鳥の目には自然界に潜む謎が隠されている

「鳥の目」は人間の目よりも多くの情報を捉えることが可能で、人間が視認できない紫外線を見ることができます。そんな鳥の目に興味をもった科学者が鳥の網膜を調べていたところ、「規則性」と「不規則性」という相反する特性を持った不思議な配置パターンが見つかっています。

Hyperuniformity Found In Birds, Math And Physics | Quanta Magazine
https://www.quantamagazine.org/20160712-hyperuniformity-found-in-birds-math-and-physics/

ワシントン大学の生物学研究所で働くジョー・コルボ氏は2009年ごろ、鳥の目に関する研究に取りかかりました。鶏の網膜を顕微鏡で観察していたコルボ氏は、網膜の中心部に分布して異なる波長特性を持つ視物質を発現するため色覚の基礎となる細胞である「錐体細胞」が、5つの異なる色とサイズで水玉模様のように並んでいることを発見しました。

人間の場合、この錐体細胞は網膜の中心部分に不規則に並んでいます。対して、魚の場合は網膜上の錐体細胞が規則正しく列になって並んでいます。しかし、鶏の錐体細胞は、でたらめに並んでいながらも一様分布であることが判明しました。錐体細胞の配置は識別可能な規則に則ったものではないものの、それぞれが近すぎず遠すぎずの距離に配置されており、これは5種類の錐体細胞それぞれで見受けられる特性です。つまり、鶏の錐体細胞の配置パターンは、「規則性」と「不規則性」という相反する2つの特性を持っているという極めて不思議なものになっているというわけです。

そんな鶏の錐体細胞の分布を示しているのが以下の図で、左では5種類の錐体細胞の分布を緑・青・紫・黒・赤の5色で、そして右部分では5種類それぞれの分布を個別に示しています。5種類の錐体細胞はそれぞれ数もサイズも異なりますが、お互いが近づきすぎず離れすぎずの距離で不規則に配置されていることがわかります。

これについてコルボ氏は「単純にこれらのパターンを見るだけでも、非常に美しく感じます。我々はこの美しさの虜となっており、純粋な好奇心からこの錐体細胞の配置パターンをより詳しく知りたいと考えています」と語ります。

鳥類の視覚は非常に優れたもので、例えば、タカならば上空1マイル(約1.6km)から地上のネズミを識別可能です。鳥類の目が持つこういった特性の多くは、3億年前の鳥の先祖ともいえるトカゲのような生物、つまりは恐竜たちから引き継がれているものと考えられています。鳥類の先祖であると考えられる一部の恐竜は、夜行性で、夜目が利く代わりに徐々に識別できる色の数が減少していったそうです。

約3000万年前、人間と同じ霊長類の先祖が持つ錐体細胞の数は2種類(赤と緑)のみと、非常に少なかったそうです。これも夜行性に進化していった故の退化だったのですが、その後、人間は青色の錐体細胞を得て、現在と同じ視覚能力を獲得します。なお、人間の錐体細胞は赤色と緑色のものが特に近く、非常に不規則に並んでいるそうです。

それに対して、鳥類の錐体細胞は長い年月と共にゆっくりと現代の環境に最適化されていきます。鳥類の網膜には錐体細胞の数が非常に多く、一定の間隔で並んでいるのも特徴です。しかし、なぜ鳥の錐体細胞は魚のそれのように規則正しく並んでいないのでしょうか。奇妙でカテゴライズしづらいその配置パターンは、「恐らく未知の制約に最適化されたものである」とコルボ氏は考えています。

By Gordon Wrigley

この未知のパターンについて調査するため、コルボ氏は2012年にプリンストン大学で理論化学の教授を務めるサルバトーレ・トルカート氏に連絡をとります。トルカート氏が鳥類の錐体細胞の配置パターンに対し、コンピューターでいくつかのアルゴリズムを使って調査したところ、驚くべきことに「無機物や物理法則などで見られるものと同じパターンが見られた」そうです。トルカート氏はこの配置パターンについて2000年代初頭から研究しており、これは「hyperuniformity(超一様性)」あるいは「superhomogeneity(スーパー均質性)」と呼ばれています。

この「超一様性」は、鳥の目だけでなく「準結晶」と呼ばれる物体や、完全な乱数による数学的な行列、宇宙の構造、量子全体、乳剤やコロイドなどでも見られます。科学者たちは現在もこの「超一様性」がどのようにして生まれるのかを調査しています。Microsoft Research New Englandの数学者であるヘンリー・コーン氏は、数学的な見地から「超一様性について研究すればするほど、これがより美しく、概念的に説得力のあるものであるとわかります」と、超一様性の素晴らしさについて語っています。