夕暮れがタンザニア平原に落ちます。空がより深い紫に変わると、孤独なブチハイエナが目覚めます。彼女は一族の領土の境界に沿って速歩し、尻尾の下から酸っぱいペーストで境界をマークします.彼女は通り過ぎるそよ風を嗅ぎ、交尾に興味を持っている放浪するオスの兆候を探し、前夜の狩りの残骸や脇腹の痒みにほとんど注意を払いません。孤独なハイエナは、生計を立てるために次に何をするかを選択します。
彼女が一人ではないことを除いて。彼女が分泌するそのペーストは、彼女自身の細胞ではなく、彼女の匂い腺に収容された数十億のバクテリアによって生成されます.潜在的な仲間からのそよ風の香りも、独自の微生物の調合から来ています.彼女の腸内を覆う多様なバクテリアが彼女の食事を分解するのに役立っています。皮膚やその他の組織に侵入しようとする寄生虫や病原体の大群を撃退する免疫システムを支援するものもあります。
では、タンザニアの平原で生き残ろうとしているのは、正確には誰でしょうか?ハイエナとその中の微生物の運命を別々に考えることができるでしょうか?それとも、彼らの相互作用は、それぞれの部分だけではなく、何か新しいものを形成しますか?
ハイエナのペーストを作る微生物を研究しているウェイン州立大学の微生物学者、ケビン・タイス氏は、「私たちは何十年、何世紀にもわたって研究してきた形質に対する微生物の潜在的な寄与を過小評価してきました。 「これらの重要な形質の遺伝子が実際に動物自体ではなくマイクロバイオームにある場合、システムレベルのアプローチを取り、宿主微生物システム全体を調べる必要があります。」
植物や動物を注意深く観察すると、バクテリア、菌類、ウイルスの暴動が複雑で相互に関連した生態系を形成していることがわかります。最近の研究の急増により、私たちが体の機能を維持するために微生物パターンにどれほど深く依存しているかが明らかになり、個人であることの意味について深い疑問が生じています.
消化や免疫などの重要な機能は、個々の生物の範囲内にあると長い間想定されていました。能力は、自然淘汰による進化を通じて発達し、洗練されたものでした。しかし、私たちの体が同一の細胞の独裁ではなく、多数の連合体であるとすれば、その進化をどのように説明できるでしょうか?
一部の生物学者は、進化論の根本的なアップグレードを求めており、より大きく、より簡単に理解できる生物の研究から開発された一般的なアイデアは、この新しい世界にうまく適合しないと主張しています。他の人は、既存の理論をもっと慎重に適用する必要があると主張しています.ミクロの世界とマクロの世界は不可避的に相互依存しており、生物学者はそれらの相互関係の最前線を探求しなければならないことに、全員が同意しています。
一人じゃない
「私たちは決して個人ではありませんでした」と 2012 年の論文 The Quarterly Review of Biology で宣言しました。 スワースモア大学の発生生物学者であるスコット・ギルバートと彼の同僚によるものです。この大胆な主張は、複雑な生物を新しい種類の個体、つまりホロビオントとして再概念化するという以前の要求を反映しています。ホロビオントという用語は、宿主の動物または植物と、そのすべての構成微生物を含みます。宿主または微生物に属するホロビオント内のすべての遺伝子は、「ホロゲノム」を構成します。
ホロビオントとホロゲノムは「議論の余地のない自然の現実」であると Theis と彼の同僚は mSystems 誌に書いています。 .ホロゲノムには、宿主ゲノム単独よりもはるかに多くの遺伝子が含まれており、微生物遺伝子の少なくとも一部は宿主の生存と繁殖に大きく関係しているため、理解したい場合は、ホロゲノムを選択の可能な単位と見なす必要があります。ホロビオントの進化。
ヴァンダービルト大学の進化生物学者であるセス・ボーデンスタインは、次のように述べています。ボーデンスタインは、他の研究者とともに、宿主に関連する微生物が自然界に遍在していることを考えると、この実体に言及するには新鮮な言葉が必要であると主張している. 「私たちは染色体やゲノムを構造として受け入れています。次のレベルアップはホロゲノムです」と彼は言いました。
「二次的な質問は、ホロゲノムは重要ですか?」彼は続けた。マイクロバイオームのどの割合が宿主のフィットネスに影響するかは誰にもわかりません。多くの人は確かに乗り物に乗っています。しかし、ある程度の協力があれば、たとえば、宿主が自分では作ることができない産物を代謝する一部の微生物に避難所や栄養素を提供する場合、それらは同じスペースを占める2つの生物以上のものになります.それらはある程度、機能的に統合されています。そしてそれは、ホロゲノムが進化的にも重要であるかどうかという問題を提起します.
