1つから多くが生まれました。約 7 億年前、単一の細胞から最初の動物が誕生しました。多細胞生物は、最終的に今日の動物に見られる信じられないほどの複雑さと多様性を生み出すことになります。新しい研究は現在、その細胞がどのように見えるか、そしてどのようにして多細胞性がそこから出現したかについて、科学者に新鮮な視点を提供しています。これは、地球上の生命の歴史において最も重要な出来事の 1 つを示す移行です。
1 世紀以上にわたって、最初の動物が進化した祖先は、同一の細胞の単純な塊であると広く考えられてきました。その後、動物が生命の木に独自の枝を形成した後、それらの細胞は特殊な機能を持つさまざまな細胞タイプに分化し始めました。しかし今、骨の折れるゲノム解析と、今日生きている最も古い動物と、動物以外の最も近縁の動物との比較により、その理論が覆され始めています.
最近の研究は、すでに驚くほど複雑な祖先の単細胞生物の姿を描いています。それらは、いくつかの状態の間を行き来する可塑性と汎用性を備えていました。つまり、今日の幹細胞が行うように分化し、その後、より特殊化されていない形に脱分化します。この研究は、細胞分化のメカニズムが多細胞動物の漸進的な台頭よりも前にあったことを示唆しています。
現在、科学者たちは、新しい物語についてこれまでで最も説得力のある証拠を報告しています。彼らの研究と、Nature での発表に触発された議論 先月の は、この種の進化論的疑問に対する決定的な答えを突き止めることがいかに難しいか、また研究者がそれらの答えを追求するためにどれだけ広く研究しなければならないかについても強調しています.
近親者を探す
1860 年代、生物学者のヘンリー ジェームズ クラークとウィリアム サヴィル ケントは、2 つの生物の細胞が驚くほど似ていることを別々に指摘しました。襟鞭毛虫は、前後に揺れる単一の鞭毛を取り囲む指のような突起の「襟」で覆われた小さな球状または卵形の細胞です。これらの原生生物は鞭毛で水流をかき立て、次の食事 (通常はバクテリア) を首輪に一掃して食べます。一方、海綿は多くの種類の細胞で構成される単純な動物であり、その中には有核細胞（海綿の内側の小部屋に並んで食物を捕らえる襟付きの鞭毛細胞）が含まれます。有棘細胞は見た目も行動も鞭毛藻に非常によく似ているため、1980 年代と 90 年代に一部の科学者は、有棘細胞は海綿から進化し、1 つの細胞に単純化された動物である可能性があると仮定しました。
構造上の類似性により、専門家はこれらの細胞が 祖先を共有しており、単細胞の襟鞭毛虫が 多細胞スポンジがどのように生まれたかを理解するための鍵である可能性があると考えるようになりました。これに基づいて、有名な海洋生物学者のエルンスト・ヘッケルは、1874 年に動物の多細胞性の進化に関する理論を発表し、それ以来、研究者はこの理論を詳しく説明しています。多くのそのような細胞が集まって、コロニー、つまり同一の細胞の中空のボールを形成し、次に、さまざまな機能を持つ細胞タイプと組織に徐々に分化しました。これが最終的に最初の動物である海綿につながりました — 残りは歴史です.
すべての兆候は、これが動物の進化について考える正しい方法であることを示していました。 2000 年代、Haeckel が彼の理論を提唱してから 1 世紀以上が経過した頃、ゲノムの証拠により、襟鞭毛虫が動物の最も近い生きている親戚であることが確認されました。ノルウェーのサーズ国際海洋分子生物学センターの分子生物学者であるパウエル・バークハルトは、「そこにある多くの単細胞真核生物のうち、150年前に鞭毛藻が動物の近縁種であると提案されていました。 「その後、最初のゲノムの配列が決定され、バム！それは実際に本当でした。」
カリフォルニア大学デービス校の地球生物学者である David Gold 氏は、「私を含む科学者は長い間、この鞭毛藻と有棘細胞のつながりを楽しんできました。なぜなら、それは明確でエレガントな物語を語っているからです。」
その上、ワシントン D.C. にあるスミソニアン研究所の国立自然史博物館の古生物学者であるダグラス アーウィンは次のように述べています。ヘッケルにどのように質問しますか?ダーウィンに質問するようなものです。」
疑いの最初の種
しかし、この明快でエレガントなストーリーについての不確実性は、過去 10 年間で増大しています。動物が鞭毛藻様細胞のコロニーから発生したという考えは、多細胞性が進化した後に細胞分化が進化したことを意味します。しかし、「データはそうではないことを示しています」と、バルセロナの進化生物学研究所の進化生物学者であるイニャキ・ルイス・トリロは言いました.
