Evolutionary Developmental Biology〜発生と進化の出会い〜
この地球上には、数多くの生きものが生息している。我々ホモサピエンス （ヒト）は当然のことであるが、一日の生活を振り返れば多くの生きものと接していることが分かる。
例えば、我が家には猫が二匹と数十匹のクダウミヒドラがおり、ヒドラの餌として大学からアルテミアを持ち帰ってくることもある。一歩外に出れば、家の隣には樫の木やドクダミが生えているし、名前も分からない単子葉類（多くの植物種を見分けられるほど植物には明るくない）が数多く自生している。行動範囲を大学の研究室まで広げれば、エダアシクラゲやバフンウニなどと対面することもできる。また、暖かくなれば家の中でハエやカを目にし、外ではアリやチョウを目にする。勿論、この中に死んだ生きものを含めれば、更に多くの生きものがこの中に入ってくる。食卓に上がるエビやイカ、タコ、ホヤ、サンマなどなど枚挙に遑がない。
こう考えてみると、普段は余り意識しないだけで日々多くの生きものと接していることが分かるだろう。しかし、今挙げた生きものは日常に潜む生きものというだけであり、地球に生息する生きもののほんの一握りに過ぎない。地球上には我々が計り知れないほどの生物多様性（種の多様性）が存在し、現時点でその全貌を把握することは不可能とさえ言える（注 1 ）。それだけ地球には生きものが溢れており、古くはアリストテレスの頃から知的関心の対象となってきたのである（文献 1 ）。
忙しい現代人は身の回りの生きものを何かと見落としがちであるが、兎にも角にも地球上に多くの生物が生息していることに関しては論を俟たないだろう。そして、この現生生物における種の多様性を生命史という壮大な時間軸の中で捉えれば、それが生物進化の賜物であることもまた一部の創造論者を除いてほとんどの人が認めるところである。
ところが、生物進化がどのような過程で起こったのかという話になると、話は途端に難しくなる。例えば、ヒトは含む多くの生物種は多細胞生物に分類され、その起源は単細胞生物（現生生物で言えばゾウリムシなど）にあると考えられている。しかし、一つの細胞をレンガ作りのように積み上げて行けば多細胞生物が誕生するわけではない。単細胞生物から多細胞生物が誕生するためには、細胞同士がコミュニケーションをとれるような”細胞性社会”を構築する必要性があった筈である。では、どのように”細胞性社会”が構築されて行ったのかと問われると、途端に答えに窮してしまう。勿論、現生生物が持つ洗練された”細胞性社会”がある日突然できたという莫迦な話は考えられず、原始的な”細胞性社会”が幾つかの大きなステップを経て洗練されて行ったと考えられる。ここまでの予測は成立するものの、原始的な”細胞性社会”がどういうものだったのか、そして原始的な”細胞性社会”からどのようにして現在のような”細胞性社会”が誕生したのかを知ることは難しい。そのため、単細胞生物と多細胞生物の分岐を離散的に捉えることはできても、連続的に捉えることは中々できないわけである。
このような話は全ての生物進化について成り立ち、二胚葉動物（刺胞動物のように中胚葉が分化しない動物）から三胚葉動物（多くの動物のように中胚葉が分化する動物）が誕生した過程や、三胚葉動物が前口動物（原口（注 2 ）が口となる動物群）と後口動物（原口が肛門となる動物群）に分岐した過程など分からないことだらけである。また、ここまで大きなスケールではない棘皮動物内の進化の議論を行っても、ヒトデとクモヒトデの系統関係などまだまだ不明瞭な点は残されている（文献 2 ）。すなわち、大規模な生物進化においては進化のステップを明らかにすることができず、また門レベルの狭い領野の生物進化においては細かな系統関係を明らかにすることができない。従って、化石記録や分子時計から大まかな生命史を描画することはできても（注 3 ）、細部まで明らかにした生命史を描くことはできないのが実情である。
