銃声、弾丸、そして鎧：日本南紀白浜の魅惑的な「暗殺者」

2022年7月8日午前11時頃、白浜町の海岸にある白浜水族館で、モンシロシャコが水槽を2回破壊した。 30分後、120キロ離れた奈良県の大和西大寺駅の近くで、元日本の政治家が2発の銃弾を受け、地面に倒れた。

科学コミュニケーターにとって、暗殺に関する話題は理論的に豊富にあります。銃器に関する知識を活用して、ショットガン、ピストル、自家製銃器を紹介することができます。弾道学と法医学を組み合わせて、弾丸が人体に入り、人体を傷つける過程について話すこともできます。防弾チョッキの起源と発展について、科学技術史資料を使って解説することもできます。材料科学と力学の原理を利用して、防弾布の「接続、変換、開発」のメカニズムを普及させることもできます。

私はまず、記事にヒントに満ちた曖昧なタイトルと、バタフライ効果を模倣した大げさな序文をつけることにしました。この記事の主人公であるムクシャコは、日本の暗殺者、自家製の拳銃、致命的な弾丸、命を救う防弾チョッキという、暗殺事件と強く結びつく可能性のあるすべての科学的要素を完璧に兼ね備えているからです。

著者 |ビプシアンレン

制作：中国科学普及-星空プロジェクト

シャコのMAXバージョン

シャコは人々の間で高い人気を誇っています。数え切れないほどの客に食べられ、絵文字にも使われ、芸術の巨匠たちからも称賛されてきました。多くの視聴者は映画「料理の神様」から、シャコはシャコ科のエビとも呼ばれ、「牛肉と混ぜると、はじけるシャコ団子が作れる」ことを知った。シャコという名前は、捕獲された後に腹部から水が出てくることに由来しています。

シャコはカマキリのような鎌状の前肢を持っているため、英語では「mantis shrimp」と呼ばれています。これは文字通り「シャコ」を意味します。

ムクシャコとシャコは近縁種で、ともに節足動物門、甲殻亜門、ミナミシャコ綱、エビ亜綱、口足類（厳密にはエビではない）に属しているが、前者はゴノダクチロイド上科のオドントダクチリダ科に属し、学名は「Odontodactylus scyllarus」である。後者は、Squilloidea 上科の Squillidae 科に属し、学名は「Oratosquilla oratoria」です。

あまりこだわらなければ、ピーコックシャコをピーコックシャコと呼ぶこともできます。

クルマエビ、アカエビ、ロブスターなどの標準的なエビはシャコの遠い親戚であり、十脚類の軟甲綱（真の軟甲綱の亜綱）に属します。

図1. エビの外部形態のスケッチ。上：エビ。下：シャコ。 [1]

初めてクジャクシャコを見た人は、その誠実さに感動するでしょう。なぜなら、その体長は10センチ以上あり、その名前の通り、尾を広げた小さな孔雀のよう、あるいは細長い虹色の琥珀のようで、とても華やかだからです。

ターコイズブルーのような背中、明るい赤と深紅の脚と下腹部、赤、オレンジ、黄色、緑、青、藍、白の触手、濃い青の眼柄、インダストリアルパンク風の大きな目。

図 2. 眼柄は十脚類、口脚類、その他の動物によく見られます。棒状で、触角のように頭の側面に生えています。眼柄に取り付けられた目は自由に回転できます。 [2]

彼らに遭遇した写真家は、彼らを静止画像に収める機会を決して逃さず、強迫観念にとらわれた鑑賞者はパレットを取り出して彼らと比較し、風変わりな進化論者は彼らの素晴らしさが、異性に惹かれ一夫一婦制である孔雀のそれに似ていると推測する。[3]しかし、率直に言って、彼らが私たちと同じように自分自身の魅力を理解できるかどうかはわかりません。

美しさは見るが色は判断しない

ピーコックシャコのビジュアル系はパンクというよりインダストリアルといえます。

図3.シャコの光受容体システム。 [4]

人間を含むほとんどの哺乳類の網膜には、赤、緑、青の光に敏感な 3 種類の光受容体しかありません。ムクシャコの目には 12 種類の受容体があり (種によっては 16 種類もある)、そのうち 8 つは人間の目に見えるスペクトルをカバーし、4 つは紫外線領域をカバーします。さらに、偏光を感知することもできます。

図 4. 人間の目の光感受性チャネルはシャコのそれに比べると平凡です。 [4]

