本動画は、ユニバーシティ・カレッジ・ロンドンの進化生化学者ニック・レーンへのインタビューである。レーンは、地球上の生命が化学的に必然的であるという大胆な仮説を展開する。深海熱水噴出孔における地球化学と初期生命の連続性、真核生物の起源がミトコンドリアの獲得による唯一無二の事象であること、そしてそれが複雑な生命への決定的なボトルネックであることを論じる。さらに、二つの性が存在する理由、ミトコンドリアDNAの品質管理、意識と代謝の関係など、生命の根本的な仕組みについて熱力学とエネルギーの観点から解説する。レーンの視点は、宇宙における生命の普遍性と、その制約条件を理解する上で示唆に深い内容となっている。
真核生物の重要性とは何か
今日は、ユニバーシティ・カレッジ・ロンドンで進化生化学を研究しているニック・レーンとお話しします。彼は多数の書籍や論文を通じて、40億年にわたる生命の歴史をエネルギーの流れという観点から再概念化する手助けをしてくれます。そして、そもそも生命がどのように誕生したのか、真核生物の起源、そして今日見られる生命の仕組みにおける多くの偶発性を説明してくれます。ニック、まずここから始めるのがいいかもしれません。
あなたの世界観において、真核生物が生命のあり方を理解する上でなぜそれほど重要なのですか。まず、お招きいただきありがとうございます。こういった話をするのは楽しいですね。真核生物について話すのが大好きです。真核生物とは何でしょうか。基本的には、私たちを構成している細胞ですが、植物を構成している細胞でもあり、アメーバや菌類、藻類のようなものを構成している細胞でもあります。
あなたが目で見ることができる大きくて複雑なものはすべて、真核細胞と呼ばれるこの一つの細胞タイプで構成されています。私たちには核があり、そこにすべてのDNAが、すべての遺伝子があります。そして、細胞膜やその他の装置がたくさんあります。これらの細胞には多くの装備があるのです。奇妙なのは、植物細胞や菌類の細胞の内部を見ると、電子顕微鏡で見た私たちの細胞とまったく同じに見えるということです。
しかし、それらはまったく異なるライフスタイルを持っています。もし彼らが海洋で光合成を行う単細胞の藻類として進化したのであれば、なぜ同じ装備をすべて持っているのでしょうか。それでも、私たちの細胞が持っているのと同じ装備を持っているのです。これらすべてのものを共有しているため、それらは地球上の生命の歴史全体で一度だけ発生したことがわかります。複数の起源があった可能性もありますが、その証拠はありません。
もしあったとしても、痕跡を残さずに消えてしまいました。約20億年前、地球上の生命の歴史の約20億年後に起こったこの特異点があります。この出来事が一度起こり、地球上のすべての複雑な生命を生み出したのです。そこから結論づけられることの一つは、バクテリアや古細菌は、遺伝的レパートリーの観点から言えば、実際には真核生物よりもはるかに多くの遺伝子、はるかに多くの多様性を持っているということです。
ただ、単一のバクテリア細胞にはその中に含まれるものがはるかに少ないというだけです。しかし、非常に多くの異なるタイプのバクテリア細胞が存在するため、全体として彼らは遺伝子配列空間を探索してきました。彼らは40億年の時間をかけてそれに挑戦しましたが、遺伝子にはない、情報に関するものではないという技を思いつくことは決してありませんでした。それを制御している何か別のものがあるのです。
その何かとは、ミトコンドリアと呼ばれる私たちの細胞内のパワーパックの獲得です。では、生命の起源について見ていきましょう。あなたには、最初の生命体が地球の地球化学と連続していたと想像する、非常に説得力のある物語があります。その物語を少し要約していただけますか。まず、私がそこに至った経緯をお話しします。私はミトコンドリアの研究から始めました。
それが真核生物の進化へと私を導きました。真核生物はこれらの内部共生生物を獲得し、それがミトコンドリアになり、進化の可能性を変えるのです。すべてをすぐに変えるわけではありませんが、到達点がどこになり得るかを変えます。これらの大きく複雑な細胞、そして最終的には多細胞生物と私たちの進化を可能にするのです。
ミトコンドリアは実際に何をしているのでしょうか。彼らが実際に行っているのは呼吸です。細胞のためにエネルギーを生成しています。他にもたくさんのことをしていますが、主なものとして考えることができるのは、彼らがエネルギー生産者であるということです。それらはバクテリアに由来し、バクテリアはまったく同じ方法でエネルギーを生成します。彼らは膜上に電荷を生成することでエネルギーを生成しています。
その電荷は小さいですが、膜は本当に薄いのです。電荷は約150から200ミリボルトですが、膜の厚さは5ナノメートルです。つまり、5ミリメートルの100万分の5です。もしあなたが分子のサイズまで縮小して、その膜の隣に立つと、1メートルあたり3000万ボルトを経験することになります。これは稲妻の一撃に相当します。
それが膜を横切る電圧の力の強さであり、これは途方もないものです。それは膜を横切ってプロトンをポンプで送る非常に洗練されたタンパク質によって生成されます。そして、ATP合成酵素があります。これはほぼ普遍的で、膜に存在する回転ナノモーターです。これは途方もなく複雑で興味深い機械であり、普遍的に保存されています。
それはリボソーム、つまりタンパク質を構築する工場と同じくらい保存されています。生命全体でほぼどこにでもあります。一体どうやって生命がそのようになったのか不思議に思うでしょう。もしそれが生命全体で普遍的に保存されているなら、それはすべての細胞の共通祖先にまで遡るように見えます。だから疑問が生じます。
そもそもそれはどのようにして生じたのでしょうか。それは私にとって非常にスリリングなことでした。なぜなら、それは研究者として生命の起源への入り口だからです。これらのエネルギー生成システムは最初にどのようにして生じたのでしょうか。私の入り口は、ビル・マーティンとマイク・ラッセルによって門が開かれたものでした。彼らは2000年代初頭に一緒に素晴らしい論文をいくつか発表していました。
彼らは、この深海熱水噴出孔では、煙突から煙が噴き出すブラックスモーカーのようなものではなく、多くの孔を持つ鉱物化したスポンジのようなもので、その孔は構造的に細胞のようなものだと言っていました。酸性の初期海洋があります。そこからアルカリ性の流体が出ています。このシステム全体で混合が起こっています。少なくとも、サイズと形状の点で細胞に似た孔がここにあると想像できます。
外側には酸性の海水が浸透し、内側にはこれらの熱水流体があります。つまり、バリアがあり、内側と外側があり、外側からより多くのプロトンが入ってきて、潜在的に仕事を駆動します。これは細胞の構造に非常に似ています。
もう一つは、これらの鉱物は何かということです。鉱物を含む鉱物化した孔があります。初期地球では、鉱物には多くの金属、硫化鉄やニッケル硫化物のようなものが含まれていたと考えられています。それが重要な理由は、植物細胞が行うこと、また独立栄養性バクテリアが行うことは、CO2と水素を取り込み、それらを反応させて生命のすべての構成要素を作ることだからです。
植物は水、H2Oから水素を得ます。彼らは水からHを取り出し、酸素を捨て、それが大気中に集まります。しかし、バクテリアが非常にしばしば行うことは、熱水噴出孔から泡立つ水素を持っているということです。彼らは水素をガスとして直接取り込み、CO2と反応させて生命のすべての構成要素を作ります。
彼らがそれを行うために使用する酵素は何でしょうか。彼らは非常にしばしば、初期の海洋で見られたのと同じこれらの金属、ニッケルや鉄などを使用しています。彼らは水素とCO2の間の反応をどのようにして駆動しているのでしょうか。彼らはこの膜電位、電気的電位、つまり外側と内側の間のプロトンの差を使用して、その仕事を駆動し、効果的に水素とCO2の間の反応を駆動して有機物を作り、成長を促進します。
これはすべて私が登場する前から整っていました。これはマイク・ラッセルとビル・マーティンから来ていました。詳細は非常に不確かです。その方法で本当に生化学を駆動できるかどうかは非常に不確かです。しかし、それはスリリングなアイデアです。なぜなら、地質学的環境と私たちが知っている細胞との間に連続性があるからです。
もしそのように出現したなら、それは次のように言うでしょう。「これが、バクテリアが膜上に電荷を持っている理由です。」なぜなら、それは最初から熱水噴出孔に存在していたからです。それは常に最初から仕事を駆動しました。だからこそ、最終的に真核生物を生み出す内部共生は、膜上に電荷を生成する制約からあなたを解放するのです。
今、あなたは真核生物でそれを内部化し、今やあなたはより大きく、より複雑になることが自由にできるのです。あなたは真核生物がなぜ特別なのかというパズルについて考えることから、惑星系について考えることへ、そして生命の起源について考えることへと移行しました。生命を生み出す力は何か、それが生命をどのように制約するか、そして私たちは他の惑星で同じものを見るのか、それとも何か違うものを見るのか。それが根本的にこの方法で機能する理由は何か。それは本当にアストロバイオロジーになります。それは、ミトコンドリア生物学を扱っていた私自身のバックグラウンドから来て、かつては臓器移植に関わっていた視点の変化として、スリリングなものです。そして針の先端で回転して、生命の起源に取り組むことになります。素晴らしいです。
生命の起源における化学的必然性
非常に魅力的です。私自身の理解と聴衆のために、ここにあるものを要約してみましょう。これらの孔に細胞の類似物があります。これらの有機物の蓄積を濃縮する何かがあり、それらがすべて大きな原始スープに拡散するだけではありません。これが、あなたが原始の湖ではこれが起こらなかったと考える理由です。それは何らかの実体の中で濃縮される必要がありました。そして、化学浸透勾配、プロトン勾配があり、それが仕事を駆動します。
