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2018年5月

2018年5月31日 (木)

「眼」はどのように進化したのか? 1~眼の誕生とカンブリア爆発

ダーウィンを悩ませた問題の一つに、眼のように高度に完成された器官がどのように進化したか?という問題があった。
さまざまな距離に対して、焦点を調節したり、虹彩中の筋肉の伸縮により、瞳孔から入ってくる光の量が調整される。また、光学的な収差を防ぐために、眼のレンズは異なる屈折率を持つ複数の素材からできている。こうした精巧な装置を持つ眼は、その装置の一つでも欠けると、眼としての機能が果たせない。
では、「なぜ、『眼』のような複雑なものが『自然淘汰』から生まれたのか?」「これは、この上なく『不条理』なことだ」ダーウィンの信じる「進化論」においては、「眼」はその構造が複雑すぎるために明確な説明を与えられなかった。
以下、ブログ「英考塾 」リンクより
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■「眼」はどのように進化したのか?
5億4,000万年前、「カンブリア大爆発」というのが起こる。
これは実際の大爆発ではない。この時期に生命が「爆発的」に多様化(進化)したという意味である。この大爆発以前の地層からは、動物の化石がほとんど見つからない。ところが、この大爆発を境にして突如、「生物のラインナップ」が出揃うのである。まさに爆発的に。
はたして、この大爆発以前は単純な生物しか存在しなかったのか?それとも、ただ化石が見つからないだけなのか?これはいまだもっって謎の領域である。ただ、はっきりした事実は、大爆発以降の生物は「高度に進化している」ということである。
なぜ、いきなり進化したのか?
この問いの答えの一つに、「生物が『眼』を獲得したからだ」というものがある。アンドリュー・パーカーの「光スイッチ説」である(1998)。
生物の歴史上、初めて『眼』をもった生物は「三葉虫」だったという。眼を持ったことは圧倒的な強みであった。なにせ相手はこちらが「見えない」。三葉虫は目の見えない生物を「食べ放題」である。
しかし、眼という特権は三葉虫の独占特許ではなかった。次々に眼をもった生物が現れる。こうして、あたかも「軍拡競争」のように、眼を持つ生物たちによる進化合戦が激化し、生物は一気に多様化した。
これが、「光スイッチ説」による「カンブリア大爆発」の説明である。
眼によって「光」をより正確に感知できるようになったことが、進化を爆発的に加速させたというのである。
 ====================================================つづく




 
斎藤幸雄

2018年5月29日 (火)

『寿命と老化の関係・違い』ーヒトは死ぬ原因は?テロメアが原因?

