冷水の物理法則が複雑な生命の誕生を促した可能性

この物語 のオリジナル版はQuanta Magazineに掲載されました。

はるか昔、世界は氷に覆われていました。熱帯地方の堆積岩がそう物語っていると、多くの地質学者は信じています。数億年前、氷河と海氷が地球を覆っていました。最も極端なシナリオでは、赤道付近でさえ数メートルの厚さの氷の層があったとされています。

この出来事は「スノーボール・アース」と呼ばれ、生きていくには恐ろしい時代だったと思われるでしょう。実際、一部の生物にとってはそうだったかもしれません。しかし、地質学的記録の解釈によっては、氷河期の間の温暖な時期に、多細胞動物の存在を示す最初の証拠が現れたとされています。生命は飛躍を遂げたのです。スノーボール・アースの荒廃したように見える状況が、この生物学的イノベーションの爆発とどのように一致するのでしょうか？

カール・シンプソン研究室による一連の論文は、ある根本的な物理的事実に結びついた答えを提示している。海水は冷たくなると粘性が増し、極小生物にとって航行が困難になる。水ではなく蜂蜜の中を泳ぐことを想像してみてほしい。シンプソンのモデル化研究が示唆するように、微生物がこのような条件下で生き残るための十分な食料を得るのに苦労するならば、微生物は変化を迫られるだろう。おそらく、互いにしがみつき、より大きな群れを形成し、より大きな力で水中を移動する方法を発達させるだろう。こうした変化の一部が、多細胞動物の誕生に寄与したのかもしれない。

この仮説を検証するため、コロラド大学ボルダー校の古生物学者シンプソン氏と彼のチームは、現代の単細胞生物が高粘度の環境に直面したときにどのような行動をとるかを調べるための実験を行った。シンプソン氏と大学院生のアンドレア・ハリング氏は1ヶ月にわたり、ある種の緑藻（尾のような鞭毛を持つ、実験室でよく見られる種）が、より粘度の高いゲルに遭遇すると、より大きく、より協調性のある集団を形成する様子を観察した。藻類は集団で液体中を移動し、摂食ペースを維持した。そして興味深いことに、実験終了後100世代もの間、細胞集団は互いにくっついたままだった。

この研究は多細胞生物の出現に関する新たな見解を提示していると、ウィリアムズ大学の古生物学者フィービー・コーエン氏は述べた。コーエン氏は長年にわたりシンプソン氏のアイデアについて話し合ってきたが、それ以外はこの研究には関わっていない。この分野では、地球化学的な測定結果に基づく動物の多細胞化のきっかけに関する論文は溢れているが、個々の生物の生物学的側面を考慮した論文はほとんどないとコーエン氏は指摘する。

「このアイデア、そして実験のセットアップにとても魅了されました」とコーエン氏は語った。「『ここで実際に何が起こっているのか？ これらの初期の生物は実際にどのように環境を経験しているのか？』という問いを投げかける研究を見るのは本当に素晴らしいことです。」

この実験にはいくつかの注意点があり、論文はまだ査読を受けていない。シンプソン氏は今年初めにbiorxiv.orgにプレプリントを投稿した。しかし、もしスノーボール・アースが複雑な生命の進化の引き金となったとすれば、それは冷水の物理的性質によるものである可能性を示唆している。

凍ったパラドックス

1990年代後半、シンプソンがまだ大学生だった頃、「スノーボール・アース」という言葉は誰もが口にしていた。1992年、地球化学者ジョセフ・キルシュヴィンクは、太古の過去に地球規模の氷河期があったことを示す優れた地質学的証拠があると指摘した。そして重要なのは、彼がどのようにして大量の氷が再び溶けたのかを示すモデルを提示したことだ。そして1998年、ハーバード大学の地質学者ポール・ホフマンらは、これらの考えをナミビアの堆積物の観察に適用した画期的な論文を発表した。彼らは一致して、岩石は約7億年前に世界で最も温暖な地域に氷河が存在していたことを示していると結論づけた。

