海の謎の生物は人間を超える光ファイバー技術を習得している

赤道近くの暖かいインド太平洋の海域でダイビングをすると、運が良ければ浅い砂浜やサンゴ礁でハート型の貝を見つけることができるかもしれません。これらはハートコックル（Corculum cardissa およ​​び spp.）と呼ばれます。その美しい貝殻は、浜辺で拾ったホタテや、食卓で食べる牡蠣やハマグリ、さらには道端の石と同じく、主に炭酸カルシウムでできています。

いくつかのハートのコックルの画像を見る（クレジット：ダコタ・マッコイ）

コックルの殻には2つの面があり、一方は常に太陽に面し、もう一方は常に砂に面しており、柔らかい体はその間に挟まれています。太陽に面した側が汚れていると、コックルは「足」と呼ばれる組織を殻から伸ばして殻の上の砂を掃除します。これらの貝殻は単純な構造のように見えますが、科学者が高精度の顕微鏡を使用して観察したところ、衝撃を受けました。

ハートコックルは常に片側を太陽に向け、もう片側を砂に向けます（画像提供：McCoy et al、2024）

研究者らは、太陽に面したザルガイの殻の表面が、平均サイズが1平方ミリメートル未満の透明な「小さな窓」で密集して覆われていることを発見した。これらの「小さな窓」の下には、髪の毛よりも細い繊維構造の束が密集して隠れています。これらは、炭酸カルシウムの透明な結晶形態であるアラゴナイトでできています。これらのファイバーの一端に光線を照射すると、光はファイバーに沿って移動し、反対側から出てきます。さらに、これらのファイバーの一方の端から、もう一方の端の画像を非常に高い解像度で鮮明に見ることができます。長さ 1 ミリメートルあたり 100 本の線さえも識別できます。

走査型電子顕微鏡で観察した、ザルガイの殻上の光ケーブル構造（画像提供：McCoy et al、2024）

この構造は科学者にとって奇妙であると同時に馴染み深いものでもある。これは、自然界でこれまで同様の構造が発見されたことがないことから奇妙であると同時に、現代の人類の技術文明のあらゆる場所で見られる光ファイバーケーブルの構造と非常に似ていることから馴染み深いものでもある。

光ファイバーがなければ、現在の

100年以上前、人類にとって最も先進的な長距離情報伝送技術は、依然として電話と電信でした。人々が電話や電信を通じて送信した情報は電気信号に変換され、銅線を使用して別の場所に送信されます。しかし、銅線が伝送できる情報量と距離は非常に限られており、電気信号は弱まりやすく失われ、周囲の電磁場の影響も非常に受けやすいという欠点があります。

その後、人々は光ファイバーを発明しました。それ以降、より大規模で、より安定的、より長距離にわたる電子情報配信技術が可能になりました。

光ファイバー画像ソース: BigRiz

光ファイバーのコアは通常、光が伝播できるガラスやプラスチックなどの透明な媒体で作られた細長いチューブです。光線が特定の角度で光ファイバーの内部に入ると、内壁で連続的に全反射し、光ファイバーに沿って前方に伝播します。光ファイバーに入る光線を光パルスのセグメントに変換すると、バイナリ情報（たとえば、光の有無をそれぞれ 1 と 0 としてエンコードする）を伝送し、光ファイバーに沿って長距離伝播させることができます。

光は光ファイバー内の全反射によって伝播します（画像提供：Timwether - CC BY-SA 3.0）

多数の光ファイバーをまとめて光ケーブルを形成します。光ケーブルは銅線で作られたケーブルに比べて、一度に大量の情報をより長い距離にわたって伝送でき、外部の影響を受けにくくなっています。したがって、光ケーブルは人類の世界にさらなる可能性をもたらします。今日では、インターネットやテレビ信号などの伝送は光ケーブルから切り離すことはできません。光ケーブルは人間世界の情報を結びます。人工的に敷設された光ケーブルの中には、海洋全体に渡るものもあります。

光ケーブルの構造の概略図（画像出典：Srleffler (talk) - CC BY-SA 3.0）

光ファイバーやケーブルがなければ、全世界を結ぶインターネットは実現できず、現代人類のデジタル文明は存在しなかったかもしれないと言えます。

しかし、人類の高度なハイテク文明を象徴するに十分なこのような技術が、ザルガイのような単純な軟体動物の体内に現れているのです。これは狂気の科学者によるとんでもない実験なのか、それとも宇宙人や謎の海底文明の残骸なのか?

