「悪魔のような」カブトムシが車に轢かれても生き延びる方法

昆虫学という分野は、ごく普通のピンの上に成り立っている。生物学者は草原や森林に足を踏み入れ、昆虫をすくい上げ、安楽死させ、博物館や大学の自然史コレクションを構成するトレイにピンで留める。こうして標本は未来の科学者が調査できるように永遠に保存される。しかし、この悪魔のような鉄被覆甲虫（正式名称はPhloeodes diabolicusだが、学名では Phloeodes diabolicus ）は、そのような屈辱を受けることはない。米国南西部原産のこの昆虫は「ピンベンダー」として知られ、生物学者がその黒くて凹凸のある殻にピンを打ち込もうとすると、そのちっぽけな金属が折れてしまうほど頑丈だ。あまりに頑丈なので、昆虫学者はまずドリルで穴を開け、それから杭を打ち込まなければならない。考えてみれば、これもまた余計な屈辱だ。

悪魔のような鉄甲虫は実に頑丈で、車で轢いてもそのまま立ち去るほどです。体重の39,000倍もの力に耐えることができます。この甲虫を実際に潰すには150ニュートンの力が必要です。物理学に詳しくない人でもわかるように、親指と人差し指で何かを挟む力の7.5倍の強さです。

カリフォルニア大学アーバイン校の材料科学者デビッド・キサイラス氏にとって、この恐ろしい鉄甲虫は単なる好奇心ではなく、インスピレーションの源です。キサイラス氏と同僚たちは本日、ネイチャー誌に論文を発表し、この甲虫がどのようにしてこれほどの力を発揮できるのか、その謎の少なくとも一部を解明しました。自然淘汰によって、この昆虫は扁平化を防ぐ巧妙な構造が生み出されました。キサイラス氏はこの構造を利用して、新たな超高強度材料を開発する手法を模索し始めています。「私たちは非常に興奮しています。この種の設計は、航空機、自動車、スポーツ用品などの産業に応用できると考えているからです」とキサイラス氏は語ります。

ではまず、広大な昆虫の世界において、甲虫は一体なぜこのような力に耐えているのでしょうか？形態学的に言えば、甲虫の鞘翅（てんとう虫が羽を広げて飛び立つときに開く2枚の硬い殻）が盾の役割を果たしています。しかし、この「悪魔の鉄甲虫」（以下、DIB）は飛べません。進化の過程で鞘翅が融合し、外骨格の残りの部分と一体化して、一体化した殻を形成したのです。

「大型の飛べない甲虫の多くは、特に強力な化学防御を持たない甲虫に、この（非常に頑丈な）特性を持つ傾向があります」と、カリフォルニア科学アカデミーの甲虫専門家であるマシュー・ヴァン・ダム氏はWIREDへのメールで述べている（彼は今回の研究には関与していない）。「他の研究では、これが捕食者に対する優れた防御手段であることが分かっています。つまり、この特性は捕食者に対する防御として進化したと考えられます。」

最初は、甲虫が外骨格に何らかの鉱物を組み込んで強度を高めているのではないかと考えがちです。これは前例のないことではありません。例えば、深海の巻貝は鉄で殻を作ります。しかし、DIBは完全に有機物です。「分かっているのは、単純な有機物だということです。圧縮に非常に強い殻に含まれる鉱物は含まれていません」とキサイラス氏は言います。「高速道路を支える梁がコンクリートであるのには理由があります。セラミックは圧縮に強いからです。しかし、DIBには鉱物は一切含まれていません。すべて有機物です。」

つまり、外骨格の構造には何か特別な仕組みがあるはずだ。つまり、外骨格は、地震で建物が半分に折れるのを避けるためにわずかに揺れるように作られているように、圧倒的な衝撃のエネルギーを吸収するように作られているはずだ。実際、キサイラス氏とその同僚たちは、DIBを非常に頑丈にしている2つの重要な進化的イノベーション、すなわち側方支持と内側縫合を発見した。

昆虫の下腹部にある鞘翅と外骨格は、カップとその蓋のようにぴったりと合っていると考えてください。腹部の周りでこの2つが合流する部分では、指のように絡み合う「嵌合」と呼ばれる側面の支えを形成します。「圧縮されると、橋の柱のように側面の支えが圧縮強度を生み出します」とキサイラス氏は言います。「そして、私たちが発見したのは、重要な器官の近くでは、柱の上半分と下半分の重なりが大きく、嵌合が顕著だったということです。しかし、重要な器官から尾部に向かって離れるにつれて、嵌合は小さくなりました。そして、この嵌合によって甲虫は圧縮され、ある程度の柔軟性を持つことができるのです。」

