第23章原生生物
Prokaryotic Metabolism原核生物の代謝
Many important metabolic processes arose in prokaryotes; however, some of these processes, such as nitrogen fixation, are never found in eukaryotes. The process of aerobic respiration is found in all major lineages of eukaryotes, and it is localized in the mitochondria. Aerobic respiration is also found in many lineages of prokaryotes, but it is not present in all of them, and a great deal of evidence suggests that such anaerobic prokaryotes never carried out aerobic respiration nor did their ancestors.
英語のヒント
重要な代謝過程の多くは、原核生物で生じた。しかし、窒素固定など一部の過程は、真核生物ではまったく見られない。好気呼吸は、真核生物のすべての主要系統で見られ、ミトコンドリアに局在する。好気呼吸は原核生物の多くの系統にも見られるが、すべてにあるわけではない。好気呼吸を行わない嫌気性の原核生物は、自身も祖先も好気呼吸を一度も行わなかったことを、多くの証拠が示唆している。
While today’s atmosphere is about 20 percent molecular oxygen (O2), geological evidence shows that it originally lacked O2. Without oxygen, aerobic respiration would not be expected, and living things would have relied on anaerobic respiration or the process of fermentation instead. At some point between 3.2 and 3.5 billion years ago, some prokaryotes began using energy from sunlight to power anabolic processes that reduce carbon dioxide to form organic compounds. That is, they evolved the ability to photosynthesize. Hydrogen, derived from various sources, was “captured” using light-powered reactions to reduce fixed carbon dioxide in the Calvin cycle. The group of Gram-negative bacteria that gave rise to cyanobacteria used water as the hydrogen source and released O2 as a “waste” product about 2.2 billion years ago.
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現在の大気は約20%が分子状酸素O2だが、地質的な証拠によると、初めはO2がなかった。酸素がなければ好気呼吸は期待できず、生物は代わりに、嫌気呼吸や発酵に頼っていただろう。32億〜35億年前のある時点で、一部の原核生物が太陽光のエネルギーを使い、二酸化炭素を還元して有機化合物を作る同化過程を進め始めた。つまり、光合成する能力を進化させたのである。さまざまな供給源に由来する水素を、光で駆動される反応で「捕らえ」、カルビン回路で固定された二酸化炭素を還元した。シアノバクテリアを生んだグラム陰性細菌群は、水を水素源として使い、約22億年前に「廃物」としてO2を放出した。
Eventually, the amount of photosynthetic oxygen built up in some environments to levels that posed a risk to living organisms, since it can damage many organic compounds. Various metabolic processes evolved that protected organisms from oxygen, one of which, aerobic respiration, also generated high levels of ATP. It became widely present among prokaryotes, including in a free-living group we now call alpha-proteobacteria. Organisms that did not acquire aerobic respiration had to remain in oxygen-free environments. Originally, oxygen-rich environments were likely localized around places where cyanobacteria were abundant and active, but by about 2 billion years ago, geological evidence shows that oxygen was building up to higher concentrations in the atmosphere. Oxygen levels similar to today’s levels only arose within the last 700 million years.
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やがて一部の環境では、光合成による酸素の量が、生物に危険となる水準まで増えた。酸素は多くの有機化合物を傷つけることがあるためである。生物を酸素から守るさまざまな代謝過程が進化し、その一つである好気呼吸は、大量のATPも作った。好気呼吸は、現在アルファプロテオバクテリアと呼ぶ自由生活性の群を含め、原核生物に広く見られるようになった。好気呼吸を獲得しなかった生物は、酸素のない環境にとどまらなければならなかった。初めは酸素の豊富な環境は、シアノバクテリアが多く、活発な場所の周囲に限られていたのだろう。しかし地質的な証拠は、約20億年前までに、大気中の酸素濃度が高まっていたことを示す。現在に近い酸素量になったのは、ここ7億年以内のことである。
Recall that the first fossils that we believe to be eukaryotes date to about 2 billion years old, so they seemed to have evolved and diversified rapidly as oxygen levels were increasing. Also, recall that all extant eukaryotes descended from an ancestor with mitochondria. These organelles were first observed by light microscopists in the late 1800s, where they appeared to be somewhat worm-shaped structures that seemed to be moving around in the cell. Some early observers suggested that they might be bacteria living inside host cells, but these hypotheses remained unknown or rejected in most scientific communities.
