光が織りなす生物の色戦略：構造色と反射・吸収の進化
生物の色が持つもう一つの秘密：光の物理を利用した戦略
生物の色は、カモフラージュや警告、求愛といった多様な役割を担い、生存や繁殖において極めて重要な意味を持っています。これらの色の多くは、メラニンやカロテノイドといった色素によって生み出されていますが、生物界には色素だけでは説明できない、あるいは色素とは異なるメカニズムで生まれる色が存在します。それが、構造色や、特定の波長の光を効率的に反射・吸収することで生じる色形戦略です。
これらの色は、単なる視覚的な美しさにとどまらず、光の物理的な性質を巧みに利用した進化的な適応の結果です。本稿では、生物がどのように光を操り、それが生存や繁殖にどのように役立っているのかを、具体的な事例を通してご紹介します。
構造色とは何か？ 色素とは異なる色のメカニズム
私たちが一般的に目にする色は、物質が特定の波長の光を吸収し、残りの波長を反射することで生じます。例えば、葉が緑色に見えるのは、葉緑素が赤や青の光を吸収し、緑の光を反射するためです。これは色素色と呼ばれるものです。
一方、構造色は、物質自体の色ではなく、表面の微細な構造によって特定の波長の光が干渉、散乱、回折といった物理現象を起こすことで生じる色です。シャボン玉が様々な色に見えたり、CDの裏面が虹色に光ったりするのと同じ原理です。
構造色は、見る角度によって色が変わる（タマムシやカナブンのような金属光沢）といった特徴を持つことがあります。また、色素が退色しても構造自体が残っていれば色は失われない場合もあります。
構造色が生み出される原理
構造色は、生物の体表にあるナノメートルオーダーの微細な構造によって生じます。代表的な原理としては、以下のようなものがあります。
- 多層膜干渉: 薄い膜が何層も重なった構造で、特定の波長の光だけが強め合い、それ以外の波長は弱められることで鮮やかな色が見えます。モルフォチョウの翅の鮮やかな青色などがこの原理で説明されます。翅の表面に存在する多数の微細な鱗粉（りんぷん）が、さらに層状の構造を持っています（図で示すと、光が異なる層の表面で反射し、特定の波長の光が強め合う様子が分かりやすいでしょう）。
- 回折格子: 表面に規則的な溝が多数並んだ構造が、光を回折させることで虹のような色を生じさせます。クジャクの羽の鮮やかな色などがこの原理に関わっています。
- ランダム散乱: ナノサイズの微粒子が不規則に分布している構造が、特定の波長の光を散乱させることで白や青などの色を生じさせます。カイコガの白い繭や、一部の鳥類の青い羽毛などがこの原理に基づいています。
これらの微細構造は、タンパク質やキチンなどの生体材料で構築されており、進化の過程で精密に制御されるようになりました。
構造色の進化的な機能
構造色はその鮮やかさから、主に視覚的なコミュニケーションに利用されます。
- 求愛ディスプレイ: モルフォチョウの鮮やかな青や、クジャクの雄の羽は、遠くからでも目立ち、異性を惹きつけるための強力な信号となります。特定の構造色が、同種を見分けるための重要な役割を果たしていると考えられています。
- 種認識: 似たような環境に生息する近縁種間でも、構造色のパターンが異なることで、誤った交配を防ぐ役割を持つことがあります。
- 警告色や擬態: 構造色が警告色として機能する例や、他の危険な生物の構造色を模倣する擬態の例も報告されています。
また、構造色を持つ微細構造が、光学的機能だけでなく、表面の撥水性や自己洗浄機能といった物理的な性質に貢献している場合もあります。
特定の光（紫外線・赤外線）を利用する戦略
私たちの目に見える光（可視光）の範囲は限られていますが、生物の中には紫外線や赤外線といった、人間には見えない波長の光を利用しているものが多くいます。これらの光に対する応答も、生物の色形戦略の一部です。
紫外線を利用した戦略
多くの昆虫（特にチョウやハチ）や鳥類は、人間が見えない紫外線を見ることができます。そして、これらの生物の中には、体表に紫外線だけを強く反射する模様を持つものがいます。
- 求愛と種認識: チョウの翅の模様の中には、可視光では地味に見えるのに、紫外線で見ると鮮やかな模様が浮かび上がるものがあります（写真で見ると、可視光と紫外線での見え方の違いがよく分かります）。これは、同種の異性を惹きつけたり、他種と区別したりするためのシークレットメッセージと考えられています。
- 送粉者誘引: 花の中にも、紫外線反射する模様を持つものがあります。これは、紫外線を見ることができるハチなどの送粉者にとって、蜜や花粉のある場所を示す「目印」となります。植物が昆虫の視覚特性に合わせて進化した例です。
赤外線を利用した戦略
赤外線は熱として感じられる波長です。生物の中には、体表の色や構造によって赤外線の吸収率や反射率を調整し、体温調節に利用しているものがいます。
- 熱吸収: 黒っぽい色は赤外線を吸収しやすく、体温を上昇させるのに役立ちます。寒冷地に生息する昆虫などが、日光を効率的に吸収するために黒い体色を持つことがあります。
- 熱反射: 白っぽい色や、特定の構造を持つ表面は赤外線を反射しやすく、体温の上昇を抑えるのに役立ちます。砂漠に生息する甲虫などが、強い日差しから体を守るために白い体色を持つ例があります。
このように、生物は可視光だけでなく、紫外線や赤外線といった波長の光も、生存や繁殖のための戦略として巧みに利用しています。
進化的な意義と授業での活用
構造色や特定の光の反射・吸収能力は、ランダムな変異の中から、生存や繁殖に有利に働くものが自然選択によって蓄積されることで進化してきました。例えば、より効果的に異性を惹きつける鮮やかな構造色を持つ個体が子孫を多く残したり、体温調節能力の高い個体が過酷な環境で生き残ったりすることで、その形質が集団中に広がっていきます。
これらの生物の光学戦略は、物理学の原理（光の干渉、散乱、反射など）と生物学（進化、適応、生態）が密接に関わり合っていることを示す好例です。授業で扱う際には、生徒に以下の問いを投げかけてみるのも面白いでしょう。
- 身近な生物（チョウ、トンボ、鳥など）の色や光沢を観察し、それが色素色か構造色か考えてみよう。どのような機能が考えられるか？
- 人間には見えない紫外線や赤外線を利用する生物がいることを踏まえ、生物にとっての「色」の概念を拡張して考えてみよう。
- 構造色が生まれる物理的な原理（干渉や回折）を、簡単な実験（シャボン玉、CDなど）と関連付けて説明してみよう。
- なぜ、特定の生物が構造色を進化させ、別の生物は色素色を利用しているのか？それぞれのメリット・デメリットは何だろうか？
生物の色形戦略は、単に見た目の美しさを楽しむだけでなく、進化の妙や物理法則の巧妙な利用を学ぶための、格好の題材と言えるでしょう。光を織りなして進化してきた生物たちの戦略に、ぜひ注目してみてください。