何十億年もの間、単細胞生物は地球を独り占めし、孤独な至福の海を漂っていました。一部の微生物は、細胞の小さなシートまたはフィラメントを形成して、多細胞配置を試みました。しかし、これらの冒険は行き詰まりを迎えました。単細胞が地球を支配した.
その後、微生物が出現してから 30 億年以上が経過し、生命はより複雑になりました。細胞は、新しい三次元構造に組織化されました。彼らは生命の働きを分担し始めたので、ある組織は動き回るのを担当し、他の組織は食べたり消化したりしました。彼らは、細胞が通信し、リソースを共有するための新しい方法を開発しました。これらの複雑な多細胞生物は最初の動物であり、大きな成功を収めました。その後まもなく、約 5 億 4000 万年前に動物の生命が爆発し、カンブリア爆発として知られる万華鏡のような形に多様化しました。カタツムリからヒトデ、昆虫から甲殻類まで、あらゆる動物の身体設計のプロトタイプが急速に出現しました。それ以来生きてきたすべての動物は、この時期に出現したテーマの 1 つのバリエーションでした.
生命はどのようにして単細胞の単純さから多細胞の複雑さへと劇的な飛躍を遂げたのでしょうか?ニコール・キングは、生物学のキャリアを始めて以来、この質問に魅了されてきました。化石は明確な答えを提供していません:分子データは、すべての動物の祖先である「Urmetazoan」が最初に6億から8億年前に出現したことを示していますが、動物の体の最初の明確な化石は580年まで現れません.百万年前。そこでキングは、体型と遺伝子が動物の系統樹の根元のすぐ隣に位置する微視的な水生生物である襟鞭毛虫に目を向けました。 「動物の起源を調べているのであれば、襟鞭毛虫は明らかに注目すべき生物だと思います」とKing氏は言いました。単細胞または多細胞コロニーとして生きることができるこれらの生物で、彼女は動物の生命を開始するために必要な分子ツールキットの多くを発見しました。そして驚いたことに、彼女はバクテリアがこの新しい時代の到来に重要な役割を果たした可能性があることを発見しました.
9 月に生物学のコールド スプリング ハーバー展望の特別巻に掲載される長い論文で、キングは、動物の生命の発達に対する細菌の影響の事例を説明します。まず第一に、バクテリアは私たちの古代の祖先に餌を与えていました。これにはおそらく、それらの原始動物が最高のバクテリアの獲物を認識し、それらを捕獲して飲み込むシステムを開発する必要がありました.これらのメカニズムはすべて、最初の動物の多細胞生活に合わせて再利用されました。キングのレビューは、バクテリアを動物の生命の物語の中心に据える幅広い研究の波に加わる. 「私たちは 6 億年前にバクテリアと密接に相互作用する義務がありました」と、現在はカリフォルニア大学バークレー校の進化生物学者であり、ハワード ヒューズ医学研究所の研究者であるキング氏は述べています。 「彼らは最初にここにいて、豊富にあり、支配的です。振り返ってみると、これは予想できたはずです。」
多細胞の動機
私たちは動物の出現を当然のことと考える傾向がありますが、単細胞生物が何十億年にもわたって成功してきたことを考えると、なぜ動物が出現したのかを尋ねるのは理にかなっています.ハワイ大学マノア校のマイケル・ハドフィールド教授は、「過去 35 億年の間、バクテリアは豊富に存在していました。 「動物は 7 億年から 8 億年前まで出現しませんでした。」
多細胞性の技術的要求は重要です。共に生きることを約束する細胞には、まったく新しい一連のツールが必要です。彼らは、一緒にくっつき、コミュニケーションし、酸素と食物を共有する方法を考え出さなければなりません.また、特定の細胞が体のさまざまな部分で特殊な仕事を引き受けるように指示する方法である、マスター発達プログラムも必要です。
それにもかかわらず、進化の過程で、多細胞性への移行は、藻類から植物、菌類までの系統で 20 もの異なる回数で個別に発生しました。しかし、動物は複雑な体を発達させた最初の動物であり、初期の多細胞成功の最も劇的な例として浮上しています.
