東大、鳥類の翼は恐竜「マニラプトル類」で進化して受け継がれたと解明

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東京大学(東大)は2月27日、世界各地の地層から産出した化石骨格の姿勢の比較解析を行い、鳥類の翼の前縁に張った膜状構造「前翼膜」は、恐竜の「マニラプトル類」で進化し、それが子孫の鳥類へと受け継がれて翼となったことを見出したと発表した。

同成果は、東大大学院 理学系研究科 地球惑星科学専攻の宇野友里花大学院生、同・平沢達矢准教授らの研究チームによるもの。詳細は、動物学に関して分類学からバイオインフォマティクスまで幅広い分野を扱うオープンアクセスジャーナル「Zoological Letters」に掲載された。

鳥類は、およそ1億5000万年前(中生代ジュラ紀末期)までに、恐竜から進化したことがわかっている。そしてこれまでの研究から、祖先である恐竜の段階で羽毛や鳥類型の呼吸器(気嚢系)などがすでに進化していたことが見出されている。

一方、中生代(三畳紀～ジュラ紀～白亜紀、約2億5190万年前～約6600万年前)に生息していた初期の鳥類では、翼の先端にカギ爪が生えた3本の指があり、羽ばたき飛行の際に肩関節の動きを補助する靭帯はまだ発達していなかったことが確認されている。近年このように、鳥類の身体構造が、恐竜から初期鳥類にかけて徐々に進化してきたことについての研究が進展している。

鳥類の翼が進化する中で新たに獲得された構造(進化的新規形質)の1つに、前翼膜がある。この前翼膜は、翼の前縁に張った膜状の構造であり、その内部には肩と手首を結ぶ筋肉「前翼膜筋」がある。この前翼膜筋は、肩関節、肘関節、手首関節の3つの関節をまたぐ筋肉であり、脊椎動物の手足の筋肉としては非常に珍しいものだという。実際、現存する脊椎動物の中には、このような前翼膜および前翼膜筋を持つものは鳥類以外にはいないことがわかっている。

このことから、前翼膜は恐竜から鳥類へと進化する過程のどこかで獲得された進化的新規形質と推測されていた。ところが、筋肉や腱などは軟組織であり、通常は化石として残らないため、あまり研究が進んでいなかったという。ただし例外的に、軟組織の痕跡も残っている非常に保存状態の良い化石も発見されており、前翼膜のような構造を持つ恐竜の化石として2例が知られていた。しかし、それらが鳥類の前翼膜と同じものであるかどうかについては、これまで証拠がなかったとする。

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そうした中で研究チームは、前翼膜があると肘関節を一定の範囲以上伸ばせないことから、動物の死後、堆積物中に埋まって化石として保存された場合でも、前翼膜を持つ動物では肘関節が一定の角度を超えない姿勢となるものと考察したという。

そこで今回の研究では、その検証を行うため、まず恐竜以外の爬虫類の化石と新生代の鳥類の化石に注目し、関節を保ったまま保存されている化石の画像から肘関節の角度を計測し、爬虫類と鳥類の比較を行うことにしたとする。なお、今回の研究で用いられた鳥類化石は、すべて現在の鳥類系統に含まれているため、確実に前翼膜を持っていた動物の化石の代表と見なすことができるとしている。

比較の結果、爬虫類化石と比べて鳥類化石では、肘関節角度が小さい範囲に収まって保存されていることが、統計学的に有意に確認された。具体的には、鳥類化石では肘関節角度が111.0度を超えることはなかったとする。つまり、肘関節が111.0度を超えた角度で化石として保存された動物は、前翼膜を備えていなかったと復元できるという。

続いて、恐竜と初期鳥類の化石を用いて肘関節の角度が計測された。計測データを系統図上で比較すると、鳥類に至る系統のうち、マニラプトル類では常に肘関節の角度が小さい範囲に収まる姿勢で化石化していることが明らかにされた。また、肘関節角度と前翼膜の有無の関係性を当てはめると、前翼膜を持たないような種はマニラプトル類の系統内にはいなかったと推定された。

さらに、例外的に軟組織の痕跡が保存されている、前翼膜のような構造を持つ恐竜の化石2例について、標本の再調査が行われた。その結果、前翼膜と同様に肩と手首の間に張っている軟組織が確認されたという。研究チームによると、これら2例はマニラプトル類に含まれる種であることから、常に肘関節の角度が小さい姿勢で化石化するマニラプトル類は前翼膜を持っており、それが鳥類に受け継がれた可能性が支持されるとしている。

研究チームは現在、祖先動物の前肢の形態がどのように変化して前翼膜が獲得されたのかに関して、現在の鳥類と爬虫類の胚発生を細胞・遺伝子レベルで比較する研究も進めているという。こうして化石を対象とする古生物学研究と発生学研究を融合することで、鳥類の身体構造の成立過程について、さらに解明が進むことが期待されるとしている。