第62回入賞作品 中学校の部
文部科学大臣賞

飼育温度とカブトムシの成長 パート7、休眠を考慮した有効積算温度の推定

文部科学大臣賞

茨城県土浦日本大学中等教育学校 2年
茨城県土浦日本大学中等教育学校 2年
池田 拓実
  • 茨城県土浦日本大学中等教育学校 2年
    池田 拓実
  • 第62回入賞作品
    中学校の部
    文部科学大臣賞

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研究の動機と目的

 近くの公園で偶然、数匹のカブトムシの幼虫を見つけた。家に持ち帰り、個体によって場所を変えて飼育をすると、それぞれ羽化日が異なっていた。このことをきっかけに、飼育温度がカブトムシの成長に及ぼす影響を調べる自由研究を始め、今回が7年目になる。これまでの研究から、高温下で幼虫を育てると、オスよりメスのほうが早く羽化する、羽化ずれが起きることがわかった。
 この研究の目的は最終的に、温暖化がカブトムシに及ぼす影響を明らかにすることだ。温暖化が進むと、羽化ずれによってオスとメスが出会えなくなる可能性がある。実験で飼育温度と幼虫の発育の関係を明らかにし、温暖化がカブトムシに及ぼす影響を検証したい。

過去の研究と今回の研究

パート6までの研究

 小学1年の研究では、家の1階、2階、屋外でそれぞれオスの幼虫を育てた。その結果、冬の気温が高いほど羽化する時期は早まり、成虫の体が小さくなることがわかった。しかしメスでも同じことが起きるのか、その時はわからなかった。
 翌年は冬にヒーターを使って気温を上げた状態でオスとメスの幼虫を育て、成長を観察した。その結果、高温下ではメスも羽化が早まり、成虫の体が小さくなることが確かめられた。しかも、オスよりメスのほうが2か月も早く羽化することがわかった。
 4年生の研究では冬に冷蔵庫で気温を下げ、オスとメスの幼虫を飼育してみたが、成長に違いはなかった。ヒーターで春の期間だけ気温を上げると、室温で育てた幼虫よりは早く羽化したが、オスとメスでの羽化ずれは起こらなかった。
 その翌年、ヒーターで秋から春まで高温にした飼育箱では、オスよりメスの羽化が早まり、羽化ずれが起きた。このことから、羽化ずれは秋から翌春にかけて、長期的に高温状態が続くことで引き起こされると考えられた。冬の気温が20℃を超えると、メスの羽化がオスより2週間早まる羽化ずれが起こったが、2週間のずれでは後に産卵も孵化も正常に行われた。

カブトムシの発育ステージ

 中学1年の前回の研究では、高温下に羽化ずれが起きる理由として次の3つの仮説を立て、検証した。

体温仮説(体温の雌雄差)
孵化時期仮説(孵化時期の雌雄差)
有効積算温度仮説(有効積算温度の雌雄差)

 その結果、有効積算温度仮説だけが正しいことがわかった。昆虫が発育をとげるためには、発育に有効な一定の温度(有効な温度の時間積分)が必要とされ、それを有効積算温度の法則と呼ぶ。オスよりメスのほうが羽化に必要な有効積算温度が小さいため、高温による羽化ずれが起こるのだと考えられた。
 昆虫の飼育温度と発育の関係は、有効積算温度を使って研究されることが多い。しかし、カブトムシは3齢幼虫期に越冬し、休眠することが知られている。多くの動植物に見られる休眠は、成長を一時停止して冬期や乾期の過酷な環境に耐える生態で、各個体の発育を揃える働きもある。カブトムシのように休眠する昆虫は、休眠によっても発育する時期が調整されている。仮に高温で休眠による発育の調整が正常に行われないのであれば、それが原因で羽化ずれが起こる可能性がある。
 そこで今回は、有効積算温度と休眠が発育に及ぼす影響を明らかにするため、次の研究を行った。
研究1:有効積算温度の推定法の違いによる影響を検証
研究2:発育ステージによる有効積算温度の違いを検証
研究3:休眠の誤作動仮説の検証
研究4:休眠を考慮した有効積算温度の推定

