昆虫の秘密の静電気の世界

この物語 のオリジナル版はQuanta Magazineに掲載されました。

ちょっと想像してみてください。あなたがミツバチになったと。色々な意味で、あなたの世界は小さいです。それぞれ1センチにも満たない繊細な4枚の羽根で、50グラムの体を巨大な動物や植物が生い茂る広大な景色の中を移動させます。しかし、別の意味では、あなたの世界は広大で、壮大です。5つの目は人間には見えない色や模様を見ることができ、多感覚触角は遠くの花の匂いを感知します。

生物学者たちは長年、ミツバチが人間にはないもう一つの優れた感覚を持っているのではないかと考えてきました。ミツバチが飛ぶことで蓄積する静電気（厚手の靴下を履いてカーペットの上を歩くときに発生する電荷に似ています）は、空気を通して周囲の物体を感知し、影響を与えるのに十分な力を持っている可能性があります。ウナギ、サメ、イルカなどの水生動物は、電荷の優れた伝導体である水中の電気を感知することが知られています。対照的に、空気は伝導性が低いです。しかし、空気は生物とその進化に影響を与えるのに十分な電気を伝達する可能性があります。

2013年、英国ブリストル大学の感覚生態学者ダニエル・ロバートは、ミツバチが花から放射される電界を感知・識別できることを研究室で発見し、この分野に新たな地平を切り開きました。その後、クモ、ダニ、その他の昆虫も同様の能力を発揮することが、さらに多くの実験で実証されています。

この動物の静電気は生態系に影響を及ぼします。ダニや回虫などの寄生虫は、より大きな宿主動物が作り出す電界に乗って移動します。クモはバルーニングと呼ばれる行動で、空中の電荷を捕らえるために絹糸を伸ばして飛び立ち、風に乗って数百キロメートルも飛ぶことがあります。そして今年、ロバートの研究室の研究では、静電気がどのように蝶や蛾に花粉を引き寄せ、幼虫が捕食者から逃れるのに役立っているかが明らかになりました。

この新たな研究は、静電気の生態学的影響を記録するだけにとどまりません。進化によってこの電気感覚がどのように調整されてきたのか、またどのように調整されてきたのかを明らかにすることを目指しています。静電気は、小さな生物の生存において、餌の発見、移動、そして他の生物への寄生といった進化の力となる可能性があります。

空中電気受容として知られるこの発展途上の分野は、自然界の新たな次元を切り開きます。「本当に興味深いです」と、アリゾナ大学の行動生態学者で、この研究には関わっていないアンナ・ドーンハウス氏は語ります。「生きた動物間の静電相互作用を研究するこの分野全体は、世界の仕組みについて私たちが思いつかなかったことを明らかにする可能性を秘めています。」

「これらの素晴らしい実験から、電界がこれらの動物の生態において機能的な役割を果たしていることがわかっています」と、セントアンドリュース大学の進化生態学者で、蝶やキリギリスの感覚器官を研究しているベニート・ウェインライト氏は述べた。「だからといって、それらがもともと適応過程を通じて現れたというわけではありません。」しかし、今やこれらの力が存在するので、進化はそれらに作用することができる。私たちはこれらの電気の痕跡を感知することはできないが、それらは私たちが想像もしなかった動物の行動へと私たちを導くかもしれない。

静電気の発見

2012年、ビクトル・オルテガ＝ヒメネスさんは4歳の娘と遊んでいる時に、偶然静電気現象に遭遇しました。二人は、静電気を集めるおもちゃの棒を使って、風船などの軽い物体を浮かせていました。屋外で試してみることにした時、彼は驚くべき観察をしました。

「娘がクモの巣に杖を近づけると、クモの巣はすぐに反応しました」と、カリフォルニア大学バークレー校で動物の移動の生体力学を研究しているオルテガ＝ヒメネス氏は回想する。杖がクモの巣を引き寄せたのだ。彼はすぐに、昆虫が環境とどのように相互作用するかという自身の研究との関連性を見出し始めた。

すべての物質 ― 杖、風船、糸の巣、空気 ― は、正と負の粒子（陽子、電子、イオン）のバランスを保とうとします。計り知れないほど小さなスケールで、オルテガ＝ヒメネスのおもちゃは不均衡によって振動します。モーターが負電荷を内側に引き寄せ、正電荷を杖の表面に押し付けます。これが静電気です。まるで風船を頭にこすりつけた時のようです。摩擦によって髪の毛からゴムへと電子が放出され、ゴムに静電気が発生します。そのため、風船を持ち上げると、髪の毛も一緒に浮きます。

