植物にはなぜトゲがあるのでしょうか？答えは青海チベット高原にある

植物界の「美しさ」には、しばしばある種の「害」が伴います。バラ、多肉植物、サボテン…これらのとげのある植物はすべて、動物や人間と「愛憎」の関係を維持しています。

植物にはなぜトゲがあるのでしょうか？とげが最初に現れたのはいつですか?どのように進化したのでしょうか?科学者たちはこれまで、こうした興味深い疑問について徹底的な研究を行ってこなかった。

ここ数年、中国科学院シーサンパンナ熱帯植物園（以下、「パンナ植物園」）古生態研究グループと中国科学院古脊椎動物学・古人類学研究所が共同で設立した青海・チベット高原古生物探検隊は、中央青海・チベット高原で、世界で最も多くのトゲのある植物の化石群を発見した。科学者たちはついに謎を解明し、とげのある植物の進化の歴史と原因の直接的な証拠を発見した。この研究結果は最近Nature Communications誌に掲載されました。

「無視された」化石の棘

古生物調査隊は2016年以来、毎年、中央青海・チベット高原のバンゴン湖・怒江縫合帯の新生代堆積盆地で古生物科学調査を実施しており、長年にわたり後期始新世（約3,900万年前）の植物の棘の化石を大量に蓄積してきた。

ルンポラ盆地とニマ盆地からは合計 44 個の棘化石標本が発見されています。形状、大きさ、成長パターンなどの特徴により、皮膚の棘と枝の棘に分けられ、合計7つの形態型があります。これは、世界で知られている最も多くの棘の形態を持つ化石植物グループでもあります。

中央青海・チベット高原の後期始新世（約 3900 万年前）の植物の棘の化石と現生の棘のある植物の 7 つの形態タイプ。画像提供：張新文

北米やヨーロッパの化石植物相の中にもトゲのある植物の化石の記録はいくつかあるが、その数は少なく、科学者はトゲのある植物だけを詳しく研究したことはない。青海・チベット高原で発見されたこの一群のトゲの化石は、西双版納植物園の研究室に持ち込まれたが、3年近く「放置」されていた。

「さまざまな形の棘の化石は多数存在しますが、詳細な特徴がないため、これらの化石を属、種、さらには科までさらに特定することはほぼ不可能です。」シーサンパンナ植物園の研究者で古植物学者の周澤坤氏でさえ、初めて見たときは役に立たないと感じたという。

2019年、これらの化石は西双版納植物園の古生態学研究グループの博士課程学生である張新文氏に引き渡された。分類情報の説明に加えて、彼女を悩ませたのは、棘の化石についてのまったく新しい科学的な物語をどうやって伝えるかということでした。

「生きているとげのある植物を見ると、それが生態系における重要な環境的意義を持つことが容易にわかります」と論文の筆頭著者である張新文氏は中国科学日報に語った。

彼女は、トゲは植物の特殊な器官であり、特殊な葉、茎、または表皮から生じる可能性があると説明した。とげの表面積は非常に小さいため、蒸散が抑えられ、比較的乾燥した環境に植物が適応しやすくなります。同時に、トゲは植物の防御構造でもあり、草食動物によるかじりの頻度を効果的に減らすことができます。したがって、とげのある植物の最も典型的な生息環境は熱帯サバンナです。

「我々は現生のトゲのある植物について十分に理解しており、古生物学は過去と現在を議論する学問なので、トゲの多さもこうした環境要因に関係しているのではないかと大胆に推測している。」張新文氏は、研究チームはトゲの生態学的意義から研究を始めることにしたと語った。

とげのある植物はなぜ爆発するのでしょうか?

これまでのところ、科学者は棘のある被子植物の最古の化石記録を発見していないが、分子系統解析の結果によると、棘のある被子植物は被子植物の爆発的な増加とともに棘のある植物が出現し始めた白亜紀後期に初めて出現した。

研究チームは今回の研究で、分子系統解析も組み合わせて、新生代におけるユーラシアのトゲ植物群の系統蓄積曲線を再構築した。結果は、とげのある植物が始新世以降急速に分化し始め、始新世後期以降は種の多様性がさらに飛躍的に増加したことを示しており、これは青海・チベット高原のこの一群のとげの化石の地質年代と一致している。

「これはまた、私たちの考えの一つを裏付けるものです。私たちが発見したトゲの化石の種類は非常に多様で、トゲのある植物が始新世後期以降急速に分化してきたことを意味します」と張新文氏は語った。

しかし、当時、トゲのある植物の多様性が急速に増加した原因はいったい何だったのでしょうか?それは生態環境に関係しているのでしょうか?

研究者らは、同じ層で、多数の有刺植物の化石を発見したほか、草本植物の化石も豊富に収集した。その数は合計315個で、同じ層の全植物標本の38％を占めた。また、同じ地層の層ごとの微化石分析も実施し、エラグロスティッシマ亜科の短い鞍形の植物珪酸体、スズメノカタビラ亜科の帽子形の植物珪酸体、タケ亜科の扇形の植物珪酸体など、草本植物が生成した多数の植物珪酸体を発見した。 「これらの草本植物が繁茂していたということは、当時の環境が閉鎖された森林ではなく、開けた生息地であったことを意味します」と張新文氏は説明した。

同じ層にある典型的な植物珪酸体と草本植物の化石。写真提供：張新文

研究チームは、この環境タイプに関する仮説をさらに検証するために、英国ブリストル大学の大気海洋循環モデルとトリフィドモデルも使用し、当時の古気候と古植生をシミュレートした。化石植物群の古環境復元結果と合わせて、古第三紀におけるテチス海の後退に伴い、バンゴン湖-怒江縫合帯に沿った中央渓谷は徐々に乾燥する傾向を示したことが証明されました。地球規模の気候寒冷化と相まって、この地域の植生は中期始新世（約4,700万年前）の閉鎖林から、背の高い木々、中程度の高さの低木、低い草本植物が生い茂る開けた森林地帯へと変化しました。

興味深いことに、研究者たちは青海・チベット高原とその周辺地域から採取された658の動物化石記録を調べた結果、当時の環境における大型草食哺乳類の多様性も増加し始めていたことを発見した。

「開けた森林地帯の存在により、大型草食哺乳類はより豊富な食料源を享受し、必然的に動物による植物への摂食圧力が高まり、その結果、青海チベット高原の中央渓谷の開けた森林地帯の植物の棘の進化が促進された。」張新文氏は、これがアフリカで起こった同様の変化よりも約2400万年早いことを強調した。

「この研究は、植物の機能的特徴の進化を理解する上で化石が重要であることを示しています。」張新文氏は、この研究によって、始新世後期の青海チベット高原中央渓谷の乾燥化と大型草食哺乳類の摂食圧が共同して、トゲの機能的形質の急速な進化を促したことが証明されたと述べた。また、地質学的歴史における青海・チベット高原の環境変化は、アジア、さらにはより広い地域の植物の多様性に大きな影響を与えただけでなく、その地域の植物の機能的特徴も形作ったことも示しています。

周澤坤氏は、この研究のハイライトは、大型化石、微化石、系統解析、モデルシミュレーションなど、複数の方法と手段を組み合わせたことにあると考えている。これは、古植物学、脊椎動物古生物学、古気候シミュレーション、分子生物学、生態学の相互統合の産物です。