遺伝子のコピーがいくつか余分にあったため、飲酒の王様になったのです!

制作：中国科学普及協会

著者: 蘇成宇

プロデューサー: 中国科学博覧会

編集者注：中国科学普及の最先端科学技術プロジェクトは、最先端科学技術の最新動向を理解するために、「トップ科学ジャーナルの理解を助ける」と題する一連の記事を開始しました。これは、権威あるジャーナルから優れた論文を選び、できるだけ早く平易な言葉で解釈するものです。トップジャーナルを通して科学の視野を広げ、科学の楽しさを味わいましょう。

想像してみてください。もしあなたが今後 7 日間、固形物を一切食べないように言われ、他に飲み物の選択肢もなく、80% のアルコール溶液しか持っていないとしたら、あなたはどう変わりますか?

その後数日間は、アルコールが喉から胃にまで燃えるように伝わってくるのを感じ、気絶してしまうこともあるでしょう。肝臓は機械のように働いてアルコールを分解しようとしますが、アセトアルデヒド（アルコール代謝の中間生成物）が体内に蓄積し、「毒」のように臓器を腐食させます。

たった 1 日で、嘔吐したり、めまいを感じたり、混乱したりすることがあります。翌日には肝機能が著しく低下している可能性があります。一週間ですか？想像する必要はありません。おそらくすでに落ちているでしょうから。

恐ろしく極端な挑戦のように聞こえるが、昆虫の世界では、スズメバチ（Vespa orientalis）が実際にこの「実験」を想像を超える方法でやり遂げた。関連する研究成果は、2024年9月に米国科学アカデミー紀要（PNAS）に掲載されました。

論文結果

（画像出典：PNAS公式サイト）

東洋のスズメバチは人間のアルコール飲料を盗むことができる

スズメバチ（Vespa orientalis）は、スズメバチとも呼ばれ、膜翅目スズメバチ科に属する昆虫の一種です。体長は約14～18mmで、主に茶色で、腹部にははっきりとした黄色の縞模様があります。

東洋スズメバチ

(画像出典: inaturalist)

ソフィア・ブシェブティは、昆虫と環境ストレスの適応関係に長年注目してきた動物行動生態学者です。彼女の研究は、現地調査中に、腐った果物や廃棄されたアルコール飲料に異常な興味を示すオオハチを観察したことから始まった。 「彼らはこうした状況に耐えるだけでなく、そこから利益を得ているようでした」とソフィアは回想する。 「それはとても珍しいことでした。」

昆虫の果物への興味

(画像提供: エラン・レビン)

通常、ほとんどの動物は低濃度のエタノールしか摂取しません。アルコールはカロリーが高く、1グラムあたり7カロリー含まれており、砂糖の4カロリーのほぼ2倍です。また、体にも有毒であり、過剰摂取は神経系の障害や死を引き起こす可能性があります。世界保健機関（WHO）は、「アルコール摂取に安全なレベルはない」と明言しています。

ツチバチはどのくらいの量のアルコールを飲むことができますか？

ソフィアと彼女のチームは、オオカバチがどれくらいの量のアルコールを飲めるかを調べるために、実験を計画しました。研究チームは2,000匹以上のスズメバチとヨーロッパミツバチを用意し、実験室でそれらのために異なる濃度のエタノールを含む砂糖水溶液を調製した。砂糖水溶液は、50% のショ糖溶液にエタノール溶液を一定の割合で加えて作られる、アルコール濃度が 1% から 80% の甘いワインです。

科学者たちは、当初はアルコール濃度40%でカエルが動けなくなるか、死んでしまうのではないかと考え、カエルの行動と生存を観察し続けた。しかし、彼らは生き残っただけでなく、80％のアルコールが存在する状況でも予想以上に活発に活動していたことが判明した。

実験データによると、エタノール濃度80%の環境では、スズメバチの生存率は95%以上に達し、巣作り行動（巣を作る速度や規模など）は対照群（エタノールを含まない砂糖水）と大きな差がなかったことが示されました。明らかに、甘口ワインに含まれる高濃度のエタノールは日常の活動にほとんど影響を与えず、飲酒後も仕事を続けることができます。

ツチバチの働き蜂はエタノールに対する耐性が強く、高濃度環境（80%）でも生存率が大幅に低下することはありません。

（画像出典：文書1）

対照的に、同じく実験に参加したヨーロッパミツバチは、そのような挑戦に耐えることができなかった。高濃度の甘いワインを飲んだミツバチの行動は極めて不安定になり、羽は震え、動きは鈍くなり、まるで目に見えない足かせをはめられたかのようになり、最終的には24時間以内に大量に死んでしまった。

スズメバチは高濃度エタノールに対して極めて強い耐性を示したが、ミツバチは同様の条件下で生存能力が低く、代謝メカニズムに大きな違いがあることが示された。

（画像出典：文書1）

ツチバチはなぜ水を飲むのが上手なのでしょうか?

