本動画は、単細胞生物がいかにして協力を学び、多細胞生物へと進化したかという生命史上最も根本的な物語を追う。バクテリアのクオラムセンシングから始まり、粘菌の犠牲的分化、ボルボックスの生殖細胞と体細胞の分離、襟鞭毛虫のコロニー形成を経て、最終的に海綿動物やエディアカラ生物群の出現に至るまでの進化の道筋を辿る。細胞たちが自律性を犠牲にしながらも集団としての生存を選択し、裏切り者を排除する仕組みを進化させてきた過程は、がんという病が示すように今なお続く闘争でもある。我々の身体は数兆個の細胞による一時的な協力の勝利であり、個が集団となり、見えない世界が見える世界を構築する協力の力こそが、進化が発見した最も強力な力なのである。
シカゴの画家が映し出す生命の本質
シカゴの南側にあるスタジオで、一人の芸術家が平らなパネルの上に立ち、まだ濡れた絵の具の上に樹脂を注いでいます。ブルース・ライリーは層を重ねて作業し、絵の具を垂らし、それがまだ濡れているうちに操作し、そして色が乾く前に表面を透明な樹脂で覆います。そしてまた同じことを繰り返します。何度も何度も、層を重ね、複数の角度から光を捉える深みを構築し、アートワークの深部に影を作り出していきます。
彼の絵画は、彼が生体模倣状態と呼ぶものの中で、事前の構想なしに成長していきます。作品がプロセスを通じて、流れを通じて、彼が導くことはできても完全にコントロールすることはできない素材の相互作用を通じて、自らを決定することを許すのです。その結果は、まるで顕微鏡から引き出されたかのように見えます。キャンバス全体に咲き誇る有機的な形態。細胞構造に似たサイケデリックなマンダラ。同時に異質で馴染み深いパターン、まるで生命が色を発見したばかりのシャーレを覗き込んでいるかのようです。
私は未知であることの一部である心理的リスクテイクに中毒になっているとライリーは言います。意図からあまりにも多く作業すると、生命が作品から去っていくのです。
彼は自分のアートについて語っていますが、進化について語っているのと同じくらい適切かもしれません。なぜなら、十分に拡大すれば、世界中の研究室にある実際のシャーレを注意深く見れば、ライリーの絵画が生命を得ているのが見えるからです。寒天の上に広がるバクテリアが花開くフラクタルを形成しています。細胞が分裂し、集合し、単一の生物が計画したものではない構造を形成しています。何十億もの個体によって適用された単純なルールから生まれるパターン。
この類似は偶然ではありません。ライリーのプロセス、層を重ねること、流れ、創発、単純さから複雑さを生み出すこと、これらはあなたを発明した、地球上のすべての多細胞生物を発明した根本的なプロセスを反映しているのです。今この瞬間も、あなたの足元で、あなたの体内で、すべての水滴と一握りの土の中で、見えないコミュニティが複雑な生命を可能にした同じ取引を交渉しています。
個々の細胞が決断を下しています。一人でいるか、それとも一緒になるか。競争するか、それとも協力するか。独立を保つか、それともより大きな何かのために自律性を犠牲にするか。これは生物学における最も根本的な問いです。そしてその答えは、あなたを構成するすべての細胞に書き込まれています。
協力という選択が生んだ多細胞生命
6億年前、細胞は選択に直面しました。一人でいるか、それとも一緒になるか。そして協力を選んだ細胞たちは、宇宙がかつて見たことのないものを発明しました。多細胞生命です。あなたは今、その選択の子孫を見ているのです。あなたが吸うすべての息、心を横切るすべての思考、胸の中で響くすべての鼓動は、微細な細胞たちが互いを信頼し、コミュニケーションを取り、集団の生存のために個人の自由を犠牲にすることを学んだからこそ存在しています。
しかしここに、この転換について生物学者を悩ませるものがあります。すべての協力行為には誘惑があります。コストを払わずに利益を得る裏切り者の細胞。すべてを破壊しかねないフリーライダー。では、細胞はどのようにして利己的な本性を克服したのでしょうか。どんな見えない力が彼らを説得して、自由でいる代わりに身体を構築させたのでしょうか。
これがOmniです。もしあなたが、単純な始まりから複雑な生命を構築した隠れたメカニズムに魅了されているなら、チャンネル登録して私たちと一緒に、あなたを可能にした見えない世界を探索しましょう。今夜、私たちは微細なインクで書かれた起源の物語を辿っていきます。
単一細胞が分裂して離れることをやめ、一緒にいることを始めた瞬間を追います。彼らが協力の分子接着剤、化学信号の言語、そして裏切り者を罰する冷酷なメカニズムを進化させた時を見ていきます。原始的な器官のように振る舞うバイオフィルムを形成するバクテリアを観察します。孤独な状態と社会的な状態の間で揺れ動く生物に出会います。
そして、「私」と「私たち」の境界が、あなたが想像していたよりもはるかに脆いことを発見します。なぜなら、細胞がどのように協力を学んだかを理解することは、単なる生物学ではないからです。それは、これまで存在したすべての複雑なものの物語なのです。粘菌の塔から人間の脳まで。ミツバチの巣から文明まで。ブルース・ライリーの絵画から、それらを見ている身体まで。
