なぜこんなにたくさんの鳥がいるのですか？

現在、地球上には何千もの鳥類が生息しています。その数は「種」の定義によって異なりますが、約 10,000 種から 18,000 種に及びます。化石記録によると、この羽毛のある飛翔性の多様性のほとんどすべてが、6,600 万年前の最後の大量絶滅の余波の中で出現しました。このとき、小惑星が地球を揺さぶり、非鳥類恐竜を絶滅させました。ニワトリ、ダチョウ、アヒルのような動物など、ほんの数種の鳥類が絶滅ラインを超え、鳴鳥からカラス科の鳥類、オウムまで、目もくらむほど多様な現代の鳥類が誕生しました。

しかし、この急速な進化がどのように展開したかは、長年の生物学的謎であった。新しい研究は、この鳥類の増殖に光を当てている。科学者は、7月31日にサイエンス・アドバンス誌に発表された研究で、白亜紀の突然の火の時代終焉に関連する鳥類系統樹全体のDNA変化のパターンを報告している。ミシガン大学の進化生物学者で、研究の筆頭著者であるジェイコブ・バーブ氏によると、これは絶滅イベントが直接の原因となった鳥類ゲノムの大きな変化の証拠としてこれまでに発表された最初のものだという。

[関連: 私たちは鳥について大いに間違っていました]

「私たちは新しい統計モデルを使って、これまでは検出できなかった配列のこの特定の種類のパターンを検出しています」とバーブ氏はポピュラーサイエンス誌に語っています。 「これにより、鳥類のゲノムの大きな変化をこの大量絶滅イベントと直接的かつ非常に明確な方法で関連付けることができるようになりました。これはこれまでは不可能でした」と同氏は付け加えています。そして、研究によると、これらの遺伝子シグネチャーはランダムではありません。バーブ氏と同僚による二次分析によると、観察されたDNAシフトは、鳥類の成功と多様化の鍵となった可能性のある体の大きさと親の世話の変化に関連しています。

白亜紀の終わりと古第三紀の始まりを告げる絶滅は、明らかな痕跡を残している。まず、メキシコにある幅6.2マイルのチクシュルーブ・クレーター。そして地質学的記録には、イリジウムを豊富に含む岩石の明確な層であるK-Pg境界がある。もちろん、ティラノサウルス・レックスが歩き回っているのが目立たないことも目立つ。（恐竜を悲しむ必要はない。結局のところ、鳥も恐竜なのだから）。今、研究者たちは、単一の大きな小惑星が地球にどれほど影響を与えてきたかというパズルのもう1つのピースを発見した。

「一般的に、私たちはこれらの絶滅イベントが現代の多様性を形作る程度を過小評価してきたと思います」と、英国バース大学の古生物学者で進化生物学者のニック・ロングリッチは言う。ロングリッチはバーブの研究には関わっていないが、以前には白亜紀から古第三紀の境界を越えられなかった鳥を研究していた。「私たちは日常の小さな突然変異、いわゆるミクロ進化に注目しがちですが、長い時間をかけて振り返ってみると、これらの非常に極端でまれなイベントが地球上の生命の進化を促進する上で非常に重要であったことがわかります」。新しい研究で「興味深いのは、それを検出できることです」と彼は付け加えた。

科学者たちは、博物館の標本から収集された、鳥類の系統全体にわたる198種の現代の鳥類の部分的なゲノムサンプルをコンピューターモデルで分析した。特定の系統の出現時期に関する化石記録の情報と組み合わせることで、ベルフ氏と彼の同僚は進化の変遷の歴史を再構築し、「ゲノムの化石」を発見することができた。

過去の同様の分析では、A、T、G、Gの比率は進化を通じて比較的安定しており、置換はランダムにしか起こらないといった仮定に基づいて構築されたモデルが使用される傾向があった。しかし実際には、TがAに変わるよりもCに変わる可能性の方がはるかに高いと、研究の共著者でカリフォルニア州立大学ドミンゲスヒルズ校の進化遺伝学者であるソナル・シンガル氏は言う。同氏によると、今回の研究では、こうした標準的な仮定を含まず、DNA構成の最も起こりやすい変化を考慮したモデルを使用するという異なるアプローチを採用したという。

この改良モデルにより、研究者たちはデータセット内の分子構成における 17 の大きな変化を特定しました。そのうち 15 は K-Pg 絶滅から 500 万年以内に集中しており、12 は鳥類の系統間の分岐に直接関連していました。「[DNA] 構成におけるこれらの大きな変化が非常に短い間隔で起こっていることは非常に明白です」と Berv 氏は言います。

