高校生物 系統と分類の対応—分類階級と共通祖先のまとまりを図表で結び付ける｜武蔵野個別指導塾

分類階級の入れ子と系統樹を照合し、同じ階級でも分岐時期が等しいとはいえない根拠を説明します。

よくあるのは、高校生が分類表の2つの「科」を見て、同じ階級なのだから共通祖先から分かれてきた時間も同じはずだと考える場面です。表には名前と所属が並びますが、分岐がいつ起きたかを示す目盛りはありません。分類の箱が何をまとめ、系統樹の枝が何を示すかを区別すると、表から読めることと追加の証拠が必要なことが見えてきます。以下の分類表と系統樹は考え方を練習するための自作資料です。

表と樹で問われること

分類の問題には、まず所属関係を読む型があります。ある種が属する属と科が表に示されていれば、同じ属の別の種は同じ科にも属します。ただし同じ科に入る2種が、必ず同じ属に入るとは限りません。大きい箱の中をさらに小さい箱に分ける関係だからです。表にない所属を勝手に補わず、与えられた階級を上から下へ追います。

次に、系統樹のまとまりと分類群を照合する型があります。ある共通祖先とその子孫をひとまとまりにした群を単系統群と呼びます。樹の中の1つの節から先に伸びる末端を数え、指定された群がその末端と一致するかを調べます。図の左右の並びや、見た目の近さは判定の根拠ではありません。

もう1つは、情報の限界を述べる型です。階級名が同じであることは、異なる群の分岐からの経過時間が等しいことを意味しません。枝長が時間を表すという条件と時間の目盛りがあれば別ですが、分類表や枝分かれの順序だけから年数は求まりません。読めないと判断することも資料読解の答えです。

名前の入れ子と共通祖先

生物を似た特徴などに基づいてまとめ、名前を与えることが分類です。現代の分類では、進化上の共通祖先を反映するまとまりを重視します。系統は生物の進化の道筋と分岐の関係です。分類はその関係を表現するための仕組みですが、分類名だけで系統についての情報を残らず読み取れるわけではありません。

代表的な階級は、広い方からドメイン、界、門、綱、目、科、属、種です。間に別の階級を置くこともあり、資料によって省略される階級もあります。図1のように、種は属に、属は科に含まれます。図は所属を示す模式図であり、枠の面積は種数や時間を示していません。

図1の科の中には属Aと属Bがあり、属Aには種アと種イがあります。種アと種イは同じ属なので同じ科でもあります。一方、種アと種ウは同じ科ですが、属は異なります。階級は入れ子の位置を示す呼び名であり、科の枠が大きいことから、その科の年齢が長いと読むことはできません。

種に学名を付ける方法として二名法があります。属名と種小名を組み合わせて種を表し、属名の頭文字を大文字、種小名を小文字にします。印刷では一般に斜体で表し、手書きではそれぞれに下線を引きます。種小名だけでは種の名前として不十分です。同じ種小名が別の属で用いられることもあるため、属名と組にして読みます。分類の研究が進み所属する属が変われば、学名の組合せも変わりえます。

高校で用いる大きな枠組みの1つに、細菌、古細菌、真核生物の3ドメインがあります。細菌と古細菌はどちらも核膜に包まれた核をもたない原核生物ですが、両者を同じドメインとするわけではありません。真核生物には動物や植物、菌類などが含まれます。これらは学習のための大きな区分であり、分類の細部や系統関係には研究に伴う検討があります。3つの名前が並ぶことから、3群の分岐が同時だったとか、互いの違いの量が等しいとかは決まりません。

系統樹の節は、その図で仮定した分岐点、すなわち共通祖先に対応します。根があれば祖先側と子孫側を区別できます。末端は資料に含めた生物群を示し、節から先の枝をたどって群を判定します。単系統群には、その祖先から分岐した資料上の子孫を含めます。現実に存在する生物の一部しか図に載せていない場合、図の外の子孫については別途調べる必要があります。

基本例題：分類表を枝に対応させる

次の自作資料では、根から最初にDが分岐し、残りの共通祖先からCが分岐した後、AとBが分岐します。枝長は時間も変化量も表しません。分類表ではAとBをア属、Cをイ属とし、ア属とイ属を同じカ科に入れます。Dは別のキ科です。

