危害を覚え、危害に適応し、危害に抵抗する：極限環境で生き残る方法

3年間の流行で人類は多くのものを失いました。自然界の生物もまた、極端な気候による厳しい試練にさらされています。かつては美しかったサンゴの群体は、今では白い骨のように死んで生命力を失い、環境からの圧力を「記憶」し、その記憶を子孫に伝えることで、活力を取り戻そうと奮闘している。

著者 | XZ

グレートバリアリーフは世界最大かつ最長のサンゴ礁です。オーストラリア北東海岸に沿って、トレス海峡から南回帰線の南まで走っています。全長は 2,011 キロメートルで、大小さまざまな 2,900 のサンゴ礁の島々が点在しています。その自然景観は非常に特別で、世界自然遺産に登録されています。ここには、約1,500種の色鮮やかな熱帯魚、4,000種の軟体動物、400種の海綿動物、300種の硬質サンゴが生息しています。グレートバリアリーフはオーストラリアで最も人気のある観光地であり、多くの大ヒット映画の撮影場所となっており、毎年約 200 万人の観光客が訪れます。

グレートバリアリーフ |出典: 百度百科事典

しかし、どんなに素晴らしい景色でも、輝きを失う瞬間が必ずあり、グレートバリアリーフはまさにそんな危機に瀕しています。オーストラリアグレートバリアリーフ海洋公園局（GBRMPA）[1]の最新報告書によると、2022年にはグレートバリアリーフのサンゴの90％以上が白化現象を経験した。これは1998年以来グレートバリアリーフで発生した6回目の大規模な白化現象であり、過去7年間で4回目の出来事である。

サンゴの色はどこから来るのでしょうか?

サンゴは刺胞動物門（刺胞動物とも呼ばれる）に属する無脊椎動物です。サンゴはサンゴポリプから分泌される外殻（「骨格」とも呼ばれる）です。ほとんどが縦縞のある木のような形をしています。サンゴの断面にはそれぞれ同心円状の縞模様と放射状の縞模様があります。色は白が多いですが、青や黒も少量あります。もちろん、生きているサンゴとは、これらの貝殻だけではなく、その中に生息するサンゴポリプも含まれます。サンゴ礁は個々のサンゴで構成された群集です。ここで生息する生物は海洋生物全体の25％を占め、世界最大級の生態系の一つとなっています。そのため、海洋のサンゴ礁生態系は陸上の熱帯雨林に匹敵する生物多様性を誇り、海洋生態系のバランスを保つ上で重要な役割を果たしています。

サンゴはなぜカラフルな色をしているのでしょうか?これはサンゴ同士の共生関係から始まります。サンゴの体内には多くの共生藻類微生物が存在することが多く、そのうちの1つは褐虫藻と呼ばれ、サンゴに色鮮やかな色を与えています。褐虫藻は光合成によってブドウ糖などの有機物を生成し、サンゴの成長に必要な栄養素とエネルギーの60％以上を供給し、サンゴが二酸化炭素を代謝して炭酸カルシウムを生成し、サンゴの骨格を形成するのを助けます。一方、サンゴは褐虫藻に窒素やリンなどの栄養素を提供し、褐虫藻の生存を可能にします。実際、ほとんどのサンゴは自然界では白色ですが、異なる色素を含む褐虫藻がサンゴの体内に入ると、サンゴの組織は美しい色彩を帯びるようになります。

グレートバリアリーフの色鮮やかなサンゴ。2010 年 7 月 24 日にトビーハドソンが撮影 |出典: Wikipedia

共生藻類が去ったり死んだりすると、色鮮やかなサンゴが白くなってしまいます。これが「サンゴの白化現象」です。海水温の上昇によりサンゴの栄養源である藻類が減少し、サンゴが白化現象の影響を受けやすくなり、病気になったり死んだりする可能性がある。白化が深刻になると、サンゴ礁の立体的な空間構造が崩れ、そこで餌をとり、隠れ、生活し、繁殖する生物種の数が大幅に減少し、サンゴ礁域は「オアシス」から「砂漠」へと変化し、海洋生態系に甚大な被害をもたらします。

