約 5 億年前、つまり地球がすでに 40 億歳で成熟していた頃、最初の緑の植物が乾燥した土地に現れました。これが正確にどのように発生したかは、依然として進化の大きな謎の 1 つです。それ以前は、陸地には微生物しか生息していませんでした。水から出た最初の緑の植物は、そびえ立つ木々でも、現在の世界の小さな低木でもありませんでした。彼らはおそらく柔らかくて苔むしていて、根が浅く、後に乾燥した土地で生き残り、繁栄するために進化する適応がほとんどありませんでした.科学者たちは、これらの植物がある種の海藻から進化したことに同意していますが、それらの緑藻類の祖先についてはほとんどわかっていません.
しかし、分子生物学に基づく 2 つと 10 億年前の希少で貴重な化石に関する最近の論文がいくつかあり、これらの太古の藻類と、それらが最終的に陸地への移行を可能にした理由についての理解のギャップを埋めるのに役立っています。 .
陸上植物の化石は豊富にありますが、古代の海藻の化石はまれです。水の外で生き残るために、植物は丈夫な維管束系と強い細胞壁を発達させました。これらの同じ特性は、化石の優れた保存に役立ちます。 「ほとんどの藻類は、小さなフワフワしたものです。彼らは骨格を形成しません。最初の陸上植物には、何らかの機械的サポートが必要でした」と、バージニア工科大学および州立大学の地質生物学教授である Shuhai Xiao 氏は述べています。 「全体として、それらの材料は海藻よりもはるかに強力です。」
最近発見された米粒よりも小さい小さな化石は、世界で最も古い既知の緑藻類の標本のようです。これらの藻類の存在が確認された時計を、驚異的な2億年も前に戻します。 「とても大変です。 10 億年—最古の恐竜よりも少なくとも 5 倍古い」と、Nature Ecology &Evolution の上級著者である Xiao 氏は述べています。 発見を発表した論文。 「どんな動物よりも先です。世界は、私たちが今日知っているものとは非常に異なっています。」
Xiao の研究室のポスドク研究員であり、この研究の最初の著者である Qing Tang は、世界中で 10 億年前の岩石を探すことを彼の使命としています。彼は、複雑な生命の進化における重要なステップの 1 つに興味を持っています。それは、細胞が自由に浮遊する細胞内容物ではなく、さまざまな内部コンパートメントを持つ真核生物になった方法です。 「私は、真核生物が地球の初期段階でどのように進化したかという問題に興味があります」と Tang は言いました。 「その質問に答えるには、非常に古い岩石を探す必要があります。」彼は、中国北部の大連市近くの地層からいくつかを発掘しました。地質図によると、その遠隔時代の化石を含む緑色の岩石が見つかる可能性が高いことがわかっていました。しかし、彼が発見したものの価値を理解したのは、研究室に戻って電子顕微鏡で調べてからでした。 「この種の化石は、科学にとってまったく新しいものです。
化石化した藻類は非常に古いものですが、かなり後の緑の海藻にも見られる特徴の多くを持っているようです.それは、それらが明らかに光合成性で多細胞性だったというだけではありません — 海藻を定義するのに役立つ形質ですが、進化の起源は不明です. 「彼らには葉があり、枝があります」と Tang 氏は言いました。
タン氏が発見する前は、知られている最古の緑藻の化石は約 8 億年前のものでした。その化石は断片化されており、保存状態が悪いため、すべての科学者がそれが岩の中で不死化した緑藻の破片であることに同意したわけではありません。不確実性は、海藻の初期の歴史に疑問を残しました。大連からの新しい化石は、10 億年の存在をよりうまく乗り切ることができました。 「私たちは、それらを海藻として解釈することに自信を持っています」と Tang は言いました。
しかし、まだ疑問の余地があります。メリーランド大学の生物学者であるチャールズ・デルウィッチは、化石は緑藻である可能性が最も高いと述べていますが、彼は完全には確信していません. 「化石の記録を解釈するのは難しい」と彼は言った。 「絶滅した生物がどこにいるのか、私たちは知りません。」
ハーバード大学の自然史の教授であるアンドリュー・ノールも同様の留保を表明した. 「化石が絶滅した初期の分岐グループを反映している可能性は十分にあります」と彼は電子メールで述べました. 「さまざまな形態の多細胞性が緑の中で繰り返し進化してきたため、そのような解釈は一筋縄ではいきません。」
唐の化石に見られる進化の革新は、約 4 億 7000 万年前までに、最終的に藻類を上陸させる経路に藻類を設定するのに役立った可能性があります。しかし、陸上生物への移行はおそらく数億年前に始まり、緑藻類は一時的に乾燥した湿った土壌や砂の中で生き残るために適応していた.進化生物学者は一般に、この変換はおそらく、より複雑な多細胞構造の出現と並行して発生し、そのうちのいくつかはこれらの適応に役立つと信じてきました.
