発生生物学者の Cassandra Extavour は、ボストンのシンフォニー ホールで、ヘンデル アンド ハイドン ソサエティのステージでクラシック音楽とバロック音楽を歌います。美しいソプラノの声に恵まれた彼女は、歌手としてのキャリアを追求することを容易に選ぶことができた.しかし、学部生として発生遺伝学研究室で働いていた夏は、科学を支持するようにスケールを傾け、Extavour は現在、ハーバード大学の生物および進化生物学の准教授です。生物学を選んだことで、パートタイムで音楽のキャリアを積むことができたと彼女は言います。対照的に、フルタイムのコンサート ソプラノ歌手には、副業としてラボを運営する時間がなかったでしょう。
Extavour は、Evo-Devo-Eco (evolutionary-developmental-ecological) Network の略である EDEN と呼ばれる全国的な共同研究を指揮しています。全米科学財団の資金提供を受けているこの組織は、どこにでもいるミバエであるキイロショウジョウバエよりもエキゾチックな生物の解剖を遺伝学者に奨励しています。 EDEN の研究者は、イソギンチャク、カブトガニ、コケ、コオロギ、クモ、トウワタ、超丈夫なクマムシのさまざまな進化経路をモデル化しています。 Extavour 自身の研究室は、昆虫の胚と卵巣の解剖に焦点を当てており、多細胞性の起源と、ホモサピエンスを含む多細胞性が可能にした複雑な生物の遺伝的手がかりを探しています。 Extavour の特別な専門知識は、多細胞生物を再生するための遺伝コードを含む、胚で作成された細胞である生殖細胞の発生を追跡することです。
昨年の冬、Extavour は、カリフォルニア大学サンタバーバラ校の Kavli Institute for Theoretical Physics で、論争の的となっているトピック「多細胞性の協力と進化」に関する 10 週間のプログラムの主催者の 1 人でした。毎日のトーク セッションには、発生生物学者、進化生物学者、数理物理学者、動物学者など、世界中から高く評価されている科学者が多数参加しました。このイベントは、その長期にわたる学際的な性質のために珍しいものでした。そして、進化の生物学に関する 150 年にわたる研究にもかかわらず、科学者たちは、頑強で自立した単細胞の実体であふれた太古の海から多細胞生物や植物がどのように、そしてなぜ出現したのかについていまだに意見が一致していないため、多くの意見交換が白熱しました。
会議では、ハチ、アリ、オオカミ、粘菌、その他の生き物の行動を観察する分野で主に働いている生物学者は、個々の生物が巣箱に自己組織化する方法を調べることによって、行動レベルでの自然淘汰のメカニズムを探す傾向がありました。巣、パック、コングロマリット、または家族。物理学者と分子生物学者は、ゲノムのレベルでの自然選択のマイクロメカニクスにもっと焦点を当て、競合および協力する遺伝子または細胞と呼ばれるものの「適合性」を数学的に測定しようとしました。
しかし、科学者たちは、協力、競争、フィットネスなどの重要な概念の意味についてさえ、常に同じページにいるとは限りませんでした.物理学者と分子生物学者は、統計力学とゲーム理論を利用して、DNA、タンパク質、ゲノム全体の説明的な数学的モデルを構築しました。マイクロ定量化へのそのこだわりは、社会的行動の分析に重点を置いていたフィールド指向の生物学者のハックルを引き起こすことがありました.
毎週毎週、羽ばたきのないエクスタバーは、会議参加者を中心的な問題に集中させ続けました。つまり、相互利益のために単一細胞を団結させたのは、正確にはどのような物理的メカニズムなのか?この利点を進化の観点からどのように定量化できますか?会議の数か月後、Quanta Magazine は Extavour に彼女自身の視点についてインタビューしました。これは、カブリでの彼女の最後の講演の一部を組み込んだ、そのインタビューの要約および編集版です。
QUANTA MAGAZINE:あなたは evo ですか、devo ですか、それとも eco ですか?
CASSANDRA EXTAVOUR:発生生物学者として — よろしければ信奉者です — 多細胞生物の細胞がどのようにして卵子や精子になるのかに興味をそそられます.受精卵細胞から動物の胚が発生する過程 (胚形成と呼ばれるプロセス) では、胚を構成する何百万もの遺伝的に同一の細胞のうち、ゲノムを次の世代に渡すことができる配偶子になるのはごくわずかです。
胚の細胞のほとんどは体細胞になります:重要な臓器、筋肉、皮膚、骨を形成できる細胞です。体細胞は分裂によって複製します — 遺伝的に自分自身を反映しています — しかし、有性生殖を通じて新しい生物の形成に特定のゲノムを提供することはできません.それは、私たちが生殖細胞系と呼んでいる細胞の連続の仕事です.
