世界で初めて能動的な音を発する動物はどれでしょうか?生命が鳴き始めるとき

著者: グローバルサイエンス

私たちは地球が動物の鳴き声で満ちているという事実に慣れていますが、地球の歴史のほとんどの間、風、雨、波などの音しかなく、動物が出す活発な音はなかったというのは興味深い事実です。

最も古い生命は 37 億年前に誕生しましたが、初期の生命は微生物の形をしていました。多細胞軟体動物がかなり後になってから出現したとはいえ、クラゲに音を出すように命じるのは明らかに無理だ。

動物が基本的な発声行動を持つようになったのは、カンブリア爆発後の約 5 億年前になってからでしたが、それは手足と環境との摩擦によって発せられる音に過ぎませんでした。節足動物の足が砂の上をこする音や、頭足動物が殻から頭を出してこする音のようです。これには約 4 億年前に出現した最古の昆虫も含まれますが、おそらく音を出すことも聞くこともできなかったでしょう。一方、陸上の動物が出す音は基本的に存在しません。ブンブンという音を立てる昆虫が現れ、まったく新しい音響の世界が生まれるまでには、さらに2億年かかりました。

昆虫の鼓膜

実際、知られている最古の昆虫は4億年前にまで遡ることができますが、その昆虫は音を出さないだけでなく、耳も聞こえない可能性が高いです。音を出すことができた最古の昆虫を追跡するために、南京地質古生物学研究所の科学者たちは世界中のコレクションにある多数の昆虫化石標本を研究し、キリギリスと呼ばれる直翅目の昆虫にすべての注意を集中しました。

キリギリス類は、キリギリスやセミとも呼ばれ、前羽の摩擦によって音を発し、前足の鼓膜で音信号を受信します。キリギリスは中生代に大量に繁殖したため、動物の音響の進化を研究するのに理想的な生物です。

科学者たちは広範な研究に基づいて、キリギリスの化石の主要な形態学的特徴のデータベースを確立し、中生代のキリギリスの鳴き声の頻度を体系的に再構築しました。 2022年に発表された論文では、2億4000万年前の中期三畳紀にはキリギリスは12kHz～16kHzの高周波音を出すことができたのではないかと推測されている。これは動物界全体で高周波音に関する最古の記録でもあります。キリギリスは中生代に非常に繁栄しました。彼らは朝早くから晩まで歌い続ける、疲れを知らない「歌手」のようでした。絶え間ない鳴き声の中で、彼らは縄張りを主張し、親戚や友人を探し、配偶者に求愛し、繁殖します。

さらに、最も古いセミの化石もこの時代に遡ることができます。これらの昆虫は、腹部の太鼓のような構造にある鼓膜を急速に緊張させたり緩めたりすることで、特に大きな音を出すことができます。昆虫の化石の中には、音を出す構造がそのまま保存されているものもあり、研究者は当時昆虫が「歌っていた」歌を再現することができる。

ブンブンという音を立てる昆虫の最も初期の例にとって、音を発したり聞いたりできることは多くの利点がありました。彼らは音を通じて遠くまでコミュニケーションをとることができるため、近くにいる捕食者の音を聞き取ることもでき、さらには交尾相手になりそうな相手の音を真似て獲物を誘い込むこともできます。音はまた、配偶者を引き付ける新しい方法を提供し、どの生物が最も大きな音を出せるかという新しい生物学的闘争を引き起こした。

昆虫がブンブンと鳴き始めたのとほぼ同じ頃、脊椎動物も数種類の音を出す実験を始めました。

恐竜の喉

昆虫がキーキーと鳴き始めたのとほぼ同じ頃、脊椎動物も音を出すための非常に重要な構造を進化させました。それは、今日でも使われている喉頭です。

実際のところ、喉頭がどのようにして最初に出現したのかを正確に知ることは困難です。喉頭は軟骨でできていますが、軟骨は通常化石として保存するのが難しいからです。しかし、いくつかの研究では、喉頭は陸生脊椎動物と同時期、つまり約3億年前に出現した可能性があると示唆されている。

