TED日本語 - ゲイリー・グリーンバーグ: 美しきナノの世界

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TED Talks

美しきナノの世界
The beautiful nano details of our world
ゲイリー・グリーンバーグ
Gary Greenberg

内容

3D顕微鏡で撮影すると、砂の粒がカラフルなキャンディのように見えます。花の雄しべが、遊園地にある幻想的な塔のように見えます。ゲイリー・グリーンバーグが、スリリングなミクロの世界を紹介します。

Script

So I want to talk a little bit about seeing the world from a totally unique point of view, and this world I'm going to talk about is the micro world. I've found, after doing this for many, many years, that there's a magical world behind reality. And that can be seen directly through a microscope, and I'm going to show you some of this today.

So let's start off looking at something rather not-so-small, something that we can see with our naked eye, and that's a bee. So when you look at this bee, it's about this size here, it's about a centimeter. But to really see the details of the bee, and really appreciate what it is, you have to look a little bit closer. So that's just the eye of the bee with a microscope, and now all of a sudden you can see that the bee has thousands of individual eyes called ommatidia, and they actually have sensory hairs in their eyes so they know when they're right up close to something, because they can't see in stereo.

As we go smaller, here is a human hair. A human hair is about the smallest thing that the eye can see. It's about a tenth of a millimeter.

And as we go smaller again, about ten times smaller than that, is a cell. So you could fit 10 human cells across the diameter of a human hair.

So when we would look at cells, this is how I really got involved in biology and science is by looking at living cells in the microscope. When I first saw living cells in a microscope, I was absolutely enthralled and amazed at what they looked like. So if you look at the cell like that from the immune system, they're actually moving all over the place. This cell is looking for foreign objects, bacteria, things that it can find. And it's looking around, and when it finds something, and recognizes it being foreign, it will actually engulf it and eat it. So if you look right there, it finds that little bacterium, and it engulfs it and eats it. If you take some heart cells from an animal, and put it in a dish, they'll just sit there and beat. That's their job. Every cell has a mission in life, and these cells, the mission is to move blood around our body. These next cells are nerve cells, and right now, as we see and understand what we're looking at, our brains and our nerve cells are actually doing this right now. They're not just static. They're moving around making new connections, and that's what happens when we learn.

As you go farther down this scale here, that's a micron, or a micrometer, and we go all the way down to here to a nanometer and an angstrom. Now, an angstrom is the size of the diameter of a hydrogen atom. That's how small that is. And microscopes that we have today can actually see individual atoms. So these are some pictures of individual atoms. Each bump here is an individual atom. This is a ring of cobalt atoms.

So this whole world, the nano world, this area in here is called the nano world, and the nano world, the whole micro world that we see, there's a nano world that is wrapped up within that, and the whole -- and that is the world of molecules and atoms.

But I want to talk about this larger world, the world of the micro world.

So if you were a little tiny bug living in a flower, what would that flower look like, if the flower was this big? It wouldn't look or feel like anything that we see when we look at a flower. So if you look at this flower here, and you're a little bug, if you're on that surface of that flower, that's what the terrain would look like. The petal of that flower looks like that, so the ant is kind of crawling over these objects, and if you look a little bit closer at this stigma and the stamen here, this is the style of that flower, and you notice that it's got these little -- these are like little jelly-like things that are what are called spurs. These are nectar spurs. So this little ant that's crawling here, it's like it's in a little Willy Wonka land. It's like a little Disneyland for them. It's not like what we see. These are little bits of individual grain of pollen there and there, and here is a -- what you see as one little yellow dot of pollen, when you look in a microscope, it's actually made of thousands of little grains of pollen. So this, for example, when you see bees flying around these little plants, and they're collecting pollen, those pollen grains that they're collecting, they pack into their legs and they take it back to the hive, and that's what makes the beehive, the wax in the beehive. And they're also collecting nectar, and that's what makes the honey that we eat.

Here's a close-up picture, or this is actually a regular picture of a water hyacinth, and if you had really, really good vision, with your naked eye, you'd see it about that well. There's the stamen and the pistil. But look what the stamen and the pistil look like in a microscope. That's the stamen. So that's thousands of little grains of pollen there, and there's the pistil there, and these are the little things called trichomes. And that's what makes the flower give a fragrance, and plants actually communicate with one another through their fragrances.