ある意味では、体細胞は生殖系列細胞を保護するために、その遺伝的「不死性」を犠牲にしています。そして、生殖労働のこの原始的な分割は、進化的な結果をもたらします。有性生殖を可能にし、遺伝的多様性と多細胞性の進化を促進します。
ここで、evo-devo-eco のエコが登場します。多細胞生物の発生に関する研究の中心的な問題は、同じゲノムで始まる細胞が異なる環境で異なることをするのはなぜですか?
研究室では生殖細胞の発生をどのように追跡していますか?
生殖細胞の出現を導く遺伝的メカニズムをマッピングするために、分子生物学と顕微鏡ツールを使用して、クモ、コオロギ、トウワタの虫の卵巣と胚を解剖します。一部の生物では、生殖系列への細胞の割り当ては、遺伝に基づくメカニズムによって引き起こされます。胚が存在する前に、一部の細胞の分子内容によって、胚または細胞体として発生することが事前に決定されます。他の生物では、代わりにシグナル伝達メカニズムがあります。胚細胞は、隣接する細胞から化学シグナルを受け取り、生殖細胞系の機能を可能にする遺伝子を活性化 (または抑制) します。
わざわざ多細胞である必要があるのはなぜですか?
生物の多様な体細胞機能によって保護されている明確な生殖細胞系列の進化は、植物、動物、粘菌などの多細胞生物に、進化上の優位性 (フィットネス ベネフィットと呼ばれるもの) を与えると考えられています。
どうして？
多細胞複合体における体細胞と生殖細胞間の厳密な分業により、新しい生態学的ニッチを探索し、顎、足、茎、触手、尾、根、葉、または指などの特殊な多細胞器官を備えたオブジェクトを操作できるようになる可能性があります。限られた環境につながれた典型的な単一細胞とは異なり、多細胞単位は、食物やより好ましい生態学的条件、または他の多細胞単位を求めて、長距離を歩き回ることができます。多細胞種は、移動性や複雑性の低い単細胞種を一掃する可能性のある劇的に変化する生態系にうまく適応するためのより多くの機会を見つける可能性があります.そのため、単細胞性は多くの生物にとって明らかに成功した生き方ですが、他の生物にとっては、多細胞性の全体的な利益は、特定のゲノムを伝える機会を拒否された各体細胞の個々の適応度の損失を上回るように見えます.
フィットネスとはどういう意味ですか?
フィットネスは、集団遺伝学の分野では明確な数学的定義を持つことができますが、生物学の他の分野では、フィットネスを意味的に特定するのは困難です。酵母や藻類、ウサギなど、人間以外の生物の行動を説明するために使用される場合、対立や協力などの言葉も同様です。このような言葉は、非数学的に何が起こっているかを伝えるために必要ですが、社会学的にも負荷がかかります。選択を行う能力を意味します。私の研究室では、絶対数値を使用してフィットネスを定義することは避けています。簿記を行います。産卵数を数えます。孵化した卵の数を数えます。しかし、これらの数値だけが、自信を持ってフィットネスとラベル付けできるものと何らかの形で同等であるとは言えません.
チャールズ ダーウィンの「種の起源」が出版されて以来、フィットネスの概念の社会学的使用はどのように進化してきましたか?
社会的ダーウィニストのハーバート・スペンサーが 150 年前に「適者生存」という比喩を打ち出して以来、人々は生存をフィットネスと同一視し、フィットネスと生存を同一視してきました。それは私たちに問題を引き起こすトートロジーですが、それは長続きします。たとえば、数理生物学者の R. A. フィッシャーは、1920 年代と 1930 年代に集団遺伝学の創始者であり、適合性を遺伝的分散に関連付けた彼の研究は非常に重要でした。しかし、フィッシャー自身は優生学者であり、上流階級の人々は上流階級であるため、優れた知性と「道徳的性格の資質」に対する遺伝的素因を持っていると信じていました。彼は、下層階級の個人の出生率が最も高いように見えるため、彼らの集合的に劣った遺伝子の広がりが、放っておけば文明の崩壊につながるのではないかと恐れていました.彼は、上流階級の遺伝子の増殖を確実にするために、社会が一定の措置を講じることを提唱しました。これが、科学者が、フィットネスは事実の表明であり、価値判断ではないことを明確にする必要がある理由の 1 つです。
では、なぜこれらの読み込んだ単語を使用するのでしょうか?
