生物インスピレーションとしての珪藻

海洋植物プランクトンの主成分である珪藻は、海洋食物網の基礎を形成するだけでなく、私たちが呼吸する空気のかなりの部分を珪藻に負っています。微生物は地球上の酸素の 4 分の 1 以上を生成します。これらの藻類のさまざまな種は、水たまり、池、川、海など、あらゆる種類の水で見つかります。彼らの生態学的重要性はすでに彼らを「スーパーヒーロー」にしていますが、彼らにはそれ以上の魅力があります。彼らの芸術的な形状と特別な特性は、長い間科学者に新しい技術、道具、建築材料の開発を促すインスピレーションを与えてきました。

科学の世界では珪藻としても知られる珪藻は小さな単細胞生物であり、その名前の由来はガラスの外骨格にあります。細胞壁構造、つまり単細胞生物の殻は、俗にシリカとして知られる二酸化ケイ素 (SiO ₂ ) で構成されています。藻類の粉砕された殻と他の鉱物や堆積物との混合物であるよく知られたシリカは、長い間非常に人気がありました。きめの細かい緩い堆積物は伝統的に、もろい爪や髪、堅い結合組織を防ぐために使用されてきました。傷の治癒と老化防止効果。また、乾燥剤または生物由来の殺虫剤として畜産業で使用されたり、研磨剤として歯磨き粉にも使用されます。

アルフレッド・ノーベルにとって、珪藻の殻の粉末（「珪藻土」）は、爆発性の高い液体ニトログリセリンを安定させるために不可欠でした。化学者は、爆発物を混練可能な形で安全に輸送するための最適な混合比を見つけるまで実験を続けました。彼は、珪藻土が発見されてからわずか数十年後の 1867 年に、ダイナマイトとしての発明の特許を取得しました。

美しい藻類

19 世紀、上流階級の人々は別の方法で珪藻を使って時間を過ごしていました。人々はサロンで美しい珪藻の準備に驚嘆していました。ヨハン・ディードリッヒ・メラーの調製技術と芸術作品は、常に精巧に調製された標本を美的および数学的側面に従って配置し、特に名声を博しました。

当初、メラーの芸術的な珪藻の準備は非科学的であると考えられていました。しかし、この珪藻学者であり眼鏡技師でもあるこの珪藻学者は、「タイププレート」を使った広範な珪藻分類のおかげで、芸術と科学のバランスを取ることに成功しました。彼はこれらの上に最大 4,000 個の珪藻を幾何学的に配置し、写真を撮り、1890 年にカタログを出版しました。メラーは最終的にそのカタログで賞を受賞しました。国際的な賞を受賞。

100 年以上後、このプロセスは逆転しました。暗いホールで、氷の芸術家が印象的な炎で作品をフランベするとき、科学はそれ自体を芸術作品として表現します。レーザー光線で照らされた 3 つのゆっくりと回転する氷の彫刻です。彼は以前、電子ノコギリを使用して珪藻をイメージしてそれらを形作りました。屈折したレーザービームはスクリーンに奇妙な光の反射を投げかけ、ポルトガルのアヴェイロ大学の植物学者で植物生理学者のヨハネス・ヴィルヘルム・ゲスリングのフォトニクス研究を具体的なものにします。

2023年11月のベルリンサイエンスウィークでポール・ドルーデ固体電子研究所とライプニッツ淡水生態学・内陸水産研究所が発表したアートプロジェクト「イカロス珪藻」では、珪藻骨格のサイズが100万倍に増大した。微多孔質ガラスボウルの画像は、基礎研究の新しい分野への洞察を提供します。ゴスリング氏は、光波がガラス珪藻骨格の高度に周期的な構造とどのように相互作用し、操作できるかをナノレベルで研究している。

