植物はどこから来たのか？古代の藻類が手がかりを与える

2020年3月29日午前8時

10億年前の小さな海藻の化石は、科学者が最初の植物がどのようにして陸に上がり、陸上での生活へと進化したのかを理解するのに役立つかもしれない。

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約5億年前、地球が既に40億歳に達していた頃、最初の緑色植物が陸上に現れました。これがどのようにして起こったのかは、今もなお進化の大きな謎の一つです。それ以前の陸上には微生物しか生息していませんでした。水中から出てきた最初の緑色植物は、私たちの現在の世界で見られるような高くそびえる樹木や小さな低木ではありませんでした。おそらく柔らかく苔むした植物で、根は浅く、後に陸上で生き残り繁栄するために進化することになるような適応はほとんど見られませんでした。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という点で一致していますが、緑藻の祖先については比較的よく分かっていないのです。

しかし、最近発表されたいくつかの論文（分子生物学に基づく論文が 2 つ、10 億年前の貴重な化石に関する論文が 1 つ）は、古代の藻類に関する理解と、それらが最終的に陸地に移行でき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ですが、古代の海藻の化石は稀です。植物は水中で生き残るために、頑丈な維管束系と強固な細胞壁を発達させました。これらの特性は、化石の保存状態の良さにも繋がります。「ほとんどの藻類は小さくて柔らかいもので、骨格を形成しません。最初の陸上植物は何らかの機械的な支えを必要としていました」と、バージニア工科大学・州立大学の地球生物学教授、シュハイ・シャオ氏は述べています。「全体的に見て、藻類の素材は海藻よりもはるかに強度が高いのです。」

最近発掘された米粒ほどの小さな化石は、世界最古の緑藻類の標本とみられる。この化石は、緑藻類の存在が確認されてから2億年という驚異的な時間を遡らせるものだ。「本当に気が遠くなるような話です。10億年。最古の恐竜の少なくとも5倍も古いのです」と、この発見を発表したNature Ecology & Evolution誌の論文の主任著者であるシャオ氏は述べた。「どんな動物も存在するよりも前の時代です。世界は、私たちが今日知っている世界とは全く、全く異なっていました。」

肖研究室のポスドク研究員で、本研究の筆頭著者であるチン・タン氏は、世界中で数十億年前の岩石を探すことを自らの使命としている。タン氏は、複雑な生命の進化における重要なステップの一つ、すなわち細胞がどのようにして真核生物となり、自由に浮遊する細胞内容物ではなく、異なる内部区画を持つようになったのかという過程に興味を持っている。「地球上で真核生物が初期の段階においてどのように進化したかという問いに興味があります」とタン氏は語る。「その問いに答えるには、非常に古い岩石を探す必要があります」。同氏は中国北部の大連市近郊の地層から岩石を発掘した。地質図から、その遠い昔の化石を含む緑色の岩石が見つかる可能性が高いとされていたからだ。しかし、研究室に戻って電子顕微鏡で調べたとき初めて、同氏は発見したものの価値を理解した。「この緑の海藻の最初のかけらを見たとき、とても興奮しました」とタン氏は語る。「こうした種類の化石は科学にとってまったく新しいものです。

化石化した藻類は太古の昔から存在するにもかかわらず、はるか後の時代の緑藻にも見られる多くの特徴を持っているようだ。光合成を行い多細胞であったという明確な特徴だけでなく、海藻を特徴づける特徴は多細胞生物であることも特徴の一つだ。これらの特徴は海藻の特徴だが、進化の起源は不明瞭だ。「葉があり、枝があるんです」とタン氏は言う。

タン氏の発見以前、最古の緑藻の化石はわずか8億年前のものでした。その化石は断片化しており保存状態も悪かったため、岩石の中に永遠に閉じ込められた緑藻の断片であるという点について、全ての科学者の意見が一致したわけではありませんでした。こうした不確実性により、海藻の初期の歴史は疑問視されていました。大連で発見された新たな化石は、数十億年という歳月をよりうまく生き抜いてきました。「私たちは、これを海藻であると解釈することに自信を深めました」とタン氏は述べ、「他の科学者にとっても、より説得力のある結論となりました」と続けました。

しかし、まだ疑問の余地は残っている。メリーランド大学の生物学者チャールズ・デルウィッチ氏は、化石は緑藻類である可能性が高いと述べているものの、完全に確信しているわけではない。「化石記録の解釈は難しいのです」と彼は言う。「絶滅してしまったものが何なのか、私たちには分からないのです。」

ハーバード大学自然史教授のアンドリュー・ノール氏も同様の懸念を表明した。「化石は絶滅した、初期に分岐したグループを反映している可能性が十分にあります」とノール氏はメールで述べた。「緑色植物の中では、様々な形態の多細胞生物が繰り返し進化してきたので、そのような解釈は無理があるのです。」

