The emergence and evolution of a referential code in populations of bee-like agents
本研究は、エージェントベースモデルを用い、特定の生態学的条件、突然変異率、および外生的な利益が送り手と受け手の間の変化を調整するように一致している限り、ミツバチのコミュニケーション・コードがいかにして直接的な指示から重力を参照したシグナリングへと、崩壊することなく進化し得るかを実証するものである。
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動物界におけるコミュニケーションは、メッセージを送る者とそれを受け取る者の間の共通の理解に依存している。もし送り手が信号の意味を変更しても、受け手がその解釈を調整しなければ、会話は崩壊してしまう。この調整の問題は、ミツバチが餌を見つける場所を仲間に伝えるために、複雑な物理的運動を用いるという点を見ると、特に興味深いものである。数十年来、科学者たちは異なるミツバチの種が、それぞれ異なるバージョンのこの信号を用いていることを知っている。水平な巣板を持つ巣で暮らす一部のミツバチは、餌の源に対して直接的に体を向ける。一方で、樹洞内の垂直な巣板の中で暮らす他のミツバチは、餌を直接指し示すことができない。その代わりに、彼らは重力を基準として使い、太陽の方向に対応するように体の角度を傾けるのである。
進化生物学者にとっての大きな疑問は、どのようにして一つの種が、コミュニケーション能力を完全に失うことなく、一方のシステムからもう一方のシステムへと切り替えることができるのかということであった。もしミツバチが、仲間がそれを理解する前に重力ベースのシステムを使い始めてしまったら、コロニーは飢餓に陥ってしまう。逆に、新しい方法を習得する前に直接的な指示を止めてしまったら、メッセージは失われてしまう。この移行には、コードが緩やかに変化し、送り手と受け手の両方が足並みを揃えて進化するという、繊細なバランスが必要となる。
この転換がどのように起こり得るのかを探るため、研究者たちは進化するミツバチのコロニーのコンピュータ・シミュレーションを構築した。彼らは実験室で本物のミツバチをモデルにしたのではなく、時間の経過とともに突然変異が起こり得る遺伝可能な形質を備えた、ミツバチのように振る舞う仮想の個体群（エージェント）を作成した。目的は、どのような条件下で直接的な指示のコードが出現するのか、そしてより重要なことに、通信システムが崩壊することなく、人口が直接指示のコードから重力参照のコードへとスムーズに移行できるかどうかを確認することであった。シミュレーションでは、コロニー全体を単一の進化単位として扱った。なぜなら、実際の働きバチは不妊であり、同じ遺伝子を共有しているため、自然選択は個々のハチではなく、グループ全体の成功に対して作用するからである。
研究の第一部は、直接的な指示のコードがいかにして始まるのかに焦点を当てた。研究者たちは、餌のパッチがいくつ存在するか、またそれらがどの程度の大きさであるかを変化させ、多くの異なる食物環境をテストした。その結果、餌を見つけるのが適度に難しい場合に、正確な指示システムが容易に進化することが分かった。餌が少なすぎると、ダンスを誘発するのに十分な数の成功した採餌者が現れない。餌が豊富すぎると、ハチはランダムに歩き回ることで簡単に餌を見つけられるため、合図をする必要がない。しかし、餌がパッチ状に存在し、見つけるのに多少の努力を要するという中間領域において、直接的な指示のコードは安定する。ハチは正確に指し示すことを学び、仲間のハチはそれらの指示に従うことを学ぶことで、情報を共有するための信頼できるシステムが構築されるのである。
第二部の研究では、困難な移行を取り上げた。研究者たちは、垂直な巣板の方が構造的に強く、あるいは効率的であるといった、垂直な巣板を有利にする外部圧力を導入した。仮想の巣板が傾き始めると、古い直接的な指示のシステムは、巣の幾何学的な構造によって餌への直線がもはや許容されなくなるため、機能し始めた。研究者たちは、古いシステムが無用になる前に、ミツバチが重力ベースのシステムに切り替えられるかどうかを検証した。その結果、この移行は可能であるが、それが非常に多くの特定の要因に依存していることを発見した。
最も決定的な要因は、集団内に新しい形質が現れる速度であった。突然変異が遅すぎると、コロニーは変化する幾何学的構造に迅速に適応できず、コミュニケーションが崩壊した。突然変異の速度が速ければ、送り手と受け手が同時並行で行動を調整することができた。もう一つの鍵となる要因は、垂直な巣板が提供する利益の強さであった。もしその利点が小さすぎれば、コロニーはそのリスクのある転換を行う動機を持たない。また、研究者たちは、送り手と受け手の突然変異が連結している場合、つまり、あるハチの踊り方の変化が、その踊りの解釈方法と遺伝的に結びついている場合、移行が成功する可能性がより高いことも発見した。この連結により、会話の両側が離れていくのではなく、共に進化することが保証された。
シミュレーションの結果、これらの条件が満たされれば、直接的な指示から重力参照への移行は確実に起こることが示された。コロニーはコミュニケーションの壊滅的な失敗を経験しなかった。代わりに、ミツバチは直接的な指示と重力参照を混ぜ合わせながら段階的に両方のシステムを使い、重力システムが完全に取って代わるまでその混合状態を維持した。このことは、一部の種が直接的に指し示し、他の種が重力を用いるという自然界で見られる転換が、完璧なタイミングによる奇跡ではなく、実現可能な進化の経路であることを示唆している。それは特定の生態学的および遺伝的な状況を必要とするが、集団が道を見失うことなく歩める経路なのである。
本研究は、現代のミツバチのダンスに至った正確な歴史的過程を特定することはできないものの、そのような変化のメカニズムは妥当であると結論づけている。環境が変化を促し、集団が適応するための遺伝的な柔軟性を備えている限り、共有されたコードは、送り手と受け手の間の繋がりを断ち切ることなく改訂することができる。この研究は、このような複雑で抽象的なコミュニケーション・システムが、より単純で直接的なものからどのように進化し得たのかについて、説得力のある説明を提供している。それは、長年科学者を惹きつけてきた調整のパズルを解決するものである。
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