マサチューセッツ州ボストンのHarvard Universityとウッズ・ホールのMarine Biological Laboratory (MBL)の研究者は、小さな海洋動物が環境に合わせて体色を変える自然のつくったナノスケール・フォトニックの原理解明が進めば兵士の軍装の迷彩も改良できるのではないかと考えている。「海のカメレオン」と呼ばれるコウイカは、体表の色やパターンを急速に変化させて視覚的に環境に溶け込み、天敵から身を守ることができる。
2014年1月29日付Journal of the Royal Society Interfaceオンライン版に掲載された研究論文で、Harvard-MBL共同研究チームは、コウイカの体色変化の高度な生体分子的ナノフォトニック系のこれまで知られていなかった原理を詳述している。Harvard School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), Bioengineering and Applied PhysicsのTarr Family Professorを務め、Harvard, Wyss Institute for Biologically Inspired Engineeringの中心的な教授会員でもあるDr. Kevin Kit Parkerは、「自然は複雑な環境適応迷彩の問題をはるか昔に解決した。私たちの課題は、その自然の系を解析し、大量生産に見合った対費用効率の高い生産手段を開発することだ」と述べている。この発見は、軍装迷彩の繊維だけでなく、塗料、美容、家電製品まで様々な応用範囲がある。
コウイカ (Sepia officinalis) は、ヤリイカやタコと同じ頭足類である。色素胞と呼ばれる神経が制御する色素性器官は、イカが環境色を視認し、それに対応して体色を変化させることができる。しかし、適応色変化の生物学的、化学的、光学的な機能についてはまだ理解は進んでいない。体色を変化させるコウイカの体表は光学的に3層で構成されており、白色素胞と呼ばれる可視スペクトラム全域にわたって同じ反射率でほぼ完全に光を散乱させる層、次に何層もの薄膜を重ねた虹色素胞と呼ばれる反射層、それに色素胞の層である。
研究論文の共同著者でHarvard SEASの生体工学研究助手を務めるDr. Leila F. Deraviは、「コウイカは、これらの層によって、様々な色を選択的に吸収したり、反射したりすることができる」と述べている。Dr. Deraviは、「これまで色素胞は単に光を選択的に透過反射させるフィルターの役目をするだけの色素性器官と考えられていた。しかし、私たちの研究で色素胞がもっと複雑な機能をしていることが示されている。色素胞には発光性タンパク質ナノストラクチャが含まれており、コウイカが体表の色を急速にしかも複雑に変化させることができるのはそのためだ」と述べている。
コウイカがその変色系を働かせると色素胞が膨張し、その表面積は最高500%程度も広がる。Harvard-MBLチームの研究で、色素胞のサイズが変化しながらも色素胞内に繋留されている色素粒が光を吸光、反射、蛍光発光などを行い、実質的にナノスケールのフォトニック素子として機能していることが突き止められた。論文共同著者で、SEASのApplied Physics and of Electrical EngineeringのTarr-Coyne Professorを務めるDr. Evelyn Huは、「コウイカは巧妙な物質組成と構造の原理を用いており、私たちの技術ではまだ実現不可能なことだ。コウイカが用いているメカニズムを再現するだけでも極端に困難で、表面積を500倍に拡張するほどの弾力性を備えた材料をつくることもできない。また、たとえできたとしても、膨張した時としていない時では材料の色の豊かさは大幅に変わってしまう。風船を膨らませた時としぼませた時の色の違いを想像すれば分かりやすいのではないか。コウイカは、単に受動的に光の反射を調節するのではなく、能動的に蛍光発光することで色の豊かさの変動を補っていると考えられる」と述べている。
研究チームにはMBLのDr. Roger Hanlonとその同僚も参加しており、Dr. Hanlonの研究室では長年にわたってコウイカその他の無脊椎動物の適応色変化を研究してきた。Dr. Hanlonは、「コウイカの体表は独特で、動的に変化する紋様と変化の速さが特徴だ。柔らかく柔軟な皮膚の色素と反射性物質の相互的な役割を解明することがその原理を材料科学や材料工学で再現する上で重要なステップだ。私たちの共同研究では、研究の範囲を広げ、たとえば個々の色素粒をつなぐ繋留系など、意外ながら有用な発見もあった」と述べている。アフガニスタンに2度派遣された米陸軍予備役のDr. Parkerにとって、コウイカの研究は学問的な分野にとどまらず、生物学的な発想による軍装迷彩色を開発するという実際的な課題でもある。Dr. Parkerは、迷彩色のパターンの善し悪しが戦場では人命に関わることを身をもって体験している。Dr. Parkerは、「これまで人間は『透明マント』を手に入れることを夢見てきた。自然はその秘密を解いている。今度は人間が自然の巧みな技術を再現する番だ。それを実現すればコウイカのように天敵を避けることができる」と述べている。
この研究論文の共同著者としては、Dr. Parker、Dr. Hu、Dr. Hanlon、Dr. Deraviの他にも、Dr. Huのグループで博士研究員だったDr. Andrew P. Magyar、Dr. Parkerのグループで大学院生のSean P. Sheehy、MBLのProgram in Sensory Physiology and Behaviorで、Dr. Hanlonと一緒に研究を進めているDr. George R. R. Bell、Dr. Lydia M. Mathger、Dr. Stephen L. Senft、Dr. Trevor J. Wardill、Dr. Alan M. Kuzirianらがいる。
■原著へのリンクは英語版をご覧ください: Nanophotonic System of “Chameleon of the Sea” May Inspire Improved Paints, Cosmetics, Electronics, and Military Camouflage
