クジラとイルカは水上生活にどのように適応したか — ハーバード・ガゼット

イルカが泳ぐのを見たことがある人は、なぜイルカが魚のように左右に動くのではなく波打つのか疑問に思ったことがあるかもしれません。クジラ、イルカ、ネズミイルカなどのクジラ目は、魚のような体をしていますが、陸上に住んでいた祖先の子孫である哺乳類です。

クジラ類は、水生環境で繁栄するために、後肢の縮小や足ひれや尾びれの進化など、骨格構造に大きな変化を遂げ、その結果、流線型の体を実現しました。約5,300万年前の陸から水への移行が、鯨類の骨格の中心要素である背骨にどのような影響を与えたのか、科学者たちはまだ理解していません。

における新たな研究 ネイチャーコミュニケーションズ これらの海洋哺乳類の祖先が水中での生活に適応するにつれて、その骨格がどのように再編成されたのかを明らかにします。ハーバード大学主導の国際チームは、これまでの想定に反して、クジラ目の背骨は全長に沿って形状が均一であるにもかかわらず、高度に局所化していることを発見した。しかし、背骨の局在化の仕方は陸生哺乳類とは大きく異なります。

研究チームはまた、背骨の領域が生息地や遊泳速度とどのように相関しているのかも調査した。彼らは、海岸から遠くに生息する種ほど脊椎骨の数が多く、より多くの領域があり、急激な遊泳速度が速いことを発見しました。川や湾に生息する種は海岸に近いため、脊椎骨や領域が少なくなりますが、それらの領域は互いにより異なっており、潜在的により優れた機動性をもたらします。

「クジラやイルカの祖先が水に戻ったとき、クジラやイルカは後ろ足を失い、魚のような体になった」と、主著者でマリー・キュリー研究員のアマンディーヌ・ジレ氏は述べた。 生物進化生物学科 ハーバード大学とマンチェスター大学地球環境科学部で博士号を取得しました。 「しかし、その形態学的変化は、脊柱が水生環境での移動を駆動する骨格の主要部分になったことも意味します。」

陸上を移動する陸生哺乳類の脊柱は、脚が体重を支えるのを助けるためにサポートを提供する必要があります。クジラ類が陸から水に移行するとき、重力は空気から浮力のある水に移り、体重を支えるための圧力が解放されました。水の中を移動するために必要な新しい体の構造と動きは、これらの動物の背骨を新しい環境に合わせて何らかの形で変化させる必要があることを意味しました。

これまでの研究では、脊椎の形態学的観点から背骨が検討されてきました。 2018年に 科学 論文、共著者ステファニー・ピアースとカトリーナ・ジョーンズ 探検した ヘビの背骨を研究するために初めて開発された新しい統計手法を使用して、哺乳類の背骨の複雑な進化の歴史を調査しました。ピアースとジョーンズは研究に合わせてモデルを修正し、陸生哺乳類の脊柱が両生類や爬虫類と比較して多数の異なる領域によって特徴づけられることを実証することができました。

「陸生哺乳類の背骨の領域がクジラやイルカでどのように見られるのかを理解するのは難しい。その理由の1つは、たとえそれらが進化したとしても、それらの背骨は形態学的に非常に異なって見えるからだ」とピアース教授は述べた。ハーバード大学生物進化生物学科の博士号を取得し、この研究の上級著者。 「彼らは仙骨、後脚を支える一連の融合した椎骨、そして尾と体の残りの部分を区別するために必要な重要な目印を失った。」

クジラ類の脊椎骨は、解剖学的特徴がより均一になったという点でさらに複雑になっています。そのため、ある脊椎から別の脊椎への移行は、陸生哺乳類で見られる極端な移行に比べて緩やかであり、領域を特定することがより困難になります。

「脊椎骨が非常に似ているだけでなく、特定の種、特にネズミイルカやイルカは陸生哺乳類よりもはるかに多くの椎骨を持ち、100個近い脊椎骨を持つ種もいる」とジョーンズ氏は述べた。 「このため、陸生哺乳類に見られる領域をクジラやイルカの背骨に翻訳することが非常に困難になっています。」

領域化パターンを特定するために使用される従来の統計的手法では、標本全体でまったく同じ数の要素が必要です。 Pierce と Jones が実装した統計手法 (リージョンと呼ばれる) により、各標本のバックボーンを個別に分析することで、この問題を克服することができました。この方法は陸生哺乳類の制約された背骨にはうまく機能しましたが、クジラ類の椎骨の数が多い場合には計算的に困難であることが判明しました。ジレット氏は、ハーバード大学定量社会科学研究所のデータ サイエンス サービス チームと協力してコードを書き換え、プログラムが数分以内に結果を取得できるようにしました。研究者らは、MorphoRegions と呼ばれる新しいプログラムを、科学コミュニティ向けに公開しました。 計算ソフトウェアRパッケージ。

「これは間違いなく、私たちの研究の最大の進歩の一つです」とピアース氏は語った。 「アマンディーンは、コンピューターをクラッシュさせることなく繰り返し単位の多いシステムを分析できるように、プログラムを何ヶ月もかけて改良しました。」

ジレットは、博士課程中に以前に収集したデータに MorphoRegions メソッドを適用しました。仕事。彼女はヨーロッパ、南アフリカ、米国の6つの博物館を訪れ、現生種約90種の3分の2にあたる62種の鯨類から139点の標本に関する情報を収集した。ジレットは合計 7,500 個の椎骨を測定し、分析パイプラインにそれらを実行しました。

「私たちの大規模なデータセットにより、鯨類の骨格の構成が陸生哺乳類と異なるだけでなく、種に応じて 6 ～ 9 つの領域を特定したため、そのパターンが鯨類内で異なることも実証できました。」とジレット氏は述べています。その後、そこから地域間の共通点を見つけるために取り組み、すべてのクジラ目に共通するパターンを特定しました。これは、私たちの入れ子領域仮説によって要約されています。」

チームによって提案された仮説は、尾前部と尾部のセグメントが最初に特定される背骨の階層的組織を導入します。次に、2 つのセグメントはそれぞれ、すべてのクジラ目に共通するいくつかのモジュール (頸部、前胸部、胸腰部、後腰部、尾部、脚部、吸虫) に分割されます。次に、種に応じて、各モジュールはさらに 1 ～ 4 つの領域に細分され、背骨に沿って最低 6 つ、最大 9 つの頸部後領域があります。

「驚くべきことに、この結果は、陸生哺乳類と比較して、尾前部の領域が少ないのに対し、尾部にはより多くの領域があることがわかりました」とピアース氏は述べた。 「陸生哺乳類は尾をさまざまな機能に使用しますが、通常はクジラ類のように推進力を生み出すためには使用しません。尾部により多くの領域があれば、尾部の非常に特定の領域での動きが可能になる可能性があります。」

クジラ類の背骨の構成をより深く理解できたので、研究者らは次に、研究室で収集した脊柱の柔軟性に関する実験データを使用して、これらの形態領域が機能とどのように相関しているかを理解することに取り組む予定です。現代の分類群で収集されたこれらのデータは、研究者が化石クジラの遊泳能力を推測することを可能にし、背骨が陸上の体重を支える構造から水中で推進力を生み出す器官にどのように変化したかを知るのに役立つはずです。