クシクラゲ：生物学の驚異

クシクラゲは美しいだけではない。生物学の驚異なのだ。

クシクラゲは、初期の神経系がどのように進化したかから、生物発光がどのように機能するかまで、生物学の根源的な問いに答えるのに役立っている。

約7億年前、光るゼラチン状の塊にすぎないような生物のグループが、他の動物から分かれ出て、おそらく最も初期の動物系統を形成した。現在、クラゲとは無関係であるクシクラゲ（一般にComb jelliesとして知られる）は約200種が、海の冷たい深海から暖かい沿岸の水域まで、さまざまな環境に生息している。その魔法は、その持続性や虹色に輝くだけでなく、そのDNAにある。

過去10年間、クシクラゲは、初期の神経系がどのように進化したかから、魅惑的な生物発光現象の起源に至るまで、生物学の根源的な長年の疑問に答えるのに役立ってきた。

「このような多様な環境にわたる近縁種にアクセスできると、高圧への適応や光感知遺伝子など、特定のものがどのように進化したかという問いを立てることができます」と、モントレー湾水族館研究所でクシクラゲを研究する海洋生物学者のスティーブン・ハドックは述べている。

「それが私たちがクシクラゲを研究する理由の一つです」と、ベルゲン大学でニューロンと神経系の起源と進化を研究する進化生物学者のパベル・バークハルトは言う。「彼らは非常にエキサイティングな研究対象であり、同時に非常に美しい生物でもあります。」

1世紀以上にわたり、科学者たちは海綿動物（海綿類）が最初に分岐した、つまり他のすべての動物の姉妹群であると考えていた。しかし、過去20年間で、クシクラゲがより古くから存在するという証拠が現れてきた。2023年、バークハルト氏によると、研究室間でどちらのグループが先に分岐したかを議論する「ピンポンゲーム」の年を経て、染色体編成を分析した画期的な論文により、海綿ではなくクシクラゲが姉妹群であることが判明したが、これはまだ完全に決着していない。

［画像: クシクラゲが姉妹群であるという系統樹の見た目。］

Kristina Armitage/Quanta Magazine

このすべてをさらに驚くべきものにしているのは、海綿動物には筋肉や神経系がないのに対し、クシクラゲには筋肉があり、単純な神経系の証拠を示していることだ。「最も初期に分岐した動物系統を考えると、より少ない複雑性を期待するでしょう」とバークハルト氏は言う。「それは、最初の動物がどのように見えたかについての多くの仮定を変えます。」

クシクラゲを研究すればするほど、それらはより複雑に見え、動物の生命の起源についてより多くを学ぶことができる。一部の種は最近、成体から幼生段階へと発達を逆転させることが観察されている。他の種は、深海での極度の圧力に耐えるのに役立つ特殊な種類の脂質を持っている。それらは、ますます複雑な体の形の進化の手がかりを握っている。

奇妙に見えるかもしれない生物を研究することは、生命の物理的、化学的、生物学的原理について多くのことを教えてくれるため、非常に重要であり、それは私たち自身にも応用できると、カリフォルニア大学サンディエゴ校で細胞膜を研究する生物物理学者のイタイ・ブディンは述べている。「私たちは、クシクラゲとクラゲほど遠い関係にあります。」

［画像: 黒い水に浮かぶ半透明の蝶ネクタイ型のクシクラゲ。縁には虹色の光が波打っている。］

バークハルトの研究室は、体積電子顕微鏡を使用して、Mnemiopsis leidyi の17種類のユニークな細胞タイプを特定しました。そのうち11種類は、アボラル器官（中心部）と呼ばれる非常に重要な構造にある、これまで知られていなかったものです。これらの細胞は、クシクラゲが光、圧力、重力を感知するのを助け、アボラル器官は神経系を形成する融合ニューロンの連続ネットワークと密接に統合されています。「特定の場所にニューロンが多く集まっていることは、最初の脳がどのように進化したかについての1つの理論です」とバークハルト氏は述べています。この研究は、2026年3月にScience Advancesに掲載されました。

Alexandre Jan, Michael Sars Centre/University of Bergen

［画像: クシクラゲの内部構造の一部を色分けした3Dデジタル再構築。マゼンタ色のメッシュが神経網のドーム状の足場を形成し、その中にピンクと青の塊状の構造があり、緑色の管状の突起が側面から伸び、小さな黄色の星形のクラスターが散在している。］

神経系は通常、シナプスを介して通信するニューロンのネットワークとして定義されます。しかし、バークハルトの研究室はクシクラゲにユニークなものを見つけました。動物の外表面の下には神経網（この3D再構築ではピンク色のメッシュ）があり、そのニューロンは連続した細胞質で接続されていますが、それらの間にシナプスはありません。「他の動物でこのような神経系を持つものは他にないと思います」とバークハルト氏は述べています。クシクラゲは動物の系統樹の最も初期の分岐の一つであるため、この発見は、進化が神経系を2度、クシクラゲで一度、そしてクラゲや他のすべての動物で別々に作り出した可能性を示唆しています。

