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【科学ニュース】脊椎動物の陸への移行は、目の大型化が要因

米ノースウェスタン大学などによる新しい研究で、古代の水生脊椎動物が初めて陸に上がるという進化史上の事件を引き起こした要因は、手足(ヒレ)ではなく、目の力(視力)だったことが示された。ワニやトカゲに似た姿の動物が、水辺近くに捉えやすそうな食物を見つけたのが先で、手足が進化したのはその食物を確実に捉える能力を得るためだったと、研究チームは主張している。

ノースウェスタン大学の神経科学者マルコム・マッキーバー(Malcolm A. MacIver)氏とクレアモント・カレッジズの進化生物学・古生物学者ラース・シュミッツ(Lars Schmitz)氏は化石記録の調査から、目が3倍近いサイズに進化した時期が、水から陸へ移行した後ではなく、移行する前だったことを発見した。この3倍化は、目の位置が頭の側面から上面へ移動するのと同時に進行していた。大気を通して見る視野の拡大が、最終的には初期の陸生脊椎動物の脳の大型化を導き、また魚類のような単なる反射行動ではなく行動を計画する能力の発達につながったと考えられる。

「なぜわれわれ(人類の遠い祖先)は3億8500万年前に陸に上がってきたのか? この研究は、そこに視覚が何らかの関わりを持っているとする初の提案だ」と、ノースウェスタン大学マコーミック工学院の医用生体工学・機械工学教授であるマッキーバー氏は述べる。

「水中から陸上へ移行する直前の脊椎動物は、視覚能力が大幅に高まったことがわかった。われわれの仮説では、おそらくかれらは地上で繁殖するムカデやクモを未開拓の食物の宝庫として見て、それがヒレから四肢への進化を促したlとマッキーバー氏は説明する(無脊椎動物が陸上に進出したのは、脊椎動物より約5000万年早い)。

目の大型化は重要である。魚の場合、目が水面から上に出ると、水中の70倍の距離まで見えるとされている。目のサイズが3倍になれば、動物が視覚的に観察できる空間は計算上は100万倍にもなる。それが、完全に陸生化した動物が存在する数百万年前に起きていた。

「水中では動物の視覚の対象は目の前にあるものに限定されるので、目が大きくなってもあまりメリットがない」と、W.M.ケック科学部(クレアモント・マッケナ、スクリプス、ピッツァー、3カレッジの共同プログラム)で生物学助教を務めるシュミッツ氏は述べる。

「しかし、空気を通して見る場合には目が大きいことは非常に重要だ。進化においては、しばしばトレード・オフが起こる。目を大きくするために、代謝による代価を払う価値があったのか? ポイントはどこか? これについてわれわれは、ポイントは陸上で食物を見つけ出せることだったと考えている」。

その結果として目の大型化が選択されたが、ここで研究論文は目が大きくなっても水中では視野の微々たる拡大にしか繋がらなかったことを示す。実際にマッキーバー氏とシュミッツ氏は、陸に上がってから水中生活に戻った動物のグループ(クジラ類など)の目は、魚類で普通に見られるレベルの小さなサイズに戻っていたことを確認している。

空気に視野を移すことによって可能になった視覚能力の大幅な向上は、初期の陸生脊椎動物に、より複雑な認知能力を進化させたようだ。水の中で必要とされたような、一瞬の反応行動を強いられることもなくなった。そして進化は最終的に、将来について選択肢の軽重を計って戦略的に決定する力という人間の予測的認知能力へと繋がっていく。

マッキーバー氏とシュミッツ氏は、水から陸への移行前、移行途中、移行後の長い範囲にまたがる合計59個の化石標本を調べた。日中の透明な水か濁った水か、日中または夜間の水の上かなど、動物の視覚環境のコンピューター・シミュレーションを行い、目の大型化のメリットは、動物が水中でなく空気中で見るときに明らかになることを示した。

研究チームは化石ごとに眼窩と頭長を計測した結果から、目のサイズと体長を割り出した。そして、水から陸へ移行する前の眼窩サイズが平均13ミリメートルだったのに対し、移行時の近辺では平均サイズが36ミリメートルに達していることがわかった。

「眼窩サイズが3倍になるのに1200万年かかっている。これが進化の時間尺度なんだが、ちょっと驚くね」とマッキーバー氏は話す。

マッキーバー氏とシュミッツ氏は学際的なアプローチにより、かつて水生だった哺乳類の祖先が、長距離視力によって得られた陸上の豊富な食物という情報に従ったことを示すことができた。かれらを陸上へ引き上げたのは、手足ではなく目だった。

この研究結果は、Proceedings of the National Academy of Sciences(PNAS)誌に3月7日付で発表された。

【情報ソース】

PNAS - Massive increase in visual range preceded the origin of terrestrial vertebrates
http://www.pnas.org/content/early/2017/03/06/1615563114

Phys.org - Vision, not limbs, led fish onto land 385 million years ago
https://phys.org/news/2017-03-vision-limbs-fish-million-years.html

The Conversation - The eyes have it: how vision may have driven fishes onto land
http://theconversation.com/the-eyes-have-it-how-vision-may-have-driven-fishes-onto-land-73060

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