根元に生えている雑草やキノコ、幹を駆け回るリス、枝にとまる鳥、そしてその風景を写真に撮る写真家には、木の共通点があります。 それらはすべて、ゲノムと細胞機構を膜で囲まれた区画にきちんと詰め込まれており、これは真核生物と呼ばれる非常に成功した生命体のグループにそれらを配置する組織システムです。

真核生物の初期の歴史は、現代生命がいつ始まり、どのように進化したのかを理解したいと願う科学者を長い間魅了してきました。 しかし、地球の歴史を遡って最古の真核生物を追跡することは困難でした。 限られた化石データは、最初の祖先が少なくとも1.6億年前に出現したことを示しています。 さらに、それらの存在を示す決定的な証拠は他にも見つかっていません。 真核生物は特定の特徴的な分子を生成し、残しているはずですが、それらの分子の化石化したバージョンが岩石の記録に現れるのは800億年前までです。 真核生物の初期の歴史におけるこの説明のつかない800億年のギャップは、今日の複雑な生命すべての最後の共通の祖先が最初に誕生した重要な時期であり、初期生命の物語を謎に包み込んでいる。

「私たちが最古の真核生物であると考えているものの化石記録と、真核生物の最初の…バイオマーカー証拠との間には、大きな時間的ギャップがあります」と同氏は述べた。 ゲイレン・ハルバーソン、モントリオールのマギル大学の教授。

この矛盾したギャップについては、さまざまな説明が可能です。 おそらく、当時は真核生物が不足しすぎて分子化石の証拠を残せなかったのでしょう。 あるいは、それらは豊富にあったのかもしれませんが、その分子化石は地質時代の過酷な条件に耐えられなかったのかもしれません。

最近の研究では、 自然 は、別の説明を提供しています。科学者たちは、これまでずっと間違った化石化分子を探していたのかもしれません。 研究著者らが他の人が探していた化学物質のより原始的なバージョンを探したところ、それらは大量に発見され、800億年から少なくとも1.6億年前に生きていた真核生物の「失われた世界」と彼らが表現したものを明らかにした。

「これらの分子はずっとそこにありました」と彼は言いました ヨッヘン・ブロックスキャンベラにあるオーストラリア国立大学の地球化学者で、当時の大学院生と共同研究を主導した ベンジャミン・ネッタースハイム。 「彼らがどのような姿をしているのか分からなかったため、見つけることができませんでした。」

この発見は、初期の真核生物の動態に新たな明確さをもたらします。 これらの分子化石の豊富さは、現代の真核生物の祖先が引き継ぐ前に、原始的な生物が海洋で何億年も繁栄し、いつか私たちが目にする動物、植物、菌類、原生生物に進化するであろう生命体の種を蒔いたことを示唆しています。今日。

「これは、これらの非常に異なる記録を調和させるように見える洗練された仮説です」と、この研究には関与していないハルバーソン氏は述べた。 「そうすることで、すべてが意味をなすようになるのです。」

この発見は、次のような古生物学者にとって歓迎すべきニュースだった。 フィービー・コーエン、マサチューセッツ州ウィリアムズ大学の地球科学部長 何かが足りないと長い間思っていた バイオマーカー記録にあります。 「動物が進化する前には生命の豊かでダイナミックな歴史がありますが、それは目に見えないため理解するのが難しいのです」とコーエン氏は言う。 「しかし、それは基本的に今日の世界の舞台を設定するものであるため、これは非常に重要です。」

原始ステロイドのパズル

化石記録が圧倒的に少ない場合、科学者は、進化の系統図において異なる種がいつ互いに分岐したかを推定する別の方法を持っています。 これらのツールの中で主なものは分子時計です。分子時計は、一定の速度で変異する一連の DNA であり、科学者が時間の経過を推定できるようにします。 分子時計によると、クラウングループとして知られる多様な生物群に属する現生真核生物の最後の共通祖先は、少なくとも1.2億年前に初めて出現した。

