遺伝的変異

集団における遺伝的多様性の源は数多く存在する。

• 相同組換えは、多様性の重要な源です。有性生殖を行う生物の減数分裂中、2 つの相同染色体が交差して遺伝物質を交換します。遺伝物質を交換するこのランダムなプロセスは組換えとして知られており、独自の遺伝子セットによって制御されています。^{[ 19 ]}遺伝子によって制御されているということは、組換えの頻度が変動することを意味します。一般的に、遺伝子の数が多い染色体上の領域でより頻繁に起こります。これにより、より多くの遺伝子の組み合わせが生まれます。^{[ 19 ]} この後、染色体は分離され、子孫の形成に貢献する準備が整います。
• 移民、移住、転居――これらはすべて、個体が個体群に出入りすることである。遺伝的に隔離された個体群から新しい個体群に入った個体は、繁殖すれば次世代の遺伝的多様性を高めることになる。^{[ 20 ]}
• 倍数性とは、2つ以上の相同染色体を持つことである。これにより、減数分裂中の組換えが増え、子孫の遺伝的多様性が高まる。しかし、この現象は細胞分裂を困難にすることもある。^{[ 21 ]}
• 拡散セントロメア –子孫が親の正確な遺伝子コピーである無性生殖生物では、遺伝的変異の源は限られています。しかし、局所的なセントロメアではなく拡散セントロメアを持つことは、変異を増加させる要因の1つです。拡散することで、染色分体がさまざまな方法で分離できるようになり、染色体の断片化と倍数性が生じます。^{[ 22 ]}
• 遺伝子変異は、集団内の遺伝的多様性に寄与し、適応度に対して正、負、または中立的な影響を与える可能性があります。^{[ 23 ]}この多様性は、変異が影響を受ける個体の適応度を高める場合、自然選択 によって集団全体に容易に伝播し、変異が有害な場合はその影響は最小限に抑えられ、隠蔽されます。個体が持っている変異で生き残れる場合、それらの変異は子孫に受け継がれる可能性が高いです。しかし、集団が小さく、遺伝的多様性が低いほど、劣性/隠れた有害な変異が現れて遺伝的浮動を引き起こす可能性が高くなります。^{[ 23 ]}

DNA損傷は非常に頻繁に発生し、ヒトでは平均して1日に細胞あたり6万回以上起こります。これは、DNA損傷（自然発生）にまとめられているように、代謝または加水分解プロセスによるものです。ほとんどのDNA損傷は、さまざまな自然なDNA修復機構によって正確に修復されます。しかし、一部のDNA損傷は残存し、突然変異を引き起こします。

さらに、すべての種類の突然変異が同じように発生するわけではありません。一部の突然変異は人体に大きな影響を与える可能性がありますが、そうでないものもあります。それは、どの塩基対の組み合わせが変化するかによって異なります。^{[ 24 ]}

自然発生的な突然変異のほとんどは、鋳型鎖のDNA損傷を越えたエラーを起こしやすい複製（損傷乗り越え合成）によって生じます。例えば、酵母では、自然発生的な単一塩基対置換および欠失の60%以上が損傷乗り越え合成によって引き起こされていると考えられます。^{[ 25 ]} 突然変異のもう1つの重要な原因は、DNA二本鎖切断の修復によく用いられる、不正確なDNA修復プロセスである非相同末端結合です。^{[ 26 ]}（突然変異も参照）。したがって、DNA損傷は、損傷を越えたエラーを起こしやすい複製、または損傷のエラーを起こしやすい修復のいずれかによって、自然発生的な突然変異の根本原因となっているようです。

1700年代半ば、現在では主に数学と物理学の研究で知られるフランスの学者ピエール・ルイ・モーペルテュイは、種には真の原型があるものの、生まれたばかりの子孫の発生過程における偶発的な出来事によって変異が生じ、それが時間とともに蓄積される可能性があると提唱した。 ^{[ 27 ]} 1750年の著書『宇宙論試論』の中で、彼は今日見られる種は「盲目的な運命」によって生み出された多くの変異のごく一部に過ぎず、これらの変異の多くは自らのニーズに「適合」しなかったため生き残れなかったと主張した。^{[ 28 ]}実際、一部の歴史家は、彼の考えがグレゴール・メンデルによってさらに発展させられた遺伝の法則を先取りしていたとさえ示唆している。^{[ 29 ]}

