サイエンスクリップ

右利き・左利きの獲得メカニズムを魚で検証

掲載日:2017年9月29日

「右利(き)き・左利(き)き」といった行動の左右性は、私たち人間に限らず、多くの生き物に見られる現象だ。発達段階でいつどのように利きが獲得されるかはこれまで長い間謎に包まれていたが、その獲得のメカニズムが、徐々に明らかになってきている。小田 洋一(おだ よういち) 名古屋大学名誉教授(元名古屋大学大学院理学研究科教授)と竹内 勇一(たけうち ゆういち)富山大学大学院医学薬学研究部助教らのグループは、鱗食魚(りんしょくぎょ)が獲物を襲撃する方向を観察し、この魚が生まれつきの運動能力の左右差と、経験による捕食に有利な襲撃方向の学習によって“利き”を獲得することを明らかにした。

研究対象の「鱗食魚」とは?

その名前の通り鱗食魚は、獲物の魚の鱗をはぎとって食べる捕食魚だ。周りにエサの少ない環境に棲むため、他の魚の鱗(主な成分はケラチン)を消化する能力が備わっている。今回の研究で実験対象となったのは、アフリカのタンガニイカ湖に生息する鱗食魚「ペリソダス・ミクロレピス」(Perissodus microlepis/シクリッド科、以下、鱗食魚と呼ぶ)で、成魚は体長12センチメートルほどになる。

写真1.研究対象となった鱗食魚、ペリソダス・ミクロレピス 出典:プレスリリース
写真1.研究対象となった鱗食魚、ペリソダス・ミクロレピス 出典:プレスリリース

鱗食魚の成魚は、獲物の魚の後方から近寄り、獲物の右側あるいは左側を襲撃するが、この方向に左右性がある。左利きの場合は獲物の左側から、右利きの場合は獲物の右側から狙う。

図1.左利きの鱗食魚と右利きの鱗食魚の襲撃方向 出典:プレスリリース
図1.左利きの鱗食魚と右利きの鱗食魚の襲撃方向 出典:プレスリリース

右利き・左利きの襲撃方向は、あごの形と関係がある。左利きの鱗食魚は左あごが、右利きでは右あごが大きく発達し、それに伴い口が少しねじれた形をしている。ふ化後1週間のまだ卵黄をもつ仔魚(しぎょ。生後初期、稚魚より小さなころの魚)でも、口部形態に左右非対称性が観察できることが海外の研究者によって報告されている。

写真2.左利きの鱗食魚は左あごが大きく発達し、右に傾いている。右利きはその逆。 出典:プレスリリース
写真2.左利きの鱗食魚は左あごが大きく発達し、右に傾いている。右利きはその逆。 出典:プレスリリース

この鱗食行動の運動能力に明確な左右性があることは、2012年に同研究グループが発見した(この魚の形態と行動の対応関係については、1993年に京都大学の研究者が報告している)。野外においては、右利き・左利きの割合はおよそ半数ずつで、この明瞭な表現型は左右性のモデルとして注目されている。(→参考:獲物を捕まえる様子 47NEWS 2012/1/17配信映像)

左右性は生まれつきか?経験で獲得か?

研究グループの野外調査から、鱗食魚は、ふ化後体長4センチメートルぐらいになるまではプランクトンを食べているが、それよりも身体が大きくなるにつれて食性が鱗食へと変化し、成魚になるころにはほぼ鱗しか食べていないことが分かっている。しかし、ふ化後何日で鱗食へと変化するかや発達過程の詳細は、野生の状態では正確には分かっていなかった。実験下では、体長4センチメートルに育つのに4カ月ほどかかったという。

写真3.鱗食を始めたふ化後4カ月ごろの幼魚 出典:プレスリリース
写真3.鱗食を始めたふ化後4カ月ごろの幼魚 出典:プレスリリース

今回研究グループは、鱗食魚が発達過程で右利き・左利きをいつ、どうやって獲得するのかをつきとめるため、淡水魚水族館「アクア・トトぎふ」(岐阜県各務原市)の協力を得て人工ふ化して、鱗食を始める幼魚から成魚までを実験・観察した。彼らはまず鱗食が始まるのはふ化後4カ月であることを見出した。次に、卵を人工繁殖でふ化させてから個別に隔離し、幼魚に育つまで固形飼料のみで飼育することで、実験時に生まれて初めての鱗食を経験する状況を作り出した。その幼魚と獲物の魚を同じ水槽に放ち、獲物を襲撃する様子を数日おきに合計5回観察した。以下、得られた結果のポイントを紹介しよう。

1. 初めての襲撃は両方向から

1回目の観察で、生まれて初めて獲物と一緒の水槽に放たれた鱗食魚は、あごの形状にかかわらず両方向から獲物を襲った。

2. 経験が成功率を上げる

捕食行動を重ねるごとに、襲撃の方向があごの形状に対応した方向(利き側)に統一され、襲撃の成功率が上がった。また、鱗食を経験した幼魚は、鱗食未経験で同日齢の幼魚や成魚より襲撃方向の偏りが強く、鱗食経験によって利きが強くなることが分かった。

3. 胴のひねりには生まれつき得意な方向がある

鱗食魚は、獲物を襲うときに素早く胴を曲げて体をひねる。この曲がる角度や速度(屈曲運動)を詳しく調べると、生まれて初めての襲撃からあごの形状に対応する方向で優位だった。運動能力に生まれつきの左右差があるとは、研究グループも予測外の発見だった。

