要約:
長い間、古生物学界は一般に、初期の四足動物は頭をより自由に回転できるようにするために肩から頭を分離し、独立した首を進化させ、それによって水中や陸上でより効果的に採餌し、捕食者を避けたと信じてきました。しかし、新しい研究は、何十年にもわたって一般的だったこの仮説に疑問を投げかけています。初期の首は実際には非常に硬く、頭が動く余地は非常に限られていました。
魚の場合、ストラップは頭蓋骨に直接取り付けられているため、左右を見たい場合にのみ体全体を回転させることができます。約 3 億 8,000 万年前、水中から陸上へ移行していた一部の動物は、体から首が分離し始めました。しかし、新しい研究によると、この構造変化によって彼らの頭にはそれほど自由な動きが与えられなかったことが分かりました。この研究では、新しい化石の証拠と生きた魚の機械的試験のモデリングを組み合わせて、これらの初期の首が硬いままであることを示しました。この国際研究は、ペンシルバニア州立大学の生物学助教授であるトム・スチュワートによって実施され、結果は 10 月 14 日付けの Nature 誌に掲載されました。
デボン紀は約 4 億 2,000 万年から 3 億 6,000 万年前です。この時代の化石には、水生の特徴と陸上の生物に関連する特徴の両方を持つ多くの動物が記録されています。それらの中には、体重を支えるのに十分な強さの厚いヒレを持っているものもあり、浅瀬で体を支えたり、底に沿って進むことができました。同時に、これらの過渡期の魚には、明確に区別された首も現れ始めました。
スチュワート氏は、今は地球の歴史の中で非常に興味深い時期であり、最初の森林が形成され、地球が劇的な再編を受けていると述べました。私たちの系統がいつ、どのように水から陸に移行したのか、どの解剖学的システムが変化したのかを正確に理解することは、この歴史の重要な部分です。興味深いことに、約 3 億 8,000 万年前に骨に起こった変化の多くは、今日でも私たち自身の体に反映されています。
この種類の移行期の魚には、カナダのヌナブト準州の北極圏にあるエルズミア島で化石が発見されたティクタアリクが含まれます。スチュワート教授は、ティクタリクは有肢脊椎動物に最も近い近縁種の一つであり、水を吸うことから陸上で噛むことへの切り替え、泳ぐことから歩くことへの切り替えなど、陸上での生活への移行の中間段階の多くを再現するのに役立つため、この一連の資料は重要であると述べた。
四肢動物（4 本の手足を持つ脊椎動物）の祖先にとって、下や横を見ることができたことは、浅瀬や陸上で食べ物を見つけたり、捕食者を避けたりするのに役立った可能性があります。したがって科学者らは、深海よりもそのような環境では、独立した頭部の動きがより価値があるのではないかと推論した。スチュワート氏によると、ティクタリクは2006年に初めて報告され、数十年にわたり、この頭と肩の分離により頭がより自由に動けるようになったと合理的に考えられてきたという。したがって、少なくともこれまでは、「首の可動性が四足動物の身体構造の変化の進化の原動力である」という仮説が有力でした。
この説明を検証するには、今日のほとんどの脊椎動物とは異なる脊椎を再構築する必要があります。初期の四足動物とその近縁種は、背骨の全長に伸びる脊索と呼ばれる棒状の組織を持っていました。彼らの椎骨は非常に小さく、この巨大な軟組織の塊の周りに配置されており、その機械的挙動は現代の動物の椎骨間の関節とは大きく異なりました。スチュワート氏は、こうした変化が起きている魚の背骨はほとんどが軟組織でできており、骨ほど化石に保存されにくいと説明する。この場合、生きている鳥が絶滅した恐竜を理解するのに役立つのと同じように、現代の動物を過去への参照として使用できます。
脊索の周りに作られた棘は現在ではまれですが、かつては生命の歴史を通じてよく見られました。チョウザメは、その本来の特徴から「生きた化石」と呼ばれることもある遠縁の魚であり、この脊椎を今でも保持しているため、化石に欠けている機械的特性を研究するのに有用な対象となっています。 「私たちは、これらの初期の4本足の動物がどのように生活し、それが彼らの体の変化にどのように反映されたのかを理解したいと考えています」とスチュワート氏は述べた。動物がどこに住んでいるのか、どのように移動しているのか、どのような行動をしているのかを再現することは非常に困難です。この研究が注目に値するのは、化石データと生きた動物の研究を組み合わせて、私たちが見ている解剖学的変化が動物の行動に何を意味するかを機械的および機能的な観点から再構築していることです。
研究者らは現生チョウザメの脊索の硬さを測定し、これらの材料特性を初期の四足動物やティクタアリクなどの移行近縁種の首モデルに適用して、既存の脊椎構造を考慮して肩を頭蓋骨から分離することで実際に頭部が自由に動くことができるかどうかをテストしました。この論文の筆頭著者でスウェーデンのウプサラ大学の博士研究員であるダナ・コネッセル氏は、この解剖学的変化がこれらの動物にどれだけの影響を与えるかを調べるためにこの研究を行ったと述べた。チョウザメの背骨の構造は初期の四足動物の脊椎構造に似ていますが、特に硬いわけではないようです。そのため、そのような動物のほとんどすべてがモデル化後に頭部の可動性が大幅に欠けていることに彼女は驚きました。
これらの推定値は、脊椎自体のみを考慮しています。これらの動物の多くは筋肉、皮膚、皮膚に埋め込まれた骨によって動きがさらに制限される可能性があり、実際の動物の首の可動範囲はモデルが示唆するものよりも小さい可能性があります。コネセル氏によると、これらの動物は頭を上げられるのは魚の高さ程度、場合によってはそれ以下であり、人間が首を振るときにできる頭をひねるような動作は、これらの動物では不可能であるという。
頭部には追加の動きの余地がほとんどなくなったため、研究者らは、独立した首の出現は、前肢の移動に関連した解剖学的変化の結果である可能性が高く、柔軟性の向上は、頭と肩の分離を最初に促した利点よりも、後の利点であると示唆しています。 「四足動物が最終的により大きな首の可動性を獲得したことはわかっており、これは最終的に明らかに有利でしたが、初期の四足動物は解剖学的制約によりこの利点を享受できませんでした」とコネセル氏は述べた。
この論文のタイトルは「既存の類推を使用した初期四足動物の首の可動性のモデリング」で、著者には Dana E. Cornesel、Cassandra M. Donatelli、Han Linfang、Thomas A. Stewart、Andrew L. Treynor、Benjamin K. A. Otto、Marcos Martinez、Tetsuo Miyashita、Emily M. Standen、Hilary C. Martin が名を連ねています。この研究は、古脊椎動物学会からのスティーブン・コーエン学生研究賞と、カナダ自然科学工学研究評議会からの資金提供によって支援されました。
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