ダーウィンの実験を裏庭で再現

生物学者のジェームズ・T・コスタは、進化論につながるダーウィンの実験の一部を再現しました。 裏庭で快適に試すことができます。

以下は、ジェームズ・T・コスタ著『ダーウィンの裏庭』からの抜粋です。

ダーウィンの「種子の塩漬け」実験の目的は、第一に、種子が塩水にさらされた後、どのくらいの期間その生命力を維持できるか、第二に、種子が塩水にどれだけ浮くのと沈むことができるかを決定することだった。 彼は、園芸野菜、一般的な雑草、熱帯植物​​など、多くの種の種子を使用して、この実験のいくつかのバージョンを実行しました。

A. 材料

塩水: 実験の規模に応じて、1 ～ 10 ガロン (3.8 ～ 38 リットル) の塩水を準備します。 私たちは海水を近似することに興味があります。 ダーウィンと同じように、市販の塩とミネラル製剤を使えば簡単に人工海水が作れます。 塩混合物は、多数のオンライン水族館用品小売業者のいずれかから (Oceanic Systems, Inc. の Instant Ocean® および Natural Sea Aquarium Salt Mix は安価なブランドです)、または地元のペット ショップや水族館用品店から購入できます。 または、次のレシピを使用して自分で作ります。

3 ガロン (11.4 リットル) の真水ごとに、次のものを溶かします。

このような化学物質と鉱物の混合物は、淡水に海水のあらゆる性質を与え、海洋生物にとって適したものにします。 魚を飼育するために海水水槽を設置する場合は、使用する淡水の塩分濃度と水質に注意を払う必要があります。 種を海水に浮かべているだけなので、心配する必要はありません。 ちなみに、海の近くに住んでいる場合でも、海水には藻類やその他の微生物が多く含まれており、これらの微生物が死んで腐敗して水を汚してしまうため、人工塩水を使用することが望ましいです。

B. その他の素材

ダーウィンの裏庭: 小さな実験がどのようにして大きな理論につながったのか

2. 種子の状態を毎日記録し、各容器ごとにまだ浮いている種子の数と沈んだ種子の数を記録します。 ダーウィンが一定の間隔で種子を除去して、塩水に長期間さらした後にどれだけ生存できるかを確認したように、これは無期限に継続することもできますが、ほとんどの人にとっては、一定期間実験を実行する方が現実的です。 2週間、3週間など、お好みに合わせてください。 各種子種の複製を含む大規模なグループでは、たとえば 1 週間の曝露後に種ごとに 1 つの複製を収穫し、2 週間後に 2 番目の複製を収穫することもあります。あるいは、記述的な情報を得るために、すべての複製を同じ期間浮遊させることもできます。レプリケート間のシードのパフォーマンスに関する統計。

3. 実験のために決定された期間の終了時に、種ごとに浮いている種子と沈んだ種子の数を記録します。 まず、スプーンを使って各容器から浮いている種を取り除きます。種が沈まないように注意してください。 次に、それぞれの種を別々に保ち、各種のまだ浮いている種と沈んだ種を分けて、沈んだ種を回収します。 種子を真水ですすぎ、次の 2 つの方法のいずれかを使用して種子を植えます。

ペーパータオルで拭く方法。 フローターとシンカーは魚種ごとに別々のディッシュを使用してください。 皿の底にペーパータオルを1枚置き、水を含ませて種を置きます。 2枚目のペーパータオルに水を含ませ、一番下の部分の上に置き、種子を覆います。 皿に蓋をして水分を閉じ込めます。 すべての皿にラベルが付いていることを確認してください（種類、フローターかシンカーか、日付）。

土壌法。 発芽フラットの隣接するユニットに各セットを慎重に植えます。 （フラットに個別の植栽ユニットがない場合は、ひもを使用してフラットをグリッドで囲みます。）各種の浮遊種子と沈降種子を別々に植えます。 必要に応じて繰り返し、水をかけ、ラップでフラットまたはカップを覆います。

