『生命の組み立て』（2020年）は、生命の歴史における大きな変遷を分かりやすく解説した一冊である。古生物学者ニール・シュービンは、キャリアの初期には化石の中に生命の最大の問いへの答えを求めてきた。しかし近年の科学の進歩により、DNAの研究こそが、私たちが人間になるまでの旅路についてより多くを明らかにしてくれると彼は主張する。
生命の歴史を駆け巡る旅——遺伝子研究がもたらす驚くべき発見
進化の物語を振り返ると、その道筋は比較的一直線に見える。まず魚が陸を歩くように進化し、次に爬虫類が羽毛を生やして空を飛ぶようになり、最後に霊長類がジャグリングや交響曲の作曲、宇宙船の設計などができる人間へと進化した。
しかし、原始のスープから現在に至るまでの旅路は、決して一直線ではなかった。古生物学者たちは、化石記録の中にこのことを長年見出してきた。そして今、科学の進歩のおかげで、DNAを用いて生命の物語を構成する多くの紆余曲折、偶然、対立を示すことができるようになった。
私たちは地球の生命史の理解にこれまで以上に近づいている。しかし、これから見ていくように、真実は決して単純ではない。
ここでは、次のことを学びます。
- 魚は陸を歩くように進化するずっと前から空気呼吸をしていたということ
- あなたが自認したい以上に、ホヤと多くの共通点を持っているということ
- サンショウウオの電光石火の舌が、なぜあのように進化する運命にあったのか、その理由
植物や動物は、新しい特徴を生み出すのではなく、既存の特徴を転用して変化する
魚がどのようにして脚を生やし、陸を歩き始めたのかという問題は、何世代にもわたって古生物学者たちを魅了してきた。
チャールズ・ダーウィンの同時代人たちは、進化が中間段階を経る旅であるという彼の理論に疑問を抱いた。それは著者である古生物学者も同様に不思議に思っていたことである。例えば、飛べない鳥の祖先に、やがて翼になる付属肢がなぜ現れたのか。役に立たない翼が消えるのではなく、なぜ成長するのか。
その答えは、小さな翼が大きな翼に成長したわけではないということだ。私たちが翼として知っているものは、実は別のものとして始まったのである。ダーウィンの批判者への応答に触発された著者の新しい信念は、「物事はあなたが考える場所から始まるわけではない」というものだ。
重要なポイントは、植物や動物が新しい特徴を生み出すのではなく、既存の特徴を新しい用途に転用して変化するということだ。
新しい特徴は古い特徴の機能が変化した結果として生まれるというダーウィンの主張は、生命の歴史に対する私たちの見方を永遠に変えた。その仕組みを理解するために、謙虚な魚に目を向けてみよう。
1798年、エジプトでフランス人科学者によって観察されたある魚が有名になった。なぜこの魚だったのか。それは、体内に珍しい気嚢を持っていたからだ。実は、ほとんどの魚は気嚢を持っている。それは鰾（うきぶくろ）として知られ、魚が水中の特定の深さに留まるのを助ける役割を果たす。しかし、その有名な魚の気嚢は異なっていた。気嚢は食道につながっていたのだ。それは原初の肺、すなわち原始肺だった。
熱狂した科学者たちは、さらなるデータを求めて世界中の湖や川を調査し始めた。驚くべきことに、このエジプトの魚は実際にはそれほど特別ではなかった。同じ原始肺を持つ魚はたくさんいたのだ。空気呼吸をする魚は例外ではなく、むしろ普通のことだった。
最近の研究によると、原始肺と鰾は同じ器官の異なるバージョンであることが分かっている。そして鰾を作る遺伝子は肺を作る遺伝子と同じである。魚においても、そしてすぐに見るように、人間においても。
肺は魚が乾いた陸地に適応するのを助けるために生まれた新しい発明ではない。むしろ、魚は水から上がるずっと前から空気呼吸をしていたのだ。進化は魚の気嚢を新しい用途に転用しただけなのである。
ね、物事はあなたが考える場所から始まるわけではないでしょう。
胚は変化の秘密を握っている——個体にとっても、種にとっても
科学者たちは長い間、胚、そして卵から成体への移行過程が、種の違いを理解する鍵を握っていると信じてきた。しかし最初の真の突破口は1865年に訪れた。フランスの科学者オギュスト・デュメリルが自分の水槽を覗き込み、衝撃的な光景に直面したのだ。
