古生物学者にとって、化石化した骨の完全なセットを見つけるのは幸運なことです。時には、羽毛のような繊細な特徴の痕跡が保存された状態で見つかるなど、さらに幸運なこともあります。しかし、それらの手がかり以外にも、絶滅種の生物学的特徴の大部分――DNA、内臓、そして独特の化学的性質――は、私たち人間を隔てる何百万年もの歳月によって完全に破壊されています。もしそうでなかったらどうでしょうか？一部の科学者は、一見ありふれた化石から、はるかに複雑な生物学的情報を引き出せると主張しています。その中には、皮膚や卵殻など、ほとんどの古生物学者が何百万年も生き残るとは考えていないものも含まれています。
分子古生物学者のジャスミナ・ヴィーマン氏は、2018年からこの刺激的な研究の最前線に立ち、化石の要素を明らかにする論文を共同執筆してきました。これらの要素は、私たちの目にはすぐには見えませんが、複雑な化学分析と統計分析を繰り返すことで検出できます。ジェイソン・クロフォード氏とデレク・ブリッグス氏と共同で今夏発表された彼女の最新論文は、過去2年間の同様の研究を基盤としています。ヴィーマン氏と共著者たちは、皮膚、骨、歯、卵殻の化学的特徴を特定できると主張しています。さらに素晴らしいことに、この技術を用いて、現場の誰もが約20分でこれらの古代の痕跡を見つけられるように訓練することができます。彼らは、この技術が世界中の博物館のコレクションで広く活用されることを期待しています。
ほとんどの博物館では、所蔵する化石のごく一部しか展示していないことを考えてみてください。展示される化石は、部分的に完全な骨格か、一般の人々が容易に認識できる化石です。多くの博物館の収蔵庫には、残りの化石が山積みになっています。それほど目立たない化石であっても、古代の生命についての洞察を与えてくれる化石です。もし、それらすべてに隠されたバイオマーカーがないか検査できたらどうなるでしょうか？
何かが数千年、ましてや数百万年も生き残るには、特定の条件が揃う必要があります。もし化石になったとしても、それが何億年もの間、どれほどの圧力と熱にさらされてきたかを考えてみてください。骨などの硬い組織が生き残るのは驚くべきことですが、細胞、血管、皮膚、そしてそれらの分子構成要素といった、それほど頑丈ではない構造は、特に数億年も経てば、もはや生き残れないだろうと現在では考えられています。
科学者たちが探究する化学的な構成要素である生体分子は、タンパク質、脂質、糖といった、あらゆる動物組織を構成する分子です。生体分子の化石化生成物は、化石組織がかつてどのような動物に属していたか、バイオミネラル化されていたかどうか、そしてそれがどのような種類の組織であるかを示します。
「これまで、現代の生体分子に保存された生物学的シグナルは化石化の過程で失われたと考えられてきました」と、ヴィーマン氏は電話インタビューで説明した。「私たちの研究は、複雑な化石有機物中に残されたオリジナルの生物学的シグネチャーを探る、まさに初めての試みです。これまでの標的を絞った分析とは異なり、私たちは客観的に、保存されたシグナルが存在するかどうか、そしてそれらが化石生物について実際に何を教えてくれるのかを探りたかったのです。」
つまり、特定の化石に特定の分子を探すのではなく、調査した化石のサンプルセットにどのような分子が含まれているのか（もし含まれているなら）を特定しようとしたのです。彼らは一貫して、特定の古代の分子の痕跡が化学的に変化しつつも、依然として独自の特徴を保ったまま残存していることを発見しました。研究チームは様々な種類の分子化石を識別し、その生物学的意味を解釈することができました。
「2018年に分子保存に関する最初の論文を発表した際、以前報告されていた脂質の化石化生成物だけでなく、タンパク質や糖の化石化生成物の証拠も発見しました」とヴィーマン氏は述べた。「これはこの分野にとって驚きであり、当時としては非常に大胆な主張でした。特に、化石有機物に関するこれまでの多くの事例研究はサンプルの汚染の影響を受けていたからです。それから2年が経ち、私たちの研究結果は複数の研究室によって何度も再現され、化学変化による生体分子の化石化の可能性を独自に裏付けるものとなっています。」
