なぜ生命は死の機能を進化させたのでしょうか?

存在するべきか、存在しないべきか？これは哲学的な問いであるだけでなく、生物学的進化の実在性に関する究極の問いでもあります。生と死は、個人の生命の両端において弁証法的に、そして一体となって存在します。個体の生死、さらには種の存続をも繋ぐのが生殖という重要な使命です。

人間にとって、死はしばしば不幸と苦しみをもたらします。人類は歴史を通じて常に不死の夢を抱いてきました。しかし、より広い時間軸の観点から見ると、個体の老化と死は、再生と同様に、種全体の繁殖にとって極めて重要かつ貴重なものです。

種の存続を確実にするために、残酷な自然淘汰は地球上の生物に 2 つの重要な生存法則を教えました。

1. 生物進化には、集団を維持するのに十分な個体数と、環境の変化に適応するための遺伝的多様性という 2 つの基盤があります。

2. 資源が限られた環境においては、世代交代を適切な時期と形で完了させることが、種全体の発展に有益である。

進化の軌跡をたどり、これら 2 つの法則がどのように機能するかを見てみましょう。

パート1

遺伝的多様性：競争に対する秘密兵器

古生物学者は、35億年前にはすでに、太陽光を利用してエネルギーを生み出す光合成細菌や、メタンを生成できる古細菌などの微生物が存在していたことを発見した。これらの古代の微生物はかつて地球環境の進化に消えることのない貢献をしました。シアノバクテリアが約10億年前に出現したことは注目に値します。その出現により、もともと二酸化炭素、メタン、アンモニアで満たされていた大気に酸素が含まれ始めました。嫌気性生物は酸素の増加に適応できない場合は死ぬか、絶滅するでしょう。さまざまな生命体は生き残り、繁殖するために、環境の変化に適応する独自の能力を進化させる必要があり、太古の昔から種間競争の幕が開かれてきました。

種の進化は主に、個々の遺伝子の突然変異と自然選択という 2 つの側面から生じます。両者の違いは、遺伝子変異によって引き起こされる変化は良いことも悪いこともあり、静かに存在することもあるが、自然選択は生存に役立たないものをほぼ一方的に排除する点である。遺伝的多様性の増加は、自然選択が起こったときに対応するための戦略と可能性が増えることを意味します。人間が観察した最も最近の自然淘汰は、2017年8月から9月の間に起こった。米国ハーバード大学の科学者コリン・ドニヒュー氏が西インド諸島の小さなアノール・スクリプトゥス個体群の研究を終えたばかりのとき、ハリケーン・イルマが突然襲来した。ハリケーン後、科学者たちは同じ経路に沿って100匹のトカゲを捕獲し、前足指と後ろ足指の平均面積がそれぞれ以前より9.2％と6.1％大きくなっていることを発見した。さらに、後ろ足は前足よりも長かった。このようなトカゲは枝につかまってハリケーンを生き延びる可能性が高かった[1]。まさに遺伝的多様性が存在するからこそ、このトカゲ属はハリケーンの後でも絶滅していないのです。

個体群を維持する個体数と遺伝的多様性の間には、切っても切れない関係があります。国際自然保護連合（IUCN）は、1960年代から絶滅の脅威とリスクの程度に基づいて種を絶滅危惧レベルに分類した「絶滅危惧種レッドデータブック」を発行しています。異なるレベルを定義するための最も重要な基準の 1 つは、集団内の生殖可能な個体の数です。個体群内の生殖可能な個体が少ないほど、絶滅の可能性が高くなります。近親交配によって生まれた子孫は特定の遺伝病に罹患する可能性が高いことは知られていますが、これは他の生物でも同様です。集団内の個体数が少ないほど、子孫の遺伝子の類似性が高まります。一方で、これは遺伝的多様性にはつながりません。その一方で、子孫が一般的な遺伝病を患うリスクも高くなります。一度悪循環に陥ると、個体群全体が衰退し、最終的には絶滅に至ります。

地球の歴史において、生命は5回の自然大量絶滅を経験しており、現在は6回目の大量絶滅の過程にあります。人間活動の激化に伴い、異常気象や生活環境の変化が自然災害以上に頻繁かつ深刻な影響を他の生物に及ぼすようになっています。人類はこうした種の大量絶滅に対して逃れることのできない責任を負っている。生き残った生物は都市で暮らす方法を学ばなければならず、もちろん一部の種は人間の活動に適応し、その恩恵を受けました。適者生存の法則は、あらゆる生き物を追い詰める大きなナイフのようなものです。生き残ることは容易なことではありません。だから、今ある人生を大切にしてください。

