ミラクルリーフプラント（カランコエ・ピナタ）の葉縁に沿って新たな個体が生まれている様子。手前の小さな植物は高さ約1cm（0.4インチ）である。この無性生殖過程によって、「個体」という概念は明らかに拡張されている。

生殖（または生殖、繁殖）とは、新たな個体（「子孫」）が「親」から生み出される生物学的プロセスです。生殖には、無性生殖と有性生殖の2つの形態があります。

無性生殖では、生物は他の生物の関与なしに繁殖することができます。無性生殖は単細胞生物に限りません。生物のクローン化は無性生殖の一形態です。無性生殖によって、生物は遺伝的に類似または同一の複製を作成します。有性生殖の進化は生物学者にとって大きな謎です。有性生殖には二重のコストがかかります。それは、生物の50%しか繁殖しないこと[1]と、生物が遺伝子の50%しか受け継がないこと[2]です。

有性生殖は通常、配偶子と呼ばれる2つの特殊な生殖細胞の性的な相互作用を必要とします。配偶子は通常の細胞の染色体の半分の数を持ち、減数分裂によって形成されます。通常、精子は 同種の卵子と受精し、受精卵を形成します。これにより、2つの親生物の遺伝的特徴を受け継いだ子孫生物が生まれます。

方法

無性生殖

無性生殖とは、生物が他の生物の遺伝物質の影響を受けずに、遺伝的に類似または同一の複製を作り出すプロセスです。細菌は二分裂によって無性分裂し、ウイルスは宿主細胞を支配してより多くのウイルスを産生します。ヒドラ（ヒドロイデア目の無脊椎動物）と酵母は出芽によって繁殖します。これらの生物は多くの場合、性別を持たず、2つ以上の複製に「分裂」することができます。ほとんどの植物は無性生殖能力を持っており、アリの一種であるMycocepurus smithiiは完全に無性生殖によって繁殖すると考えられています。

ヒドラ、酵母（酵母の交配を参照）、クラゲなど、無性生殖が可能な種の中には、有性生殖も行うものがあります。例えば、ほとんどの植物は栄養生殖（種子や胞子を伴わない生殖）が可能ですが、有性生殖も可能です。同様に、細菌は接合 によって遺伝情報を交換することができます。

無性生殖の他の方法としては、単為生殖、分裂、そして有糸分裂のみを伴う胞子形成があります。単為生殖とは、受精を伴わない胚または種子の成長と発達です。単為生殖は、下等植物（無融合生殖と呼ばれる）、無脊椎動物（例：ミジンコ、アブラムシ、一部のハチ、寄生蜂）、脊椎動物（例：一部の爬虫類、[3]一部の魚類、[4]、そして非常にまれに家禽類[5]）など、一部の種で自然に発生します。

性的

有性生殖は、 2つの生物の遺伝物質を減数分裂という特殊な細胞分裂から始まるプロセスで組み合わせることで、新しい生物を作り出す生物学的プロセスです。2つの親生物はそれぞれ、半数体配偶子を作成することで、子孫の遺伝的構成の半分を提供します。[8]ほとんどの生物は2つの異なるタイプの配偶子を形成します。これらの異性配偶種では、2つの性別は雄（精子または小胞子を生成）と雌（卵子または大胞子を生成）と呼ばれます。[9]同性配偶種では、配偶子は形状が類似または同一（同性配偶子）ですが、分離可能な特性を持つ場合があり、異なる名前が付けられることがあります（同性生殖を参照）。[10]両方の配偶子は似ているため、一般的に雄または雌に分類することはできません。例えば、緑藻類のクラミドモナスには、いわゆる「プラス」配偶子と「マイナス」配偶子があります多くの菌類や繊毛虫の一種であるゾウリムシ[ 11]など、少数の生物種は交配型と呼ばれる2つ以上の「性別」を持ちます。ほとんどの動物（ヒトを含む）と植物は有性生殖を行います。有性生殖を行う生物は、あらゆる形質について異なる遺伝子セット（対立遺伝子と呼ばれる）を持っています。子孫はそれぞれの親から各形質について1つの対立遺伝子を受け継ぎます。したがって、子孫は両親の遺伝子の組み合わせを持つことになります。「有害な対立遺伝子のマスキングは、一倍体と二倍体の間を交互に繰り返す生物において、優勢な二倍体段階の進化を促進する」と考えられており、そこでは組換えが自由に起こります。[12] [13]

