生物学の大きな規則を破った小さな細胞

何十年もの間、ジョン・ゼーア氏は、存在を知りながらも見ることができない生物に悩まされていました。 それは、1990年代に研究船の上で始まったのです。 ゼーア氏は、窒素固定細菌、つまり空気中から元素を直接取り込み、それを植物や動物が利用できるようにする単純な微生物生命体を研究していました。 当時の科学者は、海全体で窒素固定細菌の一種しか真剣に研究していませんでしたが、ゼーア氏はそれを変えたいと思っていました。 彼の計画は、海水サンプルを収集し、他の科学者が見逃した何かを見つけられることを願うことでした。 左：研究船に乗船するジョン・ゼーア氏（中央下）。右：ゼーア氏が研究室で窒素固定細菌を研究している様子。提供：ジョン・ゼーア氏。 ゼーア氏の計画には、当時としてはかなり最先端の技術、つまりDNAが含まれていました。 彼は海水サンプルを収集し、細菌が空気中から窒素を引き出す能力を与える酵素であるニトロゲナーゼの遺伝子の存在を調べるテストを行いました。 もしヒットすれば、海水に新しい種類の窒素固定細菌が含まれていることを意味するはずでした。 そしてそれはうまくいきました。 ほぼすぐに、彼は科学に未知の窒素固定細菌の一種の痕跡を発見しました。 遺伝子自体を見ると、この新しい細菌がどのように見えるべきかについて、かなり良いアイデアを得ることができました。 それはおそらく3マイクロメートルのサイズの単細胞シアノバクテリアであり、顕微鏡下でオレンジ色に蛍光を発するはずでした。 期待に胸を膨らませて、彼は海水サンプルを顕微鏡で覗き込み、その細菌があちこちにあることを期待しました。 しかし、何も見つかりませんでした。 適切な説明に一致する生物はサンプルにはいませんでした。 驚いたゼーア氏は、プロセスを何度も繰り返しました。 彼はハワイの熱帯海域やカリブ海の南部、そして北極の冷たい海域から海水サンプルをテストしました。 何度も、遺伝子のシグネチャは現れましたが、目に見える細菌は現れませんでした。 まるで動物のいない足跡を発見したかのようでした。 しかし、彼は探し続けることをやめませんでした。 彼は、どんな新しい発見も地球の壊れやすい窒素循環において重要なつながりを表す可能性があることを知っていました。 「これは、地球規模で重要なので、追いかけ続けました」とゼーア氏は言いました。 ジョンの執着を理解するには、地球上のすべての生命の中心にある、奇妙な生物学的制約、ある科学者が言ったように「残酷なジョーク」から始めるのが役立ちます。 それは次のようなものです：すべての生物は生存のために窒素元素を必要とします。 それはタンパク質、DNA、RNAの主要な構成要素です。 しかし、私たちの大気は窒素で完全に満たされているにもかかわらず、生物が実際に使用できる形で空気中から窒素を引き出すことができる唯一の酵素は、酸素の存在下では基本的に分解してしまいます。 そのため、植物、動物、菌類は常に空気中の窒素に囲まれているにもかかわらず、自分でそれを手に入れることができません。 実際にこれを成し遂げることができる唯一の生物は、酸素なしでやっていけるものです：非常に単純な細菌と古細菌です。 これは、地球上の全生物界が、比較的少数の微細な種に依存して、より複雑な生命形態が利用できる窒素を作り出していることを意味します。 動物、植物、菌類は、窒素のために細菌や古細菌のような単純な微生物に依存しています。ジェシー・ニコルズ / Grist この生物学的なボトルネックは、人類文明に大きな影響を与えてきました。 窒素は肥料の主要成分です。なぜなら植物は成長するためにそれを必要とするからです。 土壌を窒素で豊かにすることは作物の収穫量を劇的に増加させます。これは成長する人口を養うために重要です。 数世紀前、肥料は非常に不足しており、国々は窒素が豊富な鳥の糞で覆われた島々をめぐって戦争をしました。 20世紀初頭、ドイツの科学者は合成肥料、つまり実験室で作られた肥料を作成する工業的方法を開発しました。 この発明は何十億人もの人々を飢餓から救いましたが、環境にも大混乱をもたらしました。 合成肥料の生産には膨大なエネルギーが使用され、肥料の過剰使用は水を汚染し、海に巨大な「デッドゾーン」を引き起こすほどでした。 