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科学者が生物学的成長の限界を支配する数学的法則を明らかにする

東京理科大学地球生命科学研究所（ELSI）の科学者を含む研究チームは、栄養素が豊富になるにつれて生物の成長が遅くなる理由を数学的に説明する生物学の新しい原理、つまり「収穫逓減の法則」として知られる現象を特定した。 生物がさまざまな栄養環境下でどのように成長するかを理解することは、長い間生物学の中心的な問題でした。微生物、植物、動物の成長は、栄養素、エネルギー、細胞機構の利用可能性によって決まります。これらの限界について広範な研究が行われてきましたが、ほとんどの研究は個々の栄養素や特定の生化学反応のみに焦点を当てており、複雑で相互に関連した細胞プロセスが制約された条件下でどのように集合的に成長を制御するのかという、より広範な疑問は未解決のままです。 これに対処するために、ELSIの畠山哲弘特任准教授と理研特別博士研究員の山岸純平からなる研究チームは、資源が限られているときにすべての生きた細胞がどのように成長を調節するかを説明する統一原理を発見した。彼らの研究は、科学者が生物システムの研究に取り組む方法を変える可能性のある概念である、微生物の増殖に対する大域的な制約原理を導入しています。 80年近くにわたり、研究者たちは微生物の増殖を説明するために1940年代に定式化された微生物学の「モノー方程式」に依存してきました。モノッド方程式によれば、安定した成長に達する前に、栄養素の増加に伴って成長速度が増加します。ただし、このモデルでは、微生物の増殖を制限するのは 1 つの栄養素または生化学反応のみであると想定しています。実際、細胞は何千もの相互作用する化学プロセスを実行し、すべてが同じ限られた資源をめぐって競合します。 「成長曲線の形状は、特定の生化学反応に依存するのではなく、細胞内の資源配分の物理学から直接現れます」と畠山氏は言う。 この新しい原理は、微生物の成長を説明するモノーの方程式と、植物の成長は窒素やリンなど、供給が最も短い栄養素によって制限されるというリービッヒの最小の法則という 2 つの古典的な生物学的法則を統合します。言い換えれば、たとえ植物がほとんどの栄養素を豊富に持っていたとしても、最も少ない栄養素が許す限りしか成長できません。これらの概念を組み合わせて、研究者らは「段付きバレル」モデルを作成しました。このモデルでは、栄養素が増加するにつれて、さまざまな制限因子が順番に影響を及ぼします。これは、新たな制限因子が支配的になるために、微生物と高等生物の両方が、より多くの栄養素が追加された場合でも収益が逓減し、成長が鈍化する理由を説明します。 畠山氏は、自身の理論をリービッヒの樽の最新バージョンに例えており、植物は最も短いステーブ（つまり、最も限られた栄養素）が許す限りしか成長できないという。 「私たちのモデルでは、樽の譜表が段階的に広がっています。各段階は、セルがより速く成長するにつれてアクティブになる新しい制限要因を表しています。」と彼は説明します。 彼らの理論をテストするために、チームは大規模なコンピューター モデルを使用しました。 大腸菌これには、細胞がタンパク質をどのように利用するか、細胞が空間的にどのように詰まっているか、細胞膜の容量などが含まれます。シミュレーションでは、より多くの栄養素が追加されると予測される成長の減速が示され、酸素または窒素レベルが成長パターンにどのように影響するかが明らかになりました。結果は実験室での実験とよく一致し、モデルの精度が確認されました。 この発見は、あらゆる形態の生命の成長を見るための新たな視点を提供します。さまざまな原理を組み合わせることで、グローバル制約原理は、すべての単一分子を詳細にモデル化する必要なく、複雑な生物学的挙動を説明します。 私たちの取り組みは、普遍的な成長の法則の基礎を築きます。すべての生命システムに適用される制限を理解することで、細胞、生態系、さらには生物圏全体が変化する環境にどのように反応するかをより正確に予測できるようになります。」 山岸 純平 理化学研究所特別研究員 研究の重要性は基礎生物学を超えています。これは、産業における微生物の生産を改善し、制限された栄養素を正確に特定することで作物の収量を増加させ、気候変動下での生態系の反応の予測を導くのに役立つ可能性があります。今後の研究は、この原理がさまざまな生物にどのように適用されるか、また複数の栄養素がどのように一緒に使用されるかを調査するのに役立つ可能性があります。この研究は、微生物生物学を生態学理論と結びつけることによって、生命の成長の限界を理解するための普遍的な基盤に向けて大きな一歩を踏み出しました。 ソース：東京理科大学参考雑誌:JF 山岸 & TS 畠山 (2025)微生物の増殖の法則に対する大域的な制約原理。 米国科学アカデミーの議事録。土井: 10.1073/pnas.2515031122。 #科学者が生物学的成長の限界を支配する数学的法則を明らかにする