細胞膜は二次元の液体：ゆらぎが実現する柔らかさと機能

僕は顕微鏡室を飛び出した。

研究棟の白い廊下を端から端まで突っ走って、教授室に飛び込む。
「先生！見えました！」
叫ぶように報告すると、先生は即座に仕事を放り出し、目をかがやかせて立ち上がった。いい反応だ。学生が何か新しい成果を報告に来ると、いつもこうなのだ。学生たちはうれしい。

先生と一緒に廊下を駆け戻り、真っ暗な顕微鏡室に入る。奥の壁際に、金属製のぶ厚いテーブルが鎮座している。テーブルのまん中には、大型の白い顕微鏡。その周りには、いろんな種類のレンズやミラーが、金属製のホルダーに支えられてずらりと並んでいた。テーブルの一番端にある、ティッシュボックスほどの大きさの黒い箱は、レーザーだ。

僕はテーブルの上に手を伸ばして、レーザーのシャッターを開けた。次にモニターを見ながら、顕微鏡のノブをゆっくり回して、慎重にピントを合わせていく。

突然、パッとピントが合い、モニターに星空のような光景が映し出された。でも、星空じゃない。まっ暗な背景に輝く光の点のひとつひとつが、ブルブルと細かくふるえるように動いている。
「ブラウン運動だ！見えてるね！」
先生も興奮気味だ。

このブルブルと動き続ける星空こそが、細胞の生きたままの姿。生きている細胞の表面で、動きまわる分子をひとつずつ見分けることに、ついに成功したのだ。先生と僕は、小さなアナログモニターの丸みをおびた画面を、食い入るように見つめ続けた。

細胞膜には「構造」がある

細胞は、外側を膜で包まれている。この膜を「細胞膜」っていう。

僕が細胞の絵をこう描くときに・・・

この一番外側の、一本の線で描いちゃってるのが、細胞膜だ。

でも細胞膜は、一本の線なんかでは、とてもじゃないけど語りつくせない。
細胞膜は、とても薄くて、とても柔らかくて、でもその上にとてもたくさんの機能をのせている。これだけで、ひとつの複雑な装置なんだ。

細胞膜のおもな材料は、リン脂質という分子。
リン脂質は、こんな形をしている。

あたまと、しっぽがある。
あたまは、リン酸という、水になじみやすい性質をもった部分。
しっぽは、脂質。つまり油。油だから、水にはなじみにくい。

つまり、ひとつの分子に、水になじみやすい部分と、なじみにくい部分がある。
さあ、困った。
こんな分子が、水の中にいたら、どうなってしまうだろう・・・？

リン酸の部分は水分子となかよしだからいいけど、しっぽの脂質は水がきらいだから、落ち着かない。
こんなリン脂質は、どうすれば水のなかで落ち着いて過ごせるようになるだろう？

いちばんシンプルな答えは、こんな感じ。

リン酸のあたまを外にむけてボールみたいに集まって、脂質のしっぽは内側にギュッとまとめてしまう。こうすると、水分子に触れるのはリン酸だけになって、脂質は水に触れずにいられる。

リン酸も、脂質もハッピーだ。

では、もっとたくさんのリン脂質が集まったら、どうすればいいだろう？

こんな感じの隊形で並ぶと、いいんじゃないかな？

オモテと、ウラの、二層で並ぶってわけ。
どちらの面も、表面にはリン酸のあたまがびっしり並んでる。
こういうふうに並ぶと、間に挟まれた脂質は、リン酸に守られて水分子に触れなくてすむ。やはり、リン酸も脂質もハッピーだ。

この並び方のミソは、右にも左にもずっと遠くまで伸ばしていける、っていうことだ。これは断面図だけど、実際には面なので・・・

ほら、こんなふうに！

なんか、面がず〜っと広がっていけそうな気がするでしょ？

でも、このままだと、端っこの脂質が水分子に触れてしまう。

どうすればいいかっていうと・・・
こんなふうに、袋になってしまえばいい！

こうすれば、「端っこ」というものがそもそもなくなる。

これこそが、僕たちのいちばん外側。
細胞膜の正体だ。

ふだんは一本の線で描いちゃってる細胞のいちばん外側は、こんなふうにリン脂質たちが、みごとな隊列で並ぶことで作られているんだ。

ちなみに、細胞膜にはコレステロールがたくさん含まれている。
こんなふうに。

コレステロールって、悪いイメージがあると思うけど、細胞膜になくてはならない材料なんだ。

あと、細胞膜にはタンパク質もたくさんあって、いろんな働きをしている。例えば、細胞膜をイオンや分子が通過できるように、トンネルみたいな働きをしているタンパク質がある。細胞の外にある物質を感じ取るセンサーみたいなタンパク質もある。

