進化科学理論

遺伝的変異と進化速度

集団に存在する遺伝的変異が多いほど、進化が起こる機会は大きくなります。可変である遺伝子座の数が増加し、各座の対立遺伝子の数が増えるにつれて、いくつかの対立遺伝子がその代替を犠牲にして頻度が変化する可能性が高まります。英国の遺伝学者RAフィッシャーは、人口における遺伝的変異の量と自然淘汰による進化的変化の速度との間に直接的な相関関係を数学的に実証しました。この実証は、自然選択の彼の基本的な定理（1930）に具現化されています。

この定理は実験的に確認されています。ある研究では、オーストラリア東部とニューギニアのビネガーフライの一種であるショウジョウバエセラータのさまざまな系統を採用しました。酢ハエの進化は、別々の「個体数のかご」でそれらを繁殖させ、個体群が多くの世代にわたってどのように変化するかを見つけることによって調査できます。ハエが彼らの孤立した小宇宙で生き、繁殖する実験的な個体群が設定されました。単一系統の個体群は、ニューギニアまたはオーストラリアで収集されたハエから樹立されました。さらに、ハエのこれら2つの系統を交配することにより、混合個体群が構成されました。混合個体群は、2つの異なる単一系統個体群から始まったため、初期の遺伝的変異が大きかった。急速な進化の変化を促すために、個体群はハエが食物と空間をめぐって激しい競争を経験するように操作されました。個体群の個体数を定期的に数えることにより、実験環境への適応を測定しました。

2つの結果が注目に値します。まず、実験の終わりに、混合個体群は単一系統個体群よりもハエが多かった。第二に、より関連性の高い、ハエの数は、単一系統の個体群よりも混合個体群の方が速い速度で増加しました。環境への進化的適応は、両方のタイプの人口で発生しました。世代が進むにつれて、どちらもより高い数を維持することができました。しかし、進化の速度は、単一系統グループよりも混合グループの方が速かった。遺伝的変異の初期量が多いほど、進化の速度が速くなります。

遺伝子変異の測定

人口の進化の可能性はその遺伝的変動によって決定されるため、進化論者は自然集団におけるそのような変動の程度を発見することに関心があります。植物や動物の種は、あらゆる種類の点で不均一であることはすぐにわかります。たとえば、花の色や植物の成長習慣、またはカタツムリの殻の形状や縞模様などです。人間の違い（顔の特徴、髪と肌の色、身長、体重）の違いは、より容易に認識されますが、そのような形態の違いは、生物のすべてのグループに存在します。形態学的変異の1つの問題は、遺伝的要因によるものと、環境の影響からどれほどの結果が生じる可能性があるかが不明であることです。

動物や植物の育種家は、トウモロコシ（トウモロコシ）のタンパク質含有量や牛の乳量など、望ましい特性に優れた個体または種子を実験に選択します。選択は世代ごとに繰り返されます。ブリーダーが好む方向に母集団が変化する場合、元のストックが選択された形質に関して遺伝的変異を持っていることが明らかになります。

人工選択の結果は印象的です。トウモロコシの高含油率を選択すると、76世代で含油率が5％未満から19％以上に増加しましたが、低含油率を選択すると、1％未満に減少しました。ホワイトレグホーンチキンの群れで産卵数を増やすための30年の選択により、雌鶏の平均年間産卵数は125.6から249.6に増加しました。人工的な選択により、犬、猫、馬の品種が無限に生み出されました。食物と繊維のために育てられた植物と食物と輸送のために育てられた動物はすべて古くまたは現代の人工的な選択の産物です。20世紀後半以来、科学者たちは分子生物学の手法を使用して、家畜や動物を含むさまざまな生物の望ましい特性に合わせて遺伝子を改変または導入してきました。この分野は、遺伝子工学または組換えDNA技術として知られるようになりました。過去数十世代の後に人工選択によって達成された改善は、分子遺伝学技術によって、はるかに効果的かつ迅速に（単一世代内で）達成できるようになりました。