グレートバリアリーフ海洋公園管理局が発表した報告書[1]

2016年、2017年、2020年の白化現象と比較すると、今年のグレートバリアリーフの白化現象の深刻さはさらに深刻です。報告書では、研究者らが低空飛行で719のサンゴ礁を調査した結果、654（91％）でさまざまな程度の白化が見られたと報告されている。

白化したサンゴ礁、荒廃し、そして致命的 |画像出典: Baidu 百科事典

グレート・バリア・リーフ海洋公園管理局は、気候変動がサンゴ礁にとって最大の脅威であり、地球温暖化ガスの排出量を削減することによってのみ、気候変動がサンゴ礁に与える影響を抑えることができると述べた。グレートバリアリーフの海水温は昨年12月から徐々に上昇し、今年3月末には過去最高値を上回ったと報じられている。これによりサンゴ礁に多大な熱ストレスがもたらされ、サンゴの広い範囲が色を失い、白化しました。白化現象が続くと、これらのサンゴは長期的な食料源の喪失により死滅する可能性があります。

アルビノ危機の科学的調査

グレートバリアリーフだけではありません。現在、世界中のサンゴ礁は、ますます頻繁かつ深刻な温暖化現象に直面しています。海水温の上昇によりサンゴの生物は共生藻類を追い出し、壊滅的な白化現象を引き起こします。しかし科学者たちは、一部のサンゴ礁は白化現象の後に自ら修復することができ、修復されたサンゴ礁は気温に対してより適応性があることに気づいた。この現象は「環境記憶」と呼ばれ、つまり、生物が過去の非生物学的刺激に反応するものであり、免疫システムにおける免疫記憶に似ています。つまり、身体が特定の抗原物質に初めて遭遇すると、その物質の記憶が形成され、同じ抗原物質に再び遭遇すると、身体の安定性を維持するために迅速に反応します。したがって、「環境記憶」を通じてサンゴの白化を改善することは良い戦略であると思われます。

フロリダキーズは2014年と2015年に夏の高温に見舞われ、近くの浅いサンゴ礁で一連の白化現象が発生しました。これらのヒトデは2014年9月に研究者によって死んだと判断されましたが、4年後、2014年の高温を経験した後、これらのサンゴは2015年の高温を生き延び、4年後に回復しました。丨画像提供：NOAA coral reef watch

サンゴが熱ストレスを受けると白化します。回復すると、熱ストレスに対して一定の耐性が備わります。[2]

サンゴの「環境記憶」の最初の証拠は1994年に現れた。英国ニューカッスル大学の海洋生物学者バーバラ・ブラウンが、高温にさらされた石サンゴ（Coelastrea aspera）の群体の東側が白化したが、西側は白化していないことを現地で発見したのだ。ブラウン氏は、西側は東側よりも日光が当たる範囲が広く、高温に耐える能力も強いと考えている。ブラウンはその後、ネイチャー誌[3]に研究結果を発表し、この仮説が正しいことを確認した。

2000年までに、環境記憶仮説の信憑性をさらに検証するために、ブラウンはもともと西を向いていたサンゴの側面を東を向くように変更しました。 10年後、再び白化現象が起こったとき、ブラウンは、方向転換したサンゴの東側では対照群よりも白化現象がはるかに少なく、共生藻類微生物が多かったことを発見した。これはさらに、東側のサンゴが10年間低光量の環境で生息していたにもかかわらず、高光量の「記憶」を保持しており、ある程度の高温耐性を持っていることを示唆している[4]。

研究者たちは、これらの初期の実験から得られたデータを活用して、サンゴ礁システムにおける「環境記憶」の証拠をより大規模に収集し始めました。グレートバリアリーフを拠点とする2つの研究により、サンゴを事前に熱ストレスにさらしておくことで、将来の高温環境における白化の深刻度を軽減できる可能性があることが判明した。

最初の研究[5]では、研究者らは30年近くにわたる海面温度データを分析し、事前にサンゴに熱刺激を与えることで、海水温が白化閾値を超えたときにサンゴの死亡率と共生藻類の損失を50％削減できることを発見しました。

