私たちが食べるときに使う歯は、昔は魚の鱗だったのかもしれません。

制作：中国科学普及協会

著者: シャン・シェンレン・ガイ・ジークン (中国科学院古脊椎動物学・古人類学研究所)

プロデューサー: 中国科学博覧会

毎年9月20日は「歯を大切にする日」で、歯の健康に注意を払うよう呼びかける日です。

知っていましたか？歯の出現は脊椎動物の進化の歴史における最も大きな進歩の一つです。

歯がなければ人生がどれだけ脆弱になるか想像するのは難しいです。歯は、顎を持つ脊椎動物の体の中で最も硬い器官であり、最初に出現して以来、数十億年にわたる進化を通じて保存されてきました。では、歯はどこから来るのでしょうか?

この質問に答える前に、まず歯について再理解しましょう。

あなたは本当に歯のことを知っていますか？

私たちが通常歯と呼んでいるものは、顎の骨の上に成長する一種の硬い石灰化した組織です。歯は主に3つの基本構造から構成されています。最も内側は歯の神経と血管を含む歯髄腔で、中間は象牙質の層です。象牙質は白く明るいエナメル質の層で覆われており、非常に硬く、歯を保護する役割を果たしています。

歯の構造

(画像出典: Sparks)

この定義によれば、歯は脊椎動物に特有の器官ですが、すべての脊椎動物が歯を持っているわけではありません。たとえば、現代の鳥には歯がありません。

重量を減らして飛行に適応するために、鳥の歯は進化の過程で退化しました。

さらに、より原始的な無顎脊椎動​​物の中には、本物の歯を持たないものもいます。例えば、ヤツメウナギの歯は口の中に生えていて見た目は怖いですが、実は爪と同じ成分のケラチン質の歯です。

ヤツメウナギのケラチン歯は真の歯ではない（画像出典：文献[8]）

世界初の歯

サメから人間まで、現代の脊椎動物はすべて、非常に整然とした対称的な歯と、顎の内側から新しい歯が生え、外側に移動して古い歯と置き換わる同じ歯の生え変わりのパターンを持っています。

しかし、硬骨魚類（ワニ、恐竜、翼竜、犬、人間などを含む陸生脊椎動物のグループ）の歯と、サメに代表される軟骨魚類の歯にはいくつかの違いがあります。たとえば、すべての硬骨魚類では歯は必ず顎骨に付着していますが、サメには骨がありません。彼らの骨格はすべて軟骨でできており、体の鱗や口の中の歯は皮膚に直接埋め込まれています。さらに、硬骨魚類は歯の根元を溶かして歯を失いますが、サメは摩耗した歯を皮膚から脱落させることで歯を新しくします。

魚類の骨歯と軟骨歯の類似点と相違点は、歯の起源について多くの疑問を提起します。たとえば、このような整然とした歯の交換システムはいつ進化したのでしょうか。サメと硬骨魚類：どちらの歯の付着状態がより原始的でしょうか？

これまで研究者らは、4億3000万年前から3億6000万年前に生息していた節足動物のグループに注目していた。なぜなら、節足動物は、硬骨魚類や軟骨魚類の出現以前に歯を持っていた唯一の魚類として知られていたからだ。

節足動物の代表的なものは、デボン紀の海の覇者、ダンクルオステウスです。ダンクルオステウスは、恐ろしく大きな口と、巨大で鋭い皿のような歯を持っています。

デボン紀の海の覇者、ダンクルオステウス（写真提供：スウェーデン国立自然史博物館のジクン・ガイ撮影）

しかし、節足動物の歯の位置や歯が追加される方法は硬骨魚類やサメとは非常に異なるため、科学者にとって、それがどのようにして現代の脊椎動物の歯に進化したかを理解するのは困難だった。

実際、節足動物には本物の歯はありません。上顎と下顎の歯は実際には頭蓋骨の延長であり、本物の歯とはまったく異なります。

その後、スウェーデンのウプサラ大学の科学者たちは、節足動物よりも原始的な初期の装甲魚類である棘胸類の化石に注目した。

科学者たちは、欧州シンクロトロン放射施設（ESRF）の強力なX線画像化技術を使用して、20世紀後半にチェコ共和国で発見された4億900万年前の棘のある胸を持つ魚類の化石の高解像度3D画像化を行った。

4億900万年前、熱帯のサンゴ礁で餌を探して巨大なオウムガイの殻に隠れているトゲのある魚（画像提供：ヤン・ソヴァク）

スキャンの結果は衝撃的でした。この化石には予想外に歯列がよく保存されており、古代の歯の象牙質内には細胞空間さえもそのまま残っていた。

歯の成長パターンに関して言えば、トゲのある胸の魚の歯は骨に付着しており、新しい歯は顎の内側に現れ、古い歯は顎の端に位置しており、これは現代人の歯のパターンと驚くほど類似している。