当時でさえ、スノーボール・アースの時期はシンプソン氏を悩ませていた。「私にとっては完全に矛盾していました」と彼は言った。「当時、これほど興味深い進化が起こっていたことを考えると、スノーボール・アースが現実だったはずがありません」。スノーボール・アース以前の化石は小さいが、それ以降は大きく複雑なものになるとシンプソン氏は言う。

動物の出現時期を正確に特定することは困難ですが、突然変異率を用いて時間の経過を推定する分子時計の推定によると、多細胞動物の最後の共通祖先は、スターティアン・スノーボール・アースと呼ばれる時代、つまり7億1700万年前から6億6000万年前の間に出現したと考えられます。地球が融解してから数千万年後、約6億3500万年前には、より短いスノーボール・アース期が続いていましたが、その後、大型で紛れもなく多細胞動物であることが判明し、化石記録に現れています。

生命にとって一見不利な惑星が進化を大きく後押しするというパラドックスは、シンプソン氏を学生時代から社会人になっても悩ませ続けた。2018年、助教授として、彼はある洞察を得た。海水は冷たくなるにつれて濃くなるのだ。これは物理学の基本原理で、水分子の密度と粘性は温度低下とともに上昇する。スノーボールアースの条件下では、海水の粘性は惑星が凍結する前の2倍、あるいは4倍にもなっていただろう。

シンプソンは、スノーボール・アースの時代に海に棲む微生物だったらどんな感じだっただろうと考えた。もしかしたら、結局のところ、この出来事はそれほど矛盾していたわけではないのかもしれない。

非常に小さな単細胞生物にとって、濃い海水は大きな問題を引き起こしたでしょう。バクテリアは拡散、つまり栄養素が水中を高濃度から低濃度へと移動する作用によって栄養を摂取し、餌が来るのを待つ傾向があります。しかし、低温では拡散速度が遅くなります。栄養素はそれほど速くも遠くまでも移動できないからです。細胞にとって、冷たく粘性の高い液体の中で生きることは、餌となるものが減ることを意味します。鞭毛を持つ細胞のように、自力で移動できる非常に小さな生物でさえ、冷たい水中では動きが遅くなります。その結果、餌に出会う頻度も少なくなります。

一方、より大きな生物は、より濃い水の中でもさほど苦労せずに泳ぎ回ることができます。細胞の集合体には慣性という利点があり、その質量が十分に大きいため、蒸気を発生させ、より濃い液体の中を突き進むことができます。「ある時点で、このことは問題にならないほど大きくなります」とシンプソン氏は言います。

2021年、彼はスノーボールアースの粘性が生物の摂食能力に大きな負担をかけ、一部の生物の多細胞化を促した可能性があるという仮説を発表しました。その後、サンタフェ研究所の協力者と共同で、ますます濃くなる流体に生息する小さな生物（拡散によって摂食する単細胞と動き回ることで摂食する自走細胞）の数理モデルを設計しました。2023年末にbiorxiv.orgに投稿され、最近査読付きのProceedings of the Royal Society Bに掲載されたモデルでは、拡散摂食者はより濃い流体に反応してサイズが縮小しました。必要に応じて互いに固執する能力を方程式によって備えた自走細胞は、ますます大きな多細胞グループを形成しました。これは、スノーボールアースが発生したときにすでに多細胞生物、または少なくとも多細胞形態をとる能力を持つ生物が存在していた場合、より濃い流体が生物に大きくなる理由を与えた可能性があることを示唆しています。

結果は興味深いものでしたが、それはあくまでコンピューターモデルに過ぎませんでした。シンプソンは考えました。「では、これを実際の生物で試したらどうなるだろうか？」

コロラド大学ボルダー校の同僚である地質学者ボズウェル・ウィングは、研究室にクラミドモナス・ラインハルティのコロニーを所有していました。この藻類は、自力で運動できる回転する鞭毛を持っています。通常は単細胞ですが、特定のストレス条件下では多細胞形態に変化します。スノーボール・アース時代の海洋のように、粘性が高い状態は、その変化の一つとなるのでしょうか？