それらは、不正確ではあるが便利な速記として進化しました。実際には、いくつかの規範的な荷物を運ばずに数学的構造を置き換えることができる言葉はないかもしれません.
実験生物学における協力の意味は何ですか?
生物学的協力は、単細胞ユニットであれ多細胞ユニットであれ、2つ以上の個体がグループ化して新しいエンティティを形成するときに発生する可能性があります。実験者の視点に応じて、新しい個体またはおそらく個体のグループです。多細胞実体における生殖労働の分割では、細胞が連携して、それらが属する実体の生殖能力を最大化する必要があります。
そのために、協調細胞は、時には次世代への自身の遺伝的寄与を最小限に抑えることを犠牲にして、他の細胞がゲノムを伝達する能力を向上させる行動を示します。これらの細胞は、研究室では「利他主義者」と呼ばれることがよくあります。グループのエネルギー資源を生産または保存することができます。
一方、非協力的な細胞、または実験室で「亡命者」と呼ばれるものは、持続可能性に何の貢献もせずに、希少な資源を食い尽くして生態系を動き回ります。亡命者の「利己的な」行動は、グループを犠牲にして世代間伝染のために自身のゲノムを保存する傾向があります.
有性生殖生物は、生物全体に利益をもたらす方法で、これらの 2 つの相反するアプローチを利用してきました。体細胞は協力者として機能し、生殖細胞は脱離者として機能します。私たちが知っている多細胞性は、脱北者と協力者の両方がいなければ不可能だったかもしれません — それぞれのタイプの行動が必要です.
ダーウィンの進化論は協力的な行動に報いますか?
行動は種の進化に影響を与え、その逆もまた然りです。しかし、進化は、自然淘汰の対象となる結果を生み出すランダムな出来事の結果であることを忘れないでください.いくつかのランダムな変化は、特定の環境での生物の生存と繁殖の可能性を向上させ、いくつかはそれを低下させます.科学者は、これらの変化を統計的に定量化して、過去に何が起こったかを予測して把握できるように努めています。
明確にするために：単細胞であろうと多細胞であろうと、特定のエンティティの進化の軌跡に組み込まれた意識的な目標、方向、または体系的な意図はありません。それにもかかわらず、科学的な会話では、行動についてあたかも選択の結果であるかのように話すのが便利なことがよくあります。しかし細胞は、結果を決定として扱う囚人のジレンマのようなゲームで競争する意識的な存在ではありません.
では、なぜ進化生物学でゲーム理論がこれほどまでに使われるのでしょうか?
もともとは、意識のあるエージェントがプレイするゼロサム ゲームの解決策を見つけるためのツールとして開発され、西洋の資本主義環境で経済分析に広く使用されました。それは擬人化された、価値のある言葉であふれかえっており、その結果、進化生物学の多くの学者がこの言葉を採用したことは、「亡命者」と「協力」することによって遺伝的「自殺」を犯す「利他的」細胞について、私たちがさりげなく話していることを意味します。試験管内の「公共財」の「管理」をめぐる「競争」に「勝った」人。
これらの人間中心の比喩は、言語の速記が人間社会や私たち自身の選択を指していないことを忘れると問題になります。そのため、evo-devo-eco のスキームにおいて、私は発生生物学と、その物理的および化学的構造を定量的に理解することに重点を置いていることに惹かれます。
多細胞生物としての私たちの誕生の秘密を解き明かすことは可能でしょうか?
私の目標は、多細胞実体の細胞が特定の環境で生殖労働の胚細胞分裂を進化させることを可能にした遺伝的プログラムを理解することであり、私たちの多細胞起源が社会の進化にどのように影響したかを分析することではありません.率直に言って、私は人間社会の主観性の多さに悩まされており、科学ではそれを避けようとしています.しかし、私たちは多細胞生物であるため、生物学者は多細胞性の進化に魅了されなければならないことを認めます.単一の細胞は交響曲と一緒に歌うことはできません!
