日和見主義者としての進化
進化には日和見主義の例が散らばっています。 ウイルスに感染した宿主は、病気のエージェントが残した遺伝物質の新しい用途を発見した。代謝酵素は何とか目のレンズを通して光線を屈折させるようになった。哺乳類は、若い人が産道を通過するのを助けるために頭蓋骨の間の縫合糸を利用した。そして、署名の例では、現代の鳥の祖先が空に連れて行く前に化石に羽が現れた。
このような場合、進化は、正しい状況が生じたときに既存の特性を新たな用途に合わせることによって行われました。 これらのインスタンスは、トレイトの現在の使用が常にその起源を説明するとは限らないという教訓を提供します。
1982年、Stephen Jay GouldとElisabeth Vrbaはこの現象に名前を付けました：exaptation。 彼らがそれを説明したように、exaptationは適応のより身近な概念に対応しています。 Exaptationは新しい用途のために入隊された特性ですが、適応は現在の機能のための自然選択によって形作られています、と彼らは書いています。
土地に住む動物の四肢の骨の順序と配置は、これらの四肢がもともと水を航行するために進化したため、土地を歩くための適応であり、対照的に、骨の形
この概念は、進化の歴史的な文脈において、覚醒と適応の力を区別することが非常に困難であったため、最初に生まれて以来議論の余地がありました。 最近まで、形質の共同選択の証拠は、羽の進化などのケーススタディに限定されていました。 しかし、形態学的、行動的、そしてますます分子領域からの例は、この現象が一般的に理解されているよりも進化においてはるかに大きな役割を果た
Natureの新しい研究は、潜在的な搾取を包括的に特定する最初の試みである可能性があるものを提供しています。 代謝に焦点を当てた研究の結果は、逸話的な例を補完し、少なくともこのシステム内では、exaptationの貢献を定量化するための最初の一歩を踏み出すと、研究者はこの研究に関与していないと述べた。
科学者たちは、ある種の燃料を使用するように調整された無作為化代謝系を作成するために計算モデリングを使用し、これまでに消費したことのない他の燃料を使用する潜在的な可能性を持つことが多いことを示しました。 したがって、その通常の食物源を奪われた仮説的な生物は、第二の、完全に新しい燃料でうまく管理することができます。 このシナリオでは、燃料を転換するその容量はexaptationをもたらす。
「抽出が生物学的に重要なプロセスの進化において非常に重要であることがますます明らかになってきていると思います」と、研究に関与していな 「GouldとVrbaが指摘していたこれらのプロセスの実際の重要性を示す証拠が増えています。”
隠された可能性を求める
exaptationを特定するには、歴史を振り返る必要がありますが、これはほとんどの生物学的形質とは容易ではありません。 チューリッヒ大学のAndreas WagnerとAditya Barveは、進化をシミュレートし、結果をテストすることによってこの問題を回避しました。 彼らは、生物が食物を分解し、生存と成長に必要な分子を生成するために使用する反応のネットワークの計算表現を使用して、代謝に焦点を当てました。
彼らは知りたいと思っていました: ネットワークがグルコースなどの特定の炭素源を使用するように適合されていた場合、アデノシンや酢酸などの他の炭素源も使用できますか？
この範囲の研究は実際の生物を用いては不可能であるため、BarveとWagnerは大腸菌によって使用される1,397反応ネットワークのモデルから始めました。 この出発点から、彼らは大腸菌ネットワークからの反応を交換し、既知の代謝反応のプールからランダムに選択された反応に置き換えることによってネッ （科学は自然界のすべての代謝反応を文書化していないが、代謝は比較的よく理解されており、他のシステムよりも作業が容易で普遍的である。)
彼らはこのスワップのための一つの要件を設定しました：ネットワークはグルコースを使用できるままでなければなりません。 この要件は、自然選択のためのスタンドインとして機能し、それは機能不全のスワップを除外しました。
BarveとWagnerは500の新しい代謝ネットワークを生産し、それぞれ5,000のスワップの結果を得ました。 その後、彼らはそれぞれを評価し、グルコースに加えて49の他の炭素源のいずれかを代謝できるかどうかを尋ねました。 ネットワークの96％が複数の炭素源を使用できることが判明しました。 平均的なネットワークは、それらのほぼ5を使用することができます。 言い換えれば、一つの適応（グルコース上の生存率）は、複数の潜在的な適応を伴っていた。
結果はグルコース駆動ネットワークに限定されませんでした。 WagnerとBarveは実験を繰り返し、他の49個の炭素源分子のそれぞれを使用する能力を選択し、これらのランダムに作成されたネットワークの大部分が複数の炭素源で機能する可能性があることを発見した。
彼らはまた、この柔軟性は、炭素源間のいわゆる代謝的近接性によって容易に説明できないことを発見した。 言い換えれば、グルコースを使用することができるネットワークは、グルコースから容易に作ることができる分子を使用することができるように確実に素因がなかった。 “それが覚醒の発生率の唯一の説明であれば、それは興味深いものではないだろう”とワグナーは語った。 “それは生化学がどのように機能するかの必要な結果になるでしょう。”
