実験的進化

人間は、植物や動物を家畜化し始めて以来、知らず知らずのうちに進化の実験を行ってきた。植物や動物の選択的交配によって、元の野生種とは劇的に異なる品種が生み出されてきた。キャベツの品種、トウモロコシ、そして数多くの犬種などがその例である。単一の種から極めて異なる品種を生み出す人間の交配能力は、すでにチャールズ・ダーウィンによって認識されていた。実際、彼は著書『種の起源』を家畜の変異に関する章から始めている。この章で、ダーウィンは特にハトについて論じている。

合計で少なくとも20羽のハトが選ばれ、それらを鳥類学者に見せて、野生の鳥だと伝えれば、彼は間違いなく明確な種として分類するだろうと私は思う。さらに、どの鳥類学者も、イングリッシュキャリア、ショートフェイスタンブラー、ラント、バーブ、ポウター、ファンテールを同じ属に分類するとは思わない。特に、これらの品種それぞれに、真に遺伝的に受け継がれた亜種、あるいは彼が呼ぶところの種がいくつか存在するのだからなおさらである。（…）私は、博物学者の一般的な見解、すなわち、すべてのハトはイワバト（Columba livia）の子孫であり、この用語の下には、ごく些細な点で互いに異なるいくつかの地理的な亜種や亜種が含まれているという見解が正しいと確信している。

制御された進化実験を最初に行った人物の一人がウィリアム・ダリンジャーである。19世紀後半、彼は特製の培養器で7年間（1880年～1886年）にわたり、小さな単細胞生物を 培養した。ダリンジャーは培養器の温度を最初の60 °Fから158°Fまで徐々に上昇させた 。初期の培養物は73°Fの温度で明らかにストレスの兆候を示しており 、158°Fでは生存できないことは明らかだった 。一方、実験終了時にダリンジャーの培養器にあった生物は、158°Fでも全く問題なく生存していた 。しかし、これらの生物は最初の60°Fではもはや成長しなかった 。ダリンジャーは、培養器内でダーウィン的適応の証拠を発見し、生物が高温環境で生きるように適応したと結論付けた。ダリンジャーのインキュベーターは1886年に誤って破壊され、ダリンジャーはこの研究を続けることができなかった。^{[ 11 ] [ 12 ]}

1880年代から1980年にかけて、実験的進化は、非常に影響力のあるテオドシウス・ドブジャンスキーを含む様々な進化生物学者によって断続的に行われた。この時期の進化生物学における他の実験的研究と同様に、この研究の多くは大規模な再現性を欠いており、比較的短い進化時間でのみ実施された。^{[ 13 ]}

1950年代、ソ連の生物学者ゲオルギー・シャポシニコフは、Dysaphis属のアブラムシに関する実験を行った。彼は、通常アブラムシにとってほとんど、あるいは完全に不向きな植物にアブラムシを移すことで、単為生殖によって生まれた子孫の集団を新しい食物源に適応させ、同種の通常の集団から生殖的に隔離することに成功した。^{[ 23 ]}

この戦略を用いた新たな実験の波の最初のひとつは、マイケル・R・ローズが1980年2月に始めた、ショウジョウバエ集団の実験室での「進化的放散」であった。 ^{[ 24 ]}このシステムは、10の集団から始まり、5つは後期の段階で培養され、残りの5つは初期の段階で培養された。それ以来、この実験室での放散では、複数の形質を対象とした選択によって200を超える異なる集団が作られてきた。これらの高度に分化した集団の中には、実験集団を祖先の培養体制に戻すことによって「逆方向」または「逆向き」に選択されたものもある。何百人もの人々が、30年近くにわたってこれらの集団を研究してきた。この研究の多くは、書籍『Methuselah Flies』にまとめられた論文に要約されている。^{[ 25 ]}

初期のハエの実験は表現型の研究に限られていましたが、分子メカニズム、つまりそのような変化を促進するDNAの変化は特定できませんでした。これはゲノミクス技術によって変わりました。^{[ 26 ]}その後、トーマス・ターナーは進化と再配列（E&R）という用語を作り出し^{[ 10 ]}、いくつかの研究がE&Rアプローチを使用しましたが、成功はまちまちでした。^{[ 27 ] [ 28 ]}より興味深い実験的進化研究の1つは、カリフォルニア大学サンディエゴ校のガブリエル・ハダッドのグループによって行われ、ハダッドらは低酸素環境（低酸素症としても知られる）に適応するようにハエを進化させました。^{[ 29 ]} 200世代後、彼らはE&Rアプローチを使用して、低酸素症に適応したハエで自然選択によって選択されたゲノム領域を特定しました。^{[ 30 ]より最近の実験では、RNAseq [ 31 ]}と遺伝的交配でE&Rの予測を追跡しています。 ^{[ 9 ]} E&Rと実験的検証を組み合わせるこのような取り組みは、ハエの適応を制御する遺伝子を特定する上で強力なものとなるはずである。

