促進されたバリエーション

促進変異理論は、限られた数の調節遺伝子の変化と、既存の発生要素の差別的再利用を通じて、一見複雑に見える生物システムがどのようにして発生するかを示しています。^{[1] [2]この理論は、2005年に}マーク・W・カーシュナー（ハーバード大学医学部システム生物学科教授兼学科長）とジョン・C・ガーハート（カリフォルニア大学バークレー校大学院教授）によって発表されました。

促進変異理論は、進化における表現型変異の性質と機能を扱う。細胞生物学と進化発生生物学の最近の 進歩は、新規性を生み出す多くのメカニズムを明らかにしている。カンブリア紀以降に進化した解剖学的および生理学的特性のほとんどは、キルシュナーとゲルハルトによれば、発生と生理学で機能するさまざまな保存されたコアコンポーネントの使用における調節的変化の結果である。^[2]新規特性は、調節要素の適度な遺伝的変化を必要とする、モジュール式コアコンポーネントの新しいパッケージとして発生する。発生システムのモジュール性と適応性により、適応的な表現型変異を生み出すために必要な調節的変化の数が減り、遺伝子変異が実行可能になる可能性が高まり、生物が新しい環境に柔軟に対応できるようになる。このように、保存されたコアプロセスは、適応的な表現型変異の生成を促進し、その後自然選択によってそれが伝播する。^{[1] [2]}

促進変異の理論は、いくつかの要素から成ります。^{[1] [2]}生物は、発達と生理学で機能し、数百万年（場合によっては数十億年）にわたってほとんど変化していない「コアプロセス」と呼ばれる高度に保存されたモジュールのセットから構築されています。遺伝子変異は、生物が示すコアコンポーネントのパッケージ（つまり、それらのコンポーネントの新しい組み合わせ、量、および機能状態）の規制変更につながります。最終的に、保存されたコンポーネントの変更された組み合わせ、量、および状態は、自然選択が作用する新しい形質を開発および操作する機能を果たします。モジュール構成、適応性（たとえば、探索プロセスを通じて発生する）、および区画化のため、発達システムは、遺伝子変異または新しい環境条件によって挑戦されると、促進された（つまり、機能的かつ適応的な）表現型変異を生み出す傾向があります。

動物は、部品のツールキット（レゴブロックなど）から構成されています。コアコンポーネントのほとんどは、動物界の多様な門にわたって保存されています。コアコンポーネントの例は次のとおりです。

• DNA複製、
• DNAからRNAへの転写、
• RNAからタンパク質への翻訳、
• 微小フィラメントと微小管細胞骨格の形成、
• 細胞間シグナル伝達経路、
• 細胞接着プロセス、
• 前後軸形成

節足動物と四肢動物における付属肢と四肢の形成などの追加のコアプロセスは、新しい制御構成にリンクされたさまざまな保存されたコアプロセスの組み合わせであり、全体として保存されています。

異なるコアプロセスは、異なる組み合わせで、差動制御を通じてリンクされ、異なる量、状態、時間、場所で動作して、新しい解剖学的および生理学的特性を生成します。これらの制御リンクは簡単に作成および変更できます。Kirschner と Gerhart は、この現象を「弱い制御リンク」と呼んでいます。制御シグナルは、コアコンポーネントのオン/オフを切り替えて、複雑な応答を引き出すことができます。シグナルは応答を制御しているように見えますが、通常、応答するコアプロセスは出力を自分で生成できますが、それ自身を抑制します。シグナルが行うことは、この自己抑制を妨げることだけです。保存されたコアプロセスにはスイッチのような動作と代替出力がすでに組み込まれているため、制御の変更は簡単に実行できます。つまり、制御は機能的出力と共進化する必要はありません。

「探索プロセス」と呼ばれる保存されたコアプロセスには、さまざまな表現型の結果や状態を生成する機能があります。例には次のものがあります。

• 微小管構造の形成、
• 神経系の発達（すなわち、軸索と標的器官の結合）、
• シナプス除去、
• 筋肉のパターン、
• 血管の生成、
• 脊椎動物の免疫システム、
• 動物の学習

探索的プロセスは、まず、多くの場合ランダムに、非常に大量の生理学的変異を生成し、次に最も有用なものを選択または安定化し、残りは消滅するか衰退します。したがって、探索的プロセスは、発達中に機能するダーウィンのプロセスに似ています。

たとえば、血管系が発達するにつれて、血管は酸素供給が不十分な領域まで拡張します。体内の血管の分布については、遺伝的に指定された地図は事前に決まっていませんが、血管系は低酸素組織からの信号に反応し、酸素が十分に供給された組織内の不要な血管は死滅します。探索的プロセスは、生物に適応するための膨大な余地を与えるため、強力です。

