色の起源 | アンドリュー・パーカー | TEDxSydney

アンドリュー・パーカーは、オーストラリア博物館とマッコーリー大学で海洋生物学と物理学を研究し、後にオックスフォード大学に移りました。眼の進化がきっかけになって進化のビッグバンが起きたという「光スイッチ説」を確立したのちに、設計原理を自然界に求める生体模倣技術の研究を進めています。例えば、ハチドリと同じ発色の塗料や、昆虫の眼に倣った太陽電池用の無反射表面構造、ナミブ砂漠のサカダチゴミムシダマシを手本にした水回収デバイスでアフリカにきれいな飲料水を提供することなどを試みています。

アンドリュー・パーカーはロンドンの Royal Institution によって「新世紀の科学者」に選ばれており、一般向けの科学解説書として『眼の誕生』と ”Seven Deadly Colours” の著者でもあります。現在は、ロンドン自然史博物館とオックスフォード大学のグリーン・テンプルトン・カレッジで研究リーダーを勤めています。

このビデオは、TEDカンファレンスの形式で地元コミュニティが独自に運営するTEDxイベントにおいて収録されたものです。詳しくは http://ted.com/tedx をご覧ください。

そもそも 外の世界に
色は存在しません

色は目のある生物の
心の中にだけ存在するものです

そして外界の映像が

どう作り上げられるのか
まだ十分には分かっていませんが

自然からすれば問題ではありません

自然は物事の仕組みを
理解する必要がありません

ただ試行錯誤やランダムな変異によって
物事を発明し続けているのです

どうやってこれらの２つの事実に気づき

バイオミメティクス（生体模倣）を
研究するようになったかお話しします

自然から学び 着想を得て
産業に応用する分野の研究です

自然から学び 着想を得て
産業に応用する分野の研究です

20年前にきっかけとなったのは

ウミホタル あるいは貝虫と呼ばれる生物を
研究していたときのことです

トマトの種ほどの大きさの目立たない
生き物で あまり知られていませんが

オーストラリアの海岸では
とてもありふれています

また 生物発光によっても知られています

反射できる光が無い闇の中で
光を発するのです

シドニー近辺の海岸でも夜には見つかります

この写真のような感じです

ここまでは良く知られていました

私の研究は緑の閃光とともに始まったという
話をよくしています

緑ないし青色の光です

保存してあったウミホタルを顕微鏡で
観察していたときに

私が試料をつつきまわすと
青や緑の光が見えたのです

ウミホタルでは未知のことだったので
何が起きているんだろうと思いました

それから生きたウミホタルの求愛を
ビデオ撮影していると

この虹色の発光を利用して

相手を惹きつけていました

そこで どうなっているのか調べるために

ウミホタルを電子顕微鏡で
観察してみました

この写真が触角の表面に見られる
回折格子です

この写真が触角の表面に見られる
回折格子です

白色の光から
それを構成する色を分離することができます

回折格子は物理の分野や
産業界でよく目にするものです

工学的にさまざまに用いられます

しかしウミホタルや動物一般では
知られていませんでした

ここで面白いことは

これが求愛のための
ディスプレイに用いられるという点です

ある機能を有しているので

進化の結果
極めて効率的になりました

自然が何百万年もこの進化に携わり

最適に働くよう
微調整を加えてきました

私は自分が何を探しているのか
分かりました

自然界で他のどこに
回折格子はあるのだろうと考え

あらゆる種類の動物を調べたところ

様々な種類で見つかりました

ここに示すような蠕虫（ぜんちゅう）や

節足動物 ―コシオリエビ科の
ロブスターのはさみも

見る方向ごとに違った色を呈します

鮮やかで金属光沢のある色で

ハチドリや甲虫類も同じ色を示します

これは骨のような構造をしています

そこで化石の中にも
見つかるのではないかと考えました

そして確かにありました

化石を調べてみると

4500万年前の
石から出てきた甲虫は

あたかも生きているかのような

金属的な光沢を示しました

