鳥瞰図:血管のないコンゴウインコはどのように見えるのか|生き物

鳥の網膜は、動物界で最もエネルギー的に高価な組織の 1 つですが、酸素というエネルギーの利点を利用していません。新しい研究により、これがどのようにして可能なのかがついに説明されました。

血管が見えない、赤と緑のコンゴウインコの目。酸素なしで鳥の目はどのようにして機能するのでしょうか?

レオナルド・ラモス

はじめに

検眼医があなたの目に明るい光を当てると、視界に広大な枝分かれした木が芽吹きます。これが血管の影です。私たちは通常、それらを知覚することはできませんが、これらの血管は常に私たちが見ているものの一部を遮っていますが、それには重要な理由があります。それらは、光信号を脳に伝える目の奥にある神経組織の薄い層である網膜に電力を供給します。

網膜は、身体の中で最もエネルギー的に高価な組織の 1 つです。場合によっては 100 種類を超える異なる種類のニューロンの複雑なネットワークから構築されている網膜組織は、同じ質量の典型的な脳組織よりも 2 ～ 3 倍多くのエネルギーを消費します。私たちの網膜を含むほとんどの脊椎動物の網膜には、酸素やエネルギーを生成するためのその他の成分を届けるために、密に分岐した血管網があり、溝ができているのはこのためです。

しかし、このルールには重大な例外があります。鳥の網膜にはほとんど血管がありません。鳥の並外れた視力を考えると、これは特に奇妙に思えるかもしれません。オーフス大学の進化生理学者クリスチャン・ダムスゴー氏は、鳥の網膜は「動物界で最も代謝が活発な組織の1つであるが、明らかな血液灌流がなくても機能していた」と述べた。「それは完全な矛盾でした。」このことは何世紀にもわたって科学者らを困惑させてきましたが、彼らは鳥の網膜は独自の未発見のプロセスを通じて酸素を獲得するに違いないと考えていました。

ダムスゴー氏は、ネイチャー誌に掲載された研究の筆頭著者です。 2026年1月の研究では、鳥の網膜が酸素を獲得するための特別な適応を持っておらず、酸素がまったくなくても生存できることが初めて示された。代わりに、組織にエネルギーをもたらすために、嫌気性解糖と呼ばれるプロセスが使用されます。このプロセスは、酸素による代謝よりも効率が大幅に劣りますが、仕事を完了します。

進化生理学者クリスチャン・ダムスガードは、鳥の目のガス交換をマイクロセンサーで測定しました。驚くべきことに、非常に活動的な組織である網膜の内側は酸素を使用しませんでした。

ジェスパー・エクマン

組織が酸素なしでどのように生存できるかを研究することで、研究者は脳卒中などの酸素欠乏状態を治療する治療法を開発できる可能性があります。より根本的には、彼らは進化の限界を理解したいと考えています。

「人生の極限とは何でしょうか？」ダムスガード氏は語った。「代謝活性の高い組織が実際に生存できる条件をどこまで曲げることができるでしょうか？」

鳥はかなり遠くまで曲げることができると彼は学びました。

酸素のある生活

約34億年前、シアノバクテリアが光合成を発明しました。最初はゆっくりと、その後急速に、太陽光からエネルギーを作る新しく進化した方法が成功し、普及しました。この細胞は、光合成の副産物である大量の酸素を大気中に送り込み、地球上の生命の流れを変えました。

酸素分子は細胞内でのエネルギー生産を極めて効率的にします。エネルギーを抽出するために、細胞はグルコース分子を 2 つのピルビン酸分子に分解します。このプロセスでは、生命の普遍的なエネルギー通貨である ATP (アデノシン三リン酸) の 2 分子が放出されます。酸素が不足している細胞はここまでしか進むことができません。しかし、酸素はピルビン酸を分解し、さらに 30 分子の ATP を生成するさらなる生化学反応を可能にします。言い換えれば、酸素の存在により、単一のグルコース分子からのエネルギー抽出の効率が 15 倍、場合によってはそれ以上になります。

この高山鳥類 (カラスの仲間) などの鳥は、その優れた視力を利用して狩り、採餌、移動を行います。このエネルギー的な能力は、非効率的な代謝によって強化されています。

ジャン＝ポール・ウェットスタイン

好気呼吸のプロセスを通じた酸素のエネルギー的利点は、変革をもたらしました。酸素が大気中に浸透すると、進化はそれを利用できる生物を選択しました。ベルリンのマックス・デルブリュックセンターの分子生理学者ゲイリー・ルーウィン氏は、「私たちは何百万年もの間、（大気中の）20％の酸素に夢中になってきた」と語る。この大酸化現象の後には、酸素を利用する生物が他の生物を圧倒したため、大量絶滅が起こりました。特定の細菌などの一部の生命体は酸素なしでの生活に適応していますが、すべての複雑な多細胞生物は生き残るためにそのエネルギーの利点を必要とします。

