アメリカでは「あしながおじさん」の愛称で知られるザトウムシですが、ウィスコンシン大学マディソン校の統合生物学部門に所属するギルヘルメ・ガイネット博士（Guilherme Gainett, PhD）とプラシャント・シャルマ博士（Prashant Sharma, PhD）、および同僚たちは、この節足動物の目に焦点を当てて研究を行っています。2024年2月23日にCurrent Biologyに掲載された論文「Vestigial Organs Alter Fossil Placements in an Ancient Group of Terrestrial Chelicerates（退化器官が陸生ケラチェレータの古代グループの化石配置を変える）」では、ザトウムシが胚の段階で2組の未発達な目を持っていることが分かり、この種が科学者たちが考えていたよりも早く進化の木で多様化したことを示唆しているということです。この驚きの発見の手がかりは、顕微鏡の下、ザトウムシの発達中の脚の横に隠されていました。
「自分の目を疑いました。科学において、誰もが見たことのないものを見て、本当に興奮するような小さな瞬間があります」と、現在ボストン小児病院とハーバード医科大学でポスドク研究員として働いているガイネット博士は振り返ります。
ガイネット博士が目にしたのは、視覚器官の形成と視覚のメカニズムに重要な視覚タンパク質であるオプシンでした。胚にクラスター化しているオプシンを見つけたことで、研究者たちはそれらが進化の別の時点で2組のレンズを持つ機能的な目に発達したであろう退化した目、すなわち構造的な残骸である可能性が高いと考えました。
一組は側面に位置し、最前部の足の側にあります。もう一組は中央にあり、現在頭の前面に見られる目の前に位置しています。ガイネット博士とシャルマ博士は、これらの器官が脳の視覚処理部分に接続されていることも発見しました。
これまで、現代のザトウムシは、頭の上部に位置する一組の中央目を持っていると考えられていました。しかし、2014年に発見されたより古いバージョンの節足動物の化石標本は、頭の側面に追加の一組の側面目を持っていましたが、新しい研究は、生きているザトウムシの種が一組以上の目を持っていることを示す最初の証拠です。
退化した器官は、チャールズ・ダーウィンが進化のアイデアを議論し始めて以来、科学者たちの関心の対象となってきました。
「退化した器官は、異なるグループの一形態から別の形態への移行が何が起こったかの犯罪現場に足跡を残します」とガイネット博士は言います。
彼は、退化した器官が重要である理由を説明します。それらは、種が時間をかけて特徴を獲得する—この場合は失う—進化プロセスを追跡することを可能にし、古代と現代の特徴を結びつけることができるからです。興味深いことに、生きているザトウムシで見つかった退化した目の位置は、化石標本で報告されたものと似ています。
異なる目は異なる機能を持っているとガイネット博士は説明します。中央の目は通常、視覚の明瞭さが高いので、一部の節足動物では鮮明な画像を形成するのに適しています。側面の目は、明確な画像を生成するのではなく、一般的に動きや光を検出するのに役立つため、低光条件下で役立ちます。
しかし、ガイネット博士がザトウムシの胚に見つけた側面の目にはレンズがないため、完全に発達した目のように視覚情報を画像に処理するわけではありません。代わりに、ガイネット博士とシャルマ博士は、これらの目が光と暗闇を区別するのに役立つより一般的な情報を収集していると考えています。
退化したオプシンを発見した後、ガイネット博士とシャルマ博士は、ザトウムシの祖先がなぜ、どのようにして2対の目を失ったのかを考え始めました。どのような環境条件が役割を果たしたかを知ることは困難なため、彼らは異なる種類の目の発生に関与する遺伝的および発達的条件に目を向けました。
ガイネット博士とシャルマ博士は、節足動物の目の発達をコードする遺伝子群を研究しました。
「これらの遺伝子の一部は、中央目と側面目の両方に発現しているので、すべての目に必要です。しかし、これらの遺伝子の一部は、一方のタイプまたはもう一方により限定されています」とガイネット博士は言います。
遺伝子の発現を「ノックダウン」することで、退化した器官がおそらく目であったことを示す証拠を提供することができました。ガイネット博士は、遺伝子のノックダウンを、その発現を完全にオフにするのではなく、一時的に減らす方法として説明します。
目の発達に責任を持つ遺伝子の発現を減らすために、研究者たちはRNA干渉と呼ばれるプロセスを使用しました。これは、細胞が自身の遺伝子をウイルスのような脅威と考え、複製できないように切り刻むべきものとして騙すことです。これらの遺伝子の発現がザトウムシの胚で低下すると、個体は目を発達させませんでした。
現代のザトウムシの退化した目と化石標本の間の遺伝的および発達的なリンクを描くことは、進化がどのように起こるかについて重要な洞察を与えます。
「形態学で見るものの背後にある遺伝学を研究する目的の一つは、進化がどのように起こるかを本当に理解することです。目の多様性が進化するためには、遺伝子の基本的なレシピをどのように変える必要があるのか？」とガイネット博士は説明します。
ボストン小児病院で、ガイネット博士は、複合眼を持つハエから、多くのクモで見られるカメラのような目への遷移の背後にある遺伝学を研究することで、節足動物の目の進化に関する仕事を続けることを望んでいます。
[News release] [Current Biology abstract] [NY Times article]
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顕微鏡で見ると、ザトウムシの頭部は、現代の目が形成されている部分がマゼンタ色に光っている。緑色で示されたオプシンは、この動物の進化の初期段階において、さらに2組の退化した目が存在していたことを示している。(写真：Guilherme Gainett）。
