フロリダ州セントオーガスティンにあるホイットニー海洋生物科学研究所の神経科学者である Leonid Moroz が最初にクシクラゲの研究を始めたとき、彼は戸惑いました。彼は、原始的な海の生き物が神経細胞を持っていることを知っていました。神経細胞は、触手の動きや虹色の繊毛の鼓動を調整する役割を担っていました。しかし、それらのニューロンは目に見えないように見えました。科学者がこれらの細胞を染色して研究するために通常使用する染料は、単に機能しませんでした.クシクラゲの神経構造は、彼がこれまでに遭遇したことのないものでした.
何年にもわたる研究の後、彼はその理由を知っていると考えています。伝統的な進化生物学によれば、ニューロンは数億年前に一度だけ進化し、おそらく海綿が進化の木から枝分かれした後だった。しかし、Moroz はそれが 2 回起こったと考えています。1 回目はクシクラゲの祖先で、海綿とほぼ同時に分裂しました。もう 1 回は、クラゲとその後のすべての動物 (私たちを含む) を生み出した動物でした。彼は証拠として、クシクラゲが比較的異質な神経系を持っており、私たちとは異なる化学物質と構造を採用しているという事実を挙げています. 「ゲノムやその他の情報を見ると、文法が異なるだけでなく、アルファベットも異なることがわかります」と Moroz 氏は述べています。
Moroz が彼の理論を提案したとき、進化生物学者は懐疑的でした。批評家は、ニューロンは現存する細胞の中で最も複雑なタイプであり、情報を取得し、計算を行い、意思決定を実行できると主張しています。それらは非常に複雑であるため、2 回進化した可能性は低いです。
しかし、Moroz の考えに対する新たな支持は、クシクラゲが古代に存在することを示唆する最近の遺伝子研究から得られたものであり、動物の系統樹から枝分かれした最初のグループです。もし本当なら、彼らが独自にニューロンを進化させた可能性を高めるでしょう.
この議論は、進化生物学者の間で強い関心を集めています。モロズの研究は、脳の起源と動物の進化の歴史に疑問を投げかけるだけではありません。また、進化は着実に前進し、時間の経過とともに複雑さを増していくという、深く根付いた考えに挑戦します。
最初の分裂
5 億 4000 万年前のどこかで、海は動物の生命の爆発の準備ができていました。すべての動物の共通の祖先は海を歩き回り、今日見られる豊富な動物群に多様化する準備ができていました.
科学者たちは長い間、海綿が動物の系統樹の主幹から分岐した最初のものであると考えてきました。彼らは、神経や消化器系などの特殊な構造を持たない、最も単純な種類の動物の 1 つです。ほとんどの動物は、周囲の水の流れに頼って食物を集め、老廃物を取り除きます.
その後、一般に信じられているように、残りの動物系統はクシクラゲに分裂しました。刺胞動物（クラゲ、サンゴ、イソギンチャク）;プラコゾアと呼ばれる非常に単純な多細胞動物。そして最終的には二国間生物、昆虫、人間、そしてその間にあるすべてのものにつながった枝.
しかし、初期の動物の枝が分かれる正確な順序を整理することは、厄介な問題として知られています。何百万年も前に動物がどのように見えたのか、私たちはほとんど理解していません。 「化石の記録にはむらがあります」と、カリフォルニア大学サンディエゴ校スクリップス海洋研究所の進化生物学者であるリンダ・ホランドは言いました。
私たちが過去を見ることができないことを補うために、科学者は生きている動物の形態（構造）と遺伝学を使用して、古代の動物の関係を再構築しようとします。しかしクシクラゲの場合、生きている動物の研究は深刻な課題を提示します.
クシクラゲの基本的な生態についてはほとんどわかっていません。動物は信じられないほど壊れやすく、ネットに引っかかるとバラバラになることがよくあります。また、飼育下でそれらを飼育することは困難であり、科学者が他の動物で行う日常的な実験を行うことはほとんど不可能です.
