Multiscale architecture and composition of two South Australian Bryozoa: Celleporaria cristata and Densipora corrugata

オーストラリア沖の涼しく穏やかな海中、海の深部では、「苔動物」とも呼ばれる小さな群体性動物であるコケムシが、複雑な石の家を築いています。これらの生物は、単一の個体ではなく、微小なクローンが集まった巨大なコミュニティです。何世紀もの間、科学者たちは、これらの群体が石灰岩や貝殻に含まれるものと同じ鉱物である炭酸カルシウムでできていることを知ってきました。しかし、これらの動物がいかにして骨格を構築しているのか、そしてその骨格が、彼らの住む環境についてどのような秘密を握っているのかという物語は、大部分が隠されたままでした。課題はそのスケールにあります。構造があまりに小さいため、見るには強力な顕微鏡が必要であり、そこに含まれる化学信号は非常に微弱であるため、標準的な道具では見逃されてしまいます。これらの微小な建築家を理解することは極めて重要です。なぜなら、彼らは世界の炭酸塩堆積物の主要な寄与者であり、もし私たちがその石の壁に刻まれた化学的な言語を読み解く術を学ぶことができれば、彼らの骨格は海洋条件の歴史的記録として機能する可能性があるからです。

研究チームは、南オーストラリアの海草藻場で見られる2つの特定のコケムシ種を研究することで、この言語を解読しようと試みました。これら2つの種、Celleporaria cristata と Densipora corrugata は、何億年も前に分岐した異なる進化系統に属しているにもかかわらず、外見上はほぼ同一に見えるように進化してきました。両種とも、海草の茎に沿って成長する紡錘形の群体を形成し、その表面には横方向に走る顕著な隆起（リッジ）を備えています。科学者たちは、この驚くべき形状の類似性が、彼らが同じ方法で家を築いていることを意味するのか、それとも古代の相違が微細な構造の細部に影響を与えているのかを知りたいと考えました。それを確かめるために、彼らは高度なイメージング技術を駆け口にし、個体全体のサイズから、壁を構成する個々の鉱物の粒に至るまで、コロニーを調査しました。

調査は、コロニーの全体的な形状と内部構造の観察から始まりました。高解像度の3Dスキャニングを用いた結果、研究者たちは、外形は瓜二つである一方で、個々の動物が住む内部の部屋は根本的に異なっていることを確認しました。一方の種では、居住室は箱型でしたが、もう一方では長い管状でした。この違いは、彼らの異なる進化の歴史を反映しています。しかし、さらにズームアップして壁自体を調べたところ、驚くほど共通点があることが分かりました。両種とも、微小で平らな鉱物プレートと、小さな粒状の炭酸カルシウムのクラスターを混ぜ合わせて壁を築いていました。最も微細なレベルでは、両者とも65〜250ナノメートルの大きさの、丸みを帯びた微小な粒子であるナノグラニュール（ナノ粒子）で構成されていました。これは、異なる進化の道を歩みながらも、両者が同じ基本的な構成要素を用いて石の家を組み立て、おそらくこれらの微小な粒子を接着させることで形成していることを示唆しています。

研究者たちは次に、これらの石の壁の化学組成、特に、形成過程で炭酸カルシウムに取り込まれやすい元素であるマグネシウムに注目しました。両種ともに骨格の中にマグネシウムを取り込んでいますが、そのパターンは大きく異なっていました。管状の室を持つ種では、マグネシウムはコロニーの表面にある外部の隆起と完全に一致する明確なバンド（帯）状に集中していました。このパターンは、科学者に有力な仮説を提示しました。すなわち、これらの隆起は樹木の年輪のような、年間の成長の跡である可能性があるということです。海洋生物におけるマグネシウムレベルは夏季の気温上昇に伴い上昇することが多いため、高マグネシウムの隆起は急速な夏季の成長期を表している可能性があります。もしこれが真実であれば、これらのコロニーは数年の樹齢を持ち、隆起の数がその年齢を示していることになります。対照的に、もう一方の種では、マグネシウムが壁の中に不規則なバンドとして散在しており、外部の形状との明確な関連性はなく、同じ方法で年齢を特定することは不可能でした。

鉱物を超えて、チームは石の中に閉じ込められた有機物質についても調査しました。硬い殻を作るすべての生物は、鉱物の形成を導くために、タンパク質や糖類のような有機分子をいくらか混ぜ合わせます。研究者たちは、これら2つの種が全く異なる「有機物のレシピ」を使用していることを発見しました。箱型の室を持つ種はタンパク質が豊富な壁を持っており、これは動物が成長するにつれて壁に取り込まれる保護的な外皮、すなわちキューティクルの一部であると考えられます。この外皮を持たないもう一方の種は、鉱物の粒の間に位置する、炭水化物に富んだ有機層を持つ壁を持っていました。この違いは、外見が同じであっても、骨格を構築するための内部的な生物学的戦略が完全に異なる可能性があることを浮き彫りにしています。

本研究は、これら2つのコケムシが同じ環境で生き残るために同様の形状へと収斂（しゅうれん）した一方で、その内部構造は、それぞれのユニークな進化の過去を証明し続けていると結論付けています。今回の知見は、これらの小さなコロニーに対する新たな視点を提供します。つまり、マグネシウムに富んだ隆起を持つ種は、過去の海洋温度の自然な記録係となり得るということです。隆起を数え、その化学成分を分析することで、科学者は海草生態系における夏季の温暖化の歴史を再構築できるかもしれません。この研究は、単にこれらの動物がどのように構築するかを記述するだけではありません。それは、微小なコロニーを、過去の気候を知るための窓へと変え、石の家を利用して海洋の変化を監視する道を開くものなのです。