自己切断による凍死回避行動を示す昆虫が発見される！

クモガタガガンボ属の驚くべき生存戦略

「自己の体の一部を切り離すことで生存を図る」という行動は、生物界において一部で見受けられます。ヤモリやザリガニ、イカなどは、捕食者から身を守るために、自らの手足や尾を自己切断することが知られています。人間においても、重篤な凍傷により組織が壊死した場合、その部位を外科的に除去することがあります。

今回、ジョン・C・タットヒル氏を含むアメリカのワシントン大学生理学・生物物理学科の研究チームは、雪上を歩行する小型昆虫「クモガタガガンボ属（Chionea spp）」が、同じような大胆な行動をとることを明らかにしました。

驚くべきことに、これらの昆虫は、凍死を防ぐために自分の足を自己切断していたのです。
この研究の詳細は、2023年5月30日にプレプリントリポジトリ『bioRxiv』で公開されました。

クモガタガガンボ属とは

クモガタガガンボ属は、蚊を一回り大きくしたような昆虫で、「ガガンボ」の仲間です。ガガンボは立派な翅を持っていますが、クモガタガガンボ属では翅がなく、クモのような外見をしています。

この昆虫は冬季の森林などに現れ、雪の上を歩く様子が観察されます。高地に生息しており、ロッキー山脈などの標高3400m以上でも見つかることがあります。

日本でもいくつかの種が分布しており、北海道などで観測されていますが、研究が不十分なため詳細は謎に包まれています。

自己切断の理由と実験結果

Snow flies belong to the crane fly family, but lack wings and live exclusively in snowy environments. Adult snow flies run around on the snow in the dead of winter looking for mates. Little is known about the larval stage, but they must feed a lot, because the adults don’t eat. pic.twitter.com/QPVYAvYDGk

— John Tuthill (@casa_tuthill) June 1, 2023

クモガタガガンボ属の成虫は、-10℃という低い気温でも雪や氷の上を歩くことが観察され、脚のない個体も頻繁に見つかります。研究チームは、クモガタガガンボ属が足を失う経緯について調査しました。

まず、チームはアメリカやカナダの氷の多い山岳地帯からクモガタガガンボ属の4種類を収集しました。そのうち約20％の個体は既に脚を失っていました。次に、実験室の冷却版の上に個体を置き、温度が低下する過程での行動をサーモグラフィカメラで観察しました。

クモガタガガンボたちは-7℃でも歩くことができましたが、脚には氷の結晶が形成されました。その時、いくつかの個体は脚を股関節で切り離すという大胆な行動に出ました。

自己切断の理由と仮説

研究者たちは、ガガンボの足に凍結が生じる際、放熱によって一時的に体温が上昇することが原因と考えています。この刺激に反応してガガンボは足を切断するのだとされています。

ガガンボは関節などの弱い部分を筋肉の働きで自由に切り離せるため、凍結から内臓を守るために自己切断を行うのだと考えられます。クモガタガガンボ属の成虫の31%でこの自己切断行動が観察され、これまで発見されたクモガタガガンボの20%近くが足の切断された状態で見つかっていることが示されました。

驚くべき生存戦略への評価

「自己切断による凍死回避行動」は、ガガンボや他の昆虫で、捕食者に脚をつかまれた際に頻繁に観察される行動です。一般的なガガンボは足を引っ張られると自己切断を行いますが、クモガタガガンボは引っ張られても足の切断は起こらず、寒さのみに反応して自己切断を行うようです。

このように、寒い環境で凍死を回避するための切断行動が観察されるのは初めてのことであり、研究者たちはこの生存戦略を「ユニークかつ極端な適応」と驚きと称賛しています。