これらの二律背反の問題（窒素が多すぎることと少なすぎることの結果）は、科学者たちに自己肥料を生成する植物のような革新について思索させてきました。 しかし、これらの夢にもかかわらず、研究者たちは独自の窒素を固定できる複雑な生命形態を開発することができませんでした。 生命の木の複雑な側から来るどんな生物も空気中から窒素を引き出すことはできないというのは、生物学の鉄則であるように見えました。 ジョン・ゼーア氏の特定の種類の窒素固定細菌が、通常の規則に従っていないように見えたことは、それをさらに不可解なものにしていました。 彼の研究チームはその生物のDNAを十分に持っていましたが、実際の生物はいませんでした。 それだけでなく、彼らがそれを研究すればするほど、細菌のDNAはますます意味をなさなくなっていきました。 遺伝子マーカーから光合成細菌であることがわかりましたが、実際に光合成する遺伝子を持っているようには見えませんでした。 実際、それはその全ゲノムの約80％を失っているように見え、生存に技術的に必要とされるはずのいくつかの遺伝子さえも失っていました。 その生物は、完全な細菌というよりは、欠如の集合体のように見えました。 どうやって生きているのか？ このパズルを何年も研究した後、ゼーア氏はパターンに気づき始めました：謎の細菌のDNAを含むすべての海水サンプルに、ある特定の種類の藻類のDNAも含まれていました。 もし彼が顕微鏡で細菌を決して見なかった理由が、それが他の生物のすぐ近くに隠れていたからだとしたらどうでしょうか？ それは、細菌が失われた遺伝子をすべて持っているにもかかわらず、どのように生き残ることができたのかを説明するかもしれません。 ゼーア氏は、その藻類が彼が何十年も追い求めてきた失われたピースであると疑い始めました。 彼が知らなかったのは、世界の反対側から同じパズルのもう半分を解決しようと何年も費やした誰かがいたということでした。 彼女の研究は他の誰にも役に立たないと言われたにもかかわらず、日本の科学者であるキョウコ・ハギノ氏は、ブラアラドスフェラ・ビゲロウィイという種類の藻類を何十年も研究していました。ナオトモ・ウメワカ / Grist キョウコ・ハギノ氏は、日本の高知出身の藻類科学者です。 ジョン・ゼーア氏と同様に、彼女の物語も1990年代後半に、彼女のキャリアの方向を変えた微生物から始まりました。 彼女は古生物学の研究チームの一員で、地球の過去の気候に関する情報をまとめるために、海底の小さな藻類の化石を研究していました。 彼女が調べた無数の微細な化石の中で、彼女を完全に魅了したものが一つありました。 それはブラアラドスフェラ・ビゲロウィイという種類の藻類でした。 ハギノ氏は愛情を込めてそれを単に「ビゲロウィイ」と呼んでいます。 ビゲロウィイの生涯のある時点では、それは美しい幾何学的な殻で自分自身を囲みます。そしてハギノ氏は、サンプルの至る所でこれらの五角形の骨格を見つけました。 「私が初めてビゲロウィイを見つけたとき、それはとても美しい形だと思いました」と彼女は言いました。「宝石のような非常に美しい形をしています。」 しかし、その中に生きる藻類については誰も何も知りませんでした。 これがハギノ氏が研究したかったことでした。 しかし、他に誰も彼女の魅力を共有していないようでした。 ブラアラドスフェラ・ビゲロウィイの宝石のような石灰化（左）と非石灰化（右）の形態。提供：キョウコ・ハギノ氏。 「私が最初に研究を始めたとき、当時の私のボスはそれに反対しました」と彼女は言いました。「[私は]誰も読まないような研究をしても、仕事にはならないと言われました。」 当時、ハギノ氏は大学での職を見つけるのに苦労していました。 同時に、彼女は幼い子供たちの世話をしていました。 そして、夫が仕事を見つけた新しい街に引っ越していました。 彼女の人生のすべてが、それをやめて別のことを研究するようにという明確なメッセージを送っているように見えました。 しかし、ハギノ氏はそれをやめることができませんでした。 何らかの理由で、この藻類には彼女を完全に魅了する何かがあり、彼女はそれについてすべてを学びたかったのです。 たとえそれを自分で研究することになったとしても。 そこでハギノ氏と娘は、このとらえどころのない藻類を見つけることを願って、海岸への旅行を始め、海水サンプルを収集しました。 何年にもわたって、彼らは何百回もの旅行をしました。 彼らは行った