ごく最近、ハエの実験的進化は分子メカニズムに取り組む方向に向かっており^{[ 32 ] [ 33 ]}、そうすることで生物の生理機能をよりよく理解し、疾患の治療法を再定義する道が開かれる可能性がある^{[ 34 ] 。}

多くの微生物種は世代時間が短く、ゲノム配列が容易に解読でき、生物学がよく理解されています。そのため、実験的進化研究によく用いられます。実験的進化に最もよく用いられる細菌種には、P. fluorescens ^{[ 35 ]} 、Pseudomonas aeruginosa ^{[ 36 ]} 、Enterococcus faecalis ^{[ 37 ]}、E. coli (下記参照) などがありますが、酵母S. cerevisiaeは真核生物の進化研究のモデルとして用いられてきました。^{[ 38 ]}

ブソッティらは、リーシュマニア・ドノバニからアマスチゴートを分離し、3800世代（36週間）にわたって体外で培養した。これらの寄生虫の培養により、培養世代が進むにつれて、有糸分裂の正しい進行に重要なNIMA関連キナーゼの欠損を補うために、別の相同キナーゼの発現を増加させることで、体外培養条件に適応していることが明らかになった。さらに、L. ドノバニは、鞭毛生合成に関連する23の転写産物の発現を減少させ、リボソームタンパク質クラスターや核小体小型RNAなどの非コードRNAの発現を増加させることで、体外培養に適応していることが観察された。体外培養では、寄生虫にとって鞭毛の必要性は低いと考えられており、そのため世代が進むにつれて鞭毛は消失し、運動性の低下によるエネルギー節約につながり、培養における増殖と成長速度が高くなる。増幅されたsnoRNAは、リボソーム生合成の増加、タンパク質生合成の増加、ひいては培養の増殖速度の増加にもつながります。寄生虫の世代にわたって観察されるこれらの適応は、コピー数変異（CNV）と影響を受ける遺伝子間のエピスタシス相互作用によって制御されており、遺伝子発現の転写後調節を通してリーシュマニアのゲノム不安定性を正当化することができます。 ^{[ 43 ]}

1993年、セオドア・ガーランド・ジュニアとその同僚は、ランニングホイールでの自発的な活動レベルが高いマウスを選択的に繁殖させる長期実験を開始した。 ^{[ 44 ]}この実験は今日まで（105世代以上）続いている。4つの複製された「ハイランナー」系統のマウスは、主に1日あたりの走行時間を長くするのではなく、コントロールマウスよりも速く走ることによって、1日あたりのランニングホイールの回転数が4つの非選択コントロール系統のマウスの約3倍に進化した。しかし、ハイランナー系統は、走行速度と持続時間、あるいはその逆など、やや異なる方法で進化しており、進化した筋肉特性に部分的に基づいていると思われる「複数の解決策」 ^{[ 45 ]}を示している 。^{[ 46 ]}

HRマウスは、 電動トレッドミルでテストすると、持久走能力^{[ 47 ]} と最大有酸素能力^{[ 48 ]}が向上します。また、脳の動機付けと報酬系にも変化が見られます。薬理学的研究では、ドーパミン機能とエンドカンナビノイド系の変化が指摘されています^{[ 49 ]}。ハイランナー系統は、ヒトの注意欠陥多動性障害（ADHD ）を研究するためのモデルとして提案されており、リタリンを投与すると、ホイールランニングはコントロールマウスと同程度のレベルまで減少します^{[ 50 ] 。}

2005年、パヴェウ・コテヤは、ヤギェウォ大学（ポーランド）のエディタ・サドフスカら同僚とともに、実験室で飼育されていない齧歯類であるヤチネズミMyodes (= Clethrionomys) glareolusに対して多方向選抜を開始した。^{[ 51 ]}ヤチネズミは、陸生脊椎動物の適応放散において重要な役割を果たした3つの異なる形質、すなわち好気性代謝の最大速度の高さ、捕食傾向、草食能力について選抜される。好気性系統は、38℃で泳ぐ際に達成される酸素消費の最大速度に基づいて選抜される。捕食系統は、生きたコオロギを短時間で捕獲する能力に基づいて選抜される。草食系統は、乾燥した粉末状の草で「希釈」された低品質の餌を与えられたときに体重を維持する能力に基づいて選抜される。3つの選抜方向それぞれについて4つの複製系統が維持され、さらに4つが選抜されていない対照として維持される。