そのルールは動物より古いものです。植物より古いものです。顔や名前を持つあらゆるものより古いものです。それらは、見えない暗闇の中で何かより大きなものになることを学んでいた細胞によって書かれたのです。
古代の海で始まった化学的会話
物語は暗闇の中で始まります。夜の暗闇ではなく、40億年前の海の古代の絶対的な暗闇です。まだ見るための目は存在せず、疑問を持つ心もなく、ただ化学反応が水の中で終わりなく循環しているだけでした。
それでも、ここでさえ、注目すべき何かが起こっていました。一つのバクテリア細胞が、想像上のいかなる観察者にも見えないほど小さく、周囲の水中に分子を放出していました。これらは代謝の廃棄物や偶然の産物ではありませんでした。それらはメッセージであり、分子の形という普遍的な言語で書かれた化学的な文章であり、池の波紋のように細胞から外側へと漂っていました。
しかしここに奇妙な部分があります。細胞は自分自身に話しかけていたのです。より正確に言えば、数を数えていたのです。暗闇の中で自分と同じ種類のものがどれだけ周囲にいるかを測定していました。これらの信号分子が一定の閾値まで蓄積されたとき、十分な数の細胞が存在したとき、何かが変化しました。遺伝子がスイッチオンになりました。行動が変容しました。単独で行動していた個々のバクテリアが、突然まったく別のもの、協調した集団になったのです。
科学者たちが最終的にクオラムセンシングと呼ぶことになるこのプロセスは、バクテリアに、脳も神経系も持たない生物には不可能に思えることをする能力を与えました。彼らは自分たちの個体群密度を評価できました。適切な瞬間を待つことができました。一斉に行動できました。
それが何を意味するか考えてみてください。100万分の1メートルの大きさのバクテリアが、ニューロンも意識も自己感覚も持たないのに、自分が一人でいるときと家族の中にいるときを知る能力を進化させたのです。そしてその情報に基づいて生活戦略全体を変えました。
海はこれらの見えない会話で満ちていました。水柱のバクテリアは自己誘導因子、個体群が成長するにつれて蓄積する信号分子を分泌しました。濃度が閾値に達したとき、クオラムに達したとき、コミュニティ全体が行動を同期させました。
ある種は発光を始め、表面から見える生物発光のディスプレイを作り出しました。他の種は毒素や消化酵素を生産し始めました。単一の細胞だけでは効果的に製造できないものです。化学信号は種によって異なる言語のように変化しました。グラム陰性バクテリアは、薄い細胞壁を受動的に通過できるアシルホモセリンラクトンを生産しました。グラム陽性バクテリアは、厚いペプチドグリカン障壁を通過するために能動的に輸送されなければならないペプチド信号を使用しました。
各種は独自の方言、独自の周波数、「私たちは多数だ」と言う独自の方法を進化させました。しかし最も驚くべきことは、コミュニケーション自体ではありませんでした。コミュニケーションが可能にしたものでした。
バクテリアがクオラムを感知したとき、彼らは科学者たちが公共財と呼ぶものを生産し始めました。コミュニティ全体に利益をもたらす分子です。複雑な栄養素を分解する外酵素、保護シェルターを作り出すバイオフィルムの構成要素、宿主の防御を圧倒する病原性因子。
これらの生産にはコストがかかりました。エネルギーと資源がかかりました。そしてここに問題があります。貢献しない細胞、利益を享受しながら資源を節約する裏切り者は、協力者よりも速く成長するでしょう。これは協力が始まる前に協力を破壊するはずでした。
自然選択はフリーローダー、与えることなく奪う細胞を優遇するはずでした。そして多くのバクテリア個体群では、まさにそれが起こりました。高価な信号や公共財を生産しない裏切り者の変異体が、正直な協力者の個体群に侵入し、社会システム全体を崩壊させる恐れがありました。
では、なぜ協力は消滅しなかったのでしょうか。答えは微妙な何か、個人と集団についての私たちの考え方のすべてを変える何かにあります。協力は、バクテリアが高度に関連している場合に進化し、持続する可能性が高かったのです。
すべての細胞が単一の創始細胞から来たとき、あなたが遺伝的兄弟姉妹に囲まれているとき、グループを助けることは自分自身の遺伝子のコピーを助けることを意味します。利己的な行動と利他的な行動の区別が曖昧になり始めます。
古代の海底に形成されるバクテリアマットを想像してください。一つの細胞が分裂し、その娘細胞が分裂します。数時間以内に、数千のコロニーが存在へと咲き開き、すべてが同一の遺伝的指示を持っています。これらのクローンが自分自身の自己誘導因子を感知するとき、クオラムを検出するとき、彼らは本当には見知らぬ人とコミュニケーションを取っているのではありません。
彼らは自分自身のコピーと調整しているのです。複数のプロセスにわたって同じプログラムを実行している分散知能のようなものです。信号自体は、当初誰もが想像していたよりも洗練されていました。サイクリックジグアニル酸のようなA分子の濃度は、世代を超えて明確に定義されたパターンで振動し、バクテリアの系統を通じて広がる情報の波を作り出しました。まるでラジオ送信のように。