同時に、フランスの哲学者ドゥニ・ディドロは、遺伝可能な変異の発生について異なる枠組みを提案した。ディドロは、変異は生殖とその後の子孫の成長の過程で導入される可能性があるというモーペルテュイの考えを借用し、^{[ 30 ]}「正常な」生物の発生は「奇形」の発生よりも起こりにくいと考えた。^{[ 31 ]}しかし、ディドロは物質自体が生命のような性質を持ち、生命の可能性を秘めた構造に自己組織化できるとも信じていた。^{[ 30 ]}したがって、1749年の著作『盲人への手紙』で紹介されたディドロの生物学的変容に関する考えは、既存の種内の変異ではなく、自発的に発生する形態の変異に焦点を当てたものであった。^{[ 32 ]}

モーペルテュイとディドロはともに、ローマの詩人であり哲学者でもあるルクレティウスの思想に基づいていた。ルクレティウスは『事物の本性について』の中で、宇宙全体は偶然によって創造され、自己矛盾のない存在だけが生き残ったと述べている。^{[ 33 ]}モーペルテュイの著作は、存在の生存の差異を説明する際に適合性の概念を用いた点で、ルクレティウスとディドロの著作とは区別される。これは、生命は時間とともに変化すると信じていた人々の間では新しい考え方であった。^{[ 33 ]}

ディドロと同様に、18 世紀のもう 2 人の影響力のある思想家、エラズマス ダーウィンとジャン＝バティスト ラマルクも、非常に単純な生物だけが自然発生によって生み出されると信じており、地球上で観察される複雑な生命の大きな多様性を生み出すには別のメカニズムが必要だと考えていました。^{[ 27 ]}エラスマス ダーウィンは、動物の生涯で獲得した変化は子孫に受け継がれ、これらの変化は動物が基本的なニーズを満たそうとする努力によって生み出されるようだと提唱しました。^{[ 34 ]}同様に、ラマルクの生物間の多様性の理論は、使用と不使用のパターンに根ざしており、それが遺伝可能な生理的変化につながると彼は考えていました。^{[ 27 ]}エラスマス ダーウィンとラマルクは、変異が発達中に生じたか動物の生涯中に生じたかにかかわらず、遺伝可能であり、個体から集団にまで及ぶ時間の経過に伴う変化の理論の重要なステップであると信じていました。

続く世紀、ウィリアム・ハーシェルは望遠鏡で夜空に広が​​る様々な星雲を観測し、異なる星雲はそれぞれ凝縮過程の異なる段階にある可能性があるという考えに至った。この考えは星雲仮説として知られるようになり、自然の過程は物質から秩序を生み出すと同時に変化をもたらすことができ、これらの過程は時間とともに観察できるということを示唆した。^{[ 27 ]} 現代の読者には天文学の理論は有機的変異の理論とは無関係に思えるかもしれないが、これらの考えは19世紀半ばに生物学的変容（現在では進化として知られているもの）の考えと大きく結びつき、チャールズ・ダーウィンなどの後世の思想家の研究の重要な基礎を築いた。^{[ 35 ]}

チャールズ・ダーウィンの遺伝的変異に関する考えは、彼自身の科学的研究と、同時代人や先人たちの考えの両方によって形作られた。^{[ 36 ]}ダーウィンは遺伝的変異を多くの要因に帰したが、特に身体に作用する環境要因を重視した。彼の遺伝理論は、（現在では否定されている）ジェムール（生物の本質を捉え、体中から生殖器官へと移動し、そこから子孫に受け継がれる小さな仮説上の粒子）という考えに基づいていた。^{[ 37 ]}ダーウィンは、環境と身体の因果関係は非常に複雑であるため、この関係によって生じる変異は本質的に予測不可能であると信じていた。^{[ 38 ]}しかし、ラマルクと同様に、彼は器官の使用と不使用のパターンによっても変異が生じる可能性があることを認めた。^{[ 39 ]}ダーウィンは自然集団と家畜集団の両方における変異に魅了され、集団内の個体が一見無意味な変異を示すという彼の認識は、主に動物育種家との仕事の経験から生まれた。^{[ 40 ]}ダーウィンは、種は小さな連続的な変異の蓄積によって徐々に変化すると信じていたが、この概念は20世紀まで激しく議論され続けた。^{[ 41 ]}

