微生物の中の「巨人」は誰でしょうか？

最近、フランスの科学者たちは、カリブ海のマングローブ干潟から、Thiomargarita luxuriant（巨大Thiomargarita sulfatus）と呼ばれる新しいタイプの細菌を分離しました。その大きさはなんと2cmに達し、肉眼でも容易に確認できました。細菌がミミズと同じ大きさに成長できるというのは本当に驚くべきことです。

コインと比較したThiomarginatus giganteus（白い明るい線）

（画像出典：参考文献5）

では、なぜチオマルガードを細菌として定義するのでしょうか?なぜこんなに巨大化したのでしょうか？他の微生物の中にもこのような巨人はいるのでしょうか？これらの質問に答えるには、生物の分類と、さまざまな微生物間のつながりや違いから始めなければなりません。

1. 最も主流の生物学的分類法 - 3ドメイン理論

生物の分類は人類にとって非常に重要な科学的問題です。正しい分類によってのみ、さまざまな生物をより効果的に認識し理解することができ、それによって生物をより有効に活用したり保護したりすることができます。現在、生物学界では、生物を細菌、古細菌、真核生物の 3 つの主要なカテゴリに分類するというのが主流の理解です。この分類方法は、単に異なる種の解剖学的特徴に頼るのではなく、リボソームRNA配列に基づいており、比較的科学的です。

3ドメイン理論の模式図

（画像出典：参考資料2）

ウイルスは上記のいずれのカテゴリにも該当しないことに留意してください。これは、ウイルスが細胞から独立して生存する能力を持たず、細胞に感染した後にのみ生命のような特性を示すためです。そのため、上記の分類方法では、ウイルスは非生物の補足物として存在することが多いです。

3ドメイン理論では、細菌ドメインと古細菌ドメインの生物の間には一定の類似点があります。どちらも単細胞生物であり、その細胞の種類はどちらも原核細胞です。しかし、細胞膜脂質とリボソーム RNA の根本的な違いにより、細菌と古細菌は 2 つのドメインに分けられます。実は、彼らの祖先は約27億年前に互いに独立して進化し始めており、まったく異なる2つの生物であると言えます。

古細菌の名前には「古代」という言葉が含まれていますが、進化論の観点から見ると、古細菌は「古代の細菌」ではなく、現代の細菌の祖先でもありません。実際、古細菌は進化的に真核生物に近いため、真核生物の祖先であるとも広く考えられています。

真核細胞と原核細胞の図

(画像出典: Wikipedia)

真核生物の中には非常に単純な構造を持つ単細胞生物も存在しますが、それらの細胞は本質的には真核細胞であり、原核細胞とは根本的な構造上の違いがあります。真核細胞には核が含まれているため、真核細胞という名前が付けられています。真核細胞には、ミトコンドリア、葉緑体、ゴルジ体などの他の細胞器官も含まれています。真核細胞と比較すると、原核細胞には一般に内細胞膜がなく、核膜に包まれた形成された核がなく、細胞内に染色体が存在せず、DNA 鎖はコイル状ではなく細胞質内に自由な形で存在し、細胞質内に膜結合細胞器官 (ミトコンドリアや葉緑体など) は存在しません。

つまり、真核細胞の構造は原核細胞の構造よりもはるかに複雑です。私たちが日常生活で目にするあらゆる種類の動物や植物（もちろん人間自身も含む）は真核細胞で構成されており、真核生物に属します。

色彩豊かな真核生物

(画像出典: Wikipedia)

2. 微生物の巨大選択：資格は非常に重要

生物の分類について説明した後、微生物をどのように分類するかを見てみましょう。微生物とは、肉眼では確認することが難しい小さな生物の総称です。実際のところ、それらの分類に関して一般的に受け入れられている定義はなく、十分に厳密な生物学的根拠もありません。

現在、生物学界では微生物を藻類、原生動物、真菌、細菌、古細菌、ウイルスの 6 つのカテゴリーに分類する傾向があります。これら 6 つの微生物のうち最初の 3 つは真核生物ドメインに属し、細菌と古細菌はそれぞれドメインを形成し、ウイルスは無生物に属します。しかし、私たちのような一般人にとって、ウイルスの威力は誰もが経験したことがあるものです。私たちの日常的な認識では、ウイルスは長い間、微生物の代表として考えられてきました。

藻類、原生動物、真菌（菌類）の3種類の真核生物の中には、顕微鏡なしでは見ることができないほど小さな生物が多いものの、「巨人」も数多く存在することを指摘しておかなければなりません。例えば、菌類の代表であるキノコは、驚くほどの大きさに簡単に成長します。例えば、2018年に中国の科学者は、地球上で最大の菌類と言われている長さ12メートルのキノコを発見しました。

しかし、既存の文献によれば、1998 年に米国森林局の科学者がオレゴン州で Armillaria ostoyae の一種を発見したとのことです。さまざまな場所でのDNA検査の結果、この菌類の個体は890ヘクタールの面積を覆っており、約2,400年間森林で生育していた可能性があることが判明した。

キノコは多細胞菌類なので、大きく成長するのは不思議ではないと言う人もいるかもしれません。これは事実ですが、多くの単細胞藻類や単細胞原生動物は、自分たちを微生物と呼ぶのがまったく恥ずかしいほどの大きさにまで成長することがあります。例えば、高校の生物の教科書に出てくる昆布は単細胞藻類です。核は基部に位置し、擬根に囲まれ、「傘」や「茎」などの構造が上方に伸びています。昆布の大きさは実は2～5センチほどで、もはや微生物とは関係ありません。さらに巨大な単細胞藻類や単細胞原生動物の中には、長さが数十センチメートル、さらには数メートルに達するものもあります。

