光を避ける単細胞生物の秘密—葉緑体が縮む驚異のメカニズム

「光る海」の原因となる単細胞生物

今回の研究対象となったのは、ピロシスティス・ルヌラ（Pyrocystis lunula） という単細胞藻類だ。この生物名は馴染みがなくても、その影響を目にしたことがある人は多いだろう。船乗りや漁師の間ではよく知られており、夜の海が青く光る現象 の原因となる生物の一つだ。

P. lunula は渦鞭毛藻（dinoflagellate）の一種であり、葉緑体（chloroplast）を利用して光合成を行い、太陽エネルギーを化学エネルギーへと変換する。しかし、この生物は植物のように葉緑体の配置を変えることで光の吸収量を調整することはできない。さらに、動物のように強い光から逃げることも不可能だ。では、この単細胞生物はどのようにして過剰な光から身を守っているのだろうか？この謎を解明することが、本研究の目的だった。

葉緑体は「縮む」ことで強光を回避する

研究チームは、ニコ・シュラムマ博士（Nico Schramma）、グロリア・カサス・カナレス博士（Gloria Casas Canales）、マズィヤール・ジャラール博士（Maziyar Jalaal） の3名を中心に、P. lunula の葉緑体の動きを詳細に解析した。彼らは顕微鏡を用いて細胞の映像を撮影し、その複雑な形状を数値化するためにコンピューターアルゴリズムを利用した。

すると、驚くべき現象が確認された。P. lunula の葉緑体は、強い白色光（例えば晴れた午後の太陽光）にさらされると、約40%縮小し、球状に変化する ことが判明した。この変化はわずか5分以内に起こる。そして、光の条件が変わり、例えば暗い赤色光に切り替わると、30分ほどで元のサイズと形状に戻る ことが分かった。

「すべての方向に縮む」特殊な葉緑体ネットワーク

P. lunula の葉緑体が縮小できる理由は、細胞内に存在する 「細いフィラメントのネットワーク」 にあった。このネットワークは、あらゆる方向に自由に伸縮できる特殊な構造を持っており、それにより光の吸収面積を劇的に減少させることが可能になる。

ここで重要なのは 「あらゆる方向に縮む」 という特性だ。通常、自然界の構造はこのような性質を持たない。例えば、レモンを踏みつけると、高さは低くなるが、横に広がり円盤状になる。しかし、P. lunula の葉緑体は 均一に縮小する ことで、より効果的に強光を避けることができるのだ。

自然界のホバーマン・スフィア

この構造は、1988年にチャック・ホバーマン（Chuck Hoberman） によって特許取得された「ホバーマン・スフィア（Hoberman sphere）」の仕組みに似ている。ホバーマン・スフィアは、押し縮めると全体が均等に小さくなる構造を持つ玩具であり、数学やエンジニアリングの世界でも注目されている。

この発見は、生物学だけでなく トポロジー（位相数学） や 材料科学 の分野にも関連する。実際、近年では「スマートマテリアル」と呼ばれる、外部刺激に応じて性質を大きく変える人工材料 が研究されており、P. lunula の葉緑体の構造と同様の特性を持つ人工材料が開発されつつある。つまり、科学者やエンジニアが新たに考案したアイデアは、すでに自然界の中に存在していたのだ。

科学の進展が新たな発見をもたらす

今回の研究は、単細胞生物の葉緑体が強い光から身を守る仕組みを解明しただけでなく、自然界がどのように高度な物理的・数学的法則を活用しているか についても新たな洞察を与えた。また、この発見は 新しい材料設計のヒント となる可能性があり、スマートマテリアルの開発に応用されるかもしれない。

科学の世界では、一つの疑問が解決されると、さらに多くの疑問や発見が生まれることが多い。P. lunula の光適応戦略を理解することで、他の渦鞭毛藻や単細胞生物がどのように環境に適応しているのか、さらなる研究が進むことが期待される。

 [News release] [PNAS article]