具体的には、それは二酸化炭素の固定を有利にし、水素ガスとの反応を駆動して有機物を作ります。そして、この膜に沿って触媒があり、それは基本的に初期の酵素です。酵素があり、細胞があり、プロトン勾配があります。物語は、CO2とH2で非常に単純な有機物を作り、それからこれらの単純な有機物がより複雑な有機物を作るために再触媒され、要するに代謝、脂肪酸、ヌクレオチド、その他すべてが作られるということです。
基本的にはそういうことです。水素とCO2を反応させると何が得られるでしょうか。得られるのは、クレブスサイクル中間体と呼ばれるものです。つまり、カルボン酸、炭素、水素、酸素だけで構成された小さな分子で、末端にこの有機酸基があり、鎖に2、3、4、5個の炭素単位を持つことができます。これがあなたの基本的な構成要素です。これにアンモニアを加えるとアミノ酸が得られます。
さらに水素を加えると、糖が得られます。アミノ酸と糖を反応させると、ヌクレオチドが得られます。ここには多くのステップがありますが、これが生化学におけるすべての生合成の基本的な出発点です。
それから脂肪酸を作ると、それらは親水性の異なる側面の性質のために、自発的に膜を形成します。私が言ったように、クレブスサイクル中間体は短鎖カルボン酸です。脂肪酸は長鎖で、4個や5個ではなく10個、12個、15個の炭素が鎖にあります。それらは自発的に、通常単独ではありませんが、他の長鎖炭化水素と混合されている場合、二層膜を自発的に形成します。私たちは実験室でこれを行いました。かなり堅牢です。
これらのものは70から90度で、pH7からpH12までの範囲で、カルシウムやマグネシウムなどのイオンや他の塩の存在下で作ることができます。二層膜に囲まれた小胞を作ります。これは細胞膜と同じです。それらは驚くほど動的なものです。
それらは常に互いに融合し、分裂し、2つまたは3つに分離します。顕微鏡下では非常に動的なものです。生命がこのフランケンシュタインのような瞬間であると想像することもできました。物事が生き返り、今や生命がある、というような。私はそのアイデアが嫌いですが、続けてください。ええ、しかしそれが代替案で、稲妻の一撃がこれらの有機物などを作るというものです。
ここには、あなたが見るすべての生命体が何かと連続しており、それが何かと連続しており、最終的には完全に自発的な化学反応とただ連続しているという物語があります。それは生命の進化について考える非常に興味深い方法です。細胞は効果的に内部が還元されています。つまり、内部に電子があるということです。外側は比較的酸化されています。
これらすべてのプロトンを外に汲み出すので、外側は酸性で、内側はアルカリ性で、内側は還元されています。それは地球のようです。すべての電子は地球の核とマントルの鉄の中にあります。内側は比較的アルカリ性です。だからこそ、これらの噴出孔にはアルカリ性の流体があるのです。外側は比較的酸化されています。海洋にはすべてのCO2があります。細胞は地球と同じ構造を持つ小さなバッテリーです。
熱水システムを見ると、地球の周りの細胞膜、地球の地殻は膜のようなものです。内側と外側の間で交通がある場所は熱水システムです。これらの熱水システムの孔は、小さな細胞のような実体でもあります。複数のスケールで、この同じ種類のものを持ち続けます。地球が小さな生きている、細胞のような、ミニバッテリーを生産する巨大なバッテリーであるという考えは、かなり美しいアイデアです。メタファーにあまり執着することはできませんが、
美しいイメージです。ええ、100パーセントです。基本的に、地球がこの巨大な細胞で、そして熱水噴出孔から、この小さな泡が飛び出します。地球の多くのコピーが泡立っています。それは非常に魅力的な理論です。私が理解したいことは、今の生命の働き方のどの部分が偶発的で、どの部分が他の惑星で生命を見つけたとしても共有されることを期待するかということです。炭素、化学的プロファイルは、生命を構築するための明白な候補に過ぎないとあなたは言っているようです。プロトン勾配は?仕事を駆動するこれらの化学浸透勾配を構築する別の方法はあるのでしょうか。
私たちには他の化学があります。原理的には、はい、プロトンの代わりにナトリウムイオンを使用できますが、それは非常に異なります。二酸化炭素から始める場合、最初に認識すべきことは、炭素がそれが行う化学において非常に優れているということです。あらゆる種類の分子と非常に強い結合を形成しているので、複雑で興味深い分子を形成できます。
私はCO2を空気から摘み取るレゴブロックのように考え、それを何かに結合させます。そのようにして一度に1つのブロックを構築できます。そして、DNAやRNAのような本当に興味深い複雑な分子を作ることができます。シリコンではそれはできません。
インテリジェントデザインでは、非常に複雑なAIロボットなど、何でも作ることができますが、全体として人間がそれを行う必要があります。しかし、インテリジェントデザイナーがすべてを組み立てていない惑星で生命がどのように始まるかを考えている場合、その化学ができる分子が必要であり、CO2は傑出した例です。水はどこにでもあります。水素、酸素、これらはすべて宇宙で非常に一般的な元素です。
だから、あなたはどこでも同じ化学を繰り返し得ることになるでしょう。近年の系外惑星の発見から知っていることは、まだ見ていないものの数を外挿すると、例えば天の川銀河における湿った岩の惑星や衛星の数は、おそらく200億、300億、400億のオーダーです。
そのうちの何割が真核生物ではない生命を持っていると言いますか。ここで推測をさせてください。もしこれらの同じ条件が湿った岩の惑星にあれば、それは同じ化学が起こるので、これらの同じ噴出孔を生成することになると期待します。あなたの見解では、噴出孔でさえも偶発的ではないのですか。いいえ。
噴出孔は、星間塵で非常に一般的な鉱物、オリビンと呼ばれる鉱物によって生成されます。地球のマントルは、オリビンと呼ばれるこの鉱物でできています。それは水と反応します。水と反応すると、オリビンの塊をバケツの水に入れても、あまり見えません。
しかし、海底の圧力とより高い温度を扱っている場合、アルカリ性流体中に大量の水素ガスを生成しています。それがこれらの熱水噴出孔です。湿った岩の惑星はこれらの噴出孔を生成します。火星の初期、火星に海があった時代からの証拠があります。今では氷の衛星、エンケラドゥスとエウロパに証拠があります。
これは私たち自身の太陽系で今起こっています。もし200億から300億の地球のような惑星があり、おそらくそれらのかなりの割合がこれらの岩層をすべて持っている場合、これらの噴出孔を持っているとすれば、あなたの見解は、それらのかなりの割合が同じように動作する生命も持っているということですか。私の見解は、そうです。
同じ代謝で?はい。CO2と水素から始める場合、私が言っているのは、代謝は熱力学的に有利な化学だということです。水素をCO2と、そして別のCO2分子と反応させると、反応しようとしている分子の部分はかなり予測可能なので、この同じ化学が起こり続けるでしょう。
これは素朴な質問ですが、代替代謝につながる代替化学が存在しないと考える理由は何ですか。おそらく非常に異なる条件下では、そうなる可能性があります。しかし、本質的に似たような条件があれば。もう一つは、非常に異なる化学でも、似たような分子のサブセットに行き着くことがわかっているということです。隕石で見られる有機物の種類は、まったく異なる化学が進行しています。
ヘリウムラジカルを扱っていますが、それでもアミノ酸を見ており、核酸塩基などを見ています。これらは基本的に安定しており、幅広い条件下で形成される傾向がある分子です。だから、水とこれらの岩を持つ200億の地球のような惑星です。必ずしも地球のようではなく、湿っていて岩の多い。
もしあなたがどこからでも数字を引き出して、「この割合がヌクレオチドを持っている」と言わなければならないとしたら、何割と言いますか。私はかなりの割合だと言います。1パーセント以上のような?はい。50パーセントか何かを想像します。本当に?帽子から数字を引き出すとあなたは言います。まさにあなたが言っていることを私はやっています。帽子から数字を引き出しています。この種の化学は繰り返し同じヌクレオチドを与えると思います。
繰り返しますが、ここでただおしゃべりしているだけですが。しかし、この物語によれば、かなり洗練された有機物は宇宙全体で非常に豊富です。それは、それらが海洋に高濃度で集まっているということではありません。熱水噴出孔にあるのは、連続的な流れです。
噴出孔内のポケット内で、噴出孔内の孔の中で、ほぼ細胞内の壁に結合しています。したがって、噴出孔システム内では最終的に非常に高濃度のものが存在する可能性がありますが、必ずしも海洋や大気やその他の場所にあるわけではありません。そうすると、原核生物が引き継ぐことができると思います。
私たちは実際にこれを持っていました。それらは海洋を通じて増殖し、大気の組成を変えました。大気だけでなく、地質学全体も。何百もの鉱物は基本的に生命の産物です。あなたの見解では、真核生物が根本的なボトルネックであるなら、地球化学から初期生命へ、それは簡単です。初期生命から初期原核生物を通じて地球全体の組成を変えることへ、それは簡単です。
もしこれら二つのことが簡単で、それから銀河系に100億の惑星があって、中間段階に到達したとしたら、それは天の川銀河に100億のオーダーの惑星があるということを意味しますか。ヌクレオチドから、次にRNAとDNAとリボソームと分子機械を得る必要があります。だから、そこにも長いギャップがあります。ただヌクレオチドを持っているだけでは、それは先に進むための要件です。
