なぜほとんどの生物は「対称的」なのでしょうか?

今日、地球上の生物多様性は非常に豊かであり、生物学的景観は色彩豊かです。しかし、ほとんどの生物は左右対称の形をしており、人間も典型的な左右対称の動物であることに気づいていますか。

動物界には、脊椎動物ではライオンやトラ、ゾウなどの大型哺乳類、無脊椎動物ではワニやヘビなどの爬虫類、カエルやヒキガエルなどの両生類、また無脊椎動物ではアサリやハマグリなどの軟体動物、昆虫やムカデなどの節足動物に至るまで、左右対称の形をした動物がたくさんいます。

左右対称の蝶。著作権画像、転載禁止

これの何がそんなに奇妙なのかと疑問に思うかもしれません。生物界はこんな感じです！実際、これが現代の生物学的モデリングの主流の姿です。

しかし、現代の生物界にも、非対称形の腹足類（一般にカタツムリとして知られている）、五放射対称形のヒトデ、不規則なアメーバなど、他の形態の生物が存在します。

五放射対称のヒトデ。著作権画像、転載禁止

興味深いことに、地球上の生命の長い進化の歴史の中で、左右対称の生物が万華鏡のように出現したのは、5億4100万年前のカンブリア紀になってからでした。

最も古い左右対称の生物の化石記録は5億8000万年前にまで遡ることができますが、後期原生代エディアカラ紀の多細胞生物は、私たちがよく知っている左右対称の形態的特徴ではなく、主に放射状対称でした。

では、放射状対称性と左右対称性の間にはどのような進化的関係があるのでしょうか?生物進化の歴史においてそれらはどのような役割を果たしてきたのでしょうか。また、それら自身の機能や環境とどのような関係があるのでしょうか。

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生物にはどんな形態があるのか​​見てみましょう。

一般的に言えば、地球上の生命の長い歴史の中で、生物学的モデリングの歴史的進化は、非対称性または不安定性から放射状対称性、そして左右対称性への形態学的変化を経験してきました。

生物の形態の変化は、その体と構造の発達と密接に関係しています。特に、地球環境と生物進化が大きな転換期を迎えたとき、生物の形態は革命的な変化を示し、それは生物進化の大きな進展を表し、生物の放散進化に大きな影響を与えました。

人生は非対称から始まる

生命の歴史上最も古い生物は、原始的で小さく、非対称または非対称の形状をしていました。アメーバなど、人間がよく知る単細胞生物は、不規則で不定形な形をしており、いつでも変形することができます。海綿動物や刺胞動物の一部の種など、原始的な多細胞動物にも不規則な形質があります。多くの生物個体が集団を形成すると、非対称な形態が生まれることが多い。

スポンジ動物。画像出典: wikipedia

放射状対称性

放射対称性は、球面放射対称性と軸放射対称性に分けられます。

球面放射対称性は等尺対称性であり、らせん虫やほとんどの放散虫のように、中心を通り体を無限または有限の同一の半分に分割することができます。彼らは主に水中に浮遊して生活しており、上下左右に同じ環境が保たれています。中心から表面までの違いを除いて、これらの動物には一方向への特徴的な減少率はありません。

軸放射対称性は、カイガラムシ、スズメバチ、海綿動物、刺胞動物などのように、固定された主軸を介して体を2つの等しい半分に分割する一軸異極対称性であり、固定または浮遊生活に適応しています。形態の軸放射対称性は、生物界の主流が軸放射対称性であった後期原生代エディアカラ紀にまで遡ることができます。

球状の放射状放散虫（羅慧提供）

5億7500万年前から5億4100万年前に遡るエディアカラ生物群には、三放射状、四放射状、五放射状、六放射状だけでなく八放射状も含め、軸方向に放射状に対称な化石が数多く存在します。放射状に広がる渦巻き状の腕や壁は、まっすぐなだけでなく、オーストラリアや我が国の翁安生物群で発見された 8 本の腕を持つエンゼルワームの化石のように、湾曲していることもあります。

顕生代カンブリア紀以降、軸放射対称性は非主流の形態となったが、新たに出現した棘皮動物において二次軸放射対称性の形で再出現した。ご存知のとおり、ヒトデは5 つの放射状対称性を持つ海洋棘皮動物です。

色彩豊かな左右対称のフォルム

左右対称とは、動物の体の中心軸を通る対称面（または断面）によって、動物の体が左右に等しい2つの部分に分割されることを意味します。そのため、左右対称は左右対称とも呼ばれます。扁形動物の出現以来、左右対称の形状が出現した。この生物は、左右対称の形態を特徴とし、這って移動する生活に適応しています。

左右対称とは、動物の動きが不規則なものからある程度制御されたものに変わることを意味し、動物は前後や左右を区別でき、移動中に明確な方向性と前進の傾向があることを意味します。これは神経と脳の形成に非常に有益です。

