『パワー、セックス、自殺』(2005年)は、複雑な生命体の進化においてミトコンドリアが果たす驚くべき役割を明らかにします。エネルギー生成、細胞間の関係、ライフサイクルなど、多細胞生物の様々な機能を取り上げ、それぞれの領域におけるミトコンドリアの影響力を示します。
あなたの存在に欠かせない、地味だけど重要な存在について学びましょう。
生命の秘密とは何でしょうか？この古くからの問いに取り組む方法はたくさんあり、何を求めているかによって、答えは満足感を与えることもあれば、物足りなさやフラストレーションを残すこともあります。ある人々にとって、比喩的ではなく、より科学的な答えがあります。それが「ミトコンドリア」です。
ミトコンドリアは、すべての多細胞生命の中心に位置しています。
ミトコンドリアは、すべての多細胞生命の中心に位置し、私たちの存在を形作る上で重要な役割を果たしています。この要約では、私たちの最も重要で複雑な生物学的プロセスを見つめ、ミトコンドリアがそれぞれの中心にどのように関わっているのかを説明します。また、以下のこともわかります。
- 「ミトコンドリア・イブ」とは誰か、そしてあなたが彼女とどう繋がっているのか
- 人間の体には何種類の細胞があるのか
- なぜ二つの性が存在するのか
6億年前 ― 生命が地球上に存在してきた時間のわずか6分の1にあたる頃 ― より複雑な生命体が発達し始めました。これらの複雑な生命体は多細胞生物と呼ばれ、様々な機能を持つ多数の細胞の組み合わせです。これらの新しい多細胞生物は、細胞の数が増えただけでなく、様々な機能を果たす異なる種類の細胞も持っていました。これらの多細胞生物は真核生物であり、その各細胞には核が含まれています。人間や動物は、この真核細胞で構成されています。バクテリアのようなより単純な生物は、原核生物として知られています。
原核細胞には核がありません。長い間、生物学者は原核生物が真核生物へと進化し、その後人間のような複雑な存在へと変化したと考えていました。しかし、これは正確には正しくありません。これら二つの細胞タイプは互いに異なります。例えば、真核生物は原核生物よりも10倍から100倍大きいのです。しかし、最大の違いは、複雑な多細胞生物は真核細胞で構成されており、そのすべてがミトコンドリアを持っている（またはかつて持っていた）ことです。ミトコンドリアは細胞内に存在し、エネルギーを生産します。
つまり、すべての複雑な生命体が真核生物で構成され、真核細胞がミトコンドリアと接触したときにのみ存在するのであれば、ミトコンドリアはすべての多細胞生命の中心にあるということになります。最初に存在したのは藻類やバクテリアのような原核生物だけだったので、真核生物はおそらく二つの原核生物の融合によって誕生したと考えられます。一つはミトコンドリアで、もう一つは宿主細胞でした。これについては後で詳しく見ていきましょう。
ミトコンドリアは私たちに力を与えます。
近代科学が出現する前、16世紀のスイスの錬金術師パラケルススは、私たちの存在を「生命の炎」と想像しました。これは比喩として意図されていましたが、パラケルススは実際には科学的事実に近かったことが判明しました。人間はろうそくのように燃えるわけではありませんが、呼吸と燃焼のプロセスは同じものです。呼吸という行為は、私たちの細胞に酸素を供給し、それを使ってグルコースを燃焼させます。
このプロセスは細胞呼吸として知られています。真核細胞では、細胞呼吸に必要な化学反応の大部分がミトコンドリア内で起こります。このプロセスを通じて、私たちは多くのエネルギーを生産します。ミトコンドリアは信じられないほどの発電所です。比較すると、ミトコンドリアで構成されている人間は、相対的に見て、太陽が生み出すエネルギーの1万倍ものエネルギーを生成しています！より具体的には、太陽は1グラムあたり1秒間に約0.2マイクロジュール（0.
