【ペルム紀の生物】ディプロカウルス – ブーメラン形の頭は、風洞で翼として測られた

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ディプロカウルスは、ペルム紀前期の北アメリカの川や沼にいた両生類です。頭の後ろの左右が角のように大きく張り出し、上から見るとブーメランの形をしています。この頭が何のためのものだったかは20世紀の初めから議論が続き、1980年には流体力学の研究者が、実物大の頭の模型を風洞に入れて調べました。

姿と暮らし

ディプロカウルスの体は平たく、胴と尾は長く、脚は短く小さなものでした。眼は頭の上面の前寄りに、上を向いて付いています。尾は縦に平たく、泳ぐときの推進力を生んだと考えられています。ブーメラン形の頭の左右の張り出しは、頭骨の後ろの角の骨（板状骨）が横と後ろに大きく伸びたものです。

ディプロカウルス属は、1877年にアメリカの古生物学者エドワード・ドリンカー・コープがイリノイ州の化石から命名しました。最もよく知られるディプロカウルス・マグニコルニスは、コープが1882年にテキサス州の化石から名付けた種です。テキサス州北中部のペルム紀前期の赤い地層（クリアフォーク層群など）からは、ほぼ全身のそろった化石が多数見つかっています。テキサス州のペルム紀前期の地層からは、背中に帆をもつ単弓類のディメトロドンも見つかっています。

多数の頭骨を大きさの順に並べた研究から、ディプロカウルスの頭の形は成長とともに大きく変わったことが分かっています。若い個体の頭の張り出しは小さく、ブーメランの形がはっきりするのは成長してからです。

ブーメラン形の頭は、風洞で翼として測られた

ディプロカウルスの頭の役割について、これまでに多くの案が出されてきました。外にむき出しになったえらを守るため（ウィリストン、1917年）、頭の重さのつり合いをとるため（ダウティット、1917年）、泳ぐためと身を守るため（オルソン、1951年）、水中で姿勢を安定させる重りや呼吸のため（ビアバウアー、1963年）などです。平たい体と上向きの眼から、川や沼の底でじっとしていた生き物だとも考えられていました。

1980年、南アフリカのウィットウォーターズランド大学で流体力学を研究するベリック・スキューズは、古生物学者のアーサー・クルックシャンクと共同で、頭が水の中で翼として働いたかを調べました。シカゴのフィールド自然史博物館から提供された化石の型をもとに、鼻先から首の関節まで11.8cm、左右の角の先端まで35cmの実物大の頭の模型を作り、風洞で揚力、抗力、首の関節を軸に頭を上下に回そうとする力（ピッチングモーメント）を測りました。水中で秒速0〜3mで泳いだと仮定し、水と空気の性質の違いを補うため、風洞の風速は秒速約50mにしました。

測定の結果、頭がわずかに下を向いた角度で、揚力と頭を回そうとする力がともにゼロになり、首の筋肉にほとんど負担がかかりませんでした。また、揚力の働く点が首の関節に対していつも同じ位置にあり、首の筋肉の張りは揚力の大きさにそのまま比例しました。2人は、この性質は底で暮らす動物よりも、水の中層で餌をとる動物に合うと結論しました。旅客機の後退翼に似た頭の形は、水中翼として理にかなっていたことになります。

スキューズは2016年、胴の模型も加えて頭と胴の両方の角度を変えた測定を行いました。体は少し角度が変わるとさらに大きく傾こうとする「不安定」な性質をもっていて、これは素早く向きを変えられる、機動性の高い形の特徴です。重さと浮力を推定して計算に加えると、頭を約5度上に向けたとき揚力と重さがつり合い、抵抗もほぼ最小になりました。流れの中で尾を動かして位置を保ちながら、頭の角度を変えるだけで素早く浮き上がったり沈んだりできたことになります。スキューズは、体の密度の分布や、胴の縁に皮のひだがあったかどうかは化石から分からないため、はっきりした結論は今後の資料しだいだとしています。

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出典

Cruickshank, A. R. I. & Skews, B. W. (1980). The functional significance of nectridean tabular horns (Amphibia: Lepospondyli). Proceedings of the Royal Society of London. Series B 209, 513–537. https://doi.org/10.1098/rspb.1980.0110

Skews, B. W. (2016). Hydrodynamics of an Extinct Amphibian. Journal of Applied Fluid Mechanics 9(6), 2899–2903. https://doi.org/10.29252/jafm.09.06.25634

Rinehart, L. F. & Lucas, S. G. (2001). A statistical analysis of a growth series of the Permian nectridean Diplocaulus magnicornis showing two-stage ontogeny. Journal of Vertebrate Paleontology 21(4), 803–806. https://doi.org/10.1671/0272-4634(2001)021[0803:ASAOAG]2.0.CO;2