[Published: August 19, 2022 6.05am AEST]
[著作者] Craig White, Dustin Marshall
クレイグ・ホワイト 博士
モナッシュ大学 生物科学部 教授兼部長
ダスティン・マーシャル 博士
モナッシュ大学 海洋進化生態学 教授
「宇宙の謎を解き明かす」というと、おそらく物理学を思い浮かべるでしょう。遠く離れた銀河を望遠鏡で覗き込む天文学者や、大型ハドロン衝突型加速器で粒子を粉々に砕く実験者などです。
生物学者が生命の深い謎を解き明かそうとするとき、私たちも物理学に手を伸ばす傾向があります。しかし、Science に掲載された私たちの新しい研究は、物理学が生物学の問題に対する答えを常に持っているとは限らないことを示しています。
何世紀にもわたって科学者たちは、キロごとに大きな動物が小さな動物よりもエネルギーを消費しにくく、必要な食物が少ない理由を尋ねてきました。小さなトガリネズミが毎日体重の 3 倍もの食物を消費する必要があるのに、巨大なヒゲクジラは体重のわずか 5 ～ 30% のオキアミを毎日食べるだけでよいのはなぜでしょうか?
この関係 (代謝とサイズの不均衡な) を説明するためのこれまでの取り組みは、物理学と幾何学に依存していましたが、本当の答えは進化論にあると私たちは考えています。この関係は、動物が子孫を生み出す能力を最大化するためのものです。
身体的制約は生涯をどの程度形作るのでしょうか?
代謝とサイズの不均衡な関係についての最初の説明は、ほぼ 200 年前に提案されました。
1837年、フランスの科学者ピエール・サリュス (Pierre Sarrus) とジャン=フランソワ・ラモー (Jean-François Rameaux) は、エネルギー代謝は体重や体積ではなく表面積に比例するべきだと主張しました。これは、代謝が熱を生成し、動物が放散できる熱の量がその表面積に依存するためです。
サリュス と ラモー の発表から 185 年の間に、観測された代謝の拡大縮小 (scaling) について、多数の代替説明が提案されてきました。
おそらく最も有名なのは、1997 年に米国の研究者ジェフ ウェスト、ジム ブラウン、ブライアン エンキスト (Geoff West, Jim Brown and Brian Enquist ) によって発表されたものです。彼らは、循環系のような分岐管のネットワークを介した必須物質の物理的輸送を説明するモデルを提案しました。
彼らは、彼らのモデルが「生物学のあらゆる側面における体の大きさの中心的な役割を理解するための理論的、機械的基礎」を提供すると主張しました。
これら 2 つのモデルは哲学的に類似しています。過去100年間に提唱された他の多くのアプローチと同様に、物理的および幾何学的な制約を呼び出すことによって生物学的パターンを説明しようとしています。
進化は道を見つける
生物は物理法則に逆らうことはできません。しかし進化は、物理的および幾何学的な制約を克服する方法を見つけることに非常に優れていることが証明されています.
私たちの新しい研究では、このような物理的および幾何学的な制約を無視した場合、代謝率とサイズの関係に何が起こるかを確認することにしました。
そこで私たちは、動物が生涯にわたってエネルギーをどのように使用するかについての数学的モデルを開発しました。私たちのモデルでは、動物は生涯の早い段階では成長にエネルギーを費やし、その後、成体になると生殖にますます多くのエネルギーを費やします。
このモデルを使用して、動物のどの特性が生涯にわたって最大の繁殖をもたらすかを判断しました。ー 結局のところ、進化の観点からは、繁殖が主なゲームです。
[chart] : Animals allocate more energy to reproduction after they reach maturity. Craig White
[図表] : 動物は、成熟した後、生殖により多くのエネルギーを割り当てます。 クレイグ・ホワイト
繁殖に最も成功すると予測される動物は、実生活で見られるサイズと代謝の不均衡なスケーリングを正確に示す動物であることがわかりました!
この発見は、不均衡な代謝スケーリングが物理的または幾何学的な制約の必然的な結果ではないことを示唆しています。代わりに、自然淘汰 (natural selection) は生涯生殖 (lifetime reproduction) に有利であるから、このスケーリングを生成します。
未開の荒野
ロシア系アメリカ人の進化生物学者、テオドシウス・ドブジャンスキー (Theodosius Dobzhansky) の有名な言葉に、「進化的観点がなければ、生物学のすべては意味をもたない」というものがあります。
物理的な制約がなくても代謝の不均衡なスケーリングが発生する可能性があるという私たちの発見は、生物学者がこれまで説明のために間違った場所を探していたことを示唆しています。
物理的制約は、これまで考えられていたよりも少ない頻度でしか、生物学的パターンの主要な推進要因とならない可能性があります。進化に利用できる可能性は、私たちが認識しているよりも広範囲です。
生物学を説明するために物理的な制約を引き合いに出すことを歴史的に進んで行ってきたのはなぜでしょうか? おそらく、進化論的説明の比較的未踏の生物学的荒野よりも、一見普遍的な物理的説明の安全な避難所の方が快適だからです。
この記事は、クリエイティブコモンズライセンス(CCL)の下で The Conversation と各著作者からの承認に基づき再発行されています。日本語訳は archive4ones(Koichi Ikenoue) の文責で行われています。オリジナルの記事を読めます。original article.
