なぜ空を征服した脊椎動物はこの3種類だけなのでしょうか？

レビューの専門家：有名なポピュラーサイエンスライターのラン・ハオ氏

青い空を飛ぶことは人類の長年の夢でした。紀元前500年ごろから、人々は凧に体を結びつけ、空から地球を見渡そうとしていました。

1783年、人類は軽量航空機による有人飛行を達成しました。 1902年、人類は自律的な電源を備えた大型航空機の有人飛行を実現しました。人類が空を飛ぶという最初のアイデアを思いついてから、この夢が最終的に実現するまでには 2,000 年以上かかりました。

1783年にモンゴルフィエ兄弟が行った有人熱気球実験の絵画。出典: Wikipedia

実は、四足動物界には、人間よりもずっと前から、上空から地上の景色を眺めていた種族が存在していたのです。地上を離れて空から世界を見下ろした最初の翼竜は、2億年以上前に地球に現れた翼竜でした。種が進化し続けると、鳥やコウモリも空を飛ぶようになり、人間と比べて道具を必要としなくなりました。

では、翼竜、鳥、コウモリはどのように飛ぶのでしょうか?

青空へ飛ぶ秘密

翼竜でも、鳥でも、コウモリでも、すべて翼を持っています。翼の構造は飛ぶ能力の基礎です。

ベルヌーイの定理によれば、低速流体では、流量が低いところでは圧力が高くなり、流量が高いところでは圧力が低くなります。翼竜、鳥、コウモリが飛び立つとき、空気（つまり流体）は翼の前端に接触するとすぐに 2 つの部分に分割されます。翼には一定の曲率があるため、翼を通過する空気の上部と下部が移動する距離は同じではありません。

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翼の上を通過する空気の距離は長く、翼の下を通過する空気の距離は短くなりますが、通過に要する時間は同じです。したがって、空気は翼の上では速く流れ、翼の下では遅く流れます。これにより、翼の上側の圧力が翼の下側の圧力よりも低くなり、上向きの力が発生します。翼竜、鳥、コウモリが地面を離れて空に飛ぶことができるのは、まさにこの生成された揚力に頼っているからです。

以上、翼竜、鳥類、コウモリの飛行の基本原理について説明しましたが、実際の飛行においては、3種の飛行方法には若干の違いがあります。

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翼竜の翼（通常は翼膜と呼ばれる）は、伸びた 1 本の指だけで支えられています。この構造により、翼竜は鳥のように高速で飛ぶことができません。

ケツァルコアトルスが地上を移動する想像図。出典: Wikipedia。翼竜の中には巨大なものもあり、飛ぶときには気流に大きく依存しており、そのおかげで地面から簡単に離れることができた。科学者たちはシミュレーション実験を通じて、翼竜はそれほど速く飛べず、その飛行方法も比較的単純だったのではないかと推測している。

鳥には、羽ばたく、滑空する、ホバリングするなど、さまざまな飛び方があり、それらは翼の形や大きさ、筋力などの要素に関係しています。一般的に、鳥の翼には、楕円形、高速、高アスペクト比、翼スロット付き高揚力の 4 つのタイプがあります。

楕円形の翼は短く丸く、素早い離陸や旋回に適しています。このような翼を持つ鳥は森の中を自由に移動することができます。キツツキやカササギなどがこの種類に属します。

カササギ 出典: Wikipedia

高速型は翼が短く尖っており、より速い飛行速度で飛翔し、空中で狩りをすることができます。ハチドリやツバメがこのタイプの代表例です。

ハチドリ 出典: Wikipedia

大アスペクト比タイプの翼は長く、狭く、平らで、風速の差をより有効に利用して、鳥を空に滑空させ、果てしない海の上を飛ぶことができます。アホウドリや他の海鳥の翼は主にこのタイプです。

アルバトロス ソース丨unsplash

スリットの付いた高揚力翼は空気抵抗を大幅に減らし、熱気流を利用して鳥が陸上をゆっくりと飛行することを可能にします。ハゲワシやフクロウなどの猛禽類によく見られます。

ハゲタカ 出典: pixabay
コウモリの翼は翼竜の翼に似ていますが、コウモリの翼を支える指は4本あり、翼がより安定しているため、コウモリは翼竜よりも飛行の制御に優れています。

しかし、コウモリは後肢が未発達で跳躍力も劣っているため、鳥のように地面から飛び立つことは難しい。そのため、コウモリの飛び立ち方は非常に特殊で、逆さまの姿勢で飛び立ちます。

バット情報源: Wikipedia

飛べる人はみんな親戚ですか？

脊椎動物の中で、本当に地上空間を突き破って広大な空へと飛び立ったのは、翼竜、鳥類、コウモリだけです。生物学的な分類によれば、翼竜は爬虫類に属し、コウモリは哺乳類に属し、鳥類は恐竜から進化したため、これら2つのカテゴリーに相当します。これら 3 つは遠い関係にあり、独立して翼を進化させました。では、なぜそれらは似たような構造を持ち、どちらも飛べるのでしょうか?

生物学者はこの現象を収斂進化と呼んでいます。この現象は、祖先が長期間同じまたは類似の環境に住んでいたことによる収斂進化によるものと考えられます。

環境に適応するために、生物は特定の構造と特定の機能を進化させ、同様の環境では同様の方向に進化し、同様の翼、飛行能力などが出現します。同様の例としては、現代のイルカに似た中生代の海生爬虫類である魚竜や、同様の形状の掘削用前肢（前足）を持つモグラとケラトプスが挙げられます。

魚竜の化石（上）とイルカ（下） 出典：Wikipedia 人類は翼を進化させておらず、自律飛行を実現することはできませんが、幸いなことに、人類はその知恵を使って空飛ぶ動物の体の構造を研究し、その飛行の秘密を探り、そこに含まれる原理を使用してさまざまな機械装置を設計および製造し、長年の夢である飛行を実現することができます。

動物が最初に飛び立ったのは、おそらく天敵を避けるか獲物を捕まえるかのどちらかの生存の目的のためだった。一方、人類は発展、変化、そして飛躍を目指して出発しました。翼竜、鳥、コウモリ、そして人間など、その本来の目的が何であれ、空へと昇る過程で、彼らは地球の歴史に大きな足跡を残してきました。