統合が緊密になればなるほど、宿主と微生物の運命はより緊密に絡み合います。そのようなホロビオントの場合、宿主ゲノムまたは微生物ゲノムの進化を分離して理解することはできないとボーデンスタインは言います。 「微生物が何を作るのか、宿主が何を作るのか、そして潜在的にそれらの製品がどのように連携するのかを理解する必要があります.ホロビオントは、宿主と微生物の合計よりも多くなると彼は主張する.それらの相互作用から、個体や遺伝子などの他の選択単位とともに自然選択が作用する可能性のある首尾一貫した実体が出現します。
このホロゲノミックな進化の概念の支持者は、宿主と微生物の間に世代を超えた忠実性がある場合、ホロビオントは多数の異種の進化系統が集まって単一の存在になることを体現していると主張している。全体。ホロビオントを、自然淘汰によってユニットとして形作られる単一の実体と考えた場合にのみ、その複雑さを理解することができます.
変異と遺伝率
ホロビオントが自然淘汰によって進化するとはどういう意味ですか?ホロビオント内の個々の細胞株からではなく、全体としてホロビオントから出現する特徴は、どのようにして自然に「選択」され、個体群に広がるのでしょうか?自然選択による進化の古典的なレシピは、生存可能な子孫の数に影響を与えるさまざまな特性を持つ個体の集団から始まります。これらの特性は継承可能でなければなりません。つまり、ある程度忠実に世代から世代へと受け継がれなければなりません。ある形質は、幸運な個体の寿命と子孫の数を 2 倍にするという仮説を立てることができますが、その形質が受け継がれない限り、それは進化の行き止まりです。
ホロビオントは進化するエンティティの基準を満たしていますか?微生物と宿主ゲノムは、宿主の適応度に大きな影響を与える方法で相互作用する可能性があります。しかし、私たちがゲノムを継承するのと同じような方法でマイクロバイオームを継承するかどうかは、依然として論争の的となっています.
親は微生物を子孫に伝えます。たとえば、カメムシの一部の種のメスは、産まれたばかりの卵の近くに糞を寄り添い、幼虫の最初の食事として機能させ、それによって母親の腸内微生物叢を接種します。通常、帝王切開で生まれていない人間の赤ちゃんは、外界に向かう途中で母親の膣内微生物を獲得します。母親の微生物は、密接な接触や授乳によっても赤ちゃんにこすりつけられます。子供がより自由に世界を移動するにつれて、微生物群集は最終的に変化しますが、これらの初期の微生物は免疫システムの発達において非常に大きな役割を果たします.
すべてのマイクロバイオームが親から子へと受け継がれるわけではありませんが、Bordenstein によれば、そうである必要はありません。 「私の知る限り、マイクロバイオームが完全に忠実に受け継がれるとは誰も思っていません。しかし、そのかなりの部分がそうである場合、彼と他の人々は、それらの相互作用とその進化は選択の単位として理解される可能性があると主張しています.
ホロゲノムに穴を開ける
他の研究者は、進化のホロゲノムの概念が、選択可能な単位の概念を矛盾するところまで広げていると考えています。セントルイスにあるワシントン大学の進化生物学者で、微生物を研究している Joan Strassmann は、「微生物が一度に 1 つの生物と共にそこにいるからといって、それらが選択の単位であるとは限りません。特にそれらが垂直に受け継がれていない場合はなおさらです」と述べています。 .
大学の生物学哲学者であるデレク・スキリングスは、「垂直伝達が絶対に必要であると強く主張したくはありませんが、パートナーシップ全体の累積的進化につながる可能性が最も高いメカニズムであることは確かです」と述べています。ペンシルベニア大学とニューヨーク市立大学
スキリングスや他の批評家は、ホロビオントが首尾一貫した進化的個体であることを可能にするのに十分な共生生物の垂直伝達の証拠がまったくないと主張している.宿主の微生物の多くは、親からではなく、外部環境から獲得されます。環境が共有されている場合でも、親の微生物がその子孫に到達すると仮定する理由はほとんどありません.たとえ同じ種類の微生物であっても、進化した個体を形成するには、垂直伝達の直接的な線が必要です.
