生物の生態と自然環境

2016.10.13
生物の生態と自然環境
生物進化に必要な三つのしくみ
進化のしくみの３要素
１．変異（へんい，variation)
個体の持つ特徴に，ばらつきがあること．
２．遺伝（いでん，inheritance)
個体の持つ特徴が，子に伝わること．
担当：高見 泰興
質問：[email protected]
レジュメ：http://www2.kobe-u.ac.jp/~takami/evol/
３．淘汰（とうた，selection）
個体の持つ特徴に応じて，残す子の数に差があること．
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生物の自己複製
２．生物進化に必要な３つのしくみ
・遺伝のしくみ
・無性生殖：体細胞を通じた自己複製
分裂（単細胞生物，イソギンチャクなど）
出芽（酵母菌など）
栄養生殖（ジャガイモ，ヤマノイモ（むかご）など）
・変異を生み出すしくみ
・有性生殖：生殖細胞を通じた自己複製
・淘汰のはたらき
配偶子は減数分裂によって生じる
配偶子（卵と精子（または花粉）） → 受精
個体は死ぬが，自己複製を繰り返すことで
生物は存在し続ける
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遺伝子 gene とは
・自己複製（繁殖）の過程で，親から子へと
伝わる生物の設計図．
・その実体は，DNA（デオキシリボ核酸）の
塩基配列．
・種Aの子は必ず種A
・親と子は似ている
・細胞の核に，染色体の形で含まれる．
遺伝子 gene
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染色体
DNAの立体構造
・基本的に偶数であり，同じ染色体が
ペアになっている（相同染色体）．
・相同染色体の片方は父親から，残り
の片方は母親から受け継いだ染色体で
ある．
・非常に大きな分子
・ねじれたハシゴ状
・二重らせん構造
（double helix）
ヒトの染色体（男性，46本）
ニラの細胞分裂の際にに見られる染色体
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塩基
チミン : T
アデニン: A
グアニン: G
シトシン: C
DNAの構造
DNAの複製のしくみ
（模式図）
ヌクレオチド
・DNAの単位はヌクレオチドである．
・ヌクレオチドは4種類の塩基（T, A, G, C）の
いずれかを含む
・ヌクレオチドは鎖状につながっており，特定
の塩基配列を形成する → 遺伝子
・２本のヌクレオチド鎖が向かい合い，
塩基同士が結合して２本鎖を形成する．
・TはAと，GはCとのみ結合する（相補的）．
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遺伝のしくみ
・生物の持つ特徴は，遺伝子（生物の設計図）
を通じて次の世代へ伝わる．
・遺伝子の実体はDNAであり，染色体の形で細胞の核
に含まれる．
・DNAは，半保存的複製により（ほぼ）正確にコピー
される．
・ 親と子，同種の個体同士は，同じ遺伝子を共有しや
個々のヌクレオチド
ヌクレオチド（塩基）の配列を保ったまま，複製できる
半保存的複製
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２．生物進化に必要な３つのしくみ
・遺伝のしくみ
・変異を生み出すしくみ
・淘汰のはたらき
すいので特徴が似る．
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変異とは
変異の要因
（１）遺伝子のちがい（遺伝的変異）
・突然変異
・組み換え
子に伝わる
→進化に影響する
（２）遺伝子以外のちがい（環境変異）
・成長によるちがい（例：大人と子供）
同じ種でも，個体によって特徴が異なる
親子は似ているが，違いもある．
・栄養状態によるちがい（例：やせと肥満）
・その他いろいろ．
子に伝わらない
→進化とは無関係
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DNAの塩基配列に生じる突然変異
染色体の乗り換えと遺伝子の組み換え
substitution
insertion
deletion
・2本ある染色分体のうち，1本だけが乗り換えをする．
DNA複製のミスによって生じる
・乗り換えの生じた染色体には，遺伝子の新しい組み合わせ
ができる（組み換え） → 遺伝的変異．
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遺伝的変異が生じるしくみ
１．突然変異
（１）DNA複製のミス
・半保存的複製の過程で，相補的でないヌクレオチド
をつなげてしまうことがある． 設計図の写しまちがい
・DNAの長い鎖が，もつれたり絡まったりして，
ヌクレオチドのつながる順序や方向が変化することがある．
設計図のページ順序入れ違い
（２）外的要因
・放射線や紫外線，化学物質，ウイルス等の影響でDNAが
破壊される．
２．組み換え
設計図の一部が紛失
・配偶子を形成する過程（減数分裂）における
染色体の乗り換え．
設計図の新たな組み合わせ
２．生物進化に必要な３つのしくみ
・変異を生み出すしくみ
・遺伝のしくみ
・淘汰のはたらき
遺伝子（生物の設計図）に個体毎の違いが生じる
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現実の個体数増加
個体数の増加
ネズミ算
・１ペアが一度に6頭の子ネズミを生むと仮定する（個体数3倍）．
・ 体重は30g で，年に１回繁殖すると仮定．
・60年後の個体数＝4.2 ×
1028頭，総重量＝1.3
×
個体数
何らかの歯止めがかかる
1027kg
・ちなみに，地球の重量＝6.0 × 1024kg
世代
あり得ない
個体数の増加は，様々な要因によって制限される
（例）食物やすみかの量，捕食者，病気や寄生者等
資源の奪い合いや生き残りをめぐって，個体間の競争が生じる
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競争の結果どうなるか
勝者：お腹一杯，マイホーム，健康
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淘汰とは
生物個体の持つ特徴（形質）が
その個体の適応度に影響すること
↓
繁殖成功
敗者：はらぺこ，宿無し，病気
↓
繁殖失敗