ここに示した8500万年前の
アンモナイトもそうです

ご覧のように層状の反射体から

光が反射するのです

それぞれの層は髪の毛の
100分の１ほどの厚みで

極めて微細なナノ構造にすぎません

もっとも古いものはバージェス頁岩の化石で

５億８百万年前のカンブリア紀の化石です

そこでこんなことを考えました
色の歴史をここまで辿れたが

どれほど昔まで遡ることができるのだろう

地球上で色が登場したのはいつなのか

こうして 最初に誕生した眼を
探すことにしました

そして ある種の三葉虫が
まさに初期の眼を持っていたことがわかりました

ここに示すような種類です

この尾根状の形態の一つが
眼の上を通っています

実際かなり良い眼で

今の我々と同じように像を結ぶことができます

ただこの生物は５億2100万年前に
生きていたものです

それ以前には視覚は存在せず
色は意味がありませんでした

色などというものはなく
光の波長だけがありました

その時代に生きていた生物を見てみると

三葉虫は固い殻で武装しており

非常に進んだスタイルの生き物でした

素早く移動し

生物を切り裂く固い武器を
備えていました

捕食者だったのです

周りの生物を見ることができました

これより少し前までは
すべての生物の体はやわらかく

三葉虫の祖先もやわらかい生き物でした

全ての生物は海底をゆっくりと動き回り
周囲にはぶつかるだけでした

反応しあうことは
たいして起こりません

光センサーはありましたが

その当時のもっとも進んだ光センサーで
捉えた映像も

こんな様子だったでしょう

当時のセンサーで環境を眺めたら
良くてこの程度です

当時のセンサーで環境を眺めたら
良くてこの程度です

光がどちらの方向からやってくるか
わかるので

水中でどちらが上でどちらが下かぐらいは
わかります

しかし身の回りの敵も味方もわかりません

他の生物を特定することはできず
何がいるかも分かりません

そして 生命の歴史上
最も劇的な出来事が起きたのでしょう

光センサーが進化してレンズを獲得したのです

像が眼底に投影されるようになりました

地球で初めての像です

こんな世界が見えたのでしょう

周りの生物が全て見えます

餌になりそうな生物を見分けられます

すると 選択圧つまり淘汰圧が
その動物にはたらいて

行きたいところへ泳げるような運動器官や

餌を食いちぎるための固い器官を獲得し

体の柔らかい動物を全て
餌とするようになります

要するに食べられるのを待っている
タンパク質の塊というわけです

このことがカンブリア紀の生物大爆発という

進化のビッグバンを促し

ここであらゆる生物が
蠕虫やクラゲのような軟体から進化して

ここであらゆる生物が
蠕虫やクラゲのような軟体から進化して

今 目にするような
様々な体を持ち

様々な行動をするようになりました

生命は突然複雑になりました

世界に視覚が与えられ
それは今も残っています

今では 95%の動物が目を持っています

視覚は地上で最も強力な刺激です

どこに行っても
そのイメージを網膜に写し取ります

そうなると
動物は適応しなければなりません

いつ何時でも捕食者に捕らえられる
可能性が出てきたのです

進化によるデザインプロセスは

何兆ものDNAの鎖の変異の中から

無限の組み合わせを試して
新しい色を作り出してきました

何百万年もかけた取り組みです

何億年もかけて最適な色を作り出してきました

産業的な設計だったら
新しい色を開発するのに

１年もあれば恵まれています

それなら 自然界を探して
何かコピーできるものがあるかどうか

見てみようじゃないですか

その色が生じる仕組みが分からなくても

それは問題ではありません

自然の中にあるナノ構造を
ただ模倣すれば良いのです

そうすれば同じ色が手に入るでしょう

結局 どちらも目指すゴールは同じです

視覚に及ぼす効果です

まず 産業の面から考えてみましょう

どんな種類の色がお望みでしょうか

暗いところでも鮮やかに目立つ色で

陽の光が無くても光を生じるタイプは
いかがですか

例えばケミカルライトとして

あるいは農業分野での応用もあります

作物がウイルスに感染すると
