羽毛：進化が生み出した最も巧妙な発明のひとつ
(scientificamerican.com)- 若い Bar-tailed Godwit の B6 は2022年10月、Alaska から Tasmania まで 8,425マイル を11日間休まず飛行し、羽毛は保温・防水・飛行面の形成によってこの飛行を可能にした
- 1990年代以降の化石は、羽毛が鳥だけの特徴ではなく、複数の 獣脚類恐竜 に広く存在していたこと、原始的な羽毛は恐竜と翼竜の共通祖先にまでさかのぼる可能性があることを示している
- 飛行羽で重要なのは単純な左右差ではなく 空力的非対称性 であり、後側の羽弁が前側より少なくとも3倍広くなければ飛行中の安定化に寄与しない
- 羽毛は断熱、ディスプレイ、聴覚補助、無音飛行、水中での抗力低減まで担い、フクロウ・ハチドリ・ペンギンのような鳥では 生態的特化 に応じて大きく異なる
- ベルクロ式の結合、フクロウの騒音抑制、ペンギンの境界層制御は、仮固定具、換気騒音の低減、ロボティクスの試作のような 応用技術 につながっている
B6の長距離飛行と羽毛の役割
- 2022年10月、コードネーム B6 の若い Bar-tailed Godwit が Alaska のふ化地から Tasmania の越冬地まで11日間飛行した
- 総距離は 8,425マイル
- 着陸も採餌も水分補給もせず、羽ばたき続けた
- 平均対地速度は時速 30マイル
- この飛行には筋力、高い代謝率、高いコルチゾール値に対する生理的耐性などがともに作用していた
- 羽毛は小さな鳥が約 250時間 持ちこたえられるよう、複数の機能を同時に果たす
- Pacific Ocean の上空を飛ぶ夜間に体を暖かく保つ
- 雨をはじく
- 翼の飛行面を形成し、揚力と推進に寄与する
羽毛は鳥より先に登場した
- 今日、羽毛を持つ動物は 鳥 だけだが、1990年代以降の化石発見は、羽毛が鳥固有の発明ではないことを示している
- 羽毛は二足歩行する肉食恐竜である 獣脚類（theropods） の複数の系統に広く分布しており、鳥はそれを獣脚類の祖先から受け継いだ
- 原始的な羽毛は恐竜と 翼竜 の共通祖先にまでさかのぼる可能性がある
- 単純な剛毛、綿毛状の被覆、羽毛に似た構造は、化石として保存された例よりはるかに多様な恐竜に存在していた可能性がある
- 幅広く平たい 正羽（pennaceous feathers） も鳥より前に登場していた
- この羽毛は現生鳥類の翼や体表でよく見られる、飛行可能な構造である
- 鳥や Velociraptor のような種を含む Pennaraptoran 系統は、この羽毛にちなんで名付けられている
飛行羽の核心は形ではなく働き方
- 初期の Pennaraptoran の飛行能力についてはなお議論がある
- 種によっては大きな体に対して「翼」が小さく、飛べなかった可能性が高い
- この場合、正羽は主に ディスプレイ用 だった可能性がある
- Microraptor のような小型で四枚翼をもつ森林性恐竜は、解釈がさらに難しい
- 以前は飛行可能性を判断する際に 羽弁の非対称性（vane asymmetry） が重視されていた
- 飛ぶ現生鳥類の手部の初列風切では、前側の羽弁が後側の羽弁より狭い
- Microraptor に近い種の化石にも非対称な羽毛があり、飛行能力を支持する根拠として使われてきた
- 最近の飛行バイオメカニクス研究は、単純な解剖学的非対称性だけでは不十分であることを示している
- 重要なのは 空力的非対称性 である
- 後側の羽弁が前側より少なくとも 3倍 広くなければ、飛行中のねじれが安定化に寄与しない
- この比率を下回ると、羽毛のねじれは安定化ではなく不安定化を引き起こす
- 初期 Pennaraptoran の Microraptor には、この水準の空力的非対称性をもつ羽毛はなかった
- ただし、羽毛同士が密に重なり、分離しなければ、非対称性がなくても安定する可能性がある
- 非対称性は、現生の猛禽類のように初列風切を開く スロッティング（slotting） があるときに重要になる
- Microraptor は、長く細い翼と、密でスロットのない翼端をもっていた可能性がある
鳥の翼スロットと恐竜飛行の反復進化
- Michael Pittman が率いる研究チームは、羽弁の非対称性と近鳥類恐竜の飛行筋データをあわせて検討した