0000002ジュール）のエネルギーを生成します。一方、人間は1グラムあたり1秒間に2ミリジュール（0.002ジュール）を生成します。ソファから立ち上がらなくてもです。これはどうして可能なのでしょうか？
ミトコンドリアは、細胞内の膜を通して陽子を押し出すことで電気的な電荷を作り出し、エネルギーを生み出します。細胞呼吸の間、膜はダムのように機能し、陽子の貯蔵庫が蓄積され、細胞内にエネルギーが蓄えられます。その後、蓄えられた陽子はゆっくりと放出され、アデノシン三リン酸（ATP）、つまり「生命のエネルギー通貨」として知られるものを生成します。このプロセスは、イギリスの生化学者ピーター・ミッチェルによって化学浸透共役と名付けられました。彼はこのテーマに関する研究で1978年にノーベル賞を受賞しました。
真核生物とは異なり、バクテリアは複雑な存在へと変化することは決してできなかったでしょう。
バクテリアは、約40億年前に最初に出現して以来、進化を続けてきました。寒さ、暑さ、乾燥、湿気など、あらゆる環境で生き延び、現在では多様で洗練されたものになっています。それにもかかわらず、バクテリアは依然として単細胞生物です。対照的に、真核生物は、考える、見る、聞く、感覚を持つなど、他の多くの能力を持つ複雑な存在へと進化してきました。
真核細胞が進化してきたことを考えると、私たちは自問しなければなりません。バクテリアの変化を妨げているものは何でしょうか？第一の理由は、バクテリアは自然選択だけでは真核生物へ、ひいては複雑な生命体へと進化することができないということです。原核生物と真核生物の違いはあまりにも大きすぎます。物理的なサイズの違いに加えて、バクテリアのゲノムは真核生物のものよりも桁違いに小さいのです。さらに、この大きな違いは、ゆっくりとした段階的な進化のプロセスだけでは説明できません。むしろ、複雑な生物の誕生は、二つの原核細胞の非常に起こりにくい融合によるものでした。
このまれな出来事の間に、一方の原核生物が他方を物理的に飲み込みました。後者は初期段階のミトコンドリアでした。さらに、バクテリアが複雑な生物へと進化できないのは、真核生物が直面する必要のない要因によって制約されているからです。環境に適応し、自然選択を生き延びるために、バクテリアは迅速に複製する必要がありました。DNA複製の速度は重要ですが、それはコピーする必要があるDNAの量に依存します。一般的に言って、バクテリアのゲノムが小さいのは、より大きなセットをコピーするにはより多くの時間とエネルギーがかかり、迅速な複製という必要性に反するからです。ゲノムが小さいということは、バクテリアの複雑性が低いことを意味し、人間のような多面的なもののコードを保持することはほとんどできないのです。
さらなる制約として、バクテリアにはミトコンドリアが含まれていません。ミトコンドリアがないため、バクテリアは呼吸を外側の細胞膜に頼らなければなりません。問題は、細胞表面積が大きくなればなるほど、このプロセスにより多くのエネルギーが必要になることです。そのため、バクテリアは生殖のためのエネルギーを節約する必要があるため、あまり大きくなりません。
一方、真核生物はミトコンドリアを持っているため、このプレッシャーから解放されています。つまり、エネルギー生成能力が内部化されているのです。より多くのミトコンドリアを獲得する能力により、真核細胞は十分なエネルギーを生成・維持しながら成長し続けることができました。最初の真核細胞の発生以来、生命体はますます複雑になってきました。しかし、なぜでしょうか？
真核生物は、エネルギー効率の向上とともに複雑性を増していきました。
進化に目標や最終段階があるわけではありません。胚が子供、そして大人へと発達するようにあらかじめプログラムされているのとは対照的に、自然選択による進化にはそのようなロードマップがありません。では、複雑な生命は偶然に生まれたのでしょうか？それとも自然選択だったのでしょうか？
この問いに対する明確な答えはありませんが、真核生物が成長し、より精巧になった主な理由の一つは、そのエネルギー、ひいてはミトコンドリアにあります。バクテリアとは対照的に、大きくなることで真核生物はよりエネルギー効率が良くなります。この即時の報酬は、真核生物が成長するための大きなインセンティブとなります。規模の経済のように考えてみてください。より多くのエネルギーを生産すればするほど、より多くを節約できるのです。では、ラットのような複雑な生物を考えてみましょう。ラットが研究室で使われるのは、私たちと非常に似ているから（臓器や体の構造、機能が類似しているから）だけでなく、その寿命が私たちの寿命を早送りしたものだからです。
