魚を食べるとき、私たちは先祖を食べているのでしょうか？

一流ジャーナル、特に自然科学分野で高い評価を得ている『Nature』や『Science』などのジャーナルに学術論文を掲載することは、多くの研究者の夢です。

2022年9月29日、中国科学院古脊椎動物学・古人類学研究所の朱敏院士チームによる古代魚類に関する学術論文が雑誌「ネイチャー」に掲載されただけでなく、表紙記事としても掲載された。表紙記事として掲載されただけでなく、一気に4本の記事が掲載されました！これらの研究結果の重要性は明らかです。

Nature の表紙には、新たに発見されたシルル紀の古代魚類 5 種の 3D 芸術的復元図が掲載されています。グラフィック：Heming Zhang

「魚から人間へ」「空白を埋める」という言葉がニュース報道で何度も登場したせいか、この基礎科学研究は幸運にも注目を集め、複数のメディアで話題となり、「釣りは厳密に言えば先祖返りの現象だ」「私が塩漬けの魚なのも当然だ！」といった興味深いミームも生み出した。

科学研究チームの一員として、私もこの成果について多くの関心と好奇心を寄せられています。大変光栄に思います。今日はまず、インターネット上で皆さんが興味を持っているいくつかの質問に答え、その後、皆さんの質問を組み合わせて、専門知識を必要とせずにこの成果を理解する方法についてお話ししたいと思います。さあ、一緒に「メロンを食べよう」！

01

興味深い質問への回答

まずはコメント欄で高評価だった質問をいくつか集めて、私なりの解釈で答えてみました。

聞く

魚を食べるとき、私たちは先祖を食べているのでしょうか？

答え

答えはもちろんノーです。人間と現生魚類との関係は、4億年前に別れた遠い親戚の関係に似ています。遠い過去のある時点では、私たちには共通の祖先がいたに違いありませんが、人間と現生魚類はまったく異なる道を選び、今日まで別々に進化してきました。私たちが日常的に食べている魚との「相対的な関係」はすでに非常に薄いのです。 「世代」という点では同世代といっても過言ではありません。

聞く

なぜ古生物学者は道路脇で研究しているという話がニュースでよく取り上げられるのでしょうか?思っていたのと違う！

答え

第一に、もちろん利便性です。現代のフィールドワークでは、一般的に車両が主な輸送手段として使用されます。道路を運転しながら地層を素早く「スキャン」することは、多くの地質学者にとって一般的なスキルです。第二に、地質学の世界には「溝があれば必ず断層がある」という古い格言があります。これは、一般的に水平に堆積する地層は深い溝の中では必ず断層ができて、断層が発生しやすいことを意味します。この記述は実際の作業では正しくないかもしれませんが、断面の存在により地層の研究が容易になります。古生物学者が建設現場や道路など、岩石層が露出している場所によく現れるのはそのためです。

聞く

今回発見された5匹の魚の他に、何か化石は発掘されましたか？

答え

今回発表された5つの新種のほかにも、同時期に発見され選別・研究の段階にある新魚種が10種以上ある。近い将来、中国南部から脊椎動物の進化の歴史の空白をさらに埋める研究成果がさらに出てくると信じています。

02

なぜこの研究は「ギャップを埋める」研究と呼ばれるのでしょうか?

約 200 年前、地質学者ロデリック・マーチソンは、ウェールズとイングランドの国境に位置する一連の岩層をシルル紀と名付けました。彼はこの地層で、顎、棘、鱗を含む魚類の化石の破片を発見した。彼はこれを「同種の中では最古」であり、その上の地層で発見された他の化石とは「完全に異なる」ものだと考えた。

地質学者ロデリック・マーチソン、画像出典: Wikipedia

地質学の発展に伴い、シルル紀の地層にはほとんど見られない魚類の化石と、その上にある「魚類の時代」として知られるデボン紀の地層に豊富に存在する魚類の化石の量に大きな差があることが次第に明らかになった。シルル紀の化石の少なさは、古生物学者が追求する生命進化の地図に大きな空白を残している。これにより、多くの人々が進化論に疑問を抱くようになりました。

現代の古生物学者は一般的に、脊椎動物の進化は約5億3900万年から5億2000万年前のカンブリア爆発にまで遡ることができると考えています。私たち人間を含め、地球上の脊椎動物の 99.8% は顎（上顎と下顎）を持っており、総称して顎脊椎動物または顎口動物と呼ばれています。人間の臓器や体の構造の多くは、顎を持つ哺乳類の出現の始まりまで遡ることができます。

