コラム
僕らと 違う動物の体
牛の胃は４つある！？
我々人間は１つしか胃がありません。しかし、いろんな動物を見てみると、それは当たり前じゃないんです！牛、羊、ヤギなどの動物は、「反芻動物」と言い、４つの胃を持ち、それぞれが異なる機能を持ちます。
反芻動物は一度飲み込んだ食べ物をもう一度口に戻して、何度も咀嚼（噛むこと）を繰り返します。このように、消化の機能も我々人間とは大きく異なっているのです。その中でも今回は、僕たちにとって最も身近で牛に注目しようと思います。
１つ目の胃は「ルーメン」といい、食道と直接繋がっており、胃全体の８０％を占めています。この中には多くの微生物が共生しており、その微生物の作用によって食べた草は栄養として吸収できる形に分解されます。
２つ目の胃は「蜂巣胃」と呼ばれ、ハチの巣のようなひだを持つことが特徴です。ルーメンでは消化しづらい食べ物を食道や口まで押し戻す役割があり、口まで押し戻された食べ物は再び噛み直され、３つ目の胃「葉状胃」に行きます。
そして、その「葉状胃」では、食べ物の選別が行われます。葉が何枚にも重なったようなひだのある構造を持ち、それが食べ物をすりつぶし、消化しやすくやったものを最後の４つ目の胃である「しわ胃」に送り、まだ消化できるほど十分小さくなってないものは蜂巣胃に戻します。また、水や栄養を吸収する働きも持っています。
最後の「しわ胃」では、胃液を分泌することによって最終的に食べ物を消化します。人間の胃とほとんど同じような働きをしていますね。
このように、４つの胃を使って牛は消化を行うのです。人間とはここまで消化の仕組みが異なるとは、とても興味深いですね！
ウサギの耳はなぜ長い？！？
ウサギ、といえば、とてもかわいい動物ですよね。あのキュートなシルエットは僕たちを魅了してなりません。そのウサギのルックスにおいて最も特徴的なのは、やはりあの長い耳でしょう！もはや当たり 前のことのようにウサギの耳が長いという事実を僕たちは受け入れていますが、改めて、そのことを考えてみるととても不思議に思いませんか？一体どうして、ウサギの耳は長いのでしょうか？
1つ目の理由としては、音を集めやすいからです。耳は大きいほど音を集めやすいのです。僕たち人間が音が聞こえにくい時に耳元で手を広げると、聞こえやすくなりますよね。それと同じです。大草原で草を食べるウサギは大きな耳で音を集めることで、危険が訪れるのを察知するのです。
そして、もう１つ、体温調節という役割もあります。人間は、汗をかくことで体温調節を行いますが、ウサギはほとんど汗をかきません。そのため、汗をかくかわりに耳を使って体温調節をおこなっているのです。ウサギの耳には網の目のように血管が張り巡らされていますが、この血管に風を当てて、体温が上がりすぎるのを防いでいるのです。
馬の蹄の進化
みなさんは「蹄」を見たり触ったりしたことはありますか？馬、鹿、象、キリンといった「有蹄類」に分類される動物たちが持つ、足の爪のようなものですね。では、この蹄は一体なんのためにあるのでしょうか？
蹄は指の先端にある爪が進化したものです。では、一体どうして、このように進化したのかというと、速く走るためです。速く走るためには、かかとを地面につけずに足の先端だけを使うのが理にかなっています。短距離走や体操選手が走る姿を想像するとわかりやすいですね。そのように、できるだけ速く走ろうと、足の先端だけ使って走ろうと進化した結果、蹄という形に進化した、というわけです。
では、蹄がある指以外の指はどうなったのかというと親指は退化してしまい、残りの指も跡形を少し残す程度になってしまいました。僕ら人間は、ものを掴んだりするために、5本の指が進化してきました。しかし、馬は草原で暮らす草食動物です。最も必要なのは、天敵である肉食動物から逃げることです。そのために速く走ろうとして、蹄を進化させていったのです
くじらのヒレは人間の手にそっくり！？
くじらは海を泳いでいる生き物です。だから、魚の仲間である、と言われた方がしっくりきますよね？しかし、実際はくじらは哺乳類で、魚よりは僕たち人間の方がもっと似ているのです！なんとそのことがくじらの体の構造を見ることでわかってしまったのです。
