（前頁）＜＜ ＞＞（次頁） (Up) 人工生命の進化実験
～～ 遺伝子ネットワーク進化による平衡断続進化と発生反復現象の発生 ～～
２．シミュレーションモデル
本シミュレーション内の世界では以下の様な環境内で多細胞生物（植物）を何世代にもわたり生育させた。
２．１ シミュレーション世界
シミュレーション世界の概要を図２．１に示す。
図２．１ シミュレーション世界の概要
世界は複数のテレトリーに分割されており、各テレトリー内には、生物は１個体のみ生育できるとした。 もしも全てのテレトリーが他の個体に占有されていたならば、種を蒔くことができない。 環境要素としては、以下の要因を設定した。
・温度
・水分
・光
世界は季節を持ち、夏は高温多湿、冬は低温乾燥状態となる。 世界には雨は降らず、高温多湿時には土は湿り、低温乾燥時には乾く。 生物は土中に含まれ水分を吸収するが、空気中からは吸収できない。 光は世界全体に一様に降り注ぐが、生物が高く成長すると、全体の平均高さよりも低いところは影となり、地面に近いほど光が弱くなる。
これらの環境要因は個体の生理代謝に影響を及ぼす。 例えば、植物が光合成を行うためには、水と光と一定の温度が必要である。 水の吸収も高温なほど活発である。
個体が吸収／生産したエネルギー（糖）は生体の維持に消費されると共に、余った糖は生体内に蓄積されるものとする。
個体は、１個の種子細胞から成長し、やがて成熟して、種子を形成した後、枯れる。 世界には死神が徘徊しており、個体は絶えず死の危険に曝されている。 生物の約半数は、３６０日の間で死亡し、そのテレトリーを明け渡す。 但し、個体が死亡する確率は一様ではなく、個体が蓄えた全エネルギーの少ないものほど死亡する確率が高いものとした。（例えば、細胞数が少なく個体全体としてエネルギー蓄積が少ない個体は死亡確率が高い） また、一つの個体が永遠に生き続ける事を防ぐため、一定の年齢以上となった個体は死神に狙われやすくした。
個体の死亡によって空いたテレトリーには、成熟した個体が作った種が蒔かれて、新しく種から発芽した個体によって占有される。 ここで、種子は個体が自らの細胞の一部分を成熟させたもので、成熟細胞の蓄えたエネルギーと水分を相続し、蒔かれた後には、しばらくの間それらを消費しつつ生存することを可能とした。 つまり、種子に多くのエネルギーと水分を相続させると、種子が生き残る可能性が高くなる。 個体が成長しても成熟細胞を形成することができない場合には不念となり、子孫を残すことができず、一代限りで絶滅する。
複数の成熟個体が存在する場合には、配偶者（個体間で交配を行う相手）の獲得と、空きテレトリーの獲得をめぐった個体間競争が発生する。 この時の繁殖確率は、成熟細胞の持っているエネルギーと個体内総合エネルギーを変数とする関数として表し、ルーレット選択を適用して種を残す個体を選択する。 すなわち、成熟細胞に多くエネルギーを蓄え、且つ個体としてもエネルギー量が多いものほど、多くの子孫を残す可能性がある。（成熟した個体が複数存在しなければ、自家受精するものとした。） 個体は、死神の餌食となるか餓死するまでは、お互いに生存するため、世界には色々な生育段階の個体が存在することになる。 このため、成熟時期が異なった個体間では交配及び、競合が起こらない。 この為、交配時期がずれていれば、蓄えたエネルギーの大きく異なる個体も同時に共存することが可能であり、このことが、遺伝子の多様性を維持してゆくことにつながると思われる。（例えば、種子に財産は多くの残さないが、とにかく、早く成熟して、他の生物よりも先にテレトリーを専有してしまうという生き残り戦術も考えられる。）
細胞の代謝機能は水の吸収（土中の水分には若干の栄養もあると仮定した）と光合成によるエネルギー生産、また、生存の為のエネルギー消費と水の消費を考えた。 細胞の持つエネルギーまたは水の量が、一定期間ゼロ以下となった時に、その細胞を死亡させる。 すべての細胞が死亡した場合には、個体本体も死亡と見なす。 （個体の死と個体を形成する細胞の死は必ずしも一致しない。細胞の一部が死んでも、個体自身は生き続ける。 一部の細胞の死を積極的に利用することで、個体の形を整える事ができるかもしれない。）
