●生物の実験場となったカンブリア爆発はなぜ起こったのか

 宇宙と地球と生命の相互作用が大量絶滅と突然変異のうねりをつくり、数十種だった大型の生物がいっきに1万種以上に広がる「カンブリア爆発」が起こった。

 

●急激な生命進化の3つのパターン

 

 急激な環境変化に伴う生命進化には3つのパターンがある[1]

 

 1)それまでに繁栄していた生物を一掃する大量絶滅

 2)大陸の分裂に伴う遺伝子変異による進化(冠進化)

 3)大陸の衝突で出会った同一種間での交雑による進化(茎進化)

 

 カンブリア紀直前の1.5億年間に3つのパターンのすべてが絡み合う急激な環境変化が微生物を襲った。

 

76億年前: 全球凍結と超大陸の分裂が引き金となる生命の大進化

 

全球凍結

 銀河衝突による超新星爆発の影響で磁場が弱体化し、大量に降り注いだ放射能の影響で地球全体が凍りつき(全球凍結)大量絶滅を引き起こす。

 極寒期と極暑期の繰り返しが、光合成を行うシアノバクテリアの大量絶滅と大繁殖の波をつくり、酸素濃度を乱高下させながら現代の値(大気の20%)に近づいていく。

 

超大陸ロディニアが分裂

 放射性マグマ地溝帯の周辺に生命の素材となるリン酸塩の鉱床が発生し、突然変異した生物を量産する。この影響はカンブリア爆発の直前まで続き、分裂した各大陸で種の多様化が進む。

 

●浅い海に巨大生物の楽園が誕生

 

 全休凍結が終了した直後に、酸素の増加による酸化や浅瀬が増えたことにともなって豪雨や風化浸食が促進され、大陸から海中へ生命の栄養塩が大量に流れ込む。

 

6.3億年前:巨大多細胞生物

 カイメンなど、単細胞真核生物の100万倍の多細胞生物が現れる。

 

5.85.5億年前:エディアカラ動植物群

 ディッキンソニアなどのエディアカラ動植物群が現れる。その多くは海水を濾過してバクテリアを捕食、群内に捕食者がいないため「エディアカラの楽園」と呼ばれる。


●小氷河期と超大陸の形成が生物の大爆発を加速

 

5.8億年前: 小氷河期
5.4億年前: 大陸が集まり超大陸ゴンドワナを形成

 

 小氷河期が終わるとともに、大陸から海中へ生命の栄養塩が大量に流れ込み、超大陸の形成がそれを加速する。

 - 大陸辺縁地下のマントルの温度低下により、海水(含水鉱物)がマントル深部へ運ばれるようになり、海水量が低下し陸地と大陸棚を広げ、

 - 異なる大陸が合体した部分で近縁種間での交雑が進む

 

5.4億年前: カンブリア爆発

 大陸棚の大量の太陽光のもとに自らエネルギーやタンパク質合成する光合成生物を獲物として、エネルギーや生体物質を搾取する草食動物の誕生が軍拡競争の始まりとなる。草食動物は、植物よりも多くのエネルギーを必要とするため、より多くの餌を確保する「移動能力」と「口」や「内臓」を進化させたのが最初のブレークスルーとなる。

 

 草食動物は、植物よりも多くのエネルギーとタンパク質を保持するため、これを餌とする肉食動物という戦略が生まれる。肉食動物は、移動する草食動物を捕獲するためにより性能の高い「移動速度」が必要となり、それを維持するためにより多くのエネルギーを獲得する「牙」や、太陽光を利用して獲物を探す「眼」を進化させたのが次のブレークスルーとなる。そして、肉食動物間でも捕食競争が発生し、軍拡競争がよりいっそう激化する。

 

