必要性と十分性の生物学的テスト

生物学的必要性と十分性のテストとは、生物システムにおける特定の種類の因果関係の証拠をテストまたは提供しようとする実験方法と技術を指します。必要原因とは、それがなければ効果が発生することが不可能な原因であり、十分原因とは、その存在によって効果が発生することが保証される原因です。これらの概念は、主に論理学における必要性と十分性の考え方に基づいていますが、それらとは異なります。

必要性のテスト（損傷や遺伝子ノックアウトの方法を含む）と十分性のテスト（因子の分離や個別刺激の方法を含む）は、今日の実験設計において重要になってきており、これらのテストの応用によって生物学における数多くの注目すべき発見や知見がもたらされています。

生物学 研究では、2つの現象間の予測される因果関係を研究するために実験やテストがよく使用されます。^[1]これらの因果関係は、必要性と十分性という論理的概念によって説明できます。

現象 x が現象 y を引き起こすというステートメントを考えてみましょう。y の発生が x の発生を必要としたことを意味する場合、X は y の必要原因となります。ただし、必要条件 x の発生だけでは、必ずしも y も発生するとは限りません。^[2]言い換えれば、何らかの要因が効果を引き起こすために必要な場合、原因なしに効果は発生しません。^[3]代わりに、x の発生が y が発生しなければならないことを意味する場合、X は y の十分原因となります。^[2]言い換えれば、何らかの要因が効果を引き起こすのに十分である場合、原因の存在により効果の発生が保証されます。^[3]ただし、別の原因 z も y を引き起こす可能性があり、これは、x が発生しなくても y が発生する可能性があることを意味します。^{[2] [3]}具体的な例として、「オブジェクトが正方形である場合、4 つの辺がある」という条件ステートメントを考えてみましょう。オブジェクトが正方形であることが真である場合、オブジェクトが 4 つの辺を持つことは必要条件です。逆に言えば、物体が正方形であることは、物体が4つの辺を持つことが真であるための十分な条件である。^[4]

2 つの条件の関係には、必要性と十分性の 4 つの異なる組み合わせが可能です。最初の条件は次のようになります。

1. 必要だが十分ではない
2. 十分だが必須ではない
3. 必要かつ十分である
4. 必要でも十分でもない

2番目の条件が満たされるためには^[4]

素人や初心者の科学者は、必要性と十分性という概念を特定の方法で考えることを好むかもしれない。心理学の学部 生を対象とした研究では、必要性を「x がなければ y もない」という否定的な言葉で捉える学生の方が、十分性について捉える学生よりも多かった。彼らのほとんどは、十分性を「x ならば y」という論理的に同等の「y がなければ x はない」ではなく理解していた。この結果は、学生が原因について後ろ向き (y から x) の方向よりも前向き (x から y) の方向で考えることを好む傾向があることも示唆している。^[5]

これらの因果関係を裏付ける証拠の種類に関して誤解が生じる可能性があります。因果関係の概念である必要性と十分性を適用した研究では、生化学の授業を受けている大学生は、相関関係を、効果を引き起こすのに十分性を意味すると誤って誤解する傾向があることがわかりました。 ^[6]心理学の学部生を対象とした研究では、十分性の理解に潜在的な矛盾があることも示され、結果が必ずしも原因に続くわけではない場合でも、原因が結果に対して十分であると理解している学生がいることがわかりました。 ^[5]逆の方向では、結果には別の原因がある可能性がありますが、原因が十分であるのは、常に結果が発生する場合のみです。

必要性は、問題となっている部分がアクティブでないとシステムが機能しない、つまり機能するために必要であることを示すことによってのみ証明できます。生物学研究では、損傷やノックアウト/削除など、構造や遺伝子のプレーヤーを阻害するためにさまざまな手法が使用されています。これらの手法はすべて、機能喪失のカテゴリに分類されます。^[要出典]

損傷は、構造を物理的に損傷してその機能を失わせる必要性のテストです。構造を損傷することでシステムに変化が生じる場合、その構造は必要です。^[7]損傷は、科学分野によって大きく異なります。

