地球は熱くて湿っています。海は生命に満ちています。初期のイカ、ウナギ、海のワームは小さな動物を捕食していました。しかし、地上では何の動きもありませんでした。動物たちはまだ上陸していません。これは、約 4 億 5,000 万年前のオルドビス紀末期の地球の様子です。暖かい水は野生生物にとって完璧な条件を作り出します。しかし、それはすぐに変わる可能性があります。その後すぐに、土地が凍り始め、氷床が広がり始めました。
トビムシは古代のものです。彼らは4億年以上前に初めて出現し、昆虫と共通の祖先を共有している可能性があります。しかしその後、彼らは昆虫とは異なる方向に進化しました。現在では、彼らが不凍タンパク質を開発した最初の動物であることがわかっています。画像出典: Philippe Garcelon/Wikimedia Commons
以前は暖かく野生動物にとっても居心地の良い水であったが、冷たくなり生息できなくなった。種が次々と滅びていきました。地球史上2番目に最悪の大量絶滅の一環として、短期間に全生命の半分が絶滅した。
オルドビス紀の生活は今日とは大きく異なっていました。土地は不毛で生命がありませんが、海は生命で満ちています。この写真のイカとイソギンチャクは特に優勢です。しかし、この時期にはトビムシもいます。画像出典: FritzGeller-Grimm/WikimediaCommons
トビムシ: 不凍タンパク質を持つ生存者
しかし、生き残った動物の1匹がトビムシでした。小さな昆虫のような動物が、寒さに対抗するための特別な戦略を開発しました。動物細胞は、細胞を凍結から守るタンパク質を生産し始めています。
トビムシは不凍タンパク質を生成した最初の動物である可能性があります。科学者たちはこれまで、動物がこのようなことを始めたのはずっと後になってからだと考えていた。カナダのオーフス大学とクイーンズ大学の研究がこれを示しています。
「私たちは、不凍タンパク質が進化の歴史の中で何度も独立して発達したことを知っています。魚は不凍タンパク質を持っています。昆虫も不凍タンパク質を持っています。一部のクモも不凍タンパク質を持っています。しかし、これらの結果を見るまで、不凍タンパク質が動物界でこれほど早くに発達したとは知りませんでした」とマーティン・ホルムストラップ氏は言う。
彼はオーフス大学生態科学部の教授であり、この新しい研究の研究者の一人です。
トビムシは庭などどこでも見られます
トビムシは小さな動物で、最大の種でも体長はわずか 6 ミリメートルです。 6本の脚と前面に2本の触手があります。一見昆虫のように見えますが、昆虫ではありません。実際、進化ツリーには独自の分岐があります。
これまでに研究者らは9,000種以上のトビムシを発見しており、庭などどこにでも生息している。トビムシは通常、土壌の上層や落葉の中に生息し、小さな菌類、細菌、その他の微生物を食べます。
この動物の名前は、カタパルトの棒のように体の下に固定されている二股の尾に由来しています。尻尾は二股尻尾とも呼ばれ、敵（トラなど）に襲われると素早く尻尾を放ち、10センチメートルも飛び上がることができます。
トビムシは栄養素を植物に再利用するのに役立つため、土壌の健康に有益です。
Martin Holmstrup 氏は、研究室で 20 種類近くのトビムシを飼育しています。小動物はあまりスペースを必要としません。コロニー全体がガラスのボウルの中で生きられる可能性がある、と彼は言った。 「私たちはそれらを石膏ベースのペトリ皿に入れ、湿気を保ちます。餌としてドライイーストを少し与えます。基本的に必要なものはそれだけです」と彼は言いました。
マーティンの研究室から採取したトビムシが実験に使用されました。彼は動物から採取したサンプルをカナダにいる 3 人の同僚に送り、彼らは動物が不凍液タンパク質を最初に生成した時期を調べるために一連の分子実験を実施した。
研究者は、細胞が不凍タンパク質を構築できるようにする DNA 配列を知っているため、種、科、綱を超えて同じ配列を検索できます。また、遺伝子の起源となった突然変異がいつ発生したか、つまりオルドビス紀の時期を計算することもできる。
「計算によれば、トビムシは他の動物よりもずっと前に不凍タンパク質を生成していた。これは100万年後の魚や昆虫に初めて起こった。ただし、植物や細菌や単細胞藻類などの微生物は、もっと早くから同様の機構を開発していた可能性がある」と同氏は述べた。
トビムシの見つけ方
生態科学部門のマーティン・ホルムストラップ氏と同僚は、研究室用にトビムシを自ら集めました。彼らはデンマーク、アイスランド、グリーンランドに集まりました。
見つけるのは難しくなく、自宅の庭でも見つけることができます。
次の手順に従ってください。