２．２ 遺伝子ネットワーク
ところで、種子の中には 自家受精の場合には親の複製遺伝子が、また、他家受精の場合には両親の遺伝子が受け継がれる。
多細胞生物体を構成している各細胞は同じ受精卵から分裂し、同じ遺伝子を持っているにも関わらず、異なった外観や働きを示す。 これは、同じ遺伝子を受け継いだ細胞あっても、異なった遺伝子が発現することで、異なる機能を持つことを示している。 つまり、生物の細胞は、自分を構成しているタンパク質の生産を指示するために、所有する遺伝子のうち、一部の遺伝子のみを発現させている。 ここで発現している遺伝子をオン状態、発現していない遺伝子をオフ状態と呼ぶ。 このような遺伝子の発現コントロールは、図２．２の模式図に示すようにして行われている。
図２．２ 遺伝子のON/OFF制御の模式図
図２．２において遺伝子：Ａが発現するためには、DNAがRNAに転写され、そのRNA情報に基いてにリボソームでタンパク質が合成されなけばならない。 DNAをRNAに転写するのは、RNAポリメラーゼと呼ばれる転写酵素であが、転写は、それが遺伝子上のプロモータへ結合することから始まる。 プロモータへ結合したRNAポリメラーゼはプロモータ部分からDNAの一部分をほどき、RNAに転写した後、その部分を巻き戻しながら遺伝子上を移動してゆく。遺伝子の終了コード部分に達するとDNAから離れRNAを解放する。
遺伝子の発現のコントロールはRNAポリメラーゼとプロモータの結合部分を制御することにより行われる。 プロモータの近傍にはオペレータと呼ばれる部分が存在し、ここに調整タンパク質（リプレッサー）が結合することにより、オペレータの活性を阻害する。 逆に異なる調整タンパク質（アクチベーター）は、RNAポリメラーゼの結合を誘引し、RNA転写を促進する。 この様にしてRNAへの転写の抑制や促進を行って、遺伝子の発現をコントロールする。
ところでリプレッサーやアクチベーターもタンパク質であるから、それの合成をコードした遺伝子に対して同様の制御機構が働く。 この様に遺伝子同士の活性化のコントロールがカスケード状につながって、適切な時期と部位で適切な遺伝子が発現するようにして、生物個体という複雑なシステムを形成している。
シミュレーション上では、遺伝子間の相互作用を、遺伝子ネットワークという形に単純化した。つまり、タンパク質をコードする遺伝子をネットワークのノードとし、各遺伝子間の相互影響を重み付きの有向線分として表す。
図２．３ 遺伝子ネットワークの模式図
この遺伝子ネットワークによる遺伝子発現のコントロールモデルを図２．３に示す。 図において染色体上で、タンパク質：ａ、ｂをコードしている遺伝子：Ａ、Ｂの遺伝子スイッチがオンであるとすると、タンパク質ａ、ｂの濃度は次第に上昇してゆく。遺伝子：Ｃは遺伝子ネットワークに示されたように、タンパク質：ａ及びｂの濃度の影響を受る。もし、隣に細胞が存在するならば、隣の細胞内のタンパク質：ａ、ｂからの影響も受けることになる。タンパク質：ａ、ｂの影響度がある敷居値を越えると遺伝子：Ｃの遺伝子スイッチがオンとなる。オンとなった遺伝子：Ｃはタンパク質：ｃの生産を開始する。このタンパク質：ｃはさらに遺伝子：Ｄに影響を与える。
これらを数式で表すと次のようになる。
細胞：S内の遺伝子：iが、同一細胞内のタンパク質から受ける影響度Uisは、タンパク質濃度をCjsとして、[1]式で与えられる。
[1]
ここに、wij は遺伝子ネットワークの結合強度である。 また隣り合う別の細胞：k内のタンパク質濃度をCjk として、別細胞から受ける影響度
Eis は [2] 式で与える。
[2]
これらを合わせて、遺伝子が受ける影響度 uis は [3] 式で与えられる。
[3]
ここに、 pi は細胞間での影響度結合計数である。 ここで、uis の値によって遺伝子スイッチを下記の通り変化させる。 敷居値を
として
ならば遺伝子スイッチオン