左右相称動物はさまざまな環境に適応することができ、水中と陸上の両方で生活することができます。したがって、左右対称性は動物が水生から陸生へと進化するための重要な条件であり、動物の進化の重要な特徴です。

左右相称動物は、6億年前に翁安生物群に初めて出現しました。有名なバネ虫は初期の左右対称の動物の代表例ですが、カンブリア紀以前は、左右対称の形態は生物界において極めて稀でした。放射状対称の生物と比較すると、左右対称の生物はより進化しているように見えました。これらはカンブリア紀に放射状対称の生物に完全に取って代わり、顕生代以来最も有利な形態となり、生物界を支配しました。

バネ虫は最も古い左右対称の動物です。画像クレジット: Bottjer

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形態進化の歴史は生命進化の歴史である

カンブリア爆発は地球上の生命の歴史における重要な画期的な出来事です。それは生物の種分化に最も強い影響を及ぼしただけでなく、最も顕著な生物の可塑性ももたらしました。現在地球上に存在する 38 の動物門は、主に左右対称の形や外観を持つ生物であり、そのすべてはカンブリア紀初期の生命の爆発的な増加に由来しています。左右対称の生物が多数出現したことは、カンブリア爆発における非常に重要かつ意義深い進化現象であることは間違いありません。

カンブリア爆発の左右対称の生物パターンは、魚類型の左右対称、節足動物型の左右対称、貝殻型の左右対称など、多様化の傾向を見せています。代表的な動物としては、海口魚、アノマロカリス、三葉虫、ハマグリなどが挙げられます。古生代後期、中生代、新生代にかけて、両生類、爬虫類、鳥類、哺乳類に左右対称のパターンが次々と現れました。

左右対称の三葉虫。画像提供：中国科学院南京地質古生物学研究所

非常に多くの動物門が左右対称を特徴とする形態を形成し、その門の枠組みの中で綱、目、科、属、種などの異なるレベルの生物学的形態において、さまざまな形態変化が起こり、最終的に今日の地球の豊かで多彩な生物学的景観を形成してきました。

もちろん、生物界では代替手段が不足したことは一度もありません。腹足類の非対称な螺旋形状は独特であり、カンブリア爆発の間に新たに出現した棘皮動物は、二次放射状対称性を備えたこの古代の形態の新たな栄光を再現しました。これらの独特な生物学的形態は、科学者が生物学的カテゴリーを研究し、生物学的分類を確立するための重要な基礎となっています。

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放射状対称と左右対称のどちらが良いでしょうか？

放射対称性は、多くの点で左右対称性と異なります。

①対称軸の数が異なる

放射対称には複数の対称軸がありますが、左右対称には対称軸が 1 つしかありません。たとえば、ヒトデには 5 つの放射軸がありますが、蝶には対称軸 (中心軸) が 1 つしかありません。

② さまざまな動物の形

放射状に対称な形状で上下の違いのみがあり、左右の区別はありません。左右対称の動物には、前後、左右、背腹の違いがあります。

③運動能力の違い

放射状対称の動物は運動能力が弱いですが、左右対称の動物は運動能力が強く、外部環境により迅速かつ正確に反応することができます。

④進化の異なるレベル

放射状対称性から左右対称性への進化があり、左右対称性は放射状対称性よりも進んでいます。放射状対称性は、海綿動物や刺胞動物に代表される対称性の原始的な形態です。動物は扁形動物から始まり、左右対称の体構造を発達させ始めました。

⑤さまざまな環境に適応する

放射状に対称的な動物は、固定または浮遊する生活に適応しており、左右対称性は動物の頭部の形成を促進し、より複雑で変化する環境に適応できるようにします。

これらの違いを読めば、どちらの対称性の方が強力かがわかります。

ヒトデの化石。著作権画像、転載禁止

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生物の形態はなぜ進化するのでしょうか?

地球上の生物進化の過程において、生物の形態は生物体の関連構造の変化に適応し、関連しています。放射状対称形と左右対称形の動物は、それぞれ地質学上のさまざまな段階で優位に立っており、それらが合わさって、今日の地球の生物圏における新たな多様性の繁栄を生み出しています。

1) 生物形態の変化は生物の胚葉系と密接に関係している

単細胞動物には胚葉の概念がありません。ボルボックスでさえ細胞は一層しかありません。真の多細胞動物は分化した胚葉を持っており、 3 つの胚葉の出現は動物の進化において大きな意義を持っています。

3 つの胚葉すべてからの組織を含む典型的な腫瘍である奇形腫の顕微鏡写真。この画像は、中胚葉（未熟な軟骨 - 画像左上）、内胚葉（胃腸腺 - 画像中央下）、および外胚葉（表皮 - 画像右側）に由来する組織を示しています。画像出典: wikipedia

