細菌は非常に「繁殖力」が強いので、いつか地球が細菌で占められるようになるのでしょうか?

制作：中国科学普及協会

著者: 石志慧

プロデューサー: 中国科学博覧会

細菌は数十億年もの間地球上に生息しており、1683年にレーウェンフックが初めて観察して以来、科学者の注目を集めてきた。

細菌は非常に速く増殖します。大腸菌を例に挙げてみましょう。平均して20分ごとに世代が再生します。大腸菌はたった1日で1個の細胞から4722×1021個の細胞にまで増殖することができます。これらの細菌が地球の表面に広がった場合、地球を完全に覆ってしまうでしょう。

では、この分裂と増殖の速度が続けば、地球は細菌に占領されてしまうのでしょうか?

画像出典：著者作成

外には強敵がいる：「食べる細菌」の脅威

細菌は急速に分裂しますが、まだ災害にはなっていません。これは、地球上にまだ天敵がいるためです。ネズミの天敵がイタチであるのと同じように、細菌の天敵は細菌を「殺す」ことができるウイルスであるバクテリオファージです。

バクテリオファージは細菌よりも小さい微生物です。細菌をサッカーボールに例えると、ピンポンボールくらいの大きさになります。たとえば、大腸菌の長さは約 2 μm、T4 バクテリオファージの長さは約 0.2 μm です。

バクテリオファージの外見はオタマジャクシに似ており、丸いまたは多角形の頭部と、先端に 6 本の尾糸がある管状の尾を持っています。

バクテリオファージは、注射器のように自身の核酸を細菌に注入し、細菌のヌクレオチド、酵素、その他の原料を使用して子孫ファージを合成することができます。 T2 ファージを例にとると、100 ～ 300 個の子孫ファージを生成するのに 37°C で約 40 分しかかかりません。

細菌を利用して子孫を合成した後、ファージは細菌を溶解します。そのため、ファージは細菌を殺すだけでなく、大量の子孫を合成します。子孫ファージはさらに多くの細菌を殺し続けます。したがって、バクテリオファージの存在は細菌集団の増殖を効果的に抑制します。

バクテリオファージ感染過程

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バクテリオファージに加えて、マクロファージも細菌の天敵であり、細菌を「食べる」ことができます。マクロファージは、単球から派生した組織常在食作用細胞です。

マクロファージは動物に感染する有害な細菌を追い詰めますが、マクロファージは単独で戦うのではなく、協力して働く戦友である好中球がいることもあります。

マクロファージは細菌を貪食する

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好中球は、細菌を固定するクモの巣のような好中球細胞外トラップ（NET）を生成するために自らを犠牲にし、それによってクモ型マクロファージの殺菌能力を高めます。そのため、「バクテリアを食べるもの」の存在は、バクテリア数の増加を抑制することもできるのです。

内部紛争：空間とエネルギーの限界

細菌は非常に速く繁殖しますが、環境が細菌の分裂と増殖の継続を許すかどうかにも依存します。一方では、スペース収容能力があります。細菌は目に見えないほど小さいですが、24時間連続して増殖すると、地球全体を覆ってしまうこともあります。しかし、特定の空間であれば、空間の制限により細菌は無制限に増殖することはできません。

一方、細菌は増殖・分裂するために炭素源、窒素源、無機塩などの栄養素を外界から取り込む必要があります。

細菌が増殖し続けると、環境中の栄養素が徐々に減少し、成長にとってますます不利な状況になります。細菌間の種内競争はますます激しくなり、それに応じて生活環境中の有害物質も増加するでしょう。最後に、環境条件が改善されない場合、個々の細菌の形状が変化し、変形したり死んだりし始め、細菌の数は大幅に減少し、最終的にはゼロに近づきます。

例えば、放線菌は成長過程でいくつかの化学物質（抗生物質など）を放出し、他の細菌の生存を阻害します。また、自らの大量増殖により、環境中の酸素や栄養素が不足して死んでしまうこともあります。したがって、さまざまな環境要因が細菌の数に影響を与えます。

画像ソース: biorender

自身の欠陥 - ライフサイクルが短い

細菌は急速に増殖しますが、そのライフサイクル（個体）は比較的短いです。細菌の増殖サイクルは、主に、遅滞期、対数増殖期、定常期、および減衰期の 4 つの段階に分けられます。

大腸菌を例にとると、通常の状況では、大腸菌は接種後37℃の環境で17〜20時間培養すると死滅期に入ります。細菌が腐敗段階に入ると、死んだ細菌の数が著しく増加し、生理的な代謝活動が停滞する傾向があります。

細菌が腐敗段階に入ることには、主に 2 つの側面があります。一方では、生物細胞内に老化を制御する遺伝子があり、細菌についても同じことが言えます。これらの遺伝子が一定のレベルに達すると活性化され、最終的に細菌は老化して死滅します。

一方、真核生物のような一部の細菌もプログラム細胞死 (PCD) を経験します。環境圧力の誘導により、細菌はストレス適応を起こし、細胞の機能的分化、死、または休眠状態を引き起こします。たとえば、飢餓などの悪条件により一部の細胞が死滅することがあります。

細菌の増殖曲線

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このことから、生物の数は単純に増加しているのではなく、外部環境要因と内部条件の制約下でほぼ平衡状態を示していることがわかります。だから心配する必要はありません。細菌は非常に速く増殖しますが、さまざまな要因により地球を占領することはありません。

編集者：王婷婷

参考文献: