生命、エネルギー、進化

概要

本書は、生化学者ニック・レーンが「生命はなぜ今あるような姿をしているのか」という問いに、エネルギー代謝という切り口から答えようとする一冊である。地球上に生命が誕生してから約40億年が経つが、その大半にあたる最初の20億年ほどは、単純な細菌(バクテリア)や古細菌(アーキア)しか存在しなかった。ところが、あるとき一度だけ、細胞内に核やミトコンドリアを持つ複雑な細胞(真核生物)が誕生し、そこから多細胞生物・動物・植物・そして人間へと至る複雑な生命の系譜がすべて枝分かれしていった。レーンの中心的な主張は、この「複雑な生命の誕生がなぜ地球史上ただ一度しか起きなかったのか」という謎は、遺伝と代謝を別々に考えていては解けず、エネルギー(具体的には細胞膜を挟んだプロトン濃度勾配による化学浸透共役)という観点を導入して初めて解けるというものである。ミトコンドリアの祖先となった細菌が別の細胞に取り込まれる共生(細胞内共生)が起きたことで、宿主細胞は膨大な数の「発電所」を内部に抱え込み、一つのゲノムあたりで利用できるエネルギー量(本書で言う「エネルギー当たりの遺伝子コスト」の逆数)が桁違いに増大した。この一度きりのエネルギー革命こそが、複雑な細胞に必要な巨大なゲノム・複雑な調節機構・多細胞化への道を開いたのだとレーンは論じる。同時に本書は、なぜ真核生物はほぼ例外なく有性生殖を行うのか、なぜ性はしばしば二種類(配偶子の大小の非対称性)しかないのか、そしてなぜ老化や死が存在するのかという、生物学における古くからの難問群にも、同じミトコンドリアとエネルギー代謝の論理から統一的な説明を与えようと試みている。

本の構成

本書は大きく4部構成をとる。第1部「問題」では、複雑な生命(真核生物)の起源が生物学最大の未解決問題の一つであることを提示し、なぜ細菌や古細菌は40億年かけても複雑化しなかったのかという「なぜ細菌のままなのか」という逆説的な問いを立てる。第2部「エネルギー」では、生命の起源そのものに立ち返り、深海の熱水噴出孔(とりわけアルカリ性の噴出孔)における自然発生的なプロトン濃度勾配が、最初の細胞にとっての天然のエネルギー源であった可能性を、ピーター・ミッチェルの化学浸透説を軸に説明し、全生物の共通祖先(LUCA)がどのような代謝を営んでいたかを再構成する。第3部「複雑性」では、なぜ細菌や古細菌はその後20億年間ずっと単純なままだったのかを、細胞膜表面積あたりで維持できる遺伝子数の物理的限界という観点から説明し、そのうえでミトコンドリアの起源となった細胞内共生が、この限界を一挙に打ち破ったことで真核生物の複雑化への扉が開かれた経緯を描く。この部では続けて、性・性の2種類制・老化と死といった真核生物に特有の現象が、いずれもミトコンドリアと宿主核ゲノムの間の遺伝的な対立や協調から生じる必然的な帰結として論じられる。第4部「予言」では、この理論体系から導かれる予測―たとえば地球外生命が存在するとしても複雑な生命への飛躍は同様に稀であろうこと、ミトコンドリア機能不全と老化・がん・変性疾患との関連など―が示され、本書全体の理論的射程が確認される。

主要な内容(詳述)

「複雑な生命は一度しか生まれなかった」という謎

生命の系統樹を俯瞰すると、細菌ドメインと古細菌ドメインはそれぞれ内部で驚くほど多様な代謝様式(硫黄呼吸、メタン生成、光合成のさまざまな型など)を進化させてきたにもかかわらず、細胞そのものの基本構造(大きさ、核の有無、細胞骨格の複雑さ)という点ではほとんど変化していない。これに対して真核生物は、たった一度の起源から、動物・植物・菌類・原生生物という桁違いに多様な形態と大きさへと放散した。レーンは、この非対称性―代謝の多様性は細菌・古細菌の方が上回るのに、構造的な複雑性は真核生物だけが達成した―こそが説明されるべき核心の謎であるとする。