2番目の研究[6]では、研究者らは、2002年の白化現象の後、グレートバリアリーフを構成する3,000のサンゴ礁はその後14年間何の異常も示さなかったが、2016年に大規模な白化を経験したことを発見した。しかし、わずか1年後の2017年には、地球温暖化によってサンゴ礁の50％のみが白化しており、2016年に発生した大規模な白化よりも大幅に低い数値であった。これは、高温への事前曝露による保護効果には時間的制限があること、つまりサンゴの「環境記憶」は一定期間有効であり、14年のギャップがあれば、サンゴのこの記憶はもはや存在しない可能性があることを示唆している。

「環境記憶」の仕組み

これまでの研究のほとんどはサンゴの白化現象の観察に限られており、その「記憶」特性については調査されていない。「環境記憶」の分子メカニズムを説明するために、科学者たちは細胞レベルと分子レベルでサンゴを研究した。 2014年、研究者らは、ミドリイシの耐熱性がその染色体上の100以上の遺伝子座の変異と密接に関係していることを発見しました[7]。さらに、サンゴは加熱後数時間から数週間以内に数百の遺伝子の発現レベルを増加させることができ、これらの遺伝子の発現により体の熱ストレスに対する抵抗力が大幅に強化されます。スタンフォード大学の海洋遺伝学者スティーブ・パルンビ氏は、これは典型的な「適応反応」であり、熱ストレスによってサンゴの耐熱遺伝子の転写レベルが変化し、タンパク質レベルの変化が引き起こされ、最終的に生理学的機能の変化につながると述べた。

2017年の研究[8]でも適応反応の存在が確認されました。研究者らは、カラシナサンゴ（Porites astreoides）が多様な環境において遺伝子発現に可塑性を持つことを発見した。つまり、環境の変化に適応するために遺伝子発現を変化させることができるのです。研究者らは、沿岸のサンゴ群落 15 個を沖合のサンゴ群落 15 個と交換し、新しい生息地での成長を観察しました (注: 沿岸のサンゴは沖合のサンゴよりも大きな環境圧力に直面しています)。 1年後、研究者らは遺伝子発現マップの分析により、以前の沿岸サンゴの遺伝子発現が変化し、新しい環境でよく成長したことを発見しました。しかし、以前の沖合サンゴの関連するストレス耐性遺伝子はほとんど発現しておらず、新しい環境にうまく適応できず、最終的に大規模な白化を引き起こしました。

この適応的な反応はどのようにして起こったのでしょうか?答えは、遺伝子発現レベルの変化です。

遺伝子発現に影響を与える重要な要因はエピジェネティクスです。つまり、DNA 配列は変化しませんが、遺伝子発現は遺伝的変化を起こします。 2018年に発表された研究[9]では、科学者らがグレートバリアリーフの温暖な地域と寒冷な地域にミドリイシを植え、2つの地域のサンゴには異なるDNAメチル化パターンが存在することを発見しました。DNAメチル化は特定の遺伝子の活動を停止させますが、脱メチル化は遺伝子の再活性化と発現を引き起こします。高温環境で育つサンゴは、環境変化に対する体の反応に関係する遺伝子のメチル化レベルが低下し、その発現が活発になり、環境変化への対応能力が向上します。一方、低温環境で育つサンゴは、高温環境に対応する必要がないため、ハウスキーピング遺伝子（基本的な生物学的機能を維持するために必要な遺伝子）の発現をアップレギュレーションします。これは、環境への適応における DNA メチル化の役割をさらに裏付けるものです。

サンゴ自体が環境の変化に反応することに加えて、サンゴの共生藻類も役割を果たしている可能性があり、例えば、優勢な藻類の変化によってサンゴの耐熱性が高まる可能性があります。シカゴのシェッド水族館のサンゴ生物学者ロス・カニング氏の研究[10]によると、藻類のデュラスディニウムがヒトデサンゴ（Montastraea cavernosa）の共生生物を優勢にしていたとき、サンゴは白化の影響を受けにくかったことが示されました。デュラスディニウム藻は30℃以上の温度でも生存でき、耐熱性が強いです。 Durusdinium 藻を他の 3 種のサンゴに移植したところ、サンゴの耐熱性が大幅に向上しました。カニング氏は、熱ストレスによる選別後、耐熱性藻類の生存率は他の藻類よりもはるかに高く、これにより耐熱性藻類を持つサンゴの熱ストレスへの適応性も向上すると考えています。

