もし地球の生命の歴史をビデオテープのように巻き戻して、もう一度再生したら、同じ結末になるでしょうか。

古生物学者スティーヴン・J・グールドは、1989年の著書『ワンダフル・ライフ』でこの思考実験を持ち出し、「たぶん二度と同じにはならない」と論じました。進化は、そのときどきの偶然の積み重ね（歴史的偶発性）に大きく左右される、という主張です。

ふつう、こんな問いは実験できません。でもアメリカの進化生物学者リチャード・レンスキーは、大腸菌を使って、それを本当にやってのけました。しかもその途中で、3万世代以上だれもできなかった「新しいエサの食べ方」を、たった1つの集団が身につけたのです。

01毎日1%を移すだけの、世界一しつこい実験

長期進化実験（LTEE）は1988年に始まりました。出発点は同じ祖先から分けた12の大腸菌集団。それぞれを、ブドウ糖が少ししか入っていない液体で育てます。

やることは単純です。毎日、フラスコの中身の1%を新しい培地に移す。菌は約100倍に増えて、エサを食べ尽くして止まる。翌日また1%を移す。これだけを何十年も続けています。

そしてこの実験の“秘密兵器”が冷凍庫です。500世代ごとにサンプルを凍結保存していて、凍らせた菌は解凍すれば生き返ります。つまり、いつでも過去の時点に戻って進化をやり直せる。レンスキーたちはこれを「凍結化石記録」として使いました。

ここでポイントになるのが、培地に入っているクエン酸です。濃さはブドウ糖の約12倍（ブドウ糖139μMに対してクエン酸1,700μM）もあるのに、大腸菌は酸素のある環境ではこれを使えません。目の前に食べ物が置いてあるのに、食べる道具がない状態です。

023万世代の沈黙、そして1集団だけの「事件」

12集団は、それぞれ何十億もの突然変異を試した計算になります。それでも、3万世代を超えても、クエン酸を使える菌は1つも現れませんでした。

ところが、約3万1500世代までに、1つの集団だけでCit⁺の菌が出現。この集団は、クエン酸という手つかずのエサを手に入れて集団サイズが増え、遺伝的な多様性も上がりました。

なぜこんなに遅く、なぜ1集団だけだったのか。考えられる説明は2つです。

1. めったに起きない変異（または、いくつもの変異が同時に起きる必要）があった
2. 変異そのものはありふれているが、それまでにその集団で起きていた変異（下地）がないと、起きない・効かない

2番目なら、それはまさにグールドの言う「歴史的偶発性」です。

03冷凍庫から祖先を起こして「リプレイ」する

ブラウント、ボーランド、レンスキーは2008年、凍結化石記録を使ってこの2つを見分けにかかりました。

つまり、その集団がたどってきた歴史があったからこそ、Cit⁺は生まれた。テープを祖先の時点まで巻き戻すと、同じ結末にはなかなか届かなかったのです。

04ゲノムが明かした「スイッチの付け替え」

2012年、同じチームはゲノム配列を読んで、何が起きたのかを詳しく調べました（Nature）。

わかったのは、Cit⁺の決め手が「新しい遺伝子」ではなく「スイッチの付け替え」だったことです。大腸菌はもともと、酸素のない環境でクエン酸を取り込む輸送体の遺伝子（citT）を持っています。ただ、酸素がある環境ではスイッチが切れていて働きません。

Cit⁺の菌では、DNAの一部が2つ並んで重複（縦列重複）し、その結果、citT が酸素のある環境で働く別のプロモーターの後ろにつながっていました。眠っていた道具が、別のスイッチにつなぎ直されて動き出したわけです。

さらにゲノムの系統をたどると、この集団の中には少なくとも3つの系統（クレード）が1万世代以上も共存していました。Cit⁺が生まれたのはそのうち1つでしたが、Cit⁺を進化させられる遺伝子型は3つの系統すべてに存在していた。下地となる変異は1つではなく、複数回起きていたと考えられます。

研究チームはこの過程を、下地づくり（ポテンシエーション）→ 実現（アクチュアライゼーション）→ 磨き上げ（リファインメント）の3段階で整理しています。最初のCit⁺はとても弱く、クエン酸をほんの少ししか使えませんでした。その後、別の輸送体（dctA）の発現を上げる変異などが加わって、ようやく本格的にクエン酸で稼げるようになったのです（2014年のクワントらの研究）。

2015年の研究では、クエン酸の代謝にかかわる酵素の遺伝子（gltA）に、Cit⁺の前と後で別々の変異が起きていたことも示されました。最初の変異は、弱いCit⁺が消えずに生き残るのを助けたらしい。ところが能力が磨かれた後は、その変異がかえって不利になり、逆向きに働く変異が次々に現れたといいます。「下地」には、遺伝子の単純な足し算ではなく、中心的な代謝の組み替えもかかわっていたのです。

05「そんなの数日でできる」という反論

この論争で大事なのは、「偶発性」は条件つきの確率の話だという点です。どんな環境で、どんな競争相手がいて、どれだけの集団サイズで、という前提が変われば、同じ変異の「起こりにくさ」も大きく変わります。

06グールドへの答えは「半分イエス」

では、テープを巻き戻したらどうなるのか。ブラウント、レンスキー、ロソスは2018年のScienceのレビューで、微生物の実験と自然界の比較研究をまとめています。

それによると、近い系統どうしでやり直すと、進化は意外なほど同じ方向に進む。LTEEでも12集団は、増殖の速さなど全体的な性能はそろって向上しました。一方で、歴史の足あとが深くなるほど、結末は分かれやすくなる。Cit⁺はまさにその「分かれ目」の実例です。

つまりグールドの思考実験への答えは、「大筋は再現されやすいが、新しい能力のような“ジャンプ”は歴史に強く依存しうる」というあたりに落ち着きつつあります。

07まとめ

目の前にずっと置いてあったエサを、大腸菌が食べられるようになるまでに3万世代以上。しかも成功したのは12集団のうち1つだけで、その裏には2万世代までに積み重なった「下地」がありました。

凍らせた祖先からやり直すと、同じ結末にはなかなか届かない。進化のテープは、巻き戻すと少しずつ違う曲を奏でる。グールドの思考実験は、冷凍庫とフラスコによって、検証できる科学の問いに変わったのです。