生物発光は科学者がこれまで考えていたよりも3億年早く進化した可能性がある

多くの海洋生物（海虫、一部のクラゲ、シーピクルスなど）は、生物発光と呼ばれるプロセスを通じて、幽玄な光を発することができます。この発光の進化的起源は謎のままですが、国際的な科学者チームは、生物発光が少なくとも5億4000万年前に八放サンゴと呼ばれる海洋無脊椎動物のグループで初めて進化した可能性があることを発見しました。これは、これまで考えられていたよりも約3億年早いことです。この新しいタイムラインは、科学者が生物発光の起源の物語を解明するのに役立つ可能性があります。この発見は、4月23日にProceedings of the Royal Society B誌に掲載された研究で詳しく説明されています。

生物発光とは何ですか?

生物発光生物は化学反応によって光を生成します。この能力は自然界で少なくとも 94 回独立して進化してきました。生物発光はコミュニケーション、求愛、カモフラージュ、狩猟など、さまざまな動物の行動に関係しています。ホタル、ツチボタル、さらには陸上の菌類の一部も生物発光生物と見なされます。

「なぜ動物で最初に進化したのかは、誰もよくわかっていない」と、研究の共著者でスミソニアン自然史博物館のサンゴ学芸員、アンドレア・クアトリーニ氏は声明で述べた。

動物における生物発光の最も古い例は、粘液に満ちた同期した求愛ダンスで知られる貝虫と呼ばれる小型海洋甲殻類で約2億6700万年前のものと考えられていたが、この新しい研究により時計の針が遡った。

八放サンゴの進化樹

研究チームは、八放サンゴの進化の歴史を振り返り、動物に初めて現れた時期の手がかりを探した。八放サンゴは、ウミウチワ、ウミサンゴ、軟サンゴを含む、古くから生息し、頻繁に生物発光する動物のグループである。硬サンゴと同様に、八放サンゴは小さなコロニー状のポリプで、サンゴ礁の構造を形成するが、主に軟体で石質ではない。光る八放サンゴは、通常、ぶつかったり、その他の刺激を受けたりすると光る。研究チームによると、このため、八放サンゴの発光能力の正確な機能は少々謎めいている。

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「私たちは生物発光の起源の時期を解明したかったのですが、八放サンゴは地球上で生物発光することが知られている動物群の中で最も古いグループの一つです」と、研究の共著者でスミソニアン国立自然史博物館の博士研究員ダニエル・デレオ氏は声明で述べた。「そこで疑問なのは、彼らがこの能力をいつ発達させたのかということです。」

研究チームは、2022年に作成された八放サンゴの詳細な進化樹に着目した。この進化関係、つまり系統樹の地図には、185種の八放サンゴの遺伝子データが使用されている。研究チームは次に、年齢がわかっている八放サンゴの化石2つを、その身体的特徴に基づいて樹の中に配置した。研究チームは、化石の年齢と進化樹におけるそれぞれの位置を利用して、八放サンゴの系統がいつ分岐して2つ以上の枝に分かれたかを大まかに判断することができた。研究チームは最終的に、現在生きている既知の発光生物種すべてを特徴とする進化関係を地図にまとめた。

研究チームは、この進化の樹形図と、ラベル付けされた生物発光種を含む枝を使い、祖先状態再構築と呼ばれる統計手法を用いて種間の関係を分析した。

「現在生きているこれらの八放サンゴの種が生物発光することがわかれば、統計を使ってその祖先が生物発光していた可能性が高いかどうかを推測することができます」とクアトリーニ氏は言う。「共通の特徴を持つ現生種の数が多いほど、時間を遡ったときにそれらの祖先もその特徴を持っていた可能性が高いという可能性が高くなります。」

複数の異なる統計手法はすべて同じ結果に達しました。約 5 億 4000 万年前、すべての八放サンゴ類の共通祖先は、おそらく生物発光性でした。これは、これまで動物における生物発光の最も初期の進化例と考えられていた貝形動物よりも約 2 億 7300 万年早いものです。

研究チームによると、八放サンゴ類には何千もの種が生息し、生物発光の発生率が比較的高いことから、発光が八放サンゴ類の進化の成功に役割を果たしたと考えられる。八放サンゴ類が生物発光を何に利用しているかはこれでは正確には分からないが、これほど長い間利用されてきたという事実は、このコミュニケーション方法が八放サンゴ類の生存にとっていかに重要になっているかを示している。

保全への影響

研究チームは、すべての八放サンゴ類の共通祖先がすでに内部発光していた可能性が高いことを知ったため、このグループの 3,000 種を超える既知の生物種のうち、どれが現在でも生物発光し、どれが時とともにその特性を失ったのかを、より徹底的に数えることに興味を持っています。これにより、生物発光と相関する一連の生態学的状況を特定し、その機能について何らかの解明につながる可能性があります。

研究チームはまた、八放サンゴ類が生物発光に関与する酵素であるルシフェラーゼの遺伝子の機能的コピーを持っているかどうかを判断するための遺伝子検査の開発にも取り組んでいる。今後の研究では、生物発光がさらに古く、サンゴの進化の歴史に深く根ざしていることが示される可能性もある。

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この研究はまた、今日の海洋に生息する八放サンゴの監視と管理に役立つ進化論的知見も示している。八放サンゴは現在、鉱物採掘、漁業、石油・ガス採掘と流出、そして人為的な気候変動によって脅かされている。

アメリカ海洋大気庁（NOAA）は最近、地球が記録上4度目、過去10年間で2度目の世界的なサンゴ白化現象を経験していることを確認した。これは、ますます温暖化する海洋による熱ストレスによるものだ。八放サンゴは、極端な温度下では硬質サンゴと同様に白化する。八放サンゴが生物発光をどのように利用しているかをより深く理解することで、科学者は八放サンゴの生息地をより正確に特定し、行動を監視できるようになる。八放サンゴの遺伝子や生存に必要なものをより深く理解することで、これらの海洋生物の保護政策の改善にもつながる。