子どもたちがティラノサウルスを好むからといって、生物の進化の過程が誤解される可能性があります。

制作：中国科学普及協会

著者: Ye Shan (ウィスコンシン大学マディソン校、地球科学博士)

プロデューサー: 中国科学博覧会

恐竜は6600万年前に絶滅したが、映画や漫画、SF小説の影響で、世界中で「恐竜熱」が続いている。恐竜にはたくさんの種類があり、恐竜が好きな人なら誰でも自分好みの恐竜がいるはずです。アメリカとカナダの小中学生を対象にした大まかな調査によると、地元の子供たちに最も人気のある恐竜は凶暴なティラノサウルスだということが分かりました。

（写真提供：Veer Gallery）

でも、ご存知ですか？子どもたちのティラノサウルスの化石への愛情が、恐竜の多様性の変化に関する科学者の研究に影響を与えた可能性がある...

これを見ると、この記事は古生物学の問題について語っていると思うかもしれませんが、それはまったくの間違いです。実際、これは統計的な問題です。理由を説明しましょう。

古生物学研究における統計概念: サンプリングバイアス

古代生物の多様性を研究することは、生物進化のプロセスを理解するのに役立つため、古生物学者にとって重要な仕事です。

1860年、イギリスのジョン・フィリップスは「偉業」を成し遂げた。彼は当時世界で知られていた化石をすべてまとめ、それぞれの化石の年代情報と古生物学的な種を数え、顕生代全体（5億4100万年前から現在まで）における古生物学的多様性の変化を反映する曲線を描きました。

ジョン・フィリップス多様性曲線

（画像出典：著者自作）

彼は顕生代における生命の進化は順調ではなく、2つの大きな挫折を経験したことを発見した。これら 2 つの衰退により、顕生代の進化の歴史は 3 つの期間に分けられました。マンテル（恐竜を最初に発見した人物）の提案に基づいて、フィリップスは3つの段階を古生代、中生代、新生代と名付けました。

フィリップスの先駆的な研究に続いて、他の多くの人々も同様の試みを行ってきました。世界中で化石がどんどん発掘されるにつれて、この曲線はますます詳細になっていきます。 1984年、シカゴ大学のデイビッド・ラウプとジャック・セプコスキは、世界中の海洋化石データを集め、顕生代全体にわたる海洋生物多様性の曲線をより高い解像度で再描画しました。

ジャック・セプコスキ多様性曲線

（画像出典：著者自作）

セプコスキ氏はこの新しい曲線で、多様性の減少が顕著に現れた5つの時期を発見した。それはオルドビス紀後期、デボン紀後期、ペルム紀後期、三畳紀後期、白亜紀後期に起きた。これらが「5つの大量絶滅イベント」です。他の科学者もこの研究を検証し、同様の結果を得たため、5回の大量絶滅という概念は急速に広く受け入れられるようになりました。

しかし、地球科学の研究が深まるにつれ、新世代の科学者たちが徐々にいくつかの疑問を提起するようになった。それは、セプコスキ氏らの研究には統計的なサンプリングの偏りがあるかもしれない、というものだ。

嘘の統計を恐れていますか?

統計学は幅広い応用範囲を持つ学問です。自然科学の分野であろうと社会経済学の分野であろうと、学者は数字の背後に隠されたパターンを発見するために統計的手法を使用してデータを処理する必要があります。

しかし、統計は諸刃の剣です。それは物事の本質を理解するのに役立ちますが、大きな嘘をつくこともできます。マーク・トウェインはかつて冗談めかしてこう言った。「世の中には3種類の嘘がある。嘘、とんでもない嘘、そして統計だ。」注意していない限り、統計の結果に騙され、真実から遠ざかってしまいます。

（写真提供：Veer Gallery）

統計に関連する多くの嘘の中で、最も一般的なのはサンプリングバイアスです。サンプリング バイアスには、過剰一般化、健康な労働者バイアス、生存者バイアスなど、さまざまな種類があります。これらは主に、サンプル数が少ないことや、ランダムでないサンプリングによって発生します。

例えば、ビル・ゲイツが大学を卒業していないという事実を「勉強無用論」を推進する言い訳にする人がいますが、これは一つの例から一般化したものである。都市住民の身体的状態を研究したいという人がいて、研究対象として都市部の労働者を選ぶが、労働者の身体的状態が一般人のほとんどよりも良いことを考慮に入れておらず、「健康な労働者バイアス」が生じている。すでに出発した電車の切符の購入をカウントする人もいますが、切符を購入していない人は電車に乗ることができないため、これは「生存者バイアス」です。

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ハマグリ？古生物学もサンプリングバイアスに関係しているのでしょうか?