庭から土や落ち葉を一掴み取って、ふるいに入れます。
調節可能なライトをふるいの上に置き、トレイをふるいの下に置きます。
ライトからの熱により、トビムシは涼しい環境を探します。こうすると、ふるいを通ってトレイに落ち、そこで這っているのがわかります。
トビムシは世界中のほぼどこでも見つけることができますが、北極には他の場所よりも多くのトビムシが生息しています。グリーンランドとカナダの寒さの中で生き残ることができる陸生動物は、他のほんの一握りだけです。つまり、トビムシは邪魔されずに細菌や菌類を食べることができます。
「トビムシは非常に強力な不凍タンパク質のおかげで、寒い地域でも生きていけます。そこでは他の数匹の虫や昆虫と食べ物を分け合うだけで済みます。そして、天敵も多くありません」とマーティン・ホルムストラップ氏は言う。
北極の気温が下がる冬に、トビムシは不凍タンパク質を生成し始めます。これらは小さな氷の結晶の表面に付着して氷の成長を妨げることができるため、「氷結合タンパク質」とも呼ばれます。土壌が凍ると陸生動物は氷の結晶と密接に接触するため、不凍タンパク質は氷が動物の体内に広がり、動物が死ぬのを防ぐ重要な役割を果たします。
「私たちや他のほとんどの動物と同様、トビムシも『血液』が凍ると生きていけません。不凍タンパク質はこれを防ぐのに役立ちます」と同氏は言う。
トビムシにはさまざまな形や大きさがあり、9,000 種以上あります。これらは私たちが発見した種の数にすぎません。研究者らは、トビムシの種の数は 2 倍以上あると推定しています。画像クレジット: アンディ・マレー/ウィキメディア・コモンズ
レーズンのように乾燥した
しかし、この特別なタンパク質はトビムシが北極の寒さを生き延びる唯一の能力ではなく、別の生き残る方法を持っています。
「すべての生き物は細胞内に水分子を持っているため、私たちは氷点下に非常に敏感です。水が凍ると細胞が破壊されます。これを防ぐために、トビムシは冬の間、体を乾燥させて一種の冬眠に入ります」とマーティン・ホルムストラップ氏は説明する。
トビムシが冬眠すると、その代謝は科学者が実際に測定できないほど遅くなります。しかし、春が来ると水分を体内に戻して新陳代謝を再開します。
「ブドウを乾燥させてレーズンにするのにたとえることができます。このプロセスはフリーズドライに似ています。冬の間、トビムシは縮んで小さなしわの寄った生き物になります。そして、春が来ると、水を吸収して通常の大きさに膨らみます」と彼は言いました。
冷凍死すべき魚にも含まれている
特定の動物種が地球上で最も寒い地域でどのようにして生き残っているのかは、長年の謎でした。科学者たちが動物の寒さへの対処を可能にする不凍タンパク質を発見したのは、前世紀半ばになってからでした。
科学者たちは何十年もの間、北極の魚が摂氏マイナス1.8度の寒さの中でどのようにして泳ぐことができるのか疑問に思ってきた。海水には塩分が含まれているため凝固点が低くなります。一方、魚の血の凝固点は摂氏マイナス1度なので、水中での凍結は避けられません。
「魚が凍った水の中でどのようにして生き延びるのかは長い間謎でした。しかし、1960年代後半、アメリカの研究者アーサー・デブリーズは北極の魚に含まれるタンパク質を単離することに成功しました。彼は、そのタンパク質が魚が一生を通じて過冷却された場合でも、魚の細胞や血液に氷が形成されるのを防ぐことを発見しました」とマーティン・ホルムストラップは説明する。
それ以来、研究者たちは他の多くの動物、植物、微生物から不凍タンパク質を発見してきました。これらの不凍タンパク質は現在、産業界で使用されています。
不凍タンパク質の歴史と応用
今日、多くの食品が冷凍食品として売買されています。ただし、問題は、氷の結晶が形成され始めると冷凍食品が変化する可能性があることです。それらはしばしば食品の味や食感を低下させます。
しかし、この症状は特別な不凍液タンパク質で防ぐことができると、Martin Holmstrup 氏は説明します。
「魚類の不凍液タンパク質をコードする遺伝子が、工業用酵母細胞培養物にコピーされた。これにより、酵母は、さまざまな食品に添加できる非常に有用なタンパク質を生産できるようになった」と同氏は語った。
特にたんぱく質を多く含む食品の一つがアイスクリームです。
「ユニリーバがアイスクリームにプロテインを使用しているのは、本当に美しい食感を生み出すのに役立つからです。アイスクリームは硬い氷の結晶にならずに解凍して再冷凍することもできます。長期的には、この効果は移植臓器の冷凍保存に使用できる可能性があります。航空宇宙産業や風力タービン産業などの他の業界もこれらのプロテインを実験しています。彼らは、これらのプロテインが航空機の翼を氷の形成や除氷の必要性から守ることを期待しています。」