気候による絶滅で哺乳類の歯の奇妙さは軽減された

2021年11月2日午前8時

化石は、3000万年前に種の多様性、そして歯の多様性が突然崩壊したことを示しており、気候、食生活、生存の間に関連があることを示唆している。

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ドリエン・デ・フリースは、世界を飛び回って他人の歯に触れる前に、必ず許可を求める。歯の持ち主の中には不安を抱える人もいる。彼らの歯は脆く、かけがえのないものだからだ。しかし、古生物学者であるデ・フリースは、彼らを安心させる。彼女は細心の注意を払う方法を熟知している。「歯医者さんが使うのと全く同じなんです」と、歯の形状を写し取るために使う粘り気のあるペーストについて彼女は言う。「すぐに固まって剥がせます」。彼女は型を取り、レプリカの歯を3Dスキャンしてデジタルの永遠の宝物にする。

まあ、歯科医とは全く違うかもしれません。デ・フリース氏が研究している歯は最大5600万年前のもので、始新世後期、漸新世、中新世の哺乳類に属しており、現在は博物館や大学のコレクションに保存されています。

現在、英国サルフォード大学の博士研究員であるデ・フリース氏は、パリ、ケニア、米国各地を訪れ、これらの臼歯を調査した。これらの臼歯は、以前の持ち主が気候による絶滅を生き延びた理由、あるいは生き延びなかった理由を解明する確かな証拠となる。デ・フリース氏と南カリフォルニア大学の古生物学者エリック・ザイファート氏が率いるチームは、 Communications Biology誌に10月に発表した新たな研究結果で、およそ3000万年前にアフリカとアラビアで大量絶滅が発生したことを示した。彼らは5つの哺乳類グループの化石を使用し、その結果、それらの種の3分の2が絶滅したと示唆された。「これは非常に大きなことです」とデ・フリース氏は言う。「多大な多様性の損失です」

科学者たちは、3400万年前の始新世から漸新世への移行期に気候が寒冷化し、世界各地で絶滅が起きたことを知っている。しかし、この地域への関心が薄かったため、アフリカやアラビアの哺乳類も同様に絶滅したかどうかという問題は長年謎のままだった。「記録は非常に乏しい」と、オレゴン大学の古生物学者サマンサ・ホプキンス氏は言う。ホプキンス氏は今回の研究には関わっていない。

「アフリカは常に大きな疑問符がついていました」と、デ・フリースの元指導教官であるザイファートは語る。二人は、これは歯が解決できる問題だと考えていた。哺乳類の歯は非常に硬いため、化石化して現代まで生き残る可能性が最も高い部位だ。また、ザイファートが言うように、「歯は実に驚くほど多様です。ゾウからウシ、そして人間まで、歯は本当に劇的に異なっています」。歯は非常に異なっているため、進化の優れたシグネチャーとなり、種がいつどのように生き残り、絶滅したのかについての手がかりを提供してくれる。過去20年間で、デ・フリースが作成した歯のスキャンのような高解像度の3Dデータを解釈するコンピューターアルゴリズムの改良に支えられ、歯は進化の樹形図を解明するためのより優れたツールとなってきた。

「この研究の本当にエキサイティングな点は、彼らが、現在では化石記録がほとんど残っていない時代を理解するために、異例かつ非常に独創的な手法をとったことです」とホプキンス氏は語る。歯の記録を巧みに利用したこの研究は、地球の気候が過去の生存にどのような影響を与えたかを示しており、今日の動物が絶滅の危機に瀕している要因について重要な教訓を与えている。

3400万年前の地球は今より温暖で、そして今より不安定だった。パンゲア超大陸は分裂し、恐竜はとっくに絶滅していた。しかし、南極大陸には氷河のない森林が広がっていた。他の大陸は、現在の姿が押しつぶされ、塗りつぶされたような姿だった。哺乳類、特に霊長類と齧歯類はどこにでもいた。「ニューヨークからロサンゼルス、そして北はカナダまで、至る所で木々を跳ね回っていました」とザイファート氏は北米の霊長類について語る。「しかし、3400万年前にこの気候変動が起こった時、彼らは皆姿を消したのです」

