最後の普遍的共通祖先（LUCA）とは？進化生物学が解く約39億年の起源
最後の普遍的共通祖先（LUCA）、約39億年前の出現と進化生物学が解き明かす生命の起源を、遺伝的証拠と最新仮説でわかりやすく解説。
進化生物学では、一群の生物が共通の祖先を持つ場合、共通の子孫を持つことになる。地球上のすべての生物が共通の祖先の子孫であるという説には、「正式なテストによる強い量的支持がある」とされている。
チャールズ・ダーウィンは『種の起源』の中で、進化の過程を経た普遍的共通子孫説を提唱し、「いくつかの力を持つ生命が、元々はいくつかの形に、あるいは一つの形に息づいていたという見方には、壮大さがある」と述べている。 p490
進化論では、現在生きているすべての生物の最も新しい共通祖先であると考えられている最後の普遍的祖先（LUA）（または最後の普遍的共通祖先（LUCA））は、約39億年前に出現したと考えられている。
LUCA（最後の普遍的共通祖先）とは何か
LUCAは、現生するすべての生物（細菌、古細菌、真核生物）が共有する最も近い共通の祖先を指す概念です。重要なのは、LUCAは「生命が最初に生まれた個体」ではなく、現生する系統の分岐点で最後に共通していた祖先的な集団や系統を指す点です。したがって、LUCA以降の進化の枝分かれから現在の生物群が生じたと考えられます。
年代とその不確実性
分子系統学や地質学のデータから、LUCAはおおむね約39億年前（約3.9 Ga）に存在した可能性が示唆されています。ただし、この年代推定には不確実性が大きく、研究によっては約3.5〜4.0億年前の幅を示すものもあります。分子時計の前提、系統樹の作り方、そして化石記録の乏しさが年代推定の幅を生みます。
LUCA を支持する主な証拠
LUCAの存在は直接の化石証拠ではなく、主に分子生物学的証拠から支持されます。代表的な証拠は次の通りです。
- 普遍的な遺伝子群：リボソームRNAやリボソームタンパク質、遺伝子翻訳・複製に関わる因子など、多くの生物群で保存された核となる遺伝子が存在すること。
- 保存された遺伝コード：ほぼすべての生物が共有する遺伝コードの基本的構造。
- 共通の代謝経路の断片：例えば、核酸やアミノ酸の基本的な合成やエネルギー獲得に関わる複数の酵素群が広く保存されていること。
LUCAの想定される特徴
遺伝子保存のパターンから推測されるLUCAの特徴は次のようなものです。ただし、これらは推定であり確定しているわけではありません。
- 遺伝情報の担体：DNAを遺伝子として用い、RNAを介してタンパク質を作る（DNA→RNA→タンパク質の中央ドグマの成立）を行う仕組みがあったと考えられます。
- 翻訳装置：リボソームとtRNA、アミノアシルtRNA合成酵素など、翻訳に必要な基本装置が備わっていた。
- 代謝能力：核酸やアミノ酸の合成、エネルギー獲得のための基本的代謝経路（例えば、ATP生成に結びつく簡単な経路）が存在した。
- 細胞構造：膜を持つ（すなわち細胞様の構造を有していた）可能性が高いが、膜の組成（単膜か二重膜か）や細胞壁の有無は議論が続いている。
- プロカリオティックに類似：形態的には原核的（単細胞・核膜を持たない）な性質を示していた可能性が高いと考えられている。
LUCAと最初の生命（起源）の違い
重要なのは、LUCAは「最初の生命体」ではないという点です。初期の生命はLUCAよりもさらに古く、LUCAはその系統の中で現在の生物に連なる最後の共通点です。初期生命圏にはLUCA以前に多様な系統や遺伝的交流（遺伝子の交換）が存在していたと考えられます。
どのような環境で誕生したか（環境仮説）
LUCAや原始生命の誕生環境については複数の仮説があります。代表的なもの：
- 深海熱水噴出孔（ハイドロサーマルベント）仮説：化学的エネルギーと安定した環境が豊富で、還元的な代謝が成立しやすい。
- 浅海の潮だまり／蒸発池仮説：濃縮と熱による化学反応が促進される場として、初期分子の合成に寄与した可能性。
- 地下岩盤環境：ミネラル触媒や微細な孔隙が化学反応やポリマー形成を促進したという考え。
どの仮説が正しいかはまだ確定しておらず、LUCAの代謝的特徴に関する解析が環境推定の鍵になっています。
研究手法と主な課題
LUCAを復元・理解するために用いられる主な手法と、それに伴う課題は次の通りです。
- 比較ゲノミクスと系統解析：現生生物のゲノムを比較して共通遺伝子を同定し、系統樹を推定する。だが、水平遺伝子伝播（HGT）が広範に起きているため、系統の直線的な復元は難しい。
- 祖先配列推定：保存された遺伝子について祖先配列を推定する試み。しかし長い時間に伴う置換や欠失、HGTがノイズとなる。
- 実験室での再現実験：原始的条件を模した化学実験で核酸や脂質、酵素活性の起源を探る。ただし、実験条件と古地球の正確な環境は確定しにくい。
- 化石記録の欠如：微細な初期微生物の化石は残りにくく、分子証拠と地質証拠を統合することが求められる。
LUCAは「個体」か「集団」か
近年では、LUCAを単一の個体ではなく、遺伝子の交換が活発な 遺伝的に多様な集団（コミューナルな祖先集団）と見る見方が有力です。初期生命の段階では水平伝播が頻繁で、複数の系統間で遺伝子が行き来していた可能性が高いことがその理由です。このため「最後の普遍的共通祖先」と言っても、必ずしも一個体の形でイメージするのは誤解を招く場合があります。
今後の展望
ゲノムデータの増加、古環境を再現する実験技術の向上、高精度な系統解析手法の発展により、LUCAの特性やその置かれた環境についての理解はさらに深まる見込みです。特に、古細菌と細菌の間の共有要素を精密に分離し、水平遺伝子伝播を考慮に入れた新しい解析法が有望です。