なるほど。繰り返しますが、もし空気から数字を引き出さなければならないとしたら、何割がそれを行ったと思いますか。まあ、明らかに低い割合です。10億以上?楽観的でありたいです。これらのプロセスが、これらの惑星や衛星のかなりの割合で生命の存在を駆動すると考えたいです。
遺伝子コードに類似性があることを期待します。多くの代謝が似ているように見えることを期待します。膜電位が仕事を駆動していることを期待します。なぜなら、CO2と水素を扱っている場合、この同じ根本的な問題があるからです。
どうやってそれらを反応させるのか。天の川銀河には数億の惑星があり、おそらくリボソームやDNAやRNAのようなものを持っているということですか。はい、それが私自身の考えです。惑星規模の駆動力について話しており、かなり決定論的な化学を駆動しており、それが同じ種類の中間体を与え、同じ種類の化学、同じ種類のフィードバックを持つことになるでしょう。それらは物事を似たような方向に押し進めることになります。
さて、CO2固定から遺伝学へと遠ざかるほど、類似性は少なくなります。これは私の傾向ではありませんが、もし私が神を畏れる人間だったら、これを聞いて「わあ、これはインテリジェントデザインの証明だ」と言うでしょう。
宇宙の法則は、少なくともこの物語によれば、生命につながるこの化学を非常に強く好むので、この形成に抵抗することは難しいのです。私はあなたの解釈に興味があります。私もあなたに同意します。正直に言うと、私は少し不安に感じます。
私も宗教的な人間ではありませんが、宗教に反対するわけではありません。私はまったく闘争的な無神論者ではありません。宗教が意味を探求し、起源を探求してきたという事実が好きです。私はその探求と、ある意味での真理、私自身の場合は小文字のtの真理との共感を持っています。
しかし、これが神の考えと一致する限りにおいて、神は理神論的な神であり、効果的に宇宙の法則を動かし、それらが展開されるままにするものでしょう。これはアインシュタインの神です。ほとんどの人が神によって理解していることの観点からすると、ほとんどの人は神に慰めを求めており、自分たちにとって意味のある、人類に関わってきた何かを探しています。
これは非常に冷たい種類の「熱力学としての神」であり、宇宙の法則を動かし、再現可能に同じ種類のものを生み出します。はい、それを自然神学的な方法で解釈することはできますが、多くの人がその世界観から多くの慰めや意味を得るとは思いません。
非常に基本的な質問ですが、もし生命が豊富であるだけでなく、これらすべての岩の惑星でほぼ不可避であるなら、至る所にエイリアンを見ないことへのボトルネックは、おそらく複雑性につながる真核生物です。複数のボトルネックがありますが、真核生物は私自身の心の中では大きなものです。真核生物を生み出す可能性のある数十億の潜在的な惑星のうち、地球上でのみこの偶然の出来事が起こる必要があるでしょう。
私はそうは主張しません。地球上だけで?いいえ、そうは思いません。私が少し踏ん張りたいのは、カール・セーガン的な宇宙論的見解があるということです。これらの化学と熱力学の法則に従って生命が生じることのほぼ不可避性について話しており、生命を得ます。それから、それは転がり続けて不可避的に複雑な生命を、そして人間を、そして知性を生み出すのでしょうか。それは美しい考えです。宇宙がそのように機能していたら素晴らしいでしょう。しかし、地球上で私たちが知っていることは、20億年の停滞があり、
それから真核生物が生じたこの明白な単一の出来事があり、それから動物に至るまでのもう一つの長いギャップがあるということです。もし時計を200万年巻き戻すと、人間も周りにいません。私たちはただのアイシングです。なぜこの成功した内部共生イベントを持つことがそれほど難しいとされているのですか。複数の理由があります。
その一つは、原核生物、つまり古細菌とバクテリアはかなり小さなものだということです。あなたの中に別の細胞を持つことは、すでに難しいことです。他の細胞を取り込むことができるバクテリアの食細胞が時折ありますが、かなり珍しいです。これらの細胞を内部に持ったら、それは何十回も起こったかもしれません。古細菌でそれが起こったことを示唆するいくつかの暫定的な証拠があります。
ハロ古細菌が同じソースから千以上のバクテリア遺伝子を獲得したように見える良い例が一つあります。おそらく彼らが内部共生生物を得て、後にそれを失ったことを示唆しています。問題は、それがうまくいかなくて内部共生生物を失う頻度はどのくらいかということです。私はそれがより可能性の高い結果だと思います。つまり、あなたは遺伝子の束を拾い上げて、内部共生生物を失います。それは単にうまくいかないのです。ここでのすべてのボトルネックが何であるかを正確に知ることは難しいです。
しかし、もし内部共生生物を得た場合、内部共生生物を持たない場合よりも速く成長するかどうかを見るためのモデリング作業が行われてきました。そして、もしあなたが内部共生生物だとしたら、外側にいるか内側にいるかで、より速く成長するでしょうか。サンタフェのこれらの人々が調べたほとんどの条件下で、答えは、共生関係の一部でない方がうまくいくということです。
特定の条件下でのみ、あなたはより良くなります。予測可能なことに、終着点はそれがうまくいかないということです。地球の歴史を通じて非常に多くのバクテリアと古細菌がいて、何兆、何兆、何兆もこれらが動き回っている場合、内部共生があった多くの状況があり、たった一つのケースでそれが成功したのです。
オッズは驚くべきものでなければなりません。それは極めて、極めて厳しいものでなければなりません。それは鮮やかな見方です。私たちはバクテリアと古細菌がどのように見えるか知っており、人々はこれらのものを研究し、新しい例を見つけてきました。10年前に発見されたアスガルド古細菌と呼ばれるグループがあり、それらは比較的真核生物のようです。つまり、そこにタンパク質と遺伝子があり、真核生物のものにかなり似ています。
それらは興味深い細胞です。長い突起があり、おそらくそれらの内部で小胞を動かすことができます。だから、彼らはいくつかの真核生物的なことをしています。しかし、内部構造を見ると、それはあまり複雑ではありません。真核細胞のようなものではありません。ゲノムサイズを見ると、それは標準的な原核生物のゲノムサイズです。
4000から5000の遺伝子について話しています。だから、これらは想像のどんな伸びによっても真核生物ではありません。それから真核細胞を見ます。私は最初にこれを言いましたが、植物細胞や動物細胞や菌類細胞、または藻類やアメーバを顕微鏡下で見ると、それらはすべて同じものを持っていて、それは奇妙です。
なぜ海洋に住む単細胞藻類が、私の腎臓細胞が持っているのと同じすべての装備を持っているのでしょうか。それを理解する最も簡単な方法は、それが外部環境への適応、生活様式への適応ではなかったと言うことです。それは内部の選択圧への適応でした。もしあなたがそれを、宿主細胞と内部共生生物の間の、一緒に生きる方法を見つけるための戦いという観点から考えるなら、核が生じることを主張できます。ミトコンドリアから出てくるあらゆる種類の遺伝的寄生虫があり、あなた自身のゲノムを保護するために何かをすることを強制します。だから、真核生物発生と呼ばれるこの歴史の多くを構築できます。
あなたは内部に細胞を持つ単純な細胞から始め、どこでも同じ細胞構造、これらすべての内膜系やその他すべてで終わります。ここで理解しようとしているより広いことは、もしこの物語が真実なら、至る所に生命があるということです。
しかし、宇宙を探索しようとしている知的生命を生み出す真核生物は、私たちが知る限り、私たちの光円錐の中で一箇所でのみ起こっています。では、なぜそうなのでしょうか。あなたは「まあ、ボトルネックは真核生物であり、成功した内部共生を得ることは非常に難しく、それが時間とともに継続する」と言えるかもしれません。
しかし、これが解決している根本的な問題は何ですか。大きなゲノムです。多細胞生物を持つために、効果的にあなたが単一の細胞から派生している場合、それは効果的にすべての細胞が戦うチャンスを制限します。例えば、細胞が一緒になる多細胞粘菌の多くの例があります。彼らは胞子を環境に放出する茎のような構造を形成できますが、彼らは互いに遺伝的に異なっているので戦います。だから、あなたは単一の細胞から始めて発達するので、彼らが一緒になる場合よりも細胞間の遺伝的戦いが少ないのです。
しかし、それは複雑な機能を持ちたい場合を意味します。肝臓が一つのことをし、腎臓が別のことをし、脳が別のことをすることを望む場合、すべての細胞が同じ遺伝子を持たなければなりません。肝臓ではこれらを発現し、脳ではあれらを発現します。だから、大きなゲノムを持たなければなりません。
大きなゲノムを持つことができる唯一の方法は、ミトコンドリアを持ち、真核細胞を持つことです。このレベルの洗練度の多細胞バクテリアの例はありません。それは非常に興味深いです。大きなゲノムが必要な理由は、すべての卵を一つのバスケットに入れることで、体内のすべての細胞が生殖系列を継続させることに動機づけられていると感じるようにすることです。あなたは戦いの量を制限しています。
私が言いたかったのは、真核生物は大きなゲノムのために解決しているということです。それは細胞がはるかに大きくなることを可能にしています。なぜ私たちはこれがこの問題を解決できる唯一の方法だと確信しているのでしょうか。もし前駆段階に到達した数十億の惑星があるなら、それらのどれも、ただ自分自身を大きくするためのミトコンドリアの代替解決策を見つけられないというのは、信じがたいことのように思えます。あなたがどこから来ているのかわかります。私たちは一つの方法しか観察していないので、問題を解決する方法は一つしかないと仮定しているのではないかと少し疑問に思います。
問題自体はそれほど…呼吸の部位の隣にゲノムのより小さなコピーが欲しいだけです。それが基本的な問題です。