濃い水の中の生命

生物学者が過去に戻ってスノーボールアースの実際の状態をテストする方法はないが、研究室でその一部を再生成することはできる。特注の巨大なペトリ皿の中に、ホーリングとシンプソンは寒天ゲルの的を作った。これは彼ら自身の粘度の実験的試練場である。中心には、研究室でこれらの藻類を培養する際に使用する標準的な粘度があった。外側に向かうにつれて、各同心円状の培地の粘度はどんどん高くなり、最終的に標準値の4倍の粘度に達した。科学者たちは藻類を中央に置き、カメラをオンにして、30日間放置した。これは約70世代の藻類が生き、栄養を求めて泳ぎ回り、そして死ぬのに十分な時間である。

ホーリングとシンプソンは、藻類が繁殖し、通常の粘度の中心円に群がるにつれて、より粘度の高い培地に耐えられる藻類細胞が外側へ広がるのではないかと考えました。おそらく、最も外側の円に到達した細胞は、中心に残った細胞とは異なる外観と挙動を示すでしょう。

シンプソン氏は特に、最も粘度の高いリングに到達した藻類が遊泳速度を上げる方法を見つけるかどうかに興味を持っていました。藻類は光合成を行うため、太陽光からエネルギーを得ます。しかし、環境からリンなどの栄養素を吸収する必要があるため、運動は生存にとって依然として重要です。高粘度環境で同じレベルの栄養素を維持するには、藻類は速度を維持する方法を見つける必要があります。

30日後、中央の藻類はまだ単細胞のままでした。しかし、科学者たちがどんどん厚い輪から藻類を顕微鏡で観察していくと、より大きな細胞の塊が見つかりました。最大のものは数百個の塊でした。しかし、シンプソンが最も興味を持ったのは、4個から16個の細胞からなる、鞭毛がすべて外側になるように配置された、動き回る塊でした。これらの塊は鞭毛の動きを協調させることで動き回っており、塊の後ろの細胞は静止し、前の細胞はくねくねと動いていました。

これらのクラスターの速度を中央の単一細胞と比較すると、興味深い事実が明らかになった。「それらはすべて同じ速度で泳いでいます」とシンプソン氏は述べた。集団として協力することで、藻類は運動性を維持できるのだ。「本当に嬉しかったです」と彼は言った。「大まかな数学的枠組みでは、いくつかの予測を立てることができました。実際に実験的に確認できたということは、このアイデアに確かな根拠があるということです。」

興味深いことに、科学者たちがこれらの小さな塊を高粘度ゲルから取り出し、低粘度に戻すと、細胞はくっついていました。実際、科学者たちが観察を続けている間、つまり約100世代にわたって、細胞はこの状態を維持していました。高粘度で生き残るために細胞が受けた変化は、明らかに元に戻すのが困難だったとシンプソン氏は述べました。これは短期的な変化ではなく、進化への動きなのかもしれません。

イラスト
キャプション：古代の海のように粘性の高いゲルの中で、藻類細胞は互いに協力し始めました。細胞は凝集し、尾のような鞭毛の動きを調整してより速く泳ぎました。通常の粘度に戻しても、細胞は凝集したままでした。
クレジット：アンドレア・ハリング

現代の藻類は初期の動物ではありません。しかし、こうした物理的な圧力が単細胞生物を、元に戻すことの難しい別の生き方へと追いやったという事実は、非常に衝撃的だとシンプソン氏は言います。生物が非常に小さいときには粘性がその存在を支配しているという考えを科学者が探求すれば、大型生物の爆発的な増加につながった可能性のある条件について何かを学ぶことができるのではないかと彼は考えています。

細胞の視点

巨大な生物である私たちは、周囲の液体の粘度についてあまり考えません。それは私たちの日常生活の一部ではなく、体が大きいため粘性の影響もそれほど大きくありません。比較的容易に移動できることは、私たちにとって当たり前のことです。シンプソンは、このような移動の制限が微視的な生命にとって途方もない障害となり得ることに初めて気づいて以来、そのことを考えずにはいられませんでした。複雑な生命の起源がいつであれ、粘性はそれなりに重要だったのかもしれません。