Pawel Burkhardt

［画像: 黒い背景に対して、縁にわずかに見える繊毛の列を持つ白い光を放つ半透明のクシクラゲ。］

ゲノム調節は、遺伝子がいつどこでオンオフされるかを決定する上で基本的です。しかし、ゲノムの長い範囲では、このプロセスはより複雑になり、DNAとタンパク質が物理的にループ状に折りたたまれる必要があります。研究者たちは、これが多細胞生物が新しい遺伝子を進化させる必要なしに特殊な細胞を発達させることを可能にする上で重要であったと考えています。「これらは、細胞タイプの専門化や複雑な組織の構築に不可欠です」と、バルセロナのゲノム規制センターでゲノム調節を研究する進化生物学者のアナル・セベ＝ペドロスは述べています。クシクラゲM. leidyi（写真）は、わずか1億塩基対のゲノムに4,000以上のループを持っています（人間のゲノムの30億塩基対と比較して）。これは、ループ状のDNAが科学者が考えていたよりも1億5000万年早く進化した可能性を示唆しています。

Joan J. Soto-Angel

［画像: 緑色に光る生物発光する丸い半透明のクシクラゲ。］

海洋生物の多くの種は、生物発光によって自ら光を生成することができます。他の発光する多細胞生物の最も遠い親戚の一つとして、クシクラゲはそのゲノムに、これがどのように、そしてなぜ進化したかを示す手がかりを秘めています。ハドックのチームは、光らないいくつかのクシクラゲ種には、発光化学物質であるコエレンテラジンを合成するのに役立つと思われる遺伝子がないことを発見しました。その後の研究で、発光するクシクラゲの全長遺伝子が特定されました。「それは、海で最も豊富で広範囲に存在する発光分子です」とハドック氏は述べています。それはコペポーダ、エビ、イカ、軟体動物などに現れます。「これらのものが生命の木全体にわたって独立して出現した理由を説明するのは難しいです」とハドック氏は言います。「彼らは、すべてが持っている何らかの前駆体遺伝子を共用し、それを異なる目的で使用するために変更しているのかもしれません。」

S. Haddock/MBARI/The Bioluminescence Web Page

［画像: 3つのパネルからなる複合画像。左は、表面に小さな明るい色の生物が乗った半透明のクシクラゲ。中央は、側面から見た同様のクシクラゲで、赤い内部構造が見え、通常の形状を失い始めている。右は、円形の拡大されたインセットで、クシクラゲの半透明の細胞膜が分裂して崩壊していく詳細を示している。］

脂質は、すべての細胞膜を構成する円錐形の分子です。ほとんどの脂質とは異なり、プラズマロゲンと呼ばれる特殊なタイプは、通常の2つの酸素分子の代わりに1つの酸素分子しか持っていません。人間の脳にはそれがあり、深海のクシクラゲにもあります。それらは、クシクラゲが極度の静水圧に耐えることを可能にする方法で柔軟に動きます。クシクラゲBathocyroe aff. fosteriが表面に引き上げられ、その圧力から解放されると（左）、プラズマロゲンが膨張し（中央）、細胞膜が分裂し（右）、クシクラゲは崩壊しました。「私たちは深海の生命に関する非常に基本的な問いを立ててこの研究に入りましたが、それは私たちの体や人間の健康にとっても非常に重要な生体分子が関わっていました」とブディン氏は述べています。人間の脳のプラズマロゲンが少ないことは、認知症などの神経変性疾患と関連している可能性があります。これらの脂質は、ニューロンが発火するのに十分な速さで細胞膜が融合し、分裂するのを助けるかもしれません。

Jacob Winnikoff

［画像: 花のような形をした葉状のクシクラゲ。翼のような突起と中央に小さな赤い三角形の構造がある。］

［画像: 細長い楕円形のクシクラゲ。虹色に光る繊毛の列が見える。］

ブディンと同僚が圧力下で研究したクシクラゲの2種は、これらの動物の驚くべき多様性と複雑性を示しています。左は深海性の葉状クシクラゲBathocyroe aff. fosteriです。「Bathocyroe」は「深海の支配者」を意味し、この種は水深200メートルから3,000メートル以上にわたって見られます。動物の胃の赤い色素は、生物発光する生物を飲み込む際に発せられる光を遮断するためと考えられており、獲物が他の捕食者にその位置を知らせるのを防いでいます。浅い海のクシクラゲLeucothea pulchra（右）は、海の泡のギリシャの女神にちなんで名付けられました。この種は、水深20メートルより深い場所ではめったに見られません。オレンジ色の突起は、獲物を捕らえるために使用される、粘着性のある把握器官です。

Jacob Winnikoff

［画像］

胚発生中、細胞は胞胚溝によって明確な形態に配置されます。胞胚溝は、最終的に肛門または口になるくぼみです（このM. leidyiの画像では上を向いた中央部分）。クシクラゲの胚における同じ発生プロセスは、二胚葉動物、つまり私たちの二側対称性を共有する大きな動物グループにも見られます。これは、単なる細胞の球を複雑な多細胞胚に変換する胞胚溝オーガナイザーが、種を超えて保存されていることを示唆しています。「オーガナイザーがどこから来たのかを理解することは、私たちの発生のどの部分が古代的で堅牢であり、どの部分が最近の発明であるかを示してくれます」と、ドイツのフリードリヒ・シラー大学イェーナの進化生物学者であるアンドレアス・ヘインホルは述べています。人間の胚は、ヘインホルとその同僚がクシクラゲで見つけたのと同じシグナル伝達経路を使用しています。

Lisa-Marie Barf

［画像］

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