高校生物 系統と分類—配列の比較と人類の形態から系統関係を読む｜武蔵野個別指導塾

系統樹の枝を回しても共通祖先が変わらない理由を追い、配列の差と人類の形態から言える範囲を整理します。

よくあるのは、系統樹の枝の左右が入れ替わると、近縁関係も変わったと思う場面です。紙の上で隣に並ぶ先端を見比べると、枝分かれの点が見えにくくなります。学校の範囲表と授業ノートで系統樹、分類、人類の形態がどこまで扱われたかを確かめ、点から枝をたどる練習をしましょう。配列と形態の資料は説明のために作ったもので、実在の生物の測定結果ではありません。

問いの形を見分ける

系統と分類では、まず系統樹の枝分かれから共通祖先を探し、どの組がより近縁かを説明する問題が考えられます。先端の左右の距離や上下の並びではなく、比較する2つの枝を根の方向へたどり、最初に合流する点を見ます。枝の長さが変化量や時間を表すと明示されていない図では、長さも根拠に使えません。

次に、同じ位置をそろえた塩基配列の差を数え、与えられた条件のもとで系統樹の候補を選ぶ問題があります。差が少ないという観察と、共通祖先が比較的新しいという推定は区別します。配列の一部だけでは関係が一意に定まらないこともあります。何を比較し、どんな仮定を置いたかを答案に残すことが重要です。

さらに、分類の階級や3ドメイン、人類の形態を用語で答えたり、資料から直立二足歩行に関係する特徴を説明したりします。形態の共通点は系統を考える手がかりですが、1つの特徴だけで祖先と子孫の関係を断定しません。年代の暗記は扱わず、図や資料から言えることを整理します。

枝分かれと分類の言葉

系統は生物が共通祖先から分かれてきた関係です。系統樹の分岐点は、そこから伸びる枝に含まれる生物の共通祖先を表します。根を持つ樹では、根に近い方向が祖先側です。先端は資料に載せた生物や系統を表し、横に並んだ順番そのものには意味がありません。

図1のように、AとBは点Xで合流し、Cを含めると点Yまでさかのぼります。したがってAとBは、AとCより新しい共通祖先を共有します。点Xを支点としてAとBの枝を入れ替えても、点Yを支点としてC側とX側を入れ替えても、合流する点は変わりません。紙上の見た目が変わることと、分岐のつながりが変わることを分けます。

共通祖先からの子孫をまとめた集団を考えると、分類と系統の関係も読みやすくなります。分類には界、門、綱、目、科、属、種などの階級があり、通常は種から属、科へとより大きなまとまりをたどります。たとえば同じ属に入る種は同じ科にも含まれますが、同じ科の種が必ず同じ属とは限りません。階級名の暗記だけでなく、包含関係を矢印や入れ子で確認します。

大きな系統の区分として、細菌、古細菌、真核生物の3ドメインがあります。細菌と古細菌はいずれも核膜に囲まれた核を持ちませんが、同一のドメインではありません。動物、植物、菌類などは真核生物に含まれます。界や門の名称とドメインの名称を同じ階級として並べず、授業で使った分類体系に合わせて整理します。

人類の系統では、直立二足歩行に関連して、頭骨の大後頭孔の位置や骨盤の形などを比較します。大後頭孔は脊髄が頭骨から出る部分です。頭の下方に近い位置は、頭を脊柱の上で支える姿勢との関連を考える手がかりになります。ただし、個体差や保存状態もあり、1つの形態だけで歩き方や系統の全体を決定することはできません。現生の類人猿を人類の直接の祖先とみなすのではなく、それぞれが共通祖先から分岐した系統として考えます。

系統樹の読み取りでは、比較の相手を固定することも役立ちます。Aを基準にBとCを比べるとき、AとBの合流点とAとCの合流点をそれぞれ探します。単に「Bが近い」と書くのではなく、どの共通祖先を比べたかを示せば、根拠が伝わります。根が示されていない図では祖先側の向きがその図だけからは定まらないため、根を勝手に置かず、与えられた条件を確認します。

