より優れた光ケーブルを作るにはアサリに聞け

December, 17, 2024, Durham--1970年代に最初の光ファイバケーブルが展開されて以来、光ファイバケーブルは医療機器から高速インターネットやケーブルテレビまで、あらゆるものの主要な部分を占めるようになった。とは言え、結局のところ、海洋軟体動物の1つのグループはわれわれのはるか先を行っていた。

新しい研究は、ハートザルガイと呼ばれるアサリ(ハート型の殻にちなんで名付けられた)が、その殻に独特の構造を持ち、光ファイバケーブルのように特定の波長の光を二枚貝の組織に伝えることを明らかにしている。

デューク大学とスタンフォード大学の研究者は、電子顕微鏡とレーザ顕微鏡、およびハート型のザルガイのコンピュータシミュレーションを使用して、その殻が、髪の毛のように細いストランドを束ねて配置された半透明の領域で設計されていることを発見した。

この研究成果は、Nature Communications誌に掲載された。

インド太平洋の暖かい赤道海域に生息するザルガイは、その組織内に生息する微細な藻類と相互に有益な関係にある。しかし、藻類が繁栄するためには光が必要になる。

藻類は避難所と安全な生活と成長の場所を得る一方で、アサリは藻類が光合成を通じて生成する糖分を餌にすることで恩恵を受ける。

この緊密な絆を維持するために、ハートザルガイは屋内ガーデニングの芸術を習得し、暗いインテリアに光を導く。

それらは、殻を開けたり、潜在的な捕食者のくちばしや爪に身をさらしたりすることなく、藻類の仲間の成長を促進するために自然の天窓を進化させた。

「それらは基本的に、シェル内の半透明の窓を進化させた」と、デューク大学のSönke Johnsenの助言を受けたNSF PRFBフェローとしてこの研究を始めた筆頭著者のDakota McCoyは話している。同氏はその後、シカゴ大学の助教授になった。

レーザ走査型顕微鏡を使用してハートザルガイの殻の3D形状を研究し、研究チームは、各窓の下には、砂粒よりも小さな半透明の隆起がレンズとして機能し、太陽光をビームに集中させ、ビームが藻類が存在するアサリの内部に浸透することを発見した。

「ステンドグラスの窓がある有機的な大聖堂のように、中の教区民に光が当たっているようなものだと想像している」と、デューク大学の生物学教授で主任著者のジJohnsenはコメントしている。

研究チームは、走査型電子顕微鏡で貝殻を見たとき、違った驚きを感じた。

ハートザルガイや他の多くの海洋動物は、アラゴナイトと呼ばれる特殊な形の炭酸カルシウムを使用して殻を作る。顕微鏡で見ると、コックル殻の大部分は層状構造をしており、アラゴナイトの薄い板が様々な方向に積み重ねられており、「まるで派手なレンガ造りのようだ」とMcCoyは話している。

しかし、それぞれの窓の中では、貝殻の素材が板ではなく毛のような繊維がぎっしりと詰まり、光が入ってくる方向に並んでいる。

「予想していたものとはまったく違って見える」(McCoy)。

コンピュータシミュレーションは、繊維のサイズ、形状、および向きが、生物が仮想的に思いついた可能性のある他のデザインよりも多くの光をハートザルガイの内部に透過することを示した。

特に、光合成に最適な波長である青と赤の範囲の光を取り込むが、紫外線が殻に侵入してDNAを損傷するのを防いでいるようだった。

「ファイバとレンズが一緒になって、悪い波長をフィルタリングし、良い波長をチャネリングし、焦点を合わせて殻の奥まで十分に入るようにするシステムを作成する。これにより、藻類の共生生物は可能な限り最高の照明環境を得ることができる」(Johnsen)。

研究チームはまた、殻に束ねられた繊維が非常に小さく、一緒に詰まっているため、それらを通して光を当てると、下にあるものの高解像度の画像が、ほとんどテレビ画面のように反対側に表示されることを発見した。

研究チームによると、ハートザルガイがこの画像投影の超能力で何をしているのかを理解するには、さらに多くの研究が必要である。

Johnsenによると、いつの日か、アサリは、光がカーブの周りでさえも、途中で逃げたり信号を失ったりすることなく長距離を移動できるようにする光ファイバケーブルを設計する新しい方法のインスピレーションが得られる可能性がある。