タンの化石に見られる進化的革新は、藻類が最終的に約4億7000万年前までに陸上へと至る道筋を切り開く一因となった可能性がある。しかし、陸上生活への移行はおそらく数億年前に始まっており、緑藻は一時的に乾燥する湿った土壌や砂地で生き延びるために適応したと考えられる。進化生物学者は一般的に、この変化はより複雑な多細胞構造の出現と並行して起こり、その一部がこれらの適応に役立ったと考えている。

しかし、進化は常に着実に前進するわけではない。「歴史的に人々は進化は直線的なプロセスであり、どんどん複雑化していくものだと常に考えてきました。しかし、これは何度も反証されてきましたが、今でも私たちの思考に深く根付いています」と、アルバータ大学の生物学者、ゲイン・カシュ・ウォン氏は述べた。

Cellに最近掲載された論文で、ウォン氏、ドイツのデュースベルク・エッセン大学のミヒャエル・メルコニアン氏、および同僚らは、遺伝子解析により、陸上植物に最も近い現生種は、Zygnematophyceae として知られるコケに覆われた淡水生種であることを示した。これらの緑藻類はほとんどの場合単細胞だが、陸上植物と祖先を共有していたに違いない。陸上での生存に不可欠な多くの共通遺伝子を持っており、乾燥耐性や細胞壁合成の遺伝子などが含まれている。これらの共通点は、乾燥した土地への適応の多くが植物が陸に上がる前に獲得されただけでなく、池の種では複雑な祖先的特徴の一部が役に立たなくなり、時間の経過とともに失われたことを示唆している。「進化は2歩進んで1歩後退することがある」とウォン氏は述べた。

ブリストル大学のフィリップ・ドノヒューとジョルディ・パプスは、 Current Biology誌に掲載されたウォンとメルコニアンの論文に関する論評の中で、陸上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ち、もともと藻類の中で異なる機能を果たしていた可能性があるという主張を展開している。「比較的単純なジグネマト藻類は陸上植物の直系の近縁種かもしれないが、より複雑な祖先から単純化によって派生したものであり、その祖先の体制とゲノムはより深い祖先の中で組み立てられた」と彼らは記している。

実際、そうした遺伝的歴史の一部は藻類以外にも及んでいる可能性がある。Cellの論文では、乾燥のストレスに耐えるための遺伝子はもともと土壌細菌に由来し、水平伝播によって Zygnematophyceae（またはその祖先）に提供された可能性があることが示されている。

先月Current Biology誌に掲載された別の研究で、パップス氏はエセックス大学のアレクサンダー・ボウルズ氏とウルリケ・ベクトルド氏と共同で、200種以上の現生植物のゲノムを比較し、それらの植物の長い祖先の進化系統樹を構築した。系統樹をマッピングすることで、様々な遺伝子が出現した時期を正確に特定し、その過程で、ゲノムにおける驚くべき新規性の爆発的な出現を2回特定した。

2つ目の爆発は、藻類が陸生生物への移行を開始した頃に発生したとみられ、紫外線防御や根系形成、陸生微生物との相互作用といった適応特性に関わる遺伝子を生み出した。それよりずっと以前の爆発は、藻類がまだ完全に水中にあり、単細胞性から多細胞性への移行過程にあった時期に発生した。

この初期の爆発的進化の発見は、数十億年前の化石と遺伝学的結果を緑植物の進化の単一のシンプルなタイムラインに統合することの難しさを浮き彫りにしている。タン氏とシャオ氏にとって、化石の物理的特徴は、この種が緑藻類の2つの主要な系統のうちの1つである緑藻類であったことを示唆しているが、これは多くの科学者が陸上植物を生み出したと考えている系統ではない。「まるで陸上植物の祖父について話しているようなものです」とシャオ氏は述べた。したがって、この古代の藻類標本は、パプス氏らが復元図から推測した遺伝的創造性の爆発とは独立して、より早い時期に多細胞で複雑な構造を進化させたと考えられる。

これは全く驚くべきことではありません。なぜなら、多細胞性は異なる系統において幾度も進化してきたからです。実際、初期の緑藻類の特徴の多くは、収斂進化と呼ばれる現象において、複数回独立して進化した可能性があると、ほとんどの専門家は考えています。「物事を成し遂げるには、限られた方法しかありません」と、カリフォルニア大学サンタバーバラ校の生物学者、スザンナ・ポーター氏は述べています。

したがって、この矛盾は、これらの発見から得られる真の教訓を浮き彫りにするかもしれない。陸上植物の祖先がいつ、どのように進化したかという正確な記述は、進化がしばしば辿るジグザグの道筋を過度に単純化してしまう可能性があるのだ。「数千年もの間、藻類が一直線に進化してきたと考える理由はない」とウォン氏は述べた。「そもそも、そんな風には進化しないのだ。」

オリジナルストーリーは、数学、物理科学、生命科学の研究の進展や動向を取り上げることで科学に対する一般の理解を深めることを使命とする、シモンズ財団の編集上独立した出版物であるQuanta Magazineから許可を得て転載されました。

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