• このエントリーをはてなブックマークに追加

今なら、継続入会で月額会員費が1ヶ月分無料!

  • 窪寺博士のダイオウイカ研究記-その30

    2020-06-12 16:32
    392dc54ce0a39523a52d6e7d12d2a2ff5b0cfdbb

    【本号の目次】
    1. 強力な助っ人
    2. 徳山さんのレポート
    3. 推進力
    4. 抗力

    強力な助っ人

     海洋生物学一辺倒で過ごしてきた私の周りには、そのような遊泳力のシミュレーションを考えてくれそうな研究者は見当たらなかった。そこで、姉貴の長男で東京大学大学院の複雑理工学専攻博士課程を修了した甥の小林徹也(現:東京大学生産技術研究所准教授)に相談をもちかけた。彼は東大で日本学術振興会特別研究員として「数理・情報で解き明かす生命現象」を研究テーマに、私には理解を超えた融合科学の最先端の研究をしていた。自分は忙しいので手伝いは出来ないが、興味をもってくれそうな研究者を知っているので話をしてみてはと、徳山佳央さん(M&T株式会社)を紹介してくれた。
     当時、徳山さんはシミュレーションを通じたコンピュータソフトウエアの企画・開発を目指す新しい会社を立ち上げたばかりで忙しい中、私の話を聞いてくれた。ダイオウイカの遊泳速度をシミュレーションするなんて、とても面白そうな企画ですねと頷いて、仕事の合間でよければちょっと考えてみますと請け負ってくれた。博物館からは、正式な業務として「ダイオウイカ数値模型作成受託業務」の発注依頼書を出してもらった。

    徳山さんのレポート

     一か月ほど経ってから、徳山さんからレポートが届いた。思っていたより大変なことになってきた。以下に紹介するが、理解するには何度も読み返す必要があった。

    1. イカの泳ぐ速度をどのように予測するのか? 

     一般に運動する物体の速度は、運動方程式を解くことにより求めることが可能である。運動方程式をたてるとは、力のつり合い式を求めることである。イカが泳いでいる時は推進力と抗力の力のバランスが成り立っている。

    「F (受ける力)= 6240fcecac93eec509108de34c79796646f17928(推進力)- cf184cc149fb95a8156c7f0a5531f25935cbcf80(抗力)」

    c60c0ff5a4fdfa2825ff4e45d7431da5609a21ff
      図1-1:泳ぐイカの力の釣り合い

    一般に運動方程式は次式のように書くことができる。
           f1fa63429a74fee831e6a6a125c3413b695487fd     (1-1)

    この式をイカに当てはめて考えると,fbb96fb30da1f0746eedfa36b3c14d45144857c5 がイカに働く推進力 6240fcecac93eec509108de34c79796646f17928と抗力 cf184cc149fb95a8156c7f0a5531f25935cbcf80の合力で, e1151bc0042d909bb9dbe560a81fa0a61dea7041はイカの質量, fa716a189317e033a18384332ee04ca56f4efd6eはイカの泳ぐ速度になる。イカの泳ぐ速度は,この合力 Fを求め,運動方程式(1-1)を解くことにより求まる。

     推進力 6240fcecac93eec509108de34c79796646f17928

     まずは、推進力 6240fcecac93eec509108de34c79796646f17928について考える。
     推進力は漏斗から噴出した水から受ける力であり,作用反作用の法則により水がイカから受ける力に等しくなる。

    a237d46281a456f75a2be70140e3939d9cc56057
                   図1-2:推進力

    この力は水の単位時間あたりの運動量の変化に等しく次式のように求まる。

          fc6316a29be015d360fc190661fae71e91022874   (1-2)