競争の結果，次世代に残せる子の数に違いが生じる
適応度
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自然淘汰と適応進化の例：工業暗化
限られたハチを
めぐる競争
適応度＝１ 適応度＝０
適応度＝３
× ×
高い適応度をもたらす形質が
世代を重ねるごとに増加する：適応進化
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実験：明色型と暗色型を木に止まらせて鳥に食われるかどうかを調べた
１９世紀前半まで，イギリスでは
オオシモフリエダシャクBiston betulariaは
白色型がほとんどだった．
→ シラカバBetulaやブナの白い樹皮に
適応していた
しかし，１９世紀後半の工業化により，
樹皮が黒くなるにつれ，黒色型の頻度が
増加した．
→ 突然変異で生じた黒色型の適応度が
高まり，黒い樹皮に対する適応進化
が生じた．
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・汚れた森では暗色型 (melanic) が，そうでない森では明色型 (typical) が
食われにくかった．
・どちらの環境でも木の幹 (trunk) よりも枝の付け根 (limb joint) に止まっ
た方が食われにくかった．
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淘汰のかたち
平均
淘汰selectionという言葉について
・自然界において，生物と環境とのかかわり合いで
生じる淘汰を，特に「自然淘汰natural selection」と
呼ぶ．
キリンの数
首が長い方が
適応度が高い
首の長さ
適応度
・Selectionを「選択」と訳し，「自然選択」と呼ぶ
場合も多い（どちらも間違いではないが，choiceと混
同しないように注意）．
次の世代
形質値
例）キリンの首の長さ
方向性淘汰
平均：長くなる
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淘汰のかたち
淘汰のかたち
平均
平均
キリンの数
キリンの数
首が適度な長さの時
適応度が高い
首が長い，もしくは短い時
適応度が高い
首の長さ
適応度
次の世代
形質値
例）キリンの首の長さ
適応度
首の長さ
次の世代
形質値
例）キリンの首の長さ
安定化淘汰
分断化淘汰
平均：変らない
ばらつき：小さくなる
平均：変らない
ばらつき：二山型
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身近にある淘汰と生物進化：
人為選抜（人為淘汰）と品種改良
身近にある淘汰と生物進化：
薬剤耐性菌の出現
コメの収穫量に変異がある
（遺伝的変異）
病原菌
（薬剤耐性に変異がある）
薬剤を投与
（淘汰）
よい形質を持つ個体を選抜する（淘
汰）
その個体の種をまく
（次世代へ遺伝）
薬剤耐性菌
再び増殖
（薬剤耐性が遺伝）
収穫量の高いコメの品種を作り出すことができる
病原菌を減らそうとしたにも関わらず，結果として薬剤耐性菌が増える
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身近にある淘汰と生物進化：
自然淘汰と適応進化を
理解する上での注意点
なぜ成人病がなくならないのか
成人病はヒトの生命を脅かす
自然淘汰によって，それを克服できるようになっても
良いのではないか？（薬剤耐性菌のように）
しかし，現実には成人病は増え続けている
ある人の一生
0歳: 誕生
25歳: 結婚 30歳: 第一子誕生 50歳: 糖尿病発病
発病の有無は，子が産まれるか
否かに影響しない
子の一生
成人病は，ヒトの繁殖終了後に生じるので，
ヒトの適応度（残せる子の数）を低下させない．
→自然淘汰が働かないので，成人病を克服するような進化は起こらない
１．自然淘汰に目的は無い
・突然変異は，ランダムに起こる．
・自然淘汰は，ランダムな変異の中から，
その時点で適応度の高いものを選ぶ．
例えば，
黒い樹皮上で暗色型の適応度が高くても・・・
暗色型の突然変異が優先的に生じるわけではない．
暗色型の突然変異が生じなければ，暗色型は進化しない．
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自然淘汰と適応進化を
理解する上での注意点
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動物の進化と系統樹
２．進化は進歩ではない
・現生の生物は，すべて進化の最先端にいる．
・進化の方向は，
単純な生物（下等）→ 複雑な生物（高等）
とは限らない．
つまり，
・進化は枝分かれの過程である．
・複雑な構造が単純化する（退化）することもある．
退化も進化の１つの形である．
（例）寄生虫，ヒトの尻尾
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自然淘汰と適応進化を
理解する上での注意点
2. 生物進化に必要な３つのしくみ：まとめ
３．適応進化は万能ではない
・生物のデザインは必ずしも完璧ではない．
・突然変異によって生じ得ないデザインは，
進化しない．
例えば，
ヒトに第３の手があると，きっと便利（適応度が高い）だが，そ
のような変異は生じなかったので，ヒトに第３の手は進化しなかっ
たと考えられる．
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・生物は自己複製を繰り返し，DNAの塩基配列として記録された遺伝子を次
世代へと伝える．
・個体変異は，遺伝子の違いである遺伝的変異と，それ以外の環境変異に
よって生じる．
・遺伝的変異は進化に寄与するが，環境変異は子へ伝わらないので進化に寄
与しない．
・遺伝的変異は，DNAの複製ミスや損傷による突然変異と，減数分裂（配偶
子形成）の際の組み換えによって生じる．
・生物の個体数の増加は，様々な要因によって制限されるので，限りある資
源や生き残りをめぐって個体間の競争が生じる．
・競争の結果，個体の形質に応じて，次世代に残す子の数（適応度）に差が
生じる（＝自然淘汰）．
・自然淘汰にはさまざまな形があり，その形は環境によって決まる．
・自然淘汰によって，環境に適した特徴を持つ個体が増加する（＝適応進
化）．適応進化が起こるか否かは，遺伝的変異の有無に依存する．
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