では、共生藻類微生物はどのようにしてサンゴの耐熱性を向上させるのでしょうか? 2022年の研究では、共生生物が宿主のメチル化レベルに影響を与え、それによって宿主の遺伝子発現を変化させる可能性があることが判明しました[11]。具体的には、研究者らがサンゴ内の熱に敏感なクラドコピウム共生細菌を、熱に耐性のあるデュラスディニウム共生細菌に置き換えたところ、サンゴのゲノムの特定の領域がメチル化された。そのため、科学者たちは、サンゴの外部環境と内部環境の間には共生生物を介して非常に複雑な関係があり、それがサンゴのエピジェネティックな変化を引き起こしている可能性があると考えていますが、具体的なメカニズムはまだ解明されていません。

記憶が受け継がれるなら

サンゴは環境の記憶を子孫に伝えるのでしょうか?米国ロードアイランド大学のホリー・パトナム氏は、サンゴの「環境記憶」の世代を超えた継承を研究することを専門としている。パットナムは、体内で幼生を孵化させることができる雌雄同体の枝分かれサンゴ（Pocillopora damicornis）を研究した。研究者らは、幼生が生まれる前に、親の枝状サンゴを6週間高温酸性環境にさらし、環境ストレスを経験していない親の子孫よりも、幼生が高温酸性環境に適応しやすいことを発見した[12]。さらに、研究では、サンゴの共生藻類も世代を超えて遺伝する特性を持つ可能性があることが示されています[13]。

サンゴの環境記憶の4つのメカニズム[14]

これまでの「環境記憶」のメカニズムに関する研究は、次の4点にまとめることができます。

1. 共生生物の進化：一部のサンゴが熱ストレスを受けると、共生藻類が耐熱性藻類に進化します。

2. 転写の促進：サンゴは熱ストレスを受けると、耐熱遺伝子の転写活性を促進します。

3. エピジェネティックな修正：熱ストレス下では、サンゴゲノムの DNA メチル化パターンが変化します。さらに、共生藻類はサンゴのゲノム内の DNA メチル化も変化させます。

4. 遺伝性: 熱ストレスを受けた親から生まれた子孫は、高温環境への適応性が高くなります。

サンゴの再生、時間との戦い

多くのサンゴ研究者は、「環境記憶」の研究の究極の目標は、それをサンゴの回復活動に取り入れることだと述べている。例えば、サンゴの回復は、移植前に制御された方法でサンゴにストレスを与えたり、耐熱性のある共生藻類の微生物を移植したりすることで達成できる可能性があります。科学者たちはこれらのアプローチの実験を始めたばかりで、ストレス耐性のあるサンゴはまだ育てられていないものの、その時代がもうすぐ来るかもしれない。

これは時間との競争です。 2009年以降、世界のサンゴは14%減少しており、国連は2034年までにすべてのサンゴ礁で少なくとも年間1回の白化現象が発生すると予測している。

サンゴの白化の進行の速さから、多くの科学者は完全な情報がないまま行動を起こしている。この点について、サンゴ礁生態学者のセレナ・ハッカロット氏は次のように述べている。「修復の観点から見ると、メカニズムを実際に研究することなく、サンゴを単に環境ストレス（高温など）にさらすだけで修復を完了できるという研究は数多くある。」しかし、サンゴ礁を取り囲むコミュニティのほとんどには、ストレス耐性のあるサンゴを大規模に、またはタイムリーに生産するためのインフラストラクチャがないため、新しい移植戦略を実施することも困難です。さらに、環境ストレスに順応したサンゴを移植しても、サンゴ群落の損失を補うことはできません。グレートバリアリーフだけでも、2016年以来、約3,500万ヘクタールの海域で10億以上のサンゴ群落が失われており、研究者は年間せいぜい3万程度のサンゴ群落を植えることしかできず、これでは到底十分とは言えない。しかし、何があろうとも、サンゴの修復作業は継続されなければなりません。何もしなければ、サンゴ礁は永久に失われてしまいます。