約20世代の選択育種後、好気性系統のハタネズミは、選択されていない対照系統のハタネズミよりも水泳誘発代謝率が60%高くなった。選択プロトコルは体温調節の負担を課さないが、好気性系統では基礎代謝率と熱産生能力の両方が増加した。 ^{[ 52 ] [ 53 ]}したがって、これらの結果は、哺乳類の恒温性の進化に関する「好気性能力モデル」をある程度裏付けるものとなった。

捕食性ハタネズミの85%以上がコオロギを捕獲するのに対し、無作為抽出された対照群のハタネズミでは約15%しか捕獲せず、捕獲速度も速い。捕食行動の増加は、より積極的な対処スタイル（「性格」）と関連している。^{[ 54 ]}

低品質の餌を与えた試験では、草食性ハタネズミは対照群よりも体重減少が約2グラム少なく（元の体重の約10％）、草食性ハタネズミは盲腸内の細菌叢の構成が変化している。^{[ 55 ]}このように、選択の結果、ホロバイオーム全体が進化しており、この実験はホロゲノム進化の実験室モデルを提供する可能性がある。

合成生物学は実験的進化のための独自の機会を提供し、遺伝子モジュールを宿主ゲノムに挿入し、そのようなモジュールを特異的に標的とする選択を適用することで、進化の変化の解釈を容易にします。大腸菌^{[ 56 ]}または出芽酵母サッカロミセス・セレビシエ^{[ 57 ]}のゲノムに挿入された合成生物学的回路は、実験室での進化中に劣化（機能喪失）します。適切な選択により、失われた生物学的機能の進化的回復の根底にあるメカニズムを研究することができます。^{[ 58 ]}合成遺伝子回路を保有する哺乳類細胞の実験的進化^{[ 59 ]}は、薬剤耐性の進化における細胞の不均一性の役割を明らかにし、癌細胞の化学療法耐性に示唆を与えます。

実験的進化では、対照集団は、治療特異的な進化的応答を、起こりうる結果の背景分布から区別するために不可欠です。従来の生物学的実験では、特定の帰無仮説を検証するために単一の未処理対照が使用されることが多いのに対し、進化の軌跡は本質的に確率的であり、複製された対照系統は互いに分岐することが一般的です。その結果、特定の選択圧がない場合に予想される結果の集合を特徴付けるには、通常、複数の独立した対照集団が必要となります。^{[ 60 ]}この区別は、抗菌薬や抗がん剤の耐性の進化などの分野では特に重要です。これらの分野では、処理された集団を未処理の進化結果の広範な分布と比較することが、適応応答を解釈するために不可欠です（薬剤耐性も参照）。

大規模な研究では、同一条件下であっても複製集団間でかなりのばらつきがあることが実証されています。たとえば、酵母の進化実験では、集団は適応の広範なパターンを共有する可能性がある一方で、関与する特定の変異と経路は複製間でしばしば特異に異なり、^{[ 61 ]}多くの場合、異なる二次的な進化的結果をもたらします。^{[ 62 ]}同様に、長期にわたる微生物の進化実験では、複製系統はしばしば平行した表現型の軌跡をたどりますが、それらの変化を可能にする根本的な変異は異なることが明らかになっています。^{[ 63 ]}

複製された対照集団は大きく異なる可能性があるため、その役割は単一の期待される基準結果を提供することではなく、中立条件または背景条件下で起こりうる進化の軌跡の分布を定義することにある。これにより、研究者は、治療群で観察された突然変異、表現型、または適応度の結果が、進化プロセスの自然な変動と統計的に区別できるかどうかを判断することができる。

トゲウオには海水種と淡水種があり、淡水種は最後の氷河期以降に進化しました。淡水種はより低い温度でも生き延びることができます。科学者たちは、海水トゲウオを冷たい淡水で飼育することで、この耐寒性の進化を再現できるかどうかを検証しました。海水トゲウオは、野生の淡水トゲウオに見られる2.5℃の耐寒性の向上に匹敵するよう進化するのにわずか3世代しかかかりませんでした。^{[ 64 ]}

微生物細胞^{[ 65 ]}、そして最近では哺乳類細胞^{[ 66 ]}は、代謝反応を研究し、有用な特性を持つように細胞を設計するために、栄養制限条件下で進化している。