科学は愛ですコミュの「蝶の翅色」のナノ構造と宇宙素材

http://wiredvision.jp/news/201006/2010061823.html

写真説明：中：針金の枠に張った石鹸膜
写真説明：右：Alan Schoen氏が作成したジャイロイドのモデル

イェール大学の研究チームが、5種のチョウの翅を、3次元のナノスケール分解能をもつ顕微鏡で観察したところ、翅の緑色の部分が、ジャイロイドと呼ばれる結晶構造でできていることが明らかになった。

ジャイロイドは1970年、米航空宇宙局(NASA)の物理学者Alan Schoen氏が、宇宙空間で使用するための、超軽量できわめて丈夫な素材の理論的探索を行なっていた際に概念化したものだ。

ジャイロイドは、「3方向に無限に連結した3次元の周期極小曲面」であり、一定の領域内で可能な限り小さな表面積を持つ。この構造をわかりやすく示しているのが、針金の枠に張った石鹸膜だ(下の画像を参照)。

ただし、石鹸膜とは違って、ジャイロイドの各表面はけっして互いに交わらない。また、Schoen氏の発見から数十年の間に数学者たちが証明したように、ジャイロイドは直線の部分を持たず、どこを分割しても左右対称にはならない。

数学者たちがジャイロイドの性質を推測する一方で、昆虫学者たちも、自然界に同じ構造が存在していることを、少なくとも2次元では発見していた。チョウの翅を顕微鏡で観察したところ、一部の鱗粉の表面と、その構造が光と持つ関係が、数学的に予測されたジャイロイド構造と一致したのだ。[モルフォチョウなど鮮やかなチョウの翅の色は、構造色(光の波長或いはそれ以下の微細構造による干渉や回折、散乱により物体が色付く現象)から生じる]

ただしこれらの分析は、鱗粉を2次元的に観察したものにすぎなかった。これに対して、今回発表された研究では、シンクロトロンX線小角散乱という顕微鏡技術を用いて、3次元での観察が行なわれた。電子顕微鏡とX線装置を組み合わせたようなこの技術によって、チョウの翅のジャイロイド構造が、3次元の高精細画像で捉えられた。

チョウの翅のジャイロイド構造は、キチン質でできている。キチン質は、昆虫の外骨格の成分となっているポリマーだが、翅の細胞から分泌される際に自然にジャイロイド構造をとる。細胞が死んで分解した後も、キチン質の構造は残る[チョウの翅の鱗粉は、体表の毛が変化したもの。上皮細胞が強くキチン化して死に、ソケット状の孔から容易に離脱できるようになったもの]。

これらを通る時に光は屈折し、ジャイロイドの形状や比率のわずかな変化によって、異なる色合いが生まれるのだ。

今回の研究対象となったジャイロイド構造は、チョウの翅の緑の波長に対応する部分のみだが、翅のその他の色彩についても、緑色と同様に、キチン質が数学的に複雑な形状をとることで生み出されている可能性が高いと、今回の論文を執筆した1人でイェール大学の生物学者、Richard Prum氏は述べている。(今回の研究は、6月14日付で『米国科学アカデミー紀要』(PNAS)オンライン版に発表された)

素材を研究する科学者たちは現在、合成されたジャイロイド構造を、太陽電池やコミュニケーションシステム等の光学装置で利用する研究を進めている。生物の研究はそのための優れたモデルになる。

[ミトコンドリアの内膜や滑面小胞体も、場合に応じてジャイロイド構造やダイアモンド構造などに変化していることが、透過型電子顕微鏡の観察から明らかになっている。「ジャイロイド構造と蝶の翅の色」にかんする日本語資料はこちら(PDF)やこちら(PDF)。

ダイアモンド構造のフォトニック結晶と甲虫の玉虫色についての日本語版過去記事はこちら]

[日本語版：ガリレオ-高橋朋子／合原弘子]

WIRED NEWS 原文(English)