地球上のすべての生命体に共通する祖先「LUCA」は、遺伝子という形で子孫に生存のための特性を受け継がせました。その子孫の多く——おそらく非常に多くの子孫——は生き残ることができませんでした。しかし、ある一群だけが生き延びたのです。細菌は35億年前に出現し、今日では地球上で最も数の多い生物となっています。
裏庭に住むもの也好、深海の熱水噴出孔や北極圏に生息するもの也好、泥だまりや砂漠のもの也好、グランド・セントラル駅の男子トイレのもの也好、あるいは私たちの大腸の中で毒素やプロバイオティクスとして存在するもの也好、細菌の細胞はすべて、人間が健康で生き続けるために行うのと同じ重要な仕事をこなさなければなりません。危険を避け、栄養素やエネルギー源を検知して取り込み、適切な水分と電解質のバランスを保つこと。そして種を存続させるために繁殖することです。私たちと同じように、細菌も環境との相互作用という行動を通じて、さまざまな生存ニーズを満たしています。
たった一つの細胞で生きる
細菌の体はすべてが単一の細胞に収まっているため、感覚器官や筋肉、感覚と運動を調整する神経系を担う余分な細胞は存在しません。たった一つの細胞が、単独で働いているのです。
多くの細菌は運動能力を持ち、絶え間ない不規則な動きを日々の生存に活用しています。この動きを可能にしているのは、「鞭毛」と呼ばれる繊維状の突起を制御する分子モーターです。細菌の移動には「スイミング（遊泳）」と「タンブリング（転倒）」という2つの方式があります。すべての鞭毛が反時計回りに回転すると、細菌は一定方向へ流れるように進み、鞭毛が時計回りに回転すると、細菌はくるくる回転しながら方向を変えます。
運動性にはメリットとコストの両方があります。鞭毛が必要であり、鞭毛の動作は細菌の1日のエネルギー供給のごく一部しか消費しません。その一方で、運動できることで食物を得たり危険を避けたりするチャンスが格段に広がるのです。
先ほど触れた細菌の原始的な運動は「走性（タキシス）」と呼ばれます。これは有益な物質に向かい、有害な物質から離れるように体の向きを変える反応のことです。有益な物質は「誘引物質」、有害な物質は「忌避物質」と呼ばれます。走性は運動能力を持つ生物にのみ見られる現象であり、定着して暮らす植物の茎・葉・根に見られる「屈性」とは異なります。走性の場合、生物体全体が空間内で位置を変えるのです。
走性は、受容体が誘引物質や忌避物質を検知することで開始されます。環境中の化学物質の濃度に敏感な受容体（化学受容体）もあれば、光に敏感な受容体（光受容体）もあります。化学物質の影響下での行動は「走化性」、光の影響下での行動は「走光性」と呼ばれます。
タンブリング（転倒）の頻度は、細菌が置かれた瞬間の状況によって決まります。誘引物質を検知するとタンブリングが減少し、細菌はその物質へ向かって進みます。逆に忌避物質が存在するとタンブリングが増加し、移動方向が変えられて退避します。タンブリングするか遊泳するかは、細菌の受容体が送る分子シグナルによって決まり、これらの反応の強さは刺激（化学物質や光）の濃度に依存します。
温かい、もっと温かい、熱すぎる！
細菌の細胞も、健康を保つためには適切な液体量を維持する必要があります。水分が多すぎると細胞は破裂し、少なすぎると潰れてしまうのです。この過程には、電解質（ナトリウムやカリウムなどの塩類）と水の間の一連の複雑な相互作用が関わっています。細胞の外側の塩分濃度が内側より高い場合、水は外に出て液量が減り、液体と塩分のバランスが取れて細胞の破裂が防がれます。逆に内側の塩分濃度が高すぎる場合は、水が引き込まれて細胞の崩壊が防がれます。
これは、動物の体内のさまざまな細胞における液体バランスの維持にも当てはまる原理です。
