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単細胞生物は、複数の細胞からなる多細胞生物とは異なり、単一の細胞からなる生物です。生物は大きく分けて原核生物と真核生物の2つのカテゴリーに分類されます。ほとんどの原核生物は単細胞で、細菌と古細菌に分類されます。多くの真核生物は多細胞ですが、原生動物、単細胞藻類、単細胞菌類など、単細胞生物もあります。単細胞生物は最も古い生命形態と考えられており、初期の生物は35億～38億年前に出現しました。[ 1 ] [ 2 ]
原核生物の中にはコロニーを形成して生息するものもあるが、それらはそれぞれ異なる機能を持つ特殊化した細胞ではない。これらの生物は共に生活しており、生存するためには各細胞がすべての生命活動を担わなければならない。対照的に、最も単純な多細胞生物でさえ、生存のために互いに依存し合う細胞から構成されている。
ほとんどの多細胞生物は単細胞の生活環段階を持つ。例えば、配偶子は多細胞生物の生殖単細胞である。 [ 3 ]
ディクチオステリウム・ディスコイデウムのように、部分的に単細胞性の生物も存在する。さらに、カウレルパ、プラスモジウム、ミクソガストリアのように、単細胞生物の中にも多核性を持つものがある。
生命の起源は依然として大部分が謎に包まれている。原始的な原細胞は、今日の単細胞生物の祖先であると考えられている。
RNAワールド仮説として知られるある理論では、初期のRNA分子は有機化学反応と自己複製の触媒の基礎であったと考えられている。[ 4 ]
区画化は、化学反応を起こしやすくするため、また外部環境との反応を区別するために必要であった。例えば、初期のRNA複製リボザイムは、分離されていなければ、異なるRNA配列を持つ他の複製リボザイムを複製していた可能性がある。[ 5 ]通常のDNAゲノムの代わりにRNAゲノムを持つこのような仮説上の細胞は、「リボ細胞」または「リボサイト」と呼ばれる。[ 4 ]
脂質のような両親媒性物質を水に入れると、疎水性尾部が凝集してミセルや小胞を形成し、親水性末端が外側を向く。[ 6 ] [ 5 ]原始細胞は、化学反応と環境を分離するために、自己組織化する脂肪酸小胞を使用していたと考えられる。[ 5 ]単純で水中で自己組織化できることから、これらの単純な膜は、初期の生物学的分子の他の形態よりも先に存在していたと考えられる。[ 6 ]
原核生物には、ミトコンドリアや核などの膜結合型細胞小器官がありません。[ 7 ]その代わりに、ほとんどの原核生物は、核様体と呼ばれるDNAを含む不規則な領域を持っています。[ 8 ]ほとんどの原核生物は単一の環状染色体を持っていますが、これは通常線状染色体を持つ真核生物とは対照的です。[ 9 ]栄養面では、原核生物は、硫黄、セルロース、アンモニア、亜硝酸塩など、代謝に利用する幅広い有機物および無機物を利用する能力を持っています。[ 10 ]原核生物は環境中に比較的広く分布しており、一部の生物（極限環境生物として知られる）は極限環境で繁栄します。
細菌は地球上で最も古い生命形態の一つであり、地球上のほぼあらゆる場所に存在します。[ 10 ]多くの一般的な細菌はプラスミドを持っています。プラスミドとは、細菌の染色体とは別の、短く環状の自己複製DNA分子です。[ 12 ]プラスミドは、抗生物質耐性など、新たな能力に関わる遺伝子を運ぶことができます。[ 13 ]細菌は主に二分裂と呼ばれるプロセスによって無性的に増殖します。しかし、約80種の細菌は、自然遺伝子形質転換と呼ばれる有性生殖を行うことができます。[ 14 ]形質転換は、DNAをある細胞から別の細胞へ移す細菌のプロセスであり、受容細胞のDNA損傷を修復するための適応であると考えられています。 [ 15 ]さらに、プラスミドは、接合と呼ばれるプロセスでピルスを使用して交換されることもあります。[ 13 ]
