チャールズ・ダーウィンは、進化論の基本的なアイデアを思いついたとき、まだ30歳ではありませんでした。しかし、彼が自分の主張を世界に向けて発表したのは、50 歳になってからのことでした。彼はこの 20 年間を費やして、自分の理論の証拠を入念にまとめ、思いつく限りのあらゆる懐疑的な反論への回答を考え出しました。そして、彼が何よりも予想していた反論は、彼が思い描いた漸進的な進化の過程では特定の複雑な構造を作り出すことができないというものでした.
人間の目を考えてみましょう。それは、網膜、水晶体、筋肉、ゼリーなどの多くの部分で構成されており、それらすべてが相互作用して視覚が発生する必要があります。たとえば、網膜を切り離すなど、一部に損傷を与えると、失明する可能性があります。実際、目は、パーツが互いに機能するのに適切なサイズと形状である場合にのみ機能します.ダーウィンが正しければ、複眼は単純な前駆体から進化したことになります。 種の起源について ダーウィンは、この考えは「率直に告白しますが、可能な限り非常にばかげているように思えます」と書いています。
それでも、ダーウィンは複雑さの進化への道筋を見ることができました。各世代で、個人の特性はさまざまでした。いくつかのバリエーションは、生存率を高め、より多くの子孫を持つことを可能にしました。何世代にもわたって、それらの有利なバリエーションはより一般的になり、一言で言えば「選択」されるでしょう。新しいバリエーションが出現して広まるにつれて、それらは徐々に解剖学をいじくり回し、複雑な構造を生み出す可能性があります.
ダーウィンは、人間の目は、今日の扁形動物などの動物が成長するような、単純な光を捉える組織のパッチから進化した可能性があると主張しました.自然選択により、パッチは光の方向を検出できるカップに変わった可能性があります。次に、いくつかの追加機能がカップと連携して視力をさらに改善し、生物をその環境によりよく適応させ、この中間的な目の前駆体が将来の世代に受け継がれる.そして、段階的な自然淘汰は、この変換をますます複雑にする可能性があります。これは、それぞれの中間形態が以前のものよりも有利になるためです.
複雑さの起源に関するダーウィンの思索は、現代の生物学に支持されています。今日、生物学者は目やその他の臓器を分子レベルで詳細に調べることができ、非常に複雑なタンパク質が結合して、ポータル、ベルトコンベア、モーターに非常によく似た構造を形成していることを発見しています。このようなタンパク質の複雑なシステムは、途中で中間体を優先する自然選択により、より単純なシステムから進化する可能性があります.
しかし最近、一部の科学者や哲学者は、複雑さは別のルートで発生する可能性があると示唆しています。人生には、時間の経過とともに複雑になる傾向が組み込まれていると主張する人もいます。他の人は、ランダムな突然変異が発生すると、それを助ける自然淘汰がなくても、複雑さが副作用として現れると主張しています.複雑さは、リチャード・ドーキンスが「盲目の時計職人」と呼んだ有名なプロセスである、自然淘汰による何百万年にもわたる微調整の純粋な結果ではないと彼らは言います。ある程度、それはただ起こるだけです。
さまざまな部分の合計
生物学者や哲学者は何十年にもわたって複雑さの進化について熟考してきましたが、デューク大学の古生物学者であるダニエル W. マクシェイによれば、あいまいな定義に悩まされてきました。 「数字の付け方を知らないだけではありません。彼らはその言葉が何を意味するのかを知りません」と McShea は言います。
McShea は、同じく Duke の Robert N. Brandon と密接に協力しながら、この問題について何年も考えてきました。 McShea と Brandon は、生物を構成する膨大な数のパーツだけでなく、パーツの種類にも注目することを提案しています。私たちの体は10兆個の細胞からできています。それらがすべて1つのタイプである場合、私たちは特徴のない原形質の山になります.代わりに、筋肉細胞、赤血球、皮膚細胞などがあります。 1 つの臓器でさえ、さまざまな種類の細胞を持つことができます。たとえば、網膜には約 60 種類のニューロンがあり、それぞれに異なる役割があります。この尺度で言えば、私たち人間は、おそらく 6 種類の細胞しか持たない海綿などの動物よりも複雑であると言えます。
この定義の利点の 1 つは、さまざまな方法で複雑さを測定できることです。私たちの骨格にはさまざまな種類の骨があり、たとえばそれぞれ独特の形をしています。背骨でさえ、頭を支える首の椎骨から胸郭を支える椎骨まで、さまざまな種類のパーツで構成されています。