科学情報誌http://科学情報誌.xyz/2016/03/12/post-201/より
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「寿命」と「老化」はよく混同されますが、この2つは密接にかかわっている一方で、その意味はまったく異なります。
まずは「寿命」について説明します。
【「寿命」ー有性生殖特有の死】
「寿命」は「生命の続く長さ」のことで、「最大寿命」は生物種ごとにほぼ決まっています。
この「最大寿命」は、劇的な進化がもたらされない限りは、大幅に更新されることはないため、「先天的な(生まれながらの)性質=遺伝情報」だと考えられます。
そのため、「死なない」ためにはこの遺伝情報を書き換える必要性があります。
ここで、博識な方から「江戸時代の寿命は50歳くらいだったんじゃないのか」と指摘されそうなので補足しておきます。
「江戸時代の人は短命」とよくテレビなどで聞くことがあるかもしれませんが、これは「平均寿命」であり、あくまで大ざっぱに推定した値です。
実際に、徳川家康は75歳、葛飾北斎にいたっては90歳という文献があるそうです。
つまり、ある程度の栄養管理ができていた人物は長生きする傾向にあったのかもしれませんね。
遺伝的に大きな変異がないと仮定すれば、江戸時代も現代と同じく130歳程度が最大寿命だったのではないかと推測されます。
 ところで、生物は必ず死ぬのでしょうか?
実は「寿命」という概念は「有性生殖」を行う生物に限った話です。
「有性生殖」とは、「オスとメスの遺伝子を半分ずつ子供が受け継ぐ」繁殖方法のことですね。
この方法では、時間と労力がかかり、
しかもオスとメスが出逢って交配を行わなければならないので非常に効率は悪くなります。
しかし、生まれた子供は両親の遺伝子を半分ずつ受け継ぐので、「新たな遺伝子の組み合わせをもつ=環境の変化に強くなる」という特性があります。
一方で、1個体だけで子孫を残せる「無性生殖」を行う生物もいます。
大腸菌などは栄養がある限り無限に増殖できるので、もとの1個体が倍々方式で増えていくだけで「死」という概念はありません。
この方法だと数自体は爆発的に増やせるのですが、子供の遺伝子は親と同じ(=クローン)なので、環境の変化に弱い傾向があります。
そのため、多くの無性生殖を行う生物は、特定の時期だけは有性生殖にシフトしています。
例えば、ゾウリムシの場合は1個体が分裂する通常の無性生殖のほかにも、2個体が合体して遺伝情報を交換した後で、また2個体に分かれるという奇妙な行動を起こします。
これも広い意味での有性生殖といえるでしょう。
「最大寿命は生物種ごとに決まっている」ということでした。
では、この「最大寿命」はなにによってもたらされるのか?
それが「老化」です。
【老化と寿命の関係・違い】
「老化」とは「体の機能が衰える現象」です。「最大寿命」が先天的に決めらた期間であったのに対し、「老化」は後天的な(生まれた後の)環境要因の影響も受ける現象です。
「老化」が原因、「寿命」が結果という関係です。
ヒトの老化の場合には、脳の萎縮や動脈硬化、視力の低下などさまざまな種類があります。
では、この老化はなにによってもたらされ、寿命とどう関係があるのでしょうか。
【ヒトが死ぬ理由ー1、細胞の老化(異常の蓄積)とテロメア】
1、異常の蓄積
「老化が死をもたらす原因」として、細胞の老化(=遺伝子の異常蓄積)が考えられます。
これらの変異は若うちはきちんと修復酵素が働き、変異の修復にあたるのですが、歳をとるにつれ次第に修復の正確さが低下していきます。
つまり、老化とともに「変異が蓄積した遺伝子」が増えていき、
その誤った遺伝子情報によって一部の組織が正常な機能を保てなくなります。こうして、「老化」が「寿命」へと繋がるのわけです。
【ヒトが死ぬ理由ー2、テロメア】
2、テロメア
次は「テロメア」がもたらす「細胞の老化」について説明します。
「テロメア」とは、「染色体の末端にある構造」でDNAを完全に複製させるために必要な余白の存在です。
「テロメア」がないと、DNAがコピーされるたびに端から順番に遺伝情報が抜け落ちていってしまいます。
他にも染色体の末端を保護する役割や細胞が染色体の末端だと識別しやすくする役割などもあり、
構造としては6つの塩基(TTAGGG)配列が~2,000回ほど繰り返されています。
この「テロメア」はDNAが複製されるたびに約20塩基程度短くなっていき、体細胞の場合は復元されることはありません。
「なぜテロメアが短くなるのか」という疑問に関しては、
『遺伝学のカテゴリー』で詳しく話そうと思うのですが、簡単に言えば、
「DNAの複製の開始地点として使われ、テロメアを復元させる酵素が抑制されているから」です。
抽象的ですが、もう少しだけ詳しく説明します。
まずDNAを複製するときに、そのコピーを少しずつ分割して行う過程があります(ラギング鎖の岡崎フラグメント)。
分割してコピーする時には、そのスタート地点が必要(RNAポリメラーゼ)なのですが、スタート地点になった場所だけはコピーできません。
そうすると、一番最後の末端部分だけはその「スタート地点」が置かれているせいでコピーできなくなりますよね。
もしコピーできないままだとDNAの情報が少なくなってしまうので、末端にはDNAとは関係ない適当なものを置こう!
そして置かれたのが「テロメア」ということになります。
つまり、「スタート地点」の場所を確保するために設けられたのが「テロメア」です。
整理すると、「DNAが複製されるたびにテロメアは短くなる」ということが言えます。
テロメアが半分ほどまで短くなると、DNAはほとんど複製することをやめ、細胞は老化の一途をたどります。
これが「テロメアがもたらす細胞の老化」、つまり「死」です。




岸良造

2018年5月13日 (日)

極小生命伝説の真相~ナノバクテリアの正体は炭酸カルシウム(CaCO3)?