    ここで9ce7a5d8600387da5755adbcde11881c088f9f35 はイカの漏斗から噴出する水の流量 。また,a8135a6c32d1fe30f6efb1641b51ebae53f57450は水の密度、 977b432cc5071c4ad0bb9ca9def384807dc16ba9は漏斗の断面積で、 は漏斗から噴出する水の速度だ。よって推進力 は式(1-3)のように求まる。

        a8f6a7ef7c7f33ee0bf5c1f8ec464dbbddcfbe18        (1-3)

    水の密度a8135a6c32d1fe30f6efb1641b51ebae53f57450 および,漏斗の断面積977b432cc5071c4ad0bb9ca9def384807dc16ba9 は既知の量であるので,単位時間あたりに噴出する水量 Qを与えることにより,漏斗から噴出する流速u が求まり,6240fcecac93eec509108de34c79796646f17928推進力 が定まる.

    を求める為には,イカが何秒で水を全て噴出しているかが重要になる。


     抗力 cf184cc149fb95a8156c7f0a5531f25935cbcf80

    次に,抗力 cf184cc149fb95a8156c7f0a5531f25935cbcf80 について考えてみる。一般的に流体中にある物体に働く力 cf184cc149fb95a8156c7f0a5531f25935cbcf80は式(1-4)のようにモデル化される。

          7b57da7b291cd972357b84dd38633dd8e2b64273     (1-4)

    ここで a24ef041039894ea9cf35153ca1553d5d9b88adcは抗力係数, a8135a6c32d1fe30f6efb1641b51ebae53f57450は流体の密度, は物体と流体の相対速度 は物体の代表面積。
    残念ながら,この抗力係数 a24ef041039894ea9cf35153ca1553d5d9b88adcは物体の形状・流体の粘性・流れの速さなどにより変化し理論的に求めることは困難で,実験または数値流体解析により求めるのが一般的である。近年では、コンピューターや数値流体力学の発展により、抗力係数 a24ef041039894ea9cf35153ca1553d5d9b88adcなどを数値解析により求める手法が可能となってきた。

    以上をまとめると,F = 6240fcecac93eec509108de34c79796646f17928-cf184cc149fb95a8156c7f0a5531f25935cbcf80 よりイカの運動方程式は式(1-5)のように書くことができる。

         ef1c7d9870e09985d0d8702f0956b4434e4f6838   (1-5)

    ただし, a24ef041039894ea9cf35153ca1553d5d9b88adcは速度 の関数値(実験値)である。この運動方程式(1-5)を解くことにより,イカの泳ぐ速度 を予測することができることになる。

    と、ここまではなんとか付いて行けたが、問題は次のステップである。


     
  • 窪寺博士のダイオウイカ研究記-その29

    2020-06-02 13:16
    392dc54ce0a39523a52d6e7d12d2a2ff5b0cfdbb

    【本号の目次】
    1. 早朝の臼尻漁港
    2. 氷温麻酔
    3. 高原君の我慢
    4. スルメイカの吸水量

    早朝の臼尻漁港

     翌朝早く起床して実験所をぬけだし、臼尻漁港に定置網の水揚げを見に行ってみた。9月ともなると空気は冷たく、周囲の低山は紅葉の盛りであった。定置網を揚げた漁船がちょうど港に戻ってきた。ゴメ(おおせぐろかもめ)がたむろする岸壁に船をつけると、大きな掬い網で漁獲物を水揚げする。漁獲物のメインはサケである。水揚げすると直ちにシロやギン、カラフトマスに選別して、シロザケはさらにオスとメスに分けて大きなコンテナに入れる。残りのザッパは木製の幅広の樋を通しながら、両側に立った漁師たちが手際よく選別する。やはりシーズンである。スルメイカが面白いように投げられて、魚籠に溜まる。臼尻にこんなに大勢の若手漁師がいるのかと驚くほど、活気のある朝の風景であった。
     話を聞くと、最近は海水の温暖化でスルメイカの回遊経路が変わってきて、噴火湾沿岸の定置網で漁獲が多くなってきたとのことである。桜井先生を頼って、スルメイカの泳ぐ力を調べに東京から来たと話すと、あきれたような顔をされた。

    fbc73f5faed051a5b94853bcdbf45a54150ce42e
    早朝の臼尻漁港。定置網を引揚げて帰港した漁船から漁獲物が陸揚げされて、選別作業の真っ最中