2010 年の著書 Biology's First Law で 、 McShea と Brandon は、このように定義された複雑さがどのように発生するかについて概説しました。彼らは、多かれ少なかれ同じように始まる一連の部品は、時間の経過とともに差別化されるべきであると主張しました.生物が繁殖するときはいつでも、1 つまたは複数の遺伝子が変異する可能性があります。そして時々、これらの突然変異はより多くの種類のパーツを生み出します.有機体がより多くの部分を持つようになると、それらの単位は異なるものになる機会があります。遺伝子が誤ってコピーされた後、複製はオリジナルが共有していない突然変異を拾う可能性があります.したがって、McShea と Brandon によると、一連の同一の部品から始めると、それらは互いにますます異なるものになる傾向があります。言い換えれば、生物の複雑さが増します。
複雑さが生じると、生物がよりよく生き残るか、より多くの子孫を残すのに役立つ可能性があります.もしそうなら、それは自然淘汰によって支持され、人口全体に広がるでしょう.たとえば、哺乳類は、鼻の神経終末にある受容体に匂い分子を結合させることで匂いを嗅ぎます。これらの受容体遺伝子は、何百万年にもわたって繰り返し複製されてきました。新しいコピーは変異し、哺乳類はより広い範囲の香りを嗅ぐことができます.マウスやイヌなど、鼻に大きく依存している動物は、これらの受容体遺伝子を 1,000 以上持っています。一方、複雑さは負担になる可能性があります。たとえば、突然変異によって首の椎骨の形状が変化し、頭が回らなくなります。自然選択は、これらの突然変異が集団全体に広がるのを防ぎます。つまり、これらの形質を持って生まれた生物は、繁殖する前に死ぬ傾向があり、そのため、有害な形質が循環から排除されます.このような場合、自然淘汰は複雑さに対して機能します。
標準的な進化論とは異なり、McShea と Brandon は、自然淘汰がなくても複雑さが増していると考えています。この声明は、生物学の基本的な法則であり、おそらくその唯一の法則であると彼らは主張しています。彼らはそれをゼロフォース進化法則と呼んでいます.
ミバエ試験
最近、McShea と Duke の大学院生である Leonore Fleming は、力ゼロの進化法則をテストしました。被験者はショウジョウバエでした ハエ。 1 世紀以上にわたり、科学者は実験に使用するハエの群れを飼育してきました。ハエは実験室で、一定の餌と安定した温暖な気候のもとで、甘やかされた生活を送ってきました。一方、彼らの野生の親戚は、飢餓、捕食者、寒さと暑さと戦わなければなりません.野生のハエの間では自然淘汰が強く、ハエが多くの課題に対処できなくなる突然変異を排除します。対照的に、研究所の保護された環境では、自然淘汰は弱い.
ゼロ フォースの進化法則は明確な予測を立てています。つまり、過去 1 世紀にわたって、実験用のハエは不利な突然変異の排除の影響を受けにくくなり、野生のハエよりも複雑になったはずです。
Fleming と McShea は、916 の実験系統のハエに関する科学文献を調査しました。彼らは、各母集団の複雑さについてさまざまな測定を行いました。ジャーナル Evolution &Development 彼らは最近、実験用のハエが実際に野生のハエよりも複雑であると報告しました.
一部の生物学者はゼロフォース進化法則を支持していますが、スミソニアン国立自然史博物館の主要な古生物学者であるダグラス・アーウィンは、それにはいくつかの重大な欠陥があると考えています。 「その基本的な仮定の 1 つが失敗しています」と彼は主張します。法律によれば、選択がないと複雑さが増す可能性があります。しかしそれは、有機体が選択の影響を超えて実際に存在できる場合にのみ当てはまります。現実の世界では、彼らが最も愛情深い科学者に甘やかされているときでさえ、選択は依然として力を発揮するとErwinは主張する.ハエのような動物が適切に発達するためには、何百もの遺伝子が精巧な振り付けで相互作用し、1 つの細胞を多くの細胞に変えたり、さまざまな器官を生じさせたりする必要があります。突然変異はその振り付けを混乱させ、ハエが生存可能な成虫になるのを妨げる可能性があります.
生物は、外部選択がなくても、つまり進化競争で誰が勝ち負けを決める環境がなくても存在できますが、生物の内部で行われる内部選択の影響を受けます。アーウィンによれば、McShea と Fleming は、彼らの新しい研究で、ゼロフォース進化法則の証拠を提供していません。研究者は、科学者によって世話されていたにもかかわらず、成熟する前に発達障害で死亡した突然変異体を調べませんでした.
