カンブリア紀の爆発とは？動物の多様化・原因と議論を解説

カンブリア紀の爆発を図解で徹底解説：5億4,100万年前の動物門急増、進化原因の仮説と歴史的議論をわかりやすく紹介

カンブリア紀の爆発は、多くの動物門が化石記録に初めて登場した時期を指します。これはおよそ5億4,100万年前（約541万年）にあたる出来事で、地質学的には非常に短い時間内に、現在私たちが認識する多様な動物の体制（ボディプラン）が現れたことが特徴です。化石に現れる「突然の出現」は目立ちますが、これはあくまで化石記録上の現象であり、実際の進化の過程がどのようであったかは複数の証拠を合わせて解釈する必要があります。

約5億8,000万年前以前には、ほとんどの多細胞生物は比較的単純だったと考えられています。多くは個々の細胞でできていたり、時にはコロニーとして組織化されていたものが中心でした。しかし、エディアカラ（前カンブリア紀後期）の生物群を含め、徐々に多様化する系統も存在した可能性があります。その後の7千万〜8千万年程度の間に、形態学的な多様化が加速したと見られ、カンブリア紀の終わりには、私たちが今日知っているほとんどの動物門が出揃っていたと考えられます（この「出揃う」という表現は化石記録上の出現を指します）。

代表的な化石層と発見

カンブリア紀の多様性を示す重要な化石産地には、カナダのバーゲス頁岩（Burgess Shale）、中国・澄江（Chengjiang）、グリーンランドのSirius Passetなどの精密な保存層があり、軟体組織まで保存された化石が多数見つかっています。これらの資料はカンブリア紀における多様な生活様式（遊泳・底生・捕食・ろ過摂食など）や、現生群の祖先にあたる様々なステム群（stem group）を確認する手掛かりを与えてくれます。

原因として提案されている主要仮説

• 酸素濃度の上昇：体を大きくし、活動的な生活様式（能動的な遊泳や捕食）を支えるために酸素が鍵だったという説。大気・海洋中の酸素増加が代謝や大きな体の進化を可能にしたとする見方です。
• 発生遺伝学の革新：Hox遺伝子などの転写制御機構の進化により、複雑な体の基本設計（前後軸や体節など）が実現しやすくなった、という分子的・発生学的説明。
• 捕食者‐被捕食者の相互作用（生態的軍拡競争）：捕食の出現が防御器官（殻や棘など）や運動能力の進化を促し、それがさらなる形態多様化をもたらしたとする生態学的説。
• 生体鉱化（バイオミネラリゼーション）：殻や骨格を作る生化学的能力が広がることで、化石として残りやすくなり、結果として「突然の出現」に見えた可能性（保存バイアスの影響）。
• 環境・地球化学的変化：大陸配置や海洋栄養塩、気候変動（スノーボール・アース後の回復など）が生態系の多様化を促進した可能性。
• 記録の偏り（タフノミーの問題）：軟体部分の保存条件は極めて限られているため、エディアカラなどの前カンブリア紀生物群が十分に保存されていなかっただけで、実際にはもっと以前から多様化が進んでいたという説明もあります。

議論のポイントと現代の理解

19世紀半ばには、化石層に生物が急速に出現しているように見えることが既に指摘されており、チャールズ・ダーウィンはこれを、自然選択による進化論に対する主要な反論の一つと考えていました（ダーウィンは化石記録の不完全さを理由に反論に対処しました）。現代では、次の点が広く議論されています：

• 「爆発」は本当に瞬間的だったか：化石記録だけで見ると急速だが、分子時計解析では多くの系統がそれより前に分岐していた可能性が示唆され、数千万年〜数億年のスケールで漸進的に進んでいたという見方も強い。
• 形態学的多様化の性質：多くのカンブリア紀生物は現生群の「ステム群（側系統）」であり、「門が突然現れた」のではなく、現生の特徴が揃うまでの多様な実験的形態が現れたと解釈される。
• 多因子モデルの優位：現在の多くの研究は単一要因ではなく、複数の要因（酸素、遺伝子革新、生態系相互作用、保存条件など）が相互に作用してカンブリア紀の多様化を生じさせたと考えています。

重要な含意

カンブリア紀の爆発は、動物の主要な体制が確立され、生態系の階層構造（捕食者・被食者・分解者など）が形成された重要な時期でした。これは現生動物の進化的起源と、生物多様性の拡張過程を理解するうえで中心的な問題であり、地質学・古生物学・発生生物学・分子系統学が融合して解明が進められています。

結論として、カンブリア紀の爆発は「短期間の突然の出現」に見える現象を指す言葉ですが、その原因は単純ではなく、保存バイアスや分子データ、環境変動、遺伝学的変化など多様な証拠を統合して考える必要があります。

10億年前の生命

詳しくは、アクリタークとストロマトライトをご覧ください。

ストロマトライトは、シアノバクテリアなどの微生物がコロニーを形成して作った、ずんぐりした柱状のもので、これが最初の化石とされています。その記録は約35億年前に始まり、2700万年前からごく普通に見られるようになった。1250年頃からは急激に減少し、その原因はおそらく放牧や穴埋め動物によるものと考えられている。

先カンブリア時代の海洋の多様性は、アクリタークと呼ばれる小さな化石が支配的であった。これは、小型の後生動物の卵嚢から、様々な種類の緑藻類の休息シストまで、ほとんどすべての小型の有機壁化石を指す言葉である。2000年頃に出現したアクリタークは、1000年頃にブームを迎え、その数、多様性、大きさ、形の複雑さ、特に棘の大きさと数が増加した。この10億年の間に棘の多い形態になったのは、捕食に対する防御の必要性が高まったためと思われる。新原生代の他の小型生物群も、捕食者に対する防御の痕跡を示している。分類群の寿命を測定すると、この頃に捕食が増加したことがわかるようだ。しかし、一般に先カンブリア時代の進化の速度は非常に遅く、多くのシアノバクテリアの種は数十億年も変わらずに存続している。もちろん、バクテリアは主に生化学、特にそのゲノムによって定義される。生化学的な変化は、通常、化石記録には残らない。

もし、バクテリアやアクリターチを食べていた捕食生物が本当に後生動物であったとしたら、カンブリア紀の動物が「どこからともなく」根元から現れたわけではなく、その祖先は何億年も前から存在していたことになる。

カナダ、バンフ国立公園、ヘレン湖付近のストロマトライト（ピカ層、カンブリア紀中期）。


西オーストラリア州ハメリンプール海洋自然保護区の現代ストロマトライト。

質問と回答

Q:カンブリア紀の爆発とは何ですか?

Q:現在私たちが知っているほとんどの動物門が存在するようになるには、どれくらいの時間がかかったのでしょうか?

Q:「原始層」で化石が急速に出現していることが最初に指摘されたのはいつ頃か?

Q:この化石の急速な出現を、自分たちの理論に対する異論と見たのは誰ですか?

Q:580mya以前には、どのような生物が存在したのでしょうか?

Q: 化石記録に現れる前に、動物が進化していたという証拠はあるのでしょうか?

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