2011 年の夏、当時大学院生だった微生物学者のジョン・サンダースは、60 ポンドもの実験装置 (かさばる蛍光顕微鏡とそれを動かすための発電機) を携えてペルーの熱帯雨林を訪れました。アマゾン川。遠隔地に到着するとすぐに、彼はできるだけ多くの異なるアリを捕まえることに着手し、アリの腸に生息する微生物をじっくり観察したいと考えました.
それらのアリの種のいくつかで、彼は「この驚くべき、密集した、詰め込まれた雲」を見ました。それは微生物の銀河のようでした」と彼は言いました。顕微鏡下で「それらを見たとき、彼らはあなたの目の中で爆発するでしょう」.私たちと他の非常に多くの動物が、他の方法では消化できない食物を処理し、主要な栄養素を提供し、トレーニングするために、私たちの体内に存在する何兆もの細菌細胞に依存している程度を考えると、これはあなたが期待するものです.私たちの免疫システムは、感染症に対して効果的に作用します。マイクロバイオームは私たちの健康と生存にとって非常に重要であるため、一部の研究者は、動物を微生物の部分の総和と考えることが有用であるとさえ考えています.
しかし、サンダースが残りのアリ (彼が収集したさまざまなコロニーと種の約 3 分の 2) に目を向けたとき、彼は驚いたことに、「すぐに識別できる腸内の細胞を見つけるのは難しいだろう」と述べました。バクテリアとして」と彼は言った。食物、破片、昆虫の腸内層の細胞、すべてが存在していました。私たちが当然と思っている共生関係に関与している可能性のある微生物 — それほど多くはありません.
微生物群集を測定および分析するためのツールが改善されるにつれて、マイクロバイオームは、しばしば描かれているほど、動物界全体でどこにでもあり、重要ではないことが徐々に明らかになりました.多くの動物は、微生物とより柔軟な、または不安定な関係を持っているようです。それらにまったく依存していないように見える人もいます。そして皮肉なことに、マイクロバイオームがどのように、なぜ進化するのかという謎、つまりその真の重要性と、その核心にある賛否両論の微妙なバランスをとる行為について科学者が新たな洞察を得られるようになっているのは、これらの動物です。
行方不明になった微生物
20 世紀初頭、生物学者は複雑な生物とその微生物との間の魅力的な関係を明らかにし始めました。丈夫な木本植物を食べたシロアリ。草の多い食事をした牛では、タンパク質が著しく不足していました。このような観察は興奮を引き起こし、フォローアップ実験を促しました。当時、動物に微生物のヘルパーが存在しないことは、特に驚くべきことでも興味深いことでもありませんでした。また、文献でうなずく程度しか受け取らなかったことがよくありました。 Science の 1978 年のレポートのように、それ以上の価値があると考えられていた場合でも その小さな木を食べる甲殻類は、シロアリとは異なり、腸内細菌の安定した集団を持たず、レーダーの下を飛んでいました.
そのため、すべての動物はバクテリアと関係があり、バクテリアがなければ死滅するという期待が静かに新しい基準に移行し始めました.この過度の単純化に異議を唱える声もいくつかありました. 「内部共生はすべての生物の基本原理であると主張する著者が何度も出てきました」と彼は熱く語った。しかし、反例は、宿主と微生物の共生の重要性、特に人間の健康と私たち自身のマイクロバイオームとの関係を描いた研究の洪水に溺れてしまいました.