この他にも、教科書的には糖鎖とか裏打ち構造とかも描かなきゃいけないんだけど、まあこのへんでやめておく。

ちなみにこの細胞膜、厚みは5~10ナノメートルぐらいしかない。
ナノメートルは、ミリメートルの1000分の1の、さらに1000分の1だ。

つまり細胞膜はただの膜じゃない。
ものすごく薄いのに、ものすごくたくさんの機能を搭載している。
もうこれだけで、ひとつの複雑な装置なんだな。

柔らかさの秘密は「二次元の液体」だから

そして、細胞膜のすごいところは、この複雑な構造や機能だけじゃない。
ものすごく柔らかいのだ。

なにしろ細胞は、こんな風にグニャっとくびれて、分裂したり・・・

神経細胞なんか、こーんなに長い腕を伸ばしていたり・・・

本当に自由自在に変形できる。
このとてつもない柔らかさの秘密は、細胞膜がゴムや布と違って、実は液体だからなんだ。

子供の頃、ラーメンのスープに浮いている油が丸く集まったのを、箸でいじってくっつけて大きくしたり、小さくバラバラにしたりして遊んだことがあるだろうか。この水に浮く油の集まりの柔らかさは、細胞膜の柔らかさと本質的には同じだと言っていい。どちらも水の中で油が集まってできたもので、液体なのだ。

細胞膜が液体・・・
どういうことだろう？

例えば、液体の代表選手、「水」を考えてみよう。
水分子は、「水」という液体の中で、激しく動きまわっている。

猛スピードで動くんだけど、すぐに他の水分子とぶつかって向きが変わるので、ひとつひとつの分子が動く道すじはこんな感じ。

一直線にどっかにすっ飛んでいくわけじゃない。
こういうふうに、ブルブルとランダムに動き回る運動を「ブラウン運動」っていう。

そして、実は細胞膜の中の分子たちも、これと似た感じで動きまわっている。細胞膜の絵では、リン脂質がびっしりと描かれているので、とても動きそうにないけれど、実は激しく動きまわっている。

水分子の動きと似ていて、これも一種のブラウン運動なんだけど、リン脂質は細胞膜という「面」から出ることはできない。なので、細胞膜は
「二次元の液体」
と呼ばれたりする。

こんなに自由に動き回れる理由は、リン脂質やタンパク質が互いにくっついているわけではなく、単に水の中で膜状に「並んでいる」だけだからだ。

リン脂質だけでなく、細胞膜に含まれるコレステロールやタンパク質も、同じような感じでゆれ動いている。

これが、ゴムや布と、細胞膜との一番大きな違いだ。
ゴム風船のゴムがいくら柔らかいといっても、風船のある場所の原子が別の場所に動いていくことはできない。
一方で、リン脂質やタンパク質は、細胞膜の上を自由に動きまわることができる。

この液体のような流動性こそが、細胞膜の驚異的な柔らかさの秘密だ。
液体の水は、容器の形に合わせて自由自在に形を変えることができる。
細胞膜も、二次元の液体だからこそ、信じられないほどの柔軟性を発揮できるんだ。

二次元の液体を「見る」

「細胞膜が二次元の液体？」
「見てきたようなこと、書きおって…」
と思うかも知れない。

でも今回、ここだけは胸を張って言える。
「オレは見てきたぜ！」

生きた細胞の、細胞膜の表面で・・・
　分子をひとつひとつ・・・
　　個別に観察しちゃおう！
っていうのが、僕の大学院の時の研究テーマだったのだ。
たったひとつの分子が放つ、とても弱い光を撮影する必要があって、当時（20年ほど前）売っていた顕微鏡では無理だった。
そこで僕の最初のチャレンジは、

「分子をひとつずつ見分けて撮影できる顕微鏡を作っちゃえ！」
ということになった。

幸いこれは、人類初のチャレンジではなかった。先駆者がいたのだ。しかもその先駆者は、日本人の研究者だった。僕は僕の指導教官の先生を通じてお願いして、その先駆者の先生に顕微鏡の作り方を教えて頂いた。

信じられないほどオープンな方だった。秘中の秘であるはずの顕微鏡の作り方を、僕に懇切丁寧に教えてくださったのだ。最先端の研究者から、「オレも同じことをやってやるぜ！」という姿勢で、直接教えを受けるという、とても幸運な機会だった。

僕はさっそく、教わった通りに顕微鏡作りにとりかかった。と言っても、顕微鏡本体は手作りできないので、メーカーから買うのだ。そして僕は、メーカー製の立派な顕微鏡から、対物レンズ以外のたくさんの部品を外してしまった。そしてその代わりに、顕微鏡のとなりにレンズやミラーをたくさん並べて、レーザー光がいい感じで細胞に当たるように、光の道すじを組み上げていった。まだ製品化されていなかった顕微鏡技術を手に入れるには、こうするしかなかったのだ。

