密度汎関数法による荷電高分子のシミュレーション(メゾスケールにむけて)

• Project/Area Number: 05J04541
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: 土木材料・力学一般
• Research Institution: Tohoku Gakuin University (2006-2007); Tohoku University (2005)
• Principal Investigator: 林 叔克 Tohoku Gakuin University, 教養学部, 特別研究員(PD) (00611641)
• Project Period (FY): 2005 – 2007
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2007)
• Budget Amount: ¥3,300,000 (Direct Cost: ¥3,300,000); Fiscal Year 2007: ¥1,100,000 (Direct Cost: ¥1,100,000); Fiscal Year 2006: ¥1,100,000 (Direct Cost: ¥1,100,000); Fiscal Year 2005: ¥1,100,000 (Direct Cost: ¥1,100,000)
• Keywords: 生物物理 / 環境適応 / 荷電高分子 / イオンチャネル / 単細胞生物 / 環境応答

Research Abstract

本研究の目的は、生物の環境適応を様々な観点から明らかにすることである。単細胞生物の集団行動を知るためのモデル生物としてゾウリムシを選び、実験と理論の構築をおこなった。まず実験においてゾウリムシが一次元のチューブ内で自発的に集合し、クラスターを形成することが明らかになった。さらにクラスターが時間経過にしたがって移動する様子が観察された。各個体の軌跡を画像解析した結果、ゾウリムシの方向転換と速度の制御によってクラスターの生成と移動が起きることが明らかになった。物質の同定には到らなかったが、ゾウリムシがなんらかの誘因物質を水溶液中に放出し、クラスターの形成が行われると考えられる。さらに本研究では拡散方程式をベースにしたシミュレーションを行った。微生物の運動をモデル化した方程式がいくつか存在するが、それらは個体の運動を環境依存のパラメータのみで記述している。本研究ではゾウリムシの内部状態をモデル化し、ダイナミックなクラスターの移動を説明する方程式を提唱した。このモデルにもとづいたシミュレーションを行ったところ、各個体の内部状態が環境の誘因物質の濃度に適応するまでの緩和時間が、単位時間当たりの方向転換から得られる時間スケールと等しくなったときに、集合体であるクラスターが移動するという現象が起こることが明らかになった。つまり、細胞内に環境適応という新たな時間スケールがあることが集合体としての多様な運動を生んでいるということである。
以上のように単細胞生物の集団行動に焦点をあて、単細胞生物が自発的に集合し、集合体が移動するメカニズムを生物の内部状態から明らかにした。

Research Products

• [Journal Article] Adaptation-induced collective dynamics of a single-cell protozoan (2008)
  • Author(s): Ogata, M., Hondou, T., Hayakawa, Y. Hayashi, Y., Sugawara, K.
  • Journal Title: Phys. Rev. E 77 Pages: 11917-11917