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クロレラは、緑藻植物門に属する約13種の単細胞または群体性の緑藻類の属です。細胞は球形で、直径は約2～10μm、鞭毛はありません。葉緑体には、緑色の光合成色素であるクロロフィルaとbが含まれています。理想的な条件下では、クロレラの細胞は急速に増殖し、増殖に必要なのは二酸化炭素、水、日光、および少量のミネラルだけです。 [ 3 ]
クロレラという名前は、ギリシャ語のχλώρος、chlōros/khlōros（緑）とラテン語の縮小接尾辞-ella（小さい）に由来します。ドイツの生化学者で細胞生理学者のオットー・ハインリヒ・ワールブルクは、細胞呼吸の研究で1931年にノーベル生理学・医学賞を受賞しましたが、クロレラの光合成についても研究しました。1961年には、カリフォルニア大学のメルビン・カルビンが、クロレラを用いた植物の二酸化炭素同化経路の研究でノーベル化学賞を受賞しました。
クロレラは、光合成効率が8％に達するため、食料やエネルギー源として考えられてきました[ 4 ]。これは、サトウキビなどの他の高効率作物の効率を上回ります。
クロレラは、球形、亜球形、または楕円形の小さな丸い細胞からなり、粘液層で覆われている場合がある。細胞には、細胞膜の内側に接する単一の葉緑体と、デンプン粒に囲まれた単一のピレノイドが含まれている。 [ 1 ]
クロレラでは、自家胞子の形成によって生殖が行われます。遊走子や配偶子は生成されないことが知られています。[ 1 ]自家胞子形成では、細胞の内容物が 2 つ、4 つ、または時には 8 つのプロトプラストに分裂します。各娘プロトプラストは丸くなり、親細胞壁の破裂によって放出されます。放出されると、各自家胞子は成長して新しい個体になります。娘細胞は親細胞壁に付着したままになり、細胞のコロニーを形成することがあります。[ 1 ]培養培地中の硫黄の存在は、細胞分裂に不可欠であると考えられています。硫黄のみを供給源として暗所でも分裂は起こりますが、光条件下では窒素も追加で必要です。Pearsallと Loose (1937) [ 5 ]は、クロレラに運動性細胞が存在することを報告しました。Bendix (1964) [ 6 ]も、クロレラが配偶子である可能性のある運動性細胞を生成することを観察しました。これらの観察結果は、現在では厳密に無性生殖を行うと考えられているクロレラの生活環の概念に重要な意味を持つ。
クロレラ・エリプソイデスの無性生殖は詳細に研究されており、無性生殖の過程で以下の4つの段階が観察されている。
K10などの株名のみで識別される、名前のないクロレラのコレクションは、動物のHydra viridissima（より広義には「緑のヒドラ」クレード全体）と繊毛虫のPseudoblepharisma tenueの光合成内共生体として機能している。[ 7 ] H. viridissima A99に付着しているA99と呼ばれる株のゲノムは2018年に配列決定された。配列決定時に完全なゲノムが利用可能なすべてのクロレラの中で、A99はC. variabilisに最も類似している。[ 8 ]一方、K10株は18S rRNAとrbcLに基づいてC. vulgarisに近いように見える。[ 9 ]
クロレラは1890年にマルティヌス・ベイエリンクによって初めて記載されました。それ以来、この属内で100以上の分類群が記載されています。しかし、生化学的およびゲノムデータにより、これらの種の多くは互いに近縁ではなく、緑藻綱に分類されるほどであることが明らかになりました。言い換えれば、クロレラの「緑色の球状」形態は収斂進化の産物であり、自然な分類群ではないようです。[ 10 ]形態的特徴のみに基づいてクロレラに似た藻類を識別することは一般的に不可能です。[ 11 ]
食用に使われる「クロレラ」の中には、誤って識別されているものや、真のクロレラ属から分類された属に相当するものがある。例えば、Heterochlorella luteoviridisは一般的にChlorella luteoviridisとして知られているが、これはもはや有効な名称とはみなされていない。[ 12 ]
