遺伝子の転写のミスなどの突然変異によって、生物の上に何かの新機軸が生じることがある。例えば、インドガンは標高八千メートル以上のヒマラヤ山脈を越えて渡りをする。その高度では平地と比べて $1/3$ の酸素濃度であり、人間であれば必ず酸素ボンベを必要とする。インドガンの血管を流れるヘモグロビンは、われわれのヘモグロビンからアミノ酸一つ違うだけだが、酸素と結合する傾向がはるかに強い。中央アジアに住んでいた鳥の一群の遺伝子に突然変異が生じ、その結果が自然淘汰によって保存され、現在のインドガンという生物種が存在すると考えられる。
生物の上に起きる多様な変異から、生存に有利なものが自然淘汰によって選択・保存されてきた、という点については異論の余地はなかろう。ただ、インドガンのような最適者を生み出す突然変異が単なる偶然によって生じるには、地球の年齢はあまりにも短い。例えばヘモグロビンは三百個近いアミノ酸から構成されている。従って、アミノ酸の置き換えの可能性は
$$20^{300}\approx 10^{390} 個$$ある。一方、前回計算したように、この地球上に生命が誕生してからの $40$ 億年は
$$40 億年=4\times 10^9\times 365\times 24\times 60^2=1.26\times 10^{17} 秒$$である。従って、生物種の総数を大きく見積もって一兆（$=10^{12}$ ）とし、これだけの種が 40 億年の間、毎秒一つのタンパク質を試してきたとしても
$$1.26\times 10^{17} \times 10^{12}=10^{29} 個$$にしかならない。つまり、酸素と結合する力の強いアミノ酸の配列が、仮に限られたものであるなら、$10^{390}$ 個の中からその限られた組み合わせが偶然によって見出されたと考えるには、$40$ 億年はあまりに短いことになる。
ところが、自然にはその環境に最もフィットしているとしか考えられない生物が多数存在する。『その事実は、それらを効率的に生み出す自然の原理が必要であることを示している』というのが、前回紹介したワグナーさんという研究者の考えである。
ところで上の推論の中には一つの重大な仮定が含まれている。『酸素と結合する力の強いアミノ酸の配列が、仮に限られたものであるなら』という仮定である。これには何の根拠もない。実はこの仮定は誤っているようである。自然は一般に、問題解決の方法を数多く用意している、というのが正しい。今回はその話。ただ、多いと言っても、ワグナーさんの考えを覆すほどに多いかどうかは、また別の事柄であり、慎重に考えなくてはいけない。
自然が探索する対象を図書館に見立てると今後の推論が理解しやすいので、まずその準備から始める。
ここではタンパク質の図書館を考えよう。二十のアミノ酸をアルファベットの一つ一つの文字とみなせば、それらが一列に並んでできるタンパク質は一つの文章、あるいは一冊の本とみなせる。これらの本をすべて収納した図書館を考える。勿論莫大な冊数の本が収納されることになる。例えば百文字で書かれた本は
$$20^{100}\approx 10^{130} 冊$$ある。スクラーゼのようなタンパク質は千個以上のアミノ酸を持ち、三万個に及ぶアミノ酸が連なったタンパク質もある。
このアイデイアを聞くと、誰でも当然次の疑問を持つ。『普通のアルファベット二十六文字を任意の順番で並べて本を作ったとしても、まともに読めるものはほとんどないはずだ。大多数はまったく意味の通じない単なるアルファベットの羅列に過ぎないものであろう。同じように、このタンパク質の図書館に収納されている本の中で、生物にとって意味のある、あるいは利用できる本は極々限られた冊数になるのではなかろうか？』
この図書館の本の内、どれだけの冊数が意味のある本であるかは、よくわかっていない。ただ手掛かりはある。生物にとって有用なタンパク質のほとんどは特別な形に折りたたまれる必要があるのだが、この図書館に並んでいるタンパク質の内、一万分の一以上がそのように折りたたまれ得るとのこと。普通のアルファベットを無作為に並べた場合、われわれが読んで意味の通じる本ができる確率はもっともっと小さいと思う。でも、ハムレットも、三国志や古事記も、私がこうして書いているこの文章でさえ、その中に入っていることも、また確かである。我々の目的には役立ちそうなので、意味のあるなしにはしばらく目をつむって、二十文字をランダムに並べてできる本、すべてを収納する図書館をひとまず考える。
この図書館に本を収納する場合、出鱈目に並べるより、『似た本を近くに置く』方がおそらく利用しやすい。そこで一文字だけ違う本を隣に置くことにする。例えば、百文字からなる一冊の本に対し、一ヶ所の文字を他の $19$ 文字に交換してできる本は、合わせて
