遺伝子が自己保存・複製をしたがる物理・化学的メカニズム

質問

遺伝子は、ドーキンスの言葉を使えば、

自己複製子

などと呼ばれることがあります。

で、質問したいのは、

遺伝子のどのような物理化学的性質が、
これを自己保存・複製することを促しているのでしょうか？

なにか、特に、
エントロピーが増加する　
エネルギー安定性が増す
などなど、
分かりやすい関数を最大化するべく複製しているというような説明をしてくださるとベストです。

また、そこまで、単純でなくても、
間接的に答えてくださっても結構ですし、
文献などを紹介してくださってもかまいません。

宜しくお願いします。

注意：　ここでは、例えば、
mRNA が作られて、…　云々
というような、
いわゆる「至近要因」自体の説明を求めているわけではありません。
その背景にある物理化学的要因を求めています。

もっとも、至近要因的な説明でも、
なにか、DNA などがおかれた物理・化学的環境を記述してくださって、
「これが、複製を促す」
というような答えを下さってもうれしいです。

回答No.6

kaazuu · ベストアンサー

どうも。前回は、お粗末な文章ですみません。
国語力に乏しく質問の意味が分からないところも多々あるのですが、僕の理解できた（？）範囲で意見として書いてみます。

＞と、以上、悲観的なところを述べた上で、当初の質問からはかなりずれた、単なるド素人質問になってしまいますが、「一つの見方」としては DNA の複製から複製までの１サイクルの再帰として、細胞分裂を理解することも可能なのでしょうか？

実験室レベル（培養ガン細胞のような均一な形質を持つ細胞集団）で扱う細胞周期は、基本的にいつも同じようなeventが連続していると考えられます。
ただし、個体レベルでは、さまざまな細胞集団から形成されたものなので、細胞によって異なる、と考えられます。

＞分裂を繰り返していくごとに、細胞周囲の環境が異なるため、生成される酵素なども異なってくるので、発生過程で異なる器官へと発生していくと。

そうですね。細胞周囲の環境とは、血中のホルモンの種類、量の変動を指す、と思います。

そうすると、再帰的でない部分は、周囲環境になると思いますが、どのようにミクロに特徴付けられるのでしょうか？

再帰的でない部分とは、具体的に何？イメージが沸かないです？？

＞また、これも超初歩的な質問で申し訳ありませんが、受精卵の初期の段階では、酵素は卵子などに遺伝物質と別に含まれているものを利用したりするのでしょうか？

あまり詳しくはないですが、多分、教科書レベルでは、
卵細胞（母由来）に精子（実際、取り込まれるのは、核）が入るわけですから、最初のうちは卵細胞にすでに存在しているタンパク質を利用します（少なくとも細胞質の成分は）。従って、子供がもつミトコンドリアは母由来となって、アフリカ辺りとかに人類の起源（何とかマザー、ド忘れしました。）があるのでは？となるわけです。

＞ほとんどすべての突然変異が非常に不安定で、次世代に受け継がれない理由を説明していただけるとうれしいです。

これも専門外ですが、分子生物学の教科書レベルでは、突然変異がタンパク質をコードした遺伝子に入った場合に、致死的であるとその個体が淘汰されるから、1細胞レベルで変異が入っても、その細胞に細胞死（アポトーシス）がおきて淘汰されるからだ、と思います。
例えば、遺伝子異常によって、尻尾が生えないネズミがいたとします。個体の生死には関係がないので、ちゃんと生まれ、後代も持続できるはずですが、ネズミ集団でかんがえると、尻尾がないことで、バランスが悪くなって、交尾を行いにくくなった、とかなると、集団遺伝学的には、やがて淘汰されるのでは？と考えられます。

