高校生物 遺伝的変異と進化—個体の変化と集団の世代変化を区別して説明する｜武蔵野個別指導塾

突然変異と組換えを区別し、集団の世代資料から遺伝的な割合の変化を追います。

よくあるのは、高校生が環境の変化に直面した生物について、「生き残るために必要な変異が生じた」と考える場面です。けれども、環境の要求が個体に合目的な遺伝的変化を起こさせたと、観察結果から直ちに言うことはできません。集団にどんな違いがあり、どの違いが子に伝わり、世代を通じてその割合がどう変わったかを分けて考えます。ここで使う数値や資料は、考え方を練習するための自作です。

問題文で見分けたい3つの問い

1つ目は、個体間の違いがどこから生じたかという問いです。新しい対立遺伝子が生じることと、すでにある対立遺伝子の組合せが変わることを区別します。どちらも遺伝的な多様性に関係しますが、同じ出来事ではありません。

2つ目は、観察された違いが次世代に伝わるかという問いです。例えば光の当たり方で葉の大きさが変わったという事実だけでは、その違いが遺伝するとは言えません。遺伝的な違いと、同じ遺伝的な条件でも環境によって生じる違いを、実験条件とともに見ます。

3つ目は、集団の中の割合が世代を越えてどう変わったかという問いです。ある個体が育つ間に姿を変えたことと、集団を構成する遺伝子の割合が変化したことは別です。資料に人数や割合が並ぶときは、分母と世代をそろえ、何が変化したのかを言葉で示します。

違いの由来と世代をつなぐ

遺伝的変異とは、個体間に見られる遺伝情報の違いです。同じ遺伝子の異なる型を対立遺伝子と呼びます。突然変異は遺伝情報に生じる変化で、新しい対立遺伝子を生む源になります。変化が起きることと、その変化が特定の環境で有利かどうかは別の話です。有利さは環境との関係で決まり、変異が必要だから狙って生じるとは考えません。

組換えは、すでに存在する遺伝的な要素の組合せを変えます。減数分裂における染色体の組合せや乗換え、受精による組合せを考えると、親と子が異なる組合せを持ちうることがわかります。組換え自体は新しい対立遺伝子の発生と同義ではありません。一方、既存の型が新たな組合せに入ることで、個体間の違いは広がりえます。

図1のように、突然変異は新しい型の源、組換えは型の組合せを変える過程として整理します。矢印は原因から生じうる結果への向きを示す模式図で、どの変異も必ず子に残るという意味ではありません。

体の細胞に生じた変化が観察されても、それが次世代に受け継がれるとは限りません。生殖に関わる細胞を通して子に伝わる変化かどうかを確認します。また、遺伝子と環境の両方が形質に影響する場合もあります。形の違いだけを見て遺伝の有無を断定せず、同じ条件で育てた子の比較など、別の証拠を求めます。

進化は、ここでは集団の遺伝的な構成が世代を通じて変化することとして扱います。例えば対立遺伝子の割合の変化は、その指標になります。個体が成長して大きくなることや、日光によって色が変わることは、それ自体では集団の進化を示しません。集団の世代をまたぐ比較と、遺伝的な違いを示す根拠が必要です。

変異があっても、必ずその割合が変わるわけではありません。逆に、割合が変わったという結果だけでは、その原因が自然選択か偶然かを決定できません。生存と繁殖に関係する違いがあり、それが遺伝する場合には、環境に応じて次世代への寄与が異なり、割合が変わることがあります。原因の説明では、変異の発生と、その後の増減を別の段階として書きます。

例題：新しい型と既存の組合せ

基本例題。ある二倍体の植物の親が、同じ遺伝子座にAとaを持ちます。もう1つの遺伝子座にはBとbを持ちます。この集団にはA、a、B、bがすでに存在するとします。子にAとbの組合せが現れたとき、それだけで新しい対立遺伝子が突然変異によって生じたと言えますか。理由も答えてください。図2はこの条件を表す自作の模式図です。

答えは、言えません。図2のようにAもbも既存の対立遺伝子であり、組合せが変わって子に現れる可能性があります。新しい組合せが観察された事実は、どちらかの型が新しく発生した証拠にはなりません。実際に新しい型が生じたか調べるには、親から受け継いだ型と子の型を比較する必要があります。