異なる周波数、異なる振幅が、表面、栄養素、危険についての異なるメッセージをコード化していました。これはマスメディアなしのマスコミュニケーション、送信機なしの放送、個々の細胞が生きたネットワークのノードになる分子レベルで起こる集団計算の一形態でした。
バイオフィルム:バクテリアが建設した都市
そしてそれは驚くべき何かを可能にしました。十分なバクテリアが一箇所に集まったとき、クオラムに達したとき、彼らはバイオフィルムの構築を始めました。多糖類、タンパク質、脂質、DNAの自己生産マトリックスに埋め込まれた細胞で作られた広大な建築構造です。
これらは単なるランダムな集合ではありませんでした。それらは、異なるゾーンと機能を持つ組織化された三次元コミュニティでした。栄養素の流れのためのチャネル、異なる代謝活動を持つ層、抗生物質や免疫細胞に対する保護障壁。バクテリアは都市を発明していました。インフラ、資源分配、協力的防衛を備えた都市を。すべて設計図なしに、現場監督なしに、どの細胞も自分が構築を助けているより大きな構造を理解することなく。
バイオフィルムは古代の海のすべての表面に広がりました。彼らは岩をコーティングし、堆積物上にマットを形成し、栄養素を捕らえて周囲の化学組成を変える生きた絨毯を作り出しました。そしてこれらの構造の中で、真のイノベーションが現れました。
バクテリアは自分たちの種とだけ協力していたのではありませんでした。彼らは完全に異なる種と調整していたのです。一部のバクテリアはAI2、種間コミュニケーションを促進できる普遍的なシグナル伝達分子を生産および検出する能力を進化させました。
これは深遠なことでした。それはバクテリアが自分自身の数だけでなく、周囲の微生物コミュニティ全体の組成を評価できることを意味しました。彼らは異質な環境にいることを検出し、それに応じて行動を調整できました。競争と協力が同時に起こっていたのです。
通常は資源を巡って競争する種が情報を共有し、バイオフィルム形成を調整し、互いの生存を高めさえしました。バークホルデリア・セパシアやシュードモナス・エルギノーサのような一部のバクテリア種は、クオラムセンシングを使用して互いの病原性を増幅し、壊滅的な共感染を引き起こしました。
他の種は共生パートナーシップを形成し、ある種が別の種が繁栄できる条件を作り出しました。海底は、これらの見えない同盟の織物になりました。数メートルの厚さのバクテリアマットが数十億の細胞を含み、すべてが分子信号を通じてコミュニケーションを取り、すべてが世界について知らせる自己誘導因子の変化する濃度に反応していました。
表面の一部の細胞はより多くの酸素と光を受け取りました。マットの深部に埋もれた他の細胞は無酸素の暗闇の中で生きました。しかし彼らは化学によって、信号と栄養素の拡散によって、集団行動の創発的特性によって繋がっていました。
これが最初の一歩でした。多数が一つよりも強くなれることを生命が発見した最初の瞬間でした。しかしバクテリアは基本的に単純なままでした。各細胞は本質的に隣の細胞と同一でした。専門化はなく、分業もなく、一部の細胞が他の細胞とは根本的に異なる役割を果たすべきだという感覚もありませんでした。バイオフィルムは印象的でしたが、それらは組織化された身体というよりも密集した群衆のようなものでした。
次のステップには、もっと根本的な何かが必要でした。約20億年前、光合成シアノバクテリアから酸素がゆっくりと蓄積していた海で、異なる種類の細胞が進化していました。
これらは真核生物でした。核を持つ細胞、複雑な内部構造を持つ細胞、バクテリアが決して達成できない何かを成し遂げる能力を持つ細胞でした。そしてこれらの細胞の一部は危機に直面していました。
粘菌の犠牲的分化
土壌や腐敗した葉の上で、食物が不足していました。ディクティオステリウムと呼ばれる小さなアメーバの個体群がバクテリアを狩っていました。彼らは独立して動き、それぞれが孤独な捕食者として化学勾配に従って餌を見つけていました。
しかしバクテリアが不足し、飢餓が迫ったとき、驚くべきことが起こりました。一つの細胞がサイクリックAMPの分泌を始めます。バクテリアがシグナル伝達に使用していたのと同じ分子が、今度は新しい種類のコミュニケーションのために再利用されたのです。
他のアメーバがこの信号を検出し、二つの方法で反応しました。彼らは発信源に向かって移動し、そして自分自身でもより多くのサイクリックAMPを放出しました。効果は個体群全体に連鎖しました。化学信号の波が最初の発信者から外側へと波及しました。アメーバはこれらの波に沿って整列し、中央の集合点に向かって流れる細胞の明確な流れを形成しました。
数時間以内に、1万から100万の細胞が集まり、塚に積み上がります。しかし彼らはそこで止まりませんでした。塚は自らを伸ばし、表面を移動できるナメクジ型の塊を形成しました。そしてここに注目すべき部分があります。細胞は分化し始めていたのです。
ナメクジの中の一部の細胞は移動のために特化しました。他の細胞は胞子になる準備をしました。さらに他の細胞は、自殺のように見える何かに取り組みました。ナメクジが適切な場所を見つけると、それは子実体に変形しました。胞子の塊で頂点に立つ茎です。
