研究のきっかけと経緯

　幼稚園に通う頃から恐竜が大好きで、小学1年生の時から化石や恐竜についての自由研究を毎年、続けてきた。生物としての恐竜がどのような生活を送っていたかに興味があり、その生態を知るための研究を続けた。
　小学1年生の研究では、福井県野外恐竜センターの化石発掘体験でシダ植物の化石を見つけた。福井県立恐竜博物館で白亜紀のシダ植物の化石を観察し、現代に生えるシダ植物と比較してみた。2年生の研究では紙粘土でティラノサウルス（肉食恐竜）やスピノサウルス（肉食恐竜、おもに魚食とされる）、パラサウロロフス（草食恐竜）の歯のレプリカを作った。作った歯で肉や魚、野菜を切って、歯の作りでそれぞれ切れ方に差があることを確認した。3年生では恐竜のしっぽの研究を行った。博物館の標本などから、恐竜の類ごとにしっぽの骨の数を調べ、その役割を推察した。4年生では恐竜の化石を磨き、顕微鏡で断面構造を調べた。骨の化石からは、骨組織や血管を観察できた。
　そして小学5年生から、恐竜の足跡化石に着目した研究を続けた。恐竜の生態を知るには生痕化石が大きな手がかりだが、最も多く残る生痕化石は足跡だと思い、研究のテーマにした。

研究の目的

　恐竜は骨盤の特徴から2つのグループに分けられる。鳥に似た骨盤を持つ鳥盤類（ちょうばんるい）と、トカゲに似た骨盤を持つ竜盤類（りゅうばんるい）だ。鳥盤類はさらに、全身を鎧のような骨で覆う装盾類（そうじゅんるい）（ステゴサウルスなど）、大型種は二足歩行も四足歩行もできる鳥脚類（ちょうきゃくるい）（イグアノドンなど）、頭の骨が後ろに張り出し顔に角やこぶが並ぶ周飾頭類（しゅうしょくとうるい）（トリケラトプスなど）の3つのグループに分けられる。竜盤類は、巨大な体と小さな頭、長い首を持つ竜脚類（りゅうきゃくるい）（ブラキオサウルスなど）、二足歩行で足が速い獣脚類（じゅうきゃくるい）（ティラノサウルスなど）の2つのグループに分けられる。この5つのグループも骨格の違いなどから、さらに細かい分類がなされている。
　陸上に生息し歩行していた恐竜は骨格化石の復元から、二足歩行と四足歩行の2 パターンがあったと考えられている。近年は骨格化石をもとにデジタル技術を駆使し、歩行の様子を復元する研究もある。しかし、骨格化石は恐竜の死んだ時の状況をいまに伝えるものだ。実際に恐竜が動いた状況をそのまま残す足跡化石から、生きていた当時の姿や生態、最終的には生息環境にまで迫ることができないかと考えた。
　足跡化石の複数のくぼみには、違いがあるように感じる。くぼみの深さや形状、歩幅の違いなどから、恐竜の種類や体格、歩行状況まで見分けられるのではないか。足跡化石から何がわかるのかを調べることを、この研究の目的とした。

足跡化石の観察

　現存する足跡化石を観察するために、博物館などを訪ねた。複数の足跡化石から、恐竜の種類や生態などについて、推察を行った。

東海大学自然史博物館

　アメリカのテキサス州で見つかった白亜紀の竜盤類・竜脚類の足跡化石を観察した。竜脚類は四足歩行で最も体が大きく、体重が重い恐竜のグループだ。前足2つ、後ろ足2つ、合計4つの足跡があった。前足の足跡は三角形で、凹みがある。後ろ足の足跡は、まるかった。前足より後ろ足のほうが大きく、後ろ足にはそれぞれ細長い爪の痕があった。前足に爪の痕は見当たらない。ひとつの前足の後方に、盛り上がっている部分があった。このふくらみは何なのか、前足と後ろ足とでは足の形が違うのか、疑問が残った。