中生代までに、脊椎動物はさまざまな発声能力を持つようになりました。現時点で最も派手な発声テクニックを持つ動物のグループを選ぶとしたら、それは恐竜でしょう。

中生代の恐竜は、それぞれが独特の発声能力を持つ、多種多様なグループに進化しました。たとえば、パラサウロロフスはハドロサウルス科に属する草食恐竜です。彼らの頭には大きな王冠が載っています。 1981年、古生物学者のデイビッド・ワイシャムは、その鶏冠がトランペットのように真空に満たされ、呼吸器官とつながっていることを発見し、その鶏冠は実際にはパラサウロロフスの発する音を増強できる共鳴室であると信じた。 （これが実際のヘッドキャビティ共鳴です）

他の研究者たちは、多くの恐竜の頭蓋骨は固いものではなく、複雑な穴が多数開いていることを発見した。彼らは、そのような頭蓋骨を通って流れる空気が恐竜の体温を調節しただけでなく、恐竜がさまざまな音を出すことも可能にしたと主張している。

もちろん、恐竜について語るときには、ジュラシック・パークのような映画やテレビ番組について触れなければなりません。これらの映画やテレビ番組では、恐竜と非常に力強い咆哮が組み合わされていることが多いです（あ——）。しかし、これは私たちが発見した化石証拠と一致しません。

これまでに発見された化石証拠に基づくと、ティラノサウルス・レックスなどの獣脚類恐竜の鳴き声は哺乳類よりも鳥類の鳴き声に似ている可能性があると示唆する研究もある。つまり、ティラノサウルス・レックスは実際には「泣いた」のではなく「吠えた」のです。

しかし、ティラノサウルス・レックスが巨大なガチョウのようにクワクワと鳴いたり、巨大なスズメのように鳴いたりしたわけではありません。ここでの「さえずり」は生体力学的な観点からのものです。その音は、胸の奥深くの振動から始まり、口を閉じた状態で鼻から出てくる、ブーンという音に似ています。

それから、長い首と巨大な体を持つ竜脚類という大きな恐竜もいました。いくつかの映画では、ブラキオサウルスやディプロドクスが象のような鳴き声を出すように描かれていますが、実際にはほとんど音を出さず、せいぜいシューという音しか出せないかもしれません。ここに問題があります。カエルから人間まで、私たち四足動物はすべて喉頭を使って音を出しますが、これには反回神経による制御が必要です。この神経は奇妙な経路をたどります。首を下り、胸を回り、そして首を上って喉頭に戻ります。つまり、発声のための神経信号は首の長さの2倍の距離を伝わる必要があるのです。

私たち人間にとって、首の長さが2倍になることは大したことではありません。しかし、この経路では、首が数メートルもあるブラキオサウルスにとって深刻な信号遅延が発生することを想像してみてください。このような遅延にもかかわらず、鳥がどのようにして声帯を操作して素早く動かし、さえずりや轟音などの複雑な音を出すことができるのかを私たちには想像しにくい。

鳥の鳴管

ある種の恐竜は非常に独特な発声器官を進化させました。それが鳥類です。外見には明らかな違いがあるものの、鳥類は竜盤類や獣脚類の恐竜から進化しました。鳥が機敏な生物に進化し、空を飛ぶようになると、鳥の独特の鳴き声は鳥の非常にユニークなシンボルになりました。

鳥類の発声器官は爬虫類や哺乳類のものとは全く異なります。鳥は鳴管を使って美しい歌声を奏でます。鳴管は鳥類の気管と気管支の接合部にあり、人間のような形をした呼吸器の分岐部に配置されています。通常、鳴管は気管壁の一部（つまり鳴管）と中間部分にある半月膜で構成されています。さらに、気管壁の外側には発声筋があり、気管の動きを制御できます。

