昆虫が羽を持つと、進化は本当に始まった

昆虫の世界には、美しくて目もくらむような種があふれています。シミはそのうちの 1 つではありません。シミは小さな釣り用のおもりに似ており、涙滴のような形をしていて、鉛のような灰色の肌をしています。シミは地下室やカビ臭い部屋に住み、フケや本の表紙をかじります。また、ほとんどの昆虫とは異なり、シミには羽がなく、腹の上で這いずりながら生活しています。

しかし、これらの家庭の腐肉食動物は、哺乳類や恐竜以前の歴史を垣間見ることができる。古生物学者がシミに似たものと考えている、謎に満ちた最初の昆虫を垣間見ることができるのだ。この原始的な生物も飛べなかった。飛ぶことで昆虫は変化し、昆虫は大量発生の軌道に乗った。今日、地球上のほぼすべての場所で、約 10 京匹の昆虫が狩りをし、受粉し、消化を行っている。しかし、昆虫が最初に存在した当時は、これほど膨大な数ではなかった。その理由は、羽、そして羽がないことで説明できる。

保存された昆虫は時空を超えて散発的に発見されており、科学文献に記載されている種は 1 万種未満です。化石アリだけでも化石恐竜の数を上回っていますが、岩や琥珀に隠れている昆虫は推定 550 万種の現生種のほんの一部です。「化石記録全体から見て、昆虫は非常に少ない傾向にあります」と、ニューヨークのアメリカ自然史博物館の学芸員で、トンボの進化を研究しているジェシカ・ウェア氏は言います。

[関連: 時代を超えて残った琥珀の化石を詳しく見る]

さらに問題を複雑にしているのは、おそらく最も古い昆虫の化石が押しつぶされて小さく、解釈はできるものの明確な答えがないことだ。ウェア氏は、研究室の別々のメンバーが同じ体の部分について異なる結論に達することは珍しくないと話す。ウェア氏には顕微鏡で昆虫の羽の化石のように見えるものが、別の研究者には足のように見えることもあるとウェア氏は言う。

昆虫であると最初に提唱されたのは、4億2000万年前に始まった地質時代であるデボン紀まで遡ることができる。2004年、昆虫学者2人が、わずか10分の1ミリの長さの4億年前の一対の顎は、最古の昆虫のものだったに違いないと主張した。彼らはまた、その顎がカゲロウの顎に非常によく似ているため、この昆虫には羽もあったはずだと主張した。しかし、10年以上経って、別の昆虫学者2人が顎を再分析し、標本には昆虫の特徴はなく、おそらく別の脚の長い地上性の無脊椎動物、ムカデだっただろうと反論した。

この動物の地位はまだ決定的に解明されていない。古昆虫学者でハワイ大学研究員のサンドラ・R・シャチャット氏は、4億年前の飛翔昆虫という考えは、翼の化石が見つからず支持するのは難しいと考えている。大西洋の反対側で発見された複眼の断片は、より明らかに昆虫に似ていると彼女は言う。

この残骸はニューヨーク州ギルボアで、世界最古の森林の化石化した木の幹の中から発見された。スコットランドの顎より数百万年若い眼球は「本当に、本当に始祖鳥類のものであるように見えます」とシャチャット氏は言う。 生物学者が、現在でも生息しているシミの羽のない近縁種であるイシダイ類を分類するために使用する目を指します。

しかし、その眼球の後の数千万年の間、昆虫の化石記録はゼロだ。シャチャット氏と他の昆虫学者はこれを「六脚類のギャップ」と呼んでいる。これは昆虫とその近縁種が6本の脚（「ヘキサ」と「ポッド」）を持つことに由来する。このギャップはおよそ3億8500万年前から3億2500万年前まで続いたが、より最近の段階では、昆虫の部分が再び化石記録に散りばめられている。

2018年にProceedings of the Royal Society B誌に発表された論文で、シャチャット氏とその同僚は、古代の昆虫が消滅期を迎えた理由についていくつかの説を検討した。おそらく、環境の何かが変化し、6000万年にわたる空白期間に生き残った昆虫はわずかだったのだろう。あるいは、実際には動物が消えたのではなく、化石だけが消えたのかもしれない。