$$100\times 19=1900 冊$$ある。一つの頂点から $1900$ 本の辺が出ている高次元空間の中の超立方体をイメージして欲しい。こうして、多次元立方体の頂点にタンパク質が一つ置かれた図書館を考えることができる。一つの頂点から例えば二本の辺を通って到達できる頂点は、もとの頂点が表すタンパク質で二ヶ所のアミノ酸を置き換えたタンパク質である。また、頂点の間には「距離」の概念も定義できる。異なっているアミノ酸の個数を数えればよい。
さて、2001 年にハーバード大学で興味深い実験が行われた：地球上のすべての生物は、アデノシン三リン酸（ATP）という分子 にエネルギーを蓄えて使う。この分子の結合が切断されるとエネルギーは他の分子に移転し、よりエネルギーの低いアデノシン二リン酸（ADP）に変わる。逆の過程は特別な酵素の働きによってなされる。つまり ATP は充電可能な電池だと言える。
一群のタンパク質は ATP に結合し、そこからエネルギーを得て自分の仕事に使う。物質の輸送、筋肉の収縮等々である。ハーバード大学の研究者は『ATP に結合できる』タンパク質がこの図書館の中にどのくらいあるかを求めた。化学的な技法を使って、およそ六兆 $6\times 10^{12}$ 個ものタンパク質をランダムに作成した。いわば、タンパク質の図書館から手当たり次第に、これだけの冊数の本を引っ張り出したことになる。作成したタンパク質は平均してアミノ酸 $80$ 個からなっていたが、アミノ酸が $80$ 個つらなるタンパク質の総数は
$$20^{80}=10^{104} 個$$程ある。一方で、この六兆個のタンパク質の内で四つが ATP と結合できることがわかった。これはいかにも小さな数に思える。しかし
$$10^{104}\times {4\over {6\times 10^{12}}}\approx 10^{92}$$である。つまり、ATP に結合してこの電池をうまく利用できるタンパク質の候補は、限られたものだとは決して言えない、むしろ、$10^{104}$ 個の内の $10^{92}$ 個なのだから、かなり多いと見るべきである。
実験室の中での実験に頼る以外にも、何億年にもわたって、実際に行われてきた探索の跡をたどることもできる：われわれの肺から末端の体組織まで酸素を運んでくれるヘモグロビンの働きに着目する。ヘモグロビンは酸素と結合するグロビンというタンパク質の大きなファミリーの一員である。ヒトだけではなく、温血動物はもちろん、爬虫類、両生類、昆虫、更には植物さえグロビンを持っている。
進化の系統樹の上で見るなら、ヒトとチンパンジーの系統が枝分かれしたのは $500$ 万年前である。またマウスが乗っている枝と人が乗っている枝が分かれたのは $8000$ 万年前のことである。従って、グロビンに起きるアミノ酸の置き換えのチャンスは、ヒトとチンパンジーの間でより、ヒトとマウスの間での方がより多くあったはずである。実際、それぞれが持つグロビンのアミノ酸配列は、ヒトからチンパンジー、そしてマウスへ移るにつれて大きくなる。
進化のもっと根元に近い段階で枝分かれした生物にまでさかのぼってみれば、より多くの箇所でアミノ酸が置き換わったグロビンに出会う：植物にもグロビンを持つものがある。エンドウなどのマメ科の植物は、空気中から窒素を抽出する為に根粒菌の助けを借りる。根粒菌は窒素ガスをアンモニアに変える酵素を持っているのだが、マメ科の植物はその酵素の働きを利用する。ただその酵素には大気中の酸素によって破壊されるという弱点がある。そこで、酵素に働いて欲しい植物は、グロビンを作って酵素から酸素を遠ざける。
植物と動物が進化の過程で共通の祖先から枝分かれしたのは十億年以上前のことになる。両者の持つグロビンのアミノ酸配列は、それだけ多くの箇所で異なっているはずである。確かに、あるマメ科の植物と昆虫のグロビンは、ほとんど $90$ パーセントのアミノ酸が異なっている。
先に述べたように、ヘモグロビンは三百個近いアミノ酸から構成されている。その $90$ パーセントと言えば $270$ 個であり、それだけ多くの箇所でアミノ酸が異なるヘモグロビンは、タンパク質の図書館の中ではほとんど正反対の位置にある可能性がある。両者の間には
$$20^{270}\approx 10^{350} 個$$とまでは言わないが、相当多くのグロビンが点在していることは確かであろう。つまり、酸素と結合できるおびただしい数のタンパク質を含む、いわゆるネットワークが、タンパク質の図書館の中をずっとずっと遠くまで広がっていると言えそうである。
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