今日は東京の上野公園にある国立科学博物館に来ています。
いや〜何だか化石とか模型がたくさん並んでますね。
ねえ何かかっこいいですよね。
ねえ。
今ここでは「生命大躍進〜脊椎動物のたどった道〜」と題して特別展が開かれているんですね。
地球上に誕生した生命が４０億年でどうやって進化したのかそれを実物の化石だけじゃなく復元模型や高精細の映像を使って分かりやすく解説してくれてます。
うわ〜面白そうですね見てみたいです。
何と言っても見どころは実物の化石ですよね。
１つご紹介しましょう。
これは…恐竜の化石ですか？これね恐竜の時代より後の今から４，７００万年前の哺乳類の化石なんですよ。
ドイツで発見されてイーダという愛称が付いています。
これ９５％の骨格が残っている当時の霊長類としては本当に完璧といっていいほどの化石なんですね。
すごい。
胃の中までちゃんと残ってるんですよ。
えっ！…って事は食べたものとか？そうなんですよ。
残ってるんですか？ろっ骨の下の黒い部分ちょっと見て下さい。
何かブツブツブツってなってる。
あれはね葉っぱとか果物のカスなんですよ。
え〜すごい。
残ってるんだ。
恐らく木の実を主に食べていたんじゃないかと考えられています。
太古の昔から現代まで私たちは長い時間をかけて進化してきました。
これまで生命の進化の謎を解明するには化石や地層などに残された痕跡から情報を読み取るしかありませんでした。
ところが近年ヒトをはじめさまざまな生物のＤＮＡが驚異的なスピードで読み解かれるようになりその結果生命の進化の謎が明らかになってきました。
なんと私たちの祖先が人間に進化するまでの間でＤＮＡにとんでもない事件が起こりその事件が私たちの大躍進につながったというのです。
最新のＤＮＡ研究が解き明かす生命大躍進の謎に迫ります。
まず２人がやって来たのは…今から５億年前の古生代カンブリア紀にカンブリア大爆発が起きました。
はい。
これは突如として多様な生命が出現した時期なんですね。
その例がこちらピカイア。
ピカイア？これは我々脊椎動物の祖先に近い生物だと考えられています。
えっこれがですか！？
（笑い声）え〜ちょっとピンと来ないですよ。
ちっちゃなウナギみたいですよね。
そうですね形が。
実際ウナギみたいにクネクネと体を動かして海を泳いでいたといわれています。
へえ〜。
目が原始的で明暗しか感じられなかったそうです。
そうなんですか。
我々の祖先は非常にかよわい存在だったんですね。
え〜。
一方こちらはカンブリア紀の海の王者アノマロカリスの化石です。
これちょうど体が節になってるじゃないですか。
あ〜はい。
これ節足動物なんですね。
エビとか昆虫の仲間っていう事ですよ。
へえ〜。
実物大の模型がこっちにあります。
本当だ。
えっ何か…面白い形してますね。
エビといえばエビですけどね。
注目してほしいのはこの目ですね。
この時代のアノマロカリスとか三葉虫といった節足動物は複眼と呼ばれる立派な目を持ってるんですよ。
その複眼の化石がこちらにあります。
えっ。
これですか？はい。
見えますか？これ。
トンボの目みたいにたくさん目があるでしょう？これ複眼ですね。
え〜！これは視野が広いので敵を見つけたり獲物を見つけたりするのにすごく最適だったんですね。
そうなんですか。
この時代はこういった複眼を持つ節足動物が栄えていて我々の祖先の脊椎動物はおびえながら暮らしていたっていう事なんですよ。
へえ〜。
この節足動物が更に進化しますよ。
こちらは４億年前のシルル紀。
見てこの大きさ。
大きいですね随分。
これは古生代に生きていた節足動物ウミサソリの化石です。
ニューヨーク州で発見されたこの化石はなんと体長２．２メートル。
え〜！私たちよりはるかに大きいですね。
そうですね。
複眼を持ち立派なハサミを持っているウミサソリはまさに海の王者でした。
あれ？でも今地球上にはいないですよね。
いいところに気付きましたね。
このウミサソリその後絶滅してしまったんですよ。
