数千年前、人類は初めてチベット高原に移動しました。そこは海抜約1万4千メートルの広大な草原が広がっています。 しかし、標高が高いため酸素濃度が低く、体に大きな負担がかかり、慢性的な高山病や乳幼児の死亡率が高くなった。 2年前に行われた遺伝子研究の結果、チベット人に多く、他の集団では稀な遺伝子変異が確認された。 この遺伝子変異は、チベット人の赤血球産生を調整するもので、この集団がいかにして過酷な環境に適応したかを説明するのに役立っている。 この発見は世界中で大きな話題となり、人類が近年、新たな環境条件に対して生物学的な適応を急速に遂げてきたことを示す劇的な例となった。 ある研究では、この有益な変異体は過去 3,000 年以内に高い頻度で広まったと推定されており、進化の観点からはほんの一瞬のことです。
チベットの発見は、人類がおそらく 6 万年前（5 万年から 10 万年前までの推定）にアフリカを初めて出て以来、この種のかなりの生物的適応を経験してきたという考えを補強するように思えました。 高地への移動は、ホモ・サピエンスが東アフリカの暑い草原や低木地帯から、極寒のツンドラ、蒸し暑い熱帯雨林、太陽が照りつける砂漠など、地球上のほぼすべての陸上生態系と気候帯に移動する際に遭遇した多くの環境問題のひとつに過ぎないのである。 確かに、人類の適応の多くは技術的なものであり、例えば寒さ対策として衣服を作った。 しかし、有史以前の技術だけでは、山の薄い空気や伝染病などの環境的な障害を克服することはできなかった。 このような状況では、技術的な解決策ではなく、遺伝子の進化による適応が必要であった。 つまり、そのような変異を持つ集団は、そうでない集団に比べて、生殖に成功する健康な子供を多く産むからです。 私たちの先人たちが比較的最近になって地球規模の旅に出て以来、人類がどのように進化してきたかを解明したかったのです。 チベット人のように、世界各地の集団が遺伝的に異なるのは、最近になって自然淘汰によって異なる環境圧力に適応したためなのでしょうか。 また、これらの遺伝的差異のうち、どの程度が他の影響から生じたものなのだろうか。 遺伝的変異を研究する技術の進歩のおかげで、私たちはこれらの疑問に取り組み始めることができました。 ゲノムには、非常に強力で迅速な自然淘汰の例は実はほとんどないことがわかったのです。 そのかわり、ゲノムに見られる自然選択のほとんどは、何万年もかけて行われたように見えます。 多くの場合、有益な突然変異が大昔にその地域の環境圧力に反応して集団に広がり、集団が新しい領域に拡大するにつれて遠く離れた地域へと運ばれていったようです。 例えば、日照時間の減少に適応した明るい肌の色の決定に関与するいくつかの遺伝子変異は、緯度だけでなく、古代の移動ルートに従って分布している。 このような古代の選択シグナルが、新たな環境圧力に上書きされることなく数千年にわたって持続してきたことは、自然選択が科学者が想像していたよりもはるかにのんびりしたペースで行われることが多いことを示唆している。 チベット人の主要遺伝子の急速な進化は、典型的なものではないようです。
進化生物学者として、私はよく「人間は今も進化しているのか」と聞かれます。 確かに進化している。 しかし、どのように変化しているのかという問いに対する答えは、はるかに複雑です。 私たちのデータは、一つの有益な突然変異が集団に野火のように広がるという古典的な自然選択のシナリオが、実は過去6万年の間、人類では比較的稀にしか起こっていないことを示唆しています。 むしろこの進化的変化のメカニズムには、通常、何万年にもわたる一貫した環境圧力が必要であるように思われます。 例えば、地球規模の気候変動や多くの感染症など、現在私たちの種が直面している多くの課題に対して、自然淘汰はおそらくあまりにゆっくりと起こるため、私たちの助けにはなりません。 その代わりに、私たちは文化やテクノロジーに頼らざるを得なくなるのです。 しかし、ヒトゲノムの配列が完成し、遺伝的変異の目録が作成されると、状況は一変します。 私たちが行ったことを正確に理解するためには、DNAがどのような構造をしていて、わずかな変化がその機能にどのような影響を及ぼすかを知ることが必要です。 ヒトゲノム配列は、約30億対のDNAヌクレオチド、すなわち「文字」で構成されており、ヒトをどのように組み立てるかの取扱説明書となっている。 このマニュアルには、約2万個の遺伝子のパーツリストが含まれていることが分かっています。これは、タンパク質を構築するために必要な情報を綴ったDNA文字列です。 (ヒトゲノムの約2パーセントがタンパク質をコードしており、それ以上の割合で遺伝子の制御に関与している。 残りのゲノムのほとんどは役割がわかっていない。