どのレベルの突然変異を問題にするのかでは大きく異なる気がします。前述の細胞周期など、１細胞の生死に関わる遺伝子などの突然変異は致死的になるものが多いと考えられるので、その変異が受け継がれず、一般に、非常に不安定である、と言えるのかもしれませんね。
”変異”ついでですが、最近の流行では、SNPとかありますね。1遺伝子多型と訳されますが。これは、遺伝子そのものの多様性（ある意味遺伝子の変異ですが）みたいなものです（黒い髪とか薄い黒髪、茶髪とかを説明するもの？薬の効き目の個人差を説明するもの）

良い啓蒙書についてですが、分子生物学や生化学の教科書では、上の題材は良く取り上げている問題ですので、どれでもいいのでは（東大の生協とかにはいい本がたくさんありそうですね。）。１冊ではなく、何冊か読めば、正しそうな情報とそうでないものとが区別できるのでは、と思います。

補足

またまた、大変丁寧な回答を本当にありがとうございました。

＞そうですね。細胞周囲の環境とは、血中のホルモンの種類、量の変動を指す、と思います。

これが、再帰的でない部分だと理解しました。

おっしゃるように「ホルモンの種類・量の変動」の違いが別の入力変数となり、
同じ DNA の命令によって、
脳細胞から筋肉細胞まで作れるのでしょうか？

すごいですよね！！！

＞卵細胞（母由来）に精子（実際、取り込まれるのは、核）が入るわけですから、最初のうちは卵細胞にすでに存在しているタンパク質を利用します（少なくとも細胞質の成分は）。従って、子供がもつミトコンドリアは母由来となって、アフリカ辺りとかに人類の起源（何とかマザー、ド忘れしました。）があるのでは？となるわけです。

ネットで簡単に調べたら、
ゴッド・マザーとか、ミトコンドリア・マザーとか言うらしいですね。

エンカルタには、

最近、ヒトのmtDNAのサンプルの比較から、ヒトの祖先は14～29万年前にアフリカにすんでいた、1人の女性ではないかと考えられている。アフリカ人、アジア人、オーストラリア人、ヨーロッパ人、ニューギニア人からとった遺伝子のサンプルからは、何タイプかの特定のmtDNAがあることがわかった。これらのmtDNAのタイプをくらべることで、それぞれの人種が、いつほかの人種からわかれたのかを推測する家系図をつくることができる。こうしてできた家系図では、アフリカ人のmtDNAの枝がもっとも長くて古く、この枝から他の人種が枝わかれしていったとされる。

(C) 1993-2003 Microsoft Corporation. All rights reserved.

とありました。

なるほど、
DNA が複製されるときに利用されるミトコンドリアなどは、別の時点で複製したりしているのでしょう。つまり、ミトコンドリアはミトコンドリアで DNA の情報によって合成された酵素群を利用して、複製する。

で、特にミトコンドリアや、単性生殖の DNA は、
あまり変更も受けずに、
世代を（文字通り、物理的にも、卵というメディアを通じて）超えて、
ずっと複製を繰り返す。

すごく神秘的です。

回答No.8

ichthyostaga

こんにちは。

もうここまでくれば質問者様の考えの大筋が分かってきましたが、どうしても気になることがありますのでアドバイスさせていただきます。それは、＃２様の『※「遺伝子」は概念ですので、ＤＮＡなど、のこととしておきます』という回答に対して、質問者様が『余計なお世話ですが、遺伝子は決して「単なる概念」ではありません』と返事をなさった（バッサリと切り捨てた）件についてです。

私は、＃２様の『※の発言』は至って普通であると考えます。

そもそも、遺伝子・ゲノム・染色体といった言葉は研究分野・使用する場面によって微妙に意味が異なります。確かに、19世紀後半にメンデルが遺伝子の存在を概念として認識した時点と比べれば、現代科学における遺伝子についての認識は遥かに具体的なものです。
しかし、たとえば真核生物の研究者の中には『イントロンは遺伝子ではない』と定義する方もいらっしゃいますし、原核生物の研究者でも『プロモーター領域等は遺伝子ではない』と主張する方もいらっしゃいます。これは、主として機能を念頭においておられることが原因であると考えられます。
また一方で、これらも複製される遺伝物質であるには違いないし、イントロンにも大切な役割があるだろうと考えて、『遺伝子とはＤＮＡ全部のことだ』と定義することも可能なのです。
ですから、ごく近い専門家同士では不要ですが、少し離れた分野の専門家同士が議論する際には『共通言語としての遺伝子の意味』を互いに合わせておく必要があるのです。