一方我々の祖先は非常にかよわい存在であったんですが節足動物を上回る大進化を遂げるんですね。
え〜！どうしてこんなに大型の生物に負けない進化ができたんですか？その秘密が最新のＤＮＡ研究によって分かってきたんです。
ここフロリダの海に５億年前のピカイアの生き残りといわれる珍しい生き物がいます。
その住みかは浅瀬の海。
海底の砂をすくい上げると…。
白っぽいひものようなものが現れました。
その姿はピカイアの化石にそっくりです。
このナメクジウオの遺伝子はピカイアとかなり似ていると考えられています。
そこで２００８年ナメクジウオのＤＮＡ情報の全てが解読されました。
そのＤＮＡ情報を脊椎動物の代表であるヒトと比べたところ意外な事が分かりました。
例えば体の基本構造を作り上げる役割を持つＨＯＸ１３と呼ばれる遺伝子。
ナメクジウオには１個しかありませんがヒトは４個持っていました。
更に目を形づくる時に重要なＥＹＡという遺伝子もナメクジウオは１個しかありませんがヒトにはやはり４個ありました。
なぜヒトでは遺伝子が４個ずつあるのか。
プロジェクトが導いたのは驚くべき結論でした。
ナメクジウオのような姿の祖先から人間に進化するまでのおよそ５億年間のどこかで持っている遺伝子のセットが丸ごと４倍に増えるような事件が起きていたというのです。
そしてこの４倍になった事こそ私たち脊椎動物が進化の過程で大躍進を果たしたカギだというのです。
遺伝子が４倍！はい。
私たちの体の中でそんな進化が起きていたんですね。
４倍になって何が起きたのかをここから見ていきますがほらいつものスタジオに帰ってきました。
お！ここは５億年前のカンブリア紀の海です。
お〜ここをあの脊椎動物の祖先に近いピカイアが泳いでたんですね。
そうです。
で今日はそのピカイアの生き残りといわれているナメクジウオに来てもらいました。
うわっこれ！確かにあの博物館で見たピカイアの化石の形も結構大きさも…。
似てますよね。
似てますね。
全然動いてないですけど。
このナメクジウオに１つしかない遺伝子が私たちの体では４つある。
なぜそんな事が起きたんでしょうか？不思議ですよね。
という事でここからは専門家に伺いましょう。
東北大学大学院牧野能士さんです。
よろしくお願いします。
よろしくお願いします。
この遺伝子４倍増っていうのはヒトだけに起こったんですか？ヒトだけではないんですね。
ヒトを含む脊椎動物で起きました。
こちらは生命の進化の過程を示した図になります。
今から４０億年前に生命が誕生しました。
その後長い年月をかけて動物や植物などさまざまな生物に進化していきます。
動物の進化に着目していきますと大きく分けて節足動物を含むグループと脊椎動物に代表されるグループに進化していきます。
このうち遺伝子が４倍になったのは我々脊椎動物だけなんですね。
脊椎動物だけっていう事は私たちは生物の中でも珍しい存在って事ですか？はいそうですね。
動物というのは３５の分類群に分けられるんですけども遺伝子の４倍増を経験したのは脊椎動物一つだけなんですね。
極めて珍しくて興味深いです。
でも遺伝子が増えたり減ったりというのはよくある事ですよね。
そうですね。
遺伝子というのはＤＮＡの中でも体の設計図を担っているんですけれども一つの遺伝子が増えたり減ったりするという事は時々起こります。
へえ〜。
ただここで珍しいというのは全ての遺伝子が４倍になったという点なんですね。
へえ〜じゃあどうして全ての遺伝子が４倍にまで増えたんですかね？非常に不思議ですよね。
今から５億年前カンブリア紀の初めの頃。
ピカイアに似た私たちの祖先はこのような姿をしていたと考えられています。
海底に産み落とされた卵にオスが精子を振りかけています。
普通精子は父親のＤＮＡの半分を持ち卵子は母親のＤＮＡの半分を持っています。
そのため子どもには両親と同じ量のＤＮＡが受け継がれます。
しかしこの時事件が起こります。
何らかのミスで親のＤＮＡを半分ではなく丸ごと持つ精子と卵子が作られたのです。
この精子と卵子が出会って受精。
親の２倍の量のＤＮＡを持つ受精卵が出来ました。