はい、古生物学研究にもサンプリングバイアスは存在します。ミルウォーキー博物館の古生物学者ピーター・シーハン氏は、さまざまな時代の化石の空間分布を分析した。彼は、ある地質時代に形成された堆積岩が大規模に地表に露出している場合、その時代の古代生物の化石を見つけやすくなることを発見した。

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これは実に理解しやすいです。化石はほとんどすべて堆積岩層から掘り出されます。ある時代の堆積岩が地表に露出していると、その時代の化石が発見されやすくなります。逆に、ある時代からの堆積岩が地表でまったく見つからない場合、最も熟練した古生物学者であってもその時代化石を発見することは困難でしょう。これは、地表の堆積岩の量が古生物学的化石の採取に影響を与えることを示しています。

では、異なる年代の表層堆積物の保存状態を決定するものは何でしょうか?最大の制御要因は時間です。

堆積岩の層が形成された後、どのような過程を経るか想像できますか?太陽、風、雨にさらされ、他の地質学的現象によっても損傷を受けたり利用されたりします。したがって、岩石層が古ければ古いほど、それが現在まで保存される可能性は低くなります。岩石層が破壊されると、内部の化石は灰となり、私たちにはもう知られなくなります。

典型的な例はアメリカ西部で起こります。白亜紀中期から後期にかけては気候が暑く、海面は現在よりもずっと高かった。当時、アメリカ西部は海水に浸かっており、内海が形成されていました。海の洪水により白亜紀初期の地層が侵食されました。アメリカ西部のコロラド州やワイオミング州などの地域では、白亜紀前期に形成された地層がすべて消滅しています。

白亜紀初期にはアメリカ西部の環境は良好で、恐竜にとって理想的な生息地でした。しかし、地層が不足しているため、現在これらの場所では白亜紀初期の恐竜の化石はほとんど発見されていません。多様性曲線から判断すると、この地域の恐竜の多様性は白亜紀初期に最低点に達した。アメリカ西部の恐竜は白亜紀初期に大量絶滅を経験したのでしょうか?いいえ、それは単にサンプリングの偏りによるものです。

サンプリングバイアスの影響はそれだけでは終わりません。地質学の創始者ニコラス・スターノが提唱した「重ね合わせの法則」によれば、新しく形成された地層は古い地層を覆うことになる。したがって、後の地質学的出来事の影響を考慮せずに、地層が古ければ古いほど、通常はより深く埋まっていることになります。地表に露出している堆積岩層に比べ、地中深くにある岩層にアクセスすることは困難です。地中深くに埋もれた堆積岩層はよく保存されているにもかかわらず、化石収集家にとって地下深くのこれらの岩層から化石を入手することは依然として非常に困難です。

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これらすべての状況を組み合わせると、化石が古ければ古いほど発見が難しくなることがわかります。これらは地質学上の歴史の中ではるか昔に破壊されたか、あるいは今では私たちが到達できない地下深くに埋もれています。したがって、地質時代が早ければ早いほど、生物多様性は過小評価される可能性があります。

化石の発掘に影響を与える要因は時間だけでなく、国境も関係します…

さらに、社会経済的要因も古生物学的化石の採取に影響を与えます。

はるか昔、気候に適した大きな森があり、そこには古代の多くの生き物が住んでいたと推測されます。彼らは死んだ後、森のさまざまな場所に埋もれ、その一部は化石になりました。

