被子植物研究に新たな進歩！中国の科学者が最古の化石証拠を発見

制作：中国科学普及協会

著者: 王欣 (中国科学院南京地質古生物学研究所)

プロデューサー: 中国科学博覧会

編集者注：科学技術の仕事の謎を解明するために、中国の最先端技術プロジェクトは「私と私の研究」と題する一連の記事を立ち上げ、科学者に独自の記事を書いて科学研究の経験を共有し、科学の世界を創造するよう呼びかけました。科学技術の最前線に立つ探検家たちと一緒に、情熱、挑戦、驚きに満ちた旅に出ましょう。

被子植物は現在、少なくとも 30 万種を擁する世界で最も多様なグループです。私たち人間は、食料、衣服、住居、交通、医療を被子植物に大きく依存しなければなりません。例えば、私たちが毎日食べている主食や野菜のほとんどは被子植物です。実際、人類の起源より何百万年も前に、被子植物はすでに地球の生態系に欠かせない重要な要素となっていました。

被子植物の分類

(画像出典: Nature)

被子植物と昆虫の複雑な関係

被子植物の多様性と重要性により、被子植物と動物（昆虫や人間を含む）は長い進化の過程で複雑な相互作用関係を形成してきました。

被子植物とともに発展・成長してきた昆虫も、生物界において極めて多様性に富んだグループです。長い進化の過程において、被子植物と切っても切れない生態学的関係を築いてきました。一部の昆虫は、特定のグループの被子植物と 1 対 1 で対応する良好な相互作用関係を形成しており、これは昆虫と被子植物の両方に有益です。

しかし、ほとんどの昆虫と被子植物の関係は摂食関係であり、昆虫が植物の葉（または他の組織）を食べる状況だけでなく、植物が昆虫を捕獲して食べる状況も含まれることに注意する必要があります（もちろん、後者の状況は比較的まれです）。

昆虫は主に植物の葉を食べます。この一般的な行動は農業生産にとって大惨事です。人間は、昆虫の行動が人間の利益を害することを防ぐために、農薬を散布することで、昆虫と作物の摂食関係に介入するでしょう。

現代の生態系では、被子植物は特定の種類の昆虫に対処するための効果的な防御および抵抗メカニズムを持っていないため、複数の種類の昆虫による攻撃を受けることがよくあります。世界には何十万種もの昆虫が存在することを考えると、現代の被子植物が複数の害虫に悩まされるのは「当然」であり、現代の生態系の複雑さを反映しています。

虫に食われた葉

（写真提供：veerフォトギャラリー）

しかし、これはあくまでも現在の状態であり、永続的な状態ではありません。古生態学の研究で、古代の植物と現代の動物との相互作用は地質学の歴史を通じて絶えず変化していることを発見しました。

一つの化石から複雑な関係が明らかに

最近、化石植物に関する古生態学的研究において多くの興味深い進歩がありました。ペルム紀の木材には虫の糞やかじり跡が残っており、中生代の多くの化石の葉にも虫にかじられた痕跡が見つかっており、新生代の植物（特に被子植物）は虫によく襲われている…一般的に、時間の経過とともに、被子植物と虫の相互作用はより頻繁かつ複雑になってきました。

この生態学的関係の複雑さを示す一つの兆候は、昆虫の食草痕の多様性です。最も古い被子植物の葉の化石は、同じ種類の昆虫に襲われることが多かったため、かじられた痕跡は 1 種類しかありません。しかし現代では、植物が複数の昆虫に襲われることがあり、また、1 匹の昆虫が複数の植物を食べることもあります。単純なものから複雑なものへと変化するこの生態学的関係には進化のプロセスがあります。

この生態学的関係の複雑さの過程と範囲をどのように確認すればよいのでしょうか?この複雑化のプロセスはいつ始まったのでしょうか?人々はさまざまな側面からの証拠を使って推論を行うことができますが、決定的な情報源となるのは最終的に化石です。したがって、対応する化石証拠を見つけることは古植物学者にとって重要な仕事になります。

2019年7月、海南熱帯海洋大学の韓剛教授と中国地質調査所瀋陽地質調査センターの張立軍教授は、友人を通じて内モンゴル自治区フルンボイル盟アロン旗から数点の植物化石を入手した。

ハン・ガン教授と私は以前から長い間共同研究をしており、彼は化石を手に入れるとすぐに私に連絡をくれました。化石の中には虫刺されの跡がある大きな葉がありました。

私はこの化石が生態学的に重要な意味を持つ可能性があることに気づいたので、さらなる観察と研究のために、この化石を中国科学院南京地質古生物学研究所に送るよう、ハン・ガン教授に連絡しました。化石は8月上旬に私に送られてきました。予想通り、注意深く観察した結果、私は最初の判断を確認しました。虫食い痕の国際分類によると、長さ10cm未満、幅5cm未満のこの葉の化石には、3種類の虫食い痕があることがわかります。