いくつかの昆虫は不規則な足を持っていました。他のものは、翼に複雑な色のパターンを獲得しました。彼らの触角の部分はさまざまな形をしていました。自然淘汰から解放されたハエは、複雑さを楽しんできました。
アーウィンと他の批評家が提起したもう 1 つの反論は、McShea と Brandon のバージョンの複雑さは、ほとんどの人が用語を定義する方法と一致しないということです。結局のところ、目はさまざまな部分で構成されているだけではありません。それらの部分も一緒にタスクを実行し、それぞれが特定の仕事をしています。しかし、McShea と Brandon は、彼らが調査している種類の複雑さは、他の種類の複雑さにつながる可能性があると主張しています。 「このショウジョウバエに見られるような複雑さ 個体群は、生存を助けるために機能する複雑な構造を構築するために、選択が手に入れることができる本当に興味深いものの基盤です、と McShea は言います。
分子の複雑さ
古生物学者として、McShea は化石に見られるような複雑さについて考えることに慣れています。しかし、近年、多くの分子生物学者が、複雑性がどのように発生するかについて、彼と同じように独自に考え始めています.
1990 年代に、カナダの生物学者のグループが、突然変異が生物にまったく影響を与えないことが多いという事実について熟考し始めました。これらの変異は、進化生物学の専門用語では中立です。ハリファックスのダルハウジー大学のマイケル・グレイを含む科学者たちは、生物をその環境に適応させるのに役立つようにそれぞれが選択された一連の中間体を経ることなく、突然変異が複雑な構造を生じさせることができると提案した.彼らはこのプロセスを「建設的中立進化」と名付けました。
グレイは、建設的中立進化の説得力のある証拠を提供するいくつかの最近の研究に励まされてきました。この研究のリーダーの 1 人は、オレゴン大学の Joe Thornton です。彼と彼の同僚は、菌類の細胞で例と思われるものを発見しました。ポートベロー マッシュルームなどの菌類では、細胞は生き続けるために原子をある場所から別の場所に移動する必要があります。その方法の 1 つは、液胞 ATPase 複合体と呼ばれる分子ポンプを使用することです。回転するタンパク質のリングは、真菌の膜の片側から別の側に原子を往復させます。このリングは明らかに複雑な構造です。それは6つのタンパク質分子を含んでいます。分子のうちの 4 つは、Vma3 として知られるタンパク質で構成されています。 5 番目は Vma11 で、6 番目は Vma16 です。 3 種類のタンパク質はすべて、リングが回転するために不可欠です。
この複雑な構造がどのように進化したかを調べるために、ソーントンと彼の同僚は、タンパク質を動物などの他の生物の関連バージョンと比較しました。 (菌類と動物は、約 10 億年前に生きていた共通の祖先を共有しています。)
動物では、液胞の ATPase 複合体にも 6 つのタンパク質からなる回転リングがあります。しかし、これらの環は 1 つの重要な点で異なっています。環に 3 種類のタンパク質が含まれているのではなく、2 種類しかありません。各アニマル リングは、Vma3 の 5 つのコピーと Vma16 の 1 つのコピーで構成されます。 Vma11 はありません。 McShea と Brandon の複雑さの定義によると、菌類は動物よりも複雑です。少なくとも、液胞 ATPase 複合体に関してはそうです。
科学者たちは、リングタンパク質をコードする遺伝子を詳しく調べました。菌類に特有の環状タンパク質である Vma11 は、動物と菌類の両方で Vma3 の近縁種であることが判明しました。したがって、Vma3 と Vma11 の遺伝子は共通の祖先を共有する必要があります。ソーントンと彼の同僚は、真菌の進化の初期に、リングタンパク質の祖先遺伝子が偶然に複製されたと結論付けました。その後、これら 2 つのコピーが Vma3 と Vma11 に進化しました。
Vma3 と Vma11 の遺伝子の違いを比較することで、Thornton と彼の同僚は、両者が進化した先祖の遺伝子を再構築しました。次に、その DNA 配列を使用して、対応するタンパク質を作成しました。実際には、8 億年前のタンパク質を復活させました。科学者たちは、このタンパク質を Anc.3-11 (anc の略) と名付けました。 Vma3のエスタ と Vma11 .彼らは、タンパク質リングがこの先祖のタンパク質でどのように機能するのか疑問に思いました.それを調べるために、彼らは Anc.3-11 の遺伝子を酵母の DNA に挿入しました。また、その子孫遺伝子である Vma3 と Vma11 もシャットダウンしました。通常、Vma3 および Vma11 タンパク質の遺伝子をシャットダウンすると、酵母がリングを作ることができなくなるため、致命的となります。しかし、ソーントンと彼の同僚は、酵母が代わりに Anc.3-11 で生き残ることができることを発見しました。 Anc.3-11 と Vma16 を組み合わせて、完全に機能するリングを作成しました。