トゲのある胸の魚の顎の中の歯（画像出典：文献[6]）

これは、歯の付着方法に関して、硬骨魚類とその陸生脊椎動物の子孫は祖​​先の特徴を保持しているのに対し、サメの歯は皮膚に付着した状態が特殊化していることを示しています。これは、サメに代表される軟骨魚類が人類の祖先ではなく、魚類から人類への進化の連鎖における側枝であることをさらに証明しています。

全ての顎脊椎動物の中で最も原始的なグループであるトゲのある魚の歯の成長パターンは、現代人のものと驚くほど類似しており、最初の顎脊椎動物が出現した時点で、人間の歯の成長パターンがすでに確立されていたことを示しています。

2022年9月、『ネイチャー』誌は、中国科学院古脊椎動物学・古人類学研究所の朱敏院士のチームが貴州省石遷市のシルル紀栄渓層で発見した4億3900万年前の有顎化石の堆積層に関する表紙記事を掲載した。

研究チームは、野生から採取された約4トンの魚類の微化石サンプルから23の顎歯標本を選んだ。高精度CT、3次元復元、組織切片作成などの技術的手段により、これらの歯は4億3900万年前のディプロドクス属のものであったことが発見されました。

ディプロドケルス・スフェノドン（写真提供：西テクノロジー）

この発見により、歯の化石記録は1400万年前に遡り、これまでに発見された「世界初の歯」となった。

歯の起源に関する2つの仮説

歯が出現したおおよその時期がわかったところで、歯はどのようにして誕生し、現在のような形になったのでしょうか。

現在、歯の起源については学界で「内外」仮説と「外内」仮説という 2 つの仮説が提唱されています。

人間の歯の起源に関する「外から内」と「内から外」の仮説（画像提供：Zhikun Gai および Min Zhu）

「インサイドアウト」仮説では、歯は咽頭から徐々に口腔内に入ってくると考えられています。この仮説は主に、コノドントとも呼ばれる絶滅したコノドントのグループに基づいています。

コノドントは5億年前のカンブリア紀初期に出現し、約2億年前の三畳紀後期に絶滅した。このウナギのような生物には内部骨格も外骨格もなく、喉にある硬い歯のような棘を除いてほぼ全体が柔らかい。そのため、この棘はコノドントの咽頭歯であると考えられている。

コノドントとコノドント (画像クレジット: Zhikun Gai と Min Zhu)

コノドントを構成する物質は現代の歯の象牙質やエナメル質に非常によく似ており、かつては相同構造であると考えられていました。そのため、コノドントの咽頭にあるコノドント棘が最も古い歯であるという仮説が長年唱えられてきました。

真正コノドント（左）と肉鰭綱（右）の歯の組織学的比較（画像提供：Zhikun Gai および Min Zhu）

顎の起源とともに、これらの咽頭歯のコノドント棘は外側に広がり、顎に付着して最終的に歯を形成しました。これは歯の起源に関する「内側から外側へ」の仮説です。

「外から内へ」仮説は、顎を持つ哺乳類の歯は古代の魚の鱗から進化し、古代の魚の鱗が口の中に入り、顎の起源とともに歯になったとしている。

この仮説は主にサメの鱗にヒントを得たものです。サメの歯と鱗の基本的な構成構造は驚くほど似ているからです。

サメの鱗は滑らかに見えますが、触ると他の魚の鱗よりもざらざらとした感触です。これは、サメの皮膚の表面が、歯のように硬くて鋭く、サメの皮膚上に規則的に配列した皮歯で完全に覆われているためです。

ネコザメとその盾状の鱗。サメの皮膚は、同じ方向に並んだ歯のような歯状突起で覆われており、泳ぐときにサメの抵抗を減らすのに役立ちます（写真提供：スミソニアン）

サメの鱗は歯と同様に、歯髄腔、象牙質、エナメル質の 3 層の基本構造をしています (そうです、人間の歯の構造と非常によく似ています)。一見無関係に見えるこれら 2 つの器官は、基本的な組織構造が非常に似ています。ウロコは顎に歯が生えていない歯であるとも言え、これは間違いなく歯とウロコが同じように発達する可能性が高いことを示唆しています。

サメの皮膚の断面（上）、鱗の基本構造（右下）、走査型電子顕微鏡で見た盾の鱗（左下）（画像出典：文献[5]）

これに基づいて、科学者たちは、原始的な魚の口の周りの鱗の一部が狩りをするのに役立っていたのではないかと推測している。顎の起源とともに、これらの鱗は進化の過程で保持され、徐々に口の中に移動し、顎に付着し、最終的にすべての顎脊椎動物の歯へと進化しました。これは歯の起源に関する「外から内へ」の仮説です。

では、どの仮説が正しいのでしょうか?