茎の中の細胞は死に、胞子を地面から持ち上げて空気の流れの中に運び、新しい場所に運ばれるように自らを犠牲にしました。これはバクテリアが決して達成できなかった協力の形でした。永続的な分化、特化した細胞タイプ、一部の細胞が他の細胞を支えるために全存在を捧げ、繁殖の可能性も直接的な遺伝的未来もなく。
なぜ自然選択はこれを優遇するのでしょうか。最近の研究で予想外のことが明らかになりました。この多細胞への変容の引き金は、単なる飢餓一般ではありませんでした。それは具体的には、システインのような硫黄含有アミノ酸の喪失でした。
システインレベルが低下したとき、硫黄が制限的になったとき、それは細胞に、もはや成長と分裂に適した条件ではないことを知らせました。最良の戦略はもはや独立したままでいることではありませんでした。資源をプールし、危機を乗り越えて胞子をより好ましい場所に分散させることができる構造を作ることでした。
そしてナメクジは、個々のアメーバが決して達成できないことをすることができました。実験により、孤独なアメーバがナメクジが簡単にナビゲートする土壌障壁を横断できないことが示されました。多細胞形態は局所的な分散においてより優れており、新しい食物パッチを見つけるのにより優れていました。移動するナメクジから脱落した細胞は、その経路でバクテリアを消費し、障害物を取り除きました。
しかしまだ問題がありました。多細胞ナメクジが集合によって形成されるとき、異なる遺伝子型の細胞が一緒になるとき、対立の舞台が整いました。茎への貢献が少なく、胞子に自分自身を配置する裏切り者の細胞は繁殖上の優位性を持つでしょう。
彼らは正直な協力者を上回り、システム全体を破壊する可能性がありました。しかし自然界では、さらに奇妙なことが発見されました。野生のディクティオステリウムコロニーの約3分の1が原始的な農業に従事し、子実体内にバクテリアを運び、新しい場所に食物源を播種していました。
これは、コストを受け入れることを意味しました。遠くまで分散できない小さな胞子と引き換えに、長期的な利益を得るのです。すでに食物源が存在する新しい場所に到着することです。
協力はより複雑になっていき、それは多細胞生命として私たちが認識するものに似始めていました。しかしディクティオステリウムは途中までしか行きませんでした。その多細胞段階は一時的で、危機によって引き起こされ、それを形成する細胞はしばしば異なる遺伝系統から来ていました。
真の多細胞性、動物や植物や菌類を構築した種類のものは、もっと根本的な何か、まさに最初から、単一の創始細胞からのコミットメントを必要としました。
ボルボックス:生殖細胞と体細胞の分離
真の突破口は、まったく異なる系統で来ました。浅い池やゆっくりと動く小川の中で、小さな緑色の球体が水の中を転がっていました。それぞれが完璧な幾何学的驚異です。
ボルボックスに会いましょう。直径2ミリの多細胞緑藻で、球体に配置されたわずか数千の細胞を含んでいます。しかしディクティオステリウムとは異なり、ボルボックスのすべての細胞は単一の創始細胞から派生しています。集合なし、一時的な連合なし、まさに最初からの永続的なコミットメント。
これはすべてを変えます。ボルボックスを含むボルボックス藻類の科は、進化生物学において驚くべき何かを表しています。彼らは単細胞の祖先から完全に分化した多細胞生物まで、全スペクトルにわたっています。そして彼らは十分に最近それを行ったので、私たちはそのステップを追跡できます。
このグループには、クラミドモナス、単独で泳ぐ単細胞藻類が含まれます。次にゴニウム、細胞の平らなコロニー、すべて同一です。次にパンドリナとユードリナ、まだ特化した細胞タイプのないより大きなコロニー。そして最後に、その劇的なイノベーションを持つボルボックス。二つの細胞タイプ間の完全な分業、生殖細胞と体細胞です。
次世代を作り出す生殖ゴニディアと、決して繁殖しないが、その全存在を泳ぎ、球体を水中で推進させ、繁殖者を支えることに費やす、より小さな体細胞です。
これは進化において初めて、同じ親から生まれた細胞が根本的に異なる運命にコミットしたときでした。環境の引き金や飢餓ストレスのためではなく、発生中の位置とサイズのためです。
胚発生の分裂中、一部の細胞は非対称に分裂し、大小の姉妹ペアを生産しました。大きな細胞は一組の遺伝子を活性化しました。小さな細胞は別のものを活性化しました。サイズが運命を決定しました。
大きな細胞は決して泳ぎません。彼らは成長し、分裂し、次世代を作り出します。小さな細胞は決して繁殖しません。regAと呼ばれる遺伝子が彼らの中で活性化し、繁殖発生のすべての側面を永久に遮断します。
彼らは体細胞、身体細胞になりました。死を宣告され、不死の生殖系列に奉仕するためだけに存在します。なぜ自然選択はこの犠牲を優遇するのでしょうか。
科学者たちがボルボックスをその親戚と比較したとき、答えが現れました。系統全体が進歩的なパターンを示しました。細胞数の増加、身体サイズの増加、細胞を囲む細胞外マトリックスの増加、そして専門化の増加。
より大きなサイズは利点を提供しました。それは捕食者が消費するのを難しくしました。それは水柱により効果的に浮遊したままでいることを可能にしました。そして重要なことに、より大きなサイズは、リンのような制限資源を巡って競争する上で利点を提供しました。
