EVOLUTION

 

知の巨人アリストテレス、分類学の父リンネ、

古生物学の創始者キュヴィエと連なる、自然に対する知識を体系化する博物学は、

19世紀半ばにダーウィンとウォーレスの進化論に到達した。

事実に基づき、歴代の学者たちが打ち立てた仮説の数々を丁寧に読み解きながら、

分子系統学の登場で新たな時代を迎えた“進化学の現在”までを追う。



著者プロフィール
長谷川政美(はせがわ まさみ)

1944年生まれ。進化生物学者。統計数理研究所名誉教授。総合研究大学院大学名誉教授。理学博士(東京大学)。著書に『系統樹をさかのぼって見えてくる進化の歴史』(ベレ出版)『分子系統学』(岸野洋久氏との共著)『DNAに刻まれたヒトの歴史』(共に岩波書店)『新図説 動物の起源と進化―書きかえられた系統樹』(八坂書房)など多数。1993年に日本科学読物賞、1999年に日本遺伝学会木原賞、2005年に日本進化学会賞・木村資生記念学術賞など受賞歴多数。進化が一目でわかる「系統樹マンダラ」シリーズ・ポスターは全編監修を務める。

 

進化の歴史

ー時間と空間が織りなす生き物のタペストリー


第23話

少ない遺伝子

文と写真 長谷川政美

◎複雑なからだを作るのは少数の遺伝子

進化についての以前の著者たちは、すべての骨の細かい構造などといった細部の進化を説明する必要性にとらわれてたじろぐことが多かった。構造は決してそのように遺伝するのではなく、特定の条件のもとで特定の構造を導くような適応的な細胞の適応的な挙動の型が遺伝するにすぎないと考えれば、そのような困難は消えてしまうであろう。
スウオール・ライト (1931)

上の言葉は、20世紀の初期にJ.B.S. ホールデン、R.A. フィッシャーらとともに集団遺伝学を確立し、進化の総合学説の建設に貢献したスウオール・ライトSewall G. Wright (1889-1988)のものである。彼の言葉もなぜ少ない数の遺伝子で複雑なからだができ上がるかを理解するのに役立つであろう。
SF作家のダグラス・アダムズ(1952— 2001)もまた別の比喩的な説明を与えている。彼が2001年に亡くなる少し前に、ヒトゲノムの全塩基配列が解読されて、遺伝子の数が22,000個程度(せいぜい30,000個)と推定された。複雑なヒトのからだを作り上げるのに、この数は少なすぎると感じたひとは多かったが、それに対してアダムスは次のようなメールをマット・リドレーに送ってきたという(『やわらかな遺伝子』リドレー著、中村桂子・斉藤隆史訳、紀伊國屋書店)。 


ケーキ作りの際に、建築家が必要とするような青写真を作ったら、とんでもなく繁雑な文書になるだろう。レーズン一個一個の位置を表わすベクトルや、ジャムの塊ひとつひとつの形や大きさなどを、正確に記さなければならないためだ。ヒトゲノムが青写真なら、この程度の数の遺伝子では、精神はもちろん身体を定めるにも足りないはずだ。一方、ケーキのレシピは短い文で済む。だから、ゲノムがレシピ、つまり材料を何らかの方法である時間だけ「調理する」ひととおりの指示、だとすれば、この程度の数の遺伝子で十分になる。

ゲノムの塩基配列は、たんぱく質のアミノ酸配列を指定し、たんぱく質が発現する時期や状況を制御するが、たんぱく質をどこに配置するかまでは指定しないのだ。

◎ニューロンの接続

ヒトの神経系にはおよそ1,000億個のニューロン(神経細胞)がある。ニューロンの間にシナプスと呼ばれる接続があるが、それぞれのニューロンが平均5,000個のシナプスをもつとすれば、なんと500兆個ものシナプスが存在することになる。これらの接続の情報が文字通りゲノムに書き込まれているということは、とうていあり得ない。ニューロン間の詳細な接続の仕方は、ゲノムに書かれているわけではないのだ。
ヒトの中枢神経系では、最終的に必要な数よりもはるかに多くのニューロンが作られている。これらのニューロンは細長い軸索をランダムに伸ばす。軸索の先端がたまたま構造的に「適切な」領域に伸びると、シナプスができて神経回路を形成していくが、それが適切でない場合は細胞死が起る。ここで、「適切な」領域とは、ニューロンの軸索がそこに伸びると、そこで作り出される「生存因子」を受け取れるような領域のことである。「生存因子」を受け取り損なったニューロンは除去される。
一見無駄に思われるが、このように作っては壊すランダムな試行錯誤を通じて、安定した正常な発生が保証されている(マーク・カーシュナー、ジョン・ゲルハルト著『ダーウィンのジレンマを解く:新規性の進化発生理論』滋賀陽子訳、赤坂甲治監訳、みすず書房、2008年)。まさに今回の話の冒頭で引用したスウオール・ライトの言葉のように、特定の条件のもとで特定の構造を導くような適応的な細胞の適応的な挙動の型が遺伝するにすぎないのである。
似たようなことは、血管系の形成についても言える。ヒトの毛細血管の総延長は10万キロメートルにも達するという。このように血管が長く張り巡らされているおかげで、体内の細胞は常に毛細血管から細胞直径のほぼ2倍以内の距離にある。毛細血管だけでなく、静脈を両腕あるいは両足で比べると、互いに鏡像関係にはない。心臓の太い冠動脈でさえ、一卵性双生児間でも、血縁関係のない場合と同じくらい違っている。
血管の張り巡らされかたも細かくゲノムに書き込まれているわけではなく、ある程度までランダムな試行錯誤の産物なのだ。低酸素濃度では、血管内皮細胞増殖因子が分泌され、新たな血管形成が誘導され、高酸素濃度では毛細血管の成長が抑制される。
このようなことは、真核生物進化の最初の段階ですでに見られる。細菌では通常、食物を得るのに消化酵素を細胞周辺に分泌して消化された栄養を吸収するが、真核細胞は食作用によって、大きな食物粒子を細胞内に取り込むことができる。この能力は真核細胞内に張り巡らされた「細胞内骨格」という繊維状の構造によって可能になっている。
細胞内骨格は、細胞内での膜系の変形や、食作用や細胞分裂などの際に起こる細胞の変形を行う重要な働きを果たしている。細胞内骨格は一見無秩序な繊維の集合のように見えるが、これが細胞のかたちを作り出している。細胞内骨格は、ニューロンの伸長と同じように、試行錯誤しながら構成されるのである。ランダムな方向に繊維が絶えず生み出され、機能を損なわずに細胞のかたちを補強する繊維が選ばれて安定化される。

