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ホタルが好きな人は多く、ホタルの出現は良好な生態環境やロマンチックな雰囲気を意味することがよくあります。

写真提供: Firefly インタビュー対象者

光を発することができる数少ない陸上生物の一つです。長い進化を経て、ホタルの光の「目的」には、求愛行動、獲物を混乱させて罠にかける、捕食者を威嚇することが含まれるようになりました。

しかし、そもそもなぜホタルは光を発するのでしょうか、そしてそもそもなぜホタルはこの能力を進化させたのでしょうか？

これまで学界で広く受け入れられていた理論は、もともとルシ科の祖先によって進化した生物学的蛍光は、体内の毒素に対する警告信号として使用され、捕食者に「私は毒だ！」と伝えるものだったのではないか、というものだった。

しかし、西湖大学生命科学部の研究者で博士指導者のジェン・イン氏のチームが最近発表した研究では、ホタルの毒素の進化史を再構築することで上記の理論が覆された。

米国科学アカデミー紀要の姉妹誌である PNAS Nexus に、「生物発光の起源後に進化したホタル毒素ルシブファギン」というタイトルの関連論文がオンラインで掲載されました。

8月4日、研究者のZhen Ying氏と論文の筆頭著者である博士研究員Zhu Chengqi氏がThe Paperのインタビューに応じた。

ホタルは最初、毒素の警告信号として光を発したのではありませんか?

強心ステロイドの LBG 毒素は、複数の属のホタルに存在する唯一の毒素です。

「私たちは今日、ホタルの 8 亜科のうち 6 亜科に基づいてホタル毒素を検出し、以前のデータを統合しました。LBG 毒素を独自に合成できるホタルは 1 つの亜科にのみ限定されていることがわかりました。」

この毒素は北米の一部のホタルにも存在しますが、LBG 毒素を含む他のホタルを食べることによって引き起こされます。

言い換えれば、ホタルの 1 つのサブファミリーだけが自律的に LBG 毒素を合成します。

では、ホタルは「私には毒がある」ということを示すために光る能力を進化させたという説は今でも真実なのでしょうか？

全ゲノムにわたる遺伝子配列の類似性を比較することにより、研究者らは信頼性の高い系統樹を使用して、ホタル毒素が蛍光よりも後に出現したことを特定した。

彼らの研究では、LBGを独立して合成できるホタルは、ヤツメ亜科の共通の祖先までしか遡ることができず、ヤツメ亜科に初めて蛍光が出現した時期よりもずっと後であることが判明した。

たとえ「自分に毒がある」発光信号説が成立したとしても、ホタルがもともと発光する能力を進化させた理由ではないことがわかります。

2024年7月20日、河南省と湖北省の境にある通白山脈と淮河の源流に位置する湖​​北省随州の宝埔渓谷景勝地で、日没後、数千人がホタル鑑賞の時期を迎えた。草や森の中でホタルが点滅し、真夏の夜の夢の現実版を飾り、ホタルを観察するために多くの観光客を魅了しました。ビジュアル中国データマップ

では、そもそも光る原因は何でしょうか？ Zhen Ying のチームは、ルシ科における生物蛍光の進化の歴史的および環境的背景を調査しました。

Zhen Ying氏のチームは、分子時計理論と3つの化石校正点に基づいて、蛍光とLBG毒素の進化時間を推定した。 「絶対的な歴史的時間を推定したい場合、それを校正するために時間情報を備えた化石を使用する必要がある。」とジェン・イン氏は本紙に対し、化石の証拠はより良い時間スケールとして使用でき、種の樹木と組み合わせることで利用できると語った。歴史上の出来事が起こった時刻を推定する。

研究の結果、ホタルの枝の蛍光は約1億8000万年前のジュラ紀に出現したと推定した。

この期間中、トアルシアン海洋無酸素現象と密接に関連した大量絶滅現象の後、大気中の酸素含有量は歴史的な最低値から上昇し続けました。

同時に、蛍光反応の基質であるルシフェリンが抗酸化物質として機能することが証明されています。

そこで、Zhen Ying氏のチームは新たな仮説を提案した。ホタルの祖先がもともと発光能力を進化させた理由は、酸素含有量の増加と高温で乾燥した環境によって引き起こされる酸化ストレスに対処するためである可能性がある。彼らは、過剰な酸素フリーラジカルを消費するために「発火」し、細胞に対する過剰な活性酸素種の毒性を除去する抗酸化物質であるルシフェリンを進化させました。蛍光は当初は単なる副産物かもしれません。

この仮説を検証するには、さらに多くの証拠が必要です。

なぜホタルは自分の体内の毒素に侵されないのでしょうか?

体内に毒素を持ったホタルはなぜ自分の毒素で毒されないのでしょうか？

Zhen Ying氏のチームは、分子動力学シミュレーションとナトリウム・カリウムポンプ酵素活性実験を通じて、LBG毒素を独立して合成できるホタルが自身のATPαタンパク質に変異を蓄積しており、それが毒素の結合に影響を与えていることを発見した。これにより、LBG 毒素に対するある程度の耐性が得られます。

しかし、ホタルが体内の毒素を「チェックしてバランスをとる」のに役立つ他のメカニズムがある可能性があります。これは、Zhen Ying のチームが将来答えたいと考えている質問の 1 つでもあります。

ジェン・イン氏は本紙に対し、ホタルの毒素は強心性のステロイド毒素であり、心臓の収縮や血圧に影響を与える可能性があり、大きな薬効があると語った。これらには、すでに市場に登場している薬剤であるジゴキシンが含まれますが、現在、これらの化合物のほとんどは化学合成または生物学的に抽出されており、その生合成経路はまだ完全には理解されていません。

生合成は環境への影響を軽減し、コストを削減し、さらには医薬品の品質と安全性を向上させることができます。

「私たちはホタル毒素の生合成経路の分析にも興味を持っています」とZhen Ying氏は語った。