- 研究チームは、滑空ではない 羽ばたき飛行 が恐竜で複数回進化した可能性が高いと見ている
- 現在まで生き残った系統は鳥だけである
- 鳥においてのみ、飛行羽は今日見られる水準の 形態変形能力 に到達した
- 羽毛が適切にねじれる能力は、翼端スロットを可能にする
- スロットは低速飛行で翼の効率を高める
- スロットのある翼は、解剖学的な長さよりもさらに長く細い翼のように機能する
- 翼端が失速に強くなり、揚力損失を減らす
- この構造はさまざまな飛行様式に影響する
- albatross や petrel のような海鳥は、長く細い翼で効率的に滑空する
- スロットによって、より幅広い翼でも滑空できるようになり、vulture や hawk のような幅広い翼で滑空する鳥の進化を可能にした
- grouse のような鳥の爆発的な短距離飛行にも寄与する
- songbird から toucan まで、森林や複雑な環境にすむ鳥の機動性を高める
- スロット翼がもたらした機動性は、鳥が 翼竜 と競争し、白亜紀末の大量絶滅を生き延びる助けになった可能性がある
羽毛の種類と発達の仕組み
- 鳥の羽毛は、体の部位によって大きさ、形、機能が異なる
- 羽毛の形態はひとつのスペクトラムとして見ることができる
- 一方の端には、大きく比較的硬い翼・尾の 飛行羽 がある
- もう一方の端には、体に近く熱を閉じ込める短く柔らかな 綿羽 がある
- すべての羽毛は中心軸と、その軸から分かれる柔らかな枝である 羽枝（barbs） をもつ
- 飛行羽の羽枝はベルクロの歯のように噛み合い、滑らかで風を通しにくい羽弁をつくる
- 綿羽の羽枝はゆるくふくらんでいて、熱を閉じ込める
- contour feather は飛行羽のような羽弁の先端と、綿羽のようなゆるい羽枝をあわせもつ
- 顔の周囲の bristle feather は保護や感覚の機能を果たすことがあり、硬い軸と柔らかな基部を組み合わせる
- 羽毛は、鱗、棘、体毛と同じく 皮膚付属器官 である
- 正羽は最初、管状に始まり、長さ方向に開いて二つの羽弁を形成する
- 複数の遺伝子や分子が環境と相互作用しながら羽毛構造を決める
- 羽弁をつくる羽枝の噛み合いの程度
- 軸である rachis の大きさと形
- 重量当たりの剛性を高める、軸内部の 泡状構造 の有無
- 羽毛の種類ごとの差は一部では遺伝子の違いに依存するが、大半は羽毛発達の過程で遺伝子がいつオン・オフになるか、どの程度活性化するかといった 遺伝子調節の変化 から生じる
ディスプレイ用の羽毛も機械的トレードオフの産物
- ディスプレイ用の羽毛は、つがい相手を引きつける華やかな羽毛である
- hummingbird の輝く喉羽のように色で目立つこともある
- peacock の冠羽や尾のように大きく発達することもある
- 伝統的には、ディスプレイ用の羽毛は、配偶者選択が形質進化を導く 性選択 の産物とみなされてきた
- 最近の研究動向では、ディスプレイ用の羽毛を、社会生物学的圧力と機械生物学的圧力のあいだの複雑なトレードオフとして捉えている
- 長いディスプレイ用の羽毛は、体のどこにでも生えるわけではない
- 主に腰より下と尾に現れ、この位置は飛行性能への妨げが比較的小さい
- Resplendent Quetzal のオスは、繁殖期に尾羽が最大 3フィート まで伸びることがある
- 一部の鳥の長い尾羽は、追加された重量のかなりの部分を支えるほどの空力を生み出せる
- quetzal の長い尾羽は密な噛み合い構造を失い、正羽と綿羽の中間形になる
- この構造は多くの空気を通すため、大きな揚力を生まず、不安定性を減らす適応である可能性が高い
- ディスプレイ用の羽毛は抗力を増やして飛行コストを高めるが、そのコストは従来考えられていたより小さいかもしれない
- とくに尾の streamer の微細構造は、剛性、重量、形のあいだのバランスを与える
- シグナルとして機能するのに十分な形を保たねばならない
- その一方で、突風や急機動の最中に鳥を不安定にするほど硬すぎてもいけない
フクロウの羽毛：音を集め、飛行音を消す
- フクロウの顔盤は、目と耳の周囲にある広い半円形の羽毛の扇である
- 実際の頭骨は細長いが、顔を覆う羽毛がフクロウの外見を大きく変えている
- 顔盤は外見のためだけの構造ではなく、音を耳へ集める 役割を果たす
