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　人工生命進化実験　　～～～　遺伝子ネットワークの進化　～～～

 遺伝子ネットワーク進化による断続平衡進化と発生時の進化系統反復の発生（人工生命シミュレーション）    


＜狙い＞

　ダーウィニズムの考え方で生物の進化を考えると、

　『遺伝子変化により　個体の機能、形状が少し変化する』　
　　　　　　　↓
　『この変化が環境適合度で少しでも有利であれば、次世代の子孫を残す確率が少し増える』　

　 この繰り返しによって、小さな機能変化や形状の変化が徐々に積み重なり、それらの変化が長い時間をかける事により、大きな違いを生じて異なる種が発生してくると解釈されます。

　 しかしながら、化石等から進化の過程を調べると、徐々に形状が変更しているよりも、ほとんど形状等が変化しない時期がある一方で、ある時期に大きく変化しているらしい事が判ってきました。（1972年に古生物学者ナイルズ・エルドリッジとスティーヴン・ジェイ・グールドによって纏められた説：　「断続平衡説」（Punctuated equilibrium）　）
　 また、生物が受精卵から次第に個体に成長する過程で、その生物は過去に自分が辿って来た過程を繰り返す（　エルンスト・ヘッケルが唱えた説：　「個体発生は系統発生を反復する」という「反復説」(Recapitulation theory)　）という説もあります。　現在、それが正しいと証明されてはいませんが、発生過程に進化の痕跡を見て取れることもあります。



　ところで、一つの生体内では、全ての細胞は全て同じ遺伝子を持つにもかかわらず、細胞が色々な器官に変化したり、別な機能を発現したりします。　固体が持っている遺伝子は　全て活動（活性化）しているわけではなく、それぞれの器官では異なる遺伝子が活性化し発現しているため、それぞれ異なる器官に成長します。　これらの遺伝子はお互いに調整し合っており、　その遺伝子ネットワーク が機能して、絶妙のタイミングで遺伝子をオン／オフすることで、複雑な個体ができあがっています。


　そこで、一つの仮説を立ててみました。　

★ 仮説 ★－－　生物が進化するには、遺伝子ネットワークの進化が重要で、　「遺伝子ネットワーク構造の変化が、上記に説明した『断続平衡進化』や『個体発生は系統発生を反復する』というような事象を発生させるのではないだろうか？　－－★

　これを確かめるため、仮想世界の中で人工生命を進化させ　その中で「断続平衡進化」が起こらないだろうか？　と考えて、　いろいろ実験を行ってみました。
　シミュレーションにより得られた　「人工生命の進化系統図」を調べてみると、「断続平衡進化」や、「個体発生は系統発生を反復する現象（反復説）」が起こっていると思われる結果が得られました。

 

＜概要＞

　ここで行った進化シミュレーションの大きな工夫点は　以下の３点です。

①人工生命体（本シミュレーションでは植物）は多細胞生物で、成長するに従って、「細胞分裂」や「細胞機能の分化」が行われる。同一個体内の各細胞が持つ遺伝子は同じであるが、活性化（発現）している遺伝子は各細胞で異なり　発現する遺伝子の違いによって細胞機能の分化が起こる。

②人工生命個体の持つ複数の遺伝子は相互に影響しあい（ネットワークを形成）、各遺伝子はネットワークに従って、それぞれのタイミングで活性化（発現）する。

③人工生命が暮らす仮想世界の中で、個体は　成長し、成熟し、他の成熟個体と交配して　種子を残す（遺伝子は種子の中に入っている）。　従って、仮想世界の中では、色々な成長段階の個体（子供から大人まで）が存在している。
　
　シミュレーション中は、世界全体を　一定期間毎に　丸ごと遺跡として残し、その中に人工生命の種子を化石として残しました。

　　　　　　 
　　　　　　　　　　　　　　　　　シミュレーション世界

 