通常よりも大量の遺伝子を含むこうした受精卵は普通余分な遺伝子が邪魔をしてうまく育ちません。
ところがこの時は生き残るための何らかの条件が偶然にも満たされ２倍のＤＮＡを持つ子どもが無事誕生しました。
そして世代を重ねるうち驚く事にこの奇跡が再び起こります。
２倍のＤＮＡを持つ親から２倍の精子と２倍の卵子が作られたのです。
そして４倍ものＤＮＡを持つ子どもが誕生しました。
遺伝子が倍になる奇跡が２回起きた事で私たちは４倍もの遺伝子を手に入れる事ができたのです。
なるほど。
２倍になった遺伝子が更に２倍になって４倍になった訳ですね。
はい。
全ての遺伝子が２倍になる現象を全ゲノム重複と呼びます。
全ゲノム重複？はい。
脊椎動物は約５億年前に２回の全ゲノム重複を起こしまして遺伝子が４倍になったんですね。
でもどうしてこんな現象が起きたんですか？不思議なんですけどはっきりした事は分かってないんですね。
ただ生物のこの長い進化の歴史を見ますと時々全ゲノム重複が起きているんです。
へえ〜！植物の例なんですけれども今から約６，５００万年前さまざまな植物で全ゲノム重複を起こした事が分かっています。
植物にも起こったんですか。
そうなんです。
全ゲノム重複で遺伝子が２倍になるとどんな影響があるんですか？環境の変化に対して強くなって生存しやすくなるというふうにいわれています。
この植物の全ゲノム重複のあとおよそ６，５００万年前ここで生物の大量絶滅が起きました。
恐竜が絶滅した時ですよね？そうですね。
しかし全ゲノム重複を起こした植物はこの過酷な環境を生き延びたんです。
そうなんだ。
という事は私たちの遺伝子が４倍になったという事は今私たち脊椎動物が生きている事もちょっと関係ありそうですね？その可能性も考えられますね。
この生物の歴史の中で５回の生物大量絶滅があったんです。
ですのでこの全ゲノム重複２回経験した我々の祖先が大きな環境変動を生き延びた可能性も考えられます。
ちなみに遺伝子が４倍になるとどんな事が起きるんですか？全ゲノム重複で増えた遺伝子っていうのはそのまま残ってる訳ではないですね。
今我々ヒトの遺伝子が大体２万２，０００あるんですけども…へえ〜。
その進化の過程において…えっ遺伝子って消えちゃったり変異するんですか？するんですよ。
こちらをご覧下さい。
これはＤＮＡの遺伝子を模式的に表した図です。
全ゲノム重複を起こすと全ての遺伝子が２倍になりますね。
遺伝子それぞれ２つありますので１つがなくなっても問題ありません。
ですので多くの遺伝子はこのように消失してしまいます。
え〜！ただ２つ残る遺伝子もあるんですね。
いくつかありますね。
ありますね。
そうすると…変異すると新しい機能を持っている訳ですので今度また環境が変わった時により生存しやすいそういった可能性が高まると考えられます。
うわ〜。
それでは今でも見られる例を１つご紹介しましょうか。
これはアフリカに生息している…もともとは同じ祖先だったんですがアフリカツメガエルの方は全ゲノム重複で遺伝子が２倍になってるんですよ。
約５，０００万年前全ゲノム重複を起こしたんです。
お〜じゃあアフリカツメガエルの方が進化したっていう訳ですね？そうですね。
こちらの図を見て頂きますとアフリカツメガエルの方が広範囲に生息してますよね。
本当だかなり広がってますね。
ネッタイツメガエルはおよそ２６℃の気温を好むんですけどもアフリカツメガエルは１３℃から２３℃と低温に対して耐性があるんです。
ですので環境に対する適応能力が高いといえますね。
これは増えた遺伝子を使って新しい機能を獲得したっていう事ですか？そうですね。
じゃあ私たちも遺伝子が４倍になった事で何か新しい機能を手に入れたって訳ですか？いいところに気付きましたね。
その新しい機能とは何なのか我々のご先祖に近いナメクジウオにもう一度登場してもらいましょう。
あれ黒い布が掛かってて見えないんですけど。
はいこの黒い布がポイントなんですよ。
今僕がこれ取りますからよ〜く注目して下さい。