しかし物理的な制約があります。細胞は繁殖と移動の両方に最適化することはできません。鞭毛は莫大なエネルギーとスペースを必要とします。光合成のための葉緑体は、急速な成長と分裂のための代謝機構とは異なる細胞内の不動産を必要とします。
一方または他方に特化することはできますが、両方を等しく行うことはできません。ボルボックスにおける遺伝子発現の分析は、明確な二分法を明らかにしました。ゴニディア細胞は成長関連遺伝子を発現しました。繁殖と資源獲得に焦点を当てた古代の遺伝子です。
体細胞はより特化したプログラムを発現しました。利他的な代謝プログラムに専念する、より若い系統特異的な遺伝子です。彼らは鞭毛を製造しました。彼らは貯蔵炭素を糖に変換して、球体がその巨大なサイズに拡大することを可能にする細胞外マトリックス糖タンパク質を生産しました。
体細胞は代謝的な使用人であり、自らの繁殖を犠牲にして集団の利益のために働いていました。しかしこの配置について生物学者を悩ませるのはこれです。単細胞クラミドモナスと多細胞ボルボックスの間の遺伝的差異は驚くほど小さいのです。
2億年の独立した進化にもかかわらず、彼らの遺伝子内容はほぼ同一です。孤独な細胞から分化した細胞タイプを持つ多細胞生物への変容は、広大な新しい遺伝的イノベーションを必要としませんでした。
それは再配線を必要としました。すでに存在していた遺伝子を取り、新しいパターンで、新しい時期に、新しい組み合わせで発現させることです。ボルボックスの細胞タイプ特異的遺伝子の一部は、単細胞祖先の昼夜サイクルから転用されたようです。
かつて暗期に発現していた遺伝子が体細胞に特化しました。かつて明期に発現していた遺伝子がゴニディアに特化しました。時間的プログラム、日々のリズムが空間的プログラム、永続的な細胞タイプに変換されました。
これが進化が複雑さを構築する方法です。ゼロからではなく、いじくり回すことを通じて、再利用することを通じて、一つの機能を果たしていたシステムを取り、別の機能を果たすことができることを発見することを通じてです。
そして生殖細胞と体細胞の分離が現れると、一部の細胞が他の細胞が繁殖できるように死ぬことにコミットすると、自然選択は両方のタイプを独立して彫刻することができました。体細胞は、繁殖能力を維持することへの懸念なしに、運動性においてより良く、光合成においてより良く、細胞外マトリックスの構築においてより良くなるように進化できました。
生殖細胞は、体細胞の兄弟姉妹によって保護され輸送されながら、完全に成長と分裂に集中できました。コロニーは個体になりました。細胞は組織になりました。
しかしボルボックスはまだ原始的でした。たった二つの細胞タイプ。器官なし。最初の生殖細胞と体細胞の分離を超える複雑な発生なし。次の変容のために、動物の複雑さへの跳躍のために、進化はさらに何かを必要としました。
分化できるだけでなく、位置を伝達し、動きを調整し、洗練された建築を持つ三次元構造を構築できる細胞が必要でした。
動物への道:襟鞭毛虫からの進化
動物への道は、異質で奇妙に馴染み深い場所で始まりました。おそらく8億年前の古代の海で、酸素濃度がついにより大きく、よりエネルギー的に高価な生命を支えることができるレベルまで上昇していました。
そしてそれらの水の中で、襟鞭毛虫と呼ばれる生物が泳いでいました。単一の鞭毛を囲む指のような微絨毛の独特の襟を持つ単細胞生物です。彼らは現代の海綿動物に見られる細胞と驚くほど似ていました。
海綿動物の内部を覆い、濾過摂食のために水流を生成する襟細胞、コアノサイトは、自由生活する襟鞭毛虫と構造がほぼ同一です。これは収束進化ではありませんでした。
襟鞭毛虫はすべての動物の最も近い現生親戚です。すべての動物の最後の共通祖先は、現代の襟鞭毛虫に非常に似た生物でした。襟と鞭毛を持ち、バクテリアを濾過摂食する単一細胞です。
しかし現代の子孫とは異なり、一部の古代の襟鞭毛虫は、驚くべき何かができることを発見しました。彼らはコロニーを形成できたのです。襟鞭毛虫の特定の種は、単細胞状態と多細胞状態の間を移行できます。
彼らは分裂しますが分離せず、襟を通じて付着したままで、球体に配置された細胞の美しいロゼットコロニーを形成します。4つの細胞、8つの細胞、16、時には50の細胞、すべてが協調して鞭毛を打っています。
そしてこれらのコロニーは、単一細胞が決して達成できないことをすることができました。研究により、コロニーの幾何学形状が摂食効率に影響を与えることが示されました。特定の構成では、コロニー内の細胞は孤独な襟鞭毛虫よりも細胞あたりより多くの獲物を捕獲できました。
協調した鞭毛打ちによって生成された水流は、襟の近くにバクテリアを濃縮する流れパターンを作り出しました。しかしコロニー形成にはコストも伴いました。
より大きなコロニーはより大きな流体力学的信号を生成し、捕食者にとってより目立つようになりました。猛禽類の原生動物は、単一細胞を無視しながらコロニーを捕獲します。しかしより大きなコロニーは、一部の捕食者が扱うには大きすぎて、個々の細胞を簡単に消費できる繊毛虫捕食者によって拒否されました。
