Science Advances誌に掲載された新しい研究は、単細胞生物における原始的な化学反応を追跡し、地球上に2つの独立した生命の起源が存在することを指摘している。 2026年8月5日に発表されたこの研究は、すべての生命は単一の自由な祖先細胞から派生したという従来の考えに疑問を投げかけている。
むしろ、この結果は、2つの主要な微生物系統である細菌と古細菌が、まだ完全には「生きている」とは考えられていなかった始祖から別々に進化した可能性があることを示唆している。
生物学者の間では、生命がどのように誕生したかという問題は、最も議論されているテーマの 1 つです。初期の地球上で、分子を処理してエネルギーを生成することができる自立した生物の形成は、依然として大きな謎のままです。
最初の細胞が出現する前から、科学者たちは深海の熱水噴出孔などの極限環境では複雑な化学反応が起こるという仮説を立てていました。これらの場所では、熱と高圧により自発的な化学反応が引き起こされ、地殻内の金属の存在によって加速されると考えられます。
生物は、酵素として知られるタンパク質によって触媒される、約 400 の代謝反応からなる複雑な中央ネットワークに依存しています。この「中枢代謝」は、エネルギーの生成と、核酸、アミノ酸、ビタミンなどの必須細胞成分の生成を担当します。
今回、研究者チームは、この重要な代謝ネットワークがどのように発達したかの段階を再構築することに成功しました。この研究で最も驚くべき発見の 1 つは、地球上の生命が一度だけではなく二度出現した可能性があるということです。
ドイツのデュッセルドルフ大学の進化生物学者であり、この研究の筆頭著者の一人であるウィリアム・マーティン氏は、この発見は生命とは何か、何が可能なのか、そして他の場所で何が見つかるのかについて「膨大な範囲の疑問を開く」とコメントした。
現在存在するすべての生物は、おそらく原始の海に住んでいた最後の宇宙共通祖先 (LUCA) の子孫です。新しい研究は、この神秘的な祖先が依然として代謝のために環境に依存していたことを示しています。科学者らは、LUCAはエネルギー生成反応に酵素を使用する代わりに、その必須の代謝反応の約半分を環境中に存在する小さな有機分子と金属に依存していることを発見した。時間の経過とともに、タンパク質がこれらの機能を担うように進化するにつれて、これらの金属の一部はより特異的で効率的な酵素に徐々に置き換えられました。
マーティン氏は、この研究で最も興味深いのは、地球化学反応に代わって新しい酵素活動が出現し始め、その結果古細菌と細菌の祖先における代謝の結合がもたらされた進化の段階を探求していることだと付け加えた。
古細菌と細菌は生命の 3 つの領域のうちの 2 つであり、これらの微生物は地球の歴史の初期に出現しました。 3 番目のドメインである真核生物は、動物、植物、および核を持つ細胞を持つすべての生物を含みますが、後に最初の 2 つのグループの組み合わせから進化しました。
科学者たちは長年にわたり、生命の起源について 3 つの考えられるシナリオを検討してきました。それは、細菌が古細菌から進化したという説、古細菌が細菌から進化したという説、または両方が LUCA とは独立して発生したというものです。新しい研究は、その結果に基づいて、後者の可能性が最も高いと指摘しています。
古細菌と細菌: 違いと極端な生息地
細菌はさまざまな環境で見つかりますが、古細菌は高温や酸性などの極端な条件で繁殖することで注目に値します。
細菌と古細菌がどのようにして出現したのかを理解するために、科学者たちは、それらの祖先が特定の特徴をいつ発達させたか、そしてそのうちのどれがLUCAから受け継がれた可能性があるかを比較します。タンパク質を生成する細胞構造であるリボソームに関する以前の研究では、LUCAが33個のタンパク質を含む原始的なリボソームを持っていることが示されました。 LUCA から、細菌系統では 21 個の固有のリボソームタンパク質が、古細菌系統では 29 個が開発され、それらの機能が独立して強化されたことが示されました。
代謝の再構築に焦点を当てた最新の研究でも、マーティン氏のチームは同様のアプローチを採用した。今回、彼らは現生細菌と古細菌の代謝酵素の遺伝子を解析し、その進化の軌跡を再構築した。 Martin の研究室の大学院生で筆頭著者の Natalia Mrnjavac は、リボソームの場合と同様、代謝遺伝子を分析するときに同様のパターンが観察されたと指摘しています。
研究者らは当初、LUCAがどの酵素を使用し、どの代謝反応が熱水噴出孔からの金属に依存しているかを特定することに専念した。研究チームは、この原始的な代謝における各反応は、環境内で入手可能な元素、またはシステム内の他の反応によって生成された元素を使用していると結論付けました。時間の経過とともに、これらの反応は以前の反応を基にして構築され、その結果、新たな生化学的可能性が生じ、代謝ネットワークがますます複雑になる可能性があります。 The crucial challenge was to determine the sequence of reactions, identifying which ones should occur first and which ones depended on subsequent ones.