軽いはしご

10年前、ゲスリングは博士論文の中で、現在でも彼を懸念している現象を取り上げた。それは、珪藻のガラス外骨格の一部のみが照らされると、驚くべきことに、実際には照らされていなかった細胞の他の領域も光合成を開始するというものだ。どうしてそんなことがあり得るのでしょうか？

ゴスリング氏は、このタイプの珪藻がいわゆるフォトニック結晶を表しているのではないかと考えた。このようなハイテク光学物体は、以前は電気通信、センサー技術、または量子物理学の用途におけるオプトエレクトロニクスでのみ知られていました。それらのナノ構造は、特に光の伝播を操作します。これに匹敵するものは自然界ではこれまで観察されていませんでした。ゴスリング氏が 2018 年にケンブリッジで開催された会議でスペインの物理学者マーティン・ロペス・ガルシア氏に会ったとき、彼らはこの質問に答えるために共同実験を行うことに決めました。ゴスリング氏が顕微鏡を担当し、ロペス・ガルシア氏が数学を担当しました。彼らは協力して実験の構造を徐々に改善していきました。

「フォトニック結晶には 2 つの主要な特性があります」と Goessling 氏は説明します。 「1つは、特定の地域におけるいわゆる波の誘導です。そこでは、ナノ構造に応じて特定の波長の光が透過されます。 2 番目の特性は、いわゆるバンドギャップです。波の誘導が禁止されているエリアです。両方のプロパティは構造を介してリンクされています。したがって、これらの特性の少なくとも 1 つを実証できれば、フォトニック結晶が存在することが証明されます。」

6 か月にわたる集中的な実験とデータ分析を経た金曜日の夜、ロペス ガルシア氏はデータに「U」の文字が感じられると思い、ゴスリングにコントラストを調整するよう依頼しました。それから彼は笑顔で彼の肩をたたき、良い週末を祈った。それは彼らが長い間探し求めていたバンドギャップでした。珪藻が光ファイバーになり得るという証拠が初めて提供され、2020年に発表された。フォトニック結晶は医療用センサー、最新の太陽光発電システム、量子コンピューターに不可欠であるため、これにより新しい研究分野が開かれました。もしかしたら、珪藻は将来のテクノロジーのための天然ハイテク建築材料として使用できるかもしれません?ゴスリング氏は現在、ポルトガル科学技術財団が実施する研究プロジェクトでこの疑問を調査している。

フォトニック導波路の最も重要なパラメータは、細孔の間隔と細孔の幅です。ノルウェー研究評議会の資金提供による別の国際プロジェクトでは、ゲスリング率いる科学者集団がどの遺伝子がどこに関与しているかを調査している。第 2 ステップでは、フォトニック特性も遺伝的に制御する必要があります。ゴスリングのビジョン: 持続可能な方法で生産されるナノマテリアル。

安定した骨格構造

珪藻は、軽量構造の分野など、長年にわたって他の科学のモデルとして機能してきました。同じく 2023 年のベルリン科学週間のために、自然史博物館のブラキオサウルスの骨格の下に、高さ約 1 メートルの珪藻骨格の 3D プリントモデルがありました。これらの小さな骨格にできることは、恐竜の骨格にはできないことです。美しい珪藻の構造は堅牢で、軽く、浸透性があると考えられています。ブレーマーハーフェンの極地研究を担当するアルフレッド・ウェゲナー研究所（AWI）の海洋生物学者クリスチャン・ハム氏は、数十年にわたる技術的軽量建築製品への技術移転について発表した。

専門家らは、珪藻のガラスの外骨格が純粋に自然の気まぐれの結果として作られたのか、それとも進化の結果なのかについて、長い間議論してきた。海洋生物学者のハムは、20年以上前に博士論文で摂食保護理論を追求しました。この仮説によれば、捕食者としての甲殻類とその食料である珪藻との間に進化上の軍拡競争があったと考えられます。硬いガラスの鎧は、珪藻がさらに進化するまで、捕食者から守るだけでした。進化により、一部の種のカイアシ類には鎧を突き刺す噛み道具が装備されました。しかし、進化の防御闘争では、藻類の殻がこれまで以上に厚くなることはなかった。これは、おそらく殻が重くなりすぎたためである。その代わりに、珪藻はおそらく非常に多様な形の軽くて透過性の鎧を発達させ、この仮説によれば、鎧は非常に安定している必要がありました。