選択圧は複雑で、矛盾しており、異なる方向に押したり引いたりしていました。時には一人でいることが報われました。時には一緒にいることが報われました。単細胞状態と多細胞状態の間を切り替える能力。任意的多細胞性が重要な適応だったかもしれません。
2019年、研究者たちは新しい襟鞭毛虫種、チョアノエカ・フレクサを発見しました。それは注目すべき集団行動を示しました。個々の生物は襟に触れることで一緒になり、鞭毛を内側に向けて摂食するための凹面シートを形成します。
しかし暗闇の中では、シートは鞭毛を外側に向けた球状の形に反転し、コロニーが迅速に泳ぐことを可能にします。光に反応して形を変えます。個々の細胞が達成できない協調行動が可能な多細胞生物です。
食物が豊富かもしれない明るく照らされたエリアに向かって泳ぐ。孤独な細胞には不可能なナビゲーション戦略です。科学者たちが襟鞭毛虫の分子ツールキットを調べたとき、彼らは驚くべきことを発見しました。
これらの単細胞生物は、動物が細胞接着、細胞シグナル伝達、さらには発生を調節することに関与する遺伝子に使用する遺伝子の多くを持っていました。多細胞身体を構築するための遺伝的機械は、すでに単細胞祖先に存在していました。
進化は多細胞性のためにこれらのツールを発明していませんでした。ツールが最初に存在し、単細胞生活で他の機能を果たしていました。後に組織を結合する細胞接着タンパク質は、もともと細胞が表面に付着するのを助けていました。
後に発生を調整するシグナル伝達分子は、もともと細胞が環境を感知するのを助けていました。多細胞性への移行は、新しい能力を獲得することではありませんでした。それは分裂後に細胞を一緒に保ち、既存の分子機構を新しい集団機能のために再利用することでした。
一部の襟鞭毛虫は、単一細胞からの繰り返し細胞分裂を通じてコロニーを形成しました。クローン多細胞性、動物の発生を定義することになる同じ戦略です。
地球上のすべての動物は、海綿動物から人間まで、繰り返し分裂する単一の受精卵から発生し、娘細胞は付着したままです。この発生モードは、すでに原始襟鞭毛虫様祖先で確立されていました。
しかし重要な問題が残りました。どのようにして一時的なコロニーが永続的な身体になったのでしょうか。どのようにして任意的多細胞性が義務的になったのでしょうか。どのようにして分離できる細胞の集合が、もはや個体として存在できない生物になったのでしょうか。
答えには、三つの根本的な進化的ステップが必要でした。第一に、細胞の適応度の整列を伴う細胞間接着。細胞を一緒に保ち、協力から利益を得ることを確実にすること。
第二に、多細胞生物レベルへの適応度の輸出を伴う細胞間コミュニケーション、協力、専門化。そして第三に、細胞が単細胞性に戻ることを防ぐメカニズムの進化。
これらのメカニズムはラチェットと呼ばれました。グループの文脈で利益を提供するが、孤独者にとっては有害な形質で、最終的に単細胞生活への復帰を防ぎます。細胞が相互に依存するようになると、分業を非常に徹底的に分けて、どの単一細胞もすべての必要な機能を保持しなくなると、後戻りはありませんでした。
一部の細胞は一つの重要な分子を成長させることに特化し、他の細胞は異なる必須化合物を成長させるかもしれません。だからこれらの細胞は離れているよりも一緒の方が良い結果を出しました。細胞がより特化するほど、彼らはより互いを必要とし、ラチェットはより強く所定の位置にカチッと収まりました。
そしてカチッという音ごとに、相互依存の増分ごとに、個々の細胞は独立した生物のようではなくなり、より大きな全体の一部のようになりました。コロニーは個体になりました。細胞は器官になりました。生物は不可逆的に多細胞になりました。
先カンブリア紀の海のどこかで、8億年から6億3500万年前の間に、この移行は自らを完了しました。襟鞭毛虫様生物の系統が閾値を越えました。彼らの細胞はもはや分裂後に分離しませんでした。彼らのコロニーはもはやバラバラになりませんでした。
彼らは多細胞生命に完全に、永続的に、不可逆的にコミットしました。そしてそのコミットメントから、すべてが続きました。
エディアカラ生物群と最初の動物たち
6億3500万年前、地球が最後の大氷期から解け、氷床がついに後退し、古代の海で酸素レベルが上昇し始めたとき、化石記録に前例のない何かが現れました。
砂岩の中の軟体の印象、シダ状の生物、円盤状の生物、以前に来たものとは異なる奇妙なキルト状のパターン。エディアカラ生物群、地球最初の大型多細胞コミュニティです。
これらの生物は、カンブリア爆発の前に約4000万年間生きており、複雑な生命形態との初期の実験を表しています。彼らは移動性、多細胞動物による従属栄養、骨格化の始まり、そして複雑な生態系の組み立てを示しました。彼らは以前は不可能だったスケールで身体を構築していました。
そして彼らの中のどこか、あるいはおそらく彼らの少し前に、最初の真の動物が現れました。これらの最古の動物はおそらく海綿動物でした。筋肉も神経も腸も持たない単純な生物でしたが、革命的な何かを持っていました。