 草食動物は少量のエネルギーを使う防衛戦略を生み出す。移動する影を感知して敵の襲来から逃げる「眼」や、地下に逃げ込む短距離の「瞬発移動能力」だ。肉食動物も捕食されないための強固な殻」をまとい、そのエネルギーを稼ぐための「高速移動能力」と殻を食い破るための「強力な牙」を得る。

 アノマロカリス

図. アノマロカリス

(ウィッキペディア:https://ja.wikipedia.org/wiki/アノマロカリス)


 1.5億年の間に起きた、宇宙放射線、全球凍結、酸素の乱高下と急増、超大陸分裂と新たな超大陸形成という環境変化の連鎖が、大量絶滅と爆発的な生物進化のうねりを生んだ。新たに広がった大陸棚は、生物の軍拡競争、眼・筋肉・武器と鎧の工夫を強要し、現代に続く動物グループの系統を網羅することとなる。これ以降の時代、獲得した構造をプラットフォームとして改造しながら環境変化に適応変化してゆくこととなる。


フューチャー・リテラシー:インデックス

生物の実験場となったカンブリア爆発はなぜ起こったのか


参考書籍:

[1] 丸山茂樹(2020),"最新 地球と生命の誕生と進化:[全地球史アトラス]ガイドブック", 清水

書院

[2] 山下美紀, いとうみちろう(2017), "地球のあゆみえほん :46億年のれきし", 丸山茂徳監, PHP

[3] NHKスペシャル「生命大躍進」政策班(2015), "教養・文化シリーズ NHKスペシャル 生命大躍進", NHK出版


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●脳誕生への道:微生物のコミュニティ

 38億年前、核のない単細胞の原核生物=細菌(古細菌真正細菌)が誕生した。最も単純な生命である細菌はコロニーをつくり、細菌間のコミュニケーションにより協調して環境に適応しながら生存競争を生きのびたのだった。

 

●細胞間での最初の情報交換=遺伝子交換

 

 生命初のコミュニケーションは、細胞間での遺伝子の交換だ。細菌は、細胞分裂により増え続ける。細胞核が存在しないため、細菌間での遺伝子の交換が発生しやすく短期間に遺伝子が伝搬する。遺伝子の交換は、細菌の接合による交換だけでなく、死によっても拡散する。突然変異で生き残ったものと遺伝子交換が発生しやすく、群生するコロニーが原初生態系における遺伝子組み換えの実験場となり1種類の細菌から膨大な種類の細菌を派生させる進化の原動力となる。

 

●細菌のコロニー内でのコミュニケーション


 原初の細胞間での化学物質による情報交換は、栄養の乏しい場所でエネルギーを効率よく取得すための細菌のコロニーにおいて発生した。細菌の生存戦略は、ニッチな栄養源となる無機質と場所を開拓し、他の細菌を抗生物質により抑制し、それを防ぐ防護壁(細胞壁、粘液性の皮膜)を構築することにある。戦略選択の繰り返しは、自律的に複数種類の細菌による群生=コロニーを形成することとなる。初期のコロニーは、ある細菌の排泄物を別の生物が再利用ことにより発生する。これをつなげることによりエネルギー摂取の連鎖ができ、電子をやりとりする電子市場が構築される。例えば、メタン菌が水素と二酸化炭素からメタンを発生させ、別の菌がそのメタンを食べて二酸化炭素と水素を排出する。硫黄と水素で回るサイクルもある。異なるコロニーどうしが闘いあうこともあるが長期的には均衡状態を探り合うことになる。

 

 二酸化炭素、メタン、二酸化硫黄、硫化水素、窒素などの生産―消費連鎖をつくるが、再利用の環を完璧に均衡することは難しく、電子市場の効率性的な均衡を探索し続けることにより複雑化する。細菌のコロニーが複雑化するにつれて、細菌の進化により多様な無機質を養分として摂取するようになる。さらに、外部環境に適応した細菌からの遺伝子の供給により、コロニー全体が外部環境に適応するよう進化する。

 

微生物の社会[4]

 