ハムは、外骨格が非常に安定しているというこの仮説を実験的に確認しました。彼は、小さな自作の針を使用して衝突テストを実行しました。彼は、ガラスの骨格による針の変形に基づいて、破損するまでの最大の力を測定しました。同時に、数値モデルを使用して実験の背後にある想定法則を確認しました。いわゆる有限要素計算が彼の実験と一致したとき、珪藻の驚くべき、拡張性の高い安定性についての新しい記述が可能になりました。この問題に関するハム氏の 2003 年の有名雑誌「ネイチャー」掲載記事は、今日でも広く引用されています。当時の彼の研究は、珪藻の構造原理を安定した軽量構造に移すための基礎を生み出しました。

それ以来、ハムは機械工学の分野でまさにそれを行ってきました。たとえば、ハムのチームは、風力タービン用の大型歯車や、沖合で使用するための安定した基礎構造を設計しました。軽量コンポーネントを少量必要とする航空宇宙分野では、3D プリントはさらに価値があります。 CO ₂排出量削減を目的として車両の軽量化に努めている自動車業界向けに、いわゆる A ピラー、ピボット ベアリング、ストラット ストラットを設計しました。彼らは特定の構造原則を大西洋レガッタ用のヨットに移しました。彼らは現在、建築用の構造物を開発中です。 「これにより通常、異常で複雑で美的な構造が生まれます。しかし、デザインが珪藻に基づいていることが常にわかるわけではありません」とハム氏は説明します。

ハムはバイオニクスの可能性を早くから認識し、利用していました。それにもかかわらず、各製品の開発には長い時間がかかり、多大な労力と研究室での数え切れない繰り返しが必要だったと研究者は述べています。そこで彼は、どうすればこのプロセスを加速できるかを同僚と検討しました。その結果がソフトウェアアプローチです。Hamm のチームの生物工学者とエンジニアは製品開発用のプラットフォームをプログラムし、同名の会社 Synera GmbH を設立しました。

Synera を使用して製品開発をセットアップすると、その後のタスクにかかる時間を大幅に節約できます。たとえば、コンポーネントを拡張する必要がある場合など、入力パラメータが変更された場合、ボタンを押すだけで新しいソリューションが適応します。 「このようにして、開発時間を節約し、より優れたコンポーネントを開発できるようになります」と Hamm 氏は言います。彼はまた、この種の製品開発がバイオニクスの次の段階であると考えています。 「バイオニクスの問題は、それが非常に複雑であることです。したがって、持続可能なバイオニック開発の例はまだあまりにも少ないのです。彼は、彼の新しいアプローチが製品開発を未来に導くと確信しています。」

過去 20 年間のバイオニック発明に加えて、ハムは基礎研究を決して無視しませんでした。 「たとえば、カイアシ類が異なる安定性の殻を持つ珪藻にどのように反応するかを知りたかったのです」と彼は言います。博士号の一環として、同僚のラース・フリードリッヒスは、より安定した珪藻は実際には捕食者からよく守られるが、成長がより遅いことを発見しました。ハム氏は次のように述べています。「この素晴らしい相互作用の重要性を想像する必要があります。特定の珪藻は、わずかに異なる隣の珪藻の隣で海で成長します。次に、甲殻類の話になります。甲殻類が大量に存在し、噛む力が強い場合は、安定した甲羅に投資することが効果的です。なぜなら、成長は早いが保護が不十分な種は、より効果的に食い荒らされるからです。」

