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学部生に伝える研究最前線　生物の進化は内的要因に制限されている 生物の進化は内的要因に制限されている   入江 直樹（生物科学専攻 准教授）     生物がどんな姿に進化するかは，どのような仕組みで決まるのだろうか。現代進化論では，DNAへの突然変異により親世代と少し違った特徴を持った次世代が生まれ，そこから自然選択や偶発的要因を通して，より多くの子孫を残した個体の特徴が種内に広がることで進化過程を説明する。では自然選択次第で，馬からペガサスのような翼を持った動物を人工的に進化させることはできるのだろうか。数億年の進化の歴史を振り返れば，この可能性は限りなく低いだろう。哺乳類をはじめ，爬虫類，鳥類や両生類など2対の脚をもつ四肢動物のうち，3対目となる脚を獲得した動物はいないのだ（鳥類も前脚を翼に変化させただけだ）。体のサイズや体色を変えることはしばしば起こってきたのだが，不思議なことに，基本的な解剖学的特徴の変化は数億年の進化を通しても起きにくかった。特に，背側に配置される神経管・腹側の消化管・咽頭・神経堤細胞由来の器官などといった基本的な解剖学的特徴（ボディプラン）は脊椎動物の進化を通して変わっていない。長年の議論にも関わらず，この理由は明らかではなく，「ボディプラン変化は生存戦略上それほど有利ではなかったのだろう」といった根拠の乏しい推論に終始しがちな問題だった。 一方，近年の研究でこの問題に対する手掛かりが得られた。受精卵から成体がつくられる発生過程のうち，基本的な解剖学的特徴（ボディプラン）ができる時期は，その前後の発生時期と比べて進化的に多様化してこなかったという法則性（発生砂時計モデル*1）が明らかにされた。言われてみれば当然かもしれないが，ボディプランが進化を通して変化していないのはボディプランを形成する発生段階が変化してこなかったためだったのだ。こうなると次は，このボディプラン形成段階が進化を通して多様化してこなかったメカニズムの解明だ。 1つ1つ候補となる可能性を実験的に検証して消していくうちに，ある理論仮説*2にいきついた。そもそもボディプランが成立する胚段階は，その特徴にバリエーションが生じにくいため，新しい特徴を備えた個体を選び抜いて多様化することができない可能性だ。実は，われわれの過去の研究*3から，ボディプラン形成期は突然変異や環境ノイズに対して頑健であり，遺伝子発現レベルでみてもその特徴は変わりにくいことが判明していた。つまり，環境変動や突然変異を加えてもボディプラン形成期は特徴が変わりにくいのだ。では，環境変動や変異のない条件での安定性はどうだろうか。   図：生物の体づくり（胚発生）が備える頑健性・安定性（図左）は，その進化的多様性（図右）と相関していることが判明した。図中では下から上に胚発生が進む。体の基本構造ができあがる途中の胚段階は，環境変動や突然変異に対して頑健で，さらには内的なノイズに対しても安定であるため，表現型のバリエーションが生まれにくい。これはそもそも自然選択を受けて選抜される新しい特徴をもった個体が生まれにくいことを意味し，結果的に進化的な多様性（図右）の乏しさに結びついたと考えられる 今回の研究では，変異や環境変動の影響がほとんどない条件を構築し，この仮説を検証した。脊椎動物の一種であるメダカのうち，ゲノムの違いがほとんどない近交系*4のメダカを用い，さらに同じ親から生まれ，同じ環境で育った同性の子メダカ胚の遺伝子発現情報を大規模解析した。すると，やはりボディプラン形成期がその前後の発生段階よりも差異が小さい，つまり安定だということが判明したのだ。これら一連の結果は，ボディプラン形成期がそもそもバリエーションを生み出しにくいために保存されたという仮説と合致するもので，生物の特徴は安定性や頑健性といった内的特性により多様化が制限される可能性を示している。生物がどんな姿に進化するかが，生物そのものにある程度内在化されているという視点は，現代進化論には統合されておらず，今後進化論の拡張にもつながる重要な知見だ。 本件研究成果は，Y. Uchida et al., BMC Biology. 82, 20（2022）に掲載された。　　 ＊1  さまざまな動物の受精卵から成体ができるまでの過程（発生過程）を比較すると，ボディプランが構築される発生段階は，受精卵に近い発生初期や成体に近い発生後期よりも進化的な多様性が乏しいという法則性。