騒々しい小川の近くのカエルは「河東獅子咆哮」の技を習得した

制作：中国科学普及協会

制作者：趙龍輝、崔建国（中国科学院成都生物学研究所）

制作者: 中国科学院コンピュータネットワーク情報センター

チャウ・シンチー監督の映画「カンフー」では、家主と女主人が獅子咆哮カンフーを使って火雲邪神と古典的な戦いを繰り広げました。絵の中では、ライオンの咆哮は雷鳴のように速く、その音は数マイル先まで聞こえ、恐ろしい威力を持っています。

偶然にも、騒がしい小川の近くに住むカエルも「河東獅子咆哮」の技を習得している。

画像出典: 映画「カンフー」のスクリーンショット

環境が人類の発展に影響を与えることは誰もが知っています。実際、動物についても同じことが言えます。

中国科学院成都生物学研究所の動物行動・バイオニクスプロジェクトグループは、騒がしい小川に生息するカエルの鳴き声が適応進化を遂げていることを発見しました。

静かな水環境（池、湖など）に生息するカエルと比較すると、渓流カエルはより単純で高周波の発声をするため、騒がしい環境でもコミュニケーションをとることができます。

左：止水性カエルの代表種である高原森林カエルの生息環境。右：渓流ガエルの代表種、コガエルの生息環境（画像出典：著者提供）

環境に適応するために、カエルの声は大きくなった

音響適応仮説では、動物の音声信号は、その環境内で効率的に伝達される方向に進化するはずだとされています。この仮説は40年以上前から提唱されているが、既存の研究は主に植物が動物の鳴き声に与える影響に焦点を当ててきた。

既存の研究では、閉鎖された森林では、低頻度で長時間続く鳴き声はより遠くまで届くことが示されています。一方、開けた森林では、繰り返し率が高く、周波数の変化が明らかな鳴き声の方が伝播効率が高いため、進化の過程でこれらの特性が選択され、継続的に強化されます。現在、環境影響要因は主に植生に焦点が当てられており、騒音や砂漠化などの要因はあまり注目されていません。

騒音は環境中に遍在します。一般的な騒音には、非生物的騒音（風、雨、水の流れなどによって発生する騒音）と生物的騒音（同種および他種の合唱など）があります。音声によるコミュニケーションの過程で、動物はさまざまな環境騒音によって簡単に邪魔されてしまいます。

水の音（画像提供：Veer Gallery）

しかし、騒音の観点から見た音響適応仮説に関する研究は現在のところ非常に限られています。流水の近くに住む動物にとって、水の音は音声によるコミュニケーションに深刻な妨害を与える可能性があります。流水の音が動物の鳴き声の進化に与える影響を明らかにすることは、この分野における既存の研究のギャップを埋めるのに役立つでしょう。

「カエルの鳴き声を聞く」にもルールがある。音が大きければ大きいほど、周波数が高くなる。

音適応仮説によれば、環境ノイズのほとんどは比較的低周波ですが、高周波チャープは環境ノイズからの干渉を容易に回避でき、周波数特性が単純なチャープはノイズの中での情報伝達の完全性を維持するのに役立ちます。

無尾類（カエルやヒキガエル）は、小川や滝などの騒々しい環境と、池や湖などの静かな環境の両方で生息できるため、騒音と歌の進化的関係を研究するための理想的なモデルです。この研究では、アカゲザル科とヒキガエル科の種を用いて、動物の鳴き声の頻度が音響適応仮説によって予測される方向に進化するかどうかを検証しました。

環境騒音に加えて、両生類の鳴き声は体の大きさ、温度、進化の歴史によっても影響を受けます。これらは干渉要因として、動物の鳴き声に対する騒音の影響を研究する上で課題をもたらします。この研究では、105種の音の周波数特性、体の大きさ、録音時の温度、分子配列データを収集した。

