高校生物 進化の証拠と相同—形の似方と由来を分けて系統の根拠を比べる｜武蔵野個別指導塾

前肢の由来と翼の用途を分け、化石や配列が系統の推定を支える範囲を検討します。

よくあるのは、高校生が空を飛ぶ2種類の動物を見て、どちらにも翼があるから、その翼は相同だと決める場面です。同じ用途は比較の出発点になりますが、共通祖先から受け継いだ構造かどうかは別に調べなければなりません。骨の並びや発生の過程、化石や分子の情報を合わせると、似ている理由をより慎重に考えられます。ここで扱う図や数値は説明用の自作資料です。

似ている理由を問う3つの型

第1の型は、器官の対応を判断する問題です。働きが異なっていても、共通祖先に由来する部分なら相同器官です。反対に、働きが似ていても、比較する構造がそれぞれ独立に成立したなら相似器官です。何を単位に比べるかを示さなければ、同じ2種についても答えが曖昧になります。

第2の型は、複数の資料から系統の仮説を比較する問題です。骨格の対応、化石の形、分子の配列がそれぞれ何を示すかを読み、どこまで共通祖先の推定を支えるか述べます。似た形が1つあるだけで、他の情報を見ずに最も近縁だと結論するのは早すぎます。

第3の型は、証拠が食い違う場合の考察です。似た生活条件のもとで似た形が独立に進化する収斂や、化石の保存の偏りを考えます。資料の不一致は、すぐにどちらかが無価値になるという意味ではありません。比較する部分や条件を点検し、別の証拠を加えて仮説を吟味します。

由来と働きを別々に見る

相同とは、比較する形質が共通祖先の対応する形質に由来する関係です。たとえばヒトの腕、クジラの胸びれ、コウモリの前肢には、上腕、前腕、手に対応する骨格が見られます。つかむ、泳ぐ、飛ぶという働きは違っても、共通祖先から受け継いだ前肢という点で対応します。進化の過程で形や大きさ、用途は変化し得るため、見た目の一致だけを相同の条件にはできません。

相似は、働きや形が似ていても、比較する構造が共通祖先の同じ構造に由来しない関係です。鳥の翼と昆虫の翼は、飛行に役立つという点で似ていますが、翼としての構造の由来は異なります。鳥とコウモリの場合は比較の単位が特に重要です。前肢の骨格は相同ですが、飛行に使う翼という機能的な構造は、それぞれの系統で独立に発達した相似の例として扱えます。翼全体を比べる話と、その中の前肢を比べる話を混同しないでください。

図1のように、まず構造の由来を問い、その後に用途を比べます。矢印は共通祖先から子孫への対応を表す模式図で、枝の長さは時間や変化量を表しません。

収斂とは、異なる系統が似た環境や生活の条件のもとで、似た特徴を独立に獲得する進化です。たとえば水中で移動する魚類とクジラ類に流線形の体が見られても、それだけを根拠に互いが最も近縁だとはいえません。水中での移動に関連する形が似た可能性があるため、骨格や別の形質も比べます。収斂の可能性を述べることと、実際にどの選択が働いたかを証明することも区別します。

化石は、過去に存在した生物の形などを直接調べる手がかりです。異なる特徴が組み合わさった化石が見つかれば、形質の変化を考える材料になります。ただし、化石化や発見には偏りがあり、欠けた部分や未発見の系統もあります。ある化石を見ただけで、現生種の直接の祖先だったと決めることはできません。地層の前後関係や他の化石との比較も必要です。

分子の証拠では、対応するDNAやタンパク質の配列を比較します。共通祖先から受け継いだ配列には変化が蓄積し、その違いが系統を考える材料になります。ただし、対応していない領域を比べたり、欠損した位置を誤って数えたりすると、違いの数は信頼できません。同じ変化が別々に起こる可能性もあるので、短い配列の一致だけで系統を断定せず、複数の領域や形態の証拠と合わせます。

例題で証拠を分ける

基本例題

ある資料では、動物AとBの前肢に、体側から順に1本、2本、複数の骨が対応します。Aは前肢で歩き、Bは前肢で泳ぎます。骨格は共通祖先の前肢に由来するとします。この前肢の関係を答え、用途の違いが判断を妨げない理由を説明してください。

