恐竜がどのように縮んで鳥になったのか

何十年もの間、古生物学者が鳥と恐竜を結びつける唯一の化石は始祖鳥でした。始祖鳥は羽毛のある翼と恐竜の歯と長い骨の尾を持つハイブリッド生物です。これらの動物は、鳥のような特徴 (羽毛、翼、飛行) をわずか 1,000 万年で獲得したように見えました。イギリスのブリストル大学の古生物学者であるマイケル・ベントンは、次のように述べています。

この奇跡的な変態を説明するために、科学者たちはしばしば「希望に満ちた怪物」と呼ばれる理論を呼び起こしました。この考えによれば、主要な進化の飛躍には、種内の日常的な変更とは質的に異なる大規模な遺伝的変化が必要です。 300 ポンドの獣脚類からスズメほどの大きさの先史時代の鳥 Iberomesornis への突然の変化を説明できるのは、短い時間スケールでのこのような実質的な変化だけである、と話は進みました。 .

しかし、恐竜がどのようにして鳥を生んだかという話は、はるかに微妙であることがますます明らかになっています.羽毛のような鳥特有の特徴は、鳥が進化するずっと前に出現し始めたことが発見されており、鳥が既存の特徴の多くを新しい用途に単純に適応させたことを示しています。そして最近の研究では、いくつかの単純な変更が示唆されています。その中には、より赤ちゃんに似た頭蓋骨の形を成人期に採用することが含まれます。鳥は恐竜の祖先よりもはるかに小さいだけでなく、恐竜の胚によく似ています。このような適応は、現代の鳥の際立った特徴、つまり飛ぶ能力と非常に機敏なくちばしへの道を開いたのかもしれません。この研究は、一連の小さな進化のステップから巨大な進化の変化がどのように生じるかを示しています。

ファントム リープ

1990 年代、中国からの新しい恐竜の化石の流入により、驚くべきことが明らかになりました。これらの化石の多くには翼がありませんでしたが、毛むくじゃらの剛毛から完全に関節のあるクイルまで、羽毛が豊富にありました。斑点のある化石記録を埋めるこれらの新しい中間種の発見は、古生物学者が恐竜から鳥への移行をどのように考えたかに変化をもたらしました.かつて鳥類に固有のものと考えられていた羽毛は、鳥類が発達するずっと前に恐竜で進化したに違いありません.

構造変化を追跡し、標本が互いにどのように関連しているかをマッピングするこれらの化石の洗練された新しい分析は、鳥類の特徴が長い時間をかけて進化したという考えを支持しています. Current Biology に掲載された研究では 昨秋、スコットランドのエディンバラ大学の古生物学者であるスティーブン・ブルサットと共同研究者たちは、始祖鳥と現代の鳥を生み出した獣脚類のサブグループであるコエルロサウルスの化石を調べました。彼らは時間の経過に伴う多くの骨格特性の変化を追跡し、鳥類と他のコエルロサウルス類を区別する大きな跳躍がないことを発見しました.

「鳥はTから進化しただけではありません。レックス 一晩で、むしろ鳥の古典的な特徴が1つずつ進化しました。最初は二足歩行、次に羽毛、次にウィッシュボーン、次に羽根ペンの羽のように見えるより複雑な羽毛、そして翼です」と Brusatte 氏は言います。 「最終的に、恐竜と鳥の間の比較的シームレスな移行が実現するため、これら 2 つのグループの間に単純な線を引くことはできません。」

しかし、これらの鳥の特徴が整った後、鳥は離陸しました。 Brusatte のコエルロサウルスの研究では、始祖鳥や他の古代の鳥類が出現すると、他の恐竜よりもはるかに急速に進化し始めることがわかりました。希望に満ちた怪物説は、それをほぼ完全に逆行させた。爆発的な進化は鳥を生み出しなかった。むしろ、鳥は爆発的な進化を生み出しました。 「鳥は非常に成功した新しいボディ プランと新しいタイプの生態系 (小さなサイズで飛ぶこと) に遭遇したようであり、これが進化の爆発につながったようです」と Brusatte 氏は述べています。

小さいことの重要性

ほとんどの人は、鳥と恐竜を区別する重要な特徴として羽や羽を挙げるかもしれませんが、グループの小さな身長も非常に重要です.新しい研究は、鳥の祖先が急速に縮小したことを示唆しており、小さいサイズが重要かつ有利な特性であり、鳥の進化において不可欠な要素である可能性が非常に高いことを示しています.

