もし私に百の目があったら、何が見えるだろうか？ ——ホタテ貝の目の進化を観察する

2023年「中国科学普及青年スター創出コンテスト」の受賞作品

著者: ジェ・ヤン

夏がやって来ました。バーベキューの季節です。火にかけられたガーリックオイルが、甘くて柔らかいホタテの貝柱を焼き上げます。一口食べると新鮮で香り高い汁があふれ、その汁に浸かった春雨も一口。夜食屋台では必ず注文する人気商品です。ホタテの身と春雨を頬張っているとき、ニンニク春雨の下にホタテの百以上の目が隠れてこちらを見ていると考えたことはありませんか？

目の位置: 100 個ほどの目はどこに置くべきでしょうか?

この話題を続けていくと、必然的に SAN を失ってしまいます... とりあえず考え方を変えてみましょう。もしあなたにも 100 個以上の目があったら、どんな世界が見えるでしょうか?

まず、これらの目を配置する場所を見つける必要があります。

従来の考え方によれば、目は頭にあるべきです。人間自身もそうですが、私たちが日常的に接する哺乳類、鳥類、魚類、両生類、爬虫類などの脊椎動物、さらには部屋から飛び出してくる昆虫に至るまで、彼らはみな頭に目を向けているようです。しかし、自然界には人間の認識を超えた「奇妙な種」が無数に存在します。たとえば、私たちがよく知っているホタテガイ（実際には、クラミス・ファレリ、ベイ・ホタテ、イエッソ・ホタテなど、多くの種類のホタテガイの総称）には特別な頭部がないので、外套膜（軟体動物の背側を覆い、皮膚のひだに沿って下方に伸びる膜。青果市場の店主はこれをホタテガイの縁と呼んでいます）に目を付けます。その目は典型的な非頭目です。

もう一つの例は、海底温泉の近くに生息する大西洋オオメエビ（Rimicaris exoculata）です。彼らの目は、私たちがよく知っている「エビ」のように頭の上の眼柄に生えているのではなく、背中にある2つの光沢のある網膜のような構造です。そのため、盲目のエビを発見した人たちは、そのエビには目がないと誤解していました。この誤解は、深海潜水艦アルビン号の最初の女性パイロットで海洋生物学者のシンディ・ヴァン・ドーバーが、温泉を訪れているときに潜水艦のサーチライトを反射する盲目のエビの背中の薄い膜に興味を持つまで解消されませんでした。その後、彼女はその背部の組織を無脊椎動物の眼を研究している科学者に送り、その個体の特定を依頼した。

高校の生物学の教科書をまだ覚えているなら、ナメクジウオについても復習しましょう。ナメクジウオ（ナメクジウオ属の総称）は脊椎動物と無脊椎動物の中間種であり、生物進化の歴史における生きた化石ともいえる。目は体の表面にはなく、体内の神経管の前端の奥深くに埋もれています。小さな窪みの形をしており、体の後ろからの光を感知することができます。これらは前頭眼と呼ばれます。ナメクジウオの体は透明なので、この前眼は光を感知するのに役立ちます。

したがって、自然の要求する荒々しさと自由さを考えると、必要な場所に目を向けたい場所を自由に選ぶことができます。

目の種類: 目は 2 つの細胞から構成されていますか?

百以上の目ができたばかりで、トンボ、ハエ、蝶、その他の生き物の複眼について考えると、百の目があるということは複眼を持っているということなのかと疑問に思わざるを得ません。

まず第一に、答えは等しくありません。

単眼と複眼は目の数ではなく種類を指します。自然界にはさまざまな種類の目が存在し、生物学者は一般的にその構造に基づいて単眼と複眼の 2 つのカテゴリに分類します。

その中でも単眼鏡は大きく分けて3つのタイプに分けられます。

1 つ目のタイプは、最も原始的なカップ型の目と小さな穴の目です。構造が単純で、焦点を合わせる機能がなく、像を形成できず、物体の位置を観察することしかできません。

たった 2 つの細胞からなる目を想像してください。最も単純なカップ型の目は、たった 2 つの細胞で構成されています。1 つは光受容細胞で、もう 1 つは色素細胞 (保護機能として機能します) です。この 2 細胞の眼は、日本のミミズ (Polycelis auricularia) などの生物に見られます。

小さい目は実は小さくない。オウムガイの目の半径は1cmに達することがあります。ピンホールとは、目がわずかに凹んだ平面ではなく、より凹んだ平面になっていることを意味し、そのため、ピンホールを持つ種は、ピンホールのサイズを調整することで解像度を調整できます。