I want to talk about something really ordinary, just ordinary sand. I became interested in sand about 10 years ago, when I first saw sand from Maui, and in fact, this is a little bit of sand from Maui. So sand is about a tenth of a millimeter in size. Each sand grain is about a tenth of a millimeter in size. But when you look closer at this, look at what's there. It's really quite amazing. You have microshells there. You have things like coral. You have fragments of other shells. You have olivine. You have bits of a volcano. There's a little bit of a volcano there. You have tube worms. An amazing array of incredible things exist in sand. And the reason that is, is because in a place like this island, a lot of the sand is made of biological material because the reefs provide a place where all these microscopic animals or macroscopic animals grow, and when they die, their shells and their teeth and their bones break up and they make grains of sand, things like coral and so forth. So here's, for example, a picture of sand from Maui. This is from Lahaina, and when we're walking along a beach, we're actually walking along millions of years of biological and geological history. We don't realize it, but it's actually a record of that entire ecology. So here we see, for example, a sponge spicule,two bits of coral here, that's a sea urchin spine. Really some amazing stuff.

So when I first looked at this, I was -- I thought, gee, this is like a little treasure trove here. I couldn't believe it, and I'd go around dissecting the little bits out and making photographs of them. Here's what most of the sand in our world looks like. These are quartz crystals and feldspar, so most sand in the world on the mainland is made of quartz crystal and feldspar. It's the erosion of granite rock. So mountains are built up, and they erode away by water and rain and ice and so forth, and they become grains of sand. There's some sand that's really much more colorful. These are sand from near the Great Lakes, and you can see that it's filled with minerals like pink garnet and green epidote, all kinds of amazing stuff, and if you look at different sands from different places, every single beach, every single place you look at sand, it's different. Here's from Big Sur, like they're little jewels. There are places in Africa where they do the mining of jewels, and you go to the sand where the rivers have the sand go down to the ocean, and it's like literally looking at tiny jewels through the microscope. So every grain of sand is unique. Every beach is different. Every single grain is different. There are no two grains of sand alike in the world. Every grain of sand is coming somewhere and going somewhere. They're like a snapshot in time.

Now sand is not only on Earth, but sand is ubiquitous throughout the universe. In fact, outer space is filled with sand, and that sand comes together to make our planets and the Moon. And you can see those in micrometeorites. This is some micrometeorites that the Army gave me, and they get these out of the drinking wells in the South Pole. And they're quite amazing-looking, and these are the tiny constituents that make up the world that we live in -- the planets and the Moon.

So NASA wanted me to take some pictures of Moon sand, so they sent me sand from all the different landings of the Apollo missions that happened 40 years ago. And I started taking pictures with my three-dimensional microscopes. This was the first picture I took. It was kind of amazing. I thought it looked kind of a little bit like the Moon, which is sort of interesting. Now, the way my microscopes work is, normally in a microscope you can see very little at one time, so what you have to do is you have to refocus the microscope, keep taking pictures, and then I have a computer program that puts all those pictures together into one picture so you can see actually what it looks like, and I do that in 3D. So there, you can see, is a left-eye view. There's a right-eye view. So sort of left-eye view, right-eye view.

Now something's interesting here. This looks very different than any sand on Earth that I've ever seen, and I've seen a lot of sand on Earth, believe me. (Laughter) Look at this hole in the middle. That hole was caused by a micrometeorite hitting the Moon. Now, the Moon has no atmosphere, so micrometeorites come in continuously, and the whole surface of the Moon is covered with powder now, because for four billion years it's been bombarded by micrometeorites, and when micrometeorites come in at about 20 to 60,000 miles an hour, they vaporize on contact. And you can see here that that is -- that's sort of vaporized, and that material is holding this little clump of little sand grains together. This is a very small grain of sand, this whole thing. And that's called a ring agglutinate. And many of the grains of sand on the Moon look like that, and you'd never find that on Earth. Most of the sand on the Moon, especially -- and you know when you look at the Moon, there's the dark areas and the light areas. The dark areas are lava flows. They're basaltic lava flows, and that's what this sand looks like, very similar to the sand that you would see in Haleakala. Other sands, when these micrometeorites come in, they vaporize and they make these fountains, these microscopic fountains that go up into the -- I was going to say "up into the air," but there is no air -- goes sort of up, and these microscopic glass beads are formed instantly, and they harden, and by the time they fall down back to the surface of the Moon, they have these beautiful colored glass spherules. And these are actually microscopic; you need a microscope to see these.

Now here's a grain of sand that is from the Moon, and you can see that the entire crystal structure is still there. This grain of sand is probably about three and a half or four billion years old, and it's never eroded away like the way we have sand on Earth erodes away because of water and tumbling, air, and so forth. All you can see is a little bit of erosion down here by the Sun, has these solar storms, and that's erosion by solar radiation.