しかし、真核生物の話はそこから始まるわけではありません。 幹細胞グループとして知られる他の初期真核生物は、私たちの最初の共通祖先が進化する前に何億年も生きていました。 研究者は、それらが存在したという事実以外、それらについてほとんど知りません。 発見された少数の古代真核生物の化石は、幹なのか王冠なのか特定するには曖昧すぎます。

説得力のある体化石が存在しない場合、研究者は分子化石を探します。 分子化石は体の化石とは別に保存されており、科学者にとって特定するのは困難な場合があります。 まず、どの分子が研究対象の生物によってのみ生成された可能性があるかを特定する必要があります。 次に、それらの分子すべてがうまく化石化するわけではないという事実に対処しなければなりません。

有機物質はさまざまな速度で崩壊し、真核生物の一部の部分は他の部分よりも岩石中でより良く保存されます。 組織が最初に溶解します。 DNA はより長く存続する可能性がありますが、長すぎることはありません。これまでに発見された最古の DNA は約 2 万年前のものです。 しかし、脂肪分子は数十億年も生存できる可能性があります。

真核生物は、細胞膜の重要な成分であるステロイドの一種であるステロールとして知られる脂肪分子を大量に生成します。 細胞膜の存在は真核生物であることを示しており、脂肪分子は岩石中に残留する傾向があるため、ステロールはこのグループにとって頼りになる分子化石となっています。

現代の真核生物は、動物のコレステロール、植物のフィトステロール、菌類と一部の原生生物のエルゴステロールという 11 つの主要なステロールファミリーで動作します。 それらの合成は線状分子から始まり、細胞がそれをXNUMXつのリングに成形し、結果として得られる形状が膜に完全に適合するようにするとブロックス氏は述べた。 そのプロセスには多くの段階があります。動物細胞がコレステロールを作るにはさらに XNUMX つの酵素ステップが必要ですが、植物細胞がフィトステロールを作るにはさらに XNUMX の酵素ステップが必要です。

高度なステロールを構築する途中で、細胞はプロセスの各ステップで一連のより単純な分子を作成します。 人工膜に差し込むと、これらの中間ステロールでさえ、細胞が本来機能するために必要な透過性と剛性を提供します。 生化学者のコンラート・ブロックは、その発見の功績により1964年にノーベル賞を受賞した。 コレステロールを作る細胞のステップ、「それには当惑した」とブロックス氏は語った。 より単純な分子で十分に機能するのに、なぜ細胞はより複雑なステロールを作るために余分な努力をするのでしょうか?

1994 年にブロックは、これらの中間ステロールのそれぞれがかつては祖先真核細胞の膜で使用される最終生成物であったと予測する本を書きました。 追加のステップごとに、より多くの細胞エネルギーが必要になった可能性がありますが、結果として得られた分子は前の分子よりもわずかに改善されており、前駆体を打ち負かし、進化の歴史に定着するには十分なアップグレードでした。

それが本当であれば、約800億年前に現代の真核生物が急速に拡大するまで、なぜ誰もステロールの分子化石を発見できなかったのかが説明されることになる。 研究者たちは、岩石の記録の中からコレステロールやその他の現代の構造を探していました。 彼らは、古代の生化学経路はもっと短く、ステムグループの生物が現代のステロールを作らず、プロトステロールを作っていたことを認識していませんでした。

分子コーヒー粉砕

ブロックス氏の死後約2005年後のXNUMX年、ブロックス氏らは次のように報告した。 自然 最初のものは、そのような中間分子がかつて存在したことを示唆しています。 彼らは古代の堆積物で、彼らが認識していない異常な構造のステロイドを発見しました。 しかし当時、ブロックス氏は真核生物がそれらを作成した可能性があるとは考えていませんでした。 「当時、私はそれらが細菌性のものであるとかなり確信していました」と彼は言いました。 「ステムグループ真核生物の可能性については誰もまったく考えていませんでした。」

彼は古代の岩石のサンプリングを続け、これらの興味深い分子を探しました。 研究を始めて約XNUMX年後、彼とネッターシャイムは、岩石サンプル中の分子構造の多くが「原始的」に見え、細菌が通常作るものとは異なっていることに気づいたとブロックス氏は語った。 それらはブロックの中間体ステロールでしょうか?

