メスの働きバチが繁殖できないのはなぜですか?

メスの働きバチは、子供よりも姉妹とより多くの DNA を共有しているため、生殖能力を失いました。

1831 年、チャールズ ダーウィンはHMS ビーグル号でガラパゴス諸島への伝説的な旅を始めました。 失敗した医者としての退屈な生活から逃れるために。その旅で、彼は人類史上最も重要な知的ひらめきの 1 つを経験しました。彼は自然淘汰の理論を概念化し始めました。 .別の男性、アルフレッド・ラッセル・ウォレスは、アマゾンの熱帯雨林でエキゾチックな鳥の種を集めているときに、同様のひらめきに出くわしました.この 2 人は、今日私たちが知っている進化と自然淘汰の最初の基礎を築きました。

ただし、このほぼ完璧な物語には、1 つの小さな問題がありました。ダーウィンは、ミツバチなどの一部の動物で、1 匹のメスしか繁殖できず、他のメスはすべて不妊である理由を理解できませんでした。ダーウィンは生前にこの問題を解決できませんでした。実際、満足のいく答えにたどり着くまでには、さらに何年もかかり、多くの勇敢な試みが必要でした.

メスの働きバチは繁殖できません。彼らの任務は、若者を育て、花粉を見つけ、巣箱を維持することです。 (写真提供:Diyana Dimitrova/Shutterstock)

生殖適応度と交尾

自然界では、生殖はすべて重要です。生物は、自分のゲノムを可能な限り次世代に引き継ぐことが最終的な目標であるため、異性を口説くためだけに戦争を繰り広げます。これを達成するために、動物は自分の DNA が優れており、永続させる必要があることを証明しようとしています。

ダーウィン フィットネス

植物や (ほとんどの) 動物には顕微鏡や DNA シーケンシングを実行する贅沢がないため、他の観察可能な戦略が採用されてきました。派手な色、精巧なダンス、大きな筋肉、香水、耳をつんざくような轟音があります。これはすべて、できるだけ多くの遺伝子を次の世代に広めるという大きな追求の中で行われます。これを進化生物学者はダーウィンの適応度と呼んでいます 、相対的適応度または生殖適応度 (これらの用語はしばしば同じ意味で使用されます)。

相対適合度は、遺伝特性が再現される相対確率として正式に定義されます。簡単に言えば、特定の特性が受け継がれる可能性です。遺伝的に言えば、遺伝子の対立遺伝子が将来の世代で発現する確率です。最も基本的なレベルでは、自然淘汰は遺伝子が生き残り繁栄するためのプロセスと考えることができます。

包括的なフィットネス理論

あなたの遺伝子を集団に最大限に分散させるには、2 つの方法のいずれかで行うことができます。個別に、多くの子孫を持つか、利他的に、あなたの DNA の一部を共有する家族が多くの子孫を持つ可能性を高めることです。つまり、自分のフィットネスを高めるか、親族のフィットネスを高めることができます。これは包括的なフィットネス理論と呼ばれます。

これをさらに説明するために、J.B.S. のアナロジーを使用します。有名な遺伝学者であり生化学者であるホールデン。話によると、Haldane はある考えに打たれたとき、バーで大学院生と一緒に座っていました。 Haldane はいくつかの簡単な計算を行い、川で溺れている兄弟が 1 人か 2 人しかいない場合はわざわざ助けませんが、2 人以上が溺れている場合は、自分の命を危険にさらして彼らを救出すると述べました。この話は真実かもしれないし、そうでないかもしれず、物語にはさまざまなバージョンが存在しますが、重要な概念を示しています.

DNA の 100% (1.0) を自分自身と共有しています。あなたが繁殖すると、それぞれの子孫はそのDNAの50% (0.5) を受け取ります。子孫が多いほど、遺伝子プールに入る DNA の割合が高くなります。兄弟とは DNA の 50% (0.5) を共有し、甥や姪とは 25% (0.25) を共有します。したがって、1 人のきょうだいや 2 人の姪の世話をすることは、表向きは自分の子供の世話をすることと同じです!