So what I've been trying to tell you today is things even as ordinary as a grain of sand can be truly extraordinary if you look closely and if you look from a different and a new point of view. I think that this was best put by William Blake when he said, "To see a world in a grain of sand and a heaven in a wild flower, hold infinity in the palm of your hand, and eternity in an hour." Thank you. (Applause)

世界を全く独特の視点から見ることについて 少しお話しします お話しするのはミクロの世界についてです 長年ミクロの世界を見てきて 現実の中には 隠された魔法の世界があることを見つけました 顕微鏡で直接見える世界を 今日はいくつか披露します

まずは さほど小さくないものから 肉眼で見えるものから行きましょう ミツバチです ミツバチは だいたいこのサイズ 1cm くらいです でも もっと近づくと その正体が はっきりと見えてきます 顕微鏡で見たミツバチの眼です こうなってはじめて ミツバチは 複眼という無数の眼を持っていると判ります しかも その眼には感覚毛が生えており この毛で近づきすぎを判断します ミツバチは距離が判らないのです

もっと小さくしましょう 人の髪の毛です 髪の毛は肉眼で見える最小のものでしょう 10分の1 mm の大きさです

もっと小さくしましょう さらに10分の1 これは細胞です 人間の細胞10個で 人の髪の毛の直径くらいになります

私は顕微鏡で 生きた細胞を見て 生物学 自然科学に 本当に引き込まれました 初めて生きた細胞を顕微鏡で見たときは その姿にすっかり心を奪われ 驚かされました 免疫細胞などは あちこち動き回っているんですよ この細胞は異物やバクテリアなどを 探しているんです 周りを見渡して何かを見つけ それが異物だと判ると 飲み込みます あそこでは免疫細胞が小さなバクテリアを探し 飲み込み 食べています 動物の心臓細胞を培養皿の上に乗せて見てみると 皿の上でも脈を打っているのです 心臓の細胞はそれが仕事です 細胞には皆 使命があり 心臓細胞の場合は 私たちの体に血を送ることです 次は神経細胞です いま 目に映ったものを理解するとき 実際には脳と神経細胞が働いています 彼らはじっとはしておらず あちこち動いて 新たな接続を作ります これが学ぶということです

もっと小さな世界に行きましょう ミクロンやマイクロメートル ナノメートルよりももっと小さな世界 1オングストロームです このサイズは 水素原子の直径です 小さいですね 今日の顕微鏡では原子を見ることができます いくつか原子の写真を お見せしましょう この突起がそれぞれ個々の原子です これはコバルト原子を並べた長円です

このサイズの世界を ナノの世界と言いますが 私たちが目にするミクロの世界には 内側にナノの世界が内包されています ナノの世界は 分子と原子の世界です

ですが もう少し大きな世界の話をしますね ミクロの世界です

もしも皆さんが 花の中に棲む小さな虫なら 花はどう見えるでしょうね 花はこれくらいのサイズです 花を見ても 私たちが知っているものとは 違って見えることでしょう 皆さんが小さな虫で 花の表面から 花を見ると その地形はこんなふうになります 花びらはこんな風に見えるんです アリがこんな中を歩き回ったりしています 雄しべの柱頭に少し近づきました これが雄しべの花柱です ここに小さな ゼリー状の突起がありますね これは距(きょ)というもので 中に蜜が入っています ここは小さなアリにとって 小さな 『夢のチョコレート工場』 であり 小さな 『ディズニーランド』 です 私たちとは見え方が違います 花粉の粒がいくつか見えますね そこにも ここにも 黄色く小さな花粉は1粒に見えても 顕微鏡で見ると 実は 小さな花粉が無数に集まっています たとえば それらの小さな惑星の中を ミツバチは飛び回って 花粉を集め 集めた花粉を足にくっつけて 巣に持ち帰ります 花粉は巣の蜜蝋になります また 集めた蜜は 私たちが口にする蜂蜜になるのです

大写しになっているのは 実は普通に撮ったホテイアオイの写真です 皆さんの目が 本当に良ければ 肉眼でこんなふうに見えますよ 雄しべと雌しべがあります しかし これらは 顕微鏡で見たかのようですね これが雄しべ 無数の小さな花粉がそこにありますね これが雌しべ 毛状体という小さい毛が生えています これが花の香りを 作っており 草花は実のところ 香りを使って別の個体と会話しています

では ごく普通の ごく平凡な砂の話を しようと思います 砂に興味を持ったのは10年ほど前で マウイ島の砂を見たときでした これが実際のマウイの砂です 砂は10分の1mmのサイズです 砂粒それぞれが10分の1mmくらいなのです 何があるのか 近づいて見てみましょう 実に驚きです 小さな貝が見えますね サンゴみたいなものが見えます 他の貝の欠片や カンラン石が見えます 小さな火山のようです 噴火口に棲む チューブワームです 砂の中に 信じられないものがズラリです その原因は この島の場所にあります 砂の多くは 生物由来の物質です それは サンゴ礁が 微小生物から巨大生物まで あらゆる生物の育つ環境を提供していて 死んだあとに殻や歯や骨が粉々になった砂や サンゴのようなものが 残されるからです たとえば マウイの砂の写真を見てください これはラハイナのもので 海岸沿いを歩くことで 実は 何百万年もの生物学的 地質学的な 歴史を歩いています 見過ごしがちですが 海岸はつまり 全生態系の記録なのです たとえば 海綿の骨針 サンゴの欠片が2つ これはウニのとげ 本当に面白いものばかりです

