Somatic differentiation evolves rapidly and repeatedly through the modification of developmental plasticity

生命はしばしば、単独で自立した一つの細胞として始まりますが、地球における生命の歴史は、それらの単一細胞がいかにして互いに結びつき、分化することを学んだかという物語でもあります。人間や樹木のような最も複雑な多細胞生物において、細胞は特定の役割を担います。ある細胞は体を動かすための筋肉になり、別の細胞は信号を送るための神経細胞になり、またある細胞は内部を保護するための皮膚になります。この分業は進化における大きな一歩であり、細胞の集まりを、一つの統合された個体へと変貌させます。長い間、科学者たちはこの移行がいかにして起こるのかという疑問を抱いてきました。それは、何百万年もの時間をかけて、微小な変化がゆっくりと、かつランダムに蓄積されることで起こるのでしょうか？ それとも、環境が生物を新しい方向へと押し進める場合、より迅速に起こり得るのでしょうか？ 生物学における重要な概念の一つは、もしある形質が環境に応じて変化できる性質（これを「可塑性」と呼びます）を持っているならば、その柔軟性こそが、新しい恒久的な形質が進化することを可能にする鍵になるかもしれない、というものです。

このアイデアを検証するために、研究者たちは「エウドリナ（Eudorina）」と呼ばれる、極めて小さな緑藻類に注目しました。これらの生物は淡水に生息し、通常は、すべてが繁殖能力を持つ同一の細胞からなる球状のコロニーを形成しています。しかし、エウドリナには秘密があります。寒くなると、一部の細胞が変化するのです。それらは小型化し、繁殖を停止し、コロニーが泳ぐのを助けるための小さな尾のようなもの、すなわち鞭毛（べんも）を成長させます。これらは体細胞であり、野生下では、この変化は一時的なものです。寒さが過ぎれば、細胞は元の状態に戻ります。この、行ったり来たりできる能力こそが、科学者たちが研究しようとした「可塑性」です。彼らはシンプルかつ深遠な問いを立てました。もし、これらの藻類に対して寒冷ストレスを繰り返し与え続けたとしたら、その一時的な変化は恒久的なものになるのだろうか？ つまり、水温が温かくても、常にこれらの特化した非繁殖細胞を持つように、エウドリナは進化するのだろうか？ ということです。

その答えは、専門の研究者と数百人の大学生による大規模な実験から得られました。チームは、単一のエウドリナのコロニーから出発し、それを多くの別々の系統に分けました。そして、終わることのない厳しい冬を模倣するように、これらの系統に対して繰り返しの寒冷ショックを与えました。実験室では2つの系統を用いて実験を行い、大学の講義内では、学生たちがそれぞれ少しずつ異なる寒冷曝露のスケジュールに従って、さらに46の系統を管理しました。数ヶ月にわたるこのストレスの後、結果は驚くべきものでした。ほぼ半数の系統において、藻類は寒くない時でも特化した細胞を持つコロニーを生成し始めたのです。一時的な可塑的反応が、生物の恒久的な特徴となったのです。

研究チームが密接に追跡した特定の系統は、さらに一歩進んだ結果を示しました。この系統では、温度に関係なく、すべてのコロニーが特化した細胞を生成しました。藻類は、柔軟で未分化な状態から、「絶対的（オブリーゲート）」な状態へと進化したのです。つまり、その分化は今や生物学的な固定ルールとなりました。これは、実験室の設定において、絶対的な体細胞分化を持つ生物体を創出することに成功した初めての事例です。研究者たちは、新しく進化した系統におけるこれらの特化した細胞の割合が、自然界において「プレオドリナ（Pleodorina）」と呼ばれる近縁の藻類に見られるものと一致していることを発見しました。プレオドリナは、この形質を自然界で何度も進化させてきた属です。この実験は、新しい種類の個体への道が、既存の環境応答を修正することによって切り拓かれ得ることを示しました。

どのようにしてこれが起こったのかを理解するために、チームは進化した藻類のDNAを配列解析し、進化前の元のバージョンと比較しました。その結果、変化はランダムなものではないことが分かりました。変異は、生物が寒さにどのように反応するか、およびどの細胞が特化すべきかを決定する遺伝子において起こっていました。元の藻類では、これら二つのプロセスは別々です。寒さが一時的な変化を引き起こし、発生は通常通りに進みます。しかし、進化した藻類では、これら二つのプロセスの遺伝的スイッチが融合していました。本来は寒冷ショックの間にのみオンになるはずの遺伝子が、恒常的に活性化しており、細胞を常に分化させるように強制していたのです。これは、進化がゼロから新しいメカニズムを発明したのではなく、既存の道具――寒さへの応答――を取り上げ、それを新しい目的のために作り替えた（リワイヤリングした）ことを示唆しています。

この研究はまた、この移行が驚くほど速やかに起こったことも明らかにしました。わずか数ヶ月、そして数十世代の間に、藻類は単純な同一細胞のコロニーから、分業を行うより複雑な個体へと、その境界線を越えたのです。この急速な変化は、生物がストレスに対して形態を変える能力をすでに備えている場合、その変化が恒久的なものになることは極めて容易であることを支持しています。研究者たちは、藻類がストレスにさらされればされるほど、恒久的な分化へと進化する可能性が高まることを観察しました。環境はガイドとして機能し、有用な生存戦略を定着させるための遺伝的変化を選択したようです。

この研究は、生命の歴史における最も重要なステップの一つである、単純な単細胞の存在から複雑な多細胞の個体性への移行について、明確な窓を開いています。それは、新しい種類の存在への跳躍が、必ずしも長い時間をかけたランダムな突然変異の行進を必要とするわけではないことを示しています。時には、生物が限界まで追い込まれたとき、そしてその圧力を生き抜くための遺伝的機構が新しいものを構築するために再利用されたときに、それは起こり得るのです。これらの小さな緑のコロリをリアルタイムで観察することで、科学者たちは、生命の柔軟性が単に「悪い一日」を生き延びるための手段ではなく、全く新しい生き方の基礎となり得ることを証明したのです。