しかし、これまで、顎のある脊椎動物の初期の進化に関する完全な化石証拠は欠如していた。科学者たちは分子時計などの分子生物学的手法を用いて現生の顎脊椎動物の遺伝的差異を測定し、顎脊椎動物の分化の分岐点は後期オルドビス紀（約4億5000万年前）まで遡らないと結論付けた。しかし、前述したように、シルル紀の顎脊椎動物は世界中で極めて稀であり、完全な化石はさらに少ない。

状況が大きく改善されたのは2009年になってからでした。この改善は主に、中国科学院古脊椎動物学・古人類学研究所が中国南部で実施した長期にわたる現地調査と、小湘動物群におけるシルル紀後期（約4億2500万年前）の化石の大量発見によるものである。

今回の4つの学術論文は、重慶と貴州省の境界から発見された一連の新しい化石標本を報告することに焦点を当てており、これまで曖昧だったこの時代を明確にし、顎脊椎動物の起源をより深く古い地層に押し上げるとともに、いくつかの象徴的な特徴がどのように進化したかを明らかにしている。

したがって、報告書に書かれている「重要な空白を埋める」という記述は、正確には、シルル紀初期の有顎類化石の記録全体における「古生物学史上の頑固な大きな空白」を埋めることであり、有顎類の出現と最初期の放散分化に関する決定的な証拠を初めて提供するものである。

03

4つの論文の研究テーマ

これらは4億年以上前に生息していた5種の古代魚です。

前述のように、4つの学術論文は重慶と貴州省の境界から発見された一連の新たな化石標本、正確には4億年以上前の古代魚類の化石5点について報告した。

このコレクションに掲載されている種のリスト、参考文献[1]からの写真

まず最初に紹介するのは、貴州省石前市に生息する Qianodus duplicis です。この種は歯列に一対の主歯列列があることからその名が付けられました。

千歯魚類の歯輪は 1 つしか保存されていないが、その明確に配列されたジグザグ形の一方向に成長する主歯ユニットとずらされた側歯ユニットは、ニベなどの顎のない魚類の重なり合った咽頭歯とは明らかに異なり、この魚類が間違いなく顎のある魚類であることを示しています。

ヘリコプリオンといえば、生物学やゲームのサブカルチャーをよく勉強する学生の多くは、まず人気のヘリコプリオンサメを思い浮かべるかもしれません。系統解析により、千歯魚類は確かに軟骨魚類の基底的位置にあることが判明しました。同じく渦巻き歯を持つヘリコプリオンなどの種とより密接な進化的関係があるかどうかについては、さらなる研究が必要です。千歯魚の発見により、顎を持つ魚類の歯の化石の記録は歴史上最古のものとなり、1400万年遡った。

キアントゥース魚類の歯の渦巻き化石には、整然としたジグザグ模様で成長している主歯ユニット（オレンジと緑）と側歯ユニット（黄色）の 2 列がはっきりと示されています。スケールバーは0.5mmです。画像は参考文献[2]より

千歯魚類の孤立標本とは異なり、新たに発見されたFanjingshania renovataには、鱗、眼窩周囲骨、不完全な鰓骨、胸棘、前胸棘、腹棘、背棘、臀棘、中間棘など、数千の断片標本が含まれています。研究者らは、綿密かつ長期にわたる予備処理と顕微鏡作業を通じて、ゴマ粒よりも小さい数万個の微化石から、共通の組織学的特徴、表面パターン、発達特性、および部分的な関連保存に基づいて、梵景山魚類に属する標本を収集し、分類した。

研究チームによる微化石の処理。 A: 採取した岩石標本は洗浄して浸す必要があります。 B: 予備処理後に得られた断片を顕微鏡で分類します。画像は参考文献[3]より

ファンジンシャン魚は、板状の象牙質という組織学的特徴を有しており、これは以前は初期の軟骨魚類にのみ見られていた特徴である。さらに、ファンジンシャン魚は肩甲帯や中間棘などの象徴的な解剖学的特徴を発達させています。系統解析の結果によると、梵景山魚は軟骨魚類アカンサス科グリセラプス属に属します。この発見により、グリセセラファスの最古の出現時期はシルル紀のランドーベ期にまで遡り、最古のサメの形態学的構造も明らかになった。