全体として、2人の人間のゲノムは非常によく似ており、1,000塩基対のうち1塩基だけが異なっている。 あるヌクレオチド対が別のヌクレオチド対に置き換わる場所を一塩基多型（SNP）と呼び、それぞれのSNPにおけるDNAの代替バージョンを対立遺伝子と呼びます。 ゲノムの大部分はタンパク質をコードしておらず、遺伝子を制御していないため、ほとんどのSNPはおそらく個人に対して測定可能な影響を及ぼさない。 しかし、あるSNPがゲノムのコーディングあるいは調節機能を有する領域に存在する場合、タンパク質の構造や機能、あるいはタンパク質の作られる場所や量に影響を与える可能性があります。 このように、SNPは身長、目の色、牛乳の消化能力、糖尿病、統合失調症、マラリア、HIVなどの病気へのかかりやすさなど、ほとんどすべての形質を変えることができると考えられる。 やがて、環境が安定していれば、有利な対立遺伝子は集団の全員が持つようになるまで広がり、その時点でその集団に固定されるようになる。 このプロセスは通常何世代もかかる。 もし、有益な対立遺伝子を2つ持つ人が、持たない人に比べて平均して10％多く子供を生み、1つ持つ人が5％多く子供を生むとしたら、その対立遺伝子の頻度が人口の1％から99％に増加するのに約200世代、つまりおよそ5000年かかることになる。 理論的には、有用な対立遺伝子が特別に大きな利点をもたらす場合には、わずか数百年で固定化される可能性がある。 逆に、あまり有利でない対立遺伝子が広まるには何千年もかかるかもしれません。
最近の人類の進化を理解するために、古代の遺跡から DNA サンプルを入手して、有利な対立遺伝子の変化を実際に追跡できたら素晴らしいでしょう。 しかし、古代の試料では通常、DNAが急速に劣化するため、このアプローチは妨げられる。 そこで、私の研究グループや世界中の多くの研究者が、現代人の遺伝的変異を調べて、過去に起こった自然淘汰の兆候を見つける方法を開発しました。 新しい有益な突然変異が自然淘汰によって集団に急速に伝播するとき、遺伝的ヒッチハイクと呼ばれるプロセスで、染色体の周囲の塊を一緒に連れて行きます。 集団の中で有益な対立遺伝子の頻度が時間とともに増加すると、近傍の「中立」あるいはほぼ中立の対立遺伝子の頻度も増加し、タンパク質の構造や量に大きな影響を与えずに選択された対立遺伝子に同調してしまうのです。 その結果、有益な対立遺伝子を含むゲノム領域におけるSNPの変異が減少または消失することを、選択的スイープと呼んでいる。 既存の対立遺伝子が、ある集団が新しい環境に置かれたときに突然特に役立つことがわかった場合、その対立遺伝子は、必ずしもヒッチハイクのシグナルを発生させることなく（他の集団ではまれなまま）高い頻度に達することがあるのです。 そのうちのいくつかは、選択圧とその対立遺伝子の適応的な利点について、科学者がかなりよく理解しているものである。 例えば、ヨーロッパ、中東、東アフリカの酪農家集団では、乳糖を消化するラクターゼ酵素の遺伝子が存在するゲノム領域が、強い淘汰の対象となったことが明らかである。 ほとんどの集団では、赤ちゃんは乳糖を消化する能力を持って生まれてくるが、乳離れした後にラクターゼ遺伝子がオフになり、大人になっても乳糖を消化できないままになってしまうのだ。 マサチューセッツ工科大学の研究チームは、2004年に『American Journal of Human Genetics』に寄稿し、成人になっても活性を維持するラクターゼ遺伝子の変異体が、ヨーロッパの酪農家グループにおいてわずか5千年から1万年の間に高い頻度で出現したと推定している。 2006年には、現在ペンシルバニア大学のサラ・ティシュコフが率いるグループが、東アフリカの酪農集団でラクターゼ遺伝子が急速に進化していることを発見したと『ネイチャー・ジェネティックス』誌に報告した。 これらの変化は、新しい生計手段に対する適応反応であることは間違いない。
