2021 Fiscal Year Annual Research Report
社会性昆虫に学ぶ柔軟で頑健な組織づくりと機能発現の実験的および理論的研究
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20H01871
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| Research Institution | Meiji University |
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Principal Investigator |
西森 拓 明治大学, 研究・知財戦略機構(中野), 特任教授 (50237749)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
粟津 暁紀 広島大学, 統合生命科学研究科(理), 准教授 (00448234)
白石 允梓 明治大学, 研究・知財戦略機構(中野), 特任准教授 (20632144)
秋野 順治 京都工芸繊維大学, 応用生物学系, 教授 (40414875)
中田 聡 広島大学, 統合生命科学研究科(理), 教授 (50217741)
末松 信彦 明治大学, 総合数理学部, 専任教授 (80542274)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 社会性昆虫 / 集団行動 / 自己駆動系 / 意思決定 / 数理モデル |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の基本目的は、1.最大数千匹におよぶアリコロニーの大域的状況(巣内の汚染など)に応じて個々のアリが適切に役割を分担し，群れ全体の維持と繁栄に必要な機能を生み出す根本機構を，理論と実験の密接な連携によって探求すること、および，2.人工の要素からなる自己駆動粒子系の集団ダイナミクスが，生き物の群れの動的性質や集団機能をどこまで模倣し得るかを探索することである。
ただし、研究初年度(2020年度)および2年目(2021年度)はコロナ禍のため、測定機器の整備が十分に進まないという困難な事態が起こった。このような環境下で、以下の事項を推進した。
1.アリのコロニーにおける、自律分業を定性的に説明する数理モデルとして反応閾値モデルが広く支持されてきた。2021年度から2022年目にかけて、我々は、反応閾値モデルをオリジナルなモデルから、タスク活動度分布の時間発展方程式の形に書き換えた。これによって、これまで定性的な議論にとどまっていたアリのタスク分業に関する知見、例えばコロニー分割によって発生する各アリの労働量の再編について定量的な議論へのアプローチが可能となった。並行して、オリジナルな反応閾値モデルにおける「コロニー内のアリ全てがコロニーとしての大域情報を共有する」という仮定を「情報は一定のネットワークを通じて伝搬する」と変更した際、コロニー内の情報の偏在がどのように進むかを明らかにした。
2.個々の自己駆動粒子の状態が、内部で長期持続する化学反応(BZ反応)に支配され振動する状況、および、比較的単純な自己駆動粒子が、遠隔の場まで移動し、そこで化学反応によって捕獲されたのち、一定時間後、捕獲がはずれて初期位置に戻ることを繰り返す状況など、従来の自己駆動系と比較して、より生き物らしい複雑な振る舞いができる人工システムの構成に成功した。
3.計測機材に関して可能な範囲内で調達を進めた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
研究初年度(2020年度)および2年目(2021年度)はコロナ禍のため、当初計画したアリのコロニーの採取が進まず、また、計測系部品の生産と輸入が滞り、計測機器の整備は十分に進まなかった。このような環境下で、2年目の2021年度から3年目以下の順で研究を進めた。
１. 研究2年目(2021年度)までに、反応閾値モデルを基としたタスク活動度分布の時間発展方程式を新たに構成し、代表者ら自身の先行研究で得たデータを、モデルに取り込むことに成功した。これによって例えば、従来特定の困難であった、アリコロニー内の反応閾値分布を推定することが可能となった。自己駆動系粒子に関しては、駆動体内の化学反応で内部状態が自発的に変化し、これによって運動が変化を受ける新しいシステムの実験が進捗した。また、2021年後半より、計測機材や付属部品の流通が回復し始め、可能な範囲内で調達を進めてきた。
3. 3年目(2022年度)には、計測機器の整備が進み、RFIDタグによる自動計測系の構築が進み簡単な実験ができるようになった。またQRコードを使った新たな計測系についても機材の整備を開始した。並行して、超微細QRコードを自動計測するためのソフトウエアの整備も行った。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまで、主に理論と計算機実験を中心に、アリの複雑な組織を形成と維持のメカニズムを探究してきたが、ここにきてコロナ禍で整備の遅れてきた計測系の整備も進展しつつある。そのため可能な範囲で行動の自動計測を行う。とくに、コロニー分割やコロニーの撹乱に対する、アリの個体としての応答、および集団としての応答を時系列データとして取得し、理論モデルの振る舞いと相互に比較することで、アリ集団の可塑的でかつ靭性の強い組織の根幹をなす機構を明らかにする。
自己駆動系においては、化学反応の他、形状の変化など、高次の自由度を併せ持つ自己駆動粒子系の個々、および集団のダイナミクスを取り扱う実験や理論解析を進める。
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Research Products
(9 results)
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[Journal Article] Catch and Release Chemotaxis2021
Author(s)
Yasugahira Yusuke, Tatsumi Yuki, Yamanaka Osamu, Nishimori Hiraku, Nagayama Masaharu、Nakata Satoshi
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Journal Title
ChemSystemsChem
Volume: 4
Pages: 582～589
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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