- 垂直方向にずれた耳
- 非常に敏感な中耳・内耳の構造
- この組み合わせにより、フクロウは見なくても獲物の位置を狙える
- ただし最終的な捕獲には視覚も使う
- 優れた聴覚だけでは十分ではない
- 翼の羽毛が音を立てれば、警戒している獲物に近づきにくい
- 自分の飛行音が獲物の微かな音をかき消してしまうこともある
- フクロウは、飛行中ほとんど聞こえないようにする羽毛特性を進化させた
- 羽毛表面は ベルベットのような質感 で、こすれ合う際の音を減らす
- 翼前縁の羽毛には櫛状構造がある
- 翼後縁の羽毛には綿毛のような房飾りがある
- 前縁の櫛状構造は、空気中に 微小渦（micro vorticity） を生み出し、主流が翼に付着したままになるようにする
- この流れが後縁の房飾りを通過すると、線形圧力の一貫した波動をもたない後流が生まれ、結果として音が出ない
- 現生のフクロウは tytonid と strigid の二つのグループに分かれる
- 両グループとも静かな飛行を示す
- 最後の共通祖先は少なくとも 5,000万年前 に存在した
- 無音飛行の特性はこの共通祖先にまでさかのぼる可能性がある
ハチドリとペンギンの極端な羽毛適応
- 最も硬い羽毛は、互いに大きく異なる二つのグループ、ハチドリ と ペンギン に見られる
- ハチドリは花の前でホバリングしながら蜜を吸うとき、非常に高い羽ばたき頻度と特異なストロークを使う
- ほとんどの鳥と違い、打ち下ろしだけでなく打ち上げでもかなりの体重支持と推進力を得る
- 肩を回して翼を完全に反転させることでこれを実現する
- この方法には非常に硬い翼が必要である
- 翼骨の補強と、非常に硬い rachis をもつ羽毛がその剛性を与える
- 飛べないペンギンは、水中と陸上の生活に合わせて羽毛を変化させた
- 全身の被覆は、密集した小さな羽毛のモザイクに変わった
- 個々の羽毛は非常に硬い
- それらが一体となって翼と体表にテクスチャのある表面を形成し、遊泳中の水の境界層を制御する
- ペンギンのざらついた羽毛外皮は、滑らかな水のジャケットを保持して抗力を減らし、遊泳のエネルギーコストを下げる
- 密な羽毛は少量の空気を閉じ込めて断熱をもたらすが、ペンギンを過度に浮きやすくはしない
- 飛行の制約がなくなったことで、ペンギンは祖先的な典型の羽毛装飾を捨て、抗力低減と最小浮力のための羽毛を獲得した
- この適応は、ペンギンが 1,600フィート 以上潜って krill、fish、水中の獲物を探すことに寄与している
羽毛が技術に与えたヒント
- 羽毛は、複雑な構造がどのように進化するか、そして解剖学と行動が時間とともにどのように相互作用するかを理解するのに適した モデルシステム である
- 羽毛のさまざまな特性は、すでに応用科学の分野で技術革新につながっている
- 正羽の羽枝をつなぐベルクロ式メカニズムは、高度な仮固定システムの基盤となっている
- フクロウの羽毛の騒音抑制用の房飾りは、換気騒音低減システムに着想を与えている
- ペンギンの羽毛の表面テクスチャと境界層制御の原理は、主にロボティクスの試作品に応用されている
- 羽毛は、断熱、飛行、ディスプレイ、隠密性、遊泳効率といった異なる機能を、ひとつの生物学的構造群の中で実現している
1件のコメント
Hacker News の意見
興味深い記事で、羽毛の話だけではなかった。皮膚付属器にはまだ解けていない遺伝的な謎が多く、たとえば人間の爪と髪は、どうして一方向にだけ、しかも常にそう伸びるのかが気になる。
脇道として出てきた Microraptor が特に目を引いた。翼が4枚あったのだ。ドラゴンのようだったという意味ではなく、ドラゴンなら昆虫でなければならないだろうが、普通の四足動物が四肢すべてを飛行に使う形だった。飛んでいるときは F-35 のように見えたのではないか。
結局、2枚の翼に進むほうが最適だったように思えるが、地上での移動性だけでなく、叉骨と胸筋の双方向の最適化のためでもあったように見える。二重用途の後肢に十分な動力を入れるのは難しかっただろうし、残念ながら Microraptor の Wikipedia 記事はこの部分を深く扱っていない。
それに、鳥が現存する飛行脊椎動物の中で明らかに最も最適化されているとも言いにくい。
腕や脚の毛はどうやって自分の長さの限界を「知っている」のだろう？
