中高生と“いのちの不思議”を考える─生命科学DOKIDOKI研究室

二ホンアマガエルは、鹿児島県から北海道までほとんどすべての地域に棲息して、田んぼに水が入る春ごろから鳴き始める。しかし、カエルたちがどんな法則で鳴いているのかについては不明なことばかりだった。なにしろ、広い田んぼでたくさんのカエルが一斉に鳴きだすと、一匹一匹の鳴き声を聞きわけるなどということは不可能に近いからだ。またレコーダーなどで声を拾おうとしても、周囲のさまざまな音源と混ざり合って、どのカエルが鳴いているかを特定することはなかなか難しい。

合原先生は、それでもなんとかカエルの合唱の法則を探ろうと研究を始めた。
「私は二つの方向からこのテーマに迫ることにしました。ひとつが、カエルが鳴いている現場で一匹一匹のカエルがいつどこで鳴いているのかを識別することです。そのために、私たちは『カエルホタル』という音声を視覚化するデバイスをつくりました。カエルの鳴き声（音声）をマイクで拾って検出し、その音を光に変換し、LEDで点滅させます。この点滅する様子を動画で撮影して、どこでどのカエルが鳴いているのか、その時空間パターンを記録するのです。私たちは40台のカエルホタルを40~50cm間隔で田んぼに設置して実験を行いました」

もうひとつがこうしたフィールドワークで集めたデータを「数理モデル」を使って分析することだった。
「数理モデルとは、簡単に言えば、時間的空間的に変化する現象を数式を使って表現するもので、私が使ったのは『結合振動子系』という理論です。これも簡単に言うと一定のリズムを持つものがお互いに影響及ぼし合う状況の中で、集団のリズムの変化を記述する理論です」
「結合振動子系」と聞いても何やらチンプンカンプンだが、ある空間にいるカエルの集団が、時間を追ってどのように影響し合いながら鳴いているのかを解析する理論であるようだ。この理論を応用した数式を使ってシミュレーションしたところ、近くにいる二ホンアマガエル同士はタイミングを合わせて交互に鳴くという法則を再現できたという。

それにしても二ホンアマガエルはなぜ交互に鳴くのだろう。合原先生はこんなふうに推測する。
「鳴くのはオスだけに限られていて、彼らはメスに対する求愛と自分の縄張りを主張するために交互に鳴いているのだと考えられています。カエルには鼓膜があるので、近くで鳴いている仲間の声は聞こえています。縄張りや愛を訴えるためには、隣のカエルが鳴いている時ではないほうが、アピールできるわけです」

カエルホタルを使ったカエルの合唱の秘密に迫る研究は、“Spatio-Temporal Dynamics in Collective Frog Choruses Examined by Mathematical Modeling and Field Observations.”というタイトルで、2014年1月にネイチャー・パブリッシング・グループの総合科学誌「Scientific Reports」オンライン版に掲載され、 「カエルの合唱には数学的な法則があった！」として、新聞記事などでも興味深い発見として取り上げられた。