＜シミュレーション結果＞

　上記により残した遺跡や化石を解析してみると　次のような進化が起きていました。

①単細胞生物から始まり、維管束のような器官を持つ個体まで進化した。

②形状の変化は少しづつ漸次的に変化するのではなく、ある世代を堺に断続的に大きく変化する。これは、遺伝子のネットワークの変化に依存する。

③一つの個体の成長過程を調べると、過去に進化してきた過程をなぞるように成長する。これは、遺伝子ネットワークに従った遺伝子の発現による。
　（ドイツの生物学者エルンスト・ヘッケルの唱えた「個体発生は系統発生を繰り返す」と同じ現象がみられた。）

     
  　　　　　　　　　　　　     進化系統図
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　発生過程（１個体の成長）

＜シミュレーション内容＞

< シミュレーション概要(PDF版) >      　　　　  < シミュレーション概要(html形式版) >　

< シミュレーション詳細 (html) >

<   プログラムソースダウンロード  >
　但し、DOSVマシンで開発した当時のままなので、そのままでコンパイルが通るか保証できません。
　（プアーなプログラムですが、遺伝的アルゴリズムや人工生命シミュレーションの参考にして下さい。
　　メインがたくさんありますが、化石遺伝子を解析したりするための色々なツールです。）

＜参考文献＞

１）Mark Ptashne 著                           遺伝子スイッチ　　　                     (1989)オーム社
２）江口吾郎・鈴木義明・名取俊二著      発生・分化の遺伝子的背景          (1990)東京大学出版会
３）木村資生著                                  分子進化入門(第７版)                  (1990)培風館
４）T.A.Brown 著                                分子遺伝学                                (1991)東京科学同人
５）塩川光一郎著                               分子発生学                                (1990)東京大学出版会
６）中原英臣著                                  ウイルス進化論                           (1989)三報社印刷
７）吉永良正著                                  ウイルスが人間を支配する             (1990)光文社
８）宮田隆著                                     分子進化学への招待                    (1994)講談社
９）木庶佑著                                     遺伝子が語る生命像                     (1994)講談社
１０）今木文雄著                                DNAはどのように折り畳まれて動くか
                                                                                                      (1996)共立出版
１１）石川統                                      細胞内共生                                 (1987)東京大学出版会
１２）金子隆一・中野美鹿                    大進化する進化論                         (1995)NTT出版
１３）Ellen Thro 著                             人工生命                                     (1994)カットシステム
１４）ルーディ・ラッカー                        人口生命研究室 on Window            (1996)アスキー出版
１５）財団法人 日本情報処理開発協会監修
                                                    人工生命の方法                            (1995)工業調査会
１６）L・デービス著                            遺伝子アルゴリズムハンドブック        (1994)森北出版
１７）北野宏明編                              遺伝的アルゴリズム                        (1993)産業図書
１８）北野宏明編                              進化するコンピューター                    (1993)ジャストシステム
１９）ウイリアム・パウンドストーン著
　　　　　　　　　　　　　　　　　　              ライフゲームの世界                      　 (1992)日本評論社
２０）クラウス・エメッカ著                     マシンの園　人口生命叙説              　(1989)産業図書

(補足)
　本シミュレーションは１９９４年頃　約１年間かけて計算させた結果です。（停電で電源が落ちた場合でも、遺跡データから復元させて計算を続行しました）
　　　　プログラム開発環境
　　　　・OS:　DOS-V （i486DX マシン）
　　　　・Turbo C++(ﾎﾞｰﾗﾝﾄﾞ社製)
　3.11 震災で混乱した屋根裏に眠っていた古いPCを処分しようとして中身を確認していたところ、古いデータが埋もれていたので　改めてまとめ直して見ました。 仕事から帰って少しずつプログラムを作成し、プログラム完了後は、ひたすらシミュレーション計算させ続けた事を思い出しました。
　


(Up)

初版：2013/06/12 |
蛇島伸吾
 





＜補足＞
　
　１）魚の群れ行動シミュレーション（捕食者／被捕食者あり）（Javaソース付き）
　２）蟻の行列発生シミュレーション（Javaソース付き）