高等植物にのみ存在します。なぜ植物珪酸体から稲作の歴史がわかるのでしょうか？

執筆者：Shi Jun

臨沂大学資源環境学院の于露鵬教授のチームと、中国科学院地質地球物理研究所、浙江省文物考古研究所など13の機関の研究者らが国際誌「サイエンス」に論文を発表し、野生種から栽培種までの10万年以上にわたる稲の進化の歴史を明らかにした。この神秘的なブラックボックスを解く鍵は、実は肉眼では見えない植物珪酸体です。

植物珪酸体とは何ですか?植物珪酸体は、多くの高等植物の細胞内および細胞間に現れる微細構造です。主成分は二酸化ケイ素で、これは私たちが普段目にする砂の主成分と同じです。これらのシリカは細胞間の隙間や細胞の内部を埋め、特殊な構造を形成します。

すべての植物に植物珪酸体があるわけではないことに注意してください。植物珪酸体を持つのは、シダ、裸子植物、被子植物などの高等植物、つまり維管束を持つ植物のみであり、コケ類や緑藻類には植物珪酸体はありません。

植物はなぜ植物珪酸体を進化させたのでしょうか?

植物にとって、植物珪酸体には主に 2 つの用途があります。1 つは、植物の機械的強度を高め、植物体を硬くすることです。もう一つは、動物にかじられないように鎧を着ることです。

植物珪酸体の第一の機能は、植物を硬くし、植物体を支える役割を果たすことです。組織に詰まった植物珪酸体は植物組織に強度を与え、風雨にも負けずに堂々と立つことを可能にします。簡単に言えば、植物珪酸体とは、高層ビルを建設するときに鉄骨の間に詰めるコンクリートのようなものです。

植物珪酸体のもう一つの機能は、動物による食害から守ることです。野菜サラダの皿に大量の砂とガラスを混ぜることを想像してみてください。食事をする人は、それが自分の歯に影響するかどうかを慎重に考える必要があるだろう。たとえ草食動物が無理やり食べようとしても、歯に非常に負担がかかり、動物の生存に悪影響を及ぼすでしょう。

上記の 2 つの主な用途に加えて、植物のファイトリスには外部の微生物の侵入を防ぐ役割もあります。同時に、植物珪酸体はアルミニウムなどの特定の金属元素を吸収して濃縮し、これらの元素が植物に損傷を与えるのを防ぐこともできます。

植物珪酸体は本当に用途が広いと言わざるを得ません。

植物珪酸体はデボン紀後期に初めて出現し、その時期に地球の陸上に緑豊かな森林が初めて出現しました。植物珪酸体は、初期のヒカゲノカズラ類に、植物と戦うために必要な支援と武器を提供しました。植物の進化の過程で、シダ植物、裸子植物、被子植物は植物珪酸体を生成する能力を継承しました。

植物珪酸体は植物が動物に対して使用する武器ですが、人間にとっても特別な用途がたくさんあります。まず第一に、植物珪酸体は農業生産の小さな助け手です。稲や小麦の茎や葉にある植物珪酸体は、草食昆虫による攻撃に効果的に抵抗するのに役立ちます。この場合、私たちは実際に小さな植物珪酸体と特別な協力関係を築いています。もちろん、今日でも植物珪酸体を使って古植物学、古生態学、考古学の多くの研究を行うことができます。

考古学者や古生物学者は、古代の植物を研究する際、当然、地層の中に植物の花や果実の残骸が見つかることを期待します。しかし、花や果実の化石の形成条件はあまりにも厳しく、葉の化石の形成さえも容易ではありません。そのため、今日まで多くの科学者が花粉や植物珪酸体などの植物微化石に注目してきました。

研究者たちは、ジェホル・バードの胃の化石の植物珪酸体を分析した結果、その中にモクレン科植物の植物珪酸体が含まれていたことを発見した。つまり、熱鳥は実際にモクレン科の植物の葉を食べており、その食べ方は現代のツメバメと似ていたのです。