太陽は昇り、月は沈み、星は動きます。数千万年後、森林は消え去り、化石が豊富な地層だけが残った。偶然にも、この地層の真ん中に国境が通っています。国境の一方は先進国ですが、反対側の国は比較的貧しい国です。

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先進国の経済は好調で、ここで働く学者たちは大規模な現地調査を支える十分な科学研究資金を得ており、先進国の片側に分布する化石が次々と発見されている。科学者が地球規模の古生物多様性をプロットする際、先進国の化石が考慮される。

しかし、国境の反対側では状況は異なります。この国は比較的貧しく、現地調査を行う科学者を支援することができず、領土内の化石は未だに地中に埋もれており、いつか発見されるのを待っている可能性があります。太古の昔、ここは同じ森だったのですが、人間が地域を分けたため、地域によって化石の運命は大きく異なっていました。最近の研究によると、世界中の化石の採取率が先進国のレベルに達した場合、少なくとも64万個の新しい化石が発見されるだろうと示されています。科学的研究にとって、これは注目に値するサンプリングバイアスでもあります。

子どもたち: ティラノサウルスが大好きだよ～ 他の化石: 不公平だよ!

さて、記事の冒頭で触れた話題に戻りましょう。科学者が北米の恐竜の多様性曲線を復元したところ、恐竜の多様性は白亜紀のカンパニアン期（約8300万～7200万年前）にピークに達し、その後徐々に減少し、6600万年前の小惑星衝突で完全に絶滅したことがわかった。この曲線に基づいて、一部の科学者は、恐竜は白亜紀後期にゆっくりと絶滅したと考えています。彼らの生態系の連鎖は長い間不安定だったが、小惑星の衝突はまさに最後の一撃となり、ついに限界に達した。

しかし、別の科学者グループは、この曲線はサンプリングの偏りの影響を受けるため信頼できないと考えています。アメリカ人が西部の荒野に鉄道を建設したとき、多くの山を切り開いた。これらの山々の地層は、カンパニアン期に形成されたカンパニアン地層でした。鉄道建設により、以前は地中深くに埋もれていたカンパニアン期が地表に露出し、そこに含まれる化石の発見が容易になりました。これは他の地層の化石に対して不公平であり、サンプルの偏りにつながるでしょう。

（写真提供：Veer Gallery）

さらに、子どもたちはティラノサウルスの恐竜を最も愛しているため、世界中の博物館の学芸員は、より多くの若い観光客を引き付けるために、ティラノサウルスの化石の探索に集中する人を派遣しています。カンパニアン期には、アルバートサウルス、ダスプレトサウルス、ゴルゴノサウルス、デイノドンなどのティラノサウルスが生息していました。ティラノサウルスが最も多く生息していた時代であったため、発掘調査の焦点となりました。これらの地層は繰り返し調査されており、ティラノサウルスの化石が発掘された一方で、他の多くの恐竜の化石も発掘されており、これもサンプルの偏りにつながっています。

したがって、これらの科学者は、カンパニアン期の多様性曲線のピークとその後の緩やかな減少は、サンプリングの偏りによって引き起こされた単なる「誤ったシグナル」であると考えています。これは、白亜紀末期に恐竜の多様性が長期的に減少したことを示唆するものではない。

結論

上記の例は、古生物学の研究のいたるところにサンプリングバイアスの罠があることを私たちに思い出させます。この分野の科学者は、この点について常に警戒し、統計ツールを使用する際には慎重に考え、十分に検討する必要があります。そうしないと、統計の表面的な結果に「騙される」ことになります。

参考文献:

【1】Chiarenza, A.、et al. (2019)「生態学的ニッチモデリングは、大量絶滅前の気候に起因する恐竜の多様性の減少を裏付けていない。」ネイチャーコミュニケーションズ

【2】Raja, N.、et al. （2022）「植民地の歴史と世界経済は、長い歴史を持つ生物多様性に対する私たちの理解を歪めています。」自然生態学と進化

【3】Ye, S. と SE Peters. (2023)「顕生代化石発生に関する基盤岩地質図予測」古生物学

編集者：孫晨宇

(注: ラテン語のテキストは斜体にする必要があります。)