テキサス大学オースティン校の生態学および進化生物学のポスドク研究者である Tobin Hammer は、次のように述べています。 「そして、私たちは自分自身から外側に突き出ていることがよくあります。」
しかし、人間の例は、イモムシや蝶、ハエやエビ、一部の鳥やコウモリ (そしておそらく一部のパンダ) に至るまで、さまざまな種で起こっていることの良いモデルではありません。これらの動物では、微生物はよりまばらで、一過性または予測不可能であり、宿主に貢献するとは限りません。コネチカット大学の進化生物学者であり微生物生態学者でもあるサラ・ハードは、「話はもっと複雑です」と言いました。
細菌との一時的でほとんど存在しない関係は、サンダースが彼の熱帯アリで見たものでした.彼はサンプルを自分の研究室 (当時はハーバード大学、現在はコーネル大学) に持ち帰り、そこで昆虫の細菌 DNA を配列決定し、存在する微生物の数を定量化しました。高密度で特殊なマイクロバイオームを持つアリの種は、サンダースが捕獲した他の多くの種で見つかったよりも、腸内に約 10,000 倍のバクテリアを持っていました。別の言い方をすれば、アリが人間のサイズにスケーリングされた場合、アリの中には (人間が保有するものと同様に) 1 ポンドの微生物を運ぶものもあれば、単なるコーヒー豆の価値があるものもある、とサンダースは言いました。 「本当に大きな違いです。」
Integrative &Comparison Biology で報告されたその違い 2017 年には食事に関連しているように見えました。厳密に草食性の樹木に生息するアリは、おそらくタンパク質欠乏食を補うために、豊富なマイクロバイオームを持っている可能性が高くなりました。雑食性および肉食性の地上生息アリは、よりバランスの取れた食事を消費し、腸内の細菌の量はごくわずかでした.それでも、このパターンには一貫性がありませんでした。草食性のアリの中には、マイクロバイオームを持たないものもありました。そして、細菌を持っていたアリは、特定の種のバクテリアと広範囲にわたる予測可能な関連性を持っていないようでした (ただし、微生物のいくつかのセットは、昆虫の個々の属に共通していました)。この結果は、宿主に非常に特異的である傾向がある私たちのような哺乳類のマイクロバイオームからの明確な逸脱を示しています.
他の生物のケーススタディが少しずつ入り始めたので、その理由はより明確になるでしょう.
氷山の一角
サンダースがペルーでアリを調べていたのとほぼ同時期に、ハマーはコスタリカで毛虫のマイクロバイオームを独自に調査していた. （「昆虫界のこれらの牛よりも、バクテリアとの義務的な関係を持つのに適した昆虫はありますか？」とサンダースはコメントしました。）しかし、ハマーは彼が集めた腸と糞便サンプルで多くのバクテリアDNAを見つけることができませんでした. 「本当に奇妙なことが起こっていました」と彼は言いました。
何ヶ月にもわたる「フラストレーションのたまる実験室での作業」の後、動物が安定したマイクロバイオームを持っていない可能性があることに気付いたとき、「まったく予想していなかった考え方の変化でした」彼と彼の同僚は最終的に、非常に多くのサンダースのアリと同様に、イモムシの微生物の量が通常と考えられているよりもはるかに少ないことを発見しました。さらに、これらの微生物は動物の植物食に見られるもののサブセットにすぎませんでした。「これは、それらが一時的に通過し、それらの一部が本質的に消化されているという考えを裏付けています」と Hammer 氏は述べています。 「彼らは腸内に安定した集団を確立していません。」
これらの一過性細菌が毛虫に利益をもたらすかどうかを判断するために、研究者は抗生物質でそれらを排除しました.他の昆虫や動物では、そのような治療は発育を妨げたり、宿主を完全に殺したりする傾向があります.しかし、ハンマーのイモムシには何の影響もありませんでした。
インドのバンガロールにある国立生物科学センターの生態学者で進化生物学者の Deepa Agashe は、彼女のチームがキャンパスの緑に近いいくつかの場所から集めた昆虫に似たようなものを見つけました。彼らが見つけたトンボと蝶の微生物は、特定の昆虫種や発生段階ではなく、昆虫の食事と強く相関していました。トンボの細菌群集の大部分は、偶然に集まったようです。 「ほとんどのバクテリアはそこにたどり着いたからそこにいたのです」とアガシェは言いました。昆虫は「特定の細菌種または特定の種類の細菌を選択しているようには見えません。」
蝶の微生物集団を破壊する実験を繰り返したが、宿主の成長や発達には何の影響も与えなかった。バクテリアを腸に再導入することもありませんでした. 「本当に」とアガシェは言った、「彼らは自分たちの微生物をまったく気にしていないようです」 - 蝶は有毒な植物を食べており、食事を解毒することができる本格的で機能的なマイクロバイオームの完璧な候補のように見えます.