2 番目のタイプは凹レンズの目であり、ぼやけた画像を生成します。私たちの主人公であるホタテガイには、数十から200個以上の目があります。ホタテの目の外側は色素のある表皮で覆われているため、青、シアン、紫の間の素晴らしい色をしており、神秘的な雰囲気のフィルターとも言えます。

人間の目は 2 つしかないため、非対称になることがあるのと同じように、ホタテ貝の目も大きさが異なり、小さい目は大きい目の真ん中に位置することがよくあります。 18 世紀初頭から、人々はホタテ貝の目に興味を持ち、解剖学的な研究を行っていました。初めてホタテの目を見た人はどんな気持ちだったんだろう…

3 番目のタイプはカメラの目です。これは人間の目に属し、脊椎動物の主な目でもあります。私たちの日常生活でよく知られている動物では、イカやコウイカ、タコなどの無脊椎動物もこの高度な目を持っています。

しかし、四角い瞳孔を持つヤギの目が、初めてその目を見た人に「古代の神々」からのちょっとした衝撃を与えるのと同じように、イカやタコの目はそれほど深刻に見えません。イカの目は、よく知られている顔文字「ww」のような形をしており、タコの目は「- -」のように見えます。

複眼はさまざまな数の小さな眼で構成されています。これらの小さな目がそれぞれ独立して像を形成できる場合、それは複合目と呼ばれます。これらが網膜上に一緒に像を形成する場合、それは重なり合った目と呼ばれます。

複眼が人間のカメラの目より優れている点は、視野が広く、動きに非常に敏感なので生物が反応できることです（ですから、蚊を叩くのが遅くても人間のせいではありません！）。

複眼の欠点も同様に明らかで、個眼のレンズは小さく回折の影響を受けやすいため、見える画像はぼやけてしまいます (レンズが大きいほど、画像が鮮明になることを想像してください)。研究者の計算によると、人間と同じ視力を持つには、複眼の直径がなんと1メートルに達しなければならないそうです。つまり、複眼はすべて足の下にあるということです...

目の構造: なぜ私の目に方解石があるのでしょうか?

もし選べるなら、夜でも見える猫の目 100 個と、人間よりも 13 種類多い錐体細胞を持つシャコの目 100 個、どちらを選びますか?

もし私たちが本当に他の種の目を通して世界を見ることができたら、私たちは間違いなく新しい、そしておそらく奇妙な世界を見ることになるでしょう。これらの視覚的な違いは、最終的には異なる種の目の構造の違いから生じます。

最も原始的な目の構造は、先ほど紹介した盲目のエビや、私たちがよく知っているミミズのように、露出した網膜のように、光感受性細胞で覆われた皮膚の一部にすぎないのかもしれません。これらの動物にとって、「目」はどこにでもあり、体のどの部分も「目」になり得ます。

体の表面にあるこれらの光感受性細胞は光を感知するのに役立ちますが、光の特定の方向を判断することはできません。そこで、より進化した目が現れました。彼らはこの皮膚片をわずかに凹ませて、大まかな方向を判断できるようにしました（たとえば、左から来る光は窪みの右の壁に輝きます）。

その後、別の生き物がくぼみのサイズを大きくし、皿からソーダのボトルに変えました。光はボトルの口から入り、小さな穴を通過して、光感受性細胞で覆われたボトルの底に像を形成し、単純でぼやけた画像を形成します。

しかし、これだけでは十分ではありません。生物の進化は、捕食者と獲物の間で「追いかけて、逃げて、飛び去ることはできない」という終わりのない装備競争のようなものです。生き残るためには、誰もがますます「好奇心」を持たなければならず、目の構造は生物の進化のペースに合わせてますます洗練されてきました。最後に、進化の過程で最も重要な目のリンクが現れ、ボトルの口に透明な結晶が現れました。光を集中させ、画像をより鮮明にすることができるレンズの本来の形です。

徐々に、より複雑な規制メカニズムが出現しました。角膜は背後の眼球を保護し、虹彩は眼球に入る光の強さを調節し、水晶体の周囲の筋肉は眼球に焦点を合わせる能力を与え、網膜はもはや光感受性細胞で覆われた単なる皮膚片ではありません...

