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SCIENTIFIC AMERICAN January 2009

Testing Natural Selection with Genetics

ゲノムから見た自然選択のパワー

By H. Allen Orr H. A. オール
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Some ideas are discovered late in the history of a scientific discipline because they are subtle, complex or otherwise difficult. Natural selection was not one of these. Although compared with other revolutionary scientific ideas it was discovered fairly recently―Charles Darwin and Alfred Russel Wallace wrote on the subject in 1858, and Darwin’s On the Origin of Species appeared in 1859―the idea of natural selection is simplicity itself. 科学の歴史では,難解さやとらえにくさ,あるいは複雑さのために,最近になるまで発見されなかった概念がいくつかある。しかし,自然選択はそういうものではない。ダーウィン(Charles Darwin)とウォレス(Alfred Russel Wallace)が論文を発表したのは1858年,ダーウィンが『種の起源』を出版したのは1859年なので,自然選択が発見されたのは他の画期的な科学的概念と比べるとかなり最近のことといえる。だが自然選択の概念は非常にシンプルだ。
Some kinds of organisms survive better in certain conditions than others do; such organisms leave more progeny and so become more common with time. The environment thus “selects” those organisms best adapted to present conditions. If environmental conditions change, organisms that happen to possess the most adaptive characteristics for those new conditions will come to predominate. Darwinism was revolutionary not because it made arcane claims about biology but because it suggested that nature’s underlying logic might be surprisingly simple. あるタイプの生物は特定の状況では他の生物より多く生き残る。こうした生物は子孫も多く残せるので,時とともにますます増加する。こうして,自然が現在の環境に最もよく適応したこれらの生物を「選択」する。環境条件が変化すると,今度はたまたま新しい条件に最も適応しやすい性質を持っていた生物が優位になる。ダーウィンの進化論が画期的だったのは,生物学の難解な主張をしたからではなく,自然の基本的な論理は驚くほどシンプルかもしれないことを明らかにしたからだ。
I n spite of this simplicity, the theory of natural selection has suffered a long and tortuous history. Darwin’s claim that species evolve was rapidly accepted by biologists, but his separate claim that natural selection drives most of the change was not. Indeed, natural selection was not accepted as a key evolutionary force until well into the 20th century. その単純さにかかわらず,自然選択の理論は紆余曲折の歴史をたどることになった。生物学者は「種は進化する」というダーウィンの主張をすぐに受け入れたが,自然選択がほとんどの進化をもたらしているというもう1つの主張は認めなかった。実際,自然選択が進化の重要な推進力であることは,20世紀になってもなかなか認められなかった。
The status of natural selection is now secure, reflecting decades of detailed empirical work. But the study of natural selection is by no means complete. Rather―partly because new experimental techniques have been developed and partly because the genetic mechanisms underlying natural selection are now the subject of meticulous empirical analysis―the study of natural selection is a more active area of biology than it was even two decades ago. Much of the recent experimental work on natural selection has focused on three goals: determining how common it is, identifying the precise genetic changes that give rise to the adaptations produced by natural selection, and assessing just how big a role natural selection plays in a key problem of evolutionary biology―the origin of new species. 何十年にもわたる詳細な実証的研究の結果,自然選択の地位はいまでは確固たるものになっている。だが自然選択の研究は決して完成したわけではない。それどころか新しい実験技術が開発されたこともあって,20年前よりも活発な分野となっている。自然選択の基礎となる遺伝メカニズムに関して,綿密で実証的な分析が可能になったからだ。自然選択に関する最近の実験の多くは,3つの目標に集中している。まず,自然選択がどのくらい一般的なものかを見きわめること。そして,自然選択による適応のもととなる遺伝子の変化を正確に特定すること。さらに,新しい種の分岐という進化生物学の重要な問題において,自然選択がどのくらい大きな役割を果たしているかを評価することだ。
Natural Selection: The Idea
The best way to appreciate evolution by natural selection is to consider organisms whose life cycle is short enough that many generations can be observed. Some bacteria can reproduce themselves every half an hour, so imagine a population of bacteria made up of two genetic types that are initially present in equal numbers. Assume, moreover, that both types breed true: type 1 bacteria produce only type 1 offspring, and type 2 bacteria produce only type 2s. Now suppose the environment suddenly changes: an antibiotic is introduced to which type 1s are resistant but to which type 2s are not. In the new environment, type 1s are fitter―that is, better adapted―than type 2s: they survive and so reproduce more often than type 2s do. The result is that type 1s produce more offspring than type 2s do.
 自然選択の概念
自然選択による進化を見る最も良い方法は,ライフサイクルが短くて多数の世代を観察できる生物を調べることだ。細菌の中には30分ごとに分裂して増殖できるものがある。そこで,2種類の遺伝子型の細菌が最初は同じ数だけ存在している集団について考えてみよう。このとき両方の型はそれぞれの親世代の形質を維持し,1型の細菌は1型の子孫だけを,2型の細菌は2型の子孫だけを残すと仮定する。ここで培地に抗生物質を加える。環境の突然の変化を模倣したものだ。1型はこの抗生物質に耐性があるが,2型にはない。この場合,新しい環境には2型より1型の方が合っている,つまり「より適応している」ので,1型は生き残って2型より多く増殖する。結果,1型の子孫は2型より多くなる。
“Fitness,” as used in evolutionary biology, is a technical term for this idea: it is the probability of surviving or reproducing in a given environment. The outcome of this selection process, repeated numberless times in different contexts, is what we all see in nature: plants and animals (and bacteria) that fit their environments in intricate ways. 進化生物学で使われている「適応度」という言葉は,こうした概念を表す用語で,特定の環境で生存・繁殖できる可能性を示している。自然選択のプロセスがさまざまな状況で無限に繰り返された結果が,自然界にいま見られる生き物たちだ。彼らは自らの生息環境に複雑な方法で適応してきたのだ。
Evolutionary geneticists can flesh out the preceding argument in much richer biological detail. We know, for instance, that genetic types originate in mutations of DNA―random changes in the sequence of nucleotides (or string made up of the letters A, G, C and T) that constitutes the “language” of the genome. We also know a good deal about the rate at which a common kind of mutation―the change of one letter of DNA to another―appears: each nucleotide in each gamete in each generation has about one chance in a billion of mutating to another nucleotide. 進化遺伝学では豊富で詳細な生物学的知識をもとに,従来より具体的な議論ができるようになった。例えば遺伝子型は,DNAの変異,つまりゲノムの「言葉」を構成する塩基配列(A,G,C,Tの文字で書かれた文字列)のランダムな変化から生じることがわかっている。またDNAの1文字が別の文字に変わる変異はよく見られるが,それが生じる割合についてもよくわかっている。各世代の配偶子(精子や卵子など)に含まれているそれぞれの塩基は,約10億分の1の確率で別の塩基に変異する。
Most important, we know something about the effects of mutations on fitness. The overwhelming majority of random mutations are harmful―that is, they reduce fitness; only a tiny minority are beneficial, increasing fitness. Most mutations are bad for the same reason that most typos in computer code are bad: in finely tuned systems, random tweaks are far more likely to disrupt function than to improve it. さらに重要な点は,DNAの変異がどのくらい個体の適応度に影響するかについてもある程度わかっていることだ。ランダムな突然変異は圧倒的多数が有害で,適応度を低下させる。適応度を高める有利な変異はごくわずかだ。ほとんどの変異が有害なのは,コンピューターコードの誤字のほとんどが有害になるのと同じ理由だ。細かく調整されたシステムでは,ランダムな微調整によって機能が向上する可能性より,低下する可能性の方がはるかに大きい。