夏の夜、どこからともなく聞こえてくるコオロギの涼しげな鳴き声。私たちにとって馴染み深いこの音色が、実は何百万年も前の地球の音を解き明かす鍵になるかもしれません。もし、博物館に眠る古い標本から、まるで生きているかのようにその鳴き声を再現できるとしたら、驚きませんか？カナダの研究チームが、まさにそんな夢のような技術を開発しました。最新のコンピューター技術と昆虫の翅（はね）の秘密に迫る、興味深い研究の世界を覗いてみましょう。
ウェスタン大学の研究者たちが、保存されているコオロギの翅の物理的な形状に基づき、その鳴き声を再構築する革新的な方法を開発しました。この研究は、保存標本からの測定値と計算モデリングを駆使したものです。この新しい最良規範は、2025年7月30日に学術誌Royal Society Open Scienceで発表されました。研究を主導したのは、ウェスタン大学生物学教授であり、無脊椎動物の神経生物学におけるカナダリサーチチェアを務めるナターシャ・マハトレ博士（Natasha Mhatre）と、彼女の研究室に所属していた3人の元学部生です。彼女の研究室では、昆虫やクモのコミュニケーションにおける生物物理学を調査しています。このオープンアクセスの論文は、「Reliable Reconstruction of Cricket Song from Biophysical Models and Preserved Specimens（生物物理モデルと保存標本からのコオロギの歌の信頼性の高い再構築）」と題されています。
今回の新しい研究で、マハトレ博士とその共同研究者たちは、これまでの試みよりもコオロギの実際の物理的特徴に忠実な、新しいコンピューターモデリング手法を詳述しています。この新モデルは、モデルの基になっていない新しい翅であっても、その正確な振動パターンを予測することができます。
マハトレ博士のような科学者たちは、進化の歴史や遺伝学をより深く理解するために、しばしば保存標本を利用します。しかし、絶滅したり死んだりした鳥類や、人間を含む哺乳類がかつてどのような音を出していたかを再現するのは複雑です。これらの生物は、脳によって複雑に制御される声道を用いてコミュニケーションをとります。しかし、そのどちらの構造も軟組織でできているため、化石として残ったり痕跡を残したりすることは滅多にありません。ところが、コオロギは文字通り、そして比喩的にも、全く異なる方法で鳴くのです。
コオロギの鳴き声は、実は発声によるものではなく、前翅の中にある振動の仕組みによって生み出されます。後翅の前方に位置するこの硬く革のような翅は、コオロギの体を保護する盾として機能します。また、鳴き声を出すために必要な、特殊で硬化した微細構造も備えています。（その硬さゆえに、前翅は化石や博物館の標本として良好な状態で保存されます。）最も重要なのは、コオロギの前翅の中にある翅脈のパターン、つまり脈の配置が、その鳴き声の周波数、すなわち音の高さを決定するということです。
「コオロギの各翅には翅脈のパターンが走っており、これが鳴き声を生み出す上で構造的に極めて重要です」と、ウェスタン大学理学部の教授であるマハトレ博士は述べています。「これらの翅脈の一部は、翅を振動させて音を出す力を生み出すために使われます。また、他の翅脈は翅の局所的な領域を硬化させ、特定の周波数で振動する共鳴構造を発達させるのです。」
コオロギの周波数は？
長年にわたり、マハトレ博士をはじめとする世界の神経生物学研究コミュニティは、生物音響学（生命体が生み出す音を研究する学問）と有限要素モデリング（微分方程式を数値的に解くための手法）を用いて、翅の振動と音の生成を予測することを主な目標として、コオロギの鳴き声を理解しようと試みてきました。博物館には何千ものコオロギの翅が保存されており、その進化的関係も明確に解明されているため、彼らの音を予測するこの戦術は、信号の進化の謎や、地球上で最初の音のいくつかがどのように聞こえたかを解き明かすための完璧な道筋となります。
実際、マハトレ博士と彼女の共同研究者たちは、2012年に学術誌PNASで発表された画期的な研究で、その謎を解明したと考えていました。その研究では、いくつかの単純な仮定を用いてコオロギの翅の計算モデルを開発しました。
「コオロギの前翅には翅脈が高密度に存在するため、私たちのモデルでは翅のこれらの部分を事実上動かないものとして扱いました。そして、このアプローチは10年以上にわたって使われ続けてきました」とマハトレ博士は言います。「しかし、このアプローチにはずっと気になる点がありました。」
2012年のPNASの論文を含む以前の研究での問題点は、モデル化されたコオロギの翅が、自然界で翅が付け根で関節しているのとは異なり、翅脈が高密度な複数の点で「固定」されていたことでした。これは研究を単純化しましたが、技術的には、これらの翅の部分は自由に動くことができるため、コンピューターモデルは直接的な表現にはなっていませんでした。
「また、コオロギの翅の翅脈において、何が本当に『高密度』を意味するのかを決定する客観的な手段もありません。これは、これまで測定したことのない、異なる翅脈を持つ新しいコオロギを扱う場合に問題となります」とマハトレ博士は述べます。
今回の新しい研究で、マハトレ博士と共同研究者たちは、コオロギの実際の物理的特徴により忠実で、翅を本来あるべき姿で固定するコンピューターモデリング手法を開発しました。
Teleogryllus oceanicus（一般的にはオーストラリアコオロギやタイヘイヨウマダラコオロギとして知られています）に基づいたこの新モデルは、単純化された仮定なしに、コオロギの前翅の正確な振動パターンを予測できるようになりました。特別に設計されたり調整されたりしていない、新しい翅の挙動さえも予測できます。
著者たちは次に、コオロギの鳴き声を再構築するために用いられるもう一つの方法、すなわち保存標本の使用に取り組みました。彼らは、博物館の標本のような乾燥保存されたコオロギの前翅は、生きているコオロギと非常によく似た振動パターンを持つものの、間違った周波数で共鳴することを示しました。これは、翅の素材が乾燥するにつれて硬くなるためです。しかし、翅を水で湿らせるか、コンピューターモデルでこの剛性を人為的に下げるだけで、正しい周波数を回復できることを発見しました。
「私たちは、計算モデリングと保存標本を用いて、形態からコオロギの音響機能を再構築するための、より信頼性の高い方法を開発しました」とマハトレ博士は述べています。
マハトレ博士は、この新しいモデルでセント・アンドルーズ大学の共同執筆者ネイサン・ベイリー氏（Nathan Bailey）と協力しました。この研究は、COVID-19パンデミックの初期にまで遡ります。長年の共同研究者である彼らに、当時マハトレ博士の学部論文指導学生であったサラ・デューク氏（Sarah Duke）、ライアン・ワイナー氏（Ryan Weiner）、ガブリエラ・シモネリ氏（Gabriella Simonelli）の3名が加わり、全員が本研究の共著者として名を連ねています。