それを解決する他の方法はないのでしょうか。おそらくありますが、特定のことが起こる確率を見る必要があると思います。もし巨大なバクテリアを持ちたいなら、地球上には巨大なバクテリアがたくさんいます。少なくとも6、7種類の異なる、かなり無関係な種が巨大なサイズに進化しています。それらすべてに共通しているのは、極度の倍数性と呼ばれるものを持っているということです。つまり、彼らは文字通り完全なゲノムの数万のコピーを持っています。
それは小さなゲノムかもしれません。3メガベースのゲノムについて話しています。その中に約3000の遺伝子があります。そして、あなたは数万のコピーを持っています。時には最大のものは、完全なゲノムの700,000から800,000のコピーを持っています。それらすべてをコピーし、それらすべてのゲノムを発現するためのエネルギー要件は膨大です。
内部共生で持っているものは、まだ極度の倍数性を持っていますが、必要のないすべての遺伝子を削ぎ落としました。共生関係は効果的に相補性に基づいています。宿主細胞のために何かをしている共生生物があり、宿主細胞が内部共生生物に何かを取るか与えているのです。だから、それは相互のニーズに基づいた関係です。
それらの一つははるかに小さくなり、それが他方をはるかに大きくすることを可能にします。だから共生はそれを行います。さて、共生を持つ複数の方法があるかもしれませんが、その例はありません。これらすべての非常に大きなバクテリアの例があり、それらすべてが極度の倍数性を持っています。
それらのどれも、物を取り込んであそこに出荷する複雑な輸送ネットワークを思いついていません。十分な遺伝的空間がないだけです。しかし、機能要求を正しく理解したことを確認するために、基本的には、呼吸にのみ関連するゲノムのより小さなコピーが膜全体に座っていて、その多くのコピーが膜全体に座っていることを望んでいます。
推測しますが、これと同じことが繰り返されることを信じがたく思っているようです。はい。数十億の惑星でこれを解決する他の方法はないのですか。なぜなら、もし別の方法があるなら、あなたが期待するのは、原核生物の段階に到達するとすぐに、もし彼らが複雑性に向かって駆動できれば植民地化できる他のニッチがあるので、これが何らかの形で解決され、それから真核生物ができて、それから知性ができる、ということです。いくつかのことを言います。一つ目は、オーゲルの第二法則と呼ばれるものがあり、それは進化はあなたよりも賢いというものです。もちろん、私はそれが起こる可能性がある他の方法がないとは言えません。
しかし、「ああ、進化はとても賢いし、宇宙はとても大きいし、それが起こる別の方法があるはずだ」と言うのも手を振っているだけです。あなたの脳を使って、それがどのようにして機能するのか教えてください。
それが起こる可能性がある唯一の方法だとは言えません。しかし、私が言ったことは、湿った岩の惑星は一般的だということです。それらはどこにでもあります。あなたはこれらと同じ蛇紋岩化するものを持つことになるでしょう。あなたはCO2を持つことになるでしょう。あなたは似たような生化学を持つことになるでしょう。あなたは膜上に電荷を持つバクテリア細胞を生み出すことになるでしょう。
それはそれらを制約し、地球上で知っているすべての例で、それらがより大きくなったように見える場合、毎回確率的に起こる制約があります。彼らは常に極度の倍数性で終わり、洗練された輸送ネットワークで終わることはありません。だから、それが毎回そのように起こらなければならないということではありません。おそらくそれを回避する方法があるかもしれませんが、それは簡単な回避方法ではありません。なぜなら、彼らは地球上で定期的にそれを行っていないからです。彼らは地球上でそれをまったく行っていません。
地球上でそれがうまくいった唯一の機会は、彼らが真核生物を思いついたときでした。それがそれを行う唯一の可能な方法だということではありません。しかし、代替案は何かを解剖しようとすると、私は何も思いつきません。わかりました、私は制限されています。しかし、もしあなたがいくつかあると思うなら、それらが何であるかを教えてください、そしてあなたはそれらをテストします。
私はこれをよく受け取りますが、それは十分に公平です。なぜなら、もし私が宇宙のどこか他の場所で生命がこのようになると主張するなら…私はスターウォーズやスタートレックを見て育ち、銀河ヒッチハイクガイドを読みました。宇宙がいろいろなもので満ちているという考えが誰よりも大好きです。
だから、「実際にはかなり限られていて、他の場所で同じ種類のものを見ることになる」という私の立場は好きではありません。それは私が持つことを夢見ていた立場ではありません。それは地球上の生命について学んだすべてのことによって私が強制された立場に過ぎません。さて、おそらく私は間違っているだけです。
しかし、もしあなたが単にあなたの想像力によって制限されていると言うなら、あなたは間違っています。なぜなら、あなたはそれを考えることができないからです。まあ、それはもはや科学ではありません。今、私たちは想像力と手を振ることについて話しているだけで、科学ではありません。だから、私は確率的にそれがこの方法になる理由を与えています。私が言うのは、もし生命を持つ千の惑星があるなら、おそらく生命は千回のうち999回同じ方法になるでしょう。なぜなら、それは炭素ベースで、水で、細胞で、電荷で、水素とCO2であり、同じ制約に直面することになるからです。しかし、おそらく別の機会には、それは私が決して考えなかった何か完全に異なるものです
そして非常に異なる条件下で。しかし、炭素が非常に一般的で、水が非常に一般的であるという確率的なものがあります。あなたは同じ制約を何度も何度も見続けることになるでしょう。もし岩の惑星のかなりの割合が少なくとも有機物と細胞などを持っているべきである場合、私たちはかなりすぐにこの物語が正しいかどうかを学べるはずだと感じます。もしその部分が真実であることが判明し、また私たちが他の場所で真核生物を見ない場合、全体像にははるかに多くの信憑性が与えられます。しかし、私たちはいくつかの衛星に行って、そこで有機物などを見つけられるかどうかを確認しようとしているところでしょうか。
生命探査と実験的アプローチ
それには時間がかかるかもしれませんが、ええ、私たちはすでに有機物があることを知っています。例えば、土星の衛星の一つであるエンケラドゥスでは、数年前にカッシーニが通過したとき、氷の割れ目から水のプルームが出ていましたが、水に有機物が溶けていて、水素と有機分子がありました。
pHは8か9くらいなので、その凍った表面の下、人々が約5キロメートルの厚さと言う表面の下に、液体の海があることを示唆しています。その下には、海洋をアルカリ性にしたアルカリ性流体を生成する熱水システムがあります。同じ化学が進行しているのです。だから、私たちはこれらのプルームに有機物があることを知っています。氷の下に何があるかはわかりません。
私は、これらの場所に行って氷を掘って見ようというインセンティブが私たちに勝ることになると思います。私たちはそこに地球からバクテリアを持ち込むべきではないと常に言う人々がいるでしょう。地球のバクテリアはおそらくエンケラドゥスのような場所で非常によく生き残るでしょう。
知ることができたら素晴らしいでしょうし、私は探査に全面的に賛成です。複製子がこの世界でどのように生じるかを理解する手助けをしてください。もしこれらの独立した孔があって、それぞれが自発的なプロセスを通じて独自の有機物を蓄積している場合、少なくとも最初は共有された遺伝はありません。非常に成功した孔があっても、それがそれとまったく同じようなより多くの孔を引き起こすわけではありません。
これらの孔内の原始細胞と私が呼ぶものを考えてください。あなたが作っている有機物は自己組織化しています。脂肪酸二層膜が形成されます。
正のフィードバックに本当に必要なのは、この原始細胞内で有機物を作り、その原始細胞が成長し、それ自体のコピーを作ることです。さて、それはそれ自体のコピーを作るでしょう。なぜなら、化学、もし化学が決定論的であれば、これがあなたが得ることになる化学だと言います。
もしあなたがシステム内の水素の圧力によってその化学を駆動するなら、あなたはただ2倍の分子を作ることになり、それらは2つに分かれることになります。今、あなたは2つの原始細胞を持っています。だから、そこには遺伝の一形態があり、それは彼らが同じ分子を得るということです。なぜなら、それは効果的にあなたが行うことを許されているすべてだからです。だから、そのものが芽を出し、それから別の孔に定着するのですか。はい。なるほど。わかりました。
そして、これはこのプロセスの比較的早い段階で起こりますか。はい。だから、複製子の上昇は比較的早く起こります。私はここで複製子という言葉を使うことをためらいます。これらは成長しています。私は彼らが効果的に彼ら自身をより多く作っている成長する原始細胞だと言います。あなたはそれを複製子と呼ぶことができますが、私はRNAのようなもののために複製子という言葉を使うことを好みます。それが複製子の従来の用語であり、あなたが文字通りこのRNAの正確な配列を複製しているところです。
私たちが遺伝子の視点に到達するのはいつですか。遺伝子が複製の一貫した単位である視点です。早ければ早いほど良いです。つまり、もしこの決定論的な化学があって、それが成長を駆動し、より多くの細胞を作るなら、それはまた行き止まりでもあります。あなたは他に何もできません。あなたは完全に環境に依存しています。あなたはより複雑なものに進化することができません。
ある程度まではできますが、常に同じものを得ることになります。同じ環境は常に同じものを与えます。このRNAのランダムなビットを導入し始めるとすぐに、進化可能性と呼ばれるものを得ます。つまり、環境に抵抗し始めることができます。環境によって単に指示されるだけではないことを始めることができます。
