セックスは、生物学の最も難しい謎かもしれません。生殖を性に依存することのマイナス面は否定できません。2 人の個体が必要であり、それぞれが自分のゲノムの一部しか受け継ぐことができません。これらの個人は通常、かなり親密になる必要があるため、パートナーからの身体的危害や感染に対して脆弱になります.無性生殖、または自己クローニングには、これらの欠点はありません。クローンはいつでもどこでも作成でき、個人の遺伝子を完全に補完します。
しかし、そのすべての利点にもかかわらず、無性生殖は、細胞が区画化された生物 (真核生物) の間では標準ではなく例外です。たとえば、遺伝的柔軟性で知られる植物では、無性生殖を頻繁に行う種は 1% 未満であると考えられています。動物の中で、完全に無性であることが知られている種は、1,000 種に 1 種にすぎません。何世紀にもわたって、生物学者はこの明らかなパラドックスについて熟考してきました.
1932 年、放射線誘発突然変異に関する研究で最終的にノーベル賞を受賞した遺伝学者ヘルマン ミュラーは、自分には答えがあると信じていました。 「遺伝学は、セクシュアリティとセックスの存在理由 (つまり、機能) の古くからの問題をついに解決しました」と彼は誇らしげに The American Naturalist .彼は続けて、「組換えによるセクシュアリティは、遺伝子変異の可能性を最大限に活用するための手段です。」
言い換えれば、セックスの目的は単純です。それは、子孫のプールにおける遺伝的多様性を高めることです。その多様性は、将来の世代をより強く、より速く、寄生虫に対してより抵抗力があり、または他の方法でより適応可能にすることにより、将来の世代の適応度を高めることができます.ミュラーはこれを提案した最初の生物学者ではありませんでしたが、彼の影響力は非常に大きかったため、彼の名前はこの考えに永遠に結びついており、今日もなお普及しています.
しかし、そうであってはならないのかもしれません。結局のところ、多様性の正当化は、単細胞生物がどのように、またはなぜ性に不可欠な要素を進化させたのかを説明していません。減数分裂は、卵子と精子細胞の生産を可能にするゲノムを半分にするプロセスです。
シラキュース大学で生殖システムの進化を研究している Caitlin McDonough は、次のように述べています。性的行動の進化に関するマクドノウの研究は、子孫や種全体にとって何が良いのかという考えだけに焦点を当てた理論が不完全であるという証拠を発見しました. 「研究は、性行為が個人に直接利益をもたらす可能性を見落としていることが多い」と彼らは述べた.
McDonough と他の研究者は現在、セックスとそれに関連する細胞および生理学的プロセスが個人にどのように影響するかを再調査しています。彼らの結果は、生物学者が性別について真に統一された説明を見つけるのに苦労した理由は、それが存在しないことにあることを示唆しています。代わりに、セックスから得られる可能性のある利益の真の寄せ集めがあり、有機体は、自分たちにとって最も役立つものに関与する可能性があります.
誰もがやっている
いくつかの点で、性は普遍的です — ほぼすべての真核生物に性があります。しかし、それはそれぞれの種にとってユニークな経験でもあります。植物、単細胞の原生動物について話している場合、性別がどのように見えるかは異なります、 ショウジョウバエまたは人間。
セックスは生殖のためであるという考えでさえ、真核生物全体に当てはまるわけではありません。カナダのニューブランズウィック大学の生物学者であるオーロラ・ネデルクが研究した藻類にとって、セックスは子孫を増やすことではありません。 「彼らは無性的によく繁殖します」と彼女は言いました。 ボルボックス 彼女が扱っている種は、条件的に性的であり、つまり、自分自身のクローンを作るか、セックスをするかを選択します。彼らがセックスを選択するのは、生存の可能性を高めるためです。
これらの藻類は、人生のほとんどの期間、人間の基準ではゲノムの半分と見なされるものと一緒に暮らしています。これらの藻類は、各染色体のコピーを 1 つしか持たないため、一倍体です。この状態では、すべての細胞が実行する自分自身を複製するプロセスである有糸分裂を受けることができます。最初にそれぞれの染色体のコピーを作成し、次にそれらのコピーが細胞の中心線に沿って並び、親と同じ 2 つの新しい娘細胞に引き離されます。
ただし、環境が暑すぎたり、必要な窒素が不足したりすると、藻類は異なる方法で繁殖することがあります。一倍体藻類は互いに融合して、各染色体の 2 つのコピーを持つ細胞を作ります。実際、藻類は「セックスをし」、私たちのように二倍体になります。
しかし、藻類は生活が荒くなったときにのみ性的なルートをたどります。 Nedelcu と彼女の同僚は、生理的ストレスを緩和する場合 (抗酸化物質のブーストを提供することによって)、セックスをしないことを発見しました。研究者たちは、これらの藻類のセックスの主な目的は、子孫を作ることではなく、藻類をより丈夫にし、それらのストレスにうまく対処できるようにすることであると結論付けました.
