ハーバード大学の 4 階にある研究室で、Michael Desai は進化の過程を観察するために何百もの同一の世界を作成しました。彼の細心の注意を払って管理された環境のそれぞれには、パン酵母の別々の菌株が生息しています。 Desai のロボット アシスタントは 12 時間ごとに、それぞれの世界で最も成長の早い酵母を摘み取り、生き残るのに最も適した酵母を選択し、残りを廃棄します。その後、Desai は 500 世代にわたって進化する系統を監視します。他の科学者が前例のない規模であると言う彼の実験は、長い間生物学者を悩ませてきた問題への洞察を得ようとしています:もし私たちが世界を最初からやり直すことができれば、生命は同じように進化するでしょうか?
多くの生物学者は、種の進化の旅の初期の偶然の突然変異がその運命に大きな影響を与えることはないと主張しています。 「生命のテープを再生すると、最初の突然変異が 1 つ発生し、まったく異なる方向に進む可能性があります」と Desai 氏は述べ、1980 年代に生物学者 Stephen Jay Gould が最初に提唱したアイデアを言い換えました.
Desai の酵母細胞は、この信念に疑問を投げかけています。 6 月に Science に掲載された結果によると、Desai のすべての酵母品種は、各株がどのような正確な遺伝的経路をたどったかに関係なく、ほぼ同じ進化の終点 (特定の実験室条件下での増殖能力によって測定) に到達しました。あたかも 100 台のニューヨーク市のタクシーが太平洋へのレースで別々の高速道路を利用することに同意し、50 時間後にすべてがサンタモニカの桟橋に集結したかのようです.
この発見はまた、遺伝子レベルでの進化と生物全体のレベルでの進化との間の断絶を示唆しています。遺伝子変異はほとんどランダムに発生しますが、これらの目的のない変化の合計は、どういうわけか予測可能なパターンを作成します.多くの遺伝学研究が個々の遺伝子の突然変異の影響に焦点を当てているため、この区別は価値があることが証明される可能性があります.たとえば、研究者は、単一の突然変異がどのように影響するかをよく尋ねます 微生物の 毒素に対する耐性、または 人間の病気のリスク。しかし、Desai の調査結果が他の生物にも当てはまるとすれば、多数の個々の遺伝子変化が時間の経過とともにどのように協調して機能するかを調べることも同様に重要であることを示唆している可能性があります。
ミネソタ大学の生物学者 Michael Travisano は、「進化生物学では、個々の遺伝子について考えることと、進化が生物全体を変える可能性との間にある種の緊張関係があります。 「生物学は過去 30 年間、個々の遺伝子の重要性に焦点を当ててきましたが、この研究の重要なメッセージは、それが必ずしも重要ではないということです。」
Desai の実験の主な強みは、その前例のないサイズであり、この分野の他の人は「大胆」と表現しています。実験のデザインは、作成者のバックグラウンドに根ざしています。 Desai は物理学者として訓練を受け、4 年前に研究室を立ち上げたときから、生物学に統計的視点を適用しました。彼は、ロボットを使用して数百株の酵母を正確に操作する方法を考案し、定量的な方法で大規模な進化実験を実行できるようにしました。科学者たちは微生物の遺伝的進化を長い間研究してきましたが、最近まで、一度に調べることができたのは数株だけでした。対照的に、Desai のチームは、単一の親細胞から進化した 640 系統の酵母を分析した。このアプローチにより、チームは進化を統計的に分析することができました。
「これは物理学者の進化へのアプローチであり、あらゆるものを可能な限り単純な状態に落とし込むものです」と、ペンシルバニア大学の進化生物学者で、研究には関与していないが著者の 1 人と一緒に働いている Joshua Plotkin は述べた。 「どの程度の進化が偶然に起因するか、どの程度が開始点に起因するか、およびどの程度が測定ノイズに起因するかを分割できます。」
