体内時計は22億年前に時を刻み始めた：最古の体内時計を再現することに成功

22億年前の地球――一日の長さがおよそ20時間と、現在よりも短かったこの時代に、生物の「時計」が動き出しました。

日本の福井県立大学（FPU）で行われた研究によって、光合成を行うシアノバクテリア（ラン藻）の祖先が約22億年前に世界で初めての体内時計（概日リズム）を獲得し、当時の短い日周期に合わせて「次の日の出」を先読みできる分子装置を持っていたことが明らかになりました。

研究チームはこの最古の生物時計を現代に蘇らせ、試験管内でそのリズムを再現することにも成功しています。

その様子はまるで、分子でできたタイムマシンが太古の地球の夜明けを告げているかのようです。

研究内容の詳細は2025年5月15日に『Nature Communications』にて発表されました。

日の出を先読みせよ：謎だった時計の起源を追う

太古の地球に登場した光合成細菌たちは、太陽の光エネルギーを使って水から酸素を作り出し、二酸化炭素を有機物に変えることで繁栄し始めました。

しかし太陽が地表を照らすのは昼間だけで、夜間は暗闇が続きます。

昼に備えて高度に発達した光合成システムを、日が沈んだ後まで動かし続けるのはエネルギーの無駄です。

そこで生まれたのが「体内時計」という仕組みでした。

生物が自らの中に持つ時計――概日時計とも呼ばれるこの機構は、昼夜の周期に合わせて代謝や行動のリズムを刻みます。

例えば現在のシアノバクテリアでは、光がなくなる夜間に光合成関連の活動を低下させ、再び朝日が昇る時刻に向けて準備を整えることで、エネルギー効率よく生き延びています。

多くの生物がそれぞれ独自の体内時計を持ちますが、どの生物時計も概ね24時間前後の周期で動き、温度変化に影響されにくく、環境の明暗サイクルに同調してリセットできるという共通の特徴を持っています。

しかし肝心の「光合成を行う微生物が、日の出・日の入りを予測するシステムをいつ、どのように獲得したのか」は長らく謎のままでした。

その進化の歴史を探ることは、生命が時間を測る戦略の起源を解明する上で重要なテーマです。

研究チームを率いた福井県立大学の向山厚准教授は「現存のシアノバクテリアは地球の自転による昼夜の周期を予測して効率的な光合成を行うために概日時計を利用しています。

我々は、古代のバクテリアがいつ概日時計を獲得し、どのように現在のシアノバクテリアに受け継がれたのか、その進化の歴史を知りたいと考えました」と語っています。

22億年前モデルだけが時を刻んだ──驚きの“18時間リズム”

シアノバクテリアの体内時計の正体は、わずか3種類のタンパク質からなるシンプルな装置です。

モデル生物として知られるシネココッカス属のシアノバクテリアでは、KaiA・KaiB・KaiCという3つの「時計タンパク質」だけで生体内のリズムを作り出しています。

実際、この3種のタンパク質を抽出して試験管の中で混ぜると、約24時間周期で結合・解離を繰り返すリズム反応（概日リズム）を示すことが確かめられています。

まさにこの最小限の分子セットが時計の歯車として働き、細胞に時間情報を与えているのです。

研究グループは、この時計タンパク質セットがいつから時を刻み始めたのかを突き止めるため、逆転の発想でアプローチしました。

現存する様々な細菌や古細菌が持つ関連タンパク質のアミノ酸配列データをコンピューターに集め、系統樹（進化の家系図）を作って祖先のタンパク質配列を推定したのです。

この「祖先配列復元法」により、地球史の異なる時代（約31億年前、26億年前、22億年前、13億年前、1億年前）の祖先型KaiA・KaiB・KaiCの配列を再現し、それをもとにタンパク質を合成して当時の体内時計を“復元”しました。

その結果、驚くべき事実が判明しました。

再現された複数の祖先時計のうち、約22億年前の祖先型時計タンパク質だけが明瞭なリズムを刻んだのです。

言い換えれば、史上初めて生物が自律的な体内時計を手にしたのは約22億年前だったということになります。

この進化上のブレイクスルーは約26億年前～22億年前の間に起こったらしく、祖先タンパク質の時計機能はこの期間に飛躍的に発達したことが示唆されました。

さらに注目すべきは「何時間で 1 周する時計なのか」という点です。

復元した 22 億年前の祖先時計そのものが持つ“素の周期（自由振動周期）”は約 23 時間 ですが、試験管内で 18時間、20時間、24時間など異なる周期の温度サイクルに同調できることがわかりました。

つまり内部のカウントは 24 時間弱で回りつつ、当時 1 日が約 20 時間しかなかった原始地球の昼夜サイクルに合わせて柔軟に引き伸ばし／縮めが可能だったわけです。

