なぜ鳥はエベレスト上空を飛べるのか

なぜ鳥はエベレスト上空を飛べるのか

ベラ、クロエ、デビッドへ

ラドヤード・キップリングを真似て、あなたたちに「〜というわけさ」物語を語ろうと思います。キップリングは100年前に世界で最も人気のある作家の一人でした。彼は『ジャングル・ブック』を書きました。そして『もしも物語』も。これは彼が娘のジョセフィンに寝物語として聞かせた話から始まりました。それは動物たちがどのようにしてラクダのこぶやヒョウの斑点のような有名な特徴を得たかについての物語でした。キップリングは素晴らしい作家でしたが、動物の物語は創作でした。私の物語は科学に基づいています。つまり、多くの人々が最近の数々の実験を通して、この物語のような状況が「〜というわけさ」で起こったと結論づけているのです。

これは進化についての物語でもあります。進化とは、自然の研究開発部門のようなものです。キップリングのように、私は特定の物事に人間的な声を与えています。バクテリアは委員会を組織し、植物や恐竜と同様に、彼らの問題に対する答えを研究開発部門に請願します。そしてR&D部門（つまり進化）は解決策を考案しようとします。私は進化を「R&D氏」と呼びます。彼が問題を見つけると、R&D氏は様々な方法で物事を試して解決策を見つけ出します。しかし、時にはその解決策には予期せぬ結果が伴います。さあ、始めましょう！

鳥はどうしてあんなに素晴らしい肺を手に入れたのでしょう？彼らは恐竜からそれを相続しました。しかし、なぜ恐竜がそれを持っていたのでしょう？

昔々、1月の寒い日、私はロンドンのリージェンツ・パークをジョギングしていました。ボート池の周りに群がっていたガチョウ、カモメ、ハト、アヒルに注意深く足を踏み入れながら。しかし、おそらく私がちょうど読んでいた本（ニック・レーンの『酸素』）のせいか、私の目はこの群れには見慣れない一羽のガチョウに気づきました。それはバーヘッドガン（オグロヅル）のオスとメスでした。

しかし、彼らは1月にロンドンで何をしていたのでしょう？冬の間、彼らは通常インドの中央部に住んでおり、夏にはカザフスタンやモンゴルに住んでいます。地球の地図を見ると、カザフスタンとインドの間の障壁は世界で最も高いヒマラヤ山脈であることがわかります。毎年、何百万羽ものバーヘッドガンがヒマラヤを越えて移動し、何百万年もそうしてきました。彼らは28,000フィート（約8,500メートル）を飛んでいるのが目撃されています。彼らはエベレストを越えて飛んだのです！どうやってそれができるのでしょう？

その答えは、バーヘッドガンが、ハチドリ、ダチョウ、ハトなど、すべての鳥類と同様に、超効率的な肺を持っていることのようです。それは私たちの肺――そしてすべての哺乳類の肺――を原始的に見せてしまいます。鳥が集まると、私たちの肺がいかに情けないかについてゴシップしているに違いありません！

ビッグ・エア：恐竜の肺は非常に効率的だったため、数千万年にわたって酸素レベルが上昇したとき、彼らは非常に大きくなることができました――ゾウのような陸上哺乳類がかつて到達したことのない、あるいは到達できないほど大きくなりました。VectorPlotnikoff / Shutterstock

私たちを含むすべての哺乳類は、息を吸い込むのと同じ開口部から息を吐き出します。もし私たちの消化器系が同じように機能したら想像できますか？もし私たちが口に入れる食べ物が、消化後に同じところから出てきたらどうなるでしょう？考えたくもありません！幸いなことに、消化のためには、出入りが分かれています。そして鳥類は肺に関してそれを持っています。入り口と出口です。彼らはまた、空気袋と骨の中の空洞を持っています。息を吸い込むとき、良い空気（酸素を含む）の半分はこれらの空洞に入り、もう半分は後部入口を通って肺に入ります。息を吐き出すとき、空洞に蓄えられていた良い空気は、その後部入口を通って肺に入り、悪い空気（二酸化炭素と水蒸気）は前部出口から押し出されます。したがって、鳥が息を吸っているか吐いているかに関わらず、良い空気は常に肺を一方通行で流れ、悪い空気をすべて前方に押し出します。

