反芻動物の頭蓋骨の多様化—ミクロ進化の過程からマクロ進化のパターンまで

2023年3月17日の特集

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Thamarasee Jeewandara、Phys.org 著

進化生物学者は、集団レベルの変動の比較データセットに基づいて、ミクロ進化のプロセスとマクロ進化パターンの間の基本的なつながりを形成することを目指しています。 Science Advances の新しいレポートの中で、ダニエル R. ローダと米国シカゴ大学およびジャクソン研究所の進化生物学の科学者チームは、以前に公開された反芻動物 (哺乳類) の頭蓋のデータセットを分析しました。

この結果は、高度に保存された頭蓋顔面進化アロメトリー (CREA) によって偏っており、大型の種ほど比例して顔が長いことが示されました。 結果は、この特徴が最も抵抗の少ない進化系統であり、ブラウザーとグレイザーのスペクトルに沿った形態学的多様化を促進するものであることを強調しました。 この結果は、集団レベルでの制約がどのようにマクロ進化スケールでの表現型進化の方向性の高いパターンを生み出すことができるかを示しています。 この研究は、哺乳類の分岐群にわたる頭蓋顔面の進化的アロメトリーの役割の探求に光を当てています。

自然選択は集団内の表現型の変動に影響を与え、集団の発展は選択に反応します。 最大の変動量の方向は最小抵抗線 (LLR) として知られており、最大の進化的変化の潜在的な方向を表します。 選択が最も抵抗力の低いラインに沿って行われる場合、生物学者は集団が適応ピークに向かう直接的な経路で進化すると予想します。 ただし、選択が他の方向に向けられている場合、選択に対する反応は最も抵抗の少ないラインに向けて再調整されます。 この結果、適応環境と集団レベルでの種内の変動の限界との間の相互作用が、表現型の進化の経路を決定します。

進化生物学者は、マクロ進化パターンの根底にある微進化メカニズムを明らかにする生物学研究の基本的な目標として、生物多様性の地球規模のパターンを説明しようとしています。 彼らは、これらのパターンが大進化に対する集団レベルの制約に影響を与えると予想しています。 この研究では、Rhoda ら。 彼らは、頭蓋顔面の進化的アロメトリー（つまり、サイズとともに変化する生物の特性）がミクロ進化とマクロ進化に与える影響についての強力な証拠を提示しており、形態学的多様性を促進するために最も抵抗の少ない線に沿って調査することができます。

哺乳類の頭蓋骨は、個体発生的および進化的アロメトリーの高度に保存されたパターンを維持しており、頭蓋顔面の進化的アロメトリーの一例として、大型の種ほど比例して長い顔を持っています。 アロメトリーは表現型進化の制限である一方で、発生上の新規性がなくても極端な表現型が生じる機会を与えます。

たとえば、より大型で顔の短い哺乳類はありそうもないのですが、顔が長くて手の届かない表現型はこのアロメトリーによって生じます。 したがって、頭蓋顔面の進化的アロメトリーは最も抵抗の少ない進化系統として現れ、単純に、頭蓋骨の形成におけるサイズに関連した制限により、大型の哺乳類の方が長い顔を持つことを示しています。 古生物学者らは、種間のサイズと頭蓋骨の形状の間に強い関係があり、大きな種ほど顔が長く、進化のアロメトリーの傾きが亜科間で大きく異なることに注目した。

研究例では、ディクディクの頭蓋の形状は、鼻の後退が大きいため、他の小型反芻動物とは異なっていることが示されました。 しかし、すべての小型反芻動物は、より巨大で顔の長い近縁種よりも短い顔を持っていました。 研究チームは、系統発生的主成分分析を使用して、変動の主軸を支配する明確なサイズ傾向を示し、結果をさらに強化しました。 ローダら。 頭蓋顔面の進化的アロメトリーを調査しながら、多様な進化パターンをよりよく理解するために、クレード間の種間の形態空間を再現しました。

研究チームは、解析における形態空間の類似性が、ウシ科の頭蓋骨の多様化に対する主な影響であるアロメトリーによるものであることを指摘し、これを裏付けた。 研究者らは、ウシ科の頭蓋骨の進化的変異には明らかなサイズ傾向が見られることに注目した。そこでは、大型の放牧民族アルセフィニと小型の草食民族ネオトラジーニが、観察された進化速度に比べて予想以上に多様化していた。 この研究は、祖先からさらに離れて分岐したと思われるウシ科とシカ科の中での多様化のマクロ進化パターンと一致していた。 このデータは、新生代を通じて奇蹄目の多様性が減少していることを例証する一方で、新第三紀を通じての反芻動物の食性の進化の不安定性を表しています。

ローダら。 彼らは、ブラウザと草食動物の連続体に関連する形状の変化を調べたが、アルセラフィニのような大型の草食種の例外的に長い顔の頭蓋が、(1) 偶然にも長い顔だった、放牧に適した頭蓋の直接選択に起因するかどうかは不明である。 、または (2) 採食生態に関する選択に無関心でした。 後者のシナリオでは、彼らの仮定は、放牧に伴う体のサイズの増加中に受動的に長い顔が進化したというものでしたが、食物摂取と処理の間に密接な関係があるため、その可能性は低いと思われます。

どちらの考えられるシナリオでも、採食生態はサイズの進化的変化に適応する価値を提供し、反芻動物の頭蓋形態の多様化に影響を与えた。 ローダら。 私たちは、頭蓋顔面進化アロメトリー（CREA）が反芻動物偶蹄目において最も抵抗力の少ない進化系統であるかどうかを調べ、形態学的多様性に対するその影響を分析しました。 彼らは、仮説的な CREA に関連する変動軸を直接測定して、集団レベルでの進化的変動との関係を調査し、系統発生学的一般化最小二乗回帰を実行して、形態学的分岐と CREA に対する分岐角度との関連を測定しました。

このようにして、ダニエル R. ローダらは、哺乳類 (反芻動物) の頭蓋骨の多様化におけるマクロ進化パターンの根底にある微進化プロセスを調べました。 彼らは、最小抵抗線 (LLR) の側面として頭蓋顔面進化アロメトリー (CREA) を調査したため、研究中に種のマトリックスを生成したところ、結果は CREA と密接に一致しました。 これは、その種が、系統的に一致していないものよりも祖先からより遠くに分岐したことを示しています。

この研究では、ブラウザー草食動物スペクトルにおける分岐群間の違いと、ウシ科およびシカ科動物と比較した多様化のパターンの根底にある内因性および外因性の要因を調べました。 そして、反芻動物の頭蓋形態の多様化に対する内因性の影響を強調しました。 この結果は、マクロ進化パターンに対する固有の限界の影響を広く実証し、科学者が他の哺乳類クレードにおける CREA の役割についてのさらなる研究を構想できるようになりました。

詳しくは： Daniel P. Rhoda 他、最小抵抗の進化系統に沿った反芻動物の頭蓋骨の多様化、Science Advances (2023)。 DOI: 10.1126/sciadv.ade8929

Ryan N. Felice 他、鳥類の頭蓋におけるモザイク進化の発生起源、米国科学アカデミー紀要 (2017)。 DOI: 10.1073/pnas.1716437115

雑誌情報:米国科学アカデミー紀要、科学の進歩

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