あなたは進化し、変化し、最終的には噴出孔を離れ、他のことをすることができます。だから、遺伝子を持つとすぐに、ほとんど何でもする潜在能力を持ちます。もし裸のRNAのビットを持っているなら、起こる傾向があることは、それらがその複製速度のために選択されるということです。彼らはただ自分自身のコピーを作り続けます。
彼らはより複雑にならず、代謝をコードし始めず、ただ自分自身をコピーし続けるだけで、それは行き止まりです。もしあなたがそれらを成長する原始細胞内に閉じ込めているなら、効果的に彼らは同じ運命を共有しています。もしそれらのいくつかがその原始細胞をより速く成長させることができるなら、彼らはより多くの自分自身のコピーを得るでしょう。なぜなら、彼らはこの原始細胞の内部にいるからです。原始細胞はより速く成長し、それ自体のコピーを作り、それはまだ関連付けられています。
だから、あなたは今日の細胞で知っているような選択を持っています。そこでは複製子は遺伝子ですが、再生産されているシステムは細胞です。あなたの一種のミトコンドリア第一の視点は、なぜ二つの性があるのかを説明するのに役立ちます。おそらくあなたはその議論を要約できるかもしれません。しかし、もし原核生物が性を進化させた世界があったとしたら、彼らはおそらくたった一つの性だけを進化させただろうと思いますか。
性の起源とミトコンドリア
それを少し解きほぐします。なぜなら、ミトコンドリアが性と何の関係があるのでしょうか。だから、彼らが性と関係があることは、効果的に女性の性、そしてこれは配偶子間に明白な違いがない単細胞にさえ当てはまります。つまり、卵母細胞や精子のようなものは何も持っていません。彼らは精子よりも何か他のものに似ている小さな運動性の配偶子を生産します。両方の性がそれを行います。
しかし、定義上、女性の性はミトコンドリアを伝え、男性は伝えません。それは近似で、常に真実ではありません。その規則には例外がありますが、それは生物学における経験則であり、女性がミトコンドリアDNAを伝えるというものです。なぜそれが起こるのでしょうか。性では、あなたがしていることは核ゲノムの分散を増やし、それを選択にかけ、勝者がそれを通り抜けて出てくることです。それよりも悪いものはすべて選択によって排除されます。
だから、核遺伝子、ゲノムの分散を増やし、それから機能するものを選択しています。ミトコンドリアに関しては、それらは世代を越えて無性的に伝わっています。非常に小さなゲノムがありますが、それの複数のコピーがあります。問題は、どうやってそれをきれいに保つのか、ということです。時間の経過とともにそれが劣化し、退化するのをどうやって防ぐのか。なぜなら、100コピーのミトコンドリアDNAがあり、そのうちの2つが変異を獲得したとしましょう。しかし、まだ98はその仕事をきちんとしているので、これら2つの変異のペナルティは何でしょうか。それはあまり大きくありません。あなたはそれらにほとんど気づかないでしょう。今、あなたはもう2つの変異を獲得し、時間の経過とともに退化する可能性があります。それはマラーのラチェットと呼ばれるプロセスです。
基本的に、これらの変異は、あなたが持っている他のきれいなコピーによって補償されることによって、選択からある程度遮蔽されます。では、時間の経過とともに蓄積しているこれらの変異をどうやって取り除くのか。まあ、答えは、あなたがする必要があることは、ミトコンドリア遺伝子の分散を増やすことです。
あなたがする必要があることは、効果的にこれらの細胞にすべての変異体を分離し、それらの細胞にすべての野生型を分離することです。複数回の細胞分裂によってそれを行うことができます。しかし、効果的にミトコンドリアを伝えるのが一つの性だけである二つの性がある場合、それは助けになります。あなたはすでにサンプリングしていて、すでに分散を増やし、選択への可視性を高めています。それはミトコンドリア遺伝子の質についてです。
ミトコンドリアの単親遺伝が分散を増やすのに役立つのはなぜかということを理解するのを助けてください。私たちは細胞間の分散について話しています。もしあなたが100の細胞があり、それらがすべて同じ親から来ていると想像すると、例えば。もしあなたが持っているすべてのミトコンドリアをそこの比率を変えずに単一の細胞に直接与えるなら、それはあなたとまったく同じです。
それは完全にクローンです。しかし、もしあなたがそれらの小さなサブセクションを取って、ランダムに10パーセントを取るとしましょう。10パーセントをこれに、ランダムに10パーセントをそれに、ランダムに10パーセントをこれに与えます。ランダムに、この細胞はたまたますべての良いコピーを得て、この細胞はたまたますべての悪いコピーを得ることになります。
今、あなたはこれら100の細胞を選択にかけて、「あなたはどうしていますか」と言います。すべての良いコピーを得たものはうまくいき、それが続きます。だから、あなたがしていることは、細胞のこの次の世代の間で分散を増やしているのです。すべての変異体を得たものは、打撃を受けます。すべてのきれいなコピーを得たものは、うまくいきます。親は変異ときれいなコピーの両方を持っていました。
しかし、どうやってそれらを区別しますか。それは基本的にサンプリングについてです。そして単親遺伝はサンプリングの一形態です。あなたは2人の親のうちの1人からのみミトコンドリアを取っています。あなたは両方の親が持っていた変異を混ぜていません。あなたはサブセットを取っています。だから、あなたは常に娘細胞間の分散を増やしています。単親遺伝はあなたにサブセットを与えています。
それから、なぜ二つの性があるのかという疑問があります。私たちは、一方の親のみがミトコンドリアを伝えるという進化的ニッチがあることを説明しました。だから少なくとも二つのニッチがあります。一つはミトコンドリアを伝えること、一つはミトコンドリアを伝えないことです。これら二つを確立したら、「なぜ二つ以上の性がないのか」という質問をすることができます。それから、「まあ、これら二つのうちの一つの繰り返しになるだけでしょう。これらが二つの基本的なものです」と言えるでしょう。つまり、それはもっと複雑ですが、二つの性についてのことは、あなたがそれをすべての可能な世界の中で最悪だと言えるということです。
人間から離れてみましょう。そうすればそれについて冷静になれます。これらの単細胞生物が泳ぎ回っていて、それらはすべて配偶子を生産しています。配偶子は互いに同じように見え、性と同じ方法で融合し、染色体を並べます。
彼らは私たちが単細胞スケールで行うのとまったく同じことをします。しかし、二つの性を持つということは、あなたが集団の50パーセントとのみ交配できることを意味します。他の50パーセントはあなたと同じ性であり、あなたの配偶子を受け入れません。もし3つまたは4つの性があれば、より大きな割合の集団と交配できるでしょう。いくつかの菌類では、まだ二つの性がありますが、交配タイプもあります。
いくつかの菌類では27,000の交配タイプを持つことができ、これはすべて異系交配についてです。だから、あなたはほとんど何とでも交配できます。もしあなたが今日のいくつかの大学キャンパスに行ったなら、彼らはその一部を複製しています。菌類になっている、ええ。それでは、二つの性は、その意味では、すべての可能な世界の中で最悪です。
もし一つの性しかなかったら、もしみんなが雌雄同体だったら、あなたはみんなと交配できるでしょう。もし3つの性があれば、集団の3分の2と交配できるでしょう。では、なぜ二つなのか。まあ、一つがミトコンドリアを伝え、もう一つがミトコンドリアを伝えないという根本的な違いがあります。それを超えて、もし複数の交配タイプがあれば、ミトコンドリアを伝える一つと伝えないもう一つがまだあります。
これらの菌類で、これらすべての交配タイプを持っているものでは、支配的なものがミトコンドリアを伝え、あまり支配的でないものはミトコンドリアを伝えないという一種の序列があります。だから、あなたは非常に複雑なシステムに行き着きます。それを強制することはかなり難しいと想像できます。物事はうまくいかない可能性があります。システムが複雑になればなるほど、うまくいかなくなります。
だから、ある意味で、なぜあなたは二つの性で終わるのか。それは部分的にはエラーの最小化です。あなたには、これがなぜ二つの性があるかを説明するだけでなく、卵と精子が発達した方法の特定の違い、成熟する前に異なる量の複製がある理由などを説明する非常に興味深い議論があります。おそらく、それを要約できるかもしれません。
だから、この根本的な違いがあるとすぐに、単細胞生物でさえ、一方の性がミトコンドリアを伝え、もう一方は伝えない。男性は彼らのミトコンドリアを伝えません。これは、女性が生殖系列を持つ意味で、男性が実際に生殖系列を持たないという意味で、多細胞生物における性間の違いを説明し始めています。
女性の生殖系列では、あなたはこれらの卵母細胞を作り、効果的にそれらを氷上に置きます。あなたはそれらの世話をし、できるだけそれらをオフにし、変異からそれらを保護しようとし、効果的にそれらを甘やかします。一方、男性は変異でいっぱいの精子を大量生産するだけです。遺伝学者のジェームズ・クロウからの素敵なフレーズがあります。「集団における最大の遺伝的健康ハザードは、繁殖力のある老人男性ほどのものはない」と。
では、なぜあなたはずっと精子を大量生産し続けるのでしょうか。その一部は、ミトコンドリアを伝える必要がないので、精子を大量生産することから自分自身を解放しているということです。それらのいくつかは変異でいっぱいですが、多くはそうではありません。あなたはそれらを大量生産し、おそらくうまくいくでしょう。なぜなら、例えば最も速く泳げるものが、より可能性が高いからです。それは厳密には真実ではありませんが、そのような線で想像できます。
