酸素は複雑な生命の誕生の鍵となる可能性がある

複雑な生命がどのように始まったのかについてはほぼ理解されていますが、まったく当てはまらない矛盾が 1 つあります。植物、動物、菌類（総称して真核生物として知られています）は、おそらく 2 つのまったく異なる微生物が緊密な同盟を形成したときに出現しました。その 1 つは最終的に、細胞内のエネルギー生成構造であるミトコンドリアになりました。

このパートナーシップでは、酸素を使用する微生物と、酸素なしで生きるというアイデアを組み合わせました。生息地が重なることがほとんどなかったとしたら、どうやってそれらは集まったのでしょうか?における新たな研究 自然 これは、この分離が誇張されていた可能性があることを示唆しています。私たちの初期の祖先と最も近縁な微生物の中には、酸素を利用することができたものもあるようです。

研究共著者のブレット・ベイカー氏はプレスリリースで、「現在住んでいるアスガルド人のほとんどは酸素のない環境で発見されている」と述べた。 「しかし、真核生物に最も近縁な生物は、浅い海岸の堆積物や水柱に浮かぶなど、酸素のある場所に生息しており、酸素を使用する代謝経路をたくさん持っていることが判明しました。これは、これらのプロセスが私たちの真核生物の祖先でも同様に発生した可能性が高いことを示唆しています。」

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複雑な生命の微生物の祖先が住んでいた場所

この研究の中心となる微生物は、アスガルド古細菌と呼ばれるグループに属しています。海洋堆積物で最初に確認され、知られている中で真核生物に最も近い近縁種と考えられています。

これまで、研究対象となっているアスガルドの大部分は酸素の乏しい大気と関連付けられていました。これは、複雑な細胞の融合が低酸素条件で起こるという考えを形作るのに役立ちました。

新しい研究はより広い全体像を描きます。研究チームは、複数回の遠征で収集した海洋堆積物サンプルから数千の微生物ゲノムを組み立てることで、既知のアスガルド古細菌の多様性をほぼ2倍にし、より完全な進化系図を構築した。

彼らが真核生物に最も近縁な系統であるヘイムダルキアと呼ばれるサブグループに焦点を当てたとき、酸素に基づく代謝の遺伝的証拠を発見しました。これらの微生物は厳密な嫌気性菌ではありませんでした。彼らは酸素に耐性があり、おそらく酸素を使用したこともあるようです。

発生初期における酸素の役割

この時期は、地球の大気の変化とも一致します。歴史の初期には酸素が不足していました。約24億年前、大酸化現象として知られる現象中にレベルが上昇しました。その後の成長により、気候は現代の状況に近づきました。これらの増加の直後に、最初の明らかな真核生物の化石が地質学的記録に現れます。

アスガルド人の祖先の一部がすでに酸素を使用できたとしたら、その変化は強力な利点をもたらしたかもしれません。酸素に基づく代謝は、嫌気性経路よりもはるかに多くのエネルギーを生成します。侵入する可能性のある微生物は、成長し、分裂し、より大きな細胞の複雑性を発達させるためのより多くの燃料を持っているでしょう。

酸素は、この 2 つの不一致な生物の間の障壁として機能するのではなく、それらのパートナーシップを意味のあるものにするのに役立ったのかもしれません。

アスガルド家系図の再構築

これらの発見は、配列決定の多大な努力から得られました。約 15 テラバイトの環境 DNA から 13,000 を超える微生物ゲノムが組み立てられました。その保管庫内で、何百もの新しいアスガルドのゲノムが出現しました。

これらのゲノムを比較することで、チームはより詳細なアスガルド家系図を構築し、これまで知られていなかったタンパク質を特定することができました。これらのタンパク質の機能をより深く理解するために、彼らは、タンパク質がどのように三次元形状に折りたたまれるかを予測する人工知能ツールである AlphaFold2 に注目しました。構造が機能を決定するため、それらの予測は重要です。ヘイムダラルキアによって生成されるタンパク質の多くは、現代の真核生物が酸素に基づくエネルギー代謝に使用するタンパク質とよく似ています。

複雑な生命の起源は、依然として生物学における最大の進化的変化の 1 つです。これらの結果は、複雑な細胞の祖先が酸素のない生息地に限定されなかった可能性を示唆しています。その代わりに、変化し、ますます酸素化が進む世界を利用するための装備が備えられている可能性があります。

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