ハマーとサンダースのように、「最初は頭を悩ませていました」とアガシェは言いました。 「これは驚くべき結果であり、実際に頭を悩ませるのに時間がかかりました。」
しかし、それほど驚くべきことではないかもしれません。科学者が認識したように、マイクロバイオームが存在する場合、それらは特定の組織に見られることが多く、特定の時期に特定の形質に影響を与える特定の細菌が関与しています.たとえば、ボブテイル イカの共生関係は 1 種類の発光バクテリアに限定されており、発光バクテリアは 1 つの発光器官に隔離されていますが、イカの腸と皮膚には微生物が存在しません。ミツバチの成体はバクテリアと重要な関係を築いていますが、幼虫はそうではありません。
したがって、そのような関係をまったく持たない、または異なるルールで遊ぶ関係を持つ動物が存在する可能性があると考えるのは、それほど飛躍的ではありません. 「あなたが見つけるかもしれないこのような種類の連想の全範囲が存在するという認識が今、ますます高まっていると思います」とアガシェは言いました.
ハンマーは同意した。 「私たちは氷山の一角を垣間見ただけです」と彼は言いました。
そして「牛と毛虫の二分法ではありません」と彼は付け加えた. 「非常に複雑になるさまざまな種類のライフスタイルがあります。」おそらく、一時的で存在量の少ない微生物は、より微妙な変化を遂げているか、より安定した進化的関係の形成における初期段階を表しているのでしょう。おそらく、それらはほとんどの場合中立のままで、特定のコンテキストでのみ機能します。たとえば、一部の研究者は、これらの微生物が腸内のスペースを占有して病原体を遮断するだけで、宿主を感染から保護できると考えています。さらに、有毒植物やその他の危険に適応したバクテリアは、正式な共生に関与することなく、一時的に獲得されたとしても役立つ可能性があります.
テキサス大学アーリントン校の微生物生態学者兼昆虫学者であるアリソン・レイヴンズクラフトは、「一過性のマイクロバイオームがあなたに関連していなくても、環境に適応したバクテリアを飲み込んでいる場合でも、それらから利益を得る。測定がはるかに難しくなります。」
人間の場合でも、マイクロバイオーム (一時的な微生物を含む) は食事や行動の変化によって変化する可能性があると彼女は指摘します。安定したマイクロバイオームに依存しない生物系を研究することは、科学者がそれらの変化の影響を解きほぐすのに役立つ可能性があります。また、マイクロバイオームを持つことのコストをより正確に特定し、その進化について新たな洞察を得ることができます.
多様性からの教訓
「考えてみれば、マイクロバイオームが確立されていない理由はたくさんあります」とアガシェは言いました。 「別の道をたどった動物がいても、驚くべきことではありません。 …しかし、重要なことは、その理由がわからないということです」 — どのような要因がマイクロバイオームの形成と維持につながり、それを可能にするのか、逆に、どのような要因がそれらの関係を妨げる可能性があるのか.
イモムシ、トンボ、特定のアリ、およびその他の動物は、生きている微生物との長期にわたる共生関係の潜在的な欠点を調査する方法を提供します。このような欠点は、測定とテストが難しい傾向があります。研究者は、これらの動物が共生の特定の潜在的なペナルティを選択的に回避している可能性があると考えています。たとえば、細菌は宿主と栄養素を求めて競合したり、免疫系を悪化させたりする可能性があります.
動物によっては、これらのリスクが潜在的な利益を上回る場合があります。自力で生きるために必要な酵素や行動をすでに進化させていれば、マイクロバイオームを獲得するための選択圧に縛られることはなくなります。ハマーの毛虫は、大量の植物を食べるだけで草食生活を営んでいるのかもしれません。マイクロバイオームは、毛虫が追加の重要な栄養素を製造したり、より栄養密度の高い植生を求めたりすることを理論的に可能にするかもしれませんが、昆虫は量で質を補うことができます.
