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初期四足類の脊椎の構造

科学者たちはシンクロトロンX線を使って生き物の背骨を組み立て直した



last modified 11-01-2013 11:25

科学者たちは、最初期の4本脚の動物である、初期四足類の背骨の入り組んだ三次元構造を、初めて復元することができた。高エネルギーX線と新しいデータ抽出プロトコルによって研究者たちは3億6000万年前の化石の背骨を並外れて詳細に復元し最初の脊椎動物がどのように水から陸へと移動したのかを明らかにできた。この結果は今日、2013年1月13日にNature誌に発表された。


研究は初期四足類がどのように水から陸へと進化したのかを理解するための新しい手がかりを明らかにする。Image credit: Julia Molnar.

科学者の国際チームはロイヤル・ヴェタリナリー・カレッジ(ロンドン)のステファニー・E・ピアース(Stephanie E. Pierce)とケンブリッジ大学のジェニファー・A・クラック(Jennifer A. Clack)が率いた。チームは他に、ウプサラ大学(スウェーデン)と欧州シンクロトロン放射光施設(ESRF、フランス・グレノーブル)の科学者たちから成った。

四足類は四本肢の脊椎動物で、現在では両生類、爬虫類、鳥類、および哺乳類に相当する。およそ4億年前、初期四足類はより浅い水域へと少し可動域を広げ、そこで四本の肢を使って動き回った最初の脊椎動物だった。これがどのように起こり、次いで彼らがどのように陸へと移行したのかは、古生物学者と進化生物学者のあいだの激しい議論の的となっている。

すべての四足類は背骨、すなわち脊柱を持つ。これは、四足類が進化した祖先である魚類を含む、他のすべての脊椎動物と共通する骨の構造だ。背骨は頭部から尾部まで、一列につながった脊椎で作られる。現生四足類(例えばヒト)の背骨は、それぞれの脊椎が一つだけの骨で構成されている。現生のものと違い、初期四足類は複数部分からなる脊椎を持っていた。

「100年以上にわたって、初期四足類は3セットの骨で構成される脊椎を持つと考えられていた――骨の一つは前部、一つは上部、そして後部の一対の骨。しかし、シンクロトロンX線を使って化石の内側をのぞき見ることで、我々はこの伝統的な見方が文字通り後ろ前になることを発見した」とステファニー・ピアースは話す。彼女はこの論文の筆頭著者だ。



3点の化石断片はフランスにある欧州シンクロトロン放射光施設(ESRF)でX線でスキャンされた。分析のために、チームは母岩の内側に深く埋まった化石骨の微細を明らかにするためのデータ抽出法を適用した。化石化した骨は密な岩石の中に深く埋まっているため、X線のほとんどを吸収する。「新手法でなければ、脊椎の要素を30 µmの解像度で三次元に明らかにするのは不可能だっただろう」と論文の共著者で、ウプサラ大学およびESRFのソフィー・サンチェス
(Sophie Sanchez)は話す。

これらの高解像度X線イメージを見て、科学者たちは第一前の骨要素だと考えられていたもの(間椎体intercentrumと呼ばれる)が、実際はシリーズの中の一番後ろであることを発見した。そして、これはささいな見落としのように思えるかもしれないが、この脊椎構造における再配置は、四足類の背骨の機能進化のすべてに関わる影響を持つ。

ステファニー・ピアースはこう説明する。「それぞれの骨が互いにどのように合うのかを理解することで、我々は脊椎の可動性を説明し、陸上移動の初期段階でそれが肢と肢のあいだの力をどのように伝えていたかをテストし始めることができる」

しかし、この研究結果はそれで終わりではなかった。この動物――イクティオステガ(Ichthyostega)と呼ばれる――の一つが、その胸部の中部を下に伸びる一列の骨など、これまで知られていなかったさまざまな骨格的特徴を持つことも分かった。

ジェニファー・クラックはこう話す。「これらの胸部の骨は、骨質の胸骨をつくる最初期の進化的試みになった。そのような構造はイクティオステガの胸郭を強化し、そのおかげで陸上を動き回るあいだにその体重を胸部で支えられたのだろう」

この予想しなかった発見は、イクティオステガが平らな地面の上で自身の体を引きずるときに、その前脚を同期させて「クラッチング」する動きを使って移動した――トビハゼやアザラシのように――ことを示すピアースとクラックによる最近の研究を支持する。ピアース博士は、「この研究結果から最初期の肢のある動物における背骨の進化について教科書を書き換えないといけない」とつけ加えた。

「ESRFで、新しいデータ抽出プロトコルが密度が高く重い岩石の中の化石のこれまでにない詳細な研究を可能にした。我々がいま見ているものは将来のさらなる驚きの始まりにすぎない」とソフィー・サンチェスは結論する。

ESRF, General News
Scientists reassemble the backbone of life using synchrotron X-rays
by Kirstin Colvin — 13-01-2013
last modified 14-01-2013 08:27

原論文
Stephanie E. Pierce, Per E. Ahlberg, John R. Hutchinson, Julia L. Molnar, Sophie Sanchez, Paul Tafforeau & Jennifer A. Clack
Vertebral architecture in the earliest stem tetrapods
Nature (2013), Published online 13 January 2013
doi:10.1038/nature11825
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