古いなぞなぞ「ニワトリが先かタマゴが先か」動物の出生の進化についての質問として答えるのは比較的簡単です。産卵はほぼ確実に出産前に行われました。 5 億年前に海に生息し、すべての陸生脊椎動物の祖先であった甲殻類は、卵を産んだようです。しかし、話の残りの部分は単純ではありません。
何千年にもわたる進化の中で、自然界は生まれたばかりの動物がこの世に誕生する方法を 2 つしか思いつきませんでした。母親が卵の中に産み、そこで孵化する前に成長を続けるか、より完全に形成された身もだえする新生児として出現するまで母親の中にとどまります。シドニー大学の生物学者であるカミラ・ウィッティントンは、「私たちはこの本当に根本的な分裂を持っています.
産卵（卵生）と出生（胎生）の間の厳密な生殖の二分法には、根本的な理由があるのでしょうか？出生はいつ、なぜ進化したのですか？これらは、卵を産むと同時に生きた子供を産むことができる注目に値するトカゲの研究を含む、新しい研究が探求している問題のほんの一部であり、その間ずっと、有性生殖の非常に複雑で多様性があることを強調しています.
戦略的な選択
初期のメスの動物は、一度に何千もの卵子を世界に放出したという意味で卵を産みました。オスが放出した精子は、これらの卵のいくつかをヒットまたはミスの方法で受精させ、結果として生じた胚は、孵化するまで敵対的な世界で生き残るチャンスを得ました.多くの生物、特に小さく単純な生物は、今でもこの方法で繁殖しています。
しかし、動物がより複雑になるにつれて、多くの両生類、爬虫類、さらにはサメなどの一部の魚を含む脊椎動物種は、より可能性の低い戦略である内部受精に変わりました.そうすれば、雌はより高い割合の卵子が受精するようになり、どの雄と交配するかをより選択できるようになります。胚は、母親が最終的に保護シェル内に放出するまで、母親の中で安全に成長することができました.
出生はその後進化しました—そして2回以上。爬虫類だけでも、少なくとも121回進化しています。科学者は、最初の生きた動物がいつ母親から生まれたのか正確にはわかっていませんが、産卵からの移行を推進していた可能性のある力と、それに先行する進化のステップはわかっています.
もちろん、どちらの出産方法でも仕事はできますが、対照的な利点と難点があります。重要なことに、産卵中の母親は、より早く子孫から物理的に解放される可能性があります。たとえば、鳥は、おそらく妊娠中に飛行するためのエネルギーコストが耐えられないため、生きた誕生を進化させたことはありません.また、母親の体の大きさは制約されないため、通常、産卵した卵は 1 回の出産でより多くの子孫を産むことができます。この利点は、卵を捕食や風雨にさらすリスクを部分的に相殺する可能性があります.
一方、生きている母親は、胚を収容し、捕食者や環境の危険からより長く保護することができます.しかし、彼らは自分自身の危険にさらされています.モンタナ州立大学の生物学者であるクリス・オルガンは、「胚は部分的に外来であり、その組織は母親の組織に侵入しています. 「考えるのはワイルドです。」妊娠期間中、母親は綱渡りでバランスを取り、自分自身を健康に保ちながら、リソースを外国人に転用します.
したがって、卵生と胎生の主な違いは、母親がいつ胚を預けるべきかについての戦略的進化的決定に集中しています。早く預ければ産卵、遅く預ければ生きた卵です。たとえば、ほとんどの爬虫類は、発生のわずか 3 分の 1 で胚を産み付けます。
「真の産卵と生きた卵の産卵の間には、[胚を預ける] 可能性のある時間の全範囲がありますが、それを行うことはおそらく不利です」とウィッティントンは言いました。 「私たちはそれをフィットネスバレーと呼んでいます。」そのフィットネスバレーのどこかで出産しようとする動物は、産卵と出産の両方の利益を享受することなく、すべてのリスクを負う可能性があります. 「進化的に、それは非常に不利だと思います」と彼女は言いました.
(有袋類は、これらのリスクのバランスをとるための新しい解決策を見つけました。彼らが産んだ若者は、未熟な状態では実質的に胎児ですが、その後、母親の袋の中で発達を終えます。このようにして、母親は自分の子どもを運ぶことによる保護上の利点を提供できます。彼女の体の中にフルサイズの新生児を収容する必要なく満期まで。)
男性の適温
科学者は、これらの出生戦略の発達上の制約と要件についてまだ学んでいます.たとえば、卵の殻の厚さを考えてみましょう。酸素は母体の血流を通って卵子に到達する必要があるため、産卵前の薄い殻は有利です。しかし、外の世界では、より厚い殻が捕食者から身を守るのに役立ちます.あまりにも早く産まれた卵は生き残るには薄すぎる可能性があり、遅すぎる産卵は胚の指数関数的に増加する酸素需要を満たすには厚すぎる可能性があります.微調整されたバランスです。
Nature に掲載された論文で 2009 年、Organ と彼の同僚は、種が生児として進化する前に、子孫の性別を遺伝的に決定する能力を進化させる必要があることを示しました。多くの生物の性別は状況に応じて決まります。環境要因、特に温度によって、胚がオスになるかメスになるかが決まります。オルガンのチームは、遺伝子を使用して性別を決定することと、生きた若者を出産することとの間に強い統計的関連性があることを示しました。 「これは生物学者が観察的に知っていたものですが、厳密にテストされたことはありませんでした」とオルガンは言いました.