さらに、梵景山魚の完全かつ成熟した体構造は、間接的に、硬骨魚類の幹群がシルル紀前期に出現したはずであることを示しており、これは軟骨魚類と硬骨魚類の形態的分化の時期と一致している。

研究チームは、共通の組織学的特徴と表面パターンの特徴に基づいて、梵景山魚の体のさまざまな部分を特定しました。スケールバーは1mmです。画像は参考文献[4]より

前述のように、シルル紀の脊椎動物の化石の保存状態の悪さによって生じたギャップは、研究者が乗り越えなければならない険しい山であり、重慶秀山県の「重慶特異埋蔵化石貯蔵庫」の発見は、私たちにとって近道を見つけることに等しい。

重慶市の東部は、南中国大陸の端にある大陸棚に位置しています。シルル紀初期には、「長江古海」として知られる温暖な沿岸浅海環境でした。ここは、数多くの魚類や節足動物が生息し、繁殖する生物たちの楽園でした。 4億3600万年前までは、活発なプレート運動によって地震が頻繁に発生し、かき混ぜられた泥や砂がすぐにラグーンや川などの小さな水域を埋め尽くして覆っていました。もがき苦しんだ魚は数億年後に生き生きとした化石に変わった。急速に埋もれ、保存状態の良いこの化石埋蔵地は、研究者によって「特別埋蔵地」と呼ばれています。皆さんも聞いたことがある有名な「澄江生物群」やその他の科学研究の成果が豊富な化石堆積層は、すべて特異な埋葬地です。この集中レポートには、新たに発見された「宝の山」から生まれた 2 つの学術論文も含まれています。

「重慶特異埋没化石鉱床」で発見された多数の化石は、動物相の繁栄を反映しています。 A: シェンイトヨ（1a、1b）とシウシャニクティス（2a、2b） B: 保存された多数の魚類の化石。 C、D: ヒューミレリア・ワンギの化石。スケールバーは5mmです。画像は参考文献[5]より

研究者たちは長い間、軟骨魚類は硬骨魚類よりも原始的で脊椎動物の進化の原型に近いと考えており、硬骨魚類と装甲魚類はどちらも何らかの軟骨魚類から生まれたものだと信じてきました。しかし、近年の研究でも多くの異論が提起されており、 Shenacanthus vermiformisの発見によりこの論争は完全に解決されました。

シェンイトヨは、典型的な軟骨魚類であるイトヨに似た解剖学的特徴を持つだけでなく、板皮類に特有の肩甲帯と背中を覆う大きな骨板も持っています。この直感に反する発見は、過去1世紀にわたる生命の進化の樹形図に対する人々の印象を完全に書き換えるものであり、軟骨魚類の祖先は硬い装甲を持つ装甲魚類から進化したことを意味する。

シェンイトヨは典型的なイトヨの体構造をしているが、肩甲帯と背中に巨大な骨板が発達しており、これは板皮類の祖先につながる特徴である。スケールバーは5mmです。画像は参考文献[5]より

同じ報告書に掲載されている奇跡の秀山魚（Xiushanosteus mirabilis）は、板皮類の初期の進化についてより深い理解を与えてくれます。

板皮類といえば、ほとんどの人がまず思い浮かべるのは、シウシャニクティスの約 2,000 万年後に生息していたダンクルオステウスです。ダンクルオステウスに代表される板皮類がデボン紀に多数の個体を擁する大科を生み出したのは事実だが、板皮類の起源は未だ厚いベールに包まれている。

復元されたダンクルオステウスと人間の大きさの比較。画像出典: Wikipedia

年代的に見ると、Xiushanichthys は間違いなくデボン紀の板皮類よりも原始的ですが、解剖学的には、Xiushanichthys はいくつかの異なる板皮類グループの特徴が混ざり合っており、現在知られているどの板皮類グループにも分類できません。秀山魚類とデボン紀の板皮類の特徴を図に列挙すると、それらの共通部分には必然的に、より原始的な板皮類、さらには顎魚類の原始的な特徴も含まれることになる。したがって、顎脊椎動物の起源を暗闇の中で模索する私たちにとって、秀山魚の発見は間違いなく灯火となる。その光は遠くの景色を照らすことはできませんが、足元の道を照らすには十分です。

