私たちは鳥について大いに間違っていました

約 6,500 万年前、巨大な小惑星が地球に衝突しました。有名なティラノサウルス レックスなどの陸生恐竜が絶滅する一方で、多くの鳥類が繁栄し始めました。地球上には 10,000 種を超える鳥類が存在することを考えると、繁栄という言葉では言い表せないかもしれません。鳥類の系統樹をきちんと整理するのは、非常に困難な作業です。なぜなら、種が非常に多く、その進化がやや不明瞭だからです。しかし、ゲノム配列と分析の進歩により、地球に生息していた恐竜がどのように進化したかがより明確に描き出され始めています。

4月1日に米国科学アカデミー紀要（PNAS）とネイチャー誌に発表された2つの研究で、科学者らは、約6500万年前の遺伝的出来事が、鳥類の進化の真の歴史について誤った認識をもたらしたことを明らかにした。1本の染色体の一部が、本来あるべきように近くのDNAと混ざり合っていないのだ。この部分は鳥類ゲノムのほんの一部に過ぎないが、科学者らがより詳細な鳥類の系図を構築するのを困難にするのに十分だった。

粘着性のあるDNAの塊

2014年、ゲノム研究に使用されるコンピューター技術の進歩により、科学者は新鳥類の系統樹を組み立てることができました。このグループには、ほとんどの鳥類が含まれます。48種のゲノムを使用して、科学者は新鳥類を2つの主要なカテゴリに分けました。ハトとフラミンゴは1つのグループに属し、他のすべての鳥類は別のグループに属しました。

この新しい研究のために 363 種の鳥類を使って同様の遺伝子分析を繰り返したところ、研究チームは異なる家系図が浮かび上がったのを確認した。この家系図は 4 つの主要なグループを示しており、フラミンゴとハトはより遠い関係にあること、そしてすべてが染色体の特定の場所に戻ることを明らかにしている。

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研究チームは、この 2 つの家系図のうち、どちらが正しいのかを説明できるものを探しました。研究チームは、ゲノム上の 1 箇所で、遺伝子が何百万年にもわたる有性生殖で本来混ざり合うべき状態に達していないことを発見しました。

「個々の遺伝子とそれがどの木を支えているかを調べたところ、突然、古い木を支える遺伝子がすべて一箇所に集中していることが判明した」と、 PNASに掲載された研究論文の共著者でフロリダ大学の生物学者エドワード・ブラウン氏は声明で述べた。「それが全ての始まりだった」

鳥は父親と母親の遺伝子を次の世代に組み合わせますが、精子と卵子を作るときに、まず両親から受け継いだ遺伝子を混ぜます。このプロセスは組み換えと呼ばれ、人間でも起こります。組み換えにより、兄弟姉妹がまったく同じにならないようにすることで、種の遺伝的多様性が最大限に高まります。

1 本の染色体の 1 つのセクションが、本来あるべきように近くの DNA と混ざらず、基本的に何百万年もの間、時間の中で凍りついていました。この染色体のセクションは鳥類ゲノムのわずか 2% を占めるだけですが、ほとんどの鳥類が Passerera と Columbea の 2 つの主要なカテゴリに分類できると科学者を納得させるには十分でした。この新しい、より正確な家系図は、鳥類ゲノムのその誤解を招くセクションを考慮し、4 つの主要な鳥類グループを特定しています。

研究チームはまた、鳥類の染色体上のこの部分が恐竜が絶滅した頃から組換えの過程を抑制してきたという証拠も発見した。恐竜を絶滅させた白亜紀-第三紀の絶滅とこれらのゲノム異常が関連しているかどうかは明らかではない。

この遺伝子抑制の結果、フラミンゴとハトは、この 1 つの粘着性のある DNA の塊では互いに似ているように見えましたが、ゲノム全体を見ると、2 つのグループは実際にはより遠い関係にあります。フラミンゴとハトは、遺伝的に遠い関係にあると考えられるようになりました。研究チームによると、このような行き詰まった遺伝の謎は、他の生物のゲノムにも潜んでいる可能性があります。

より良い鳥の系図を作る

ネイチャー誌に掲載された研究は、363種の鳥類、つまり全鳥類科の約92パーセントの間の9,300万年にわたる進化関係を詳細に記した複雑な図表を詳述している。この最新の家系図は、白亜紀から第三紀にかけての絶滅後の鳥類の進化史のパターンを明らかにした。

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研究者たちは、初期の鳥類の有効個体数、置換率、相対的な脳の大きさが急激に増加したことに気づいた。これらの進化的変化は、地球を変えたこの絶滅イベントの余波で鳥類の種の多様化を促した適応メカニズムに新たな光を当てている。

これを実現するために、研究チームは ASTRAL と呼ばれる一連のコンピューター アルゴリズムの力を活用しました。このプログラムは、進化関係を迅速かつ正確に推測するのに役立ち、研究チームは鳥類ゲノムの 60,000 を超える領域からゲノム データを統合できます。次に、ゲノム全体の個々のセグメントの進化の歴史を調べ、複数の遺伝子ツリーをつなぎ合わせて、より大きな種のツリーを構築しました。

「何万もの遺伝子を分析に加えるという私たちの手法は、鳥類の種間の進化的関係を解明するのに実際に必要だったことがわかった」と、研究の共著者でカリフォルニア大学サンディエゴ校のコンピューターエンジニアであるシアバシュ・ミララブ氏は声明で述べた。「6500万年から6700万年前の特定の期間に何が起こったかを高い信頼性で再現するには、すべてのゲノムデータが必要なのだ」

これらの計算手法は、何百万年もの間変化せず、科学者がこれらの変化を研究することを困難にしていた、鳥類ゲノム内の1つの染色体の同じ特定のセクションを研究チームが解明するのにも役立ちました。

「驚くべきことは、この抑制された組換え期間が分析を誤らせる可能性があることです」とブラウン氏は言う。「そして、分析を誤らせる可能性があるにもかかわらず、実際には6000万年以上先の未来でも検出可能だったのです。そこがすごいところです。」

今後の研究では、同様のコンピュータ モデルがさまざまな他の動物の進化の樹形図の再構築に役立つ可能性があります。研究チームは、鳥の進化のより完全な図を作成するための取り組みを継続したいと考えています。生物学者はまた、家系図をさらに拡大するために、他の鳥類のゲノムの配列を引き続き解読しています。

この研究は、約10,500種の現生鳥類のゲノム配列草案を作成することを目標とした複数機関による取り組みである国際的な鳥類10,000ゲノム（B10K）プロジェクトの一部です。