地球上の生命は水の中で始まりました。そのため、最初の動物が陸上に移動したとき、新しい陸上環境に適応するために、ヒレを手足と交換し、鰓を肺と交換する必要がありました。
今日発表された新しい研究は、肺と手足への移行がこれらの生き物の変化の完全な物語を語っていないことを示唆しています.彼らが海から上がったとき、彼らはおそらく酸素化された空気よりも貴重なもの、つまり情報を手に入れました。空中では、目は水中よりはるかに遠くを見ることができます。ノースウェスタン大学の神経科学者兼エンジニアであるマルコム・マクアイバーによると、視覚範囲の拡大は古代の動物に海岸近くの豊富な食料源を警告する「情報ジップライン」を提供しました.
MacIver が主張するこのジップ ラインは、動物が陸上に最初の短い進出をすることを可能にする初歩的な手足の選択を促進しました。さらに、より高度な認知と複雑な計画の出現に重要な意味を持っていた可能性があります。 「手足の先を見て、うまく化石化しない情報が本当に私たちを陸地に導いたと考えるのは難しいです」と MacIver は言いました。
クレアモント カレッジの古生物学者である MacIver と Lars Schmitz は、数学的モデルを作成しました。これは、空中に住む生物が利用できる情報の増加が、長い年月をかけて目のサイズの増加にどのように現れたかを調査するものです。彼らは、全米科学アカデミー紀要で、彼らが「ブエナ ビスタ」仮説と呼んでいるものを支持するために集めた実験的証拠について説明しています。 .
MacIver の研究は、その革新的で徹底的なアプローチにより、すでにこの分野の専門家から称賛を得ています。古生物学者は長い間、化石の目の大きさとそれが動物の視覚について私たちに何を教えてくれるかについて推測してきましたが、「これはさらに一歩進んでいます」と、英国の王立獣医大学のジョン・ハッチンソンは言いました。定性的な観察について;仮定をテストし、マクロ進化の時間にわたって定量的に大きな変化を追跡しています。」
水中ハンター
MacIver は、2007 年に南アメリカのブラック ゴースト ナイフフィッシュ (環境を感知するために水中で電流を生成することによって夜に狩りをする電気魚) を研究しているときに、最初に彼の仮説を思いつきました。 MacIver は、この効果を一種のレーダー システムになぞらえています。生物学、神経科学、古生物学に加えて、ロボット工学と数学に興味と経験を持つ博学者の MacIver は、電気感覚システムを備えたナイフフィッシュのロボット バージョンを構築し、そのエキゾチックな感知能力と異常に機敏な動きを研究しました。
MacIver 氏は、ナイフフィッシュが好んで獲物の 1 つであるミジンコを潜在的に検出できるスペースの容積を、視覚に依存して同じ獲物を狩る魚のスペースの容積と比較したところ、それらがほぼ同じであることを発見しました。これは驚くべきことでした。ナイフフィッシュは世界を認識するために電気を生成する必要があるため、これには多くのエネルギーが必要です。彼は、視覚中心の魚に比べて、獲物に対する感覚容積が小さいと予想しました。最初は単純な計算ミスかと思いました。しかし、彼はすぐに、予想外に小さい視覚空間を説明する重要な要因が、水が光を吸収および散乱する量であることを発見しました。たとえば、淡水では、光が散乱または吸収される前に移動できる「減衰長」は、10 センチメートルから 2 メートルの範囲です。空気中の水分量に応じて、光は 25 から 100 キロメートル移動します。
このため、水生生物は目のサイズが大きくなっても進化の恩恵をほとんど受けず、失うものもたくさんあります。目は、維持するのに非常に多くのエネルギーを必要とするため、進化の観点からコストがかかります。脳の視覚野にある光受容細胞とニューロンは、機能するために大量の酸素を必要とします。したがって、目のサイズが大きくなると、その余分なエネルギーを正当化するための大きなメリットが得られます. MacIver は、水中で目が大きくなることを、霧の中でハイビームをオンにして遠くを見ようとするようなものだと例えています。
しかし、目を水から離して空中に出すと、目のサイズが大きくなり、それに比例して遠くまで見えるようになります。
