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そもそも 外の世界に
色は存在しません
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色は目のある生物の
心の中にだけ存在するものです
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そして外界の映像が
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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
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自然からすれば問題ではありません
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自然は物事の仕組みを
理解する必要がありません
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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
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どうやってこれらの２つの事実に気づき
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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
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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
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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
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20年前にきっかけとなったのは
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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
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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
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オーストラリアの海岸では
とてもありふれています
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また 生物発光によっても知られています
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反射できる光が無い闇の中で
光を発するのです
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シドニー近辺の海岸でも夜には見つかります
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この写真のような感じです
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ここまでは良く知られていました
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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
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緑ないし青色の光です
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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
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私が試料をつつきまわすと
青や緑の光が見えたのです
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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
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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
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この虹色の発光を利用して
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相手を惹きつけていました
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そこで どうなっているのか調べるために
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ウミホタルを電子顕微鏡で
観察してみました
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この写真が触角の表面に見られる
回折格子です
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この写真が触角の表面に見られる
回折格子です
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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
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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
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工学的にさまざまに用いられます
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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
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ここで面白いことは
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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
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ある機能を有しているので
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進化の結果
極めて効率的になりました
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自然が何百万年もこの進化に携わり
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最適に働くよう
微調整を加えてきました
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私は自分が何を探しているのか
分かりました
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自然界で他のどこに
回折格子はあるのだろうと考え
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あらゆる種類の動物を調べたところ
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様々な種類で見つかりました
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ここに示すような蠕虫（ぜんちゅう）や
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節足動物 ―コシオリエビ科の
ロブスターのはさみも
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見る方向ごとに違った色を呈します
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鮮やかで金属光沢のある色で
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ハチドリや甲虫類も同じ色を示します
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これは骨のような構造をしています
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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
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そして確かにありました
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化石を調べてみると
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4500万年前の
石から出てきた甲虫は
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あたかも生きているかのような
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金属的な光沢を示しました
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ここに示した8500万年前の
アンモナイトもそうです
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ご覧のように層状の反射体から
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光が反射するのです
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それぞれの層は髪の毛の
100分の１ほどの厚みで
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極めて微細なナノ構造にすぎません
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もっとも古いものはバージェス頁岩の化石で
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５億８百万年前のカンブリア紀の化石です
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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
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どれほど昔まで遡ることができるのだろう
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地球上で色が登場したのはいつなのか
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こうして 最初に誕生した眼を
探すことにしました
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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
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ここに示すような種類です
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この尾根状の形態の一つが
眼の上を通っています
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実際かなり良い眼で
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今の我々と同じように像を結ぶことができます
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ただこの生物は５億2100万年前に
生きていたものです
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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
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色などというものはなく
光の波長だけがありました
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その時代に生きていた生物を見てみると
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三葉虫は固い殻で武装しており
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非常に進んだスタイルの生き物でした
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素早く移動し
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生物を切り裂く固い武器を
備えていました
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捕食者だったのです
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周りの生物を見ることができました
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これより少し前までは
すべての生物の体はやわらかく
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三葉虫の祖先もやわらかい生き物でした
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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
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反応しあうことは
たいして起こりません
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光センサーはありましたが
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その当時のもっとも進んだ光センサーで
捉えた映像も
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こんな様子だったでしょう
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当時のセンサーで環境を眺めたら
良くてこの程度です
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当時のセンサーで環境を眺めたら
良くてこの程度です
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光がどちらの方向からやってくるか
わかるので
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水中でどちらが上でどちらが下かぐらいは
わかります
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しかし身の回りの敵も味方もわかりません
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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
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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
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光センサーが進化してレンズを獲得したのです
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像が眼底に投影されるようになりました
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地球で初めての像です
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こんな世界が見えたのでしょう
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周りの生物が全て見えます
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餌になりそうな生物を見分けられます
