1950 年代、フィンランドの生物学者ビョルン クルテンは、研究していた馬の化石に異常があることに気付きました。わずか数世代しか離れていない種の骨の形状を比較すると、多くの小さいながらも重要な変化を検出できました。しかし、何百万年も離れた馬の種は、形態の違いがはるかに少ない.次の半世紀にわたるその後の研究では、同様の効果が発見されました.生物学者がより短い時間スケールで追跡した場合、生物はより速く進化するように見えました.
その後、2000 年代半ばに、シドニー大学の進化生物学者であるサイモン ホーは、分析していたゲノムで同様の現象に遭遇しました。わずか数千年で鳥類や霊長類に DNA 変異がどれだけの速さで蓄積されるかを計算したところ、ホー氏はゲノムが小さな変異でぎっしり詰まっていることを発見しました。これは、活発に時を刻む進化時計を示していました。しかし、ズームアウトして何百万年も離れた DNA 配列を比較すると、非常に異なることがわかりました。進化の時計は、クロールまで遅くなりました。
彼の結果に困惑した Ho は、何が起こっているのかを解明しようと取り組み始めました。彼はクルテンの 1959 年の研究に出くわし、クルテンが見た物理的変化率の違いが遺伝子配列にも現れていることに気付きました。
進化生物学者としての彼の本能は、彼が短期的に見ていた突然変異率が正しいものであると彼に告げました。ゲノムはほんの数カ所で変化し、それぞれの変化は白い壁にペンキが飛び散ったのと同じくらい明白でした。
しかし、壁にペンキの飛沫がさらに現れると、元の色の一部が新しいレイヤーの下に徐々に隠れていきます。同様に、進化と自然選択は、短いタイムスケールで現れる最初の突然変異を上書きします。何百万年もの間、DNA の A は T になる可能性がありますが、その間にしばらくの間 C または G になる可能性があります。 Ho は、この突然変異の飽和が、彼が時間依存率現象と呼んでいるものの主な原因であると考えています.
「株式市場のように考えてください」と彼は言いました。 Standard &Poor の 500 インデックスの 1 時間ごとまたは 1 日ごとの変動を見てください。ただし、ズームアウトすると、毎日のシフトが平均化し始めるため、市場はより安定しているように見えます。同様に、自然淘汰の力は、時間の経過とともに、有利性が低く有害な突然変異を排除します。
ホーのゲノムにおける時間依存の速度現象の発見は、生物学者に大きな影響を与えました。つまり、彼らが人生の物語を読む際にブックマークとして使用した日付の多くは、数十億年前の真核生物と原核生物の最初の分裂から 2014 年のエボラウイルスの再出現まで、間違っている可能性があることを意味していました。 「この作品が出たとき、みんな『ああ。ああ、親愛なる」とキャンベラのオーストラリア国立大学の進化生物学者であるロブ・ランフィアは言いました.
時間依存の速度現象は、最初は十分に評価されていませんでした。一つには、生物学者が頭を抱え込むのに時間が必要なほど大きくて重要な概念です。しかし、さらに大きな障害があります。この概念は、ほとんど使用できませんでした。生物学者は、進化の歴史の中で物事がいつ起こったのかについての推定値をどの程度変更する必要があるかを正確に定量化することはできませんでした.時間の経過に伴う進化速度の変化を計算する具体的な方法がなければ、科学者は日付を比較できませんでした。
最近、オックスフォード大学の古ウイルス学者、Aris Katzourakis は、時間依存の速度現象を取り上げ、それをウイルスの進化に適用しました。そうすることで、彼は特定のクラスのレトロウイルスの起源を約 5 億年前に遡るだけでなく、最初の動物が海から大地に移動するずっと前に、時間依存の速度現象を説明し、生物学者に進化イベントのより正確な日付を提供します。
他の科学者たちはこの見通しに興奮しています。メルボルン大学の計算進化生物学者であるセバスチャン・デュシェンは、「これはアインシュタインの相対性理論に似ていますが、ウイルスに関するものです」と述べています。時間依存速度現象は、生物の進化の速度は、観察者がそれを見ている時間枠に依存すると言います。そして、相対性理論と同様に、研究者は現在、どれだけ計算できるようになりました.
ウイルスの化石狩り
Katzourakis は、HIV やその他のいわゆる「レトロウイルス」の起源を特定することにキャリアを費やしてきました。これらは、単一の RNA ストリングから作られています。
HIV の突然変異率を調べたところ、これまでに研究された中で最も急速に進化しているウイルスの 1 つであることがわかりました。 DNA のような二本鎖分子には、複製中に発生したエラーを修正できる分子プルーフリーダーがありますが、HIV やその他の一本鎖 RNA ウイルスにはありません。スペルミスに加えてスペルミスが発生します。
このため、ウイルス学者は、このようなウイルスの最近の歴史のみを直接研究できます。古いサンプルは変異飽和状態に達しており、科学者がそれらすべてを説明できないほど多くのスペルミスが蓄積されています。レトロウイルスの歴史を数千年または数百万年さかのぼると、突然変異率を測定する別の方法が必要になります.
