海のゴカイのアゴは「金属みたいに」硬かった——新素材のカテゴリ「バイオ金属」

海にすむゴカイの仲間のアゴが、タンパク質と金属イオンを組み合わせた素材でできていて、しかも一部が「金属そっくり」に振る舞う——。そんな研究が発表されました。研究チームは、この手の素材を 「バイオ金属（bio-metals）」 という新しいカテゴリとして位置づけようとしています。骨や歯のように石灰化して硬くなるのとは別の、生き物が硬い部位をつくる第三の道、という話です。

研究の対象になった生き物

調べられたのは、Perinereis cultrifera というゴカイの仲間です。ゴカイは釣りエサでおなじみの、体が細かい節（ふし）に分かれた海の虫で、専門的には多毛類（たもうるい）と呼ばれます。この仲間自体は進化的にとても古くからいるグループですが、この種は今も海で普通に生きています。「古代の海の虫」といっても化石の話ではなく、大昔から続く血筋の生き物、というくらいの意味です。

面白いのはアゴのつくりです。多くの動物は、歯やアゴを石灰やリン酸カルシウムで硬くしています。ところがこのゴカイのアゴは、石灰化した骨のようなものではなく、構造をつくるタンパク質に金属イオンが直接結びついてできています。この硬いアゴで、獲物にかみつき、殻を砕き、食べているわけです。

アゴに見つかった「金属の性質」

研究チーム（ウィーン工科大学とウィーン大学）は、このアゴがどこまで金属に似ているのかを詳しく測りました。

まず確かめられたのは、硬さのムラです。金属イオンはアゴ全体に均等にあるのではなく、いちばん先の尖った部分に濃く集まっていました。そしてその先端が、いちばん硬い。かむときにいちばんすり減る場所を、材料を集めて重点的に硬くしている、というつくりです。

もっと意外だったのは、押し込む深さを変えながら硬さを測ったときに出た反応でした。小さな範囲を測るほど、へこませにくくなる——という傾向が見つかったのです。これは「Nix-Gao（ニックス・ガオ）のサイズ効果」と呼ばれ、ふつうは銅や銀のような結晶の金属で見られる現象です。ざっくり言うと、狭い範囲でひずみ（変形の度合い）が急に変わることで、原子レベルの「欠陥」どうしが噛み合い、動きにくくなって硬く感じられる、という仕組みです。金属の世界で知られていた効果が、生き物のアゴでも起きていたことになります。

ただし、金属とまったく同じではありません。このアゴは「大きさによって弾力（しなやかさ）も変わる」という、結晶の金属には見られない性質も見せました。論文の著者の一人クリスチャン・ヘルミッヒ氏は、この弾力のサイズ依存性こそが、銅や銀のような通常の金属と区別されるバイオ金属の特徴だと説明しています。チームはこの弾力の変化が原子レベルでなぜ起きるのかを、数式のモデルで説明しました。

つまり、「金属のように硬くて金属的な変形をする」一方で「金属にはない弾力のクセを持つ」。その両方がそろっているからこそ、既存の言葉ではうまく言い表せず、新しいカテゴリが要る——という流れです。研究チームは、バイオ金属を 「硬さ」「変形（ひずみ）の性質」「イオンとタンパク質でできた構造」 の3つの特徴で定義できると提案しています。これは、これまで使われてきた「金属みたいな生体材料」といったあいまいな言い方より、一歩踏み込んだ定義です。

測り方

使われたのは、ナノインデンテーションという方法です。とても小さな探針（プローブ）を材料に押し込み、どれだけ抵抗するか＝どれだけ硬いかを測ります。ミクロな「へこみテスト」だと思えば近いです。アゴを断面で切り、中心から先端まで11か所を、押し込む深さも6段階に変えながら測定しました。あわせて化学分析と画像化で、金属イオンがどこに、どれくらい集まっているかを調べています。

この研究が面白いところ

いちばんの読みどころは、生き物のつくりから新しい素材の設計図が見えてくる、という点です。金属のような硬さと、生体材料ならではのしなやかさを両立させる仕組みが分かれば、生物模倣素材（バイオミメティクス＝生き物のしくみをまねた材料づくり）のヒントになります。硬いのに脆くない、という組み合わせは、人工の材料ではなかなか難しいからです。

研究チームはまだ入り口だと考えていて、今後は種類を増やして調べ、遺伝子の操作と材料の性質がどうつながるかまで踏み込みたいとしています。生き物が自前でつくる「金属みたいな素材」の設計を、少しずつ読み解いていく研究です。