 現代の微生物コロニーでは、微生物どうしで神経細胞が行っているようなイオンチャネルによる電気信号伝達を利用してコミュニケーションを行っている。血管や神経路の代わりに浮遊する分子によって情報伝達することにより、コロニー内の位置を把握し、周囲の環境の情報(浸透圧、pH、湿度など)を処理し、他の生物との競争に役立つ物質を合成してコロニーを防衛し、養分の再利用の効率を上げるように空間分布を修正する。微生物コロニーとしては、腸内や口内のフローラや、免疫や抗生物質に抵抗する細菌のバイオフィルムなどが知られている。

 

●粘菌集団による知的行動[5]

 

 粘菌は単細胞真核生物(アメーバ)だ。細胞性粘菌は、飢餓状態になると化学物質を放出して、それを合図として集合してキノコのような形の集合体となり、胞子を放出して拡散する。

 真正粘菌のモジホコリは、個々には独立している細胞が集合して1個体として探索行動を行う多核細胞のアメーバ状となり、細胞質の管のネットワークを通じて栄養を行きわたらせる。迷路の入口と出口にエサを配置して、粘菌を分散して配置すると、迷路全体に広がった後、効率の悪い経路や行き止まりに伸ばした体を引き上げ、最短距離となる経路だけを結ぶ1本の太い管を残す。関東の地図上36か所にエサを配置して東京に粘菌を配置する実験では、最終的に関東の鉄道網に近い形となったという。

 

 原初に発生した細菌コロニー内での化学物質による情報交換は、多細胞生物として巨大化していく過程で、体内細胞間での連携、血管や神経細胞を利用した情報交換へと受け継がれ進化してゆく。


フューチャー・リテラシー:インデックス

考えるって、どういうこと?


参考書籍:

[1]ポール・G・フォーコウスキー(2015), "微生物が地球をつくった -- 生命40年億年の主人公", 松浦俊輔訳, 青土社

[2]ベンジャミン・マクファーランド(2017), “星屑から生まれた世界 --進化と元素をめぐる生命38億年史--“, 渡辺正訳, 化学同人

[3]アントニオ・ダマシオ(2019), "進化の意外な順序", 高橋洋訳, 白揚社

[4]中西直人編(2017), "微生物の驚異 :マイクロバイオームから多剤耐性まで :細菌も電気通信で”会話”", 別冊日経サイエンス, p47, 日系サイエンス

[5]川上新一監(2017), "粘菌 知性のはじまりとそのサイエンス : 特徴から研究の歴史、動画撮影法、アート、人工知能への応用まで", 誠文堂新光社


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道具との共進化への道(5):ヒトと道具が紡ぐメタ進化

 ヒトは「道具」を創造・改良し次世代に伝えられて「文化、習慣」を形成する。ヒトは、子供から大人に成長するにつれて「道具、文化、習慣」を習得し、より良く使える遺伝子を持ったものが優位となる。そして、ヒトと「道具」は、共進化していく。


●ヒトと道具が紡ぐメタ進化[1]


「石器」は「牙」をアウトソースする。

 死体の皮を切り裂き、固い骨から滋養に富んだ骨髄を手に入れ、地中からは炭水化物の豊富な芋を掘り、木の実を砕き、滋養に富んだ栄養を確保する。「石器」の利用は、犬歯を縮小し、手先の器用なもの、多彩な活用方法を生み出したものを優位にした。


「衣類」は「体毛」をアウトソースする。

 長距離走で獲物を追い詰める際の発汗のため「縮小した体毛」を補い、寒暖の変化に「服を着替える」ことにより臨機応変に対応できる。「衣類」の利用は、巨大化した「脳」を冷却するためさらに体毛を縮小し、太陽光の強弱に皮膚の色素で対応するものを優位にした。


「火」は「消化器」をアウトソースする[2]

