ワニ型ロボットが3億年の謎を解明

約3億年前、オロバテス・パブスティと呼ばれる奇妙な生物が陸上を闊歩していました。動物たちが水から這い上がり、広大で乾燥した世界を探検し始めた頃、草食の四肢動物オロバテスが四つ足で歩いていたのです。古生物学者たちは、特に保存状態の良い化石の一つに四つ足が見られることから、この生物が四つ足で歩いていたことを知っています。そして幸運なことに、科学者たちはそれと一致する足跡の化石も発見しました。

これまで、オロバテス（現在の哺乳類や爬虫類を含む有羊膜類の系統の近縁種）をはじめとする初期の四肢動物は、まだ「高度な」歩行を発達させておらず、サンショウウオのように体を引きずって歩いていたと推測されてきました。しかし本日、ネイチャー誌に掲載された壮大な学際論文の中で、研究者たちは古生物学、生体力学、コンピューターシミュレーション、生きた動物のデモンストレーション、そしてオロバテス型ロボットまでを融合させ、この古代の生き物がこれまで考えられていたよりもはるかに高度な歩行をしていた可能性を突き止めた方法を詳述しています。これは、陸上での移動がどのように進化したかを理解する上で大きな意味を持つだけでなく、科学者があらゆる種類の絶滅動物の移動方法を研究する上でも重要な意味を持ちます。

化石骨格や足跡だけを見ても、動物がどのように移動したかを推測するには不十分です。「足跡は、足が何をしていたかを示しているだけです」と、新論文の共著者である英国王立獣医大学の生体力学者ジョン・ハッチンソン氏は言います。「関節の自由度、つまり関節の動かし方は非常に多様だからです。」結局のところ、人間は解剖学的には同じ構造ですが、同じ構造でありながら、様々な奇妙な歩き方をすることができます。

足跡がなければ、研究者たちは化石骨格がどのように動いていたのかを確信を持って推測することはできなかっただろう。また、骨格がなければ足跡を完全に解析することもできなかっただろう。しかし、足跡と骨格の両方があれば、トカゲのような比較的低レベルの腹引きずり歩行から、ワニのようなより高度な陸上走行姿勢まで、オロバテスの歩行様式を数百通りも推測することができた。

その後、彼らはコンピューターシミュレーションを用いて、動物が動く際に脊椎がどの程度前後に曲がるかといったパラメータを操作した。「シミュレーションによって、動物にかかる力が分かり、動物の全体的な力学がどのように機能していたかをある程度推定することができました」とハッチンソン氏は語る。

チームが作ったこの素晴らしいインタラクティブ機能を使えば、実際にパラメータを自分で操作することができます。ぜひクリックして、私と一緒に遊んでみてください。

3次元グラフ上の点は、歩行の可能性のあるパターンです。青い点は高得点、赤い点は低得点です。いずれかの点をダブルクリックすると、その下のシミュレーションでその歩行の様子を見ることができます。赤い点は、少し…ぎこちなく見える歩行をしていることに気づくでしょう。一方、濃い青の点は、四肢動物にとってより合理的な移動方法のように見えます。下には、イグアナやカイマン（小型ワニ）といった現生種の動画があります。研究者たちは、これらの種の観察を通して、脊椎の曲がり具合など、生体力学的に重要な要因を特定しました。

その他のパラメータ：左側のスライダーで消費電力などを調整できます。右にスライドすると、青い点が消えます。

しかし、ここからが厄介な問題です。もちろん、エネルギー効率は生存の鍵となりますが、バイオメカニクスにおける唯一の制約ではありません。「すべての動物がエネルギーを最適化しているわけではありません。特に、短時間の移動しか行わない種はそうです」と、論文の筆頭著者であるベルリン・フンボルト大学の進化生物学者ジョン・ニャカトゥラ氏は述べています。「長距離を移動する種にとって、エネルギー効率は明らかに非常に重要です。しかし、他の種にとってはそれほど重要ではないかもしれません。」

