エコーロケーションによりコウモリ、イルカ、さらには人間も音で方向を定めることができる

光のない環境、あるいは視覚が役に立たない環境では、音で生き延びる術を身につけた生物もいる。彼らは鳴き声、クリック音、さえずりを頼りに周囲の地図のようなものを作ったり、獲物の位置を特定したりする。この能力はエコーロケーションと呼ばれ、その仕組みを理解するには、エコーロケーションという言葉自体を解読するのが簡単な方法だ。

エコーロケーションとは何ですか?

物の位置を特定するエコーを想像してください。音が物体に当たって跳ね返り、目標の所在に関する情報やナビゲーションの手がかりを伝えます。ハーバード大学の動物学者ドナルド・グリフィンが 1944 年にサイエンス誌で「エコーロケーション」という言葉を作り出したとき、彼はコウモリが音を頼りに「洞窟の真っ暗闇の中を壁や突き出た鍾乳石にぶつかることなく飛ぶ」様子を説明していました。

それから数十年の間に、科学者たちはエコーロケーション、つまりバイオソナーを使う他の多くの動物を特定した。例えば、南米の洞窟の奥深くに巣を作るアナツバメや夜行性のアブラバタヒバリなど、少なくとも 16 種の鳥がエコーロケーションを行う。ニューハンプシャー大学の動物音響学の専門家、ローラ・クロッパー氏は、この共通の能力を収斂進化の例と呼び、「無関係な 2 つの種が同じ適応戦略を進化させる」としている。

エコーロケーションはどのように機能しますか?

クジラやコウモリは、深海に潜む魚を見つけるため、あるいは真っ暗な夜に衝突を避けるため、最大 200 キロヘルツの周波数の大きな超音波を発します。これは人間の聴覚をはるかに超えるものです (ほとんどの成人は 17 キロヘルツを超える音を認識できません)。

[PopSci+関連:人間の耳には聞こえない5つの音]

特殊なエコーロケーション装置が超音波を使用するのはなぜでしょうか。「高周波音は、非常に優れた空間分解能を提供します」とクロッパー氏は説明します。ヘルツは、各音波間の距離の尺度です。ヘルツが高くなるほど、波は狭くなり、空気中のエネルギーの振動によって捉えられる詳細が小さくなります。クロッパー氏によると、部屋の中でエコーロケーションを行う場合、大きな低周波の波は単に壁に反射するだけですが、高周波音の反響によってドアやノブの位置がわかる可能性があります。

エコーは、その解釈方法を知っていれば、豊富な情報を含んでいます。クロッパーの説明によると、この能力を持つ動物が反射音を聞くと、その音を、自分が発した呼びかけの「内部化されたテンプレート」と照らし合わせて調べます。エコーと信号を比較することで、対象物までの距離、対象物が移動している方向、さらには物質の構成までも知ることができます。

超音波の音はコウモリにとってもう一つの助けにもなる。コウモリは交尾相手を見つけるために、さらに高次の周波数を頼りにするのだ。コウモリに狩られる蛾の多くの種は、生き残るための手段として、こうした周波数に同調する耳を進化させてきた。

どの動物がエコーロケーションを使用しますか?

反響定位を行う生物の中では、コウモリとイルカのような歯のあるクジラがスターです。イルカは 300 フィート以上離れた物体を感知でき、対象物の内部に液体があるかどうかも判別できます。コウモリの感知範囲は最大で約 12 フィートですが、密林や巨大なコウモリの群れの中を飛び回りながら物体を感知できます。どちらの種類の哺乳類も、音を使って 1 インチの何分の 1 かの精度で位置の違いを識別できます。他の動物も、独自の特徴やニーズに合わせて独自のソナーを持っています。

コウモリ

化石から、コウモリは少なくとも 5200 万年前から音を頼りに行動していたことがわかる。これは人類が存在するよりも長い年月である。今日、この哺乳類グループの何百もの種がエコーロケーションが可能で、蚊、蛾、その他の獲物を追いかけるのに使用している。食虫コウモリの中にはこの能力に長けたものがおり、夜の闇の中で葉の上に隠れている動かない虫を見つけることができる。これに対応して、多くの昆虫がコウモリのソナーに対する防御を進化させてきた。生物学者はこの闘争を軍拡競争に例えている。ルナモスは長い尾を生やし、それが反射デコイとして機能してコウモリを混乱させる。他の羽ばたくコウモリは独自の超音波信号を発して敵のソナーを妨害する。

[関連:超音速飛行の速度はどれくらいですか? ]

