眠るプランクトン、300年から目覚めたコペポーダのしくみ

　コペポーダ（別名、カイアシ類）とは主に海洋プランクトンとして生息する体長1～5mm程度の微小動物である。そのうち発光性のコペポーダがバイオテクノロジーにおいて活躍し、近年、応用化が進んでいる。海洋においては、食物連鎖上、とても重要な位置にあり、コペポーダなしでは生態系は成り立たないとも言ってよい。また、生態系のみならず、環境、すなわち二酸化炭素の動態も深く関与していることが近年分かってきている。それは、コペポーダが見せる「休眠」という行動にある。今回は、この「休眠」について述べていきたいと思う。

「休眠」とは

　休眠という現象は、1902年、Häckerによって湖に生息するコペポーダから発見された、後に数々のコペポーダが休眠することが分かり、現在、ハルパクチクス目、シクロプス目、カラヌス目の3目、各7属、9属、31属、計47属が休眠を示すことが報告されている。休眠は、生育するのに不適切な環境のときに、その期間は活動をやめて、眠った状態で生き延びるというものである。いわゆる冬眠というものである。休眠（dormancy）は休止（quiescence）と狭義な休眠（diapause）に分けられる。前者は好適条件になれば覚醒し、後者は一定期間をこえないと覚醒しないという違いがある。しかしながら、中間的な性質をもつものもあるため、区別するのは困難な場合もある。休眠を示す成長段階は様々で、卵期、幼生期であるノープリウス期やコペポディット期、成体のそれぞれある。また、コペポーダの種類によって休眠を示す成長段階は異なる。

体脂肪率60％

　成体で休眠を示すコペポーダには油球（ゆきゅう、oil sac）と呼ばれる油のかたまりを形成する（写真1）。海洋では、春になると植物プランクトンの大量発生（spring bloom）が起きる。このときにコペポーダはたくさんの植物プランクトンを摂食し、油で体内にエネルギーをためる。このとき、体脂肪率は60％までにも及ぶ。これで、夏から冬の間は深海へ潜って休眠する。中にはオレンジ色の油球を形成するものもおり、カラフルな種（Cyclopus scutifer）もいる。

　一見、ただ油をたくわえて深海に潜って休眠しているだけのように見えて、海洋環境ないし大気環境において重要視される行動である。植物プランクトンは海洋中の二酸化炭素または、大気から海洋へ溶け込んだ二酸化炭素を光合成によって同化する。これによって植物プランクトン内へ二酸化炭素が吸収されたことになる。通常は、このまま植物プランクトンは死滅し、微生物等に分解されて、再び二酸化炭素は放出される。しかし、コペポーダが植物プランクトンを摂食すると、放出されるはずだった二酸化炭素はコペポーダの油球に変化し、深海へ沈まれる。休眠は必ずしも覚醒し生きて活動を再開するわけではない、いくらかは捕食されるなどによって食物連鎖上に入るか、海底へ堆積する。これによって二酸化炭素は有機炭素として海洋ないし海底に貯蔵される。ある試算では北太平洋で5.9億トンの二酸化炭素を貯蔵していると推測されている。

写真1；コペポーダ体内にある油球。海洋研究開発機構「JAMSTEC北極航海ブログ」より許可を得て転載

300年前の卵から孵化したコペポーダ

　コペポーダが産む卵には2種類ある。急発卵と休眠卵である。急発卵とは産卵後、まもなく孵化する卵のことで、休眠卵とは産卵後、ある一定期間をこえないと孵化しない（不応期）卵のことである。両者の卵構造は異なっており、急発卵は、表面が平滑で卵殻が１重であり、休眠卵は表面に刺または円盤状の構造物を付けており、卵殻は４重ある。休眠卵は乾燥や捕食者の消化酵素などからの耐性を持っているため、厚い構造になっている。実際に、プランクトン食魚は栄養価の高い抱卵コペポーダを選択的に捕食する。雌は消化されてしまうが、休眠卵は消化されず、消化管をこえても生存して孵化する。コペポーダが生息する水域の底には１平方メートルあたりに10の5乗～10の6乗個の休眠卵が眠っていると考えられており、ある時期になると、これら休眠卵は一斉に孵化する。コペポーダには季節的に消失と発生が見受けられるがこれによるものと考えられる。