はい。
いきますよ。
せ〜のほっ！おっ？あっおお〜。
お〜。
すごい元気に動いてますね。
さっき全然動いてなかった。
うわ〜すごいいきなり動き出した。
じゃあもうちょっと光を強くしてみましょうか。
ほら。
お〜みんな動いてますね。
えっあ〜！あ〜すごい動きますね。
光に反応してるんだ。
という事は目に関係してる事ですね？そうですね。
ナメクジウオは眼点と呼ばれる原始的な目を持ってるんですね。
ただ原始的ですので光の明るい暗いしか分からないんです。
なるほど。
そうですね。
ポイントは目の構造です。
節足動物と脊椎動物目の構造が違うんですね。
我々脊椎動物はカメラ眼という特殊な目を持ってるんです。
カメラ眼？はい。
カメラ眼は大きなレンズで光を集めます。
そして網膜に像を結んで物の形や姿をはっきりと捉える事ができるんですね。
こちらは我々の祖先が見てる映像ですけれどもはっきりと見えてますね。
そうですねはっきり見えます。
一方で節足動物が持っている複眼は一個一個の小さな目個眼がドーム状に集まって出来ています。
広範囲を見渡せるメリットはあるんですけどもこのように節足動物はぼんやりとした映像しか見られないんですね。
ふ〜ん。
全然違いますね見え方が。
という事はあの大きな節足動物との生存競争に私たちのご先祖様が対抗できたのはカメラ眼を持ったからなんですかね。
それだけじゃないんでしょうが非常に重要な要素だったんでしょうね。
そして最新の研究で全ゲノム重複によってどうやってカメラ眼を獲得したのかそのメカニズムが分かってきました。
遺伝子が４倍になった最初の生き物に近い生きた化石ともいえる生き物が北海道の清流に暮らしていました。
漁師さんが川に仕掛けたわなを引き揚げます。
ウナギのような魚に見えますが…。
顔に近づけると吸盤のように頬に吸い付いています。
面白い。
すごい。
この生き物ヤツメウナギと呼ばれています。
特徴は口。
普通の魚と違って顎がありません。
顎を持たないヤツメウナギは普通の魚に進化する前の最も原始的な脊椎動物の一つです。
注目すべきはその目。
そうカメラ眼を持っています。
ヤツメウナギは現在知られている中で…このヤツメウナギの目を徹底的に調べカメラ眼と全ゲノム重複の関係を解き明かそうとする研究者がいます。
和田さんたちはカメラ眼がどのようなメカニズムで出来るのかを研究してきました。
ヤツメウナギの目を薄くスライスし目のどの部分でどんな遺伝子が働いているのかを調べました。
そしてカメラ眼のスクリーンにあたる網膜の部分で全ゲノム重複で生まれた２つの遺伝子が巧妙な働きをしている事を発見しました。
ＥＰＨ遺伝子は目が作られる際に網膜から伸びる視神経を脳につなぐ役目をしています。
この遺伝子が正しく視神経をつなぎ網膜の情報を脳に伝えないとたとえ網膜と脳を視神経で結んでも物を正しく認識する事ができません。
ヤツメウナギは全ゲノム重複で増えた２つのＥＰＨ遺伝子を使い網膜の情報を脳に正しく伝える事ができるようになりました。
一体それはどんな方法でしょうか？これはヤツメウナギのカメラ眼を縦方向つまり上下方向にスライスした断面です。
三日月形の部分が網膜です。
ここに遺伝子がどのように働いているのかを調べたところＥＰＨＢは下に行くほど強く働いている事が分かりました。
一方こちらは横方向。
つまり左右方向にスライスした断面です。
ＥＰＨＣ遺伝子を調べると右に行くほど強く働いている事が分かりました。
つまり網膜全体で見るとこのように２つの遺伝子の働きの強さは場所によって差がある事が分かりました。
実はこれこそがカメラ眼実現のためのカギなのです。
２つを重ね合わせて遺伝子の働きの強さを数字で表してみます。
例えば左上の升目は赤１青１。
右下の升目は赤８青８というように遺伝子の働く強さによって網膜上の位置を区別する事ができるようになります。
その結果目を作る際に例えば網膜の赤５青７から伸びた視神経は正確な位置の情報を脳に伝える事ができます。