協調的に働く複数の分化した細胞タイプです。彼らは同一の細胞の単なるコロニーではありませんでした。彼らは専門化した組織を持つ生物であり、各細胞タイプが他の細胞ができない独自の機能を実行していました。
襟と鞭毛を持ち、水流を生成してバクテリアを捕獲するコアノサイト。外側の覆いを形成し、構造的支持を提供するピナコサイト。内部を移動し、必要に応じて他の細胞タイプに変換できるアメーボサイト。
そして重要なのは、メソヒル、細胞層間のゼリー状のマトリックスで、足場、細胞移動の媒体、単一細胞層が決して達成できない三次元アーキテクチャとして機能しました。
これは以前に来たすべてのものとは異なっていました。イノベーションは単に細胞を一緒に付着させることではありませんでした。それは、水が孔を通って流入し、内部チャンバーを循環し、頂上の開口部から流出する、極性化された体制を作成することでした。
海綿動物は、心臓なしで循環系を、腸なしで消化を、神経系なしで調整を発明しました。科学者たちがついに海綿動物のゲノムを配列決定したとき、彼らは注目すべきことを発見しました。
海綿動物は、他のすべての動物と同じコア遺伝ツールキットを持っています。細胞分裂と成長のための遺伝子、プログラムされた細胞死のための遺伝子、細胞接着のための遺伝子、発生中のシグナル伝達のための遺伝子、自己と非自己の認識のための遺伝子、異なる細胞タイプの形成のための遺伝子。
動物の身体を構築するための分子機構は、最も単純な動物にすでに存在していました。海綿動物が欠いていたもの、筋肉、ニューロン、腸は、後に来ることになります。しかし根本的なイノベーション、コロニー生物から統合された個体への移行は、すでに起こっていました。
そしてここに、この移行が明らかにしたより暗い平行関係があります。多細胞生物における協力を調節する同じ遺伝子が、その破壊ががんを引き起こす遺伝子です。多細胞性と制御されない細胞成長は、同じコインの裏表です。
身体内の細胞が協力をやめることを決めたとき、利己的な行動に戻り、生物のニーズを無視して成長するとき、彼らは腫瘍になります。がんは協力の崩壊です。単細胞の過去を思い出し、多細胞生命の制約を拒否し、どんな犠牲を払っても個体繁殖というより古い戦略に戻ろうとする細胞です。
細胞が協力するのを助ける遺伝子、適切な時期に分裂させ、適切な時期に死なせ、指定された役割にとどまらせるすべての遺伝子は、機能不全に陥ったときの潜在的ながん遺伝子です。
多細胞性への移行には、フェイルセーフ、チェックポイント、裏切り者を検出して排除するメカニズムの構築が必要でした。そしてこれらのメカニズムが失敗すると、身体は代償を払います。これが複雑さのコストであり、部分の合計以上になることの代償です。
動物の身体アーキテクチャの誕生
しかし利益は並外れたものでした。動物が空間的細胞分化、制御された場所で異なる細胞タイプを作成する能力を進化させると、彼らは前例のない洗練度で身体を構築できました。
細胞のランダムな集合ではなく、目的を持つアーキテクチャです。折り畳み、陥入し、内部空間を作り出すことができる層。どの個々の細胞も単独では生き残れない点まで特化できるが、一緒にいれば、単細胞が達成できる複雑さを遥かに凌ぐ複雑さでナビゲート、狩猟、繁殖ができる細胞。
初期の動物で進化した細胞タイプは、もともと多機能祖先細胞に存在していた機能を分け与えることによって構築されました。単一の襟鞭毛虫様祖先は、同時に感覚的、収縮的、消化的だったかもしれません。
進化はこれらの能力を分割し、異なる細胞に与え、そうすることで専門化の可能性を作り出しました。一つの細胞タイプは感知において格段に優れることができました。別の細胞は収縮と動きをマスターできました。三番目は完全に消化に集中できました。
細胞レベルでの分業は、続くすべてのものへの扉を開きました。そしてラチェットは最後の一回カチッと鳴りました。動物はクローン発生にコミットしました。すべての個体が、繰り返し分裂する単一の受精卵から生じ、すべての細胞が同じゲノムを共有します。
これはディクティオステリウムのような集合ではありませんでした。これはDNAにコード化され、毎世代正確に実行される発生プログラムで、不変の一連の分裂と分化を通じて単一細胞から同じ体制を構築します。
後戻りなし、単細胞生活への復帰なし。個々の細胞は選択の単位であることをやめました。多細胞生物が個体になりました。そのコミットメントから、5億4000万年前のカンブリア爆発が現れました。
地質学的瞬間に、動物は今日私たちが認識するすべての主要な体制に多様化しました。目が進化しました。殻と外骨格が現れました。捕食は洗練されました。ハンターと狩られるものの軍拡競争が、地球がかつて見たことのないペースでイノベーションを推進しました。
しかしそれのどれも、それらの最初の不確かなステップなしには不可能だったでしょう。バクテリアが化学的ささやきを通じて互いを数えることを学ぶことなしに。バイオフィルムが、多くの人によって適用された単純なルールから構造が現れることを発見することなしに。
粘菌が他の細胞が分散できるように一部の細胞を犠牲にすることなしに。ボルボックスが永続的な分化にコミットすることなしに。襟鞭毛虫が協調したパターンで泳ぐことができるロゼットを形成することなしに。