藻類にとって性交の直接的な利点は、悪い環境でも長持ちする抵抗力のある二倍体の胞子を形成することです。より良い条件が戻ると、藻類細胞は減数分裂によって一倍体状態に戻ります。しかし、Nedelcu と彼女の同僚が指摘しているように、減数分裂のプロセスは、多様性を超えたゲノム改良のユニークな機会も提供します。
すべての多細胞生物と同様に、これらの藻類には DNA の小さな破損やエラーを修復する方法があります。しかし、損傷がひどい場合、これらのメカニズムは正確に修復するのに苦労します。そのような場合、その DNA 鎖の 2 番目のコピーを修復のテンプレートとして使用すると、命の恩人になる可能性があります。 「これは基本的に、ほとんどの生物が二倍体であることによって持っているものです」とネデルクは説明しました。
一倍体細胞では、染色体が 1 つしか存在しないため、損傷した DNA 領域を修復するためにコピー アンド ペーストする簡単な方法は通常ありません。ただし、例外は減数分裂の間です。これは、新しく作られた染色体のペアが、別の細胞に引き込まれる前に、もう一方の親からのバージョンと整列するときです。 「これは DNA 損傷を修復する機会だと考えています」と Nedelcu 氏は述べています。
減数分裂の間、各一倍体の親からの染色体が整列し、セクションを互いに交換することがあります。これは、組換えとして知られる現象です。このステップは遺伝的多様性を大幅に増加させますが、染色体に、他の一倍体ゲノムからセクションを本質的にコピーして貼り付けて、自分自身に降りかかった可能性のある損傷を修復する能力も与えます.
科学者たちは減数分裂の DNA 修復の利点について何十年も前から知っており、以前のいくつかの研究では、有害な突然変異が予想よりも一般的ではない理由を説明できる可能性があることも示唆されています。しかし、Nedelcu の研究は、なぜそれが性の初期進化において重要だったのかに注目を集めています。これらの藻類が真核生物の最も古い系統のいくつかに属しているという事実は、「祖先の性の役割は生殖のためではなかった」ことを示唆している可能性がある、と Nedelcu は述べた。代わりに、「セックスはストレスに適応して対応する手段として進化したようです」
植物、原生生物、人間について
生物が困難な時期を乗り切るのを助けるためにセックスが進化したという考えは、まったく新しいものではありません。アリゾナ大学の細胞生物学と解剖学の教授であるハリスとキャロル・バーンスタインは、1980年代初頭にそれを提案しました.しかし、ミュンスター大学の進化生物学者フランチェスコ・カターニアによれば、主流の進化生物学ではそれが幾分見過ごされてきた. 「[彼らの仮説] がこれまで以上に信用と重要性を与えられなかった理由がわかりません」と彼は言いました。
カターニアは、ゾウリムシと呼ばれる原生動物を研究しているときに、このアイデアを思いつきました。これらの単細胞生物は、淡水の中で泳ぐことを可能にする、小さくて動きやすい毛のような突起で覆われています。彼らもまた、ストレスを受けると有性生殖を行います。 Catania が気付いたように、ゾウリムシがセックスをするとき、彼らはしばしば自分自身でセックスをします.
「（ゾウリムシの間で）自家受精が非常に広まっていることを示唆するいくつかの事例証拠があります」と彼は言いました.それはおそらくゾウリムシの種が全体的に遺伝的多様性をほとんど持たない理由の一部であり、性別の利益は多様な子孫であるという一般的な理論と一致しない事実です.そこで、カターニアはもう少し詳しく調べることにしました。
彼が行ったとき、彼は、ネデルクの藻類のように、ゾウリムシがセックスのプロセスを経ることから直接的かつ個別に利益を得るようであることを発見しました.自家受精したものは、そうでないものよりもストレスの多い条件をうまく乗り切りました。最近セックスができるようになったゾウリムシも同様に丈夫でした。これらの発見から、カターニアと彼の同僚は、ストレスがセックスを誘発するだけでなく、セックスに必要なプロセスを活性化することが、ゾウリムシがストレスに対処するのに役立つ可能性があると信じるようになりました。プロセスとしてのセックスは単なる遺伝的なものではなく、細胞的なものであり、他の細胞機能を持つ一連の遺伝子全体をオンまたはオフにすることが含まれます.
