私たちの四足動物の祖先は驚くほど速く海から陸へと進化した

すべての陸生動物の歴史は、ずんぐりとした手足と長い胴を持つ沼地の魚から始まります。蒸し暑いデボン紀中期のある時期に、この魚の仲間が植物や昆虫を追って陸に上がり、最初の四肢動物、つまり4本足の脊椎動物になりました。

しかし、3億9000万年前の化石記録は非常に少なく、それらの魚が何であったか、どのように進化したかについての手がかりを見つけるのは困難です。化石は少なく、また驚くべきギャップがあります。四肢動物の最古の証拠は、干潟に残された一連の足跡から得られ、偶然にも最古の四肢動物の化石より1500万年古いものです。

月曜日にネイチャー・エコロジー・アンド・エボリューション誌に発表された化石記録の新たな分析によると、この移行は地質学上の瞬きの間に起こったことが示唆されている。しかし驚くべきことに、最初の四肢動物が陸に上がった後、彼らはさらに数百万年の間、ほとんど単独でそこに留まっていたことも判明している。

この研究では、初期の四肢動物の系図を再構築し、その重要な時期をつなぎ合わせた。このプロセスは、ウイルス学者が新しいウイルスの拡散と変異を記録するために使用するものと似ているが、生物学者は遺伝的特徴の代わりに化石の物理的差異を使用して進化のプロセスをマッピングする。

モデル化を主導したハーバード大学生物進化生物学部の博士研究員ティアゴ・ロドリゲス・シモエス氏は、足跡のような化石以外のデータも初めて取り入れてモデルを調整することができたと話す。

「進化の一部であるあらゆる現象を組み込むことができました」と彼は言う。「種がどのように関連しているかだけでなく、進化の速度はどれくらいか？ 種はどれくらいの速さで進化し、絶滅したのか？」

研究によると、四足動物は信じられないほど速く進化し、最初の四肢動物とその祖先との差はわずか600万年だった。

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進化の樹の一方の端には祖先の魚類がいたが、外見は基本的に魚にしか見えなかった。研究者らによると、陸生生物の構成要素が明らかになるのは骨格の中だけだという。

「ヒレを見ると、『ああ、上腕骨がある』と思うでしょう」と、生物進化生物学部の進化生物学者で、この研究の主任著者でもあるステファニー・ピアース氏は言う。「骨盤骨の後ろを見ると、大腿骨も見えます」

そのため、人々はひれから四肢への移行に注目する傾向がある。「しかし、骨格全体では他にもたくさんの変化が起きています」とピアス氏は続ける。「それらは、古生物学以外のほとんどの人が興味を持たない、非常に複雑な特徴なのです。」

しかし、研究により、最も急速な変化は頭部で起こったことがわかった。新たに陸生となった動物たちは、目、鼻、さらには顎を水上の世界に適応させる必要があったと考えられる。

四肢動物の目は頭の側面から頭頂部に移動し、口と鼻をつなぐ通路が開いた。鎖骨と首が成長し、歩いたり周囲を見回したりするための柔軟性が増した。（魚類は、肩を耳まで持ち上げながら、シモエスは「ジャバ・ザ・ハットのようだ」と言う。）

しかし、体の他の部分も重力に対抗するために変形していた。「頭蓋骨が非常に速く進化し、頭蓋骨以降の部分がゆっくりと進化したわけではありません」とピアス氏は言う。「体全体が、同族の魚類に比べて急速に進化していました。頭蓋骨はさらに速く進化しただけです。」

激しい変化があったにもかかわらず、初期の四肢動物の種は実際にはそれほど多くなかったことが研究によって示唆された。

生物学者は 1940 年代から、「まったく新しい環境に合わせて体を変えると、その変化は速いだろう」と推測してきたとシモエスは説明する。動物が環境に適応するために急速に進化するということは、体型も変化し、最終的には新しい種になるだろうという考えだった。「しかし、私たちが実際に発見したのはそうではありません。」

そして、それが化石の少なさを説明する一助となる。「この研究で、化石化されていない種があまりにも少なかったことがわかったので、少し残念です」とピアス氏は言う。「進化の物語についてさらに詳しく教えてくれる新しい化石が見つかることを期待していますが、それは難しいでしょう。」

最初の四肢動物がなぜ分岐しなかったのかは、まだ新たな疑問である。しかし、ピアス氏は、単に突然、自分たちが良い暮らしをしていることに気付いただけなのではないかと考えている。四肢動物は新しいニッチを見つけ、それが進化の余裕をもたらしたのだ。「本当に人気が出るまで、しばらくは息つく暇があったのです。」