いくつかの巨大な単細胞生物。左から右へ：Cyclocystis sphaerocephala、Pteridophyta sphaerocephala、Umbellifera

(画像出典: Wikipedia)

もちろん、このような巨大な単細胞種は、通常、細胞内に核が 1 つだけではなく、複数の核がいわゆる「シンシチウム」を形成しています。単細胞生物と呼ばれる理由は、その体を構成する構造の中に、異なる細胞を分離する細胞壁や細胞膜などの構造が存在しないからです。

この場合、本当の微生物の巨人は、細菌、古細菌、ウイルスからのみ選択できます。

3. 認知を覆す微生物の巨人

まずは細菌について見てみましょう。この超巨大細菌が発見される前は、世界最大の細菌（体積で）は常にナミビアのチオマルギナータが保持していました。この細菌は1999年にナミビア大陸棚沖の海洋堆積物で発見された。平均直径は0.1～0.3mmで、最大の個体は1mm近くあり、肉眼で確認できるほどの大きさです。私たちがよく知っている大腸菌は長さがわずか数ミクロンですが、両者の体積は数千倍も異なります。

今回発見された巨大な硫黄を好む細菌は、これまでの記録を数千倍も大幅に更新した。長さはなんと2cmにも達します。肉眼で見えるだけでなく、ピンセットで簡単に拾うこともできます。人間のまつげと形が似ています。通常の細菌の大きさを成人の身長で比較すると、Thiomarginatum giganteum の高さはエベレストに相当し、通常の細菌の 5,000 倍以上になります。

Thiomarginatus giganteus (A/B) と Escherichia coli のサイズ比較 (画像出典: 参考文献 1)

通常の細菌と比較すると、チオマルガリータ・ギガンテアのDNAサイズは大きく、遺伝情報量は大腸菌の約3倍です。原核生物であるため、真核生物のような核構造はありませんが、細胞内には DNA を運ぶ小さな細胞小器官が多数あります。これらの DNA「コア」の周囲では、タンパク質が大量に合成され、巨大なサイズに成長します。発見者は当初、それが細菌だとは思っていなかったが、DNA検査により、この巨大な生物は確かに独立した個体であることが確認された。

ほとんどの古細菌は極限環境に生息する好極限性生物ですが、ほとんどの人は古細菌についてあまり知りません。現在知られている最大の古細菌の大きさは約12ミクロンで、最大の棒状古細菌は長さが約100ミクロン（0.1 mm）に達することもあります。しかし、おそらく生息環境の制約のため、人類は未だに「巨大」と呼べる古細菌の種を発見できていない。

古細菌は深海の熱水噴出孔に頻繁に訪れる（画像出典：Wikipedia）

ウイルスは構造が単純で、細胞の外で独立して生存する能力がないため、3ドメイン理論から除外されます。構造が単純ということは、当然サイズが小さいということであり、このためウイルスは細菌よりも数百年遅れて発見されたのです。電子望遠鏡が発明されて初めて、人類はウイルスを真に観察できるようになりました。新しいコロナウイルスを例に挙げてみましょう。その大きさはわずか120ナノメートルで、大腸菌の体積の数百分の1です。しかし近年、巨大ウイルスが次々と発見され、これまでの人類のウイルスに対する認識を大きく覆す事態が起こっています。

2003年、フランスの科学者たちは、大きさが約400ナノメートルのミミウイルスを発見しました。この発見は、巨大ウイルスが人類の視界に入る始まりでもあった。現在、人類が発見した最大のウイルスは、2014年に報告されたピトスポリンウイルスです。このウイルスは、シベリアの永久凍土の氷床コアサンプルで発見された二本鎖DNAウイルスです。最大長は2ミクロン近く、直径は0.5ミクロンに達します。その外観は古代ローマで使用されていた口の広い陶器の壺に非常に似ているため、この名前が付けられました。解凍ジャーウイルスはアメーバに感染して死滅させる能力があるため、その大きさが話題になっているほか、地球温暖化により永久凍土が溶けて未知の病原体が放出される可能性もかつてないほど懸念されている。

広口瓶ウイルスと新型コロナウイルスの大きさ比較（右）

(画像出典: Wikipedia)

ある意味、微生物こそが地球の真の支配者であり、地球のあらゆる場所に生息しています。燃え盛る深海の熱水噴出孔から何千万年も凍り付いた永久凍土まで、微生物は粘り強く繁殖し、最終的には地球のエネルギーと物質の循環において重要な役割を果たしています。地球は微生物を形成し、微生物は地球を形成します。進化における驚異的な多様性により、人類は「生物」という概念に対する理解を絶えず突破してきました。おそらく、将来的にはさらに大きな微生物が登場し、微生物の巨人のリストが更新されるでしょう。

参考文献

代謝活性のある膜結合細胞小器官に DNA が含まれる、長さ 1 センチメートルの細菌

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abb3634

第30章 27億年前の「祖先」の体内

https://gendai.ismedia.jp/articles/-/73944

顕微鏡を使わずに細胞を観察したいですか?これらの「巨大な」単細胞生物はあなたを満足させてくれるでしょう

https://tech.sina.com.cn/roll/2020-01-06/doc-iihnzhha0600724.shtml

世界最大の低温電子顕微鏡の詳細な構造と解析

https://www.nips.ac.jp/release/2017/11/post_352.html

世界最大の細菌は肉眼で見える

https://www.newscientist.com/article/2325909-largest-known-bacteria-in-the-world-are-visible-to-the-naked-eye/

制作：中国科学普及協会