、UCYN-A自身は自分が必要とするタンパク質のほぼ半分しか作っておらず、残りは宿主によって作られていることがわかった。

　これもまた「共生者が細胞小器官へと変化する際の特徴のひとつ」であるという。

　宿主の細胞に依存する共生者は、一次共生前までは自作する必要があったものを細胞から受け取れるようになるので、DNAを少しずつ捨て、ゲノムがどんどん小さくなる。

　UCYN-Aはそのせいで、それまで自分で作っていたタンパク質を作れなくなったのだ。新たな細胞小器官「ニトロプラスト」　これらを踏まえると、UCYN-Aは円石藻の完全な細胞小器官であると考えることができる。

　この3度目となる10億年に1度の進化で誕生した器官には、「ニトロプラスト（nitroplast）」という名称が与えられている。

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X線で撮影した「Braarudosphaera bigelowii」。青緑の部分が「ニトロプラスト」。ほかに円石藻の核（青）、ミトコンドリア（緑）、葉緑体（紫）もある / image credit:Valentina Loconte/Berkeley Lab

　ニトロプラストができたのは、およそ1億年前のこと。大昔のことに思えるかもしれないが、ミトコンドリアや葉緑体に比べれば、かなり最近の出来事だ。

　研究チームは今後、ニトロプラストがほかの細胞にも存在するのかどうか、どのような働きがあるのかなどを調べる予定であるとのこと。

　これを農業に応用して、より良い作物を育てられるようになるとも期待できるそうだ。

　この研究は『Cell』（2023年3月28日付）と『Science』（2024年4月11日付）に掲載されている。

References:Scientists discover first nitrogen-fixing organelle / Two lifeforms merge in once-in-a-billion-years evolutionary event / written by hiroching / edited by / parumo

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