    16bc7ad053774370e5a1d6f5b38576e73c692325

    定置網にかかったスルメイカを選別して漁籠にいれる


    氷温麻酔

     桜井先生は、状態の良いスルメイカを手に入れるために、氷温麻酔という方法を考案した。聞いたところ、それほど難しい話ではなく、まずは定置網の元船に乗せてもらう。定置網の箱網が絞られて、スルメイカが表面近くまで浮いてきたところを、体を傷つけないように底布を張ったタモ網で掬い上げ、直ちに海水氷を入れた冷たい海水に漬けるのである。秋とは言え海水温は10°Cを超えるところにいたスルメイカを0°Cに近い冷たい海水に放り込むのである。人間ならば心臓マヒで「彼の世行き」であるが、スルメイカは冷たい海水を外套膜の中に吸い込むと、一瞬でポンピングを止めて仮死状態になるという。その状態で実験水槽まで運び、もとの水温の海水に入れるとほんの数分で息を吹き返し、深刻な後遺症などは全く見られないとのことである。

     このような麻酔方法があるのを聞いて、スルメイカの吸水量を測る実験を思いついたのだ。


    高原君の我慢

     朝食の後、実験所の一階にある大型水槽の設置場所を下見してみた。板囲いされた狭い空間に、深さ約1m、横6m、幅約2.5mほどの楕円形のグラスファイバー製の水槽とその後ろに大型の水温調整装置が鎮座して、水槽内の海水を一定温度に保っている。水槽の周囲は狭い通路で周囲の板壁は暗幕が吊るされている。調光できるライト・システムで光の周期をコントロールすることもできる。水槽の中には、体長25~30㎝程のスルメイカが十数個体優雅に泳いでいた。

    17959f57a8f357e02798f9e55d35f983002e2132
    スルメイカを飼育している実験水槽とお手伝いをしてくれた高原君

     昼過ぎに、高原君が漁協の冷蔵施設から手に入れた海水氷をバケツに満杯にして、顔を出した。早速、今日の段取りを打合せする。まず実験水槽から健全なスルメイカを手網で水面まで引き上げ、注意深く両手で抱え空中にだし外套内の海水を吐き出させる。それを確認してから海水氷を浮かべたバットに移す。すると、スルメイカは冷たい海水を吸い込んで、仮死状態になる。なったところで外套長を測定する。バットから取り出し、漏斗口からストローを押し込んで外套内の海水を容器に押し出す。そしてメトラーで体重を量り、水槽にもどす。容器に溜まった海水をメスシリンダーで測れば、吸水量が分かるという実験計画である。
     ただし、スルメイカを取り扱う際には両手を海水氷に漬けて、冷たく保つ必要がある。人間の体温ではスルメイカを火傷させてしまう恐れがあるのだ。そのため、高原君は海水氷バケツに手を漬けて冷たく保ち、我慢・我慢の辛い仕事になった。申し訳なかったが、私はその実験の様子をビデオで記録することに集中していた。

     その夕方、近くの大船下温泉に高原君を連れだして慰労したことは言うまでもない。

    0e7ca1ff97c4f0c4e4ea3d805fc4facd76dd956a
    氷温麻酔をしている高原君とスルメイカ。入れるとすぐに墨をはくので、直ちに新しいバットに移し替える。さらに墨をはくようであれば、次々に新しいバットに移し替える。2回か3回で動かなくなる