夜になって光を放ち

どこが感染しているかを
農家に伝えることができます

私たちが生体発光の材料で
取り組んでいることです

生体発光では２種類の化学物質が
有酸素の条件で相互作用して

その際の副産物として光を生じます

これは大変効率的な光です

ほとんどすべてのエネルギーが光に変換され

たとえば白熱電球と違って
熱はほとんど生じません

生物発光はホタルなど発光性の生物が
光を出す仕組みです

深海ではありふれた現象で

深海生物の90パーセント以上は
生物発光をします

産業界は色素を求めているでしょうか？

これは自然界ではありふれたもので
たとえばこのミルクスネークにも色素があります

この場合にはオレンジ色の色素です

ここで何が起きているかというと
あらゆる波長の光を含む白色光が

色素分子にあたります

大半の波長は吸収されて熱に変換されますが

吸収されなかった残りのエネルギーが

逆向きの反射や散乱によって
周りに放出されます

その色が見えるわけです

また自然が産業界に色素を提供する
別の方法もあります

それは色素胞あるいは色素細胞と
呼ばれるものです

これは拡大したり縮小したりできる細胞で

色素をたくさん含んでいます

これが広がると

画素として見えるほど大きくなり

これが縮むと
見えなくなります

カメレオンやコウイカなどイカの仲間が
色を変える仕組みです

赤や青や緑の色素胞を並べて

これを拡張させたり縮小させたりすれば
どんな所望の色でも作れるでしょう

今 ジョージア工科大と共同で

色変化をする表面と材料を研究しています

例えば迷彩色として役立つでしょう

また多く見つかる蛍光色素も

産業界に提供できるでしょう

例えばオーストラリアのインコの
蛍光色素を見てみましょう

こちらはキバタンの冠羽で蛍光を発します

こちらはキバタンの冠羽で蛍光を発します

黄色の色素を示した写真と
蛍光だけを示した写真です

黄色の色素を示した写真と
蛍光だけを示した写真です

どういうことかというと
蛍光もまた黄色で

黄色の色素の効果を増強しているのです

蛍光を示す羽根と示さない羽根とが
あることがわかりました

蛍光を示す羽根と示さない羽根とが
あることがわかりました

求愛行動で使われる羽根

つまり羽根飾りの部分で
メスにアピールするのですが

この羽根には蛍光色素があります

つまり偶然によって
黄色の蛍光を発するのではありません

ここには進化がはたらいていて

極めて効率良く黄色の光を
発するようになっているのです

蛍光は原子レベルの機構によるもので

紫外線を含んだ白色光が来たときに生じます

紫外線は目に見えませんが

色素分子に吸収されて
長い波長の光が返ってくるのです

紫外線の持っている
大きなエネルギーの一部を使って

電子は
より外側の軌道に移ります

すぐに電子は元の軌道に落ちてきますが

そのときにエネルギーを光として放射します

一部は熱として失われるので
エネルギーは小さくなり

波長の長い光
例えば黄色の光が出てきます

目に見えない紫外線から

目に見える黄色の光になるのです

さて 次は私の好きなテーマの
構造色です

自然のナノテクノロジーと
言ってもよいでしょう

これは完全に透明な物質で作られた
物理的な構造です

ナノスケールの構造が重要で

これでどんな色が反射されるか

あるいはどんな光の効果が生じるかが
決まります

これはシドニーの海辺で見つかる

コガネウロコムシのトゲです

奇妙な恰好の動物で
小さな虹色のマウスにも見えます

しかしこれは海の生き物で

虹色のトゲに覆われています

このトゲの断面を見ると

これらのナノチューブが

フォトニック結晶の線維と
なっていることが分かります

物理の分野でフォトニック結晶が
発見されたのは1980年代ですが

それ以来
さまざまな技術に応用されてきました

未来のコンピューターは
電子素子の代わりに

光素子を使って
革命をもたらすことでしょう

このタイプのフォトニック結晶は
すでに通信産業で使われています

このタイプのフォトニック結晶は
すでに通信産業で使われています

しかし自然が行ったデザインには
物理学で未知のものがあり

