私たちはかつて、バナナ、キノコ、昆布と共通の祖先を持っていました。複雑な生命はどのようにして誕生したのでしょうか?

今日の地球上の生命がどのようなものか簡単に説明するように求められたら、どのように答えますか?私たちの食卓を見れば、家禽、家畜、卵、牛乳、野菜、果物、穀物、ナッツ、菌類、海藻など、さまざまなものが揃っていることがわかります。より学術的な観点から説明すると、動物、菌類、陸生植物、多細胞真核藻類です。生物学について少しでも知識があれば、私たちが日常的に肉眼で見ることができるこれらの生物は、基本的に複雑な多細胞構造を持つ真核生物であり、複雑生物、または「高等生命体」とも呼ばれていることが分かるでしょう。彼らこそが今日の地球の真の支配者なのです。もし宇宙人が地球の表面に着陸したら、最初に目にする生命体は、肉眼では区別が難しい細菌や古細菌、単細胞真核生物ではなく、複雑な生物である可能性が高いだろう。

雲南省大理白族自治州五梁山で撮影された大きな赤いキノコ（写真提供：新華社）

雲南省英江の熟したナッツ（写真提供：新華社通信）

海から釣り上げられたエンテロモルファ（写真提供：新華社通信）

01 真核生物の起源

真核生物はいつ誕生したのでしょうか? 27億年前から18億年前まで、さまざまな説があります。しかし、その起源の過程には、真核細胞内のエネルギー工場であるミトコンドリアの祖先であるアルファプロテオバクテリアと、真核生物の主な祖先であるアスガルド古細菌との間の共生が関与していたと一般的には考えられています。これら 2 つの原核生物の組み合わせにより、真核生物の祖先が誕生しました。

しかし、内部共生がどのように起こったのかという正確なプロセスは今日でも議論の的となっており、他の古細菌や細菌からの遺伝子転移や、真核生物自体の内部での遺伝子生成と増殖も関与している可能性がある。最初の真核生物が出現したとき、その細胞の複雑さとエネルギー効率は、原核生物の祖先よりもすでに数桁高かった。これにより、真核生物における複雑な多細胞性の将来の発展の基礎が築かれました。

動物（真核生物）の細胞構造の模式図（出典：人民教育出版社高等学校生物教科書 必修科目1）

大腸菌とシアノバクテリア（原核生物）の細胞構造の模式図（画像出典：人民教育出版 高校生物学教科書 - 必修 1）

ミトコンドリアとの共生に加えて、酸素発生型光合成が可能な一部のシアノバクテリアは、初期の真核生物とも共生していました。これは真核細胞の葉緑体の源です。これにより、真核生物は光エネルギー、水、二酸化炭素を使用して有機物を合成することもできます。それ以来、地球上の生産者はもはや原核生物だけではなくなりました。光合成が可能なこれらの真核生物は、後に陸生植物やさまざまな真核藻類へと進化し、最終的には原核生物に取って代わり、地球上で最も重要な一次生産者となりました。

02 真核生物の初期の多様化

真核生物の起源は、クラウングループ真核生物（今日のすべての真核生物とその子孫の最も最近の共通祖先）の誕生を意味するものではありません。これは、人類が約 600 万年前に誕生した可能性があるのに対し、私たちの種である現代人が出現したのは約 30 万年前であるのと同じです。現在の研究では、現生の真核生物すべてに共通する最も最近の祖先の起源は、18億年前から12億年前の範囲にあると示唆されています。真核生物の起源からクラウングループ真核生物の起源までの間に、はるか昔に絶滅した幹グループ真核生物が多数生成された可能性がある。

オーストラリアの研究者らが、最古の真核生物の化石を発見した（画像提供：Weiboスクリーンショット）

確認されている最も古い真核生物の化石は、約16億4000万年前の中国とオーストラリアの地層で発見されました。これらの化石は非常に小さく、肉眼では見えず、生物学的分類属性も不明であるため、曖昧に分類されています。しかし、その小ささに騙されないでください。彼らは進化における画期的な巨人です。化石の表面にある突起や装飾から、真核生物であることは間違いないが、クラウングループの真核生物に属するかどうかを判断するのは困難である。興味深いことに、昨年の研究では、原始的なステロールを生産できる幹グループの真核生物が164万年から8億年前に地球上に広く存在し、この時期にクラウングループに分類できなかった真核生物の化石の一部は幹グループの真核生物に属していた可能性があることが示唆されました。

03 複雑な生命の起源

地球の歴史のうち、約18億年から8億年までの期間は「退屈な10億年」と呼ばれています。これは、過去の科学者たちが、この期間中に地球の環境と生物学的景観はあまり変化していないと信じていたためです。しかし、前述したように、この時代には真核生物の最古の化石が登場しただけでなく、最古の緑藻類化石プロテロクラドゥス、最古の紅藻類化石バンギオモルファ、最古の菌類化石オウラスフェアラ、最古の動物界化石バイセルム、最古の黄藻類化石とされるパレオバウケリアなど、現在確認できる最古のクラウングループの真核生物化石の多くもこの時代に登場しています。これらの化石はすべて約 10 億年前のものであり、これらの化石の出現は、複雑な生物の多細胞化が 10 億年前より前に起こった可能性があることも意味します。この多細胞化は単純な細胞の集合ではなく、異なる機能を持つ細胞の分化を伴います。これにより、複雑な生物学的組織、臓器、システム、複雑な構造の将来の生成の基礎が築かれました。

