2014-04-29

【GW特別企画】るいネット秀作紹介1「原核生物の超適応戦略~あらゆる生命のDNA情報を活用する~」

 皆さんこんにちは。本日からゴールデンウィークですがいかがお過ごしでしょうか?

当ブログでは、本日4月29日から5月6日まで、計8日間に渡り、ゴールデンウィーク特別企画として、るいネットの環境系の秀作投稿を紹介していきたいと思います。

>ニジマスの全ゲノム塩基配列の解読結果について報告する論文が、今週掲載される。この研究では、約1億年前に起こったゲノムの倍加というまれな事象の後のニジマスの遺伝子の進化速度が解明された。

全ゲノム重複は、ゲノムが突然倍加する事象のことで、脊椎動物の進化に重大な結果をもたらしているが、これまでに知られている全ゲノム重複事象の大部分が大昔に起こっているため、その解明はほとんど進んでいない。その中で、ニジマス(Oncorhynchus mykiss)は、全ゲノム重複が比較的最近起こっているため、ゲノムの倍加が進化にもたらす影響を研究するためのユニークな素材となっている。 ネイチャージャパン(リンク

上記の記事のように、生物の進化については、遺伝子分野において日々研究が進んでいますが、その手がかりとして注目されているのがDNA情報です。DNA情報を解き明かせば、過去から現在までの生物の進化過程が解明できると考えられています。

DNAは個々の生物種が固有に持つ物というのが常識でした。しかしその常識を大きく覆す記事を紹介したいと思います。

 るいネットの秀作記事原核生物の超適応戦略~あらゆる生命のDNA情報を活用する~を紹介します

生物を細胞核の有無で分類すると、細胞に核を持たない原核生物(細菌)と真核生物(菌類・植物・動物)に大きく2分されます。

進化系統樹 

この細菌と呼ばれる原核生物たちは、原始的かつシンプルな生物であると思われていますが、原始的かつシンプルがゆえに、大きな外圧変化に適応する為に「遺伝子の水平移動」という、種を超えたDNA情報のネットワーク機能を既に手に入れているようです。

それでは、まず原核生物の生き残り戦略から見て行きましょう。

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◆ ◆ ◆ 原核生物の生き残り戦略は、「小さくシンプル」にすること

 >原核生物と真核生物では,基本的生き残り戦略が全く異なっている

原核生物の生き残り戦略・繁栄戦略の基本は「より速く分裂する」ということに要約できる。その目的達成のために原核生物たちはあらゆるものを切り捨てる。遺伝子を切り捨て,シンプルな構造を選択した。その結果,原核生物は地球上のあらゆる環境を生活の場にできた。おそよ真核生物が生きられない過酷な環境でも易々と生活圏とできるのが古細菌であり細菌なのである。

 なぜ原核生物がそのような戦略を採択したかというと,そういう戦略でしか生き残れない体の構造をしているからだ。 (るいネットより) 

  ここから分かるように、原核生物は体の多くの部分(遺伝子までも)切離し、自らの体を小さくシンプルにすることを適応戦略として選んでいます。

 確かに原核生物と真核生物の大きさを比べてみると一目瞭然です。

 原核生物・真核生物

この絵からも分かるように、真核生物のサイズは10-100μm。それに対して原核生物は0.1-10μm。実に10分の1~100分の1程度です。

 ?ではこのように小さくシンプルな体の構造にすることで、どのような点が有利になったのでしょうか?

 

◆ ◆ ◆ 効率的なエネルギーシステムと、速い分裂速度を実現した

◆ 小さな体であるがゆえに、効率的なエネルギーシステムを実現した

 体を小さくする。それは非常に高効率のエネルギーシステムを実現しました。

>原核生物の体の構造は極めてシンプルだ。一番外側に細胞壁があり,その内側に細胞膜があり,その中に核を含む細胞質がある。問題は,細胞膜と細胞壁が担っている役割にある。原核生物にとって細胞膜と細胞壁は呼吸,すなわち生存のためのエネルギー(ATP)を生み出すための装置でもあるからだ。

  呼吸とは酸化還元反応(電子を失うと酸化された状態,電子を受け取ると還元された状態)によって発生したエネルギーで,膜を通してプロトンを膜の外側に汲み出し,その結果できた膜の内側と外側のプロトン濃度の差ができ,これでATPアーゼを動かしてATPを作ることを言う。これは真正細菌,古細菌,真核生物の全てで共通している現象で,地球上の生命体に普遍のエネルギー調達方法といえる。

  後述するように真核生物ではこのエネルギー生成をミトコンドリアで行っているが,真正細菌や古細菌は呼吸に必要な酵素群は細胞膜に付着していて,細胞膜で生成されたATPは拡散で細胞内を移動するのだ。だから,細菌にとって大きくなることは得策ではない。大きくなればなるほど,細胞内の必要な部分にATPを運べなくなってしまうからだ。さらに,小さいほど体積に対する表面積の割合が大きくなるため,小さいほどエネルギー効率がよく,大きくなるほど効率は悪くなる。これらの理由で小さな細菌ほど生存に有利になる。

  まず体の表面の膜は、外界からエネルギーを取込む装置ですが、小さくなるほどその体積に対する表面積の割合は大きくなるため、エネルギー取込上有利になります。

 エネルギーの代謝に関しても、真核生物はミトコンドリアを介してATPを生成するのに対し、原核生物は膜表面の酵素で直接行ないます。これは体が小さいがゆえに、細胞内に満遍なくエネルギーを供給できるから可能なシステムといえます。

