サメは動物が幾何学的物体のようにどのようにスケールするかを示しています

私プラトン球から細胞、象に至るまで、あらゆる 3 次元の物体があらゆる方向に外側に成長するにつれて、その総表面積は、それが占める空間 (その体積) よりもゆっくりと増加するという普遍的な事実です。オブジェクトのジオメトリと形状が大きくなっても同じままである場合、その表面積は体積の 3 分の 2 乗とほぼ同じ速度で増加します。生物学者たちは何世紀にもわたって、生命体は驚くほど多様な形や大きさをしているにもかかわらず、この 3 分の 2 の拡大縮小の法則に従うのではないかと疑問に思ってきました。もしそうなら、生命が周囲の世界とどのように相互作用するかに影響を与える可能性のある、進化の根本的な制約が根底にあることを示唆するでしょう。

最近、研究者らは CT スキャンとデジタル ツールを使用して、古代の多様な動物系統であるサメの表面積と体積を計算しました。チームの分析は、 王立協会オープンサイエンス、50種を超えるサメが含まれており、動物学におけるある種の確固たる尺度規則について、これまでで最も優れた経験的証拠のいくつかを提供します。球体と同様に、サメの表面積と体重は実際に 3 分の 2 スケールの法則に従っていることを研究チームは発見しました。これが他の動物グループにも当てはまる場合、それはおそらく、進化を制約する熱交換、代謝、または発生の根本的な規則を反映していると考えられます。

今回の研究を主導したオーストラリアのジェームス・クック大学のサメ生物学者ジョエル・ゲイフォード氏によると、生物学的スケールを研究する動物群を探しているなら、サメより優れた研究を行うのは難しいという。全体的な形は共通していますが、さまざまなサイズがあり、多くのニッチを占め、体型には大きなバリエーションがあります。ゲイフォード氏は、サメの形態進化に関する研究の中で、ヒレの大きさなど、サメの体の部分間にスケール関係があると思われることに気づきました。このことから、サメの形態を制限するもっと根本的な規則があるのではないかと彼は疑問に思いました。

しかし、大型動物の鱗粉除去に関する質の高い研究はほとんど見つかりませんでした。単一細胞の研究では、予想される規則からの多くの逸脱が明らかになりました。昆虫やヘビなどの小さな動物を対象としたまれな研究では、3分の2の鱗粉が付着する証拠が見つかっています。しかし、より大きな動物を対象とした研究はほとんどなく、そのほとんどは数十年前に実施されました。さらに、ゲイフォード氏は、既存の動物のスケーリング データがやや乱雑であることを発見しました。 19世紀と20世紀には技術的な限界があったため、動物の表面積と体積を正確に測定する試みは「間違いが発生しやすく、倫理的にも疑わしいものでした」と同氏は述べた。

そう思ったのは彼だけではありませんでした。 「大きな制限の 1 つは、特にこれらの初期の生物学研究を読む場合には、牛の表面積をどうやって測定するのかということです。」この研究には関与していないアリゾナ大学の進化生物学者ブライアン・エンクイスト氏は語った。

最近まで、選択肢は限られていました。研究者は、動物の皮に測定ホイールを走らせ、チョークで単位をマークしたり、動物の皮を剥いでその表面積を手作業で測定したりできます。その体積を計算するには、水を張った浴槽に動物を落とし、どれだけの液体が押しのけられるかを確認することができます。一部はさらに一歩進んで、解放されたばかりの毛皮に直接水を注ぎました。

ゲイフォード氏のチームは、より高度なテクノロジーを利用できました。彼らは、世界最小の1つである9インチのコビトザメから現生の最大の魚であるジンベエザメに至るまで、54の異なるサメ種の表面積と体積を測定しました。しかし、皮を剥ぐのではなく、高品質の博物館標本の CT スキャンを取得して、詳細な仮想復元を作成しました。 CT スキャナーに収まらないほど大きすぎる種については、物体の表面の多くの写真をつなぎ合わせて 3D モデルを作成する写真測量ソフトウェアを使用しました。 (あるケースでは、問題の物体はジョージア水族館に生息する体長 37 フィートのジンベエザメでした。)その後、モデルを Blender と呼ばれる 3D 処理ソフトウェアにロードしました。このソフトウェアは、元々はビデオ ゲームでオブジェクトをレンダリングするために開発されました。サメの表面積を計算するには、ゲイフォード氏はボタンをクリックするだけで済みました。