光合成を行うシアノバクテリアは、おそらく最も成功した細菌であり、地球の初期の大気を酸素化することで変化させた。[ 16 ]炭酸カルシウムの層とシアノバクテリアおよび関連する細菌群集の残された堆積物からなる構造物であるストロマトライトは、広範な化石記録を残している。 [ 16 ] [ 17 ]ストロマトライトの存在は、始生代（ 40億年前から25億年前）、原生代（25億年前から5億4000万年前）、顕生代（ 5億4000万年前から現在まで）にわたって存在するシアノバクテリアの発達に関する優れた記録を与えている。[ 17 ]世界の化石化したストロマトライトの多くは西オーストラリアで見られる。[ 17 ]そこでは、約34億3000万年前に遡る最古のストロマトライトがいくつか発見されている。[ 17 ]
クローン老化は細菌で自然に発生し、外部ストレス要因がない場合でも起こりうる損傷の蓄積が原因であると考えられている。[ 18 ]
熱水噴出孔は熱と硫化水素を放出し、化学合成独立栄養成長を利用して極限環境微生物が生存することを可能にする。[ 20 ] 古細菌は一般的に細菌と外見が似ているため、当初は細菌として分類されていたが、膜構造やリボソームRNAなど、分子レベルでは大きな違いがある。[ 21 ] [ 22 ]リボソームRNAの配列解析により、古細菌は細菌から分岐し、現代の真核生物の祖先であり、実際には系統発生的に真核生物により近いことがわかった。[ 22 ]その名前が示すように、古細菌はギリシャ語のarchaiosに由来し、元の、古代の、または原始的なという意味である。[ 23 ]
古細菌の中には、地球上で最も生物学的に過酷な環境に生息するものがあり、これは生命が誕生した初期の厳しい環境をある程度模倣していると考えられています。こうした古細菌の極限環境微生物の例は以下のとおりです。
メタン生成菌は古細菌の重要なサブセットであり、多くの極限環境微生物を含むが、湿地環境や反芻動物および動物の後腸にも広く分布している。[ 28 ]このプロセスでは、水素を利用して二酸化炭素をメタンに還元し、利用可能なアデノシン三リン酸の形でエネルギーを放出する。[ 28 ]メタンを生成できることが知られている唯一の生物である。[ 29 ] DNA損傷を引き起こすストレスの多い環境条件下では、一部の古細菌種が凝集し、細胞間でDNAを転送する。[ 30 ]この転送の機能は、受け手細胞の損傷したDNA配列情報を、提供細胞からの損傷していない配列情報で置き換えることのようである。[ 31 ]
真核細胞には膜で囲まれた細胞小器官が含まれています。例としては、ミトコンドリア、核、ゴルジ装置などがあります。原核細胞は、おそらく20億年前から14 億年前の間に真核細胞に移行しました。[ 32 ]これは進化における重要なステップでした。原核生物とは対照的に、真核生物は有糸分裂と減数分裂によって増殖します。性は、真核生物の生命に普遍的で古くから存在する固有の属性であるようです。 [ 33 ]真の有性生殖である減数分裂は、 DNA損傷の効率的な組換え修復[ 15 ]と、親のDNAを組み合わせて組換えを行うことでより広い範囲の遺伝的多様性を可能にします。[ 32 ]真核生物の代謝機能も、特定のプロセスを細胞小器官に分割することでより特殊化されています。
細胞内共生説では、ミトコンドリアと葉緑体は細菌起源であると考えられています。両方の細胞小器官は独自のDNAセットを持ち、細菌のようなリボソームを持っています。現代のミトコンドリアはかつてリケッチアに似た種であり、細胞に侵入する寄生能力を持っていたと考えられます。[ 34 ]しかし、細菌が呼吸能力を持っていた場合、より大きな細胞にとっては、エネルギーと酸素の解毒と引き換えに寄生生物の生存を許すことが有益だったでしょう。[ 34 ]葉緑体はおそらく同様の一連の出来事を経て共生生物となり、おそらくシアノバクテリアの子孫です。[ 35 ]すべての真核生物がミトコンドリアや葉緑体を持っているわけではありませんが、ミトコンドリアはほとんどの真核生物に見られ、葉緑体はすべての植物と藻類に見られます。光合成と呼吸は基本的に互いに逆の過程であり、光合成と呼吸が組み合わさったことで、発酵だけの場合よりもはるかに多くのエネルギーを得ることが可能になった。
