自然淘汰は、ダーウィン以来、進化論の基礎となってきました。しかし、自然淘汰の数学的モデルは、生物学者が理解していたよりも進化を難しくしているように見える厄介な問題に悩まされてきました。 Communications Biology に掲載された新しい論文で 、オーストリアと米国の学際的な科学者チームは、難問から抜け出す可能性のある方法を特定しています。彼らの答えは、自然界で何が起こっているのかを確認する必要がありますが、いずれにせよ、人工的な環境下で自然選択を促進する必要があるバイオテクノロジー研究者やその他の人々にとって役立つ可能性があります.
自然淘汰による進化論の中心的な前提は、有益な突然変異が現れると、それらは集団全体に広がるはずだということです.しかし、この結果は保証されていません。偶発的な事故、病気、その他の不幸によって、突然変異が新しくまれな場合は簡単に消えてしまう可能性があります。統計的には、そうなる可能性が高いです。
ただし、理論的には、突然変異は、状況によっては他の状況よりも生存率が高くなるはずです。たとえば、1 つの島に膨大な数の生物が一緒に住んでいると想像してみてください。突然変異は、その利点が大きくない限り、群衆の中で永久に失われる可能性があります.しかし、少数の個体が繁殖のために定期的に自分の島に移動する場合、適度に役立つ突然変異が足場を確立し、主要な個体群に広がる可能性が高くなる可能性があります. (また、そうではないかもしれません — 結果は、シナリオの正確な詳細に完全に依存します。) 生物学者は、遺伝子がどのように流れるかを理解するために、これらの集団構造を研究します。
現在、ハーバード大学の進化ダイナミクス プログラムのディレクターであるマーティン ノワックは、2003 年に癌の挙動を研究しているときに、集団構造が進化の結果にどのように影響する可能性があるかについて考え始めました。 「その時、癌は生物が望んでいない進化の過程であることは明らかでした」と彼は言いました:突然変異によって悪性細胞が発生した後、それらの細胞間の競争により、体中を暴れ回るのに最適な細胞が選択されます。 「私は自問しました。どうすれば進化を取り除くことができますか?」突然変異を攻撃することは 1 つの解決策であることに Nowak は気づきましたが、選択を攻撃することは別の解決策でした.
問題は、特定の個体群構造が自然選択にどのように影響するかについて、生物学者が漠然とした考えしか持っていなかったことです。より一般化可能な戦略を見つけるために、Nowak はグラフ理論に目を向けました。
数学的グラフは、一連のアイテム間の動的な関係を表す構造です。個々のアイテムは構造の頂点に位置します。アイテムのすべてのペア間の線またはエッジは、それらの接続を表します。進化グラフ理論では、個々の生物はすべての頂点を占有します。時間が経つにつれて、個体は同一の子孫を産む可能性があり、隣接する頂点の個体を置き換えることができますが、次世代の個体に置き換えられるという独自のリスクにも直面します。これらの確率は、頂点間の線の「重み」および方向として構造に配線されます。重み付けされた接続の適切なパターンは、生きている個体群の行動の代わりになることがあります。たとえば、血統が残りの個体群から孤立する可能性を高める接続は、移動を表すことができます.
グラフを使用して、Nowak は多様な人口構造を数学的抽象化として表すことができました。その後、彼は、それぞれのシナリオで特別な適応度を持つ突然変異体がどのように機能するかを厳密に調査することができました.
これらの努力が 2005 年の Nature につながりました この論文では、Nowak と 2 人の同僚が、特定の人口構造が自然淘汰の影響を抑制または強化できることを示しました。たとえば、「バースト」構造と「パス」構造を持つ集団では、個体は祖先が保持していたグラフ内の位置を占めることはできません。これらの構造は、有利な突然変異が個体群を引き継ぐ機会を否定することにより、進化を妨害します。
しかし、スターと呼ばれる構造では、より適切な突然変異がより効果的に拡散します。スターは自然淘汰の影響を拡大するため、科学者はそれをアンプと名付けました。さらに優れているのはスーパースターです。彼らはこれを強力なアンプと呼んでいます。これは、わずかでも適合性の高いミュータントが最終的に他のすべての個体に取って代わることを保証するためです.