しかし、12 個の感光チャンネルという贅沢な網膜構成では、優れた色解像度は得られません。科学者たちは、人間は5ナノメートルの波長の違いで色の違いを区別できるが、シャコは15〜25ナノメートルの範囲では区別が難しいことを発見した。

図 5. 人間は左の列と中央の列の色の違いを 50% の精度で識別できますが、シャコは右の列と中央の列を同じ精度でしか区別できません。 [5]

この対照的な理由は、彼らの視覚システムが「芸術的鑑賞」ではなく「技術的認識」に重点を置いているからです。

人間の目の錐体は密接に相互接続されており、複雑なメカニズムを形成しています。これらの細胞の光に対する反応の違いと、ニューラルコンピューティングネットワークによる応答信号の処理を組み合わせることで、私たちは微妙な色の違いを知覚できるようになります。

対照的に、シャコの錐体は「複雑な神経計算を必要とせず、互いに独立して機能」し、光に敏感な情報が網膜を離れて中枢神経系に到達すると、「大量の並列データストリーム」が発生し、視覚本部が一度に複数のデータを処理できるようになります。このタイプの視覚システムは、異なる色を正確に区別することが難しいことが多いですが、色の存在を素早く識別することができ、カマキリエビが天敵や獲物を鋭く検出するのに役立ちます[4、6]。

マンティスガン

暗殺者にとって、鋭さだけでは十分ではありません。自家製のピストルは群衆の中で誰かを殺すための鍵となる。

ピーコックシャコには2つのピストル、つまりハンマーのような2つの捕食付属肢/脚があります。

マンティスガンは弓矢とほぼ同じように機能します。

射手の弓手は矢の反対方向に水平に動き、弓弦に弾性位置エネルギーを蓄積させ、その後それを解放して、弦の位置エネルギーを矢の運動エネルギーに変換します。マンティスガンは、複合弓の威力を実現するために、より複雑なメカニズムを採用しています。

図 6. 機械構造に例えた捕食性前肢の構造の模式図。 [7]

上の図を通して、この機関グループがどのように運営されているかを見てみましょう。図には多くのわかりにくい節足動物特有の用語が含まれているため、簡潔さと普及のために、すべての生物学的概念を一時的に脇に置き、捕食性前肢のみを機械構造として考えることにします。

マンティスガンの真髄が「一発の弾丸、二つの心」にあることは容易に理解できます。

「ワンスプリング」とは、英語で「サドル」と呼ばれるスプリングを指し、機構に動力を供給する役割を果たします。ムクシャコは捕食性前肢の強力な収縮筋（写真には写っていません）を使ってバネを大きく圧縮し、位置エネルギーを蓄えます。このとき、伸筋（図では赤く表示）も収縮した状態になります。

「2 つの中心」とは、図の「merus-v」の下点 (黒い点) と「carpus」と「merus-v」の接続点 (白い点) である、最初のピボットポイントと 2 番目のピボットポイントの 2 つのピボットポイントを指します。張られたバネが解放されると、位置エネルギーが瞬時に解放され、伸筋が伸び、V 字母が最初の軸点を中心に反時計回りに回転し、手根が 2 番目の軸点を中心に時計回りに回転し、手根に固定された「鎌」、つまり「前脚 + 指節」が急速に振り回され、指節がターゲットに直接ダメージを与えます。

図7. サドルのスプリングが解放されると、位置エネルギーは即座に運動エネルギーに変換され、元々収縮状態にあった伸筋が伸びます。 [7]

力を合わせて攻撃せよ。 [8] [動画をご覧になるには「Fanpu」の公開アカウントにアクセスしてください]

鎌はどのくらいの速さで振りますか？データは最も直感的です[7, 9, 10]：

起動後の加速度は重力加速度の10400倍、105m/s2以上に達し、22口径の弾丸やF1エンジンのピストンに匹敵します。

スイング完了には約 2.7 ミリ秒かかり、平均速度は時速 83 キロメートルです。人間が瞬きするのにかかる時間は100～400ミリ秒ですが、ムカデは瞬きする間に何百もの獲物を仕留めることができます。

打撃力は1500ニュートンに達し、自身の体重の数千倍にもなり、獲物の殻を簡単に貫通し、水槽のガラスを割るほどです。プロボクサーの打撃力は約5000ニュートンです。

上記のデータはすべて水中で得られたものであることを指摘しておかなければなりません...

