これは酸素ボンベを持つ唯一のトカゲかもしれない

制作：中国科学普及協会

著者: 蘇成宇

プロデューサー: 中国科学博覧会

編集者注：生命科学の最新の謎を解くために、中国科学普及の最先端技術プロジェクトは「生命の新知識」と題する一連の記事を立ち上げ、独自の視点から生命現象を解釈し、生物学の謎を明らかにしました。人生の世界を探求し、無限の可能性を探求しましょう。

スヴィルク氏がトカゲの頭頂部に保湿剤を丁寧に塗った理由は、15年前に遡る... 2009年、ハイチでの現地調査中に、進化生物学者のルーク・マーラー氏とその同僚は、水中を移動する樹上性のトカゲを偶然発見した。

樹上性トカゲ

（画像出典：文書1）

これは主に熱帯および亜熱帯の森林、草原、海岸線、さらには都市部に生息するアノールの一種です。この属は種の多様性が高く、400 種以上が知られており、脊椎動物の中で最も種数の多い属の 1 つとなっています。

アノールリス

(画像出典: mahlerlab)

マーラー氏はトカゲが数秒以内に水面に浮上するだろうと予想したが、予想よりずっと長い間水中に留まっていた。ついにそれが水面に現れたとき、マーラー氏と彼のチームは困惑した。この小さな爬虫類はどうやってこれほど長い間水中にいたのだろうか？彼はいつも、このトカゲが本当に「水中で呼吸する」方法を見つけたのかどうか、解明したいと考えていた。

トカゲ

（画像出典：文書1）

謎を解く

数年後、進化生物学への興味が深まるにつれ、マーラーはついに同じ考えを持つもう一人の科学者、ニューヨーク州立大学の教授、リンジー・スウィアークと出会った。スヴェレック氏もコスタリカで同様のトカゲの行動を観察していたため、二人は意気投合し、この謎を一緒に研究することにした。

2017年、マーラー氏の学生クリス・ボッチャ氏は、パナマ、コスタリカ、メキシコ、コロンビアを含む中米のさまざまな地域を旅し、さまざまな生息地に生息するトカゲを詳細に観察した。

クリス・ボッチャと彼のアノールトカゲ

（画像出典：トロント大学公式サイト）

ある小川のそばを観察していたとき、彼は水中に樹上性のトカゲが潜んでいるのを発見した。最初はただ静かに水の底に横たわっていたが、ボルジアはトカゲの鼻の先に小さな泡がしっかりと付いているのに気づいた。その後、トカゲは泡の中の空気を鼻腔に吸い戻し、静かに水中に留まり続けるようです。

図（a）はトカゲの鼻の背側にある再呼吸用の泡を示しています。

図（b）は、目と鼻孔の間の横方向に位置する気泡を示しています。

これらの図は、気泡の位置と、トカゲが水中でどのように息を吐き出して気泡を保持するかを示しています。

（画像出典：文書2）

「自分の目が信じられませんでした！」ボルジアは興奮しながらその場面を思い出した。「この泡は『酸素タンク』なのだろうか？」

研究室に戻った後、ボルジアは指導者のマーラーとともに詳細な研究を行った。

彼らはコロンビアの山々からコスタリカの川、ジャマイカの湿地帯に至るまで、大規模な探検ミッションを開始しました。彼らは釣り竿と素手を使って、草むらから小さなトカゲ（アノールトカゲ32種と他のトカゲ4種）を捕まえ、特別な水中テストのために研究室に持ち帰った。

(画像提供: リンジー・スウィアーク)

トカゲは研究室の透明な水の中にそっと置かれ、研究者たちはトカゲが水中に潜ったり自由に浮いたりする様子を観察した。それぞれの実験で、研究者たちはトカゲが自発的に水面に浮かび上がるか、疲労の兆候が見られるまで辛抱強く待った。これらの小さな探検家たちを保護するために、各トカゲの試行回数は最大 5 回に制限され、試行の合間には少なくとも 15 分間の休憩が設けられました。

あらゆる小さな動きを捉えるために、実験全体をビデオに録画し、その後の分析に使用しました。科学者たちは、トカゲの鼻孔の上にそっと置いた非常に感度の高い酸素プローブを使用して、水中の泡内の酸素の変化を記録した。

泡が膨張する過程

（画像出典：文書1）

動画では、アノールトカゲが水中に沈むと、皮膚の上に小さな酸素タンクのような薄い空気の膜が形成される様子が映し出されている。トカゲは肺に酸素を満たすために、泡を繰り返し吐き出し、吸い込みます。

皮膚の上に薄い空気の膜が形成されます。

(画像提供: リンジー・スウィアーク)

科学者たちはこの行動を「再呼吸」、つまりすでに吐き出した空気を再び吸い込む能力と定義しています。データによると、検査した32種のアノール類のうち18種が、少なくとも1個体で再呼吸行動を示した。その中でも、半水生トカゲの再呼吸行動は特に顕著です。半水生トカゲでは、1回の試行での最大再呼吸回数は5回以上に達し、潜水時間も非水生トカゲよりも有意に長かった。

アノールトカゲ以外のトカゲ（Basiliscus galerius など）は水中で空気層を形成することができません。これらの種では、吐き出した空気が小さな泡となって水面に逃げ、再び呼吸することはできません。画像内の赤い矢印は、鼻孔から吐き出された小さな空気の泡を示しており、これらのトカゲが空気を再呼吸する能力を失っていることを示しています。

（画像出典：文書1）

酸素プローブの測定により、実験中に気泡内の酸素分圧が徐々に低下し、再呼吸プロセス中にこれらの気泡によって酸素が消費されていることが示されました。

2021年、研究チームのもう1人のメンバーであるリンジー・スウィアーク氏は、再呼吸泡を使用して半水生トカゲの機能をさらに検証するための新しい実験を設計しました。同様に、彼らはまず半水生のアノールトカゲ30匹を捕獲した。トカゲはランダムに2つのグループに分けられました。正常な泡を持つグループと、破損した泡を持つグループです。