一部の科学者は、大気中の二酸化炭素濃度が臨界閾値を下回り、平均気温が低下して南極が凍結したと考えています。より多くの氷が太陽光を反射し、気温はさらに急激に低下しました。始新世から漸新世への移行は、「温室」から「氷室」への移行と表現されています。

その後、アフリカでは事態はさらに悪化しました。約3100万年前、現在のエチオピアにある赤道付近の火山が爆発し、壊滅的な有毒ガスと、溶けた玄武岩の絶え間ない洪水が発生しました。

北米、ヨーロッパ、アジアの化石記録は、これらの出来事の前後1100万年間についてはかなり詳細に記録されています。科学者たちは化石を数え上げ、気候が寒冷化する前と後にどの動物が生息していたかを示し、何が失われたのかを解明することができます。しかし、ザイファート氏は「この時期のアフリカの化石記録は実に断片的です」と述べています。この矛盾がザイファート氏を悩ませたため、彼のチームは、入手可能な化石記録間の関連性を解析しようと試みてきました。

ザイファートとデ・フリースは、霊長類と齧歯類が分岐した7600万年前に遡る系統樹に焦点を当てました。具体的には、齧歯類の2亜目（ヒストリコグナス亜目とアノマル上科）と霊長類の2亜目（条齧歯類と類人猿下科）の歯を研究しました。これらの系統群は、カピバラ、ムササビ、キツネザル、そして私たち人間といった現生種の起源となっています。

研究者たちは、5600万年前から1500万年前までのこれらのグループの系統発生、つまり進化上の関係を示す家系図を再構築することを決意した。歯を「誰が誰であるか」を示すガイドとして使い、後期始新世に発見された化石から約2000万年前の中新世まで生き残った子孫に至るまでの系統を枝分かれさせていった。作業が完了すると、明らかな隔たりが浮かび上がった。中新世の系統は、それ以前の哺乳類の奇妙なほど小さな割合から派生していたのだ。研究者たちは、後期始新世に存在した系統の63%が次の時代まで生き残らなかったことを発見した。約3000万年前、環境の変化によってこれらの種は絶滅したに違いないと彼らは結論付けた。「他に説明のしようがありません」とザイファートは言う。「絶滅したに違いありません」

系統多様性は、気候変動によってどれだけの種が失われたのかという全体像を研究チームに与えたが、それらの種が互いにどれほど異なっていたのか、つまり、解剖学的多様性がどれほど絶滅したのかについては分からなかった。例えば、2種類の鳥が絶滅したシナリオを想像してみてほしいとデ・フリース氏は言う。その2種は、体型、遺伝子、あるいは生態学的地位において、非常に似ている可能性もあれば、大きく異なる可能性もある。「ハチドリとフラミンゴがいるのと、ハトとハトがいるのとでは、全く異なるのです」と彼女は言う。

哺乳類の生物多様性の絶滅についても、歯が記録を残した。多様な歯の形状は、いくつかの形に絞り込まれた。ストーニーブルック大学で博士号を取得していたデ・フリースは、研究に使用された134種を代表する329本の化石歯の約半数をデジタル化した。歯から型を採取した後、彼女はマイクロCTスキャナーを用いて型を分析した。この技術は、病院で受ける通常のCTスキャンよりも高解像度の画像を実現し、歯が系統間や時代によってどのように変化したかを客観的に記録することができる。彼女は歯のあらゆる凹凸や山、谷を調べ、湾曲度や鋭さを測定することができた。

これらの指標は、動物の咀嚼器官の複雑さを定量化できる可能性があります。歯の形状は、動物の食生活について多くのことを示唆します。果実を食べる動物は、丸みを帯びた突起、つまり咬頭を持っており、ベリー類を突き破ることができます。葉を食べる動物は、硬い植物細胞壁を引き裂く高く鋭い突起を持つ傾向があります。一方、非常に扁平な臼歯は、種子を砕くのに最適な地形です。しかし、この特化は問題となる可能性があります。例えば、扁平な歯を持つ霊長類は、一部の種子を勢いよく食べられますが、葉は苦手です。そして、気候の変化によって、動物が進化して噛むように進化してきたものが不足すると、彼らは飢えに苦しむことになります。