目が作られる時にこの網膜と脳を結ぶネットワークが出来たからこそ網膜のどの位置に何が映っているのかを正確に知る事ができるようになったのです。
全ゲノム重複で増えた遺伝子のおかげですごい進化した目になったんですね。
ですね。
これが我々脊椎動物の大躍進の秘密だったんですね。
こうやって獲得されたカメラ眼はその後恐竜とか哺乳類に受け継がれ当然我々人間も持ってる訳ですよ。
お〜。
何か目以外にも遺伝子が４倍になった事で獲得した機能ってあるんですか？そうですねカメラ眼以外にも顎であったり手足ですねこれも全ゲノム重複によって生じた遺伝子が深く関わっているという事が分かってきました。
そっか。
今こうして生活できてるのもそういう全ゲノム重複のおかげなんですね。
例えば目の遺伝子なんですが全ゲノム重複じゃなくて目の遺伝子だけが２倍になってもいいような気がするんですけど。
実はそれができない理由があるんです。
目に関わるような…そうすると病気になったり正常に生まれてこれないといったそういった問題が生じてきます。
ふ〜ん。
という事は…そのとおりです。
へえ〜。
遺伝子が一度に全て重複するとバランス自体は崩れてないですよね。
ああまあ。
でも４つある中で１個になるものもあれば４つ残ってるものもある訳ですよね。
そうです。
結構バランス崩れてるような気もするんですけど。
いい質問ですね。
消えていってしまう遺伝子っていうのは遺伝子の量のバランスが崩れてもいい遺伝子なんです。
という事は遺伝子の中にも結構重要なやつとそうでないやつがある訳ですか？そうですね。
全ゲノム重複で残る遺伝子っていうのは全ゲノム重複以外では増えれず一旦全ゲノム重複で増えてしまうと消えない運命にあるという非常に面白い特徴を持っているんですね。
面白い。
この全ゲノム重複と脊椎動物の進化これに着目したのは大野乾先生という日本の生物学者なんですね。
１９７０年代にはもう既に遺伝子の重複と進化について仮説を提唱されていました。
更に最近ゲノムＤＮＡの研究が飛躍的に進みましてこの大野先生の仮説が正しいという事が分かってきたんです。
全ゲノム重複後に消えずに残る遺伝子があると説明しましたが今も残っている遺伝子を大野先生に敬意を表してオオノログと呼んでいるんです。
へえ〜。
ちなみにこの先またヒトが全ゲノム重複３回目起こる可能性っていうのはあるんですか？そうですね２回あったんでこれから数億年後に３度目の全ゲノム重複があるかもしれません。
全ゲノム重複何か壮大な話ですね。
本当ですね。
全ゲノム重複って偶然起きたようなんだけど今私たちが生き延びるためには必要な事だったっていう進化の奇跡というかちょっと感動しました。
牧野さん今日はどうもありがとうございました。
ありがとうございました。
それでは「サイエンスＺＥＲＯ」。
次回もお楽しみに。
2015/09/20(日) 23:30〜00:00
ＮＨＫＥテレ１大阪
サイエンスＺＥＲＯ「ＤＮＡの大事件！生命進化の謎」[字]
生命誕生から４０億年。ヒトなどの脊椎動物が進化する過程で、驚くべき変化が起こっていたことがわかってきた。ＤＮＡの事件とは？生命はどう進化したのか？その謎に迫る。
詳細情報
番組内容
近年、テクノロジーの発達により、ヒトをはじめさまざまな生き物のＤＮＡの解読が進められている。その結果、驚くべき生命の進化の過程が明らかになってきた。これまで、地球の生命は４０億年以上の長い時間をかけ、少しずつ姿を変えてきたと考えられていた。しかし、「目・手足の誕生」や「脳の巨大化」といった変化は、ある時期に、突如ＤＮＡが激変する事件が起きたというのだ。それを可能にした「遺伝子重複」の秘密に迫る。
出演者
【ゲスト】東北大学大学院生命科学研究科准教授…牧野能士，【司会】竹内薫，南沢奈央，【語り】土田大
ジャンル :
ドキュメンタリー／教養 – 宇宙・科学・医学
ドキュメンタリー／教養 – 自然・動物・環境
情報／ワイドショー – その他
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