とあるところで「重力がいきなり強くなったら既存の生物はどうなるか」について書いた際に、SF作品で良くある、生物が巨大化したり微小化したりする描写の問題点を軽く書きました。
「そういえば、これって真面目に計算して書けば、あの手のSF作品がいかにあり得ない話なのかを説明できるなぁ。」
そんなふうに思ったので、今回真面目に書くこととしました。
●断面積と圧力
実のところ、生物の姿はそのままにサイズだけを変更することを考えた場合、体重を支える足の太さがネックになります。というか架空の生物を考える場合でも、大変重要なのは足の太さです。大抵の場合、身長というか体長というか生物の大きさとその体重に目が向けられます。でもそれが陸上生物の場合、大きさと体重の重さに見合った足の太さがなければ身体を支えられず、ポッキリと折れてしまうことになるのです。
例えば人間で考えてみます。直近ならば「進撃の巨人」、昔ならば「ドラえもん」に出て来たスモールライトやビッグライト、ガリバートンネルなんかも対象になるかな。人間がそのままのスタイルで巨大化したりミクロ化したりする作品というのは数多くあります。
人間でなくて良いなら古くは「SF巨大生物の島」から新しいところだと「巨蟲列島」までいろいろですね。
さて話が逸れましたが、人間をベースで巨大化を考えてみます。身長は何cmでも構いませんが、体重が重要です。例えば体重が70kgの人を例にして考えてみましょう。人間は二足歩行をしている関係上、その体重のほとんどが足の裏にかかっています。しかし可動部である膝や股関節にも相当の荷重がかかります。歳をとった場合に膝や股関節に痛みが出てくるのは、関節にある軟骨がすり減ってくることや、骨などの変形が理由です。そして、すり減ったり変形したりするのは、それだけの負荷がかかっているということを示しています。
人間のそれぞれの部位の重量比は、出典によって少しずつ差がありますが、ざっくり次のようになっています。
【頭 部】 0．08
【上腕部】 0．08（左右合計）
【前腕部】 0．06（左右合計）
【手 部】 0．02（左右合計）
【胴体部】 0．46
【大腿部】 0．14（左右合計）
【下腿部】 0．12（左右合計）
【足 部】 0．04（左右合計）
【合 計】 1．00
これで行けば膝にかかる重量は頭部から大腿部までの合計で、全体重の84％、体重70kgの場合は58．8kgです。股関節ならば全体重の70%、49kgということですね。これを人間は骨や関節、そしてそれを取り巻く筋肉で支えているということです。
では骨にはどの程度の荷重がかかるのでしょうか。まず大腿骨の断面積はだいたい540mm^2だそうです。ということは、両足で1080mm^2。面倒なので1000mm^2で計算しましょう。これで体重の70％以上……ざっくり50kgを支えているとしましょう。もし大腿骨のみで全体重を支えているのだとすると、次のような計算になります。
50kgf÷1000ｍm^2 = 500N÷1000mm^2 = 0．5N/mm^2
思ったよりも荷重はかかっていませんね。例えば一般的なコンクリートの圧縮強度は18～36N/mm^2ですし、建材として使用されているスギやヒノキなどは圧縮強度が20～30N/ｍm^2ほどあります。骨は更に優秀で、圧縮強度は250MPa、つまり250N/mm^2くらいあります。
ちなみに圧縮強度というのは、その部材に両端から力をかけて圧縮した場合に耐えられる圧力を示していますので、骨が支えられる体重は圧縮強度で考えるのが妥当です。
ここから言えるのは、同じ面積で100倍の体重を支えようとすると、コンクリートやスギのような建材で使用されている材料では強度不足になるということです。骨は大丈夫。だけど、骨は大丈夫でも関節はそこまでの圧縮に耐えられません。膝の場合は場所によりますが、数Mpa～20Mpa、つまり数N/mm^2～20N/mm^2だという研究結果があります。体重が急激に重たくなると、大腿骨は潰れなくても膝が壊れるわけですね。
●巨大化することの問題点
これまでの議論でなんとなくわかってきたと思います。巨大化するのは大変問題があります。人間の場合、例えば身長が10倍になったとしましょう。180cmの人は18mになりますので、ちょうどRX78ガンダムくらいの身長となります。
身長は10倍ですが、縦だけではなく、横方向、厚み方向にも10倍になりますので、体積は1000倍となります。もし密度が同じだとすると体重も1000倍。一方、骨の断面積は100倍にしかなりませんから、同じ面積で支えなければならない圧力は10倍となります。
