2 年前、珍しい写真撮影の準備をするために、科学者のチームが何千ものショウジョウバエから羽を摘み取り、虹色の組織の各フレークをガラス板の間に押し付けました。ほとんどの場合、翼が裂けたり折りたたまれたり、エアポケットや誤ったほこりが一緒に閉じ込められたりして、サンプルが台無しになりました.ハエの羽は「サラン ラップとは違う」と、このプロジェクトを率いたノースウェスタン大学の応用数学者でエンジニアの Madhav Mani 氏は述べています。 「金箔のように」壊れやすいと彼は言いました。
科学者たちは約 2,000 組を完全に取り付けるまで粘り強く、翼を高解像度で撮影し、30,000 か所の写真を体系的に比較しました。
これは単なる分類学の練習ではありませんでした。むしろ、ジャーナル eLife に最近掲載された研究です。 、種内に存在する可能性のあるバリエーションを非常に詳細に調べました。この結果により、生物学における長年の緊張が解消され始めています。
一方では、個体の遺伝子に劇的な突然変異があり、それらが成長する多様な環境にもかかわらず、種のメンバーは非常に似た生き物に成長します。この堅牢性により、ほぼすべての個人が機能することが保証されます。一方、進化が起こるためには、種のメンバーは自然選択が作用できる多様な形質を必要とします。これら 2 つの力 - 堅牢性と進化可能性 - は反対方向に引っ張られます。バリエーションを減らしたい人もいれば、バリエーションを増やしたい人もいます。
バランスはどのように取られますか?
ニュージャージー州ローニン研究所の進化生物学者であるアレックス・ランカスター氏は、この新しい研究には関与していないが、約20年前、生物学者は遺伝的要因と環境要因がかなりの不均一性を生み出し、自然淘汰に多くの選択肢を与えると予想していた.しかし、彼によると、より最近の観察では、集団間の予想外の類似性が証明されています.
数年前、共著者のリチャード・カーシューとの夕食会で、マニは、個人がどの程度、どのように物理的に変化する可能性があるかを正確に特定することを考え始めました.言い換えれば、胚および出生後の発生の制約の中で、どのようなオプションが存在するのでしょうか?成長する有機体の場合、「メニューには何がありますか?」マニは疑問に思いました。 「人々は科学とはある種の方法だと言いたがりますが、それはまさに幼稚で頭のおかしい質問から始まりました。」
以前の研究は生物のいくつかの比較ポイントに依存していましたが、Mani、Carthew、および共著者の Vasyl Alba と James Carthew (Richard Carthew の息子で彼の研究室のメンバー) は、より詳細な情報を求めていました。彼らは、ゲノムを配列決定するとき、アルゴリズムが比較のために遺伝子コードのセクションを並べることを知っていました。同じように、科学者たちは一般的なキイロショウジョウバエ キイロショウジョウバエの翅を揃えることにしました。 ショウジョウバエ。
彼らの何千枚もの翼の写真は、明るい背景から黒い静脈が際立っている線画に似ています。コンピューター プログラムがこれらの画像を標準化し、静脈の角度などの特徴を維持しながらそれぞれを円に合わせ、数千枚の画像をデジタル的に重ね合わせました。これにより、研究者は、数十個の大雑把なランドマークではなく、約 30,000 の比較ポイント (積み重ねられた画像のすべてのピクセル) を得ることができました。 「より包括的です」とランカスター氏は言います。 「通常は捉えられない特徴を捉えます。」
この豊富なデータから予想外のシンプルさが生まれました。科学者たちは、翼の可能性のある外観の狭い範囲を見ました。それらは、ほとんどが小さな一連の特徴で分岐していました。変化は翼のヒンジ付近に集中し、最前部の静脈の形状など、いくつかの特定の場所に現れました。さらに、これらの可変特性は関連していました。翼の特性の1つが平均からかけ離れている場合、通常、他の特性もそうでした.これは、ハエがどのような遺伝的または環境的改変を経験したかに関係なく真実であり、これらの要因が個別に影響を与えることは非常に限られていることを意味します.
リチャード・カーシューは、ハエの発達の複雑さの多くが物理的な形で捉えられるだろうと予想していました。バリエーションがすべてメニューオプションの短いリストに集められたことは、「非常に素晴らしいことです」と彼は言いました.ハエが成虫になると、「違いを修正し、非常に堅牢な最終形態を作成するこの魔法の能力」を持っています。
ハエの翅の写真は、発生する可能性のある形態を制限するメカニズムについての手がかりを提供しませんでした。むしろ、結果はこれらのガードレールの広範な力を実証しました。自然選択は、ほとんどの場合、関連する少数の可変形質に示される有意な多様性に作用する必要がありますが、堅牢性は残りをしっかりと制約します.
一部の科学者にとって、その単純さは驚くべきことではありません。プリンストン大学の生態学者で進化生物学者の Luisa Pallares は、ロバスト性に関する生物学的理論に基づいて、バリエーションの制限を予測しました。つまり、種のメンバーが同じように見えるようにするには、そのバリエーションを厳しく制限する必要があります。しかし、この研究は「美しい」定量化を提供すると彼女は言いました。現在、科学者はついに理論の動作をより明確に見ることができます。
Alba は Northwestern の生物学者ですが、物理学の訓練を受けており、物理世界の多くを予測する指針となる原則に惹かれていました。 「生物学では、それらはありません」と彼は言いました。 「私は、生物学のすべてまたは多くの現象を説明する、または少なくとも私たちの理解を単純化できる、生物学の一連の原則を構築できるかどうか、常に興味を持っていました。」
アルバと彼の同僚が観察した制限された変動が動物全体に一般的に当てはまるかどうかを確認するには、より多くの種を定量的アプローチで分析する必要があります。 Carthew は、古生物学者が化石化した歯や骨でそれを試してくれることを望んでおり、Pallares は、それが 3 次元構造でどのように機能するかを知りたいと考えています。インペリアル カレッジ ロンドンの Michalis Barkoulas 氏は、将来、遺伝子と物理的形態の関係を理解することが、病気の仕組みを解明するのに役立つ可能性があると述べています。
現時点では、北西部のチームは別の研究に取り組んでおり、さらに数千のショウジョウバエの羽を調べています. キイロショウジョウバエの変異を特定するために彼らの定量的アプローチを使用した後 翅の形態を調べた後、彼らは自然淘汰が外見の多様性にどのように作用して、新しい密接に関連した種を形成したかについて考えてきました.彼らは、自分たちのアプローチが、ショウジョウバエから進化するこれらの次の種の出現を予測できるかどうか疑問に思いました。 . 「じれったいことに、私たちはイエスと言う寸前にいるようです」とマニは言いました。 「近くの種を予測できるかもしれません。」
編集者注: eLife の調査は、編集が独立したこの雑誌に資金を提供している Simons Foundation からの助成金によって部分的に支援されました。シモンズ財団の資金提供の決定は、私たちの報道に影響を与えません.