「強力な増幅器は、利点がどんなに小さくても、有利な突然変異の成功を保証するため、驚くべき構造です」と Nowak 氏は述べています。 「進化に関するすべては確率論的であり、ここではどういうわけか確率をほぼ確実に変えています。」
しかし、その確実性には落とし穴がありました。潜在的な人口構造のほとんどは、理論的には強力なアンプになる可能性があるようには見えませんでした。他のいくつかは可能性のように見えましたが、それらは現実的ではなく不自然に見え、非常に複雑で、アンプとしての地位を証明できませんでした. (スーパースターの研究がオックスフォード大学のグループからちょうど 2 年前に発表された正式な証拠であり、Nowak はそれを「約 100 ページの密集した数学を含む」複雑な論文であると説明しました)。この構造は、非常に異常な状況を除いて、実際の生物の自然淘汰を促進する可能性があります。
しかし、10 年ほど前に、Nowak の共同研究者の 1 人で、オーストリア科学技術研究所のコンピューター サイエンス研究者である Krishnendu Chatterjee もこの問題に関心を持つようになりました。彼と彼のグループは、グラフ理論と確率を含む同様の問題の理解を深めるのに何年も費やしており、彼らが開発した直感と洞察がこの進化の問題に役立つかもしれないと考えていました.
Chatterjee と彼の学生の Andreas Pavlogiannis (現在は École Polytechnique Fédérale de Lausanne, EPFL) と Josef Tkadlec は、増幅器を構築する鍵は、グラフ内の接続の重みにあることを学びました。彼らは、すべての潜在的な強力なアンプには、ハブやセルフループなどの特定の機能が共通していることに気付きました.次に、接続に適切な重みを割り当てることで、単純な集団構造内でも強力なアンプを作成できることを示しました。 「重みを調整することで、ほぼすべての人口構造が強力な増幅力になることを示したのは、非常に大きな驚きでした」と Nowak 氏は述べています。
全体として、最近および以前の論文は、個体群構造が進化における意味のある力であることを主張しています。 「バースト」のように振る舞う集団は、進化の行き止まりになるだろう — 相互関係の詳細がどうであれ、それらの中に現れる有利な突然変異は決して離陸しないだろう.他の個体群構造は自然淘汰を自動的に強化するわけではありませんが、少なくともそれらのほとんどは、有利な突然変異を増幅し、進化を助ける可能性を秘めています.
科学者の発見には、いくつかの重要な注意事項があります。 1 つは、これらの研究の個体群モデルが細菌や他の微生物などの無性生物にのみ適用されることです。 Nowak と Chatterjee は、有性生殖で起こる遺伝子の大規模な再編成を考慮に入れると、モデルが非常に複雑になるだろうと述べ、彼らの知る限り、誰もその課題に真剣に取り組んでいません。モデル化された個体群の増加または縮小を許可した場合の結果も決定する必要があります。
もう 1 つの問題は、強力な増幅機構によって、有用な突然変異が集団全体に容赦なく広がることは保証されますが、それがすぐに起こることは保証されないということです、と Nowak 氏は述べています。一部の集団が、自然淘汰が確実ではないがより迅速な構造から恩恵を受ける可能性は十分にあります.
これは重要な考慮事項であると、ニュージーランドのウェリントンのビクトリア大学の准教授であるマーカス・フリーンは同意しました。彼と彼の同僚が 2013 年に発表した研究は、自然選択を増幅する個体群構造においてさえ、進化の速度が大幅に遅くなる可能性があることを示しています。突然変異が集団を引き継ぐという確実性と、その速度は相反することがよくあります。 「私たちが本当に気にかけていること、つまり進化の速度には、両方が関係しています」とフリーンはメールで説明しました。
それにもかかわらず、Nowak、Chatterjee、および彼らの同僚は、強力な増幅器を構築するための彼らのアルゴリズムが、望ましい変異体の出現を促進したり、より速く成長する細胞株をスクリーニングしたりしたい細胞培養を扱う研究者にとって依然として有用である可能性があることを論文で示唆している.マイクロ流体成長システムは、細胞の混合と移動を制御することで、任意の集団構造を生成するように調整できます。
しかし、おそらく彼らの研究のより興味深い応用は、これらの強力な増幅器が自然界のどこですでに発見されているかを特定することかもしれません. Nowak と彼の同僚は、例えば、免疫学者が脾臓とリンパ節の免疫細胞の集団がこれらの構造的特徴を示しているかどうかを確認できることを示唆しています。もしそうなら、自然淘汰が人生の課題に対する優れた解決策として有利に働くことを証明できるかもしれません.
この記事は Wired.com に転載されたものです。