    5df6fa0b8d882942dd72cb26e391c20a1cc50cab
    氷温麻酔にかかったスルメイカ。体色を濃くして仮死状態になる

    スルメイカの吸水量

     桜井先生との約束で実験に供したスルメイカは二個体。No. 1は、外套長:224㎜,体重:310.8g、No. 2は外套長:222㎜、体重:279.0gで、各々3回の吸水を測定した。No 1. は、1回目117ml、2回目123ml、3回目119ml。No 2. は各々138ml、120ml、85mlであった。体重当たりの吸水量は、No. 2 の3回目を除くと、37.6~49.5%で、平均で体重の約40%になることが分かった。あの時のダイオウイカの体重は約50㎏であったことから、体重の40%近く、約20Lの海水を外套内に吸い込むことが出来るものと判断された。
     これで吸水量 (20 L)、吸水時間 (1.96 sec)、噴出量=吸水量 (20 L)、噴出時間(2.02 sec)、漏斗口の直径 (160-180 mm)と、ダイオウイカの遊泳力を推定するためのパラメーターの用意ができた。あとは、数式をたててシミュレーションして解を求めれば、泳ぐ速度が予測されるはずである。
     しかし、実際に数式を考えシミュレーション解くには、私には物理学的、理工学的、運動力学的な素養がまったく不足していて、どのように進めればよいのか皆目見当がつかなかった。
     
  • 窪寺博士のダイオウイカ研究記-その28

    2020-06-02 12:34
    392dc54ce0a39523a52d6e7d12d2a2ff5b0cfdbb

    【本号の目次】
    1. ダイオウイカの遊泳力
    2. ポンピング
    3.北海道大学水産学・桜井泰憲教授
    4. 臼尻水産実習所

    ダイオウイカの遊泳力


     スペインの古都ビゴからパリ経由のトランジットとエコノミーフライトで約20時間の空白時間の後、9月13日の夕方やっと成田空港に帰り着いた。8日間におよぶ国際頭足類シンポジウムの出張が無事終わった。拙い英語であるが、期間中に海外の多くの研究者と話が出来てダイオウイカ研究のモチベーションが上がった。頭足類行動学の気鋭ロジャー・ハンロン博士からは、2006年に海面まで釣り上げた時の映像からダイオウイカの推進力(パワー)と速力(スピード)を推定することが出来るのではないかと、サジェッションを受けた。

    c329461180b5502cc0ba5798b82ab52db6be69f3
    シンポジウム・ポスター会場でロジャー・ハンロン博士とツーショット。第2回のCIACシンポジウムからの長いお付き合いである。触腕の1本切れたイカのT-シャツは、2006年、私が撮影した静止画のダイオウイカをデザインしたもの

     確かにあのとき一番驚いたのは、漏斗から噴出する水の勢いだった。海面が盛り上がるほどの勢いでブシューと長く海水を噴き出す力は想像を絶していた。ロジャーに言われるまでもなく、実はこのビデオ映像を基に、なんとかダイオウイカの遊泳力を求めたいと、2007年の秋に北海道大学水産学部付属の臼尻水産実験所で、ちょっとした実験を行っていた。

    86c55d67bf15412afd9bd1fa3650d27173ea092d

    5ddd3c44ffca4086a050c2184f9b16798a797e27

    a796f482c4656473fbacbbc12bda0de0e378c512

    2ca7f52a490e884228a7914395d0a0ded72507c6

    61601963251314353819f08a0a56629898bb82e4

    e1ba6a57c9c5b62f33ee7b1fb08c242ab949d8a8
    漏斗の口から海水を噴き出す4フレームごとの連続写真、24/30秒(ビデオ映像より抽出)