ラットの臓器はより速いペースで働きます。呼吸が速く、心拍も速い。つまり、本質的には、より速く代謝するのです。ラットは、人間のような大きな生き物よりも、単位時間あたりの質量に対してより多くのエネルギーを使います。これは、代謝率がサイズに相対的であることを示しています。一般的に言って、真核生物の質量が増加するにつれて、エネルギー需要も上昇しますが、その上昇ペースはより遅くなります。
したがって、生物が大きくなればなるほど、ただ生き延びようとするために費やす資源は少なくなります。真核生物のこの特性が、彼らがより大きくなり、より複雑になることを可能にしたのかもしれません。多細胞生物は、何十億、何百億もの細胞で構成されています。
ミトコンドリアは細胞死と性の発達を決定します。
すべての細胞は、生物全体の幸福に貢献する重要な役割を持っています。もし細胞が自分の意志で動くままにされたら、細胞がそこまで献身的になる理由はありません。では、何が細胞を利己的に増殖させないようにしているのでしょうか？実は、進化には「分子警察機構」が備わっています。
アポトーシスとして知られるこの力は、プログラムされた細胞死、つまり「細胞の自殺」に依存しています。アポトーシスはミトコンドリアによって制御されています。細胞内のミトコンドリアが、細胞が死ぬべき時期を決定するのです。この能力は、一見したよりも不吉なものかもしれません。多細胞生命の初期の時代、ミトコンドリアは自分たちの利益のためにこの死刑判決を利用していたかもしれません。調和のとれた融合ではなく、真核生物が宿主細胞と寄生性ミトコンドリアとの結合の結果として形成されたとしたらどうでしょうか？
ミトコンドリアが原核生物の宿主に入り込み、その老廃物で生き、宿主細胞の健康状態を監視し、次の宿主に移るために宿主細胞を殺すことを決めたと想像してみてください。それは自殺というより殺人のように聞こえます！この寄生関係が真実だとすれば、ミトコンドリアが性の発達における決定要因であることを意味するかもしれません。まず、アポトーシスを開始するためにミトコンドリアが送る化学信号は、生殖細胞（男性の精子と女性の卵子）を作る遺伝子を引き起こす信号と同一です。さらに、真核生物が進化するにつれて、ミトコンドリアと宿主細胞の間に化学的依存関係が生まれました。これは、ミトコンドリアが宿主を殺して単独で生きることができなくなったことを意味します。
細胞が健康を保ち分裂すれば、ミトコンドリアとの相互利益的な関係により、ミトコンドリアも増殖することができます。しかし、細胞が分裂に失敗すると、ミトコンドリアは閉じ込められてしまいます。宿主を殺して逃げることはできません。それは自分自身の死にもつながるからです。この状況で、ミトコンドリアが生き残る唯一の方法は、宿主が別の細胞と融合し、それによってそのDNAが今やパートナー細胞となったものと組み換わることです。これは、本質的に、有性生殖そのものです。
ミトコンドリアDNAは、性の最も明確な違いを示し、私たちの祖先をたどることができます。
生物学的に言えば、性には2つあります。女性と男性です。一方を他方と区別するものは何でしょうか？多くの生物学者は、染色体の違いが女性と男性を区別する特徴であると指摘するでしょう。通常、女性は2つのX染色体を持ち、男性は1つのX染色体と1つのY染色体を持ちます。
しかし、性の間にはもっと大きな違いがあり、それはミトコンドリアDNAの受け継ぎ方に見られます。まず最初に問うべき質問は、なぜ異なる性が存在するのかということです。多くの生物学者によれば、二つの性の利点は、異なる起源からのDNAの組み換えです。それは多様性を促進し、損傷した遺伝子の修復を助けます。それは細胞が他の細胞を必要とする理由を説明するかもしれませんが、なぜそれらは異なっていなければならないのでしょうか？言い換えれば、なぜ男性は小さくて動きやすい精子を、女性は大きくて動かない卵子を生産するのでしょうか？
