深海の海綿動物は驚くべき自然の機械的構造を持っている

深海の海綿動物は驚異的な自然の機械的構造を持っている 生物学
©NOAA Photo Library/Flickr

金星の花かご状の海綿動物は、その圧力下での性能と、文字通り流れに身を任せることができる能力により、明日のビル、橋、さらには航空機にまで影響を与えるかもしれない。

あなたが南極の氷の海に潜っていると想像してみてください。

海抜1000メートルの深海で、あなたは真っ暗な闇に包まれています。圧力のかかった極地用ダイビングスーツは、何千リットルもの水の負担できしむ。

奇妙な生物がトーチの光の中を行ったり来たりしています。

海底を探索していると、不思議な形を見つけました。

「金星の花かご」と呼ばれるカイロウドウケツです。

その名の通り、深海に生息する生物で、筒状のバスケット構造をしています。

骨格は、ガラスの主成分であるシリカでできています。

体内の格子状のフィルターは、海水中の小さな食物粒子を供給します。

このような壊れやすい「ガラスの家」は、この圧倒的な深さでは不可能に思えます。

しかし、この厚さわずか数ミリの繊細な海綿は、見た目よりもはるかに丈夫なのです。

カイロウドウケツの美しい骨格構造。

カイロウドウケツの美しい骨格構造。この深海生物は、筒状のバスケット構造をしている。©Bowerbank|Wikimedia Commons

プレッシャーのかかる仕事

西オーストラリア大学進化生物学センターのGiovanni Polverino博士は、金星の花かごの驚くべき特性を研究している国際チームの一員です。

研究者たちは、海綿の構造をモデル化し、どのようにして骨を砕くような深さに耐えることができるのかを理解しようとしています。

Polverino氏は、「この構造が非常に強いことは、すでによく知られています。ガラスを主成分とする新しい素材のヒントになるかもしれません。これは、自然淘汰が何十万年もかけて成し遂げたことをベースにした構造です。」と述べています。

Polverino氏は、海綿の円筒形の形状が、水の出入りを可能にしていることを研究しています。

高圧環境に耐えるだけでなく、海綿は食物や受精のためにこの流れに対応する必要があるのです。

スーパーコンピュータ、海綿になる

研究者たちは、イタリアで最も強力な科学研究のためのスーパーコンピュータ・センター「チネカ」を利用しました。

マルコーニ社のスーパーコンピュータは、世界で最も速いスーパーコンピュータのトップ10にランクされています。

ピーク時には、およそ1,000台のパーソナルコンピュータの速度で処理されます。

研究チームは、海綿の構造と水の流れをシミュレートするデジタルモデルを構築しました。

巨大な格子には500億個の点があり、その点で水がどのように流れるかを再現しています。

デジタルモデルは写真から作成された。実際のサンプルを試すことは不可能に近いほど、入手困難で希少なものです。

1876年にHMS Challengerが描いた最初の海綿のスケッチと、ジョバンニの現代的なフローシミュレーション。

1876年にHMS Challengerが描いた最初の海綿のスケッチと、Polverino氏の現代的なフローシミュレーション。©NATURE | Falucci et al.

深海の海綿のシミュレーション

深海に生息する海綿の独特な構造をシミュレーションした後、進化していない種がどのように海流に耐えられるかを単純化して考えました。

「海綿は、他の動物が生息していないような場所でも生きられるような、驚くべき適応能力を持っています。私たちは、複雑さのレベルを下げてみました。この動物がなぜこのような美しい構造を必要としているのかがわかりました。」とPolverino氏は言います。

海綿が安定している理由のひとつは、文字通り「流れに身を任せることができる」ということです。

海底にしっかりと固定されていても、体内を出入りする液体の流れによって抵抗が減り、ダメージを最小限に抑えることができます。

「深海はスピードが速いので、衝撃を和らげることができるのです。海綿の螺旋には美しい裂け目があります。この裂け目は、空気抵抗を減らしたり、海綿の餌となる水を集めたりするためのものです。私たちが単純化したことで、この裂け目がなくなり、構造の利点が失われてしまったのです。」とPolverino氏は言います。

未来のイノベーションのヒント?

では、このエレガントで頑強な深海の海綿の機械的な驚異を理解することで、将来の工学的な偉業につながる可能性はあるのでしょうか?

研究者によると、今回の発見は、建物、橋、航空機など、特に空気圧や水圧に耐える必要のあるもののより高度な設計に影響を与える可能性があるといいます。

深海の海綿は、流体力学、生物学、機能生態学の交差点に位置しているのです。

Published by Particle. This article is republished from Particle. Read the original article. Giacomo Falcucci et al., Extreme flow simulations reveal skeletal adaptations of deep-sea sponges. Nature, 2021. DOI: 10.1038/s41586-021-03658-1