セス・ボーデンスタインの「フランケンシュタイン」の瞬間と呼ぶことができます。 1 年ちょっと前、テネシー州ナッシュビルにあるヴァンダービルト大学の生物学者であるボーデンスタインと当時の大学院生であるロバート ブラッカーは、研究室で 2 種の互換性のないハチを交配させ、他のほとんどが死んでも生き続ける丈夫な雑種を作り出しました。 .
通常、Nasonia 属の 2 つの近縁種の寄生バチである N. giraulti と N. longicornis のメンバーが、より遠い親戚である N. vitripennis と交尾すると、雑種の子孫は死亡します。最近まで、その理由を正確に突き止めることはできませんでしたが、これが種を分ける主要な障壁の 1 つであることは明らかでした。しかし、Bordenstein と Brucker がスズメバチを抗生物質で処理し、体に生息する何百万もの微生物を排除したところ、ハイブリッドの子孫の多くが予想外に生き残り、繁栄できることがわかりました。ボーデンスタインとブルッカーは、スズメバチのマイクロバイオーム (昆虫に生息する微生物群集) を取り除くことで、まったく新しいハイブリッド スズメバチに命を吹き込みました。
2013 年 7 月に Science に掲載されたこの調査結果は、生物学における驚くべきアイデアを浮き彫りにしています。それは、生物間の長期的で安定した、しばしば有益な相互作用である共生が 2 つの個体群を分離させ、新種の発生の第一歩となる可能性があるということです。このアイデアは 1 世紀近くもの間浮かんでいましたが、生物学で勢いを増し始めたのはつい最近のことです。この考えは、新しい種が地質学的孤立から、または食物と配偶者のための絶え間ない闘争から出現するという従来の進化像とは著しく対照的です.この新しい仮説によると、宿主生物の微生物が交配と繁殖の変化を引き起こし、それが 2 つの異なる個体群を定義し始める可能性があります。
人間を含むほとんどすべての動物は、宿主と微生物の融合体であり、利用可能なすべてのニッチを何千もの微生物が占めています。家と引き換えに、これらの微生物は宿主にとって重要な機能を果たし、病原体から保護し、食物を処理し、さらには社会的行動を変えます.微生物群集を追跡するための新しい洗練された方法は、科学者が微生物がいかに重要であるかを理解するのに役立ちました。 Bordenstein の研究は、共生研究の新たな分派の一部であり、微生物のさまざまなコレクションが新種の進化をどのように形成するかを探っています。
オーストラリア海洋科学研究所の海洋微生物学者であるニコール・ウェブスターは、「この研究は、種が何であり、どのように形成されるかについての私たちの考えを変えています。 1990 年代半ばから、Bordenstein を含む一部の科学者は、種を単一の生物としてだけでなく、生物とそのマイクロバイオームとして定義し始めました.
他の科学者もボーデンスタインの探求に加わり、微生物が他の種の発生にも役割を果たしている可能性があるという証拠を発見しました。ショウジョウバエの腸内微生物は、昆虫の交尾行動を急速に変化させる可能性があり、多くの場合、新種の発生の前兆となります。ハイエナでは、細菌が動物がコミュニケーションに使用する化学物質の多くを合成しており、微生物の変化が個体群を分離するのに役立った可能性があります.
Bordenstein のチームは現在、微生物が健康な雑種の子孫を生み出す能力を破壊することで、1 つの宿主種を 2 つに変える方法を正確に解明しようとしています。予備的な調査結果は、特定の共生微生物の存在が免疫系を調節する遺伝子の活動を変化させることを示唆しています。 Bordenstein は、雑種などのハチが間違った微生物の宿主になると、ハチの免疫系が外来病原体ではなく自分自身を攻撃して殺す可能性があると理論付けています。逆に、免疫系は、ハチにコロニーを形成する微生物の種類と数にも影響を与える可能性があります.この研究が続けば、ボーデンスタインは科学者が進化について考える方法に新しい次元を追加した可能性があります.
「共生が例外ではなく規則であること、そして共生が進化において誰もが考えていたよりもはるかに重要な役割を果たしていることは今や非常に明らかです」とボーデンスタインは言いました。
協力が進化の原動力となりうるという考えは、ロシアの自然主義者ピーター・クロポトキンによって 1 世紀以上前に最初に提唱されました。クロポトキンは、1902 年の著書「相互扶助:進化の要因」の中で、次のように書いています。相互扶助、相互扶助、相互防衛。 …社交性は、相互闘争と同じくらい自然の法則です。」
しかし、クロポトキンは生物学者としてではなく、アナキストとして知られていました。 「相互扶助」はアイデアが豊富でしたが、科学者に共生と協力が自然淘汰の重要な要素であることを納得させるために必要な種類の実験的証拠が不足していました.