この考えを完全に検証するにはさらなる実験が必要ですが、カターニアは、性とストレス反応の細胞機構は本質的に関連していると考えています。自家受精と性的成熟による生存の利点に加えて、彼と彼の同僚は、熱ストレスがゾウリムシを生殖成熟に導くいくつかの遺伝子を活性化することも発見しました。たとえそのイベントが実際に起こらなかったとしても、ゲノムのマージの準備をするだけで、ゾウリムシはストレスの多いイベントにうまく対応できるようになります。
もちろん、ゾウリムシと藻類は動物ではないため、彼らのセックスの経験が、他の系統の生命にとってのセックスの利点について教えてくれるとは限りません。 Nedelcu はあまり推測しないように注意しています。減数分裂が最初に DNA 損傷を修復するように進化したとしても、彼女は、「性の起源は、現在の種における性の適応的役割とは異なる可能性がある」と述べています。
それでも、DNA修復など、生殖に直接関係しないセックスの利点は、菌類、植物、または動物でも発生する可能性があります.また、セックスが動物や植物の唯一の生殖手段であるとしても、セックスのこれらの間接的な利益は、なぜ、どのように、いつ、どのくらいの頻度でそれが起こるのかに影響を与える可能性があります.
このような間接的な利益は、減数分裂をはるかに超えて広がる可能性があります。 「セックスは交尾や性的行動も指します」とマクドノウは言いました。コオロギからネズミまであらゆるものを研究している研究者は、セックスをすることであらゆる種類の予想外の利点が得られることに気付き始めています.
予想外です。つまり、セックスは無性生殖に比べて非効率的であるだけでなく、関与する個人にエネルギー負担を課すと一般に想定されているためです.卵子や精子の生産、交配相手の発見、交配の行為 — すべてにエネルギーとリソースが必要です。その結果、生殖と、生物がより長く生き残るために行う可能性のあるその他のこと (体の成長や免疫システムの強化など) との間にはトレードオフがあります。
しかし、動物におけるセックスの費用と利益に関する私たちの理解の多くは、 ショウジョウバエ などのモデル生物から得られています。 カリフォルニア大学サンディエゴ校の細胞および発生生物学の名誉教授であるTeri Markowは、実験動物での結果は欺瞞的である可能性があると述べた。 「自然界で得られる写真は、実験室で見るものとは条件が大きく異なるため、大きく異なる可能性があります」と彼女は言いました.
たとえば、ショウジョウバエの文献の多くは、交尾にはコストがかかることを示唆しています。しかし、Markow と彼女の同僚が野生のショウジョウバエを観察したところ、反対のことがわかりました。これは「処女の代償」と呼ばれるものです。交尾したメスは、交尾しなかったメスよりも長生きしました。彼女はそれを確認するための詳細な実験を行っていませんが、Markow は、男性の射精を受けることで女性が複数の方法で恩恵を受けるためではないかと考えています.
クレイトン大学で生殖生理学と行動生態学を研究している生物学研究者のエイミー・ワージントンは、コオロギに似たようなものを見たことがあります。メスのコオロギは、おそらく交尾後、ほとんどのエネルギーを卵を作ることに費やしているため、感染に対してより脆弱になると予想されるかもしれませんが、代わりに彼女はより回復力があります. 「交配した雌は、処女に比べてより強い生存力とより強い免疫反応を示す傾向があることが種間で見られます」と彼女は言いました.
ワーシントンは、プロスタグランジンと呼ばれるホルモン様化合物がこれに大きな役割を果たしているのではないかと考えています.それらは卵の発育に重要ですが、免疫システムの調節にも役立ちます. 「私たちは、プロスタグランジンが精液に含まれていることを知っています」と彼女は言いました.メスは、オスから受け取ったプロスタグランジンを利用して、生殖の成功と生存率の両方を高めることができるのかもしれません.