ニュージーランドのカンタベリー大学の数学者であり、この研究の共著者であるマイク・スティール氏は、何百もの反応があるにもかかわらず、この順序を決定する効率的なアルゴリズムがあると説明しています。
その後、研究チームは、細菌と古細菌がLUCAと一部の酵素を共有しているが、各系統には共通の祖先には存在しない他の酵素も持っていることを発見した。本質的に、細菌と古細菌は、金属によって触媒される同じ反応を置き換えるために、異なる酵素を独自に開発しました。オタワ大学の化学者で研究論文の共著者であるジョセフ・モラン氏は、「これは、その反応がそれを触媒する酵素よりも古いことを示している」と述べた。
マーティンにとって、同じ代謝問題に対するこれらの異なる解決策は、細菌が古細菌に由来する可能性はありえない、あるいはその逆であることの証拠として役立ちます。彼は、最も単純な解釈は、LUCA から自由生活細胞への「2 つの独立した移行」があったということであると考えています。
すべての研究者がこの LUCA の説明に完全に同意しているわけではありません。 LUCAは、おそらく単純な膜を持ち、古細菌と細菌の脂肪または脂質の混合物で構成された、より複雑な細胞であると提案する人もいます。フランスの構造生物学研究所のタンパク質結晶学者で生命の起源の研究者でもあるフアン・フォンテシラ・キャンプス氏は、今回の研究には関与していないが、この雑種の祖先はその後、自由な細胞生命の単一の起源で始生代と細菌の系統に分かれたと説明している。
しかし、マーティン氏は、この複雑さはありそうにないと主張する。細菌と古細菌は細胞膜で脂質を生成するために異なる方法を使用しており、このことは細菌と古細菌がこれらの機構をLUCAから受け継いでいないことを示唆している。ドイツのフライブルク大学で古細菌生物学を研究しており、同じくこの研究には関与していないソーニャ・ヴェレナ・アルバース氏は、「それらは実際にはまったく異なるものであり」、脂質を生成するにはまったく異なる遺伝子または酵素のセットが必要であると付け加えた。
また、マーティンは、その代謝に基づいて、LUCA はより単純な祖先、つまりまだ完全には生きていなかったものであると主張しています。彼は、「自由生活細胞が生きていることに疑いの余地はなく」、独自に成長し、分裂し、生き残ることができると認識しています。しかし、LUCAは依然として代謝を行うために地球の地殻からの小さな有機分子と金属に依存しており、マーティンにとって、それは本当に生きていると分類するには十分ではありません。
マーティンは、金属は代謝反応の元の触媒であり、時間の経過とともに酵素に置き換えられたという考えを長年支持してきました。イタリアのナポリ・フェデリコ2世大学の微生物学者で生命の起源を研究しているドナート・ジョヴァネッリ氏は、「地球化学が生命の生化学につながったという考えには強い支持がある」と語る。
たとえば、多くの酵素は、化学反応が起こる触媒部位に金属を持っています。近年、マーティン、モラン、生化学者のマルティナ・プレイナーらは、今日の中心代謝で使用されている反応の多くは、実際には酵素が金属に置き換わったときに起こり得ることを実験的に実証し、これらの酵素が進化する前から金属によって触媒されていた可能性があることを示唆している。
最も重要な代謝反応の 1 つは、細胞のエネルギーを運ぶ分子を生成し、細胞に電力を供給する小さなバッテリーとして機能します。現在、この分子は主に ATP ですが、初期の海洋には LUCA が利用できる ATP がありませんでした。マーティンのチームは、この祖先の原始的な代謝において、この基本的な反応が金属によってどのように触媒されたのかを明らかにした。彼らは、リンの一種である亜リン酸塩が、白金族金属であるパラジウムの助けを借りて有機分子と反応できることを発見した。この反応により、LUCA は ATP の前駆体である ADP としてエネルギーを蓄えることができました。
エネルギーを一時的に貯蔵する能力は、エネルギー供給を必要とする他の多くの代謝反応を促進できるため、革命的でした。これには、アミノ酸間のペプチド結合の形成や、RNA からタンパク質への翻訳中のリボソームの活性が含まれます。この反応は、地球化学反応から代謝反応への移行への道を開き、リンがどのようにして私たち自身の生化学の中心的な要素になったかを説明しています。
ジョヴァネッリ氏はこの研究には関与していないが、これがこの論文の主な発見の一つであると考えている。
Juan Fontecilla-Camps 氏は、チームが新しい論文で行ったように、最初の代謝ネットワークを再構築することは「有効なことである」と信じています。しかし、「問題は、それが本当に起こったかどうかだ。それを知るのは非常に難しい」と彼は考えている。
ジョヴァネッリ氏は、チームが「異なる考え方を提示し、これまで結び付いていなかった要素をまとめたしっかりとした論文」を作成したと結論付けている。しかし、彼は結論を決定的な答えとしてではなく、生命の起源についての考えられるシナリオとして考えることを示唆しています。「私たちは、物事がどれほどもっともらしいかを再構築することはできますが、すべてがどのように起こったのかを正確に知ることはほとんど不可能です。」