　種によっては休眠卵は数年間、休眠できると考えられており、いくつかの研究で実証されている。驚くのは、Onychodiaptomus sanguineusは1660年代と推測される地層から休眠卵で得られ、これを孵化、成体まで飼育までできたと報告されている。

耐久胞（Cyst）

　Cyclopus科、Microcyclopus科、Metacyclopus科、ハルパクチクス目は耐久胞とよばれる繭状の構造物をつくって、その中に潜り込み、休眠するという行動を見せる。この耐久胞についてはよく分かっていないが、クチクラを主成分として、タンパク質や糖を含まないことは分かっている。

参考

G. Evelyn Hutchinson (1967) A Treatise on Limnology, Introduction to Lake Biology and the Limnoplankton. Wiley; Volume 2.

Nelson G. Hairston., Jr., Robert A. Van Brunt., and Colleen M. Kearns (1995) AGE AND SURVIVORSHIP OF DIAPAUSING EGGS IN A SEDIMENT EGG BANK. Ecology 76(6) 1706-1711.

Edward S. Deevey, Jr (1941) NOTES ON THE ENCYSTMENT OF THE HARPACTICOID COPEPOD CANTHOCAMPTUS STAPHYLINOIDES PEARSE. Ecology 22(2) 197-200.

朝日新聞2006年6月13日火曜日14版.

伴修平 (1998) 橈脚類の休眠 海の研究 (7), 21-34.

A Treatise on Limnology, Introduction to Lake Biology and the Limnoplankton

光の炸裂弾を放つ動物プランクトン（コペポーダ）

 　自然界では発光する生物は数多く見受けられる（例えば、ホタル、渦鞭毛藻、チョウチンアンコウ、ウミホタル、カラスザメなど）。とくに深海では多い。今回、発光プランクトンとして紹介するのはコペポーダである。コペポーダ（Copepod）は別名、カイアシ類であり、一般に体長1～5mm程度のプランクトンである。個体数はプランクトンの中で一位であり、食物連鎖において、植物プランクトンを高次生物へつなげる重要な位置になっている。海洋沿岸域に集中しており、バケツ一杯で数百におよぶコペポーダを採集することができる場合もある。種も多く、生態や形態も様々である。例えば、魚類に寄生するものや、陸水に生息するもの、深海、土砂内、海藻葉上、流氷内など。また、皇居の土壌から発見された例もある。

発光性コペポーダ

　1000ｍ深海に棲むコペポーダのうち、20～30％が発光すると推測されている。発光するメカニズムは全発光性生物で共通している、ルシフェリン－ルシフェラーゼ反応と呼ばれるものである。これは発光するために基質となるルシフェリン（総称）をルシフェラーゼによってATP（アデノシン三リン酸；エネルギー担体）やマグネシウム等の金属イオンを利用し、酸化させることにより発光するというものである。生成物は、酸化ルシフェリンと二酸化炭素となる。ルシフェラーゼは酵素、つまりタンパク質であるため、水温またはpHによって反応性が失われること（失活）が特徴である。ウミホタルの場合、pHが7.5でないと光らない性質がある。しかし、コペポーダの場合に限って例外である。ATPやマグネシウムイオンを必要とせず基質（セレンテラジン）のみで発光する。驚くことは、120℃20分、強酸性、強塩基性でも失活しないのだ。さらに、全生物が持つルシフェラーゼの中で最小であり、光度も最高である。こんな万能なルシフェラーゼであるため、商品化されている。コペポーダル シフェラーゼ（ここでは、GLuc）が発見されたのは2002年のことだが、発見されて、たった10年で商品化されるのは異例である。