しかし、卵母細胞、卵細胞の場合、あなたはそれらのミトコンドリアを伝えています。あなたはそのミトコンドリアDNAに変異を蓄積したくありません。あなたはできるだけそれらをオフにし、できるだけ氷上に保ちたいのです。
性がどのように互いに異なるようになるかの違いの多くは、あなたの生殖システムへの制約が何であるかに帰着します。Y染色体について話しましょう。それも組み換えられません。女性の卵細胞がミトコンドリアDNAの品質を保ち、エラーを防ぐために複製の量を最小限にしようとするのとまったく同じ方法で、なぜY染色体で同じことが起こっていないのでしょうか。このすべての精子の複製は、Y染色体にあらゆる種類のエラーをもたらすことになるのではないでしょうか。まあ、そうなります。Y染色体は退化しています。
私はそれをタイトルにします。しかし、Y染色体を完全に失ったものもあります。それでもまだ性を持っています。なぜなら、それは厳密にはY染色体に依存していないからです。進化の全キャンバス全体で何が性を決定するかを見ると、それは奇妙です。なぜなら、例えば両生類は温度依存的な性決定を持っているからです。
だから、男性は女性よりも高い温度で発達するか、時にはその逆です。鳥は例えば哺乳類とは異なる性染色体を持っています。だから、性染色体は複数の異なる機会に進化してきました。Y染色体は何をしているのでしょうか。まあ、Y染色体は成長因子をコードしていて、その成長因子は他の成長因子をオンにします。
胚発生における二つの性の間の最も早い違いは、Y染色体、SRY遺伝子の活性化ではありません。それは成長速度です。私がいるユニバーシティ・カレッジ・ロンドンに、ウルスラ・ミットウォッホという女性がいました。彼女はキャリアを費やしました。彼女は1960年代に約15本のNatureの論文を持っていました。彼女はこれらの種類の質問に取り組みました。
彼女は成長速度を、Y染色体が「速く成長しろ」と言っている共通の分母として見ました。なぜあなたは速く成長するのでしょうか。まあ、一部は、あなたは速く成長できるからです。あなたは自分自身のミトコンドリアを台無しにすることに制約がありません。なぜなら、あなたはそれらを伝えていないからです。だから、あなたは速く成長できます。これは速く成長することの利点かもしれません。もしあなたが男性なら、あなたは資源を得るつもりです。あなたはより速く成長します。
もしあなたが女性なら、あなたはそんなに速く成長したくありません。なぜなら、次の世代のために卵母細胞を保存するために、効果的にあなたの生殖系列を隔離する必要があるからです。それを行うまで、あなたはミトコンドリアを台無しにしたくありません。だから、あなたが速く成長し始めることができる前に遅延段階があります。興味深い。これが女性がより長生きする理由ですか。ウルスラ・ミットウォッホはそれがまさにその場合だと主張しました。
私たちは実際にそれが真実であるという事実を知りません。しかし、女性が男性よりも長生きすることはかなり一般的です。人間だけでなく、ショウジョウバエでも、彼らは通常そうします。人間の進化が次の10億年間自然に続いたと仮定しましょう。私たちはAGIや人間の遺伝子編集などを持っていませんでした。
あなたが予想する均衡は、Y染色体がただ完全に消えて、性と性依存的な特性を決定する他の何らかの方法があるということですか。それがあり、それはいくつかの種で完全に消えてしまいました。通常、あなたが保持するのは、異なる成長速度を引き起こす一つの遺伝子です。
Y染色体は退化しています。それはその遺伝子のほとんどを失いました。マラーのラチェットについてのことは、つまりあなたが性を持たないか組み換えを持たない場合の物事の劣化は、それに影響を与える二つの要因があるということです。それらの一つは集団サイズです。
バクテリアでは、もしあなたが小さな集団を持っていて、彼らが性的でないなら、あなたはその集団に変異を蓄積します。しかし、もしあなたがはるかに大きな集団を持っているなら、無限に大きな集団に近づくほど、それらはすべて同じ変異を蓄積するつもりはありません。だから、全体としての集団は大丈夫でしょう。これは集団遺伝学で何十年も前に遡ります。
集団遺伝学であまり探求されていないもう一つのことは、ゲノムのサイズです。バクテリアで、もしあなたが彼らのゲノムサイズを真核生物サイズのゲノムまで増やすと、あなたはより大きなゲノムを維持することができません。あなたはそのゲノムに変異を蓄積し、それは再び縮小します。Y染色体では、はい、それは縮小しました。それは他のすべてと比較して小さな染色体です。
それは実際にどれくらいの遺伝子を良好な状態で維持できるかということです。Y染色体では、そこに必要なのは2、3の遺伝子だけです。それはより速く成長しろと言っているSRY遺伝子であり、それが機能し続ける必要があるだけです。繁殖力があるか不妊の男性のレベルでの選択は、機能しないSRY遺伝子を持っているものを除外します。それはあなたが変異のパッチワークを持っているかのようではありません。
あなたはY染色体をほとんど何もないまで退化させることができ、それでもまだ機能するでしょう。それは非常に興味深いです。なぜなら、あなたは同じことがミトコンドリアDNAに起こったと言っていたからです。それは小さなゲノムで、時間の経過とともに縮小してきました。取り込まれた元のバクテリアから始まっています。それは、言ってみれば、3000または4000の遺伝子から、私たち自身の場合、37の遺伝子にまで減少しました。
もしあなたが内部にいるなら、大きなゲノムを維持することはできません。私が言ったように、集団サイズが重要です。もしあなたが100万の集団で野生に住んでいる自由生活のバクテリアであり、今あなたは別の細胞の内部に避難し、それは小さな細胞で、今あなたは5の集団を持っているなら。あなたは変異を蓄積し、それらに抵抗できないので、遺伝子を失います。
だから、あなたのゲノムは縮小します。それがミトコンドリアに起こったことです。あなたはバクテリアサイズのゲノムを維持することはできません。側方遺伝子転移という意味での体系的なプーリングと遺伝子空間全体での並列探索に対して、性が好ましい理由を説明する価値があるかもしれません。
もし性の利点があり、バクテリアがそれに対する何らかの前例を持っているなら、なぜ彼らはただ全体を得なかったのでしょうか。それは単に彼らのサイズと互換性がないということですか。私はそれが必要なかったと思います。彼らが行うことは側方遺伝子転移です。基本的に、あなたは環境からランダムなDNAの断片を拾い上げます。それはそれよりも少し不吉なことがあります。あなたは隣の細胞を殺してそのDNAを取り、それを読み込むことができます。
それは起こりますが、ほとんどの場合、あなたは環境からDNAの断片を拾い上げます。それは通常小さな断片で、通常は一つの遺伝子の価値か何かです。あなたが少しストレスを感じている場合にのみそれを行います。もし物事があなたにとってうまくいっていないなら、あなたはDNAの断片を拾い上げ、それをあなたのゲノムに結合し、最善を望みます。
ほとんどの生物にとって、ほとんどの場合それはうまくいきませんが、それらの一つにとってはうまくいき、彼らが引き継ぎます。それは変化する環境への適応を加速します。なぜ彼らは一つの遺伝子だけを使用しているのでしょうか。これを見る二つの方法があります。あなたはバクテリアサイズのゲノムを持っていて、それはかなり小さいです。もしそのゲノムを小さく保つなら、あなたはより速く複製するつもりです。大きくて扱いにくいゲノムを持つことは一種の不利益です。
真核生物はそれを持っています。それは興味深い質問です。なぜあなたはそのような大きくて扱いにくいゲノムを持つことになるのでしょうか。それはコピーするのに時間がかかります。バクテリアは本当に合理化されています。彼らは必要のない遺伝子を取り除き、それからより速く成長できます。しかし、今、条件が変わり、今あなたはこの遺伝子が必要です。では、あなたは何をしますか。あなたはそれを拾い上げます。
あなたはただランダムな遺伝子を拾い上げて最善を望み、正しいものを拾い上げてまた進みます。バクテリアのゲノムサイズは小さいです。彼らはあなたが小さなゲノムと言うものを持っていますが、それから大きなパンゲノムを持っていて、それは彼らがアクセスできるすべての遺伝子です。だから、大腸菌の細胞は単一の細胞に3000から4000の遺伝子を持っているかもしれませんが、30,000から40,000の遺伝子にアクセスできます。
メタゲノムを維持しているのは何ですか。なぜみんなが現在のコンテキストに必要なこの合理化されたものに収束しないのでしょうか。メタゲノムを維持しているのは、大腸菌の異なる株、または何であれバクテリアの異なる株が、異なる環境に住んでいるという事実です。あなたは腸内に住んでいる片利共生バクテリアを持つことができます。あなたは皮膚に住んでいる大腸菌バクテリアを持つことができ、非常に異なる環境です。それから、あなたは非片利共生の病原性大腸菌を持つことができ、それはまた異なる行動をしています。
彼らはゲノムの50パーセントで異なることができます。あなたはこれらすべてのものが並行して起こっていて、彼らはすべて互いから遺伝子を借りることができます。これは同じ種の中で、バクテリアでは種が正確に何を意味するのか、それは正確な意味を持ちません。これがバクテリアの進化のダイナミクスです。
彼らは大きなパンゲノムへのアクセスを持つ小さなゲノムを保持し、彼らは永遠に借り、マッチングなどをしています。彼らは効果的に自分自身のゲノムをかなり小さく保つことによって競争力を保っています。真核生物はそのすべてを放り出してより大きなゲノムを得ました。それから、問題は、もしあなたが大きなゲノム、真核生物サイズのゲノムでそれを試み、それから環境からDNAの小さな断片を拾い上げ続けるなら、正しい遺伝子を置き換える可能性は低くなります。それはあなたのゲノムが大きくなればなるほど、ますます効率が悪くなります。