きまぐれ生物学
リンク
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極小生命伝説の真相(2008.05.09)
近年,直径 0.5 μm 以下の極小の "ナノバクテリア" の存在と病原性への関わりが指摘され, その実在を巡って議論が行われています。Martel & Young (2008) はヒトの血中から報告されていた "ナノバクテリア" を検証し, その正体が非生物的な物質であるとの結論に至っています。
生物は,あるいは細胞はどこまで小さくなれるのか,という疑問は,生物の定義や細胞の成り立ち, あるいは地球外生命の話題まで含めてちょっとした問題になっていました。それと同時に "ナノバクテリア" が種々の病気, 胆嚢結石,腎結石,多発性嚢胞腎,関節リウマチ,HIV との重感染,卵巣癌,鼻咽腔癌,アルツハイマー病,慢性前立腺炎, などの病気に関与していることが指摘されています。ヒトの "ナノバクテリア" は 80-500 nm の大きさで, 0.2 μm のフィルターも通過するそうです。このような構造は体内によく見つかるそうで, ヒドロキシアパタイトの核形成に関与しているようです。
そこで "ナノバクテリア" の正体は何か,ということになると,最小の細胞であるとか,原始的な生命であるとか, 複数の仮説が存在し,他の "ナノバクテリア" の報告と合わせて真偽が議論されています。 "ナノバクテリア" が生物であるとの根拠としては,細胞培養液中での増殖(ただし遅い),特定の抗体への反応, そして細菌のような外見(分裂しているように見える)などが挙げられています。しかしながらヒトの "ナノバクテリア" からは信頼できるリボソーム RNA 配列は得られておらず,生物であるとの主張には疑問の声もありました。 そこで著者らは今回,"ナノバクテリア" が生物か否かを多角的に検証しています。
まず著者らは "ナノバクテリア" の判断基準として,電子顕微鏡下での細菌様の外見,約 3 日の倍加時間(遅い), ハイドロキシアパタイトの検出,そしてナノバクテリアへの抗体とされるもので染色されるもの, という 4 点を採用しました。次に 5 日間培養した血清に白い沈殿が生じているのを認め,これを詳細に調べました。 この沈殿中には走査電子顕微鏡で見るとナノバクテリア様の構造が存在し,分裂中に見える構造もあったそうです。 またハイドロキシアパタイトも含まれているものの,形態的には純粋なハイドロキシアパタイトの結晶ではないそうです。 ただ,血餅の液体画分から培養されたナノバクテリア様構造はハイドロキシアパタイトを含まないことも確認していて, ナノバクテリア様構造が少なくともハイドロキシアパタイトの結晶そのものではないことも指摘しています。
著者らはここで炭酸カルシウム(CaCO3)をナノバクテリア様構造の正体の候補として検証します。 炭酸カルシウムの沈殿の形成条件を色々と調べた結果,炭酸アンモニウム((NH4)2CO3) と塩化カルシウム(CaCl2)から炭酸カルシウムを生成する反応を DMEM(培地)中や血清中で行った場合に, 炭酸カルシウムの結晶とはまるで異なる球形の構造が得られました。球形の構造は "ナノバクテリア" とよく似ており, さらに分裂中の "ナノバクテリア" に見えるものもあったそうです。球形構造の形成にはタンパク質かマグネシウムイオン (Mg2+)のような二価陽イオンが働いていると見られています。
著者らは "ナノバクテリア" の培養下での増殖を化学的に説明できることも指摘しており,DMEM 中では生成しない沈殿が, DMEM と血清を混ぜ,二酸化炭素を添加することで生成することを確かめています。ここでは血中のカルシウムイオン (Ca2+)と炭酸イオン(CO32-) の反応で炭酸カルシウムが生成していると考えられました。
さて,おそらく最も重要な検証はナノバクテリアを特異的に認識するとされる抗体の検証です。この抗体は牛由来の "ナノバクテリア" を摂取されたマウスの細胞から得られたもので,Nanobac Oy という会社から購入できます。 著者らがその内の 8D10 と 5/3 を調べた結果,どうやらこれらの抗体は血清アルブミンを認識していることがわかりました。 そしてアルブミンが炭酸カルシウムの結晶化を抑えて球形の構造の生成に関わっているとすれば, これらの抗体がナノバクテリア様構造に反応することも理解できます。
結局,"ナノバクテリア" の正体は生物ではなくタンパク質を含んだ炭酸カルシウムの沈殿である可能性がでてきました。 著者らは "ナノバクテリア" が生物なのかどうかの検証として,強い(30 kGy)ガンマ線照射も行いましたが, "ナノバクテリア" の出現には影響なかったそうです。加えてナノバクテリア様構造は目が 0.1 μm 径のフィルターを通した血清からも得られており,生物だとすれば直径 100 nm 以下ということになります。 しかし細胞内に DNA 複製装置などの構造が必要と考えれば,径 200 nm 以下の細胞は考えにくいとされているとのことで, これもナノバクテリア様構造が生物である可能性を否定します。
ナノバクテリア様構造は健康なヒトの血清からも生成したことから,病原性との関連も否定され, 病原性のナノバクテリアという概念はどうやら大きな間違いだったようです。既知の生物とは本質的に異なる生命, というロマンがしぼんでしまうのは残念ですが,"ナノバクテリア" の存在は理解に苦しむところもあったので, 半ばほっとするところもあります。しかし血中での炭酸カルシウムやハイドロキシアパタイトの沈着自体は起こりうるわけで, その医学上の意義自体は今後独立に調べられていくのかも知れません。 なお最後に,直径がおよそ 200 nm の確かな最小の生物が知られていることは付記しておきましょう (最小の生物はちょっとシャイ?)。



岸良造

2018年5月 5日 (土)