なぜこのようなことが起こったのかを理解するために、King は 15 年近く前にウィスコンシン大学マディソン校でポスドクとして、動物に最も近い生物である鞭毛虫の研究を始めました。襟鞭毛虫は、最もカリスマ的な生き物ではなく、水の中を生物を推進し、食べることもできる単一の尾のような鞭毛を備えた楕円形の塊で構成されています。前後に揺れる尾は、細胞膜の細いストランドの硬い襟のようなフリンジを横切って電流を駆動します.バクテリアが流れに巻き込まれて首輪にくっつき、チョアノがバクテリアを飲み込みます。
襟鞭毛虫についてキングが興味をそそられたのは、彼らのライフスタイルの柔軟性でした。多くは単細胞として生きていますが、小さな多細胞コロニーを形成するものもあります。沿岸の河口に生息する Salpingoeca rosetta 種では、細胞は分裂の準備をしますが、分裂する前に停止し、細いフィラメントで接続された 2 つの娘細胞を残します。このプロセスが繰り返され、実験室で 50 個もの細胞を含むロゼットまたは球体が作成されます。これはすべておなじみのように聞こえますが、それには理由があります — 動物の胚はほとんど同じように受精卵から発生し、球状の襟鞭毛虫のコロニーは初期段階の動物の胚に驚くほど似ています.
King が S. rosetta の研究を始めたとき、実験室で細胞が一貫してコロニーを形成することはできませんでした。しかし 2006 年、ある学生が解決策を見つけました。ゲノム配列決定の準備として、彼は培養物に抗生物質をまき散らし、突然大量のロゼットに開花しました。元の標本と一緒に収集されたバクテリアが単一の襟鞭毛虫の実験室培養に戻されると、それらもコロニーを形成しました.この現象の可能性が高い説明は、学生の抗生物質治療が不注意に細菌の 1 つの種を殺し、それと競合する別の細菌が回復することを可能にしたことです。コロニー形成の引き金は、S.ロゼッタが食べるアルゴリファガス菌の未知の種によって生成された化合物でした.
S. ロゼッタはこの化合物を、集団生活に適した条件であることを示していると解釈しているようです。キングは、すべての動物の最後の共通の祖先が多細胞性への運命的な旅を始めた6億年以上前に、同様のことが起こった可能性があるという仮説を立てています. 「私の疑いでは、動物の祖先は多細胞になることができたが、環境条件に基づいて前後に切り替えることができた.その後、多細胞性は発生プログラムとして遺伝子に固定されました。
現代のほとんどの生物学者には見過ごされていたこの謙虚な生物の研究に対するキングの粘り強さは、彼女の仲間の科学者の多くの称賛を勝ち取りました (権威あるマッカーサー フェローシップだけでなく)。カリフォルニア工科大学（米国パサデナ）の生物学者で、バクテリアが環境とどのように共進化するかを研究している Dianne Newman は、次のように述べています。キングの研究は、過去へのスリリングな一瞥を提供し、最初の化石化した動物が出現する前のその神秘的な期間に何が起こっていたのかについてのまれな窓です.この研究は、バクテリアが複雑な生命の最も単純な形態でさえどのように形成するかの「美しい例」である、とニューマンは述べた. 「そのレベルの動物の発達であっても、微生物界からの引き金が期待できることを思い出させてくれます。」 S. ロゼッタのバクテリア システムを使用して、多細胞性の利点は何かなど、より具体的な質問に答えることができるようになりました。キングとバークレーの共同研究者は現在、この質問に答えようと取り組んでいます。
もちろん、バクテリアが現代の襟鞭毛虫を集団生活へと引き金にしたからといって、それらが最初の原始動物に同じ効果をもたらしたというわけではありません. King 氏の発見は「本当に素晴らしい」と、ジョージア工科大学 (アトランタ) の生物学者で、実験的に酵母を誘導して多細胞コロニーを形成させている William Ratcliff 氏は述べています。 「彼女は動物の起源について最も興味深い研究を行っていると思います。」しかし、動物の最初の祖先となった生物から分岐したずっと後に、襟鞭毛虫がこのメカニズムを進化させた可能性があると彼は警告する. 「バクテリアの反応がいつ進化したかについては、明確なイメージがありません」と彼は説明した。 「何かが襟鞭毛虫と動物の分裂の前に起こったのか、それともその後に起こったのかを知ることは困難です。」
「バクテリアが動物の起源に重要な影響を与えていたという仮説を立てるのに十分な証拠があると思います.バクテリアは豊富で多様であり、動物以外の動物だけでなく多様な動物系統にも重要なシグナル伝達の影響を及ぼします. 「しかし、その影響の性質が何であったかを言うのは時期尚早だと思います。」
古代の多細胞性への移行が細菌によって促進された可能性を示す強力なヒントの 1 つは、今日の最も単純な動物の多くが微生物のメッセージによって支配されていることです。サンゴ、ホヤ、海綿動物、チューブワームはすべて、水に浮かぶ幼虫として生命を開始します。他の研究チームは、岩や他の表面に付着して新しい生命に移行するシグナルとしてバクテリアによって放出された化合物にも反応することを示しました。形。この種の関係が最も古い家族の動物の間で非常に一般的である場合、最初の動物が細菌の隣人に等しく同調していたのはもっともらしい.細菌がどのようにしてこの反応を引き起こすのかを正確に解明することは、それらがずっと前に同様の役割を果たしていたかどうかを明らかにするのに役立ちます. 「私たちが最初に研究を始めたとき、それは私にとって急進的な考えでしたが、今ではなぜそれが驚きなのかわかりません」とキングは言いました. 「宿主と微生物の相互作用について考えれば考えるほど、驚くことは少なくなります。」
King 氏は、襟鞭毛虫の生物学は、他の予想外の点で動物の生物学に似ていることを発見しました。 2008 年には、コロニーを形成しない襟鞭毛虫である Monosiga brevicollis のゲノムを発表したチームを率いました。その配列は、多細胞動物にも見られるタンパク質の数十のセクションの遺伝子を明らかにし、そこで細胞がくっつくのを助け、発達と分化を導く.彼らは単一細胞で何をしているのですか?キングの研究は、それらが環境条件を監視し、細菌の獲物などの他の細胞を認識するために単細胞生物で発生したことを示唆しています。多細胞動物では、遺伝子ドメインは、細胞が互いに信号を送ることを可能にするなど、新しい目的を見つけました。単一細胞は、これらのツールを使用して環境をリッスンしました。その後、多細胞ライフスタイルを採用した最初の細胞は、姉妹細胞に注意を向けるために同じシステムを再利用した可能性が高い、と King は示唆した.