最初の問題は 2008 年に発生しました。科学者のグループが、生命の木の動物間の進化的関係をより正確にマッピングするために、海綿ではなくクシクラゲを最古の動物として特定したときです。この発見は論争を巻き起こしました。 「それはまだ非常に熱い質問です」と Gold は言いました。
その後の発見は、どの動物グループが最初に登場したかについての議論を煽り続けました.また、一部の研究では、鞭毛藻と海綿コアノサイトの間の見過ごされていた違いが明らかになりました。細胞の共通の祖先は、当然の結論のようには見えなくなってきました.
科学者たちはまた、襟鞭毛虫と 2 つの密接に関連した単細胞グループがすべて、さまざまな細胞状態を経る複雑なライフ サイクルを持っていることに気付き始めました。これらの状態は本質的に異なる細胞タイプとして機能しますが、多細胞生物のようにすべてが並んで存在するのではなく、単一の細胞で順番に発生します。 「それらは一時的な細胞分化を持っています」と Burkhardt は言いました。
そして、これらのライフサイクルの間、これら3つの原生生物はすべて、原始的な多細胞性に近い形で人生の一部を過ごします.襟鞭毛虫は植民地形態を持っています。 2番目の原生生物グループには、凝集するアメーバのような細胞があります。 3 番目のグループの細胞は、数百の核を持つように成長します。
これにより、2009 年に論文が発表され、Haeckel の仮説に対する古い代替案が復活しました。 1949年、ロシアの生物学者アレクセイ・ザフヴァトキンは、一時的に分化した細胞がコロニーを形成し、ライフサイクルの特定の段階に関与し始めたときに多細胞動物が進化し、一度にいくつかの細胞型が存在できるようになると提案しました. Ruiz-Trillo と彼の同僚は、このいわゆる時間から空間への移行のさらなる証拠を提供しました。一連の研究で、彼らは、細胞分化に関与するものを含め、動物に固有であると思われる調節タンパク質の特定のファミリーが、実際にははるかに古い単細胞の親戚にすでに存在していることを示しました.
現在、オーストラリアのクイーンズランド大学の夫婦である海洋生物学者であるサンディ デグナンとバーナード デグナンが率いる研究チームは、動物の進化に関するこの見解をさらに支持するとともに、従来の理論の基礎である「鞭毛藻類と海綿コアノサイトの間の進化的つながり.
より柔軟な祖先
チームがプロジェクトを開始したとき、彼らは「[伝統的な]理論の骨に肉を付けたかっただけです」とバーナード・デグナンは言いました.そのために、彼らは有棘細胞および他の種類の海綿細胞における遺伝子発現を調べ、それらの発見を有棘鞭毛生物および他の 2 つの原生生物に関する公表されたデータと比較しました。
彼らは、海綿コアノサイトが、鞭毛藻に最も似た遺伝子発現プロファイルを持っていることを立証することを期待していました。代わりに、別の種類の海綿細胞がそうであることがわかりました.
古細胞と呼ばれるその細胞タイプは、スポンジの幹細胞のように機能します。それは、動物が必要とする可能性のある他の細胞タイプに分化することができます. Bernard Degnan によると、古細胞の遺伝子発現パターンのいくつかは、特定のライフ サイクル段階における原生生物の遺伝子発現パターンと非常によく似ています。 「彼らは祖先の調節システムを持っていることを示唆する遺伝子を発現しています」と彼は言いました。 「すべての動物は、ずっと前に作成されたそのテーマの単なるバリエーションです。」
さらに、コアノサイトは予想外に一時的であるように見えました。 「すべての動物起源の基盤であると考えられているコアノサイトは、ほとんど儚いものです」と彼は言いました。 「それらはその状態に安定してとどまることはありませんが、これらの幹細胞である始原細胞に急速に脱分化します。」
研究に関与していなかったゴールドにとって、この結果は、海綿コアノサイトが必ずしも「動物の起源のある種の代理」として使用されるべきではないことを示す最も強力な証拠です.