問1：AとBは同じ科ですか。またカ科は、この樹に示された末端について単系統群ですか。理由を添えて答えてください。

図2のように、AとBの共通祖先を含む節から根の方向に戻ると、Cを含む節に出会います。そこから先にある末端がカ科に相当するか調べます。図2の線は分岐関係を示し、横方向の長さは時間を示しません。

答えは、AとBは同じ科であり、カ科はこの樹の上では単系統群です。同じア属に入り、その属がカ科に入るからです。カ科のA・B・Cの共通祖先から先の末端はA・B・Cで、分類表の構成と一致します。Dはその共通祖先より前に分岐しており、カ科に入れなくても条件を満たします。

答えを条件に戻してみます。カ科に含まれる3末端を樹で探すと、いずれも同じ節の子孫です。その節の先に、カ科から外された末端はありません。単にAとBが隣に描かれているから同じ科と答えると、Cを含むかどうかを検討できません。

標準例題：同じ階級から読める範囲

別の自作資料では、根からPが分岐し、残りからQが分岐した後、RとSが分岐します。PとQはそれぞれ別の科、RとSは同じ第三の科に分類します。この図の枝長には時間の意味がありません。

問2：PとQは同じ科の階級に置かれています。このことから、P側とQ側の分岐からの時間が等しいと判断できますか。またQとRの組、RとSの組のうち、より新しい共通祖先を共有する組を答えてください。

時間が等しいとは判断できません。科という階級の名前は所属を整理するためのもので、群ごとの経過時間をそろえる尺度ではないからです。分岐順序は、根からP、次にQ、最後にRとSです。RとSの共通祖先はQが分かれた後にあるので、より新しい共通祖先を共有するのはRとSです。ここで「新しい」は分岐の順序を指し、具体的な時間差を表していません。

別の読み方として、各組の末端から根へ枝を逆にたどり、初めて合流する節を記します。RとSの合流点は、QとRの合流点より末端側です。この方法でも同じ答えに戻ります。Qが別の科だからRとSより遠いと暗記するのではなく、与えられた樹の節を根拠にします。分類群と樹が一致しない資料なら、その不一致自体を検討する必要があります。

発展例題：分類案を証拠で比べる

自作資料の根のある樹は、外群Oが最初に分岐し、その後にWが分岐し、最後にX・Yの共通祖先からXとYが分岐する形です。分類案1はW・X・Yを同じ群にまとめ、案2はW・Xだけをまとめます。問3：この樹を前提に、どちらが単系統群ですか。案2の問題点と、この結論の限界も説明してください。

案1です。W・X・Yの共通祖先の子孫として示された末端はW・X・Yで、案1の構成と一致します。案2ではWとXの共通祖先からYも生じているのに、Yが除かれています。案2のWとXを樹に戻して共通祖先から下流をたどると、Yを通り落とせないことが確かめられます。案2はこの樹では単系統群ではありません。

ただし、この答えは与えられた樹を前提にしています。系統樹は証拠から立てた仮説であり、形態の比較や対応する分子配列など、異なる証拠を加えると推定が変わることがあります。外群は対象の群の外に置く比較対象で、根の位置や形質の変化を考える手がかりになります。外群の選択を誤ったり、比較する部位の対応を誤ったりすると、根や分岐順序の解釈も影響を受けます。

検討の設計では、まず対象群と外群を明記し、比較する特徴の定義をそろえます。複数の特徴を独立に見比べ、どのデータがどの分岐を支持するか記録します。たとえば同じ機能をもつ形だけを集めると、別々の系統で似た形が進化した場合に共通祖先の形を取り違えるおそれがあります。欠損している特徴を「ない」と扱うことも避けます。資料の不足を区別し、別の特徴でも同じまとまりが支持されるかを調べます。

樹の読み取りと時間の読み取りも分けます。横軸が時間で目盛りがある図なら、分岐点の位置から図が示す時間を読み取れます。一方、枝長の説明がない模式図では、長い線を見ても長い時間とはいえません。目盛りの単位や根の向きを確認し、推定の不確かさが示されていればその範囲も読みます。枝を節の周りで回転して末端の並びを変えても、分岐順序が同じなら同じ関係です。

誤答を直す：階級は時計ではない

「2つとも科だから、分かれた時期も同じです」という答案を考えます。誤りは、分類の階級を時間の単位として扱っている点です。分類群の名前は所属の関係を表しますが、同じ階級の各群に一定の経過時間を割り当てる決まりを、ここでの資料は与えていません。図3のように、同じ階級の箱を見ても、その箱の根元がいつかは読み取れません。