彼らにはさらなる証拠が必要でした。 その後の XNUMX 年間、ブロックス氏とネッターシャイム氏は石油会社や鉱山会社に連絡を取り、掘削遠征中に偶然発見した古代の堆積物のサンプルを要求しました。

「ほとんどの人は XNUMX つの例を見つけて公開したでしょう」と彼は言いました。 アンドリューノールハーバード大学の自然史教授だが、この研究には関与していない。 （彼は何年も前にブロックスの博士研究員でした。）「ヨッヘンは XNUMX 年の大半を原生代の岩石を世界中から観察することに費やしました。」

一方、研究者らは堆積物中の分子を特定するための検索テンプレートを作成した。 彼らは、ステロール合成中に作られた現代の中間分子を、地質学的に考えられるステロイド相当物に変換した。 （たとえば、コレステロールはコレスタンとして化石化します。）「分子がどのようなものかを知らなければ、それを見ることはできません」とブロックス氏は言います。

研究室では、「コーヒーを作るのに少し似た」プロセスを使用して、堆積物サンプルから化石分子を抽出したとネッターシャイム氏は語った。 岩石を粉砕した後、有機溶媒を加えて中の分子を抽出しました。これは、焙煎して粉砕した豆からコーヒーを抽出するために熱水を使用するのと同じです。

サンプルを分析し、基準と比較するために、分子の重量を決定する質量分析法と、原子構成を明らかにするクロマトグラフィーを使用しました。

そのプロセスは大変です。 「何百もの岩石を分析しても何も見つかりません」とブロックス氏は言う。 何かが見つかった場合、それは最近の汚染であることが多いです。 しかし、分析したサンプルが多ければ多いほど、より多くの化石が発見されました。

いくつかのサンプルはプロトステロイドで満たされていました。 彼らは、800億年から1.6億年前の岩石中の分子を発見した。 古代の真核生物は、現代の真核生物が出現する前の約800億年にわたって存在していただけでなく、豊富に存在していたようです。

研究者らは、真核生物のステロイドがより複雑になるにつれて、その進化の過程を認識することさえできた。 たとえば、1.3億年前の岩石からは、1.6億年前の原始ステロイドよりも進化しているが、現代のステロイドほどは進化していない中間分子が発見された。

「これは分子化石の失われた記録に対処するための非常に賢明な方法でした」と彼は言った。 デビッドゴールドカリフォルニア大学デービス校の地質生物学者だが、この研究には関与していない。 彼らの発見は、現代の生命がどのようにして誕生したかについての 800 億年の空白を即座に埋めました。

失われた世界

専門家らによると、遺伝子データや化石データと合わせた分子発見により、約1億年前の謎に満ちた原生代中期の初期真核生物の動態がこれまでで最も明確に明らかになったという。 ブロックスとネッターシャイムの証拠に基づくと、幹グループと王冠グループの真核生物はおそらく数億年にわたって共存し、地質学者がそのゆっくりとした生物学的進化を「ボーリングビリオン」と呼んでいる期間中に互いに競争していた可能性が高い。

この時期にはより近代的なステロイドが存在しなかったことは、クラウングループがすぐには定着しなかったことを示唆しています。 むしろ、膜結合生物は古代の生態系にニッチを見つけて小さく始まった、とゴールド氏は述べた。 「（真核生物が）生態学的に優勢になるには長い時間がかかります」と彼は言う。