エネルギー当たりの遺伝子コストという制約

本書の理論的な核となるのが、原核生物(細菌・古細菌)は細胞膜という一枚の膜でエネルギー生産(呼吸によるプロトンポンプ)を行っているため、細胞が大きくなるほど体積(維持すべき遺伝子・タンパク質の量)に対して膜の表面積(生産できるエネルギー量)の比率が不利になっていくという幾何学的制約である。レーンはこれを「1遺伝子あたりに利用可能なエネルギー量」という指標で定量化し、原核生物はこの指標がある一定の値で頭打ちになり、それ以上ゲノムを拡張できないと論じる。これに対して真核生物は、ミトコンドリアという小型の「エネルギー生産専門の細胞内小器官」を大量に(細胞あたり数百から数千個)抱えることで、宿主のゲノムサイズとは独立に、膜面積の総量を爆発的に増やすことに成功した。これにより、原核生物なら不可能だったはずの巨大で複雑なゲノム(調節配列・イントロン・多数の遺伝子ファミリー)を維持できるだけのエネルギー的な「予算」が初めて確保されたとする。

細胞内共生とミトコンドリアの起源

真核生物の誕生については、宿主となった古細菌様の細胞が、後にミトコンドリアとなるαプロテオバクテリア様の細菌を取り込んだ(あるいは両者が密接な共生関係から融合した)とする細胞内共生説が土台になっている。レーンはこの共生が、単なる「エネルギー源の獲得」以上の意味を持ったと強調する。すなわち、宿主細胞は共生者から膨大なエネルギー生産能力を一挙に手に入れたことで、それまで原核生物には許されなかった規模のゲノム拡張・核膜の形成・細胞骨格の発達・貪食(ファゴサイトーシス)能力の獲得といった一連の変化を、進化的に「格安」で行えるようになった。つまり複雑性の獲得は多数の小さな段階的改良の積み重ねではなく、エネルギー制約が一度に解除されたことによる急速な「進化の爆発」だったという見方が示される。

ミトコンドリアゲノムがなぜ残ったのか

ミトコンドリアは進化の過程で自らの遺伝子のほとんどを宿主の核ゲノムへ移してしまったにもかかわらず、ごく少数の遺伝子(呼吸鎖の中核的な構成要素をコードする遺伝子)だけは今でもミトコンドリア自身のゲノムに残し続けている。レーンは、これは偶然の名残ではなく、エネルギー生産の現場(ミトコンドリア内膜)とその制御遺伝子を近接させておくことで、局所的な酸化還元状態の変化に即応して遺伝子発現を調整する必要があるためだとする「共局在化による制御(CoRR仮説)」を紹介し、この制約こそが真核生物が例外なく細胞あたり複数のミトコンドリアゲノムのコピーを持ち続ける理由だと論じる。

性、二つの性、そして老化・死の起源

本書後半では、なぜ真核生物のほとんどが有性生殖を行い、なぜ配偶子が(卵と精子のように)大小二種類に分化するのかという問題が扱われる。レーンは、核ゲノムとミトコンドリアゲノムという由来の異なる二つのゲノムを一つの細胞内に共存させることには本質的な対立(利害の不一致)が伴い、この対立を安定的に解消する仕組みとして、有性生殖による核ゲノムの定期的な組み換えと、ミトコンドリアを片方の親(多くの場合母親)からのみ一方向に遺伝させる「一方向性遺伝」の仕組みが進化したのだと論じる。さらに、ミトコンドリアがエネルギー生産の副産物として活性酸素種(フリーラジカル)を生み出すことに着目し、老化や寿命の限界、そして個体の死という現象までもが、エネルギー生産という真核生物の存立基盤そのものと表裏一体の代償として理解できるという議論を展開する。

