カブトムシの角は、なぜサナギで突然生えるのか──そのメカニズムが明らかに
カブトムシの角は幼虫やサナギの初期段階では存在しないのに、なぜ突然生えてくるのか──。そんな疑問に対する答えを、名古屋大学の研究グループが見つけ出した。どうやらカブトムシの角は二次元的に折りたたまれており、ある段階でそれが一気に立体展開するらしい。その驚きのメカニズムとは。
TEXT BY SANAE AKIYAMA
PHOTO: MICHAEL MRUGALSK/GETTY IMAGES
カブトムシの幼虫が土中でサナギへと変化する様子を虫かごのプラスチック越しに観察していたとき、ある日突然オスの角が現れていたときの驚きと感動を、あなたも子どものころに味わったことがあるかもしれない。
カブトムシの形態変化では「それが自然」だと素直に学習した人がほとんどだろうが、なかには素朴な疑問を抱いた人もいるだろう。すなわち、どんな仕組みなら、幼虫のどこにも見当たらなかった大きな角が、サナギの段階で一気に突き出るのか──という疑問だ。
「生物の三次元形態の形成機構は、生物学における大きな問題のひとつです」と指摘するのは、名古屋大学大学院生命農学研究科の後藤寛貴博士をはじめとする研究グループだ。
彼らは、カブトムシの幼虫がサナギになる過程において、短時間で現れる「角」のメカニズムの解明に着手。2017年10月24日付で英オンライン国際科学誌『Scientific Reports』に掲載された論文によると、カブトムシの大きな形態変化の秘密は「折りたたみ構造」にあったらしい。
小さく折りたたまれ、一気に展開
脊椎動物は、幼少期から成人期まで外観をあまり変化させることなく、連続的に成長する。しかし、カブトムシのように硬い外骨格を形成する多くの昆虫は、脱皮することにより大きくその形態を変化させる。
研究グループは、カブトムシの幼虫からサナギへの脱皮の際に、新たにつくられる構造に着目。幼虫の古い角皮の下で、皺のように小さく折りたたまれた角の新しい角皮が作られ、脱皮後2時間足らずでそれが展開することを突き止めた（論文ページに詳細の画像あり）。
つまり幼虫期のカブトムシの頭部には、すでに角の前駆体である角原基（つのげんき）が、完全な立体構造情報として存在していることになる。
「『原基を折り畳んだ状態でつくり、脱皮とともに展開することで初めて完成形となる』という発生パターンは、昆虫を中心に外骨格生物で広くみられますが、このような複雑な形態形成を可能にしている発生原理はよくわかっていませんでした」と、研究グループはプレスリリースで説明している。
「カブトムシの突出した『角』はその典型的な例です。蛹期で出現する角は、蛹化に先立ち、幼虫の頭部内で上皮細胞シートが増殖しながら折り畳み構造を作ることで、幾重にも折り畳まれた『角原基』として形成され、蛹化時に体液が送り込まれることで展開し、細長く先端に分岐構造を持つ『角』となります」
人為的に空気を送っても膨らんだ
研究グループは、折りたたみから展開までのプロセスが、細胞分裂や変形、細胞移動などを伴うものではないことを確認するため、幼虫の角原基に人為的な圧力を加えて、2時間弱の展開時間を1分弱へと短縮。細胞増殖する時間を大幅に削っても、角原基は正常な角へと変化した。また、角原基に空気を送って膨らませる実験でも、きちんと角の形状へと変化したことから、このプロセスが細胞移動を伴うものではないことも確認した。
彼らは、これらの実験と実際の角原基を基にコンピューターモデルを作成。様々な皺パターンの展開を、シミュレーションで検証することで、この現象が「物理的に折りたたまれたものが展開する」以外の要因を必要としない、単純なプロセスによるものだと結論づけた。これにより、複雑に折りたたまれた二次元的な皺構造を、三次元的に膨らませるというコンピューターモデルが確立できたことになる。
折りたたみの皺パターンが変われば、おのずと最終的な角の形状も変化する。研究者らは今後、様々な立体構造における折りたたみパターンを調査することで、三次元構造の形態形成原理が明らかになっていくことを期待している。
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