研究チームは現在、クモガタガガンボ属が脚に氷の結晶が形成される際のエネルギー放出を感知し、脚の切断を判断している可能性を検証する予定です。

参考文献：原文概要日本語訳

すべての生物は温度に深く影響を受けています。生物学における熱力学的な制約にもかかわらず、一部の動物は極めて寒冷な環境で生きるために進化しました。ここでは、北半球のボレアル地帯や高山環境で冬季を通じて活動する飛べないクレーンフライ、スノーフライ（Chionea spp.）の寒冷耐性に関する行動メカニズムを調査します。

熱画像を用いて、スノーフライの成虫が平均体温-7℃まで歩行する能力を維持していることを示します。この超冷却限界で、スノーフライの血液内で氷結晶化が起こり、体全体に急速に広がり、死に至ります。しかし、スノーフライが氷結晶化が重要な器官に広がる前に急速に足を切断することで凍結からしばしば生き延びることを発見しました。

凍結した肢の自己切断は、ほとんどの動物が耐えられない厳寒の条件下で生存を延ばすための最後の手段です。スノー昆虫の極端な生理学と行動を理解することは、彼らが生息する高山生態系が人間による気候変動により不釣り合いに変化しているため、急務となっています。

序論

地球上の多くの地域で、寒冷な気温は動物生命にとって大きな障壁となります。極地、ボレアル地域、または高山環境に生息する動物は、極寒の中で生き残り、移動するための生理的および行動的な適応を持っています。鳥類や哺乳類などの内部発熱動物は、極端な冬の条件下でも一定の体内温度を維持するために体熱を生成し、保持します。しかし、この戦略はエネルギーを大量に消費します。

おそらくこの理由から、ほとんどの動物は外部発熱型で、体熱は環境から得られます。ほとんどの外部発熱型の動物は、さまざまな温度で生き残るために生理学と行動を適応させています。一部の昆虫種は、気温が下がる前に冬を避けるために移動します。一方、他の種は、休眠状態で冬を越します。

これらの適応は必要で、ほとんどの昆虫は水の融点（0℃）以下の温度では麻痺します。寒冷麻痺は、神経筋機能に必要な膜電位を維持する能力がなくなるために起こります。寒冷環境にいる昆虫はまた、血液の内部凍結という問題も抱えており、これはしばしば致命的です。麻痺と凍結による死による脅威は、ほとんどの昆虫が氷点下の温度で活動し、生き残る能力を制限します。

スノーフライ、Chionea spp.は、氷点下の温度で行動的に活動する数少ない昆虫の一つです。成虫のスノーフライは、北半球のボレアル地域と高山地域全体で見つけることができます。太平洋北西部（アメリカ）では、彼らは10月から5月まで雪の上で活動しています。スノーフライはクレーンフライ科、Tipulidaeに属し、他のクレーンフライと似ていますが、翼と飛行筋肉が完全に欠けています。雌のスノーフライは、追加の卵を格納するために胸部のスペースが増えることを利用します。

結果

2020年から2022年までの間に、私たちはボランティアと共に、主にワシントン州の高山地域から256匹の成虫のスノーフライを収集しました。ワシントン州では、私たちは通常、スノーフライを新鮮な雪の上で走っているところを見つけました。収集したス

収集したスノーフライの多くは、体温が-5℃以下で活動していました。これは、スノーフライが氷点下の温度で活動する能力を示しています。さらに、私たちはスノーフライが-7℃までの温度で活動する能力を持っていることを示しました。これは、スノーフライが超冷却限界を持っていることを示しています。超冷却限界は、氷結晶化が始まる温度を指します。スノーフライの超冷却限界は、他の昆虫と比較して非常に低いです。

議論

スノーフライは、極寒の環境で生き残るための独特の戦略を持っています。彼らは、体内の氷結晶化を防ぐために、体温を下げることができます。さらに、彼らは凍結から生き延びるために、自己切断という極端な行動をとることができます。これは、他の昆虫には見られない行動です。スノーフライのこのような行動は、彼らが生息する厳しい環境に適応するためのものであると考えられます。