そこから、科学者は機械学習モデルを使用して、観察されたゲノムシフトと特性を関連付けました。彼らは、体の大きさと親の世話がこれらの DNA の変化に大きく影響されていることを発見しました。研究者が調査した分類群全体で、鳥は大量絶滅に関連する遺伝子シフトの後、小型化し、孵化したばかりの鳥は羽化時に成熟度が低くなり、親の世話にさらに依存していることを発見しました。卵の数と穀物食、つまり種子食も、観察された DNA の変化と有意に関連していました。

巨大な小惑星の衝突直後の生活は厳しい。「美しい森と豊富な食料のある、白亜紀の晴れた快適な日々に慣れていたのに、突然、この地獄のような風景に遭遇するのです」とコネチカット州ブルース博物館の古生物学者で学芸員のダニエル・クスペカ氏は言う。クスペカ氏は今回の研究には関わっていないが、以前に鳥類の多様化を研究したことがある。「この研究が絶滅イベントに関連する形質の変化を特定するのは、非常に理にかなっています」と同氏はポピュラーサイエンス誌に語り、突然、はるかに厳しくなった現実に対処するには、サイズと親の世話が重要な形質であった可能性が高いと指摘した。小型の鳥は必要な食料と燃料が少なく、少ない量で生き延びることができる。また、以前の研究では、未成熟の孵化したばかりの鳥は直感に反してより早く発育し成長することが示されており、これもまた、何世代にもわたる繁殖成功率を高める鍵となった可能性がある。

種子食の増加は特に興味深い発見だとクセプカ氏は言う。白亜紀末期に火山灰が太陽光を遮ったため、多くの植物が枯れたり、生育できなくなったりした。しかし、種子は少なくとも数年間は食料源として残っていただろう。遺伝子データにおける穀物食の増加は、嘴のある鳥が他の鳥にはできない資源を利用できる能力があったために生き残り、多様化したという既存の理論を裏付けている。

大量絶滅は、新しい生物が進化し、満たされていない生態学的地位を奪うための大量の機会を生み出すことは長い間理解されてきました。たとえば、6600万年前に小惑星の衝突がなかった世界では、おそらく哺乳類の数ははるかに少なかったでしょう。しかし、絶滅の機会の名残が根深く残り、今後何百万年も続く道筋を根本的に決定する可能性があるかどうかについては、あまり議論されていません。「主要な鳥類グループの進化の軌跡はコード化されており、その時点から固定されています」とベルフ氏は言います。彼の研究はそれを実証しています。

[関連:現生の鳥類はすべて「虹色」の祖先を共有している]

しかし、この新しい研究で解決されていない疑問もいくつかある。完全ゲノムではなく部分ゲノムに依存しているため、チクシュルーブ衝突の結果として発生した可能性のある主要な遺伝子変化をすべて特定しているわけではないとベルフ氏は指摘する。同氏は戻って同様の分析を全ゲノムレベルで実施したいと考えているが、現在、そのために必要な計算能力がない。

また、遺伝子モデリング研究には誤差が組み込まれています。化石記録は不完全であり、6600万年前に何が起こったかというレンズを通して現代の遺伝子データを分析することは、パラダイムシフトを起こす最近の発見に代表されるように、多くの不確実性を伴います。「これらのモデルと物事を再構築する試みは、神の真実ではありません」とロングリッチは言います。彼は、この研究がこの新しい方法を使用し、K-Pg境界で鳥類の進化がどのように起こったかについての仮説を提示する最初の試みとして説得力があると感じていますが、それが最終的な結論であるとは完全には確信していません。科学は進行中の流動的なプロセスです。そして、1つの研究で仮説が事実として固まることはないとロングリッチは指摘します。「この系統発生が正しいと命を賭けるつもりはありません。しかし、正しいとあなたにビールを賭けるつもりです。それはそのレベルの自信です」と彼は言います。「白亜紀には、私たちがまだ分類しようとしている化石があります。しかし、これは本当に興味深い最初のステップです。」

今後、さらにステップを踏んでいけば、はるか昔のことや、それが現在にどう影響しているかについて、さらに深く理解できるようになるでしょう。いつの日か、それが未来を解明する助けになるかもしれません。「生命の進化が地球の歴史における大きな変化とどう結びついてきたかを理解することは、生物学における基本的な問題です」とバーブは言います。ある研究では、人間が引き起こした新たな大量絶滅がすでに進行していることが示されており、鳥の進化は、その後に備えるためのロードマップを提供してくれるかもしれません。「生命が現在および将来の出来事、たとえば気候変動のような大規模な出来事にどう反応するかを知りたい場合、頼れる唯一のリソースは歴史です。」