研究チームによる3Dスキャンの分析によると、この緩やかな大量絶滅の間に、特殊な歯を持つ多くの系統が絶滅した。セイファート氏にとって特に印象深いのは、アピディウム属のサルの一種だ。ヒトの上顎臼歯は通常4つの咬頭を持つが、この種は9つの咬頭を持っていた。「化石記録でも現生種でも、これほど奇妙な歯型は二度と見たことがありません」と彼は言う。セイファート氏は、このサルは果物や種子を食べていたと推測している。しかし、このサルはもはや存在しない。

デ・フリース氏によると、種の絶滅と歯の多様性の減少の間には「信じられないほど密接な」関連性があるという。絶滅によってこれらの哺乳類の系統樹の特定の系統が消滅したわけではなく、歯の形状や食性が一つでも消滅したわけではない。しかし、歯の形状によって食性が最も制限される特殊種は絶滅する可能性が高く、汎用種は影響を受けにくい傾向にあった。これは、マダガスカルに生息するキツネザルのように竹だけを食べる現代の種にとっては、それほど驚くべき警告ではない。気候変動によって竹が絶滅すれば、これらのユニークな生物は困窮することになる。

生き残った哺乳類についても、今回の研究結果は、地球寒冷化が始まった後に食生活が変化したことを示唆している。これは、より温暖な気候を求めて赤道に向かって移動したことによる可能性が高い。（ザイファート氏は、一部の地域はそれほど寒冷化せず、むしろ乾燥化が進み、森林にとってより住みにくい環境になった可能性があると指摘している。）例えば、一部の異常齧歯類（一部の鱗状の尾を持つリスの祖先）は、葉の多い食事や樹液に適した、より鋭い鶏冠を進化させた。これは、地上で生活していたヒストリコグナス類、カピバラ、モルモットの祖先との競争を避けるためと考えられる。

しかし、より多くの生物種が赤道に向かって移動したため、エチオピアの火山が噴火した。ザイファート氏は、気候と火山の組み合わせを、不運な生物種が逃れることのできない「ワンツーパンチ」と捉えている。系統樹と歯の形の多様性を示す図には、約3400万年前と約3100万年前に2つの明確な減少が見られ、これらの連続した災害を反映している。

オーストラリア、モナシュ大学の進化生物学者で、歯の分析を専門としているが、今回の研究には関わっていないアリスター・エバンズ氏は、「ダブルドロップ」を見たのは驚きだったと語る。「まさかこんなものがあるとは誰も思っていませんでした」とエバンズ氏は言う。

しかし、チームのデータは、多様性が二度崩壊することから、火山活動と地球寒冷化の大規模な影響を明確に示していると彼は付け加える。哺乳類が樹木に移動した時期の兆候さえも見ることができると彼は言う。それは、彼らの歯が葉を噛むためにどのように適応したかを示している、と彼は言う。「これは、古生物学的な時間、つまりより深い時間において、これらのパターンを実際に解明できるという私の自信を改めて裏付けています」と彼は続ける。

同様の分析は、生物学者が様々な時代を理解するのに役立つ可能性があります。例えば、白亜紀-古第三紀の大量絶滅（全種の75%が絶滅した）の後、哺乳類がどのように回復したかなどです。哺乳類の歯は、環境の空白を埋めるために種が進化したため、多様性が急増したことを示す可能性があります。

ザイファート氏は12月、この特定の期間のさらなる証拠を調査するためケニアに向かう。運が良ければ、哺乳類の進化の樹形図に新たな枝分かれを描くのに役立つ歯が見つかるかもしれない。尖った歯かもしれないし、丸い歯かもしれないし、平らな歯かもしれないし、あるいはこれまで見たことのないような歯かもしれない。

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