顎と歯を持つ最初の脊椎動物
4億年以上前、板皮類（体が骨の板で覆われた装甲魚）は、地球上で初めて顎と歯を発達させた脊椎動物となった。この進化的なマイルストーンは恐竜より数億年も前のことであり、その後に続くほぼすべての咬む、噛む、飲み込む動物、人類を含む、の基盤を築いた。
フリンダース大学による新しい研究は、これらの古代の捕食者が実際にどのように口を使っていたかを再構築した。現在の西オーストラリア州北部をかつて覆っていた古代の礁の化石を用いて、研究者たちは約3億8500万年前に生息していた板皮類が、反撃する獲物に対処するために1つではなく2つの別々の解決策を採用していたことを発見した。
装甲を破るための2つの戦略
中心的な発見は、異なるサイズの種間での摂食器官の分裂である。研究で調べられた小型の板皮類は、一度の咬みつきで獲物全体を粉砕できる広く平らな砕食板に依存していた。大型種はまったく異なる道をたどり、飲み込むには大きすぎる殻や装甲を持つ動物を piercing し、分解できる武器のような歯を進化させた。
どちらのアプローチも、硬い外殻を通り抜けて内部の軟組織に到達するという同じ基本的な問題を解決したが、解剖学的な答えはまったく似ていない。一方は粉砕プレスである。もう一方は piercing する道具のセットである。
単一の骨ではなく対になった板から作られた顎
板皮類の摂食を理解するには、現代の動物から得られる仮定を脇に置く必要がある。食事と頭蓋骨の形状の関係を研究する筆頭著者のレックス・ミッチェル博士が説明したように、板皮類は人間を含むほとんどの現生脊椎動物のように単一の下顎骨を持っていなかった。代わりに、彼らの顎は軟骨に支えられた対になった骨の板から組み立てられており、それらの板の咬合面は広い砕食プラットフォームから歯のような構造が並ぶ鋭い切断エッジまで多様であった。
その多様性こそが、このグループを研究する価値のあるものにした。単一の顎骨が解剖学を制約しなかったため、板皮類は数百万年の進化の中で幅広い機械的設計を自由に探求することができた。
コンピュータシミュレーションで古代の咬みつきを再構築する
それらの設計が実際にどのように機能したかを解明するために、研究者たちは有限要素解析技術とコンピュータベースのシミュレーション、および咬合面の3次元解析を組み合わせた。工学から借用した有限要素解析は、構造を多くの小さな部分に分割し、力がどのように伝わるかをモデル化する。これは、顎が硬い殻の獲物を割る際の応力に耐えられるかをテストするのに適したアプローチである。
これらのツールを用いて、チームは8種の板皮類の摂食行動を再構築し、それぞれが先史時代のオーストラリアの海洋生態系で食物をどのように処理したかの全体像を構築した。
結果は研究者たちが予想したパターンとは一致しなかった。この研究に関わったARCフューチャーフェローのアリス・クレメント博士は、硬い食物を食べる動物は通常、より強力な顎とより広く平らな砕食面を進化させると指摘した。彼女によれば、その予想はこの分析では見られなかった。大型種は補強された平らな板ではなく、 piercing する器官に投資していたのである。
硬い食物を食べる動物における予想外のパターン
この不一致は重要である。なぜなら、食事が解剖学を形作るという整然とした規則を複雑にするからである。硬い食物の専門家が通常、同じ頑丈で平らな上部の顎の設計に収束するなら、板皮類の礁コミュニティは真の代替案を表している。装甲を割るための単一の最適解ではなく、ここでの進化は部分的に体サイズの境界に沿って分かれた二本立てのシステムを生み出した。
再構築された咬合力学に基づくもっともらしい解釈の一つは、2つの戦略が獲物の硬さの違いではなく、獲物のサイズの違いに適していたということである。小型の魚は砕食板で獲物全体を仕留めることができた。大型の魚は、飲み込める大きさを超える装甲動物を無力化し分解する必要があり、鋭い歯のような構造が広いプレスよりもその目的により適していた。
初期の顎の特殊化への貴重な窓
クレメントは、板皮類が脊椎動物の初期進化の間に顎の形状と咬合器官の驚くべき範囲を実験していたと述べ、それが彼らを異常に価値のあるケーススタディにしている。彼らは顎そのものの起源に非常に近い位置にあるため、初期の脊椎動物の口器の一部が特定の食事にどのように特殊化したかについての証拠を保存している。この移行は、そうでなければ直接観察するのが難しい。
古代の礁の環境はその価値をさらに高める。化石は複数の板皮類種を同時に支えた豊かな海洋生態系から来ており、異なる摂食戦略が長大な時間によって隔てられていたわけではないことを意味する。それらは共存していた。
この研究が切り開くもの
Scientific Reportsに掲載されたこの研究は、化石の解剖学と計算モデリングを組み合わせる価値を示している。顎骨の伝統的な記述は形状を明らかにできるが、機械的性能は明らかにできない。応力とひずみのシミュレーションにより、研究者は特定の構造が特定の種類の獲物を現実的に粉砕、切断、または piercing できるかをテストできる。
その組み合わせを8種に適用することで、単一の古代の礁における食性の分割の証拠が得られた。また、このパターンがどれほど広範だったか、地球上の他の場所の板皮類が同様の線に沿って摂食戦略を分けたか、そしてその変異のどれだけが利用可能な食物の硬さではなく体サイズに起因するかについて、さらなる疑問を提起している。
明らかなことは、最初の顎を持つ脊椎動物が単一の進化の道に縛られていなかったということである。一つの系統の中で、一つの礁で、約3億8500万年前、咬むための機構は少なくとも2つの実用的な設計に分岐した。一つは粉砕するために作られ、もう一つは穿刺するために作られた。
主な発見の概要
- 板皮類は4億年以上前に顎と歯を進化させた最初の脊椎動物であった。
- フリンダース大学の研究者たちは、現在の西オーストラリア州北部にある古代の礁で約3億8500万年前に生息していた8種を分析した。
- 小型種は広く平らな砕食板を使って獲物全体を粉砕した。
- 大型種は、飲み込むには大きすぎる装甲獲物を piercing し分解するために武器のような歯を進化させた。
- 板皮類の顎は、単一の下顎骨ではなく、軟骨に支えられた対になった骨の板から作られていた。
- 有限要素解析、コンピュータシミュレーション、3D表面解析を組み合わせて摂食力学を再構築した。
この記事はPhys.orgの報道に基づいています。元の記事を読む。
Originally published on phys.org