真核生物に到達するまでには、彼らは大きなゲノムを持っています。なぜ彼らは大きなゲノムを持っているのでしょうか。私は、あなたがこの内部共生生物を獲得したからだと言います。彼らはミトコンドリアになります。今、あなたははるかに多くのエネルギーを利用できます。真核生物がより大きなゲノムを許容する理由はあらゆる種類があります。しかし、最終的には、バクテリアが決して持たなかったエネルギーがあり、それで何かをすることができるのです。
今、側方遺伝子転移はこのより大きなゲノムを維持するのに十分ではありません。あなたはもっと体系的な何かをする必要があります。だから、あなたはゲノム全体を引き寄せ、すべてを並べ、それらの間で交差します。今、それは体系的で、相互的で、はるかに大きなゲノムで遺伝子の質を維持できます。バクテリアはそれを行う必要がありませんでした。
あなたの本を読んでいたとき、ただ自分自身の無知を和らげるために、私は類推を考え出そうとしていました。どのような点でそれが素朴であるか教えてください。また、今日の他のすべての素朴な質問に耐えてくれてありがとうございます。ここシリコンバレーでは、おそらく私たちにとって機能する類推は、GitHubリポジトリについて考えることかもしれません。私はすでに自分の深さを超えています。
基本的に、あなたはこのコードベースを持っていて、バージョン管理を行う方法があります。
これが行われる通常の方法、そしてこれは性的組み換えに類似しているかもしれませんが、誰かが新しいブランチと呼ばれるものを作るということです。そのブランチで、彼らは変更しようとしている機能の隣に組織化された変更を行うかもしれません。
メンテナがコードを見ているとき、彼らはこの時点でオリジナルのコードが何であったかを見ることができます。このコードのその点への変更があり、差分を見て、それが合理的に思えればそれをマージすることができます。ここでの類推は、関連する遺伝子に沿って組織化された性的組み換えかもしれません。あなたはこの対立遺伝子を見て、あなたはその対立遺伝子を見ます。ここでの進化はメンテナであり、それからそれらの一つを固定に駆動します。
無性生殖、変異を伴うクローニングの類推は、あなたがリポジトリをフォークし、それからランダムな変更を行うものでしょう。あなたはただいくつかのランダムな変数を変更し、単語を変更し、ビットを変更します。ほぼ毎回、これは有害でしょう。そして、それが有害でない場合でも、マージ機能はありません。
あなたは何百万ものリポジトリを持っていて、それから何百万もの他のリポジトリを生成しています。たとえそれらの一つで何らかの改善が行われたとしても、改善を一緒にマージできる体系的な方法はありません。それはかなり似ているように聞こえます、ええ。最後に側方遺伝子転移です。
ここでの類推は、ウェブページを編集するための一つのリポジトリと、航空会社のソフトウェアを制御するための別のリポジトリがあるかもしれません。あなたがすることは、このウェブページ編集ソフトウェアのランダムな500行のシーケンスを取り、それを飛行機管理ソフトウェアのランダムなポイントにただ置くだけです。「ここが関連する機能がある場所です」という体系的な組織化はありません。
少しあります。つまり、側方遺伝子転移では、通常、末端をあなたがすでに持っているものに一致させます。コーディングについて十分知らないので、同等の例を挙げることはできませんが、効果的にあなたは、「わかりました、それはコードのこの部分に適合します」という観点で何らかの類似性を持つモジュールを拾い上げることになります。だから、あなたはそこにそれを入れるだけです。それがそこで有用かもしれないし、そうでないかもしれませんが、それは完全にランダムではありません。
あなたがかつてそこにあったか、そこにあり得るもののようなものを持っていることを知っている場所に接続されています。だから、それはランダムではありませんが、あなたは何を入れたかわかりません。では、側方遺伝子転移が組み換えと同様の利益を生み出さない理由について、私は本当に良い直感を持っていません。それは実際にスケーリングの問題です。
もしあなたがランダムなDNAの断片を拾い上げて、10倍大きいゲノムを持っているなら、環境からDNAを拾い上げる速度はどれくらいですか。それを行うために10倍の量を拾い上げる必要があります。10倍の量を拾い上げる能力はありますか。それを行うことには罰則もあります。つまり、変異のように、あなたは何を接続しているかまったくわかりません。ほとんど何でもあり得ます。
あなたはそれをどこに接続しているかは知っています。正しい場所に接続していますが、そのカセットの中に何があるか、あなたは本当に知りません。だから、それをより多く行えば行うほど、あなた自身も退化することになります。それを行うことにはコストと利益があります。これを締めくくるために、
この物語について最も多くの情報を与えてくれる実験または尋問の方法は何でしょうか。この物語には非常に多くの側面があり、私が与えることができる非常に多くの可能な答えがあります。真核生物、巨大なバクテリア、生命の可能性について、多くは観察に依存します。私たちは単にそこに何があるかについて十分知りません。
だから、それは必ずしも実験ではありません。もし私が、巨大なバクテリアは常にゲノムの複数のコピーで極度の倍数性を持つことになると主張し、あなたがそうではない例を見つけたら、私の考えはすでに崩れつつあります。だから、それを知ることは有用です。
生命の起源について、私は本当に、ロストシティのような深海熱水システムに潜水艇で降りるべき説得力のある理由を思いつきたいです。私はロストシティに行きたいです。しかし、問題は、海洋化学が今、40億年前とは完全に異なるということです。今は酸素でいっぱいです。バクテリアや物もいっぱいです。しかし、海洋化学は酸素があるために異なります。
海洋には鉄もニッケルもありません。あなたはロストシティのような噴出孔に行くことができ、壁はもはや触媒鉱物でできていません。それらはアラゴナイトやブルーサイト、つまり炭酸カルシウムや水酸化マグネシウムなどでできています。
だから、それができる化学は非常に異なり、そこにはたくさんのバクテリアが住んでいます。私が得るものは、それを見ることの純粋な驚き以外に、それが私に教えてくれることはあまりありません。私たちが実際に行っていることは、酸素を排除する嫌気性グローブボックスの実験室での実験です。だから、水素とCO2を反応させるこれらの実験を行うことができます。生化学のどれだけの分子をその方法で生産できますか。それは遅くて骨の折れる作業で、少量が得られ、時には汚染が得られます。時には最初からやり直さなければなりません。
それは遅い作業ですが、前進しています。それは私たちだけでもありません。世界中に他のグループもあります。例えば、ジョセフ・モランのグループは、これらの線に沿って非常に良い生化学を多く行ってきました。それは前進していますが、「よし、私たちは代謝全体を通してフラックスを駆動でき、それを行う条件のセットはこれです」と言えるレベルに達するまでには数十年かかっています。確かに数年です。
大きな分岐点があります。プリンヌクレオチドを作ることのように、この合成経路には12のステップがあり、すべての中間体は不安定で簡単に分解します。それはメタノールのような物で行われてきましたが、水では行われていません。水では、物は分解します。私たちはそれを行おうとしています。それは困難です。私たちはそこに到達すると信じています。だからこそ私たちはそれを行おうとしているのですが、おそらく到達しないかもしれません。その場合、再び、仮説は間違っています。
あなたは毎朝目覚めて、仮説が間違っているかもしれないと考えなければなりません。それは美しく、理にかなっていますが、醜い事実によって殺された非常に多くの美しい考えがあります。あなたが正しいと信じることに価値はありません。あなたはおそらく間違っていると信じて、とにかく続けなければなりません。
意識とミトコンドリアの関係
私が今興味を持っているもう一つのことは、麻酔薬とミトコンドリアに関する研究です。わかりました。数年前にルカ・トゥリンという人から聞いたのですが、麻酔薬はミトコンドリアに影響を与えることを私に指摘しました。私は麻酔薬がミトコンドリアに影響を与えることを知りませんでした。
実際に影響を与えます。私たちはそれについて実験を行ってきました。まだ完全には確立されていませんが、彼らの主な効果はミトコンドリアであるように見えます。麻酔薬はアメーバのようなものを含め、あらゆる種類のものに作用します。それは何も証明しませんが、もしあなたがアメーバを無意識にできるなら、それは以前意識があったのでしょうか、と言い始めています。私たちが意識を理解するようには、そうではありません。
私たちが意識を理解する方法は、実際には神経ネット、神経系、そして人間の意識のすべての複雑さについてです。それが私たちが主に考えることです。しかし、深い問題があり、それは遡ります。それは心身問題ですが、デイヴィッド・チャーマーズによって意識の難問として枠組みが作られました。それは、私の理解では、多かれ少なかれ、私たちは物理的な用語で感情が何であるかを知らないということに帰着します。
あなたは神経ネットワークの情報処理を理解できます。しかし、もしあなたが惨めに感じたり、痛みを感じたり、愛を感じたり、何であれ感じたりするなら、システムの化学において実際にそれは何なのでしょうか。問題は、あなたがこれらすべての神経ネットが発火していて、それらのいくつかは意識があるということです。私たちは自分が何を考えているかを認識しています。
他のものは、ニューロンの観点からすべて同じ性質を持っているように見えます。それらはシナプスを持ち、神経伝達物質を持ち、脱分極し、活動電位を伝えます。しかし、私たちはそれを意識していません。それは非意識的な情報処理です。だから、この質問があります。もし麻酔薬が神経ネットを持たないものに影響を与え、感情が神経ネットの観点で定義できない何かであるなら、感情がどういうわけか生命により広く結びついている可能性はありますか。では、なぜそうなのでしょうか。私がこれについて考える方法は、進化生物学者としてです。
