進化の原理と基礎 計算機シミュレーションで理解する進化の物理

市橋伯一(著者), 金井雄樹(著者)

• 販売会社／発売会社: 東京大学出版会
• 発売年月日: 2025/03/28
• JAN: 9784130626286

商品レビュー

2025/04/15

序章 進化とはなにか：進化の定義と条件

進化の日常的意味と生物学的意味の違いを明確に区別。
生物学的進化の定義：生物個体あるいは生物集団の遺伝的性質の累積的変化。
進化が起こるための条件：自己複製、性質の多様性（変異）、性質の遺伝。
進化の原理は生物に限らず、自己複製、変異、遺伝の要素があれば、あらゆるシステムに適用可能。
適応進化（自然選択や人為選択による適応度の高い個体の増加）と中立進化（遺伝的浮動による偶然的な遺伝子頻度の変化）という進化の主要なメカニズム。
シミュレーションを用いて進化現象を構成的に理解することの重要性。
第I部 進化が起こるしくみ

集団サイズを考慮しない単純な増殖モデルによる自然選択の数理モデル化。
適応度のわずかな違いが長期的な集団組成に大きな影響を与えることを数式で表現。
環境収容力を含む増殖モデルの導入：個体数が飽和に近づくと自然選択の効果が弱まる。
個体の死滅を含むモデルへの発展：適応度を子孫を残す「確率」として捉える。
自然選択が効果的に働くのは、集団内に適応度の異なる個体が存在し、個体数が環境収容力に対して十分に小さい場合に限られる。
単位の選択や無次元化の重要性。
第II部 生物の進化

適応進化の限界と共進化:

収穫逓減の法則：適応度が上限に近づくにつれて、有利な変異が見つかりにくくなる。
共進化：相互作用する種間での適応的な進化。
赤の女王ダイナミクス：寄生者と宿主の共進化。
自然選択の数学的基礎:

プライス方程式：自然選択の法則を数学的に記述する普遍的な方程式。
フィッシャーの自然選択の基本定理はプライス方程式の特殊なケース。
中立進化と分子時計:

中立進化：適応度に影響を与えない中立変異の集団内での広がり（固定）。
分子時計：遺伝子やタンパク質の変異の蓄積速度を利用して生物の分岐年代を推定する方法。
表現型の進化:

遺伝子の変異がタンパク質の構造や機能に影響を与え、最終的に生物の表現型を変化させる複雑な過程。
遺伝子重複、挿入、欠失、組み換えといった多様な変異メカニズムが表現型の進化の源。
地理的隔離や生殖的隔離といった種分化の要因。
種の定義の難しさ、生物学的種概念や遺伝子に基づいた種の定義など、様々な視点。
種分化のシミュレーション:

中立進化のシミュレーション：地理的に隔離された集団での遺伝的な差異の蓄積と種分化。
共進化のシミュレーション：相互作用が種分化を促進する可能性。
ニッチの多様性が種分化を促進するメカニズム。
第III部 生物以外の進化

協力の進化:

直接互恵性、間接互恵性、ネットワーク互恵性、血縁選択、グループ選択。
ハミルトン則：血縁選択の基礎。
アリやハチの社会性。
分子の進化と進化工学:

試験管内でのRNA複製実験。
進化工学：ランダムな変異導入と選択を繰り返すことで、特定の機能を持つタンパク質や酵素を取得・改良。
進化的アルゴリズムと人工生命:

遺伝的アルゴリズム：コンピューター上で進化の原理を応用した最適化手法（ナップサック問題、関数最適化など）。
人工生命：自己複製と進化をコンピューター上で再現する試み。
進化的なアルゴリズムにおける多様性の維持（ニッチング）の重要性。
終章 生物進化に残る謎

小進化と大進化:

集団内の小さな遺伝子頻度の変化（小進化）が、種を超えるような大きな形態や機能の変化（大進化）にどのように繋がるのかは、未解明。
化石記録の限界や複雑な遺伝子ネットワークの相互作用。
進化の必然性と偶然性:

生物の進化の道筋が、環境や遺伝的変異の偶然性に大きく左右されるのか、それとも何らかの必然性によってある程度予測可能なのか。
微生物を用いた進化実験。
進化の予測可能性:

ウイルスなどの進化を予測し、感染症対策に役立てる可能性。
変異から適応度を正確に予測することが困難である現状。
現在の生物の進化と過去の生物の進化:

同じ原理に基づいているものの、環境条件や生物間の相互作用が大きく異なるため、単純に比較することは難しい。
生物のように進化するものを作れるか:

人工生命や進化ロボットといった分野の研究。
補遺

プライス方程式の詳細な数学的な解説と導出。
ハミルトン則のプライス方程式による表現。
グループ選択と血縁選択の関係。