生物発光は少なくとも5億4000万年前に動物で初めて進化し、これまでの最古の例を押し戻す

スミソニアン国立自然史博物館の科学者らによる新たな研究結果によると、生物発光は少なくとも5億4000万年前、八サンゴと呼ばれる海洋無脊椎動物のグループで動物で初めて進化した。

結果は4月23日に発表された。 王立協会論文集 B: 生物科学、この発光形質の動物における最古の出現に関するこれまでの記録をほぼ3億年遅らせることになり、いつの日か、そもそも光を生成する能力がなぜ進化したのかを科学者が解読するのに役立つ可能性がある。

生物発光（化学反応を介して光を生成する生物の能力）は、自然界で少なくとも 94 回独自に進化しており、迷彩、求愛、コミュニケーション、狩猟などの広範な行動に関与しています。 これまで、動物における生物発光の最も古い起源は、貝虫と呼ばれる小型の海洋甲殻類における約2億6,700万年前のものであると考えられていた。

しかし、文字通り光を放つ性質にもかかわらず、生物発光の起源は未だに謎に包まれている。

同博物館のサンゴ学芸員であり、この研究の上級著者であるアンドレア・クアトリーニ氏は、「なぜ最初に動物で進化したのかは誰もよくわかっていない」と語る。

しかし、クアトリーニ氏と、博物館の研究員で元博士研究員でもある筆頭著者のダニエル・デレオ氏は、生物発光がなぜ進化したのかというより大きな問題に最終的に取り組むためには、その能力が動物に初めて現れたのはいつなのかを知る必要があった。

この形質の最も初期の起源を探るため、研究者らは、ソフトコーラル、ウミファン、ウミペンを含む、進化的に古く、頻繁に生物発光する動物のグループである八サンゴ類の進化の歴史を遡ることにしました。

ハードサンゴと同様に、オクトサンゴは、避難所となる枠組みを分泌する小さなコロニー状のポリプですが、石の近縁種とは異なり、その構造は通常柔らかいです。 八重サンゴが光るのは、通常、ぶつかったり、妨害された場合にのみ光るため、光を生成する能力の正確な機能は少し謎に包まれています。

「私たちは生物発光の起源のタイミングを解明したかったのですが、八サンゴは生物発光することが知られている地球上で最も古い動物群の1つです」とデレオ氏は語った。 「それで、問題は、彼らがいつこの能力を身につけたのかということです。」

ハーベイ・マッド大学のクアトリーニ氏とキャサリン・マクファデン氏は、2022 年に非常に詳細で十分な裏付けのある八サンゴ類の進化系統図を完成させたのは偶然ではありません。クアトリーニ氏と彼女の共同研究者は、185 種の八女サンゴ類の遺伝データを使用して、この進化関係、または系統発生の地図を作成しました。 。

遺伝的証拠に基づいたこの進化系統樹を用いて、デレオとクアトリーニは、樹齢が既知の 2 つの八サンゴ化石を、その物理的特徴に基づいて系統樹内に配置しました。 科学者らは、これまでの化石の年齢と八サンゴの進化系図におけるそれぞれの位置を利用して、八サンゴの系統が分かれて2つ以上の枝になった時期を大まかに把握することができた。

次に、研究チームは、生きている生物発光種を特徴とする系統発生の枝をマッピングしました。

進化樹の日付を特定し、発光種を含む枝にラベルを付けた後、チームは一連の統計手法を使用して、祖先状態の再構築と呼ばれる分析を実行しました。

「現在生息しているこれらの種の八列サンゴが生物発光していることがわかれば、統計を利用して、それらの祖先が生物発光する可能性が高いかどうかを推測することができます」とクアトリーニ氏は述べた。 「共通の特徴を持つ現生種が多ければ多いほど、時間を遡ると、それらの祖先も同様にその特徴を持っていた可能性が高くなります。」

研究者らは祖先の状態を再構築するために多数の異なる統計的手法を使用しましたが、全員が同じ結果に達しました。約 5 億 4,000 万年前、すべての八サンゴ類の共通の祖先は生物発光していた可能性が非常に高いということです。 これは、動物における生物発光の最古の進化の称号を以前に保持していた光る貝虫甲殻類よりも 2 億 7,300 万年前です。

デレオ氏とクアトリーニ氏は、八サンゴ類の生きた代表者が数千いることと生物発光の比較的高い発生率は、この形質がこのグループの進化の成功に役割を果たしてきたことを示唆していると述べた。 このことは、八サンゴ類が生物発光を正確に何のために利用しているのかという疑問をさらに提起する一方、研究者らは、それが非常に長い間保持されてきたという事実は、この形態のコミュニケーションが彼らの適応力と生存にとっていかに重要であるかを浮き彫りにしていると述べた。

研究者らは、すべての八サンゴ類の共通の祖先がすでに独自の光を発する能力を持っていた可能性が高いことを知っているため、このグループの3,000以上の現生種のうちどの種がまだ光り、どの種がその特徴を失ったかをより徹底的に解明することに興味を持っています。 。 これは、生物発光の能力と相関し、その機能を解明する可能性がある一連の生態学的状況に焦点を当てるのに役立つ可能性がある。

この目的を達成するために、デレオ氏は、彼女と共著者の何人かが、生物発光に関与する酵素であるルシフェラーゼの基礎となる遺伝子の機能的コピーが八サンゴ類に存在するかどうかを判定するための遺伝子検査の作成に取り組んでいると述べた。 光度が未知の種については、このようなテストを行うことで、研究者はどちらかの方法でより迅速かつ簡単に答えを得ることができます。

この研究は、生物発光の起源を解明するだけでなく、今日のサンゴの監視と管理に役立つ進化の背景と洞察も提供します。 八木サンゴは、気候変動と資源採掘活動、特に漁業、石油とガスの採掘と流出、そして最近では海洋鉱物採掘によって脅かされています。

この研究は、海洋に関する知識を進歩させ、世界と共有することを目的とした博物館の海洋科学センターを支援します。 デレオ氏とクアトリーニ氏は、光を生成する能力が最初に進化した理由を科学者が理解できるようになるまでには、まだ学ぶべきことがたくさんあると述べ、その結果はその起源を進化の時間の深いところに置いているが、今後の研究で生物発光がさらに古いものであることが判明する可能性は残っていると述べた。 。

この研究には、フロリダ国際大学、モントレーベイ水族館研究所、名古屋大学、ハーベイ・マッド大学、カリフォルニア大学サンタクルーズ校に所属する著者が含まれています。