くじらを解剖して、ヒレの骨の形を見てみると、なんとびっくり、5本の指のような形をしているのです！（実際の写真はかなりなまなましい写真となるので、こちらには掲載しません。興味のある方のみ、ご自分でお調べください。）
他にも、4本足のくじらの化石が見つかったりと、くじらがかつては陸で暮らしていた証拠となるものが発見されています。一体どのような過程で体の構造を変化させ、陸から海へと住む場所を変えたのか、考えてみるととても興味深いですね。
磁石の不思議！
磁石を使う身の回りのものにはどのようなものが思いつきますか？ 磁石は黒板に紙を留めるものからイヤホンや車など身の回りの様々なものに利用されています。ここでは、磁石の色々な特徴や用途について紹介していきます。
磁石って何？
そもそも磁石とはなんでしょうか？一番最初に思い浮かぶのは青と赤で先端を塗られた棒状やUの字状のものかもしれません。このような磁石を永久磁石とよびます。磁石にはN極とS極が存在します。N極同士、S極同士を近づけると反発しあい、N極とS極を近づけると引き合います。しかし、永久磁石以外に電磁石という電気を利用してN極とS極を発生させるものもあります。
方位磁針の仕組み
方位磁針のN極は常に北、S極は常に南を指すようになっています。つまり、地球の北極はS極、南極はN極として捉えられます。このように地球を磁石として見立てることができる理由を知るためには、地球の構造と電磁誘導について理解する必要があります。
まず、地球は三つの部分から構成されます。外側から順に地殻、マントル、核です。核は内核と外核に区別することができ、内核は固体、外核は液体の鉄やニッケルからできています。外核の液体は内核によって温められ、マントルによって冷やされることで液体が南北方向にらせん構造の対流が生じます。研究はまだ途中ですが、らせん構造は一層あるいは二層と考えられています。この対流で鉄やニッケルの金属が動くことにより電気が発生します。
次に電磁誘導についてみていきます。上で紹介した電磁石は電磁誘導を利用して磁石の性質を持ちます。電磁誘導では電気がらせん状に動くことによって磁界（磁場）が発生します。図3では磁力線が描かれていますが、磁力線が出る方がN極、入る方がS極として捉えることができます。
このように、地球の内部の溶けた鉄やニッケルの金属がらせん状に動くことによって電磁誘導が生じ、地球の北極がS極、南極がN極のような磁石として地球を見立てることができるのです。
液体の磁石?!
磁性流体という、磁石を近づけることで変形する液体も存在します。磁石を近くにおくと磁石の磁力線に沿って磁性流体が変形し、ハリネズミの背中のようなとげが何本も突出した形になります。この流体は直径10nm（1cmの100万分の1）ほどのマグネタイトなど磁石としての性質を持つ物質に水と油の両方の性質を持つ界面活性剤や水、油が混ざり合ってできています。マグネタイト単体は磁石として働くことは可能ですが、磁性流体中に微粒子が散乱することによって近くに磁界がないときには微粒子がそれぞれ異なる方向に磁力線を出すため、磁性流体は磁石としては働きません。
MRI（磁気共鳴画像診断）
医療ドラマなどで時々見かけるMRIですが、どのような仕組みなのでしょうか？MRIは磁場と電磁波をうまく利用することによって検査したい体の部位の画像を撮ることができます。電磁波とは電流や磁気の向きや大きさの変化によって電流と磁気がお互いに影響を及ぼすことで形成される波のことです。MRIではとても強い磁石によって、通常はランダムな方向を向いている体内の水素原子というとても小さな成分の向きをそろえます。ここで電磁波を検査したい部位に受信することによって水素原子が移動し、向きも変化します。電磁波の受信を止めてから水素原子が元の位置に戻るまでの時間が計測されています。体の組織によって戻るまでの時間が異なるため、体の内部の画像を解析できます。
液体酸素
