牛は食料や資材を提供し、人類の生活に不可欠な存在ですが、同時に気候変動にも大きな役割を果たしています。すべての反芻動物と同様に、牛は食物を消化する際の自然な副産物として、強力な温室効果ガスであるメタンを排出します。このガスは二酸化炭素よりもはるかに効率的に大気中の熱を閉じ込めるため、家畜による排出量の削減は、地球温暖化を抑制するための重要な目標となっています。数十年にわたり、科学者たちは、一頭の牛がどれだけのガスを排出しているかを正確に測定するために、呼吸チャンバーと呼ばれる大型の密閉された部屋を利用してきました。これらのチャンバーは、動物が吐き出すガスのほぼすべてを捕捉できるため、「ゴールドスタンダード（標準指標）」と見なされています。しかし、これらは高価で建設が難しく、動物を狭い場所に数日間閉じ込めなければならないため、動物の自然な行動や摂食習慣を変えてしまう可能性があります。こうした制限があるため、研究者たちは、動物を箱の中に閉じ込めることなく、農場という現実の世界でメタンを測定する方法を長年模索してきました。

新しい研究は、牛が自由に動き回っている間に、その息から直接メタンを測定するように設計されたウェアラブルデバイスをテストすることで、この目標に向けた大きな一歩を踏み出しました。「ZELP Sense」として知られるこのデバイスは、首に取り付けるタイプのユニットで、動物の鼻の周囲の空気をサンプリングし、コンピュータモデルを使用して日々の排出量を算出します。この新しいツールが機能するかどうかを確認するため、ニュージーランドのバイオエコノミー・サイエンス研究所の研究者たちは、その読み取り値を従来の呼吸チャンバーと比較しました。彼らは6頭の乳牛を用いて実験を行い、デバイスを装着させ、動物の反応を観察しました。目的は二つありました。一つは、デバイスが牛にストレスを与えたり、摂食習慣を変えたりしないことを確認すること。もう一つは、デバイスが生成する数値が、信頼されているチャンバーの測定値と一致するかどうかを確認することです。結果は、このデバイスが単一の日の測定においてチャンバーの精度にはまだ及ばないものの、牛の食事が変わった際の排出量の変化を追跡することには非常に優れており、拡張可能な現実世界でのモニタリングへの有望な道を示唆しています。

この道のりは、牛が新しい技術に慣れるための慎重な適応期間から始まりました。6頭の牛に、センサーなどは入っておらず重りだけが入った、実物と同じ見た目と感触の非機能版デバイスを取り付けました。研究者たちは、ストレスや興奮の兆候がないか注意深く観察しました。ほとんどの牛は、デバイスが最初に取り付けられた際、90秒未満の短い興奮や混乱を見せました。頭を振ったり円を描いて走ったりすることもありましたが、その行動はすぐに収まりました。1時間以内には、動物たちは以前と同様に食事をし、反芻していました。5日間の適応フェーズが終わる頃には、牛は落ち着いており、皮膚や毛に物理的な刺激も見られませんでした。この迅速な通常行動への復帰は極めて重要でした。なぜなら、デバイスが持続的な痛みやストレスを引き起こさず、それが食事量の減少や行動の変化によってデータに影響を与えることがないことを証明したからです。

牛が慣れた後、研究者たちはその中から4頭を選び、本実験を行いました。これらの動物には実働デバイスを取り付け、2つの異なる測定期間のために呼吸チャンバー内に配置されました。最初の期間では、牛は新鮮な牧草を好きなだけ食べることができました。2番目の期間は感度のテストであり、研究者たちはデバイスが結果としてのメタンの減少を検出できるかどうかを確認するために、意図的に牛に与える食物の量を減らしました。これらの期間を通じて、チャンバーとウェアラブルデバイスは同時にガス排出量を記録しました。また、研究者たちは、牛がどれだけ食べ、体重がどのように変化したかも追跡しました。これらの要因は、動物がどれだけのメタンを排出するかと直接結びついているためです。

結果は、ウェアラブルデバイスが牛の食事の変化に対して非常に高い反応性を示すことを示しました。牛が通常の食事をしているとき、チャンバーとデバイスは同様のレベルのメタンを記録しましたが、デバイスの日常的な数値は日ごとに多少の変動がありました。食物を制限した際、両方の手法とも排出量の急激な減少を捉えました。チャンバーは約半分に減少したことを示し、デバイスは約3分の1の減少を記録しました。より重要なことは、デバイスが日ごとの減少傾向を追跡しており、チャンバーの挙動を正確に反映していたことです。これは、単一の日の正確な数値を知ることよりも、農家や政策立案者にとって重要となることが多い「異なる給餌戦略の影響」をデバイスが検出できることを示しており、極めて重要な発見です。

研究者がデバイスによる日次合計値をチャンバーの測定値と比較したところ、中程度の合致が見られました。デバイスは、特に排出量が多いときに、メタン量を実際よりわずかに低く推定する傾向がありました。しかし、牛が食べる量が減り、排出量が低下するにつれて、両者の手法はより密接に一致しました。また、研究では最初の測定期間中に特定の技術的問題も指摘されました。デバイスのサンプリングアームの一部が時折目詰まりを起こしており、これがデータの変動性の要因となったようです。第2期の期間中にこれを手動で解消したところ、データはより一貫したものとなりました。こうした細かな相違はあるものの、全体的なパターンは明確でした。デバイスは、食物の減少に応じてメタン生成が減少していることを、見事に特定したのです。

本研究は、その限界を理解した上であれば、ZELP Senseデバイスは現実世界の環境でメタンをモニタリングするための実行可能なツールであると結論付けています。このデバイスは、単一の動物の単一の日における最も精密で絶対的な測定において、まだ呼吸チャンバーに取って代わるものではありません。しかし、トレンドを追跡し、食事の変化に対応する能力は、異なる農場や環境における大規模な牛の群れを評価するために使用できることを示唆しています。研究者たちは、デバイスが動物に持続的な害を与えず、牛はほぼ即座に適応したことを強調しています。技術を洗練させるためには、より多くの数の牛や異なる種類の飼料を用いたさらなるテストが必要ですが、この研究は、メタン排出量を継続的に、かつ正確に、そして動物を実験室に閉じ込めることなく測定できる未来へと私たちが近づいていることを証明しています。