標準例題。ある二倍体集団について、同じ遺伝子座のAとaを調べました。自作資料では、世代1の10個体はAAが2個体、Aaが4個体、aaが4個体です。世代2の10個体はAAが4個体、Aaが4個体、aaが2個体です。各世代のAの割合を既約分数で求め、この資料から言える変化と、原因について言えないことを答えてください。各個体はこの遺伝子座に2個の対立遺伝子を持ちます。

各世代の対立遺伝子の総数は10・2で20個です。AAはAを2個、AaはAを1個持つので、Aの個数と割合は次のようになります。

世代1のAの個数 = 2・2 + 4 = 8
世代1のAの割合 = (8)/(20) = (2)/(5)
世代2のAの個数 = 2・4 + 4 = 12
世代2のAの割合 = (12)/(20) = (3)/(5)

Aの割合は(2)/(5)から(3)/(5)へ増えています。別の数え方では、aの個数は世代1で4 + 2・4 = 12、世代2で4 + 2・2 = 8です。それぞれAと合わせると20個になり、分母に戻ります。遺伝的構成の変化は読み取れますが、この2時点の表だけでは自然選択、偶然、移入などのどれが原因かは決められません。Aを持つ個体が有利だったと断定するには、生存や繁殖への寄与と環境条件を調べる必要があります。

顕性の形質を示す個体の数とAの個数も同じではありません。仮にAが顕性であっても、AAとAaは見かけが似る場合がある一方、Aを持つ数はそれぞれ2個と1個です。形質の人数をそのまま遺伝子の割合の分子に置くと、数える対象が混ざります。

発展例題：必要になった後に生じたのか

自作の資料で考えます。ある昆虫の集団を、同じ環境で次世代まで育てたところ、色の異なる個体が現れました。その後、背景の色を変えた区画では、暗い個体の子孫が明るい個体の子孫より多く残りました。別の区画は元の背景のままです。暗い色が遺伝することは別の比較で確かめたとします。背景を変えたから必要な変異が生じた、と結論できますか。適切な説明と、それを調べる資料の取り方を述べてください。

結論は出せません。背景を変える前から違いが存在した可能性があるためです。遺伝する色の違いが先にあり、背景を変えた後に生存や繁殖への寄与が異なったなら、子孫に占める暗い型の割合が増えることは考えられます。ただし、子孫の数の差を見ただけでは、背景以外の条件や偶然の影響を除けません。変異の起源と、その型が増えた理由を切り分けます。

資料を設計するときは、背景を変える前の各型の割合を記録し、同じ由来の集団を複数の区画に分けます。背景以外の条件をそろえ、元の背景を保つ区画と変えた区画を比較します。各区画で親世代から子世代まで色と遺伝的な型を調べ、子孫数も数えます。実際に生物を扱う実験は学校の指導の下で行い、ここでは資料の設計だけを考えます。

開始時の型の比率が区画ごとに偏ると、終了時の差を背景の効果と取り違えるおそれがあります。反復を設け、各区画の初期値と変化を記録すると、ばらつきも見られます。観察する個体が少ない場合は、偶然による差が大きく見えることもあります。色の判定を背景の違いに左右されない方法でそろえることも必要です。観測できなかった稀な型が開始前に存在した可能性は、観察数が有限である以上残ります。

グラフにするなら横軸を世代、縦軸を各区画の暗い型の割合とし、区画ごとの点を結びます。割合が上がった線はその区画での変化を示しますが、縦軸の上昇そのものが新しい変異の発生時点を示すわけではありません。元の背景の区画にも似た上昇があれば、背景以外の説明も検討します。両条件の差が一貫していても、他の条件がそろっていたかという設計上の点検は欠かせません。

誤答を直す：順序と対象を入れ替えない

「環境が変わったので、必要な型が生じ、その個体が進化した」という答えは、変異の発生と集団の変化を一続きにしすぎています。図3のように、まず遺伝する違いがあるかを確かめ、次に各型が次世代へどれだけ伝わったかを比べます。矢印は考える順序であり、変異が必ず選択されるという意味ではありません。