銃から弾丸が飛び出し、シャコがパンチを繰り出す動画 [8] [動画を見るには「Fanpu」の公開アカウントにアクセスしてください]

魂を砕くキャビテーション爆弾

そうは言っても、マンティスガンの恐ろしい火力には感心せざるを得ません。しかし、銃というからには弾丸が装備されているはずです。

カマキリ銃の弾丸は「キャビテーション弾」と呼ばれます。空砲や中空の弾ではありません。英語名を「キャビテーションバブル」というキャビテーション弾です。

キャビテーションは流体力学の現象です。液体が急激な圧力変化に遭遇すると、内部に蒸気空洞が形成されます。すると、液体がキャビティに非常に速く充填され、その速さゆえにキャビテーションバブルが崩壊、つまり内破し、激しい衝撃波が発生します。

図8. キャビテーション気泡が崩壊し、その下の平面に衝突するプロセス[11]

捕食者の前肢の打撃が非常に速いため、衝撃を受けた部分の水が瞬時に蒸発し、多数のキャビテーション気泡が形成され、その後、これらの気泡が集合的に急速に破裂し、キャビテーション弾による殺害が完了します。

理論上、直径 2.7 mm のキャビテーション気泡が崩壊すると、9 MPa (900 N/cm2) を超える強度の衝撃が生じる可能性があります。マンティス銃によって生成されるキャビテーション弾は500ニュートンの衝撃に相当する[12]。

獲物にとっては、たとえ猛烈な打撃に耐えることができたとしても、キャビテーション弾の二次的な打撃からは逃れられない。

ピーコックシャコの猛烈な殺傷力により、この魚は海洋食物連鎖の上位に位置づけられています。シャチやサメ、体長2～3メートルのクロマグロ、体長1～2メートルのバラクーダなど、絶対に圧倒的な力を持つ生物だけが、シャコほどの大きさのムクシャコに制裁を課すことができます。多くの場合、日本の紀伊半島南部のさまざまなカニ、グアム周辺のさまざまなエビ、台湾や中国の海域の特定の魚など、自分よりも大きな獲物を狩ります。

ここで注目すべきは、日本の武士道のスタイルを持つムクシャコは、日本近海に生息するだけでなく、インド洋や太平洋の沿岸海域にも広く分布しているということである。

図9. ピーコックシャコの世界的な分布。黄色のエリアが活動している海域です。南紀白浜は日本におけるムクシャコの主要分布域の一つです。 [13]

装甲は銃を傷つけないように保護する

この時点で、記事のタイトルにある「暗殺者」「射撃」「弾丸」の要素はすべて言及されており、残っているのは「鎧」だけです。

もちろん暗殺者も防弾チョッキを着用する必要がありますが、ピーコックシャコの鎧は体に着用するのではなく、敵から身を守るために使用するものでもなく、シャコの銃に取り付けられています。この防弾キットがなければ、彼らの暗殺は七傷拳のようになり、敵を殺し、彼ら自身も傷つくことになるだろう。

前述のように、ムクシャコの戦闘スタイルは獰猛かつ素早いと形容されるが、その獰猛さの根拠は、捕食前肢の打撃部、つまり標的と直接接触する「指節」が十分に硬く重いことである。硬くて重いかどうかは、内部の材料構造によって決まります。（ダクティルとプロポドゥスは前回の記事で写真で紹介しました。ダクティルは鎌の刃やハンマーの頭、プロポドゥスは柄の部分と考えてください。）

図 10. 模式図: 捕食者の前肢のうち、殺傷を担う部分であり、カマキリの銃の本体でもある部分。この部分は指骨と前脚骨で構成されています。 [6]

科学者たちは、ダクティルの前端、つまり上の画像の赤い「衝撃前面」に、主にハイドロキシアパタイトを中心とする鉱物が高濃度で含まれており、結晶度が高いことを発見しました。これは構造全体の中で最も硬く、剛性が高く、変形しにくい部分であり、弾性率は最大 65～70GPa です。

弾性率は、材料の弾性を表す物理量です。その数値は、外力の作用下で材料が変形する容易さを反映します。弾性係数が大きいほど、材料は硬くなり、変形しにくくなります。もちろん、外力は、外側への伸張、内側への圧迫、横方向のせん断など、さまざまな方法で作用します。弾性率にも当然多くの種類があります。