写真4.ペリソダス・ミクロレピスが大きく胴を曲げ、獲物のキンギョを襲う様子 出典: Takeuchi Y and Oda Y. Sci Rep. 2017; 7: 8984.Published online 2017 Aug 21. doi:  10.1038/s41598-017-09342-7
写真4.ペリソダス・ミクロレピスが大きく胴を曲げ、獲物のキンギョを襲う様子 出典: Takeuchi Y and Oda Y. Sci Rep. 2017; 7: 8984.Published online 2017 Aug 21. doi: 10.1038/s41598-017-09342-7

以上の結果から研究グループは、鱗食魚の利きの発達について、生得的側面と経験学習的側面の両方で説明する。この魚は、生まれつきの運動能力に左右差があるにもかかわらず、幼魚のうちはそれを認識していないためか襲撃方向に統一性がなく、成功率も低い。それが経験を重ねるうちに、襲撃方向と成功/失敗の関係を学習し、有利な方向から襲うようになる(=利きを獲得する)というメカニズムだ。

図2. 左利きの鱗食魚の捕食行動の発達メカニズムについての研究グループの考察 出典:プレスリリースの資料を一部編集
図2. 左利きの鱗食魚の捕食行動の発達メカニズムについての研究グループの考察 出典:プレスリリースの資料を一部編集

実は珍しい、魚を対象とする利き研究

「利き」は、私たちにとって、とても身近な現象だ。それなのに、遠いアフリカに生息する魚が研究に使われることには何か特別な感じがする。研究グループの小田さんと竹内さんによると、利き研究の多くはやはりヒトの利き手を対象としているそうだ。しかし、ヒトには多くの制約がある。まず利きの発達という点で、①一生が長いため発達過程の追跡が難しい、②新生児や幼児期の利きの定量調査(数量的な調査)が難しい、③左利きを右利きにする社会的圧力があり、生物学的に決定された右利きと左利きの判断が困難である。また、利きの制御メカニズムという点では、①対象とする利きの運動(字を書く、ボールを投げる等)や②脳の構造や機能が高度で、複雑すぎる。そのため、ヒトでの研究は、利きを判断する2つの基準「頻度の左右差」と「能力の左右差」のうち、計測しやすい前者に偏りがちである。一方、鱗食魚を使った研究は、両者の基準で計測できる上、世代時間が短く、ゲノム情報も整備されつつあり、利きの仕組みへの多角的なアプローチが可能となる。ひとつの動物で多面的に利きの仕組みに取り組む研究システムは、世界を見ても他に例がないそうだ。また、魚類からほ乳類までの脳の基本セットは共有されているため、脊椎動物を通じて利きの仕組みは共通している可能性が高い。

では、鱗食魚を対象とする研究成果のインパクトとは何だろう。例えば今回の成果をヒトに応用するのなら、ヒトにも生まれつき脳神経回路に左右差があるかもしれず、ごく幼いころからすでに左右の手に能力差が生じているのかもしれない、少なくともそのような問題提起はできるのではないか、と竹内さんは話す。利きを制御する脳内メカニズムは、ヒトを含めてどの動物でも明かされていない大きな謎である。このことを踏まえ「動物は本来、同じ種ならば同じ体の構造、同じ遺伝子セットを持っているのに、右利きと左利きでは脳でなんらかの処理がされた結果の「行動」が逆になります。 右利きと左利きが維持されるには発生的・遺伝的に大きな制約を乗り越える必要があり、そこには動物間で共通する何かしらの法則があるはずです」と語る。私たちにとってごく当たり前の現象も、実は生物学的にはとても大事な問題なのかもしれないと気づかされる。

利きをつかさどる脳の仕組みと遺伝子発現の解明を目指して

鱗食魚の運動能力に生まれつきの左右差があるという今回の発見は、その能力を制御する脳神経系にも生まれつきの左右差があることを示唆し、今後研究グループが深めていくテーマとなっている。行動は脳が制御しているので、脳の出力の左右差が行動の左右差を決めるのではないかと予想しているそうだ。さらに、鱗食魚は右利きと左利きの行動がはっきりした鏡像対称なので、脳神経系も鏡像対称ではないかとの具体的なイメージのもと研究は進んでいる。

右利き・左利きの脳で、遺伝子発現レベルの左右差を見いだす研究も進行中だ。右利きを発現する遺伝子、左利きを発現する遺伝子を同定するというこの観点は、世界ではヒトの利き手に関しても研究が始まっているテーマだ。

さらに、「ヒトでは社会的圧力や意図的な学習で利きを変えることもある程度は可能と考えられています。これがいつまで可能か、どれくらい可能か、学習によって脳内でどのような変化が起こるのかも、今後の面白い研究テーマでしょう」と小田さん。研究テーマは尽きない。

脳内制御の解明といっても、ヒトの脳のニューロンは約1,000億個もある。その一つを同定して解析するのも難しいのに、それらが時空間的にコミュニケーションしながら活動するのだから、パターンを見いだすのは至難だ。それに比べて、魚の脳のニューロンは100万個程度という。より単純な脳を持つ動物で調べ、共通性を見いだす必要性に納得する。鱗食魚で得られる知見が、利きの脳内制御についての長年の謎を解く手がかりとなっていくことを期待したい。

(サイエンスライター 丸山 恵)

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