同様に、オルテガ＝ヒメネスは、昆虫の羽ばたきによる摩擦によって体から空気中に負電荷が放出され、昆虫は正電荷を帯びる一方で、負の静電領域が形成されるのではないかと考えた。クモの巣が負電荷を帯び、昆虫が正電荷を帯びているなら、クモの巣は単なる受動的な罠ではなく、静電気によって獲物に向かって移動し、引き寄せることができるかもしれないと彼は考えた。彼の実験室での実験はまさにそれを証明した。ハエ、アブラムシ、ミツバチ、さらには水滴からの静電気によってクモの巣は瞬時に変形した。クモは帯電した昆虫をより簡単に捕まえることができた。彼は静電気によって動物間の物理的相互作用がどのように変化するかを目の当たりにした。

動物の静電気の魔法は、すべてサイズにかかっています。大型動物は自然の静電気をほとんど感じません。人間は大きすぎて感じられないからです。「人間は主に重力や流体力学の世界に生きています」とオルテガ＝ヒメネスは言います。しかし、小さな生き物にとって、重力は後付けのものです。昆虫は空気の粘性を感じることができます。地球上で最小の種から最大の種まで、同じ物理法則が適用されますが、力のバランスはサイズによって異なります。池のアメンボの足元では分子間力がたわみ、毛細管現象は植物の細い根を通して水を信じられないほど上向きに噴き上げ、静電気力は進路上にある逆電荷の粒子を捕らえます。

「帯電した斑点」という言葉は、花粉粒の物理的な特徴を的確に表現している。オルテガ＝ヒメネスがクモの巣が虫を捕らえるのを発見してから数年後、ロバートのチームは、ミツバチがマイナスに帯電した花粉を、直接触れることなく集めることができることを発見した。ミツバチが花の蜜を飲むと、花粉はミツバチの体に直接飛びついた。「花粉が飛び散るのに、ミツバチと花の間に接触は必要ありませんでした」とロバートは言う。「これは静電気力に反応する軌道なのです。」

この発見は、ロバートに静電気によって植物と花粉媒介者との共生関係、つまり共進化のよく知られた例が実現できる可能性を示唆しました。ミツバチが花の蜜を吸って花粉を集め、幼虫に与え、さらに花から花へと花粉を伝播させて植物の繁殖を可能にするというこの力学は、既に十分に確立されていました。静電気の潜在的な役割は全く新しいものでした。

ロバートは過去10年間、昆虫やクモ類が静電気を様々な方法で利用し、経験していることを明らかにする研究を積み重ねてきました。ダニは飛び跳ね、クモは風船のように膨らみ、ミツバチはプラスに帯電した別のミツバチが最近訪れた花のマイナス電荷を感知します。さらに、空気と昆虫の電荷関係は双方向であることも発見しました。ミツバチの群れは大量のマイナス電荷を放出するため、周囲の電位勾配が変化することが知られています。ロバートの推定によると、サバクトビバッタの大群が引き起こす大気の電荷は、雲や雷雨に匹敵するほどです。

ロバートとオルテガ＝ヒメネスの結論は挑発的だった。しかし、彼らにとって、節足動物の物理的性質は静電気力を避けられないものとしていた。昆虫は軽くて角張っており、体積に対する表面積の比率が高い。「物理学者が言うこれらのパラメータはすべて、より高い電荷密度を必要とする」とロバートは言った。「彼らの世界は、私たちの世界よりもはるかに電気的に豊かであることが判明したのです。」

それでも、実験では、生物がこの静電機能を制御しているかどうか、あるいはそれがどのように進化したか（そもそも進化したのかどうかは不明）を結論づけることはできなかった。ロバートは疑問に思った。昆虫が静電場を利用するのは偶然なのか、それとも適応によるものなのか？

生存のための静的

サム・イングランドは自然への愛を体現している。太陽系の惑星が描かれたツノゼミをはじめ、6つの動物のタトゥーを入れている。これは物理学を専攻した彼の経歴へのオマージュだ。太陽系と惑星の融合が、彼の好奇心を駆り立てる。物理学は動物の行動をどのように形作るのだろうか？大学院では感覚生態学に転向し、ブリストル大学のロバート研究室に加わり、昆虫が静電気を積極的に利用して環境に影響を与えているという仮説を追究している。