このデータセットは、さまざまなサイズの動物を反映していることに加えて、サンゴ礁に住むサメから底層の摂食者、外洋の捕食者に至るまで、さまざまな生態学的ニッチを埋めるサメも表しています。ゲイフォード氏によれば、それらは「たくさんの異なる独特の形態」をしており、その中には長方形の顔をしたシュモクザメの種も含まれていた。尾びれが体の残りの部分とほぼ同じ長さの脱穀機。そして、平らでフリルのついたウォッベゴンと、より標準的なサメの形をしたサメです。そして、ほとんどのサメは変温動物ですが、ホホジロザメを含むいくつかの種は自ら熱を発生することができます。ゲイフォード氏のチームは、地域的に吸熱性のサメの 1 つであるオナガザメをデータセットに含めました。

このように大きさ、形、ライフスタイル、代謝が多様であるにもかかわらず、サメは 3 分の 2 の拡大法則にほぼ完全に適合します。 「彼らは、そこに大きなばらつきがないことを示したので、それは本当に素晴らしいことです」とエンクイスト氏は語った。

この分析は、この 3 分の 2 のスケーリング規則が動物に普遍的である可能性があることを示唆しています。確かに、羽毛や毛などの複雑な外形を持つ陸生動物や、哺乳類や鳥類などの温血動物や吸熱動物など、他の動物群でもさらなる研究が必要です。そのために、ゲイフォード氏のチームはさらに多くのデータを収集しています。同氏は、他の研究者が研究対象の動物で生物学的スケーリングをさらにテストすることを望んでいる。

ただし、表面積の測定にはサメの外部特徴しか含まれていないため、まだ不完全であると考えられる可能性があります。コーネル大学の生体力学名誉教授カール・ニクラス氏は、えらなどの構造は動物の体内に隠されているが、トポロジカルな観点から見ると実際にはその表面は外部にあると述べた。もし研究者たちがサメのえらも分析していたら、4分の3に近い鱗の比率が見つかっただろう、とニクラス氏は推測した。それでも、多くの異なるサメ種にわたる数値の一貫性は、この規則が偶然ではないことを示唆しています。 「これは適応進化のある種の反映であると考えなければなりません」とニクラス氏は言う。

科学者らは、どのような基本的なメカニズムがサメや他の動物の大きさや形を制限しているのかについては確信を持っていないが、仮説は持っている。 1 つは、成長初期における組織の割り当てに関するものです。これを視覚化するには、発達中の動物を粘土のボールとして想像してください。 「エネルギーコストをかけずに粘土を伸ばしてさまざまな形を作る方法は限られています」とゲイフォード氏は言う。その場合、スケーリングの関係は胚にとって重要であり、成体の生物が取り得る潜在的な形態を制限することになります。

あるいは、この比率は熱交換に対する基本的な制約を反映している可能性があります。外部の熱を吸収し、代謝や運動によって熱を生成する動物では、体積よりも表面積がゆっくりと増加するというスケーリング原理により、小さな種から大きな種に移行するときに断熱効果が生じます。 「熱交換にとって、体積に対する表面積は非常に重要です」と、この研究には関与していないカリフォルニア大学ロサンゼルス校の計算生物学者ヴァン・サベージ氏は述べた。これは、北極圏の種が大きくてかさばる傾向があるのに対し、熱帯気候に生息する種は細身である理由を説明している可能性があります。つまり、体が大きいほど、体が小さいよりも冷えにくいのです。これは変温動物にも当てはまります。変温動物は、たとえばジンベエザメがより深く冷たい水に飛び込むときなど、暖かい環境と冷たい環境の間を移動するときに熱を維持する必要があるかもしれません。

この研究は進化の数学的限界についての洞察を提供し、生命のトポロジーを制限する基本的なメカニズムを特定するのに役立つ可能性がある。しかし、生物がどのようにスケールするかを計算することにも実用的な価値があります。たとえば、獣医師が猫とグレートデーンにどれだけの麻酔を投与すべきかを判断したり、医師が乳児と大人の薬の投与量を決定したりするのに役立ちます。

ゲイフォードにとって、これは生物学的スケーリングに関する継続的な実証研究の必要性を強調している。 「人々がこれらの法律を実際にテストすることが非常に重要です」と彼は言いました。 「それは、多くの場合、それらが正しいと思われているだけだからです。」

この記事は最初に公開されました クアンタ。

リード画像: Quanta Magazine のサマンサ・マッシュ

• ジョアンナ・トンプソン

  投稿日 2025 年 11 月 27 日

  ジョアンナ・トンプソンは、動物学とクリエイティブライティングの学位を取得して 2015 年にノースカロライナ州立大学を卒業し、最近ニューヨーク大学で科学、健康、環境報告プログラムを修了しました。ライティングインターンとしての現在の職に就く前は、 クアンタ、彼女は国立オーデュボン協会でインターンをし、 ライブサイエンス そして サイエンティフィック・アメリカン。