クシクラゲは長い間、クラゲと近縁であると考えられていました。対称的な体型とゼラチン状の構造を持つこの 2 種は、外見上は互いに似ています。しかし、動物の泳ぎ方と狩り方は異なります。クラゲには刺すような触手があり、クシクラゲには粘着性のある触手があります。また、ゲノムレベルでは、クシクラゲは神経系をまったく持たない海綿に近いです。
クシクラゲやその他の動物では、形態学に依存する進化分析が 1 つの進化ツリーにつながる可能性がありますが、ゲノム データまたは異なる種類のゲノム データを使用する進化ツリーが別の進化ツリーにつながる可能性があります。この不一致は、しばしば現場で激しい議論を巻き起こします。
そのような議論の 1 つが 2008 年に浮上しました。現在ホイットニー研究所の所長であるマーク マーティンデール、ハーバード大学の進化生物学者であるゴンザロ ジリベット、および共同研究者が 29 種類の動物の遺伝子配列を分析した研究を発表したときです。遺伝子データを検討した後、研究者は動物の系統樹にいくつかの変更を提案しました。
これらの変化の中で最も物議をかもしたのは、有櫛動物が動物の最も初期の枝としてスポンジに取って代わるべきであるという提案でした.生物学者が伝統的に信じてきたように、進化が時間の経過とともに複雑さを増すとすれば、海綿のような一見単純な生物は、クシクラゲのような一見より複雑な生物よりも前に存在するはずです。 Martindale と Giribet の遺伝子データはそうではないことを示唆していましたが、批評家は懐疑的でした。 「私たちは科学界全体からかなり嘲笑されました」とマーティンデールは言いました。
マーティンデールと彼の共同研究者は、彼らの提案の証拠をさらに集める必要がありました。彼らは国立衛生研究所を説得して、クシクラゲであるウミウシのゲノムを解読し、Science に掲載されました。 2013 年。Moroz と彼の共同研究者は、Nature で 2 番目のクテノフォア ゲノムであるウミグーズベリーを発表しました。 どちらの論文も、2008 年の取り組みよりも広範なデータとより洗練された分析方法を採用しており、クテノフォア ファースト ツリーをサポートしています。公開されているゲノム データを分析し、今年初めにプレプリント サーバー biorxiv.org に投稿された 3 つ目の論文も、クシクラゲが最初に枝分かれしたという考えを支持しています。
新しい証拠に照らして、科学者はこの考えを真剣に受け止め始めていますが、この分野の多くの人は、強力な主張をするのに十分なデータがないと言っています.この観点は、昨年公開された一連のレビュー記事に反映されており、その多くはクシクラゲが実際には最も古いブランチではないと主張しています。
クシクラゲは、他の古代の動物グループよりも急速に進化してきたため、遺伝子配列が時間の経過とともに急速に変化しました。これは、進化の系統樹におけるそれらの位置の遺伝子解析が、「長枝引力」と呼ばれる計算上のアーティファクトの影響を受ける可能性があることを意味します。ドイツにある欧州分子生物学研究所の進化生物学者である Detlev Arendt は、次のように述べています。 「これまでのところ、系統データは [クシクラゲ] がどこに属しているかについて決定的なものではありません。」
科学者たちは、追加のクテノフォア種のゲノムを含む、より多くのデータが動物樹の最も深い枝を解決するのに役立つことを望んでいます.そしてそれは、ニューロンとそれらがどこから来たのかについての私たちの理解に大きな影響を与える可能性があります. 「分岐順序は、神経系の進化を解釈する方法に大きな影響を与えます」と、ドイツのマックス プランク発生生物学研究所の生物学者 Gáspár Jékely は述べています。
実際、クシクラゲが最初に出現したことに同意する人でさえ、ニューロンがどのように発生したかという問題には反対です.
思考の火花
ニューロンの作成は、動物の進化における注目すべき出来事でした。これらの細胞は、正確な化学的および電気的言語を使用して情報の受信、送信、および処理を行うことができます。それらの力は、それらが作成する複雑なネットワークに由来します。 「単一のニューロンは、片手で拍手する音のようなものです」と Martindale 氏は述べています。 「全体的なアイデアは、それらをたくさん集めて、いくつかの単一細胞ではできないことを行うことができるということです.」
このレベルの複雑さは、進化のイベントのありそうもない合流点を必要とします。細胞を物理的に接続するだけでなく、シグナルを伝達して解釈できるようにするメカニズムが必要です。 「ほとんどの人が複数回進化した可能性があると考えていない理由は、ニューロンが特に他のニューロンと話すという考えです」とマーティンデールは言いました.
これが、Moroz の提案 — ニューロンがクシクラゲで 1 回、他の動物で 1 回の 2 回進化した — が非常に物議をかもしている理由です。
モロズのバージョンの進化ツリーによると、動物はニューロンを持たない共通の祖先から始まりました。クシクラゲは分裂し、奇妙なブランドのニューロンを発達させました。その後、海綿動物や扁平動物の祖先が枝分かれしました。彼らの祖先と同様に、彼らにはニューロンがありませんでした。その後、初歩的なニューロン、またはプロトニューロンが、クラゲやバイラタリアンの祖先で 2 度目の進化を遂げ、ヒトを含むその後のすべての子孫に見られる神経系の基礎を形成しました。 「私の意見では、共通の祖先に神経系がなかった方が単純で現実的です」とモロズは言いました。 (クシクラゲが海綿の後に分離したとしても、それらは独立してニューロンを進化させたと彼は考えています.)