既存の考古学的発見に基づくと、画像の観点から、本当に視覚を持っていた最初の動物は何だったかと問われれば、それは私たちのよく知られた古い友人である三葉虫でした。

5億4000万年前、レンズを持った最初の生物として、人間が住む世界を初めてまったく新しい視点から見ました。

しかし、彼らの目も非常に特別です。具体的には、彼らの目は、今日私たちが方解石と呼んでいる鉱物の結晶で構成された本物の「石の目」です。

この結晶の特性の 1 つは、特定の角度の光のみが結晶を透過し、他の角度の光は反射されることです。三葉虫はこの特性を利用して、それぞれの小さな目にある方解石の結晶を配置し、受け取った光が下の網膜に直接届くようにしています。

これらの「石の目」は今でも海で見ることができ、現在はクモヒトデと呼ばれる生物のクラスに属しています。柔らかく繊細な5本の触手があり、そのほとんどは光の変化に無関心で、海水中で自由に揺れ動きます。これらの触手を支えている骨は、互いに連結した方解石の板です。方解石は触手の狩猟用の棘も形成します（余談ですが、私たちがよく知っているウニのとげも方解石でできています）。

長い間、科学者たちは、ヒトデにおける方解石の役割はそれだけだと考えていた（方解石はすでに非常に有用なものだった）。しかし研究者らは、Ophiocoma wendtii が捕食者の接近を感知できるようだと発見した。この美しい生物の表面には目がないので、研究者たちは腕と脚の方解石を古代の三葉虫のレンズと関連付け、腕と脚の方解石の結晶が実際にその下の光受容細胞に光を集中させることができることを証明しました。つまり、これらのヒトデには脳はありませんが、目はあります。

方解石だけでなく、ミトコンドリアも融合によってレンズを形成できます。はい、高校の教科書に載っているミトコンドリアが呼吸を司っています。この不思議なレンズは、Entobdella soleae という扁形動物のものです。

記事の冒頭で主役を飾ったホタテ貝もいます。彼らの目には、想像もできない何か、グアニンが含まれています。 (人間が最初にこれに遭遇したのは鳥の糞だったため、グアノプリンという名前が付けられましたが、幸いなことに、一般的にはグアニンと呼ばれています。)

ホタテガイの目の中でグアニンによって形成される構造は、私たちがよく知っている猫の目の構造と非常によく似ています。夜に猫の群れに遭遇したことがあるなら、そのキラキラ光る目に感動したことがあるはずです。しかし、猫の目は実際には自ら光ることはできません。これらを光らせる構造は、網膜の後ろにある脈絡膜タペタムから生じます (光にさらされると点灯する自転車の後ろの「赤信号」と同じです)。この脈絡膜タペタム層は光を2度反射することができ、猫が夜間でも世界をはっきりと見ることができるようになります。

薄暗い海に生息するホタテにもこの能力はとても必要です。進化への欲求がホタテガイを体内を探し回らせ、最終的にDNAを構成する4つのプリンのうちの1つであるグアニンを選んだ。

グアニンは、天然の結晶の形で存在する場合、自然界で最も優れた光学材料の 1 つです。ホタテガイはこれらのグアニン結晶を「制御」して小さな四角形に成長させます。これらの四角い結晶はタイルのように密集して（20～30 層）配置され、網膜の後ろに鏡のような構造の銀膜（反射鏡とも呼ばれる）を形成します。光は角膜を通過し、水晶体に入り、網膜を通過し、反射鏡の表面に到達し、そこで反射されて網膜に戻り、画像を形成します。

ホタテがグアニンを「制御する」と言われる理由は、理論上、グアニンの結晶成長の形状は柱状になるはずだからです。しかし、研究者らが低温走査型電子顕微鏡を使用してホタテ貝の銀膜の超微細構造を観察したところ、これらのグアニンによって形成された結晶板がほぼ完全な正方形であることに驚きました。ユークリッドでは、正同な多角形を介して平面を形成したい場合、ホタテ貝が幾何学を学んだのと同じように、正三角形、六角形、または正方形しか使用できないことを知っておく必要があります。

さらに、グアニン結晶板の配置も非常に洗練されており、高屈折率面を入射光の方向に向けることができるため、結晶板の表面欠陥を最小限に抑え、高反射面を形成できます。このタイリング方法は、宇宙望遠鏡のセグメント化されたミラーと非常によく似ています。ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡（有名なハッブル宇宙望遠鏡の後継機）の六角形の鏡アレイは、ホタテ貝の銀フィルムをマクロレベルまで拡大したときとほぼ同じように見えます。

よく知っている友達（食卓の常連客）もいますが、一部の甲殻類（エビなど）の複眼も、焦点を合わせるためにグアニンによって形成された鏡の構造を利用しています。水槽の中の色鮮やかな熱帯魚の鱗には明るい銀色でカラフルな光沢があり、これもグアニン結晶の助けによって形成されています。同じメカニズムが、一部のクモの白い体色や一部のプランクトン性甲殻類のカラフルな体色にも関係しています。

目の進化：半分進化した目は何を見ることができるのか？

三葉虫の化石の眼球から方解石レンズが発見されたり、ホタテガイなどの動物の眼球からグアニンレンズが発見される以前から、人々は常に（鶏が先で卵が先か、卵が先で鶏が先かのような）疑問を抱いていました。つまり、人間の眼球のレンズタンパク質の高度に特殊化された性質に基づいて、人間はまず眼球を持ち、その後、眼球の必要に応じて高度に特殊化されたタンパク質を進化させたはずである、という疑問です。しかし、水晶体タンパク質が進化していなかったら、人間はどのようにして目を持つことができたのでしょうか?