不明瞭な生命史は、生物進化の理解に対しても不明瞭さを齎す。しかし、生物進化の理解に対する不明瞭さは系統発生の曖昧さのみに起因したものではなく、現代進化論と系統発生の不整合さにも起因している。現代進化論は遺伝子の突然変異（de novo 変異（注 4 ）も含む）を土台とし、その変異が現在の環境に有利か不利かで決まる自然淘汰か、変異が有利にも不利にも働かない中立選択の何れかが起こることで或る遺伝子が集団内に広まるという骨組みを持つ。この”集団”というところがミソで、一般的な系統発生を考える場合は”集団”という部分が余り議論されていないように感じる。正確に言えば、最初から大集団を仮定したような書き方であるため、恰も自然淘汰による適応進化が生物進化を推し進めてきたように感じる。しかし、小集団を仮定すれば遺伝的浮動（確率的なゆらぎによる変異の拡散）による中立進化も十分に起こり得る筈である。ところが、系統発生の話になるとこの形質は当時の環境に不利だったなどの適応進化の話ばかりになり、何も適応進化が全てではないのではと疑問を覚えてしまう。つまり、系統発生では集団の大きさという部分が余り議論の対象にならないため、生物進化の確率的な要素が排除されているように感じてしまうわけである。
以上論じてきたように、生物進化の産物として現生生物の多様性が生じたということは理解できる。一方で、進化ステップの不透明さや集団サイズの曖昧さなどから、生物進化に対する理解が深まらないように感じてならない。勿論、進化ステップや進化における集団サイズの寄与を詳にすることなどはほぼ不可能であり、一生研究し続けたところで明らかにすることはできないだろう。しかし、或る門の中や或る綱の中での系統関係を明らかにして行くことは可能なことであり、更に言えば或る門と別な或る門の系統関係を明瞭にすることすらも可能であると考えられる。そんな系統関係を明らかにする手法として近年注目を浴びているのが、個体発生を分子的な言語で比較するという進化発生生物学である。
生物の系統関係を明らかにするために、古くは比較形態学が用いられていた。例えば、節足動物の付属肢と脊椎動物の肋骨がホモローグであるという考え方は古典的な比較形態学で提唱されたものであるが、現在の考え方からすれば突拍子もない学説と言わざるを得ないだろう。中にはなるほどなと思うものもあるが、或る器官を自由に変形させて良いなら、何でもありになってしまうのが比較形態学の最大の欠陥である。つまり、比較形態学は一見すると感心する学説も提唱しているが、特定の器官をホモローグ、或いはアナローグであるとする根拠が何もないため、科学的な学問であるとは言い難い。このように古典的な比較形態学は恣意的且つ観念論的で、主張の根拠が薄弱であることから、現在では取り上げられることの少ない学問体系である。しかし、現在では根拠を分子という言語で提示できるようになってきている。或る器官同士がホモローグであることを主張したいのなら、その器官がどのような遺伝子の影響を受けて形成されるのかを調べれば良いわけである。議論の対象とする器官がどのような遺伝的影響の元で形作られて行くのかを明らかにできれば、形態を比較する際に根拠を示した仮説が提示できるようになる。加えて、形態的な特徴が類似していても全く異なる遺伝的影響を受けているのであれば、進化の系統を類推する手助けにもなる。従って、個体発生を分子のレベルで調べ幾つもの事実を積み重ねて行くことで、進化がどのように起こったのかという系統関係を調べることが可能になるわけである。