パート2

有性生殖：遺伝的多様性を解き放つ鍵

生殖は種の存在の基盤であり、すべての生命の基本的な現象です。いかなる種の存続も繁殖と切り離せないものですが、それぞれの繁殖方法は非常に異なります。それらについて詳しく話そうとすると、この記事では足りません。存在は合理的です。どのような方向に進化しようとも、長い歴史の流れに埋もれずにこの地球上に存在し続けている限り、それは成功である。

進化の初期段階では、細菌やウイルスなどは、通常、無性生殖します。細菌は無性二分裂によって繁殖します。これは、細菌がすべての物質を 2 つにコピーし、さらに 2 つに分裂することを意味します。ウイルスの自己複製はさらに単純かつ粗雑です。細胞構造さえも放棄し、外殻と遺伝物質の一部だけを持つようになります。彼らは寄生的に宿主を利用し、ただ一つのこと、つまり自己複製だけを休みなく行います。それらは再生世界のモデルとも言える。

一部の原始的な動物の間では、単為生殖という新しい生殖方法が徐々に進化しました。メスはオスの存在なしに自身の DNA を複製することで繁殖することができます。無性生殖との違いは、無性生殖には生殖システムが関与せず、成熟した細胞自体が複製および分裂することです。一方、単為生殖動物は生殖器官を持ち、卵細胞は減数分裂の形で存在するため、「雌」の定義を満たします。

しかし、無性生殖や単為生殖では母親の DNA の同じセットがコピーされるため、子孫に突然変異が起こる可能性は有性生殖の場合よりもはるかに低くなります。有性生殖とは、両親が作り出した両性の生殖細胞（精子や卵子など）が結合して受精卵を形成し、それが新しい個体に成長する生殖方法です。有性生殖では、子孫は両親から遺伝子を受け継ぎ、融合の過程で遺伝的多様性が大幅に豊かになります。進化の過程において、環境への適応に有利な遺伝子変異をより多く得るために、より進化した生物は有性生殖を行う傾向があります。

進化の過渡期にある生物は必ず存在します。例えば、出芽によって無性生殖し、成熟後に有性生殖する菌類や、後述するように無性生殖と有性生殖の世代を持つクラゲなどが挙げられます。 Caenorhabditis elegans は、単為生殖と有性生殖の間の移行領域にあります。自然界では、ほとんどの Caenorhabditis elegans は雌雄同体です。彼らは一対の性染色体を持ち、自身の精嚢で生成された精子で卵子を受精させることができます。しかし、自然条件下では、性染色体の 1 つを失って男性の子孫が生まれる確率は 10,000 分の 5 です。この「100万分の1」の雄は、交尾による自家受粉よりも雌雄同体のほうが多くの子孫を産むことを可能にし、雌雄同体は雄の精子を優先的に使用します。興味深いことに、実験室では、性成熟の初期段階にある雌雄同体の動物を熱で刺激して性染色体の喪失を誘発し、雄が生まれる可能性を高めることがよく行われている。おそらくこれは自然界でも当てはまるのでしょう。通常の条件下では、Caenorhabditis elegans は自家受粉によって安定した数と遺伝子を持つ子孫を生み出し、遺伝的多様性を豊かにする役割を果たすのはごく少数の雄の線虫だけです。不利な環境に遭遇すると、オスの虫の数を増やして子孫を増やし、全体の個体群が生き残る可能性を高めます。

成虫のCaenorhabditis elegans。上の写真の個体は雌雄同体で、下の写真の「小さなフック」の付いた個体はオスです。

画像出典: www.wormbook.org

パート3

能動的な規制：進化への大きな一歩

細胞のアポトーシスのような高等生物の老化と死は、特定のプログラムされたメカニズムの作動の結果です。老化と死のモードをオンにするスイッチは DNA にコード化されており、進化が進むにつれて段階的に私たちの遺伝子に書き込まれます。