代わりに、ネットワークの複雑さはその柔軟性を決定するように見えました。 「生物が行うことの多くは、実際にははるかに簡単な方法で設計することができます」とWagner氏は述べています。 「この結果は、この複雑さが重要な副産物、すなわち潜在的に有益な形質を有する可能性があることを示唆している。”
Beyond Metabolism
眼の水晶体にはクリスタリンと呼ばれるタンパク質が詰め込まれており、光線を屈折させて網膜に集中させる。 クリスタリンは、他の無関係な仕事から借りられているようです。 例えば、alphaB-crystallinは、ストレス下で他のタンパク質を保護する心臓などに見られ、国立衛生研究所の国立眼研究所の名誉科学者であるJoram Piatigorskyは述べています。 他のクリスタリンは代謝反応を触媒することができる、と彼は言った。
BarveとWagnerの作品は、分子レベルでのexaptationの例が増えています。 Thorntonは、例えば、ロックおよびキーのように一緒に合うホルモンおよび受容器の進化を調査した。 適切な状況下で、彼はパートナーシップの半分が新しいホルモン受容体システムを生み出すために協力することができることを発見しました。
31年前、GouldとVrbaは、ウイルスに由来するトランスポゾンとして知られている反復的なDNA配列が、最初は直接的な機能を果たさないかもしれないが、後に大きな利点を得るために使用される可能性があることを示唆した。 それ以来、研究はトランスポゾンが妊娠の進化に重要な役割を果たしたことを示しています。 イェール大学の進化生物学者でアンドレアス-ワグナーの元博士顧問であるGünter Wagnerは、”これらはウイルスから来ていますが、構築されていないものに利用するこ 二人は関係ない。
バランスをシフト
代謝研究は、新規形質の健康な部分がexaptationsとして彼らの開始を得ることを示唆しています。 実際には、比率は大きくそのように歪んでいます; 一つの形質、グルコース上の生存率のために選択されたネットワークは、平均して、彼らが潜在的に引き出すことができるほぼ5つの非適応形質を持っていた。 BarveとWagnerは、これが有益な形質の起源についての仮定の再考を促すべきであると主張する。
ワグナーはシナリオを提供することによって説明した：微生物学者が新しい細菌を分離し、その細菌がかなり一般的な炭素源で生存可能であること 「反射的にこの微生物学者は、それが適応であるため、細菌はその炭素源で生存可能であり、細菌が過去に生存するのを助けた」とWagnerは語った。 “しかし、我々の観察は、それが必ずしも真実ではないと言います。 たぶんこれは副産物の特徴の1つにすぎません。「
「一般的に私たちが見つけたものが成り立つならば、適応である形質と適応ではない形質を区別することは非常に困難になるだろう」とWagner氏は言
この研究以前でさえ、2つの概念—適応と脱適応（非適応形質または別の目的に適応した形質から引き出された）—を分離することは困難であった。 GouldとVrbaは、一方が他方につながる可能性があり、複雑な機能には両方が含まれていることを認めました。しかし、
他の人たちは、適応と適応を区別することは不可能であり、グールドとVrbaの適応の定義は冗長であると言っています。 「現在使用されているもののために設計されたものは何もありませんでした」と、ダーラム大学の進化生物学者であるGreger Larson氏は述べています。 彼と彼の同僚は、進化生物学の文献における適応に対する適応の使用の減少を特定し、明確な区別の欠如にその傾向を非難し、この用語を再定義す
過去の選択圧力の濁りは、どんな形質も真に適応的であったと言うことを困難にする。 鳥やコウモリの翼は腕の復活と呼ぶことができますが、その後の構造変化は”あなたは歴史的な事件について話しているので、適応と呼ぶことはできま; それはあなたがテストできるものではありません」と、Vrbaで学んだアメリカ自然史博物館の脊椎動物の古生物学者であるMark Norellは言いました。
しかし、その区別は微妙であるかもしれないが、exaptationとadaptationは実際には明確で意味のある現象であるという反論もある。 “確かに、（事実上）すべてが以前の形式の修正です”とThorntonは電子メールで書いています。 “しかし、それはポイントではありません。「決定的な要因は、彼と他の人が言った、自然選択の行動です。
ソーントンは、二つの例を提供しました: 新しい突然変異が酵素が環境に存在する農薬を解毒することを可能にする場合、解毒活性は適応であり、すなわち自然選択の結果として現れた。 一方では、一度1つのプロセスの調整を担当するホルモンが第2プロセスを調整するためにco-optedならホルモンが第2プロセスを調整するために自然選択によって展開しなかったのでそれはexaptationである。
BarveとWagnerの理論的アプローチの強さは、歴史的な文脈の外でexaptationの可能性を確実に示すことができるということでした。 ランダムに代謝ネットワークを組み立てることによって、彼らは実際の微生物に伴う進化の荷物を回避することができました。 しかし、進化における覚醒の役割を真に評価するためには、生きている生物における結果を検証する必要があります。 それは彼らが次のことを望んでいることですが、正確にどのように見られるかはまだ残っています。 “我々はまだそれを理解しようとしている、”ワグナーは言った。 “それは本当に難しい問題です。”
この記事は転載されましたScientificAmerican.com