このようなわけで、＃２様が『※「遺伝子」は概念ですので、（全）ＤＮＡなど、のこととしておきます』とまず一筆を入れたことには大きな意味があり、それをバッサリと切り捨てるのは少々失礼なのではないかな、と思うのです。

いらぬ論争に巻き込まれたり、せっかく書いたのに削除されてしまってもバカバカしいので今まで送信しませんでしたが、我慢しきれなくなり送信いたしました。
質問自体は非常に面白いもので、質問者様と回答者様の頭の良さには本当に驚き憧れております。
これからも、より良い議論を期待しております。

補足

なるほど、確かに、「遺伝子」の定義は、かなり人によって異なることは理解しました。ありがとうございました。

私は、いわゆる遺伝子操作をしたときに、形質（タンパク質合成）に変化がでるような DNA 断片のことを、形質に対応する遺伝子と考えていたのですが、
（例えば、http://ja.wikipedia.org/wiki/%E9%81%BA%E4%BC%9D%E5%AD%90#.E9.81.BA.E4.BC.9D.E5.AD.90.E7.A0.94.E7.A9.B6　参照）
今日の生物学では、かなりこの辺の認識が発展しているんですね。

でも、おっしゃっていることは、
どちらかといえば「どこまで含めるか？」という問題であり、
例えば、遺伝子操作で、「ここをいじると穀物が病気に強くなる」などという箇所としての遺伝子と形質の対応の一番重要な部分（そして、それは DNA 全体とは言えないと思いますが）についての理解は共有されているのですよね？確認ですが。それとも、この部分ですら、専門家同士で異論があるのでしょうか？

あと、これは、あくまでも、私の理解ですが、No2. 様のおっしゃる「概念」と、ich さんのおっしゃることとは大分方向性が違うのではないかとは思いますが。

いずれにしても、ありがとうございました。

No2. の方にも、冷静にお礼を言っておきました。

回答No.7

kaazuu

前回の突然変異が次世代に受け継がれない理由、に関する補足ですが、
変異の入ったDNA（傷ついたDNA）は、複製に際して、半保存的な複製を行うので、片方のDNA鎖の変異であれば、相補鎖に対応させて修復（校正）されます。これによっても、変異のリスクが減少する理由にもなるかとおもいます。
このようなDNA修復を取り扱った分子生物学の分野もかなりホットな領域なので、かなり、深入りするならば、実験医学（羊土社）やタンパク核酸酵素などの月間雑誌がお薦めです。

補足

＞どのレベルの突然変異を問題にするのかでは大きく異なる気がします。

＞前述の細胞周期など、１細胞の生死に関わる遺伝子などの突然変異は致死的になるものが多いと考えられるので、その変異が受け継がれず、一般に、非常に不安定である、と言えるのかもしれませんね。
”変異”ついでですが、最近の流行では、SNPとかありますね。1遺伝子多型と訳されますが。これは、遺伝子そのものの多様性（ある意味遺伝子の変異ですが）みたいなものです（黒い髪とか薄い黒髪、茶髪とかを説明するもの？薬の効き目の個人差を説明するもの）

このレベルの突然変異を想定しています。
つまり、ねずみの尾の話は、なにか、通常の進化の話の範囲内という感じがします。
でも、分子レベルでは、９９．９％以上の突然変異が、次世代に受け継がれないというような話をどこかで聞いたような。

