北極のアザラシは特別な鼻を持っている

北極のアザラシにとって、寒い気温での生活に適応することは生き残るための鍵となっている。こうした適応は、断熱材としての厚い脂肪層にとどまらず、鰭脚類の鼻にまで及んでいる。12月14日にバイオフィジカルジャーナル誌に発表された研究によると、北極のアザラシは、より温暖な地域に生息するアザラシよりも鼻腔が複雑に曲がっていることがわかった。

[関連:空腹のアザラシは2300万年前からひげを追いかけ始めた可能性がある。]

空気を温める

寒くて乾燥した場所では、動物は呼吸するときに水分と熱を失います。暖かく湿った空気は肺の機能にとって重要なので、冷たい空気を吸い込むと肺が危険にさらされ、人間は呼吸器ウイルスに感染しやすくなります。リスクを最小限に抑えるために、ほとんどの鳥類と哺乳類は鼻腔内に上顎甲介と呼ばれる複雑な骨を持っています。これらの多孔質の骨棚は粘液と組織で覆われており、吸い込んだ空気を温めて湿らせます。上顎甲介は生物が息を吐くときに失われる熱と水分の量も減らします。

研究者たちは、この鼻の構造が、ホッキョクアザラシが息を吸ったり吐いたりするときに水分と熱を効率的に保持するのに役立っていると考えている。

「鼻腔のこの精巧な構造のおかげで、同じ条件にさらされた場合、ホッキョクアザラシは亜熱帯アザラシよりも鼻の熱交換による熱損失が少ない」と、研究の共著者でノルウェー科学技術大学の物理化学者シグネ・ケルストルプ氏は声明で述べた。「これは進化上の利点であり、特に熱損失がエネルギー散逸であり、それを食物で補給しなければならない北極では有利だ」

ケルストルプ氏によると、ホッキョクアザラシは呼吸をするときに空気中の水分の 94 パーセントを保持する。吸い込むときに空気に加えられた水分のほとんどは、吐き出すときに回収される。

「地中海の真ん中にトナカイはいない」

上顎鼻甲介の構造は種によって異なる。トナカイの鼻も効率的な熱交換を可能にするが、トナカイは寒冷な気候の地域にしか生息していないため、ケルストルプ氏のチームはアザラシに注目した。

「地中海の真ん中にトナカイはいませんが、アザラシはさまざまな環境に生息しているので、この疑問を検証することができました」とケルストルプ氏は言う。「また、以前の研究から、ホッキョクアザラシの鼻はスポンジ状で非常に密度が高いのに対し、地中海アザラシの鼻はより開いた構造をしていることが分かっていました。」

研究では、研究チームはコンピューター断層撮影法を使用して、ホッキョクアゴヒゲアザラシ（ Erignathus barbatus ）と地中海モンクアザラシ（ Monachus monachus ）の2種のアザラシの鼻腔の3Dモデルを作成した。次に、エネルギー散逸モデルを使用して、それぞれの種が息を吸うときに空気をどれだけ温めて湿らせるか、また息を吐くときにどれだけ熱と水分の損失を減らすかを比較した。

[関連:赤ちゃんアザラシは注目されたいときに低音で歌います。]

研究者らは、両種の鼻のモデルを、北極の気温-22°Fと、地中海モンクアザラシにとっては寒い日である約50°Fの条件下でテストした。また、鼻腔の重要な幾何学的特徴を強調するために、モデル内のさまざまなパラメータを調整した。

モデルによれば、ホッキョクアゴヒゲアザラシは、北極と亜熱帯の両方の温度において、熱の保持と水分交換の効率が高い。-22°F では、地中海モンクアザラシは、呼吸サイクルごとに、ヒゲアザラシの 1.45 倍の熱と 3.5 倍の水分を失った。50°F では、地中海モンクアザラシは、1.5 倍の熱と 1.7 倍の水分を失った。

この利点は、ホッキョクアザラシのより複雑で密度の高い鼻腔によってもたらされたようだ。具体的には、研究チームは、ホッキョクアザラシの上顎甲介の周囲長が長いことが、より低い周囲温度でのエネルギー散逸を抑える鍵であることを発見した。

この研究では、1回の吸気と呼気で失われる熱量を調べたが、呼吸速度が果たす役割は不明のままだ。この呼吸サイクルはアザラシにとって特に複雑で、水や氷の下に潜るときには一度に数分間呼吸を止める。

エネルギー効率の高い鰭脚類

研究チームは、他の種の鼻の構造をさらに詳しく調べ、異なる部分が他の気候において進化上の利点をもたらすかどうかを確認したいと考えている。

「例えばラクダは熱をあまり節約する必要はないが、水を節約する必要がある。そのため、ラクダは熱と水の相対的な重要性について何かを教えてくれるのではないかと推測できる」とケルストルプ氏は語った。

彼らはまた、より効率的な熱交換および換気システムを構築する方法について、動物からヒントを得ることも計画している。

「自然がこれほど優れた熱交換器を作り出すことができるのなら、私たちはそれを工学的に模倣して、例えばエアコンなど、より効率的なプロセスを作り出すべきだと思います」とケルストルプ氏は語った。