「（この視点から）私たちはこの変遷の長い歴史について考えることができます」とシンプソン氏は述べた。「そして、すべての絶対複雑な多細胞集団が進化したとき、地球の歴史の中で何が起こっていたのか、私たちはそれが比較的近いと考えています。」

他の研究者たちは、シンプソンの考えを非常に斬新だと感じている。「シンプソン以前、スノーボール・アースの時代に海にいた生物の物理的な経験について深く考えた人はいなかったようだ」と、ケンブリッジ大学で初期生命の進化を研究しているニック・バターフィールド氏は述べた。しかしながら、彼は「カールの考えは異端だ」と明るく指摘した。スノーボール・アースが多細胞動物、植物、藻類の進化に与えた影響に関する理論の大部分は、岩石中の酸素同位体濃度から推定される酸素濃度が、何らかの形で運命を左右した可能性に焦点を当てているからだ、と彼は述べた。

オーストラリア国立大学の地質生物学者ヨッヘン・ブロックス氏は、その新しさは強みだと述べている。しかし、彼の評価では、シンプソン氏の仮説にはいくつかの論理的飛躍があり、それらは成り立たない。最古の動物が水中を自由に泳いでいたかどうかは明らかではないとブロックス氏は指摘する。「動物」と自信を持って呼べる最初の化石の中には、海底に固定されていたものもある。

おそらくもっと重要なのは、動物の起源のタイムラインが非常に不確実であるということです。スノーボール・アース期が動物の最後の共通祖先と一致する可能性があるという推定もあります。しかし、これらはDNAからの分子論的推論に基づいており、確認は難しいとブロックス氏は述べています。彼の意見では、この時代にどれほどの重要性を与えるべきかを判断するのは難しいとのことです。バターフィールド氏もこの不確実性について、「スノーボール・アース期のかなり後まで、何かが大きくなったという証拠はありません」と述べています。

とはいえ、ブロックス氏はシンプソン氏の実験を非常に巧妙で美しいと考えた。生物が高粘度に反応して集団行動を発達させる可能性があるという事実は、スノーボール・アースが複雑な動物の進化につながったかどうかに関わらず、もっと深く理解されるべきだと彼は述べた。

「なぜこれらのものが進化したのかを考えるためのレパートリーにこれを加えること。それがこの全体の価値なのです」と彼は言った。「それがスノーボールアースだったかどうかは関係ありません。スノーボールアースより前か後かは関係ありません。ただ、それが起こり得る、しかも急速に起こり得るという考えがあるだけです。」

ブロックス氏は、藻類よりも動物に近い小さな生物である襟鞭毛藻類で同様の実験を行ったらどうなるか興味を持っている。襟鞭毛藻類は餌を得るために完全に狩りに頼っており、光合成ができない。そのため、高粘度による速度低下の影響を特に受けやすい。もしそのような条件下で襟鞭毛藻類が多細胞形態を取り始めたら、シンプソン氏の研究結果は、生命が環境にどのように反応するかについてのより一般的な真実を示唆することになるだろう。「それは本当に非常にエキサイティングなことです」と彼は語った。

シンプソン氏は現在、襟鞭毛藻類の研究に携わっており、その生態を理解しようと努めています。

「本当に美しく、複雑な生き物です」と彼は言った。彼らは様々な形態をとることができる。長い鞭毛を持つ速く泳ぐもの、蛇行しながらゆっくり泳ぐもの、表面に張り付いて成長するものなどだ。「先端から小さな触手を伸ばして竹馬のように歩き回ったり、交尾したり、融合したり、連鎖コロニーやロゼットコロニーを形成したりもします。そして、圧迫すると鞭毛が抜けてアメーバに変身するらしいんです」と彼は言った。根本的に新しい環境の課題に対応するとなると、「彼らにはやるべきことがたくさんある」と彼は振り返った。

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。