東海大学自然史博物館の足跡化石のスケッチ、AとBが後ろ足、CとDが前足

豊橋市自然史博物館

　アメリカで見つかった3本指の足跡を観察した。同じくらいの大きさの2つの足跡が並んでおり、同じ個体の左右の足だと思われる。どちらも3本の指と鋭い爪の痕がはっきり残り、竜盤類・獣脚類の足跡だと推測できた。中央の指が最も太く、凹みも深かった。

神流町恐竜センター

　群馬県で見つかった白亜紀前期の足跡を観察した。日本で最初に恐竜の足跡と認定された「瀬林の漣痕（せばやしのれんこん）」と呼ばれるもので、国道299号の建設時に発見され、群馬県の天然記念物に指定されている。現地で実物が観察できるほか、神流町恐竜センターにはレプリカが展示されている。

「瀬林の漣痕」上が竜脚類、下が獣脚類の足跡化石

　崖の上部に竜盤類・竜脚類のまるい足跡が3つあり、下部には竜盤類・獣脚類の3本指の足跡が複数確認できた。四足歩行の竜脚類の足跡が3つしかないのは、工事で破壊されたか、そこで歩幅が変わったか、判断できなかった。竜脚類の足跡は周囲が激しくひび割れているのに対し、獣脚類の足跡にはひび割れがほとんどない。大きな竜脚類の足は地面に強い力を加えているが、獣脚類の足はそこまでの力を加えられていない。獣脚類の足跡の主は、体重が軽いタイプだったと推察できる。

神奈川県立生命の里・地球博物館

　アメリカのコネチカット州で見つかったジュラ紀前期の竜盤類・獣脚類の足跡化石を観察した。おびただしい数の足跡がついており、同じ3本指の足跡でもさまざまな種類があるように思えた。足跡の形状から個体の大小は知ることができるが、短時間で詳細はわからない。足跡周囲のひび割れは、この化石からも確認できた。

岐阜県博物館

　岐阜県で見つかった白亜紀前期の鳥盤類の足跡化石を観察した。35個のイグアノドン系の恐竜の足跡で、ほとんどが同じ方向を向き、規則的に並んでいた。3本指の形から竜盤類・獣脚類だと思ったが、学芸員さんから鳥盤類であることを教わった。

足跡化石からの考察

　足跡の大きさや形、歩幅から、恐竜の種類とおおよそのサイズ感、足の動かし方は推察できると思った。ただ足跡から、恐竜の肉付きや重さの見当がつかなかった。最近の研究では恐竜の3Dモデルを作製することも多いため、恐竜の体重や体積こそ重要なのではないか。そこで、恐竜の歩き方、体長や体重がどう足跡に残るのかを、実験を通して考えることにした。

5つの仮説

　実験の前に、5つの仮説を立ててみた。

足跡と歩き方についての仮説

仮説① 恐竜が走っていたか、歩いていたかは足跡化石の歩幅からわかる。
仮説② 二足歩行、四足歩行をしているかは足跡のつき方からわかり、現生生物と同じように右左交互に足を前に出して歩いている。

足跡と体長や体重についての仮説

仮説③ 足跡化石の歩幅には法則性があり、その法則から恐竜の体格がわかる。
仮説④ 足跡化石の凹みやふくらみは、恐竜の体格と関係がある。
仮説⑤ 足跡化石の凹みから恐竜の体重がわかる。

仮説①〜②のための実験A〜C

　家の近くで足跡化石の観察ができないため、家族で大井川海岸へ行き、砂浜を裸足で走ったり歩いたりして、砂に残る足跡を調べてみた。

実験A

　体格に差がある父、母、僕、弟の4 人で砂浜10mを走ったり歩いたりし、それぞれの足跡を比較した。歩いてついたそれぞれの歩幅をそれぞれの身長、体重、足の長さ、足の大きさで割った値も算出した。
　その結果、歩いた時は全員、かかと部分が地面に深く食い込んだ痕が残り、重心がかかとにあることがわかった。走ると親指から薬指までが地面に食い込み、重心が前へと移る。骨のある部分は、足跡になると凹んでいる。
　また、全員が歩いた時より走った時のほうが歩幅が広くなった。子供より大人のほうが歩幅が広く、走るスピードも速かった。歩行時の歩幅を身長で割った値は5％程度と、全員近い数字になった。歩行時の歩幅を足の長さで割る値と、足の大きさで割る値もほぼ全員が近い数字となり、歩幅と足には比例の関係があると思われた。

