一つのタンパク質は二十種類のアミノ酸が鎖状に連なってできている高分子である。短いものでも百個程度のアミノ酸、長いものになると三万を超えるアミノ酸が連なってできる。そこで、一つのタンパク質を、二十文字のアルファベットによって書かれた一冊の本とみなし、それらの本すべてを収容する図書館を考える。
一つのタンパク質に対し、もしそれが百個のアミノ酸からなるとすると、その内一個のアミノ酸を他の $19$ 個のアミノ酸で置き替えることによって、$1900$ 個のタンパク質をつくることができる。よって各頂点から $1900$ 本の辺が出ている高次元の超立方体を考えれば、長さが百のすべてのタンパク質をその立方体の頂点に並べることができる。こうした立方体の集合体がこの図書館に他ならない。長さが $100$ のタンパク質だけ見ても
$$20^{100}=10^{130}$$であり、この図書館に収容されている本の総数はとてつもなく多い。
生物を構成しているタンパク質が異なるタンパク質に置き換わり、生存に有利な変化は自然淘汰によって選択・保存され、不利な変化は破棄される、というような形で進化は進む。タンパク質合成の為の情報は遺伝子に書き込まれているから、遺伝子の上に偶然に生じる突然変異によってタンパク質が入れ換わることになる。それはこの広大な図書館の中をでたらめに歩き回り、ランダムに本を抜き取る読者に例えることができる。
しかしそう考えると、膨大な冊数を所蔵する図書館の中を、何の目当てもなく歩き回ってランダムに抜き取るだけで、欲しい本が手に入るだろうか、という疑問がすぐに浮かぶ。つまり、『偶然に頼るだけで、現在見られるような高度な特質を備えた生物にまで進化することが、本当に可能だろうか？』という疑問である。実際、この地球上に原始的な生命が誕生してから経過した時間は $40$ 億年、つまり約 $10^{17}$ 秒である。よって、仮にある生物種の一兆（$10^{12}$）個の個体が毎秒一つのタンパク質を試してきたとしても、総数 $10^{29}$ にしかならない。この図書館に収納されている $10^{130}$ 個よりはるかに多いタンパク質から見れば、それは微々たるものであり、見出すべきタンパク質などおそらく一つも含まれていないと考えるべきだろう。
ただ、そう判断する背景には、『ある機能を持つタンパク質はそれほど多くない』という暗黙の仮定がある。ほとんどすべてのタンパク質がその機能を持つというのであれば、探索がランダムに行われたとしても、何回か繰り返せばお目当ての機能を持つタンパク質に行き当たる可能性は大きい。実は、以下に見るように、この図書館は都合の良い構造をしていて、探索者の集団が新たな機能を持つタンパク質を探し出すのに、上に述べたような困難はない、と Wagner さんは主張している：
まず、遺伝子に突然変異が起きたとしても、生物全体の形や機能の上ではその影響がまったく表に出ない場合があることに着目すべきである。つまり遺伝子型は異なっても、表現型は同じである変異が存在する。このような中立的な変異は、起きたとしても機能は変わらないから、自然淘汰の眼には区別できず、従ってそのまま保存される。しかし、中立的な変異であっても、それによって生み出されるタンパク質は、この図書館の中ではもとのタンパク質とある程度離れることになる。従って、こういう中立的な変異が重なることにより、機能の点では同じであるタンパク質の集団が、この図書館の中に拡散していくことになる。この集団を遺伝子型ネットワークと呼ぶ。
例えば、酸素と結合する機能を持つタンパク質、つまりグロビンと呼ばれるタンパク質に着目してみる。われわれヒトはもちろん、前回説明したように、植物でさえグロビンを持つものがある。ヒトとチンパンジーのグロビンのアミノ酸配列は非常によく似ている。しかし、二枚貝とクジラのグロビンの間ではアミノ酸の八十パーセントが異なる。更に、ある種のマメ科の植物と昆虫のグロビンになると、ほとんど九十パーセントが異なる。つまり、酸素と結合するという機能を持つタンパク質の集団は、広大な図書館の非常に広い範囲に分布していることになる。この状況は、グロビンだけではなく、広く一般に見られる。
さて、タンパク質のアミノ酸配列の内、大部分が異なっていても同じ機能を持つということは、少数のアミノ酸によって機能のあり様が決定されていることを示唆している、とも解釈できる。言い換えれば、少数のアミノ酸を変えてしまえば、機能が変わると考えられる。これは、各タンパク質の近傍には、多様な機能を持つタンパク質が存在することを意味する。
実際、共通するアミノ酸が二十パーセント以下であるタンパク質でも（つまり、その意味で近くにあるタンパク質でも）、それらの近傍に含まれるたんぱく質の機能は、大部分が異なっていることが確認されている。
よって、一個体が自分の属する遺伝子ネットワークから出発する時、かなり小さな近傍を探索するだけで、他の任意のネットワークに属するタンパク質に遭遇する可能性が生まれる。どのくらい小さいかを計算した人がいて、何と、図書館全体の $10^{100}$ 分の一で十分だという結果を得たとのこと。その上、生物種が新しい機能を探索する場合、多くの個体が一斉に行う、しかも遺伝子ネットワークの上に広く拡散した状態で行うのだから、それによっても発見は加速される。『この驚くべき事実は、盲目的な（つまり偶然に任せた）探索がいかにして、生命の無限の多様性を生み出したかを説明するのに十分である』と、Wagner さんは結んでいる。
例えば、$100$ 個のアミノ酸が連なるタンパク質の総数は、何度も計算したように、$10^{130}$ である。従って、図書館全体の $10^{100}$ 分の一の体積の中には $10^{30}$ 個が含まれる。これだけのタンパク質をチェックするだけで、任意の機能に対応するネットワークに到達できるのであれば、$40$ 億年は確かに短すぎる時間ではない。
ただ色々な計算の基礎が、もう一息、盤石でないように、少なくとも私には思える（もちろん私の知識不足のせいである可能性は多分にある）。その為に最初の疑問が真に定量的なレベルで解決されているのかどうか、十分な確信を持っては判断できないでいる。
それはともかくとして、「突然変異」という現象は純然たる物理現象のはずである。染色体の分裂の際に起きる、遺伝子上の情報の「転写ミス」などという言葉で表現されているが、机に向かって一生懸命書き写している神様を、しかも時々ミスをする神様を思い浮かべて、済ませられる話ではない。明確に説明できる、何かの物理的過程に起因する現象であるはずだからである。そこが理解できれば、これまで考えてきた図書館の探索についても、新たな展望が開けるかもしれない。
こう考え出すとすぐに、以前は何も考えずに通り過ぎていた本だが、「生命とは何か」というシュレデインガーの著書を思い出す。分子生物学、あるいは量子生物学という分野の発端になった本だが、面白いことが書いてあるので、次回少し紹介してみようと思う。
目次を表示