秀山魚類は、これまでに発見された最古の完全な装甲魚類の化石であり、顎魚類の原始的な特徴を多く備えています。スケールバーは5mmです。画像は参考文献[5]より

上に挙げた系統学への貢献が少々わかりにくいように思えるとしても、同じく「重慶特別埋蔵化石保管庫」から発見された鮮やかなトゥチャ族の魚（Tujiaaspis vividus）は、より具体的な科学的疑問を提起しています。それは、「私たちの手足はどこから来たのか？」ということです。

これまで登場したいくつかの顎を持つ主役とは異なり、トゥチャ魚を含む装甲魚は顎のない脊椎動物であり、顎の構造を持っていません。装甲魚は装甲魚類に属し、完全かつ巨大な頭部装甲が特徴です。また、土着色が強いグループでもあり、主に中国南部、ベトナムなど世界各地に生息しています。

名前が示すように、科学者が発見した装甲魚類の化石の大部分は、頭部が固く保存しやすいのに対し、胴体の柔らかい部分は非常に珍しい。機敏なトゥチャ魚は、その独特の埋葬形成メカニズムのおかげで、完全な体躯が保存された世界初の装甲魚類の化石です。

多くの科学愛好家は、陸生生物の四肢が肉鰭類の対鰭（胸鰭と尻鰭）に由来していることを知っていますが、魚類の対鰭はどこから来たのでしょうか？

近年の分子生物学や発生学の研究により、奇数鰭（背びれ）と対鰭は同じ遺伝子調節機構を持つことがわかり、対鰭の起源は奇数鰭と似ており、どちらも体を貫くひだから進化したという仮説が徐々に固まってきています。これが「フィンフォールド理論」です。

トゥチャ魚の腹部には、体全体を貫く一対の腹鰭のひだを発見した。これは間違いなく、学術界で長らく議論されてきた四肢の起源に関する「鰭ひだ理論」の重要な証拠となる。研究チームはさらに流体力学を用いて分析した。計算流体力学により、特徴的な分化した一対のひれがない場合でも、ひれのひだは水の流れを利用して揚力を生み出し、自身の重力を相殺できることが示されました。この発見は、機能的メカニズムの観点から、脊椎動物の一対の付属肢の起源に関する新たな仮説を提唱した。

また、無顎類に属しているにもかかわらず、装甲魚類に代表される装甲魚類は、現生の無顎魚類（ヌタウナギやヤツメウナギなど）よりも有顎魚類と進化の過程において近縁であり、現生の無顎魚類が装甲魚類の進化上の子孫であるというわけではないことに留意すべきである。

トゥチャ魚は、体の一部が保存された珍しい装甲魚の化石です。体中に走るしわは、科学者に付属肢の起源を探る明確な証拠を提供します。スケールバーは4mmです。画像は参考文献[6]より

最後に、ミシガン大学のマット・フリードマン教授による、ネイチャー誌の今週号の論評を引用して、この記事を締めくくらせていただきたいと思います。「理論の発展とタイムラインの改善の両方の点で、初期の有顎動物の進化研究の刺激的な新時代が到来し、私たちはその出発点にいるのです。」

参考文献:

[1] 化石が顎を持つ脊椎動物の深いルーツを明らかにするhttps://www.nature.com/articles/d41586-022-02973-5【2】

[2] Andreev、PS、Sansom、IJ、Li、Q 他。最も古い顎口類の歯。ネイチャー609、964–968（2022）。 https://doi.org/10.1038/s41586-022-05166-2

[3] 曲靖師範大学自然史文化研究センター。 https://www.qjnu.edu.cn/

[4] Andreev、PS、Sansom、IJ、Li、Q 他。中国南部のシルル紀前期に生息した有棘軟骨魚類。ネイチャー609、969–974（2022）。 https://doi.org/10.1038/s41586-022-05233-8

[5] Zhu、Ya.、Li、Q.、Lu、J. 他。中国シルル紀初期に発見された最古の完全な顎脊椎動物。ネイチャー609、954–958（2022）。 https://doi.org/10.1038/s41586-022-05136-8

[6] Gai、Z.、Li、Q.、Ferrón、HG 他。ガレアスピッドの解剖学と脊椎動物の一対の付属肢の起源。ネイチャー609、959–963（2022）。 https://doi.org/10.1038/s41586-022-04897-6

制作 |科学普及中国

著者: 羅燕超、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

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

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