分類名を覚える際も、階級を逆向きにたどってみましょう。科の中に属、属の中に種が含まれるという関係なら、同じ属に属することから同じ科に属することは導けます。逆に同じ科という情報から同じ属とは決められません。包含関係の向きを図に書くと、必要な条件と十分な条件の混同を避けられます。

配列の差から候補を選ぶ

次の基本例題は、説明用に作った短いDNA配列です。左から右へ同じ向きに並べ、同じ列が対応する位置とします。欠失や挿入はないものとします。位置ごとに異なる塩基の数を差の数とし、この問題では差が最も少ない組が最も新しい共通祖先を共有すると仮定します。P、Q、Rのうち最も近縁な組を答え、各組の差を整数で示してください。

P: A C G T A C
Q: A C G T G C
R: A T G C G C

図2のように、横に同じ位置をそろえて比較します。PとQは5番目だけが異なり、差は1です。PとRは2番目、4番目、5番目が異なり、差は3です。QとRは2番目と4番目が異なり、差は2です。したがって仮定に従うと、最も近縁な組はPとQです。

数え終えたら元の配列に戻します。Pから5番目を変えるとQになり、さらに2番目と4番目を変えるとRになります。この確認で各組の差1、3、2を再現できます。差を数えるとき、AとGのように異なる塩基の種類を数えるのではなく、対応する位置ごとに一致か不一致かを判定します。同じ塩基が別の位置にあっても、位置をずらして一致扱いにはしません。

ただし、問題の仮定が現実のすべての配列に必ず成り立つとは限りません。変化の起こり方や比較する領域の選び方によって、少数の位置から得た結果が系統全体を十分に表さないことがあります。差が少ないことは資料の観察であり、その差を近縁関係へ結びつける条件は別に書きます。多数の対応位置や別の遺伝子、形態なども照らし合わせると、推定の根拠を広げられます。

情報が足りない場合の分かれ目

別の自作資料で、3系統D、E、Fの対応する配列を比べたところ、DとEの差は2、DとFの差も2、EとFの差も2でした。3組について差が等しいという資料だけを使い、最も差が少ない組を根拠に選ぶ場合、最も近縁な組を1組に決められるでしょうか。答えは決められません。どの組も同じ差なので、特定の組を選ぶための区別が資料にないからです。

ここで「近縁関係が存在しない」とまでは言えません。実際の分岐がどうだったかと、この短い資料から判定できるかは別の問題です。追加の対応位置を比較して差が変われば判断の材料が増えますが、それでも推定の前提を吟味する必要があります。資料にない枝を描き足すより、何が不足しているかを示す答案の方が根拠に忠実です。

同じ考え方は化石の形態にも使えます。ある標本で大後頭孔の位置が頭骨の下面に近いとします。その観察は、頭を脊柱上で支える姿勢を考える手がかりです。一方、足や骨盤など他の部位が保存されていなければ、その標本の歩行の詳細をその特徴だけから復元することはできません。観察された位置、推定できる姿勢、追加で必要な形態を分けて書きます。

比較対象も重要です。資料に2標本があって片方の大後頭孔がより下面に近いとしても、その差だけで片方がもう片方の直接の祖先だとは言えません。両者が共通祖先から分かれた可能性もあります。系統樹の枝先は、他の枝先へ進化するための階段として並ぶのではなく、それぞれの系統を表します。

誤答を枝と根拠に戻す

誤答例は「図1でAの隣にCを置き直すと、AとCが最も近縁になる」です。原因は、先端の並びを共通祖先の新しさと取り違えたことです。図3のように点を支点に枝を回しても、AとBが点Xでつながることは変わりません。修正すると「AとBは点Xという、Cを含む場合より新しい共通祖先を共有する」です。

図3ではCが左端に移っても、AとBから祖先側へ線をたどると点Xで合流します。先端の見た目を隠して分岐点だけを確認すると、回転とつなぎ替えを区別できます。点XからBを切り離してCと新たに結ぶ操作なら関係が変わりますが、単に点の周りで枝を回す操作なら変わりません。