液体酸素を見たことはありますか？酸素は私たちが生きる上で欠かせない物質ですが、液体の状態を見たことがある人は少ないのではないでしょうか。酸素は、地球上の表面の標準的な圧力（1気圧）において-183℃以下まで下げることによって気体から液体へと変化します。この液体酸素は淡い青色をしています。そして液体酸素に磁石を近づけると磁石に引きつけられるのです。
プラズマが何か理解してますか？
プラズマって知ってる？
「プラズマ」という言葉を聞いたことのある人は多いでしょう。しかし、「それでは、プラズマとは何か説明してください」と言われて、何かしらの説明ができる人はかなり少ないと思います。では、一体プラズマとはなんなのでしょうか？
「物質の三態」については知っている人が多いでしょう。物質は異なる温度、圧力によって、「気体」「液体」「固体」という３つの異なる状態を取ります。このことを「物質の三態」と呼びます。では、ここで話をプラズマに戻しましょう。プラズマとは一体なんなのか。それは、「気体」「液体」「固体」のどれとも異なる、物質の第4の状態のことを指します。物質は温度を上げるにつれて、固体、液体、気体の順に状態が変化しますが、そこからさらに温度を上げると、プラズマという状態になるのです。
ミクロな世界を見てみよう！
では、プラズマがどのような状態なのか、具体的に見ていく前に「物質の三態」をミクロな視点から見てみましょう。実は、我々の身の回りにある物質は「分子」という名前の目に見えないほど小さな粒でできています。
固体状態は、原子同士がお互いに強く結びついている状態です。気体状態は、原子が自由に動き回っている状態です。液体状態は、分子同士は結びついていないが、気体ほどは自由に分子が動き回っていない状態です。
このように、物質の温度が上がると、だんだんと分子がより激しく運動するようになります。では、プラズマ状態で、分子はどのような状態になっているのでしょうか？そのためには、「原子」というものの構造を理解しないといけません。
原子の構造
「原子」とは、分子をさらに分解したら現れます。分子は、１つ以上の原子の結びつきでできているのです。その原子をさらに分解していくと、「陽子」「中性子」「電子」という３つの粒子から構成されています。原子は、陽子と中性子から成る「原子核」の周りを電子が回っているという構造をしています。陽子は正の電荷（よくわからなければ、プラスの電気だよって考えよう！）を持っています。一方で、電子は負の電荷（これもよくわからなければマイナスの電気だよって考えよう！）を持っています。
プラズマ状態
では、プラズマの話に戻りましょう。プラズマ状態とは一体どのような状態なのでしょうか？気体状態からさらに温度をどんどん上げていくと、物質の原子に変化が起こります。固体、液体、気体の３つの状態では、原子の構造は上のような形で安定していましたが、そこから温度を上げると、原子核を回っていた電子が、もともとの軌道から離れてしまいます。その結果、原子は電子を失い、正の電荷をもつ「陽イオン」になります。そして、軌道から離れた電子（「自由電子」と呼びます）と陽イオンという、それぞれ負の電荷と正の電荷を持った２つの粒子が自由に飛び回っている状態になります。この状態がプラズマ状態なのです。
プラズマ状態の特徴
これで、プラズマ状態がどのような状態なのかが理解できたかと思います。それでは、プラズマ状態は一体どのような特徴を持っているのでしょうか。
まず第一に、電気を通すという特徴があります。プラズマ状態では、陽イオンや電子という正の電荷と負の電荷が飛び回っています。一体どのような時に電気は通るかというと、電子が自由に動ける状態の時に電気は通ります。プラズマ状態では、電子が自由に動き回ることができる状態にあるため、電気を通すことができるのです。
また、発光するという特徴も持ちます。詳しい話をすると難しい話になるのですが、プラズマ状態の物質は莫大なエネルギーを持っています。その状態の物質がエネルギーを放出する際にそのエネルギーが光となって、放出されるのです。そのため、プラズマ状態の物質は発光します。
身の回りにあるプラズマ
