この動画は、進化生物学者リチャード・ドーキンスが飛行の科学について解説したものである。レオナルド・ダ・ヴィンチの羽ばたき式飛行機械がなぜ機能しなかったのか、人間が飛ぶことの物理的困難さ、鳥類・昆虫・翼竜など様々な生物の飛行メカニズムの違い、そして飛行能力を持っていた祖先から進化の過程で翼を失った生物たちについて、物理学と進化生物学の両面から詳細に論じている。飛行は体重と表面積の関係によって制約を受け、人間のように大型の生物が飛ぶには膨大な筋肉と翼面積が必要となる。また、翼は飛行しない環境では邪魔になるため、多くの鳥類や昆虫が島嶼環境などで翼を失ってきた進化の歴史も興味深く紹介されている。
リチャード・ドーキンスが語る飛行の科学
2012年に、私は韓国の教育放送システムが制作する番組「グレート・マインズ」のインタビューに参加しました。これは科学、合理的探究、そして生命に対する進化的視点について議論する魅力的な機会でした。これから紹介するのは、その会話の一部です。皆さんにとって示唆に富む内容であることを願っています。
私はリチャード・ドーキンスです。オックスフォード大学の科学の公共理解に関する名誉教授を務めています。私の次の著書「Flights of Fancy(空想の飛行)」は、こんな質問から始まります。あなたは自分が飛んでいるところを想像するのが好きですか?飛ぶことについて夢を見ますか?私は見ます。ほとんどの人が飛行の夢を見ると思います。木々の間を飛び上がり、木々の上を越え、急降下する、それは素晴らしい感覚です。
ええ、私は想像します。数年前、私は「リアリティの魔法」という子供向けの本を書きました。その本では各章が「太陽とは何か?」「地震とは何か?」「最初の人類は誰か?」といった質問から始まっていました。もっと多くの質問を盛り込んだ第2版を書くのが面白いだろうと思ったのです。そして最初の質問は飛行に関するものでした。すると1つの章から1冊の本全体へと膨らんでいったのです。それが「Flights of Fancy」という本の起源です。
飛行という壮大なテーマ
飛行はとても大きなテーマで、昆虫や翼竜、テラソール、コウモリ、鳥類を含む動物だけでなく、人間にも当てはまります。レオナルド・ダ・ヴィンチのような人々は飛行の夢を持ち、決して機能することのなかった飛行機械を設計しましたが、それは人々が常に抱いてきた夢の一例でした。
私たちは簡単に飛ぶには大きすぎるのです。私たちほど大きく、私たちほど重かった飛行動物は非常に少ないのです。1つか2つは存在しました。巨大な翼竜、ケツァルコアトルスがいました。これは小型飛行機ほどの大きさでした。これまでに飛行した動物の中で最大のものです。
私たちが飛ぼうとすれば、巨大な翼、非常に大きな翼が必要になるでしょう。「Flights of Fancy」の挿絵の1つは、レオナルド・ダ・ヴィンチの有名な絵で、天使ガブリエルが聖母マリアを訪れる場面です。元の絵では、天使の翼は馬鹿馬鹿しいほど小さすぎます。そこで私たちは、天使を空中に持ち上げるのに必要な大きさになるよう翼を描き直しました。すると馬鹿馬鹿しいほど大きくなります。私たちにとって飛ぶことは非常に困難なのです。
飛行に最適な条件とは
飛行に最適な条件は、小さいことです。もしあなたが神話の妖精のように非常に小さかったり、小さなハエやブヨのようなものであれば、飛ぶことは簡単です。なぜならただ浮かぶだけだからです。そしてあなたの表面積は体積に比べて、したがって体重に比べて大きいのです。
これは単純な数学的真理なのですが、任意の形状の物体について、そのサイズを比例的に大きくすると、重量、つまり体積は線形寸法の3乗で増加し、面積は線形寸法の2乗で増加します。ですから逆に見れば、非常に小さな動物は体重に比べて非常に高い表面積を持っているのです。
