生成的データ インテリジェンス

クジャク、パンサーカメレオン、コンゴウインコ、カクレクマノミ、オオハシ、ヒョウモンダコなど、動物界には非常にカラフルな美しさを持つ無数の住人がいます。 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。 新しい研究はそれらの秘密を明らかにし続けており、それはしばしば羽、鱗、髪、皮膚の中や上にある微細な特徴の素晴らしく正確な自己組織化に依存しています。業界。

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、残りを吸収する色素によって生成されます。 クロロフィルのような緑色の色素は、スペクトルの緑色の部分を反映しますが、短い青色の波長だけでなく、長い赤と黄色の波長も吸収します。 どの特定の波長が反射または吸収されるかは、顔料の分子構成とその分子構造内の原子間の正確な距離によって異なります。

植物は生化学的合成の達人であるため、それらの細胞は多くの種類の色素を調合することができますが、動物は概してそれらを最大限に活用するための代謝経路を失っています。 動物の主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。 動物は、自分自身を飾り、変装し、仲間を求愛し、捕食者を追い払うために必要な色のより豊かな虹を作るために、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、鳥の明るい赤と黄色は、主に食物中のカロテノイド色素に由来します。

しかし、自然界で食べることができる青い色素はほとんどないため、スペクトルの青い端は別の課題を表しています。 それでも、ブルージェイ、ネオンテトラ、ポイズンダートフロッグ、その他の多くの動物は、色素に依存しない解決策を見つけ、ブルー（および一部のグリーン）を別の方法で作るための光学的トリックを進化させました。 それらはいわゆる構造色を作ります。

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って回折し、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。その相互作用は、いくつかの色を強化し、他の色を排除します」と説明しました。 リチャード・プラム、イェール大学の鳥の羽の着色の専門家。

この着色への構造的アプローチには、適応性という利点があります。「透明である限り、どの素材を使用してもかまいません」と説明されています。 マティアス・コール、マサチューセッツ工科大学で生物学的に着想を得た光学材料を研究しています。

構造色はまた、しばしば虹色のキラキラ光る視覚的魅力を持っています。 構造色レイヤー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、色相が変化したりするように見える場合があります。 その効果は、例えばモルフォ蝶の鮮やかな青で印象的です。 モルフォ蝶の羽の鱗は、光の波を回折して反射する木のような突起が並ぶ微細な溝で彫刻されており、互いに干渉して虹色の青を生み出します。

で 2015研究、Kolleと彼の同僚は、軟体動物である青色光線のカサガイが、その殻に独特の明るい青色の縞模様を生成する方法を発見したことを報告しました。 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、各層は光の断片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。 層の厚さを適切に（100ナノメートル）取得することにより、リンペットは青い波長を除くすべての波長を互いに打ち消し合います。

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の変化の芸術性の背後にあるXNUMXつのトリックは、皮膚の色素胞細胞の一部に、秩序状態から無秩序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、世界に表示される色を変えることができます。

しかし、タコとは異なり、カサガイは寝かせた後、その層の形を変えることはできません。 カサガイがこのような精度で層状構造をどのように構築するかは謎です。 「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、プラムによる仕事、 ヴィノドサラナサン 近年、シンガポール国立大学のエール-NUSカレッジなどは、一部の鳥が鮮やかな青い羽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を理解する上で進歩を遂げています。

高倍率では、羽毛の着色された棘（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くて均一な空気の球体があります。 各気泡から散乱する光は、隣接する気泡で跳ね返る光と相互作用します。 「そして、これを行うのにちょうどいいサイズなので、青色、ターコイズ色、または紫外線色になります」とプラム氏は言います。

研究によると、発育中の鳥の羽の細胞内では、ベータケラチンが水様の細胞質に分布し始めます。 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、重合タンパク質のマトリックス内に球状の水滴が生成されます。 細胞が死んだ後、水は蒸発し、空間は空気で満たされ、ちょうどいい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、このプロセスをビールのボトルを開けるプロセスに例えています。 「突然結露が発生します。溶解した二酸化炭素が泡を形成し、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、これらの泡は無秩序です。 しかし、少なくともXNUMXつの種、東南アジアのアオバネコノハドリは、サラナサン、プラムとその同僚のように、完全に秩序だった泡の結晶から肩の羽のきらめく青を取得します 報告 セクションに 米国科学アカデミー紀要 研究者たちは、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コノハドリの羽を置いたときに、これらのジャイロイド結晶を発見しました。

非常に周期的な構造を形成する連続した極小曲面であるジャイロイドは、ある意味で球の逆です。球は均一な正の曲率を持ちますが、ジャイロイドは均一な負の曲率を持つサドル型のオブジェクトです。 その特別な機能のXNUMXつは、空間をトンネルシステムのXNUMXつの迷路に分割し、膜で分離して、互いに完全にミラーリングすることです。 トンネルの両方のセットが生細胞内の流体で満たされている場合、その構造はダブルジャイロイドとして知られています。 トンネルのセットがXNUMXつだけ満たされている場合、構造は単一のジャイロイドになります。

コノハドリの単一の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。 「屈折率が局所的に周期的に変化する」、またはさまざまな光散乱材料の周期的な配置が説明されています ボドウィルツ、スイスのフリブー​​ルにあるAdolphe MerkleInstituteのソフトマター物理学者。

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。 2010で報告 サラナサン、プラムとその同僚による。 GerdSchröder-Turk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彼と彼の同僚は、これらの鱗が発達しているときに、鱗細胞の小胞体膜が両側に液体のあるシートを形成し、二重ジャイロイドを形成することを示しました。 次に、トンネルのXNUMXつがキチンで満たされ、固化します。 細胞が死ぬと、それらは単一のジャイロイドを残します。

研究者たちは、この成形またはテンプレート化プロセスが、単一のジャイロイドが自然界で形成できる唯一の方法であると考えました。 代わりに、証拠は、コノハドリがそのジャイロイドを、その近親者であるアオカケスがその無秩序な泡のボールピットを作るのと同じ方法で、相分離によって作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することは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は励みになります。 たとえば、青色光をより効率的に伝送するために、光ファイバーケーブルをリーフバードに見られる種類の青色反射材料で裏打ちして、青色光子が逃げないようにすることができます。

「現在、精密工学で手間をかけて製造されているすべての光ファイバー—鳥は自己組織化によってそれを行います」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、「実際のコスト削減になるでしょう」。

コールは同意します。 昨年 Nature Photonicsの、彼と彼のチームは、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 アゲハ 蝶。 現在、彼は学生と協力して、ヒメアカタテハの羽の鱗のナノスケールの溝がどのように彫刻されてい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のアーキテクチャがどのように発展するかが明らかになるはずです。「完全に異なる材料システムでこれらの材料を作るために適用できる生体力学的原理があることを願っています」と彼は言いました。