細菌、真菌、ウイルスなど下等生物の生存、繁殖、死は、積極的に制御される選択ではなく、外部環境によって決定されます。環境が適切であれば、生物は永久に存在できます。環境が悪化して繁殖できなくなったら、死んでしまいます。

細菌のコロニーは、十分な栄養とスペースがある限り、無限に増殖することができます。栄養が不足すると、コロニー全体が死んでしまう可能性があります。この場合、細菌の反応は次のようになります。同じ種類の細菌の場合、複製を加速するためにより多くの栄養素を吸収し、反対側に成長する機会を与えません。異なる種類の細菌同士が調和して共存し、互いに利益をもたらすことができます。人間の腸内細菌叢はその良い例で、さまざまな細菌がさまざまな食物の消化と分解を助け、全体的なバランスを維持しています。

ウイルスは宿主に寄生し、宿主が死ぬとウイルスは生き続けることができないため、ウイルスも独自の戦略を進化させてきた。悪名高いエボラウイルスは、わずか2週間で人を死に至らしめる可能性がある。 HIV は体内に何年も潜伏した後、人間の免疫システムを破壊する可能性があります。インフルエンザウイルスはしばしば「変装」し、免疫系と戦うために絶えず変化する表面抗原に依存します。これらの戦略はすべて、宿主が死ぬ前に新しい宿主に感染することを目的としています。

菌類は別の道を辿ります。成熟する前に出芽して子孫を残し、個体数を増やすことで繁殖することができます。成熟すると胞子を形成し、風などの媒体を通じて広がります。このようにして、コロニーは母親の栄養が枯渇する前に、新しい領域を見つけて発展を続けることができます。一部の菌類は、領土を占領するために他の種を殺す能力を進化させています。ペニシリンが発見されたのは、ペニシリウムが同じ培養皿上のブドウ球菌のコロニーを溶解するからです。

高倍率顕微鏡下のペニシリウム 画像出典: インターネット

進化が続くにつれて、植物や一部の下等動物は発達のリズムを制御する能力を発達させました。環境が成長に適していない場合、植物の種子は休眠状態に入り、発芽スイッチを一時的にオフにすることがあります。科学者のシャーウッド氏は、線虫「Caenorhabditis elegans」において、性成熟に達する前に発達チェックポイントがあり、現在の状態が継続的な発達に適しているかどうかを評価するのに使われることを発見した。例えば、食糧が不足すると、この時点で発育が停止し、ダウアーと呼ばれる幼虫形態を形成します。ダウアーは、通常の平均寿命である 3 週間よりはるかに長い、数か月間生存することができ、継続的な発育に適した条件が整うまで老化しません。しかし、C. elegansのこの能力は性成熟後に消失し、つまり性成熟に達すると線虫は死への道を歩み始め、後戻りはできない[2]。その後の研究により、線虫の生殖器系の成熟が死のスイッチをオンにするための重要な信号となることが確認された。この遺伝子スイッチは細胞の熱ショック応答機構に作用します。カスケードシグナル経路を刺激することで外部からの圧力に反応し、細胞が有害な外部刺激に抵抗し、細胞を優れた状態に維持できるようにします。しかし、線虫が性成熟に達してから 8 時間後には、保護的な熱ショック反応は完全に停止します。細胞はこの保護を失い、ゆっくりと老化し、線虫の老化と死につながります[3]。死のスイッチの活性化は、発達と性的成熟に大きく関係しています。

私は線虫 Caenorhabditis elegans が「幼若」な状態を維持できる能力をうらやましく思うが、この制御メカニズムが進化を通じて哺乳類の遺伝子に書き込まれなかったのは残念である。進化により、哺乳類は体温を調節する恒温システム、生存の可能性を高める胎生の方法、外部環境の変化に対処する一連の能力を獲得しました。環境に応じて自らの発展を規制する必要がなくなりました。これはまた、私たちが生まれた瞬間から常に死に向かって進んでいることを意味します。

パート4

世代交代：死は避けられない

死のスイッチの活性化は、発達と性的成熟に大きく関係しており、実際には自然選択と進化の必然的な結果です。個人の存在は、生存のために依存している資源と切り離すことはできません。集団内の個体数が増加すると、種間の競争と適者生存が必然的に導入されます。前述のように、種の寿命は、その集団内の生殖個体の数と遺伝的多様性によって決まります。資源が限られた環境においては、世代交代を適切な時期と形で完了させることが、種全体の発展に有益です。この現象は、単独で繁殖する昆虫や一部の魚類で最も顕著に見られます。繁殖の任務が完了すると、これらの個体は世代交代を完了するために急速に死にます。最も有名なのはおそらく「朝に生まれて夕方に死ぬ」カゲロウでしょう。一年生草本植物もこの論理に従います。

