地球を酸素で満たした最古の細菌構造を発見

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地球を酸素で満たした最古の細菌構造を発見

https://elpais.com/ciencia/2024-01-04/descubiertas-las-estructuras-bacterianas-mas-antiguas-que-llenaron-el-planeta-de-oxigeno.html?ssm=TW_CC

17億5,000万年前のシアノバクテリアは、現代の藻類や植物の光合成に必要な装置をすでに持っていた
光合成
高度電子顕微鏡で撮影されたこの画像は、現在のオーストラリアの表層水域に17億5000万年前に生息していた「ナビフサ・マジェンシス」を示している。
エマニュエル・ジャヴォー
ミゲル・アンヘル・クリアド
ミゲル・アンヘル・クリアド
04 jan 2024 - 05:20 cet
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地球上の生命の歴史の前半は、バクテリアによって書かれた。そして何百万年もの間、バクテリアは当時の大気中に存在しなかった酸素を必要とすることなく、それを実現してきた。今、これらの微生物の一部が、気体酸素O₂で地球を満たすために使用した最古の構造が発見された。約17億5000万年前のある種は、光合成能力を増幅させるチラコイドと呼ばれる小胞のようなものをすでに持っていた。このチラコイドは、太陽光を化学エネルギーに変換する地球上のシアノバクテリア、藻類、植物に今も存在している。

光合成は、地球上に生命が誕生した初期のある時点で、シアノバクテリアが太陽からのエネルギーを必要な化学エネルギーに変換することを学んだ天才的なメカニズムである。その過程で、シアノバクテリアは環境中に存在する化合物から電子を取り出した。24億年以上前のある時期、シアノバクテリアのあるグループは、光合成の特殊な形態である酸素光合成を行うことを学んだ。彼らは豊富な燃料である水（H₂O）を取り込み、そこから大気中のCO₂から炭素を同化するのに必要な水素を得た。代謝の際、余分な廃棄物である酸素を放出し、岩石中の鉱物を酸化させることで消費していたはずだ。しかし約24億年前、いわゆる「大酸化」が起こり、地球の大気は最大1％の酸素を蓄積した。これは大したことではないと思われるかもしれないが（現在の濃度は21％近い）、生物の驚異的な多様化の基礎が築かれたのである。

その出来事を担ったのがシアノバクテリアだ。大酸化現象以前の化石記録からもいくつか見つかっているが、今回発見されたのは、その工学的手法の一部である。オーストラリアのある場所で、シアノバクテリアと思われるナビフサ・マジェンシスと呼ばれる微生物の微化石が発見されたのだが、1750年の化石化過程で圧縮されたわずか25ミクロン（ミクロンは1000分の1ミリ）のこのような生物を特定するのは容易ではない。ネイチャー』誌に掲載された論文に詳述されているように、発見者たちはN.マジェンシスの細胞からチラコイドを発見した。

「シアノバクテリアが重要なのは、私たちが地球上で得ている酸素が、これらの生物の活動の結果だからです」。
パトリシア・サンチェス・バラカルド、微生物学者、ブリストル大学、イギリス
新たに発見されたチラコイドは、この基本単位による酸素光合成の最初の直接的証拠である。リエージュ大学（ベルギー）の研究者であり、この研究の主執筆者であるエマニュエル・ジャヴォーが言うように、この発見は「17億5000万年前にシアノバクテリアが活発に酸素を生産していたことを示している。大酸化現象が起こる前は、酸素をベースとする生命が逃げ込めるような隙間、ニッチはあまりなかったに違いない。しかし、大酸化の後、シナリオは変わった。「私たちは現在、さらに古い化石記録を調査して、チラコイド膜の出現が大酸化の前後に酸素を増加させ、初期地球の永久的な酸素化に貢献したのではないかという仮説を検証しています」とジャヴォーは付け加える。

ブリストル大学（イギリス）の微生物学者、パトリシア・サンチェス・バラカルドは、「大酸化の前にも酸素はありましたが、それは還元物でした」と説明する。バクテリアによる生命の起源を研究しているサンチェス・バラカルドにとって、「シアノバクテリアは重要である。光合成の起源についても研究しているこのアルゼンチン人科学者は、「酸素は存在しなかったが、バクテリアが水を分解して電子を取り出す方法を発明し、その結果酸素が蓄積された」と回想する。だからこそ、このような光合成がいつ出現したかを明らかにすることが重要なのです。酸素がなければ、進化は私たちにつながることはなかったでしょうから、科学者だけでなく人々をも魅了してやまないのです」。

約200種のシアノバクテリアが報告されているが、チラコイドを持たないのは2種だけである。実際、最初のシアノバクテリアはチラコイドを持っていなかった。チラコイドが細胞膜に存在することで、これらの微生物は光合成能力を拡大し、その結果、酸素発生量も拡大することになった。この新しい要素は新しい生態学的ニッチを生み出し、この研究に参加していないサンチェス・バラカルドが指摘するように、「おそらくこの酸素を呼吸することを学び始めた生物がいた。複雑な生命が出現するのは数百万年後のことで、大酸化の後、少なくとも2回の同じような現象によって酸素の蓄積が加速された時である。"酸素が大量に蓄積され、動物が進化する可能性が開ける。これが最初の真核生物が現れた時です。" まだ単細胞であったこれらの最初の真核生物から、後にシアノバクテリアを飲み込んだに違いない生物が出現し、生命史上最大の内共生の例が始まった。チラコイドを内包したシアノバクテリアを持つこれらの生物からは、藻類や植物が光合成を行うための葉緑体が生まれる。

「チラコイドを持つシアノバクテリアでは、膜の表面積が著しく増大し、したがって細胞の光合成能力も増大する」。
ピュリフィカシオン・ロペス、フランス、パリ・サクライ大学研究員
フランス国立科学研究センター（CNRS）のピュリフィカシオン・ロペス研究員は、この研究には関与していないが、チラコイドの重要性を次のように語っている。シアノバクテリアには、このような構造を持たず、外膜で光合成を行うグループもある。「チラコイドを持つシアノバクテリアでは、膜の表面積が非常に大きくなり、したがって細胞の光合成能力も大きくなる。この研究で重要なのは、化石化したチラコイドを見たことだ。驚くべき17億年の保存状態です」と、パリ・サクライ大学の教授であるスペインの微生物学者は付け加える。

ある意味で、シアノバクテリアが主役となった大酸化現象は、6600万年前に隕石の衝突によって動物が大量絶滅したK-Pg現象と類似している。K-Pg現象が哺乳類の多様化のための条件を作り出したとすれば、大酸化現象における少数の小動物が、多細胞生物、すなわち複雑な生命の到来への基礎を築いたことになる。ロペスはこのアナロジーを好んでいるが、その本質的な部分を否定している。大気の大酸化の間、絶滅はなかった。確かに、酸素を利用する光合成生物と好気性生物が多様化し、酸素のある新しい生息地が作られた。湖や堆積物、微生物マットの中にも無酸素性光合成生物が存在し、私たちの腸内にも非常に重要な嫌気性生物（マイクロバイオーム）が存在している。

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ファームについて
ミゲル・アンヘル・クリアド
ミゲル・アンヘル・クリアド
2014年よりテクノロジー、人工知能、気候変動、人類学などについて執筆。以前はPúblico、Cuarto Poder、El Mundoに勤務。学位はCC。政治学、社会学。

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