研究1の方法と結果

研究1の目的と方法

 幼虫の有効積算温度はパート5の研究まで、発育データを使っておもに「回帰式」で推定していた。しかし前回パート6の研究では「連立方程式」で推定した。
 前回、過去4年間の保温期間全体(3齢幼虫から羽化するまで)の温度データを使い、連立方程式で計算した結果、発育ゼロ点(気温が高すぎると昆虫は発育できなくなる。発育が停止する限界の気温、T0)が2017年を除いて負の値(−11~-103℃)になった。文献(竹谷・具志堅1985)でカブトムシの近縁種タイワンカブトムシの発育ゼロ点を確かめると、どのステ-ジでも正の値(14~15℃)だった。負の値では、何かが間違っている。そこで、連立方程式による推定値が従来の回帰式の推定値と変わらず、信頼できるかを確かめることとした。
 有効積算温度は一般に、次の式で表される。
 D(t-T0)=K
 Dは温度tでの発育日数(日)、tは飼育温度(℃)、T0は前述の発育ゼロ点(℃)、求められるKが有効積算温度定数(℃・日)だ。
 回帰式での有効積算温度の求め方は、まず昆虫を異なる一定温度で飼育し、各温度区で発育日数Dの逆数(発育日数)と、飼育温度tを調べる。調べた数値から発育ゼロ点T0と有効積算温度定数Kを求めるがこの時、回帰式の傾き(変化の割合を表す値)をa、切片(原点ゼロからの距離を表す値)をbとし、回帰式を1/D=at+bとすると、T0とKは次の式で表される。
 T0=-b/a
 K=1/a
 対して連立方程式での求め方は、高温と室温とで飼育した昆虫のデータを調べ、それぞれの温度区で有効積算温度の式を考える。ふたつの式を連立させ、発育ゼロ点T0と有効積算温度定数Kを求める。
 T0=(DL・tL−DH・tH)/(DL−DH)
 K=DH・DL(tH−tL)/(DL−DH)
 ここでDHは高温区での発育日数(日)、DLは室温区での発育日数(日)、tHは高温区の日平均気温(℃)、tLは室温区における日平均気温(℃)だ。
 今回の研究では、パート6と同じ2017〜2020年の保温期間全体のデータを使い、従来の回帰式で雌雄別に、それぞれの年の発育ゼロ点T0と有効積算温度定数Kを求めた。回帰式の傾きはSLOPE関数で、切片はINTERCEPT関数で推定した。得られた推定値を連立方程式の推定値と比較した。

研究1の結果

 回帰式の推測値と連立方程式の推測値は発育ゼロ点T0、有効積算温度定数Kともによく一致しており、どちらの方法でも同じ値が得られていた。このことから、パート6の研究結果がそうだったように、保温期間全体の温度を積算しても発育ゼロ点T0と有効積算温度定数Kが正しく求められない場合、推定方法に問題があるのではなく、他に生物学的な理由があると予想できた。

研究2の方法と結果

研究2の目的と方法

 昆虫の有効積算温度を、卵期、幼虫期、蛹期、成虫期などの発育ステージごとに調べる研究は多い。前回パート6では3齢幼虫から羽化するまでの保温期間で有効積算温度を調べたが、発育ステージごとに推定すれば結果が変わるのかもしれない。今回は、2020年の発育データを基に、幼虫期(1〜3齢)、保温期間(3齢途中〜羽化)、前蛹期、蛹期の有効積算温度を推定することにした。
 幼虫期、保温期間、前蛹期、蛹期ごとに雌雄それぞれ発育日数を求め、同じ期間の温度データを使って回帰式で発育ゼロ点T0と、有効積算温度定数Kを推定した。

研究2の結果

表:研究2の結果

 発育ステージごとに得られた発育ゼロ点T0と有効積算温度定数Kの値を、近縁種タイワンカブトムシの値と比べてみると、3齢幼虫期を含む発育期に限って大きく異なっていた。3齢幼虫期は休眠して越冬する発育ステージであることから、休眠を無視して単純に温度を積算すると、誤った推定をしてしまうと考えられた。