まとめると、LUCAは現生すべての生物が共有する最も近い共通の祖先であり、約39億年前に存在したと推定されるものの、その正確な姿や環境はまだ完全には解明されていません。LUCAの研究は、生命の起源と初期進化を理解するうえで中心的なテーマの一つです。
沿革
1740年代、ピエール＝ルイ・モーペルテュイは、すべての生物には共通の祖先がいて、ランダムな変異と生存競争を経て分岐したのではないかという説を初めて発表した。モーペルテュイは『宇宙論』の中で次のように述べている。自然界の産物の偶然の組み合わせの中には、ある種の適合性の関係によって特徴づけられたものが存在し、それが生存できるようになっているはずだから、現在存在するすべての種にこの適合性が存在することは不思議ではないと言えないだろうか。偶然は無数の個体を生み出し、ごく一部の個体は動物の各部分が必要とするものを満たすように構成されていたが、別の無限の数の個体には適合性も秩序もなかった：後者はすべて滅びた...。私たちが今日見ている種は、盲目的な運命が生み出したもののほんの一部に過ぎないのだ...。
普遍的共通下降の証拠
生化学と遺伝暗号の共通化
現在知られているすべての生命体は、同じ基本的な生化学的組織に基づいています。
遺伝子情報はDNAにコード化され、RNAに転写され、（よく似た）リボソームによってタンパク質に翻訳され、ATPやNADHなどをエネルギー源としています。
共通点は、エネルギーキャリアであるアデノシン三リン酸（ATP）や、タンパク質に含まれるすべてのアミノ酸が左巻きであること（キラリティー）などです。
さらに、遺伝暗号（DNAの情報をタンパク質に翻訳するための「翻訳表」）は、バクテリアから人間まで、すべての生命体でほぼ同じである。
このコードが普遍的であることは、生物学者にとって普遍的共通子孫説を支持する決定的な証拠であると考えられている。また、遺伝暗号のわずかな違いを分析することも、普遍的共通祖先説の裏付けとなっている。様々な代替仮説を統計的に比較した結果、普遍的共通祖先は複数の起源を持つモデルよりも有意に高い可能性が示された。
系統樹
もう一つの重要な証拠は、すべての生物種の分割案と共通の祖先をマッピングした詳細な系統樹（つまり、種の「系譜」）を構築することが可能であるということです。2010年には、入手可能な遺伝子データを系統樹にマッピングして分析した結果、「生命の単一性が定量的にしっかりと裏付けられた。...現在、正式なテストによって、生命の単一性が定量的に強く支持されている。
従来、これらのツリーは、比較解剖学や発生学などの形態学的な手法を用いて構築されてきました。最近では、遺伝子やタンパク質の配列の類似性や相違性に基づいて、分子データを用いて樹状図を作成することができるようになりました。いずれの方法でも、基本的には同じような結果が得られます。異なる種類の情報に基づく系統樹が互いに一致することは、根底に共通の子孫が存在することの強い証拠となる。
最後のユニバーサルアンセストアー
LUAについては、いくつかのことが推測されています。LUAは最初の細胞ではなく、その子孫が微生物の進化のごく初期の段階を超えて生き残ったものである。真正細菌、古細菌、真核生物に存在するタンパク質を基準にすると、LUAには約325種類のタンパク質が存在していました。アラニン、アスパラギン、アスパラギン酸、グリシン、ヒスチジン、イソロイシン、セリン、スレオニン、バリンの各アミノ酸は、おそらく最初にタンパク質に組み込まれたものである。これらのアミノ酸は、スパークチューブのシミュレーションやマーチソン隕石の分析でも発見されている。その他のアミノ酸は、後に遺伝暗号に追加されたもので、最も複雑なアミノ酸のいくつかが含まれている。
質問と回答
Q:進化生物学とは何ですか?
A:進化生物学とは、生物が時間の経過とともにどのように進化してきたか、また、生物同士がどのように関連しているかを研究する学問です。
Q:ダーウィンは『種の起源』の中で何を提唱したのですか?
A:ダーウィンは『種の起源』の中で、進化的プロセスによる普遍的共通性説を提唱しました。ダーウィンは、地球上のすべての生物は、共通の祖先の子孫であると考えました。
Q:最後の普遍的祖先（LUA）とは何ですか?
A:最後の普遍的祖先（LUA）は、最後の普遍的共通祖先（LUCA）とも呼ばれ、現在生きているすべての生物の最も新しい共通祖先のことです。約39億年前に出現したと考えられています。
Q:進化生物学はダーウィンの説をどのように支持しているのですか?
A: 進化生物学は、地球上のすべての生物は共通の祖先の子孫であり、この過程が時間をかけて進化することによって起こったという証拠を提供することによって、チャールズ・ダーウィンの説を支持しています。これは、彼の仮説を強力に支持するものです。
Q:ある生物集団が「共通の子孫」を持つとは、どういう意味ですか?
A:ある生物集団が「共通祖先」を持つということは、進化のある時点で単一の共通祖先を持つことを意味します。このことは、これらの種が何らかの形で互いに関連しており、その祖先をたどれば、1つの源となる生物または種に行き着くことを示唆しています。
Q:ダーウィンは、自分の生命観をどのように表現したのでしょうか?
A: チャールズ・ダーウィンは、自分の生命観を「壮大さ」と表現し、「生命は、そのいくつかの力をもって、もともといくつかの形態に、あるいは一つに吹き込まれたというこの見解には壮大さがある」と述べています。
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