昆虫の育ち方、完全変態と不完全変態

 よく歌詩で「さなぎが蝶になるように...」とあるが、昆虫はそれはそれは見事に変身する。あのイモムシが美しい蝶になると最初から気づく人はおるまい。

 昆虫は、卵から孵化すると、幼虫と呼ばれる形態となる。幼虫が、生殖能力を有する成虫になる過程で「変態」を行う。ただし、原始的な種類には変態をしないものもある。

 昆虫は他の動物と違って、チョウやガのように、さなぎの時期があるものもいるし、バッタのように親にたいへんよく似た子虫が、たまごからかえるものもいる。この違いにより、昆虫の変態は完全変態と不完全変態とに大きくわけられる。



 完全変態は、チョウ、ハチ、ハエ、甲虫などが該当する。これらは、昆虫類の中でも、二畳紀以降に出現した進化の進んだ種族と考えられる。カラタチやミカンの木にはよくアゲハチョウがたまごを生みにくる。

 葉の裏に生みつけられたアゲハチョウの黄色いたまごからは、1週間も経つと小さな虫がかえる。この虫は、カラタチやミカンの葉を食べながら何回も脱皮をして、ついには大きな緑色のいも虫となる。

 いも虫は、やがて木の枝やへいの上で細い糸で体を支え、もういちど脱皮をして奇妙な形のさなぎ(蛹)になる。さなぎのあいだは、食物もとらず、じっとしているが、体の中では、大きな変化が起こりチョウの体をつくりあげている。

 たまごが生みつけられてから、1か月めぐらいで、さなぎから美しいチョウ(親)が出てくる。チョウになると、もう変態はしない。私たちが、うじ・いも虫・毛虫と呼んでいる昆虫の子どものことを幼虫、チョウ・ガ・ハチなどのような親虫を成虫と言うが、たまごから成虫になるまでに、アゲハチョウのように、たまご→幼虫→さなぎ→成虫という変態のしかたをするものを完全変態と言う。

 不完全変態は、バッタ・カメムシ・セミなどで、完全変態の昆虫と違って、たまごからでたばかりの子虫は、羽根がないことと形がたいへん小さいことをのぞけば親虫とよく似ている。たとえば、たまごからかえったばかりのカマキリの子どもでも、みなさんは、ひと目でカマキリとわかる。

 これらの昆虫の子虫は、何回も脱皮をして成長し体の中で羽根ができあがると、最後の脱皮をして親になる。このように、さなぎの時代を通らないで子虫からすぐ親虫になる変態を不完全変態と言う。

 また、トンボは気管という細い管で呼吸しているが、子虫のヤゴはえらで呼吸している。しかし、トンボにもさなぎの時代がないから、バッタやセミと同じ変態をする。これらの不完全変態をする昆虫の子虫のことを、とくに若虫と呼んで、完全変態の昆虫の幼虫と区別することがある。

 変態をしない昆虫もいる。シミ・トビムシなどのような、羽根のない下等な昆虫では、たまごからかえったばかりの子虫でも親と同じような体つきをしている。これらの子虫は変態せずに体がどんどん大きくなるだけで親になる。これらの虫の育ちかたを、無変態と言う。


 カブトムシの角が短時間で出現する仕組みを解明

 今回、名古屋大学は、同大大学院生命農学研究の後藤寛貴特任助教らの研究グループが、巨大なカブトムシの角が、幼虫から蛹(サナギ)になる際に短時間で現れる理由に関して、カブトムシは角を「小さく折り畳んだ状態」で形成しておき、脱皮時にそれを「一気に展開」するという二段階のステップにより角を作っていることを実験的に示したことを発表した。この成果は10月24日、英国のオンライン国際専門誌「Scientific Reports」に掲載された。

  カブトムシの幼虫の頭の中には、角の前駆体である「角原基」が存在しており、それは複雑に折りたたまれた袋状構造となっている。後藤特任助教らは、その複雑な袋状構造をコンピューターに再構築し、それを計算により膨らませるだけで、完全な蛹の形態が出現することを証明した。しかし、「膨らませた時に見事な三次元形になるしわしわ構造を折りたたんだ状態で作る」というプロセスが、どのように行われているかが謎であった。

 研究グループは、カブトムシの角を実験モデルとして研究を開始しました。 まずは、完成した原基が角へと変化する際に、折り畳みの展開以外の要因(細胞増殖や細胞移動、部分的な伸展や収縮など)が関わっていないかを検証した。通常、2時間を要する展開プロセスを人為的に1分に縮め、細胞が増殖する時間をなくしても原基はきちんと角の形状へと変化した。

 次に、ホルマリン固定した角原基でも角へ変化するかを調べたところ、原基は角の形状へ変化した。これにより、原基の細胞が生きていないとできない細胞移動や能動的細胞変形は、原基から角への変化には関わらないことがわかった。

 最後に、実際の角原基を元にコンピューター上にバーチャル角原基を作成し、このバーチャル角原基を表面が伸展・収縮しないような条件のもとに、コンピューター上で展開させたところ、原基はきちんと角の形状へと変化した。

 これらの実験結果より、角原基から角への変化は、既に形成された折り畳みを物理的に展開するという単純なプロセスであると結論付けられたとしている。また、角原基の折り畳みしわパターンを詳しく観察すると、角原基の場所ごとにしわの方向性や深さなどに違いがあり、それぞれのしわをバーチャル化してシミュレーション上で展開させると、しわパターンごとに異なった形状に展開された。

 これらのことから、原基の形成過程で適切な位置に特定の折り畳みしわパターンを形成すれば、あとはそれを物理的に展開するだけで、三次元形態を作ることができるといえる。

 研究グループは今後、原基の形成過程で局所的な折り畳みしわパターンを形成するプロセスを研究していくことで、「折り畳みと展開」を通した三次元形態形成機構が明らかになっていくことが期待されるとしている。


参考 マイナビニュース: http://news.mynavi.jp/news/2017/11/01/215/


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