なぜこれほど多くの甲虫の種が存在するのでしょうか? | 科学

キャロライン・チャブーはカメムシについて話すとき、目を輝かせます。 宝石のように、それらは光沢のある青、赤、オレンジ、葉の緑、そして金が散りばめられた透明な色など、無数の明るい色で存在します。 彼らは、40,000 種のハムシのグループ、ハムシ科のメンバーであり、広大な甲虫目の甲虫目で最も種が豊富な枝の 1 つです。 「ゾウムシ、カミキリムシ、ハムシがいます」と彼女は言います。 「まさに、このトリオがカブトムシの多様性を支配しているのです。」

ネブラスカ大学リンカーン校の昆虫学者であるチャブーは、なぜ生命界がカブトムシにこれほど偏っているのか、長年疑問に思っていた。頑丈な体の生き物が全動物種の約4分の1を占めているからだ。 多くの生物学者は長い間、同じことを疑問に思ってきました。 「ダーウィンは甲虫の収集家でした」とチャブーは指摘する。

地球上の約 100 万種の名前の付いた昆虫のうち、約 40 万種が甲虫です。 そして、それはこれまでに説明したカブトムシだけです。 科学者は通常、毎年何千もの新種を報告します。 では、なぜカブトムシの種類がこれほど多いのでしょうか? 「正確な答えはわかりません」とチャブー氏は言う。 しかし、手がかりは出てきている。

1 つの仮説は、非常に長い間存在しているため、それらの数がたくさんあるということです。 「甲虫は3億5000万年前のものです」とメンフィス大学の進化生物学者で昆虫学者のデュアン・マッケンナは言う。 これは、既存の種が種分化したり、新しく別個の遺伝子系統に分かれたりするのに非常に長い時間です。 それに比べて、現生人類はわずか約 30 万年しか存在していません。

しかし、動物のグループが古いからといって、必ずしもそのグループの種が増えるとは限りません。 非常に古いグループの中には、種が非常に少ないものもあります。 たとえば、シーラカンス魚は約 3 億 6,000 万年にわたって海を泳ぎ続け、最大で約 90 種に達しましたが、その後、現在生息していることが知られている 2 種にまで減少しました。 同様に、トカゲに似た爬虫類のトゥアタラは、約 2 億 5,000 万年前に誕生し、かつては世界的に多様だった古代の爬虫類の中で唯一現存している種です。

カブトムシの種がこれほど豊富である理由について考えられるもう 1 つの説明は、カブトムシが古いことに加えて、異常な持続力を持っているということです。 「彼らは少なくとも2回の大量絶滅を生き延びてきた」とミネソタ大学博士研究員クリスティアン・ベザベザ氏は言う。 実際、2億8,400万年前のペルム紀にまで遡る絶滅を調査するために甲虫の化石を使用した2015年の研究では、絶滅の欠如は甲虫の種の豊富さを説明する上で少なくとも多様性と同じくらい重要である可能性があると結論付けている。 少なくとも過去の時代において、カブトムシは気候変動に応じて生息範囲を変える驚くべき能力を実証しており、これがカブトムシの絶滅からの回復力を説明する可能性がある、と著者らは仮説を立てている。

カブトムシの多様性の謎を複雑にしているのは、カブトムシの系統樹の一部の系統には他の系統よりもはるかに多くの種が存在するという事実です。 たとえば、器用に作られた排泄物の塊を転がして一生を過ごすフンコロガシは、多様性がそれほど高くありません。 「この科には約 8,000 種が含まれており、それほど大きなグループではありません」と地域生態学者は言う コロンビアのボゴタにあるエルボスケ大学のホルヘ・アリ・ノリエガ氏。

対照的に、カミキリムシとハムシを含む上科であるクムシ上科には 63,000 種が含まれ、その派手な虹色の色からタマムシとしても知られる金属製の木や葉に穴を開ける甲虫のグループであるタマムシ科には約 15,000 種が含まれています。

カブトムシの系統間での種の豊富さのこの大きなばらつきは、「どのグループにもうまく当てはまる説明は存在しない」ことを意味するとマッケンナ氏は言う。 それでも、全甲虫種の約4分の1を占める植物を食べる甲虫の間には、明確なパターンが現れつつある。 マッケンナらは、さまざまな甲虫系統の遺伝子分析に基づいて、甲虫の多様性を促進する主な要因が白亜紀の顕花植物の多様化であるという証拠を発見した。

約 1 億 4,500 万年前に始まった白亜紀の間に、新たな開花植物種が爆発的に地球の表面に広がり、多くの異なる生息地に植民地を形成しました。 今日、植物は地球上の生物の質量の約 80 パーセントを占めています。 植物を食物として最大限に活用することは、甲虫だけでなく草食動物の放射能を促進する生態学的戦略です。 アリ、ミツバチ、鳥、哺乳類などの種。

草食性甲虫の場合、最も種が豊富な系統には、植物の消化を可能にする興味深い遺伝子の組み合わせが組み込まれていることがマッケンナ氏によって発見された。 これらの遺伝子の多くは、植物の細胞壁の破壊を助ける酵素をコードしており、セルロース、ヘミセルロース、ペクチンなどの難消化性化合物に蓄えられた糖へのアクセスを可能にします。 「これらの遺伝子を持つ系統は、非常に信じられないほど成功した系統です」とマッケンナ氏は言う。

