ペンギンはなぜよちよち歩くのか：省エネ歩行の生物力学

ペンギンが歩く姿は、ずっと転びそうに見えます。

この直感は、あまり信用できません。2000 年、Griffin と Kram は Nature に短い論文「Penguin waddling is not wasteful」（DOI: 10.1038/35050167）を発表し、ほぼ反対の結論を出しました。揺れは無駄ではありません。揺れは節約なのです。

力板の上のコウテイペンギン

研究チームは 5 羽のコウテイペンギン（Aptenodytes forsteri）を力板の上で歩かせ、垂直、前後、左右方向の力を測りました。ペンギンは一歩ごとに体の重心を左右へ動かすので、見た目には余計な道を回っているように見えます。

外見だけで判断すると、この左右の揺れは力を捨てているようです。

力板のデータは違うことを示しました。ペンギンは運動エネルギーと位置エネルギーを互いに変換していて、逆さまの振り子のように動いています。

体が片側へ持ち上がると位置エネルギーを蓄え、次の一歩でそれを戻します。当時 Scientific American がこの研究を紹介したとき、コウテイペンギンは一歩ごとに約 80% のエネルギーを回収できると書いていました。かなり高い数字です。

本当に高くつくのは短い脚

同じ距離を歩くとき、ペンギンの代謝コストは同じ体サイズの陸上動物のおよそ 2 倍です。初期の直感は、その帳尻を「揺れ」に押しつけていました。Griffin と Kram は、責任を脚の長さへ移しました。

短い脚では、足裏が地面に接している時間が短くなります。そのため筋肉は、体を支えて前へ送るために素早く力を出さなければなりません。ここがコストです。

短い脚は悪い設計ではありません。泳ぐこと、保温すること、南極の海氷上で立つことには、短く後ろ寄りの脚に価値があります。

ペンギンは陸上ランナーではありません。体の主な仕事は水中生活です。陸地は、抱卵、換羽、上陸して巣へ戻るときに渡らなければならない細い橋のような場所です。

揺れは折り合いをつけたあとの補修

この話を進化の中に置くと、ペンギンの歩き方はそこまで笑えるものではなくなります。

翼は水を押すフリッパーになり、体は流線型の潜水器のようになり、脚は後ろ寄りに収まっています。こうした特徴は海の中で効率を上げ、ペンギンが飛べなくなった進化と同じ体の作り替えにも属します。同時に、陸上ではニワトリやカモのように歩くことを難しくします。

左右の揺れは、短い脚の体ができる補修です。少し揺れて、重心を上げる。足を替えるときに、その一部を回収する。ペンギンの歩き方が揺れるのは、今ある体の条件の中で損失を下げているからです。

氷の上から海へ見返す

Ren と Hutchinson が 2008 年にペンギン歩行の安定性を議論したときも、歩幅、歩隔、左右移動を比較の枠に入れていました。歩くことは省エネだけではありません。転ばないことも必要です。卵を抱えていたり、換羽中の体を引きずっていたりするペンギンにとって、安定そのものがコスト管理です。

だから問うべきなのは、ペンギンはなぜこんなに不器用に歩くのか、ではないと思います。

もっとよい問いは、水中生活へここまで作り替えられた体が、陸上ではほかにどう動けるのか、です。答えが、あの揺れる一歩です。

References

• Griffin & Kram, 2000, Nature, DOI: 10.1038/35050167.
• Pinshow, Fedak & Schmidt-Nielsen, 1977, Science, penguin locomotion energetics.
• Ren & Hutchinson, 2008, Journal of Theoretical Biology, penguin gait consistency.
• Gatesy, 1999, Journal of Morphology, hind limb mechanics.