英国の形態学者セント・ジョージ・ジャクソン・ミヴァートが 1865 年に最初の進化ツリーの 1 つを発表したとき、彼にはほとんど話が進まなかった。彼は、動物の脊柱の詳細な分析を使用して、さまざまな霊長類の種の繊細な分岐マップであるツリーを作成しました。しかし、動物の手足を比較することによって生成された 2 つ目のツリーは、霊長類間の異なる関係を予測し、今日まで続く進化生物学の課題を浮き彫りにしました。
それから 150 年近く経った今、科学者たちは膨大な量のデータを持っており、これを使っていわゆる系統樹、つまりミバートの構造の現代版を構築しています。 DNA 配列決定技術とバイオインフォマティクスの進歩により、彼らは何百もの遺伝子の配列、時には全ゲノムを、多くの異なる種間で比較し、かつてないほど詳細な生命の木を作成することができます。
しかし、豊富なデータは、進化系統樹の一部を取り巻く対立の一部を解決するのに役立ちましたが、新たな課題も提示しています。生命の木の現在のバージョンは、出版された本というよりも論争の的になっている wiki ページに似ており、特定の枝が頻繁に議論の対象となっています。実際、脊柱と四肢が霊長類の進化の対照的な地図を作成したように、科学者たちは現在、同じ生物の異なる遺伝子が異なる物語を語ることができることを知っています.
酵母に部分的に焦点を当てた新しい研究によると、個々の遺伝子からの相反する全体像は、科学者が考えていたよりも広い範囲に広がっています。 「彼らは、1,070 の遺伝子のすべてが多少競合していると報告しています」と、この研究には関与していないイェール大学の進化生物学者 Michael Donoghue は述べています。 「私たちは 180 万種の系統関係を解明しようとしていますが、20 種類の酵母を分類することさえできません」と彼は言いました。
このパラドックスを解決するために、研究者は情報理論に基づいて、ツリーの特定の部分の確実性のレベルを測定するアルゴリズムを開発しました。彼らは、新しいアプローチが、カンブリア紀の爆発 (約 5 億 4000 万年前に起こった動物の生命の急速な多様化) のような、潜在的に最も解明的であると同時に最も矛盾した進化の時代を明らかにするのに役立つことを望んでいます.
ヴァンダービルト大学の生物学者であるアントニス・ロカス氏は、「歴史的に、多くの注目と意見の相違を集めてきた生命の木の領域は、通常、最も興味深いエピソードに関係している」と述べています。新しい研究を主導した大学。
新しいアルゴリズムの結果に基づいて、科学者は最も有益な遺伝子のみを選択して系統樹を構築できます。このアプローチにより、プロセスがより正確かつ効率的になる可能性があります。バージニア工科大学ブラックスバーグ校の生物学者、Khidir Hilu は次のように述べています。
構成要素
最も基本的なレベルでは、科学者は関連性の程度に従って種をグループ化することによって系統樹を作成します。たとえば、人間、チンパンジー、魚の DNA を並べると、人間とチンパンジーは魚よりも互いに密接に関連していることが容易に明らかになります。
研究者はかつて、生物を比較するためにたった 1 つまたは少数の遺伝子を使用していました。しかし、過去 10 年間で系統発生データが爆発的に増加し、これらの樹木を生成するためのデータ プールが急速に膨張しました。これらの分析は、生命の木のいくつかのまばらな部分を埋めましたが、かなりの不一致がまだ残っています.
たとえば、カタツムリが二枚貝や他の二枚貝と最も密接に関連しているのか、それとも牙の殻として知られている別の軟体動物グループと密接に関連しているのかは明らかではありません.また、最も初期の動物がどのようにして木から枝分かれしたのかはわかりません、 クラゲと海綿など、互いに関連しています。科学者は、同じ科学雑誌に数週間以内に掲載された、または同じ号に掲載された、相反する樹木の例をガタガタ鳴らすことができます。
「それは疑問を投げかけます：なぜあなたはこのように合意に達していないのですか？」とロカスは言いました。
Rokas と彼の大学院生 Leonidas Salichos は、各遺伝子を個別に評価し、最も有用な遺伝子 (進化の歴史に関して最大量の情報を運ぶ遺伝子) のみを使用してツリーを構築することにより、この問題を調査しました。
彼らは 23 種の酵母から始め、1,070 の遺伝子に焦点を当てました。彼らは最初に、連結と呼ばれる標準的な方法を使用して系統樹を作成しました。これには、個々の種のすべての配列データを 1 つのメガ遺伝子につなぎ合わせてから、その長い配列を異なる種間で比較し、違いを最もよく説明するツリーを作成することが含まれます。
結果のツリーは、標準的な統計分析によると正確でした。しかし、同様の方法で矛盾に満ちた生命の木が生み出されたことを考えると、Rokas と Salichos はさらに深く掘り下げることにしました。彼らは、個々の酵母遺伝子からのデータを使用して一連の系統樹を構築し、情報理論から導き出されたアルゴリズムを使用して、ツリー間で最も一致する領域を見つけました。 5 月に Nature に掲載されたこの結果は予想外のものでした。彼らが研究したすべての遺伝子は、わずかに異なる進化の物語を語っているように見えました.