MacIver は、水から陸への移行中に目の大きさが大幅に増加したと結論付けました。 Tiktaalik roseae を発見したチームのメンバーである進化生物学者 Neil Shubin に彼の洞察について言及したとき 、3 億 7500 万年前の重要な移行化石で、肺と鰓がありました。MacIver は、古生物学者が化石記録で目のサイズの増加に気づいたことを知るように励まされました。彼らは、その変化にあまり意味がないと考えていました。 MacIver は自分で調査することにしました。
ワニの目
MacIver には興味深い仮説がありましたが、証拠が必要でした。彼は、4 本足の「四足動物」の化石 (Tiktaalik 2 人の科学者は、MacIver のアイデアをテストする最善の方法を熟考しました。
MacIver と Schmitz は、最初に化石記録を注意深く調べて、眼窩のサイズの変化を追跡しました。これは、眼窩のサイズに比例するため、眼球の対応する変化を示していると考えられます。ペアは、水から陸への移行期間にまたがる 59 の初期の四足動物の頭蓋骨を収集し、眼窩と頭蓋骨の長さの両方を測定できるほど十分に無傷でした。次に、それらのデータをコンピュータ モデルに入力して、何世代にもわたって眼窩サイズがどのように変化したかをシミュレートし、その形質の進化的遺伝的ドリフトの感覚をつかみました。
彼らは、移行期間中に実際に目の大きさが著しく増加したことを発見しました - 実際には3倍です.移行前の平均眼窩サイズは 13 mm でしたが、移行後は 36 mm でした。さらに、メキシコの洞窟魚Astyanax mexicanusのように、水から陸へ、そして水へと戻った生き物の中で — 平均軌道サイズは以前とほぼ同じ 14 mm に縮小しました。
これらの結果には、1 つだけ問題がありました。当初、MacIver は、動物が完全に陸生になった後に増加が起こったと想定していました。陸上でより遠くを見ることができるという進化上の利点が、眼窩のサイズの増加につながったからです。しかし、この変化は水から陸への移行が完了する前に発生し、生物が魚のような付属肢に基本的な指を発達させる前でさえありました。では、陸上にいることがどうして眼窩のサイズを徐々に大きくしたのでしょうか?
その場合、「ワニのように狩りをすることが陸生への入り口の薬だったようです」と MacIver は言いました。 「データが行動の前に来るのと同じように、陸上に出てくることは、水上で目をつついて未開発の獲物を徐々に手足に選択することで視覚的パフォーマンスが大幅に向上する方法についてでした。」
この洞察は、ケンブリッジ大学の古生物学者である Jennifer Clack の Pederpes finneyae として知られる化石に関する研究と一致しています。 は、陸上を歩くための最も古い知られている足を持っていましたが、真の陸上生物ではありませんでした。初期の四足動物は主に水生生物でしたが、後の四足動物は明らかに陸生でしたが、古生物学者は、この生物が水と陸で時間を過ごした可能性が高いと考えています.
目のサイズがどれだけ大きくなったかを判断した後、MacIver は動物が大きな目でどれだけ遠くを見ることができるかを計算することに着手しました.彼は、目の解剖学だけでなく、周囲の環境などの他の要因を考慮した既存の生態学的モデルを適応させました。水中では、目を大きくしても、視覚範囲はわずか 6 メートル強から 7 メートル近くまでしか増加しません。しかし、空中での眼のサイズを大きくすると、範囲が 200 メートルから 600 メートルに改善されます。
MacIver と Schmitz は、昼光、月のない夜、星明かり、澄んだ水、濁った水など、さまざまな条件下で同じシミュレーションを実行しました。 「それは問題ではありません」と MacIver は言いました。 「いずれの場合も、（空中での）増加は非常に大きい。彼らが真昼間に水中で狩りをしていて、月のない夜にしか出てこなかったとしても、視覚的には彼らにとって有利です。」
定量的ツールを使用して化石記録のパターンを説明することは、この問題に対する斬新なアプローチですが、シュミッツのような古生物学者や進化生物学者の数が増えており、これらの方法を採用しています.