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真核生物と考えられる最初の化石が、約20億年前のものであることを思い出してほしい。したがって、酸素量が増えるにつれ、真核生物は急速に進化し、多様化したように見える。現生真核生物はすべて、ミトコンドリアをもつ祖先に由来することも思い出してほしい。これらの細胞小器官は1800年代後半に、光学顕微鏡の研究者によって初めて観察された。細胞内を動き回るように見える、やや虫のような形の構造だった。初期の観察者の一部は、宿主細胞内に住む細菌かもしれないと提案したが、この仮説は大半の科学者集団で知られないままか、退けられていた。
Endosymbiotic Theory細胞内共生説
As cell biology developed in the twentieth century, it became clear that mitochondria were the organelles responsible for producing ATP using aerobic respiration, in which oxygen was the final electron acceptor. In the 1960s, American biologist Lynn Margulis of Boston University developed the endosymbiotic theory, which states that eukaryotes may have been a product of one cell engulfing another, one living within another, and coevolving over time until the separate cells were no longer recognizable as such and shared genetic control of a mutualistic metabolic pathway to produce ATP. In 1967, Margulis introduced new data to support her work on the theory and substantiated her findings through microbiological evidence. Although Margulis’s work initially was met with resistance, this basic component of this once-revolutionary hypothesis is now widely accepted, with work progressing on uncovering the steps involved in this evolutionary process and the key players involved.
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20世紀に細胞生物学が発達すると、ミトコンドリアは、酸素を最終電子受容体とする好気呼吸によってATPを作る細胞小器官だと明らかになった。1960年代、ボストン大学の米国人生物学者リン・マーギュリスが、細胞内共生説を発展させた。この説によると、真核生物は、一つの細胞が別の細胞を取り込み、その内部で一方が生活し、時間とともに共進化した結果かもしれない。やがて、別々の細胞とは認識できなくなり、ATPを作る相利共生的な代謝経路の遺伝的制御を共有するようになった。1967年、マーギュリスは、この説に関する研究を支える新たなデータを示し、微生物学的な証拠によって知見を裏づけた。当初は抵抗に遭ったが、かつては革命的だったこの仮説の基本部分は、今では広く受け入れられている。この進化過程に関わった段階や、主要な担い手を明らかにする研究が進んでいる。
While the metabolic organelles and genes responsible for many energy-harvesting processes appear to have had their origins in bacteria, our nuclear genes and the molecular machinery responsible for replication and expression appear to be more closely related to those found in the Archaea. Much remains to be clarified about how this relationship occurred; this continues to be an exciting field of discovery in biology. For instance, it is not known whether the endosymbiotic event that led to mitochondria occurred before or after the host cell had a nucleus. Such organisms would be among the extinct precursors of the last common ancestor of eukaryotes.
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多くのエネルギー獲得過程を担う代謝細胞小器官や遺伝子は、細菌に起源をもつように見える。一方、私たちの核遺伝子と、複製や発現を担う分子装置は、古細菌のものにより近縁であるように見える。この関係がどのように生まれたかについて、明らかにすべきことは多く残っており、生物学の刺激的な発見分野であり続けている。たとえば、ミトコンドリアにつながった細胞内共生が、宿主細胞の核の成立より前に起こったのか、後に起こったのかは分かっていない。そうした生物は、真核生物の最終共通祖先に先立つ、絶滅した祖先的生物の中に位置づけられるだろう。