生命現象の動的不安定性による重力効果の増幅発現

• Project/Area Number: 14654175
• Research Category: Grant-in-Aid for Exploratory Research
• Allocation Type: Single-year Grants
• Research Field: 動物生理・代謝
• Research Institution: Ochanomizu University
• Principal Investigator: 最上 善広 お茶の水女子大学, 理学部, 教授 (30166318)
• Project Period (FY): 2002 – 2003
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2003)
• Budget Amount: ¥3,500,000 (Direct Cost: ¥3,500,000); Fiscal Year 2003: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000); Fiscal Year 2002: ¥2,500,000 (Direct Cost: ¥2,500,000)
• Keywords: 生物対流現象 / 空間発展 / 時間発展 / 行動突然変異株 / 揺らぎ / 細胞間相互作用 / 過重力実験 / 理論 / テトラヒメナ

Research Abstract

生物対流現象の動的不安定性特性を調べる目的で,遠心機による重力付加を行い,過重力が生物対流の誘導過程と定常的なパターン形成にどのような影響を及ぼすかを調べた.生物対流に関しての理論的研究では,対流の誘導過程を密度勾配層の不安定性の問題として説明しようとしてきた.その結論として,不安定性の指標となる無次元のパラメータ(Rayleigh数)が定義され,この値が一定の閾値を超すことで対流が発生するとされている.テトラヒメナの密度と容器の深さを調節することによって作り出された臨界Rayleigh数下状態の細胞懸濁液を遠心し,重力加速度を増加させていったところ,ある一定以上の重力加速度でパターン形成が誘導されることがわかった.過重力によるパターン形成の誘導は可逆的であり,加速度の減少につれてパターンは消失した.このことは,生物対流の誘導がRayleigh-Taylor不安定性を反映した現象として説明できることを示唆している.初期の誘導過程が過ぎると,生物対流は定常的なパターン形成が維持される時期に移行する.このときのパターンにステップ状に変化させた遠心過重力を付加したところ,重力加速度が増加するにつれて,明らかにパターンサイズが減少することがわかった.このような生物対流パターンの示す鋭敏な重力応答は本研究によって始めて示された.重力応答特性は,部分的には以前からの流体力学的理論(Rayleigh-Taylor不安定性)に合致したが,不一致も多く見られ,理論の再検討の必要性が示唆された.特に,クラミドモナスの示す重力応答は,これまでの理論を覆すものであった.これらの結果は,生物対流では重力受容等の物理特性以外の特性がより強く作用し,それらが個体間の相互作用の動的不安定特性を通して重力への鋭敏な応答を引き起こすことを示唆している.

Research Products

• [Publications] 平嶋未絵, 森脇 梓, 最上善広, 馬場昭次: "繊毛虫の重力走性行動における形態依存的重力配向特性"宇宙利用シンポジウム. 19. 33-35 (2003)
• [Publications] Niihori, M., Mogami, Y., Naruse, K., Baba, S.A.: "Embryogenesis and swimming behavior of Medaka fish in JUSTSAP STARS program (STS-107)."Biol.Sci.Space. 17(in press). (2003)
• [Publications] Yuko KATO, Yoshihiro MOGAMI, Shoji A, BABA: "Responses to Hypergravity in Proliferation of Paramecium tetraurelia"Zool.Sci.. 20(11):. 1373-1380 (2003)
• [Publications] Mogami, Y., Moriwaki, A., Tsuji, A., Baba, S.A.: "Switches of the strategy of gravitactic reorientation mechanism during the development of sea urchin larvae."Zool.Sci.. 20(12):. 1537 (2003)
• [Publications] Shiba, K., Ohmuro, J., Mogami, Y., Baba, S.A., Nishigaki, T., Wood, C.D., Darszon, A., Tatsu, Y., Yumoto, N.: "Speract induces a more asymmetric flagellar beating in the sea urchin, Hemicentrotus pulcherrimus."Zool.Sci.. 20(12). 1537 (2003)
• [Publications] Yuko Kato, Satoe Sawai, Yoshihiro Mogami, Shoji A, Baba: "Effects of hypergravity on the proliferation and morphology of Paramecium-comparison with those of lowering temperature and reduced nourishment."Space Utilization Research. 20(in press). (2004)
• [Publications] Shiba, K., Mogami Y., Baba, S.A.: "Ciliary movement of sea-urchin embryos"Nat. Sci. Rep. Ochanomizu Univ. 49-54. 53. 49-54 (2002)
• [Publications] 最上善広, 山根章子, 義之敦子, 馬場昭次: "繊毛虫テトラヒメナの生物対流パターン形成に対する過重力付加の影響"宇宙利用シンポジウム. 18. 1-4 (2002)
• [Publications] 加藤悠子, 最上善広, 馬場昭次: "過重力環境下でのゾウリムシ(P. tetraurelia)の細胞増殖"宇宙利用シンポジウム. 18. 5-8 (2002)
• [Publications] 小宮華子, 加藤悠子, 最上善広, 馬場昭次: "宇宙滞在におけるゾウリムシのクローン寿命-宇宙及び地上実験の環境整備とその検証-"宇宙利用シンポジウム. 18. 9-11 (2002)
• [Publications] Kato, Y., Mogami, Y., Baba, S.A.: "Proliferation of Paramecium tetraurelia under hypergravity."Jpn. J. Protozool.. 35 suppl. 59 (2002)
• [Publications] Mogami, Y., Gino, A., Yamane, A., Baba, S.A.: "Hydrodynamic properties of the bioconvective pattern formation of Tetrahymena."Zool. Sci.. 19 suppl.,. 1435 (2002)