人間や他のほとんどの動物は、酸素がほとんど、あるいはまったくなくても生きられるのはせいぜい数分間です。低酸素条件に対する耐性が最も高いことが知られている哺乳類はハダカデバネズミで、地下の巣穴で無酸素空気を呼吸しても最長18分間生存することができます。淡水ガメや金魚など、一部の冷血水生生物は、凍った湖の底の低酸素条件下でも 1 ～ 2 年生き続けることができます。しかし、ほとんどの動物にとって、酸素の安定した供給は必須です。

酸素がないと、特に脳などの代謝を必要とする組織において、さまざまなプロセスが停止します。そのエネルギーがなければ、私たちの細胞は機能不全に陥り、死んでしまいます。

ハダカデバネズミは酸素なしでも18分間生存できます。酸素なしでエネルギーを生成するために、フルクトースを燃料とする嫌気性解糖を使用します。

ハビエル・アバロス

謎の建造物

2019年にダムスゴー氏が鳥の網膜には血管がないことを知ったとき、混乱したのはこのためだ。この高エネルギー組織は、酸素なしでは、ましてや、目の鋭い鳥類で観察されるレベルで機能することはもちろん、どのようにして生き残ることができるのでしょうか?

彼はこのテーマに関する膨大な研究を熟読したが、そのすべてが尖眼として知られる鳥の目にある神秘的な構造を指摘していた。 17 世紀に解剖学者がこの珍しい臓器を初めて説明しました。それはラジエーターのように見え、櫛のように見え、血管がリベットで留められ、大きな表面積を持っていました。その後何世紀にもわたって、研究者たちは、それが鳥の目の網膜組織に酸素を運ぶのに役立つかどうかについて議論しました。ダムスゴー氏は、解剖学だけを基にして、櫛目眼の機能について約 30 の異なる理論を読みました。

「この構造について実際に直接生理学的測定を行った人は誰もいませんでした」と彼は言いました。「そこが私たちの出番です。」

マーク・ベラン/クアンタ・マガジン

脊椎動物とその環境の間の酸素や二酸化炭素などのガスの交換を研究している彼の研究室では、ダムスガード氏のチームはマイクロセンサーを使用してキンカチョウ、ハト、ニワトリの網膜の酸素レベルを測定した。実際、網膜の内側には血管が完全に存在しないため、酸素が存在しないことがわかりました。 (彼らは、いくつかの血管がある目の奥の網膜外側の酸素を測定しました。)

それは「衝撃的だった」とダムスガード氏は語った。「網膜の半分は慢性的な酸素欠乏状態にあり、酸素がまったく存在しません。」

研究者らは、細胞イメージングとRNA配列決定を組み合わせた方法である空間トランスクリプトミクスを使用して、網膜組織のさまざまな部分でどの遺伝子が活性であるかをマッピングした。典型的な好気呼吸に関連する遺伝子は、血管がある網膜の外側で発現されました。酸素が枯渇した網膜内部では、嫌気呼吸に関連する遺伝子だけが活性化していました。

栄養素の経路を追跡するために、ダムスゴー氏と彼のチームは、無酸素代謝の専門家である癌科学者と協力しました（腫瘍細胞はエネルギーを作るために嫌気性解糖を使用することがよくあります）。彼らは、網膜の内側が鳥の脳の他の部分よりも 2.5 倍多くのグルコースを必要とすることを発見しました。

次に彼らは尖頭眼を検査した。彼らの空間トランスクリプトミクスデータは、そこでグルコースの遺伝子が非常に活性であることを示しました。これは、この奇妙な構造が鳥の網膜に酸素を取り込んでいないことを示唆している。むしろ、グルコースを送り込むのを助け、それによって効率の低い嫌気性プロセスを可能にしていました。

嫌気性解糖系の副産物として乳酸が生成され、蓄積して有毒となる可能性があります。研究者らはまた、乳酸トランスポーター（乳酸を組織の外に移動させる分子）の遺伝子が櫛目で活性化していることも確認した。

血管のない鳥の目の多様性（左から右）。上：カツオドリ、ワシミミズク、マグアリコウノトリ。中央：オンドリ、イワトビペンギン、オウム（種類不明）。下:ハクトウワシ、ルリコンゴウインコ、種不明。

(左から右へ) トップ:クリス・ヘリアー、イジー・ドチカル、アネット・ロジンスキー。中央：モハメッド・ブルザン、ニコ・マリン、シャムリ・カシャップ。下:インゴ・ドエリー、デヴィッド・クロード、ハサン・アルマシ