他の鳥の特徴と同様に、体のサイズの縮小は、鳥自体が進化するずっと前に始まった可能性があります。 Science に掲載された研究 昨年、科学者が予想していたよりもはるかに早く小型化プロセスが始まったことがわかった。一部のコエルロサウルス類は、2 億年前、つまり始祖鳥が出現する 5,000 万年前に縮小し始めました。当時、他のほとんどの恐竜の系統は大きく成長していました。 「小型化は、特に恐竜の間では珍しいことです」とベントンは言いました。

鳥の祖先が翼を生やし、滑空飛行の実験を始めると、その収縮は加速した。昨年、ベントンのチームは、パラベスとして知られるこの恐竜の系統が、他の恐竜の系統が成長する速度の 160 倍の速さで縮小していることを示しました。 「この線が静かに小さくなり、小さくなっている間、他の恐竜は大きくなり、醜くなっていました」とベントンは言いました. 「それは、その時点で進行中の激しい選別の出来事を示していると信じています。」

急速な小型化は、小さな鳥が大きな鳥よりも強力な利点を持っていたに違いないことを示唆しています. 「おそらく、この減少は新しい生息地や新しい生活様式を開拓したか、生理機能や成長の変化に関係していたのかもしれません」と Brusatte 氏は述べています。ベントンは、鳥の祖先が食物と避難所の有用な供給源である木に移動したときに、パイントサイズであることの利点が現れたのではないかと推測しています.

しかし、理由が何であれ、小さな身長はおそらく飛行への有用な前兆でした.より大きな動物は滑空することができますが、羽ばたきによる真の飛行には、翼のサイズと重量の特定の比率が必要です。鳥は、短い滑空以上の目的で空を飛ぶ前に、小さくする必要がありました。

ベビーフェイス

2008 年、ハーバード大学の生物学者である Arkhat Abzhanov は、ワニの卵にひじを突っ込みました。ワニは恐竜と共通の祖先に由来するため、鳥との有用な進化的比較を提供できます。 （その外見にもかかわらず、鳥はトカゲよりもワニに近縁です。）アブザノフはワニの脊椎を研究していましたが、彼を最も驚かせたのは頭の鳥のような形でした。ワニの胚はニワトリに非常によく似ていました。恐竜の赤ちゃんの頭蓋骨の化石も同じパターンを示しており、大人の鳥に似ています。これら 2 つの観察結果を念頭に置いて、Abzhanov はある考えを思いつきました。おそらく鳥類は、成長の早い段階で発達パターンを停止することにより、恐竜から進化したのでしょう。

その理論を検証するために、アブザノフは、ニューヨークのアメリカ自然史博物館の古生物学者であるマーク・ノレル、当時アブザノフの研究室の博士課程の学生だったバート・アンジャン・ブラー、および他の同僚とともに、世界中から化石に関するデータを収集しました。には、始祖鳥などの古代の鳥類や、巣の中で死亡した発達中の恐竜の卵の化石が含まれます。彼らは、恐竜が鳥に変化するにつれて頭蓋骨の形がどのように変化したかを追跡しました。

時間が経つにつれて、彼らは、顔が崩壊し、目、脳、くちばしが成長したことを発見しました. 「最初の鳥は、ヴェロキラプトルの後期胚とほとんど同じでした」とアブザノフは言いました。 「現代の鳥はさらに赤ちゃんのようになり、胚の形態からの変化はさらに少なくなりました。」端的に言えば、鳥は繁殖できる小さな幼児の恐竜に似ています。

幼児形態として知られるこのプロセスは、効率的な進化経路です。カリフォルニア大学バークレー校の発生生物学者であるニパム・パテルは、次のように述べています。

「私たちは、進化が以前よりもはるかにエレガントに機能することをますます見ています」と、秋にイェール大学で彼自身の研究室を開始する予定のブラーは言いました。 「鳥の頭蓋骨に起こる数多くの変化はすべて、初期胚の一連の分子変化による幼体形態に起因する可能性があります。」

鳥類の進化にとって幼体形成が重要なのはなぜですか?小型化を推進するのに役立ったかもしれませんし、その逆もありました。サイズの変化は発育の変化に関連していることが多いため、小さいサイズを選択すると成体の発育が停止した可能性があります。 「発達過程を短縮する巧妙な方法は、小さなサイズでの成長を止めることです」とベントンは言いました。大人の赤ちゃんのような頭蓋骨は、鳥の脳の大きさの増加を説明するのにも役立つかもしれません. 「脳のサイズを改善する優れた方法は、子供のサイズを大人になっても維持することです」と彼は言いました.