Bernard Degnan は、襟鞭毛虫と海綿鞭毛細胞が独立して、襟付きの鞭毛構造に到達した可能性があると考えています。鞭毛藻と海綿動物の共通の祖先には、始原細胞または多能性幹細胞のようなものがあった可能性があります。 「それは異なる細胞型の間を通過し、それらの細胞型はその後安定しました」と彼は言いました。 「そして本質的に、それが真の多細胞性を生み出したのです。」その後、動物がより大きく、より複雑になるにつれて、細胞はより正確になり、専門化され、アイデンティティに固定される必要がありましたが、その過程で多くの汎用性が失われました.
振り返ってみると、このバージョンの多細胞性の起源は非常に理にかなっています。一部の専門家によると、動物の前に出現した単細胞生物は一種の幹細胞と考えることができます。幹細胞は永遠に分裂し続け、生殖を含むさまざまな機能を実行できます。クラゲなどの他の初期の動物も、先祖代々のように見える可塑性を大いに示しています。
「幹細胞は、開発、創傷治癒、がんの研究において、人々が何年も取り組んできたものです」と Ruiz-Trillo 氏は述べています。今では、動物がどのように生まれたかを発見するために、「進化を理解する上でも興味深い」ことが明らかになりつつあります。
和解への道
デグナン夫妻の結論に誰もが完全に同意するわけではありません。遺伝子発現プロファイルから推論を導き出すことは、それほど簡単ではありません。 「[それを] 掘り下げてみると、一部のデータをまったく異なる方法で解釈できる可能性があります」と Burkhardt 氏は述べています。遺伝子発現の違いは、必ずしも 2 つの細胞型が祖先を共有することを排除するわけではありません。
エルヴィンは同意した。そのようなデータは、「特定の時点で[撮影された]スナップショットです」と彼は言いました。鞭毛藻と海綿コアノサイトが過去 7 億年にわたって独自に進化してきたことを考えると、それらが非常に異なる遺伝子を発現していることは理にかなっています.
オーストラリア国立大学の進化発生生物学者で、Degnans の研究には参加していない Maja Adamska は、現生生物の比較では、「喪失と獲得の歴史を持つ動物を見ている」と述べた。 「調査結果を単純化しすぎるリスクがあります。」
他の海綿種には古細胞がまったくない、と彼女は付け加えた。代わりに、コアノサイトが幹細胞のような役割を果たします。 「[それらの有棘細胞] で比較を行っていたら、」と Adamska 氏は述べた。
Adamska は、最初の動物は幹のような細胞のパンケーキであり、しばしばアイデンティティが変化した可能性が非常に高いと考えています。彼女はまた、遺伝子発現の比較は、襟鞭毛虫と最初の多細胞動物細胞との間の進化上のつながりを排除しないと考えています. 「実際、私の先祖には有棘細胞があったと強く信じています」と彼女は言いました。
動物の多細胞性の起源に関する 2 つの理論は、相互に排他的ではありません。 「私たちが描こうとしている最後の共通の祖先には、鞭毛虫様の特徴と[時間的分化]の特徴の両方の場所があると思います」とアダムスカは言いました。 「そこに矛盾は見られません。」彼女と彼女の同僚は現在、この考えをさらにテストするために、古細胞を含まない海綿での遺伝子発現のプロファイリングに取り組んでいます.
組み合わされた理論のヒントは、Burkhardt の研究室からすでに出てきています。 5 月に biorxiv.org に掲載されたプレプリントで、Burkhardt と彼の同僚は、鞭毛藻のコロニー内の細胞がすべて同一ではないことを発見しました。それらは形態とオルガネラの比率が異なります。これらの観察結果は、空間的な細胞分化が鞭毛藻系統ですでに起こっており、おそらくそれよりも前に起こっていたことを示唆している.古い (これは鞭毛藻様細胞で起こる可能性がある)。
そのため、最初の動物が正確にどのように見えたかについての決定的な答えはまだありませんが、全体像はより明確になっています. 「私たちは深遠な時間のどこから来たのかを理解することに近づいています」とアダムスカは言いました. 「そして、それはとてもクールだと思います。」