先カンブリア時代末期に絶滅した「スズキ科」の動物に加えて、一般的な放射状対称の動物としては、海綿動物、刺胞動物、および既知の動物門に分類できない絶滅動物がありました。これらはすべて多細胞動物ですが、外胚葉と内胚葉のみが発達しており、中胚葉がないため、真皮、体腔膜、腸間膜などを形成できません。そのため、現代の動物が持つ口や骨はなく、通常の動物が持つ運動、摂食、消化などの機能器官がありません。そのため、放射状対称性を持つ動物は、一般的に固定した底生生活または浮遊生活を送ります。

エディアカラ生物群のほとんどは放射状対称性に基づいています。この形態学的システムにより、生物の栄養は主に体表面と海水との接触、および浸透による栄養素の吸収に依存していることが分かります。すると、興味深い光景が浮かび上がりました。より多くの浸透圧栄養素を得るために、エディアカラ生物群の動物は体表面積を拡大し続け、管や扇のようなさまざまな奇妙な形を形成したのです。体表面積が過度に拡大したことが絶滅につながる要因の一つとなった。

エディアカラ生物群。イラスト：ヤン・ディンホア

左右相称動物は三生殖システムを持ち、代表的な動物としては扁形動物、環形動物、軟体動物、節足動物、棘皮動物、半索動物などがある。特に脊椎動物は、動物の体内のさまざまな組織や器官の形成と発達に必要な物質的基礎を提供する高度な三胚葉系を持っています。

胚葉組織から発達した筋肉系は運動機能を強化し、動物と環境との接触を複雑化することで、感覚器官や神経系の発達を促進し、動物の刺激に対する反応や採餌効率を向上させます。

効率的な採餌は動物の栄養を増大させ、新陳代謝を促進し、排泄機能を強化し、それが今度は「全身に影響」を及ぼし、動物の形態的構造の大きな分化につながります。

同時に、中胚葉は再生能力を持つだけでなく、水分や栄養分を蓄えることもできるため、動物の干ばつや飢餓に対する適応力が大幅に向上し、動物が水生生活から脱却して陸上環境に進出するために必要な物質的条件を提供します。

中胚葉の出現により動物の三胚葉系が完成し、その後、前口動物と後口動物という2つの動物の系統が生まれました。後口動物は進化の主線であり、カンブリア爆発における最も重要な進化の原動力を表しています。私たち人間は脊椎動物の一種として、原始的な後口動物から徐々に進化してきました。

前口動物。画像出典: wikipedia

後口動物。画像出典: wikipedia

2) 生物形態の劇的な変化の進化的意義

地球上の生命が誕生してから約40億年の間に、世界は大きく変化し、自然環境の変化に合わせて生物も常に適応しながら進化を続けてきました。生物形態学の革新は、生物進化における画期的な進歩と一連の発展を表しています。これらは環境に対する主要な適応反応であり、地質学的歴史が一定の発展段階に達した結果生じたものであり、生物進化が新たな発展段階に入ったことを示しています。

エディアカラ紀は地球環境が大きく変化した転換期でした。大気中の酸素含有量は二度目に急激に上昇し、ロディニア超大陸は依然として崩壊し続けてた。大規模な湧昇により、多量のリンなどの微量元素がもたらされ、浅海生物の繁栄に豊富な栄養が供給されました。生物界もまた、動物の夜明け前夜を告げる大きな進歩を育んでいる。翁安生物群で発見された胚化石の90％以上は、生命が重大な局面を迎えていることを示している。このような地質学的環境の中で、放射状対称の生物が繁栄しました。

しかし、エディアカラ生物群の進化が行き詰まりに陥ると、新しいタイプの生物群が出現し続けました。カンブリア紀になると、生物界における生存競争は激化し、動物たちはますます広い生活空間を切り開いていきました。生物界は相互に連結した食物連鎖を形成しただけでなく、生態空間の拡大においても継続的な進歩を遂げてきました。

カンブリア紀には、新たな環境と新たな競争に適応するために、主に左右対称の形状を持つ生物が多数出現しました。それ以来、硬い骨格を持つ左右対称の後生動物は現在までの進化の主力となり、最終的には今日の生物界で最も影響力があり、広く分布し、多様な生物学的特徴を形成しました。

生物のさまざまな対称的な形。画像出典: wikipedia

ご存知のように、この素​​晴らしい自然は数学を学ぶことも大好きで、対称性という数学的概念を非常によく習得しています。それは異なる生物に異なる形態を与えます。対称性は自然なことのように思えますが、そこには生物進化における重要な節点が含まれています。

制作 |科学普及中国

著者: 馮衛民（中国科学院南京地質古生物学研究所）

プロデューサー｜中国科学博覧会

提出者: 中国科学院コンピュータ情報ネットワークセンター