ヴィーマン氏は古生物学に独自の視点を持ち込んでいます。15歳の時、ドイツで化学を学ぶための奨学金を獲得し、地球科学と進化生物学の学位を取得した後、イェール大学に進学し、現在は博士課程に在籍しています。過去2年間で、恐竜の卵の色を発見し、タリーモンスター（Tullimonstrum）が脊椎動物であることを裏付ける更なる証拠となる研究に貢献し、石灰化した卵殻よりも前に恐竜の軟殻卵が進化したという証拠の解明にも貢献しました。これらの化石に関連する古代の化学的性質を解明することが、彼女の役割でした。「私は、あらゆる進化のテーマについて分子プロキシを開発し、古生物学者がこれまでアクセスできなかった情報を解き明かしています。」と彼女は説明します。
ヴィーマン氏は、今年の米国脊椎動物古生物学会年次総会でローマー賞の研究発表を行う16人の学生の一人に選ばれました。「化石生体分子が絶滅有羊膜類の生理学と古生物学を明らかにする」と題された彼女の発表では、ラマン分光法を用いて化石生体分子を特定するために開発した手法と、この手法が過去の絶滅動物の理解を深めるためにどのように応用できるかについて説明しました。彼女の発表は受賞には至りませんでしたが、「委員会は彼女の研究の質の高さに間違いなく感銘を受けました」と、ローマー賞委員会のケネス・アンギエルチク委員長はギズモードへのメールで述べています。
「化学の知識があると、複雑な問題に対する異なるアプローチが可能になります。分子は肉眼では見えないため、反応がどのように起こるかを完全に理解するには、ある程度の創造性と関連科学からの知識の移転が必要になることがよくあります」とヴィーマン氏は述べた。
古生物学という分野は200年以上の歴史があり、その間、私たちは単に骨を見つけてその正体を特定することから、それらの動物がどのように死んだのか、何を食べていたのか、どのような病気にかかっていたのかを知り、骨内の組織を研究し、遺伝学を追跡し、進化の微妙な側面についてより深く理解するようになりました。それぞれの世代は、先人たちの研究の上に築かれてきました。そして時折、私たちの理解は大きく飛躍し、息を呑むような技術や洞察が生まれます。
タンパク質、脂質、糖が、現在科学で認められている推定380万年を超えて生き続ける可能性があるという主張、そしてこの研究があらゆるコレクションのあらゆる化石に適用できるという主張は、驚くべきものです。私たちが知るかもしれない知見がもたらす影響は、古生物学の様相を一変させる可能性があります。これは特に、不完全な化石や、それがどのような種であったかを示す特徴的な形態を保存していない化石の場合に当てはまります。
3億年前の物議を醸したタリーモンスターの化石を考えてみよう。この独特な外見の生物は、1966年に正式に記載されて以来、議論を巻き起こしてきた。ビクトリア・マッコイ、ウィーマン、そして共著者らによる化学分析で発見された軟組織の痕跡は、脊椎動物の組織の痕跡と一致しており、無脊椎動物ではなく、顎のない軟体脊椎動物であったという説を裏付ける更なる証拠となっている。また、モンゴルで発見されたプロトケラトプスの胚の化石には目に見える卵殻は含まれていないものの、マーク・ノレル、ウィーマン、そして同僚らの研究は、それらがかつて軟殻の卵に包まれていたという証拠を提供している。現在では顕微鏡レベルの痕跡にまで縮小されたこれらの構造は、科学技術の進歩なしには解明されなかっただろう。
古生物学者のジンマイ・オコナー氏は、軟殻卵の化石を明らかにした研究に大変感銘を受けています。彼女は、ヴィーマン氏らによる最新の論文を「方法論論文」と呼んでいます。これは、この研究がどのように達成され、他の研究者がどのように再現できるかを説明したものです。
「これは、こうした手法で抽出できる刺激的な情報の一例です」とオコナー氏はギズモードへのメールで述べ、私たちの目には見えない軟殻卵について言及した。「この発見は非常に大きく、多くの奇妙な点（恐竜の系統によって卵殻がこれほど異なる理由や、化石記録に卵が存在しない系統がなぜ存在するのかなど）が突如として解明される。今回、彼女（とチーム）はこれを幅広い化石組織にまで拡大し、生体分子の残留物に検出可能な系統学的シグナルがあることを証明している。」
「彼らの論文には、非常に興味深く、真に取り組む価値がある点が数多くあります」と、シカゴのフィールド自然史博物館の研究員、エヴァン・サイッタ氏は電話で述べた。「この論文は、議論をはるかに高いレベルに引き上げていると思います。」
しかしながら、大胆な新たな主張には懐疑的な見方も伴う。
