京都大学ら、オスとメスが異なる動きをすると効率的に出会えることを発見

京都大学と国立情報学研究所は、オスとメスが互いに探索しあう状況を想定した理論モデルを構築し、探索時間が限られている時にはオスとメスで異なる動き方をするのが双方にとって最適であることを発見したと発表した。

図1:Lévy walkの例。直線移動の距離の分布が裾野の広いべき分布に従い、べき分布の傾き(μ)の違いにより、同じ時間内に最初の地点から、μ=1.1ではμ=3の10倍遠くまで移動したことが分かる。

同研究は、農学研究科博士後期課程学生(日本学術振興会特別研究員 DC1)水元惟暁氏、土畑重人助教、国立情報学研究所 ビッグデータ数理国際研究センター特任研究員の阿部真人氏の研究グループによるもので、 5月10日、英国王立協会の学術誌Journal of the Royal Society Interfaceに掲載された。

有性生殖において最も重要なプロセスのひとつがオスとメスの出会いであり、性的二型や性フェロモンなど、生物は出会いの効率を上げるために様々な形質を進化させてきた。同研究では、出会いが生じる上での前提となる「動き」に注目し、オスとメスが異なる動きをすることで、出会いの効率を上げることができるならば、これが新たな性的な違いを生み出す機構になりうると考えた。

目的物の位置情報がない時の効率的な探索手法を考えるランダム探索問題のひとつの答えが「Lévy walk」という、頻繁に生じる短い直線移動と、稀に生じる長い直線移動からなる移動パターンである。進行方向はランダムに選ばれても、進む距離が短いものから長いものまで生じるため効率よく広い範囲を探索できる。これまで様々な条件下でのLévy walkの効率が調べられてきたが、ほとんどは、探索する捕食者がどれだけの多くの餌を得られるかという探索者の利益のみを考えるもので、オスとメスが互いに探索しあう配偶者探索における探索戦略についてはほとんどわかっていなかった。

図2:今回想定した状況。オスとメスが互いを探索し、出会いが生じると探索をやめその場から消滅する。

そこで同研究チームは、オスとメスがそれぞれの動きのパターンで探索しペアが生じたものから探索をやめる、相互探索の状況を考えたシミュレーションモデルを構築。動きのパターンにはLévy walkを用いて様々なものを用意し、限られた制限時間内でそれぞれの動きのパターンをしたオスとメスが出会えたかどうかで探索効率を計測した。まず、最も単純な状況として、1次元空間に1個体のオスとメスがいる状態を考えてシミュレーションを行ったところ、制限時間が短い時には、拡散的な(直線的に動いた)ペアが最大効率に達し、制限時間が長い時には、非拡散的な(頻繁に方向転換した)ペアが最大効率を得たという。一方、制限時間が中間的な時には、中間の拡散性を持つペアではなく、拡散的な個体と非拡散的な個体とのペアが最大効率に達した(図3)。また、2次元空間に複数個体がいる状況に拡張しても同様の傾向が確認された。

図3:相互探索シミュレーションの結果。色が赤い部分が、高い遭遇率を示す。制限時間が中間の時、性的に異なる動きをするペアが、遭遇率を最大化できる。

発見速度と正確性はトレードオフの関係にあるため、制限時間が短い時にはオスもメスも発見速度を高めるように拡散的な動きをし、制限時間が長い時には正確性を高めるために非拡散的な動きを取る。制限時間が中間的な時には、この両方が求められるため、オスとメスは異なる動きをすることによってバランスよく効率性と正確性を得ることで遭遇効率を上げることが出来るということだ。さらに、制限時間内に出会えたペアのみが子供を残せると仮定して進化シミュレーションを行ったところ、最初は同じ動きをしていたオスとメスが、徐々に違うパターンの動きをするように進化していく過程を観察することができた。

同研究により、オスとメスが異なるように動くことが最適な探索戦略になり得るという理論を確立することが出来た。同研究結果は、配偶者探索の他にも、タンパク質の動きから群ロボット、迷い人捜索に至るまであらゆる1対1の出会いの効率化に応用できるという。また、ランダム探索問題おいて探索者のみの利益を考えていた先行研究に対して、今回の研究成果は双方の利益という視点を導入した点において重要な意味を持っているということだ。



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