これらの遺伝子は、植物の難消化部分を食物に変える巧妙な適応でした。 これにより、草食性の甲虫がより多くのさまざまな種類の植物を食べることが可能になり、その結果、昆虫が新しい生息地に移動し、新しい生態学的地位を占めることが可能になりました。 植物を食べる甲虫が地理的に広がり、異なる食性やライフスタイルを採用するにつれて、それらの間の遺伝的差異が増大し、新しい種が誕生しました。

理由は不明ですが、草食甲虫の一部の種は、進化の過程で、ペクチンの分解を可能にする酵素であるペクチナーゼをコードする遺伝子など、消化を助ける遺伝子を失いました。 ドイツのテュービンゲンにあるマックス・プランク生物学研究所の進化生態学者ハッサン・セーラムは、それを補うために、一部の甲虫は植物を食べるための別の戦略を進化させたと説明している。彼らは、植物の消化を助ける細菌パートナー（共生生物と呼ばれる）との関係を築いたのだ。

一部の甲虫にとって、これらの特別な共生微生物は、植物をメニューに載せ続けるための代替ツールとなり、新種が進化して繁栄できる生息地の数を拡大しました。 たとえば、セーラムのグループが研究しているカメハムシの種の大部分では、ペクチンを分解する遺伝子コードされた酵素ではなく、細菌の共生生物である。 カブトムシは母親から細菌を受け取ります。メスが卵を産むたびに、微生物が入ったカプセルも残します。 カメムシの胚は卵の中で発育し、出現する約 1 日前にカプセルの中に潜り共生生物を消化します。

「それは人生で最初に遭遇するものであり、非常に親密な関係です」とセイラムは言います。 セーラムと彼のチームが、発育中の幼虫から微生物カプレットを実験的に除去したところ、出現した無菌の成虫は植物細胞内のペクチンにアクセスできないため、死亡率が高くなります。

一部の植物関連微生物は、植物を消化しやすくすることに加えて、甲虫に捕食者からの保護を提供するため、甲虫の多様化への道を開いた可能性があります。 カメハムシでは チェリモルファ・アルテルナンス、 たとえば、と呼ばれる真菌 フザリウム—バナナやサツマイモなどの作物によく見られ、変態中にカブトムシの蛹の表面で成長します。 オランダのアムステルダム生命環境研究所の進化生物学者アイリーン・ベラサテギ氏は、「菌類を取り除けば、アリがすぐに菌類を見つけて食べることが実証された」と話す。 フザリウム言い換えれば、カブトムシを有害な捕食者から守り、カブトムシの領域をさらに拡大し、多様化を可能にしている可能性があります。

ベラサテギ氏は、アンブロシアハムシなどの多くのキクイムシも恩恵を受けていると付け加えた。 フザリウム 菌類ですが、別の方法で。 カブトムシは、菌糸体と呼ばれる特殊なポケットで木から木へと菌類を運びます。 木の真菌感染が始まると、カブトムシは菌類の饗宴に夢中になります。

この種の農業（成長して食料となる胞子を播く）の実施に適応することも、カブトムシの種が新しい生息地を開拓するのに役立っています。 「彼らは自分の巣から少しの部分を取り出し、そして…新しい木に飛んで、そこで自分の巣を作り、新しい菌類を蒔き、この新しい庭を生み出します」とベラサテギ氏は言います。 菌類培養と呼ばれるこのアプローチは、アンブロシアハムシにおいて独自に7回進化してきました。 新しい甲虫種の進化は、これらの菌類との相互に有益な関係によって形成されたと考えられています。ある研究者によると、アリ、シロアリ、アンブロシアハムシなどの昆虫が菌類を養殖するために独立して進化してきた5,000万年の歴史の一部です。に掲載された 2005 年の記事 生態学、進化、系統学の年次レビュー。

植物を食べる甲虫は他の革新を進化させ、他の甲虫グループよりも多くの種を分化することを可能にした可能性があります。 例えば、チャブーが研究しているハムシでは、化石記録にある防御用の糞便シールド（甲虫自身の排泄物や剥がれ落ちた皮膚から作られた構造物）の出現は、「大量の種の放射線と一致している」と彼女は言う。 ほとんどのカブトムシの盾使いは単独で行動する種ですが、中には集団で生活し、外敵から身を守る編隊を組むものもいます。 糞便シールドの保護により、カブトムシがより開けた生息地に移動するのに役立った可能性があるとチャブー氏は言う。

植物を食べるか、腐肉などの他の食べ物を食べるかにかかわらず、すべてのグループのカブトムシは、多くのさまざまな問題を解決するために印象的な一連のツールを進化させてきました。 その意味で、カブトムシは生命の樹の縮図であるとマッケンナ氏は言います。

カブトムシと同じように回復力がありますが、私たちは彼らが生き残ることを当然のことと考えることはできません。 昆虫の個体数は多くの場所で減少しており、「確かに、カブトムシもその一部です」とベザベザ氏は言う。 カブトムシが人間の影響からどのように生き残るかが「現時点での中心的な問題の1つ」であるが、「人間が存在するよりも長く」地球上にカブトムシが存在し続けるだろうと彼は付け加えた。

中米の雲霧林の空島で科学パズルを解きながら仕事をしているベザベザさんは、次のような特別な親近感を持っています。 オギージュポリッシュ、腐った丸太に住んで食べるカブトムシの種。 「それは私の故郷の隣の山でのみ発生します」と彼は言います。 「だから、自分の出身地を思い出させてくれます…そして、どこにでも宝石があることを思い出します。」

知ってる雑誌 これは、Annual Reviews からの独立したジャーナリズム活動です。