空気が鳴管を通過すると、鳴管と半月膜が振動し、音が発生します。鳴管筋は、鳴管と気管支の開口部の緊張を変化させることによってのみ、音の詳細を調整することができます。鳥の発声プロセスには、音の生成と共鳴が関与していると言えます。ガスは鳴管を通って流れ、鳴管が振動して音を出します。その後、鳴管は鳴管筋の調節下でさまざまな種類の倍音を生成します。

注目すべきは、鳴管が気管の分岐点に位置していることです。この構造により、左右の鳴管筋が比較的独立して振動を制御できるようになります。そのため、鳴鳥の中には、息を吐くときと吸うときにさえずり音を出すことができるだけでなく、左右で独立して、または協調してさえずり音を出すことができる種もいます。このアプローチにより、鳴鳥が発することができる音が大幅に広がります。

この洗練された構造がどのように進化したかは、科学的にも非常に興味深い疑問です。

進化の歴史を理解するために、最も重要な研究材料は化石証拠であることはわかっています。一般的に言えば、比較的硬い骨や貝殻だけが時の試練に耐え、化石として保存される可能性が高いです。そのため、科学者たちは長い間、鳴管などの軟組織は化石として保存するのが難しく、その進化の過程を説明するのが難しいと考えていました。

しかし、2016年に科学者が高解像度の断層撮影技術を使用して化石を分析したとき、すべてが変わりました。この化石は南極大陸の南極半島東のベガ島で発見された。そのため、科学者たちはそれをベガ鳥と名付けました。ベガオルニスは、白亜紀後期に相当する6600万年から6800万年前に生息していた。この化石が最初に発見されたとき、科学者たちはすでに修復作業を行っており、それが今日のガチョウに非常によく似た飛ぶ鳥であることを発見したが、今日のガチョウの直接の祖先ではない可能性がある。

2016年に実施された高解像度の断層撮影スキャンで、科学者たちは予想外に、ベガ鳥の気管と気管支の接合部が著しく拡大し、気管支軟骨の間に大きな隙間ができていることを発見した。この特徴は、今日の鳴管と非常によく似ています。これは、当時のベガ鳥がすでに音を出すことができる鳴管を進化させていたことを示唆しているとも言える。さらに研究を進めると、ベガは現代のガチョウやアヒルに似た鳴き声を出すことができた可能性があることが示唆されている。優しく感動的というわけではないですが、新たな楽しさも加わります。

1億5000万年前に鳥類が初めて出現してから、6800万年前に知られている最古の鳴管まで、鳥類は非常に興味深い旅をしてきました。喉頭はすでに発声器官であるため、彼らはさらに別の方法を見つけ、喉頭の別の場所に新しい発声器官を再進化させました。これは進化の歴史において珍しいことです。現在でも鳥類には喉頭がありますが、いくつかの種を除いて、喉頭を使って音を出す鳥はほとんどいません。

当時、翼竜も空の生態学的地位を占めていましたが、この生物は実際には鳥ではなく、鳴き方も鳥とは異なっていたことは特筆に値します。

エコーロケーションの出現

発声と聴覚は、単なるコミュニケーション以上の機能を果たすように進化してきました。コウモリやクジラなどの動物には、音を使って物を「見る」能力、つまりエコーロケーションがあることは、誰もが知っています。エコーロケーションが完成するには、多くの器官と生理学的構造の進化が必要です。

エコーロケーションによって見える物体の解像度は、発せられる音の波長に反比例します。コウモリが音を使って小さな昆虫などの標的を検知したい場合、非常に短い波長、つまりより高い周波数の音を発する必要があります。

比較すると、人間の聴覚の上限は約 20,000 Hz ですが、コウモリが喉頭と舌を使って発する音の周波数は 15,000 Hz から 200,000 Hz の範囲になります。私たちが聞く高音のキーキーという音は、コウモリの場合、低音域でのみ聞こえる音です。

