植物は2億5000万年前から2回に分けて爆発的な進化を遂げていた

生物学

植物の進化を定量化する新しい手法により、初期の種子植物が誕生した後、約1億年前に花を咲かせる植物が多様化するまでの2億5000万年間、複雑さが停止していたことが明らかになりました。

スタンフォード大学を中心とする研究チームは、陸上植物は数億年かけて徐々に進化するのではなく、2億5000万年の間隔をおいて2回の劇的なバーストで大規模な多様化を遂げたことを明らかにしました。

1回目は植物の歴史の初期に起きたもので、種子の発達をもたらし、2回目は花を咲かせる植物の多様化の際に起きました。

今回の研究では、植物の複雑さを、生殖構造における基本的な部品の配置と数に基づいて分類するという、斬新かつシンプルな手法を用いています。

科学者たちはこれまで、植物は種子や花の出現とともに複雑化したと考えてきましたが、9月17日付の『Science』誌に掲載された今回の研究成果は、その変化の時期と大きさを示唆するものです。

スタンフォード大学地球・エネルギー・環境科学部の地質科学助教授であるAndrew Leslie博士は、「最も驚いたのは、種子が最初に進化した後の複雑性の停滞と、花を咲かせる植物が多様化し始めたときの全体的な変化です。生殖構造はすべての植物で異なるように見えますが、その停滞期にはすべての植物がほぼ同じ数の部品を持っています。」と述べています。

珍しい比較

アフリカンリリー(Agapanthus africanus)の花が部品に分解されている。

アフリカンリリー(Agapanthus africanus)の花が部品に分解されている。植物の複雑さを表す新しい分類によると、アフリカンリリーの生殖構造には12種類の部品があり、その中には写真には写っていない種子や卵巣の中にあるものもある。これに対し、一般的なシダ植物の生殖器官は1種類である。©Andrew Leslie

花は他のどの植物よりも多様性に富み、色、香り、形で動物に栄養を与え、五感を楽しませてくれます。

花びら、葯(やく)、雌しべが緻密に組み合わされ、受粉媒介者をおびき寄せて花粉を散布させるように仕向けます。

この複雑さのために、シダ植物や一部の針葉樹など、生殖システムが単純な植物と顕花植物を比較することが困難です。

そのため、植物学者は長い間、科階級群内の特徴に注目し、花を持たない植物の進化を、より複雑な花を持つ親戚の植物とは別に研究してきました。

Leslie博士と共著者たちは、こうした違いを克服するために、観察だけで生殖構造に含まれるさまざまな種類の部品の数を分類するシステムを設計しました。

各種は、パーツの種類の多さと、それらのパーツがどの程度集まっているかによってスコア化されます。

約4億2,000万年前から現在までの陸生植物約1,300種を分類しました。

「これは、植物の生殖進化を形と機能の面から見た、とてもシンプルな物語です。つまり、植物が持つ機能が多ければ多いほど、またその機能が具体的であればあるほど、植物のパーツの数は増えるのです。これは、植物の歴史全体を網羅する大規模な変化を考えるのに便利な方法です。」

低木から花へ

約4億2,000万年前から3億6,000万年前のデボン紀初期に陸上植物が多様化した頃の地球は、樹木や陸上の脊椎動物が存在しない温暖な世界でした。

サソリやダニなどのクモ類は、背の低い植物の間を歩き回りました。

デボン紀以降、動物界には大きな変化が起こりました。陸上動物は体が大きくなり、食生活も多様化し、昆虫も多様化し、恐竜も出現しました。しかし、植物は花ができるまで、生殖の複雑さに大きな変化はありませんでした。

「昆虫による受粉や動物による種子散布は、3億年前には登場していたかもしれませんが、花粉媒介者との複雑な相互作用が開花植物の複雑性を高めているのは、ここ1億年のことです。白亜紀後期には、植物は昆虫と現在のように相互作用することができましたが、ここまで複雑な相互作用はありませんでした。」とLeslie氏は言います。

白亜紀後期、約1億年前から6,600万年前の地球は、現在の地球に近い形をしていました。

それは、花の咲く木や茂みのないヨセミテ国立公園のようなものでした。

ヨセミテ国立公園

ヨセミテ国立公園

Leslie氏によると、2回目の複雑化は1回目よりも劇的で、花をつける植物のユニークな性質が強調されたといいます。

この時期には、パッションフラワーのように、花以外の植物の2倍以上の20種類のパーツを持つ植物が誕生しました。

研究者たちは472種の生物を分類しましたが、その一部はLeslie氏がスタンフォード大学のキャンパス内や周辺で行ったもので、地元の植物を分解してその生殖器官を数えるというものでした。

分析対象となったのは、維管束を持つ陸上植物で、水やミネラルを運ぶための支持組織を持たないコケや一部の初期の植物を除くすべての植物です。

「この論文では、この分類は単に彼らの機能的多様性を反映しているということを主張しています。彼らは基本的に、必要なことをより効率的に行うために、労働力を分割していたのです。」

研究の共同執筆者には、コロラド大学自然史博物館のCarl Simpson氏とオープン大学のLuke Mander氏がいます。

Published by Stanford University. Reproductive innovations and pulsed rise in plant complexity, Science (2021). DOI: 10.1126/science.abi6984
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