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クモやサソリの鋭い“武器”、強化の鍵は均一な重金属だった

  • 2021年9月16日
  • ナショナル ジオグラフィック日本版

 マダニはシカにかみつく際、厚い毛皮を突き破らなければならない。ハキリアリは、頑丈な熱帯植物の葉をいとも簡単に切り裂く。サソリは尾を使って、自分より何倍も大きい獲物に毒を注入する。

 米オレゴン大学の物理学者ロバート・スコフィールド氏は、こうした驚異的な生物たちに魅了されてきた。小さな彼らは、どうやってそのような桁外れの力を発揮しているのだろうか?

 9月1日付けで学術誌「Scientific Reports」に掲載された氏らの論文によると、その答えは、彼らがもつ“武器”や“道具”の原子レベルの構造にあるという。

 一部の無脊椎動物のあご、牙、針には、亜鉛、銅、マンガンなどの重金属が多く含まれていることは知られていた。中には、重金属の割合が素材の20%を占めることもある。しかし、そうした重金属と、彼らの体に含まれている耐久性のあるたんぱく質が、どのように関係しているのかは詳しくはわかっていなかった。

 スコフィールド氏らは、タンパク質と重金属を分子レベルで分析することで、個々の金属原子がたんぱく質に織り込まれ、丈夫で長持ちする複合材料になっていることを発見した。氏らはこれを「重元素バイオマテリアル」と名付けた。

「金属を加えることで、より耐久性のある道具になるというのは、とてもクールですね」。米ホーリークロス大学(マサチューセッツ州)の生物学者ステファニー・クロフツ氏はそう語る。なお、氏は今回の論文には関わっていない。「この研究は、様々な生物でこの特徴が見られることをよく示しています。私たちが思っている以上に一般的なのかもしれません」

 また、重元素バイオマテリアルは、より小型の携帯電話や頑丈な医療機器など、新しい製品を生み出す技術者に着想を与えるのではないかとクロフツ氏は付け加える。

バイオミネラルよりもすごい

 もちろん、動物は別の方法でも丈夫な天然素材を作り出すように進化してきた。動物界に広く見られるやり方は、骨や貝殻などを形成する「バイオミネラリゼーション」(生物が鉱物を作る作用)だ。

 骨は無機物(主に炭酸カルシウム)とたんぱく質の強力な複合材料であり、生物の骨格を形作る上で必要な柔軟性や伸縮性もある。ミクロな構造は、大きな無機物をたんぱく質が包み込むようになっていて、無機物やたんぱく質がそれぞれ単独では生み出せない素材だ。

 しかし、バイオミネラリゼーションには限界がある。例えば、貝殻は簡単に割れてしまう。「バイオミネラルで鋭利なものを作るのは、レンガでナイフを作るようなものです」と、1980年代後半から無脊椎動物のあごや爪をずっと研究してきたスコフィールド氏は語る。

次ページ:エネルギーの節約にも効果的

 多くの無脊椎動物は、鋭利である上に、継続的な使用に耐えうる頑丈な“道具”を必要としている。バイオミネラルでは、その要求に応えることは難しい。サソリの針が粉々になってしまったら、死の宣告を受けたようなものだ。そこで彼らは別の方法を見つけたのだとスコフィールド氏は言う。

持つべきものはいい道具

 スコフィールド氏は、米パシフィック・ノースウェスト国立研究所と米オレゴン州立大学の研究者らとともに、アリ、クモ、サソリ、軟体動物、多毛類(ゴカイ類)のもつ“道具”を調べた。それらの機械的特性をテストしたり、原子レベルの構造を調べたりするために、分析装置も自作した。

 その結果、亜鉛やマンガンなどの重金属が、無脊椎動物の“道具”に原子レベルで均一に分布していることがわかった。これは、有機物と無機物の相が分かれている骨などのバイオミネラルとは異なる。この構造のおかげで、たんぱく質に金属が含まれていない場合と比べて、 “道具”はより鋭くなり、より多くの摩耗に耐えることができる。

 また、重元素バイオマテリアルは、エネルギーの節約にも効果がある。チームの計算によれば、アリが葉を切り裂くのに必要なエネルギーは、この構造をもたない場合に比べて60%少なく済む。

 スコフィールド氏には、まだわからないことも多い。例えば、重元素バイオマテリアルは一度だけ進化したのか、それとも、甲殻類やムカデなど様々な系統において別々に進化したのかという点だ。

 一方、今回の発見は、人間の道具に新たな可能性をもたらすかもしれないとクロフツ氏は言う。

 例えば技術者たちは、小さくて壊れにくいスマートフォンや、インスリンポンプなどのウェアラブル医療機器を作るため、より良い方法を常に探し求めている。

 今回発見されたのと同様のたんぱく質と重金属の原子配列を使って道具を作れば、軽くて丈夫で、日常的な取り扱いに耐えられる製品ができる可能性があるとクロフツ氏は言う。また一つ、自然界に学ぶ例が増えるわけだ。

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