A timeline for evolution of metabolism in early microbes

人類が地球を歩むずっと前、そして最初の森林や海が私たちが知るような形で存在すらしていなかった遠い昔、この惑星は微生物的な生命によって形作られていた。これらの初期の微生物は、単なる居住者ではなかった。彼らは私たちの世界の化学組成を築き上げた建築家であった。彼らが生命を維持するために行った化学反応を通じて、ガスが放出され、岩石が分解され、最終的には大気を酸素で満たし、その後に続くあらゆる複雑な生命への舞台を整えたのである。科学者たちは、長年、これらの微小な生物の歴史、具体的には、彼らが異なる種類の代謝（エネルギーを生命へと変換する化学プロセス）を行う能力をいつ発達させたのかを解明しようと試みてきた。しかし、その証拠はしばしば希薄である。数十億年前の岩石は、時としてこれらの古代の活動を暗示することがあるが、その記録は空白と曖昧さに満ちている。一部の代謝プロセスは石の中に全く痕跡を残さないため、研究者たちは、最初の微生物がいかにして、そしていつ、食べ、呼吸し、成長することを学んだのかという疑問を抱き続けている。

この謎を解くために、ある研究者が現代の生命のデジタルアーカイブに目を向けた。数百種類の現生する細菌や古細菌の遺伝的設計図を分析することで、彼らは代謝の進化に関する新しいタイムラインを構築した。彼らの研究は、これらの生命維持のための化学プロセスが時間の経過とともにランダムに現れたのではなく、むしろ3つの明確な波として到来したことを示唆している。第1の波は34億年以上前に発生し、酸素を必要としない単純なエネルギー生成方法を含んでいた。約32億年前に始まった第2の波は、最終的に酸素の使用へとつながるものを含む、より複雑なプロセスを導入した。そして、約14億年前に始まった最後の波は、より少数の生物に見られる特化した形態の代謝をもたらした。コンピュータモデルと生命の歴史を組み合わせることで構築されたこのタイムラインは、古代の岩石から得られる最も信頼性の高い日付と密接に一致しており、私たちの惑星がいかにして居住可能になったかについて、より鮮明な絵を描き出している。

研究者は、700種類の異なる現代の微生物の遺伝データを収集することから研究を開始した。彼らは、現生する生物に存在する遺伝子はその古代の祖先から受け継がれたものであると仮定し、これらのゲノムを歴史的記録として扱った。強力なコンピュータプログラムを用いることで、彼らはこれらの祖先の遺伝的機能を再構築し、実質的に時間を遡って、最初期の生命形態がどのような遺伝子を持っていたのかを予測した。次に、彼らは再構築されたこれらの遺伝子に対して2つの異なる計算ツールを適用した。一つのツールは、現代の生物に基づいた機械学習のアプローチを用い、特定の遺伝的構成に基づいて、古代の微生物が特定のタスクを実行できたかどうかを推測した。二つ目のツールは、遺伝子を既知の化学ネットワークに照らし合わせ、特定の代謝経路に必要な機構が存在するかどうかを確認した。進化の系統樹全体にわたってこれらのツールを実行することで、彼らは発酵や硫黄化合物の呼吸といった特定の特性がいつ初めて現れたのかを特定することができた。

結果は、3つの進化の波という明確なパターンを明らかにした。34億年以上前に始まった最初期の波は、嫌気性生物、すなわち酸素なしで繁栄する生物によって支配されていた。これらの初期の微生物は、エネルギーを生成するために発酵や硫黄化合物の呼吸に依存していた。この時期は、岩石の記録における微生物生命の最初の広く受け入れられている化学的証拠と一致している。第2の波は約32億年前に始まり、好気性への多様化への重要な転換点となった。この時代には、エネルギーのために酸素を利用する能力である好気性呼吸の出現が見られ、それに続いて好気性増殖の隆盛が起こった。また、これには窒素固定や、今日私たちが呼吸している酸素で大気を満たすことになった酸素発生型光合成といった、他の複雑な特性の出現も含まれていた。約14億年前の約14億年前に現れた第3の波は、専門化を特徴としていた。この時期、微生物はセレンやクロレートを呼吸する能力といった、より少ない系統に見られる高度に特化した代謝能力を発達させた。これは、より洗練された進化の段階を表している。

研究者は、コンピュータによって生成されたタイムラインの信頼性を、地質学的記録から導き出された独立した日付と比較することでテストした。その結果、彼らの予測と、古代の岩石から得られた最も保守的で広く受け入れられている日付との間に強い一致が見られた。例えば、彼らのモデルは、硫黄ベースの呼吸と好気性増殖の台頭を、最も信頼できる古い地球化学的証拠と一致する時期に予測した。この一致は、彼らの手法が堅牢であり、そのタイムラインが単なるコンピュータモデルの産物ではなく、現実の歴史的事実を反映していることを示唆している。また、本研究は、岩石の記録には痕跡を残さないいくつかの形態の代謝が、この遺伝学的アプローチを用いて年代測定できることを強調した。これにより、科学者はこれまで不可能であったレベルの詳細さで、地球の歴史の空白を埋めることができるようになる。

このタイムラインは強力な枠組みを提供する一方で、研究者はそれが決定的な結論ではないことも認めている。彼らのモデルは現存する酵素に依存しており、酵素なしで行われた代謝プロセスや、すでに絶滅した生物によって行われたプロセスを考慮に入れることができない。この限界が、彼らのモデルが、最も議論の余地がある古い地球化学的なヒントよりも、いくつかのプロセスがわずかに遅れて出現したと示唆している理由である可能性がある。例えば、モデルは窒素固定の起源を、一部の岩石の証拠が示唆するよりも後と位置づけているが、研究者が何をもって完全な代謝システムとみなすかの基準を調整すると、その日付は地質学的記録に近づく。こうした微妙な差異はあるものの、本研究は、化石記録、岩石の化学的歴史、そして生命の遺伝的歴史を統合し、異なる証拠の筋をうまく調和させることに成功した。それは、微生物の代謝がいかに進化し、静かな化学的世界を、私たちが暮らす活気に満ちた酸素豊かな惑星へと変貌させたのかについて、包括的な視点を提供している。