再び、答えはミトコンドリアに戻ります。人間の卵子には約10万個のミトコンドリアがあるのに対し、精子には約100個しかないため、男性のミトコンドリアが子孫に受け継がれる可能性は低くなります。性交の際、親のDNAは組み換えられますが、ミトコンドリアを含む細胞小器官を受け継ぐのは女性だけです。これは重要です。なぜなら、子供が男性と女性の両方のミトコンドリアを受け取った場合、二つのタイプが互いに争い、結果として宿主細胞が苦しむことになるからです。この緊張を防ぐために、一つの体内のすべてのミトコンドリアが同一であることが不可欠です。したがって、ミトコンドリアDNAは私たちの祖先の系統をマッピングするために使用できます。
子孫は母方のミトコンドリアのみを受け継ぎ、それはほとんど変化しないため、あなたのミトコンドリアのDNAは母親のものとほぼ同一です。そして、彼女のミトコンドリアDNAは、彼女の母親のミトコンドリアDNAとほぼ同じであり、以下同様です。この知識をもとに、科学者たちは現生人類すべての祖先系統を、約20万年前にアフリカに住んでいた一人の女性「ミトコンドリア・イブ」、または「アフリカのイブ」までさかのぼりました。この驚くべき発見は、現代人すべてがアフリカに起源を持つと仮定するアフリカ起源説の基礎を築きました。
老化と死の原因は、ミトコンドリアに見出すことができます。
生物学では一般的に、体が大きいほど代謝率が遅く、したがって寿命が長いと受け入れられています。もちろん、この規則には例外があります。例えば、鳥はこの規則が予測するよりもはるかに長く生きます。しかし、ほとんどの場合、この法則は当てはまります。では、寿命が代謝率（体がどれだけ早くエネルギーを消費するかの尺度）に依存しているのであれば、ミトコンドリアが私たちの寿命を決定する上で中心的な役割を果たしていることは明らかです。
より正確には、ミトコンドリアは老化を引き起こし、したがって最終的には死を引き起こします。1972年にアメリカの科学者デナム・ハーマンによって最初に提唱された理論は、老化はフリーラジカルの漏出に関連していると仮定しています。フリーラジカルとは、不対電子を一つ持つ分子または原子であり、したがって不安定です。それらは有毒で、生体組織やDNAのような細胞の一部に損傷を与える可能性があります。しかし、それらは代謝活動の副産物でもあります。細胞呼吸の間、私たちの細胞内の他の分子が酸素と反応し、その結果フリーラジカルが漏出します。
これらの化学反応のほとんどはミトコンドリア内で起こるため、フリーラジカルはミトコンドリアの健康を脅かします。ミトコンドリアが損傷を受けると、細胞は変性し始め、老化が始まります。老化の速度と加齢関連疾患の発症は、フリーラジカルの漏出速度と相関しています。言い換えれば、代謝が速いほど、フリーラジカルの漏出が速く、生物の寿命は短くなります。これは老化のミトコンドリア理論として知られていますが、欠陥や批判がないわけではありません。例えば、この理論は、ビタミンCのような抗酸化物質が、私たちの細胞内に存在する他の分子と酸素が反応するのを止めることができると予測しています。したがって、フリーラジカルの漏出が止まり、老化が抑制されることを意味します。
しかし、この予測は単純に正しくありません。いずれにせよ、この理論の主な主張、つまり老化とフリーラジカルのミトコンドリアからの漏出との間に関連があるということは、真実であるように思われます。そして、私たちは皆、ミトコンドリアが生と死の中心にあることに同意できるでしょう。
最終的なまとめ
この要約の重要なメッセージ: ミトコンドリアは、複雑な多細胞生命の進化を可能にし、生物の代謝とエネルギー生産において重要な役割を果たしています。 ミトコンドリアは、細胞の調整、老化、そして死のプロセスにも関与しており、種としての人間の起源に関する魅力的な洞察を提供します。 フィードバックをお持ちですか？ 私たちは、コンテンツについてのあなたのご意見をお聞きしたいと思っています。
この本のタイトルを件名にして、remember@blinkist. comまでメールでご意見をお寄せください！ さらに読むのにおすすめ: 『酸素』 著者：ニック・レーン 『酸素』（2002年）は、私たちの存在に非常に不可欠であるため、存在することさえ忘れてしまう元素へのガイドです。この要約では、酸素が地球上の生命を可能にし、活性化する一方で、同時にそれを脅かす方法を説明します。