では、プラズマは一体どこに存在しているのでしょう？今まで書いてきた話からは、プラズマが実際にどこにあるのか、なかなか想像がつかないかもしれません。むしろ、周囲に固体、液体、気体の物質がたくさんあるため、プラズマは身近には存在しないと勘違いしてしまう人もいるかもしれません。しかし、意外と身近なところにプラズマは存在しています。実は、蛍光灯、雷、太陽、オーロラなどの身近なところでプラズマを見ることができるのです。実は宇宙空間の９９％以上がプラズマであると言われているのです！他にもどこでプラズマが利用されているのか、調べてみるといいかもしれませんね。
身近な窒素は意外と有能！
私たちが日々生活する上で空気は欠かせません。空気はある一種類の気体からなっているわけではないのです。窒素、酸素、二酸化炭素などの気体が混ざり合っています。そのように身近にある窒素の特徴について紹介していきます。
そもそも窒素ってなに？
窒素は私たちの身の回りに多く存在しますが、どれくらい存在すると思いますか？実は空気の78％を窒素が占めているのです。そんな窒素ですが、どのような性質があるのでしょうか。
窒素は酸素や二酸化炭素と同様に無色、無臭の気体です。一方、酸素とは違って燃焼を助ける性質はありません。小学校の理科の授業で、酸素でいっぱいにした容器の中にろうそくや線香を入れると火が明るくなる様子を見たことがある方もいるのではないでしょうか。酸素のように、火の光り具合を強める性質のある気体は助燃性がある、すなわち物を燃す働きを促す性質があります。逆に窒素の場合はどうでしょう？窒素でいっぱいにした容器にろうそくや線香を入れると火が消えてしまいます。
消火システムとして利用できる！
火事が起きた時に火を消すにはどのような方法があると思いますか？消防士が勢いよく水の出るホースを持っている様子を想像する方もいるのではないでしょうか。実は、窒素の燃焼を助けない性質を使って消火を行う場所もあります。どのような場所か想像できますか？美術館や図書館などで用いられていることがあります。水をかけてしまうと美術館の作品や図書館の蔵書が濡れてダメージを与える可能性が高いです。国立国会図書館の書庫では窒素ガスを出し、酸素を空気中の12％ほどに抑えることによって消火を行えるような設備が整っています。
植物の栄養源
小学校でアサガオやトマトを育てたことのある方も多いのではないでしょうか。その時に白いつぶつぶを蒔いた方も多いでしょう。この白いつぶつぶは肥料で、植物の成長を促す役割を持っています。肥料には窒素、リン酸、カリウムの三つの成分が含まれています。この三つの成分は肥料の三大要素とも呼ばれています。窒素には茎を太くしたり、葉っぱを増やしたりする働きがあります。リン酸は花や実の成長を促します。カリウムは根を太くさせて丈夫にします。
窒素原子という二つの小さな成分が結びつくことによって窒素分子という、空気に含まれる気体が存在します。しかし、肥料で用いられるために窒素原子は別の成分とくっつくことによって固体として存在することができます。例えば、硫酸アンモニウムという物質が含まれる肥料では、硫酸イオンという原子の集まりとアンモニウムイオンという原子の集まりがくっつきあっています。このうち、アンモニウムイオンは窒素原子一つに水素原子が四つくっついています。この硫酸アンモニウムを含む肥料と水をまくことによって硫酸アンモニウムは水に溶け、土に吸収されて植物の根に届き、植物に取り込まれるわけです。
液体窒素と磁石を使った現象
2027年に開業予定のリニアモーターカーを聞いたことがある人は多いのではないでしょうか。このリニアモーターカーは超伝導という現象を利用して動くことが想定されています。超伝導とは超伝導体である金属や化合物を一定の温度以下まで冷却することによって電気抵抗をゼロとする現象のことです。また、特徴として磁石の上に冷却した超伝導体を磁石の上に置いたときに浮かびます。このように磁気浮上する現象をマイスナー効果とよびます。
超伝導を利用する機械の多くが液体ヘリウムを利用しており、液体ヘリウムは-269℃であることから冷却するために多額の費用がかかることが問題となっていました。しかし、液体窒素によって必要な温度まで冷却して超伝導状態となる物質を用いることで費用を削減できることが知られ、現在はその研究と実用化が進められています。将来リニアモーターカーに乗る機会があればぜひ超伝導について思い出してみてください。