最初はステムグループが有利だったかもしれません。 大気中の酸素濃度は現在よりも大幅に低かった。 プロトステロールの構築には、現代のステロールが必要とする酸素とエネルギーよりも少ない酸素とエネルギーしか必要としないため、ステムグループの真核生物はより成功し、豊富に存在した可能性があります。

世界がトニアン時代として知られる重大な移行期に達すると、彼らの影響力は低下しました。 1 億年から 720 億 XNUMX 万年前の間に、酸素、栄養素、その他の細胞原料が海洋で増加しました。 藻類や菌類などの現生真核生物の化石が岩石記録に現れ始め、化石バイオマーカーでは現生ステロイドの数が原始ステロイドを上回り始めます。これは、クラウングループの真核生物が繁栄し、数が増加し、多様化し始めたことを示唆する証拠です。

なぜステロールは時間の経過とともにより複雑になるのでしょうか? 著者らは、より複雑なステロールがその所有者に進化上の何らかの利点を与え、おそらく生物の細胞膜のダイナミクスに関連していると示唆した。 理由が何であれ、ステロールの変化は進化的に重要でした。 現代のステロールの構成により、クラウングループの真核生物がステムグループよりも優位になったと考えられます。 最終的に、「古代真核生物のこの失われた世界は、現代の真核生物に取って代わられた」とブロックス氏は語った。

細菌性のシワ

研究者らの進化ステロールの話は説得力があるが、盤石ではない。

彼らの解釈が正しければ「私は驚かない」とゴールド氏は語った。 ただし、別の可能性もあります。 科学者はステロールを真核生物と結びつける傾向がありますが、一部の細菌もステロールを生成できます。 研究対象となった分子化石は、細菌によって残されたものではないでしょうか?

ゴードン・ラブカリフォルニア大学リバーサイド校の地球化学者は、細菌のシナリオの方が理にかなっていると考えています。 「これらの原始ステロイドは、あらゆる年代の岩石の中に存在します」と彼は言う。 「それらは単に消えるわけではありません。つまり、幹真核生物以外の何かがそれらを作ることができることを意味します。」 彼は、当時海を支配していた細菌が原始ステロイドを容易に生成できた可能性があると主張した。

著者らはその可能性を排除できない。 実際、化石分子の一部は細菌によって作られたのではないかと彼らは疑っている。 しかし、ブロックス氏は、数億年にわたる化石化した原始ステロイドの膨大なコレクションが完全に細菌によって作られた可能性は低いように思われると述べた。

「今日のこれらの細菌の生態とその存在量を見れば、これらすべての分子を生成できるほど細菌が大量に存在する可能性があると信じる理由は全くありません」と彼は言う。 現代世界では、細菌は熱水泉やメタン湧出などのニッチな環境でのみプロトステロールを生成します。

ウィリアムズ大学の古生物学者であるコーエン氏もブロックス氏の意見に同意する。 これらの分子が真核生物によって作られたという解釈は、化石記録から分子時計分析に至るまで「他のあらゆる証拠と一致している」と彼女は述べた。 その可能性については「それほど心配していない」と彼女は言う。

どちらの解釈でも、答えよりも多くの疑問が生じます。 「どちらの話もまったく奇妙だ」とブロックス氏は語った。 それらは「私たちの世界に対する異なる見方」であり、どちらが真実であるかを知ることができれば素晴らしいと彼は付け加えた。

タイムマシンがないため、研究者らは何らかの形で確信度を高めるためのさらなる証拠を探している。 しかし、古代の生命を再現したり認識したりする方法は限られており、科学者の最善の推測でもそのギャップを完全に埋めることはできません。 「ほとんどの生命は地球上に何の痕跡も残さなかった」とネッターシャイム氏は語った。 「私たちが目にできる記録は限られています。 …地球の歴史のほとんどにおいて、生命は大きく異なって見えたかもしれない。」

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