　発光を有するコペポーダはヨーロッパにおける調査で、58種が発見されている。したがって、全世界ではさらに多い種数があると考えられる。発光するコペポーダとして知られているのは、Augaptilidae科とHeterorhabdidae科、Lucicutiidae科、Metridiidae科（写真1、2）である。この他にも多くの発光種が存在するが、疑いがあるものが多い（例えば、Cephalophanesは巨大眼を持つが、これが発光すると勘違いされてたし、ある種は、発光すると発表されたものも、後に反論の発表があったりとした）。発光するコペポーダの特徴のひとつとしてあげられるのは、発光腺と呼ばれる洋ナシ形の分泌腺を持ち、体外へ分泌することである（写真1）。分泌する発光生物（ウミホタルも分泌型）は珍しく、多くは、付属肢を光らせたり、発光嚢という発光器官で発光させるのが一般である。商品化されたのが早かったのは、分泌するタイプであったため、分析がしやすかったからである。

写真1；シャーレ内で光るMetridia. Woods Hole Oceanographic Institution より許可を得て転載.

 　コペポーダがもつ発光腺は種ごとに違う部位にあり、これは種レベルで異なるため、あたらしい同定法として検討されている。通常、コペポーダの同定は付属肢にある棘の違いなどからおこなわれるため、解剖しなくてはならない。発光腺で同定がおこなわれれば、生きたままの同定が可能になるのだ。Metridia pacificaの場合、発光線は頭部に点在し、腹や尾に点々とある（写真2）。

写真2；Metridia pacifica. A 光ってない時. B 光ってる時. 大場裕一様より許可を得て転載.

　発光性コペポーダは種（例えばHeterorhabdidae科Disseta）によっては、ただ発光するだけでなく、捕食者にめがけて発射するものもいる。さらに、この発光液は発光するのに数秒遅延するという性質があり、捕食者付近で、炸裂するように光る。ここで、Youtubeでその動画を見つけたので、以下で紹介する。

　そもそも、発光するコペポーダは、その発光で、捕食者からの逃避の他、仲間の認識や生殖などに利用されていると考えられている。しかし、発光腺をもつのに光らないという種も多くいる。ちなみに、発光をしないコペポーダにはクラチラ孔と呼ばれる孔が体表にあるが、発光腺と同じものと考えられており、発光腺はもとあった穴を変化させて獲得したものだと考えられている。この、もとあったものを変化させて独自に派生することを「前適応」と呼ばれる。

　遺伝子学的、分子学的にみた、この発光機構も面白いことが分かっている。実は、発光する単一コペポーダ内にある、ルシフェラーゼ遺伝子は1つだけではないことが分かっている。例えば、Metridia pacificaは2つのルシフェラーゼ遺伝子（MpLuc1とMpLuc2）をもつ。これは進化していくうえで遺伝子重複が起きたと考えられている。ルシフェラーゼは分子上にシステインというアミノ酸が数多くあり、このシステイン1個を除いただけで、発光能が失われることが分かっており、システインが大きな役割があると考えられている。ちなみに、このコペポーダ ルシフェラーゼを大腸菌や培養細胞上で発現させようとしても、多数のシステインがS-S結合（システイン間でおこる特異的な結合）を起こしてしまい、発光能が失われる。コペポーダ内ではルシフェラーゼを発現するにあたり、特殊な機構があると示唆される。

　ここで、発光するコペポーダでCyclopoidae科のOncaea coniferaが独自の面白い発光性質をもつので紹介する。O.coniferaは体長1mm以下で、上記で述べたHeterorhabdidae科やMetridiidae科などと比べると小さい。しかし、発光腺の数は70もあり、これほど小さいコペポーダであるのに関わらず多数の発光腺をもつのは異例である。また、発光の波長が470nm（青）と他のコペポーダの490nm（緑青）よりも若干短く、色が違う。さらに他の発光性コペポーダと顕著な違いは、発光液を分泌しないことである。前述のAugaptilidae科とHeterorhabdidae科、Lucicutiidae科、Metridiidae科はAugaptiloidae上科と大きなグループで締めくくることができ、O.coniferaがもつ発光腺は独自に獲得したものだと示唆できる。ちなみに、Oncaea属の中で発光するのはこの種、O.coniferaだだ一種だけである。

　発光生物で、バイオテクノロジーで多く名が知られているのはオワンクラゲである。オワンクラゲの登場により、生物研究面、医療面で大きく活躍し、名もよく知られている生物とも言えると思う。コペポーダでも発光するものが登場し、さらに高輝度、多耐性とオワンクラゲより万能である。このコペポーダがまた、生物研究面、医療面で大きく活躍してくれれば、オワンクラゲと同様、名が知られる生物になるのではないかと期待している。

参考

G.L.Clarke, R.J.Conover, C.N.David, and J.A.C.Nicol (1962) Conparative Studies of Luminescence in Copepods and Other Pelagie Marine Animals. J.Mar.Biol.Ass.U.K. 42, 541-564.