この研究をめぐる最大の論争は、それが3つの長年の科学的前提に疑問を投げかけるものであるという点である。1つは、古代の組織は化石化を生き延びることはほとんど期待できないということ。2つは、ヴィーマンが研究した化石が由来する酸化環境が必ずしも保存に適しているわけではないということ。3つは、どんな化石でも微生物汚染（または「バイオフィルム」）の可能性が高いため、汚染は避けられないということである。
「このモデルの革新的な点は、高度に酸化された環境で有機物が保存されるという点です。なぜなら、そのような環境こそがこの種の化学反応を促進するからです」とサイッタ氏は述べた。「これは、地質学における私たちの理解（有機物含有量の高さは酸素の少なさを連想させることが多い）からだけでなく、生物考古学やはるかに最近の骨の化学からも大きく逸脱しています。この研究から分かっているのは、骨に含まれる元々の有機物が分解・枯渇し、同時に周囲の環境からの汚染が時間の経過とともに増加していくということです。」
言い換えれば、私たちはしばしば酸素含有量の低い環境を化石の保存に最適な場所だと考えがちです。酸素含有量の高い環境は一般的に腐敗と関連付けられます。しかし、ヴィーマン氏らが本論文で示唆しているのはそのような環境ではなく、地質学的保存の新たな可能性への扉を開くものです。
他の古生物学者たちは、生体分子の特定にラマン顕微分光法というたった一つの技術しか使われていないことに懸念を抱いています。誤解のないよう明確に述べれば、ラマン分光法はそれ自体が非常に複雑です。この手法は物理学者チャンドラセカラ・ヴェンカタ・ラマンによって1928年に開発され、彼はその功績により1930年にノーベル賞を受賞しました。最も基本的な言葉で言えば、レーザーがあらゆる種類のサンプルの表面にある分子を励起し、分子を振動させて散乱光を発生させます。化学結合によってその光が変化し、科学者は分子の正体を解釈できるようになります。
ノースカロライナ州立大学の古生物学者で教授のメアリー・シュバイツァー氏は、最近、研究にラマン分光法を導入しました。彼女もまた、恐竜の化石に血管や軟組織の証拠を発見した最初の人物となるなど、古生物学において大胆な主張を展開しています。
「ラマン分光法は、官能基やアミド結合の存在を検出するのに優れた手法です。これらは確かにタンパク質と一致するものです」と彼女はメールで述べています。「しかし、アミド結合は、接着剤、固化剤（現場で回収時に一般的に使用される）、バイオフィルム、化石を切断した場合の包埋剤、その他多くの化合物、あるいは通常の実験室での汚染の結果として見つかることもあります。」
ラマン分光法だけを使用するだけでは、絶滅した生物の複雑な有機化合物（タンパク質を含む元の生体分子）が実際に存在するかどうかを判断するのに十分ではないと彼女は述べた。
ノースカロライナ州立大学の物理学教授でシュバイツァーの共同研究者でもあるハンス・ハレン氏は、1990年代からラマン分光法の研究に携わっています。ハレン氏は電話インタビューで、最大の懸念は「適応型ベースライン法によって、真のラマン信号の一部が差し引かれているように見えること」だと述べました。言い換えれば、「ラマン信号の一部をベースラインとして差し引くことで、ラマン信号を過小評価してしまうことになる」ということです。
「要約すると、これは非常に難しい科学を行うための新しいアプローチと言えるでしょう」とハレン氏は述べた。「しかし、どんな技術を使っても、難しいのは変わりません。ラマン分光法は優れた技術ですが、問題がないわけではありません。」
共通の懸念の一つは、クロマトグラフィー、質量分析、共鳴ラマン分光法といった他の技術が、古代分子の生体信号の確認に用いられていないという点でした。しかし、クロマトグラフィーと質量分析法はどちらも、情報を得るために化石を破壊する必要があります。「共鳴ラマン分光法に波長可変の深紫外線励起を使用できる装置は、世界でもほんのわずかです」とハレン氏は述べ、「たまたま私もそのうちの1つを所有しています」と付け加えました。
対照的に、ほとんどの大学では標準的なラマン分光法を利用でき、これは非破壊的な手法です。このアクセスのしやすさと化石自体の保存は、ヴィーマン氏と共著者にとって重要でした。
さらに、ヴィーマン氏は、ラマン分光法のみに頼ることへの懸念は、彼女と同僚が1年前に発表した論文で既に取り上げられていると反論した。この技術が新しいプロセスであれば、その有効性について疑問が生じるかもしれない。しかし、これは1970年代から様々な分野で広く用いられてきた手法なのだ。
