クジャク、パンサー カメレオン、スカーレット コンゴウインコ、カクレクマノミ、オオハシ、オオハシタコなど、動物界には非常にカラフルな美しさを持つ無数の生き物がいます。しかし多くの場合、科学者は動物がどのように色を作るかよりも、どのように色を使うかについて多くのことを知っています。新しい研究は、これらの秘密を明らかにし続けています。それは、多くの場合、羽毛、うろこ、髪、皮膚の中および上にある非常に正確な微細な特徴の自己組織化に依存しています。この事実は、答えをフォトニクスのソフトマター物理学者やエンジニアにとって非常に興味深いものにしています。
自然界、特に植物界で見られる色の多くは、光スペクトルの一部を反射し、残りを吸収する顔料によって生成されます。クロロフィルのような緑色の顔料は、スペクトルの緑色の部分を反射しますが、より長い赤と黄色の波長と短い青色の波長を吸収します.どの特定の波長が反射または吸収されるかは、顔料の分子構成と分子構造内の原子間の正確な距離によって異なります。
植物は生化学合成の達人であるため、その細胞は多くの種類の色素を作り出すことができますが、動物は概して、それらのほとんどを作るための代謝経路を失っています.動物の主要な色素であるメラニンは、茶色 (ユーメラニン) または赤みがかった黄色 (フェオメラニン) のいずれかであり、かなり限られたパレットです。装飾や変装、仲間への求愛、捕食者からの攻撃に必要な豊かな虹色を作るために、動物は多くの場合、食事から必要な色素を得ることができます。たとえば、鳥の鮮やかな赤と黄色は、ほとんどが餌に含まれるカロテノイド色素に由来します。
ただし、スペクトルの青色の端は、自然界で食べることができる青色の色素がほとんどないため、別の課題を表しています.しかし、アオカケス、ネオンテトラ、ヤドクガエル、その他多くの動物が、色素に依存しない解決策を見つけ、視覚的なトリックを進化させて、青色 (および一部の緑色) を別の方法で表現しました。それらは構造色と呼ばれるものを作ります。
構造色は、一部の波長のみを通過させるフィルターのように機能します。それらの特定のフォトニック メカニズムは種によって異なりますが、材料のナノメートル スケールの構造が光の波長に匹敵するため、機能します。構造は光の色を異なる方法で回折し、干渉効果を設定します。
「それは、光を散乱させる複数の小さな構造を持ち、それらの散乱波を相互作用させることです。その相互作用により、いくつかの色が強化され、他の色が排除されます」と、イェール大学の鳥の羽の着色の専門家であるリチャード プラムは説明しました。
着色に対するこの構造的アプローチには、順応性という利点があります。 .
構造色には、多くの場合、虹色のきらめく視覚的な魅力もあります。構造色層の上部から反射する光は、下部から反射する光と位相がずれている可能性があるため、さまざまな角度から見ると、色が明るくなったり、色相が変化したように見えることがあります。その効果は、たとえば、モルフォ蝶の鮮やかな青色で際立っています。モルフォ蝶の羽の鱗は、光波を回折および反射する木のような突起が並んだ微細な溝で彫刻されており、虹色の青を生成する方法でそれらを互いに干渉させます.
2015 年の研究で、Kolle と彼の同僚は、貝殻に特徴的な明るい青色の縞模様を生成する軟体動物、つまり青い光線を持つカサガイがどのように生成されるかを発見したと報告しました。シェル内の透明な炭酸カルシウム結晶の層は、複数の微細なシートとして配列されており、各層は光のスライバーを回折および反射します。回折された光波は互いに相互作用します。各層の厚さと光の波長に応じて、波は加算または相殺されます。層の厚さを適切 (100 ナノメートル) にすることで、カサガイは青色以外のすべての波長を互いに打ち消し合うようにします。
他の動物は、構造色で同様の現象を利用しています。たとえば、タコや他の頭足類の色変化の巧妙さの背後にあるトリックの 1 つは、それらの皮膚の色素胞細胞の一部に、秩序だった状態から無秩序な状態にすばやく移行できるリフレクチンと呼ばれるタンパク質の層が含まれていることです。これらの層を厚くしたり薄くしたりすることで、動物はさまざまな波長を反射し、世界に表示する色を変えることができます.