実験Bと実験C

　実験Bでは、二足歩行と四足歩行の恐竜の動き方をそれぞれ3パターンずつ予想した。その歩き方で自分ひとりで大井川海岸の砂浜10mを移動して、ついた足跡を観察した。試した歩き方は下の表のとおりだ。
　実験Cでは、恐竜に実験Bの足跡のような動きが本当にできたのか、日本平動物園で飼育されている哺乳類（ワラビー、アジアゾウ、サイ、キリン、ハイエナ、レッサーパンダ）、鳥類（ダチョウ、タンチョウ）、爬虫類（カメ）と、身近な環境にいた両生類（アマガエル、イモリ）を観察して確認した。各動物の動き方は実験Bのパターン1と3、パターンI〜IIIに一致し、現生動物は現実に実験Bの動きをしていることがわかった。

仮説③〜④のための実験D

実験D

　実験Dでは実験Aと同じように、大井川海岸で体格差のある父、母、僕、弟の4人が砂浜10mを走り、それぞれの足跡を比較した。実験Aと違うのは4人それぞれ、「かかとをつけて走る」「かかとを浮かせて走る」「つま先だけで走る」の3パターンで走ること。ついた足跡で歩幅や凹みの深さ、体格との関係を調べる。結果は、下の表のとおりだ。

　実験Aの時より走るスピードが速かったが、砂の硬さが影響したかもしれない。実験Dの時のほうが、海岸の砂が軟らかかった。足跡の深さで見ると、かかとをつけて走った時のほうが、つま先にもかかとにも力をかけることができ、重い体重でも支えやすいのではないか。かかとをつけずに走る場合はつま先の痕だけが深く残るが、かかとをつけている時のつま先の深さと大差はない。
　速く走るにはかかとを上げて狭い歩幅で足を回転させる必要があるが、指が長いほうがよりかかとを高く上げられる。指が長いほうが、砂のかたまりや指の形、竜脚類の足跡化石にあった三角形の凹みなどもきれいに残る。砂に足の強い力が加わると、指の関節の位置に横線の痕が残ることもわかった。歩幅を身長で割った値、足の長さで割った値が全員似ていることから、係数がありそうだ。歩幅と体重にも比例の関係がある可能性が高い。

仮説⑤のための実験E

　実験Dで、足跡と体重に何らかの関係があることはわかった。実験Eでは、砂の硬さの影響を受けないように条件を一定に保ち、仮説⑤について確かめることにした。
　足跡化石から恐竜の体重がわかるというのが仮説⑤だが、ここまでの研究結果からさらに細かく3つの仮説を立てた。
仮説⑤・A足跡の面積と体重は比例する。
仮説⑤・B足跡の深さと体重は比例する。
仮説⑤・C足跡の各部分の深さから身体的特徴を予測できる。

実験E

　足跡の面積と深さ（圧力）を測り、体重との相関性を求めた。調査対象は家族4人に加え、祖父、叔父、従姉、従弟、大叔父、大叔母、はとこ兄、はとこ弟の合わせて12人だ。
　実験用具は「砂遊びサンド（天然の砂）」「砂を入れるための箱」「移植ごて」「砂を平らにするヘラ」「水準器」「デジタルノギス」「アルミ製の餅網（縦横1cm間隔にアルミが組まれた焼き網で縦横1cmメッシュを計測）」。
　実験方法は、まず箱の中に砂を敷きつめ、水準器で測りながらヘラで平らにならす。方眼用紙に足を乗せ、足形をとる。砂の上に素足のまま両足で立ち、足跡をつける。ついた足跡に餅網を当て、縦横1cmのマス目ごとにデジタルノギスで深さを測る。足跡が方眼1マスあたりに占める割合を目測し、用意した足形に計測値を記入していく。足の面積は、方眼の数を数えて求める。足跡の深さについては計測した深さの違いで色分けをし、足全体の深さ分布図を作成した。