それでも外向きに伸びる成長ではあるが、方向制御が完璧だとは言いにくい。
また、注意しないと前翼が作った乱流と渦が後翼を台無しにすることもある。
地球が数百万年かけて再び恐竜時代のサウナのように暖かくなれば、哺乳類がもはや優位ではなくなるかもしれない。今こそ新しい鳥類の支配者を迎える時なのかもしれない。
カラスから進化するかもしれないし、いずれにせよ多くの面でより最適化されている。ただ、初期の産業文明を築くための石炭、石油、天然ガスの埋蔵量がない点は惜しい。
最悪の場合でも、木を木炭に、木炭をコークスに変えて鉄を溶かせるほど熱い火を作る技術さえ発明すればいい。アルミニウムは錆にかなり強く、良い薪の火でも溶かせるし、鳥類種は軽い金属をより好む可能性が高い。
あの怪物たちは翼開長が10mを超え、頂点捕食者で、体もそれに合わせて作られていた。どうせなら見応えのあるドラゴンを作るほうがいいのではないか……。
「新しい鳥類の支配者」も実は新しくない。鳥は T-Rex と同じ獣脚類なので、単に元の形に戻るだけだ。
https://archive.is/20240416202627/https://www.scientificamer...
良い記事だ。ただ、羽毛を進化の最も賢い発明の一つと呼ぶには少しためらいがある。
自然界には、巨大なものから精巧なもの、多様なもの、ごく小さなものまで、驚くべき進化的工学が満ちている。シロナガスクジラの心臓、人類系統の脳、複眼・ピンホール眼・水晶体眼のようなさまざまな眼の形、白血球に至るまで、どこを見ても感嘆すべき工学的成果がある。
羽毛はその一つだと思う。
2022年10月、B6 というコード名の鳥が、鳥類学の分野外ではほとんど注目されなかった鳥の世界記録を打ち立てた。幼いオオソリハシシギである B6 は、アラスカの繁殖地からタスマニアの越冬地まで8,425マイルを、11日間一度も休まずに飛んだ。
この驚異的な運動能力には、筋力、高い代謝率、上昇したコルチゾール値に耐える生理的能力など、複数の要因が寄与している。
記事から抜けている面白い事実もある。鳥はこうした長距離飛行中、脳を半分ずつ眠らせる。だから居眠りして空から落ちることがない。
もう一つ面白い事実として、人間も長距離運転をしているときにマイクロスリープをする。目は開いていて手はハンドルを握っているが、脳は数秒ずつ意識を失う。たいていは自分でも気づかない……。
「着陸せず、食べず、飲まず、羽ばたきを止めなかった」という表現があるが、こうした途方もない距離は、単なる「羽ばたき」よりも、海を横断するあいだに気流と波のあいだに存在する強い力を、小さな調整で利用することで可能になるのだと理解している
たとえば、動力のない遠隔操縦グライダーが、風と重力という自然エネルギーだけで時速548マイル超を記録した例がある
https://www.youtube.com/watch?v=4eFD_Wj6dhk
https://en.wikipedia.org/wiki/Dynamic_soaring
野生でこの鳥を見たことがあれば理由は分かる。この鳥は羽ばたきだけで飛ぶ鳥で、ほかの飛び方はしない
一方でアホウドリはダイナミックソアリングを使い、オオソリハシシギよりさらに長い距離を飛ぶこともある。南極海を何度も一周できる。またアホウドリには水上で休めるという追加の利点があるが、オオソリハシシギにはそれができない
おそらく、それがサメがあれほど長く生き延びてきた理由なのだろう。飢餓状態に極めて強いのかもしれない
Parker Mountainには行けなかったが、あちらの人たちの話は本当に面白かった。100Gは模型の弱点を見つけ出し、たいてい爆発的な形で露呈させる
ペリカンのサーフィンも面白い: https://www.youtube.com/watch?v=cEFrSycTvRk
本当に良い記事だ。初期の進化論者の一部が、羽毛と翼の進化について悩んでいたことは知っている。段階的に進化するのが難しそうに見えるからだ
滑空できるほどでなければ、羽毛の生えた小さな羽ばたきには大した利点がなさそうに思える
主な仮説の一つは、羽毛は動物を暖かく保つために進化したというものだ。羽毛は断熱材としても優れているからだ。これが今でも主流の理論なのか気になる
https://en.wikipedia.org/wiki/Origin_of_avian_flight#Hypothe...