8000万年前の白亜紀後期のスズカケ科の化石化した葉

（画像出典：参考1）

白亜紀後期からの関係の進展

明らかに、これは重要な学術的価値を持つ発見です。さらなる研究を進めるために、私はできるだけ早くハン・ガン教授とチャン・リジュン教授とともに現地調査を実施し、化石の地層情報を確認することにしました。 10月下旬、私たちはフルンボイル連盟アロン旗にある甘河農場に到着しました。地質学ではこの地域は大洋州盆地と呼ばれており、これまでの研究者によって地層学的な研究がいくつか行われてきました。

私たちが化石を発見した岩石層は、白亜紀後期の嫩江層に属します。この結論は、その後の私たちの同位体年代測定研究と、関連する肢のある貝の化石に関する中国科学院南京地質古生物学研究所の李剛研究員の研究結果によって裏付けられました。

地層の年代を確認した後、念のため、長年葉の化石の研究に注力してきたフロリダ博物館の学芸員、ワン・ホンシャン博士に相談することにしました。王博士は非常に熱心で、私たちの仕事に重要な助けを与えてくれました。

予備調査により、この化石は、旧ソ連北東部で白亜紀後期に発見されたスズカケノキ科の植物、アルソリアの葉に最も似ていると考えられています。この結果は驚くべきものではありません。2つの地域は地理的にそれほど離れていないからです。

葉に見られる最初のタイプの食害痕：主葉脈の両側の葉組織が完全に食べられてしまう

（画像出典：参考1）

スズカケ科は被子植物の最大のグループであり、真正双子葉植物の基底グループです。この植物の多様性は現在ではそれほど高くありませんが、白亜紀にはスズカケ科の植物は非常に豊かで多様でした。かつては北半球に広く分布し、アメリカ合衆国のダコタ植物相のいくつかの層では優勢なグループとして機能していました。したがって、ビッグポプラ盆地にスズカケ科植物の葉が見られるのは当然のことです。

同定の正確さを確かめるために、私たちは化石を現代のスズカケ科植物の葉とも比較しました。このプロセスの間、南京中山植物園植物標本館の董暁宇氏が貴重な援助をしてくれました。

葉に現れる2つ目の食害痕：葉脈間の葉組織が完全に食べられてしまう

（画像出典：参考1）

今日の世界では、昆虫の多様性は極めて高く、絶滅したものを除いても数十万種が存在します。昆虫によって口器や摂食方法が異なり、植物の葉に残る噛み跡も異なります。私たちはこの研究を、中国科学院南京地質古生物学研究所の化石昆虫専門家である張海春氏と協力して実施しました。化石に見つかった3種類の噛み跡は、少なくとも3種類の昆虫がスズカケ科の植物の葉を食べていたという証拠となります。

葉に残る3つ目の食痕：葉の端が食べられてしまう

（画像出典：参考1）

以前の報告では、被子植物の葉が食べられるのは一般的でした。しかし、一般的に葉には1種類の昆虫に噛まれた痕跡しか残っておらず、生態学的には比較的単純な食物連鎖関係と言えます。

しかし、現代の生態系における食物連鎖は複雑な食物網に交差しており、これまではそのような食物網の起源と歴史を証明する化石証拠はほとんど、あるいは全く存在しなかった。同じ化石の葉に3種類の昆虫の咬傷の痕跡が見つかることは極めて稀です。

現在の化石は8000万年前の白亜紀後期のもので、これまでで最も古い関連化石記録であり、被子植物に関連する生態系が白亜紀後期にはすでに現代に向けてより複雑化の過程を開始していたことを示しています。

結論

現代の被子植物と昆虫の相互作用は複雑な食物網を形成します。この食物連鎖は、少なくとも8000万年前、白亜紀後期に始まったと考えられています。私たちの研究結果はその証拠となるが、それ以前に歴史があったかどうか、そしてそれ以降食物連鎖がどのように進化したかについては、私たちがほとんど知らない部分だ。今後の研究でこの点に関してさらなる真実が明らかになることを期待します。

注: この記事の著者は中国科学院南京地質古生物学研究所の研究者です。彼は長年にわたり被子植物の起源と進化の研究に取り組んできました。中国で発見された化石資料をもとに、白亜紀以前の被子植物の生殖器官（ジュラ紀のシュヴァインフルーツ、ナンキンハナ、パンズトゥルーフラワーなど、ペルム紀の太原花穂を含む）を多数発見し、発表している。著者の興味は細胞質化石と素数研究にも及びます。

参考文献:

1.Gang Han、Haichun Zhang、Lijun Zhang、Lingji Li、Xin Wang。被子植物関連生態系の複雑化の最初の兆候。サイエンスジャーナルバイオ＆ライフサイエンス。 3(5): 2024.SJBLS.MS.ID.000571. DOI: 10.33552/SJBLS.2024.03.000571