中学受験理科｜DNAの文字列で生物を比べる｜一致率と種の判定の限界

小さな幼虫や体の一部だけでは、姿から種類を見分けにくいことがあります。DNAの特定の部分の並びを調べ、種類が分かっている試料と照らし合わせる方法が、DNAバーコーディングです。中学入試で文字列の表が出ても、分子の詳しい構造を覚えている必要はありません。同じ場所を比べ、違った場所を数え、資料の条件の範囲で結論を出す練習になります。

四種類の文字の並びとして読む

DNAの配列はA、T、G、Cという文字で表せます。ここでは同じ部分を同じ長さで読んだ短い模型配列を使います。文字の種類ごとの個数を数えるだけでは不十分です。AとTが同じ数でも、並び順が違えば別の配列だからです。一列目から順番に対応させ、異なる文字が置かれた列に印をつけます。

本物の判定では比較する領域、配列の質、近縁種の資料、参照データの正確さなどが関係します。短い文字列が一つ一致しただけで、世界中のすべての生物から一種を確定できるわけではありません。以下の計算は、表にある候補のどれとよく似ているかを比べるための模型です。

青は一致、橙は不一致。Aが最も近いが、短い模型配列だけで種を確定する図ではない。

分母は比べられた場所の数

十か所のうち九か所が一致すれば一致率は90％です。二十か所のうち十八か所でも90％ですが、比べた情報の量は同じではありません。また、読めなかった文字を「？」と書いた場合、それを不一致としてよいか、分母から除くかは問題の規則によります。測定できなかったという事実と、違っていたという事実を区別します。

二つの候補を比べるとき、片方だけ読み取れた場所が少なければ、百分率の見かけだけで断定しにくくなります。表の欄に一致数・不一致数・未判定数を分けると、どの情報が失われているか分かります。判定保留は計算の失敗ではなく、資料が足りないときに必要な結論です。

例題1｜最も近い候補

未知試料を同じ20か所で比較しました。候補Aとは19か所、Bとは18か所、Cとは15か所で一致しました。各一致率と、この表の中で最もよく似た候補を答えましょう。最も似ていれば同じ種だと必ず言えますか。

答え・解説：Aは95％、Bは90％、Cは75％で、最も似るのはAです。同じ種の確定まではできません。 分母はいずれも20か所です。Aの不一致は一か所と最少ですが、この短い領域で異なる種が似ることや、同じ種の中に違いがあることも考慮する必要があります。表に載っていない候補の存在も除外されていません。

例題2｜読めなかった場所を分ける

30か所を比較する予定でしたが、三か所は読み取れませんでした。残りのうち24か所が一致、三か所が不一致です。「読めた場所だけで一致率を求める」という規則なら、何分の何になりますか。未判定を全部一致とみなした値を確定値としてよいでしょうか。

答え・解説：27分の24、すなわち九分の八です。未判定を一致と決めてはいけません。 比べられた場所は30−3で27か所です。24÷27で約88.9％となります。未判定三か所がすべて一致なら全30か所で90％、全部不一致なら80％ですが、これらは仮定による端の値です。読めた範囲の一致率とは別に示します。

参照表の名前にも根拠が必要

未知試料の配列が正しく読めていても、参照表の標本に誤った名前がついていれば、名前の推定も誤ります。測定装置が出す文字列と、生物名の対応表を作る作業は別です。どの標本をもとにした資料か、近い種類が十分に比較されているかは、判定の信頼性につながります。

姿による観察が不要になるわけでもありません。採取した場所や季節、成虫と幼虫の対応、体の特徴とDNAの情報を組み合わせれば、矛盾に気づけることがあります。文字列だけが正しい証拠で、形は間違った証拠だと二分しないことが大切です。

解答では「候補Aに最も近い」と「Aと同種である」を書き分けます。設問がどこまで求めているかによって、結論の強さを変えるのです。配列を暗号のように感じても、列をそろえた比較と割合の分母に戻れば処理できます。数値が95％のように細かく出たこと自体は、種名を確実に決められたという証明にはなりません。

総数が同じ文字列も並べて確かめる

AATTとATATは、AもTも二個ずつですが、二列目と三列目が異なります。文字の構成比だけなら同じでも、位置をそろえた一致は四か所中二か所です。この短い例を自分で書くと、塩基の割合の表と配列の表が別の情報を持つと分かります。記号が四種類しかないから簡単に一致すると考えず、順番の情報に注目しましょう。

また、文字が一つ抜けている列を、勝手に左詰めにして比較することは避けます。対応する場所を決める作業が必要になるためです。本稿ではその難しさを除き、同じ場所が同じ列に並んでいると指定しています。資料に空白や未読記号がある場合は、比較規則の説明があるかを先に調べます。

二つの候補が同じ一致率なら、順位をつけるためだけに体の色などを思いつきで付け足すのではありません。追加の領域を測る、形態の特徴を確かめる、参照標本を増やすといった次の調査が考えられます。得られた表だけで決められる範囲を守ることが、情報を組み合わせる出発点になります。