テッポウエビが自分で出す衝撃波に耐えられる原理が解明 – 爆発物から身を守るヘルメットの開発に繋がる可能性

masapoco
投稿日 2022年7月13日 22:28
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日本でも関西などでは食べることが出来るテッポウエビは、実はその名の通り、爪をならすことで鉄砲のような衝撃波を発生させ、獲物を気絶させる能力があることで知られている。その衝撃波は強力で、小魚程度ならば死に至らしめる程の威力があるが、そんな強力な衝撃波からどうやって自分自身の身を守っているのかは、長年謎であった。今回、科学者たちは、このエビは小さな透明なヘルメットで守られており、衝撃波を減衰させることで神経に重大な損傷を与えないようにしていると結論づけ、『Current Biology』誌に発表した。

テッポウエビが放つ太陽表面温度並のプラスマ衝撃波

テッポウエビは、マッコウクジラやシロイルカと並んで、海で最も大きな音を出す生き物のひとつだ。テッポウエビの発する音は、1.6km先にも届くほどで、その体のサイズからは想像も出来ない程だ。この音は、テッポウエビが持つ左右非対称の手の爪、その右側の大きな爪を勢いよく閉じることで発している。

その音は、エビの餌である小魚を気絶させ、死に至らしめるほどの強烈な衝撃波を発生させる……。その衝撃波が泡を崩壊させ、目に見えないほどのプラズマの閃光を放つのだ。音で液体を叩いて泡を作り、その泡が潰れるときに光を発するという、ソノルミネッセンスと呼ばれる現象の珍しい自然例だ。

科学者たちは、この音は狩りのためだけでなく、コミュニケーションのためにも使われていると考えている。徘徊中のエビは、巣穴などの見えない場所に隠れ、触角を伸ばして通り過ぎる魚を察知する。そのとき、エビは隠れている場所から顔を出し、ツメを引き戻し、強烈な衝撃波を放つ。そして、気絶した獲物を巣穴に引き戻し、餌にすることができる。

2020年、ウッズホール海洋研究所の科学者たちは、研究室内の水槽でテッポウエビを使った実験と、水温の異なる海でエビの声を聴いた結果を発表しました。その結果、気候変動で海水温が上昇すると、テッポウエビは以前よりも頻繁に、大きな音で鳴くようになると結論づけた。これは、エビが本来冷血動物であるため、環境の変化に応じて体温や活動レベルが変化するためだ。

オクラホマ州タルサ大学のAlexandra Kingston教授とこの最新論文の共著者たちは、テッポウエビが爪で出す強力な衝撃波は、特に神経組織に短期的にも長期的にもダメージを与える可能性があるにも関わらず、自分自身にはダメージが及んでいないのはなぜなのか興味を持ったという。そこで研究チームは、テッポウエビが持つ半透明の眼窩フード(眼と脳を覆う外骨格の延長部分、ヘルメットのようなもの)がカギになるのではないかと考えた。多くの種類のカクレクマノミにはこのようなフードがあるが、他の甲殻類にはない。

そこで、Kingston教授らはこの仮説を検証するために、一連のシェルター探索行動実験を考案した。彼らは、実験用のテッポウエビを4つのグループに分けた。そのうち2つのグループは眼窩(がんか)フードを手術で取り除き、残りの2つのグループはフードをそのままにしておいた。エビは通常、身の危険を感じたり、不慣れな場所にいたりすると、快適な巣穴に引っ込む。このとき発生する衝撃波は脳にダメージを与えるため、フードがないエビは巣穴にたどり着くまで時間がかかるという。

実験では、フードのないエビのグループとフードをつけたグループに3回の衝撃波を与え、対照としてフードのないグループとフードをつけたグループには衝撃波を与えなかった。その後、4つのグループのエビを実験アリーナの一方の端に放ち、それぞれのエビがもう一方の端にある巣穴に戻るまでの時間を計測した。

その結果、衝撃波を受けた無頭のエビはスナップに即座に反応し、揺れたり、回転したり、倒れたりしたのに対し、無傷のエビはスナップに全く反応しなかったのだ。また、無頭のエビは他の3つのグループに比べ、巣穴に移動するのに7倍もの時間がかかり、方向感覚を失い、手足をうまくコントロールできない様子が見られたという。

なぜ、眼窩フードが効果的なのだろうか?フードの前端には開口部があり、フードの内部表面とエビの目の間には水の層があるのだが、「衝撃波が眼窩フードに衝突すると、急激な圧力変化によって、フードの下にある水が前方の開口部から排出され、エビの頭部から離れると考えられる。そして水が排出されることで、衝撃波の運動エネルギーの一部が方向転換され、放出されると考えられます。」と著者らは考えている。

その後の実験でも、これは証明されている。このことは、テッポウエビの眼窩フードが、「このような機能を持つことが知られている最初の生物学的鎧システムであることを意味している」と著者らは書いている。Kingstaon教授らは、今回の発見が、爆発物などの強力な衝撃波を扱う軍人やその他の人々にとって、より効率的な保護用ヘッドギアの設計に役立つだろうと考えている。

「これらの圧力波を止めるのは本当に難しいのです」と、Kingstaon教授はNew Scientist誌に語っている。「従来のケブラーアーマーのようなものでさえ、これらの衝撃波を止めることはできません。衝撃波は、その素材を通り抜けることができるのです。私のグループは、材料科学者やエンジニア、そしておそらく将来的には軍と協力して、二次的な[物理的]爆発傷害に対する保護以上の効果を発揮するものを設計することを間違いなく望んでいます」。


論文

参考文献

研究の要旨

我々は、テッポウエビが衝撃波から身を守るために、外骨格のヘルメット状の延長部(眼窩フード)を利用しているかどうかを調べた。行動実験を行ったところ、衝撃波にさらされたアルフェウス・ヘテロカエリスでは、シェルターを探す速度が遅くなり、運動制御が失われた。このように、衝撃波はスナエビに害を与える可能性があるが、自然条件下では眼窩フードがエビを保護しているため、そのようなことはないのかもしれない。圧力記録を用いて、我々はA. heterochaelisの眼窩フードが衝撃波を減衰させることを発見した。このことは、このヘルメットのような構造が、水を捕捉・排出することによって衝撃波を減衰させ、運動エネルギーをエビの頭部から遠ざけていることを示唆している。この結果は、衝撃波を和らげることによって、眼窩フードがスナエビの爆風による神経外傷を軽減することを示しており、このような機能を持つことが知られている初めての生物学的鎧システムとなる。



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