で、おっしゃるように、致死遺伝子とか、修復などの分野なのでしょう。
これも、すごいですよね。
つまりは、自己保存・複製する遺伝子は、
基本的には、あまりにどうしようもない障害を抱えたような個体を生み出さないようになっている。
それ以外の遺伝子は、即座に淘汰されたり、
そもそも、「異常」なものは、修復してしまうのですから。
外部に知的デバッガがいないのに、自分（と、基本的な物理・化学的環境）でバグを判断できるんだからすごいです！！！

ますます勉強意欲がわいてきました！！！

ありがとうございます。

回答No.5

lllll

補足します。
糖を人工的に作ることが、いまだに実現されていないと思います。
地球上で糖を作る速度が、太陽光エネルギーの少なさと植物の成長の遅さで律速されてしまっています。
食糧難解決の革命には糖の人工合成もあると思います。
毎日注がれる太陽光エネルギーはとても少ないため、ヒトは、過去何十億年も貯めてきた太陽光エネルギーの貯金（石油、石炭、ガス）と、何百年か貯めてきた貯金（木材）を、どんどん使っている状態です。
エントロピーということでは、生物がいくら働いてもエントロピーは増大し続けており、太陽の寿命を待つずっと前に地球はエネルギー不足になると言われています。

お礼

大分、もとの話題からずれてしまいましたが、
おっしゃる通りと思います。
さらに、この話題を続けさせていただけば、
社会科学者の私としては、あくまでも「現在」一番のネックは原油がいまだに安すぎることですね。
石油化学文明から脱却するための研究開発期間を十二分に取るためにも、
もっとはるかに大事に原油を使うべきだと思うのですが、
現実には、
原油全体としては公共財の感覚が強く、
結局、先に安い値段で売った・買ったもの勝ち。
温暖化防止条約ですらこれだけ難航しているのに、
原油使用を節約する方向性はなかなか見えません。

で、いよいよ、石油が逼迫してきたりすれば、
世界が本気になって太陽光や地熱（地球の核エネルギー）の利用を考え出すことでしょう。
そのときは、結構なポテンシャルが発揮されることとも思います。
現状では、そっちの分野に十分な研究開発資金が投じられていないと理解しています。
いまだに日本のエネルギー行政なんて、
大半が原子力向けなので、
これを改善するだけでも、全然違うと思います。

回答No.4

kaazuu

こんにちは。面白い問題を考えているので、僕自身の考えとして記述しますね。
僕は生物学、特に細胞生物学、分子生物学が専門です。物理は大学の教養部で習った程度です。

その観点から、複製、について考えてみたことです。
decidrophob さんは物理がお好きなようですね。
おっしゃるとおり、宇宙に存在するすべてのモノは物理化学の法則にしたがっていることは疑いようもないことであると思います。生物現象も然りです。

生物学はどれほどご存知かはわかりませんが、
一般に、生物現象はすべて”酵素”が担っています（酵素は遺伝情報の具現化されたもの）。酵素は、ある方向に反応を低いエネルギーで効率よく”触媒”するものです（エンタルピーを小さくする物質？）。
従って、問題とするDNA複製もこれら一群の酵素によって担われており、秩序良く反応の方向性が既定されています。もし、酵素が担わずに単純な物理的な環境下では、たとえば、DNAを試験管にいれ、細胞の抽出液（酵素を除いた溶液）の条件下では遺伝子は複製はされない、と考えられます。
（ちなみに、PCRは、酵素が入っています。）

でも、これは現在のレベルでは、こういう感じかなーとおもいますが、近い将来、非タンパク質の条件でDNAの複製が起きることが発見されるかもしれませんね。
ちなみに、昨年の農芸化学学会で京都大の理学部物理研究室がタンパク質を介さずにDNAを入れた溶液の状態をかえることで転写がおこせる！という話をしていました。詳しいことはあまり理解できませんでしたが。ちなみに転写される条件は、非生理的な環境であり、細胞内で起こらないんじゃなかろうか？ってな感じでしたが。
工業的な利用価値はあるとは思いますけど。