ここで、個体発生とはどういうことかについて軽く触れておこう。個体発生とは、たった一つの受精卵が卵割・誘導・形態形成などを経て、成体の体になる過程のことを指す（注 5 ）。個体発生とは全ての生物が経験することであり、我々の複雑な体も時計の針を逆向きに進めれば、直径 100 µm ほどのたった一個の受精卵に行き着く。この個体発生は生命現象における魅力的な現象の一つに挙げられ、漫然と胚発生を眺めているだけでも十分に楽しめるものである。しかし、よくよく考えてみて欲しい。たった一個の細胞がその数を増やし、分化や誘導などを経ながら、我々のような体が出来上がるのである。時間的・空間的に厳密な制御がなければ、このようなことは成り立ち得ない筈である。実際に、個体発生は指揮者がいないにも関わらず完成された演奏をするオーケストラのようなもので、卵内の濃度勾配や複雑な遺伝子ネットワークにより発生が正常に進行する。例えば、ウニ卵では植物極端に局在化したディシュベルトタンパクが植物局側でのβ-カテニンの核移行を手助け（面白いことにアフリカツメガエルでも同様の機構が存在する）し、胞胚期には自身の中胚葉化や内胚葉誘導を正常に行えるようにしている。このように、個体発生では遺伝子発現の時空間的制御が不可欠であり、また遺伝子発現の影響により体が形作られて行くという点で、発生は形態的な類似や相違を分子の言葉によって語り得る現象であると言える。……そうは言っても、或る器官の形成には幾つもの遺伝子が関与し、また器官形成の全容を知ることはまだまだ困難である。そのため、ミクロな遺伝子からマクロな形態を語ることは、まだ可能ではないと言える。しかし、現段階でも幾つか刺激的な研究結果は存在する。
例えば、ショウジョウバエ研究によって体の体節化に関与していることが明らかになった、Hox クラスターはその良い例である。ショウジョウバエでは Antennapedia （アンテナぺディア）複合体と Bithorax （バイソラックス）複合体が Hox クラスターを形成し、頭尾軸に沿って発現し体節化を行う。Hox クラスターに突然変異が起こると、頭から足が生えるなどの異常が起こり、このような突然変異はホメオティック突然変異と呼ばれている（注 6 ）。この Hox クラスターはショウジョウバエの専売特許ではなく、我々脊椎動物にも存在している。脊椎動物では Hox クラスターが2回重複を起こしたため、Hox A, B, C, D の4つのクラスターを形成し、またヒトではそれぞれ異なる染色体上に位置している。しかし、頭尾軸に沿って発現するという点では全く同じであり、脊椎動物でも体節化に関与していると予測される。つまり、節足動物と脊椎動物という離れた系統の生物種において、同じ遺伝子が同じような役割を果たしているわけである。この事実は結構前から知られていたことであり、Hox クラスターは頭尾軸に沿った体節化を行う重要な遺伝子であるために高度に保存されてきたと考えられていた。
しかし、Hox クラスターがあらゆる動物種で調べられるようになってくると、Hox クラスターのまた別な側面も見えるようになってきたのである。驚きなのが五放射相称のボディープランを採用した棘皮動物でも、Hox クラスターの存在が確認されたことである。ヒトデを思い浮かべてみると分かりやすいが、棘皮動物には左右相称動物で言うところの頭尾軸が存在しない。そのため、棘皮動物では Hox クラスターが一体何の役割を果たしているのかという問題が生じる。最近の研究成果によれば、棘皮動物では独自の Hox 遺伝子（11/13d, 11/13e）が獲得され、その遺伝子が五放射相称というボディープランに寄与しているのではないかという考えが提唱されている（文献 3 ）。つまり、進化の過程で保存されてきた Hox クラスターは全く同様の使われ方をしているわけではないようで、それぞれの形態やボディープランに応じて機能を変化させてきたというシナリオが伺える。こう考えてみると、Hox クラスターという遺伝子複合体群が高度に保存されてきた一方で、形態的な機能は変化させてきたことが分かるわけである。