したがって、兄弟姉妹 1 人 (0.5×1=0.5) または甥/姪 3 人 (0.25×3=0.75) を救うことは 1.0 未満であるため、自分の命を犠牲にして彼らを救うと、ゲノムの一部を失うことになります。ただし、3 人の兄弟が溺死している場合は、あなたの DNA を子孫に伝える可能性が高くなるので (0.5×3=1.50)、彼らを救う価値があります。同様の計算は、5 人の姪/甥についても同じ結論に達します (先に進んで、自分で計算してください)。

Haldane のアナロジーの表による表現

Haldane は、現在は廃刊になった雑誌 Penguin New Biology に掲載された記事の中で、この趣旨のことを述べています。 1953年。

これは、社会性昆虫の特異な生殖を取り巻く謎の一部を明らかにしたものの、働きバチのメスが不妊である理由について、完全かつ完全に満足のいく科学的答えを提供するものではありませんでした。少なくとも、W.D. ハミルトンが登場するまでは明らかにされませんでした.

W.D. ハミルトンは、進化生物学において最も重要な進歩の 1 つを成し遂げた英国の進化生物学者および遺伝学者でした。 1964 年、ハミルトンは「社会的行動の遺伝的進化」というタイトルの、冗長で比較的数学的な論文 (少なくとも当時の進化生物学では) を発表しました。この論文は雄弁ではありませんが、ダーウィンの難問を数学的にもエレガントにも解決しました。

解決策:ハミルトンの法則

ハミルトンの法則。

上の図は、ハミルトンの法則と数式を単純化した形で示しています。

ハミルトンの法則は、 b, の場合、特定の社会的行動が好まれることを示しています。 受信者への利益 (生殖適応度の観点から) が c より大きい 、ドナーが負担する費用（生殖適応度の観点から）。数学的には、これは rb と表現できます。> c, ここで r は、ドナーの遺伝子とレシピエントの遺伝子の間の統計的関係を測定する関連係数です。

社会性昆虫と不妊の働きバチについて、ハミルトンの法則からどのようなことがわかりますか?

ハミルトンの法則が働きバチの不稔性をどのように説明するかを説明する前に、ハチの繁殖とオスとメスの配偶子間の遺伝物質の分布を簡単に見ておかなければなりません.

ヒトでは、遺伝物質が単純に半分になり、女性からは 23 本の染色体、男性からは 23 本の染色体があります。ミツバチは一倍体であるため、これは当てはまりません つまり、女性は 2n 個の染色体を持っていますが、男性は n 個 (半分) の染色体しか持っていません。これにより、子孫が相互に、また親との関係が変化します。

ミツバチの半数体。

娘は r によってのみ母親と関係があります =½ ですが、男性は自分のゲノム全体を子孫に提供するため、娘は r によって父親と関連しています。 =1. したがって、兄弟間の関係は次のように表すことができます:r =1+1/2=3/4.

女性の労働者は r によってのみ子孫に関連付けられるため =½、女王バチの子孫を育て、女王バチの生殖能力を高めることの利益は、費用よりも大きい。女性労働者は、子孫よりも兄弟とより多くの DNA を共有しているため、実際には遺伝子プールで自分のゲノムを確立するのに役立っています。

ハミルトンの法則は進化生物学の複雑さに対して少し単純すぎるように見えますが、ニュアンスのいくつかはまだ議論中です。ハミルトンの法則がより複雑な状況や動物社会 (一倍体昆虫を除く) に適用されるという考えは複雑であり、社会進化の研究におけるその有用性については多くの議論が残っています.

さらに、科学者が不妊ミツバチ (およびその他の社会性昆虫) の進化の分子機構を調査するにつれて、パズルに欠けているピースがさらに多く存在する可能性があるという証拠が増えています。それでも、ハミルトンの法則の重要性は減少しません。ハミルトンの法則はその数学的基礎にあり、進化科学における将来の研究のフレームワークとしての役割を果たすことができます。