現在，複数 の動物門において成立することが判明しているが，同じ動物門に属する動物群においてのみ成立し，動物門を超えては成立しないことがわかっている。 ＊２  揺らぎ応答理論と呼ばれ，今回の共同研究をともに行った生物普遍性研究機構の古澤力教授らの理論研究から提唱された。大腸菌などの単細胞生物では実験的にも支持されているが，複雑な多細胞生物で成立するかどうかは不明だった。 ＊３ Uchida et al. EvoDevo 9: 7, (2018）　＊４近親交配を繰り返して，遺伝的な違いが個体間でひじょうに小さくなった系統。   （2022年4月11日プレスリリース）   理学部ニュース2022年7月号掲載   学部生に伝える研究最前線>     News Press Releases 2024年 2023年 2022年 2021年 News 受賞・表彰 2024年 2023年 2022年 2021年 総長賞・学修奨励賞・研究奨励賞 受賞者一覧 お知らせ Features 理学部ニュース トピックス 2024年 2023年 2022年 2021年 理学エッセイ 理学のタマゴ 理学のススメ 未来へのとびら 理学の研究者図鑑 理学の謎 １+１から∞の理学 学部生に伝える研究最前線 理学の本棚 学生支援室よりみなさんへ・男女共同参画委員会よりみなさんへ 温故知新 英語で伝える科学 理学部見聞録 リガクル YouTubeチャンネル Events 理学部公開講演会 オープンキャンパス 高校生講座 女子中高生イベント 東京大学理学部ホームカミングデイ サイエンスカフェ 臨海実験所 植物園本園・分園 木曽観測所 過去に開催したイベント イベント通知メールの登録 サイエンスギャラリー イメージバンク 全て 建物 人 歴史 設備 教育 研究 物理学専攻 天文学専攻 地球惑星科学専攻 化学専攻 生物化学専攻 生物科学専攻 臨海実験所 植物園 地殻化学実験施設 天文学教育研究センター 数理科学研究科 学務からのお知らせ News Press Releases News 受賞・表彰 お知らせ Features 理学部ニュース リガクル YouTube Events サイエンスギャラリー イメージバンク 理学系について 研究科長からのご挨拶 憲章 組織 機構図・役職 窓口一覧(学内限定) 研究者 共有施設 理学図書館 小柴ホール・共通講義室 歴史 ロゴ 理学部概要・パンフレット 会議資料 教授会議事録 会議資料サイト(学内限定) 研究 最新の研究成果 専攻紹介 附属施設紹介 素粒子物理国際研究センター 研究倫理 入学案内 学部 アドミッションポリシー 学士入学 GSC 学部研究生 学部聴講生 奨学金 大学院 --> 大学院 アドミッションポリシー 修士課程 博士課程 GSGC 外国人特別選考 外国人研究生 大学院研究生 特別聴講学生 奨学金 教育 学部教育 お知らせ 学科紹介 カリキュラム・ディプロマポリシー 教育プログラム 科目ナンバリング 授業評価アンケート 大学院教育 お知らせ 専攻紹介 カリキュラム・ディプロマポリシー 教育プログラム 産学連携プラットフォーム 科目ナンバリング 国際 ダブルディグリープログラム 受入れプログラム 学生の声 UTRIP GSC GSGC その他プログラム 派遣プログラム 学生の声 SVAP UGRASP GRASP その他プログラム 支援 奨学金・経済的支援 就職情報・キャリア支援 キャンパスライフ 保健センター 学生支援室 育児支援室・休養室 ハラスメント相談体制 ダイバーシティ＆インクルージョン 男女共同参画室 バリアフリー支援室 国際支援 留学生 外国人研究者・教員 在学生向け留学情報 研究者の海外派遣情報 グローバル化支援(学内) ETHZとの戦略的パートナーシップ(SPUR) 研究科支援 研究支援総括室 情報システムチーム 技術部 広報室 環境と安全 環境安全管理室 放射線管理室 研究資金 卒業生・修了生 同窓会 各種証明書交付申請のご案内 寄付のご案内 基金紹介 寄付金の活用事例 寄付者からのコメント 社会貢献 --> 社会貢献 公募 アクセス お問い合わせ 撮影・取材について ポリシー サイトマップ facebook twitter YouTube instagram spotify © 2024 東京大学 大学院理学系研究科 広報委員会 ↑