コケ植物は有性生殖を行うが、より大型で一般的に見られる生物は半数体で配偶子を形成する。配偶子は融合して接合子を形成し、これが胞子嚢に発達し、さらに半数体の胞子を形成する。二倍体段階は半数体段階、すなわち半数体優性に比べて比較的小さく短命である。二倍体の利点である雑種強勢は、二倍体生命世代にのみ存在する。コケ植物は、半数体段階が雑種強勢の恩恵を受けないという事実にもかかわらず、有性生殖を維持する。これは、有性生殖には、種のメンバー間での遺伝子組み換えなど、雑種強勢以外の利点があり、より幅広い形質の発現を可能にし、その結果、集団が環境変動に対してより生存可能になることを示しているのかもしれない。[14]

他殖

他殖とは、花が他家受粉によって受精することです。これは、花の卵子が別の植物の花の花粉の精子によって受精するときに起こります。[15] [16]花粉は、花粉媒介者や風などの非生物的媒介物によって運ばれます。受精は、花粉が花粉管を通って雌性配偶子に運ばれたときに始まります。他殖は、自家受精の方法である自家受精や同性受精とは対照的に、交雑受精としても知られています

自殖

自家受精は、自殖としても知られ、受精で融合する2つの配偶子が同じ個体に由来する雌雄同体の生物で起こります。例えば、多くの維管束植物、一部の有孔虫、一部の繊毛虫などが挙げられます。[16]「自殖」という用語は、自殖受粉（必ずしも受精に成功するとは限りません）の代わりに使用されることもあり、同じ花の中での自家受粉を指し、同じ顕花植物の別の花への花粉の移動である異花受粉[17]、または単一の雌雄同株の裸子植物内での自家受粉 とは区別されます

有糸分裂と減数分裂

有糸分裂と減数分裂は細胞分裂の一種です。有糸分裂は体細胞で起こり、減数分裂は配偶子で起こります

有糸分裂 有糸分裂によって生じた細胞数は元の細胞の2倍になります。子細胞の染色体の数は親細胞と同じです。

減数分裂： 結果として生じる細胞数は元の細胞の4倍になります。これにより、染色体数は親細胞の半分になります。二倍体細胞は自己複製し、その後2回の分裂（四倍体から二倍体、そして一倍体へ）を経て、4つの一倍体細胞を形成します。この過程は、第一減数分裂と第二減数分裂の2つの段階で起こります。

配偶子形成

哺乳類を含む動物は、生殖腺（雄では精巣、雌では卵巣）における 減数分裂によって配偶子（精子と卵子）を生成します 。精子は精子形成によって、卵子は卵子形成によって生成されます。哺乳類の配偶子形成の間、DNA修復機構に関与するタンパク質をコードする多数の遺伝子が、増強または特異化した発現を示します。[18]動物の精巣で生成される 雄の生殖細胞は、減数分裂中にDNA損傷を修復し、子孫に受け継がれるゲノムの完全性を維持するために機能する特別なDNA修復プロセスを備えています。[19]このようなDNA修復プロセスには、相同組換え修復と非相同末端結合 が含まれます[19]卵巣の原始卵胞に位置する卵母細胞は、成長を停止した前期停止状態にあるが、二本鎖切断を含むDNA損傷を高効率に相同組換え修復することができる。 [20]これらの修復プロセスにより、ゲノム の完全性が維持され、子孫の健康が保護される。[20]