先ほど、大腿骨にかかる圧力は0．5N/mm^2と計算結果が出ましたので、これが10倍になるなら5N/mm^2。大腿骨は耐えられますが、数N/mm^2～20N/mm^2しかない膝が保つかどうかはちょっとわからないことになります。膝の場所によっては破損が生じるということです。
では、体重が同じままで身長だけ10倍になるというのはありえるでしょうか？ この場合、密度が1000分の1ということになり、大体0．001g/cm^3程度となります。発泡スチロールの密度が0．01g/cm^3ですので、発泡スチロールの10分の1の密度。ちょっとでも風が吹けば飛んでいくレベルです。とてもではありませんが殴り合いができるような感じではありません。倒したければ強い風を吹かせるだけで何とかなります。
つまり同じ密度で大きくすると膝が破壊されるかもしれず、体重を同じままとするなら風が吹くと飛んで行くということです。
では、昆虫が巨大化する作品についても検証してみましょう。例えばアリ。日本にいるアリの中で少し大きめのオオクロアリを見てみると、働きアリの体重は大きい個体で35mgくらいだそうです。体長は7～12mm。これが巨大化して襲ってきたときに恐怖を感じるのは、せめて人間と同じ程度のサイズにはなってほしいものです。つまり100倍大きくなって120cmにまでならないと、怖くない。だとすると、体積は100×100×100で100万倍。
35mgの100万倍ってことは……1000×1000でもあるので、1000倍で35g、さらに1000倍すれば35kg。地球上の生物は水が大半を占めますので、人間とほとんど密度というか比重は変わらないなぁという感想を抱いてしまいます。
ただ、この体重をあの細い足で支えられるかどうかは話が別です。オオクロアリの写真から測定すると、足の太さは足の先端付近で0．16mm。簡単のために1辺0．16mmの正方形だとすると、断面積は次の計算で出ます。
0．16mm×半径0．16mm = 0．26×10^-1mm^2
元々はこの足6本で体重を支えていたとすれば、荷重からくる圧力は35mg÷(0．26×10^-1×6) ＝ 0．22×10^-2N/mm^2となります。外骨格を形成しているクチクラ（キューティクルともいうそうです）という物質の剪断強度は30MPa、つまり30N/mm^2です。圧縮強度ではないので同じ比較はできませんが、ざっくり言えばコンクリートや木材と同程度の強度を持っています。圧力が100倍になったとしても十分に耐えられますが、関節が耐えられるのかは人間同様、不明です。
ではどうすれば良いかと言えば、関節の強度を上げるしかありません。別の素材に置き換えて圧縮強度が高くなるようにするか、もしくは膝を含めた足の太さを太くすることです。同じ素材のまま10倍の圧力に耐えるのだとすると、太さを3倍程度にすれば良いわけです。プロポーションは大きく変わってしまいますが、巨大化しても同じ様に動く事ができるはずです。
つまり、人間を10倍にした巨人は、足の太さを3倍にした超マッチョな脚部を持つプロポーションであれば、問題なく成り立ちます。昆虫を100倍の大きさにしたければ、足の太さを10倍にしたプロポーションにすれば問題なく動けるでしょう。ただし、飛べるかどうかは話が別ですが。
●縮小化することの問題点
逆に小さくなることにも問題はあります。これは密度が同じまま小さくなる（つまり体重は軽くなる）のか、体重を保ったまま小さくなる（つまり密度が高くなる）のか、という2パターンに分けて考えられます。
まず、密度が同じまま小さくなることを考えます。人間を10分の1のサイズにしてみましょう。すると体積は1000分の1。体重も1000分の1になります。身長170cmで体重が60kgという人がいたとすれば、身長17cm、体重60gとなります。ちなみに人間の脳は1200～1500gあるそうですが、体重が1000分の1になれば、脳の重さは1．2～1．5gです。他の生物と比較すると、ゴールデンハムスターの1g（体重は120g）とラットの2g（体重は400g）の間。体重比では脳の重さはかなりあるものの、齧歯類と同程度の重量の脳で、人間のような思考ができるとはちょっと思えません。高度な思考を諦める他なさそうです。
一方、体重を保ったままだとどうでしょう？ 身長が10分の1になると、密度が1000倍になるというものです。実のところ、こっちの方が行けるか？ と思っていましたが、やっぱりダメな点を発見しました。というのも身長を100分の1にすると問題が生じます。