ただし、タコとは異なり、カサガイは産卵後に層の形を変えることはできません。カサガイがどのようにして層状構造をこれほどの精度で構築するのかは謎です。 「その背後にある材料科学のダイナミクスは、驚くほど理解されていません」と Kolle 氏は述べています。しかし、近年、シンガポール国立大学のイエール-NUS カレッジのヴィノッド・サラナサンらの研究により、一部の鳥が鮮やかな青い羽毛の背後にある構造色をどのように生成するか、つまり相分離のプロセスについての理解が進みました。
高倍率で見ると、羽毛の色付きのとげ (フィラメント) は泡状の構造をしており、ベータケラチンタンパク質に浮遊する小さな均一な空気の球体があります。各気泡から散乱する光は、隣接する気泡から跳ね返る光と相互作用します。 「そして、それらはこれを行うのにちょうどいいサイズであるため、青色、ターコイズ色、または紫外線色を作ります」とプラムは言いました.
研究によると、発生中の鳥の羽毛の細胞内で、ベータケラチンは最初は水質の細胞質に分布していることが示されています。細胞内の化学変化により、ベータケラチンと水が自然に分離し、重合したタンパク質のマトリックス内に球状の水滴が作成されます。細胞が死ぬと、水が蒸発して空間が空気で満たされ、適切な波長の光を反射する気泡の小さなボール ピットが残ります。
プラムは、プロセスをビールのボトルを開けることに例えます。 「突然、凝縮が起こります。溶解した二酸化炭素が泡を形成し、その泡が特定のサイズに成長してから浮き上がります」と彼は言いました。 「これはビールの頭のように見えます。」
アオカケスや他のほとんどの鳥の青い羽では、これらの泡が乱れています。しかし、サラナサン、プラム、および彼らの同僚が全米科学アカデミー紀要で報告したように、少なくとも 1 つの種、東南アジアの青い翼の葉の鳥は、完全に秩序だった泡の結晶から肩の羽のきらめく青を得ます /em> 6 月 8 日。研究者たちは、葉鳥の羽をアルゴンヌ国立研究所の強力な X 線ビームラインの下に置いたときに、これらのジャイロイド結晶を発見しました。
高度に周期的な構造を形成する連続した極小面であるジャイロイドは、ある意味で球の逆です。球は一様な正の曲率を持ちますが、ジャイロイドは一様な負の曲率を持つ鞍型の物体です。その特別な機能の 1 つは、空間をトンネル システムの 2 つの迷路に分割し、膜で区切られ、互いに完全に鏡映していることです。トンネルの両方のセットが生細胞内の液体で満たされている場合、その構造は二重ジャイロイドとして知られています。トンネルの 1 つのセットのみが満たされている場合、構造は単一のジャイロイドです。
葉鳥の単一ジャイロイド結晶は、カサガイの層と同じ光学特性を示します。スイスのフリブールにあるアドルフ・メルクル研究所のソフトマター物理学者である Bodo Wilts は、「局所的に屈折率が周期的に変化する」、つまり異なる光散乱物質の周期的な配置があると説明しています。
Saranathan、Prum、およびその同僚によって2010年に報告されたように、単一のジャイロイドは、以前はいくつかの蝶の鱗でのみ自然界で見られました。オーストラリアのマードック大学で生体光材料を研究している Gerd Schröder-Turk と彼の同僚は、これらのうろこが発達しているときに、うろこ細胞の小胞体膜が両側に液体を含むシートを形成し、二重ジャイロイドを形成することを示しました。トンネルの 1 つがキチンで満たされ、固化します。細胞が死ぬと、単一のジャイロイドが残ります。
研究者は、この成形またはテンプレート化プロセスが、自然界で単一のジャイロイドを形成できる唯一の方法であると考えていました。代わりに、証拠は、葉の鳥が、近縁のアオカケスが無秩序な泡のボールピットを形成するのと同じ方法で、相分離によってジャイロイドを形成していることを示しています。これは、ソフトマター物理学の既存の理論に基づいて予測できなかったものだと、サラナサンとプラムは言います。
この発見は、このような結晶が自己組織化できることを示唆しており、フォトニック アプリケーション用の材料を作るためのより良い方法を探しているエンジニアにとって心強いものです。青色光をより効率的に伝送するには、たとえば、葉の鳥に見られる種類の青色反射材料で光ファイバー ケーブルを裏打ちして、青色光子が逃げないようにすることができます。
「現在、すべての光ファイバーは、精密工学を駆使して手間をかけて作られていますが、鳥は自己組織化によってそれを行っています」と Prum 氏は述べています。自己組織化フォトニック デバイスを成長させる方法を学ぶことは、「実質的なコスト削減になります」。
コレは同意します。昨年の Nature Photonics 、彼と彼のチームは、 アゲハ の翼の鱗から着想を得た材料を使用する暗視野イメージング顕微鏡の改良された方法について説明しました 蝶。現在、彼は学生と協力して、塗装されたレディ バタフライの翼の鱗にあるナノスケールの溝がどのように彫刻されるかを観察しています。この種のプロセスを理解することで、ほとんどの蝶で基本的なスケール アーキテクチャがどのように発達するかが明らかになるはずです。