ならば遺伝子スイッチオフ
遺伝子Cがコードするタンパク質の濃度変化量δCis は
遺伝子スイッチがオンならば
遺伝子スイッチがオフならば
として [4] [5]
式で求める。
[4]
[5]
ここで、[4]式はタンパク質濃度が最小値または最大値に近い時にその値が急激に変化させない為に入れている。 光や、温度、水分等の環境の影響を受ける遺伝子の場合には、[5]式において、環境によってoffset
の値が変化するものとしている。 なお、 [5]式中で、qCis
は遺伝子スイッチがオフとなったときに徐々にタンパク質濃度が減少していくことを示している。
従って、次の時刻でのタンパク質濃度：next_Cisは[6]式で与えられる。
[6]
２．３ 遺伝子コード
本シミュレーションでは、遺伝子ネットワーク構成する１つの要素（単位要素）を図２．４に示すようにコード化する。
図２．４ 遺伝子ネットワークを構成する要素
図２．４において 単位要素は、区分コード、発現タイプ、結合強度の情報を持っている。 発現タイプはさらに、主データと補足データに分割されている。
区分コードは、その遺伝子が解読されたときに、遺伝子ネットワークのノードか、あるいはノード間を結ぶ有向線分か、またはジャンク遺伝子かを区別するためのコードであり、"P"の文字が入っていればノード部分、"r"の文字が入っていれば、有向線分、"I"の文字が入っていればジャンク遺伝子に相当する。
ノード遺伝子（P)は、発現タイプ内のコードで示された遺伝子（後述）として発現する。 例えば、ここに緑の色素を発現するコードが入っていれば、この遺伝子は緑色の色素として発現する。
一方、区分コードが有向線分を示す（ｒ）ときは、直前のノード遺伝子がどのノードに接続するかを意味し、その結合先ノードの発現タイプを示す。結合先ノードが複数存在する場合には、補足データ同士のハミング距離が最も近いものに結合させる。 結合強度はそのときの結合強度を
-1.0 ～ 1.0
の範囲の実数として表す。
ジャンク遺伝子（I）は、遺伝子ネットワーク形成には何ら影響を与えない。 尚、 ノード遺伝子（P)の結合強度の絶対値は、隣あう細胞間での影響度を表す。
本シミュレーションでは、染色体上に上記遺伝子の単位要素が一列に並んだ構造とした。
図２．５に 遺伝子の単位要素が染色体上に並んだ様子と、それを解読した時の遺伝子ネットワークを示す。
図２．５ 染色体上の遺伝子と それを解読した時の遺伝子ネットワーク
図２．５において、発現型の遺伝子単位要素（P)は、 発現タイプとして （TM- b）、 （R1 f）、 （R1 i）、 （R2 ｌ） の４種類がある。（記号の意味については後述）
これら４種類の発現タイプをノードとする。 つぎに、各発現タイプ間の結合であるが、例えば、２番目の（TM- b）のあとには、３個の有向線分を示す遺伝子単位要素が存在している。３番目は発現型（R2)に、４番目は発現型（R1）に、５番目は発現型（VD+)に向かってそれぞれ強度 ０．２５，－１．０、－０．５で結合する。 ４番目が結合すべき発現型ノードは （R1 f）、 （R1 i）、 の２種類存在しているが、 補足データ同士を比較して、ハミング距離が近い（R1
f）に結合させた。（注意：ここで、補足データ側に記述されている a～ｍまでの記号は説明の為であり、実際は１６ビットの２進数で表されており、ASCIIコード等とは無関係である） また、５番目は 結合先が（VD+)であるが、この生物が持つ染色体上には、発現型（VD+）が存在しないので無効となる。 同様に（R1
f）のは （R2 l）に結合強度 －１．０で結合し、（R1 i）は、発現型 （R1 f）、（R2 ｌ） にそれぞれ －０．２， ０．５の強度で結合する。 （R2
l）は 発現型（R3 m）に結合したいが、本生物上の染色体には発現型（R3 m）が存在しないので、（R2
ｌ）から他のノードへ向かう結合は無い。以上述べてきた結合は全て同じ細胞内に存在する遺伝子からの影響度である。
