鳥はなぜ酸素の薄いエベレストを越えて飛べるの?

history_archeology 2020/06/28
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point
  • 鳥は哺乳類には無い効率的な呼吸器系をもっている
  • 恐竜も鳥類と同じ呼吸器系をもっていた
  • この特別な呼吸器系のおかげで恐竜は大きな体を維持でき、鳥類は上空飛行できる

インドガン(Anser indicus)はカモ目カモ科マガン属に分類される鳥類です。夏はカザフスタンやモンゴルで過ごし、冬になるとインドへと南下し超冬することで知られています。

しかし、カザフスタンとインドの間には世界で最も高いヒマラヤ山脈があります。しかし毎年、何百万ものインドガンたちがヒマラヤ山脈を越えて移動しています。

彼らの上空飛行を可能にしているのは、鳥類が持つ特別な呼吸器系です。

科学・文化・哲学情報を提供する「NAUTILUS」は、鳥類の呼吸器系の特異性とそのシステムの獲得に至った経緯を考察しています。

鳥類の特別な呼吸器系

世界で最も高い山であるエベレストは8848mにもなります。山頂での酸素は地上の3分の1であり、熟練の登山家でも酸素ボンベを必要とします。

普通の人がいきなりこの状態にさらされると、2~3分で意識消失すると言われています。当然、その場所で運動することなどできないでしょう。

インドガン/Credit:depositphotos

しかし、インドガンはエベレストを含むヒマラヤ山脈を飛び続け、越えてしまいます。これは人間たちにとって驚異的なことです。

インドガンが低酸素でも飛行できるのはどうしてでしょうか? その秘密は鳥の呼吸器系にあります。

全ての鳥(ハチドリ、ダチョウ、ハトなど)と同様に、インドガンは非常に効率的な肺を持っています。

実は、人間を含む哺乳類と鳥類とでは、肺の作りが全く異なっているのです。

私たち哺乳類の肺は吸気口と排気口が一緒になっています。そのため、酸素を多く含んだ新鮮な空気を吸い込んでも、古くて酸素の少ない空気と混ざり合ってしまいます。当然、酸素を取り入れる点では効率が悪いのです。

しかし、鳥類の肺は吸気口と排気口が別です。肺の空気は一方通行で流れるようになっており、効率よく酸素を取り入れることができます。

Credit:ペットシッターSOS

この空気の流れを可能にしているのが気嚢(きのう)と呼ばれる哺乳類にはない器官です。

肺の前後にはそれぞれ前気嚢・後気嚢があり、これらが拡大・収縮することでポンプの役割を果たしてくれます。

鳥が呼吸する時、新鮮な空気は後気嚢に集まります。その後、後気嚢が収縮することで空気は押し出され肺を通り、古い空気と入れ替わります。

肺から出た古い空気は、後気嚢ではなく前気嚢に溜まるようになっています。そして前気嚢に溜まった空気が呼吸によって吐き出されるのです。

このように空気は一方にしか流れないため、非常に効率が良く、鳥たちは高度1万m上空でも呼吸が可能なのです。

鳥類の呼吸器系はどこから来たのか?

実は、この気嚢は鳥類特有のものではありません。遥か昔に絶滅した恐竜たちも気嚢を持っていたのです。

そのため、現在の鳥類は恐竜と同類、または分岐して進化したと考えられています。

さて、遥か昔から存在する鳥類の呼吸器系はどこから来たのでしょうか?

「NAUTILUS」は、シェルフィード大学古気候学の教授デビッド・ビアリング氏の著書「The Emerald Planet」やワシントン大学の天文学非常勤教授ピーター・ワード氏の著書「Out of Thin Air」を元に、「地球の酸素濃度変化への適応」という考えを提出しています。

約4億5千万年前、植物ははじめて海から地上へ上がってきました。それらは当初岩の表面のコケとして生きていましたが、100万年の月日を経て長い茎と葉を獲得。これを可能にしたのが、「リグニン」と呼ばれる炭素と水素からできた硬い分子です。

リグニンは木材中の20~30%を占めており、高等植物では生育に伴い組織内でリグニンが生産されます。

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しかし、問題も生じました。当時のバクテリアたちはリグニンを分解できなかったのです。

そのため、1億年以上も木が枯れ、リグニンだけが地表に堆積していったのです。この時代は石炭紀と呼ばれています。

植物によるリグニン生成は光合成によって行われるため、二酸化炭素を吸収します。その時酸素は排出されますが、生産物のリグニンは分解されないまま残るのです。

これにより地球上の二酸化炭素濃度は減り続け、対照的に酸素濃度は上昇し続けました。

現在の大気中の酸素は21%ですが、約3憶年前には30%を超えてしまったのです。

過去10億年の大気中の酸素濃度の変化/Credit:LordToran/Wikipedia

そこで登場したのが、リグニンを分解できる白色腐朽菌です。

これはリグニン分解のプロセスで大気中から酸素を取り出し、炭化水素と結合させ、二酸化炭素と水を放出します。

腐朽菌の活躍により大気中の酸素濃度は激減。約2億5千年前には約12%にまで低下してしまいました。

これにより地球上の生物の95%は死亡。

しかし、ここで誕生したのが恐竜です。恐竜は現在の鳥類と同じ効率的な呼吸器システムを手に入れたので、限られた酸素でも生活できたのです。

そして、その後何千万年もの年月をかけて酸素濃度は20%までゆっくりと上昇していきました。

そのため、恐竜たちは象のように大きな体へと成長します。非常に効率の良い呼吸器系によって、大きな体でも隅々にまで酸素を届けることができたのです。

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効率の良い呼吸器系は恐竜の大きな体を可能にし、その後の時代では鳥類の高度飛行を可能にしました

「インドガンはエベレストを越えて飛べる」という身近な現象は、生物の構造の神秘を明らかにするものだったのです。

同様に他の身近な現象の解明・研究は、過去の謎を紐解く可能性があり、私たちに新たな繋がりを見せてくれるかもしれません。

生きた姿をほぼ完全に保つ「恐竜のミイラ」がスゴイ

reference: nautil / written by ナゾロジー編集部
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