別の誤りは「配列に差が1か所あれば、必ず直接の祖先と子孫である」です。差の数は比較した先端どうしの違いであり、変化がどちらの枝で起きたかや、途中にどの系統があったかを単独では示しません。「与えられた仮定のもとでは差の少ない組が近縁と推定できる」と直し、直接の親子関係は主張しないようにします。

配列比較で同じ数の差が得られた場合にも注意します。差が同じという観察は、比較した範囲では差の数による優劣がないことを意味しますが、分岐が同時だった証明にはなりません。比較の対象、配列の長さ、位置の対応が変われば、得られる情報も変わります。問題に記載された条件の内側で結論を述べましょう。

自分で解く問題

以下の配列や標本はすべて自作です。問題を解き終えてから後の解答を見て、判断の根拠を照合してください。

1. 根を持つ系統樹で、GとHが点Mで合流し、その枝がIの枝と点Nで合流します。点Mは点Nより先端側です。GとH、GとIのうち新しい共通祖先を共有する組を答え、「分岐点」を使って1文で理由を書いてください。
2. 同じ向きにそろえた配列J: A G C A T、K: A G T A T、L: T C T A Tを比べます。対応位置の差が最も少ない組が最も近縁と仮定します。各組の差を整数で示し、その組を答えてください。
3. ある分類で、種Uと種Vは同じ属、種Wはそれらと同じ科の別の属です。UとVが同じ科に属するか答え、「属」「科」を使って1文で理由を書いてください。またUとWが同じ属かも答えてください。
4. 自作の頭骨標本の比較で、標本Sの大後頭孔は標本Tより下面に近い位置にあります。他の骨は与えられていません。この観察から考えられる姿勢の手がかりと、断定できないことを「脊柱」「直接の祖先」を使い、2文程度で書いてください。

答えとたどり方

1. GとHです。GとHの分岐点Mは、GとIの分岐点Nより先端側にあり、より新しい共通祖先を表すからです。GとHから線を戻すとMで合流し、Iまで含めて戻すとNに達します。先端の表示順を回しても、この合流点の関係は残ります。

2. JとKは3番目が異なり差1、JとLは1番目、2番目、3番目が異なり差3、KとLは1番目と2番目が異なり差2です。最も近縁な組は、仮定によりJとKです。Jの3番目を変えるとKになり、そこから1番目と2番目を変えるとLになるので、元の配列へ戻して差を確認できます。実在生物の関係として結論する問題ではありません。

3. UとVは同じ科に属します。同じ属に含まれる種は、その属を含む同じ科にも含まれるからです。UとWは同じ属ではありません。問題文がWを別の属と定めています。同じ科という条件だけでは同じ属かどうかは決まらない点も区別します。

4. 解答例は「Sの大後頭孔の位置は、頭を脊柱の上で支える姿勢を考える手がかりになります。この位置だけでは、SがTの直接の祖先であるかどうかは断定できません」です。下面に近いという観察を姿勢の推定に結びつけ、直接の祖先という別の主張は保留しています。歩行の詳細を考えるには、骨盤や下肢など追加の資料が必要です。

要点を短く残す

枝先の順ではなく、共通祖先の分岐点をたどります。
配列は対応位置をそろえ、差と推定の仮定を分けます。
分類の階級は包含関係で整理し、形態の観察から言える範囲を守ります。

答案のどこで迷ったか

枝の先端を丸で囲むだけで答えた場合は、2本の線を根の側へたどり、最初に合流する点に印を付けてみます。図を回転させた後も同じ点に戻れるなら、並びではなく関係を使えています。配列で誤った場合は、各列に一致か不一致かを書き込み、数えた位置を元の文字へ戻して照合します。

個別指導で確認するなら、生徒が描いた樹の分岐点と、答案に書いた根拠を並べて見ます。形態の記述では、観察そのものに線を引き、そこからの推定と断定を別にします。どこまでが資料に支えられ、どこから追加の情報が必要かを言葉にすると、系統関係を筋道立てて読めます。