    ポンピング

     イカは泳ぐために、外套膜を膨らまして頭部と外套膜の隙間から海水を取り込み、頭部の隙間を襟弁で閉じると外套膜を収縮させて、漏斗の先の細い口から勢いよく海水を噴出することで推進力を得ている。この海水を吸い込み噴出することを繰り返す、いわばポンピングで速力をあげる。ヒレを使って泳ぐ魚類がレシプロ泳法であるなら、イカはポンピング・ロケット泳法である。したがってイカの遊泳力は、漏斗から噴き出す海水の量と噴き出す時間、漏斗口の太さの関係で推進力(パワー)が導き出せるはずである。そしてポンピングによる加速と海水との抵抗により速力(スピード)が決まるものと考えた。
     ビデオ映像は1秒間に30フレーム(静止画)からなる。映像を1フレームごとに詳細に観察して、外套膜が膨張して水を吸水する時間、外套膜が収縮して漏斗から海水が噴き出す時間を推定して平均値を求めることにした。ダイオウイカのビデオ映像から、はっきりと吸水と噴出が観察できたのは5回で、吸水するのに平均1.96秒、噴出するのに平均2.02秒かかることが導き出された。また、漏斗から水を噴き出す際の先端の最大直径は、映像中のイカ角(白いルアー)の大きさ及び標本の測定から16~18㎝と推測された。

    北海道大学水産学部・桜井泰憲教授

     当時、私の母校である北海道大学水産学部では、大学院課程の1年先輩であった桜井泰憲教授がスルメイカの再生産様式・産卵生態を飼育と実験を通じて明らかにする画期的な研究を進めていた。桜井先生は、噴火湾に面した海岸に建つ水産学部付属の臼尻水産実験所に、楕円形の大きな水槽と水温調節装置を組み込んだ実験水槽を設置した。臼尻近辺の定置網にかかるスルメイカを氷温麻酔して状態のよいまま水槽に運び、飼育水温の違いによる成熟過程と自然産卵の可能性を追求していた。同じ北洋水産研究施設の大学院生室で5年間も机を並べ、ソフトボールにテニス、渓流釣りに山菜採りと遊び歩いた間柄である。どんな無理難題でも聞いてくれる兄貴のような存在である。
     実は2007年のイカ類資源研究会議の席上、桜井先生のスルメイカの飼育実験の話を聞いたときに、ダイオウイカの吸水量を直接測ることは出来ないが、スケールダウンしてスルメイカの吸水量であれば実験的に測ることができると閃いた。


    327ecc27ed943e02167c1dbec0fb0339e4ba06c3
    年は異なるが2011年、横浜で開かれたイカ類資源研究会議で桜井先生とのツーショット。30年越しの交友関係。二人ともこんなスーツを着ていることはめったにない、馬子にも衣裳

    臼尻水産実験所

     2007年9月3日朝早く、羽田空港からANAに乗機して函館空港へ飛んだ。空港でレンタカーを借りて七重浜に立つ母校の北海道大学水産学部へ向かった。桜井先生の研究室に出向いて、今回の実験の概略を説明した。合わせて使わせてもらう機材とスルメイカの手当をお願いした。以心伝心である。桜井先生の研究室の大学院生でスルメイカの氷温麻酔を習熟した高原君が協力してくれることになった。市内のスーパーで食料品や飲み物を調達して、川汲峠を越えて噴火湾に面した臼尻に向かった。臼尻水産実験所では、同じ北洋水産研究施設で学位を取得した後輩にあたる、宗原弘幸所長が出迎えてくれた。北洋研で学んだ仲間の絆は心強い。
     臼尻水産実験所は、私が大学2~3年次にアクアラング部に所属していた時に合宿や訓練でたいへんお世話になった施設である。もう45年近く前のことである。春のゴールデンウイーク合宿は水温5~6°Cの中、片面シャークスキンのウエットスーツにフードをかぶり軍手に台所用のゴム手袋を着けて、実験所前の海でマウスtoマウスやフリー・アッセンドなど安全潜水の訓練をしたことが思い出される。


    c85904ab7ae290e3efeb82afde7e859811ccabc8
    北海道大学水産学部・臼尻水産実験所、大学2~3年次にアクアラング部の活動で大変お世話になった

    bc64287b774f8d9c6d2f009feb731193eb947209
    臼尻水産実験所の前浜の海でアクアラング部の訓練ダイビングする私。よく見ると腕にミズダコがくっついている