心理学では、事故や病気によって人間が、あるいは意図的に実験動物が脳の領域を破壊されたときの行動の変化を観察することで、必要性に関する情報が得られる可能性がある。^[8]他の分野では、特定の細胞タイプをターゲットにして、分解のためにタグ付けすることがある。GAL4 /UAS システムは、組織に独立した影響を及ぼさないものの、関心のある遺伝子のサブセットを「報告」する。^{[9] reaper (rpr) などのアポトーシス遺伝子と組み合わせると、関心のある遺伝子を}GAL4/UASとともに発現するすべての細胞が細胞死を開始し、細胞タイプに固有の軍団を形成する。^[10]

時間生物学における損傷の典型的な例は、オオカバマダラの概日リズムの調査です。画期的な実験で、クリスティン・マーリン博士とスティーブン・レパート博士は、オオカバマダラの触角を除去（損傷）し、その移動能力をテストしました。^[11]彼らは、オオカバマダラは触角なしでは移動できないことを発見しました。^[11]研究者は損傷を使用することで、オオカバマダラの触角がないとこのシステムが機能しないため、触角は移動に必要であるという結論に達することができました。^[11]

ノックアウトとは、遺伝子の不活性化を指します。これは、DNA配列を変更してその機能を果たさないようにする、プロモーター領域を変更して転写されないようにする、または遺伝子を完全に削除するなど、いくつかの方法で行うことができます。 ^[12]科学者が遺伝子の機能を理解するのに役立つだけでなく、削除前後の行動やその他の変数を観察することで、行動やシステムが機能しなくなった場合にその必要性を主張することができます。

Alladaらは、ショウジョウバエの遺伝子CLOCKのノックアウトを行った。この遺伝子は、順方向遺伝学によって以前に概日リズム遺伝子として特定されていた。この実験では、Clock遺伝子を改変して、正常な機能を果たさないようにした。^[13] Clockをノックアウトしたハエは、改変されていないハエで記録された24時間リズムを示さなかった。^[13]このことから、研究者らは、ハエの24時間リズムにはClockが必要であると結論付けた。^[13]

十分性は、問題の要素がアクティブなときに、他の要素の影響を受けずにシステムが動作できることを実証することで証明できます。ただし、これは問題の要素が機能するために必要であることを示すものではありません。要素はシステムの機能を可能にしますが、システムが機能するためにその要素の存在は必須ではありません。

生物学における十分性のテストは、要素の存在によって生物学的現象が発生するかどうかを判断するために使用されます。言い換えると、十分な条件が満たされると、対象となるイベントが発生する可能性があります。ただし、これは十分な生物学的要素が存在しないと生物学的イベントの発生が妨げられることを意味するものではありません。

十分性のテストには、離散刺激による機能の獲得や、標的イベントの変化を観察するための生物学的要素の分離が含まれます。これらのタイプの方法は、生物学のいくつかのサブフィールドにとって不可欠です。特に、十分性のテストは時間生物学の分野で一般的です。

離散刺激を行う場合、研究者は関心のある生物学的要素のみに刺激を与えることを目指します。レパート博士とマーリン博士のオオカバマダラに関する研究に戻ると、オオカバマダラの太陽コンパス方向付けにおける触角の役割について調査したとき、研究者は蝶の触角にのみ光を与えました。^[11]彼らは、触角だけを刺激すると、同じ条件で同調させた刺激を受けていない蝶と同等に蝶が同調するのに十分であることを発見しました。その結果、刺激を受けたグループの飛行行動は、従来の方法で同調させた蝶と似ていました。その結果、触角は太陽コンパス方向付けに十分であるという証拠がありました。