鳥はどうしてあんなに素晴らしい肺を手に入れたのでしょう？彼らは恐竜からそれを相続しました。鳥は恐竜なのです！私が1940年代に育った頃、生物学にはアベス（Aves）という分類があり、それは鳥を意味しました。しかし、科学者たちは今やアベスをディノサウリア（Dinosauria）という分類に組み込みました。そして、ハト、カモメ、ガチョウのようなそれらの恐竜は、私たちの周りを飛び回っています。恐竜がどんな味がしたか知りたいなら、鶏肉を食べてみてください！

陸上の植物は、コケのように岩の表面にくっついているだけで満足しなければなりませんでした。しかし、彼らは明らかにそれを不満に思っていました。

したがって、恐竜はこの超効率的な肺システムを持っており、約2億5千万年前から約6500万年前まで、地球上で支配的な種として繁栄しました。その頃、巨大な小惑星がメキシコに衝突し、そのほとんどが絶滅しました。鳥類を除いて。しかし、なぜ恐竜はそもそもこの超肺システムを持っていたのでしょう？

それに答えるために、私たちはずっと昔、約4億5千万年前、植物が海から陸に出てきた頃まで遡らなければなりません。それ以前は、植物は海にしか生息していませんでした。地表は砂漠でした。

機会を見て、いくつかの先駆的な植物が集まって「行こう！」と言い、陸上に移住しました。しかし、植物が水から出ると、海では経験したことのないものに気づきました。それは重力です。海の中では、植物はただ浮いていることができます。なぜなら、植物の密度は水とそれほど変わらないからです。海の外では、植物の密度は空気よりもはるかに高く、重力がそれを引き下げることができます。

そのため、数千万年にわたり、陸上の植物はコケのように岩の表面にくっついているだけで満足しなければなりませんでした。しかし、彼らは明らかにそれを不満に思っており、R&D氏に免除を求める委員会を組織することにしました。

R&D氏：こんにちは。問題は何ですか？

PC（植物委員会）：私たちの問題は重力です。海では経験したことがなく、陸上では問題です。

R&D氏：なぜ重力が問題なのですか？

PC：私たちは海でやっていたように、たくさんの太陽光を吸収したいのです。そしてそのための最良の方法は、長い茎を持ち、その先に葉を持つ枝を持つことです。これにより、太陽光を吸収する潜在能力を最大化できます。

R&D氏：あなたの要望は理解しました。しかし、時間がかかります。100万年ほどして戻ってきてください。

植物たちは100万年ほど指をくわえて待ちます。

PC：わかりました、100万年が経ちました！何か発見できましたか？

R&D氏：ええ、ちょっと待ってください、引き出しの中にあるはずです。これです：リグニン。

PC：リグニンとは何ですか？

R&D氏：それは炭素と水素からなる剛直な分子です。それを体内の細胞に吸収すると、すでに持っている柔らかいセルロース分子と相互作用し、非常に強固な構造を作り出します。これにより、細胞をレンガのようにすることができます。そして細胞を積み重ねて、好きなだけ高くすることができます。

PC：どれくらい高く？

R&D氏：300フィート（約90メートル）以上です。

PC：すごい！

そこで植物たちは喜んでリグニンを吸収し、その通り、R&D氏が言った通りに機能しました。そして短時間のうちに、茎、幹、枝、根、葉が地球上に現れ始めました。

唯一の問題は、これらの木が自然寿命の終わりに達したとき、バクテリアと菌類の胞子がそれを分解する準備を整え、ナイフを研いだことでした。しかし、彼らがリグニンに到達すると、ナイフが詰まってしまいました。彼らはリグニンを消化できなかったのです。リグニンを強くしていたものそのものが、当時のバクテリアや菌類を撃退したのです。そこで彼らは、私たちがチキンディナーを食べるときにするように、肉はすべて食べ、骨、つまりリグニンを残しました。