当時も今も、自分で新しい実験装置を作っちゃおう！という生物学の研究者は多くない。でも、まだ世の中にない装置を作るというのは、とても大切なチャレンジだ。
ガリレオは手製の望遠鏡で、土星の環を初めて観察した。
誰も持っていない装置を作って、誰にも手が届かないデータを手にすることで、初めて画期的な発見ができるのだと思う。
結局研究者になれなかった僕が、えらそうに言えたことではないけれど。しかも僕の場合、世界初ではなかったんだけど。

それはともかく、僕は顕微鏡作りに没頭した。一日に12時間じゃ足りなかった。毎日14~15時間も顕微鏡室で悪戦苦闘してたんだけど、ブラックだとは全く思わなかった。楽しすぎて、やばかった。そして2週間ほどかけて、ついに目指していた世界に手が届いた。

こんな感じの画像が見えたのだ。

真っ暗な画面に、目的の分子がひとつずつ、光って見える。
そして、それらの光の点がみんな、ブルブルと細かくゆれ動いていたのだ。
僕は、細胞膜上の分子がゆれ動くことを教科書的には知っていたけど、この瞬間まで忘れていた。
画面を見て、
「ああ、そうだった！」と思い出し、同時に、
「やべえ、ほんとに動いてんじゃん！」と感激してしまった。
教科書に書いてあることを読むのと、実際に見るのとでは雲泥の差がある。
しかもそれが、自分で作った顕微鏡で見えたのだ。

次の瞬間、僕は顕微鏡室を飛び出して、教授室へ走っていた。

絶対零度

というわけで、僕ははっきりと見た。細胞膜を構成する分子たちは、激しくゆれ動いている。細胞膜は、確かに二次元の液体だった。

次に、こんなふうに分子や原子がゆれ動くことは、生物にとって本質的にとても大切なんだ！っていう話を書きたいんだけど・・・

その前に、「じゃあ、ゆれ動かない世界って、どんな世界？」っていう話をちょっとだけ書きたい。

絶対零度って、知ってる？
「これ以上冷たくなりません」っていう、温度の下限のことだね。

不思議じゃない？
絶対零度はマイナス273℃。
たしかにすごく冷たいけと、なんで「冷たさ」に限界があるんだろう？

実は、分子や原子がブルブルとゆれ動くスピードは・・・
　温度が上がると、速くなる。
　温度が下がると、遅くなる。

温度に下限があるのは不思議だけど、スピードに下限があるのは当たり前だ。
そう、止まっている時。
速さゼロが、スピードの下限に決まってる。
じゃあ、温度をどんどん下げていって、原子が動くスピードがどんどん遅くなっていって、ついに止まってしまったら？

この、原子が止まってしまう温度が、絶対零度。
これ以上は、温度を下げられない。

絶対零度は、動きのない、絶対的に静かな世界なんだ。

分子のゆらぎと、分子のはたらき

で、僕たちが生きている世界に話を戻そう。

絶対零度がマイナス273℃ってことは、絶対零度よりおおよそ300℃も温度が高い世界で、僕たちは生きている。
原子や分子たちが激しく動きまわる、騒がしい世界だ。
ゆらぐ世界で、僕たちは生きている。

いや、言い直そう。
ゆらぐことは、生きることそのものだ。

どういうことかと言うと・・・
例えば、「酵素」っていうタンパク質がある。
酵素には、自分が担当する分子を分解するはたらきがある。

生物学の教科書では、酵素と、酵素に分解される分子（基質（きしつ）っていう）との関係は、「カギとカギ穴」に例えられる。

つまり、酵素がこうあって、

そこにピッタリはまる基質がこう、やってきて、

そして分解されるっていう。

でも、錠前やカギは金属でてきてるけど、酵素は金属製じゃない。

酵素はタンパク質で、僕たちの体の中で働いている巨大な分子だ。
酵素はたくさんの原子でできている。
そして原子たちは、みんな激しくゆれ動いている。
原子たちがゆれ動くので、酵素全体のかたちもゆれ動くのだ。

こんなふうに。

酵素のまわりの水分子も動き回っているし、基質も動き回っている。

基質は、動き回っているうちに、たまたま酵素のところにやってくる。そして、プルプルと、型から出したゼリーみたいにかたちがゆらいでる酵素のポケットに、スポッとこう、

いい感じにはまって、そして分解される。

これが僕たちが生きている、ゆらぐ世界。

タンパク質はよく機械に例えられるけど、機械とタンパク質の最大の違いは、このゆらぎだと思う。
機械の歯車やシャフトのかたちがゆれ動いてしまったら、お話しにならない。機械の部品はかたちが変わらないことを前提に設計されている。
ところがタンパク質のような、僕たちの細胞の部品となる分子たちがはたらくには、むしろゆらぐことが前提なのだ。