2013年、ネイチャー誌は英国ブリストル大学のフィリップ・ドナヒュー教授のチームの研究結果を報じた。彼らは、当時最先端のX線断層撮影顕微鏡とシンクロトロン放射技術を使用して、コノドントの内部構造と組成を明らかにしました。

研究により、後期型のコノドントは現生動物の歯と同様に、つまり象牙質の上のエナメル質を覆うように成長したが、最も原始的なコノドントにはエナメル質のような層が全くなかったことが判明した。

これは、後期コノドントの基本構造は現代の歯とまったく区別がつかないものの、それらはまったく同じものではなく、独立した進化の結果であることを意味します。

コノドントと顎歯の相同性が否定されたことにより、それらの相同性に基づく「裏返し」仮説は根拠を失った。

私たちの歯は本当に古代の魚の鱗から進化したのでしょうか？

魚の鱗か歯か？

「内側から外側へ」の仮説は疑問視されてきたが、ゼブラフィッシュなどの種に関する科学者の研究により、魚の鱗と歯は魚の胚の中で明らかに異なる細胞塊から発達することが示され、歯が魚の鱗から進化したとする「外側から内側へ」の仮説に冷水が注がれた。

歯と魚の鱗の関係をさらに明らかにするために、ケンブリッジ大学の研究者らは、サメとエイに研究の焦点を当てた。なぜなら、これらは4億年前に分化した軟骨魚類というかなり古い系統を代表するからである。

研究者たちは、蛍光マーカーを使ってサメの胚の細胞発達を追跡し、サメの鱗と歯が実際には神経堤細胞と呼ばれる同じ種類の細胞から発生していることを発見した。

これは、これらの原始的な魚の鱗と歯が同じ胚起源を持ち、それらの間に深い相同性があることを示しています。

では、もし歯が本当に鱗から徐々に進化したのであれば、鱗が徐々に歯に移行したことを示す化石証拠はあるのでしょうか?

上で述べたトゲのある胸の魚に戻りましょう。科学者たちは、現代の顎魚類に類似した歯列と歯の置換パターンを発見したほか、顎の近くに歯のような歯ユニットも発見した。これらの歯ユニットは形が歯とほぼ同じであるだけでなく、顎に近い歯ユニットが徐々に歯へと変化しました。

これは、歯が皮膚上の歯単位から進化した可能性が高いことを示唆しています。

実際、これらの歯の単位は、口の縁にある歯のようなパターンまたは変形した尖った鱗であり、歯の起源に関する「外から内へ」の仮説を裏付ける強力な化石証拠となります。

トゲムシ科魚類の顎付近の歯ユニット（画像出典：文献[6]）

結論

歯の進化の歴史を読んだ後、次のような疑問が湧いてくるでしょうか。「人間はどこから来て、最終的にはどこへ行くのでしょうか?」進化の出発点は常に興味深いものです。歯が古代の魚の鱗から生まれたのなら、その鱗はどこから来たのでしょうか?おそらく将来、科学者たちはこの謎を解き明かし、「人間はどこから来たのか？」という疑問に対する理解を深めることになるだろう。

参考文献:

【1】García-López, S. および Sanz-López, J. 2002. ベルネスガ渓谷セクション（カンタブリア地域、北西スペイン）のデボン紀から下部石炭紀のコノドント生層序。 García-López S. および Bastida F. (編)、スペイン北部の古生代のコノドント。第8回国際コノドントシンポジウムがヨーロッパで開催されました。出版物 del Instituto Geológico y Minero de España (シリーズ: Cuadernos del Museo Geominero, 1)、マドリード: 163-205。

【2】クー・ビン、ワン・ジン、パン・チャオ、ジョウ・シャオホイ、パン・ランラン。 （2011年）。サメ皮のような表面微細構造材料の作製に関する研究。大連海洋大学誌、26(2)、3。

【3】スパークス、KJ 2013.ブリタニカ百科事典。百科事典©Œdia Britannica, Incorporated。

【4】蓋志坤、朱敏2018年。無顎魚類の進化の歴史と中国の化石記録。上海科学技術出版社。

【5】De Iuliis G.、Pulerà D.. 2007. 脊椎動物の解剖。学術出版物。

【6】Vaškaninová V、Chen D、Tafforeau P、他2020. 顎脊椎動物の祖先状態としての辺縁歯列と複数の皮膚顎骨。サイエンス、369(6500):211-216.

【7】 Qu Q、Haitina T、Zhu M、他。 2015年。新たなゲノムデータと化石データによりエナメル質の起源が明らかに。ネイチャー、526(7571):108-111.

【8】Potter IC, Gill HS, Renaud CB, et al. 2015年。分類学、

ヤツメウナギの系統発生と分布[M]//Docker M F. ヤツメウナギ：生物学、保全および管理：第1巻。ドルドレヒト：Springer Netherlands：35—73。