ドンという音とともに骨が折れた。なぜ私たちの祖先は人間を創造するために使用する材料を変えなかったのでしょうか?

人類が未来に抱く執着のリストを作るとしたら、機械の金属骨格に名前を付ける必要があるだろう。マーベルシリーズのアイアンマンから、「攻殻機動隊」の「機械義足」をつけた少佐まで、彼らは鋼鉄合金を使って人間の既存のカルシウム骨を置き換え、超人になります。

かつて自転車から放物線状に落下し、肋骨を 7 本折った経験のある私としては、こう尋ねずにはいられません。自然界にはこれほど多くの元素があるのに、なぜ骨を作るのにカルシウムを使わなければならないのでしょうか?金、銀、シリコン、ニッケルの方が人気があるのではないでしょうか？骨の主成分が金なら、転ぶのは簡単なことだ。

転んでも骨が折れなければ、普通に転んでも大丈夫です。日常会話:

「今日は転んだの？」 「はい、合図しないでください。」

人間はなぜカルシウム骨を選んだのでしょうか?これは何億年も遡って物語の始まりから始めなければなりません。

ボーン・ライズ：一緒に柔らかくなるという約束はどうなったんだ？

数十億年にわたる長い進化の中で、生命が初めて骨を獲得したのはいつなのかについて、いまだに明確な答えを出すことはできません。しかし、少なくとも6億3500万年前から5億4100万年前のエディアカラ紀には、骨を持つ生物はごくわずかで、残りのほとんどはまだ柔らかいものだった。彼らは海底に横たわり、あまり動かず、お互いを邪魔することなく微生物マットを食べています。

エディアカラ生物群の復元 |ライアン・ソマ

そんな平和な日々は、カンブリア紀の到来とともに破られました。この頃、地球は温暖化し、海底植物が増え、酸素が大量に蓄積されました。これにより、地球にはより多くの食糧とより住みやすい環境が提供され、より大きく、より速く動き、より多くの酸素を必要とする動物が出現しました。生命の種類と形態の急激な増加は、いわゆる「カンブリア爆発」を引き起こしました。

その後、種間の競争はますます激しくなっていった。ハンターと獲物の間の競争が大量に発生しており、攻撃側と防御側の両方が「装備のアップグレード」の取り組みを加速する必要があります。たとえば、お互いの位置を正確に特定するには、より高度な視覚システムが必要です。全身がだるい状態になり、素早い行動の要求に応えることができません。

絶滅したカナダスピスなど、一部の生物はこの時期に隠れるための穴を掘る能力を発達させ、下方に生活空間を発達させることができました。 |クレア・H / ウィキメディア

彼らは体を支え、硬い構造物を使って自分自身を支えなければなりません。このように、食べるため、そして食べられないようにするために、骨は進化の過程で避けられないものとなったのです。

メイキング・ボーンズ：「選ばれし者」とは誰なのか？

骨格の進化は長いプロセスだが、何千年、何万年もの歴史をカンブリア紀の海の底の小さな昆虫に凝縮して、無理やり「トニー」と名付けてみてもいいかもしれない。トニーが狩人であろうと捕らえられた者であろうと、カンブリア紀の修羅場で生き残りたいのであれば、彼は自分自身を強くしなければなりません。解決策の 1 つはバイオミネラリゼーションです。これは、ミネラルを沈着させて硬い体構造を作り出すことです。

バイオミネラリゼーションははるか昔に起こりましたが、カンブリア紀にその可能性を最大限に発揮しました。この時期、気温が上昇して氷河が溶け、海水が海岸の堆積岩を浸食し、岩石に含まれるカルシウム、鉄、カリウムなどの金属イオンが海水に溶け込み、トニーたちに豊富な鉱物原料がもたらされます。

しかし、どのタイプのミネラルを使用するかに関しては、トニーにはまだ多くの選択肢があります。

オプション1: 砂の破片と植物の残骸

トニーがあまり要求が厳しくない場合は、分泌物を使って砂の破片（雲母など）や植物の残骸を体に貼り付けることができます。技法は凡庸で出来栄えは粗いが、それでも初期の外骨格（貝殻）形状である。

カンブリア紀初期には、雲母板を接着して「殻」を形成した小さな昆虫、オヌフィオネラ・デュルハミがいた。 |シニョール＆マクメナミン

オプション2: 鉄化合物

トニーが本当にタフな小さな虫なら、鉄の外骨格を選ぶことができます。例えば、鱗のある角を持つ腹足類のカタツムリは、足が硫化鉄の鱗で覆われているだけでなく、体にも外側から内側に向​​かって硫化鉄の殻、有機クチクラ、カルシウムの殻の 3 層の外殻があります。

Chrysomallon squamiferum の必須画像 |中村健太郎 他

オプション3: シリカ

トニーは、放散虫のように二酸化ケイ素を使って外骨格を構築する、第一世代のシリコンベースの生命体になる可能性もあります。

放散虫化石 |シャン・チャン、チンライ・フォン、レイ・チャン

オプション4: カルシウム化合物

しかし、上記のような例は稀であり、最も主流な選択肢は依然としてカルシウム化合物です。トニーのような普通の小さな虫にとって、ミネラルを選ぶときに考慮すべき実用的な要素がたくさんあるからです。