竹中 康浩 (2011) 光るプランクトン：カイアシ類のGFP・ルシフェラーゼ　バイオサイエンスとインダストリー. 67(3), 100-101.

Peter Herring (2002) The Biology of tha Deep Ocean.

松浦弘行 (2005) 中・深層性カイアシ類の機能形態学. 日本プランクトン学会報 52(2), 108-112.

茂里 康 (2013) カイアシ類由来ルシフェラーゼの謎. 生物工学誌 91(10), 587.

Peter J. Herring, M. I. Latz, N. J. Bannister, E. A. Widder (1993) Bioluminescence of the poecilostomatoid copepod Oncaea conifera. Mar.Ecol.Prog.Ser. (94), 297-309.

竹中 康浩 (2015) カイアシ類（海洋プランクトン）ルシフェラーゼの構造と進化. 生化学 87(1), 138-143.

Peter J. Herring (1993) Bioluminescence of the poecilostomatoid copepod Oncaea conifera. Mar.Eco.Prof.Ser. (94), 297-309.

生物発光と化学発光 基礎と実験 今井一洋編 東京 廣川書店, 1990.

後藤俊夫 (1975) 生物発光 共立出版.

Biology of the Deep Ocean (Biology of Habitats)

生物発光と化学発光―基礎と実験

生物発光 (1975年) (光生物学シリーズ)

独自の形態をもつ寄生性カイアシ類（ホタテエラカザリ）

　コペポーダ（カイアシ類）とは海洋において最も個体数が多いプランクトンである。また、海洋環境を支えているとも言われている。しかしながら、その知名度は極端に低い。光澤安衣子氏(2011)のアンケート調査によると、小学生から大人まで421人中、「カイアシ」という名を聞いたことがあると答えた人は4.5％であった。理系大学の学生が加わっていたことから高い値になったと考えており、その学生を除けば2.4％となる。これほどの低い知名度であることから、大塚攻氏は『カイアシ類学入門 水中の小さな巨人たちの世界(2005, 長澤和也編ほか)』で「カイアシ類は地球の生物の中でもっとも重要な生き物といっても過言でない（中略）（教科書には描かれているものも何の解説もなく、）へたすりゃ、一生カイアシ類のことを知らないままではないか！」と嘆いている。

　しかし、漁師にはコペポーダの存在がよく知られている。コペポーダの種数のうち、30％程度が寄生種である（一般に寄生種がいるように思えるが、個体数でいると微少である）。寄生性コペポーダは海洋生物全種（軟体動物、刺胞動物、魚類、甲殻類など）のうち1.14％に寄生していると考えられており、このうち食用魚類は50～80％にのぼる。したがって、水揚げされる魚類には頻度多く寄生しているコペポーダを見ることができる。そのため、食用としての価値が低くなり、悩ませる厄介者である。だからといって寄生種は嫌なものだけではなく、海苔に寄生し、カキに付着する珪藻類を食べる種（ソウジソコミジンコ Amphiascus sp.）もおり、わざと食用カキに寄生させるという試みもある。

「浮遊性」コペポーダと「寄生性」コペポーダ

　普通、コペポーダと言われると必然的に浮遊性と答え、寄生性にはならない。これは、寄生性コペポーダは全く研究されていないこと、あまり知名度が高くないことがあげられる。実際に寄生性のコペポーダの生態はよく分かっていない種が多い。そのため、「浮遊性」コペポーダを述べるときには、わざわざ「浮遊性」と言わないことが一般にされている。