すべてのイノベーションは前のものの上に構築されました。すべての移行は細胞が何かを諦めることを必要としました。自律性、繁殖、不死性を、より大きな何かと引き換えに。
私たちはコロニーであることを忘れたコロニー
海の端に立って水を見てください。あなたの目には見えない何十億もの細胞が、この同じ古代の取引を交渉しています。バクテリアは協力するか裏切るかを決めています。藻類は細胞分裂を調整しています。
微細な動物は、単細胞に溶けて再び実験を試みるまでの数時間、数日、数週間続く身体を構築しています。そしてあなた自身の身体の中では、何兆もの細胞があなたを可能にする協力を維持しています。
あなたのニューロンは繁殖していません。あなたが考えることができるように遺伝的未来を犠牲にしています。あなたの赤血球にはもはや核さえありません。酸素輸送に徹底的にコミットしすぎて、DNAを完全に捨て去りました。
あなたの皮膚細胞は死んで剥がれ落ちるようにプログラムされており、次世代のための場所を作っています。あなたは自分がコロニーであることを忘れたコロニーです。自分が永続的な個体だと信じる一時的な細胞の連合です。
あなたの自己感覚、コミュニティではなく統一された意識であるというあなたの感覚は、細胞協力の究極の達成です。しかし協力は常に脆弱で、常に一つの変異で崩壊する距離にあり、常に積極的な維持、絶え間ない監視、細胞が自分自身の繁殖を追求するのではなく一緒に働くことを保つルールの永続的な執行を必要としています。
初期の多細胞生命を悩ませた問題は、今も私たちを悩ませています。裏切り者が集団を破壊するのをどのように防ぐのか。がんは、私たちがこの問題を完全に解決していないことの証拠です。
私たちの免疫系は絶えずパトロールし、協力をやめた細胞を破壊しています。私たちの身体は、細胞が分裂することを許可する前に精巧なチェックポイントを実行します。それでも、時には細胞が監視を逃れ、制約なしに成長し始めます。
個人と集団の間の、利己的な遺伝子と協力的なゲノムの間の戦いは決して終わりませんでした。それは海から組織へ、バクテリアマットから腫瘍微小環境へ、単純なバイオフィルムから複雑な身体へと移動しました。
しかしこの物語を注目すべきものにしているのはこれです。脆弱性にもかかわらず、離反の絶え間ない脅威にもかかわらず、協力が勝ちました。多細胞生命は生き残っただけでなく、支配しました。
今日、地球上で最も巨大な生物は多細胞です。最も知的なのは多細胞です。最も多様な生命形態は多細胞です。暗闇の中で互いを数えるバクテリアから始まり、塔を形成する粘菌で続き、労働を分割する藻類で加速し、単一細胞から身体を構築する動物で頂点に達した戦略。
その戦略は惑星を再形成しました。森林が現れ、大気を変換しました。動物は深海の熱水噴出孔から山頂まで、あらゆる生息地を植民地化しました。脳が進化し、意識を生成し、自分自身の起源について質問しました。
そしてそのすべては、細胞が分裂後に姉妹から分離しないことを決めた最初の瞬間まで遡ります。二つが一つになったとき、個人が集団に道を譲ったとき、多細胞生命を発明した見えない世界はまだここにあり、まだ実験し、まだ自己とグループの間のバランスを交渉しています。
池の水のすべての滴に、土壌のすべての一握りに、バイオフィルムで覆われたすべての表面に、古代のドラマは続いています。細胞は協力することを学んでいます。そして時には、あらゆる困難に逆らって、協力はより永続的な何か、身体、心、社会を構築できる何か、何十億年も振り返って尋ねることができる何かになります。「私たちはどのようにして可能になったのか?」
答えは分子言語で書かれていました。バクテリアが古代の暗闇で最初に話した化学的方言で。体細胞を生殖細胞のために犠牲にすることで。協力を不可逆的にしたラチェットメカニズムで。単一細胞から身体を構築する発生プログラムで。
あなたは答えです。すべての多細胞生物は答えです。対立に対する協力の一時的な勝利。集団の生存に向けた個人的利益の一時的な整列。大部分が一緒に働くことを覚えている何十億もの細胞から構築された身体。
見えない世界があなたを発明し、あなたはすべての細胞に、すべての遺伝子に、細胞が競争する代わりに協力し続けるすべての分子メカニズムに彼らの物語を運んでいます。
次に息を吸うとき、筋肉を動かすとき、思考を考えるとき、それを思い出してください。あなたは個人ではありません。あなたはコミュニティ、連合、自分たちが一つだと自分自身を納得させた細胞の民主主義です。
そしてそれがどのように可能になったかの物語、細胞が互いを十分に信頼して自分自身より大きな何かを構築することを学んだ物語は、生物学における最も根本的な物語です。それはカオスが秩序を作り出すことを学んだ方法の物語です。
個人がコミュニティになることを学んだ方法です。見えない世界が見える世界を構築することを学んだ方法です。それは協力の物語です。そして協力は、そのすべての脆弱性にもかかわらず、崩壊の絶え間ない脅威にもかかわらず、進化が発見した最も強力な力であり続けています。
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