研究者はまた、アフリカ人以外の人々の皮膚、髪、目の色の決定に関与する少なくとも半ダースの遺伝子に、選択の顕著なシグナルを発見した。 ここでも、選択的圧力と適応的利益は明らかです。 人類が熱帯の故郷から移動するにつれて、太陽からの紫外線の照射量が減少した。 必須栄養素であるビタミンDを合成するためには、紫外線が必要である。 熱帯地方では、ビタミンDの合成に必要な量の紫外線が黒い皮膚を透過するのに十分な強さを持っている。 しかし、高緯度地方ではそうではありません。 十分な量のビタミン D を吸収する必要があったため、これらの地域ではほぼ確実に肌の色が明るくなり、強い選択のシグナルを持つこれらの遺伝子の変化がその適応的なシフトを可能にした。 たとえば、ハーバード大学のパルディス・サベティとその同僚は、ナイジェリアのヨルバ族で最近高い頻度で広がっている、いわゆる LARGE 遺伝子の変異を発見しました。 しかし、残りの数百のシグナル候補のほとんどは、どの環境要因が選択された対立遺伝子の拡散を促したのか、またその対立遺伝子がそれを保有する人々にどのような影響を及ぼすのかはまだ分かっていない。 最近まで、私たちや他の研究者は、これらのシグナル候補を、過去15,000年の間に、研究対象となったいくつかのヒト集団において、少なくとも数百回の非常に急激な選択的掃射があったことを意味すると解釈していました。 しかし、私たちは、スタンフォード大学の共同研究者とともに、世界中の約1,000人のDNAサンプルから得られた膨大なSNPデータセットを調査しました。 選択した対立遺伝子の地理的分布を調べたところ、最も顕著なシグナルは、ちょうど3つの地理的パターンのいずれかに分類される傾向があることがわかりました。 まず、いわゆるout-of-Africaスイープと呼ばれるもので、アフリカ以外のすべての集団で、有利な対立遺伝子とそのヒッチハイカーが高い頻度で存在するものである. このパターンは、人類がアフリカを出発して間もなく、まだ中東に限定されていた時期に適応的な対立遺伝子が出現し、広がり始めたことを示唆しており、おそらく6万年前頃に、人類が北や東に移動するにつれて世界中に持ち出されたと考えられる。 西ユーラシア・スイープとは、有利な対立遺伝子がヨーロッパ、中東、中央アジア、南アジアのすべての集団に高い頻度で存在するが、他の地域では存在しないものである。一方、東アジア・スイープとは、有利な対立遺伝子が東アジア人、および通常アメリカ先住民、メラネシア人、パプア人に最も多く見られるものである。 この2つのパターンは、おそらく西ユーラシア人と東アジア人が分かれて別々の道を歩んでから間もなく始まったスイープである。 (古代の人口移動は、地球上の有利な対立遺伝子の分布に大きな影響を与え、自然淘汰は、現代の環境圧力に合うようにそれらの分布を微調整することはほとんどできませんでした。 例えば、明るい肌の色への適応に最も重要な役割を果たしたもののひとつは、いわゆるSLC24A5遺伝子の変異体である。 この現象は日照時間の減少に対する適応であるため、母集団における頻度は緯度とともに増加し、北アジアと北ヨーロッパの人々で同様の分布となることが予想される。 この遺伝子変異とそれに付随するヒッチハイクDNAは、パキスタンからフランスにかけてよく見られるが、東アジアには基本的に存在せず、北緯の地域にも存在しない。 この分布は、西ユーラシア人が東アジア人の祖先と分岐した後、その祖先集団の中で有益な変異体が生まれ、それがその地域全体に運ばれたことを示している。 このように、自然淘汰によって有益なSLC24A5対立遺伝子は早い時期に高い頻度で生じるようになったが、古代の集団史が今日のどの集団がそれを持ち、どの集団が持たないかを決定するのに役立ったのである。 (東アジア人の肌の白さは、他の遺伝子によるものです）