研究3の方法と結果

研究3の目的と方法

 ここでは羽化ずれの原因が休眠にあるという「休眠誤作動仮説」を検証した。昆虫の休眠は日が短くなると始まり、休眠から覚めるには一定期間続く低温が条件になることが多い。パート6では、越冬期に長日で飼育したり、高温区の温度を20℃以上に設定したりした。各個体の発育を揃える休眠が正しく行われず、オスとメスとで発育の時期がずれた可能性がある。そこで、温度や日長を変えた幼虫の飼育実験で、その影響を確かめた。
 2020年9月、孵化した幼虫の体重を測り、オスを想定した体重の重い幼虫20匹と、メスを想定した体重の軽い幼虫20匹を選んだ。この時、両親が同じオスとメスが同数になるようにした。飼育マット(腐葉土)を敷いたガラスの飼育ビン(高さ13cm、475ml)40本を用意し、幼虫を1匹ずつ入れた。
 想定上の雌雄5匹ずつを1グループにし、「長日・高温区」「長日・室温区」「自然日長・高温区」「自然日長・室温区」と環境の異なる4つの飼育箱に並べて育てた。
 長日区の幼虫には、飼育箱を置いた部屋全体を60Wの白熱電球スタンド1個で毎日4時40分〜18時40分まで補光した。飼育箱へ光が入るように上面をガラス板でフタをしたが、箱内の照度は44.9Luxだった。自然日長には補光を行わず、長日とは別の部屋(隣)に飼育箱を置いた。自然日長区は飼育箱ケースと同じ発泡スチロール製のフタをしたが、箱内の照度は晴れた日の昼間で3.1Luxだった。
 また、高温区はヒーターで保温し、室温区は保温しなかった。マルチパネルヒーター(8W)の温度設定を最高にして使用したが、幼虫が死なないように気温が25℃を超えるとヒーターのスイッチが切れるようにした。
 体重変化で休眠の時期を推定するため、2週間に1回幼虫の体重を測定し、4週間に1回飼育マットを交換した。また、定期的に幼虫を観察し、蛹室を形成した日(前蛹化日)、蛹化日、羽化日を記録した。
 幼虫の休眠期間は体重変化のグラフから推定した。幼虫は9~10月に体重を増加させたが、11月になると体重はあまり増えなくなり、3月に入ると再び体重が増加するか、減少するかした。休眠期間は活動が停止するので、体重増加も止まるはずだ。そこで、11月以降に体重が一定になり始める体重測定日を休眠開始日とした。休眠が解除されると再び体重が増えるはずなので、体重が再増加する前の体重測定日を休眠解除日とした。体重が減少した場合は、体重測定が2週間ごとであったため体重の増加を見逃したと考え、体重だった最後の体重測定日から1回前の測定日を休眠解除日とした。

研究3の結果

 4つの飼育条件の雌雄ごとに体重と休眠開始日、休眠解除日の平均値を求め、特徴を考えることにした。
 幼虫の平均体重の変化は、性別や飼育条件で大きく異なった。秋から冬にかけての平均体重の変化は、オスがメスより長く増加し続け、体重変化が停止する期間は短かった。この傾向は室温区より高温区で顕著だったが、日長による体重変化の違いは、はっきりしなかった。発育速度としては室温区より高温区が、自然日長より長日が、オスよりメスが、前蛹化日がそれぞれ早かった。
 休眠については予想外に、日長の違いによる影響ははっきりわからなかった。ただ、次のような違いは確認できた。休眠を開始するのは、オスよりメスが、また高温区より室温区が早い。温度による休眠解除日の違いは明らかで、高温区のほうが室温区より早く解除された。休眠期間はオスよりメスが、室温区より高温区が短い。

高温・自然日長のオスの記録、左上から時計回りに幼虫(10月4日)、前蛹化(5月10日)、蛹化(5月17日)、羽化(6月4日)

 長日による休眠開始の遅れはほとんど確認できず、休眠は日長の影響を受けていなかった。高温区での休眠解除日の平均値もオスが2月25日、メスが2月24日と変わらず、高温区で発育のずれが生じるとする「休眠の誤作動仮説」は確かめられなかった。
 また、高温区より室温区の休眠期間が長いのも予想とは違った。一般に、昆虫は休眠が解除した後も気温などの環境条件が整うまで、形態形成や活動を「休止」することが知られている。室温区は低温になるので、休眠が解除してしばらく休止しているのかもしれない。室温区の休眠期間が長い理由は、体重変化で休眠と休止を見分けられないため、休止期間が含まれている可能性がある。室温区の休眠と休止を見分けることは、今後の課題だ。

研究4の方法と結果

研究4の目的と方法

 パート6の研究で有効積算温度を推定する時、気温がある温度を超えた時から積算し始めると、タイワンカブトムシに近い発育ゼロ点T0(11~19℃)が求められた。パート6で支持された有効積算温度仮説に休眠の要素を加えると、「幼虫は休眠期間中には温度を積算しないが、気温が一定温度を超えると休眠が解除されて温度を積算し始める」と言い換えられる。過去の研究では休眠期間を調べなかったので、休眠を考慮した有効積算温度を推定できていない。今回は休眠を考慮してカブトムシの有効積算温度を推定し、推定方法の正しさを検証したい。
 検証は研究3の飼育実験で得たデータを使い、回帰式で発育ゼロ点T0と有効積算温度定数Kを推定したのだが、条件をいくつか変えてみた。まず、孵化日、保温開始日、休眠開始日、休眠解除日の4日を温度積算の開始日に選び、それぞれの推定値を出した。休眠解除日から始める場合、室温区の休止期間をなしとありの2パターンで計算した。休止ありとした場合、休止は室温区だけに起こり、「休止する前の休眠期間は同じ日長の高温区と同日数」と仮定して、休止開始日を決めた。すると室温区の新たな休眠解除日(休止開始日)は、自然日長のオスで1月23日、自然日長のメス1月31日、長日のオスで2月13日、長日のメスで2月11日となった。
 次に、得られた発育ゼロ点T0と有効積算温度定数Kを使って2017〜2020年までの室温区の温度データから前蛹化日を推定し、現実の前蛹化日と比較することで、その正しさを検証した。