的外れな解答だったかもしれません。
ちなみに生物物理学の教科書とか見てみるのもいいかもしれませんね？たぶん載ってないと思いますけど。

補足としてですが、複製に関わるタンパク質（酵素）が
DNAにくっつくとき、エントロピーが増大するとか小さくなるとか、という言葉で説明できたらすごい！！と思います。
昔の科学者とか調べた人がいるかもしれませんね。

お礼

すみません、
もう一つ追加質問させていただけば、
ほとんどすべての突然変異が非常に不安定で、次世代に受け継がれない理由を説明していただけるとうれしいです。

補足

妙な質問に、大変丁寧なご回答をありがとうございます。

いろいろ、面白い点がたくさんあるので、
長くなって恐縮ですが、
お礼をポイントごとに述べさせていただきます。
さらに、とりとめもない文章になってしまうことをお許しください。

ご説明いただけば頂くほど、
甘い質問だったなあと思い知らされます。

そもそも、物理は物理でかなり高度な課題を持ってはいますが、
高度さのベクトルが大分違っているのにもかかわらず、
正直、生命現象の普遍的なメカニズムを短絡的な言葉で追い求めすぎていた気がします。
おそらく、生命現象のすごいところは、
まさにおっしゃるような酵素が、次から次へと連鎖的に、複雑な化学反応などの因果関係によって生成されていくところでしょう。
一個一個のプロセス自体は、一言で言ってしまえば、例えば、酵素を所与とすれば、
「酵素を触媒とする自由エネルギーの減少」
で済まされてしまうのかもしれません。

で、
「ものすごく数が多い多段階プロセスの複雑性を圧縮するような表現」
は、私の知識の範囲では、いわゆる「保存則」をのぞいて、物理学の言語の範囲内では存在しないですね。
つまり、物理学は、段々と応用範囲を広げてきたとはいえ、
なんだかんだ言っても基本相互作用とその基本的応用の理解を中心とした分野であると言えそうなので、
一個一個のプロセスは既知だけど、多段階で生じるシステム性の記述には、まったく適していないということですよね。

で、確かに、遺伝子工学の工業的応用の立場からすると、
酵素触媒を必ずしも通さずに遺伝子複製やタンパク質合成などができれば、
ものすごい革命と言えるかもしれません。
例えば、反応速度を飛躍的に高めることができれば、
極端な夢物語で言えば、（的外れかもしれませんが）将来の食料大量生産などにも、かなりのインパクトがあるかもしれません。

しかし、生物を理解したい立場から言えば、
まさに、酵素こそがすごいところで、これの生成、機能に関して「なぜ？どのように？」という問いを発したくなりますよね！
このように、子供のなぜなぜ攻撃が続くような状態になってしまう気もします。

ま、というわけで、
今回の質問への戒め的な回答としては、実は No2.　の方がおっしゃってくださったような方向がニュアンスとしては的を得ているのかもしれませんね。

と、以上、悲観的なところを述べた上で、当初の質問からはかなりずれた、単なるド素人質問になってしまいますが、「一つの見方」としては DNA の複製から複製までの１サイクルの再帰として、細胞分裂を理解することも可能なのでしょうか？分裂を繰り返していくごとに、細胞周囲の環境が異なるため、生成される酵素なども異なってくるので、発生過程で異なる器官へと発生していくと。そうすると、再帰的でない部分は、周囲環境になると思いますが、どのようにミクロに特徴付けられるのでしょうか？

また、これも超初歩的な質問で申し訳ありませんが、受精卵の初期の段階では、酵素は卵子などに遺伝物質と別に含まれているものを利用したりするのでしょうか？

ちなみに、私は、物理が好きというよりは、
物理「も」好きで、単に物理学科卒なので、物理学はなじみがあるっていう感じですね。
まあ、アメリカではけっこうあるパターンだと思いますが、日本では珍しいだろう文系へ転向した社会科学者のプロの卵です。