死の呪いから逃れられる生き物はほとんどいない。有名なベニクラゲは、性成熟後に幼生段階に戻ることができる唯一の既知の種です。分化転移と呼ばれるこの能力により、理論的には無制限の寿命を得ることができます。ベニクラゲを含む刺胞動物門は、ポリプとクラゲという世代交代の生活史を持っています。ポリプ型世代は無性生殖し、出芽によって多くのクラゲの芽を生産します。この世代は年をとったり死んだりしません。性的に成熟するとクラゲ型の世代に入り、有性生殖によって子孫を繁殖させます。 1996年、イタリアの研究者ピライノ氏らは、飢餓、水温の急激な変化、塩分濃度の低下、機械的損傷など人為的に環境を変化させ、さまざまな発育段階にあるクラゲの一種ベニクラゲ4,000匹に対して形質転換誘導実験を行った。その結果、さまざまな発育段階にあるベニクラゲはすべてクラゲの形からポリプの形に変化し、これは「若返り」と言えることが分かりました。他の刺胞動物の種はそれほど幸運ではありません。有性生殖が終わると、クラゲは死んでしまいます。 [1]

私たち人間のように、生殖の機会が複数ある種にとって、生殖能力を失った瞬間は老化と死が始まる瞬間であり、子孫のために十分な資源を残す時なのです。私たち哺乳類がカゲロウのようにすぐに死なず、老化の過程を経るのはなぜか、ゾウが私たちに啓示を与えてくれるのではないかと思います。高齢者の経験と知恵は、その集団に一定の利益をもたらすことができるのです。

象の群れは通常、経験豊富なメスの象によって率いられます。画像出典: インターネット

パート5

不死は本当に価値があるのでしょうか?

トールキンはかつて『指輪物語』の中でこう書いています。「エルフは不死の命を持ち、死は創造主から人類への贈り物である。」トールキンの小説では、人間の短い人生が花火のように爆発するからこそ、輝かしく栄光に満ちた歴史の一章が描かれるのです。しかし、比類なき力を持ちながらも、人間が羨むエルフ達は長い年月を経て死に絶え、歴史の舞台から徐々に消えていった。

不死になったら世界はどうなるのでしょうか？この映画は多くの可能性も提供します。 「イン・タイム」と「エリジウム」はどちらも、たとえ不死を達成したとしても、貧富の差が残り、人間の本性が貪欲である限り、不死後の世界はよりよい場所になることはなく、終わりのない搾取で満たされるだけであることを描いています。さらに、現在の人間の数では、地球はすでに圧倒されています。もしすべての人が不死であれば、地球の破滅もそう遠くないだろう。星と海はまだあると言う人もいるかもしれませんが、残念ながら、現在の人類の技術レベルでは恒星間移住を実現することは不可能です。私たちが持っているのは地球だけです。私たちが将来の世代に残せる最高の贈り物は、富や地位ではなく、より良く、より健康な地球、そして地球資源を犠牲にする必要のない、より環境に優しい先進技術です。

最後に、一つ言いたいことがあります。個体の生死は別として、種が長期間存在し、繁殖することができれば、それはある意味で不死であるということです。

参考文献:

[1] Donihue, CM, et al., ハリケーンによる島トカゲの形態選択ネイチャー、2018年560(7716):p. 88-91.

[2]Schindler, AJ, LR Baugh、およびDR Sherwood、インスリン/IGFおよびステロイドホルモンシグナル伝達経路によって制御されるCaenorhabditis elegansの後期幼虫期発達チェックポイントの同定。 PLoS Genet、2014年10(6):p. e1004426.[3]Labbadia, J.およびRI Morimoto、「熱ショック反応の抑制は生殖開始時にプログラムされたイベント反応である」モルセル、2015年59(4):p. 639-50.

著者: 宋孟嬌

著者所属：中国科学院分子細胞科学研究センター/生化学・細胞生物学研究所

制作：中国科学博覧会

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