2022 Fiscal Year Research-status Report

Development of non-equilibrium thermodynamics simulator applicable to life and social phenomena produced by dissipative structure

Research Project

Project/Area Number	19K04896
Research Institution	Fisheries Research and Education Agency
Principal Investigator	石田武志国立研究開発法人水産研究・教育機構, 水産大学校, 教授 (50438818)
Project Period (FY)	2019-04-01 – 2024-03-31
Keywords	非平衡熱力学 / 散逸構造 / セルオートマトン / チューリングパターン / 自己組織化 / 確率格子モデル / 化学マスター方程式 / 人工化学
Outline of Annual Research Achievements	生物や社会は局所的な相互作用から自己組織的に形成され、エネルギーと物質の代謝を行いながら自律的に駆動している。このような複雑な形態を自己組織的に構築する技術は、工学が目指す究極の目標の一つである。本研究は、「非平衡熱力学シミュレータ」の開発を行い、散逸構造が持続するための条件や、複雑に進化するための条件を検討する基盤を構築するものである。当該シミュレータは、要素の動きや相互作用を記述できるようにセルオートマトン（CA）モデルによる粒子モデルを基盤として、反応拡散方程式等による「形態を創発する自己組織化モデル」を組み入れ、さらに局所エントロピーを評価できるものを計画している。また複雑な形状を表現できないという従来のCAモデルの欠点を克服し、少数セルで多様な相互作用を記述できる「多要素型CAモデル」を提案し、形状の創発を「設計」するためのシミュレータを目指すものである。 2019年度までに開発したチューリングパターンを生成するCAを用いて、2022年度においては、「多要素型CAモデル」の基盤となるプログラムを完成することができ、細胞様形状の創発（境界形成）、エネルギー代謝、自己複製の現象をシミュレーションすることが可能となり、論文として出版することができた。また、このモデルはエントロピー評価が可能なモデルとして構築しており、配置エントロピーやエントロピー生成率をCA空間においても定量的に評価できる基盤を構築し論文としてとりまとめた。これに加えて、「多要素型CAモデル」の開発をさらに進め、遺伝的な情報子の創発と進化のプロセスを実現するモデルへと拡張を行い論文をとりまとめを行っている。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 「研究実績の概要」において示したとおり、2021年度において「多要素型CAモデル」の基盤となるプログラムを完成することができ、細胞様形状の創発（境界形成）、エネルギー代謝、自己複製の現象をシミュレーションすることが可能となり、論文として出版することができた。また、このモデルにおいてエントロピー評価が可能なモデルとして構築し、配置エントロピーやエントロピー生成率をCA空間においても定量的に評価できる基盤を構築し論文としてとりまとめた。さらに「多要素型CAモデル」により創発される細胞様形状が周囲の環境に対して、進化能力を保持するかどうかの検討を行い、プログラムを完成させることができ、論文としてまとめている状況である。当初予定より、1年の延長を申請したが、2023年度中には、進化能力の創発についても論文にまとめることができる予定であり、「非平衡熱力学シミュレータ」の基盤を構築し、散逸構造が持続する現象をシミュレーションするプログラムを構築でき、当初の研究目的を達成できると考えている。
Strategy for Future Research Activity	2023年度においては、以下のことを検討している。（１）「多要素型CAモデル」の開発をさらに進め、遺伝的な情報子の創発と進化のプロセスを実現するモデルへと拡張して論文をとりまとめを行い出版する。（２）「多要素型CAモデル」をさらに一般化して、「散逸構造シミュレータ」として完成させ、生態系や地域環境への応用方法を考察してまとめる。（３）「散逸構造シミュレータ」の一般公開の方法を検討していく。
Causes of Carryover	研究目標としているシミュレータの基盤の開発や、その論文化は進んでいるものの、新型コロナウイルスなどとの関係で、学会発表、国際学会発表などの予定がとれず、旅費を中心に次年度に繰り越す予算が生じた。2023年度においては、論文の公表が予定できるため、論文の英文校正、掲載料として利用を行っていく予定である。