原核生物膜代謝 

↑原核生物の膜表面のATP生成

◆ 小さくシンプルな体の構造は、より速い分裂・増殖を可能にした

 また有利になったのは、エネルギー効率だけではありません。

 >さらに,呼吸にはプロトンの濃度差が必要となるが,細菌の場合は,細胞膜の外と内側の濃度差であり,細胞膜の外にある細胞壁はプロトンの散逸を防ぐ役割をしている。つまり,細胞壁がなければプロトンは環境に逃げてしまい,細胞膜を挟んだプロトンの濃度差が保てなくなるのだ。要するに細菌や古細菌が生きていくためには細胞壁は絶対に必要な基本的な構造物なのだ。

  細菌は細胞壁と言う堅い鎧を身にまとうことになった。これは呼吸にとっては必要なものだが,反面,細菌の生き残り戦略の選択の幅を狭めるものだった。他の細菌,すなわち「邪魔者」がいたらそれを飲み込んでしまえばいいという戦略が取れなくなったのだ。堅い細胞壁が外側を覆っているためである。そのため,同じ環境で生活する他の細菌がいたら,それより早く分裂して数を増やし,専有面積を広げるしかない。要するに陣取り合戦である。

 陣取り合戦に勝つためには他の細菌より速く分裂するしかなく,速い分裂のためには体の構造をよりシンプルにする必要があるし,遺伝子もできるだけ小さな方がいい。実際,細菌はとりあえず必要でない遺伝子はどんどん捨てて遺伝子をコンパクトにする傾向があるのだ。遺伝子を小さくしてでも分裂速度を上げたい,というのが細菌という生物の論理なのだ(実際,細菌は遺伝子の複写速度を超えるスピードで分裂することもあるようだ)。

 例えば原核生物の一種である大腸菌は、わずか18分で分裂します。単純計算では1時間で8倍、3時間経てば(10回分裂するので)1000倍、半日後には1兆倍になります。

 大腸菌

実際はエネルギーが無いので、ここまでは分裂しませんが、ここまで分裂速度としては、これほどまでの能力を持っているのです。

遺伝子をコンパクトにしてまで、この分裂速度を実現しているのです。このように小さくシンプルすることで、生存競争に勝ち抜いてきたといえます。

 ではサイズが小さいのはいいことばかりだけなのでしょうか?

遺伝子をコンパクトにすればするほど、環境が変化したときに変異を生み出せなくなってしまいます。

 しかしそこに対応するために、原核生物は驚くべき戦略をとってきたのです。

 

◆ ◆ ◆ 環境変化に対応すべく、DNAをネットワーク化した

環境の変化に対応すべく原核生物が生み出した戦略とは、とても驚くべき戦略でした。

>だが,サイズが小さな遺伝子は両刃の刃だ。環境が安定しているときはいいが,環境が変化した時,その変化に対処するための遺伝子を持っていないため,生き延びられないからだ。この問題をクリアするために,細菌は「遺伝子の水平移動」で対処する。他の細菌(これは他の種類の細菌であってもよい)からプラスミドを介して新しい遺伝子を導入する,と言う方法だ。この方法で,他の種類の細菌からでも必要な遺伝子を獲得し,環境の変化に対処するわけだ。

 これはコンピュータに例えると分かりやすい。細菌とは,最小限のハードディスクに最小限のデータしか納めていないコンピュータなのである。しかし,世界中のコンピュータとネットで繋がっていて,他のデータが必要になったときにはネットからダウンロードできるようになっているのだ。要するに,細菌たちは30億年前以上昔から,究極の分散型ネットワーク・システムを構築してきたわけである。 

 さらに最近では,環境水中に溶存態のDNAが存在していることが明らかになっていて,この溶存態DNAは遺伝子としても機能していることも証明されている。この溶存態DNAが水中の異なる細菌種間での遺伝子水平伝播や細菌の進化に深くかかわっている可能性が指摘されている(『微生物生態学入門』日本微生物生態学会編,日科技連)。

このように、原核生物は突然の環境変化に対応するために、他の種類の生物のDNAをも導入し、変化に適応する戦略をとっているのです。これはまさにDNAのネットワーク化ほかなりません! 

◆ ◆ ◆ まとめ

・     原核生物の生き残り戦略は、「小さくシンプル」にすること

・     小さな体であるがゆえに、効率的なエネルギーシステムを実現した

・     小さくシンプルな体の構造は、より速い分裂・増殖を可能にした

・     環境変化には脆弱であるが、それに対応すべく、DNAをネットワーク化した

  進化適応に必用なDNA情報を外部世界・外部生命体から直接取り込む。生命誕生から38億年を経て、今だ適応し続ける細菌たち。彼らはある意味、完全生命体なのかもしれません。

> 生きとし生けるものは、全て外圧(外部世界)に対する適応態として存在している。(実現論 第一部より)

 この認識が物語っているように、原核生物もまた外圧に適応すべく進化を遂げてきました。そして38億年という生物の中で最も長い期間、外圧に適応し続けてきた彼らから学ぶべきところは、非常に多くありそうです。 

◇ ◇ ◇ ◇ ◇

 るいネットでは、このように今までの常識を覆すような新認識が、科学の分野だけでなく、あらゆるジャンルから寄せられています。

 このシリーズでは、その中でも特に厳選された秀作投稿について、紹介していきますので、明日からもよろしくお願いします。

List    投稿者 daichi | 2014-04-29 | Posted in A.史的構造認識から紐解く環境, A05.時代認識No Comments » 

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