ハム氏のチームは培養研究に必要な珪藻を保管している。研究者はアクセシビリティを高く評価しています。 「大きな物体に比べて珪藻の利点は、生きた生物の研究を簡単に実施できることです」とハム氏は言います。 「培養キャビネットから珪藻を取り出し、染色して、レーザー共焦点顕微鏡の下に置きます。これは素晴らしいことです。」

種のアーカイブ

現在、約 20,000 種の珪藻に名前が付いています。さらに数十万種の未発見の種が存在すると考えられています。生物学では、生物を体系的なカテゴリーに分類することを「分類学」と呼びます。クラスから科、属に至るまで、珪藻を説明し分類することは決して簡単なことではありません。

ベルリン自由大学 (FU) の生物学者ネリダ・アバルカにとって、識別と分類は常に刺激的な探偵仕事でした。現在、彼女は植物園と植物博物館の地下室に保管されている膨大な宝物を管理しています。それは、世界中から集められたサンプルが数十個の回転式キャビネットに保管されている藻類標本室です。新しい珪藻サンプルがある場合、分類学者の最初の質問は「この種はすでに知られているか?」です。それを知るために、アバルカは場所と特徴を考慮に入れて検討します。彼女はまた、微細構造を調べ、珪藻の長さと幅を測定します。彼女は、あるタイプに近づくと、本やデータベースでそれを探します。それが見つからない場合は、その新種を説明する必要があります。

分類学の作業には、多くの忍耐力、フラストレーションへの高い耐性、そして場合によってはドイツ語の知識も必要です。メキシコ生まれのこの女性は、もともと珪藻の文献を研究するためにこの技術を取得しました。メラーの作品など、古い標準作品の多くはドイツ語でしか入手できないからです。メキシコでは、アバルカ博士は、工業地帯と農業地帯、さらには自然地帯の両方を流れるリオ・レルマ川という大きな川の珪藻を研究しました。 「一滴の中に何百もの異なる種が含まれている可能性があり、それらは水質の良い指標となります」と生物学者は説明します。珪藻についてもっと学ぶために、アバルカさんは博士課程の学生としてベルリン FU に来ました。

ほぼ 20 年前、彼女は分類学者の分類と分子遺伝学的配列を比較し始めました。いくつかの顕微鏡的に異なる（したがって異なる名前が付けられた）珪藻種は、遺伝的に類似していることが判明した。たとえば、アバルカ氏はいくつかのゴンフォネマ種をグループ化した。しかし、その輪郭から同じ種または属に割り当てられた他の珪藻は、遺伝的に非常に異なっていたため、分類学的分離が必要でした。

この「統合分類法」、つまり古典的な形状の記述と遺伝学の組み合わせは、重要な基準を設定しました。それ以来、研究者たちは、名前、電子顕微鏡画像、DNA 分析を含む最新のデータベースを確立するために努力してきました。アバルカ社の将来のビジョンは、適切な方法を使用して、水サンプルを使用して、そこに含まれるすべての珪藻種のリストを作成できるようにすることです。これにより、水質の効率的な生体モニタリングが可能になります。

歴史的な植物標本館

一方、ベルリン藻類標本館は、世界的に有名な珪藻コレクションを通じて大幅な成長が見込まれるため、その重要性が高まっています。1968 年以来アルフレッド・ウェゲナー研究所に所蔵されているフステット・コレクションは、植物園と植物博物館に移管されます。 FUベルリン引き渡し。アバルカは現在、100,000 枚以上のスライドと同数の原材料を管理しています。クリスチャン・ハム氏は、彼の研究所の歴史的コレクションがまもなく最良の手に渡されることを知り、うれしく思っています。

小さく、重要で、美しい：珪藻は何百万年も前から存在していますが、芸術と科学が珪藻を扱ってきた時間はほんの一瞬です。それにもかかわらず、重要な技術革新をもたらしたいくつかの構造はすでに研究されています。この成功は、さらなる研究が価値があることを示唆しています。