光合成中、植物とシアノバクテリアは太陽光を利用して水と二酸化炭素を糖と酸素に変換します。このプロセスは、地球上のほぼすべての生命の基礎です。しかし、進化の起源についてはほとんど知られていません。研究者らは、現在も植物の光合成に関与している17億5,000万年前の微化石の構造を特定した。これらの古代のチラコイド膜の発見は、これまでの光合成の最も古い直接的な証拠を提供します。
地球の初期の頃、大気中には微量の酸素しか含まれていませんでした。それは約 24 億年前の、いわゆる大酸素大災害によって変わりました。理由はまだ十分に理解されていませんが、海洋と大気中の酸素レベルが急速に増加し、地球上の状況が根本的に変化しました。それまで存在していたほとんどの生命体は絶滅した。ここから、今日私たちが知っているような生命の進化が始まりました。科学者たちは、老廃物として酸素を生成する光合成が酸素の急激な増加に重要な役割を果たしたと考えています。おそらく酸素を生成する光合成を最初に開発した初期のシアノバクテリアがこれに関与していると考えられます。しかし、光合成がいつ現在の形で出現したかについては議論の余地がある。
効果的な光合成のための膜陥入
「シアノバクテリアがどのように分化したかに関する知識は、地球と生命の進化を理解する上で極めて重要です」と、ベルギーのリエージュ大学のカトリーヌ・ドゥムーラン率いるチームは書いている。特に重要なのは、今日のほとんどの光合成活性生物に見られる構造、いわゆるチラコイドです。これらは、シアノバクテリアの膜または植物の葉緑体の膜にある陥入です。これらの陥入には、効果的な光合成を可能にする集光複合体が特に多数含まれています。
「今日生息するシアノバクテリアの中には、チラコイド膜を持つグループと持たないグループがいます」とドゥムーランと彼女のチームは説明する。 「これらのグループ間の遺伝的差異に基づいて、それらは27億年前から20億年前の間に分岐したと考えられています。しかし、この時代の化石証拠はまだ見つかっていません。」したがって、チラコイドが酸素大災害の前に発達し、おそらくそれを引き起こしたのか、それともその後に出現したのかも不明です。
微化石の内部への洞察
ドゥムーラン氏と彼女のチームは現在、微生物ナビフサ・マジェンシスの化石化した遺体を調査している。これはおそらく初期のタイプのシアノバクテリアでした。最古の標本はオーストラリアのマクダーモット層から出土しており、約17億5,000万年前のものと推定されています。研究チームは特殊な電子顕微鏡を使用して、化石微生物の内部構造を可視化することに成功した。そして確かに、明らかに分離され、積み重ねられた層が存在しました。これは、チラコイド膜の典型的な構造です。
「この発見は化石記録を少なくとも12億年延長し、チラコイドを持つシアノバクテリアの起源が少なくとも17億5千万年前であることを証明した」と研究チームは書いている。チラコイドが酸素大災害の前に形成されたのか、それとも後に形成されたのかはまだ明らかではありませんが、研究者らは、彼らの手法が将来この疑問を解明するのに役立つ可能性があると考えています。 「細胞壁と細胞小器官の超微細構造はほとんど注目されていません」と彼らは説明します。 「将来的には、さらに古い微化石の同様の分析を使用して、初期の光合成活性生物を特定し、当時の生態系についての新たな洞察を得ることができるでしょう。」
出典: Catherine Demoulin (ベルギー、リエージュ大学) 他、Nature、 doi: 10.1038/s41586-023-06896-7