微生物の存在または不在に関係する可能性のある別の要因は、解剖学のようです (ただし、原因と結果の間の境界線がぼやけていることを考えると、アガシェはそれをもっともらしい説明とは考えていません)。細菌をほとんど持たない生物の多くは、短くて単純な腸の構造を持っています。本質的には、食物が素早く流れて処理される管です。これでは、微生物が足場を固めて成長するための時間や空間を得ることができません。
考慮すべき生態学的要因もあります。 「共生がどのように起きなければならないか、または起きることができるかを考えると、実際には信じられないほど驚くべきことです」とアガシェは言いました。生物は何世代にもわたって、たとえ状況が変化しても、一貫して相互に有益なパートナーシップを築くのに十分な頻度で別の種に遭遇しなければなりません。 Agashe は、彼女の蝶とトンボは常に場所から場所へと飛び回り、場所や季節によって変化するエサを消費しているため、安定したマイクロバイオームを確立するのに十分な頻度で同じバクテリアと遭遇しない可能性があると推測しています.
研究者は、マイクロバイオームの進化を支配する単一の統一規則や原則はおそらくないことを強調しています. 「進化は信じられないほど独特であり、多くの異なる生物では、まったく異なるルートで進行します」と Sanders 氏は述べています。
ヒルドは同意した。 「マイクロバイオームに関する私たちの仮定のほとんどは、哺乳類の研究に基づいています」と彼女は言いました。たぶん、魚や鳥や毛虫のようなものでは、日常的にさえ安定していません。」
哺乳類の間でさえ、マイクロバイオームがどのように現れるかには多様性があります.ほとんどの哺乳類の種は特定の細菌と予想通りに関連しているように見えますが、サンダースと彼の同僚による最近の研究では、コウモリはそうではないことがわかりました.実際、彼らのマイクロバイオームは一過性でランダムであり、仲間の哺乳類のマイクロバイオームよりも鳥のマイクロバイオームにはるかに似ていました。研究者たちは、この違いは、動力飛行を可能にするためにコウモリと鳥の両方が可能な限り軽量であるという進化した必要性に関連している可能性があると推測しています.おそらく、追加の荷物を運ぶ余裕がなかったのでしょう。
いずれにせよ、この調査結果は、種を比較することで学ぶべきことがたくさんあること、そして細菌との関係がどのように見えるかについて時期尚早な仮定をすることで失うものがたくさんあることを示しています.少なくとも、これは、ハエ、マウス、およびその他のモデル生物で行われた研究を人間に翻訳する際に、より慎重に進めることを意味します. (すでに、野生のマウスと実験室で飼育されたマウスで発生する腸内微生物叢には大きな違いが見られており、前者は、特定の実験薬がヒトでどのように機能するかのより正確なモデルであることがしばしば証明されています.)
「存在するすべての生物の背後には、35 億年にわたる進化の歴史があり、そのうち何百万年、何千万年、何億年も、モデルとして使用する生物と共有されていません」とサンダース氏は述べています。動物が微生物と共有する多様な関係についての科学者の新たな認識は、「ショウジョウバエを腸内マイクロバイオームの重要性や相互作用のモデルとして使用して推論を引き出すことについて、私たちは非常に慎重になるはずです。なぜなら、ショウジョウバエは人間と比較して非常に異なる基本的な出発点から活動している可能性があるからです。 .ネズミも同じです。」
「私たちは目と耳を開いたままにしておく必要があります」と彼は付け加えました。 「自然の変化と多様性から学ぶことはまだたくさんあります。」
科学者たちは、マイクロバイオームに関しては私たち自身のものとは大きく異なる多くのケースを認め始めていますが、「それらはまだ奇妙なものと見なされていると思います」とハマーは言いました。サンダースや他の人々は、自分たちの作品の一部を公開するのが難しいと感じています.
その態度が変わるのが早ければ早いほど、私たちはより多くのことを学ぶことができます。 「私たちは、非常に狭いスペースに何百もの種が存在し、互いに相互作用し、それらの環境と相互作用し、宿主と相互作用することの複雑さに頭を悩ませ始めている. 「おそらくすべてのシナリオがまだ検討中です。」
この記事はに転載されました TheAtlantic.com そして Spektrum.de .