例えば、ある個体の体色が生育中に変化したという観察から、その個体の遺伝情報まで変化したとは言えません。さらに、その変化が子に伝わるかも別に確かめます。逆に、子世代で暗い型が増えたことから、親世代に暗い型が存在しなかったとは言えません。結論を支える観察と、まだ調べていない部分を分けます。

直した文の例は、「集団に遺伝する違いがあり、ある環境で型による次世代への寄与に差があれば、世代を経て型の割合が変わりえます」です。条件を置いた表現なので、環境が変わっただけで必ず一定方向に進むという意味にはなりません。割合が変化した事実と、それを生じさせた仕組みは、別々の根拠で支えます。

練習：5つの資料を読む

次の問題は自作です。答えと説明は問題を読んだ後で確認してください。

1. ある集団ですでにCとc、Dとdが存在します。子に親とは異なるCとdの組合せが見られました。この事実だけから新しい対立遺伝子が生じたと言えますか。理由を述べてください。
2. 二倍体の6個体がEE 1個体、Ee 2個体、ee 3個体です。Eの割合を既約分数で求めてください。
3. 同じ遺伝的な型の植物を明るい場所と暗い場所で育てたところ、葉の大きさが異なりました。この結果だけで葉の大きさの差を遺伝的変異と判断できますか。理由を述べてください。
4. 二倍体の8個体からなる2世代の自作資料があります。前の世代はFF 1個体、Ff 2個体、ff 5個体、後の世代はFF 2個体、Ff 4個体、ff 2個体です。各世代のFの割合を既約分数で求め、変化を述べてください。
5. ある集団で遺伝する型Gの割合が世代とともに増えました。Gがその環境で必ず有利だったと結論できますか。別の可能性と、追加で調べたいことを1つずつ述べてください。

答えと考え方

1. 言えません。Cとdはいずれも集団に存在するため、既存の型の組換えによって新たな組合せが現れた可能性があります。親と子の型を照合しなければ、新しい対立遺伝子の発生は判定できません。
2. 対立遺伝子は6・2で12個、Eは2・1 + 2で4個なので、(4)/(12) = (1)/(3)です。残りのeは2 + 2・3で8個であり、Eの4個と合わせて12個に戻ります。
3. 判断できません。同じ遺伝的な型でも環境の違いによって葉の大きさが変わる可能性があります。遺伝する差を調べるには、異なる型の子を同じ条件で育てるなど、遺伝的な条件と環境条件を分けて比較します。
4. どちらも対立遺伝子は8・2で16個です。前の世代のFは2・1 + 2 = 4個で(1)/(4)、後の世代は2・2 + 4 = 8個で(1)/(2)です。Fの割合は増えています。残りのfはそれぞれ12個と8個で、各世代ともFと合わせて16個になります。割合の変化だけでは原因は決まりません。
5. 必ず有利だったとは結論できません。偶然によって次世代に残る型の割合が変わった可能性があります。例えば、同じ環境で複数の集団を比較し、Gを持つ型と持たない型の生存や繁殖への寄与を調べます。環境条件や開始時の割合も記録し、差の解釈を点検します。

覚えておくこと

突然変異は新しい対立遺伝子を生む源です。 組換えは既存の遺伝的な型の組合せを変えます。 個体の変化と、世代を越えた集団の遺伝的な変化を分けます。 割合の変化だけから、その原因を決めることはできません。

自分の説明を点検する

答えを書く前に、個体と集団のどちらについて述べているか、文の主語に印を付けてみます。続いて、変異が生じる段階と、遺伝する型の割合が変わる段階を別の矢印で描きます。矢印の途中に「子に伝わる」「次世代への寄与が異なる」という条件を置けるかが、説明の分かれ目です。

個別指導では、生徒が描いた図を見ながら、型の発生と組合せをどこで区別したかを尋ねます。計算では個体数と対立遺伝子の数を別々に書き、分母を2倍する理由を確認します。資料から読み取れる変化と、追加の観察を要する原因をそれぞれ口に出して説明できれば、進化の議論を根拠に沿って進められます。