　家族4人の実験結果を比べると、足の面積が最も広かったのは体が大きい父、狭かったのは体が小さい弟だった。母より僕のほうが身長も低く体重も軽いが、足の面積は僕のほうが広かった。足跡の深さが最も浅かったのは父で、最も深かったのは母だった。足跡の面積×深さを足跡の体積とするが、体積が最も大きかったのは母で、最も小さかったのは弟だった。
　仮説⑤・Aで足跡の面積と体重は比例するとしたが、実験結果から正しいことがわかった。標準体重の人たちの体重÷足跡面積を求めるとおよそ0.14になり、0.14が係数となる。ただ体重が重い人は、この数値が上がる。
　仮説⑤・Bで足跡の深さと体重は比例するとしたが、こちらも正しいことがわかった。標準体重の人たちの体重÷足跡体積はおよそ0.01となり、0.01が係数となる。足跡の深さと身長にも係数は存在しており、そちらは身長÷足跡体積がおよそ0.03。0.03が係数となった。
　仮説⑤・Cで足跡の各部分の深さから身体的特徴を予測できるとしたが、それも裏付けられた。腰痛や魚の目持ちの足跡は、問題がある部分の深さが際立った。運動習慣があると土踏まずは深くなり、小学生までの子供は土踏まずがあまり足跡に現れていなかった。

実験A〜Eからの考察

歩き方

　足跡から推察すると、恐竜は独自の歩き方をしておらず、現生生物の二足歩行、四足歩行と同じ歩き方だった。

歩幅

　歩いた時より走った時、スピードが速い時ほど歩幅が広くなる。歩行時も走行時も、体が大きいほど歩幅は広い。大人も子供も、かかとをつけて走った時が歩幅は広い。かかとが浮いている時、歩幅は狭くなる。子供より大人のほうが走るスピードも速く歩幅も広い。

恐竜の体格を知る係数を求める

　これまでの実験結果から、歩幅と身長、歩幅と足の長さには比例の関係が存在することがわかっている。歩幅がわかれば、恐竜の体長や体重がわかる可能性があるわけだ。そこで、これまでの実験結果から家族4人の歩幅÷身長、歩幅÷足の長さの平均値を求めてみた。歩幅÷身長の家族4人の平均値は歩行時が0.46、走行時が0.71、歩幅÷足の長さの家族4人の平均値は歩行時が0.87、走行時が1.31だった。

二足歩行の生物の体格を知る方法

　上で求めた係数を使って、歩幅から恐竜の体格を計算する方法を考えてみた。実験Eの結果から得られた係数からも、恐竜の体重の計算式を考えた。
　二足歩行恐竜の体格を知る計算式は、次のとおりだ。
① 足跡化石の歩幅を測り、凹みの形などから歩いていたか、走っていたかを判断する。
② 恐竜の足の長さを歩幅÷0.87（歩行時）、または歩幅÷1.31（走行時）で求める。
③ 恐竜の身長を歩幅÷0.46（歩行時）、または歩幅÷0.71（走行時）で求める。
④ ③−②で胴体の長さを求める。
⑤ 恐竜は足に重心があるので、胴体の長さが頭からの重心までの長さに等しいと推察できる。頭から重心、重心からしっぽの先までの比率がわかれば、全長が求められると思う。
　二足歩行恐竜の体重を知る計算式は、次のとおりだ。
① 体重（kg）＝足跡面積（cm²）×0.14
② 体重（kg）＝足跡体積（cm³）×0.01
　いずれも体重が重くなると係数は増加する。
　足跡体積からは恐竜の身長（cm）も、足跡体積（cm³）×0.03で計算できることになる。