Evolutionary path dependence of semantic complexity

「多すぎる」ことの謎

あなたは地球上の生命の歴史を見ていると想像してください。それは、どんどん高く登り続ける梯子（はしご）のように見えます。単純な分子が細胞になり、単細胞生物が多細胞生物になり、それらの生物は、同一の体のパーツを持つ状態から、目や翼、爪のような高度に専門化された器官を持つ状態へと成長してきました。私たちはこれをしばしば「より複雑になること」と呼びます。しかし、ここが厄介な点です。科学者たちは、「複雑さ」が実際に何を意味するのかについて合意を得るのに苦労しています。それは単に、生物がどれだけのパーツを持っているかを数えることなのでしょうか？ それとも、それらのパーツがいかに有用であるかということなのでしょうか？

この論文を理解するには、しばしば混同されがちな2つの概念を切り離す必要があります。第一に、**構文的複雑さ（syntactic complexity）**があります。これは「取扱説明書」の長さだと考えてください。それは、生物がどれほど多くの異なるパーツを持ち、それらが互いにどれほど異なっているかという単なるカウントであり、それらが何をするかは問いません。それは、中の道具が実際に役に立つかどうかを問わずに、道具箱のサイズを測るようなものです。第二に、**意味的複雑さ（semantic complexity）**があります。これは「有用性」の部分です。これは、生物の生存や繁殖に実際に役立つ特徴のみをカウントします。もしある生物が、生存に全く寄与しない派手で複雑な尻尾を持っていたとしても、それは構文的なカウントには加算されますが、意味的なスコアにはゼロを加算することになります。大きな疑問はこうです。複雑になることは常に動物の生存を助けるのか？ それとも、動物は時として、何の理由もなくただ複雑になっているだけなのだろうか？

進化の回り道という物語

この研究において、エリオット・M・バターワース、ティム・ロジャーズ、マシュー・A・ウィルズの研究チームは、これら2種類の複雑さが時間の経過とともにどのように展開するかを観察するために、数学的モデルを構築しました。彼らは実際の化石や生きた虫を見たのではなく、代わりに「モデル生物」の仮想世界を作り出しました。これらの生物を、すべてが同じ仕事をする同一の脚を持つ生物だと想像してください。生物の目標は、移動、食料の確保、そして摂食という3つの不可欠なタスクを実行することで生き残ることです。

科学者たちは、これらの生物を「突然変異」させることで進化をシミュレートしました。モデルにおける突然変異は、新しいレベルの自由をアンロックすることに似ています。最初は、すべての脚は強制的に「同一の双子」であることを求められます。突然変異は、この「対称性を壊す」ことができ、ある一対の脚を他の脚とは異なるものへと進化させることができます。これは実生活において、ある種の節足動物（エビや昆虫など）が、食べ物を掴むための爪へと脚が変化する一方で、他の脚は歩行用の棒のまま維持される現象に似ています。

研究者たちは、進化は必ずしも山の頂上へと向かう最も直接的なルートを辿るわけではないことを発見しました。彼らは、複雑さが成長する2つの明確な方法を発見しました。

1. 駆動モード（The Driven Mode）: これは「賢い」経路です。ここでは、生物がより複雑な新しい体の一部（例えば専門化した爪）を獲得し、それが直ちに生存に役立ちます。このモードでは、「取扱説明書」は長くなりますが（構文的複雑さ）、生物の適応度も向上します（意味的複雑さ）。新しい複雑さが実際に有用であるため、両者は共に上昇します。
2. エントロピー・モード（The Entropic Mode）: これは「漂流」する経路です。ある生物がすでに生き残るための完璧な方法を見つけたと想像してください。最高の爪と最高の脚を持っています。もしその生物が再び突然変異し、他の脚をわずかに異なるものにしたとしても、生存能力は向上しません。以前と同じくらい適応しています。しかし、生物が「十分に良い」状態であるパーツの組み合わせの選択肢が増えるため、生物の体は偶然によって、より複雑な方向へと漂流する可能性があります。このモードでは、「取扱説明書」は長くなりますが、生物の適応度は上がりません。それは、レシピを変えないまま、説明書のページ数を増やしているようなものです。

最も驚くべき発見は、歴史と運に関するものです。論文は、系統が辿る経路が極めて重要であることを示唆しています。もし生物が「局所的最適解（ローカル・オプティマ）」、つまり最高ではないものの「良い解決策」に捕まってしまった場合、最終的にグローバルな頂上に到達するまで、長い間「駆動」のステップ（より良くなるために複雑になること）を繰り返さなければなりません。

ハイカーが最も高い山の頂を目指そうとしていると考えてみてください。

• 直接的な経路: ハイカーがふもとから出発し、真っ直ぐで急なトレイルを登ります。彼らは最小限の歩行で、素早く頂上に到達します。彼らは適応しており、かつシンプルです。
• 間接的な経路: もう一人のハイカーは、より低く小さな丘に捕まってしまいました。本当の山頂に到達するためには、彼は何度も小さな尾根を登り、越えていかなければなりません。彼は、同じ高度に到達するためだけに、もっとたくさん歩き、もっと重い荷物（より複雑な体）を背負うことになります。

この研究は、間接的な経路を辿った系統は、直接的な経路を辿った系統よりも、たとえ最終的な適応度が同じであったとしても、はるかに多くの構文的複雑さ（より多くの体のパーツ、より多くの差異）を持つようになることを示しています。彼らは、早い段階で遭遇した行き止まりを回避するために、進化の過程で「余分な」複雑さを身につけざるを得なかったのです。

著者らはまた、これがなぜ一部の生物が信じられないほど複雑に見えることがあるのかを説明していると指摘しています。それらは必ずしも、より単純なものよりも「優れている」わけではありません。時には、複雑さは進化の歴史における回り道の副産物に過ぎないのです。一度生物が複雑な形態に囚われると、たとえ単純である方が生存に同じくらい適していても、単純な状態に戻ることは難しくなる場合があります。論文は、単に体のパーツを数えるのをやめ、「この複雑さは本当に役立っているのか、それとも単なる歴史的な偶然なのか？」と問い始める必要があると示唆しています。

要約すると、この論文は、複雑さは必ずしも「より優れている」ことの証ではないと主張しています。時には、それは生命の風景の中を巡る、景色豊かな曲がりくねったルートの結果に過ぎません。そこでは、あなたが背負う荷物が重くなるのは、それが必要だからではなく、早い段階で道を間違え、追いつくために歩き続けなければならなかったからなのです。