太古の生命は「どう呼吸した」？ イエローストーン温泉に進化の謎を探る
地球に酸素がほとんどなかった太古の時代、生命はどのように呼吸し、生き抜いていたのでしょうか？そして、約24億年前に起きた「大酸化イベント」を経て、酸素が豊富な現在の環境へと、どのように適応していったのでしょう？この生命進化の壮大な謎を解き明かす鍵は、なんと国立公園の温泉の中に隠されていました。モンタナ州立大学（MSU: Montana State University）の研究チームは、イエローストーン国立公園の熱水泉に生息する古代の微生物に着目。過酷な環境で生きる小さな生命体の「呼吸」の仕組みを調べることで、地球と生命の歴史における大きな転換点に迫ろうとしています。彼らの発見は、私たちが知る生命の起源と進化の物語に、新たな１ページを加えるかもしれません。
Nature Communications誌の新しい論文で、MSU農学部（College of Agriculture）の科学者たちは、古代の微生物が先史時代の低酸素環境から今日のより酸素が豊富な環境へとどのように適応したかについての新たな知見を明らかにしました。この研究は、MSU教授であるビル・インスキープ（Bill Inskeep）によるイエローストーン国立公園での20年以上にわたる科学研究に基づいています。このオープンアクセスの論文は2025年1月2日に公開され、タイトルは「Respiratory Processes of Early-Evolved Hyperthermophiles in Sulfidic and Low-Oxygen Geothermal Microbial Communities（硫化物を含む低酸素地熱微生物群集における初期進化した超好熱菌の呼吸プロセス）」です。
著者である土地資源・環境科学科（Department of Land Resources and Environmental Sciences）の教授インスキープ、微生物学・細胞生物学科（Department of Microbiology and Cell Biology）の准教授メンサー・ドラキッチ（Mensur Dlakic）、そして2人の同僚は、公園のローワー・ガイザー・ベイスン（Lower Geyser Basin）にあるイエローストーンの2つの熱水泉、コンク・スプリング（Conch Spring）とオクトパス・スプリング（Octopus Spring）に生息する高温を好む生物を比較しました。
インスキープとドラキッチがこれらの場所を選んだ理由は、地球化学的に類似している一方で、注目すべき例外が1つあるためです：コンク・スプリングは、オクトパス・スプリングと比較して硫化物濃度が高いのです。（訳注：原文では酸素濃度も高いと読める箇所がありますが、研究の焦点は異なる酸素レベルへの適応戦略であり、コンク・スプリングでは低酸素環境型の呼吸、オクトパス・スプリングでは高酸素環境型の呼吸が優勢であることを比較しています）そのため、科学者たちは低酸素と高酸素の両方のレベルを持つ対照的な2つの熱環境に焦点を当てることができました。
温度が華氏約190度（摂氏約88度）で推移する両方の泉で、3種類の好熱性微生物 – 高温環境で繁栄する生物 – が見つかりました。論文によれば、それぞれの環境における微生物の生活様式は、地球の大気がほとんど酸素を含まない状態から今日の約20%の酸素含有量へと移行した約24億年前の時期である大酸化イベント（GOE: Great Oxidation Event）以前およびその期間を通じて、生命がどのように進化したかを明らかにすることができます。
「環境中の酸素が増加し始めたとき、これらの好熱菌はおそらく微生物生命の起源において重要でした」と、1999年からイエローストーンで研究を行ってきたインスキープは述べています。「酸素を利用する生物の進化がありました。オクトパス・スプリングにはより多くの好気性生物がいます。これらの環境には異なる登場人物がいるのです。」
インスキープとドラキッチが研究した微生物は、速い流れの中に生息する「ストリーマー」内に見られます。ストリーマーは小さなケルプ（海藻）のように見え、泉の中の岩や他の物体に付着し、流れの中で「くねくねと動く」フィラメント（糸状体）を成長させます。
視覚的には類似していますが、コンク・スプリングとオクトパス・スプリングのストリーマーには、非常に異なる微生物群集が生息していました。3種類の微生物が両方の泉に共通していましたが、より酸素に適応した生物が見られるオクトパス・スプリングの方がはるかに多様性が高かったのです。これは、生物が高酸素の世界で繁栄するようにどのように進化したかについての洞察を提供すると、科学者たちは述べています。
著者らは、コンク・スプリングとオクトパス・スプリングの微生物で見つかった呼吸関連遺伝子を比較しました。非常に低い酸素に適応した遺伝子は、コンク・スプリングで「高発現しており（highly expressed）、つまりより活発でした」。逆に、オクトパス・スプリングの生物は、より高い酸素レベルに適応した遺伝子を発現しており、これらは大酸化イベント（GOE）を通じて酸素レベルが増加するにつれて、より重要になった可能性が高いです。
MSUでの30年間で、インスキープはイエローストーンから広範なデータを収集してきましたが、学ぶべきことや問うべき疑問は常にあると彼は言います。2020年、彼とドラキッチは全米科学財団（NSF: National Science Foundation）の統合による理解促進機会プログラム（Opportunities for Promoting Understanding Through Synthesis program）から助成金を受け、イエローストーンの好熱菌を研究しており、彼らの共同研究は、地球上の生命がどのようにして誕生したかについてのこれまで知られていなかった側面を照らし続けています。
MSUが大イエローストーン生態系内に位置することも、この種の研究を行う上で理想的であるとインスキープは述べています。
「この種の実験を実験室で再現するのは非常に難しいでしょう。適切な量の酸素と硫化物を含む熱水流を作り出すことを想像してみてください」と彼は言います。「そして、それがこれらの環境を研究することの素晴らしい点なのです。これらの生物が繁栄するために必要なまさにその地球化学的条件で、これらの観察を行うことができるのです。」
そして、温泉に生息する「くねくね動くもの」たちの営みは、人間の生活からはかけ離れているように感じるかもしれませんが、それらは人間がどのように繁栄するようになったか、そして様々な生命体が生存を確保するためにどのように周囲の環境に適応するかについての私たちの知識を広げてくれる、とドラキッチは述べています。
「単純なものを研究することによって複雑な生命を理解するのは直感に反するように思えるかもしれませんが、実際にはそう始めなければなりません」と彼は言います。「今日私たちがどこにいるのかを理解するためには、過去を振り返って考えなければなりません。」
写真；イエローストーン国立公園のタコの泉