しかし、進化は常に着実に前進するとは限りません。 「歴史的に、人々は常に進化は直線的なプロセスであると考えてきました。進化はますます複雑になっています。それは何度も暴かれてきましたが、それでも私たちの考えに浸透しています」と、アルバータ大学の生物学者である Gane Ka-Shu Wong は言いました。
Cell の最近の論文 、ウォン、ドイツのデュイスベルク エッセン大学のマイケル メルコニアンと彼らの同僚は、遺伝子分析を通じて、陸上植物に最も近い生きている近縁種は、Zygnematophyceae として知られるコケに覆われた淡水種であることを示しました。これらの緑藻はほとんどの場合単細胞ですが、陸上植物と祖先を共有していたに違いありません。それらは、乾燥に対する耐性を付与する遺伝子や細胞壁を合成する遺伝子など、陸上での生存に不可欠な多くの遺伝子を共有しています。これらの共通点は、植物が陸上に移動する前に乾燥した土地への適応の多くが得られただけでなく、池の種が役に立たなくなったときに複雑な祖先の特徴のいくつかが時間の経過とともに失われたことを示唆しています. 「進化は、2 歩進んでも 1 歩後退してもかまいません」とウォンは言いました。
Current Biology の Wong と Melkonian の論文の解説 ブリストル大学の Philip Donoghue と Jordi Paps は、陸上での生活への適応のように見える植物遺伝子の多くは、はるかに深い歴史を持っているようであり、もともと藻類で異なる機能を果たしていた可能性があるという議論を展開しています。 「比較的単純な Zygnematophyceae は陸上植物の直接の近縁種かもしれませんが、それらはより複雑な祖先から単純化されて派生したものであり、その身体計画とゲノムはより深い祖先で組み立てられました」と彼らは書いています。
実際、これらの遺伝子の歴史のいくつかは、藻類を超えて到達する可能性があります:細胞 論文は、乾燥のストレスを生き残るための遺伝子がもともと土壌細菌に由来し、水平伝達によってジグネマト藻類 (またはその祖先) に提供された可能性があることを示しました.
Current Biology に掲載された別の研究では 先月、Paps は、エセックス大学の Alexander Bowles と Ulrike Bechtold と共に、200 以上の生きている植物のゲノムを比較し、それらを使用して、それらの深い祖先の進化ツリーを構築しました。ツリーをマッピングする際に、彼らはさまざまな遺伝子がいつ出現したかを特定し、その過程で並外れたゲノムの新規性が 2 回爆発的に発生したことを特定しました。
2 つ目は、藻類が陸生への移行を開始したときに発生したと思われるもので、紫外線保護や根系を形成して陸生微生物と相互作用する能力などの適応機能の遺伝子を生成しました。藻類がまだ完全に水中にあり、単細胞性から多細胞性に移行している間に、はるかに早いバーストが発生しました。
その初期のバーストの発見は、10 億年前の化石と遺伝的結果を緑の植物の進化の単一の単純なタイムラインに統合することの難しさの一部を示しています。 Tang 氏と Xiao 氏にとって、化石の物理的特徴は、種が緑藻類の 2 つの主要な系統の 1 つである緑藻類であったことを示唆していますが、ほとんどの科学者が陸上植物を生み出したと考えているものではありませんでした。 「陸上植物の大叔父について話しているようなものです」とシャオは言いました。したがって、その古代の藻類標本は、Paps と彼の同僚が再構築から推測した遺伝的創造性の爆発とは無関係に、多細胞の複雑な構造を早期に進化させたようです。
多細胞性はさまざまな系統で何度も進化してきたため、これはまったく驚くべきことではありません。実際、ほとんどの専門家は、初期の緑藻の特徴の多くが、収斂進化として知られる現象で複数回独立して進化した可能性があることに同意しています。カリフォルニア大学サンタバーバラ校の生物学者であるスザンナ・ポーターは、「何かを行う方法はたくさんあります」と述べています。
つまり、陸上植物の祖先がいつ、どのように進化したかについて自信を持って述べるには、進化がしばしばたどるジグザグの道を単純化しすぎている可能性があります。 「何千年もの間、藻類が一直線に並んでいたと考える理由はありません」と Wong 氏は述べています。 「そのようには機能しません。」
この記事はに転載されました Wired.com .