まず、環境中のこの元素の含有量が十分に高くなければなりません。第二に、生物はバイオミネラルを生産するために、細胞レベルでそれらを輸送、制御、利用することができなければなりません。

骨が最初に進化した海洋環境では、カルシウムイオンが豊富で、ほぼすべての細胞が生物体内のカルシウム濃度を調節することができます。方解石とアラゴナイトは自然界で最も一般的な炭酸カルシウム鉱物であり、バイオミネラリゼーションの主な供給源であり、トニーや他の研究者が外骨格を作る際に第一に選択する材料です。

この時点で、進化の初めに、私たちの昆虫の祖先がさまざまな鉱物を使って外骨格を作ろうとしたという疑問に答えることができます。しかし、カルシウム骨が最大の勝者となったのは、当時の海洋環境とほとんどの生物のメカニズムによるものかもしれない。

カンブリア紀初期の小さな化石の貝殻がトニーの重装甲（外骨格）でした |先カンブリア時代の研究

バイオミネラリゼーションは、鉱物の沈殿と成長を伴う複雑なプロセスであり、さまざまなタンパク質の関与が必要です。進化の過程で鉱物を変化させることは非常に困難です。それはまるで、大きな工場が突然、他の製品を生産するように変わったようなものです。関連する機器をすべて調整および交換する必要があり、コストがかかりすぎます。

今では骨の形成は環境に非常によく適応しているので、それを変える理由はありません。カルシウムボーンは、デビューするや否や王者となっただけでなく、長きにわたって「選ばれし者」となったのです。

スケルトンの啓示：強さこそが成功への王道

生命の光に対する知覚は視覚の出現と進化を促し、それが最初のドミノ倒しのように生命のカンブリア爆発を引き起こした。骨の出現は、ハルクの変身のようであり、地面から立ち上がり、進化の道における強力な突破口を支えています。これら 2 つは進化の結果であり、進化の原動力となり、より多くの種の出現を促します。

我々はスケルトン化の道をどんどん進んでいます。今日私たちが目にするイナゴやゴキブリなどの昆虫、カニやエビなどの甲殻類、カタツムリなどの腹足類、アサリなどの二枚貝などの殻は、その外骨格です。

内部骨格の進化もほぼ同時に起こり、脊椎動物の分岐が出現しました。脊椎の支えにより、大型脊椎動物は陸地への旅を始めました。海を出てから数十億年の間、生命は陸上で探検し、協力し、追いかけ合い、互いに絞め殺し合い、そして大量絶滅を繰り返した後、ついに直立した背骨を持つ人類へと進化した。

2014年、古生物学者はニューファンドランド島で5億5000万年前の生痕化石を発見した。柔らかくて動かないエディアカラ紀の動物たちは、そこに不規則な活動の痕跡を残しました。彼らがつまずき、手探りで歩いているように見えるのは、彼らを支える堅い殻がないからだ。神経系が発達していないため、周囲の状況を認識できず、隣人に挨拶することもできない。

エディアカラ紀の化石。この時代の生物には外骨格を持つものがほとんどなかったため、他の軟体動物を保存することはほぼ不可能であり、現存する化石は主に古代の生物が活動していたときに残された遺物や遺物を記録する生痕化石である。 |カーラ・カルボーンとガット・M・ナルボンヌ

この化石層から 1.2 メートル上方では、堆積岩上に痕跡が規則的に密集して並んでいます。あるノードの後に​​突然直線になる曲がりくねったトレース ラインがあります。

古生物学者は、これはカンブリア紀の小さな昆虫の活動の痕跡かもしれないと推測している。突然捕食者を見つけて急いで逃げる場合もあれば、捕食者に引きずり去られる場合もあります。このまっすぐな跡は、硬い骨があったからこそ残されたのだろう。度重なる絞殺、自己アップグレード、そして突破への努力の中で、これは進化の歴史における生命の長い旅です。

カンブリア紀の節足動物の傷跡 |カーラ・カルボーンとガット・M・ナルボンヌ

この 1.2 メートルがどのくらいの長さに相当するかを正確に計算できる人はいません。化石証拠だけに基づいて骨格の進化の全体像をまとめることも困難です。しかし、慎重に言えば、この 1.2 メートルの範囲内に骨のある生命が大量に出現し、繁殖を続け、その子孫の 1 人がこの行を入力したことになります。

考えてみてください。5億4千万年前、小さな昆虫が強力な敵に立ち向かい、運命に身を任せて自らの骨格を作りました。今日、私たちはSFの世界に機械の骨格が登場するのを待ち望んでおり、巨大な波の中で船体を支え、運命をコントロールするための鉄骨を造るために機械の骨格を使いたいと熱望しています。

機械の骨格はSF作品では一般的な設定となっている | 「ゴースト・イン・ザ・シェル」

遠い過去と予測不可能な未来がここで重なり合っているようです。

参考文献

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https://www.nature.com/articles/d41586-020-02985-z [2021年1月15日アクセス]

[9] ウィキペディア2020年。「カンブリア紀」最終更新日：2020年9月12日。

https://en.wikipedia.org/wiki/カンブリア紀。

著者: 小島

編集者：マイマイ、窓をたたく雨