図2のように、骨の本数と並びが対応し、問題文が共通祖先に由来すると指定しています。したがって答えは相同器官です。由来を共有した後に、異なる働きに適した形へ変化し得るため、用途が違うことは相同を否定しません。図の矢印は資料中の対応関係を示し、実際の骨の形や縮尺を表しません。

別解として、まず働きの欄を隠し、体側からの骨の対応と共通祖先という条件を確認します。その後で用途を戻し、異なる機能でも由来が共通という結論が保たれるか点検します。骨の本数が似ているだけでは由来を証明したことにはならないため、この問題では由来の指定が重要です。

標準例題

自作資料の同じ領域の8位置を、欠損なく対応させて比較します。Aは AACCGGTT、Bは AACCGGTA、Cは AATCGGTA です。AとB、AとC、BとCの異なる位置の数を整数で求め、この短い資料からいえることと、断定できないことを述べてください。

左から順に比べると、AとBは8番目の1位置、AとCは3番目と8番目の2位置、BとCは3番目の1位置が異なります。比較位置は各組とも8位置です。差の数だけならAとB、BとCが同じく小さく、AとCが大きいといえます。この結果だけでは、AとB、またはBとCの一方が他方より必ず近縁とは決められません。

確かめとして、異なる位置を元の配列へ戻します。8番目はAがT、BとCがAです。3番目はAとBがC、CがTです。この2位置以外は3配列で一致するため、数え落としはありません。差の割合を使う別解では順に(1)/(8)、(2)/(8)、(1)/(8)です。分母が同じなので大小関係は差の数と一致します。いずれも自作資料の値であり、実測値ではありません。

発展例題：食い違う証拠をどう扱うか

架空の動物P、Q、Rを比較します。水中で移動するPとQは流線形で、陸上のRはそうではありません。一方、複数の骨格の対応と、同じ領域を比較した長い配列資料は、PとRの共通祖先がPとQの共通祖先より新しいという仮説を支持しました。流線形だけでPとQが最も近縁だと結論する人に、別の説明と追加の検討を示してください。

まず、外形の類似はPとQの近縁性を考える材料ですが、共通祖先からの継承以外に、水中生活に関連する収斂でも生じ得ます。骨格と配列の資料が独立した根拠として十分に確かなら、PとRがより近縁で、PとQの流線形が別々に成立したという仮説を考えられます。ただし、水中生活が原因だったと、この資料だけで確定することはできません。形が似ることと、なぜ似たかの証明は別の問いです。

調査の設計では、比較する骨が本当に対応する部位かを確認し、複数の個体や部位を調べます。配列は同じ由来を持つ領域を対応づけ、欠損や読み取りの誤りを記録します。化石があれば、各系統でどの特徴がどの順序で現れたかを検討します。保存されやすい骨だけが残る偏りや、見つかった化石が祖先そのものとは限らないことも考慮します。資料の収集は採集や飼育の手順を前提とせず、既存の標本や記録を比較する設定です。

仮に横軸を比較する配列領域、縦軸を対応した位置あたりの差の割合とする図を作るなら、各領域の比較可能な位置数を添えます。領域ごとに値が異なる場合、平均だけでなくばらつきも読み取ります。欠損が多い領域を他と同じ精度とみなすと誤解します。比較位置が0なら割合は定義できず、無理に0とせず、その領域では比較できないと記録します。追加資料が得られなくても、現時点で支持される仮説と未解決の点を分けて述べられます。

誤答を直す：同じ働きから由来へ飛ばない

「鳥の翼と昆虫の翼はどちらも飛ぶので相同です」という答えは、働きの一致を由来の一致に置き換えています。図3のように、飛行という働きからは、まず相似という候補が出ます。相同かどうかは、対応する構造が共通祖先の同じ構造に由来するかを別に調べます。図の矢印は判断の手順であり、進化の時間の流れではありません。

直した答えは「鳥と昆虫の翼は、飛ぶ働きは似るが、翼としての構造の由来が異なるため相似器官です」となります。さらに、鳥とコウモリの前肢骨格を比較する場合には、翼という働き全体と骨格という部位を分けます。問われた対象を答案の主語にするだけでも、どの相同を述べているかが明確になります。