鞭毛虫に関するキングの発見は、バクテリアと動物 (または、この場合は動物に似た生物) との親密な関係に関する最新の洞察の 1 つにすぎません。歴史的に、光合成細菌は何十億年もの間酸素を海に送り込み、複雑な多細胞生物の舞台を整えてきました。 20 世紀に提唱され、現在広く受け入れられている内部共生説によると、すべての真核細胞内のミトコンドリアは、かつては自由に生きるバクテリアでした。 10億年以上前のある時点で、彼らは他の細胞内に住み着き、今日までほぼすべての動物細胞で持続する共生関係を築いています.細菌は、夕食としての役割において、最初の動物に未加工の遺伝物質を提供した可能性が高く、動物が食事を消化する際に微生物 DNA の塊を自分のゲノムに直接組み込んだ可能性があります。
しかし、微生物と動物の関係の完全な話はさらに広く、より深いものであると、ウィスコンシン大学マディソン校の生物学者であるマーガレット・マクフォール・ガイは主張し、それはまだ語られ始めたばかりの話です.彼女の見解では、動物は宿主微生物生態系と見なされるべきです。数年前、McFall-Ngai は Hadfield とともに、King を含む発生生物学者、生態学者、環境生物学者、生理学者の幅広いグループを招集し、細菌の重要性を宣言する微生物マニフェストを作成するように依頼しました。昨年末に全米科学アカデミー議事録に掲載されたこの論文は、生物学の多くの分野からの証拠を引用して、動物の起源、進化、および機能に対する微生物の影響は、動物の生命がどのように生きているかを理解するために広く、不可欠であると主張しています。進化しました。 「彼らはバクテリアで飽和した世界で進化しました」とハドフィールドは言いました.
動物と細菌の関係の幅広さと重要性は、海綿のような一握りの古代の水生生物の発達をはるかに超えています。 McFall-Ngai 自身の研究によると、イカの臓器の発達にはバクテリアが必要であることが示されています。動物の免疫系、ゼブラフィッシュやマウスの内臓、さらには哺乳類の脳の成熟を形成する同様のパートナーシップを発見した研究者もいます。同様に、バクテリアは、シロアリから人間に至るまでの生物の消化器系において不可欠なパートナーです。微生物の影響は私たちのゲノムにも刻まれています。人間の遺伝子の 3 分の 1 以上が細菌に由来しています。これらおよびその他の新しい発見は、まもなく生命に対する私たちの理解を根本的に変えるだろう、と McFall-Ngai は次のように予測しています。
結局のところ、動物はそれほど特別ではないのかもしれません。結局のところ、彼らは微生物の友人がいなければ何もできません.キング博士の研究が明らかにしたように、動物が興味深いと思われる行動の多くは、襟鞭毛虫によっても達成されます。彼女にとって、それはどちらも減りません。 「私は襟鞭毛虫が大好きです」と彼女は言いました。 「彼らはとても魅力的です。彼らは動物と同じことをたくさんしていることがわかり、彼らの生物学と動物の細胞生物学との間に類似点があることがわかります。何時間でも見ていられました。」
2014 年 7 月 29 日に修正: この記事の以前のバージョンでは、「動物は 70 万年または 80 万年前まで現れなかった」と誤って述べていました。正しい数字は 7 億から 8 億年前です。