一方、隣あう細胞からの結合強度（[2]式に相当）は、発現型単位要素の結合強度で表す。 ２番目の発現型（TM- b）の結合強度は０．５が入っているので 隣り合う細胞からは ０．５／４ の強度の影響を受けることになる（上下左右４方向からの影響を受けるため、０．５を４で割っている）。 図では、細胞間の相互依存度の高い（結合の絶対値が0.75～1.0）遺伝子は２重の楕円で、細胞間の相互依存度の低い（結合の絶対値が0.0～0.25）遺伝子は長方形で示している。
尚、ジャンク遺伝子単位要素（I)が存在する時には、そのジャンク遺伝子単位要素（I)から次の発現型単位要素（P)までの間が全て解読対象から外れる（すなわちイントロンとみなされる）
生物が成熟して種子を作成する時に 子孫に残す遺伝子は、自分の遺伝子のコピーであるが、一定の確率で誤りを起こす。
自家受精の場合には 、重複、欠損、突然変異が発生することが有り、 他家受精の場合には、それらに加えて染色体間の交差が発生するものとする。
図２．６に 自家受精の場合の遺伝子複製時のミスを示す。
図２．６ 遺伝子複製のミスによる遺伝子ネットワークの変化
図２．６において、母遺伝子の２，３番目の遺伝子が重複を起こし、娘遺伝子の４，５番目に挿入されている。また、８，９，１０番めの遺伝子は娘遺伝子では欠損している。 母遺伝子１１，１２，１３番目の遺伝子は突然変異を起こし内容そのものが変化している（ P←→I, I←→ｒ、P←→ｒ の変化も有り）。 この様な複製ミスにより娘遺伝子を解読したネットワークも 大きく変化している。
他家受精の場合には、上記に追加して 遺伝子交差が発生することがある。 すなわち父方と母方の遺伝子がある位置から互いの遺伝子を交換することである。（たとえば母遺伝子の８番目以降と父遺伝子の８番目以降の遺伝子をそっくり交換する等）
つまり、次の子孫を残す時に親の遺伝子の複製ミスや交差が子孫に伝えられることで遺伝子ネットワークの進化が発生する。
本シミュレーションでは、発現型は天下り的に 予め定義しておいた。 表２．１に、発現型として準備した遺伝子タイプを示す。
表２．１ 本シミュレーションで定義した 遺伝子発現型
タイマー遺伝子ＴＭ－は、受精直後に受精卵の遺伝子スイッチをすべてオフにしておくと、ネットワークは動作しないため、遺伝子ネットワークを駆動するためのバイアスとしていれた。 ＲＰ＋は細胞を成熟させるためのタンパク質を生成させ、そのタンパク質濃度が限界値以上になったときに、その細胞を成熟させる。 ＧＲＹ、ＲＥＤ、及びＧＲＮは細胞のエネルギー代謝を決定する遺伝子で、それぞれ、灰色、赤色及び緑色の色素として表す。
緑は、強い光と豊富な水の元で光合成により多量のエネルギーを生産するが、自己生存の為のエネルギー消費も多い。灰色や無色は、自らエネルギー生産を行わないが、水の吸収能力が高い。 赤は、その中間の性質をもつ。 無色の代謝は灰色と同じであるが、水の吸収能力が劣っている。 細胞の色の決定は次のようにして行う。 緑、赤、灰色色素の量がすべてある限界値以下であるときには細胞の色は無色である。色素の量が限界値を越えた場合には、もっとも多い色素の色に変色するものとする。 ただし、複数の色素の量が同じならば、細胞の発色優先順位は緑＞赤＞灰色の順である。 尚、水の吸収時には、若干の水内に含まれるエネルギーも同時に吸収できるものとし、含まれているエネルギー量は、灰色や無色の細胞ならば生存可能な量であるとした。
表２．２ 本シミュレーションにおける細胞の色と代謝の関係