科学者たちは特別なマーカーである「13C1標識エタノール」同位体を使用しました。簡単に言えば、エタノールに「トラッカー」を追加して、スズメバチの体内でのエタノールの代謝経路を観察できるようにしたのです。

科学者たちは、エタノール濃度が高い条件下では、スズメバチのアルコール脱水素酵素（NADP+）の活性が大幅に増加することを発見しました。アルコール脱水素酵素はエタノールを分解する重要な酵素です。まずエタノールをアセトアルデヒド（中間代謝物）に分解し、さらに酢酸（酢酸）に変換され、最終的に体内の代謝サイクルに入り、体に利用できる無害な物質になります。特にエタノール濃度80％では、アルコール脱水素酵素の活性が低濃度群に比べて約3倍に増加しました。

研究を通じて、科学者たちはすぐに答えを見つけました。それは遺伝子の複数のコピーです。科学者たちはtblastn法を用いて、Vespa orientalisと他のVespa種のエタノール代謝酵素の遺伝子の重複を分析した。

tblastn は、BLAST (Basic Local Alignment Search Tool) に基づいたバイオインフォマティクス ツールであり、核酸配列データベース内の特定のタンパク質配列に一致する領域を検索するために使用されます。科学者たちは配列比較分析を通じて、同じ染色体上に位置するアルコール脱水素酵素遺伝子の複数のコピーの現象を確認した。これらすべてはタンデム重複によって引き起こされるのではないかと推測されています。

タンデム重複イベントは、遺伝子の DNA 配列の一部が繰り返しコピーされ、元の場所に挿入され、連続して配置された複数の遺伝子コピーが形成されるゲノム組み換え現象です。これらの遺伝子コピーは通常、同じ染色体上に「タンデム」のように互いに近い位置にあるため、タンデム重複と呼ばれます。

スズメバチがアルコール脱水素酵素遺伝子のコピーをいくつか余分に持っているからこそ、エタノールの分解速度が大幅に向上し、高濃度エタノールに対する耐性が向上するだけでなく、エタノールをエネルギー源として利用できるようになるのです。

東洋スズメバチ

(画像出典: Wikipedia)

昆虫は、殺虫剤の使用や環境中の毒素の蓄積など、外部環境ストレスに直面した場合、ゲノム内に遺伝子の複数のコピーを持つことがよくあります。たとえば、オオタバコガの殺虫剤耐性は、体内の抗毒素酵素遺伝子（P450 酵素やアセチルコリンエステラーゼなど）の複数のコピーに直接関係しています。

昆虫が他の生物よりも遺伝子の多重コピー現象を通じて環境圧力に容易に適応できる理由は、昆虫の繁殖が速く、個体数が多く、突然変異や遺伝子の多重コピーが個体群内で発生して保持される可能性が高くなるためです。さらに、昆虫ゲノムは比較的小さく単純であるため、遺伝子のマルチコピーイベントの発生率が高くなります。

東洋のスズメバチは飲水能力の点でどの位ですか?

既存の研究に基づくと、ツパイはエタノール摂取に最も適応した脊椎動物種であると考えられており、自然の生息地で最大 3.8% のエタノール濃度の食物を定期的に摂取しても明らかな影響はありません。しかし、実験室環境では、10% のエタノール濃度を長期摂取すると、14 日以内に重度の肝臓障害を引き起こす可能性があります。

無脊椎動物の中で、ミバエはかつて最も強力であると考えられていました。ミバエは 4% 未満のエタノール濃度を摂取しても悪影響は示しませんが、この閾値を超える濃度では死亡率が大幅に増加します。対照的に、オオカバチは実験では80%ものエタノール濃度に耐えることができ、これは他の動物では非常に珍しいことです。

東洋のスズメバチに関する研究により、昆虫がアルコールに適応するメカニズムや、遺伝子、環境圧力、進化の間の複雑な関係が明らかになり、人間の遺伝的可能性について考えるきっかけとなった。科学者たちは、自然界に潜むこれらの「小さな怪物」を研究することで、アルコール代謝の秘密を解明し、遺伝子と環境の共進化の軌跡を探ろうとしている。

参考文献:

1. Bouchebti S、Gershon Y、Gordin A、他。社会性スズメバチによる極めて高濃度のエタノールに対する耐性と効率的な代謝[J]。米国科学アカデミー紀要、2024年、121(44):e2410874121。