やがて別の木が倒れて最初の木の上に重なり、同じことが繰り返され、それが何十万年、何百万年、何千万年と続きました。最終的に、1億年以上にわたる枯れ木やシダ、未消化のリグニンが地球の表面下に堆積しました。この出来事が最も多かった時代を、私たちは石炭紀（炭素生成期）と呼んでいます。

バグ・アウト：約3億年前、酸素が非常に豊富だったため、呼吸効率の悪い昆虫は巨大化することができました。トンボ（ここではイタリアの等身大模型で示されている）は、約3フィート（約90cm）の翼幅を持っていました。life_in_a_pixel / Shutterstock

進化には予期せぬ結果が伴うことがあるのを覚えていますか？さて、このリグニンの堆積は、大気中に酸素の急増をもたらしました。なぜなら、地球に入る炭化水素原子1つにつき、分解プロセスで酸素原子1つが消費されないからです。大量の炭素（リグニン）が地球に入ったため、大量の酸素が大気中に蓄積されました。今日、酸素は大気の21パーセントを占めています。しかし、約3億年前、酸素は30パーセントをはるかに超えていました。酸素が非常に豊富だったため、呼吸効率の悪い昆虫は巨大化することができました。トンボは3フィートの翼幅を持ち、ミルワームは8フィート（約2.4メートル）の長さでした。両生類――カエルなど――も非効率的な肺を持っており、ダイニングテーブルほどの大きさになることができました。

当時の微生物は、やがてこの酸素の急増に気づきました。昆虫や両生類は、この豊富な酸素源に依存していたため、気にしていないようでした。そこで、心配になった微生物たちは委員会（MC）を組織し、R&D氏に会いに行きました。

R&D氏：こんにちは、何ができますか？

MC：危険な状況が発生していると思います。酸素レベルが年々上昇しており、現在35パーセントに達するかもしれません。

R&D氏：それで？

MC：消化できないリグニンがあるため、上昇し続けるのを止めるものがありません。

R&D氏：なるほど、43パーセントになると、雷の直撃で大気全体が発火する可能性があります。なぜなら、酸素が非常に可燃性だからです。そして地球上の生命の実験全体が終わってしまいます。ええ、何か対策を講じる必要があることに同意します。100万年ください。何ができるか見てみましょう。

100万年の間、酸素レベルは上昇し続けます。さらに心配になった微生物がR&D氏のもとに戻ってきます。

R&D氏：悪いニュースは、物理的なものを何も与えられないことです。しかし、公案を与えることはできます。

MC：それは何ですか？

R&D氏：公案とは、状況を助けるために考えられるものです。これです：「受け取るためには、まず与えなければならない。」

MC：それはどういう意味ですか？

R&D氏：言えることはこれだけです。考えてみてください。そうすれば問題が解決します。

そこで微生物たちは去り、約1万年かけてその意味について議論します。ついに、ある天才的な菌類細胞が夜中に目を覚まし、「わかった！」と考えます。リグニンが発明されて以来、1億年間、彼らはそれを噛み砕こうとしていましたが、その能力がありませんでした。硬すぎて、彼らは柔らかすぎたのです。

しかし、このキノコ胞子のアイザック・ニュートンのおかげで、彼らは何をすべきかに気づきました。彼らは、リグニンを溶解し、外部でより小さな断片に分解する特別な化学酵素を放出する必要があったのです。そして彼らは「乾腐病」を発明しました。

分解プロセスは、大気から酸素を引き出し、炭化水素に結合させます。その結果、二酸化炭素（CO2）と水（H2O）が放出されます。これは、木が燃えるとき（非常に速い酸化）、私たちが食物を消化するとき（中程度の酸化）、有機物が分解するとき（遅い酸化）に起こることです。

乾腐病：菌類の胞子とバクテリアが、化石化されていない枯れ木を分解し始め、その過程で酸素を消費すると、大気中の酸素レベルは急速に低下し始めました。JNix / Shutterstock