初めてこれを見たとき 思いました おお これは宝の山だ 信じられない いたるところを調べに調べて 片っ端から写真に収めたい と 世界の砂の大半は こんな感じです 石英の結晶と 長石です アメリカ大陸の砂はほとんど 石英の結晶と 長石です それらは花こう岩が侵食されて できました 山ができ 水や 雨や 氷などによって 侵食され 砂になります これはかなりカラフルな砂ですね グレート湖 近辺の砂です 鉱石がいっぱいありますね ピンクのガーネット 緑色の緑れん石 素晴らしいもので一杯です 別の場所で別の砂を見ると 浜辺ごとに 場所ごとに みな 砂が 違っているのです これはビッグ・サーの砂ですが 宝石みたいです アフリカに宝石を採掘する場所があり 宝石が砂になって川に流れんで 海に出ます そうして 顕微鏡で見ると まさに小さな宝石が見えるのです だから砂の粒はどれも独特です 浜辺ごとにみな違います 粒ごとにみな違います 世界に同じ砂粒なんて 1つもありません 砂の粒はみな どこかで生まれ どこかに運ばれます 今たまたま ここにあるのです

砂があるのは地球上だけでなく 宇宙のどこにでも存在します 事実 宇宙は 砂で溢れており 砂が集まって 惑星や月を造っています これは微小隕石です これは軍からもらった微小隕石で 軍が南極の飲み水の井戸から取ったものです それらは とても面白いもので この小さな物質が 私たちの住む惑星や月を 構成しているのです

NASAから 月の砂を撮影してほしいと 砂を送ってきました 40年前のアポロ計画で 着陸した色々な場所の砂です こうして三次元顕微鏡で写真を撮り始めました これが1枚目の写真です わりといい感じです なんとなく月に似ているような気がしました 興味深いです 顕微鏡で一度に合わせられる焦点は 通常 実に狭いものなので ピントを何度も合わせ直し 写真を撮るのです そうして コンピュータ・プログラムで 1枚の写真につなげます こんな風にね 3Dにします これが左目用で これが右目用 左目用 右目用です

面白いことがあるのです これまで見た地球の砂とは ずいぶん違って見えました 地球の砂だって見たことあります 本当に(笑) 真ん中の穴に注目してください この穴を開けたのは 月にぶつかった微小隕石です 月に大気はありませんから 微小隕石が絶えず 降り注いでいます 月の表面が 粉末で覆われているのは 微小隕石が 40億年間 降り注いだせいです 微小隕石は 時速3~10万キロの 速度で衝突し 蒸発します ここにあるのは 蒸発した際に その原石と 小さな砂粒の一塊が 合体したものです これ全体は とても小さな砂の粒です リング・アグルチネートというもので 月の砂は大抵 このようになっていますが 地球の砂はそうなってません 月の砂は大抵 特に ― 月を見ると判りますが ― 暗いところと明るいところがありますね 暗いところは溶岩流です それらは玄武岩の溶岩流で その砂は マウイの火山の砂よりも とても小さいのです 微小隕石が衝突して溶け 溶岩となって噴き上がります 極小の溶岩が空気中に ― とは言え 空気はありませんが ― 上空に巻き上がり 顕微鏡サイズのガラス玉になり そのまま固まって 月の地面に落ちるのです 美しい色のガラス玉になります 実際に顕微鏡で見てみましょう 顕微鏡でなければ見えないんですよ

これが 月の砂です 全体の結晶構造が 残ったままになっていますね この砂の粒はおそらく 35~40億年前のものでしょう 地球の砂のように 侵食されていません 水も 空気もありませんし 転がることも ないからです わずかな侵食は 太陽 つまり太陽風によるもので これが太陽からの放射による侵食です

私が今日 皆さんに伝えたいのは 砂粒ような ありきたりの物でさえ 近づいて 新しい視点で見てみると 実に素晴らしいものになりうる ということです ウィリアム・ブレイクが うまく言い表した言葉があります 「一粒の砂に世界を見る 一輪の野花に天界を見る 君の手のひらに無限をつかめ 一刻の中に永遠を」 ありがとう(拍手)

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品詞分類

  • 主語
  • 動詞
  • 助動詞
  • 準動詞
  • 関係詞等

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