生物学における対称性：種類、発生、機能と非対称性

一般的な型と特徴

生物学者は、生物体の形をいくつかの基本的な対称性の型に分類する。それぞれの型は、動物や植物が環境とどのように関わり、成長の過程でどのように発生するかに影響する。

• 左右相称：一つの平面が体を鏡像関係にある左半分と右半分に分ける。昆虫、魚類、鳥類、哺乳類など、多くの動物に典型的である。
• 放射相称：クラゲやイソギンチャクのように、体の部分が中心軸の周囲に配置される。固着性または漂泳性の生活様式と関連することが多い。
• 球対称：中心を通るどの平面によっても、体を等価な半分に分けられる対称性である。大型生物ではまれで、主として理論的な型だが、一部の微小な形態にみられる。
• 非対称性：多くの海綿動物や一部の植物器官にみられるような、規則的な対称性の欠如である。

発生と進化

対称性は、遺伝子発現の勾配、細胞の極性化、組織の折りたたみを通じて、胚発生の早期に生じる。対称性の型の間での進化的な移行は繰り返し起きてきた。たとえば多くの動物系統では、左右相称は放射相称の祖先から進化した。左右のパターン形成を制御する遺伝的経路は多様な群で保存されている場合があり、どの対称性が有利になるかは生態学的圧力によって形づくられることが多い。

機能、例、重要性

対称性は、移動、感覚器官の配置、摂食戦略と関係する。左右相称動物は一般に明確な頭部と尾部をもち、これを頭部化という。頭部化により、方向性のある移動と感覚器官の集中が可能になる。放射相称の動物は、あらゆる方向から環境と関わることができる。植物では葉や花に対称性がみられ、これは送粉や光の捕捉に影響しうる。実例として、チョウの鏡像的な翅、刺胞動物の放射状の触手、ならびに一部のカタツムリにみられる非対称な殻が挙げられる。

例外、測定、注目すべき事実

現実の生物は、理想的な対称性からしばしば逸脱する。変動性非対称、すなわち左右間の小さく無作為な差異は、環境ストレスや発生の不安定性を示すことがある。一部の種では、片側が一貫して他方と異なる方向性非対称がみられる。たとえば、特定の甲殻類では片方のはさみが大きくなる。研究者は形態学的ランドマーク、画像化、統計的形状解析を用いて対称性を定量化し、成長、健康、進化を研究している。対称性の概念、および生物学におけるその研究については、基礎文献に結び付く資料や総説を参照できる。