ここでの弾性率は、押し出し成形時に材料が変形する容易さを反映します。実験者はナノインデンテーション法を使用して、衝撃前面の圧縮弾性率を測定しました。

銅ブロックの圧縮弾性率は約 130 GPa、つまり 1.3×1011 Pa であり、鋼繊維の弾性率は約 36 GPa です。しかし、わずか 50 ～ 70 μm の層厚の衝撃前面の弾性率が最大 70 GPa に達することはまれです。このレベルの素材の硬度は、それが強くて強力であり、すべてのパンチが肉に当たることを保証します。[6]

しかし、最も硬いものでも簡単に壊れてしまうこと、また、強すぎると簡単に内部損傷を引き起こし、長持ちしないことがよくあることは、誰もが知っています。カマキリ砲が敵を激しく攻撃すると同時に、逆の衝撃力も受けることになります。では、反動による反撃をどうやって避けるのでしょうか?

その理由は、衝撃前線の後ろに明確に定義された緩衝地帯が配置されているためです。これらの緩衝地帯は銃と装甲の防御です。

研究者たちは、さまざまな特性評価方法を用いて、緩衝地帯の物質構造が衝突地帯のそれとは大きく異なることを発見した。衝突帯は主に硬くて脆いアパタイト鉱物で構成されています。緩衝帯は無機鉱物と有機ポリマーの組み合わせで、無機物は主に非晶質リン酸カルシウムと重炭酸カルシウムであり、ポリマーは弾力性があり柔らかいキチンで、無機物の中に分散しており、衝撃エネルギーを吸収し、衝撃吸収の役割を果たしています[6]。

図 11. 遷移帯の物質構造は依然として鉱物が大部分を占めていますが、衝突前線と比較すると組成が変化し、弾性率は 35 GPa に低下しています。 2 つの緩衝帯の弾性係数はそれぞれ 5 GPa と 10 GPa です。 [6]

図 12. 緩衝帯のキチンは、独特で優雅かつ機能的な螺旋構造を形成します。 [6]

不適切な例えを使うと、鉱物はガラス瓶が入った大きな箱のようなものです。箱が地面に落ちたら、ガラスが割れる可能性が高いです。しかし、箱の中にスポンジやキチン質を詰めれば、ガラスは簡単には傷つかなくなります。

キチン質の螺旋状の装甲のおかげで、シャコは硬くて柔軟性があり、優れた耐損傷性を持っています。この膜は何千回もの高エネルギーの衝撃に耐えることができ、最終的にはシャコの定期的な脱皮の間に再生されます。[14]

クジャクシャコの装甲は防弾の分野にもインスピレーションを与えました。

米国の研究者たちは、この天然素材の構造を模倣し、炭素繊維の層で構成された超強力な複合材料を設計した。試験結果によると、この新素材は航空宇宙産業で一般的に使用されている素材よりも15～20%多くの衝撃エネルギーを吸収できることが示されています[15]。さらに、彼らはカマキリ銃に触発された材料構造を3Dプリントしました[16]。

生体模倣材料科学者のデイビッド・キサイラス氏がこの研究の責任著者である。彼は長年にわたり、ムカデの観察と模倣に取り組んでおり、米国国防総省から多額の資金提供を受けています。「シャコの捕食性前肢について知れば知るほど、その構造が、より強力な防弾チョッキ、フットボールのヘルメット、飛行機、自動車など、私たちが毎日使っている多くのものを改善する可能性があることに気づきます。」

参考文献

[1] https://aquariumbreeder.com/dwarf-shrimp-external-anatomy/#open

[2] https://www.thoughtco.com/mantis-shrimp-facts-4582442

[3] https://oceana.org/marine-life/peacock-mantis-shrimp/

[4] https://scholarblogs.emory.edu/artsbrain/2020/03/05/vision-in-mantis-shrimp/

[5] https://www.nationalgeographic.com/science/article/the-mantis-shrimp-sees-like-a-satellite

[6] https://www.science.org/doi/abs/10.1126/science.1245824

[7] https://www.nature.com/articles/428819a

[8] https://youtu.be/ti2Uoc1RXuQ

[9] https://journals.biologists.com/jeb/article/208/19/3655/15838/Extreme-impact-and-cavitation-forces-of-a

[10] https://ourmarinespecies.com/c-lobsters/mantis-shrimps/

[11] https://doi.org/10.1051/epjconf/201714302119