 繊維質で筋がある肉を柔らかくし、芋や実の加熱調理により食べる量を増やし、栄養を吸収しやすくする。有毒な植物の毒を消し、寄生虫や菌を退治し、肉食動物を遠ざけ、極寒の季節に暖を提供する魔法まで備えている。「火」の利用は、犬歯と顎の筋肉と消化器を縮小し、毒や菌に対する抵抗力を弱め、吸収した豊富な栄養を使って周囲の環境変化にうまく対処できるよう「脳」を進化させたものを優位にした。さらに、火を保持する場所で共同体がひとつにまとまって食事をし、社会性を強化し、「コミュニケーション」能力を高めたものを優位にした。


「言葉」は「知性と論理」をアウトソースする[3]

 内外情報や「感情」、「愛情」、「創造と美意識」「知性と論理」「記憶」を統合・翻訳・編集・フィードバックし、対処を判断し、フィードバックするための手段を提供する。「言葉」は、「知性と論理」の思考様式を提供し、世代を超えて記憶し、大人から子供へ受け継がれ、また「言葉」を利用するものによって「再構築」し、他者とのコミュニケーションにより「改良」する。「言葉」の利用は、本能による瞬時の行動に割り込み遅延をもたらすが、舌、顎、喉頭、気道の利用をチューニングし、「知性と論理」により適当な行動を選択する、「感情」、「愛情」、「創造と美意識」「記憶」そして「知性と論理」をも「知性と論理」により適当にコントロールする「脳」を進化させたものを優位にした


 やがて「道具」は20万年前ホモ・サピエンスという器をつくった。6万年前にアフリカから世界各地に広がったその時、「道具」と「脳」の連鎖の爆発により想像力と創造力を開花したを「ヒトと道具の共進化は、互いに影響を及ぼし合いながら、驚異的な適応速度を獲得し、現代、そして未来につながるメタ進化の道を紡いでゆく


フューチャー・リテラシー:インデックス

考えるって、どういうこと?

「コミュニケーション」とともに進化する「言葉」


参考書籍:

[1] ジャレド・ダイアモンド(2015), "若い読者のための第三のチンパンジー :人間という動物の進化と未来", 秋山勝訳, 草思社

[2] リチャード・ランガム(2010), "火の賜物 :ヒトは料理で進化した", 依田卓巳訳, NTT出版株式会社

[3] アントニオ・ダマシオ(2019), "進化の意外な順序", 高橋洋訳, 白揚社


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道具との共進化への道(4):「脳」と「道具」の共進化

 生命は環境変化に対処し、世代を超えて記憶する手段として「遺伝子」「進化」の仕組みを構築した。そして、ヒトは環境変化に対処し、世代を超えて記憶する手段として「道具」「道具とヒトの共進化」の仕組みを構築した。


●「脳」と「道具」の共進化


 「好奇心」が新たな環境への進出を促し、変化する環境に「道具」を使って適応する。「道具」環境変化に適応する手段としてだけでなく、世代を超えて受け継ぐ記憶手段でもある。「道具」の利用方法は、「道具」を介して大人から子供に受け継がれ、また「道具」を利用するものによって「再構築」「改良」される。


 「道具」はヒトの能力を拡張するとともに、エネルギーを効率的に利用するために「身体」の進化を促す。特に、「道具」をより良く活用し、新しい「道具」を生み出す「脳」の仕組みを獲得したものが、新しい地域で豊富な栄養を獲得して生存する。「脳」は生存のために有益な、内外情報の統合・翻訳・編集・フィードバックのための「感情」、「知性と論理」、「愛情」、「創造と美意識」「記憶」を徐々に獲得し、「道具」を使って得たエネルギーがそれを支える。


 「脳」が獲得した能力は、新たな「好奇心」を生み行動領域を拡大し、新たな「道具」を生み出す。「愛情」・「感情」がそれを欲し、「創造と美意識」がそれを発想し、「知性と論理」がそれを構築し、それの利用方法を「記憶」する。「道具」と「脳」の共進化がやがて家族への愛情を深め集団での狩りを効率化し、ついには宗教や音楽や会話によって団結力することとなる。