メリットのある友達
プロスタグランジンは、コオロギや昆虫に特有のものではありません.それはあらゆる種類の動物に見られます。したがって、射精を受けることは、その個体が「昆虫であろうと哺乳類であろうとトカゲであろうと」、免疫システムを高める可能性がある、とワージントンは述べた.
神経科学者は、オスの動物を観察することで、この話にはさらに多くのことがあることに気づきました。 2018年、オハイオ州立大学のウェクスナー医療センターの精神医学と神経科学の教授であるリア・パイターと彼女の同僚は、オスのラットがセックスをした後、脳の免疫力が高まることを示しました.これは、セックスが彼らを感染から守るのに役立つことを意味するかもしれません。セックスによって、脳の働きも変わる可能性があります。他の科学者は、ラットが交配後に特定の認知テストでより良い成績を収めること、および定期的に交配することで加齢に伴う脳機能の低下を遅らせることができることを発見しました.
「あまり調査されていない[性行為への]二次的な影響が確実にあると思います」とパイターは言いましたが、「それは難しいテーマです」.セックスの利点に関する研究はしばしば技術的に困難であるだけでなく、その結論は容易に誤解され、文化的または社会的な結果をもたらす可能性がある、と彼女は説明した. Nedelcu でさえ、藻類に関する彼女の研究は、ストレスが人々のセックスを誘発することを意味するかどうかを記者が尋ねたことに言及しました。
もちろん、これらの結果は双方向に影響を及ぼします。性別に関する文化的信念と見解は、他の生物に関する研究結果の研究と解釈の仕方に影響を与えます。性行為に関する私たちの偏見 (どの種類が「正常」または適切であるか、そうでないかなど) は、「動物で研究することが重要であるとみなすものに本質的に影響を与えてきました」とワージントンは言いました.
マクドノウは、セックスがどのように見えるべきかについての私たちの先入観と、個人がセックスをすべきか、すべきでない理由が、動物の行動に対する私たちの理解に偏りを与えてきたことに同意します.彼らは、動物の同性行動に関する研究をその代表的な例として挙げています。マクドノウとその同僚は、同性間の行動を取り巻く科学的言説には、多くの根拠のない根拠のない仮説が含まれていることに気付きました。行動が発生し、自然淘汰を通じて定着するための、生涯の生殖出力の大幅な増加。しかし、「多くの場合、費用はかからず、私たちが理解していない何らかの利点があるかもしれません」と McDonough 氏は述べています。
同性間の行動が進化する理由を尋ねる代わりに、McDonough とその同僚は「質問をひっくり返して」、行動が進化しない理由を尋ねました。彼らがこれを行ったとき、彼らはそれが可能であり、おそらく同性愛者の行動がずっと起こっている可能性さえあることに気づきました。それらは、選択するのに十分な費用がかかりません。結局のところ、真に異なる性 (異なるサイズの配偶子を生成する個別の個体) の分離は、おそらく減数分裂の進化と配偶子の融合の後に生じました。チームが Nature Ecology &Evolution で説明したように、生物は賭けをヘッジし、同種のメンバーと繁殖しようとすることで利益を得た可能性があります。
性行為のフィットネスコストが十分に低く、利益が十分に高い場合、別の性別の適切な配偶者を探す価値があるとは限らない.個体は、出くわした同種のメンバーと早期に頻繁にセックスをしたり、頻繁にマスターベーションを行ったりすることで、最終的には長生きし、より多くの遺伝子を受け継ぐ可能性があります。他の種のセックスに対する私たちの見方は、私たち自身のセックスに対する私たちの見方によって形作られているため、そのような仮説はおそらく調査されていません.
しかし、セックスがさまざまな生物にどのように影響するかについてより多くの研究が行われるにつれて、科学者はその偏見を取り除き、セックスが無数のプラスの効果をもたらす可能性があることを発見しています。 「産むことができる子孫の数や産むことができる子孫の質の点で、少しでも利益があるものはすべて、自然淘汰によって選択されます」とワーシントンは言いました.
セックスの進化がこれらの利点によって少なくともある程度導かれることは理にかなっています。 「多様な子孫を持つことは、その[性的]プロセスを経ることに直接的な利益があることと相容れないものではありません」とマクドノウは言いました.性行為が寿命を延ばすなど、直接的および間接的に生殖を増加させる場合、セックスの普及は非常に理にかなっているでしょう。