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すると 選択圧つまり淘汰圧が
その動物にはたらいて
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行きたいところへ泳げるような運動器官や
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餌を食いちぎるための固い器官を獲得し
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体の柔らかい動物を全て
餌とするようになります
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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
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このことがカンブリア紀の生物大爆発という
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進化のビッグバンを促し
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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
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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
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今 目にするような
様々な体を持ち
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様々な行動をするようになりました
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生命は突然複雑になりました
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世界に視覚が与えられ
それは今も残っています
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今では 95%の動物が目を持っています
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視覚は地上で最も強力な刺激です
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どこに行っても
そのイメージを網膜に写し取ります
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そうなると
動物は適応しなければなりません
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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
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進化によるデザインプロセスは
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何兆ものDNAの鎖の変異の中から
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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
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何百万年もかけた取り組みです
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何億年もかけて最適な色を作り出してきました
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産業的な設計だったら
新しい色を開発するのに
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１年もあれば恵まれています
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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
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見てみようじゃないですか
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その色が生じる仕組みが分からなくても
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それは問題ではありません
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自然の中にあるナノ構造を
ただ模倣すれば良いのです
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そうすれば同じ色が手に入るでしょう
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結局 どちらも目指すゴールは同じです
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視覚に及ぼす効果です
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まず 産業の面から考えてみましょう
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どんな種類の色がお望みでしょうか
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暗いところでも鮮やかに目立つ色で
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陽の光が無くても光を生じるタイプは
いかがですか
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例えばケミカルライトとして
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あるいは農業分野での応用もあります
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作物がウイルスに感染すると
夜になって光を放ち
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どこが感染しているかを
農家に伝えることができます
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私たちが生体発光の材料で
取り組んでいることです
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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
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その際の副産物として光を生じます
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これは大変効率的な光です
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ほとんどすべてのエネルギーが光に変換され
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たとえば白熱電球と違って
熱はほとんど生じません
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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
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深海ではありふれた現象で
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深海生物の90パーセント以上は
生物発光をします
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産業界は色素を求めているでしょうか？
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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
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この場合にはオレンジ色の色素です
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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
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色素分子にあたります
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大半の波長は吸収されて熱に変換されますが
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吸収されなかった残りのエネルギーが
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逆向きの反射や散乱によって
周りに放出されます
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その色が見えるわけです
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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
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それは色素胞あるいは色素細胞と
呼ばれるものです
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これは拡大したり縮小したりできる細胞で
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色素をたくさん含んでいます
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これが広がると
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画素として見えるほど大きくなり
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これが縮むと
見えなくなります
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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
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赤や青や緑の色素胞を並べて
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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
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今 ジョージア工科大と共同で
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色変化をする表面と材料を研究しています
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例えば迷彩色として役立つでしょう
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また多く見つかる蛍光色素も
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産業界に提供できるでしょう
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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
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こちらはキバタンの冠羽で蛍光を発します
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こちらはキバタンの冠羽で蛍光を発します
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黄色の色素を示した写真と
蛍光だけを示した写真です
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黄色の色素を示した写真と
蛍光だけを示した写真です
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どういうことかというと
蛍光もまた黄色で
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黄色の色素の効果を増強しているのです
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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
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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
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求愛行動で使われる羽根
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つまり羽根飾りの部分で
メスにアピールするのですが
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この羽根には蛍光色素があります
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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
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ここには進化がはたらいていて
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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
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蛍光は原子レベルの機構によるもので
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紫外線を含んだ白色光が来たときに生じます
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紫外線は目に見えませんが
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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
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紫外線の持っている
大きなエネルギーの一部を使って
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電子は
より外側の軌道に移ります
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すぐに電子は元の軌道に落ちてきますが
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そのときにエネルギーを光として放射します
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一部は熱として失われるので
エネルギーは小さくなり
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波長の長い光
例えば黄色の光が出てきます
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目に見えない紫外線から
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目に見える黄色の光になるのです
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さて 次は私の好きなテーマの
構造色です
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自然のナノテクノロジーと
言ってもよいでしょう
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これは完全に透明な物質で作られた
物理的な構造です