これは古生物学的証拠が示す「昔の地球は自転が速く、日が短かった」という事実と美しく呼応します。

この体内時計が登場したのは、大気中の酸素が劇的に増えた 大酸化イベント（約 23 億年前） の直後と見られ、“日の出を先読み”できる能力が光合成の効率を一段と押し上げ、酸素放出を加速した可能性が浮かび上がりました。

また研究グループは進化の系統をたどって、約13億年前や1億年前、そして現生（現在も生きている）のシアノバクテリアが持つ時計タンパク質も調べました。

すると、いずれの時代のタンパク質についても、ほぼ24時間に近い正確なリズムを刻む能力が確認されました。

つまり、地球の自転が徐々に遅くなり、一日が現在の24時間へと伸びていく過程で、分子時計の内蔵タイマーも自然に歩調を合わせるようにわずかずつ長くなり、最終的に地球の昼夜サイクルとピタリ同期するよう進化してきたのです。

まるで腕時計がオーナーの生活リズムに合わせて自動で時刻を微調整してくれるかのように、シアノバクテリアの時計は22億年の歳月を通じて地球の1日の長さに適応し続け、今なおきちんと24時間制を守りながら時を刻んでいる、というわけです。

これは従来研究で知られていたごく一部の種（モデル生物のシネココッカス属）だけでなく、多くのシアノバクテリアに概日時計が受け継がれていることを示しています。

しかも、そのリズムを生み出す肝心の仕組みは22億年前までにタンパク質の構造として完成されていたことも明らかになりました。

時計タンパク質KaiCはエネルギー分子ATP（アデノシン三リン酸）を分解する酵素として機能しますが、祖先型KaiCから現生型KaiCまで、内部の原子の並び（立体構造）が0.1ナノメートル（1オングストローム）レベルの精度で保たれていたのです。

この原子レベルで洗練された構造のおかげで、KaiCは数十億年にわたり正確なリズムを刻み続けてこれたと言えるでしょう。

“時間を知る力”が酸素革命を呼んだ

今回の発見は、生命が「時間を測る能力」をいかに生存戦略に活かしてきたかを物語っています。

シアノバクテリアは原子レベルで時計の機能を維持しながら、リズムから現在の時刻を読み取ることで「いつ夜が明け、いつ日が沈むか」を常に把握し続けてきました。

約22億年前にこの能力を手にして以来、地球が全球凍結する過酷な氷河期や大気組成が激変する事件（酸素濃度の急上昇や低下）など幾多の困難を乗り越え、生き延びてきたのです。

光合成によるエネルギー獲得と利用のシステムを時間で管理することが、生命の存続に不可欠だったことが分かります。

さらに本研究は、時間の知覚が今の人類社会にとっても重要であることを示唆しています。

22億年にわたるシアノバクテリアの体内時計の歴史は、エネルギー問題や生態系維持、そして宇宙探査といった現代の課題においても「適切に時刻を把握すること」の大切さを教えてくれると研究者らは述べています。

例えば、人類が将来宇宙空間や他の惑星で長期間活動する際には、現地の昼夜サイクルに即した生物時計の調整が健康維持や植物の栽培に欠かせないでしょう。

また今回の研究のように、分子レベルの証拠から地球の自転変化を読み解くという学際的なアプローチも注目に値します。

従来、古代の一日の長さを調べるには地層や化石の分析、あるいは物理シミュレーションや歴史文書の解析などが行われてきました。

しかし本研究は、タンパク質という生物の「化石」を復元することで、地質学の謎に新たな光を当てています。

約22億年前の朝、小さなバクテリアの中で動き始めた時計は、長い時を超えて今も脈々と刻み続けられています。

生命が紡いできたこの“時間の秘密”は、私たち人類にとっても大いなるヒントになるかもしれません。

「時間を制する者が生命を制す」――太古の地球で誕生した分子の時計は、そう語りかけているようです。

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参考文献

【プレスリリース】最古の体内時計が日の出を知らせた約22億年前のある日
https://www.soken.ac.jp/news/2025/20250520.html

元論文

Evolutionary origins of self-sustained Kai protein circadian oscillators in cyanobacteria
https://doi.org/10.1038/s41467-025-59908-7

ライター

川勝康弘: ナゾロジー副編集長。
大学で研究生活を送ること10年と少し。
小説家としての活動履歴あり。
専門は生物学ですが、量子力学・社会学・医学・薬学なども担当します。
日々の記事作成は可能な限り、一次資料たる論文を元にするよう心がけています。
夢は最新科学をまとめて小学生用に本にすること。

編集者

ナゾロジー 編集部

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🧠 編集部の感想：
このニュースは、22億年前にシアノバクテリアが初めて体内時計を獲得したという驚くべき発見を示しています。生物が時間を測る能力の進化が、光合成の効率向上に寄与していたことから、生命の存続における「時間」の重要性を再認識させられました。また、この研究が古代の生物時計の復元を通じて地球の歴史を探る新しいアプローチを提示した点も興味深いです。

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