化石についての誤答にも同じ飛躍があります。「中間的な形の化石があるので、その個体が現生種の直接の祖先です」とは限りません。共通する特徴を持つ近縁の枝の生物かもしれないからです。形質の組合せが変化の仮説を支えると述べ、直接の祖先かどうかは追加の根拠が必要だと直します。

配列でも「差が少ない1領域があれば系統が確定する」という言い方は避けます。対応づけ、比較位置の数、偶然の一致や独立した変化の可能性を確かめ、他の領域や形態と照合します。証拠が一致しないときは、数え間違いと生物学的な別の説明の両方を検討し、都合の悪い結果を無言で捨てないことが大切です。

練習：5つの資料を読む

次の資料は自作です。配列は示した位置が互いに対応し、欠損はないものとします。数は整数または指定された分数で答えてください。

1. 動物Dの前肢は掘る働き、Eの前肢は泳ぐ働きを持ちます。両者の前肢は共通祖先の前肢に由来します。両前肢の関係と、その根拠を答えてください。
2. 離れた系統のFとGが、共通祖先の同じ器官に由来しない構造で、それぞれ同じ方法で水をこします。この構造の関係を答え、似た理由の候補を1つ挙げてください。
3. 6位置の配列Hは AGCTTA、Iは AGATTC、Jは GGCTTC です。各組の差の位置数を整数で求め、HとIの差の割合を分数で答えてください。
4. ある化石に現生の2群それぞれに似た特徴が見られました。この事実が進化を考える材料になる理由と、その化石を直接の祖先と断定できない理由をそれぞれ述べてください。
5. 3種の比較で、外形はKとLが似ていますが、複数の対応する骨格と配列はKとMの近縁性を支持します。外形の類似について考えられる説明を1つ示し、追加で点検する資料と注意点を述べてください。

練習の答えと考え方

1. 相同器官です。働きは異なりますが、共通祖先の対応する前肢に由来すると条件にあるためです。掘るか泳ぐかを戻しても、この由来の条件は変わりません。
2. 相似器官です。比較する構造は共通祖先の同じ器官に由来しない一方、働きが似ています。共通する生活条件のもとで似た構造が独立に進化した収斂が候補です。条件から原因まで確定したわけではありません。
3. HとIは2位置、HとJは2位置、IとJは2位置です。HとIの差の割合は(2)/(6)、すなわち(1)/(3)です。元の配列へ戻すと、HとIは3番目と6番目、HとJは1番目と6番目、IとJは1番目と3番目が異なります。各組で6位置を比較しており、分母は6です。
4. 特徴の組合せは、過去の形質と現生群との対応や変化の仮説を考える材料になります。ただし、その化石は現生群に近い別の枝の生物である可能性もあり、形の中間性だけでは直接の親子関係を示せません。
5. KとLで似た形が独立に生じた収斂が考えられます。別の対応する骨格や配列領域、利用可能な化石を調べます。部位や配列の対応、化石の保存の偏りを点検し、外形と他の証拠が食い違う理由を検討します。収斂は候補であり、原因の確定には追加の根拠が必要です。

覚えておくこと

相同は共通祖先に由来する構造の対応です。 相似は由来が異なる構造の形や働きの類似です。 収斂は異なる系統で似た特徴が独立に進化することです。 化石と分子はそれぞれ限界を持ち、複数の証拠を照合します。

どこで判断がずれたか

答案に「似ているから相同」とあれば、まず何が似ているのかを図に書き込みます。用途、形、内部構造、由来のどれを根拠にしたかを分けると、推論が飛んだ箇所が見えます。個別指導では、前肢と翼のように比較する単位を変え、同じ生物の組でも答えの対象が変わることを確認します。

配列の問題なら、対応する位置に印を付け、差の数と分母を生徒自身の言葉で説明してもらいます。化石の問題なら、観察された特徴と、そこから推定した祖先関係を別の文にします。証拠が不足する場合は、答えを無理に断定せず、何を追加すれば仮説を比べられるかまで考えます。似た形の背後にある由来を問うことで、進化の道筋はより丁寧に読めます。