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2013 年度 実施状況報告書

絶滅生物のバイオメカニクス―未知なる形の機能性を探る

研究課題

研究課題/領域番号 25630047
研究種目

挑戦的萌芽研究

研究機関東京大学

研究代表者

椎野 勇太  東京大学, 総合研究博物館, 特任助教 (60635134)

研究期間 (年度) 2013-04-01 – 2016-03-31
キーワードバイオメカニクス / 層位・古生物 / 進化 / 生物物理 / 流体 / 流体工学 / 最適設計 / CFD
研究概要

腕足動物の多くは、海底で殻を開いた状態でじっと待ち、自動的に殻の内側を通り抜ける水流を利用して、濾過摂食や呼吸を行う非活発な海洋生物である。したがって、周囲に生じる流れの強弱に依存しない安定した水流形成が、生命活動を維持するための鍵となる。そこで、ペルム紀前期の高速流水環境に適応を遂げたパキシルテラを題材に、殻模型を用いて流水実験を行った。
殻が備えた機能特性を実験の結果から読み解くと,化石の産出状況が示す実際の生息姿勢が、流体力学的に最も不安定であった。一方、自動的に殻の内側を通り抜ける水流を可視化すると、実際の生息姿勢は、殻まわりの流向や流速に関わらず、安定した渦流を形成することができた。パキシルテラを含む翼形種は、殻の内側に螺旋状の濾過器官を備えている。これと同調する渦流が形成されることで、エサの濾過効率を高めることができたと考えられる。また、開閉具合の異なる模型を用いた実験した結果、高速流体環境下では殻の開度を狭くし、渦流をより安定に制御できたことを示唆する。殻形態の備えた姿勢の安定性および自動的水流形成の機能が両立することによって、高速流水環境へいち早く進出かつ適応できたと考えられる。
自動的な濾過水流の形成能力は、殻の正中線上に沿う湾曲部の圧力差発生機能によることがわかっている。そこで、翼形種に特徴的な湾曲部の発達具合と、殻全体の長さと幅を計測し、座標空間上にマッピングした。その結果、翼様の外形が強調されるように殻全体の幅が大きくなるにつれて、湾曲部の発達具合が隠微になることがわかった。つまり湾曲部と翼は二律背反の形態的傾向を示しており、適応環境に応じて異なる機能戦略を備えた殻形態へと進化した可能性が見えてきた。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

本研究は、絶滅生物の不思議な形に新しい技術的な着想を求める萌芽研究として,腕足動物が殻形態に備えた自動的な水流形成機能と,形態的な多様度との関係をバイオメカニクスの視点から理解することを目的としている.当該年度は、きわめて特異的な流体環境に適応した腕足動物スピリファー類の1種を用いて、自動的に生み出される水流の制御様式を明らかにした。さらに、当該グループの形態測定を行うことで形態的傾向を明らかにし、適応環境に応じた機能戦略が存在する仮説を導いた。一連の成果を考えれば、当初の予定通りおおむね順調に進展したといえる。次年度以降は、流体解析を行うことによって、さらなる機能性の追求を目指す。

今後の研究の推進方策

初年度の研究成果を踏まえ、スピリファー類の渦流形成に関る形態機能がどのように最適化されていたのか明らかにし,周囲の流れを生物自身のエネルギー摂取へと巧みに利用する機能形態学的な適応システムの解明を目指す.そこで次年度は,流水実験で用いた形態 モデルから流体解析用の解析モデルを作成し,流体解析によって殻まわりの流れ場を検討する.流水実験用に製作した殻形態モデルをもとに,X線マイクロCTの撮像を行い,連続断層画像を取得する.この連続断層画像を用いて3次元復元したのち等値面処理を処方し,殻形態モデルの表面データを数値化する.
年間ライセンス取得予定のソフトウェアクレイドル有限体積法流体解析ソフトSCRYU/Tetraを用いて,非定常乱流解析を行う.3次元流体解析が可能なSCRYU/Tetraは実測値と整合性が良く,本研究の目的に適している.3次元モデルを平らな底面に固定した十分広い直方体領域を解析領域とし,スピリファー類の腹殻および背殻側から,流入速度0.01 m/sから1.0 m/sまで計5通りを解析する.初年度に得られた実験結果と比較し,解析の精度や妥当性を評価する.

  • 研究成果

    (7件)

すべて 2014 2013

すべて 雑誌論文 (1件) (うち査読あり 1件) 学会発表 (5件) 図書 (1件)

  • [雑誌論文] Hydrodynamic advantages in the free-living spiriferinide brachiopod Pachycyrtella omanensis: functional insight into adaptation to high energy flow environment2014

    • 著者名/発表者名
      Shiino, Y. and Angiolini, L.
    • 雑誌名

      Lethaia

      巻: 47 ページ: 216-218

    • DOI

      10.1111/let.12052

    • 査読あり
  • [学会発表] 滑らかな殻を持つ大型腕足動物ホロリンカス―示準化石となることへの意義を探る2014

    • 著者名/発表者名
      椎野勇太・鈴木雄太郎・森英樹
    • 学会等名
      日本古生物学会2014年例会
    • 発表場所
      兵庫県立人と自然の博物館,兵庫
    • 年月日
      20140125-20140126
  • [学会発表] 南部北上山地中部ペルム系の地史:大規模造構運動がもたらした生命への飴と鞭2013

    • 著者名/発表者名
      椎野勇太・鈴木雄太郎・小林文夫
    • 学会等名
      日本地質学会第120年学術大会
    • 発表場所
      東北大学,仙台
    • 年月日
      20130914-20130916
  • [学会発表] 動かざるもののジレンマ―翼形態種パキシルテラの流体適応2013

    • 著者名/発表者名
      椎野勇太,ルキア・アンジョリーニ
    • 学会等名
      日本古生物学会2013年年会
    • 発表場所
      熊本大学,熊本
    • 年月日
      20130628-20130630
  • [学会発表] 遊泳性三葉虫Remopleurides複眼:転輪羅針儀機能発現か?2013

    • 著者名/発表者名
      増田智洋・鈴木雄太郎・大野悟志・椎野勇太
    • 学会等名
      日本古生物学会2013年年会
    • 発表場所
      熊本大学,熊本
    • 年月日
      20130628-20130630
  • [学会発表] Hydrodynamic advantages in the free-living spiriferinide brachiopod Pachycyrtella omanensis: Functional insight into adaptation to high energy flow environment2013

    • 著者名/発表者名
      Angiolini, L. and Shiino, Y.
    • 学会等名
      XIII Giornate Di Paleontologia
    • 発表場所
      Università degli Studi di Perugia, Perugia, Italy
    • 年月日
      20130523-20130525
  • [図書] 凹凸形の殻に隠された謎―腕足動物の化石探訪2013

    • 著者名/発表者名
      椎野勇太
    • 総ページ数
      268
    • 出版者
      東海大学出版会

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公開日: 2015-05-28  

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