私たちの細胞に塩分が多くなりすぎると、私たちは水分を摂って細胞から塩分を引き出し、バランスを回復させます。嘔吐、下痢、激しい運動による体液の喪失は電解質の量を減らし、細胞のバランスを崩します。その場合、スポーツドリンクのような電解質豊富な飲料を摂るか、重症の場合は点滴によって電解質と水分を補給しなければなりません。
また、多くの動物は、外界の温度が変化しても体内温度を一定に保つ生理的メカニズムを備えています。温度変動は、細胞の生存に必要な生理プロセスや化学反応を乱す可能性があるからです。動物は行動によっても体温調節を行います。暑すぎれば服を脱いだり日陰を探したりし、寒すぎれば衣類を重ね着します。定期的に毛を換羽する哺乳類もいれば、渡りをする鳥類もいます。
一方、細菌は内部温度を設定値付近に保つのではなく、特定の生化学プロセスを作り変えて、自らの生理機能を外部温度に適応させます。おそらくこの特性こそが、初期の単細胞生命体が多様な気候で生き延びる力を決めたのでしょう。さらに細菌は外界の温度を感知し、行動によって外部環境への適応を図ることもできます。
群れるとさらにおもしろい
細菌もすべての生物と同様、時間を超えて生き延びるためには繁殖しなければなりません。人間や他の多くの動物にとって、繁殖には通常もう一つの個体の参加が必要ですが、細菌の場合は単純に細胞分裂の問題です。有性生殖は、単細胞の原生生物における細胞分裂の変形として登場したものであり、細菌が何十億年も使ってきた無性的な繁殖形態なしには存在しなかったでしょう。
繁殖そのものは細菌において社会的活動ではありませんが、細菌はある意味で社会的な生物です。表面に集まって塊をつくることが多く、個々の細胞を文字通り接着させる化学物質を分泌します。こうした集合体は「バイオフィルム」と呼ばれます。
歯垢、シャワーの壁や電動歯ブラシに付くぬめり、自然界の多くの粘液状のもの——これらはすべてバイオフィルムの例です。最近の研究によると、これらの細胞は互いに受動的に付着しているだけでなく、電気信号を発生させてコミュニケーションを取り、それによって摂食や繁殖を協調させ、新しい仲間を群れに引き込んでいることがわかっています。
より複雑な生物において対人的・社会的相互作用に属するとされる行動の多く——匂いに基づいて特定の場所や物に惹かれたり避けたりするような行動——は、実は同じような単純な要因で説明できるのです。
細菌は何を記憶しているのか？
細菌は自分たちの世界についての情報を取り込み、それを将来の行動の指針に使うこともできます。例えば、環境条件（温度、酸素レベル）について内部的な分子表現をつくり、後の環境条件を予測して適切に対応できるようにしている証拠があります。言い換えれば、前述の通り、彼らは学習し、記憶している可能性があるのです。細菌の学習に関する証拠は主に理論モデルに基づいていますが、単細胞の原生生物における学習と記憶については確固たる証拠があります。学習と記憶に神経系は必要ないのです。
私たちはしばしば記憶について人間中心の見方をし、それを「過去を意識的に思い出す能力」と定義します。しかし記憶は本来、細胞の機能であり、単細胞生物であれ多細胞生物であれ、過去を使って細胞の将来の働き方を修正することを可能にするものです。私たちの精神生活の多くや、意識に現れるその諸相についても、同じことが言えるのです。
意識は人間にとって多くの面で有用なものですが、特に何十億年も前に遡る生存メカニズムに関しては、行動の能動的なコントローラーであるよりも、むしろ受動的な観察者であることが多いのです。
しかし、脳が自らの活動を意識できるというこの能力こそが、私たちが望むときに生存を確保したり、恐怖や喜びといった感情を体験したり、さらには自由意志を使って次に何をすべきかを決めたりすることを可能にしているのです。
出典
本記事の内容は、ジョセフ・ルドゥー氏の最新刊『私たちの意識の歴史』（Copernicus Center Press刊、近日出版）からの抜粋です。