死んだ魚は川を遡って泳ぐことができますか？驚くべき渦流水泳の秘密を解き明かす

制作：中国科学普及協会

著者: 王家銀 (中国科学院先端技術研究所)

プロデューサー: 中国科学博覧会

誰もが水中で泳ぐ魚を見たことがあるでしょうが、死んだ魚はどうでしょうか?少し馬鹿げているように聞こえるかもしれないが、2024年のイグノーベル物理学賞は、死んだ魚の泳ぎに関する研究に授与された。

米国の科学者らは「死んだマスの遊泳能力を実証し、説明した」功績によりこの賞を受賞した。この研究は、驚くべき不思議な現象を報告するだけでなく、流体力学の謎を明らかにし、魚がエネルギーを節約するために水中の渦をどのように利用するかについての私たちの理解に新たな視点を提供します。

魚の種類によって泳ぎ方は異なります。

魚は私たちが想像するよりもはるかに複雑で多様な泳ぎ方をします。最も一般的なのはスイングスイミングで、魚の体がS字に曲がり、頭から尾まで移動波を作り出して魚を前進させます。しかし、これは氷山の一角に過ぎません。

メカジキやサバなど一部の魚はクルージングスタイルで泳ぎます。流線型の体と三日月形の尾びれを持ち、長時間にわたり高速で泳ぐことができます。対照的に、ウナギは蛇のように泳ぎ、体全体で大きな波のような動きを生み出し、複雑な環境を移動するのに適しています。

興味深いことに、一部の魚は胸びれを使って海底を「歩く」ことができる特別な泳ぎ方を発達させており、トビウオは胸びれを使って水から飛び出し、遠くまで滑空することができます。これらの多様な泳ぎ方は、魚がさまざまな生態環境に適応していることを反映しています。

トビウオ

(画像出典: Wikipedia)

流体力学と魚の泳ぎ方、まさに天の恵みの組み合わせ

魚がどのように泳ぐかを理解するには、流体力学の原理が欠かせません。魚が水中を移動する際、実際には周囲の水の流れを常に操作しています。魚は体とひれの動きによって渦を発生させ、制御し、推進力を得ることができます。

興味深いことに、魚が泳ぐときに作り出す渦はランダムではありません。研究により、効率的に泳ぐ魚は組織化された渦システムを作り出すことができるということが判明しました。これらの渦は推進力を与えるだけでなく、水の抵抗を減らし、魚がより速く、より少ない労力で泳ぐことを可能にします。

魚の泳ぎのエネルギー効率は常に科学者の焦点となってきました。研究により、魚は体の構造を最適化するだけでなく、エネルギーを節約するためにさまざまな戦略も使用していることがわかりました。マグロなどの一部の魚は数千キロメートルも移動することができ、非常に高いエネルギー効率が必要です。多くの魚はエネルギーを節約するために「滑空」も行います。数回スイングした後、しばらく動きを止め、慣性を利用してある距離を滑空します。さらに、団体旅行はエネルギー節約戦略でもあります。前にいる魚が作り出した渦に従うことで、後ろにいる魚は多くのエネルギーを節約できます。

次回、水族館や川で魚を観察するときは、魚の泳ぎ方に注目してみてください。おそらく、一見単純なスイングの背後に、流体力学の微妙な謎が隠されていることに気づくでしょう。そして、これらの謎は、よりスマートで効率的な未来のテクノロジーを創造するインスピレーションを与えてくれます。

ボルテックススイミング：ユニークな泳ぎ方

カルマン渦列とは、流体が一定の速度で円筒などの鈍い物体を流れるときに、その物体の後ろに規則的に交互に現れる一連の渦のことで、渦列に似た整然とした構造を呈します。研究チームは、興味深い現象に着想を得ました。川では、魚は障害物の後ろに留まることを好むことが多く、障害物の後ろには渦や渦列が存在することがよくあります。科学者たちは、魚類がこれらの渦流域の特殊な水流から恩恵を受けることができるかどうか疑問に思いました。この疑問を探るために、彼らは独創的な実験を設計しました。