12S、16S、CXCR4、およびRAG-1遺伝子に基づいてこれらの種の系統関係を構築した後、進化関係、環境温度、および体の大きさを包括的な分析に含めました。次に、騒音が大きい環境（流水環境）と騒音が小さい環境（静水環境）における両生類の鳴き声の周波数特性の違いを比較しました。

小さな渓流ガエル（撮影者：趙龍輝）

結果は、騒がしい環境では両生類の鳴き声はより高い周波数へと進化し、時間と空間における音の周波数の変化はより単純になることを示しています。逆に、騒音の少ない環境では、両生類の鳴き声の頻度は比較的低く、時間的・空間的な音の周波数の変化は比較的複雑です。

環境騒音は主に低周波帯域に集中しているため、高周波音は流水による干渉を避けるのに役立ちます。さらに、時間と空間における周波数の変化を減らすことで、さえずり音がノイズの中でより遠くまで伝わりやすくなります。したがって、上記の結果は、音適応仮説の予測と一致しています。

左：代表的な静水ガエル種、Rana sylvatica の鳴き声のスペクトル（下）。右：代表的なカエルの一種、Rana sylvatica の鳴き声のスペクトル（画像出典：著者提供）

研究中、どのようなイノベーションがどのような困難に直面しましたか?

この研究では、体系的、行動的、生物音響学的手法を統合し、複数の影響要因を考慮しながら、流水音が動物の音響特性の進化に与える影響を調査します。研究形式と内容の両方において一定の革新性があります。この研究には 105 種のデータが含まれており、膨大な量の文献を参照し、同じ基準を使用してそれぞれの種の情報を選別する必要があったため、データ収集が最大の困難でした。時間がかかり、作業量も重いため、慎重かつ忍耐強く取り組む必要があります。

水のゴボゴボという音からカエルの鳴き声が進化したことは、動物と環境の関係について何を教えてくれるのでしょうか?

人間の活動により環境中の騒音が増加し、騒音公害は世界的な生態学的問題となっています。

多くの研究により、人為的な騒音は人間の健康に悪影響を及ぼすだけでなく、動物のコミュニケーション効率を低下させ、さらには生存や繁殖にも影響を与えることが明らかになっています。自然の水の騒音と人為的に発生する騒音は、どちらも主に低周波です。水中の騒音に対する動物の鳴き声の適応と進化を明らかにすることは、長期的な人為的騒音ストレスが動物の鳴き声にどのような影響を与えるかを予測するのに役立ち、動物の多様性の保全のための理論的根拠も提供します。

たとえば、騒音によって鳴き声が著しく乱されている重要な種の場合、人間の建築物は、その種の正常な繁殖を確保するために、その種の生息地の中心地域を避けることができます。

市内に生息するオオアカツグミ（Turdus fuscator）は深刻な騒音公害に悩まされている。

(画像出典: Brumm と Zollinger、2013)

外部環境が変化すると、動物はまず行動で反応します。動物の行動研究を行うことは、動物と環境の関係を理解するのに役立ちます。さらに、私たちは自然や人間そのものに対して自然な好奇心を持っています。動物の行動を研究することで、多くの興味深い現象を発見できるだけでなく、動物の中に私たち自身の影を見ることもよくあります。

動物の行動に関する徹底的な研究は、バイオニクスの観点から価値あるものを創造するインスピレーションを与えてくれることがあります。

動物の行動やバイオニクスの研究を行うことは、生命の神秘を垣間見ることであると同時に、私たち自身を垣間見ることでもあります。楽しくて楽しいです。

参考文献:

[1] Zhao, L.、Santos, JC、Wang, J.、Ran, J.、Tang, Y.、および Cui, J. (2021)。ノイズは流水カエルの鳴き声周波数の輪郭の進化を制限する：2 つの系統の比較分析。動物学のフロンティア、18(1)、1-10。

[2] Brumm, H.、Zollinger, SA (2013)。ノイズの中での鳥の鳴き声。 『動物のコミュニケーションと騒音』（pp. 187-227）より。シュプリンガー、ベルリン、ハイデルベルク。