具体例

• 深海の熱水噴出孔のうち、硫化物を噴き出す黒色噴出孔とは異なる、より緩やかで長期間安定した「アルカリ性熱水噴出孔」(ロスト・シティー熱水系に代表される)が、生命誕生の場として有力視される具体例として挙げられ、この環境では天然にプロトン濃度勾配が形成されるため、初期の生命はエネルギー生産に必要な複雑なポンプ機構を進化させる前に、既存の勾配を「借用」できたはずだと論じられる。
• 原核生物の代謝多様性の例として、硫黄還元菌、メタン生成菌、鉄酸化細菌など、極限環境に適応した多様な呼吸様式を持つ細菌・古細菌が紹介され、これらが生化学的な創意工夫では真核生物をはるかに凌駕していることが具体的に示される。
• ミトコンドリアの起源となった細菌の近縁種の候補として、リケッチア(発疹チフスなどを引き起こす細胞内寄生性のαプロテオバクテリア)が具体例として挙げられ、極度にゲノムを縮小させた寄生性細菌の性質が、ミトコンドリアの祖先の性質を推測する手がかりとして用いられる。
• 老化とミトコンドリア機能の関係については、ミトコンドリアの活性酸素種の漏出量と種ごとの最大寿命との相関(例えば同程度の体格でも代謝率や酸化的損傷の程度が異なる哺乳類間での寿命の違い)が具体例として言及され、エネルギー代謝の効率が種の寿命を左右する要因の一つであるという議論が補強される。

実践への応用

本書の理論は、直接的な実務マニュアルというよりは基礎科学の統一理論の提示であるが、その射程はいくつかの応用領域に及ぶ。第一に、老化・がん・神経変性疾患などミトコンドリア機能不全が関与するとされる疾患群の理解に対して、なぜミトコンドリアがこれほど多様な病態の根源になり得るのかという理論的な背景を与える。第二に、宇宙生物学(アストロバイオロジー)の分野において、地球外生命の探索が「生命の存在可能性」だけでなく「複雑な(知的)生命への進化可能性」という、より制約の強い問いを立てる必要があることを示唆し、複雑な生命への飛躍がエネルギー的なボトルネックに強く依存するという見立ては、地球外の複雑な生命の出現確率を慎重に見積もる際の理論的な参照点となる。第三に、進化生物学の方法論として、遺伝子の変化(比較ゲノム学)だけでなく、細胞のエネルギー収支という物理化学的な制約を進化の推進力として組み込む視点を提供しており、以降の生命起源研究や真核生物起源研究において、この種のエネルギー論的アプローチが一つの潮流として参照されるようになった。

位置づけ・評価

著者のニック・レーンはロンドン大学ユニバーシティ・カレッジの生化学者で、本書は『ミトコンドリアが進化を決めた』などに続く一般向け著作の中でも、彼自身の研究成果(共同研究者ウィリアム・マーティンらとの理論)を最も体系的にまとめた代表作と位置づけられている。原著は2015年に刊行され、王立協会科学図書賞(Royal Society Science Book Prize)の候補となるなど、専門家・一般読者の双方から高い評価を受けた。生命起源論やミトコンドリア進化の分野では、細胞内共生説(リン・マーギュリスに端を発する)を前提としつつ、そこに「エネルギー当たりの遺伝子コスト」という定量的な制約条件を持ち込んだ点が独自の貢献とされ、真核生物の起源をめぐる議論(古細菌起源説、二領域説など)に一石を投じた著作として、以後の生命起源・細胞進化研究でしばしば参照されている。一方で、性・老化・死といった現象までをエネルギー代謝の論理に還元しようとする議論の射程の広さについては、生物学者の間でも賛否が分かれており、レーン自身の仮説(CoRR仮説など)は今なお検証途上の理論として位置づけられている。