しかし、クテノフォアが最初に枝分かれしたと信じている一部の科学者は、別の見方をしています。彼らは、すべての動物の共通の祖先が単純な神経系を持っていたことを示唆しています。クラゲと、私たちの祖先であるバイラテリアンを含む残りの枝は、これらのプロトニューロン上にさまざまな方法で構築され、ますます洗練された神経系を発達させます.
スタンフォード大学ホプキンス海洋ステーションの生物学者であるクリストファー・ロウは、「クテノフォア優先の考えが正しければ、非常に興味深いことが起こっていることを示唆しています。 「どちらの解釈も深遠です。」一方では、ニューロンの 2 つの独立した起源は驚くべきことです。なぜなら、ニューロンを作成した遺伝的偶然の正確なシーケンスが複数回発生する可能性は低いと思われるからです。しかし、スポンジがニューロンと同じくらい価値のあるものを失う可能性も低いようです. 「神経系が完全に失われた二国間動物から私たちが知っている唯一の例は、寄生虫です」とロウは言いました.
この 2 つの可能性は、進化生物学者にとっての古典的な難問を反映しています。 「この動物は何かを失ったのですか、それとも最初から持っていなかったのですか?」オランダは言った。この特定のケースでは、「立ち向かうのは難しいと思います」と彼女は言いました.
進化には、喪失と並行進化の両方の例がたくさんあります。一部の線虫やその他の動物は、他の動物界で利用されている調節分子または発生遺伝子を排出しています。 「主要な動物系統で遺伝子の重要な補体が失われることは前例のないことではありません」とロウ氏は述べています。自然淘汰によって 2 つの類似した構造が独立して生成される収斂進化は、自然界ではかなり一般的です。たとえば、網膜は独立して数回進化しました。 「異なる動物は、形態学的に類似したニューロン、回路、および脳を作るために、非常に異なるツールキットを使用することがあります」とMoroz氏は述べています。 「誰もが目のケースを受け入れますが、脳やニューロンは一度だけ起こったと考えています。」
クシクラゲにおけるニューロンの独立した起源についてのモロズの主な証拠は、それらの異常な神経系に由来します。 「クテノフォアの神経系は、他の神経系とは劇的に異なります」と、Moroz と共に研究している分子生物学者の Andrea Kohn は述べています。クシクラゲは、セロトニン、ドーパミン、アセチルコリンなど、他の動物が持っている一般的に使用される化学メッセンジャーを欠いているようです. （彼らは、動物の神経細胞シグナル伝達において主要な役割を果たす単純な分子であるグルタミン酸を使用しています。）代わりに、それらは、化学メッセンジャーとしても機能することができる多数の神経ペプチド、小さなタンパク質を生成すると予測される遺伝子を持っています. 「この門を除いて、そのような動物は他にいません」とコーンは言いました。
しかし、批評家はこの主張にも疑問を投げかけています。おそらくクシクラゲはセロトニンやその他の神経シグナル伝達分子の遺伝子を実際に持っているが、それらの遺伝子は認識できないほど進化しているとアーレントは述べた. 「それは、[コームゼリーが]高度に専門化されていることを意味している可能性があります」と彼は言いました.
議論のあらゆる側の科学者は、より多くのデータと、さらに重要なことに、くしゼリーの生物学をよりよく理解することによってのみ、答えを出すことができると言います.マウスやショウジョウバエなどのモデル生物といくつかの遺伝子を共有していますが、それらの遺伝子がクシクラゲで何をしているのかは不明です。また、科学者は、クシクラゲのニューロンがどのように通信するかなど、基本的な細胞生物学も理解していません。
しかし、進行中の議論は有櫛動物への関心を呼び起こし、より多くの研究者がその神経系、発生、および遺伝子を研究しています。 「モロズと協力者たちは、木のこの部分に光を当てました。これは良いことです」とホランドは言いました。 「あの人たちを無視してはいけません。」
2015 年 3 月 26 日の修正:2 つのくしゼリーを説明する元のキャプションで、位置が逆になりました。左が海グーズベリー、右がクシクラゲ。