スキリングスはさらに、自然界で種が繰り返し共生することは、それらが利益を共有していることを意味するものではないと主張している.絶え間ない対立に閉じ込められた宿主と寄生虫を考えてみましょう。世代ごとに、彼らは一緒になってお互いを転覆させようとします。宿主の家族系が同じ家族系の寄生虫に感染していると想像することさえできます.それにもかかわらず、この関係は永続的であり、スキリングスは、各血統の関心を個別に検討することによってのみ理解できると主張しています.ホロゲノム概念の支持者は、協力、対立、さらには中立性がホロビオントの進化に影響を与える可能性があることを認めており、意見の相違は問題の事実についてではなく、それらにどのようにアプローチするかについてのものです.
Strassmann は、ホロビオントで何が起こっているのかだけに注目すると、微生物の話の多くが見逃されると主張しています。多くの宿主関連微生物は、非常に異なる選択圧にさらされる環境で、宿主の外で生活のかなりの部分を過ごします。彼女によると、ホロビオントの考えは、宿主環境に注意を向け、微生物の特徴を形成する可能性のある他の生息地を無視して、これらの微生物の進化に関する私たちの理解を盲目にします.
ホロビオント中心の理論の批評家は、微生物と宿主の間の相互関係を研究することの重要性を軽視しているわけではありませんが、ホロビオントの枠組みはほとんど常に誤解を招くと考えています.彼らは、ホロビオントを進化上の個体ではなく、生態学的な共同体として想定しています。微生物との共生関係が重要であるという知識は、「進化と自然選択がどのように機能するかについて私たちが知っていることを完全に忘れる必要があるという意味ではありません」と Strassmann 氏は述べています.
しかし、既存の生態学的および進化論をこの新しい微生物の世界に翻訳することは、言うは易く行うは難しだと、カリフォルニア大学バークレー校の生物学者ブリット・コスケラは警告する。これらの理論の多くは、植物と動物がどのように相互作用し、共存するかを説明するために構築されたものであり、「ここには当てはまらない微生物生態学のよく理解された側面があります」と彼女は言いました.
コミュニティが時間の経過とともにどのように組み立てられるかを評価するためのフレームワークである、生態系の継承を考えてみましょう。たとえば、新しい島の植物群集の状態は、植物の局所的な進化よりも、種が到着した順序とそれらが埋めたニッチに大きく依存する可能性があります.
しかし、細菌は植物や動物よりもはるかに速く進化し、遺伝子の水平伝達によって瞬時に遺伝子を交換することができます。 「今、微生物が到着する可能性を考慮しなければなりません。そして、突然変異または水平伝達によって、他の誰かが現れる前に利用可能なすべてのニッチを埋める必要があります.細菌の継承は、従来の継承とは異なる直感に反する方法で機能する可能性があります。
Koskella 氏によると、考慮すべきその他の違いには、宿主の免疫系がそのマイクロバイオームに及ぼす影響や、環境を動的に変化させる微生物の能力が含まれます。彼女は、理論家はモデルによって作られた基本的な仮定を熟考し、それらが微生物にも同様に適用されるかどうかを検討する必要があり、経験主義者はそれらのモデルの予測をテストする必要があると主張しています. 「経験主義者と理論家の間のクロストークは本当に重要です」とコスケラは言いました。 「データは非常に複雑で、私たちは直観を超えて急速に進んでいます。」
ホロビオントのかなりの部分がどのくらいの頻度で遺伝するか、世代を超えてコミュニティがどの程度安定しているかなどの経験的な問題を解決することは、直感を研ぎ澄まし、理論的研究に情報を提供するのに役立ちます. 「質問をしてデータを取得し続けることはできますが、理論がなければ、この複雑さすべてを解釈またはテストする方法を本当に知りません」と Koskella 氏は述べています。
それは歌であって、歌手ではない
急進的なアイデアの 1 つは、問題をひっくり返すことで第 3 の方法を切り開こうとするものです。その支持者は、どの微生物が相互作用を行っているか、またはそれらが垂直に伝達されているか水平に伝達されているかなどの詳細を忘れて、さまざまな微生物のプレーヤーによって実行される安定した代謝プロセスである相互作用に注目してください.