最初の質問は、感情は実在すると思いますか。私はイエスと言います。それらは進化したと思いますか。私はイエスと言います。どの進化生物学者もこれらの質問にイエスと言うと思います。もしそれが実在で進化したなら、自然選択はそれを何らかの形で見て作用できるに違いありません。言い換えれば、それについて物理的な何かがあり、それは選択され得るのです。私はその声明について論争的なものは何もないと思います。
しかし、もしそれが物理的で実在で選択されてきたなら、その含意は私たちはそれを測定できるべきだということです。それは選択が作用するための利点を提供しなければならず、もしそれが物理的プロセスであるなら、それは測定可能であるべきです。しかし、私たちはここで何を測定しようとしているのか本当にはわかりません。
それから私は、バクテリア細胞は何をする必要があるだろうかと考えることに戻ります。これは封筒の裏での考えに過ぎません。私はすぐに代謝について考えます。バクテリア細胞の内側と外の世界の違いは何でしょうか。内側は代謝的に生きています。それはその化学で常に物事を行っていて、それは途方もない速度です。バクテリア細胞はこの代謝で毎秒約10億の反応を持ちます。
私はすぐに疑問に思います。それはすべてどのように制御されているのでしょうか。どうやってこの細胞が一貫した行動を持つようにして、「私はあそこに這って行く」と決定するのでしょうか。あなたはどうやって自分がどんな状態にあるかを知るのでしょうか。どうやってこの生化学をすべて同期させるのでしょうか。おそらくほとんどの人の答えは、何らかの代謝調節でしょう。しかし、それは本当の駆動力ではありません。
最終的な駆動力は熱力学的な駆動力です。どれだけの電子を持っていますか。それは食物またはNADHまたは何であれの形です。どれだけのエネルギーをATPの形で持っていますか。これらが同じ相で反応を同期させることになるものです。そこでの問題は、分子を扱っているとき、数万のそれらを扱っているので、時間がかかる大きな統計的サンプリングを持っているということです。
しかし、それを行うより良い方法があります。つまり、もしあなたがNADHの食物から電子を取り出し、それらを酸素に渡しているが、膜電位を生成していて、それがATP合成を駆動しているなら、あなたは変化の速度と膜電位と生成される場、静電場と電磁場を測定できます。
それはあなたの状態、外の世界に関連したあなたの代謝状態を把握するための手がかりを与えることになります。そこに十分な食物がありますか。そこに十分な酸素がありますか。暑すぎますか。ウイルスはいますか。これらすべての反応を行うことができるだけの十分な鉄を持っていますか。あなたは潜在的に矛盾するフィードバックループをすべて持っていて、決定を下さなければなりません。バクテリア細胞がどのように振る舞うかについて緩く考えるだけで、あなたはすでにそれを枠組みしていることに気づきます。実体として、細胞として、それは何をすべきかについて何らかの決定を下さなければなりません。
それはこのすべての情報を統合し、自己として、実体として一貫した決定を下さなければなりません。それは自由意志ですか。おそらく私たちがそれを認識する方法では違いますが、それはその環境に関連して決定を下し、結果は生存かそうでないかです。それから、私が感情とは何だと思うかは、効果的に膜電位によって生成される電磁場であり、それはあなたがいる環境に関連してあなたの物理的代謝状態が何であるかをあなたに伝えているということです。
それは私を質問に導きます。もし意識が何らかの形でミトコンドリアについてであるなら、その意味でミトコンドリアは本当に単純にATP生成エンジンに過ぎず、それらがATPを作る方法を妨害すると、麻酔薬は効果的にエネルギー不足を与えることによって機能し、脳が閉鎖するのでしょうか。もしそれが真実なら、それは退屈でしょうが、もしそれが真実であることを知ることは有用でしょう。
はるかに刺激的なのは、ミトコンドリアは特定のミトコンドリア、特定のニューロンでのあなたの状態の何らかの指示を与えているバクテリアで私が話していたような種類の場を生成し、麻酔薬はそれを妨害するのでしょうか。もしそれが真実なら、それは魔法的でしょう。それは全く新しい研究の方向性であり、素晴らしいでしょう。
場を測定することは非常に難しいです。あなたが本当に何をしているのかわからないアーティファクトを測定することは非常に簡単です。私たちはこの分野で働く、難しい計算を行うより多くの物理学者が必要であり、より多くのデータが必要です。それは本当にこれらの呼吸複合体の一つ、複合体Iだけのことなのでしょうか。だから、私たちができる標準的な分子生物学がたくさんあります。
それは、はい、複合体Iが機能する方法について何かが起こっていて、それが場の生成に結びつき、それが麻酔薬がどのように機能するかに結びつく可能性があるというこの考えを指し始めています。それはただ楽しいです。科学について素晴らしいことは、それが本当に楽しいということです。私が常に自分の研究室の人々に伝えようとしている一つのことです。あなたは楽しみを忘れることはできません。
もしそれが苦役になるなら、あなたは去るのが最善です。なぜなら、あなたは他の場所でずっと多くのお金を稼ぐでしょう。あなたは他の場所でより良い生活を送るでしょう。しかし、もしあなたが本当に気にかけているのが科学と実験であるなら、それは楽しくなければなりません。あなたは本当にそれを行きたいと思うことを楽しまなければなりません。私にとって素晴らしいことの一つは、それが常に楽しかったということです。あなたの本を読むことから間接的にその感覚を得ることができて素晴らしかったです。
ありがとう。聴衆のために、この会話はニックの本『The Vital Question』と最も結びついています。ここでの議論をよりよく追うために、それを手に入れることをお勧めします。そこにははるかに多くの詳細があり、役立つでしょう。一つ、これは私が以前あなたに話していたことですが、それは残念ながらほとんどない本のニッチを埋めます。
分子生物学について学ぶために2000ページを費やすことができる教科書があります。しかし、好奇心を持っている素人は実際にそれを行うチャンスを得ることはありません。もう一方の端には、基本的に科学者についての逸話や科学の歴史についての逸話があるものがあります。この一人の発見者は本当に気まぐれで、彼がどのように研究室を運営したか、彼の両親がどのようであったかなどです。
しかし、それは実際の関連する科学について本当には語りません。このような本は実際に説明的な中間を埋めます。ありがとうございます。物理学者は宇宙の大きな質問について本を書くのが非常に上手です。あなたが理解できないことがあることを知っているので、心が吹き飛ばされる本のための大きな読者層があります。なぜなら、それが難しいことを知っているからです。
私たちはビッグバンについて、またはブラックホールがどのように機能するか、または背景放射、または何であれについて何でもどうやって知るのでしょうか。生命について、生命の起源または惑星上の生命の軌跡、そして私たちが不可避的に複雑な生命を得るのか、それともほとんどの場所でバクテリアに行き詰まるのか、これらは宇宙サイズの大きな質問です。
それらについて書いている人はあまりいないし、物理学者が非常にしばしば行うように、私たちが知っていることの端まであなたを連れて行こうとして、「まあ、これが私の見方です。これが私の目を通しての質問です」と言う人はいません。あなたは正直であろうとして、「わかりました、私はこのように見ます。他の人は違う見方をします」と言わなければなりません。
ところで、LLMが存在するという事実は、このような本を読むプロセスをはるかに実行可能で生産的にしました。私は数人の友人とブッククラブを持っていました。私たちは生物学者ではありません。私たちはこの聴衆に対して素人です。人々には、このような本のために、ブッククラブか何かを形成できるか見て、LLMとたくさん話してほしいと勧めます。なぜなら、LLMの助けを借りて私たちが要約できた、非常に基本的な補習化学と生物学がたくさんあるからです。
この全体の、「CO2とH2反応は、この初期環境で一方がアルカリ性で一方が酸性であるときにどのように促進されるのか」というもの。あなたはただLLMで補習化学を通り抜けます。はい、私は本の中でそれを説明するために最善を尽くしましたが、私がそれをうまくやらなかったようです。非常に多くの詳細があり、それが質問にあるので、それを避けることはできません。
これは生物学の問題で、それは信じられないほど複雑です。物理学者は生物学を見て、説明するのがあまりにも難しいと思い、生物学者はこのすべての用語を持っていて、しばしば用語に迷い込みます。私は本質的に単純な共通の分母を見つけようとしています。それは自然に、それらについて書くことにつながります。私はおそらく常に単純化しすぎているか、おそらく失敗して十分に単純化していません。
しかし、あなたはそれと格闘し、それを機能させようとします。あなたとブッククラブの他の人たちと話し、あなたがどこで苦労していたかを見ることは、私にとって本当に興味深いです。次に本を書くときには、これを組み込んで、どうやってそれをよりうまく行うかを考えようとします。ニック、これは素晴らしかったです。
補習生物学と化学の両方を通してのガイド、しかしまた生命について尋ねることができる最も興味深い多くの質問を通してのガイドをありがとうございました。とても楽しかったです。ありがとうございます。
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