4. すべての種子を植えたら、皿、発芽フラット、またはカップを間接日光 (直射日光ではなく) または成長ランプにさらします。 毎日監視し、各カテゴリ (種、浮いている種子と沈んだ種子など) の発芽数を記録します。

それぞれの種とそれぞれの海水暴露時間 (1 週間、2 週間など) を記録します。

(a) 浮いている種子の発芽と非発芽の数と割合(b) 沈んだ種子の発芽と非発芽の数と割合

5. この実験の終了時に、実験期間中に沈んだ種子と浮いたままになった種子の割合、および各カテゴリの発芽した割合を記録してデータを表にまとめます。 この結果は、ダーウィンの最初のパズル「種はどのようにして離島に定着するのか?」に遡ることができます。 ダーウィンにヒントを得た私たちの実験から、浮力と海水中での生存率に関連する 2 つの結論を引き出すことができます。 まず、いくつかの種の種子は長期間浮遊したままになります。 実験の期間はどれくらいでしたか、その間に流れによってどのくらいの距離まで運ばれる可能性がありますか? ダーウィンはフッカーへの手紙の中で、「多くの海流は時速1マイル進む。1週間でさえ268マイル運ばれる可能性がある。湾岸流は1日に50マイルと60マイル進むと言われている」と指摘した。 実際、これはいくつかの海流にとっては過小評価である可能性があります。推定最大表面速度が時速 5.6 マイルであるメキシコ湾流は、浮遊種子を 1 日あたり 130 マイル以上運ぶ可能性があります。 これを計算してみてください。

6. 沈んだ種は、ダーウィンの目的にとってあまり有益ではないように思えるかもしれません。 しかし、それらはまた、種子が浮いているか沈んでいるかにかかわらず、塩水にさらされた後にどの程度生存できるかを示すという洞察を提供します。 浮いている種子と比較して、沈んだ種子の発芽した割合は何ですか?

多くの離島で淡水巻貝が発生していることに衝撃を受けたダーウィンは、海と空、つまり浮遊やラフティング、あるいは鳥による空輸による輸送を検討しました。 実験の結果、淡水カタツムリは海水では長く生きられないことが判明したため、代わりにカタツムリを持ち上げることにしました。 水鳥は水生カタツムリを運ぶことができますか? カタツムリや他の生き物は、特にアヒルが眠っているときに、足を水の中にぶら下げてアヒルやガチョウの足に乗ってくることがあります。 これを検証するために、ダーウィンは「カタツムリ館」、つまりあらゆる年齢の淡水産カタツムリを飼育する水槽に目を向け、その中に乾燥したアヒルの足をぶら下げました。 彼はすぐに、数匹の若いカタツムリが船に登っていることに気づきました。 彼らはどれくらい耐えられるでしょうか？ 彼が後に『起源』に書いたように、「これらの孵化したばかりの軟体動物は、本質的には水生であるにもかかわらず、湿った空気の中で 12 時間から 20 時間の間、アヒルの足の上で生き延びた。そしてこの長さの時間の間に、アヒルやサギは少なくとも飛ぶかもしれない」 600マイルか700マイルで、もし海を渡って海の島か他の遠くの地点に飛ばされたら、間違いなくプールか小川に降り立つだろう。」 これはダーウィンが誇りに思うであろうアヒルの足の実験です。 私たちが構築するモデルアヒルの足にどれだけの水生生物が定着するか見てみましょう。

A. 材料

[「ジュラシック・パーク」の科学にインスピレーションを与えた古生物学者を紹介します。]

B. 手順

アヒルの足のモデルを作成します。

1. ここに示されているスケッチをテンプレートとして使用するか、自分で作成したスケッチを使用して、アヒルの足の水かき部分をシミュレートするために使用される布地またはその他の素材にアヒルの足の輪郭をトレースします。