20世紀には、集団遺伝学として知られる分野が発展しました。この分野は、遺伝的変異を理解し、定量化することを目指しています。^{[ 41 ]}以下のセクションでは、集団遺伝学における主要な発展のタイムラインを示し、遺伝的変異を定量化する方法に焦点を当てています。

• 1866年-ヘテロ接合性: グレゴール・メンデルの交雑実験により、1950年代にヘテロ接合性として認識されるようになった概念が導入されました。^{[ 39 ]}二倍体種、つまり各細胞内に2つのDNAコピー（各親から1つずつ）を持つ種では、ゲノムの特定の場所で2つのDNAコピーが異なる場合、その個体はヘテロ接合体であると言われます。ヘテロ接合性、つまり集団におけるヘテロ接合体の平均頻度は、20世紀半ばまでに集団の遺伝的変異の基本的な尺度となりました。^{[ 42 ]}集団のヘテロ接合性がゼロの場合、すべての個体はホモ接合体です。つまり、すべての個体は対象となる遺伝子座に同じ対立遺伝子のコピーを2つ持っており、遺伝的変異は存在しません。
• 1918 - 分散: 「メンデル遺伝の仮定に基づく親族間の相関」と題された画期的な論文で、RA フィッシャーは分散の統計的概念を導入しました。分散とは、一連の観測値の平均からの二乗偏差の平均です (${\textstyle \sigma ^{2}={\frac {1}{I}}\sum _{i=1}^{I}(x_{i}-\mu )^{2}}$）、 どこ${\displaystyle \sigma ^{2}}$分散と${\displaystyle \mu }$は、観測値が得られた母集団の平均値です。${\displaystyle x_{i}}$（図が描かれている）。^{[ 43 ]} RA フィッシャーの集団遺伝学における研究は、集団遺伝学にとって重要であっただけでなく、これらの考えは現代統計学の基礎を形成することにもなった。
• 1918年、1921年-加算的および優性遺伝的分散: R.A. フィッシャーはその後、分散の一般的な定義を、集団遺伝学に関連する 2 つのコンポーネント、加算的および優性遺伝的分散に細分化した。^{[ 44 ]}加算的遺伝モデルは、表現型に影響を与える遺伝子の数が少ない場合、遺伝子は相互作用せず、形質の値は各遺伝子が形質に及ぼす影響を単純に合計することで推定できると仮定している。フィッシャーのモデルでは、総遺伝的分散は、加算的遺伝的分散 (これらの加算的効果による形質の分散) と優性遺伝的分散 (遺伝子間の相互作用を考慮) の合計である。^{[ 43 ]}
• 1948年-エントロピー：遺伝的変異を定量化するために開発された分散とは異なり、クロード・シャノンの多様性の尺度（現在ではシャノンエントロピーとして知られている）は、メッセージに含まれる情報量を定量化する方法として、コミュニケーション理論の研究の一環として開発されました。しかし、この方法はすぐに集団遺伝学で利用されるようになり、リチャード・ルウォンティンの画期的な論文「人間の遺伝的多様性の配分」で遺伝的多様性を定量化するために使用された中心的な方法となりました。^{[ 45 ]}
• 1951年- F統計量：F統計量（固定指数とも呼ばれる）は、集団遺伝学者のシーウォール・ライトによって、集団内および集団間の遺伝的変異の差異を定量化するために開発されました。これらの統計量の中で最も一般的なF _STは、最も単純な定義では、遺伝子の2つの異なるバージョン（対立遺伝子）と、これらの2つの対立遺伝子の1つまたは両方を含む2つの集団を考慮します。F _STは、2つの集団をプールした場合のヘテロ接合体の頻度に対する、2つの集団全体のヘテロ接合体の平均頻度を計算することによって、これら2つの集団間の遺伝的変異を定量化します。^{[ 46 ]} F統計量は、分散の階層的概念を定量化するという考え方を導入し、ゲノムにおける自然選択の証拠をテストする一連の方法を含む、多くの重要な集団遺伝学的方法の基礎となりました。^{[ 47 ]}