原生動物は、鞭毛、繊毛、偽足などの運動方法によって大きく定義されます。[ 36 ]原生動物の分類については、その多様性ゆえにかなりの議論がありましたが、あるシステムでは現在、原生動物界の下に7つの門が認められています。ユーグレナ、アメーバ、カヴァリエ・スミスによるチョアノゾア、ルコゾア、ペルコロゾア、ミクロスポリディア、スルコゾアです。[ 37 ] [ 38 ]原生動物は、植物や動物と同様に、従属栄養生物または独立栄養生物とみなすことができます。[ 34 ]ユーグレナのような独立栄養生物は光合成によってエネルギーを生産できますが、従属栄養原生動物は、口のような食道を通して食物を吸い込むか、偽足で食物を飲み込む（食作用の一種）ことによって食物を摂取します。[ 34 ]原生動物は主に無性生殖を行うが、一部の原生動物は有性生殖が可能である。[ 34 ]有性生殖能力を持つ原生動物には、病原性種であるマラリア原虫（Plasmodium falciparum）、トキソプラズマ（Toxoplasma gondii）、トリパノソーマ（Trypanosoma brucei）、ジアルジア（Giardia duodenalis）、リーシュマニア属などが含まれる。[ 15 ]
繊毛虫類は、繊毛を使って移動する原生生物のグループです。例としては、ゾウリムシ、ステントル、ボルティセラなどがあります。[ 39 ]繊毛虫は、水が存在するほぼすべての環境に広く分布しており、生物を推進するために繊毛がリズミカルに拍動します。[ 40 ]多くの繊毛虫は、獲物を捕らえたり、体を固定したり、防御したりするために放出できる槍状の細胞小器官であるトリコシストを持っています。 [ 41 ] [ 42 ]繊毛虫は有性生殖も可能で、繊毛虫特有の2つの核、すなわち通常の代謝制御のための大核と減数分裂を行う別の小核を利用します。[ 41 ]このような繊毛虫の例としては、ストレス条件下で獲得したDNA損傷を修復するために減数分裂組換えを利用していると考えられるゾウリムシとテトラヒメナがあります。
アメーバ類は、偽足と細胞質流動を利用して環境内を移動する。赤痢アメーバはアメーバ赤痢の原因である。[ 43 ]赤痢アメーバは減数分裂が可能であると思われる。[ 44 ]
単細胞藻類は植物のような独立栄養生物であり、クロロフィルを含んでいる。[ 45 ]多細胞種と単細胞種の両方を含むグループも存在する。
単細胞菌類には酵母が含まれます。菌類はほとんどの生息地で見られますが、そのほとんどは陸上で見られます。[ 51 ]酵母は有糸分裂によって増殖し、多くは出芽と呼ばれるプロセスを使用します。このプロセスでは、細胞質の大部分が母細胞に保持されます。[ 51 ] Saccharomyces cerevisiae は炭水化物を二酸化炭素とアルコールに発酵させ、ビールやパンの製造に使用されます。[ 52 ] S. cerevisiaeは、培養が容易な真核生物であるため、重要なモデル生物でもあります。癌や神経変性疾患の研究、細胞周期の理解に使用されてきました。[ 53 ] [ 54 ]さらに、S. cerevisiaeを使用した研究は、減数分裂組換えのメカニズムと減数分裂の適応機能の理解において中心的な役割を果たしてきました。Candida spp .カンジダ症の原因菌であり、口や喉（鵞口瘡として知られる）および膣（一般的に酵母感染症と呼ばれる）の感染症を引き起こす。[ 55 ]
粘液胞子虫類に属する寄生性刺胞動物の中には、単細胞期を経るものもいる。これらの生物の摂食期は、表面上は蠕虫のような単細胞性変形体であり、これらの細胞内で多細胞性の胞子が発達する。このグループは世代交代を経るため、真の意味での単細胞生物ではない。[ 56 ]
ほとんどの単細胞生物は顕微鏡サイズであるため、微生物に分類されます。しかし、一部の単細胞原生生物や細菌は肉眼で見えるほど大きいです。 [ 57 ]例としては、次のものが挙げられます。