静電気の世界は人間の研究者には見えないため、予測不可能な生物を研究対象に加える前から、その力を研究するのは困難です。「生物学の研究は、生きた動物に頼らなければならないため、物理学よりもはるかに難しい場合があります」とイングランド氏は言います。彼は、蝶や蛾を含むチョウ目（チョウ目）の飛翔昆虫が、ミツバチのように、蜜を求めて訪れる花から花粉を集めるのに十分な静電気を飛行中に蓄積するかどうかを検証したかったのです。しかし、まずは昆虫の静電気を測定する方法を開発する必要がありました。

イングランド氏にとって、昆虫を30秒間空中に留める方法は「散歩」に例えるのが最適だ。「昆虫の腰に小さな投げ縄を結びつけなければなりませんでした」と彼は言う。昆虫を釣り糸でつなぎ、電荷を測るために取り付けられた金属製の輪に通して誘導した。

イングランド氏は、様々な気候、生態系、そして生活様式に生息する11種の蝶と蛾を研究した。昆虫がケージ内を30秒間飛行した後（静電気を蓄積するのに十分な時間）、ループを通過させた。すると、11種すべてが飛行中に帯電した。中には1メートルあたり約5キロボルトの静電気を帯びたものもあった。これは、6ミリメートル離れたところから負に帯電した花粉を吸い上げるのに十分な量だとイングランド氏は計算した。

チョウ目昆虫が花に直接着地すると、花粉は自然にチョウの体に付着します。静電気によって花粉が空気の隙間を飛び越えるようになれば、「チョウの受粉効率が向上するでしょう」とイングランド氏は述べ、「受粉の可能性が高まります」と付け加えました。

静電気の進化的意義を測るため、イングランド氏は野生における動物の行動と電荷の相関関係を探った。そしていくつかのパターンを発見した。例えば、夜行性の蛾は他の種よりも電荷が少ない傾向がある。なぜだろうか？イングランド氏は、強い電荷を持つ昆虫は、夜間に静電気などの視覚以外の手がかりに頼る捕食者にとって目立ちやすいのではないかと推測している。したがって、電荷を最小限に抑えることは蛾の生存を助ける可能性がある。

「素晴らしい新データです」とオルテガ＝ヒメネス氏は述べた。しかし、今回の研究で対象となった11種は、世界に約18万種存在するチョウ目昆虫のほんの一部に過ぎないと注意を促した。「静電適応を主張するには、もっと幅広い範囲を対象とする必要があります。しかし、良い仮説です」

昆虫が静電気情報に基づいて行動するには、電界を感知できなければなりません。ロバート研究室の研究によると、ハチやクモの微細な毛は、この感覚を助けているようです。イングランド氏は最近、この未解決の科学をさらに発展させ、イモムシの微細な毛が静電気によってどのように曲がるかを研究することで、電気情報がイモムシの生存にどのように役立つかを解明しようとしました。

イングランドのチームが幼虫を飛翔中のハチが発生させる電界に似た電界にさらしたところ、幼虫はとぐろを巻いたり、暴れたり、噛みついたりといった防御行動を示した。「これは基本的に、獲物と捕食者が静電気だけで互いを検知できることを示唆している」とイングランドは述べた。

行動生態学者のドーンハウス氏は、電気受容がイモムシに多くの時間を稼いでいるのか疑問視した。しかし、捕食者と被食者の衝突の危険性の高さを考えると、どんな利点も重要になる可能性がある。「イモムシ個体にとって、たとえその遭遇を生き延びる確率がわずかに高まるだけでも、それは進化的に重要な行動となるのです」と彼女は述べた。

「生物は常に機会主義者です」とオルテガ＝ヒメネス氏は言う。イングランド氏の研究にはためらいながらも感銘を受けている。彼は、できれば野生動物から、自然な行動を検証するさらなるデータを切望している。「このゲームで勝っているのは誰でしょうか？ 静電気をより有効に利用しているのは誰でしょうか？」と彼は問いかける。「どのような捕食者と被食者でしょうか？」

静電気と生存を結びつける証拠が増えるにつれ、進化によって電荷を感知したり運んだりする能力が、他の特性と同様に微調整されてきたのではないかという説が浮上しつつある。「多様な種が多様な生態系を持つという事実が、この研究を非常に興味深いものにしています」と、ロバート研究室の大学院生、ベス・ハリスは語る。「まさに宝箱が開けられるような、そんな世界です」