◎多くの特徴が同時に変わらないと
 進化できないというジレンマ

カンガルーは後足で飛び跳ねて移動する(図23-1)。これは乾燥した草原を少ないエネルギー消費で移動するのに適していると言われている。カンガルーの祖先は、リングテイルのように森林を4つ足で歩き回る動物だったと考えられる(図23-2)。

図23-1 オオカンガルーMacropus giganteus

図23-2 ハイイロリングテイルPseudocheirus peregrinus

それが乾燥化に伴って広がった草原に進出するようになり、現在のような移動様式をとるようになったのである。
その際、カンガルーの後足は長く大きくなり、逆に前足は小さくなった。リングテイルのような四足歩行の体型からカンガルーのような二足歩行の体型に変わるためには、さまざまな変化が同時に起ることが必要に思われる。後足の骨格が大きくなり、前足の骨格が小さくなるだけではなく、神経系、血管系、筋肉系なども同時にそれに応じて適切に変化しなければならないからである。たくさんの変化が同時に起きなければならないとすると、そのような進化は極めて難しいと考えられる。
同じようなことは、生物が新しい特徴を進化させる際には、いつも問題になる。生物のある形質はそれだけで成り立っているわけではなく、いつも別の形質と関連しあっているので、1つの形質だけが独立に進化することはないのである。
機械式時計の場合は、一つの歯車だけを大きくしたのではほかの部品とうまくかみ合わず働かない。全体をそれに合わせて変えなければならないので、すでにある時計の部品だけを変えて新しいデザインの時計を作ることはできない。
しかしながら生物の場合、このような困難はあらゆる形質がゲノムに書き込まれていると思い込んでいることから来ている。すべてが遺伝子によって決められているならば、それを変化させるためには、それぞれの遺伝子を同時に変化させなければならないが、実際には神経系の接続や血管系の形成は、先に述べたように形態の変化に合わせて変化できるように柔軟に作られているのである。
カンガルーの祖先では、最初に前足と後足の骨格のかたちを決める遺伝子が変化すれば、それに合わせた神経系、血管系、筋肉系などの変化の大部分は遺伝的な変化なしで実現できたものと思われる。逆に、周りの変化に合わせて変えていけるようなシステムがなかったら、進化は起り得なかったであろう。一見無駄にも見えるランダムな試行錯誤は、このようなシステムを支えるものである。

つづく


*もっと「進化」を詳しく知りたい人に最適の本
長谷川政美著『系統樹をさかのぼって見えてくる進化の歴史』 (ベレ出版)。 本書は当サイトで連載していた「僕たちの祖先をめぐる15億年の旅」を加筆修正および系統樹図を全て作り直して一冊にまとめたものです。カラー図版600点掲載。

扉絵:小田 隆
ブックデザイン:坂野 徹

*もっと「進化」を詳しく知りたい人に最適の本
長谷川政美著系統樹をさかのぼって見えてくる進化の歴史 (BERET SCIENCE) (ベレ出版)。 本書は当サイトで連載していた「僕たちの祖先をめぐる15億年の旅」を加筆修正および系統樹図を全て作り直して一冊にまとめたものです。カラー図版600点掲載。

扉絵:小田 隆
ブックデザイン:坂野 徹

【バックナンバー】
第1話 「自然の階段」から「生命の樹」へ
第2話 リンネの階層分類
第3話 キュヴィエの新しい分類
第4話 共通祖先からの進化
第5話 偶然性の重視
第6話 自然選択の現場 ーガラパゴスフィンチ
第7話 なぜ多様な種が進化したか?
第8話 分子系統学の登場
第9話 ペンギンはなぜ北極にいないか
第10話 ウォーレスのマレー諸島探検
第11話 ペンギンの分布
第12話 ホッキョクグマの分布
第13話 ウェゲナーの大陸移動説
第14話 大陸移動説の拒絶と受容
第15話 大陸分断による種分化と
幸運に恵まれた移住

第16話 海を越えた移住
第17話 古顎類の進化
第18話 南極大陸を中心とした走鳥類の進化
第19話 進化発生生物学エボデボの登場
第20話 繰り返し要素の個性化と多様な形態の進化
第21話 表現型の可塑性
第22話 ジャンクDNA