参加型検証企画コラム
人や動物はどうやって目や耳から脳に情報をつたえているの？
人や動物は、目で光を、耳で音を受け取っています。そしてそこで手に入れた光や音の情報を目の中にある網膜や、耳の中にある内耳で、電気信号に変えています。じつは人や動物は、機械とおなじように電気で情報をつたえているんですね。
そしてそこでえられた情報は、神経をつかってつたえられます。とはいっても神経にはケーブルのように電気をとおす金属などがはいっているわけではありません。ではどのようにして神経は電気を伝えているのでしょうか？
神経は、”神経細胞”(別名ニューロン)という細胞がたくさんあつまってできています。みぎしたが神経細胞の図です。この細胞にはいくつかの突起と、一つの長いひものようなものがあるのがわかります。このひものようなものが軸索です。この図では短いようにみえますが、 実際]は[軸索は1mm~1mと、本体である細胞体にくらべてとても長くなっています。軸索では、つねに軸索表面にあるポンプによって、軸索の外よりも軸索の中のほうが陽イオン(プラスの電気を持っているイオン)が少なくなっているので、軸索内はきほんてきには電気的にマイナスになっています。そして、神経細胞に情報がとなりの神経細胞からつたわってくると、細胞体のちかくの軸索表面にある〖Na〗+チャネルという門を開かせて、陽イオンを軸索内にとりこんで、電気的にプラスにします。陽イオンを通す門 であるNa+チャネルは、近くが電気的にプラスになったのを検知してかってにはたらく性質をもっているので、軸索のあるぶぶんではたらいたNa+ チャネルがとなりのNa+チャネルをはたらかせ、それがさらにとなりのNa+チャネルをはたらかせ、それがさらに、、、というような 形で情報がつたわっていきます。そして軸索の端に情報がたどり着くと、こんどは軸索の端で 枝分かれしたものの先にあるシナプスから化学物質をだし、別の神経細胞がその化学物質をうけとることで別の神経細胞に情報をつたえています。
このように、神経は複雑なしくみで情報をつたえているため、ほぼ光のはやさで進む導線のなかでの電気信号にくらべ、神経の情報をつたえるはやさはおおよそ新幹線と同じくらいでしかない、情報を脳にとどける時、そしてそれを脳のなかで信号をぐるぐるまわして計算する時にどうしても時間がかかってしまうのです。
音と光はどっちがはやく反応できるの？
人間は、目で見たものと耳で聞いたものではどちらがはやく反応できるのでしょうか？同じ種類ものでも時と場合で変わってしまうため(例えば光を明るくしたり音をうるさくするとはやく反応できる)くらべるのは難しいですが、多くの研究者は音のほうがはやく反応できるといっています。その理由として、目で見たものと耳で聞いたものをそれぞれ電気信号にした時、目で見たもののほうが情報の量がおおいためおおくの計算がひつよう (とおるニューロンの数がおおい)ということ、また目は夜に使えないうえ、その方向を向いていないと使えないため太古の人間が猛獣などの危険をしるために耳がとても重要だったということが考えられます。
さて、音と光を別々ではなく同時に見たり聞いたりすると人の反応は早くなるでしょうか？それとも遅くなるでしょうか？いくつかの研究によると、 同時のほうが早く反応できるようです。これは人が情報を頭で処理するときに、目や耳、それから鼻や皮膚や舌から得た情報を、それぞれ別々ではなく情報をいろいろくらべつつあわせて処理しているためです。 たとえばかき氷シロップはじっさいは砂糖の味しかしないのに、見た目や匂いにだまされて味があると勘違いしてしまうというのがあります。
参考文献
新美 亮輔、横澤 一彦 反応時間 脳科学辞典 https://bsd.neuroinf.jp/wiki/反応時間
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