コウモリは超音波を出すために喉頭と呼ばれる喉にある特殊な器官を振動させる。これは人間の発声器官とあまり変わらないが、コウモリははるかに高い周波数の音を出す。コウモリの種類によっては口から音を出すものもあれば、鼻葉と呼ばれる複雑な鼻の構造を使って鼻先から金切り声を出すものもある。

クジラ

イルカ、シャチ、その他の歯のあるクジラがエコーロケーションを行う理由はコウモリと同じで、おいしい獲物を追いかけたり暗闇の中を移動したりするためです。しかし、これらの水生哺乳類は、まったく異なる方法で超音波を発します。クジラの頭の中、多くの場合噴気孔の近くに、唇のようなフラップがあります。動物がフラップを通して空気を押し出すと、付属器官が振動してクリック音が発生します。「ちょうど風船を膨らませて、その風船から空気を全部抜くのと同じです。プッフッという音がします」とクロッパーは言います。

イルカの頭蓋骨の曲線は、その音を頭の前部にあるメロンと呼ばれる脂肪構造に送り込む。メロンは次に、海水中の振動を効率的に伝える。波は獲物や他の物体に跳ね返るが、クジラは反響を聞くために外耳に頼らない（外耳道は耳垢で塞がれている）。その代わりに、振動は顎骨を介して伝わり、脂肪で満たされた空洞で音が受信される。空洞は非常に薄いため光が通過できる。空洞はクジラの内耳の近くにある。内耳は反響するクリック音を感知する。このプロセスにより、魚がどこにいるのか、どこに向かっているのか、どのくらいの速さで泳いでいるのかなど、あらゆる詳細が明らかになる。

トガリネズミ

トガリネズミはひげが敏感だが視力は弱い。森や草原の生息地を探索する際、感覚を補うために、ポルトガルのリスボン大学の哺乳類学者ソフィー・フォン・メルテンが「エコー定位」または「エコーナビゲーション」と呼ぶ、粗い形のエコーロケーションを使う可能性がある。この能力は「障害物が近づいているというヒントをトガリネズミに与えることができる」と彼女は言う。例えば、トガリネズミのさえずりで検知される倒木などだ。鳥のような鳴き声はかすかだが、人間には聞こえる。

トガリネズミのエコーナビゲーションの程度は完全には明らかではない。2020年の「実験」で、フォン・マーテン氏と同僚は、トガリネズミが新しい環境に慣れると、小柄な哺乳類がより頻繁にさえずることを発見した。フォン・マーテン氏は、これらの鳴き声で見慣れない場所を感知している可能性が高いと述べているが、飼育されている動物がストレスを感じているという解釈もできる。これはあまり説得力のない仮説だが、現在進行中の研究ではトガリネズミのストレスも測定する予定だ。

柔らかい毛皮を持つ樹上ネズミ

2021年、サイエンス誌に掲載された研究で、柔らかい毛皮を持つ4種の樹上ネズミがキーキーという音でエコーロケーションを行うことが明らかになった。「盲目のネズミ」を意味するTyphlomys属に属するこの齧歯類は、中国とベトナムの密林に生息している。研究者らは、動物の行動、解剖学、遺伝学を調べた結果、これらの樹上ネズミが新たに発見された「哺乳類の中でエコーロケーションを行う系統」であるという「強力な証拠」があると結論付けた。

他にもエコーロケーションを行う未発見の生物がいるのだろうか？「その可能性は高いと思います」とクロッパー氏は言う。「多くの謎の種の発声について私たちが知っていることの少なさを考えると」、哺乳類と鳥類以外のどの動物がこの行動を示すのかを見分けるのは難しいと彼女は付け加えた。

人間

コウモリと違って、人間は生まれつきエコーロケーションの能力を持ってはいないが、それでもそれを働かせることはできる。グリフィンは 1944 年の論文で、船長が船の汽笛の反響を崖の壁に聞き取ったり、盲人が杖の音をたどったりするといった、エコーロケーションの能力について論じた。

[関連:コウモリのようなエコーロケーションは、ロボットが行方不明者を見つけるのに役立つ可能性があります]

おそらく最も有名な人間によるエコーロケーションの使い手は、ワールド・アクセス・フォー・ザ・ブラインドの代表であるダニエル・キッシュ氏だろう。同氏は2020年のポピュラーサイエンス誌のインタビューで、舌打ちで移動する方法について説明している。「発した音と返ってくる音の間の遅延が長いほど、物体が遠くにある」とキッシュ氏は言う。キッシュ氏は、自分と同じように舌打ちをする方法を他の人に教えている。同様の例から、人間のエコーロケーションには特別な脳や異常に優れた聴力は必要なく、約10週間の練習と訓練で習得できる学習行動であることが分かる。