分子的・生理的機構と形質適応進化をつなぐ数理的研究

连接分子/生理机制和性状适应性进化的数学研究

基本信息

批准号：
22K06409
负责人：
山口幸
金额：
$ 2.58万
依托单位：
Tokyo Woman's Christian University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-04-01 至 2025-03-31
项目状态：
未结题

项目摘要

これまでの行動生態学や生活史戦略の理論では、生態的・社会的環境に対する適応を自然淘汰で説明する際に、生理的制約や分子的／生理的機構を無視することが多かった。そこで本研究では、幅広い分類群を対象に、分子的／生理的機構を取り入れて、生態的、物理的、社会的環境の変化への適応的応答を理解する進化生態学の新しいパラダイム確立を目指す。対象として陸上動物や植物を含め、性に限らずより一般の形質を扱う。今年度は「淡水と海水を行き来する魚の浸透圧調節の塩類細胞の最適組成」について取り組んだ。淡水域と海水域を行き来する魚は、浸透圧調節が必要である。浸透圧調節に貢献する細胞は塩類細胞とよばれ、海水適応細胞、淡水適応細胞、可塑性細胞の３種類がある。淡水と海水を行き来するとき、それぞれの細胞数が変わるが、それには時間がかかる。また細胞を作り出すにも維持するにもコストがかかる。将来の環境変動の可能性を考慮しながら、全体のコストを最小化するよう３種類の細胞数を決めると考えて、ダイナミックプログラミングにより、この問題に迫った。この動的最適化による研究については、本科研費課題を執行する前に、予備的解析ですでに成果を得ており、Journal of Theoretical Biologyに2022年に掲載されている（Uchiyama, Iwasa, Yamaguchi 2022, 基盤C 19K06838）。浸透圧の内分泌調節として、成長ホルモン、コルチゾル、プロラクチンといった３つのホルモンが関わっている。この知見をUchiyama et al.(2022) のモデルに組み込むことで、内分泌調節と個体の環境応答をつなぐモデルに発展させるために、まずはこれらのホルモンの相互作用について文献調査を行った。その結果、実証的知見の不足している部分があるため、妥当な関数形の選択が今後の課題となることが判明した。

先前的行为生态学和生命史策略理论在利用自然选择解释对生态和社会环境的适应时常常忽略生理限制和分子/生理机制。因此，在这项研究中，我们的目标是建立进化生态学的新范式，将分子/生理机制纳入广泛的分类群中，以了解对生态、物理和社会环境变化的适应性反应。它涵盖陆地动物和植物，并涉及比性别更普遍的特征。今年，我们研究了“盐细胞的最佳组成，用于调节在淡水和海水之间移动的鱼类的渗透压。”在淡水和咸水区域之间移动的鱼需要渗透调节。有助于渗透压调节的细胞称为盐细胞，有三种类型：海水适应细胞、淡水适应细胞和塑料细胞。当在淡水和海水之间来回移动时，每个细胞中的细胞数量会发生变化，但这需要时间。生产和维护细胞的成本也很高。我们使用动态规划来解决这个问题，其想法是确定三种类型细胞的数量，以最小化总体成本，同时考虑到未来环境变化的可能性。使用这种动态优化的研究在主要 KAKENHI 项目实施之前已经通过初步分析取得了成果，并将于 2022 年在《理论生物学杂志》上发表（Uchiyama, Iwasa, Yamaguchi 2022, Foundation C 19K06838）。三种激素参与渗透压的内分泌调节：生长激素、皮质醇和催乳素。通过将这些知识纳入 Uchiyama 等人 (2022) 的模型中，我们首先对这些激素的相互作用进行了文献综述，以便开发一个将内分泌调节和个体环境反应联系起来的模型。结果发现，由于某些领域缺乏经验知识，因此选择有效的函数形式将是未来的挑战。