Desai 氏の計画は、酵母菌株が同じ条件下で増殖する様子を追跡し、最終的な適応度を比較することでした。これは、元の祖先菌株と比較してどれだけ速く増殖したかによって決定されました。チームは、特別に設計されたロボット アームを使用して、12 時間ごとに酵母のコロニーを新しい家に移しました。その期間に最も成長したコロニーが次のラウンドに進み、このプロセスが 500 世代にわたって繰り返されました。 Desai の研究室のポスドク研究者である Sergey Kryazhimskiy は、時々研究室で夜を過ごし、3 つの異なる時点で 640 株それぞれの適応度を分析しました。その後、研究者は系統間でどの程度の適応度が異なるかを比較し、系統の初期の能力が最終的な地位に影響を与えたかどうかを調べることができました。彼らはまた、104 株のゲノム配列を決定し、初期の突然変異が最終的なパフォーマンスを変化させたかどうかを調べました。
以前の研究では、進化の旅の初期の小さな変化が、後に大きな違いにつながる可能性があることが示されています。たとえば、大腸菌の長期的な進化研究では、微生物が新しい種類の食物を食べるように進化することがありますが、そのような実質的な変化は、特定の有効な突然変異が最初に発生した場合にのみ発生することがわかりました.これらの初期の突然変異は、それ自体に大きな影響を与えることはありませんが、後の突然変異に必要な土台を築きます。
しかし、そのような研究は規模が小さいため、これらのケースが例外なのか規則なのか、Desai には明確ではありませんでした。 「通常、進化の自然な過程で生じる進化の可能性に大きな違いがありますか、それともほとんどの場合、進化は予測可能ですか?」彼は言った。 「これに答えるには、大規模な実験が必要でした。」
以前の研究と同様に、Desai は、初期の突然変異が将来の進化に影響を与え、酵母がたどる経路を形成することを発見しました。しかし、デサイの実験では、その経路は最終目的地に影響を与えませんでした。 「この種の不測の事態により、実際にはフィットネスの進化が予測しやすくなりますが、低下することはありません」と Desai 氏は述べています。
Desai は、ジムへの 1 回の旅行が運動選手よりもカウチポテトに利益をもたらすのと同じように、ゆっくりと成長し始めた微生物は、門から飛び出したより健康な微生物よりも、有益な突然変異からより多くを得ることを発見しました. 「不運のために最初に遅れをとった場合、将来はうまくいく傾向があります」とデサイは言いました.彼はこの現象を収穫逓減の経済原理と比較します — ある時点を過ぎると、追加された各単位の努力はますます役に立たなくなります.
科学者たちは、酵母のすべての遺伝的経路が同じ終点に到達するように見える理由を知りません。これは、Desai やこの分野の他の人々が特に興味をそそられる問題です。酵母は多くの異なる遺伝子に突然変異を起こし、科学者はそれらの間に明らかな関連性を発見しなかったため、これらの遺伝子が細胞内でどのように相互作用するかは不明です.ニューハンプシャー大学の生物学者で、この研究には関与していない Vaughn Cooper 氏は、「おそらく、代謝には別の層があり、誰も把握していません」と述べています。
また、Desai の慎重に制御された結果が、より複雑な生物に適用できるのか、生物とその環境の両方が絶えず変化している混沌とした現実の世界に適用できるのかはまだ明らかではありません。 「現実の世界では、生物はさまざまなことに長けており、環境を分割しています」と Travisano 氏は言います。彼は、これらの生態学的ニッチ内の個体群は、特に適応が進むにつれて、収穫逓減の影響を受け続けると予測しています。しかし、それは未解決の問題のままである、と彼は言った.
それにもかかわらず、複雑な生物が急速に進化してより似たものになる可能性があるというヒントがあります。 5月に発表された研究では、遺伝的に異なるショウジョウバエのグループが新しい環境に適応する際に分析されました.異なる進化の軌跡をたどったにもかかわらず、グループはわずか 22 世代後に繁殖力や体の大きさなどの属性の類似性を発達させました。カリフォルニア大学リバーサイド校の生物学者であるデビッド・レズニックは、「多くの人は、1つの形質に対して1つの遺伝子、つまり問題を解決する決定論的な進化の方法を考えていると思います。 「これは真実ではないと言っています。さまざまな方法で環境により適したものに進化できます。」