このような実験により、科学者は真菌の輪がどのように複雑になったかについて仮説を立てることができました。菌類は、私たちのような動物に見られるものと同じ、たった 2 つのタンパク質から作られたリングから始まりました。タンパク質は用途が広く、自分自身またはパートナーに結合し、右側または左側のタンパク質に結合することができました.その後、Anc.3-11 の遺伝子は Vma3 と Vma11 に複製されました。これらの新しいタンパク質は、古いタンパク質が行っていたことを続けました。つまり、ポンプ用のリングに組み立てられました。しかし、菌類は何百万世代にもわたって変異し始めました。それらの突然変異のいくつかは、その多様性の一部を奪いました.たとえば、Vma11 は時計回りの側で Vma3 に結合する能力を失いました。 Vma3 は、時計回りの側で Vma16 に結合する能力を失いました。これらの変異は酵母を死滅させませんでした。なぜなら、タンパク質はまだ結合して環を形成していたからです。言い換えれば、それらは中立的な突然変異でした。しかし、3 つのタンパク質すべてが存在し、それらが 1 つのパターンで配置されている場合にのみリングが正常に形成されるため、リングはより複雑にする必要がありました。
ソーントンと彼の同僚は、ゼロフォース進化法則によって予測された種類の進化エピソードを正確に明らかにしました。時間の経過とともに、生命はより多くのパーツ、つまりより多くのリングタンパク質を生成しました.そして、それらの余分な部分が互いに分岐し始めました。菌類は、祖先よりも複雑な構造になりました。しかし、それはダーウィンが想像したようには起こりませんでした.自然淘汰は一連の中間形態を支持しました.代わりに、菌類の環は退化して複雑になりました.
間違いを修正する
グレイは、多くの種が遺伝子を編集する方法において、建設的中立進化の別の例を発見しました。細胞が特定のタンパク質を作る必要がある場合、細胞はその遺伝子の DNA を DNA の一本鎖対応物である RNA に転写し、特殊な酵素を使用して特定の RNA ビルディング ブロック (ヌクレオチドと呼ばれる) を他のものに置き換えます。 RNA 編集は、私たちを含む多くの種にとって不可欠です。編集されていない RNA 分子は、機能しないタンパク質を生成します。しかし、それについて明らかに奇妙なこともあります。元の配列が正しいだけの遺伝子を手に入れて、RNA 編集を不要にしないのはなぜですか?
グレイが提案する RNA 編集の進化のシナリオは、次のようなものです。酵素が突然変異して、RNA にラッチし、特定のヌクレオチドを変更できるようになります。この酵素は、細胞に害を与えることも、助けることもありません。少なくとも最初はそうではありません。害はなく、持続します。その後、遺伝子に有害な突然変異が発生します。幸いなことに、細胞はすでに RNA 結合酵素を持っており、RNA を編集することでこの変異を補うことができます。それは細胞を突然変異の害から守り、突然変異が次世代に受け継がれ、集団全体に広がることを可能にします.この RNA 編集酵素の進化とそれが修正した突然変異は、自然淘汰によって引き起こされたものではないとグレイは主張する。代わりに、この余分な複雑さのレイヤーは、「中立的に」独自に進化しました。その後、いったん広まると、それを取り除く方法はありませんでした.
アムステルダム大学の生化学者である David Speijer は、特にすべての複雑性は適応的でなければならないという考えに異議を唱えることによって、Gray と彼の同僚が生物学に建設的中立進化のアイデアを提供したと考えています。しかし、Speijer 氏は、場合によっては自分たちの主張を押し付けすぎているのではないかと心配しています。一方では、菌類ポンプは建設的な中立進化の好例であると彼は考えています。 「正気であれば、誰もがそれに完全に同意するでしょう」と彼は言います。 RNA編集などの他のケースでは、科学者は彼の見解では、たとえ複雑さが役に立たないように見えても、自然選択が働いていた可能性を却下すべきではありません.
グレイ、マクシェイ、ブランドンは、羽を作る生化学から木の葉の内部の光合成工場に至るまで、私たちを取り巻く複雑さの高まりにおいて自然淘汰が重要な役割を果たしていることを認めています.それでも彼らは、彼らの研究が他の生物学者に自然淘汰を超えて考えさせ、ランダムな突然変異がそれ自体で複雑さの進化を促進できる可能性を理解するように仕向けることを望んでいます. 「その一環として適応を否定することはまったくありません」とグレイは言います。 「それですべてが説明できるとは思いません。」