研究4の結果

表:研究4の結果

 幼虫期の発育ゼロ点T0と有効積算温度定数Kは、温度を積算する期間によって大きく異なっていた。T0やKがタイワンカブトムシの値とかけ離れている結果は、正しい推定ができなかったと考えられる。休眠解除日(室温区の休止を考慮しない)から温度を積算した結果も、オスのKが負の値、メスのT0が負の値であり、正しい推定ができなかった。
 室温区の幼虫は休止期間にも温度を感受して積算を開始しているだろうと考え、高温区は休眠解除日から、室温区は休止開始日から温度を積算した結果だけ、発育ゼロ点T0はオスもメスもタイワンカブトムシ(雌雄を分けていない)の値にとても近い値を示した。
 この時の有効積算温度定数Kはオスよりメスが小さかったので、休眠を考慮しても前蛹化に必要な有効積算温度はメスのほうが小さいことになり、発育のずれを引き起こす要因のひとつだと考えられる。
 また、休眠と休止を考慮して得た発育ゼロ点T0と有効積算温度定数Kを使って2017〜2020年の前蛹化日を推定した結果、現実の前蛹化日とは5~17日のずれがあった。しかし室温の幼虫は体重変化で休眠と休止を区別できないため、今回の推定はそれほど大きくは間違っていないだろう。以上のように休眠を考慮し、休眠が解除されてから(室温区の場合は休止が開始してから)温度を積算することで、カブトムシ幼虫の有効積算温度を正しく推定できると考えられる。このことは、休眠する他の昆虫にも当てはまるかもしれない。

結論と感想

 「休眠の誤作動仮説」は支持されなかった。また、短日条件で休眠が始まることは知られているので、長日条件で飼育すると休眠開始が遅れて発育も遅くなると予想したが、日長は休眠や発育に影響しなかった。休眠解除日から休止を考慮して温度を積算すると有効積算温度の値は改善され、オスよりメスのほうが小さい値を示した。羽化ずれを起こす要因のひとつは、休眠解除後の有効積算温度がメスのほうが小さいためだという結論を得た。
 休眠期間は3齢幼虫の体重で推定したが、メスの体重増加がいち早く停止したのに、オスは遅くまで体重を増加を続け、体を大きくしようとしていたのが面白かった。

指導について

土浦日本大学中等教育学校 宇佐神 潔

 小1の時に感じた疑問を大切にして研究を重ね、さらに生じた疑問を先行研究で調べ、仮説立てて研究を進めてきました。小5からは高温と雄・雌の羽化ずれの関係に着目して、温暖化による産卵数の減少に危機意識を持ち研究を進めています。今年の研究は、昨年度支持された有効積算温度仮説の再検証から仮説を立てて実験を行い、休眠解除後の有効積算温度が羽化ずれの一因となっていることを突き止めたものです。
 今回の受賞は、本人と父親が二人三脚で長年にわたり家庭で行ってきた研究が評価されたものと感じています。私は今年度に入り相談を受け、実験データをもとに、どのようにまとめれば分かりやすくなるかということを一緒に考え、アドバイスをさせて頂きました。指導を通して、池田君の疑問を掘り下げて課題を明確にし、仮説を設定する研究姿勢に感心させられました。これからもこの姿勢を大切に、研究に取り組んでもらいたいと思っています。

審査評

[審査員] 邑田 仁

 この研究はカブトムシの成長について、特に温度と成長の関係に注目して7年前から続けている観察・実験の7年目の成果をまとめたもので、6年目に引き続き、日長と温度が異なる条件で雄・雌の幼虫を飼育観察することにより、羽化する時期を決定する要因として「有効積算温度」を算定して、その妥当性を考察しています。実験および観察のとりまとめはきっちりと行われており、説得力のある結果が出されています。今年の算定に休眠期間を導入したことは特にオリジナリティーのある優れた成果だと考えられます。また、これに関連する雌雄の成長の違いも捉えられており、さらなる発展が期待されます。現在の考察では休眠期間の後だけに休止期間を考慮していますが、休眠期間の前にもあると考えたら結果が変わるでしょうか。論文の書き方としては、カブトムシをよく知らない人にも理解してもらうために、比較に用いたタイワンカブトムシの幼虫は休眠しないことを説明しておく必要があるでしょう。  

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