2. ナイフまたは釘を使用して、ピンポン球の反対側にダボを挿入できる十分な大きさの穴を慎重に開けます。 ダボをボールに挿入し、ボールの一端 (「上部」) が約 1 インチ (2 cm) 突き出るようにします。

3. ダボをボールに固定し、ボールと接触するダボの周りにシリコンまたはゴムセメントを少量塗布して、水漏れを防ぎます。 コルクを使用する場合は、一方の端に約 1/4 インチ (0.6 cm) の深さの穴を開け、ダボの一方の端をしっかりと差し込みます。

4. 画鋲を使用して、アヒルの「足」自体をダボの長い方の端 (「脚」) の基部に固定します。 (注: それぞれ足の素材が異なる複数のモデルを作成することができます。その後、付着生物におけるさまざまな素材の有効性を比較できます。)

5. 目的は、モデルのアヒルの足を水中に浮かべ、脚と足を水柱の中にぶら下げることです。 ダボレッグ自体には浮力があるため、ダボレッグを固定するカーペットタックのシャフトに小さな釣り用の重りを取り付ける必要がある可能性があります。 アヒルの足のモデルを水 (水族館または満たされたシンク) に十分に深く入れて、脚が直立し、足が下になるようにテストします。 必要に応じて追加のタックルウェイトをベースに取り付けて、モデルを直立させます。ただし、モデルが完全に沈むほど重量を追加しないように注意してください。 重量のバランスが取れたら、アヒルの足を展開する準備が整います。 釣り糸や軽い紐などを画鋲などで上部に取り付けることができます。

[進化はあなたが思っているよりも早く起こります。]

モデルのデプロイ:

2. アヒルの足モデルを少なくとも 2 ～ 3 日間池に浮かべます (期間は無制限です)。 モデルを回収するときは、水から引き上げた直後にモデルを受け取ることができるように、受け皿または密封可能な袋を用意してください。 余分な水を溜めず、足を水から直接鍋や袋に移してください。 自宅では、新鮮な水を満たした噴出ボトルを使用して、水かきのある「足」を鍋の上で慎重に洗い​​流します。

3. 虫眼鏡や解剖顕微鏡を使用して、植物や動物の痕跡がないか足を検査します。 同様に、鍋の水のサンプルは、解剖顕微鏡で観察するために、ピペットまたはバスターを使用してペトリ皿または同様の物体に移すことができます。 原生生物や藻類などの一部の小さな生物を瓦礫から区別するのは難しいかもしれませんが、注意深く観察するとその構造が明らかになり、原生動物が絶えず動き回っていることがわかります。 昆虫の幼虫や小さなカタツムリなど、より大きな生物は明らかであるはずです。 観察された生物を記録し、その数を数えたり推定したりしてください。

4. この実験の実行時間は、数日から数週間、あるいはそれ以上まで柔軟です。 多数のコピーを使用すると、モデルを一度に数個ずつ、たとえば 1 ～ 3 か月にわたって 1 週間間隔で取得して分析できます。 足に付着する微生物の数と多様性は、個々の「アヒル」とグループ全体について表にまとめられます。 複数のダック フィートを導入している場合は、時間の経過に伴う結果をグラフ化したり、異なるフット素材からの収量をグラフ化したりできます。 入植者を惹きつけるのに効果的な素材はありますか? 生物の種類や存在量は物質ごとに異なり、物質ごとにグループが異なるほど豊富になるのでしょうか?

ジェームズ・T・コスタ著『ダーウィンの裏庭』より。 © 2017 ジェームズ T. コスタ著。 発行者である WW Norton & Company, Inc. の許可を得て使用しています。無断複写・転載を禁じます。

James Costa は、『Darwin's Backyard: How Small Experiments Led to a Big Theory』（WW Norton & Company、2017 年）の著者です。 彼はハイランド生物学ステーションの所長であり、ウェスタンカロライナ大学の生物学教授でもあります。 彼はノースカロライナ州カロウィに拠点を置いています。