カブトムシはどのようにして硬い殻を手に入れたのでしょうか?

著者: 季巧巧 (中国科学院東北地理農業生態研究所)

この記事はサイエンスアカデミー公式アカウント（ID: kexuedayuan）から引用したものです。

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甲虫（コウチュウ目）は、甲虫目に属する昆虫の総称です。体の外側にある「硬い鎧」によって他の昆虫と区別されます。昆虫綱最大の目である甲虫類には、現在世界中に 183 科が存在し、400,000 種以上が記載されており、世界の全種の 25% を占めています。 「硬い鎧」は甲虫の外骨格であり、ある程度の圧力に耐え、内部組織を保護することができます。

どれくらい難しいですか？

図1 15.2kg以上の石は胸部を破裂させる可能性がある（重量以外の外力なし）（出典：Youkuビデオ）

図 2 車に轢かれても触手は無傷のままである (出典: Nature)

最近、科学者たちは、鉄甲虫（別名「鉄インゴット甲虫」、ゴミムシダマシ科の一種、ラテン語名：Phloeodes diabolicus）と呼ばれる甲虫の鞘翅が、最大149N（約15.2kg、自重の約39,000倍）の圧力に耐えることができ、車にひかれても無傷のままであることを発見しました。科学者たちはこれを研究し、標準的な航空用ファスナーよりも強度の高い炭素繊維複合ファスナーを開発しました。

図3 コガネムシ鞘翅の融合部位の構造（出典：文献[2]）

それで、問題は、そのような硬い殻の構成が何であるかということです。

カブトムシはどのようにして硬い殻を手に入れたのでしょうか?

人体の基本的な形を支える物質はカルシウム骨です。牛乳、大豆製品、昆布、干しエビを多く食べたり、日光浴をしたりすることで、体に必要なカルシウムを補給することができます。昆虫にもカルシウム骨格があるとしたら、昆虫がどのようにしてこの微量元素を自然から得る必要があるのか​​想像するのは少し難しいでしょう。結局のところ、彼らは基本的な身体機能を維持するために栄養を補給する食べ物を探すことにほとんどの時間を費やしています。カルシウムを探すのに多くの時間を費やすと、彼らは本当に生き残ることができないでしょう。

甲虫の内骨格と外骨格の主成分はキチン（キチン質とも呼ばれる）で、グルコース鎖によって修飾された大きな構造多糖類です。真菌の細胞壁や無脊椎動物や魚類の特定の硬質構造に広く見られます。カブトムシは卵の形で産みつけられた時点で、孵化を維持しキチン質を形成するための少量の多糖類をすでに持っています。後期段階では、体に必要な栄養素は主に積極的な摂食によって摂取されます。

キチンはセルロースやケラチンに似ています（セルロースは植物の形態と物質輸送を支える組織であり、ケラチンは動物の爪の主成分です）。より小さなモノマーまたは単糖類から作られ、強力な繊維を形成する構造ポリマーです。組織が細胞の外または内部に分泌されると、これらの組織は化学結合を形成して互いにつながり、構造全体の強度が高まります。

甲虫の中でキチンはどのように合成されるのでしょうか?

キチンの多糖類合成プロセスには、主にトレハラーゼ (TRE) やキチン合成酵素 (CHS) などの複数の酵素が関与しており、主に次のステップに分けられます。

（追記：以下の内容は、非常に専門的なふりをするために追加したものです。多糖類がさまざまな酵素の触媒作用を受けてキチンを形成することを知っていれば十分です。理解しようとしてください。本当に理解できない学生は、次の部分に直接ジャンプできます╮(￣▽￣)╭）

1) トレハロースの合成:

グルコース-6-リン酸は、トレハロース合成酵素（TPS）の触媒作用によりウリジン二リン酸（UPD）-グルコースと結合してトレハロース-6-リン酸を形成し、その後トレハロースホスホリラーゼ（TPP）の作用によりさらに脱リン酸化されてトレハロースとリン酸を形成します。

2) グルコースの合成:

生成されたトレハロースはトレハロース加水分解酵素（TRE）によってさらに加水分解され、グルコースが生成されます。 TRE は可溶性トレハラーゼ (TRE1) と膜結合型トレハラーゼ (TRE2) に分けられます。前者は細胞質内に遊離しており、内因性トレハロースの分解（循環器系や消化器系など）を担っています。後者は筋肉内のミトコンドリアに結合し、外因性トレハロースの吸収と同化を担う細胞外酵素です。トレハロース1分子はグルコース2分子に加水分解され、昆虫のストレス耐性や適応など、さまざまな生理・生命活動に利用されますが、これもトレハロース含有量を制御することで実現されます。

図4 キチンの合成経路（出典：文献[3]より改変）

3) キチンの合成:

グルコースは、ヘキソキナーゼ (HK)、グルコース-6-リン酸イソメラーゼ (G6PI)、フルクトース-6-リン酸アミノトランスフェラーゼ (GFAT)、グルコサミン-6-リン酸-N-アセチルアミノトランスフェラーゼ (GNPNA)、ホスホアセトアミドグルコースムターゼ (PGM)、UDP-N-アセチルグルコサミンピロホスホリラーゼ (UAP) を通過して UDP-N-アセチルグルコサミンを合成し、最終的に CHS 触媒によってキチンを形成します。 CHS は、CHS1 と CHS2 の 2 つのタイプに分けられます。前者は主に昆虫のクチクラと気管におけるキチンの合成を担い、後者は中腸囲食膜（中腸の内壁に近く、食物を包み、中腸上皮細胞を保護し、食物の吸収と消化を促進する）上のキチンの合成のみを担っています。

キチンを理解することは何の役に立つのでしょうか?

キチンの合成経路を理解することで、甲虫の硬い殻の発達中に起こるいくつかの現象をよりよく説明できるようになり、キチン合成経路に作用することで甲虫に介入することもできます。

例えば、TRE が阻害されると、トレハロースはグルコースに加水分解されなくなり、代謝が阻害されます。この時点で、ほとんどの昆虫のキチン合成が減少し、羽の変形、脱皮の困難、体重減少、成長の阻害、さらには死に至ることもあります。したがって、農作物や森林が害虫に襲われた場合、TRE を阻害することで災害を抑制することが考えられます（複数の病原微生物を阻害する場合も同様です）。あるいは、飼育している昆虫が上記の症状を示した場合、病気の原因がわかり、適切な薬を処方するのに役立ちます。

また、キチンは私たちの生活にも広く使われています。1) 細胞修復、抗酸化能力、細胞老化防止、細胞再生促進などの機能があり、美容・スキンケア業界で広く使われています。 2) 天然の抗菌作用があり、純綿や他の繊維製品と組み合わせてベビー服や下着を生産することができます。 3) 製品は硬く、無毒で、生体適合性も良好であり、人工肝臓、人工腎臓、人工骨、人工血管などの医療材料として使用できます。 4) 水道水や廃水の浄化、染料や繊維の接着剤など、産業界のさまざまな場面でも使われています。

参考文献:

[1] https://zh.wikipedia.org/wiki/%E9%9E%98%E7%BF%85%E7%9B%AE

[2] Rivera J、Hosseini M 他。悪魔のようなコブトムシの鞘翅の強化機構。自然 https://doi.org/10.1038/s41586-020-2813-8 (2020).

[3] 唐斌、張魯、熊旭平、王恵娟、王時桂。昆虫におけるトレハロース代謝とキチン合成の調節に関する研究の進歩[J]。中国農業科学、2018年、51(04):697-707。