リグニンを酸化する方法の秘密が理解されると、菌類の胞子とバクテリアは、すでに化石化されていない枯れ木を分解し始め、その過程で酸素を消費しました。そのため、大気中の酸素レベルは急速に低下し始めました。石炭紀（3億年前）の30パーセントを超える高値から、ペルム紀末（2億5千万年前）には約12パーセントになりました。これは、異常に高い酸素レベルに依存していた地球上のほとんどの生命にとって悪いニュースでした。地球上の生命の95パーセントが死滅しました――酸素が極端に低い大気に窒息させられたのです。これは地球上の生命の歴史における最大の絶滅イベントでした。

生き残った5パーセントの生命体のいくつかはR&D氏のもとへ行き、残った息でこう言いました。「このわずかな酸素で生き残るために助けが必要です。」

このキノコ胞子のアイザック・ニュートンのおかげで、彼らは特別な酵素を放出する必要があることに気づきました。

そして、500万年後、この非常に複雑なものを設計するのにかかった時間ですが、R&D氏は、出入り口があり、中空の骨と酸素化された空気を一時的に貯蔵するための空気袋を備えた肺システムを考案しました。それは、以前のどの肺システムよりも超効率的で、限られた酸素を最大限に活用しました。R&D氏からのこの贈り物を授かった動物は恐竜でした。

彼らの新しい肺は非常に効率的だったため、次の数千万年で酸素レベルがゆっくりと20パーセントまで回復したとき、恐竜は非常に大きくなることができました――ゾウのような陸上哺乳類がかつて到達したことのない、あるいは到達できないほど大きくなりました。多くの恐竜の超効率的な肺は、その巨大な体の隅々に酸素を供給することができました。そして中空の骨は、全体の重量を減らすのに役立ちました。鳥類が恐竜から進化したとき、彼らはこの超効率的な肺システムを非常にうまく活用することができました。それが、恐竜がなぜあんなに大きくなれたのか、そしてバーヘッドガンがなぜヒマラヤを越えて飛べるのかの理由です！

終わり。

あるいは、これで終わりのはずです。しかし、もう一人紹介すべきキャラクターがいます。それはVCP氏（Very Clever Primate、非常に賢い霊長類）です。約400年前、VCP氏は地球の表面下を掘り下げて、石炭に変わったこの化石リグニンを採掘し、それを燃焼させて、最初に堆積したときに閉じ込められたエネルギーを解放することを発見しました。これにより、VCP氏の文明と人口は驚異的な速度で成長することができました。かつては幸せな成功物語でした。今では大きな問題になり始めています。

今日私たちが燃やす化石燃料――石炭、石油、ガス――の90パーセントは、デボン紀、石炭紀、ペルム紀に堆積したものです。その炭化水素はすべて今、大気中に放出されています。

したがって、VCP氏の文明全体は、リグニンの構造の奇妙さと、非常に遠い過去の微生物――バクテリアと菌類――がそれを分解できなかったことの結果である化石燃料を燃やすことに基づいています。これは「地球規模の消化不良」のケースです。そして、これが私たちの大きな問題につながります。これらの化石燃料をすべて燃やすことによって、VCP氏は、最初に堆積したときの50万倍の速さで二酸化炭素を大気中に放出しています。これにより、惑星の大気が非常に速く加熱されており、VCP氏の文明が解決策を見つけない限り、すぐにVCP氏にとって有害、おそらく致命的になるでしょう。

だから、ベラ、クロエ、デビッド、これが今の状況です。

VCP氏が私たちであることは、皆さんもご存知だと思います。もし私たちが化石燃料を燃やし始めなかったら、文明はシェイクスピアの時代、400年前の道をたどっていたかもしれません。当時、世界全体が太陽エネルギーを使用していました――それは単に短期間貯蔵された太陽エネルギーでした。パンを作るために育てた穀物や、馬が食べてくれる馬力を提供してくれた干し草などです。時にはエネルギーは全く貯蔵されていませんでした――私たちは単に太陽熱を利用して野菜や肉を乾燥させて保存したり、風を利用して船の帆を動かして世界中の海を航海したり、雨として降った水を利用して水車を回して穀物を挽いたりしていました。最も長く太陽エネルギーを貯蔵していたのは、燃料として燃やすため、あるいは鍛冶屋が鉄や鋼を鍛えるための炭を作るために伐採した木（リグニン！）でした。それらの木は、せいぜい150年か200年ものだったでしょう。