もう一つの要因は「骨の衝突」（メタルバンドにピッタリな名前ですね）です。化石骨格を組み立てる際、関節の周りにどれだけの軟骨があったかは分かりません。なぜなら、軟骨はずっと昔に腐ってしまっているからです。そして、動物の種類によって軟骨の量は異なります。

これがOrobatesの大きな未知数です。インタラクティブモードでは、左側のスライダーを使って骨の衝突を調整できます。「骨が自由に衝突するようにすることも、軽く触れるだけにすることもできます」とハッチンソン氏は言います。「あるいは、レベル4まで上げて衝突を一切許可しないようにすることもできます。これは基本的に、関節間に十分な空間が必要であることを意味します。」グラフの点がどのように変化するかに注目してください。衝突を防ぐほど、歩行の可能性は少なくなります。「一方、衝突を十分に許可すると、手足が動く可能性が高くなります。」

さて、ロボットです。研究チームはOroBOTをオロバテスの解剖学に忠実に設計しました。もちろん、純粋な生物学からは簡略化されていますが、ロボットとしてはかなり複雑です。それぞれの肢は5つの駆動関節（「アクチュエータ」とはロボット工学におけるモーターの専門用語です）で構成されており、背骨には前後に曲げられる8つの駆動関節があります。インタラクティブモードでは、左側のスライダーで背骨の曲がり具合を調整し、歩行が劇的に変化する様子を見ることができます。また、カイマンの動画では、カイマンが動く際に背骨がどれだけ曲がるかを見ることができます。

シミュレーションの利点は、様々な歩行を比較的速く実行できることです。しかし、ロボットではそうはいきません。「物理的なプラットフォームで実験をやりすぎると、非常に時間がかかり、プラットフォームを損傷する可能性もあります」と、共著者でスイス連邦工科大学ローザンヌ校のロボット工学者カミロ・メロ氏は述べています。シミュレーションを実行することで、リストを絞り込むことができました。

「最終的に、非常に優れていることがわかっている歩行がいくつかあり、それらは実際のロボットで実際にテストする歩行の種類です」とメロ氏は付け加えます。

研究の結果、骨格構造と一致する足跡から、オロバテスはサラマンダーというよりカイマンに似た、かなり直立歩行していた可能性が高いことが判明した。「これまでは、有羊膜類だけがこの高度な陸上移動を進化させたと考えられていました」とニャカトゥラ氏は言う。「オロバテスに既にそれが備わっていることは、この移動能力の多様性がもう少し以前から存在していたと仮定しなければならないことを示しています」。足跡から得られた重要な証拠は、尾を引きずっていたことを示すような模様が見当たらないことだ。

異分野の巧みな融合により、研究者たちははるか昔に絶滅した種を事実上復活させ、その歩行方法を解明することができた。「デジタルモデリングやロボット工学など、あらゆる技術をこの一匹の動物に応用したおかげで、彼らがその移動方法について合理的な仮説を導き出したと確信できます」と、カリフォルニア州立大学サンバーナーディーノ校の古生物学者スチュアート・スミダ氏は語る。ちなみに、彼はここで独自の洞察力を持っている。15年前にオロバテスの記述に携わった人物なのだ。

隅田氏らが化石を発見した場所、つまりドイツという場所も重要なポイントです。約3億年前、発掘現場には流水がありませんでした。古生物学者が泥の中に標本を保存する際に頼りにするのは、通常、流水です。「ここは完全に陸生環境であり、たまたま時折洪水が発生していました」と隅田氏は言います。「そのため、水以外の生命がどのようなものであったかを示す、非常に珍しいスナップショットが得られます。」

そうなると、オロバテスの直立歩行は理にかなっていると言えるだろう。「この生物は陸上で非常に巧みに歩行しており、まさに地質学的に示唆されていた通りです」と隅田氏は言う。そして、これはオロバテス、そしておそらく他の初期の陸生種が、予想以上に早く環境に適応したことを意味すると、隅田氏は付け加える。

ビージーズはかつてこう言っていました。「僕の歩き方を見ればわかるだろう。僕は地上で快適に暮らしている初期の四肢動物で、話している暇などないんだ。」

WIREDのその他の素晴らしい記事