 

参考書籍:

[1] アントニオ・ダマシオ(2019), "進化の意外な順序", 高橋洋訳, 白揚社



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道具との共進化への道(3):残念な進化と脳の発達

 生物では、生き残る確率を高めた能力がプラットフォームとして残り、その上に様々な能力をつみあげ、時に辻褄合わせを繰り返しながら生き残ったものが今にいたる。


●「直立二足歩行」の辻褄合わせと「脳」の進化


 ヒトの「直立二足歩行」は、サバンナ化する環境で家族を養うために優位だが、その選択が様々な課題をうみだした。その典型的な例が、他の哺乳類にはみられない「難産」だ。「直立二足歩行」のために、産道がS字に曲がり、内臓を支え歩くために発達した筋肉が出産のじゃまをし、死の危険をおかす難産となる。脳容量の増加にともなって、胎児の頭が大きくなり、これもまた難産に拍車をかける。これに適応して、頭も体も未熟なうちに出産するようになり、親がいつまでも子供の面倒をみることで、家族の絆がさらに強まり、長い期間をかけて学習できるようになる。


 両手で食料を運べるようになったことは、家族を養うために優位に働く。そして、見知らぬ食べ物を開拓する「好奇心」が優位となり、チームで協力して獲物を追い詰めるなどサバンナでの狩猟採集のテクニックを高め、さらに「直立二足歩行」を鍛えることが優位となる。二足歩行とヒトのチーム連携が「サバンナでの長距離走」に役立つ遺伝子、「脱毛」、「脳の冷却」、さらに「水筒」の発明が「発汗で冷却」するものを優位にする。


肉食などにより豊富な栄養を取得できるようになり、大量にエネルギーを消費する「脳」を成長させる戦略を支える。一方で、「二足歩行」で走ること、「脳」の発達を優先したことにより、サバンナにおいて脆弱すぎる個体となり、集団での狩りが必須となる。高度なコミュニケーションを発達させる必要にせまられ、さらに「脳」「二足歩行」を発達させることになる。


 さらに、「二足歩行」は、性器を隠してしまった。性器が隠れてしまうと、発情期を検出しにくくなり、結果的に発情期を喪失する。発情期がわからない状態で、パートナーを探さなければならなくなり、双方の「コミュニケーション」によって交尾の意思表示ができたものが生き残る。こうした、「二足歩行」「栄養確保」「コミュニケーション」「脳」の共進化サイクルがぐるぐると回った結果「脳」が巨大化していくこととなる。


 「脳容量」は、440万年前のラミダスが300ccでチンパンジーの400ccよりも少ない。さらに250万年かけて2に(ハビリス)、次の100万年で3に(エレクトス)、それからわずか80万年後の20万年前に現代人=ホモ・サピエンスが5の(サピエンス)脳を獲得する。長い辻褄合わせの旅をへて、脆弱な体を補う特殊な「脳」を獲得したのがヒトという動物なのだ。


脳の容量

          「脳容量」の変化



「フューチャー・リテラシー インデックス」

参考書籍:

[1] NHKスペシャル「人類誕生」制作班(2018), "NHK スペシャル 人類誕生", 馬場悠男監修, 学研プラス

[2] NHKスペシャル「人類誕生」制作班(2018), "大逆転! 奇跡の人類史", 馬場悠男, 海部陽介監修, NHK出版

[3] 更科功(2019), "残酷な進化論 :なぜ私たちは「不完全」なのか", NHK出版

[4]デズモンド・モリス(1999), "裸のサル :動物学的人間像", 日高敏隆訳, 角川文庫



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プロフィール

佐藤基

Author:佐藤基
『フューチャー・リテラシー -- 過去・現在・未来、複雑系の未来を読み解く』
を執筆中。

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