Katzourakis は別のテクニックに目を向けました。彼は、宿主の DNA 内のウイルスの化石に似たものを探しました。レトロウイルスは、宿主の細胞に遺伝物質のコピーを挿入することがよくあります。ほとんどの場合、情報はホストと共に消滅します。しかし、まれに、レトロウイルスが進化上の大当たりを迎え、精子や卵細胞のゲノムに侵入することがあります。ウイルスは宿主の DNA にしっかりと組み込まれ、世代を超えて受け継がれます。
Katzourakis は、これらのウイルス遺物を使用して、レトロウイルスの古代起源を研究しました。しかし、そうすると、彼は大きな驚きを覚えました。これらのレトロウイルスの長期にわたる進化の速度は劇的に遅くなったようで、人間やその他の複雑な生命体 (校正機構を持っているため、はるかに遅いペースで変化するはずの生物) の速度とほぼ一致しています。
ウイルスが科学者が考えていたよりもはるかにゆっくりと進化していた場合、ウイルスが予想よりもはるかに古いことを意味する可能性があります.結局、ゆっくりと進化するウイルスは、急速に進化するウイルスと同じだけ変化するのにより多くの時間を必要とします。
そこで彼は、レトロウイルスの起源の正確な日付を見つけようと試みました。これを行うために、彼は、サルからウシまですべてに感染する、いわゆる泡状ウイルスと呼ばれる最も古いレトロウイルスのグループに目を向けました。この乱交により、Katzourakis は自分の進化時計を調整して、泡状のウイルスがいつ出現したかを正確に判断することができました。 2 つの種が泡状ウイルス配列を共有している場合、ウイルスは 2 つの種が分岐する前に共通の祖先に感染したに違いありません。
「それは、シーケンス自体とは無関係に、進化の深い歴史における出来事の日付を特定する方法を私たちに与えてくれます」と Katzourakis は言いました。
世界中の研究所の研究者は、泡状ウイルスの起源の日付を 1 億年前に徐々に戻しました。しかしカツォーラキス氏は、ウイルスが爬虫類、両生類、さらには魚類にまで 1 億年以上前に感染していたという手がかりを見つけました。しかし、レトロウイルスが受け入れられている1億年よりも古いことを決定的に示すためには、カツォーラキスはウイルス自体の年代を特定する必要があります。
彼は、時間依存のレート現象に関するホーの論文に飛び込み、それをウイルスに適用する方法を理解したいと考えていました。彼はまた、研究者が観察している時間スケールを入力して、生物の進化速度に関する詳細を取得できるようにする一般的なモデルを作成したいと考えていました。
Katzourakis 氏と彼の学生である Pakorn Aiewsakun 氏は、4 つの異なる方法を試して、時間スケールに基づいて進化速度がどれだけ速く変化するように見えるかを定量化しました。彼らは、べき法則の速度減衰モデルが彼らのデータに最もよく適合することを発見し、時間スケールが増加するにつれて進化速度が指数関数的に減少することを示しました。その後の 396 種類のウイルスの研究では、ほぼすべてのゲノム タイプと複製戦略で進化速度が同じ速度で低下することが明らかになりました。時間依存の速度現象を説明できない既存の進化時計は、古代のウイルスを実際よりもはるかに若いものとして不正確に年代測定しています.
その後、Katzourakis と Aiewsakun は、新たに開発された数学的枠組みを使用して、泡状ウイルスの出現を再計算しました。新たに開発されたモデルを使用して、科学者たちは 1 月に発表された論文で、泡状のウイルスが 4 億 6000 万から 5 億 5000 万年前に出現したことを示しました。 Virus Evolution に掲載された、アリゾナ大学のウイルス学者 Michael Worobey による独立した研究 ほぼ同時に、これらのウイルスが予想よりも早く発生したことも示唆しています。これらの研究は、既知のウイルス群の最古の日付を確立しましたが、他のウイルス群はさらに古い可能性があると Katzourakis は考えています。
この発見は、最古のウイルスでトロフィーを獲得することをはるかに超えた意味を持っています。泡状ウイルスの起源が同じ日付に収束したことは、時間依存の速度現象が、統計や研究者が種の年代測定に使用した方法の単なる遺物ではないという証拠を提供します。 Katzourakis のモデルは、研究者が時間依存のレート現象の影響を定量化するツールも提供します。これは、この現象を促進する要因を理解するための鍵となるでしょう。
より広く言えば、Katzourakis と Ho による研究は、着実に時を刻む進化の時計という考えに異議を唱えています。 「これは、分子進化に対する私たちの考え方を変えます」とデュシェンヌは言いました。 「これは、普遍的な進化速度がないことを示しています。同じ生物でも、時間の経過とともに変化する割合があります。」
これはまた、科学者が実際に起こったのはどれくらい前かを過小評価している可能性が高いため、科学者が遠い過去の進化の出来事の日付を修正する必要があるかもしれないことを意味している.彼は、自然淘汰と突然変異飽和による突然変異の刈り込みが時間依存率現象の唯一の原因なのか、それとも他の要因が現象の出現方法と理由に関与しているのかを理解しようとしています.
「それは私たちのツールの限界ですか、それとも見落としているものがありますか?このプロセスを理解できれば、進化に関するいくつかの大きな洞察が得られるでしょう」とカツォラキスは言いました。