寄生性コペポーダ

　寄生種の特徴として、成長が早く、すぐに生殖可能になることである。具体的には、浮遊種は大体、ノープリウスと呼ばれる時期を6回脱皮してコペポディットと呼ばれる時期になり、成体となる。ところが、寄生種ではノープリウス期を短縮したり、省略して成体になるものが多い。これは、プロジェネシス（Progenesis）という幼形進化であり、宿主に寄生するまでの間は死亡率が高いため、生殖・繁殖を強化した結果である。この幼形進化は寄生性コペポーダに限られたことではなく、寄生生物一般に見られる。

形態を大きく変化させた寄生性コペポーダ

　寄生種には大きく分けて2つある。遊泳し、宿主を変えて寄生する「半寄生」と寄生したら一生寄生し続ける「完全寄生」である。前者は、一般的（浮遊種）な形態をしているが、後者は宿主に合わせて大きく形態を変化をしており、場合によっては肉塊になっていることがある（写真1）。また、寄生した部位に完全に定着して身動きもしないことが特徴である。

ホタテエラカザリ

　ホタテエラカザリ（Pectenophilus ornatus）はホタテ貝の鰓に寄生するコペポーダである。そして驚くのはその形態である（写真1）。

（写真１；「D-PAF 水産食品の寄生虫検索データベース」より許可を得て転載）

もはや、肉塊である。コペポーダという形態からかけ離れている。1970年代発見当初、コペポーダだとは考えられず、フクロムシの一種だと勘違いされていた。しかし、現在も、コペポーダのどの目、どの科、どの属になるかは詳細な議論はされていない。というのも、このホタテエラカザリは日本、さらには東北にしか生息しておらず、国際的な議論がされないというのもあるかもしれない。

　外観は、体長8mm、付属肢は全て欠き、1個の産卵孔があるのみである。どう、ここまで進化をしたか分からないほどである。内部には雄が納まる部屋があり、侵入後、固着する。したがって、受精も体内でおこなわれる。しかし、どう進入するかは分かっていない。ここで驚かされるのは、ノープリウスになるまでの卵を体内にある育房で保持していることである。これは、コペポーダのなかでも、この種だけである。大抵は、海中へばら撒くか、卵嚢で体外にくっつけているかである。さらに、体上部に開く産卵孔からノープリウスが放出されるというのも面白い。この産卵様式の利点は、ホタテ貝は移動などで貝殻を激しく開閉する。このときに脱離しないためだと考えられている。

　コペポーダは海洋生態系において重要だとよく知られている。そのなかで、寄生種に関しては生態もよく分かっていない。海洋生態系を考える上で、このグループは重要視されており、研究を取り込んでいくべきものである。長澤和也氏もまた、このグループを重要視しており、できる限り援助したいとも言及している。

参考

光澤安衣子（2011）一般の人はどのくらい生物を知っているのかー生物に関するアンケート調査結果からー　愛媛県総合科学博物館研究報告 (16), 73-80.

伊東 宏（2005） プランクトンとして出現する寄生・共生性カイアシ類ーサフィラ型カイアシ類を中心にー　日本プランクトン学会報 53(1), 53-63.

三根祟幸、川村嘉応、上田拓史（2005）ソウジソコミジンコ（新称）Amphiascus sp.（カイアシ亜綱、ソコミジンコ目）によるノリ糸状体培養カキ殻の付着珪藻除去効果　日本水産学会 71(6), 923-927.

古賀文洋（1973）コペポーダの飼育による生活史の研究特にノープリウスについて　日本プランクトン学会報 20(1), 30-40.

長澤和也（1999）寄生性カイアシ類の異端児、ホタテエラカザリの生物学　海洋と生物 125, 21(6), 471-476.

大塚攻（2006）カイアシ類・水平進化という戦略―海洋生態系を支える微小生物の世界 (NHKブックス), 日本放送出版協会.

長澤 和也 (2005)『カイアシ類学入門 水中の小さな巨人たちの世界』東海大学出版会.

カイアシ類・水平進化という戦略―海洋生態系を支える微小生物の世界 (NHKブックス)

カイアシ類学入門―水中の小さな巨人たちの世界