で、進化ゲームなどの絡みもあり、どちらかといえば、
包括的適応度最大化の法則を利用した、
あまりミクロの分子レベルのメカニズムを突っ込まない進化論のほうは、
結構勉強して、
少なくとも高等生物をネタとする進化論議、仮説生成、定性的な検証は、その辺の普通の生物学の人と同じくらいはできるようになってきたと思います。

でも、分子生物学は、ハードルが高すぎて逃げてきました。
今回、ご回答を頂いて、知的刺激を受け、なにか、基本を勉強したくなってもきましたね。
私の文章などから察する私のレベルや関心を考慮して、
なにか良い啓蒙書あたりをご存知でしたら、ご紹介いただけると大変うれしいです。
もっとも、これは、当然、別質問にするべきですが。

あと、生物物理学については、はるか昔、学部のときに東大桑島研究室（今もいらっしゃるかどうかは知りませんが）の輪読ゼミで、たんぱく質の疎水効果などについて勉強した経験はありますが、それ以来、まったくフォローしていません。おそらく、おっしゃるように、今回の話題とは、あまり関係がなさそうですね。

回答No.3

lllll

専門的なことはわかりませんが、
ＤＮＡ鑑定や、クローニング生物の開発に使われる、
ＤＮＡ増幅装置という、ブラウン管テレビくらいの大きさの装置が、今はどこでも使われていたと思います。

少ない量のＤＮＡ断片を入れて、それなりの試薬を入れて、鑑定や開発に使えるほどの量までコピーを作る装置だと思います。

そういう装置のカタログを入手し、どういう原理なのか見てみたらいかがでしょうか？

メーカーは、恐らく、島津か日立・・・？

お礼

おっしゃるとおりですね。
勉強の取っ掛かりを教えていただき、ありがとうございました。

ご回答を受けると、
もともと自分が何を聞きたかったのか、
混乱してきましたので、
もうしばらく他の「アドバイス」を受けるべくまってみます。

また、どなたか、スタンダードな文献の紹介をしていただけるようでしたら、おねがいします。

回答No.2

noname#15943

※「遺伝子」は概念ですので、ＤＮＡなど、のこととしておきます。

　結果的にはＤＮＡは「自己を複製している」ようにみえますが、それは生きている細胞が物理化学的に状態を変えていくシステムのなかにあって細胞分裂が成功するモデルをＤＮＡを主体として語っているわけで、分子レベルでみれば普通の物理化学的反応ですが、その「生きている」環境のシステムのすべり台のようなものが、いうならばＤＮＡの複製を促すものなわけでしょう。

参考：池田清彦『生命の形式』『新しい生物学の教科書』

お礼

その後、別の方から回答を受けて、理解を改めました。
池田さんも少し調べてみたら、なかなかの人物ですね。
しかし、現状では、既存のパラダイムを批判しつつも、独自の新しい研究成果が十分にある段階ではないようですね。
私の今回の質問は、決して新しいパラダイムを否定するものではありません。
事実、池田氏と同様に、私もとりわけ人間は、遺伝子だけで説明するつもりは毛頭ありません。だからといって、氏の構造的生物学に現時点で組するつもりはますます毛頭ありません。
既存のパラダイム「でも」解決できる問題が多いので、そうした側面について、今回は特に質問させていただいたと理解してください。

回答No.1

24blackbirds

エントロピー増大の法則、エンタルピー減少の法則に反するのが生命の特徴です。単なる化学物質（DNA)が利己的と呼ばれるゆえんです。

つまり、お読みになった本は、これまでの物理法則が成り立たない事例を報告したものなのです。

とはいえ、曖昧模糊、とか、あやしげなことを遣っているのが生物学の世界ではありません。

行動生態学という分野では、遺伝的情報がなぜ次世代に継承されるのかを統計的に扱っています。遺伝子の「利己的な」はあくまで比喩で、統計的に処理可能な量です。