このような研究結果から、次のようなことが想像される。すなわち、全く異なる形態であっても同じ遺伝子から形成され、全く異なる遺伝子であっても類似する形態が形成されることが起こり得るわけだ。これは非常に面白い問題で、古典的な比較形態学では明らかにできなかったことやそこでおかされた誤りをも解き明かすことができるようになる。実際に、古典比較形態学でハエの複眼とヒトの目はアナローグであると”解釈”されてきたが、ともに Pax-6（ハエでは eyeless と呼ばれる）という遺伝子の影響下で形成される器官であることが”実証”された。つまり、遺伝子というミクロな視点を加えることで、比較形態学で明瞭にされなかった形態的な類似や相違を科学的に知ることができるようになるわけである。また、先ほどの Hox クラスターのように進化の過程で機能が変化を遂げた遺伝子も存在するため、器官やボディープランがどのように進化して行ったのかを推測することも可能となる。そして、このような進化に関する推測を積み上げて行くことで、系統発生に関する推測も成り立つようになるわけである。ミクロな遺伝子からマクロな形態を論じることは未だ難しいと述べたが、少しずつ事実を積み上げて行くことで最終的には系統発生に関する議論も成り立つようになる（注 7 ）。従って、ミクロな遺伝子は発生生物学と進化生物学を引き合わせてくれるのである。このように発生と進化が出会ってできた分野は、進化発生生物学（通称 Evo Devo）と呼ばれている。
以上論じてきたように、生物進化という不透明なことが多い分野の手助をしてくれるものの一つに、個体発生を調べる発生生物学がある。私自身は研究テーマとして発生生物学を選択しているが、単にライフサイクルや発生機構を解き明かすだけでなく、そこには進化という視点も組み込みたい。そして、少しでも進化に対する理解も深め、あわよくば生命史の謎に近付きたいと考えている。尤も、生命の神秘を探ることは迷宮を旅することと同じであり、尽きない謎が次々と突きつけられるのだろう……。
注釈
1：種の多様性に関しては、以前別な記事で言及している。種の多様性はそれだけで一つの記事が書けてしまうため、今回は詳しく述べることができない。そのため、興味がある方は「Let's image unknown creatures part 3〜生物多様性から未知の生物を考えてみよう〜」を参照して頂きたい。
2：受精卵が発生過程は、幾つかのステップに分類される。最初は卵割期といって受精卵の卵割（細胞分裂）が進行し、細胞数が指数関数的に増加して行く（ただし体積は小さくなって行く）のが特徴である。次は胞胚期（前に桑実胚を含む場合もある）といって、胚の内側に胞胚腔という大きな空洞ができるのが特徴である。これらの過程を経て、原腸形成というダイナミックな変化が胚に起こる。これは胞胚の壁が内部に向かって移動する現象を指し、内側に陥入した細胞塊が内胚葉、外胚葉と内胚葉の間にこぼれ落ちた細胞（ウニで言えば二次間充織などが当たる）が中胚葉となる。原腸形成の際には最初に掲載した写真にように胚に凹みが出来上がるが、この凹みを原口と呼んでいる。原口が後の口になるのが前口動物、原口が後の肛門になるのが後口動物である。なお、原腸形成に関しては、 Lewis Wolpert が「生涯で最も重要なときは、誕生でも結婚でも死でもなく、原腸形成のときである」という言葉を残している（文献 4 ）。
3：比較的単純な生物から複雑な生物が誕生してきた過程を系統発生と言い、有櫛動物の分岐した順序など未だ不明な点がある（文献 5 ）ものの、凡そ図 1 のような流れであると考えられている。系統発生を調べる手段としては、化石記録に頼る古生物学的手法とゲノム情報に頼る分子系統学的手法がある。古生物学的手法は長い歴史があり、自然淘汰説を提唱したチャールス・ダーウィンも著述の中で化石記録に対する言及をよく行なっている（文献 6 ）。この辺りの話は以前の記事「徒然なる想い その八〜知識のアップデート」で軽く触れているため、こちらの記事と記事中の参考文献を読んで頂きたい。また、分子系統学的手法は異なる生物種におけるタンパク質のアミノ酸配列を比較し、同じタンパク質は分子進化の速度が近似的に等しいという分子時計の概念を基に分子レベルの分岐点を探るというものである。分子時計を利用することで、様々なタンパク質（機能を失った偽遺伝子も含む）がどのように変化してきたのかという系統樹を描くことができる。分子時計の詳細は分量の都合上割愛するが、興味がある方は是非文献 7 を参照して頂きたい。