彼らは、通常のバブルグループのトカゲの頭に少し水をかけただけです。泡が損傷したトカゲに対して、研究者らは主に水性保湿剤からなる薄い層の保湿剤を塗布した。その機能は、トカゲの皮膚の本来の疎水性を失わせ、トカゲが再呼吸のために頭の中で気泡を形成できないようにすることです。

青い部分はトカゲの頭に保湿ローションを塗った部分です

（画像出典：文書2）

科学者たちは、保湿剤を塗らなかったトカゲは水中で安定した気泡を形成し、潜水中にそれを繰り返し利用して再呼吸することができたということを発見した。対照的に、泡が損傷したグループのトカゲは、鼻孔の近くにごく小さな泡をたまにしか形成できなかったが、これらの泡は潜水時間を延ばすのに効果的ではなかった。

単一のバックバブルの形成プロセス: 画像間の時間間隔は 0.2 秒 (パネル i ～ iv) および 0.07 秒 (パネル v ～ vii) です。気泡は形成された後、しばらく留まり、わずかに膨張し（図vii～viii、時間間隔2.0秒）、その後再吸収されます。

（画像出典：文書2）

正常な泡を持つ個体は平均約67.5秒間水中に留まることができたが、破損した泡を持つ個体は平均約32パーセント短い時間しか水中に留まることができなかった。同時に、科学者たちは、オスがメスよりも水中に留まる時間が20秒短いことを発見した。大したことではないように聞こえるかもしれませんが、自然界では 20 秒が生死を分けることもあります。空腹の鳥は、20 秒間余分に探すのは労力に見合わないと判断し、代わりに下流でもっと幸運な場所を探そうとするかもしれません。

アノールには「物理的な鰓」がありますか?

研究はここで終わるわけではない。科学者たちは泡を使って水中で酸素を消費することを証明しただけであり、その背後にある原理はわかっていないからだ。彼らは、バブルアノールもゲンゴロウと同じ戦術、つまり「物理的な鰓」を使用するのではないかと推測している。

いわゆる「物理的な鰓」は、一部の水生昆虫が泡を使って呼吸する仕組みです。例えば、ゲンゴロウやミズバエは、腹部の毛の間や体の他の部分に気泡を蓄えます。水中に潜ると、気泡が毛の上に安定した膜を形成します。

物理的な鰓図

(画像出典: UQ eSpace)

これらの泡は、魚に酸素を供給するだけでなく、水と酸素を交換することでえらのような働きもするので、魚が水中に長く留まることになります。酸素は水から泡の中に拡散し、二酸化炭素は泡から拡散します。これらの昆虫は代謝要求が低いため、このメカニズムにより、泡内の酸素を急速に枯渇させることなく、昆虫の酸素需要を効率的に満たすことができます。

概略図

（画像出典：文書3）

昆虫の体は微細な毛で覆われているため、気泡が発生することがあります。これらの毛は空気を所定の位置に保持し、安定した泡膜を形成します。

毛髪は空気を保持し、安定した泡膜を形成できる

（画像出典：文書3）

アノール類には毛はありませんが、皮膚は細かい疎水性の鱗と小さな突起で覆われています。これらの不規則で細かい疎水性の表面は、水が完全に広がるのを防ぎます。表面張力により泡はしっかりと閉じたままになり、水との接触面積が減り、水中での安定性が維持されます。

さらに、小さな突起や鱗片などの微細構造により、水の接触角が低減し、表面上の水滴がより球形になり、疎水性が向上します。これにより、トカゲの皮膚は効果的に空気を閉じ込め、水圧による泡の破裂を防ぐことができます。

アノールトカゲの皮膚はある程度防水性がある

(画像提供: リンジー・スウィアーク)

アノールトカゲはなぜ水に入るのでしょうか？

問題は、なぜこれらのアノールトカゲは理由もなく長い間水中に留まっているのかということです。

スヴィルク氏はアノールを「森のチキンナゲット」と表現する。鳥であれ蛇であれ、空や地上にはそれらを食べる生き物がいます。地上に逃げるのも一つの方法ですが、近くに水があれば、食べられるリスクを減らすために躊躇せずに飛び込みます。

しかし、ダイビングには代償も伴います。体温が最大 6°C 低下する可能性があります。爬虫類は外温動物であり、体温を維持するために外部環境に依存しています。冷たい水に入ると体が早く冷え、筋肉がうまく機能しなくなるなど、体のさまざまな機能に影響を与える可能性があります。

将来的には、アノールトカゲの適応メカニズムから学び、水中環境でより効率的に生き残るための「再呼吸」機能を備えた人間用装備を開発できるようになるかもしれません。これらの生物学的構造を徹底的に調査することで、自然界における未解決の謎がさらに解明され、さまざまな極限環境で生命が驚くべき方法で生き残る仕組みを理解するのに役立つ可能性があります。

参考文献:

1.ボッチャ CK、スヴィエルク L、アヤラ・バレラ FP 他潜水するアノールトカゲにおける水中再呼吸の反復進化[J]。カレントバイオロジー、2021年、31(13):2947-2954。 e4.2.Swierk L. 半水生トカゲの潜水時間を延長する新たな再呼吸適応[J]。 Biology Letters、2024、20(9): 20240371.3.Ditsche-Kuru P、Schneider ES、

2.Melskotte JE、et al.水生昆虫Notonecta glaucaの超疎水性表面：摩擦低減と空気保持のモデル[J]。ベイルスタインナノテクノロジージャーナル、2011年、2(1):137-144。