オーストラリアのフリンダース大学の古生物学者で、魚がどのように四肢動物に進化したかを研究しているジョン・ロングは、「古生物学の多くは化石を見て、化石が特定の環境にどのように適合したかについての物語を作り上げています。 「この論文には、さまざまな環境で視覚をテストする非常に優れたハード実験データがあります。そしてそのデータは、これらの魚に見られるパターンと一致しています。」
Schmitz は、過去 10 年間の定量的アプローチにおける 2 つの重要な発展を特定しました。第一に、より多くの科学者が現代の比較生物学から化石記録分析に方法を適応させ、動物が互いにどのように関連しているかを研究しています。第二に、実際にテスト可能な方法で古代生物の生体力学をモデル化することに多くの関心が寄せられています。化石を解釈するためのこのようなモデルベースのアプローチは、生体力学だけでなく感覚機能にも適用できます。この場合、水から出てくることが初期の四足動物の視覚にどのように影響したかを説明しました.
「どちらのアプローチもユニークなものをもたらすため、連携して進める必要があります」と Schmitz 氏は述べています。 「[眼窩サイズ] の分析だけを行っていたら、それが実際に意味することを理解できていなかったでしょう。目が大きくなるけど、どうして？」感覚モデリングは、定性的な方法ではなく、定量的な方法でこの種の質問に答えることができます。
Schmitz は、初期の四肢動物だけでなく、化石記録の他の水から陸への遷移を調べて、対応する眼のサイズの増加を見つけることができるかどうかを確認することを計画しています。 「水と陸地の間の他の移行、および陸地が水に戻る様子を見ると、この仮説を裏付ける可能性のある同様のパターンが見られます」と彼は言いました。たとえば、視覚に大きく依存している海洋爬虫類の化石記録は、水から陸に移動するにつれて眼窩のサイズが大きくなったという証拠も示しているはずです.
新しい考え方
神経科学者としての MacIver のバックグラウンドは必然的に、これらすべてが水から陸への移行中にテトラポッドの行動と認識にどのように影響したかを熟考するように彼を導きました。たとえば、水中で暮らして狩りをしている場合、視界の範囲が限られているため、主に MacIver が「反応モード」と呼んでいるもので活動していることになります。脳内のニューロンの）反応します。 「すべてがジャストインタイムでやってくる」と彼は言った。 「あなたは食べるか食べられるかのどちらかであり、その決断は早くした方がいいでしょう。」
しかし、陸上の動物にとって、より遠くを見ることができるということは、捕食者であるか被食者であるかにかかわらず、状況を評価し、最善の行動方針を選択するための戦略を立てる時間がはるかに長くなることを意味します. MacIver 氏によると、最初の陸上動物は陸上の獲物を反応的に探し始めた可能性がありますが、時間の経過とともに、反応モードを超えて戦略的に考えることができた動物は、より大きな進化上の優位性を持っていたでしょう。 「今、あなたは複数の未来を熟考し、それらの間で迅速に決定する必要があります」とMacIverは言いました. 「これはメンタル タイム トラベル、または前向き認知であり、私たち自身の認知能力の非常に重要な特徴です。」
とはいえ、他の感覚もより高度な認知の発達に役割を果たした可能性があります。コーネル大学の進化神経科学者であるバーバラ・フィンレーは、「非常に興味深いですが、計画する能力が視覚だけで突然生まれたとは思いません。一例として、サケが嗅覚経路に依存して上流に移動する方法を彼女は指摘しました.
Hutchinson は、視覚だけを研究するよりも、その重要な移行期間における多くの感覚の変化がどのように組み合わされるかを検討することが有用であることに同意します.たとえば、「匂いと味はもともと水生環境で結合され、その後分離したことがわかっています」と彼は言いました。 「一方、適切な外耳やその他の機能の進化により、聴覚は水生環境から陸上環境に大きく変化しました。」
この研究は、人間の認知の将来の進化に影響を与えます。おそらくいつの日か、MacIver が冗談めかして「人間の愚かさの古神経生物学」と呼んでいるものを克服することによって、次の進化の飛躍を遂げることができるでしょう。人間は短期的な脅威の影響を把握することができますが、気候変動の影響を緩和するなどの長期的な計画を立てることは、私たちにとってより困難です。 「おそらく、戦略的思考における私たちの限界のいくつかは、さまざまな環境で計画する能力が有利になる方法に戻ってくるでしょう. 「私たちは地質学的な時間スケールで考えることができません。」彼は、化石記録を使ったこの種の研究が、私たち自身の認知の盲点を特定するのに役立つことを望んでいます. 「それができれば、それらの盲点を回避する方法を考えることができます。」