科学者たちはまた、Pomaceaと呼ばれる恐竜の歯石の中に、イネ科の植物珪酸体の特徴を持ついくつかの植物珪酸体を発見した。この研究は恐竜の食生活についての理解を深めるものです。以前、私たちは恐竜が裸子植物やシダ植物を食べていたと考えていました。しかし、イネ科植物の主な食物は実際にはイネ科植物であり、恐竜の時代にはイネ科植物が比較的一般的な草原植物となり、多くの恐竜の主食でもあったことを意味します。

人間の遺骨の中から、米の遺物が栽培米なのか野生米なのかをどのように判断するのでしょうか?米粒の大きさだけで判断すると、説得力のある証拠を示すことができません。これは、米粒の大きさが非常にランダムであり、米粒がそのまま保存される可能性は高くないからです。

粒の大きさに加えて、稲穂の構造、そしてそこに壊れたり散らばったりした構造があるかどうかというもう一つの判断基準があります。この亀裂構造が消えれば、稲穂が成熟しても稲穂の中に残ることになります。この観点から、稲は人為的に選択され、栽培化されたという判断もできる。しかし、稲の小穂の構造をそのまま保存することは困難です。ではどうすればいいのでしょうか？植物珪酸体からも答えを探す必要があります。

稲には3種類の珪酸体があります。これらは茎と葉の両方に見られるダンベル形の珪酸体です。イネの穎果上に分布する二峰性の乳頭状珪酸体。葉には扇形の珪酸体が分布しています。

このうち、栽培イネと野生イネのダンベル状の珪酸体は、ほとんど違いがないため、使用できません。栽培イネと野生イネの二峰性乳頭状珪酸体には大きな違いがあるが、保存状態の良い籾殻を見つけるのは非常に難しいため、これも使用できない。

突破口は、縁に魚の鱗のような模様が多数ある扇形の珪酸体で発見されました。これは野生米と栽培米を区別する非常に典型的な特徴です。一般的に、野生稲の魚鱗の数は9個未満ですが、栽培稲の魚鱗の数は通常8〜14個です。両者の数は重複している部分もありますが、それでも栽培稲の方が多くなっています。この特徴は、イネが栽培化されたかどうかを判断するための重要な特徴となります。

イネの植物珪酸体は、イネが栽培化されたかどうかを判断するだけでなく、イネの栽培化プロセスのタイムラインを再構築するのにも役立ちます。従来の研究では、人類の遺跡に残された米の正確な年代をどのように判定するかが、研究者が直面する大きな問題となっている。なぜなら、長い地質学的期間にわたって地層が動くと、植物体の埋没場所が変化し、科学研究者の判断に影響を与えるからです。このとき、植物珪酸体の役割が現れます。

植物珪酸体中のシリカは周囲の放射線エネルギーを吸収し、蓄えることができます。特定の放射線によって励起された後、蓄積されたエネルギーが光の形で放出されます。この現象はフォトルミネッセンスと呼ばれます。放出される光の強度は、以前に蓄えられたエネルギーの総量に関係します。埋葬地周辺の環境が植物珪酸体に与える放射線条件を分析することで、研究者は植物珪酸体に蓄えられた年間エネルギー量を導き出すことができます。植物珪酸体の総エネルギーを年間線量で割ると、対応する埋没時間が得られます。

この研究では、遺跡の石英は優れた発光性能を持ち、同じ放射線量を吸収してもより多くの光信号を発することができるため、研究者は単一粒子または少数の石英粒子に対して正確な年代検査を行うことができることが示されています。研究者らは、単一粒子技術を用いて、混ざり合った異なる年代の石英粒子を区別することに成功し、地層の乱れによって引き起こされる問題を効果的に解決し、重要な地層の年代を正確に判定し、米の真の「年代」を測定した。

過去 10 万年にわたるさまざまなイネ種の植物珪酸体を使用して進化の順序を確立すると、イネの栽培化のプロセスをより深く理解するのに役立ちます。

小さな植物珪酸体には、これまで私たちが考えたこともなかったような、巨大な進化の物語が隠されています。今後、植物珪酸体に関する研究が深まるにつれ、きっと新たな驚きがもたらされるでしょう。