数十年の間、休眠状態で過ごし、雨が降ると繁殖活動を行う細菌がいる。

微生物は、温度や乾燥などの変化に弱く、環境が変わると直ぐに死滅してしまうと考えがちですが、そうでもないらしい。
数十年の乾燥に耐え、雨が降ると爆発的に繁殖を始めるタフな微生物が発見された記事を紹介します。
数十年、乾燥に耐えてタフに生きながらえているのか?
それとも、乾燥時は一旦、生命から物質と化し、水によって生命を再開するのか?
記事では火星での存在が示唆されていますが、そもそも星(物質)と生命がそれぞれ別々の存在なのか?
生命とは何か?を問う現象だと思います。
Forbes
リンク
より引用
火星で生命発見の可能性を示す「超タフな微生物」の存在
地球上で最も過酷な環境で生きる微生物の存在が、火星のような場所でも生物が発見される可能性を示唆している──。南米のアタカマ砂漠は雨が降るのが数十年で一度と言われるほど、乾燥した環境だ。しかも、地中の塩分の含有量が極めて高く、有機物はほとんど存在しない。
そのアタカマ砂漠の環境に適応する微生物の存在を、ワシントン州立大学の惑星専門家であるDirk Schulze-Makuchが率いるチームが確認した。数十年の間、休眠状態で過ごし、雨が降ると繁殖活動を行う細菌がいるという。
「信じられないほど過酷な環境を生きぬく生物を発見して、興奮している」とSchulze-Makuchは声明で述べた。「地球の最も乾燥した地域で生きている生物がいるということは、火星でも同じように生きながらえている生物がいる可能性を示している」
機関誌「米国科学アカデミー紀要」に発表された論文によると、研究チームは2015年にアタカマ砂漠に雨が降った際に、偶然そこに居合わせた。その時、地中での生物活動が爆発的に増えたことを確認し、繁殖活動を行っている固有種の微生物を特定するためにゲノム解析を行った。
「アタカマ砂漠の地中で実際に生きている生物を特定できたのは初めてのことだ。今回発見されたような微生物群は、たとえ火星のような環境であっても、数百年から数千年もの間を休眠状態で過ごし、雨が降った際に再び生き返る」とSchulze-Makuchは論文で述べた。
火星でも数十億年前には小さな海や湖があったことが分かっており、生命体が誕生していたとしたら同じような方法で生きのびている可能性もある。
「火星の土の中には氷が存在し、夜間には雪が降ることや高い湿度による現象が発生することが最近の研究で分かった。現在は地表が極めて乾燥しているものの、火星にかつて生物が存在したとしたら、今も地中で生きている可能性がある」とSchulze-Makuchは言う。
Schulze-Makuchたちは、次は南極大陸のドンファン池で生物を探すという。この池はあまりに塩分濃度が高いため、マイナス60度以下になっても凍ることがないという。
 




田村正道

2018年5月 1日 (火)

光合成ではなく、大気の微量成分からエネルギーを得る南極の微生物

低温で栄養素に乏しい南極の土壌に棲む微生物群集が、光合成ではなく微量ガスの酸化からエネルギーを獲得している、ことが最近の研究成果で示された。
>不食で生きられる人というのは、確かに存在するようです。彼らは、食物から栄養を取らなくとも、空間からエネルギーを摂取できる能力を身に着けているようです。(298319 何も食べず、何も飲まない人々)
生物に大気からエネルギーを得る機能が備わっているならば、「不食」も可能かも知れない。
以下、「大気の微量成分からエネルギーを得る南極の微生物」リンク より
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低温で栄養素に乏しい南極の土壌に棲む微生物群集が、光合成ではなく微量ガスの酸化からエネルギーを獲得していることが、先進的なゲノム解析手法によって示唆された。
南極大陸が完全に氷で覆われているわけではないと聞くと、意外に思う人もいるかもしれない。無氷地帯は南極大陸の0.4%に満たないが、この地域の土壌の大部分は、水浸しから超乾燥状態まで、一般的な生物にとって過酷な条件が混在した状態であり、南極半島を別にすれば、この極端な土壌条件により多細胞植物の生育は阻まれている。その結果、南極大陸の寒冷な砂漠地帯では、重要な生態系サービスの多くが細菌によって提供されている。極めて重要なエネルギー捕捉過程の1つに、光によるシアノバクテリアの光合成がある。この過程では、大気中の二酸化炭素ガスがこの微生物の有機分子に固定される。今回、ニューサウスウェールズ大学(オーストラリア・シドニー)のMukan Jiらは、南極の極限的な(シアノバクテリアが少ない、または全く存在しない)陸上環境では、光合成とは異なるエネルギー捕捉機構が働いている可能性を示し、これまでほとんど知られていなかったこの機構について、Nature 2017年12月21日号400ページに報告した。




 
斎藤幸雄

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