つまり、車のタイヤのように圧力で壊れるのではなく、カブトムシの殻は圧縮されるのです。腹部をパンチされたときに腹部が圧縮される様子を想像してみてください。この場合、腹部の脂肪と筋肉で衝撃を吸収するのではなく、DIBの硬い外骨格が圧縮されて衝撃を和らげます。

内側縫合部は2つ目の重要な要素です。飛翔性甲虫は、2枚の鞘翅を広げて羽を広げます。しかし、陸生甲虫であるDIBは、2枚の鞘翅を融合させています。この記事の冒頭にある画像では、2枚の鞘翅が単に融合しているだけでなく、パズルのピースのように絡み合っているのがわかります。

「筆頭著者でグループの中ではマクガイバーのような存在のジーザス（リベラ）が、顕微鏡画像からこの構造を見せてくれたんです」とキサイラスは語る。「『おい、これってジグソーパズルだ』って思ったんです。それでその夜、ライトエイドに行って、ちょうどいい大きさの100ピースのジグソーパズルを買ったんです。翌日のグループミーティングに持って行ったら、学生たちが笑って、まるで私が変人みたいにからかってきたんです」

二つのパズルのピースが噛み合う様子を想像してみてください。まるで球根状の突起が隙間にはまり込んでいるようです。その形状からすると、二つのピースを引っ張って引き離そうとすると、突起が折れてしまうはずです。具体的には、突起が最も薄い部分、つまり突起が首のように細くなっている部分で折れるはずです。しかし、実際には、それにはかなりの労力がかかります。「ジグソーパズルの二つのピースを引っ張って引き離そうとすると、一度くっついてしまうと、かなり強固な接合部になります」とキサイラス氏は言います。「そして、それが甲虫の強さの源なのです。」

リベラ氏は研究で、DIBの外骨格の断面を小型のバイスのようなもので圧縮し、電子顕微鏡をそこに向けることで、このことを実証した。この画像化技術は、対象に電子を照射することで機能し、研究者は電子粒子がどのように散乱するかを観察し、甲虫の構造を詳細に画像化することができる。断面に力を加え、DIBを押しつぶそうとする何かに近づけたところ、構造は保持された。「なんと、縫合部、つまり私たちが話しているジグソーパズルの接合部は、壊れなかったのです」とキサイラス氏は言う。

電子顕微鏡で物体を観察すると、亀裂は明るい白い点として現れるはずです。ところが、リベラとキサイラスが発見したのは、DIBの保護殻が実際には繊維質の層が重なり合った一種の積層複合材であることでした。「パズルのピースを引っ張ると、首が裂けるのではなく、積層構造が少しずつ離れ始めます」とキサイラスは言います。「これがこの生物の強靭さを決定づけるのです。脆く崩れるのではなく、エネルギーを大量に分散させるのです。つまり、剥離するのです」。研究者たちは顕微鏡下で、実際に素材がほつれていく様子を見ることができました。この内側の縫合線は、外側の支持部と連携して機能し、極度のストレス下でも甲虫の体が崩れないようにしています。

キサイラスと彼のチームは、DIBの技を真似ることができました。彼らは飛行機の構造（チームはこの研究のために空軍から資金提供を受けています）を念頭に、胴体を構成する複合材の部品同士を接合するのがいかに難しいかを研究しました。エンジニアはリベットと接着剤を使って接合しますが、これらは壊滅的な破損につながりやすく、高度3万フィートでは理想的とは言えません。

そこで研究者たちは研究室で、炭素繊維強化複合材のプレートを「Hi-Lok」ピン（航空宇宙工学で構造物の接合に用いられる留め具）を用いてアルミニウム板に接合した。次に、甲虫の頑丈なパズルのような縁を持つ内側縫合糸の形状に積層炭素繊維複合材を作製し、それを同じように切削加工したアルミニウム板に接合した。次に、炭素繊維とアルミニウムの構造の両端を引っ張り、従来の留め具で接合された材料と比較して、この新しい縫合糸の耐久性を観察した。留め具の破損はうまくいかなかった。「留め具の破損を見ると、壊滅的な破損でした」とキサイラス氏は言う。「しかし、甲虫の模倣品の破損を見ると、壊滅的な破損ではありませんでした。甲虫で観察されたのと同じ層間剥離が見られましたが、それは私たちが模倣した炭素繊維複合材で起こっていたのです。」

しかし、研究者たちがDIBの力を最大限に活用するには、まず、その作用する生物学的材料の謎を解明する必要がある。甲虫が外骨格を強化するために追加のミネラルを取り込み始めていないのであれば、殻を構成するタンパク質に何か特別な何かがあるのだろうか？「そのタンパク質が何なのかは分かっていません」とキサイラス氏は言う。「超弾性を持っているのでしょうか？」

その答えが見つかれば、将来的には壊滅的な故障に耐える航空機やドローンの開発につながるかもしれない。しかし今のところは、とりあえず保留にしておくしかない。

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