「個々の遺伝子からのほぼすべてのツリーは、連結されたデータ セットに基づくツリーと矛盾していました」と Hilu は言います。 「ちょっとショックです。」
彼らは、多数の遺伝子が特定の構造をサポートしている場合、それはおそらく正確であると結論付けました。しかし、異なる遺伝子セットが 2 つの異なるアーキテクチャを同等にサポートしている場合、どちらかの構造が正確である可能性ははるかに低くなります。 Rokas と Salichos は、ブートストラップ分析と呼ばれる統計的手法を使用して、最も有益な遺伝子を選択しました。
本質的に、「強力にサポートされている遺伝子だけを取得すれば、正しいツリーを復元できます」と Donoghue 氏は述べています。
改訂されたツリーは、進化情報の代替ソース (世代から世代へと受け継がれる DNA のチャンクの大規模な変更) を使用して構築されたツリーと一致し、彼らのアプローチを検証しました。
発見は酵母に限定されませんでした。研究者が同じ分析を、脊椎動物や動物の遺伝子データを含む、より大きく複雑な生命体に適用したところ、個々の遺伝子間にも広範な矛盾があることがわかりました.
一部の研究者にとって、分析からデータを選択的に除外するという考えには、慣れるまでに時間がかかる場合があります。 「長年にわたり、生物間の関係を理解しようとする人々にとって最大の問題は、十分なデータを取得することでした」と、イェール大学の進化生物学者であるジェフリー・タウンゼントは述べています。 「コミュニティは常にデータを取得するように教えられてきたので、彼らが問題についてそのように考えたのは当然です。」
進化生物学者は何年もの間、これらの問題に取り組んできましたが、新しい研究は、個々の遺伝子間の対立のレベルを調査するためのこれまでで最大規模の取り組みです。 「人々は 2 つの反応を示すでしょう。私が思っていたよりもはるかに多くの対立があり、それをよりよく分析する必要があるのです」ただし、新しいアプローチの正確性を確認するのは難しいことも指摘しています。改訂されたツリーは、代替の遺伝情報を使用して構築されたツリーと一致していましたが、後者には独自の不正確さが含まれている可能性があります。 「本当の関係が何であるかを私たちが知っているかどうかはよくわかりません」と彼は言いました. 「真実が何であるかわからない場合、正しい木があるかどうかもわかりません。」
変化する状況
研究者は、新しい技術をより広く適用して、進化の全体像をどのように変えるかを確認する必要があります。しかし、Rokas と Salichos は、再構築するのが最も困難な木の部分は短い枝、つまり「ふさふさした」部分であることをすでに示しており、これは急速な種分化の時期、特に進化の歴史の深い木の根元にあるものを示しています。 /P>
「理論的な研究ではそのような行動を予測していましたが、私たちの研究は、これが事実であることを実験データで示した最初のものです」と Rokas 氏は述べています。
Rokas はまた、新しい発見により、研究者がツリーのあいまいな部分を解釈する方法が変わるはずだと主張しています。 「進化生物学者は、解決の欠如は正しいツリーを推測できないことを意味すると考える傾向があります。したがって、より多くのデータとより優れたアルゴリズムがあれば、適切なツリーを推測できます」と彼は言いました。しかし、一連のデータにもかかわらず持続するツリーの競合部分と、この新しい分析の適用は、茂みのある部分を示している可能性があると彼は言いました. 「 アルゴリズムが実際に紛争を解決する場合もあれば、解決される可能性が低い紛争の領域を浮き彫りにする場合もあると思います。」
これらのふさふさした部分を研究することで、生命がほとんど単純な生物から多様な動物種に変化したカンブリア爆発など、特に興味深い進化の時代への新しい洞察が明らかになるかもしれません。
他の科学者は、この発見が、この分野が衝突する進化の写真をどのように扱うかに大きな影響を与える可能性があることに同意しています.
「これはパラダイム シフトの前兆だと思います」とタウンゼント氏は述べています。 「要点は、適切な方法を使用すれば、長い間私たちを悩ませてきた問題について学ぶ可能性があるということです。」
進化の速度に基づいて最も有益な遺伝子を選択する独自の方法を開発した Townsend は、科学界の誰もがこれらの新しいアプローチの必要性に同意しているわけではないことを指摘しています。 「この論文がそれを最前線に導くのに役立つことを願っています」と彼は言いました.
進化生物学者を悩ませている問題は、系統樹の作成に使用する適切な数の遺伝子を選択することだけではありません。また、含める種の数も決定する必要があります。ツリーで使用される種が多いほど、分析の複雑さが増します。結果は、異なる種のデータの質の違いによっても偏る可能性があります。 「すべてがどのように関連しているかについての真の進化の歴史に興味があるなら、より多くの遺伝子またはより多くの種をサンプリングする最良の機会は何ですか?」ドノヒューは言った。 「どちらも良いことだと思います。」
研究者がより少ない遺伝子で正確な結果を得ることを可能にする新しいアプローチは、進化ツリーを肉付けすることを可能にするかもしれません.最も有益な遺伝子のみを選択できるようになれば、プロセスがより効率的になり、科学者はより少ないデータと低コストで正確なツリーを作成できるようになります。 「ゲノム全体と同じくらい優れた樹木をもたらすいくつかの遺伝子を選択できれば、属レベルまたは種レベルでさえも、より詳細な生命の木を構築できるでしょう」と Hilu 氏は述べています。 — 主要な血統のバックボーンではなく。」
