五感と脳の共進化

 6.3億年前に大陸棚が広がり大量の光と栄養塩と酸素が海中にあふれたとき、豊富な素材を活用して繁殖する生命たちの生存競争が新たなステージをむかえる。

●神経組織の誕生


 6.3億年前のエディアカラ紀の大陸棚で、急増した太陽光と栄養塩を背景に光合成を行う微生物(シアノバクテリアなど)が大量増殖し酸素を急増させる。

 豊富な素材を活用する多細胞生物の最初の戦略は、捕食されない大きな身体を得ることだ。大型化のためには、それを維持するエネルギーが必要となる。「多細胞組織」を使って「エネルギー獲得手段」を構築し、生産したエネルギーをもとにさらに大きな身体をつくる共進化サイクルがうまれる

  大型化とエネルギー獲得手段の共進化
 
   大型化とエネルギー獲得手段の共進化  

 スポンジのような海水と一体になる形態から、皮膚で外側と内側を分ける戦略への転換があらたな分岐点となる。皮膚を改造して、エネルギーを効率よく獲得する窪みを作り繊毛により積極的に餌をとりこみ、外側と内側の収縮によるわずかな運動移動手段を構築する。

 やがて、餌に反応して行動するため、「触覚センサー」の入力信号を変換した「行動信号」を「高速通信路=神経組織」により複数の「運動組織」に伝達する連携システムを構築し、このあらたな構造をボディプランとして改良を加え続ける神経系進化サイクルがうまれる。例えば、口の周辺の触覚を食べる行動につなげ、眼点を使って光を検知し、皮膚刺激に反応して退避する方向への収縮運動を誘発する。

  「センサー」から「運動組織」への高速信号路

 「センサー」から「運動組織」への高速信号路


●肉食動物と淘汰圧が「脳」をつくる


 カンブリア紀(5.41~4.95億年前)直前に起こった大型生物を捕食する肉食動物の登場が、生存戦略の大幅な変更のきっかけとなる。

 多くの種を絶滅させる淘汰圧は生物の急激な進化をうながす。肉食動物の一方的な繁殖は、被捕食側を絶滅の危機に追い込む。そして餌をたべつくしてしまえば肉食動物もまた絶滅してしまう。肉食動物の誕生がきっかけとなり、生態系全体を巻き込んで大幅な戦略変更とあらたな均衡の模索が始まる。そして大陸棚は、豊富な材料をもとにあらたな進化を試みる生物たちの壮大な実験場となる。

 最新の技術を使って個別の部位を革新するだけでは、激しい生存競争を生き延びることはできない。複数の革新的な組織を効率よく連動させることに成功したものだけが、獲物を捕食し、捕食されない身体を獲得して生き残ることができる。

 そしてついに、複数の体組織を連動する「情報統合組織」として「神経集合体=脳」を口近くに形成する。あらたなボディプランは「センサー」や「運動組織」の高度な連携を可能とし、さらに生物進化を加速する。そして、移動する餌や敵をとらえる「眼」、高速に移動する「筋肉」を生み出したとき大陸棚の軍拡競争が激化する。

  「情報統合組織」としての「脳」

         初期の「脳」の基本構造

●「眼」と「脳」の共進化

 あるとき、散在する光受容組織を集め、脳の一部を触覚から視覚に転用してつくりあげた「眼」による狩りが始まる。最初に「狩りをする眼=複眼」を獲得したのは節足動物であり、脊椎動物の祖先はもっぱら逃げるための戦略として「眼」を活用する。

 「複眼」は移動する餌を識別するのに有利な構造だ。節足動物は、多数の「複眼」から得た膨大な視覚情報を統合して「餌の移動情報」をつくり、それをもとに餌を追う「行動命令」を生成して高速通信路で「筋肉」に伝え、高速追尾により優位となる

 一方、被捕食動物は移動する物体を検知することよりも、最小限のエネルギーで巨大な生物の接近を明暗で検知して逃げることを優先する。皮膚全体に配置した数個の「点眼」を使って全方位から近づく敵を検知し、海底や岩場への高速移動するための「脳」と「筋肉」の連携を得たものが生き残る。

 カンブリア紀の動物たちは、さらに「神経組織」を改良、脂質による絶縁膜とナトリウムイオンによるデジタル高速通信網を整備し、カルシウムイオンによる終端制御や筋収縮により瞬時の行動を可能とする。「神経系」制御の高速化は俊敏な移動を可能とし、追われる側に大きなプレッシャーをかける。


●「カメラ眼」と

「空間情報(マップ)」の共進化


 カンブリア紀(5.41~4.95億年前)からシルル紀(4.44~4.19億年前)をへてデボン紀(4.19~3.59億年前)に入るころ、脊椎動物の魚類が丈夫な顎と、遺伝子重複による「カメラ眼」を手にいれて、活発な肉食を行うようになる。「カメラ眼」は、ヒトの眼と同様にレンズを使って鮮明な像をとらえる眼であり、海底の地形や餌・敵の正確な空間情報を取得可能となる。あらたな眼と脳の連携により、眼・耳・皮膚から得た情報を統合して「空間情報(マップ)」を形成し、より正確に餌と敵の情報を得て行動できるようになる。さらに「カメラ眼」と脳の「マップ」処理を共進化させ巨大な眼を得た魚類は、顎の強化・大型化を進め節足動物を凌駕するようになる。


●「嗅覚」と「本能・記憶」の共進化

 魚類は、「嗅覚」を得たことが次の転換点となる。「嗅覚」は餌や敵のまきちらした化学物資の痕跡を識別・記憶し、その場所を餌場としたり、避けたりするため有効だ。このため、嗅覚とともに行動シーケンスを誘発する「感情・本能」と「記憶」をつかさどる脳の部位が共進化することで、より狡猾に生き残ることに成功する
  脊椎動物の脳の基本構造

        脊椎動物の「脳」の基本構造

 ヒトにつながる、脊椎動物の脳にかかわるボディプランは概ね完成した。これ以降、生活環境を陸上に移し、環境との相互作用により五感の統合組織として大脳を発達させてゆくこととなる。

 多細胞生物は、体内組織間の共進化を繰り返すことによりあらたな連携構造をつくり、生存で有利であったものをボディプランとして残し、その上にあらたな仕組みを組み上げていく。いったん作られた仕組みを捨てずに残し、必要ならば別の用途に転用して体組織の複雑な連携構造を編み上げてゆく。


参考書籍:
[1] 植田和貴(2021), "[日系BPムック] ダーウィンが来た! 生命大進化 :第一週 生き物の原型が作られた(古生代から中生代 三畳紀)", 日経ナショナルジオグラフィック社
[2] アンドリュー・パーカー(2006), "眼の誕生  --カンブリア紀大進化の謎を解く", 渡辺政隆, 今西康子訳, 草思社
[3] 坂井建夫, 久光正監修(2011), "ぜんぶわかる 脳の事典", 成美堂出版
[4] 大隈典子(2017), "脳の誕生 -- 発生・発達・進化の謎を解く", ちくま書房

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眼の誕生――カンブリア紀大進化の謎を解く | アンドリュー・パーカー, 渡辺 政隆, 今西 康子 |本 | 通販 | Amazon


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tag : フューチャーリテラシ, 複雑系, ミクロ・マクロ・ネットワーク, 生命, 脳, 進化

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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』
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