「相互扶助」の出版から 60 年以上が経過した後、当時ボストン大学の若い生物学者であったリン マルグリスは、共生の原因を取り上げました。 1966 年、マルグリスは、細胞がエネルギーを生成するのを助ける分子機械であるミトコンドリアと、植物細胞が日光を糖に変えるのを助ける葉緑体が、共生細菌に由来するという証拠を提供しました。理論によれば、何十億年も前に、ある微生物が別の微生物を飲み込みました。これは、今日私たちが目にする複雑な動植物細胞への最初の主要なステップの 1 つです。
マルグリスの考えは懐疑的に受け止められました。科学者たちがそれをややしぶしぶ受け入れるまでに 20 年間の激しい議論が必要でした。
2001 年、Bordenstein が行った Nasonia ハチの研究は、Brucker とのブレークスルーの 10 年前に行われ、微生物は科学者が予想していたよりも頻繁に宿主の進化に影響を与えることを示唆していました。彼は、2 つの近縁種である N. giraulti と N. longicornis が、わずか約 40 万年前に共通の祖先から分岐したことを知っていました。歴史的に、研究者は種がどのように分岐したかを説明するのに役立つように、ナソニアの DNA の遺伝的変化を探していたと彼は言いました。 Bordenstein は、Wolbachia と呼ばれる共生細菌が 2 つの種を分離している可能性があると考えていました。以前の研究では、同じ種のメンバーが異なる種類のボルバキアを持っている場合、健康な子孫を生み出すことができないことが示されていました.しかし科学者たちは、ボルバキア株が 2 つの種の主な違いであるかどうかをまだ知りませんでした。 Bordenstein は、さまざまな種類のボルバキアが親種を 2 つのグループに分け、交配できないと理論づけました。これは、新種の伝統的な定義です。
これらのハチからボルバキアを除去することにより、研究者は、ボルバキア感染がハチの交配に対する主要な障壁であることを示しました. 「あたかも2つの別々の種ではなくなったかのようでした」とBordensteinは言いました。 「これは、共生微生物が 2 つの種を切り離すことができるという最初の証拠の一部でした。」
ボーデンスタイン氏の発見は、まれな 1 回限りのイベントではなく、マイクロバイオームが新種の進化において予想以上に大きな役割を果たしていることを示唆しています。何千もの昆虫種がボルバキアに感染しており、これらの種の発達において共生が主要な役割を果たしている可能性があります.
ボーデンスタインの研究は、多くの関心と懐疑論を生み出しました。多くの進化生物学者は、歴史的に進化における共生の役割にあまり注意を払っていなかったため、研究を理解するための文脈が欠けていたと、スタンフォード大学の科学史の博士候補であるブラッドフォード・ハリスは述べています。 「人々は今でも進化を『適者生存』と考えています」とハリスは言いました。 「非常に複雑な現象を説明するための便利なワンライナーです。」しかし、この単純化された説明は、進化のあまり個人主義的ではない側面を把握することを困難にします.
Bordenstein の最新の研究で、研究者たちは、重要なのはボルバキアだけではないことを発見しました。スズメバチの微生物を完全に根絶することで、N. vitripennis とその 2 つの遠い親戚の雑種が生き残ることができました。 この発見は、この現象が昆虫に限定されない可能性があることを示唆しているため、重要です。ボルバキアを運ぶのは昆虫だけですが、すべての動物はさまざまな共生微生物を持っています。
「これらの実験では、微生物が実際に種分化を引き起こしているかどうかを知ることはできませんが、それらは確かに主要な貢献者であり、すでに存在していた生殖障壁をさらに強化していました」と Brucker 氏は述べています。科学者たちは、微生物がそもそも生殖バリアを作成できるのか、既存のバリアを広げることができるのか、あるいはその両方を行うことができるのか、まだわかっていません.
インディアナ州ウェストラファイエットにあるパデュー大学の進化生物学者でナソニアの専門家である Joshua Gibson は、Bordenstein の研究に基づいて、マイクロバイオームが種分化を引き起こす可能性があると結論づけるのは時期尚早だと考えています。 「マイクロバイオームが遺伝子変化を引き起こしたのか、それとも遺伝子変化がマイクロバイオームの変化を引き起こしたのかは明らかではありません」と彼は言いました.
マイクロバイオームが新種のナソニアを進化させたとしても、それは動物界全体で起こっているという意味ではないとギブソンは付け加えた.マイクロバイオームの重要性と同様に、それぞれの種に影響を与える要因は異なるだろう、と彼は言った.