結局、研究チームは、環境的要因では昆虫の消失を説明できないようだと結論付けた。研究チームは、保存された化学痕跡からデボン紀の空気中の酸素量を推定し、古代の昆虫が呼吸できるほど健康的な大気があったはずだと結論付けた。

さらに、この時代にはクモやムカデ、ヤスデのような動物の化石も発見されている。いずれも昆虫とほぼ同じ大きさで、似たような素材でできている。「昆虫と思われるものよりも、クモやムカデの破片の方がはるかに多く見つかっています」とシャチャット氏は言う。これは、小さな無脊椎動物を保存するのに適した堆積物が存在していたことの証しだ。

シャチャット氏と同僚は、このギャップは当時昆虫がはるかに希少だったことを反映していると言う。昆虫が現代世界を席巻する上で違いを生んだのは翼であり、具体的には、六脚類ギャップは昆虫がまだ翼を進化させていなかった時代を反映していると彼らは結論付けた。「化石記録は昆虫の飛行の進化による変革的影響を正確に記録している可能性がある」と彼らは論文に記している。

羽が生まれる前、昆虫はシミが今もそうであるように這うしかなく、あるいは荷物に紛れて移動するといった先史時代の手段に頼っていた。その後、昆虫の羽が発達した。羽の最初の化石証拠は、六脚類ギャップが終わった直後の3億2400万年前にさかのぼる。そして突然、昆虫は空を自由に移動できるようになった。

数百種のイガ、シミ、およびそれらの近縁種であるファイアブラットを除けば、ほぼすべての昆虫は羽を持っている。あるいは、ノミなどのグループの場合、進化の歴史の中で飛翔する祖先から羽を失った。「羽のある昆虫が化石記録に現れると、突然、私たちが目にするものの大半が羽を持つようになる」とシャチャット氏は言う。

羽根が生えたことで昆虫の見た目や行動に変化が生まれ、餌の捕獲方法、交尾の方法、捕食者の回避方法などが変わった。飛ぶ昆虫は、バンブラーやダーター、小型のものから大型のものまで様々だ。種によっては巨大化したものもあり、3億年前のグリフィンフライと呼ばれる昆虫は、翼開長が2フィート以上にもなった。

「翼があることで、ニッチな空間を開放することができます」とウェア氏は言う。「使われていない雰囲気が全体に広がっていました。」

昆虫はコウモリ、鳥、翼竜よりも何億年も早く空を飛び、そこで繁栄した。「翼が昆虫の多様性と豊富さを促進したと考えるに足る十分な根拠がある」とシャチャット氏は言う。昆虫は新しい種へと分岐し、空を飛ぶだけでなく、土に穴を掘ったり、淡水の中を泳いだりしながら、新しい地域へと移動し、新たな生態学的役割を獲得した。地球の非常に多くの場所に生息することで、昆虫は生命を形作った。

[関連: 失われたホタルの地はおそらくニュージャージー州の小さな沼地だ]

これほど影響力のある生物であるにもかかわらず、昆虫には未だに多くの謎が残されている。そもそも昆虫がどうやって飛ぶことを学んだのかは未解決の問題だ。中間的な翼のような構造を持つ古代の昆虫はまだ発見されていないとシャチャット氏は言う。おそらく初期の種は飛翔を試みたのだろう。現代の樹上性のイガ科の昆虫が木の幹に向かって滑空するのを観察されている。別の仮説によれば、昆虫の翼はえらから始まったのかもしれない。

昆虫の起源をたどることは単なる学術的な研究ではなく、必要不可欠なことだとウェア氏は言う。昆虫は農業や人間の食生活にとって非常に重要なので、もし昆虫がすべて絶滅したら、人類は約3か月で絶滅してしまうだろうとウェア氏は指摘する。

「昆虫の進化を理解するということは、地球上の生命の 4 億年を過小評価するということです」とウェア氏は説明します。「タイムマシンに最も近いものになります。」私たちは昆虫の進化の両極端、つまり頭上でブンブンと羽ばたく動物と、足元にいる原始的なシミ、つまり地球に縛られた系統の継承者の中で暮らしています。