数ヶ月前、デュメリルはメキシコからサンショウウオの一種を導入していた。今彼の目の前にあったのは、2種類のサンショウウオだった。親たちは、まったく別の種のように見える子孫を産んでいたのだ。
この一見奇妙な出来事のその後の調査は、進化研究に重大な示唆をもたらすことになる。
重要なポイントは、胚が個体にとっても種にとっても、変化がどのように起こるかの秘密を握っているということだ。
デュメリルは2種類のサンショウウオの謎に取り憑かれた。水槽を誰かいじったのではないかと疑いながら家の使用人たちに尋問した後、彼は研究に取りかかった。彼は、このサンショウウオの一種の胚には2つの可能な発生経路があると推論した。どちらの経路をたどるかは、胚が置かれた環境によって決まるのだ。
メキシコから来た元のサンショウウオは水生環境で育っていた。そのため、水中を移動するのに役立つ特徴——ヒレのような尾と水かきのある足——を完全に発達させていた。一方、その子孫は乾燥した囲いの中で育ったため、発生が停止し、乾いた陸地により適した尾と手足を生やしたのだ。
デュメリルの発見は限定的に思えるかもしれない。しかし最終的に、科学者たちが魚類、両生類、爬虫類、鳥類、哺乳類を含むすべての脊椎動物の祖先を特定することを可能にしたのだ。
それは必ずしも誇りを持って「自分の祖先」と呼べるものではない。地球上のほぼすべての動物生命の母はホヤである。ホヤは岩に張り付いてほぼ一生を過ごす、不格好な生き物だ。しかしホヤは、魅力のなさを遺伝的な優雅さで補っている。
胚の段階では、ホヤはオタマジャクシの形をとり、海を自由に泳ぎ回る。数週間後には、尾、神経索、エラ、そして結合組織のほぼすべてを失う。海底に沈み、岩に付着するのだ。
すべての脊椎動物の祖先は、遙か大昔に、あるホヤが発生を早期に停止したことによって生まれた。サンショウウオと同じように。神経索と結合組織を失う代わりに、何らかの理由で保持し、その個体は幼生の特徴を保ったまま成体へと成長したのだ。これらの特徴が、やがて私たち自身の特徴となる。
ゲノムの小さな不具合が、大きな結果をもたらす
ホヤの祖先についての真実を知って動揺したなら、次の部分は読み飛ばした方がいいかもしれない。
おそらく、DNAが親から子へと受け継がれることは知っているだろう。しかし知らないかもしれないのは、40億年の生命の歴史の中で、DNAが祖先種から子孫種へとも受け継がれてきたということだ。つまり、あなたとホヤは共通のDNAを一部共有しているのだ。
もちろん、ホヤとは違い、あなたは知的で博学で、ほぼ完璧な身体の持ち主だ。では、どうして海底の奇妙な塊とDNAを共有しているのだろうか。答えは私たちのゲノムの違いにある。ゲノムがどのように異なるかを研究することで、科学者たちは化石を見るよりもさらに詳しく種間の関係を知ることができる。
重要なポイントは、ゲノムの小さな不具合が大きな結果をもたらしうるということだ。
DNAは特定の配列で並んだタンパク質で構成されており、タンパク質はまた特定の配列で並んだ何千ものアミノ酸でできている。ゲノムとは、植物や動物のDNAがすべて正しい順序で並んでいる状態のものだ。ゲノムにとって順序は重要である。しかし、ゲノムはどのようにして自らを組織化しているのだろうか。
その答えは「スイッチ」と呼ばれるものだ。簡単に言えば、スイッチとはゲノムの各部品をいつ、どこに追加するかを定めた指示書である。このプロセスは母親の体内で胚が形成されている間に始まり、成体になってからもずっと続く。
スイッチは非常に重要である。配列のほんの小さな不規則性が全体を狂わせる可能性があるからだ。例えば、健康な赤血球タンパク質と鎌状赤血球のタンパク質の違いはたった1つのアミノ酸だが、その結果は致命的になりうる。著者によると、鎌状赤血球貧血の患者のほぼ70パーセントが3歳未満で死亡するという。
しかし時には、不具合のあるスイッチが進化を促す変化をもたらすこともある。最近の研究では、頭蓋骨から手足、ヒレから翼に至るまで、動物の体の進化におけるすべての大きな転換の背後には、スイッチの変化があることが分かっている。これらの進化的変化は遺伝子そのものの変化を意味するのではなく、スイッチがいつ、どこで作動するかの変化なのである。