クロレラは最初に収穫されたとき、人間の食事への安価なタンパク質補給源として提案されました。アメリカ癌協会によると、「入手可能な科学的研究は、人間の癌やその他の病気の予防や治療におけるその有効性を裏付けていません」。[ 13 ]
特定の生育条件下では、クロレラは多価不飽和脂肪酸を多く含む油を生成する。クロレラ・ミヌティッシマは、総脂質の39.9%を占めるエイコサペンタエン酸を生成する。 [ 14 ]
1940年代後半から1950年代初頭にかけて、制御不能な人口増加に対する世界的な懸念が高まったことを受け、クロレラは新たな有望な主要食料源として、また当時の世界的な飢餓危機に対する解決策として注目されました。当時、多くの人々は飢餓が深刻な問題になると考え、クロレラは比較的低コストで大量の高品質な食料を提供することで、この危機を終わらせる手段になると考えていました。[ 15 ]
カーネギー研究所、ロックフェラー財団、NIH、カリフォルニア大学バークレー校、原子力委員会、スタンフォード大学など、多くの機関が藻類の研究を始めた。第二次世界大戦後、多くのヨーロッパ人が飢餓に苦しみ、多くのマルサス主義者はこれを戦争だけでなく、増加する人口を支えるのに十分な食料を世界が生産できないことにも起因すると考えていた。1946年のFAOの報告書によると、増加する人口に対応するためには、1960年には1939年よりも25～35%多くの食料を生産する必要があり、健康状態の改善には90～100%の増加が必要だった。[ 15 ]肉は生産にコストとエネルギーを要するため、タンパク質不足も問題だった。耕作面積を増やすだけでは、人口に十分な栄養を提供するには限界があった。米国農務省（USDA）は、1975年までに米国人口を養うためには2億エーカー（80万平方キロメートル）の土地を追加する必要があると試算したが 、利用可能な土地はわずか4500万エーカーしかなかった。全国的な食糧不足に対処する一つの方法は、農家が利用できる土地を増やすことだったが、アメリカの開拓地や農地は、拡大と都市生活のためにとうの昔に失われていた。希望は、新しい農業技術とテクノロジーにのみ託されていた。こうした状況から、代替案が必要とされた。
米国をはじめとする各地で迫りくる戦後の人口増加に対応するため、研究者たちは未開発の海洋資源を活用することにした。スタンフォード研究所による初期の試験では、クロレラ（温暖で日当たりの良い浅瀬で生育する場合）は太陽エネルギーの20%を植物に変換でき、乾燥させるとタンパク質が50%含まれることが示された。[ 15 ]さらに、クロレラには脂肪とビタミンも含まれている。この植物の光合成効率により、単位面積当たりのタンパク質生産量はどの植物よりも多く、ある科学者は、1000エーカー（4平方キロメートル）のクロレラ農場で20人の作業員だけで年間1万トンのタンパク質を生産できると予測した。 [ 15 ]スタンフォード大学などで実施されたパイロット研究は、ジャーナリストや新聞から大きな注目を集めたが、大規模な藻類生産には至らなかった。クロレラは、当時の農業における技術進歩と、それを研究した専門家や科学者から広く称賛されていたことから、有望な選択肢のように思われた。藻類研究者たちは、ビタミンやミネラルで強化する方法として、中和したクロレラ粉末を従来の食品に添加することさえ期待していた。[ 15 ]
予備的な実験結果が発表されたとき、科学界は当初クロレラの可能性を支持した。サイエンス・ニュース・レターは「飢餓を養う藻類」と題した記事で楽観的な結果を称賛した。カーネギー研究所の書籍『藻類培養：実験室からパイロットプラントへ』の編集者であるジョン・バーリューは、「藻類培養は非常に現実的なニーズを満たす可能性がある」[ 16 ]と述べ、サイエンス・ニュース・レターはこれを「池の緑色の藻類に関連する改良または教育された藻類の生産により、将来の世界の人口は飢餓から救われるだろう」と解釈した。同誌の表紙には、将来の食料工場とされるアーサー・D・リトルのケンブリッジ研究所も掲載された。数年後、同誌は「明日の夕食」と題した記事を掲載し、「科学者の間では、未来の農場は実際に工場になるだろうということに疑いの余地はない」と述べた。サイエンス・ダイジェストも「一般的な池の藻類はまもなく世界で最も重要な農作物になるだろう」と報じた。しかし、そうした主張がなされてから数十年が経ったが、藻類はそれほど大規模に栽培されてはいない。