04 真核生物の拡大の初期の試み

紅藻類、緑藻類、動物界、菌類の化石記録は約 10 億年前に遡って発見されていますが、当時の海洋生態系はおそらくまだ原核生物と幹真核生物が優勢であったと考えられます。初期の多細胞真核生物は非常に小さく、大きさはわずか数マイクロメートルでした。チュアリア、タウイア、ロンフェンシャニア、パラレニコラ、プロトアレニコラ、ホロディスキアなどの化石など、分類学上の位置が不明な一部の真核生物は、大きさがミリメートルレベルに達することがあります。一つの細胞内に複数の核を持つ藻類である可能性があります。約10〜80億年前の地層に広く分布しており、当時の海洋では重要な生産者でもありました。中には、海水に浮かぶのではなく、海底に固定できる単純な固定構造を進化させたものもいる。これは、当時、真核生物が底生生態学的地位を占めようとし始め、表層と底層の構造を持つ三次元の真核海洋生物群集が形成され始めたことを示しています。

05 スノーボールアースのテスト

小さくて目立たない多細胞真核生物が、どのようにして地球の舞台で正式に活躍するようになったのでしょうか?

クライオジェニアン期（7億2000万～6億3500万年前）に、地球は2つの地球規模の氷河期を経験しました。スターティアン氷河期（7億1700万～6億5900万年前）とマリノア氷河期（6億4500万～6億3500万年前）は、スノーボール・アース・イベントとしても知られています。これら 2 つの氷河期は、複雑な生物にとって試練であっただけでなく、機会でもありました。スノーボールアースの寒冷な環境は浅い海の原核生物の減少を引き起こし、複雑な生物のための生態学的ニッチをより多く生み出した可能性がある。同時に、複雑な生物に対して厳しい自然淘汰も生じ、生物はより大きく、より複雑になる方向へと発展していった。

スノーボールアースの終焉後、地球全体が温暖多湿な環境となり、陸地の化学的風化が激化し、大量の栄養塩が海洋に流入して海洋生産性の向上が促進され、大気と海洋の酸素濃度が増加しました。この期間の化石を保存できる地球規模の堆積記録は限られているため、科学者はスノーボールアース期間の生命の出現と進化についてほとんど何も知りません。

科学者らが6億3500万年前の「スノーボールアース」の新モデルを提案（画像出典：Weiboスクリーンショット）

06 複雑な生命の出現

スノーボール・アースの終焉後のエディアカラ紀（6億3500万～5億3880万年前）には、スノーボール・アース以前と比べて、複雑な生物の複雑さと大きさが劇的に増加しました。約6億年前に存在した中国の藍田生物群は、このプロセスを完璧に記録しました。藍田生物群では、塊状、円錐状、扇状などの複雑な形状をした多数の肉眼で見える藻類の化石と、動物の化石と思われるものも 5 点発見されました。

同時に、中国の6億3500万年前のガイマンドロマイトから陸生接合菌類が発見され、6億年前の翁安生物群から地衣類の化石が発見されたことからも、菌類の適応放散と陸生化はエディアカラ紀以前に始まっていたことが示唆される。菌類の初期の着陸は、約 5 億年前の陸上植物の着陸の前提条件となった可能性があります。

5億8000万年前から5億4000万年前の間、エディアカラ紀の動物相と生痕化石が地球上に広く存在していました。これは、この時期に動物が地球の海洋生態系に重要な影響を及ぼし始めたことを意味します。藻類や動物が海底の堆積物をかき乱すにつれ、その固着構造は単純な円盤状や球状から、より柔らかい基質に適応するために根茎状へと進化し始めました。

約5億4千万年前のエディアカラ紀末期には、現在のような一般的な動物門や陸生植物はまだ見られませんが、紅藻、緑藻、褐藻などの多細胞藻類やエディアカラ人に代表される初期の動物が、複雑な生命の時代の到来を正式に告げていました。

著者: 牛長泰、中国科学院南京地質古生物学研究所博士課程学生

査読者: 袁 迅来、中国科学院南京地質古生物学研究所研究員

制作：中国科学普及協会

参考文献:

[1] Yuan Xunlai、Pang Ke、Tang Qing、他。複雑な生物の起源と初期進化[J]。中国科学速報、2023年、68(Z1):169-187。

[2] Pang Ke、Tang Qing、Li Guangjin、他。原生代における多細胞真核藻類の起源と初期進化[J]。中国基礎科学、2024、26(04):1-16。

[3]ブロックス JJ、ネッターシャイム BJ、アダム P、他複雑な生命の失われた世界と真核生物の王冠の晩年の台頭[J]。ネイチャー、2023、618(7966):767-773。

[4] Vosseberg J、van Hooff JJE、Köstlbacher S、他。真核細胞の起源と初期進化に関する新たな見解[J]。ネイチャー、2024、633(8029):295-305。