この研究には関与していないサセックス大学の神経科学者トーマス・バーデン氏は、「彼らの発見は、嫌気性解糖系をサポートする尖眼の役割についての説得力のある証拠を提供するものであるが、それは「長い間謎であった」と述べた。「網膜が、少なくとも一部の層では、基本的に酸素がなくなるという洞察は驚くべきものです。…本当に正しくゼロになります。」

この経路はがん細胞によって使用され、また、ランニング中など、筋肉が緊張して十分な酸素が得られなくなったときに一時的に筋肉によって使用されます。しかし、完全な無酸素状態で生涯生存できる脊椎動物の組織は知られていません。

鷹のような目

この鳥の網膜とその無酸素電力システムは非常に珍しいため、どのように進化したのかという疑問が当然生じます。

これは「一連の美しい実験だ」と、この研究には関与していないカリフォルニア大学バークレー校のカルティク・シェカール氏は語った。これは、動物が脊椎動物の目（その起源は約5億6000万年前の原始的な生物の光に敏感な斑点にまで遡る、高度に保存された構造）をどのようにして取り込み、動物自身のニーズに合わせて改造したかを示す一例だ。同氏は、フランスの生物学者フランソワ・ジャコブによる1977年のエッセイ「進化といじくり」を引用しながら、「進化というのは実際には発明家のようなものではない。むしろいじくり回しのように振る舞う」と述べた。「ずっと前から存在していたパーツを取り出して、再結合し、再発明し、再形成します。」

研究者らは、鳥の網膜の酸素レベルを、それほど遠くない親戚である2種の爬虫類、チャイニーズイシガメと広い鼻を持つカイマンの酸素レベルと比較することで、尖眼がいつ発生したのかを正確に特定しようと試みた。爬虫類の網膜は正常な酸素レベルを有しており、嫌気性解糖の兆候はありませんでした。このことからダムスゴー教授の研究チームは、鳥類の系統がワニから分かれたがまだ現生の鳥類に進化していなかった恐竜時代のある時点で、酸素のない組織が進化した可能性が高いと結論づけた。これは、網膜が厚くなったのとほぼ同じ時期でした。

それでも、その大まかな時間推定では、どのような進化圧力が異常な網膜組織を選択したのかを説明することはできません。研究者は推測することしかできません。「このシステムは、獣脚類恐竜において、獲物を追跡し、仲間を識別するための鋭い視覚の選択に応じて進化したのだと思います」とダムスガード氏は示唆した。その後、鳥が空に飛び立ったとき、酸素レベルが低い高高度飛行中に「網膜機能を維持するための生理学的基礎として機能した」と彼は推測しました。

血管の欠如により、鳥は視力が向上するという利点も得られる可能性があります。鳥の網膜は複雑で、世界を高解像度で表現するために機能する 100 種類以上の細胞が密集しています。鳥は、狩猟や採餌に優れた視覚を使います。フクロウが空からネズミを追跡したり、アホウドリが海面で魚の気配を観察したり、ハチドリが毎日何百もの花を探していることを考えてください。また、渡りの際に風景中のランドマークを追跡することもできます。血管が視界を妨げなければ、鳥の網膜細胞はより多くの視覚情報を取り込めるようになる可能性があります。

これは適応なのでしょうか、それとも進化の歴史の偶然なのでしょうか?鳥の驚異的な視覚がどのように進化したのかを確かに知る方法はありません。「私たちの周りにずっと残っている」謎があるとバーデン氏は言う。「鳥の目はなぜ特別なのでしょうか?」彼らの網膜力システムは、彼らがなぜそれほどユニークなのかを説明できるかのように思えます。しかし、生理学者のルーウィン氏は、研究者たちが渡り鳥の種をまったく調べていないことを考慮すると、結果や解釈をすべての鳥に拡大しすぎることには慎重だという。

その意味は鳥の生物医学への適応をはるかに超えています。多くの病状に共通するのは組織への酸素供給の低下で、発生場所によっては傷跡や脳損傷につながる可能性があります。ルーウィン氏によると、人間の脳はおそらく1分間の完全な無酸素状態に耐えることができるという。これが、脳の一部への血液と酸素の供給を遮断する脳卒中を非常に悲惨なものにしている理由です。ハダカデバネズミや鳥などの生物の低酸素状態を研究することで、科学者は組織がどのように低酸素状態に耐えられるかについて洞察を得ることができます。

「おそらく、自然が何百万年にもわたる自然選択によってこれらの問題をどのように解決したかについてインスピレーションを得られるかもしれません」とダムスゴー氏は言う。「人間にはできないことをできる動物たちから学ぶべきことはたくさんあります。」

クアンタニュースレター

メールの受信箱に配信される最も重要なニュースのハイライトを取得します