では、これはあなたとホヤの違いについて何を物語っているのだろうか。大きな脳や、物事に感情的に反応する能力を与えているのは、遺伝物質の違いではない。遺伝子がどのように働くかを制御するスイッチの違いなのだ。
遺伝子の突然変異、あるいは改変が、驚くべき進化的変化を引き起こしてきた
ダーウィンにとって、自然選択は進化のエンジンであり、個体差はその燃料だった。しかしもちろん、個体差は突然変異を意味することもある。
「ミュータント」という言葉を聞くと、SFのフランケンシュタインのようなモンスターを想像するかもしれない。しかしダーウィンにとっては、それほど劇的なものではなかった。ミュータントとは、標準とは異なる外見や行動を示す特徴を持つ個体のことである。その特徴が個体を成功させれば、次世代に受け継がれる。その特徴が成功の可能性を損なうなら、時間とともに消滅するだろう。
突然変異には2つの異なるタイプがある。第一に、器官の大きさや程度の変異。第二に、余分な指や腎臓のような構造の有無——これは種類の変異である。
重要なポイントは、遺伝子の突然変異、あるいは改変が、驚くべき進化的変化を引き起こしてきたということだ。
ミュータントを研究することで、遺伝情報がどのように受け継がれ、進化がどのように起こるのかをより良く理解できる。例えば、ショウジョウバエの突然変異を研究することで、科学者たちは体の構造がDNA染色体上の遺伝子の位置に対応していることに気づいた。頭を作るのに働く遺伝子は染色体の上部にあり、腹部のためのものは中央にある、というように。
それ自体が大発見だった。しかし、次に起こったことは科学界を根底から揺るがした。
これがショウジョウバエだけでなく、膨大な数の動物に当てはまることが判明したのだ。ハエもカエルも線虫も、そして人間でさえ、染色体上に同じ「上から下へ」の体作りの遺伝子配列を持っている。この発見により、科学者たちはついに動物がどのように発生し進化してきたのかという問いに取り組むことができるようになった。
まもなく、彼らはさらに別の発見をした。同じ遺伝子が、カエルの脚からシロナガスクジラのひれまで、膨大な種類の動物の手足の成長を引き起こしているのである。魚もこれらの遺伝子を持っている。ただ、手足ではなくヒレが成長する。さらに、これらの遺伝子は魚の中で眠っているだけではなく、ヒレの先端の骨の発達を引き起こしているのだ。
複製、変異、ジャンプ、狩り——ヒトゲノムの基本的な営み
人類が成し遂げてきたことを考えると、私たちの体が近縁の生物よりも、そしてもちろん魚や植物よりもはるかに進化していると考えても無理はない。しかし、ホヤが何かを教えてくれるとしたら、それは世界の頂点捕食者であるという傲慢な誇りが根拠のないものだということだ。
このことが最も明らかなのは、私たちのゲノムにおいてである。私たちのゲノムは、染色体が完璧に整列し、すべてが世界的なオーケストラのように優雅に調和して動く、よく潤滑された機械だと考えるのは妥当に思える。しかし、その思い込みは間違っている。ヒトゲノムは信じられないほど活発な場所であるだけでなく、その構成要素は絶えず互いに戦っているのだ。
重要なポイントは、複製、変異、ジャンプ、そして狩り——これらすべてがヒトゲノムの基本的な営みだということだ。
動物の複雑さは、実際には遺伝物質の量とは何の関係もない。その好例がトウモロコシである。トウモロコシはあなたの2倍の遺伝物質を持っている。実際、動物のDNAの多くは科学者が「ジャンク」と呼ぶものだ。基本的に役に立たない、重複した遺伝子の産物である。
しかしゲノム内で活発に働く遺伝子は、さまざまな予想外の方法で懸命に働いている。精子と卵子が作られる際、染色体は分裂して自分のコピーを作る。これは、古い遺伝子が元の機能を保ち、新しい遺伝子が新たな機能を獲得するという点で有用だ。しかし歴史のどこか深いところで、このプロセスは狂い始めた。遺伝子がジャンプすることを覚えたのだ。
