Evolution 101: Natural Selection

今週の Evolution 101 の投稿は、研究において自然選択の原則に依存している BEACONites の学際的グループによるものです。 MSU 大学院生の Nikki Cavalieri (動物学)、MSU 大学院生の Prakarn Unachak (進化計算)、および NC A&T 大学院生の Patrick Wanko (産業 & システム工学) です。

動物が生息地に密接に適応しているとしたら、なぜ重複が見られるのでしょうか。

たとえば、アメリカ南部のGray Treefrogs (Hyla versicolor) と Green Treefrogs (Hyla cinerea) は生態的に同等であると考えられています。 両種とも昆虫を食べ、地上の植物を食べて生活し、小さな池に卵を産みます。 では、なぜ1種だけではないのでしょうか？

Gray TreefrogsとGreen Treefrogsは同じ生息地にいるように見えますが、よく見ると範囲は重なっているものの、Gray TreefrogsはGreen Treefrogsよりずっと北に住んでいることが分かります。

雑木林の木の上では、グレイツリーフロッグはもっと見つけにくいです。

湿地では状況が逆転しています。

自然選択とは

自然選択とは、自然界において、環境に適応した生物が、環境に適応していない生物よりも生き残り、繁殖する傾向があることです。

たとえば、アマガエルは、ときにヘビや鳥に食べられてしまいます。 グレー・ツリーフロッグは暗い森の中で木の皮によくなじみ、グリーン・ツリーフロッグは湿地や沼地に見られる緑の植物によくなじむ。 木の皮にいるグリーン・ツリーフロッグは、緑の葉にいるグリーン・ツリーフロッグに比べて、捕食者に見つかりやすいのです。 だから、カモフラージュしていない生息地に行ったグリーン・ツリーフロッグは、捕食者に食べられる可能性が高くなるのです。 食べられたツリーフロッグはもう子供を産まないので、自然淘汰はよりカモフラージュできる生息地に住むツリーフロッグに有利に働いたのです。

このことは、グレイツリーフロッグとグリーンツリーフロッグの分布を説明するもので、グレイツリーフロッグの森林生息地は広く、北に広がっており、グリーンツリーフロッグの沼地や湿地は南に集中している。

しかし、自然淘汰は常に最適なものを目指すわけではありません。

しかし、自然淘汰は常に最適なものを求めるわけではない。 例えば、ウサギは草食動物で、後腸発酵（胃を通過した後に食べ物を発酵させること）がある。 彼らには盲腸という特殊な器官があり、食べ物の消化を助けているのです。 他の動物と違い、ウサギの盲腸は腸の奥にあるため、ウサギは食べ物の栄養を全て取りきることができません。 そのため、消化された食べ物が体外に排出されるとき、まだ大量の栄養素が含まれているのです。 この失われた栄養素を補うために、ウサギは共食性（自分の糞便を食べる）になっています。 ウサギの糞便には2種類あります。 1）一度だけ消化され、後で食べるために専用の便所に入れるもの、2）2度消化され、保存されないもの。

より一般的に言えば、自然淘汰とは、ある種の特徴を持った動物や植物が、その自然環境に対して他のものよりもうまく適応できるようになる過程を指します。

より一般的に言えば、自然淘汰とは、ある種の特性を持つ動物や植物が、その自然環境に対して他のものよりよく適応し、生き残り、繁殖し、より多くの個体数を増やすという過程を指します。

しかし、遺伝子は必ずしも親の遺伝子とまったく同じ形で子孫に受け継がれるわけではありません。

遺伝子の配列の変化は、交叉と突然変異と呼ばれる2つのメカニズムで起こります。 突然変異？

私たちは肉眼で遺伝子を見ることはできませんが、表現型（髪の種類、目や肌の色、性別…）と呼ばれる身体的特徴を通じて、遺伝子が生み出すものを観察することができます。 近代遺伝学の父」と呼ばれるグレゴール・メンデルは、1856年から1863年にかけてエンドウ豆の植物を使って実験を行った。 メンデルは、ある形のグリーンピースと、違う形のイエローピースの花粉を受精させると、さまざまな形のグリーンピースとイエローピースができることを示した。 こうしてできたエンドウは、元のエンドウと色や形が同じになるのです。 メンデルが行ったことは、今日では交配と呼ばれ、得られたエンドウが何らかの共通の形質を持つことは、遺伝によるものです。

遺伝子は、染色体上にまとまっています。

遺伝子は染色体上にまとまっており、交雑を起こすには、物質を交換する2本の染色体が必要です。 一方、突然変異は、遺伝子や染色体内の変化やエラーで、遺伝子の機能や発現が変化することです。 そのエラーが発生すると、植物や動物の表現型を変化させる遺伝子が修正され、単なる見た目の変化だけでは済まない場合があります。 突然変異には、遺伝子配列の一部分の欠失、重複、挿入、逆位、転座が含まれることがあります。 突然変異と交叉は、生物間の変異を生み出すことによって、自然淘汰が働くための原料を供給する。

どのようにして多くの異なる生物が自然選択で得られるのでしょう？

自然淘汰の結果、（突然変異や交配によって）異なる特徴を持つ生物が、異なる環境で繁栄するようになります。

• いくつかの細菌は、60℃以上の温度で生きることができます。 ある種のバクテリア、Methanopyrus kandleri は、120°C (248°F) もの高熱のもとで繁栄することさえできます! また、酸性、放射能、深海など、一見すると人を寄せ付けないような環境にも適応するバクテリアもいる。
• ペンギンは一見すると飛べない鳥で、生存に適しているようには見えません。 しかし、ペンギンは飛ぶ代わりに泳ぎを得意とするようになり、餌を探したり、捕食者から逃れるのに非常に有利な適応を遂げました。 さらに、南極などペンギンが生息する場所では、陸上に天敵がいないため、飛べなくなることはデメリットにはなりません。 飛べない鳥は他にもいますが、いずれも別の方法で飛べないことを補うように適応しています。

• Venus Fly Trap などのいくつかの植物は肉食性です。 通常の植物は、植物の生存に不可欠な化学元素である窒素を、根を通して土から得ています。 しかし、これらの植物は、通常、土壌中の窒素が不足している場所に生育している。 地中から窒素を取り入れるだけでは、十分な窒素を得ることができないのだ。 そこで、この肉食植物が、罠のような葉で昆虫を捕獲する。

環境は時間とともに変化し、種の遺伝的多様性に自然淘汰が働きます。 新しい環境に適した形質を持つ個体は、より多くの子孫を残します。 この新しい環境で何世代も経つと、現在の集団は祖先の姿とは違ってくるかもしれません。