私たちは、男性と女性という 2 つの生物学的性別について考える傾向があります。しかし、卵子と精子が進化する前、つまり性細胞のサイズと形が分岐し始める前は、生物を性別で分類することはできませんでした。同じことが、今日の多くの菌類、藻類、原生動物にも当てはまります。性別の代わりに、これらの種には交配型があり、性細胞は分子レベルでは異なりますが、解剖学的には異なりません。そして、これらの交配タイプは必ずしもペアになるとは限りません.
社会的アメーバ Dictyostelium discoideum を見てみましょう 、これには 3 つがあります。各タイプは、他の 2 つのメンバーと交配できます。 Coprinellus disseminatus 、白い帽子をかぶったキノコには143個あり、それぞれが142個の中からパートナーを見つけることができます.毛むくじゃらの扇形のキノコ Schizophyllum commune 23,000 を超える交配タイプを誇っています (ただし、そのより複雑な生殖戦略は、すべてのタイプが他のすべてのタイプと交配できるわけではないことを意味します)。
しかし、ほとんどの種にはまだ 2 つの交配タイプしかありません。バース大学のリサーチ フェローであるジョージ コンスタブルと、チューリッヒ大学の進化生物学者であるハンナ コッコは、その理由を知りたがっていました。先月 Nature Ecology &Evolution に掲載された論文で 、彼らは、突然変異率（新しいタイプを導入する）、人口サイズ、そしておそらく最も驚くべきことに、セックスの頻度という3つの基本的な生態学的要素に基づいて、種にいくつの交配タイプが出現するかを予測するモデルを開発しました。彼らの研究は、この種の生物の基本的な生物学に関する洞察を提供するだけでなく、男性と女性の性が最終的にどのように進化したかについての理解にも貢献する可能性があります.
多くの科学者は、個体群や種に害を及ぼす可能性のある近親交配などの行動に対する障壁として、生命の歴史の初期に交配タイプが進化したと考えています。有機体が互換性のない交配タイプ (それ自体の交配タイプを含む) と性交する場合、通常、結合は子孫を生み出しません。
その制限はさておき、理論は、種はできるだけ多くの交配タイプを持つことで利益を得るべきであることを示唆しています。 2つのタイプがあるため、個体の配偶者として適格なのは人口の半分だけです。 3 つになると、それは 3 分の 2 に増加します。突然変異が新しいタイプの出現につながる場合、集団内でそれ自体にまれな一致を見つけるという問題に行き詰まることはありません。代わりに、他のすべての動物と交配できるため、子孫をより迅速に生み出し、その数を増やすことができます.
「直感的に期待できるのは、何千もの交配タイプができるまで、これがますます多くの交配タイプで起こるはずだということです」と Constable は言いました。
今日まで、交配タイプの数がめったに急増しない理由についての仮説は、安定性の考慮に基づいています。 2 つのタイプだけを維持する方が良い方法かもしれません。これにより、よりシンプルで効率的なフェロモン シグナル伝達ネットワークが可能になり、オルガネラが親細胞から子孫細胞に受け継がれる際の選別システムが容易になります。しかし、これらの理論は多くの例外を説明していません.
その時、コンスタブルに何かが起こった。 「私たちは、これらの種が常にセックスをしていると仮定していたことに気付きました」と彼は言いました.この仮定は、個体群がどのように進化するかについての彼の予測に大きな違いをもたらしました。なぜなら、性交のない期間中、交配タイプは中立的な特性になるからです。偶然の出来事が、いくつかのタイプの優位性と他の多くのタイプの消失を決定します.
このモデルによると、生殖を性に比較的大きく依存している大規模な集団は、より多くの交配タイプを維持できますが、性別の少ない集団は維持できません。コンスタブルとコッコは、わずか2種類の交配タイプを説明するには、有性生殖がどれほどまれである必要があるのか 疑問に思いました.結局のところ、非常にまれで、数千世代に 1 回しかありません。
「最初はがっかりしました」とコンスタブルは言いました。 「それは本当に低かったようです。」しかし、彼とコッコが自然界の例に目を向けると、彼らのモデルの予測がうまくいくことがわかりました。ミュンヘン大学の進化生物学者 Bart Nieuwenhuis は次のように述べています。 2 つの交配タイプを持つアメーバ、菌類、およびその他の生物は、非常にまれに性交を行う傾向があり、ほとんどの場合、より速く、エネルギー消費の少ない無性生殖のプロセスを選択します。ストレスの多い環境条件により、遺伝子を混同し、新しい有益な形質を進化させる可能性を高めることが有利になる3,000世代まで.
一方、コンスタブル氏によると、数百または数千の交配タイプを持つ種は、「真菌界で最も性的真菌」の一部として知られています。彼のモデルはまた、いくつかの種が交配タイプを切り替えたり、自分のタイプのメンバーと繁殖したりする能力など、他の観察された性的パターンを説明しているようです.
シドニー大学の進化生物学者であるJussi Lehtonenは、「長年の謎を少し解き明かし、非常に単純な解決策を提案しています。それは、これらの生物の生物学に明確な方法で直接結びついています。
そうすることで、コッコによれば、ほんの一握りのモデル生物（マウス、ショウジョウバエ、大腸菌など）に基づいて、基礎生物学について私たちが理解していることも強調しました ）、自然界で発生する最も基本的な機能の真の多様性を捉えることができません. 「多様性を理解することに関して、研究者は少し近視眼的かもしれません。すべての生命が最もよく知られている規則に従うわけではありません」とコッコはメールに書いています。彼女は、自分の研究が、これらのあまり正統ではない他の種のさらなる実証研究を刺激することを望んでいます. (このような研究は、フェロモン シグナル伝達やオルガネラの継承などの種固有のメカニズムを追加することで、科学者が彼女のモデルを構築するのにも役立つ可能性があります。これらは物語の重要な部分であり続けています。)
これらの生物が従う一見難解なルールは、私たちがよく知っている特性を理解するのに役立つかもしれません.フランスのリール大学の生物学者であるシルヴァン・ビリヤードは、「オスとメスの性の進化の引き金として、2つの交配タイプの存在を見ることができます」と述べています。 Constable と Kokko のモデルは、それが起こるための土台を築くために必要な条件の感覚を提供する可能性があります。 Nieuwenhuis は、有性生殖率が低いときは 2 つの交配タイプが優勢であるため、交配相手を見つけるのが難しい状況が生じた可能性があると推測しました。これらの条件は、より簡単にパートナーに到達できる、特殊化された小さな配偶子を選択した可能性があります — 今日の性別への道が始まります.
Nieuwenhuis は、彼の研究室でこれのいくつかを確認しようとしています。彼は、分裂酵母で、既存の 2 つのタイプと再生産できる第 3 の交配タイプを作成することに取り組んでいます。 「しかし、それは非常にトリッキーです」と彼は言い、今のところ成功していません.
コンスタブルはまた、この研究はより直接的な応用が可能であると考えています。作物に感染する病原性菌類では、1 つの交配タイプが特に破壊的であることが多く、そのタイプを決定する遺伝子は、たとえば、抗真菌剤に対する病原性耐性に関連している可能性があります。これらの特性が共存する理由を理解することは、枯病の制御または予防に役立つ可能性があります。
Constable と Kokko の発見は、ジュネーブ大学のポスドク研究員である Zena Hadjivasiliou は次のように述べています。しかし、最高の作品は、こうしたタイプのインスピレーションから生まれることもあります。」
この記事は ScientificAmerican.com に転載されたものです。