同様に、コウモリは超音波の反響を聞くために大きな内耳構造を進化させました。人間の蝸牛は10セント硬貨よりも小さいですが、バットの蝸牛は（同じ大きさに拡大した場合）ゴルフボールほどの大きさになります。

エコーロケーションは水中環境でも使用できます。また、水中では空気中よりも音の減衰がはるかに少ないため、水中でのエコーロケーションでは空気中よりも遠くにある物体を見ることができます。空中のコウモリが 50 ～ 90 メートル離れた場所にある大きな物体に遭遇した場合、その物体の位置を特定できない可能性があります。小さな昆虫であれば、距離はさらに近いはずです。しかし、イルカの中には、エコーロケーションを使って最大200メートル離れた物体を識別できるものもいる。

水中環境は音を可能な限り遠くまで伝達するのに適しており、この点では巨大な水生動物が自然の利点を持っています。例えば、巨大なヒゲクジラは長さ約60センチの喉頭を持ち、人間には聞こえない極めて低い周波数の音を出すことができます。ヒゲクジラの中には、数百キロ、あるいは数千キロ離れたところからでも鳴き声が聞こえる種もいます。

残念なことに、海での人間の活動は時々騒音を発生しすぎることがあります。海に生息する多くの生物は、音を発したり聞いたりすることでコミュニケーションをとったり、獲物を追跡したり、交尾相手を見つけたりしています。しかし、人間が発する騒音は、これらの海洋生物が発する音を簡単に覆い隠し、彼らの生存に深刻な影響を与えます。

人間の言語の出現

初期の哺乳類の音が世界中に広まり始めてから約2億3000万年後、発声は人間の言語の進化において新たな役割を果たし始めました。発声の構造上の前提条件には、急速に適応できる喉頭と、喉頭と舌の密接なつながりが含まれます。これらの構造は、少なくとも私たち自身の起源、つまり初期のホモにまで遡ることができます。これは、280 万年前にはすでに、私たち人類の祖先が何らかの形の言語を持っていた可能性があることを意味します。

しかし、最も古い人類の言語がいつどこで発生したかは、依然として議論の余地のある問題です。言語には、音を発することができる構造だけでなく、記号やイメージなどのツールを使って世界を理解する能力、つまり象徴的思考が人間には必要です。ほとんどのモデルは、約180万年前に登場したホモ・エレクトスが、記号を使用した最初の人類の祖先であったことを示唆している。しかし、複雑な文法や統語法の規則を備えた完全に形成された人間の言語は、ホモ・サピエンスに特有のものである可能性があり、それは人間の言語の起源が数十万年前にまでしか遡れないことを意味している。

人間は強力な言語を持っているだけでなく、それを教え、学び、記録する能力も独特です。さらに興味深いのは、人間が声のイントネーションの変化に慣れるにつれて、歌が進化してきたように見えることです。この形式は、この世界の音響環境をさらに豊かにするだけでなく、人間が感情を表現したり、グループの結束を強めたりすることもできます。原始的な部族では、多くの重要な活動に独特の歌や踊りが伴います。現代においても、歌うことは人間社会において最も重要な文化活動の一つです。

人間の言語は生物が進化させた最も影響力のある特性の一つであると言えます。私たちの社会集団と社会文明は言語に基づいて形成されます。言語を通じて、私たちは農業からスペースシャトルに至るまでの技術を共同で開発し、発明することができ、それ自体が現代のサウンドスケープに貢献してきました。人間の声は最も古い動物の鳴き声ではなく、最も大きくも最も優しいものでもないが、ある意味では世界を最も大きく変えてきた。

この記事は、科学普及中国星空プロジェクトの支援を受けた作品です。

チーム/著者名: Global Science

査読者: 朱有安 中国科学院古脊椎動物学・古人類学研究所 古脊椎動物学（古代魚類）准研究員

制作：中国科学技術協会科学普及部

制作：中国科学技術出版有限公司、北京中科星河文化メディア有限公司