同性

現在、科学研究では同性間の生殖の可能性が調査されており、2匹のメスまたは2匹のオスから、同等の遺伝的寄与を持つ子孫が生まれることになる。[21] [22] [23]明らかに研究が進んでいるアプローチは、メスの精子とオスの卵子である。2004年には、刷り込みに関与するいくつかの遺伝子の機能を変更することで、他の日本の科学者が2つのマウスの卵子を結合させ、娘マウスを生み出した。[24] 2010年には、アメリカの科学者が遺伝子操作した幹細胞を使用し、2匹の父親からの遺伝的寄与を持つ生存可能な子孫のマウスを生み出した。[25] [26] 2018年には、中国の科学者が2匹のマウスの母親から29匹のメスのマウスを作成したが、2匹の父親のマウスからは生存可能な子孫を生み出すことができなかった。研究者たちは、これらの技術が近い将来に人間に適用される可能性は低いと指摘している。[27] [28] 2023年には、日本の科学者が2匹のマウスの父親から成体まで成長したマウスの子を作り出した。[29]

戦略

さまざまな種が幅広い生殖戦略を採用している。人間やシロカツオドリなど一部の動物は、生後何年も性成熟に達しず、たとえ性成熟したとしても子孫をほとんど残さない。他の動物はすぐに繁殖するが、通常の状況下ではほとんどの子孫は成体まで生き残らない。たとえば、ウサギ（8 か月で成熟）は 1 年に 10～30 匹の子孫を産むことができ、ショウジョウバエ（10～14 日で成熟）は 1 年に最大 900 匹の子孫を産むことができる。これらの 2 つの主な戦略は、K 選択（子孫が少ない）とr 選択（子孫が多い）として知られている。進化によってどちらの戦略が好まれるかは、さまざまな状況によって決まる。子孫が少ない動物は、個々の子孫の養育と保護に多くのリソースを割くことができるため、多くの子孫を必要とする度合いが低くなる。一方、子孫が多い動物は、個々の子孫に割くリソースが少なくなる可能性がある。これらの種類の動物では、多くの子孫が生後すぐに死ぬのが一般的ですが、通常は個体群を維持するのに十分な個体が生き残ります。ミツバチやショウジョウバエなどの一部の生物は、精子貯蔵と呼ばれるプロセスで精子を保持することで、繁殖能力の持続期間を延ばしています。

その他のタイプ

  • 多環性動物は生涯を通じて断続的に繁殖します。
  • 一回性生物は生涯に一度しか繁殖しません[30]。例えば、一年生植物（すべての穀物を含む）、サケ、クモ、タケ、センチュリープラントなどの特定の種が挙げられます[31] 。これらの種は繁殖後すぐに死ぬことがよくあります。これはr戦略家と関連付けられることが多いです。
  • 多年生植物のように、経産生物は連続的な（例えば年間または季節的な）サイクルで子孫を残します。経産動物は複数の季節（または周期的な環境変化）にわたって生存します。これはK戦略家とより関連があります。

無性生殖と有性生殖

有性生殖の二重コストの図解。各生物が同じ数の子孫（2匹）を産むとすると、（a）個体群は各世代で同じ大きさのままであるが、（b）無性生殖個体群は各世代で2倍の大きさになる。

無性生殖によって繁殖する生物は、数が指数関数的に増加する傾向があります。しかし、DNAの変異を突然変異に依存しているため、同種のすべての個体は同様の脆弱性を抱えています。有性生殖によって繁殖する生物は、子孫の数は少ないものの、遺伝子の変異が大きいため、病気に対する感受性が低くなります。

多くの生物は、無性生殖だけでなく有性生殖も行うことができます。アブラムシ、粘菌、イソギンチャク、一部のヒトデ（分断による）、そして多くの植物などがその例です。環境要因が良好な場合、豊富な食料、適切な隠れ場所、好ましい気候、病気、最適なpH、その他の生活様式の適切な組み合わせなど、生存に適した条件を利用するために無性生殖が行われます。これらの生物の個体数は、豊富な供給資源を最大限に活用するために、無性生殖戦略を通じて指数関数的に増加します。[32]