どういう仕組みか
その物理が完全にはわかっていません

とりあえず
自然が作った物を真似すれば良いのです

これは私が見つけたのではありません

自然界で見つかった最初のフォトニック結晶は

私が2000年に見つけました

もしもっと早くから自然界を
調べ始めていたら

ずいぶんと時間を節約できたかもしれません

蝶もフォトニック結晶の良い例です

蝶の羽根には10万枚もの鱗粉が

屋根の瓦のように並んでいます

それぞれの鱗粉はナノ構造でできていて

光の波とさまざまな相互作用を示します

スライドでは

この鱗粉の詳細を捉えた
電子顕微鏡の画像をお見せします

これもまた 髪の毛の100分の1サイズです

これらの構造の多様性は

建物の形のように多種多様です

光の波長程度のサイズの
ナノスケールの構造によって

光学的な効果が変わります

さまざまな構造体によって
別の色を生じたり

その色の変化の仕方が違ったりします

この鱗粉を違った角度から見ると

色が変化する構造も
一定の色が見える構造もあります

彩度の高い鱗粉も
濁った色の鱗粉もあります

フォトニック結晶の良い例はオパールです

左上の写真は宝石のオパールです

オパールにはナノサイズの球体が
詰まっています

ぎっしりと詰まっています

入ってきた光線は

この構造の中であちこちで反射し
互いに作用して

虹色の光を生み出します

2005年には 面白いことに
ゾウムシでオパール構造を見つけました

生物がオパールを作るのです

オパールも多くの応用技術で使われます

例えばコンピューターの素子です

工業的にはエネルギーを
たくさん費やして製造します

高温と高圧が必要なのです

しかし自然界の動物は
室温と常圧でこれを作っています

魔法のように化学材料を混ぜ合わせると

とてもわずかなエネルギー消費で
この完璧なオパール構造ができるのです

今私たちもこれを目指しています

生きたゾウムシの鱗粉を観察して

この素子がどうやって作られるのか

そしてその仕組みをまねて
工業的に使えないか 研究しています

また自然の光学素子の中には
まったく色を生じないものもあります

それどころか あらゆる反射を防ぎ

それどころか あらゆる反射を防ぎ

全ての光が表面を透過するようにします

この琥珀の中から見つかった
4500万年前のハエの眼の構造がそうです

この琥珀の中から見つかった
4500万年前のハエの眼の構造がそうです

電子顕微鏡で捉えた微細構造は

写真で見えるか見えないかの
非常に細い縞模様です

この構造を右下の写真のように
アクリル樹脂の表面に作りました

中央部には
この構造が作られているのです

反射が低減していることがわかります

光が反射されないで
すべて透過するのです

これでガラス窓を処理すれば

自分の姿が写り込んだりしません

また太陽電池パネルを処理すれば
エネルギー効率が10パーセント向上します

さて数年前に

生体模倣分野の狙いを
光学や色だけでなく

他の分野に広げ始めました

甲虫やシャコ類の持つ強い材料

水中でも機能する接着剤とか

自然の動物や植物に基づいた建物

アリ塚に見られるような
ほとんどエネルギーの要らない空調システムは

アリ塚に見られるような
ほとんどエネルギーの要らない空調システムは

ビルで使えます

水の問題も私を捕らえました

手短に話します

例えばナミブ砂漠の
甲虫（サカダチゴミムシダマシ）は

砂漠の霧から水を集める実に効率的な構造を
持っていることを見つけました

この構造は空調機に用いられ

水分を取り出してリサイクルするために
使われています

自然が教えてくれたことは

空中の水という水源があり

砂漠の動物や植物は
それを利用しているということです

この技術については
MIT と共同研究しており

もうじき最初の装置をアフリカに届けて

飲料水や医療用の水を
集められるようになるでしょう

残念ながら今後の計画について
詳細をお話しすることはできませんが

来年には 大変おもしろいものが
登場するはずです

この研究分野についてご紹介してきました

全ての始まりは と言えば

５億２千万年前のできごとだったのです

ありがとうございました

（拍手）