予備的な証拠は、微生物が 2 つの動物種を分離するのに役立つ可能性があることを示唆しています。ブチハイエナとシマハイエナは、アフリカのサバンナで仲良く暮らしています。どちらの種も、肛門近くの臭腺から押し出される悪臭を放つオレンジブラウンのペーストに見られる揮発性化学物質の複雑な組み合わせを介して、性と生殖状態に関する情報を伝達します。
ミシガン州立大学（ミシガン州イーストランシング）の進化生態学者で、動物を研究しているケビン・タイスは、「彼らは基本的に、ペーストを広げる長い草の上でお尻をこすります」と語った。 「ハイエナは、縄張りの境界や共同の巣穴で最高の割合で巣を作ります。」
以前の研究では、微生物が哺乳類のコミュニケーションに使用される化合物の実際の生産者であると推測されていましたが、Theis はこの仮説を検証するための遺伝的ツールを手に入れました。彼は両方の種のメンバーによって置かれたペーストを綿棒で拭き、各サンプルで見つかった微生物を特定しました。 2013 年に全米科学アカデミー紀要に掲載された Theis の結果は、ペースト中に見つかった微生物が、存在する化学物質の種類と高度に相関していることを示しました。
2 月に開催された米国科学振興協会の年次総会で発表された Theis の最新の研究では、2 つの種が異なるマイクロバイオームを持っているだけでなく、異なる社会的行動も持っていることが示されました。彼は現在、2つがリンクされている可能性があるかどうかを研究しています.彼はまた、男性と女性の間で微生物が異なることも発見しました。メスはオスのペーストの匂いに基づいて交尾相手を選ぶため、オスの匂いが大きく変化すると、おそらくオスを認識できなくなり、誰と誰が交尾するかが劇的に変わる可能性があります。共生微生物がスジハイエナとブチハイエナの分裂につながったかどうかはまだ明らかではありませんが、Theis 氏によると、科学者たちは現在、微生物が持つ可能性のある広範な影響をよりよく理解しています。 「微生物は行動に影響を与え、行動が選択の主要な標的であることを示しているため、進化において役割を果たすことができます」と Theis 氏は述べています。
そもそも生物のマイクロバイオームを変える可能性のあるものは何ですか?動物は、物に触れたり、生まれる過程で、さまざまな方法で共生微生物を獲得します。ただし、食事は、共生微生物が生物に生息する主要な経路の1つであり続けています. Webster が指摘するように、食生活の変化は、ある微生物集団を別の集団よりも有利にする可能性もあり、科学者は交尾行動の変化につながることを発見しました.
1989年、当時イェール大学で働いていた生物学者のダイアン・ドッドは、食事の変化が種分化にどのように寄与するかを知りたがっていました.彼女はハエの 1 つのグループにでんぷん食を与え、別のグループには単糖であるマルトースを与えました。 25 世代後、ドッドはデンプンを食べるハエがもはやマルトースを食べるハエと交尾しないことを発見しました。 2つの個体群は、別々の種になる道を歩み始めていました.しかし、これがどのようにして起こったのかは、20 年以上にわたって不明のままでした。
2009 年の Dodd の研究を見て、Gil Sharon はその理由を知っていると思いました。当時、イスラエルのテルアビブ大学の微生物学の大学院生だったシャロンは、共生微生物のハエの星座が行動の変化の原因である可能性があると考えました。そこでシャロンはドッズの実験を繰り返し、食事の変化が行動の変化を引き起こすことを検証しました。その後、ハエに抗生物質を投与したところ、ハエの交尾の好みが消失したことがわかりました。その後、無菌のハエにバクテリアを含んだエサを与えたところ、シャロンはこれらの好みがたった一世代で戻ってきたことを発見しました。 PNAS の 2010 年の論文で、シャロンは、共生細菌が交配の好みを変える可能性があると結論付けました。
「ハエが異なる食物源を持っている場合、それらは異なるバクテリアと異なる臭いを持っています.それらの匂いは彼らの配偶者の選択に影響を与えます」とTheisは言いました. 「したがって、食料源の違いによって 2 つの個体群が分離され、一定の時間と隔離を与えると、交尾の好みが異なるため、後で再結合できない可能性があります。」これは種分化への大きな一歩となるでしょう.
微生物の変化は、実際のゲノムの変化よりもはるかに速く起こるように見えるため、この種の変化は、異なる集団が離れていくペースを加速させ、新しい種の進化の舞台を整える可能性があります.
ただし、このアイデアはまだ物議を醸しています。微生物学者はそれに対してかなりオープンでしたが、他の生物学者は説得するのがより困難でした.コーネル大学の昆虫学者で微生物学者のアンジェラ・ダグラスは、「陪審員はまだ出ていません。 「明らかに、微生物は動物であることの不可欠な部分ですが、研究者はより生態学的に関連する条件でこれらの実験を繰り返す必要があります.」
生物学者のほぼ全員が、生物の全体的な健康と幸福に対するマイクロバイオームの重要性を認めています。シカゴ大学の進化生物学者であるジェリー・コインを悩ませているのは、種分化の他の要因を除外できないことです。 「マイクロバイオームが種分化を引き起こすことを決定的に証明する研究はまだありません」とCoyneは言いました. 「理論的には可能ですが、まだ確かなことはわかりません。」
一方、ボーデンスタイン氏をはじめとする科学者たちは、共生微生物がどのようにして 1 つの種を 2 つに分けることができるかを正確に解明しようと取り組んでいます。 Bordenstein は現在、特定の微生物種が他の種よりも重要であるかどうか、および雑種種における外来マイクロバイオームの存在がその免疫システムをどのように変化させるかを調べています.
共生微生物が進化に与える影響の複雑さを完全に把握するには、微生物学と進化生物学の分野が独自の共生関係を形成する必要があるとボーデンスタイン氏は述べた。 「生物学の未来を定義するチャンスだと思います」と彼は言いました。 「核ゲノムだけが進化を見る方法であるというゲノム中心の生命観を持つのか、それとも動物の定義が変化してゲノムと生物の両方を含むようになるという、より統一された見方を持つのか。