身長を100分の1、つまり先ほどの人が慎重1．7cmになると、密度は100万倍になります。ざっくり10^6g/cm^3（1.0t/cm^3）です。これですね……宇宙にある白色矮星という、軽めの恒星が死を迎えたときになるとされている天体の密度とほぼ同じなのです。この密度だと自身の重力を支えるのに「電子の縮退圧」という、パウリの排他律を元にした力を使っていてですね……もう人間として存在できないのですよ……。
そういえば「ミクロの決死圏」ではミクロサイズになって人間の血管内に侵入するという描写がありましたが、そんなに小さくなると中性子星の密度である10^9t/cm^3になっちゃうかもです。
つまり、密度を一定のまま小さくなると高度な思考力を放棄する必要があり、体重を一定のまま小さくすると人間じゃなくなる、ということです。
●それでも作品上の設定で何とかする方法
こういうサブタイトルを書いたものの、そんな方法はあるのか？ と疑問に思ってしまいます。
巨大化の方ですが、もしプロポーションを同じままで巨大化したいなら、重力が小さな惑星であれば良いということになります。重力が小さければ同じ体重でも受ける力が小さくなりますので、膝などの関節にかかる圧力も小さくなります。一方で圧縮強度などは物質の特性ですので、重力が小さな惑星でも変わりません。ですので、重力が地球の10分の1の惑星であれば、身長が10倍の巨人が人間と同じ様に動く事ができるはずです。
もしくは巨大化する際に、主に股関節、膝関節、足首あたりの素材や内部構造を変更して、増える重量に耐えられるようにすれば、プロポーションを保ったままで行ける可能性はあります。例えば身長を10倍にするのであれば、関節の構造材の圧縮強度を10倍にするか、同じ構造材の場合は接触面積を10倍にするかです。ただ、接触面積を10倍にしてしまうと可動域が狭くなるか、もしくはそもそも膝が曲げられないなどの不都合が出る可能性もありますので、関節の構造自体も変えてしまった方が良さそうです。もちろん、構造材を変えたうえで関節構造も変えることで、無理なくプロポーションを保つという考え方もあるでしょう。
縮小化の方は難しいですね。一番良いのは高度な思考力を保てる脳質量程度までしか小さくならない、という方法です。賢いと言われている犬でも72gはあります。いや、72gしかないのか？ 170cmの大人が縮小した場合、脳がこの重量になるのは身長が60cmの時です。アデリーペンギンくらいですね。決して小さくはないか。
もしくは何らかの技術で体重を保ったまま小さくなるとすると、やっぱり10分の1が限界かなぁ……電子の縮退圧で支えてる生物って、もう人間じゃないからねぇ……。いっそのこと、そういう生物を創造して、人間の思考パターンを移植するくらいの設定にしないといかんでしょう。というか、生物を作って良いのであれば、脳を何か別の素材で作ることとして、そこに記憶などを転写する仕掛けを準備する。同時に、人間のように見えるボディを何らかの素材で作ってしまうという方が良いでしょうね。
つまりスモールライトやガリバートンネルは通っている間に同じ記憶と姿を持つ別の何かに生まれ変わらせる仕組みだということです。そういうのはダメかなぁ……。
●参考文献
・人工骨
https://www.jstage.jst.go.jp/article/jsao/45/3/45_183/_pdf/-char/ja
・健常者における大腿筋断面積の検討
https://www.jstage.jst.go.jp/article/rika1996/11/2/11_2_75/_pdf
・木材の種類と特性、強度（引張強度、圧縮強度、曲げ強度、せん断強度）、硬度について
https://www.toishi.info/sozai/woods/
・ RA膝 の脛骨内顆関節面の力学的強度に関する研究
https://www.jstage.jst.go.jp/article/jnms1923/53/2/53_2_198/_pdf
・日本産アリ類生態情報(種別情報)クロオオアリ
https://terayama.jimdofree.com/app/download/12674917190/%E3%82%AF%E3%83%AD%E3%82%AA%E3%82%AA%E3%82%A2%E3%83%AA%E7%94%9F%E6%85%8B%E6%83%85%E5%A0%B12016.pdf?t=1691550527
