遺伝子ネットワークの進化実験 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)
ダーウィニズムの考え方で 生物の進化を考える場合、
遺伝子の変化
↓
機能・形状の変化
↓
環境の適合性による淘汰(自然選択) & 適合者が子孫を残す率が増大(適者生存)
<上記繰り返し>
進化の機構は上記に示すように説明されることが多いと思います。
上記の説明では、生物の進化は、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。 例えて説明すると 『偶々、少し長い鼻の遺伝子を持った「像」が、多少生き残るのに都合が良かった為、少し長い鼻の遺伝子を持つ「像」が増えた。 次の世代でも、より長い鼻を持つ像が多少生き残数が多く....という事が続き、年々の鼻は少しづつ長くなり、長期間かけることでついに「像」は長い鼻を持つに至った。』
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。
さらに、分子レベルでの解析方法が進歩するに従って、遺伝子の変化の多くが必ずしも自然淘汰に対して有利や不利ではなく、中立であることも判ってきました。(1968年 木村資生:
中立進化)
一方、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ON/OFF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。
生物が進化するとは、この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」というような事象が発生させるのではないだろうか?」
では、この仮説を何らかの方法で検証してみることはできないでしょうか?
ところで、コンピューターを用いて、自然の進化を一部の現象を取り入れ、最適化問題を解決したり(遺伝的アルゴリズム:遺伝子の変化(突然変異)と交配(交叉)を繰り返して次第に 問題に適した子孫を増やす方法)する事や、多数の仮想個体をコンピューター上で動かして群知能のシミュレーションを行う研究も行われています。 これらの研究はコンピューター上のソフトウエアで作成た「人工生命」として取り扱われます。
そこで、ソフトウエアで制作した人工生命を用いて
、上記の仮説の様な現象を実現させることは可能でしょうか? ここでは、上記のような遺伝子ネットワークを持った仮想生物を作成し、 その進化をシミュレーションしてみました。 (仮想の世界で、植物系多細胞を1万世代以上にわたって進化させてみました。)
以下に、シミュレーションの概要、方法、得られた結果を示します。
・・・・・・ シミュレーション実験に用いたソースプログラムダウンロード可能
1. ➥ 遺伝子ネットワーク進化シミュレーション簡単な説明(HTML)
2. ➥ 遺伝子ネットワーク進化シミュレーションの概要(PDF)
3. ➥ 遺伝子ネットワーク進化シミュレーションの詳細内容と結果(HTML)
シミュレーションの結果を調べると、「遺伝子ネットワーク」の変化が基となって、器官の発生、断続平衡進化や、個体発生時の系統発生の反復 等に相当する現象が発生しました。
進化系統 成長過程(1183世代目)
シミュレーション世界モデル