4：de novo 変異とは親にはないが、子には見られる変異のことを指す。de novo 変異は、親の配偶子形成時の変異や胚発生期の変異に起因していると考えられる。
5：一口に個体発生と言うと、ヒトでは受精から体外に出てくるまでのことを指すように思われる方もいらっしゃるかもしれない。しかし、広義な個体発生では、受精から死までの全期間に起こる現象が対象となる。
6：実際の研究史ではホメオティック突然変異の確認が先であり、その原因遺伝子を探ることでクラスターを形成する遺伝子が発見された。そのクラスターをホメオティック突然変異に関与する遺伝子ということで、ホメオティック遺伝子と名付けた。その後、他の動物でもホメオティック遺伝子とホモローグな遺伝子が見付かり、こちらは Hox クラスターと命名された。このことから、ショウジョウバエではホメオティック遺伝子と表現することの方が一般的である。しかし、用語の使用上問題はないため、混乱を避けるのに本記事では Hox クラスターで統一する。
7：勿論、たった1つ同じ遺伝が関与しているというだけで結論を出すのはナンセンスである。個体発生は幾つもの遺伝子が複雑に関与しており、たった1つの遺伝子の存在だけで発生を語るべきではない。例えば、先ほどのショウジョウバエでは Hox クラスターが発現する前に分節遺伝子が発現しており、gap, pair-rule, segment-polarity の遺伝子群の存在を無視することはできない。重要なのは、複数の遺伝子が発生という場でどのように機能しているのかということである。複数の遺伝子の系を考えることで、真に共通点と多様性が理解できるようになる。
参考文献
1：アイザック・アシモフ, 太田次郎 訳(2014). 生物学の歴史. 講談社, 18-22.
2：和 田 洋; 松原未央子; 晴山健史(2007). 棘皮動物プルテウス幼生の収斂進化について. タクサ 22, 72-79.
3：Yongxin Li, Akihito Omori et al(2020). Genomic insights of body plan transitions from bilateral to pentameral symmetry in Echinoderms. Communications biology 371, 1-10.
4：Tanguy Chouard(2009). Beneath the surface; 進化の舞台裏. Nature digest 6, 8-13.
5：Ewen Callaway(2014). Jelly genome mystery. Nature 509, 411.
6：チャールス・ダーウィン, 長谷川眞理子 訳(2016). 人間の由来 上. 講談社, 237-254.
7：斎藤成也(2007). ゲノム進化学入門. 共立出版, 110-114.
更新履歴
2022/3/6
一部の文章表現を改め、動物の系統発生に関する参考文献（文献 4 ）を追加しました。これは有櫛動物が海綿動物よりも先に分岐し、また独自な進化を遂げたのではないかという問題提起をしています。仮に二胚葉の有櫛動物が無胚葉の海綿動物よりも先に分岐したとするなら、単純なものから複雑なものへと進化するという考えに修正を加える必要性が生じると考えられます。
2022/3/18
改題を行い、写真を差し替えました。また、進化発生生物学に関わる話以前の文章表現を改めるとともに、一部の議論を改めました。それに伴い棘皮動物の系統に関する文献（文献 2 ）を追加しました。進化発生生物学に関する文章表現や議論は後日改めます。
2022/3/21
進化発生生物学に関する内容を改めるとともに、Hox クラスターに関する文献を追加しました。内容等に不備や誤りがない限り、暫くは修正を行わない予定です。
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