それどころか、
　ゆらぎは、分子のはたかきそのもの
だと言ってもいい。

これは細胞膜でも同じだ。

例えば細胞膜には、細胞の外側にある物質を感じとる、センサーみたいなタンパク質がある。

このセンサータンパク質は、自分が担当する物質がこう、やってくると・・・

こんはふうに、センサー同士でくっついたりする。

ふたつがくっつくと、細胞膜の内側で別のタンパク質を引き寄せるようになって・・・

そこからさらに、細胞の内側に向けて、
「外側にこんな分子がいるぞ～」
という合図が送られて・・・
　・・・その分子に対する、細胞としての反応が起こるんだ。

つまり、細胞膜ってかなり複雑な情報処理装置でもある。

こんなはたらきができるのも、細胞膜の中でリン脂質やタンパク質が常に動きまわっているからだ。

つまり細胞膜の上でも、分子たちがゆらぐことは機能そのもの。
ゆらぐことは生きることそのものだ、と言っていいと思う。

細胞膜が自発的にできることと、生命の誕生

こんなに複雑な細胞膜だけど、ベースはやはりリン脂質の二層構造だ。

この構造のすごいところは、自発的にできちゃうっていうところだ。

リン脂質の濃度が薄いと、リン脂質は孤独にいるだけなんだけど・・・

たくさん集まって濃くなると、なるべく落ち着ける隊列を組もうとして、リン脂質たちは自発的にこう、袋になる。

だれかがリン脂質たちに、
「この隊形に、ならべ〜！」
っと号令をかけてるわけじゃない。

これはものすごく大切なことだ。
なぜなら、太古の海で、最初の細胞は自発的に生まれたはずだから。

細胞には、遺伝子とかタンパク質とか、いろんなパーツが必要だけど、それらのパーツを包むイレモノとしての細胞膜も絶対に必要だ。

太古の海、つまり岩石と水と、水に溶けている単純な無機の塩類だけの世界で、最初の細胞はどうやって生まれたのか？
このような世界で、アミノ酸とかリン脂質とか、そういうやや大きめの有機分子がどうやって合成されたかについては、正しそうな仮説がある。
その有機分子たちが、どうやって十分な濃度に濃縮されたかについても、仮説がある。
そしてリン脂質の場合、十分に濃縮されてしまえば、あとは自分たちで勝手に袋になるのだ！

こう考えると、岩と水だけの、生き物の気配がまったくない太古の海で、最初の細胞が自発的に誕生したというのも、そんなに突拍子もないストーリーではないように思えてくる。

それどころか、生物とそうでないもの、という分け方にはあまり意味がないような気すらしてくる。岩と水だけの世界と、僕たちのような複雑な生物との間には境界線なんてない。連続的にずっとつながっているんだという気がしてくる。

つまり、リン脂質が自発的に集まって、二層構造の膜の袋が自然にできちゃうという事実は、生命誕生について僕たちが考える時に、とても大切なイメージを与えてくれるのだ。

おわりに

僕が細胞膜についてすごいと思うことは、ほんとうは、
　①　ゆらぎ
　②　自己組織化
　③　定常開放系であること
の3つだ。
今回はこのうち、①と②を書いてみた。③はまた別の機会に書いてみたい。

細胞膜を構成するリン脂質やタンパク質は、常にゆれ動いている。細胞膜は二次元の液体だ。「液体」だからこそ、細胞膜は驚異的なまでにやわらかい。また、タンパク質などの分子が膜の中でゆれ動くことで、細胞膜が持ついろんな機能が実現できている。
つまり、ゆらぎは、細胞膜のやわらかさと機能の源だ。

そして、こんな細胞膜が、水の中で自発的に形成されてしまうことは、生命の誕生について僕たちが考えを巡らせる時に、とても大切なイメージを与えてくれる。

僕の、細胞膜をめぐる冒険は、おおむねこれでおしまい。
僕はこの道をもっと徹底的に極めるつもりだったけど、残念ながら挫折して、プロの研究者にはなれなかった。そんな挫折のお話も、気が向けばいつか書くかもしれない。

＊ ＊ ＊

ここまで読んでくださった方、本当にありがとうございます。楽しんで頂けたのなら、とてもうれしいです。もしよければ、ご意見、ご感想などお寄せ頂ければ、幸いです。

また、この記事は注意して書いたつもりですが、何か間違いに気づかれた方は、ぜひ教えて頂ければと思います。