情報とは何か

ーーその本質を考えるーー

                                                                                 久保田隆成

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第４章　遺伝情報

4.4 遺伝的アルゴリズム

　「遺伝的アルゴリズム」は、生物の環境適応、進化、自己増殖のメカニズムを、コンピュータ上での最適化問題の解法アルゴリズムに適用しようと発展してきた。

図4.5 遺伝的アルゴリズム

4.4.1 初期生物集団の発生

「初期生物集団の発生」時には、生命の源である「遺伝子」だけが「自己複製」されていた時期があったと考えられている。この構図は遺伝子を DNA とすれば次のように表現される。

　　　　　「DNA」　　→　　「mRNA」　　→　　「タンパク質」

　上の情報の流れは「セントラルドグマ」（central dogma）と称せられ、一方向に向かって「秩序から秩序」が生じることを意味している。

　しかし、生命体発生に当たっては、「混沌から秩序」の時期がなくてはならない。この「謎」は、１９７０年代になって、遺伝子として「DNA」を持たず「ＲＮＡ」だけを持つ「レトロウィルス」（retrovirus）が発見されて解けてきた。その後、「RNA」には「自己触媒作用」があることがわかり、生命発生の初期における自己複製系は「RNA」だったと考えれるようになった。

　上のような「RNA」だけで成り立つ世界は「RNA ワールド」と呼ばれている。「RNA」は、長い間の「RNA ワールド」時代を経て、遺伝情報の保持機能はより安定した 「DNA 」に引き継がれ、「自己触媒作用」はタンパク質に取って替わられたのであろう。

　なお、「レトロウィルス」は「逆転写酵素」をもち、この酵素で、自己の「RNA」 から「DNA」 を合成して、これを感染した細胞の染色体に組み込み、宿主の細胞内で増殖して、宿主細胞から発芽していく。

4.4.2 淘汰・増殖

　「ダーウィン進化」（Darwinian evolution）するために進化実験系（ここでは、遺伝的アルゴリズム）にセットアップせべき十分条件として、伏見譲はその著書「DNA と遺伝情報物理」（2005年、岩波講座、物理の世界 6） で、次の５項目を挙げている。

　�@　平衡から遠く離れた開放系

　�A　自己増殖系

　�B　遺伝子型・表現型対応付け戦略を持つ系

　�C　分子多様性創出系（広義の突然変異系）

　�D　配列空間上での適応地形が適切な系

　生物システムは外部からにエネルギーを取り込み「代謝」により生命を維持し、老廃物をシステム外に捨てている「開放系」である。この過程において、生物固体は内部状態が絶えず変化している「非平衡系」であり、また、固体としての系内の「エントロピー」を下げて「秩序」を維持している。この「秩序」は系外の大量の「エントロピー」の増大によってもたらされている。

　細胞レベルでの「自己増殖」するための基本的条件は、「プログラム内蔵」（細胞核内に遺伝子を内蔵）と「再帰呼び出し」（遺伝子内からプログラムを起動）であるが、増殖の「終了条件」を含め、「誘導」や「分化」などのプログラムが組み込まれていなければならない。

  「自然選択説」によれば、自然環境が、生物に無目的に起きる「突然変異」を選別し、進化に方向性を与えるという。環境は常に変化し続けるているから、ある「種」の世代が環境に適応を続けていくことができれば、生存と繁殖が可能になる。

　有史以降の「種の絶滅」は、人間の活動が原因の場合が多く、直接的には狩猟における乱獲、間接的には生息環境の破壊などのよるものである。また、一つの「種の絶滅」は、生態系を乱して、他の種の絶滅へと繋がる場合もある。人間による、わずか「数百年」における急激な生息環境の変化に生物の遺伝子は対応できない。「自然選択圧」（「淘汰圧」）に耐えて、適応するには、例えば哺乳類の場合、少なくとも「数百万年」の期間を必要とする。