さらに、ダーウィンの進化論に反対する科学者の中には、目のように洗練され複雑な器官が長い進化の過程を通じて少しずつ形成されることは不可能だと考える人もいます。これは、動物の目がちょうど半分（または半分より少し多い）まで進化した時点では、視覚を形成できないためです。そして、進化論によれば、そのような役に立たない器官はすぐに排除され、完全な目へと進化する機会はなくなるでしょう。

科学者が懐疑的になるのも不思議ではない。まず人間のレンズを見てみましょう。最先端のカメラアイの構成要素として、光学のために生まれたレンズのように、高度に特殊化され、無色透明で弾力性があります。血管はなく、その細胞は栄養を後ろにある房水に完全に依存しています。これらの細胞も通常の細胞とは異なります。ほぼすべての機能が簡素化され、完全で濃縮されたタンパク質だけが残ります。これらのタンパク質は、顕微鏡レベルで巧妙に配置されて液晶アレイを形成し、焦点を合わせる機能を熱心に果たします。

まるで設計されて、図面通りに加工されたレンズのように見えませんか？

なんと偶然でしょう、当時の科学者たちも同じことを考えていたのです。それで、そのデザイナーは誰だったのでしょうか?もちろんそれは神です。

しかし、分子生物学の発展により、科学者はついに、目のために特別に設計されていると思われる水晶体タンパク質をさらに研究する機会を得ました。この時点で、研究者たちは、これらのタンパク質が「レンズを作る」ために特別に作られたものではないことに驚きました。実際、それらは体内で他の多くの機能も持っています (たとえば、多くの水晶体タンパク質は酵素です)。むしろ、「レンズを作る」というのは、彼らの仕事人生における小さなエピソードのようなものなのです。それらは一時的に転送されて目に集まり、共同で人間のレンズを形成するようなものです。

そうすると、三葉虫の目に方解石が見られたり、ホタテガイの目にグアニンが見られたり、さらには扁形動物の目にミトコンドリアレンズが見られたりするのも不思議ではありません。我々は健常者を徴兵しているので、捕獲できる者は誰でも捕獲できる。普通に仕事ができれば、どんなものでも構いません！

目は神がCADで設計し、その図面通りに製造した製品ではないことが証明されているので、進化の過程で目が半分しか進化しなかったという状況は明らかに存在していたことになります。では、この目の半分は目の前半分でしょうか、それとも目の後ろ半分でしょうか?半分目しかない生き物は何を見ることができるのでしょうか?

おそらく、顔料を一滴から始めるべきでしょう。

科学者たちは目の起源について多くの推測を行っており、目の祖先は何らかの藻類であるはずだと考える人も多くいます。藻類には光感受性色素が多く含まれています。彼らはこれらの色素を眼点に配置し、これらの色素を使用して周囲の光を「見る」ことで、常に日の当たる場所に留まり、光合成を行うことができます。

これらの色素の1つはロドプシンと呼ばれます。このタンパク質は、レチナールとオプシンから構成され、私たちの目全体に存在し、光を感知する役割を果たしています。私たちすべての生物の祖先にとって、最初の光の誕生は太陽が昇ったからではなく、太古の生物が長い進化の過程でついにこのタンパク質を合成し、暗闇の中での手探りの人生を終わらせ、新しい光の時代を先導したからだとさえ言えるでしょう。

では、このタンパク質はどのようにして光を感知するという興味深い仕事を成し遂げるのでしょうか?

前述したように、ロドプシンはレチナールとオプシンから構成されるタンパク質です。実際、網膜は光に直接向き合う目の中で唯一の戦士です。それは、シス構造とトランス構造の 2 つの形で私たちの体内に存在します (左手と右手を想像してください。構造は似ていますが、空間構成が異なるため、左手をどんなにひっくり返しても右手になることはありません)。トランス構造のレチナールは、光線が当たるまでオプシン上にしっかりと留まります。数千万倍に拡大された後、網膜から見ると、無数の光子が流れ込んでくるのを見ることになります。光子の1つがそれに当たると、正式な構造を持つ網膜となり、オプシンから出ていきます。光子は退却し、オプシンは光子の到着の知らせを私たちが光を見るまで段階的に伝えます。

では、私たちが見る色はどこから来るのでしょうか?