カルマン渦ストリートアニメーション

(画像出典: Wikipedia)

実験では、研究者らは水槽内にD字型の円筒を設置し、規則的な渦を発生させた。生きたマスをこの環境に置くと、「仮面歩き」と呼ばれる独特の泳ぎ方をします。このとき、魚体は大きな振幅で低周波で揺れますが、その周波数は驚くほど渦形成の周波数と一致しています。この泳ぎ方により、魚はエネルギーを節約しながら上流でも自分の位置を維持できるようです。

チリ沖のフアンフェルナンデス諸島周辺でハリケーンによって生じたカルマン渦列のNASA画像

(画像出典: Wikipedia)

しかし、本当に驚いたのは、研究者が死んだマスを使って実験を行ったところ、死んだ魚でも同様の「泳ぐ」能力を発揮できることがわかったことです。

ニジマス

(画像出典: Wikipedia)

死んだ魚の「復活」の謎

では、死んだ魚はどうやって「泳ぐ」のでしょうか?その答えは流体力学と魚の体の柔らかさにあります。死んだ魚を渦の中に置くと、さまざまな方向からの水流が魚の体に作用し、魚の体が周期的に揺れ動きます。この受動的な振動は水流の渦と相互作用して前進推力を生み出します。

研究者たちは、死んだ魚が生きている魚と非常によく似た周波数と振幅で揺れていることを発見した。これは、魚が渦を利用して泳ぐとき、主に受動的なメカニズムを使用していることを意味します。魚の体の柔らかさと形状は長い時間をかけて進化し、この受動的な推進に非常に適したものになりました。簡単に言えば、この研究は自然界におけるエネルギーの巧妙な利用方法を明らかにしています。乱流の中では、魚は単に水の流れに逆らうのではなく、「流れに身を任せる」ことを学び、水の流れのエネルギーを利用して自身のエネルギー消費を減らします。

人々を笑わせるだけでなく、深く考えさせるものでもあります。この研究は興味深いだけでなく、潜在的な応用価値も持っています。

魚が渦をいかに効率的に利用しているかを理解することで、水中ロボットの新しい設計につながる可能性がある。これらのロボットは、荒れた海域でもより機敏に、そしてエネルギー効率よく動く可能性があります。魚がどのように渦を利用するかを理解すれば、より効率的な船や潜水艇を設計するのにも役立つ可能性があります。たとえば、船体の設計では、生成される渦をより有効に活用して抗力を減らす方法を検討する場合があります。

さらに、この研究は魚類の生態行動を理解するための新たな視点も提供します。川や海において、魚が滞在したり移動したりするために特定の場所を選択する理由は、水の流れの特性を利用することに関係していると考えられます。これは魚類の保護と漁業管理の両方にとって重要な意味を持ちます。

2024年のイグノーベル物理学賞を受賞したこの研究は、馬鹿げているように思えるかもしれないが、実は非常に刺激的である。これは、科学的探究にはいたるところに驚きがあり、死んだ魚でさえ自然の謎を解明できることを私たちに思い出させてくれます。この研究は流体力学に対する理解を深めるだけでなく、生物が環境に巧みに適応し、それを活用する方法も示しています。

次回、水族館や川で魚を観察するときは、魚の泳ぎ方に注目してみてください。おそらく、一見単純なスイングの背後に、流体力学の微妙な謎が隠されていることに気づくでしょう。そして、これらの謎は、よりスマートで効率的な未来のテクノロジーを創造するインスピレーションを与えてくれます。

参考文献:

1. ジェームズ・C・リャオ「渦流を泳ぐマスの神経筋制御：カルマン歩行中のエネルギー経済への影響」

2. David N. Beal 他他、渦流中の受動推進