事実上すべての形質とそれが試されたすべての生物に対する人工選択の成功は、遺伝的変異が自然集団全体に蔓延していることを示唆しています。しかし、進化論者たちは、さらに一歩進んで定量的な推定値を得たいと考えています。1960年代以降、分子生物学の進歩により、遺伝学者は個体群や生物種間の遺伝的変異の程度を測定する方法を開発しました。これらの方法は、本質的に遺伝子のサンプルを取り、どれだけ変数が可変であり、それぞれがどれだけ可変であるかを見つけることから成ります。遺伝子座の変動性を測定する簡単な方法の1つは、集団内の個体のどの割合がその遺伝子座でヘテロ接合体であるかを確認することです。ヘテロ接合の個体では、特性の2つの遺伝子、一方は母親から、もう一方は父親から受け取ったものは異なります。したがって、集団内のヘテロ接合体の割合は、遺伝子プールからランダムに取得された2つの遺伝子が異なる確率と同じです。

ヘテロ接合性を決定するための技術は、植物や動物の多くの種を調査するために使用されてきました。通常、昆虫やその他の無脊椎動物は、哺乳類やその他の脊椎動物よりも遺伝的に多様であり、異系交配（比較的無関係な系統との交配）によって育種された植物は、自家受粉によって育種されたものよりも多様性を示します。しかし、遺伝的変異の量はいずれにしても驚異的です。変動のレベルが他の哺乳類のそれとほぼ同じである人間を例として考えます。タンパク質のレベルでの人間のヘテロ接合性の値はH = 0.067と記載されています。これは、各遺伝子座の2つの遺伝子がわずかに異なるタンパク質をエンコードしているため、個人が彼の遺伝子の6.7％でヘテロ接合性であることを意味します。ヒトのゲノムには、推定20,000〜25,000の遺伝子が含まれています。これは、人が少なくとも30,000×0.067 = 2,010遺伝子座でヘテロ接合であることを意味します。1つの遺伝子座（Aa）でヘテロ接合の個体は、2つの異なる種類の性細胞または配偶子を生成でき、1つは各対立遺伝子（Aおよびa）を持ちます。2つの遺伝子座（AaBb）でヘテロ接合の個体は、4種類の配偶子（AB、Ab、aB、およびab）を生成できます。n遺伝子座のヘテロ接合体は、2 ^nの異なる配偶子を潜在的に生成できます。したがって、典型的な人間の個体は、2 ^2,010、または約10 ⁶⁰⁵（1つは605のゼロが続く）、異なる種類の配偶子を生成する可能性があります。その数は、宇宙の推定原子数よりもはるかに大きく、約10 ⁸⁰です。

したがって、人間によって生成されたすべての性細胞は他のすべての性細胞と遺伝的に異なり、したがって、これまでに存在した、またはこれから存在する2人が遺伝的に同一である可能性は低いことは明らかです。一卵性受精卵から発生する双子。同じ結論が性的に生殖するすべての生物に適用されます。すべての個人は、おそらく二度と繰り返されないユニークな遺伝的構成を表しています。自然の個体群における遺伝的変異のこの巨大なリザーバーは、環境の制約と生物のニーズに応じて、進化の変化の事実上無制限の機会を提供します。

遺伝的変異の起源：突然変異

生命は約35億年前、比較的単純で非常に小さい原始生物の形で始まりました。すべての生き物は、これらの卑劣な始まりから進化しました。現在、200万種以上の既知の種があり、それらはサイズ、形、生活様式、およびそれらの遺伝情報を含むDNA配列において広く多様です。自然集団内の広範な遺伝的変異と種間の遺伝的差異は何が原因ですか？既存のDNAシーケンスが変更され、新しいシーケンスが種の遺伝子プールに組み込まれるいくつかの進化的手段が必要です。

DNAのヌクレオチドシーケンスにエンコードされた情報は、原則として複製中に忠実に複製されるため、複製ごとに、互いに、また親分子と同一の2つのDNA分子が生成されます。しかし、遺伝は完全に保守的なプロセスではありません。そうでなければ、進化は起こり得なかったでしょう。複製中にDNA分子内で「間違い」または変異が発生することがあり、その結果娘細胞は親細胞と配列またはDNA量が異なります。突然変異は最初に生物の単一の細胞に現れますが、最初から派生したすべての細胞に受け継がれます。突然変異は、遺伝子内の数ヌクレオチドのみに影響する遺伝子または点突然変異と、染色体数を変更するか、染色体上の遺伝子の数または配置を変更する染色体突然変異の2つのカテゴリーに分類できます。