ウミガメについて考えてみましょう。 「彼らは陸上ではほとんど動き回ることができませんが、産卵のために浜辺にやってくるのです」と彼は言いました。すべての卵を水中に産むと、地上よりも温度勾配がはるかに小さいため、さまざまなオスとメスが生まれる可能性が低くなります。
しかし、遺伝子によって性別を決定する能力を進化させた海洋生物種は、陸上に足を踏み入れる必要がなくなり、水生生物に完全に適応できるようになります。オルガンと彼の共著者が彼らの論文に書いたように、「陸に移動して営巣する必要性から解放され、遠洋のライフスタイルへの極端な身体的適応が各グループで進化しました。魚竜[先史時代の海生爬虫類のグループ]。」
その出版の時点で、科学者たちは、魚竜の爬虫類の祖先が陸上から海に移動した後にのみ、出生が進化した可能性があると考えていました。しかし、2 億 4800 万年前の化石の発見がそれを変えました。 PLOS ONE に掲載された論文 2014 年、研究者は、出産中に死亡した魚竜の化石について説明しています。驚くべきことに、この化石は、新生児が母親の骨盤から頭から出てきた正確な瞬間を捉えていました。その姿勢が物語っています。ほとんどの胎生の海生爬虫類は、分娩中に母親から酸素を引き続けることができるように、尻尾から生まれます。頭から出生した位置は、魚竜がさらに古い土地の祖先から生きた誕生を受け継いだことを示しています。したがって、陸生爬虫類は、少なくとも 2 億 5000 万年前から生きた子供を産んでいた可能性がありますが、乾燥した土地で生まれた最古の化石は、それほど昔のことではありません。
卵、赤ちゃん、またはその両方
生きた誕生または産卵は、種にとって決定的などちらかまたは両方の選択のように思えるかもしれませんが、驚くべきことに、それが常に当てはまるとは限りません。ウィッティントンと彼女のチームは、オーストラリアのスリートゥエドトカゲ (Saiphos equalis) を研究しています ）、卵を産むことも出産することもできるという顕著な特徴を持つトカゲ。他のいくつかのトカゲの種は、通常は異なる環境で両方を行うことが知られていますが、ウィッティントンの研究室では、研究者はスリートゥエドトカゲが 3 つの卵と 1 つの生きた赤ちゃんからなる同腹子を産むことを観察しました。 「私たちは本当にびっくりしました」とウィッティントンは言いました。
最近の分子生態学 、ウィッティントンと彼女のチームは、卵を産むトカゲの母親と生きた子供を産むトカゲの母親との間の遺伝子発現の違いについて説明しています。 1 つの種の中で、卵を持つ雌と持たない雌との間には、このような違いが何千もあります。これは、子宮が卵子を収容する時期になると、特定の遺伝子のスイッチがオンになるためです。同じことが、胚を保護している子宮にも当てはまります。重要なのは、これらのケースでスイッチがオンになる特定の遺伝子が大きく異なることです.
しかし、トカゲでは、母親が卵を産むときにスイッチがオンになる多くの遺伝子が、胚を持つ母親でもスイッチがオンになります。この発見は、このトカゲが産卵と実生の間の移行状態にあることを示唆しています。
トカゲがどちらの方向に進化しているかを言うことは不可能であり、まだ決定されていない可能性があります. 「進化は方向付けられたものではなく、ランダムなプロセスです」とウィッティントンは言いました。 「環境の変化により、選択の方向が変わり、逆に押し戻される可能性があります。」
トカゲが生きている産卵から離れて産卵に戻る可能性があるという考えは、この分野では比較的新しい開発です。 「20 年前、私たちは産卵が再進化するのは難しい、あるいは不可能だと考えていました」とウィッティントンは言いました。しかし、それ以来の研究の増加により、それが非常に一般的である可能性があることが示されています.種間の遺伝的関係の最近の分析により、特定の卵層が、生きている隣人の進化ツリー内に深く入れ子になっていることが明らかになりました.
ウィッティントンの研究は、さまざまな生物種の共通点を理解したいという欲求に突き動かされています。 「出生を可能にした遺伝子ツールキットとは?」彼女は尋ねた。 「胎生について基本的なルールはありますか？進化したときに同じ遺伝的指示を使用しますか? [異なる種] は同じ問題を抱えていますか?」
彼女が答えを求めて研究しているのは、トカゲだけではありません。タツノオトシゴは、オスが妊娠することが知られている唯一の動物です。メスは、受精と発育のために自分の卵を仲間の袋に移します。ウィッティントンのタツノオトシゴに関する研究は、オスが他の多くの種のメスが生きた若い子を産むために行うのと同じ遺伝子を活性化することを明らかにしました。 「私たちはさまざまな性別について話している。まったく異なる組織について話しているのです。私たちは、この形質が何百万年も離れた完全に異なる種で進化したことについて話している. 「これは、何百万年もの間実行されてきた、これらの驚くべき自然複製進化実験を行っているようなものです。」