電気的継承

ロバートの研究室で研究が進むにつれ、昆虫やクモ類における静電気の検知と蓄積は偶然ではないという疑念も深まっています。電気受容能力に優れた毛虫や、電荷の少ない夜行性の蛾は、捕食者をよりうまくかわすことができるかもしれません。もし彼らが生き残り、繁殖を続ければ、生物が静電気を感知し利用するのを助ける遺伝子や形質も含め、これらの遺伝子や形質は、将来の世代でより強力になり、より一般的になる可能性があります。

静電気が動物界において、私たちが今日知っている以上に大きな影響を与えているかもしれないという考えを無視することは、もはや不可能になりつつある。生態系全体が隠れた電界に依存している可能性があるのだ。「もし静電気を突然なくしたとしても、大量絶滅は起こらないだろう」とイングランド氏は言う。「しかし、どれほど多くの動物が静電気を使わないように適応しなければならないか、驚くことになるだろう。」

静電力はミリメートルやセンチメートル単位のスケールで作用しますが、集団としての影響ははるかに大きくなる可能性があります。例えば、マルハナバチなどの社会性ミツバチは、他のコロニーの仲間や幼虫のために餌を集めます。採餌蜂は毎日、花について何百もの判断を下し、他の多くのミツバチはそれらの判断に依存しています。「個体レベルではごくわずかな違いだと考えられること、つまり花をほんの一瞬早く認識できることは、ミツバチにとって進化の過程で非常に重要な意味を持つ可能性があります」と、ミツバチと花の相互作用を研究しているドーンハウス氏は述べています。

静電気の帯電が受粉を助けるのであれば、植物の進化にも変化をもたらす可能性があります。「花の基本的な特徴の中には、適切な静電場を生成するためのものもあるのかもしれません」とドーンハウス氏は言います。「目に見えないため、花の生命におけるその側面全体を無視してきたのです。」この考えはそれほど突飛なものではありません。2021年、ロバート氏のチームはペチュニアが蜂のような電界の周囲で虫を引き寄せる化合物をより多く放出しているのを観察しました。これは、花が受粉者が近くに来るまで待ってから、積極的に誘引していることを示唆しているとロバート氏は言います。

「人間は視覚に非常に敏感なので、派手で大きな花に目が行きがちです」とドーンハウス氏は言います。しかし、花が香りや紫外線パターンといった強力な目に見えない信号を発していることは既に分かっています。「もしかしたら、花によっては、ミツバチにとって色よりも電界の方が重要なシグナルになっているのかもしれません。」

しかし、静電気生態学を取り巻く進化の詳細は、せいぜい不明瞭なままです。「私たちがどれほど知らないか、実に驚くべきことです」と、昆虫進化生態学者のウェインライト氏は言います。視覚系や聴覚系といった、より深く理解されているシステムにおいてさえ、生態学者たちは進化の点と点を結びつけ始めたばかりなのです。

静電気はこれまで見過ごされてきたため、イングランド氏は人間が知らず知らずのうちに動物の静電気力利用能力を阻害しているのではないかと懸念している。「私たちは常に静電気を帯びた物質を環境中に放出しているのです」と彼は言う。電子機器、電化製品、送電線、肥料、そして衣類でさえ静電気を帯びている。「昆虫がスズメバチの羽ばたきに敏感なら、送電線にも敏感でしょう。そして、送電線がシステム全体に悪影響を及ぼしている可能性があります」

博士課程を修了したイングランド氏は現在、ベルリン自然史博物館で博士研究員として動物の視覚を研究しています。将来は自身の研究室を立ち上げ、こうした保全に関する問題を探求し、空中電気受容や交尾などの静電行動に関する新たな事例を発見したいと考えています。

「空中静電感知が広く知られ、動物の感覚レパートリーの標準的な一部とみなされることが夢です」と彼は語った。その夢を実現するには、私たち人間よりもはるかに小さな生き物の進化の秘密を探り、私たちの世界を広げるさらなる研究が必要になるだろう。

オリジナルストーリーは、数学、物理科学、生命科学の研究の進展や動向を取り上げることで科学に対する一般の理解を深めることを使命とする、 シモンズ財団の編集上独立した出版物であるQuanta Magazineから許可を得て転載されました。