図3では科アと科イが並んでいますが、図は分岐時期を示していません。直すなら「両群は同じ分類階級に置かれています。分岐からの時間の比較には、時間を表す追加資料が必要です」と書きます。単に「違います」とするより、何が不足するかまで示すと資料の限界が明確です。

もう1つの誤りは、分類表に同じ科と書かれていれば、その科が必ず単系統群だと図を見ずに決めることです。系統を反映する分類を目指していても、特定の表と樹が一致しているかは、その資料で確かめます。対象群の共通祖先を見つけ、そこから出る末端に除外されたものがないかを調べます。樹が未解決で分岐順序を決められない場合は、単系統かどうかを断定せず、判定に必要な情報を挙げます。

練習：分類の箱と枝を行き来する

以下はすべて自作資料です。各問に答えてから、まとめて解答を照合してください。図の枝長は特に指定のない限り時間を表しません。

1. 種カと種キは同じサ属、種クは別のシ属に属します。サ属とシ属は同じス科です。カとキ、カとクの各組について、同じ属か、同じ科かを答えてください。
2. 学名の表記について、属名と種小名の頭文字の大小、および印刷時の一般的な書体を説明してください。種小名だけで種を特定してよいかも答えてください。
3. 根からLが分岐し、残りからMが分岐した後、NとTが分岐します。M・N・Tをまとめる群と、M・Nだけをまとめる群のうち、この樹の上で単系統群となるものを理由とともに答えてください。
4. 細菌、古細菌、真核生物の3ドメインのうち、核膜に包まれた核をもたない2群を挙げてください。その2群が同じドメインであるといえるかも答えてください。
5. 同じ「目」に分類された2群が、同じ時期に分岐したとする説明を検討します。階級名だけでは判定できない理由と、判定に役立つ追加資料の条件を述べてください。

解答と考え方

1. カとキは同じ属で同じ科です。カとクは属が異なり、科は同じです。表の条件に戻すと、カとキはサ属、クはシ属で、両属ともス科に含まれます。科が同じという情報だけから属まで同じと結論することはできません。
2. 属名の頭文字は大文字、種小名は小文字で、印刷では一般に両方を斜体にします。種小名だけではなく属名と組み合わせて種を表します。大小や書体は表記の手がかりですが、名前が似ているという理由だけで、分類表にない所属関係を決めてはいけません。
3. M・N・Tの群です。この3つの共通祖先から先にある末端はM・N・Tと一致します。M・Nの共通祖先からはTも出るため、Tを除いた群はこの樹では単系統群ではありません。Lはそれより前に分岐したので、この共通祖先の子孫に含まれません。
4. 細菌と古細菌です。ともに核膜に包まれた核をもちませんが、3ドメインの枠組みでは別のドメインです。核の有無という共通点と、ドメインの所属という別の情報を混同しないようにします。
5. 目という名前は分類上の階級を示し、分岐時期を等しくそろえる尺度ではないからです。分岐時期を比較するには、時間を表す枝長と目盛りをもち、推定の条件も示した系統樹などが役立ちます。その場合も、図の根や不確かさを確認して読みます。

覚えておくこと

• 種・属・科などの階級は、所属の入れ子を表します。
• 二名法は属名と種小名を組み合わせます。
• 3ドメインは細菌、古細菌、真核生物です。
• 単系統群は共通祖先とその子孫をまとめた群です。
• 同じ階級から分岐時期の一致は導けません。

つまずきを見分ける

分類表を見て答えを急ぐときは、種から属、科へ矢印を書き、各所属を表の行に戻して確かめます。樹の問題なら、選んだ群の共通祖先に印を付け、そこから先の末端を漏れなく数えます。隣同士という説明だけなら、節の周りで枝を回転しても同じ判定になるか試します。

個別指導で答案を点検する場面では、「なぜ同じ科なのか」と「なぜその群が単系統なのか」を別々に説明してもらいます。前者は所属表、後者は共通祖先と子孫が根拠です。時期を答えた場合は、枝長の意味と目盛りが資料にあるかを見直します。分類の名前と系統の証拠を結び付けるとき、根拠の種類を分けることが読み違いを防ぎます。