ルームメイト用の光ファイバーケーブルの設置

もちろん違います、これはまさに生命の奇跡です。ザルガイの殻にある「光ケーブル」は進化の過程で自ら形成するものであり、この光ケーブルの役割は過小評価できません。

アサリ、カキ、ムール貝と同様に、ザルガイは二枚貝綱に属する軟体動物です。一般的に言えば、動物は生き残るために自分で食べ物を見つける必要があります。しかし、二枚貝の中には、 2つのグループがそれぞれ独立して光合成藻類と共存する能力を進化させてきました。1つのグループはシャコガイ科と呼ばれ、もう1つのグループはザルガイ科です。

二枚貝の体の構造（画像出典：Scientific American、1979年）

シャコガイやザルガイの外套膜、鰓、足には、小さな渦鞭毛藻類がたくさん生息しています。貝殻は渦鞭毛藻類に安定した安全な生息環境を提供することができ、貝殻が生成する二酸化炭素は光合成の原料としても利用されます。その代わりに、渦鞭毛藻類が光合成によって作り出す糖分は、シャコガイやザルガイにとって重要な栄養源となります。

これを読んで、何かおかしいと感じますか?渦鞭毛藻類は光合成を必要としますが、シャコガイやザルガイの殻の中に生息しています。内部は真っ暗ではないでしょうか？渦鞭毛藻類の光合成に必要な光はどこから来るのでしょうか?

この点では、シャコガイの解決策は比較的単純かつ直接的です。彼らは時々殻を開き、内部の柔らかい体を露出させ、内部に生息する渦鞭毛藻類が日光を浴びられるようにして、光合成が起こるようにします。シャコガイの中には、より多くの日光を浴びるために積極的に外套膜を殻から伸ばす種もいる。

しかし、これにより、シャコガイの柔らかい体は硬い殻の保護を失い、注意しないと捕食者に引き裂かれたり食べられたりすることになります。対照的に、ハートコックルは、外殻に光ケーブルを設置するという、より安全で高度な方法を採用しています。

人間に教える

2か月前にネイチャー・コミュニケーションズ誌に発表された研究で、研究者らは高精度レーザー走査顕微鏡を使用してザルガイの殻を観察した。彼らはまず、貝殻のそれぞれの「小さな窓」の下に、砂よりも小さい半透明の突起があり、その成分は依然としてアラゴナイトであることを発見した。コンピューターシミュレーションでは、これらの突起がレンズとして機能し、貝殻の「小さな窓」から入ってくる太陽光を光線に集めて、心臓のコックルの中の渦鞭毛藻類に送るということが示されています。

ザルガイと渦鞭毛藻類の共生における凸レンズの役割（画像提供：McCoy et al、2024）

その後、研究者らは走査型電子顕微鏡を使用してこれらの「小さな窓」の微細構造の観察を続け、その中に「光ケーブル」構造を発見して驚いた。これは、自然界で光ケーブル構造が発見された初めてのケースでもある。 「顕微鏡で見ると、ほとんどのハートザルガイの殻は層状構造をしており、アラゴナイトの薄片がさまざまな方向に積み重なっており、まるで凝ったレンガ積みのようだ」と、論文の筆頭著者でシカゴ大学の助教授ダコタ・マッコイ氏は語った。 「しかし、貝殻の『小さな窓』では、アラゴナイトは薄片ではなく、髪の毛ほどの細い繊維状に密集して太陽光の方向に並んでいます。」

さらに、この繊維は、光合成に最も必要な赤色と青色の太陽光が貝の内部に入るのを可能にし、 DNAに損傷を与える可能性のある紫外線を選択的に遮断します。 「光ファイバーケーブルとレンズを組み合わせることで、不適切な波長の光を遮断し、光合成に必要な波長の光を集中させるシステムを構築できる。そのため、光は殻の奥深くまで浸透し、共生する渦鞭毛藻類にとって最適な照明環境を提供できる」とデューク大学の生物学教授で、この研究論文の著者の一人であるゾンケ・ジョンセン氏は述べた。

コンピューターシミュレーションでは、これらのケーブルのサイズ、形状、配置が最適な設計であることも示されました。同じ条件下で、この設計により、より多くの光をハートコックルの殻に届けることができます。ジョンソン氏は、将来、これらのハート型の波紋がナノスケールの光ケーブルの設計に新たなインスピレーションを与え、信号を簡単に失うことなく長距離伝送できるナノスケールの光ケーブルが作られるかもしれないと語った。

では、ハートクラムが次にWi-Fi技術を開発するのはいつでしょうか?

参考文献

[1]https://www.nature.com/articles/s41467-024-53110-x

[2]https://today.duke.edu/2024/12/build-better-fiber-optic-cables-ask-clam

[3]https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/brv.12430

[4]https://journals.ku.edu/treatiseonline/article/view/6554/5996

[5]https://www.youtube.com/watch?v=gx7muAYinPQ&t=1s

[6]https://www.youtube.com/watch?v=zAVsTubdd_Q

企画・制作

出典: グローバルサイエンス (ID: huanqiukexue)

編集者：何童

校正：Xu Lai、Lin Lin