したがって飛行できるための最初の条件は小さいことでしょう。しかし大きくなければならない場合は、翼のようなもの、あるいは私がヒヨケザル、つまり飛行するキツネザルや飛行するリスから説明した膜、パタギウムのようなもの、あるいはオーストラリアの収斂進化した飛行する有袋類のようなものを持つことで表面積を増やす必要があります。
そして、飛行できるための条件は大きな表面積を持つことであり、エネルギッシュな方法で、つまり適切に飛行するためには、実際の筋肉で動かされる翼、本物の翼が必要なのです。
レオナルド・ダ・ヴィンチの誤算
人間は先ほど述べたように長い間飛ぶことを切望してきました。そこで彼らは鳥からインスピレーションを得たのだと思いますが、そのインスピレーションはある意味誤解を招くものでした。なぜなら鳥が翼を羽ばたかせるのを見て、それが正しい方法だと考えたからです。レオナルド・ダ・ヴィンチは羽ばたきを伴う飛行機械を設計しようとし、実際に設計しました。
しかし結果的にそれは正しい方法ではありませんでした。なぜなら筋力では人間ほど重い生物を空中に保つには十分ではないからです。膨大な量の筋肉が必要になります。例えばニワトリの筋肉、胸筋について考えてみてください。ニワトリは飛びませんが、飛んでいた動物の子孫です。この巨大な筋肉には大きな竜骨突起があります。
人間が飛ぶためには、竜骨突起は私からほぼカメラまで届くほどでなければならないでしょう。十分な筋肉を得るためです。ですから羽ばたき飛行は不可能なのです。必要なのは滑空です。翼を伸ばして、上昇気流を利用するのです。ご存知のように、グライダーは上昇気流を利用します。
上昇気流とは熱い空気の上昇する柱で、冷たい空気に囲まれているため上昇します。冷たい空気が柱の底部に入ってくるのです。そして熱い空気が上昇します。それがグライダーのやることです。そしてハゲワシやワシ、コウノトリのような滑空する鳥がやることです。彼らは翼を伸ばします。できれば羽ばたく手間をかけません。そして上昇気流の中を滑空するのです。
上昇気流の中に留まるために、時には円を描いて回らなければなりません。ですから螺旋状に上昇していくのです。それが賢明な方法です。そしてハンググライダーもそうします。レオナルドの設計のいくつかは実際にグライダーで、おそらく機能したでしょう。しかし彼の羽ばたき式の設計は機能しなかったでしょう。
飛行の物理原理
上昇気流や何らかの上昇風なしで飛行したい場合、何らかの前方推進力を提供しなければなりません。それが飛行機のやることです。エンジンを持っていて、それが大きな速度で前方に推進し、速く前進することで翼の上に大きな風が生まれ、それが2つの異なる方法で揚力を生み出します。
ニュートン的な方法があります。これは翼がこのように少し上向きに傾いているというものです。そして風がそれに当たると、上向きに押し上げられます。これは車を運転している時に感じることができます。このように腕を外に出して、手を上向きに傾けると、上向きに押されます。これがニュートン的な方法で、飛行機が揚力を得る最も重要な方法です。
しかしベルヌーイの原理もあります。これは説明するのがより難しいものです。翼の湾曲の仕方により、風は翼の上面を翼の下面よりも速く移動します。ベルヌーイの原理によって、これは翼の下面に一種の吸引効果または圧力を引き起こし、翼を上向きに押すのです。
これが飛行機のような固定翼で機能する方法です。鳥は固定翼を持っていません。可動する翼を持っています。それは部分的に鳥を前方に推進し、ニュートンとベルヌーイの両方の原理によって揚力を与えます。また鳥がこのように羽ばたき、翼が上昇ストロークで内側に引き寄せられ、下降ストロークで再び外に出されるため、上昇ストロークで内側に、下降ストロークで外に下がることで、ヘリコプターの原理で揚力を提供します。
ですから鳥やコウモリ、翼竜が飛行できるのは、異なる物理原理の組み合わせなのです。
昆虫の独特な飛行メカニズム