この問題について、今、私たちは何をすることができるでしょうか？まず、私たち全員がこれが本当に問題であることを認識し、権力のある人々にそれに対処するよう説得することを願う必要があります。難しいのは、ほとんどの年配者は石油、石炭、ガスが素晴らしいと思って育ったことであり、老犬に新しい芸を教えるのは難しいということです。皆さんは若く、年配者よりも状況をはっきり見ることができます。

現在、化石炭化水素を燃やすことに対する良い代替手段はたくさんあります。風力発電機。太陽光パネル。潮力発電。ソリウム炉のような安全な原子力発電もあります。科学者たちはまた、大気中から過剰な二酸化炭素を直接抽出し、それを石灰岩（建材として：エジプトのピラミッドは石灰岩でできています）に変えたり、燃料に変えたりする発明に取り組んでいます。しかし、これらの発明は迅速にスケールアップする必要があります。それらは、1920年代のロケットのようなものです。しかし、40年後には人々はロケットで月に行きました！

地球は、氷がボストン、シカゴ、パリ、その他の多くの場所に2マイル（約3.2km）の厚さで覆う、次の氷河期*を迎える時期に来ています。しかし、それは今起こりません。すでに大気中の二酸化炭素の層が厚すぎます。私たちは地球を私たちの体のように扱う必要があります。私たちは体温を98.6度（摂氏37度）に保ちます。寒く感じたら、「燃料」（食べ物）をより多く燃やして暖めます。そして暑すぎたら、汗をかいて冷やします。賢く、組織化されていれば、地球を調整温度の惑星に変えることさえできるかもしれません。協力すれば、それを長く、長い間維持することができます。そのためには、これを実行するという世界的な合意が必要です。そして、私たちはそれを実行できます。これは取り組む価値があります！

ロンドンより、祖父ウォルターより愛を込めて

ウォルター・マーチは、編集者、サウンドデザイナー、作家、監督として50年以上にわたり映画界で活躍しています。彼はフランシス・コッポラ（『ゴッドファーザー』三部作、『カンバセーション』、『地獄の黙示録』）やアンソニー・ミンゲラ（『イングリッシュ・ペイシェント』、『リプリー』、『コールド・マウンテン』）の多くの映画の編集とサウンドデザインを担当しました。科学への関心は、ヒッグス粒子探索に関するマーク・レヴィンソン監督の映画『パーティクル・フィーバー』（2013年）の編集にも見られます。

リード画像：Nitin Chandra / Shutterstock

追加資料

Beerling, D. The Emerald Planet: How Plants Changed Earth’s History Oxford University Press (2007).
Krulwich, R. “The Fantastically Strange Origin of Most Coal on Earth,” National Geographic (2016).
Lane, N. Oxygen: The Molecule That Made the World Oxford University Press (2003).
Ward, P.D., Out of Thin Air: Dinosaurs, Birds, and Earth’s Ancient Atmosphere Joseph Henry Press, Washington, D.C. (2006).
Ward, P.D. & Kirschvink, J. A New History of Life: The Radical New Discoveries About the Origins and Evolution of Life on Earth Bloomsbury Press, London, United Kingdom (2015).

修正：記事は当初、地球が約500年後に別の氷河期に戻る予定であると述べていましたが、計算ミスでした。地球は現在、約11,000年間、「間氷期」、つまり氷河期の間の期間にあります。USGSによると、過去4回の間氷期はそれぞれ約20,000年間続き、「最も暖かい時期は比較的安定した10,000年から15,000年の期間でした。」