(実際、未成年者の形態は、進化における多くの主要な移行の根底にある可能性があり、おそらく哺乳類や人間の発達でさえあります。チンパンジーの頭蓋骨に比べて大きな頭蓋骨は、未成年者の場合である可能性があります。)

さらに、幼体形成は頭蓋骨を白紙の状態にするのに役立ち、その上に選択によって新しい構造が作成される可能性がありました。鼻を消すことで、鳥のもう 1 つの最も重要な特徴であるくちばしへの道が開かれた可能性があります。

くちばしの誕生

進化の時代の奥深くで起こったことを研究する際の問題は、何が起こったのかを正確に知ることができないことです。科学者は、鳥が恐竜からどのように進化したか、またはその変化に不可欠な特徴のセットを正確に解読することはできません.しかし、進化、遺伝学、発生生物学の 3 つの分野が交差することで、特定の機能がどのようにして生じたのかを探り始めることができるようになりました。

アブザノフが特に興味を持っているのはくちばしです。これは、鳥が食べ物を見つけ、体をきれいにし、巣を作り、子供の世話をするために使用する驚くべき構造です。彼は、鳥の広範な成功は、飛ぶ能力だけでなく、くちばしの驚くべき多様性に起因すると理論付けています。 「現代の鳥は、顔に一対の指を進化させました」と彼は言いました。

鳥の進化に関する洞察を武器に、アブザノフ、ブラール、および共同研究者は、くちばしの形成を助けた遺伝的メカニズムを掘り下げることができました。先月 Evolution に掲載された新しい研究では、 、研究者たちは、わずかな遺伝子の微調整で、鳥の顔を恐竜に似たものに変形できることを示しています.

現代の鳥類では、前上顎骨として知られる 2 つの骨が融合してくちばしになります。その構造は、恐竜、ワニ、太古の鳥類、その他ほとんどの脊椎動物の構造とはまったく異なり、これら 2 つの骨は別々のままで、鼻を形作っています。その変化がどのように生じたのかを解明するために、研究者たちは、ワニ、ニワトリ、ネズミ、トカゲ、カメ、古代の鳥を連想させる生きている種であるエミューなど、さまざまな動物のこれらの骨で発現する 2 つの遺伝子の活動をマッピングしました。 .

彼らは、爬虫類と哺乳類には、発達中の鼻腔の両側に 1 つずつ、2 つの活動パッチがあることを発見しました。一方、鳥は、顔の前面にまたがるはるかに大きな単一のパッチを持っていました.研究者たちは、ワニのパターンが恐竜のそれの代用として機能する可能性があると推論しました.研究者は次に、顔の中央にある遺伝子をブロックする化学物質を使用して、ニワトリの胚における鳥特有の遺伝子発現パターンを元に戻しました。 (倫理上の理由から、彼らはニワトリの孵化を許可しませんでした。)

その結果、処理された胚は、より恐竜に似た顔になりました。 「彼らは基本的に、鳥の胚を絶滅した恐竜の形態に似たものに戻しました」と、テキサス大学オースティン校の古生物学者で、以前にアブザノフと協力していたティモシー・ロウは言いました。

この発見は、単純な分子の微調整がいかに主要な構造変化を引き起こすことができるかを強調しています。鳥は「既存のツールを新しい方法で使用して、まったく新しい顔を作成します」と Abzhanov 氏は述べています。 「彼らは新しい遺伝子や経路を進化させたのではなく、既存の遺伝子の制御を変更しただけです。」

Brusatte らの研究と同様に、Abzhanov の研究は希望に満ちた怪物説に挑戦し、それを遺伝子規模で行っている。くちばしの作成には、特別な進化的ジャンプや大規模な遺伝子変化は必要ありませんでした。むしろアブザノフは、小進化 (種内の小さな変化) を形成するのと同じ力が、大進化、つまりまったく新しい特徴と種の新しいグループの進化も促進することを示しました。

具体的には、遺伝子の調節方法の小さな変化が、数百万年かけて進化したくちばしの最初の作成と、わずか数世代で変化する可能性のある鳥のくちばしの多様な形状の両方を引き起こした可能性があります。 「単純な規制の変更が大きな影響を与える可能性があることを示しています」と Abzhanov 氏は述べています。

Bhullar と Abzhanov は、頭蓋骨と脳の発達のさまざまな特徴を操作するために同じアプローチを使用して、くちばしと鳥の頭蓋骨がどのように進化したかという問題をより深く掘り下げることを計画しています。 「私たちはこの作業の表面をなぞっただけです」と Bhullar は言いました。

2015 年 6 月 3 日訂正:元の記事では、ワニは恐竜の子孫であると述べていました。実際、ワニと恐竜は共通の祖先を共有しています。これを反映するために記事を修正しました。

2015 年 6 月 4 日:「The Incredible Shrinking Bird」グラフィックの恐竜のシルエットは、次のイラストに基づいています:Jordan Mallon の Monolophosaurus、Emily Willoughby の Deinonychus、Matt Martyniuk の Velociraptor.