陸から海へ、クジラの進化

陸から海へ、クジラの進化
鯨類のゲノムは、水中生活に戻った哺乳類の物語を語るのに役立つ。

https://arstechnica.com/science/2022/11/the-evolution-of-whales-from-land-to-sea/?comments-page=1

by Amber Dance, Knowable Magazine - 2022年11月26日 21時07分 JST

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クジラとその仲間は、陸上で生活する哺乳類から進化した。この移行には大きな生理学的・形態学的変化が伴い、遺伝学者がその解明を始めている。
ヘイズ・バックスレイ／ナショナルジオグラフィック・フォー・ディズニー＋（英語
約4億年前、四肢を持つ生き物の祖先が乾いた土地に初めて足を踏み入れた。それから約3億5,000万年後、陸上生活者の子孫は一転して水中に戻った。水中に戻ったのだ。やがて、この「海に還る生物」は、陸上で暮らす生物とは全く異なる動物を生み出すことになる。クジラ、イルカ、ネズミイルカなどである。

水生に戻るということは、約1,000万年という進化のスピードの中で、動物の内面も外面も大きく変化させることである。現在鯨類と呼ばれているこのグループの仲間は、後肢を捨てて強力なフカヒレを持ち、毛をほとんど失ってしまった。古生物学者たちは、鯨類が海生爬虫類、アザラシ、カンガルーなどの有袋類、さらには今は絶滅したオオカミに似た肉食動物など、さまざまな生物から発生したのではないかと推測し、何十年にもわたってその奇妙なボディプランを困惑させ続けてきた。

ある科学者は1945年に「鯨類は全体として哺乳類の中で最も特異で異常な動物である」と書いている。

しかし、1990年代後半、遺伝子解析の結果、クジラは牛や豚やラクダを生み出したのと同じ進化系統の動物であることが確認された。その後、現代のインドやパキスタンの化石から、鯨類に最も近い古代の近縁種は、水かきする鹿のような小さな生き物であることが判明し、この家系図が完成した。

しかし、鯨類の奇妙さは、そのボディプランから始まったに過ぎない。海で生き残るためには、血液、唾液、肺、皮膚などの体内構造も変化させなければならなかった。こうした変化の多くは化石ではわからないし、鯨類は実験室では簡単に研究できない。そのため、鯨類の変化を明らかにしたのは、またしても遺伝学であった。

鯨類のゲノムを利用できるようになったことで、遺伝学者が水中回帰に伴う分子的変化を調べることができるようになったのだ。特定の突然変異の影響について断定することはできないが、科学者たちは、このような突然変異の多くが、鯨類が深い青色の海に潜って成長するための適応に対応しているのではないかと考えている。

深海へのダイビング
最初のクジラ類が水中に戻ったときに失ったものは、足だけではなかった。遺伝子全体が機能しなくなったのだ。ゲノムを構成する膨大な遺伝子の書物の中で、これらの機能停止した遺伝子は最も発見しやすい変化のひとつである。文字化けした文章や断片化した文章のように目立ち、もはや完全なタンパク質をコードしていないのである。

このような遺伝子の消失には、2つのパターンがある。おそらく、ある遺伝子を持つことが鯨類にとって何らかの不利益となり、その遺伝子を失った動物が生存の優位性を得たのだろう。あるいは、「使うか失うか」という状況かもしれない、とドイツ、フランクフルトのゼンケンベルク研究所のゲノム学者ミヒャエル・ヒラーは言う。もし、その遺伝子が水中で何の役にも立たなければ、ランダムに突然変異が蓄積され、その遺伝子が機能しなくなったとしても、動物は何も困らないというのである。

ヒラー教授らは、イルカ、シャチ、マッコウクジラ、ミンククジラという4頭のクジラ類と、マナティー、セイウチ、ウェッデルアザラシという55頭の陸生哺乳類のゲノムを比較し、水中への移行について深く考察した。鯨類の祖先が海に適応したときに、約85個の遺伝子が非機能的になったことが、2019年の『Science Advances』で報告された。多くの場合、それらの遺伝子が機能しなくなった理由は推測できたとヒラー氏は言う。

例えば、鯨類は、唾液をつくるのに関与する特定の遺伝子SLC4A9をもはや持っていない。これは理にかなっている。口の中がすでに水で満たされているのに、唾を吐いて何になる？

鯨類はまた、睡眠を調節するホルモンであるメラトニンの合成とそれに対する反応に関与する4つの遺伝子も失っている。鯨の祖先はおそらく、何時間も脳を停止させていると呼吸ができなくなることをすぐに発見したのだろう。現代の鯨類は、一度に片方の脳半球を眠らせ、もう片方の脳半球は警戒している。"我々が知っているような規則正しい睡眠がもうないのであれば、おそらくメラトニンは必要ないでしょう "とヒラー氏は言う。

潜水や狩りのために長時間息を止めていなければならないことも、遺伝子の変化に拍車をかけているようだ。スキューバダイビングをする人は知っていると思うが、深く潜ると、血液中に小さな窒素の泡ができ、血栓ができることがある。偶然にも、通常血液凝固を促進する2つの遺伝子（F12とKLKB1）が、鯨類ではもはや機能しておらず、おそらくこのリスクを低下させるものと思われる。残りの血液凝固装置は無傷のままなので、クジラやイルカは怪我を塞ぐことができる。

もう一つの失われた遺伝子、これはヒラーを驚かせたが、損傷したDNAを修復する酵素をコードしている。ヒラーはこの変化も深海への潜水に関係していると考えている。鯨類が深海に潜ると、血液中に突然酸素が充満し、その結果、活性酸素分子がDNAをバラバラに壊してしまうのである。DNAポリメラーゼ・ミューという酵素は、通常このような損傷を修復するのですが、これがうまくいかず、しばしば突然変異を残してしまうのです。他の酵素の方がより正確です。おそらく、ミューは鯨類の生活様式に合わず、潜水と再浮上の繰り返しで生じる大量の活性酸素分子を処理できなかったのだろうとヒラーは考えている。不正確な酵素を除去し、鯨類も持っているより正確な酵素に修復作業を任せることで、酸素の損傷が正しく修復される可能性が高まったのかもしれない。

水に戻った哺乳類は鯨類だけではない。他の水棲哺乳類の遺伝的損失は、しばしばクジラやイルカのそれと並行している。例えば、クジラもマナティーも、通常はエラスチンと呼ばれる肺の伸縮性タンパク質を分解するMMP12という遺伝子が不活性化されているのだ。おそらく、この遺伝子の不活性化によって、両種とも肺の弾力性が高まり、浮上時に肺の容積の約90パーセントを素早く吐き出し、吸い込むことができるようになったのであろう。

しかし、深海潜水への適応は、失われたものばかりではない。筋肉に酸素を供給するタンパク質であるミオグロビンの遺伝子が、顕著に増加しているのだ。科学者たちは、小さなミズネズミから巨大なクジラまで、潜水する動物のミオグロビン遺伝子を調べた結果、あるパターンを発見した。多くの潜水動物では、タンパク質の表面がより正に帯電しているのだ。つまり、多くのダイバーでは、タンパク質の表面がより正電荷を帯びているのだ。そうなると、ミオグロビン分子は、2つの北極磁石のように互いに反発し合うことになる。このため、潜水性の哺乳類は、タンパク質同士がくっつくことなくミオグロビンを高濃度に維持でき、潜水時に高濃度の筋肉酸素を供給できるのではないかと、研究者らは推測している。