ノバスコシア州のダルハウジー大学の進化生物学者である W. フォード ドゥーリトルは次のように述べています。彼と彼の元ダルハウジーの同僚であるオースティン ブースは、このアイデアを考案し、ローリング ストーンズの曲のタイトルを逆にして、ITSNTS と略した名前を付けました。彼らは、ホロビオントのアイデアについて非常に説得力のあるもの、つまり、異なる系統間の相互作用パターンの安定したネットワークを、それらに特別な進化的同一性を帰することなく捉えていると主張しています。代わりに、プロセス自体が一種の進化系統を形成します。
Doolittle と Booth は、腸内マイクロバイオームには多くの細菌分類グループにわたる多種多様な種と菌株が含まれているが、それらの生物によって実行されるコア機能の顕著な保存を示すという観察から始めました。これらのさまざまなプレーヤーのネットワークは代謝サイクルに参加します。このサイクルでは、一連のバクテリアが栄養素を代謝物に変換し、それが他のバクテリアによって拾われて、宿主によって使用される別の代謝物を生成し、サイクルが続きます.これらの機能的ステップの多くは、腸内に存在する無数の菌株によって実行される可能性があり、任意の菌株が冗長になる可能性があります。しかし、どの細胞がそれを実行しているかに関係なく、サイクル自体は継続します。
Doolittle は、窒素循環を使用してアイデアを説明します。大気中の窒素は、さまざまな反応を行う細菌、植物、菌類などの分解者の多様な組み合わせによって、一連の化学状態を経て攪拌されます。サイクルの各ステップは、一種の「機能ギルド」に属する無数の種によって実行されますが、プロセス自体は非常に安定しています。
これらのネットワークが存在すると、他の微生物が占有するニッチが作成されます。サイクルは、さまざまな血統がつかむための一種の構造になり、彼らが生計を立てる方法になります。 「飛躍して、これらの相互作用ネットワークをエンティティの集団として考えれば、それらを選択の単位として理解し始めることができます」と Booth 氏は述べています。 「それは、進化についての従来の考え方を一変させます。血統の唯物論的基盤は後回しにされています。」
Doolittle と Booth はこれを、歌が文化的存在として永続する方法になぞらえています。 「基本的に多くの人が喜んで歌ってくれたので、長い間続いた曲があります」とドゥーリトルは言いました。個々の歌手は出入りしますが、書かれた音楽や録音された音楽が存在しない文化でも、歌は新しい世代の適切な才能を採用することによって生き残ります.同様に、代謝ネットワークが存在すると、生物の多様な系統が進化して、それを定義する相互作用とプロセスの一部を実行できます。進化は、さまざまな系統内の個人または遺伝子にとって利己的に有利であるため、その関連付けをサポートできます。
差分永続性によってプロセスが選択されるというのは、確かに珍しいアイデアですが、前例がないわけではありません。 「ミーム」の形でのアイデアの文化的進化は、物議をかもしていますが、少なくとももっともらしいと多くの人に見られています（ミームの概念自体は、遺伝子の生物学的概念に触発されました）。この場合、アイデアまたはミームは代謝相互作用であり、それを実行するために微生物を動員する能力に基づいて存続します。
このフレームワークがホロビオントの研究にどれほど役立つかはまだわかりませんが、重大なねじれはまだ解決されていません。差分持続性が差分生殖に類似しているという考えは、多くの進化生物学者にとって奇妙に思えるかもしれません。また、代謝ネットワークを定義する方法はまだ明らかではありません。
肥沃な大地
進化が根本的にどのように機能するかについての活発な議論は、新しいものではありません。 「進化は、アイデアの歴史を見ると、常にこの種の議論に悩まされてきました」と、進化が徐々に進んだのか、それとも順調に進んだのかについての初期の議論に言及して、ブースは言いました.
「微生物革命は、非常に多くの伝統的なアイデアを捨て去るか、少なくともそれらを新しい光の中に投じるという点で、影響力があったと言っても過言ではありません.
「私たちはここで分野を始めたばかりだと思います」とボーデンスタインは言いました。彼は、遺伝学の初期の時代を指摘しています。 「これらの初期の質問は非常に基本的なものでした — 遺伝子とは何ですか?遺伝子はどのように受け継がれるのですか？」生物学者は、微生物と宿主の相互作用に関する基本的な問題を理解し始めたばかりです。 「誰がいる？ホロビオントの複雑さはどのようなもので、そのパーツはどのように連携して機能するのでしょうか?これを解明するには、1 世紀に及ぶ研究が必要です。」
Strassmann 氏も同意見です。 「私たちがお互いに話し続けることは本当に重要です。やるべきことがたくさんあります。」
