3月20日にCell誌に掲載された研究は、動物の体の形がどのように決まるのかについて、新しい視点を提示しました。
この研究では、これまで重視されてきた遺伝子だけでは説明できない要素に焦点を当てています。
つまり、体の形は遺伝子だけでなく、組織が受ける「力」や「変形のしやすさ」でも決まるという考え方です。
そのため、研究チームは、組織内で働く物理的な力の組み合わせを整理し、「メカノタイプ」という新しい概念を提唱しました。
このメカノタイプは、動物の形を理解し、さらに予測するための「共通ルール」として機能します。
こうした中で、動物の形態多様性を説明する新たな枠組みが生まれました。
刺胞動物を使って形の違いの仕組みを探る
研究を主導したのは、欧州分子生物学研究所のアイッサム・イクミらのチームです。
彼らは、サンゴやクラゲ、イソギンチャクなどの刺胞動物を対象にしました。
刺胞動物とは、比較的シンプルな体を持ちながら、形が非常に多様な生物グループです。
また、研究ではサンゴやイソギンチャク、ヒドロ虫類など6種類の生物を詳しく調べました。
一方で、単なる見た目の違いではなく、「なぜ形が違うのか」という根本的な仕組みに注目しました。
その結果、体の形を決める共通のルールが見えてきました。
体の形を決める2つの重要なポイント
研究チームは、動物の形を理解するうえで、2つの重要な特徴に整理しました。
1つ目は、伸長性です。
これは、体がどれくらい細長いか、それとも丸くコンパクトかを示す指標です。
例えば、細長いクラゲのような形と、丸いイソギンチャクでは、この伸長性が異なります。
そのため、形の違いをシンプルに比較できる基準になります。
実際に、この指標によって多くの形の違いが説明できました。
2つ目は、極性です。
極性とは、体の上下や前後のバランスのことです。
つまり、口側が広いのか、それとも細いのかといった形の偏りを示します。
この2つの要素を組み合わせることで、動物の体の形を整理して理解できます。
さらに、この整理が後の「メカノタイプ」につながります。
こうした中で、複雑に見える形の違いが、よりシンプルに説明できるようになりました。
メカノタイプは「形を調整するダイヤル」のようなもの
研究チームは、体の形を作る仕組みを3つの「機械的モジュール」として整理しました。
機械的モジュールとは、組織がどのように伸びるか、曲がるか、力を受けるかを決める要素です。
つまり、体の「動き方のクセ」のようなものです。
それぞれの動物は、このモジュールの組み合わせが異なります。
そして、その組み合わせ全体をメカノタイプと呼びます。
つまり、メカノタイプは体の形を決める「調整ダイヤル」のような役割を果たします。
イクミは次のように説明しています。
「遺伝子は設計図を提供しますが、最終的な形を予測することはできません」。
つまり、設計図があっても、実際にどう形になるかは別問題です。
そのため、組織がどう動くか、どう力を受けるかが重要になります。
一方で、この考え方によって、同じような構造の生物でも、形が違う理由を説明できます。
実際に、メカノタイプの違いが形の違いを生み出していました。
100年前の理論が現代の科学で実証された
この研究は、まったく新しい考え方のように見えます。
しかし実際には、100年以上前の理論に基づいています。
それが、生物学者ダーシー・トンプソンの考えです。
トンプソンは1917年の著書で、「生物の形は物理法則によって決まる」と主張しました。
しかし当時は、それを実験で確かめることができませんでした。
そのため、この考えは長い間、理論にとどまっていました。
こうした中で今回の研究は、この理論を現代の技術で検証しました。
さらに、メカノバイオロジーという分野と結びつけました。
メカノバイオロジーとは、細胞や組織が力にどう反応するかを研究する分野です。
また、この研究には物理学者や数学者も参加しています。
つまり、生物学だけでなく複数分野が連携した研究です。
そのため、理論と実験の両方から裏付けが取られました。
実際に体の形を変える実験に成功
研究チームは、この理論が正しいかを確認するために実験を行いました。
対象となったのは、イソギンチャクの一種であるネマトステラです。
つまり、実際の生きた動物で形を変えられるかを試しました。
研究では、体の軸に沿った細胞の配置を調整するモジュールを操作しました。
その結果、細長い幼生が丸い形に変化しました。
これは、組織の力の変化が形に直接影響することを示しています。
さらに重要な結果も得られました。
複数のモジュールを同時に変えることで、別の種に似た形に変えることに成功しました。
具体的には、ネマトステラがアイプタシアに似た形になりました。
メカノタイプが進化の理解を変える可能性
この結果は、単なる形の変化以上の意味を持ちます。
つまり、種ごとの違いは遺伝子だけでなく、力の組み合わせでも説明できることを示しています。
そのため、進化の理解そのものが変わる可能性があります。
研究者のキュニーは次のように述べています。
「中間スケールの物理的原理から形態進化を考えることの妥当性を実証した」。
ここでいう中間スケールとは、細胞や組織のレベルです。
つまり、分子レベルでも全身レベルでもなく、その間にある仕組みです。
この視点によって、形の変化をより現実的に説明できます。
実際に、今回の研究はその有効性を示しました。
今後の研究に与える影響
今回の研究は、動物の形の理解を大きく前進させる可能性があります。
なぜなら、形を決めるルールを整理し、比較できる形にしたからです。
そのため、他の動物にも応用できる可能性があります。
一方で、今回の研究は刺胞動物が中心です。
しかし、他の動物にも同じ仕組みがあるかが今後の焦点になります。
もし共通性が確認されれば、進化研究はさらに進むでしょう。
さらに、医療や再生医療にも応用が期待されます。
例えば、組織の形を人工的に制御できる可能性があります。
こうした中で、メカノタイプは今後の重要なキーワードになると考えられます。
ソース
Cell
EMBL（欧州分子生物学研究所）
ジュネーブ大学
Popular Science