　「遺伝子型・表現型対応付け戦略」は、「種」の存続を生物個体でなく、その設計図である「遺伝子」に託したということである。近代社会は、物の製造を鍛冶屋的製法から、設計図に基づく製法に変え高品質、同一規格、大量生産を可能にした。「遺伝子による種存続の戦略」は、生命誕生以来、生物が幾多の絶滅の危機に瀕した場合、多様な生物種に、その遺伝子を宿して、生き延びてきた。設計図が残っていたからこそ、約２億年続いた恐竜の時代が、６千５５０万年前に突然絶滅（原因：ユカタン半島巨大隕石衝突説）すると、哺乳類の時代となり、現在の私たちに繋がっている。

4.4.3　交差

　「交差」（組換え）は生物が交配によって子孫を存続させる戦略をモデル化したものである。有性生物の交配は、「減数分裂」（meosis）によて形成された雌雄の「配偶子」の接合によって起きる。「配偶子」の接合によって生じた「接合子」は細胞分裂によって、発生、分化、成長し、再び「配偶子」を形成する。

　配偶子の形成における「減数分列」によって、染色体の選択が生じ、配偶子の遺伝子型は多様なものとなる。その配偶子の組み合わせで生じる「接合子」はさらに多様な遺伝子の組み合わせを持つことになる。このような「交差過程」を経て、生物の多様性を生み、結果的に「進化」をもたらすのが「有性生殖」の意味であると考えられている。

4.4.4 突然変異

「突然」という意味は、いつ変異が起きるか予測できことで、統計的には「偶然」あるいは「ランダム」ということであろう。「変異」は「DNA」または「RNA」の塩基配列に物理的変化が生じること（「遺伝子突然変異」）あるいは染色体の数や構造に変化が生ずること（「染色体突然変異」）である。「突然変異」が生存に有利に働く場合は、それが「進化」の要因になる。

　「ランダムな変異」が生物の多様性を生み、環境の「淘汰圧」がこれに方向性を与える。ゲノム解析によって、遺伝子のいたるところに無駄と思われるところ「冗長性」が見つかった。無駄のない効率性の高いプログラムは環境の変化に弱い。

 　ゲノムが世代を経て継承されるされる際に「ランダム」（突然）に紛れ込んだエラーが「自然選択」に遭遇し、結果的に「合目的」とみなされる「進化」は、「突然変異」の適度の「不完全性」と「偶然性」という戦略よるものであろう。

　人間による環境破壊はすさまじく、２１世紀にはいって、「COPXX」（「気候変動枠組条約締結国会議」）など温室効果ガス排出規制に関する国際会議が開かれるようになったが、その実効は上がっていない。このままでは、生物は、「突然（偶然）変異」をもってこの「淘汰圧」に全く対抗できないであろう。

　これまで「真核生物」の進化についてみてきたが、昨年世界的に大流行した「新型インフルエンザ」はウィルス（A型H1N1亜型）を病原菌とするインフルエンザ感染症である。ウィルスは非細胞性で基本的にはタンパク質と核酸から微小な構造体である。ウィルス単体では増殖できず、他の細胞（宿主）に寄生して増殖する。

　宿主の免疫系の攻撃やワクチン抗体の抵抗に遭遇しながら、これらに適応していくウィルスの「分子進化速度」（分子レベルでの遺伝子の変化）は、哺乳類の遺伝子の数百万倍にも上り、「年」を単位に起こる。

　インフルエンザウィルスは「RNAウィルス」であるので、DNA と違って、「突然変異」に対して「修復機構」を持っていなため、その分、「突然変異」の出現頻度が高くなる。また、「時間」単位で２倍に増殖する。「突然変異」そのものは、ウィルスの「種」の存続の利害に関係なく中立に起きるが、「無駄（下手）な鉄砲も数撃ちゃあたる」の戦略をもって、環境の変化に次々と対応している。

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