生物擬態繊維が私たちに忍び寄る

　　世界のほとんどごうせい繊維材料は、人工繊維を含めて科學的な探索によって開発されており、偶然発見によって得られる技術ももちろんある。しかし、天然材料を利用して生物自然加工されたものはあまり知られておらず、生物擬態繊維が靜かに私たちの生活に近づいている。

植物は光合成によって炭水化物を産生して合成植物繊維を形成し、空気中の二酸化炭素の0.3%も吸収した。植物は少量の二酸化炭素を用いて水と光合成下でセルロースを生成する。その繊維斷面は複雑な複數の構造からなり、このセルロースは類似性を持っている。繊維科學者はそれを「二酸化炭素繊維」と定義している。つまり、私たちは自然の知識をもっと知ると、化石エネルギーを使って人工繊維を作ることを避けることができ、環境に優しいバイオ繊維を作ることが可能になります。

何世紀も前から、家養蠶の糸が現れていた。この化學繊維擬態糸は人類が何年も培養した後も、その価値は消えない。その後、木製パルプは可溶性であり、濕式紡績加工も可能であることが分かった。一方、レーヨンと木質繊維はセルロースと同様の構造を有している。それに伴い、ナイロンがまた現れた。ナイロンは人間が天然繊維を模倣した傑作で、それ自體は類似のアミノ酸化合物の性質を持っている。50年後、混紡加工技術が登場し、合成繊維は徐々に私たちのファッションとなり、開発方式も形成された。これに伴い、ポリエステル繊維は革新的な固有の特徴で他のレーヨンを刮目させ、レーヨンとも対照的になった。しかし、すべての絹織物特徴が天然の再木構造に取って代わることができるわけではない。例えば、光沢特徴、吸濕特徴、染色可能特徴は完全に模倣されていない。例えば、キクの花のすべての有機要素、例えば、テン類、蛋白質、脂肪、セルロースなどはすべて炭素元素を含みます。光合成は炭素元素に新しい植物炭素元素を生成させる。年間、世界中で約2000億トンの炭素元素が光合成で植物に空気から吸収されているという。その中の植物は空気と植物中の水分子中の二酸化炭素を含み、それを植物のテン類に転化する。

光合成は植物により多くのエネルギーを必要とする。植物糖類は他の簡単な化合物よりも多く、そのエネルギーは主に光の吸収、すなわちクロロフィルとカロテノイドの生成に由來し、植物は糖類を生成するだけでなく、その化合物はセルロースやタンパク質などの構造材料に変換することができる。この変換にはより多くのエネルギーが必要であり、この傾向はまた高いエネルギーを持つフタル類を分解させる。酸化作用の下で、二酸化炭素と水を再生成します。このエネルギー放出と変換過程は植物の呼吸と成長の過程と見なされ、動物の呼吸に似ている。光合成は植物にエネルギーを得て糖類の形で貯蔵させる。日本農業生物科學研究所（NIAS）の馬越博士（DrJ.Magashi）は、絹糸の形成はこの機械的過程を経て、この過程はすべての動植物の體內で発生すると考えている。つまり、すべての動植物が擬態生物繊維の「工場」になることができる。

ご存知のように、カイコは本物の糸を吐くのではなく、口から糸を引き出し、移動してカイコの繭を編む。カイコはシルクタンパク質を平面に固定することができる。カイコに「命令」を下すことができれば、彼らは人間の指示に従って、直接服を「紡ぐ」ことができ、布を織る過程を省くことができるかもしれない。これは私たちの伝統的なレーヨン繊維紡績とは大きく異なり、実際には、天然糸繊維はレーヨン繊維よりも伸縮性があり、糸繊維の斷熱性能、手觸り、吸濕性は合成繊維よりも優れている。また、フィラメント繊維は優れた機能性を持ち、より多くの人工機能を設計することもできます。

昔は、カイコがどのように桑の葉を食べることで糸を作ったのか知られていなかった。それは桑の葉が消化されてアミノ酸が形成され、それから糸腺が形成されるからであることが分かった。このようにして、層狀のシルクタンパク質はカイコの腹の中で形成され、それからシルク腺カルシウムイオンによってコラーゲンタンパク質糸を形成し、ゲルはまた空気中の二酸化炭素を吸収することによってゾルに変換され、最終的に液狀水晶體になり、カイコは移動しながら出口中の液狀水晶體を引いてカイコ糸を形成する。この過程は人間の合成繊維の生産と大同小異である。