彼女はメールで、他の研究室がラマン分光法を用いて生体分子の発見に成功し、他の方法を用いて確認したと説明した。彼女は、ティラノサウルスの化石に血管の痕跡が見つかった可能性を示唆する最近の論文、中国で発見された獣脚類の化石に尾羽の痕跡が見つかった可能性を示唆する論文、そしてこれらの化学痕跡が化石が数百万年にわたって受ける強い圧力にも耐えうる可能性を示唆する論文などを引用した。
汚染の懸念については、ヴィーマン氏と彼女のチームは最新の研究で、化石の軟組織とポリアクリルアミド接着剤の分子シグネチャーの類似性を具体的に検査し、少なくとも分析した標本においては化石有機物は汚染の結果ではないことを実証した。
「問題は、彼女の研究を真に理解できる人がほとんどいないことです」とオコナー氏は書いている。「ジャスミナの視点からすれば、これは単純な化学で、私たちパレオダイエット実践者は化学についてコメントしたり批判したりするほど理解が浅いのです（彼女にとって、私たちと付き合うのはきっとフラストレーションがたまっていることでしょう！）。」
このレベルの科学をより理解しやすい古生物学者は、有機地球化学者です。そのような有機地球化学者の一人である、カリフォルニア大学リバーサイド校の地球科学教授、ゴードン・ラブ氏は、生細胞の構造の一部を構成する古代の脂質を研究してきました。ラブ氏によると、これらの脂質の研究は新しいものではありません。古代の脂質バイオマーカーの探索は、石油・ガス業界では少なくとも40年前から行われており、燃料として使用される天然ガスや石油を産出する岩石を見つけるための手段として利用されています。
この研究でラブ氏を驚かせたのは、調査対象となった化石と、それらが発見された岩石、特にバージェス頁岩から発見された5億年以上前の化石の保存状態の違いでした。ラブ氏は、その時代の化石に含まれるタンパク質由来の古代分子から、種の進化史を示す手がかりとなる系統学的情報がどの程度得られるのか疑問に思いつつも、今後の研究でどのような成果が得られるのかを楽しみにしていると述べています。
「データにおける系統学的特徴の裏付けは、生物鉱物の特徴に比べて特に強力だとは思いません」とサイッタ氏は述べ、ヴィーマンの手法を用いてどの種が系統樹のどこに属するかを特定できることに言及した。「しかし、もし系統学的特徴が本物であれば、私の考えでは、これらの有機物の多くが元の化石に由来するという、非常に強力な証拠となるでしょう。」
「彼らのアプローチは素晴らしいと思いますし、分析によって貴重なサンプルが破壊されないというメリットもあると思います」と、カーティン大学の有機地球化学者で古生物学者のクリティ・グライス教授は述べています。「しかし、これはあくまで一つのアプローチに過ぎません。彼らのデータは補完できると思いますし、一部のサンプルでは分子地球化学分析を並行して行うことで、特にコンクリーションの中で非常に良好な状態で保存されている化石には、未活用の分子情報のアーカイブが存在するため、さらに活用できると思います。」
ヴィーマン氏とその協力者たちが化石に隠された秘密を解き明かし、他の人々にもそうできるように訓練できるかもしれないということは、この惑星の生命に対する私たちの理解に計り知れない可能性をもたらす。
「将来、動物の人間関係、生理学的革新の進化、そして動物の組織の種類に関心を持つ科学者たちが、化石から得られる解剖学的知見を補完するために、分子生物学的特徴を探求してくれることを願っています。分子データは生命の歴史について全く新しい視点を提供する可能性を秘めており、化石記録の現在の限界を超える鍵となるかもしれません。」とヴィーマン氏は述べた。
簡単に教えられて、費用対効果が高く、非破壊的な手法で、数百万年前の生物種に関する新たな知見をもたらす可能性があるとしたら？それはまるで、未開の情報が詰まった世界最大の図書館の鍵を手に入れるようなものです。文字通りにも比喩的にも、古代の生物の姿を明らかにすることができ、世界中の博物館のコレクションに新たな活力を与える可能性を秘めています。
Jeanne Timmons (@mostlymammoths) はニューハンプシャー州を拠点とするフリーランス ライターであり、mostlymammoths.wordpress.com で古生物学と考古学に関するブログを執筆しています。
