どんな研究？
サメの体の表面は、楯鱗（じゅんりん）という硬い鱗（うろこ）で覆われています。そして、回遊性のサメの楯鱗には、頭から尾の方向に向かって突起が並んでいます。この突起が流体の摩擦抵抗を減らすと考えられており、流体力学の分野では「リブレット」と呼ばれる微小な突起列による摩擦抵抗低減効果が長年研究されてきました。ところが意外なことに、サメの楯鱗がサメの遊泳条件において摩擦抵抗を低減しうるのかどうかは、未だ解明されていませんでした。そこで、旧東京工業大学 工学院 機械系の佐山将太朗大学院生（研究当時、博士後期課程）、前田将輝博士（研究当時、研究員）、東京科学大学 工学院 機械系の田中博人准教授らの研究チームは、国立科学博物館所蔵のホホジロザメの全身標本の17箇所から表皮を採取し、島津製作所の高解像度X線CTで楯鱗の形状を詳細に計測し、楯鱗の突起の間隔の流体力学な大きさと遊泳速度がどう対応しているかを調べました。
ここが重要
ホホジロザメの楯鱗には、それぞれ中央に大きな突起が、その左右に小さな突起があります。大きな突起同士の広い間隔の、リブレット研究に基づく流体力学的な大きさを算出すると、遊泳速度が秒速2メートルから３メートルのときに摩擦抵抗が最も低減すると推定される大きさでした。この遊泳速度は、実際にホホジロザメが長距離を移動するときの速度である秒速約2メートルに近いものです。また、隣り合う大突起と小突起の狭い間隔の流体力学的な大きさは、遊泳速度が秒速5メートルから7メートルのときに摩擦抵抗が最も低減するような大きさでした。これも、実際に計測された短時間の高速遊泳の秒速約6メートルに近い値でした。つまり、ホホジロザメの鱗の大きな突起と小さな突起は、低速でも高速でも摩擦抵抗を低減すると考えられます。これにより、ホホジロサメは長距離移動時も捕食時も効率的に遊泳できる可能性が示されました。
今後の展望
本研究で田中准教授らが考案した解析方法を用いれば、生態が未知なサメでも楯鱗から遊泳速度を推定できます。たとえば、ホホジロザメと似た楯鱗を持つ、絶滅した古代の巨大ザメ、メガロドンの楯鱗の化石からは、低速な遊泳速度は秒速2.7メートル、高速な遊泳速度は秒速5.9メートルと算出されました。このように、現生のサメだけでなく、生態計測が不可能な絶滅した古代のサメの遊泳速度も推定でき、古代から現在に至るまでの海洋生態の理解に貢献できます。さらに本研究では、大突起と小突起が交互に並ぶリブレットが、低速と高速のどちらでも流体摩擦抵抗を低減するモデルを提案しました。これにより、車両や船舶および航空機に応用可能な、広い速度範囲に適応するリブレットの開発も期待できます。
研究者のひとこと
今回は貴重なホホジロザメの全身標本から皮膚を採取して計測できる幸運に恵まれました。CT計測から形状モデリング、詳細な寸法計測、大小突起のリブレットモデルの考案と解析に至るまで、採取から論文出版までに長い時間がかかってしまいました。やっと成果を発表でき、こうして解説ができるようになり、とてもうれしく思います。これからも、動物ならではの面白い流体力学を研究して発信します。
論文情報
本研究は、島津製作所の夏原正仁特任部長、国立科学博物館の篠原現人研究主幹、拓殖大学の前田将輝准教授と共同で行われ、8月2日付の「Journal of the Royal Society Interface」に掲載されました。
掲載誌 :Journal of the Royal Society Interface
論文タイトル :Three-dimensional shape of natural riblets in the white shark: relationship between the denticle morphology and swimming speed of sharks
著者 : Shotaro Sayama, Masahito Natsuhara, Gento Shinohara, Masateru Maeda, Hiroto Tanaka
DOI : 10.1098/rsif.2024.0063
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