実際にはどうぶつせんい時、人間は自分の毛や羊毛が成長する過程を本當に理解していなかった。人間の毛髪と羊毛の成長はアミノ酸の重合過程である。毛髪が形成される過程でポリマーが絡み合い、新しい合成繊維が形成されると、ポリマーは溶融體を形成して貯蔵し、皮膚から飛び出してくる。この過程は私たちに理解させることができて、実はこれも人工絹糸の過程です。この生物動態を真に模倣できれば、人類は無數の擬態繊維を創造し続けることができる。現在、世界では多くの繊維會社が人間の毛髪生成原理に角觸を伸ばしている。現代のバイオテクノロジーは、人間が予想する形狀に髪を生體內で成長させることができる。人の髪が複製できれば、羊毛も將來の生物擬態技術で合成することができる。

蜘蛛の糸は別の面白さですせんい材料。この動物性繊維は強靭性があり、任意に伸長することができる。自分の糸をより効果的に昆蟲を捕まえるために、クモは糸の中の養分を自動的に調整し、糸の強度を蜘蛛の巣の軸心で繊維の糸を揃えることができるようにします。蜘蛛の糸の一辺が伸張されると、その靭性は中心から縁にかけて大きくなる。クモ糸の靭性はケブラー繊維に相當し、その延伸性または耐斷裂性はケブラー35%より高い。そのため、その経緯粘度はクモ自身よりずっと大きい昆蟲を捕捉するのに十分である。しかし、蜘蛛が移動すると、蜘蛛の巣の粘度はそれにくっつかない。これが自然の奇妙さだ。世界トップクラスの繊維科學者はそのためクモの糸の構造に非常に興味を持っている。蜘蛛の糸構造の物理的特性を説明し、蜘蛛の糸のような擬態不均一性知能化繊維材料を開発することを望んでいる。これが將來の新繊維材料開発の鍵になるかもしれない。このような生物擬態応用情報は、今後の新型化學繊維誕生の溫床になることは間違いない。將來の生物擬態技術は動植物體內の均質物質と非均質物質を利用して多種の生物繊維を開発し、人類のより多くの需要を満たすことができる。例えば、生物の機能を模倣することで液晶タンパク質繊維の強度を強化することができる。このような繊維材料の織物を使用することにより、人間は暑い砂漠地帯で強い光の照射と高溫の危害を受けることができます。

もちろん、動物繊維のほか、人間も植物繊維の擬態を利用して繊維種を開発することができる。例えば、竹繊維は天然の強化型複合材料である。その橫斷面はセルロース材料が豊富であることを示しているが、外部は硬く密度が高く、その不均質性構造は人類が寒さと強風の襲撃を防ぐのに役立つ。日本東京理工學院教授の菊谷氏（T.Kikutani）は、極めて高い強度、高い靭性、高い係數を持つ同密度の竹類生物擬態の合成に成功し、市場の需要が最も切実な製品となった。

ポリマー材料の理想的な機能を探るためには、人間はさらにポリマー分子量と分子構造欠陥の低減に工夫を凝らす必要がある。それに合わせた新しい紡績加工技術は革新者のもう一つの挑戦となっている。將來の生物擬態は、従來の意味での紡績ではなく、分子ガイド制御を利用して予め設定された繊維紡績の精度を実現するために使用されているからである。

自然界ではモノマータンパク質分子量は200萬を超えるが、ポリアミドの合成分子量は最大20萬である。そのため、高分子ポリマーを自然合成し、高スピン指向性繊維製品を製造することで、現行の繊維生産方式に徐々に取って代わることになる。

このように見ると、人類がカイコの繊維製造をシミュレーションするのはもはや天方夜譚ではなく、人類はハイテク手段を利用して正確にこの目的に到達することができる。不均質構造材料はインテリジェント化繊維の開発の鍵となるようだ。現在、世界の一部の先進國はすでにハイテク手段を利用して生物紡績の「工場」を開発し始めている。彼らは石油化學繊維の代わりに商業化規模でバイオ繊維品を生産する。