前述の、必要な場所へ移動できるレンズ素材は、生物進化の「けちさ」を実感させてくれるかもしれません。結局のところ、エネルギーは限られており、生物は必要なところでは節約し、必要なところでは使うという消費の概念もよく理解しています。色覚を回復するために、目に新しいシステムを購入する必要はありません。いくつかの小さな変化はあるものの、依然として網膜および視覚タンパク質です。

正確に言うと、「ねじれている」のです。視覚タンパク質には光子を受け取る能力はありませんが、異なるタイプの視覚タンパク質は、異なる構造を利用して網膜を歪め、網膜が異なる波長の光子を受け取ることを可能にします。視覚タンパク質と網膜の配列と組み合わせにより、生物の目の中の世界は突如として多彩な色彩で現れます。そのため、たとえ片方の目しか見えなくても、光や色さえも認識できるのです。おそらく私たちの視覚は普段ほど精巧ではなく、ただの色とりどりのモザイクに過ぎないのでしょうが、それでも半分の目があれば暗闇から逃れられるかもしれません。

これで、私たちは「もし私たちに百の目があったら、どんな世界が見えるだろうか？」という疑問に答えることができます。

まず、ホタテ貝のような 250° の視野 (360° ともいいます) が得られます。第二に、ホタテガイの視神経が頭頂内臓神経節（PVG）の外側に収束するのと同じように、私たちの脳にも、100 を超える目からの視覚情報を処理し、それを完全に鮮明な画像に処理するための専用の場所があるでしょう。最後に、この画像の品質は私たちそれぞれの目のタイプによって異なります。赤、青、緑に基づく 3 色覚 (異なる光を感知する 3 つの視覚タンパク質複合体に対応) に満足できない場合は、4 億年前の生物で発見された 4 番目の色覚遺伝子である紫外線視覚が、より魔法のような視覚体験をもたらします...

脊椎動物と無脊椎動物に見られるロドプシンの類似性の高さ、そして私たち、ホタテ貝、猫、さらにはゴキブリまでもがこのシステムを使って物を見ているという事実を考えると、研究者たちは、人間が同じ祖先からロドプシンを含むこの光受容細胞を受け継ぎ、その後長い進化の過程で徐々に完全に異なる種へと進化したのではないかと合理的に推測しています。

しかし、脊椎動物と無脊椎動物のロドプシンの間にはまだいくつかの重要な違いがあり、共通祖先の仮説は時折タンブラーのように揺れ動きます。

この一連の推測を確固たるものにする理論は、古代の幸運の生き物であるサンドワームから来ています。揺れる剛毛を持つこの小さな生き物は、カンブリア紀から今日までほとんど形を変えることなく生きており、古代の左右対称の動物の生きた化石です。研究者たちは、人間の目の中のロドプシンが無脊椎動物のロドプシンに似ていることは以前から知っていたが、2004年に研究者らが人間の脳の中に体内時計として機能する別の種類の光受容細胞を発見し、この細胞のロドプシンが脊椎動物のロドプシンと驚くほど似ていることが判明した。その後、研究者らは人間の目の中に網膜神経節細胞を発見した。この細胞は人間の体内時計として機能しているが、無脊椎動物の光受容細胞と非常によく似ている。

互いに響き合うこれら 2 つの発見は、神秘的な進化の道筋の真の姿をゆっくりと明らかにしています。現在地球上のすべての生物の目は同じ祖先から来ています。

昼も夜も意味をなさなかった長い暗闇の中で、ロドプシンを持つ最初の生物として、光を見て、その子孫すべてを暗闇から導き出しました。

しばらくすると、ロドプシンを含むこの光受容細胞は偶然に 2 つのタイプに分化しました。一方は視覚機能を果たし続け、もう一方は光を感知する能力を利用して体内時計を制御するという新たな役割を担うようになった。本質的には、これら 2 種類の細胞に大きな違いはなく、無脊椎動物と脊椎動物がたまたま異なる細胞を選択しているだけです。その後、眼の構造は光受容細胞で覆われた皮膚片から、ますます複雑になっていきました。生き物たちは目の不思議に気づき始め、体のあらゆるところから材料を集めて目の機能を高めていきました。量を増やすことを選ぶ人もいれば、質を高めることを選ぶ人もいて、さまざまな奇妙な目が現れる...