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自然に学ぶ研究事例

第65回発熱植物に学ぶ温度制御法
エネルギー・環境技術
植物資源
発熱で寒冷下を生き抜くザゼンソウの戦術
自然界には、寒さに耐えて生息する植物がいる一方で、自ら発熱し体温を維持することで、次世代へ命をつなぐ植物が存在する。微妙な体温変化に応答する、ザゼンソウに学ぶ温度制御法とは?
ザゼンソウ
ザゼンソウ

サトイモ科に属する多年草で、僧侶が座禅する姿になぞられて名付けられた。外側の赤紫の部分は、つぼみをつつむ苞葉の発達したもので、仏炎苞と呼ばれる。中心部に抱かれた球状のものが、花が密集した肉穂花序(にくすいかじょ)で、この部分が発熱する。右の3枚の写真は、その発熱現象をサーモカメラで観察したもの。下段の黄色からオレンジ色に見える部分が20℃〜23℃程度である。

植物の体温は、一般に外気温の変化に伴って変動しますが、自ら発熱して体温を上昇させる発熱植物が世界で数種類、確認されています。ヒトデカズラ、ハスなどが知られており、その発熱現象は一般に、熱と共に匂い成分を拡散させて虫を誘い受粉を促すため、あるいは低温障害を回避することなどが目的だと言われます。発熱期間は、ハスの場合で2〜3日、ヒトデカズラは6〜12時間のみです。

 

ところが、寒冷地に生息するザゼンソウは早春に1週間程度も発熱し、氷点下に及ぶ外気温に対して体温を20℃内外に維持しています。これは花粉の発芽や伸長に適した温度であり、ザゼンソウが±0.03℃/分というわずかな体温変化率を察知して精緻に温度制御していることがわかりました。すなわち、ザゼンソウは体温変化をモニタリングし、発熱装置を駆動する温度制御プログラムをもっていると考えられるのです。このように寒冷環境下で長期にわたり恒温性を保つ能力は、ザゼンソウが命をつなぐために独自に身に着けた戦術で、他に類を見ません。

 

発熱植物は、体内に蓄えた炭水化物を燃焼・代謝する過程で熱を発生し、発熱時には通常、細胞中のユビキノンという呼吸に関与する物質のほとんどが電子を帯びた(還元)状態にあると言われています。ところが、一過的な発熱植物と比べてみると、ザゼンソウではユビキノンの還元率が50%程度に保たれていることもわかりました。そこに、長期間の温度制御を可能にする秘密があると考えられ、その解明が進められています。

 

そして現在、ザゼンソウの発熱メカニズムを応用した温度制御システムの開発も行われています。ザゼンソウに学んだ生体アルゴリズムを利用することで、エアコンなどを従来よりも少ないエネルギーで制御することが可能となり、省エネ効果も実証されています。実用化研究も進展しており、植物の“知恵”がエネルギー問題に貢献する日が、近く訪れようとしているのです。

連合農学研究科 伊藤 菊一教授/工学研究科 長田 洋准教授

岩手大学大学院

生物との共存・共栄で豊かな社会を実現
生物の最大の特徴は、物質、代謝、細胞、個体、群落といった各レベルにおいて、美しい“調和”を有していること。そこを深く理解することが、“生物に学ぶ”ことに他なりません。現代社会は高度な発展を遂げていますが、“調和”という観点から見ると学ぶべきことは、まだ多くあると思いますね。 発熱植物の研究は、生物のエネルギー変換システムを理解することであり、環境やエネルギー問題とも関連してきます。農学と工学、さらにメーカーとの連携で温度制御の実用化研究も進んでいます。そもそも、ザゼンソウが岩手県内に自生していたことが研究のキッカケの1つですが、こうした植物の自生は、地球規模で見て自然が豊かな地域に限定されています。今後は、希少生物種の保全に留まらず、多様な生物種との共存・共栄により、豊かな社会を築くという考え方が重要になるでしょう。“Think globally, act locally” 地球規模で考えつつ、地域に即した実践が求められるのではないでしょうか。

トピックス
発熱植物は、すでに200年以上も前、フランスの博物学者ラマルクによって発見されたと言います。ヨーロピアン・アルム・リリーという種類で、日本ではカラーという名前でしられている花です。ザゼンソウやヒトデカズラ(セロウム)と同じサトイモ科に属し、花と勘違いされがちな仏炎苞が肉穂花序を包むように咲きます。これがサトイモ科の花の特徴であり、肉穂花序が発熱器官となります。ハス(ハス科)の場合は、花弁の中央にある花托(かたく)と呼ばれる部分が、初夏の開花と同時に発熱し、30℃〜36℃の範囲で2〜3日温度を維持することもわかってきました。また、発熱には細胞呼吸を司るミトコンドリアが重要な役割を担っており、それは動植物に共通するため、そのメカニズムの解明がさまざまな角度から研究されはじめているのです。
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