ＨＤ＋、ＨＤ－は水平方向への、またＶＤ＋及びＶＤ－は垂直方向への成長促進タンパク質、及び成長抑制タンパク質を生成する遺伝子である。 成長促進タンパク質と抑制タンパク質の濃度差によって、細胞内の細胞分裂ポテンシャルを増減させる。 分裂ポテンシャルは垂直方向と水平方向の２種類持つこととする。 細胞分裂ポテンシャルがある値以上となると、細胞は分裂する。 このとき、母細胞と娘細胞の間に間隙は存在しない。 もし、分裂する方向にすでに細胞が存在しており、且つ、細胞間に間隙が存在すれば、細胞は、分裂せずにその間隙を埋め、細胞同士が互いに接し癒着する事になる。 分裂ポテンシャルがある値以下となると、細胞は収縮し、隣り合った細胞の間に隙間が発生する。２個の細胞が、互いの位置と垂直方向に分裂した場合には、それぞれの娘細胞間にははじめから間隙が存在しているものとする。 間隙が連なった場合に、それは毛細管を形成する。 また、垂直方向と水平方向の分裂ポテンシャルが同時に一定値以下となった場合には、その細胞は死亡する。 ＷＴＲ、ＬＧＴ、ＴＭＰ及びＥＮＧは、環境の状態を検出する遺伝子であり、Ｒ１～Ｒ５は細胞の性質には直接影響しない介在遺伝子である。
本シミュレーションでは、 染色体の長さも変化するが、染色体長の差が一定値を超えると 別の種とみなし、その個体間では交配が発生しなくなる事とした。
生物が種として環境変化等に柔軟に対応できるためには遺伝子の多様化が必要である。 すなわち同じ種（交配可能である）であっても、多様な遺伝子を持っている方が良い。 特に本実験は １６ビット DOS
Vマシンを用い、メモリー容量も６４MByte
以下であり、個体数を数多くは取れなかったので、次のような工夫により、少ない個体数であっても 可能な限り遺伝子の多様性を確保した。
①リーディング鎖とラギング鎖の存在
遺伝子を複製する際、リーディング鎖側とラギング鎖側の複製の誤り率を変え、ラギング鎖側の誤り率を高くした。
②強性弱性遺伝子の存在
遺伝子を２培体とし、発現型に対して強性遺伝子と弱性遺伝子を持たせた。 通常発現型は強性遺伝子が優先されるが、弱性同士が重なると弱性側の性質を発現させる。すなわち強性遺伝子の個体にも弱性遺伝子が隠れて存在し、生き残ることが可能としている。
２．４ 個体モデル
個体は、平面上の生物で、水平方向及び垂直方向の細胞分裂によって成長する。
細胞分裂が発生したときには、娘細胞には、母細胞の遺伝子オン／オフ状態がそのまま継承される。
やがて、個体の一部分の細胞が成熟細胞に変化すると、その個体は成熟したものと見なし、成熟細胞を種子として環境の空きテレトリーに蒔く。
図２．７に、細胞内のエネルギー代謝とそれらに関連するタンパク質のモデルを示す。 細胞は、細胞内の色素の性質に応じて、水分の吸収及びエネルギーの生産を行う。
こうして細胞が蓄えたエネルギー(糖)と水分は隣接した細胞へ細胞壁を通して拡散するが、毛細管が存在するときには、離れた細胞への移動も可能とする。
また、毛細管には若干の保水能力があるものとする。
細胞が水を吸収するためには、その細胞が水分を含んだ環境へ接していることが必要であり、地上または、四方を囲まれた細胞は水分の吸収ができない。同様に、光合成の場合にも、光に曝された細胞のみがそれを行える。
従って、四方を囲まれた細胞及び、土内部の細胞は光を受けることができないため、光合成によるエネルギー生産はできない。
図２．７ 細胞内のエネルギー代謝と関連するタンパク質
２．５ プログラム構造概略
シミュレーションプログラムは オブジェクト指向で制作した。 シミュレーションで制作したクラスを図２．８に示す。
図２．８ シミュレーション関連クラス
図２．８において 「世界」クラス内に複数の「植物個体」クラスが存在する。 「植物個体」クラスは複数の「細胞」クラスを持ち、「細胞」クラス内に「遺伝子発現状況」クラスが存在する。 「遺伝子発現状況」クラスが、遺伝子のON/OFF状況や、内部のタンパク質の濃度等を一括して管理しており、細胞の性質を決める。
「遺伝子」クラスは「染色体」クラス上に存在し、「植物個体」クラスは この「染色体」クラスを持っている。 「染色体」クラスは、一つの「植物個体」クラス内では、同一なので、「細胞」クラスが「染色体」クラスを持っているわけではない。 「染色体」クラスは 次の子孫を残す時にのみ活躍する。
光量、水分量、気温の季節変化や、死神の動作は「環境」クラスが計算し「世界」クラスに反映させる。
キーワード：人工生命、遺伝子ネットワーク、シミュレーション、断続平衡進化、細胞分化、器官形成、細胞分裂、進化
初版：2013/09/26 |