海洋熱帯雨林のサンゴ礁はますます深刻な白化危機に見舞われており、陸上にいる私たちには逃れることのできない責任がある。温室効果による気候変動はサンゴの白化の直接的な原因であり、気候問題の解決は急務となっている。したがって、美しいサンゴの景観と海洋生態系全体を保護するためには、環境意識を高め、それに応じた環境保護戦略を策定し、温室効果による気候変動に対処しなければなりません。グレートバリアリーフの色鮮やかな世界は、自分の目で見ても、写真やビデオで見ても、その色鮮やかな自然の景色に誰もがきっと驚き、魅了されることでしょう。私たちの子供たちやその子供たちにグレートバリアリーフの素晴らしさを体験する機会を与えたいのであれば、私たちはすぐに行動を起こし、小さな省エネ対策から始めなければなりません。そうして初めて、私たちはこの危機に瀕した状況を逆転させ、海とグレートバリアリーフの素晴らしさを取り戻すチャンスを得ることができるのです。

参考文献

1.https://www2.gbrmpa.gov.au/learn/reef-health

2. Hackerott S、Martell HA、Eirin-Lopez JM。サンゴの環境記憶：原因、メカニズム、そして将来のサンゴ礁への影響[J]。生態学と進化のトレンド、2021年。

3.Brown, B.、Dunne, R.、Goodson, M. 他サンゴ礁のサンゴの白化パターン。ネイチャー404, 142–143 (2000)

4.Brown, BE, Dunne, RP, Edwards, AJ 他サンゴ礁における10年間の環境「記憶」？マルバイオ162、479-483（2015）。

5. Diego K. Kersting、Cristina Linares、「化石生存戦略の生きた証拠が温暖化の影響を受けるサンゴに希望をもたらす」、Science Advances、5、10、(2019)。

6.ヒューズ、TP、ケリー、JT、コノリー、SR 他生態学的記憶は、繰り返される極端な気候の累積的な影響を修正します。ネイチャー気候変動9、40–43（2019）。

7.ベイ RA、パルンビ SR。造礁サンゴの耐熱性と関連する多遺伝子適応。カウルバイオル。 2014;24(24):2952-2956.

8.Kenkel, C.、Matz, M. 変化する環境へのサンゴの適応メカニズムとしての遺伝子発現の可塑性。ネイチャーエコルエヴォル1、0014（2017）。

9.Dixon G、Liao Y、Bay LK、Matz MV。基底的後生動物の順応と適応における遺伝子本体のメチル化の役割。 Proc Natl Acad Sci US A. 2018;115(52):13342-13346.

10.Silverstein RN、Cunning R、Baker AC。粘り強い D: 系統 D の Symbiodinium は、障害があるにもかかわらず、高温と低温の両方の極端な温度でもサンゴ礁に残ります。ジャーナルオブバイオロジー2017;220(Pt7):1192-1196.

11. ロドリゲス＝カサリエゴJA、カンニングR、ベイカーAC、エイリン＝ロペスJM。共生生物のシャッフルは、サンゴMontastraea cavernosaにおける熱ストレスに対する異なるDNAメチル化反応を引き起こします。モルエコール。 2022;31(2):588-602.

12.パトナム HM、ゲイツ RD。造礁サンゴ Pocillopora damicornis における前処理と、将来の気候変動条件下でのサンゴ幼生の世代を超えた順応の可能性。ジャーナルオブバイオロジー2015;218(Pt15):2365-2372.

13. Quigley, KM、Willis, BL、Kenkel, CD サンゴ Montipora digitata におけるシャッフル共生生物群集の世代間継承。科学報告9、13328（2019）。

14.https://www.the-scientist.com/infographics/infographic-how-corals-remember-the-past-prepare-for-the-future-69646?_ga=2.28750398.369808563.1663584145-1709206126.1655523097