食料源が枯渇したり、気候が過酷になったり、あるいはその他の生息環境の悪化によって個体の生存が危ぶまれたりすると、これらの生物は有性生殖へと移行します。有性生殖は、種の遺伝子プールの混合を確実にします。有性生殖によって生まれた子孫に見られる変異は、一部の個体が生存により適した個体となることを可能にし、選択的適応が生じるメカニズムを提供します。また、性周期における減数分裂段階は、DNA損傷の特に効果的な修復を可能にします（減数分裂を参照）。[32] さらに、有性生殖は通常、無性生殖の親の子孫を脅かす条件に耐えることができるライフステージの形成をもたらします。このように、種子、胞子、卵、蛹、嚢子、あるいはその他の「越冬」段階である有性生殖は、不利な時期における生存を確保し、生物は適応状態に戻るまで不利な状況を「やり過ごす」ことができます。

生殖のない生命

生殖のない生命の存在は、いくつかの推測の対象となっています。生命の起源が、生殖能力のない要素から生殖能力のある生物をどのように生み出したかを生物学的に研究することを、アビオジェネシス（生命起源論）と呼びます。独立したアビオジェネシスの出来事が複数あったかどうかにかかわらず、生物学者は、地球上のすべての現在の生命の最後の普遍的な祖先は約35億年前に存在していたと考えています

科学者たちは、実験室で非生殖的に生命を創造する可能性について推測してきました。何人かの科学者は、全くの非生物的材料から単純なウイルスを作り出すことに成功しています。[33]しかし、ウイルスはしばしば非生物的であるとみなされます。タンパク質のカプセルの中にある少量のRNAまたはDNAに過ぎないため、代謝がなく、乗っ取られた細胞の代謝機構 の助けを借りてのみ複製することができます。

祖先を持たない真に生きた生物（例えば単純な細菌）の作製ははるかに複雑な作業となるが、現在の生物学知識によれば、ある程度は可能かもしれない。合成ゲノムを既存の細菌に導入し、本来のDNAを置換することで、新たなM. mycoides生物を人工的に作製した事例がある。[34]

この細胞が完全に合成されたものと言えるのかどうかについては、科学界で議論がある[35]。その理由は、化学的に合成されたゲノムが自然発生ゲノムのほぼ1:1コピーであり、受容細胞が自然発生細菌であるという点である。クレイグ・ベンター研究所は「合成細菌細胞」という用語の使用を維持しているものの、「…我々はこれを『ゼロから生命を創造する』とは考えておらず、むしろ合成DNAを用いて既存の生命から新しい生命を創造している」と明確に述べている[36] 。ベンターは実験細胞の特許取得を計画しており、「これらは明らかに人間の発明である」と述べている[35] 。開発者たちは、「合成生命」を構築することで、研究者は生命を分解するのではなく、構築することで生命について学ぶことができるようになると示唆している。また、生命と機械の境界を広げ、両者が重なり合うことで「真にプログラム可能な生物」を生み出すことも提案している。[37]研究者らは、「真の合成生化学的生命」の創造は現在の技術で比較的実現可能であり、人類を月に送るのに必要な労力に比べて安価であると述べた。[38]

宝くじ原理

有性生殖は、無性生殖よりもはるかに多くのエネルギーを必要とし、生物を他の活動から逸らすため、多くの欠点があります。なぜこれほど多くの種が有性生殖を利用するのかについては議論があります。ジョージ・C・ウィリアムズは、有性生殖が広く利用されている理由の一つとして、宝くじを例えに挙げました。[ 39 ]彼は、子孫に遺伝的多様性をほとんど、あるいは全く生み出さない無性生殖は、すべて同じ番号のチケットをたくさん買うようなもので、「勝つ」、つまり生き残る子孫を生み出す可能性を制限すると主張しました。有性生殖は、より少ない数のチケットを買うようなもので、したがって成功する可能性が高いと主張しました。この例えのポイントは、無性生殖は遺伝的多様性を生み出さないため、変化する環境に迅速に適応する能力がほとんどないということです。宝くじ原理は、予測とは逆に、不安定な環境では無性生殖がより一般的であるという証拠があるため、今日ではあまり受け入れられていません。[40]

参照

注記

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参考文献

さらに詳しい参考文献

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