その通り。遺伝子は自分をコピーできるだけでなく、ゲノム中を跳び回り、着地した場所で自分自身を複製する能力も持っている。ノーベル賞を受賞したアメリカ人科学者バーバラ・マクリントックによると、私たちのゲノムの約70パーセントがこれらのジャンピング遺伝子で構成されているという。
しかし、ジャンピング遺伝子に乗っ取られている正常なDNA断片に同情し始めていたなら、安心してほしい。彼らは完全に自衛できるのだ。正常なDNA断片は、ジャンピング遺伝子を追いかけ、文字通り重しをかけて、別の場所にジャンプするのを阻止する方法を発達させている。このメカニズムはジャンピング遺伝子の制御に役立つ一方で、ゲノム——そして種——にとって有益な方法で複製を続けることを可能にしている。
たとえ進化が異なる進み方をしたとしても、いくつかの結果はほぼ同じだっただろう
私たちが学んだように、ホヤは地球上のすべての動物生命の共通祖先である。しかしホヤが現れる数十億年前に、別の革命的な出来事が私たちの知る生命の基礎を築いた。
地球上で最も初期の生物は単細胞生物だった。時間の経過とともに、これらの生物の一部は廃棄物として酸素を生成し始め、地球の大気は徐々に酸素で満たされていった。数十億年後、酸素からエネルギーを得る別の微生物が繁栄し始めた。これらの微生物が複雑なタンパク質を生産できる細菌と手を組んだことで、体の形成が可能になったのだ。
長年にわたり、科学者たちはこの歴史に、そしてその後の展開に畏敬の念を抱いてきた。ほんの小さな違いがあれば、すべてが狂っていただろうと彼らは考えていた。しかし、彼らは間違っていた。
重要なポイントは、たとえ進化が異なる進み方をしていたとしても、いくつかの結果はほぼ同じだっただろうということだ。
いくつかの結果は何があっても生まれていたという驚くべき事実を説明するために、我らの旧友サンショウウオに戻ろう。サンショウウオが舌でハエを捕まえる動画を見たことがあるかもしれない。舌は口からあまりに速く飛び出し、スローモーションでも見るのが難しいほどだ。そしてほぼ同じ速さで口の中に戻っていく。それは真に生物学的な驚異であり、進化の信じられない偉業である。
しかし重要なのは、飛び出す舌を持つサンショウウオの異なる種は、互いに近縁ではないということだ。その系統樹はほぼ完全に別々である。つまり、飛び出す舌の進化は一度ならず起こったということだ。少なくとも3回、おそらくそれ以上。そしてそれぞれの進化は、他から独立して起こったのである。
このような重複が起こる理由は、問題に対する解決策は常に限られた数しか存在しないからだ。飛ぶことを考えてみよう。飛ぶ生き物はすべて、揚力を生み出すために大きな表面積を必要とするため、ヘリコプターのブレードではなく翼を持っている。
すべての動物が同じ遺伝子のバージョンを使って体を作っているなら、同じものが重複して現れることがあっても驚くには当たらない。飛行や飛び出す舌のような偉大な発明の出現は、決して偶然ではないのだ。生命の歴史は、サイコロの勝負ではない。サイコロには確実に仕掛けがしてあるのだ。私たちの進化の道筋は、遺伝子がどのように体を作るか、環境の物理的制約、そして歴史によって影響を受けている。
最終的なまとめ
本書の核心となるメッセージ：
生命の歴史は、行き止まりや間違った方向転換、遺伝的優位性をめぐる戦いに満ちた回り道の物語である。しかし、すべての動物には驚くべき、そして予想外の遺伝的類似性がある。驚くべき進化の結果が見られる一方で、こうした相互のつながりこそが、それらの結果のいくつかが結局はそれほど突飛なものではないことを意味している。
次に読むべき本：『魚からヒトへ——人体に刻まれた35億年の旅』（ニール・シュービン著）
すべての動物のDNAの類似性について学んだ今、ここに至るまでの35億年の旅路に深く潜り込んでみよう。『魚からヒトへ』では、魚から人間への進化のすべてが明らかになる。魚が私たちの体について何を教えてくれるのか、なぜ私たちがこのような姿をしているのか、そして私たちができるすべてのことをどうやってできるのかを発見できる。ホヤとのつながりを知って目から鱗が落ちたなら、『魚からヒトへ』を読んで、その旅がどこへ向かうのか見届けてほしい。