離散刺激は、シロイヌナズナやタバコなどの植物における概日リズムのペースメーカーの位置と量を調べるためにも使用されている。^[14]完全な植物における概日リズムの結合を調べる際、Thaynらは、一方の子葉にホイルを被せ、もう一方の覆われていない子葉を、覆われた子葉より6時間早い、12時間明・12時間暗の明暗サイクル（LD 12:12）に同調させた。次に、研究者らは反対側の子葉を覆い、新たに露出した子葉を6時間遅らせた12:12の明暗サイクルに同調させ、子葉間に12時間の差を作った。Thaynらは、遺伝子組み換え生物発光を用いて、2枚の葉が互いに位相がずれており、反対の時間に発光のピークを示すことを発見した。これは、それぞれの子葉が独立した概日リズムを維持するのに十分であり、独自の自律的な概日振動子を持っているという考えを裏付ける証拠となった。^[14]

十分性を判断するための隔離法では、実験中の単一の生物学的要素を、他の関連する生物学的要素との相互作用から隔離します。この方法には、問題の要素を取り出し、隔離されたテスト条件に置くことが含まれます。

レパートとマーリンは、2009年にオオカバマダラの太陽コンパスの向きに対する触角の概日時計出力の影響を調べた研究で、分離法を使用しました。研究者らは、蝶から触角を切り離し、別々の環境に置きました。次に、研究者らは、触角の細胞にパッチクランプを行い、分離された細胞に匂い物質を吹き付けて、その発火率にリズムがあるかどうかを判断しました。^[11] 彼らは、嗅覚物質に対する反応にはリズムがあり、発火率は夜間に高く、日中に低いと結論付けました。^[11]触角はシステム内のリズムを維持する唯一の関連する生物学的要素であるため、触角の分離はその十分性を証明しています。

さらに、彼らは2012年の研究でこのアプローチを再び利用し、オオカバマダラの触角の時間的関係が太陽コンパスの方向に与える影響を調べました。研究者は、太陽コンパスの方向付けにおける両方の触角の存在の重要性を分析しました。彼らは、蝶から1つの触角を取り除き、その飛行行動を評価することでこれをテストしました。その結果、左右のどちらであるかに関係なく、1つの触角で正しい太陽コンパスの方向付けに十分であることがわかりました。^[15]

単離の方法は、実験のために単一の細胞や器官を単離することに限定されません。タンパク質と生物におけるその役割を分析するためにも使用できます。具体的には、2005年に中島らは、シアノバクテリアの概日遺伝子発現を制御するKaiA、KaiB、KaiCなどのKaiタンパク質を研究する際にこれを利用しています。これらのタンパク質はシアノバクテリアの概日時計の主要構成要素であり、一日を通してその構造とリン酸化状態を変化させます。 ^[16]シアノバクテリアの概日時計を説明する手段として転写翻訳フィードバックループに疑問を抱き、中島らはS. elongatusを溶解してATPとともに試験管に入れることでKaiABCタンパク質を単離しました。その結果、KaiCのin vitroリン酸化は、 in vivoの振動よりもわずかに小さい振幅で約24時間周期で振動しました。これは、ATPが供給されるとKaiABCタンパク質が概日リズムを維持するのに十分であることを実証しました。また、 S. elongatusの体内時計を制御する概日時計後発振器としてKaiA​​BCが提示され、生物の体内時計のメカニズムとして転写翻訳フィードバックループ（TTFL）モデルが提案されました。^[17]

実験設計や研究解釈における必要性と十分性の概念の使用は、その使用方法が形式論理におけるこれらの概念の意味と必ずしも一致しない可能性があるという理由で批判されてきた。特に、吉原と吉原は、研究における生物学的要因を説明するために「必要かつ十分」というフレーズを使用することを批判した。彼らは、ある要因が他の要因にとって重要であることを説明するのにこのフレーズを使用する研究者は、このフレーズを論理的な意味で解釈する人々に研究結果を誤って伝えるリスクがあると主張するが、同時に、指令ニューロンが正式に定義されている例を挙げて、厳密に論理的な意味で「必要かつ十分」という考え方を生物学的要因に適用することは過度に制限的であり、一部の研究結果が不適切に却下される可能性がある。代替の説明として、著者らは「不可欠かつ誘導的」というフレーズを使用することを提案している。^{[18] [19]}