哺乳類の耳には恒温動物である秘密が隠されているかもしれない

今日の哺乳類や鳥類は、自分の体温を生成できることから多くの利点を享受しています。温血動物は代謝率が高く、周囲の熱に依存する生物よりも活動的です。より速く移動し、長距離の移動をこなし、寒い地域に住むことができます。

今日ネイチャー誌に発表された報告書は、哺乳類がこの重要な特徴をいつ進化させたかという長年の謎に新たな光を当てている。代謝の謎を解明するために、古生物学者グループは意外な解剖学的要素、つまり内耳に着目した。内耳の形状は動物の体温の影響を受ける。研究チームは化石化した種と現生種の内耳を調べ、このグループで温血動物、つまり内温性が出現したのは、最初の真の哺乳類が進化する前の、約2億3300万年前、三畳紀後期であると推定した。

「哺乳類とその祖先がいつから内温性になったのかは、古生物学の長年にわたる未解決の大きな謎の一つでした。これは哺乳類特有の特徴であり、私たちの生理学や生物学の多くの側面と関わっています」とシカゴのフィールド自然史博物館で化石哺乳類の学芸員を務めるケネス・D・アンギエルチク氏は言う。「哺乳類型の内温性がいつ進化したかを、これまでよりもはるかに正確に、はるかに正確に特定できるようになりました」

恒温性がいつ出現したかに関するこれまでの推定は大きく異なっており、急速な成長や夜行性など多くの温血動物に見られる特徴の化石証拠に基づいている。しかし、これらの特徴は必ずしも「恒温性の唯一の指標」ではないとアンギエルチク氏は言う。例えば、体幹温度を維持する能力があれば、日光浴ができない夜間でも動物は活動的であり続けることができるが、暑い気候には夜行性の爬虫類や両生類も数多く生息している。

「哺乳類の内耳、特に三半規管と呼ばれる耳の一部への特定の適応が、より決定的な答えを与えてくれると私たちは考えています」と、ポルトガルのリスボン大学プラズマ・核融合研究所の古生物学者で、この研究結果の共著者でもあるリカルド・アラウージョ氏は言う。

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三半規管は、液体で満たされた一連のコイル状の管で、動物が頭の動きと空間的な位置を追跡するのに役立ちます。これは、ナビゲーション、バランス、および運動協調にとって重要です。これらの管内の液体は、体温が高くなると流動性が向上します。つまり、規則的な動きとバランスを維持するために、体温が低い動物の三半規管は、より薄く流動性のある液体に合わせて、体温が低く内耳の液体が濃い動物とは異なる特定の形状とサイズである必要があります。

「内耳システムの調整は、システムがさらされる温度に応じて、本当にうまく最適化される必要があります」とアラウージョ氏は言う。「もしあなたが（捕食動物から）逃げる必要があるのに、あなたの内耳システムがあなたの頭がどこにあるか分からなければ、あなたは死んでしまうか、食べられてしまうでしょう。」

暖かい気温に合わせて調整された耳道は、動物の飼い主が体内で熱を作り出すことができることを示唆している。研究者らは、内耳の形と相対的な大きさを観察することで、動物が温血動物か冷血動物かを予測できると述べている。

この情報を基に、研究チームは化石と現代の頭蓋​​骨の内耳のCTスキャンを検査して、哺乳類の恒温性の起源を調査しようとした。分析には、現代の哺乳類、爬虫類、鳥類、両生類234種を含む341種と、初期の哺乳類の近縁種を含む先史時代の64種が含まれていた。

研究チームは、最も古い哺乳類の祖先は、冷血な現代の爬虫類や両生類のものに似た、長くて太い三半規管を持っていたことを観察した。対照的に、現代の温血哺乳類の三半規管ははるかに細く、体の大きさに比べて小さかった。

研究チームが内耳の測定値を使って動物の体温を計算したところ、現生種の推定値は公表されている体温データと非常に近いことがわかった。絶滅した動物の体温推定値に基づき、研究チームは温血動物への移行はおよそ2億年前に最初の真の哺乳類が出現する前の100万年にわたって起こったと結論付けた。「地質学的に言えば、内温性への進化のテンポは驚くほど速かった」とアラウージョ氏は言う。

恒温動物としての性格は、高温と大雨が特徴的な気候不安定期であるカーニアン期多雨期に現れた。安定した体温を維持できることは、哺乳類の祖先が環境の激変に対処するのに役立った可能性があるとアンギエルチク氏は言う。

研究著者らは、哺乳類における恒温性の出現は、動物が「継続的に熱を送り出す工場」となることを可能にする生理学的プロセスを引き起こした遺伝的変化と、その貴重な熱が周囲の空気中に放散するのを防ぐための毛皮の進化と関連していると考えている、とアラウージョ氏は説明する。

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この新しい技術は、個々の種の体温を予測するよりも、動物のグループを評価するのに正確です。冷血動物か温血動物かの特定の種を明確に特定すれば、さらに正確なタイムラインが得られるだろうとアンギエルチクは認めています。今後の研究では、彼と彼のチームは、この技術を他の絶滅した生物にまで拡張する予定です。「特に哺乳類の起源について、より多くのサンプルを採取し、このアプローチを化石記録にある他の動物に適用するのは興味深いでしょう」とアンギエルチクは言います。

オーストラリアのアデレード大学の進化生理学者ロジャー・シーモア氏は、この研究には関わっていないが、科学者たちは哺乳類がどのようにして温血動物になったのかを少なくとも60年間議論してきたと語る。新たな研究結果は議論を前進させるのに役立つかもしれない。

「データを入手し、それを分析するのに必要な作業量は膨大です」とシーモア氏は電子メールで述べた。「データセットは非常に貴重です。」

シーモア氏と彼のチームは、約3億年前の鳥類と哺乳類の共通の祖先においてさえ、高い代謝率が発達していたと以前に提唱している。同氏は、新しい論文で報告されている三半規管の解剖学的変化が、その後ではなく、本格的な恒温性の到来と同時に起こったことを証明するには、さらなる証拠が必要だと述べた。

内耳の構造と恒温性を結びつけたことは「目から鱗が落ちる思いでした」とシーモア氏は言う。「この論文は間違いなく、哺乳類の系統における恒温性の起源という疑問に対する新しいアプローチです。」