古代の調節プロセス（先カンブリア紀の動物で進化）により、体の一部の領域または発達の特定の時期に、コアプロセスを異なる組み合わせ、量、状態で再利用できるようになり、生物の他の場所で破壊的または不適応な多面的効果を生み出す可能性が減少します。転写調節と細胞間シグナル伝達の空間的区画化がその一例です。脊椎動物の胚は、空間的におそらく 200 の区画に編成されており、各区画は転写因子またはシグナル伝達分子をコードする 1 つまたは複数の主要な遺伝子の発現によって一意に定義されます。区画化の例は、発達中の脊椎に見られます。すべての椎骨には骨を形成する細胞が含まれていますが、胸部の椎骨は肋骨を形成しますが、首の椎骨は肋骨を形成しません。これは、それらが異なる区画で発生したためです（異なるHox 遺伝子を発現しています）。その他の形態の調節区画化には、異なる細胞タイプ、発達段階、性別が含まれます。

ゲルハートとキルシュナー^[2]は、鳥やコウモリの翼が四肢動物の前肢から進化した例を挙げています。彼らは、骨が遺伝子変異の結果として長さと厚さの調節的変化を受けると、筋肉、神経、血管系がそれらの変化に適応し、それ自体に独立した調節的変化を必要とせずに適応する仕組みを説明しています。四肢の発達に関する研究では、筋肉、神経、血管の創始細胞は胎児の体幹に由来し、最初は骨と真皮の前駆細胞のみを含む発達中の四肢芽に移行することが示されています。筋肉の前駆細胞は適応性があり、発達中の真皮と骨から信号を受け取り、どこにあってもそれらに対する位置を取ります。次に、前述のように、多数の軸索が神経索から芽に伸び、いくつかは偶然に筋肉の標的に接触して安定し、残りは縮みます。最後に、血管の前駆細胞が入り込みます。四肢細胞が低酸素状態にある場所ではどこでも、近くの血管をその周囲に成長させる信号を分泌します。探索的プロセスによってもたらされる適応性により、骨、筋肉、神経、血管の共進化は不要になります。選択は、独立して変化する複数の部分を調整する必要はありません。これは、遺伝子の変化をほとんど伴わずに、生存可能な表現型を簡単に生成できるだけでなく、遺伝子変異が致命的になる可能性が低く、選択によって大きな表現型の変化が促進され、表現型の変化が機能的かつ適応的 (つまり「促進される」) であることを意味します。

促進変異の理論は、制御ネットワークの進化の計算解析によって裏付けられています。これらの研究は、突然変異がランダムに分布していても、また新しい環境条件に直面しても、表現型の変異性は適応度の高い表現型に向けられる可能性があることを確認しています。^{[3] [4] [5] [6] [7]} Parter et al. ^{[3] は}、弱い制御連鎖、モジュール性、突然変異の多面性の低下など、促進変異理論の重要な要素が、現実的な条件下でどのように自発的に進化するかを実証しています。

古典的なダーウィンの見解では、翼、手足、脳などの新しい構造を生み出すには、生物の生存に有用であるように選択された多数の連続した突然変異が必要であるとされています。一方、促進変異は、弱い連鎖や探索プロセスなどのコアプロセスと特性の生理学的適応性により、タンパク質、細胞、および体の構造がさまざまな方法で相互作用し、限られた数の遺伝子と限られた数の突然変異で新しいものを生み出すことができると主張しています。

したがって、突然変異の役割は、胚や成体の発達中に遺伝子が発現する方法、場所、時期を変えることであることが多い。進化における創造性の重荷は、選択だけにあるのではない。動物の現在の表現型は、その中核プロセスの古代のレパートリーを通じて、動物が調節の変化に応じて生み出すことができる表現型の変異の種類、量、および生存能力を決定する。生物の適応性と、突然変異や環境の変化に直面しても機能的な表現型を生み出す能力を強調するキルシュナーとゲルハルトの理論は、ジェームズ・ボールドウィン^[8]（ボールドウィン効果）、イヴァン・シュマルハウゼン^[9] 、コンラッド・ワディントン^[10]（遺伝子の同化と適応）、メアリー・ジェーン・ウェスト・エバーハルト^[11]（「遺伝子はリーダーではなくフォロワーである」）による以前のアイデアに基づいています。最近では、促進変異理論は拡張進化論の支持者によって受け入れられ、^{[12] [13]}非ランダムな表現型変異（「発達バイアス」）を生み出す役割が強調されています。しかし、一部の進化生物学者は、促進変異が進化論に多くのものを追加するかどうかについては懐疑的です。^[14]

創造論者やインテリジェント デザイン支持者は、複雑な特徴は既存の機能システムに小さな修正を続けて加えることでは進化できないと主張してきた。促進変異理論は、ランダムな突然変異が種の中でいかにして大きな適応的変化を引き起こすかを説明することで、この不可逆な複雑性という考え方に異議を唱えている。この理論は、個々の生物が自然淘汰の受動的な標的から、進化の 30 億年の歴史における能動的なプレーヤーへと変化する仕組みを説明している。キルシュナーとゲルハルトの理論は、インテリジェント デザインを擁護する現代の進化論批判者に対する科学的な反論となっている。

• 進化可能性
• 建設的発達（生物学）
• 拡張進化的合成