1940年代に深刻化した世界的な食糧問題は、作物の効率向上や伝統的な農業におけるその他の進歩によって解決されたため、クロレラは1940年代のような一般および科学界の関心を集めていない。クロレラは、栄養補助食品として販売する企業にとってニッチな市場しか持っていない。[ 15 ]
実験研究は野外ではなく研究所で行われ、科学者たちはクロレラの生産が以前考えられていたよりもはるかに難しいことを発見した。実用化するには、藻類を人工照明下か日陰に置くことで、光合成効率を最大限に高める必要があった。さらに、クロレラを世界が必要とするほど生産するには、炭酸水で栽培する必要があり、生産コストが数百万ドル増加することになる。収穫には高度なプロセスと追加コストが必要であり、クロレラを実用的な食料源にするには、細胞壁を粉砕する必要があった。この植物は、高度に改変された人工的な環境でのみ、その栄養価を発揮することができた。もう一つの問題は、クロレラから十分においしい食品を開発することだった。[ 17 ]
クロレラの生産は有望で、革新的な技術が用いられていましたが、今日まで一部の人が予測していた規模で栽培されていません。スピルリナ、大豆製品、全粒穀物ほどの規模で販売されていません。コストは高いままで、クロレラは主に健康食品、化粧品、または動物飼料として販売されています。[ 17 ] 10年間の実験の後、研究により、日光にさらされた後、クロレラは太陽エネルギーのわずか2.5%しか捕捉せず、従来の作物と比べてそれほど優れているわけではないことが示されました。[ 15 ]また、1960年代に科学者によって、クロレラは栄養素を包み込む丈夫な細胞壁のために、自然状態では人間や他の動物が消化できないことが発見され、これがアメリカの食品生産での使用にさらなる問題をもたらしました。[ 15 ]
1965年、ロシアのCELSS実験BIOS-3は、8平方メートルのクロレラを露出させることで、密閉された環境内で二酸化炭素を除去し、酸素を補充できることを、1人の人間に対して確認した。藻類は人工照明の下のタンクで培養された。[ 18 ]
クロレラは栄養補助食品として摂取されています。クロレラ製品の製造業者の中には、がん治療効果など健康上の利点があると虚偽の主張をしているところもありますが[ 19 ] [ 20 ] 、米国がん協会は「入手可能な科学的研究は、がんやその他の疾患の予防や治療におけるクロレラの有効性を裏付けていない」と述べています[ 20 ] 。米国食品医薬品局は、クロレラ製品の摂取による健康上の利点を虚偽に宣伝しているサプリメント会社に警告書を発行しており、2020年10月にはある会社に警告書を送付しています[ 21 ]。
クロレラが殺虫剤を解毒する能力があることは、動物実験によって裏付けられています。クロレラ・プロトテコイデスは、残留性殺虫剤であるクロルデコンで中毒を起こしたラットの解毒を促進し、毒素の半減期を40日から19日に短縮しました。[ 22 ]摂取された藻類は消化管を無傷で通過し、残留性殺虫剤の腸内再循環を遮断し、その後、結合したクロルデコンを糞便とともに排出しました。
2002年の研究では、クロレラの細胞壁にはグラム陰性細菌に見られるエンドトキシンであるリポ多糖類が含まれており、免疫系に影響を与え、炎症を引き起こす可能性があることが示されました。[ 23 ] [ 24 ] [ 25 ]しかし、より最近の研究では、グラム陰性細菌以外の生物、例えばシアノバクテリアのリポ多糖類は、グラム陰性細菌のリポ多糖類とはかなり異なることがわかっています。[ 26 ]
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