昆虫は少し異なります。昆虫はかなり異なる方法で飛行します。彼らには、つまり翼はかなり複雑な方法で上下しますが、それは全て、翼を具体的に下に引いたり上に引いたりする筋肉なしで行われます。
胸部の変形によって行われるのです。翼は単なる突起物です。翼は胸部の突起物で、胸部は筋肉によって変形し、それが翼を動かすのです。ほとんどの昆虫は振動筋、一種の震えで振動する筋肉を持つことで飛行します。ですから脳が「下、上、下、上」と命令する鳥とは異なり、バッタもそうしますが、ほとんどの昆虫はそうしません。
彼らはオンまたはオフになる振動モーターを持っています。脳は「スイッチオン」と言い、するとモーターがブンブンと動き始めます。「スイッチオフ」と言うと、モーターがブンブンと動くのを止めます。それが昆虫の飛行方法です。
翼を持たない理由
飛べないなら翼を持たないでしょう。つまり、本当には翼を持たないが滑空できる動物がいます。私たちが期待できる最も良い状態は、東南アジアの森林にいる動物たちでしょう。彼らは適切には飛びませんが、ヒヨケザルのような飛行するキツネザルのようなものです。手から足まで伸びる膜を持ち、ある木から隣の木へ滑空できます。おそらく100メートルは滑空できるでしょう。
ある意味で不可解なことの1つは、かつて飛んでいた動物がそれを放棄した理由です。かつて飛んでいた、あるいはその祖先が飛んでいてもはや飛ばない動物が非常に多くいるのです。ダチョウやエミューのようなもの、ラタイトと呼ばれる鳥の一族です。明らかに彼らには翼があります。翼の名残があります。ですから彼らはかつて飛んでいました。彼らの祖先は飛んでいました。
ニュージーランドの巨大なラタイト鳥であるモアは、翼を完全に失いました。翼の痕跡がありません。骨格の名残すらありません。これはダチョウとは異なります。ダチョウは翼を持っていますが、飛ぶには小さすぎます。
ドードーはモーリシャス島に到達するために飛んだに違いありません。彼らの祖先は飛んだはずです。なぜなら彼らはもはや翼を必要としなかったからです。捕食者を心配する必要がもうなかったのです。モーリシャス島には捕食者がいませんでした。ですから捕食者から逃げる必要がありませんでした。文字通り何十種類もの鳥が翼で島々に移動し、その後翼を失ったのです。
社会性昆虫における翼の喪失
翼を失うことの美しい例は社会性昆虫によって提供されています。アリです。あなたが見るアリには翼がありません。彼らは働きアリです。ただ走り回っているだけです。
しかし女王アリには翼があります。女王アリはアリの巣全体の事業が何についてのものかということなのです。つまり、翼を持つ女王と雄を生産することです。彼らには翼があります。巣から飛び出します。飛行中に交尾します。そして女王は落ち着いて、新しい巣を作るために穴を掘り、それから自分自身の翼を噛み切るのです。
これは翼の無用さを劇的に示しています。翼を持つことは完全に良いことではありません。もしそうなら、なぜ女王アリは文字通り自分の翼を噛み切ったり、脚で引きちぎったりするのでしょうか?ですから翼は、実際に飛ぶ必要がなければ邪魔なのです。
働きアリは単に雌のアリです。異なる餌を与えられていれば女王になれたでしょうが、翼を発達させません。彼らは翼を発達させるための遺伝的装備を全て持っていますが、単にそうしないのです。女王は翼を発達させますが、地下に落ち着くと積極的に噛み切ったり引きちぎったりします。
翼は飛ぶ必要がない限り邪魔なのです。地下では邪魔です。それが働きアリが翼を持たない理由です。それが女王が翼を噛み切る理由です。ですから祖先がかつて翼を持っていたのにもはや持たない動物の例は数多くあります。
アリは特別なケースです。なぜなら遠い祖先が翼を持っていただけでなく、彼ら自身の両親、自分の父と母の両方が翼を持っていたからです。
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