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ナノスケールの構造が重要で
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これでどんな色が反射されるか
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あるいはどんな光の効果が生じるかが
決まります
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これはシドニーの海辺で見つかる
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コガネウロコムシのトゲです
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奇妙な恰好の動物で
小さな虹色のマウスにも見えます
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しかしこれは海の生き物で
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虹色のトゲに覆われています
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このトゲの断面を見ると
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これらのナノチューブが
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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
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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
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それ以来
さまざまな技術に応用されてきました
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未来のコンピューターは
電子素子の代わりに
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光素子を使って
革命をもたらすことでしょう
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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
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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
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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
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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
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とりあえず
自然が作った物を真似すれば良いのです
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これは私が見つけたのではありません
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自然界で見つかった最初のフォトニック結晶は
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私が2000年に見つけました
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もしもっと早くから自然界を
調べ始めていたら
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ずいぶんと時間を節約できたかもしれません
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蝶もフォトニック結晶の良い例です
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蝶の羽根には10万枚もの鱗粉が
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屋根の瓦のように並んでいます
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それぞれの鱗粉はナノ構造でできていて
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光の波とさまざまな相互作用を示します
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スライドでは
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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
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これもまた 髪の毛の100分の1サイズです
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これらの構造の多様性は
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建物の形のように多種多様です
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光の波長程度のサイズの
ナノスケールの構造によって
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光学的な効果が変わります
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さまざまな構造体によって
別の色を生じたり
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その色の変化の仕方が違ったりします
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この鱗粉を違った角度から見ると
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色が変化する構造も
一定の色が見える構造もあります
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彩度の高い鱗粉も
濁った色の鱗粉もあります
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フォトニック結晶の良い例はオパールです
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左上の写真は宝石のオパールです
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オパールにはナノサイズの球体が
詰まっています
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ぎっしりと詰まっています
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入ってきた光線は
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この構造の中であちこちで反射し
互いに作用して
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虹色の光を生み出します
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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
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生物がオパールを作るのです
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オパールも多くの応用技術で使われます
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例えばコンピューターの素子です
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工業的にはエネルギーを
たくさん費やして製造します
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高温と高圧が必要なのです
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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
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魔法のように化学材料を混ぜ合わせると
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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
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今私たちもこれを目指しています
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生きたゾウムシの鱗粉を観察して
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この素子がどうやって作られるのか
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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
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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
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それどころか あらゆる反射を防ぎ
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それどころか あらゆる反射を防ぎ
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全ての光が表面を透過するようにします
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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
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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
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電子顕微鏡で捉えた微細構造は
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写真で見えるか見えないかの
非常に細い縞模様です
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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
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中央部には
この構造が作られているのです
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反射が低減していることがわかります
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光が反射されないで
すべて透過するのです
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これでガラス窓を処理すれば
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自分の姿が写り込んだりしません
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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
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さて数年前に
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生体模倣分野の狙いを
光学や色だけでなく
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他の分野に広げ始めました
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甲虫やシャコ類の持つ強い材料
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水中でも機能する接着剤とか
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自然の動物や植物に基づいた建物
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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
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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
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ビルで使えます
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水の問題も私を捕らえました
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手短に話します
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例えばナミブ砂漠の
甲虫（サカダチゴミムシダマシ）は
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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
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この構造は空調機に用いられ
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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
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自然が教えてくれたことは
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空中の水という水源があり
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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
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この技術については
MIT と共同研究しており
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もうじき最初の装置をアフリカに届けて
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飲料水や医療用の水を
集められるようになるでしょう
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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
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来年には 大変おもしろいものが
登場するはずです
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この研究分野についてご紹介してきました
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全ての始まりは と言えば
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５億２千万年前のできごとだったのです
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ありがとうございました
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（拍手）
closed TED