「翼補助傾斜走行」仮説に関する動画:
"The Origin of Flight--What Use is Half a Wing?" https://www.youtube.com/watch?v=JMuzlEQz3uo
以前は、羽毛や翼はまず海洋生物で進化したのだろうと思っていた。ごく小さな覆いやミニ翼・ひれでも流体力学や泳ぎの制御を改善できるので、役に立たない状態から飛行可能な状態へ一気に飛び越える必要がないからだ。実際にそうなのかは調べていない
ざっと検索してみると、こんな文があった:
「したがって初期の羽毛は、断熱、コミュニケーション、防水に使われ、空気力学や飛行には使われていなかった。」
https://www.britannica.com/animal/bird-animal/The-origin-of-...
「発表されている二つの主要な競合理論は、羽毛が体温の損失を防ぐ断熱の役割を果たしたという理論と、飛行のための空気力学的表面を提供したという理論に基づいている。しかし、原始羽毛と最も原始的な羽毛の役割および生態的関係に関する知識が不足しているため、これらの理論や、このシンポジウムで提案された他の理論を客観的な経験的観察に厳密に照らし合わせ、どれが反証されるのか、または最も蓋然性が高いのかを判断することは不可能である。」
https://academic.oup.com/icb/article/40/4/478/101404#
進化科学が興味深いのは、そうした発明が実際に可能かを検証するための下敷きとなるモデルが必要なく、その発明が可能でありさえすればよいという点だ
基本的に進化では何でも可能だと言えるが、それは私にはあまり科学のようには感じられない
むしろ科学ではないとも見なせる。その背後にある調整された意図が欠けているからだ。私にとって進化は意識的な努力の産物ではなく、参加する個体とシステムから現れる創発的な振る舞いだ
Wikipediaの「科学」の定義を引くと、「世界についての検証可能な説明と予測の形で知識を構築し組織化する、厳密で体系的な営み」だ。進化では検証は確かに起きるが、体系的な営みではないか、少なくともそうだとは確信できない
政治、つまり他人がどう考えるかに関係なく、機能するものだけが生き残るからだ
鳥を本当に驚くべきものにしているもう一つの特徴は、私の理解が正しければ、吸気と呼気の両方で酸素を取り込むという点だ
羽毛もすごいが、B6のような生物が10日間ずっと飛ぶには膨大なエネルギーが必要だ
一方、鳥の肺で酸素を抽出する部分は、空気が前後に行き来する構造というより、一定方向に空気が通過するヒートシンクに近い
妻が African Gray parrot を飼っているのですが、ときどきただ見ているだけで、恐竜にまでさかのぼる何かを目の前で見ているような気がして驚かされます
かなり賢くもあります。人や物を見分け、単語を関連づけて使います。たとえば黒猫が1匹、キッチンに食べるものがあるか見に入ってくると、私がするように “Get out” と言います
熱帯の樹上にすむ種なので、羽毛に油を塗る尾脂腺はありませんが、羽づくろいのときに細かく砕けて粉になる綿毛があります