これらのデータや他のデータの選択シグナルを詳しく見てみると、もう一つ不思議なパターンがあることがわかります。 例えば、ほぼすべてのアジア人に見られるがアフリカ人には見られないような、集団間で最も極端な頻度差を持つ対立遺伝子のほとんどは、自然選択がこれらの新しい対立遺伝子を迅速に高い頻度に追いやった場合に見られるはずの、強いヒッチハイク・シグナルを示してはいない。 むしろ、これらの対立遺伝子は、私たちの種がアフリカを出発して以来、約6万年の間に徐々に伝播してきたようである。 これらの観察結果を踏まえて、私たち共同研究者は、教科書的な選択的スイープ（自然淘汰によって有利な新しい突然変異が急速に固定化されること）は、サピエンスのディアスポラが始まって以来、実際にはほとんど起こっていないと考えています。 自然淘汰は通常、個々の対立遺伝子には比較的弱く作用し、その結果、対立遺伝子は非常にゆっくりと促進されるのだと思われる。 その結果、淘汰圧を受けた対立遺伝子の多くは、その圧力が何万年も続いたときに初めて高い頻度を獲得することができるのである。 最もよく理解されている適応は、単一の遺伝子の変化によって生じるが、ほとんどの適応はそのようには生じず、むしろゲノム全体の何百、何千もの関連遺伝子に穏やかな影響を与える遺伝子変異によって生じるのかもしれない、つまり、多遺伝子性であると言える。 例えば、2010年に発表された論文では、人間の身長に影響を与える180種類以上の遺伝子が特定されており、さらに多くの遺伝子が発見されている。 アフリカ、東南アジア、南米の熱帯雨林に住むピグミー族のように、自然淘汰が人間の身長をターゲットにする場合、小さな体格はこれらの環境で得られる限られた栄養への適応である可能性があり、何百もの異なる遺伝子の対立頻度を調整することで大部分が機能すると思われます。 もし、すべての身長遺伝子の「低身長」バージョンが10％多くなった場合、集団のほとんどの人が「低身長」対立遺伝子を多く持つことになり、集団全体が低身長になるはずである。 たとえ全体の形質が強い淘汰を受けていたとしても、個々の身長遺伝子に対する淘汰の強さは弱いままです。 1つの遺伝子に作用する選択は弱いので、多遺伝子適応はゲノム研究において典型的な選択のシグナルとして現れないだろう。 このように、ヒトのゲノムは、科学者が通常の方法でゲノムを調べることによって特定できる以上の適応的な変化を最近遂げている可能性があるのです。 しかし、影響を受けるかもしれない形質を想像するのは簡単である。 マラリアやHIVなどの感染症は、発展途上国において強力な淘汰力を発揮し続ける。 これらの病気からある程度身を守ることができる遺伝子変異がいくつか知られているが、それを持つ人は持たない人に比べて生き残る可能性が高く、多くの子供を産むことができるため、おそらく強い選択圧にさらされているのであろう。 マラリアのvivax型から保菌者を守る変異型は、サハラ以南のアフリカの多くの集団に偏在するようになった。 一方、HIVから身を守る変種は、もしウイルスが持続してその耐性遺伝子に阻まれ続ければ、数百年後にはサハラ以南のアフリカ全域に広がる可能性がある。
先進国では、生まれてから大人になるまでに死ぬ人は比較的少ないので、最も強い選択力は、各人が生む子供の数に影響を与える遺伝子に作用するものでしょう。 原理的には、遺伝的変異が影響する生殖能力や生殖行動のあらゆる側面が、自然淘汰の対象となり得るのです。 イェール大学のスティーブン・C・スターンズとその同僚は、2009年の米国科学アカデミー紀要に、生涯の子供の数が多いことと関連する女性の6種類の形質を特定し、そのすべてが中程度から高い遺伝性を示すという研究結果を報告している。 子どもの数が多い女性は、平均よりやや背が低く、体格がよく、閉経年齢が遅い傾向があることが分かった。 したがって、環境が一定であれば、自然淘汰により、これらの形質は時間とともに一般的になると考えられる。著者らは、今後10世代、すなわち200年の間に、平均閉経年齢が約1歳上昇すると推定している。 (より推測的に言えば、性行動や避妊具の使用に影響を与える遺伝的変異が強い淘汰を受けることはもっともですが、遺伝子がこれらのような複雑な行動にどれほど強く影響するかはまだ不明です）
それでも、ほとんどの形質の変化の速度は、私たちの文化や技術、そしてもちろん地球環境の変化の速度に比べると、氷河のように遅いものです。 そして、大きな適応的変化は、数千年にわたる安定した条件を必要とします。 したがって、今から5,000年後の人類の環境は、間違いなく大きく変化しているだろう。 しかし、大規模なゲノム工学がなければ、人間そのものはほとんど変わらないだろう
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