| 研究領域 | ジオラマ環境で覚醒する原生知能を定式化する細胞行動力学 |
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| 研究課題/領域番号 |
21H05309
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| 研究種目 |
学術変革領域研究(A)
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| 配分区分 | 補助金 |
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| 審査区分 |
学術変革領域研究区分(Ⅳ)
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| 研究機関 | 京都大学 |
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研究代表者 |
石本 健太 京都大学, 数理解析研究所, 准教授 (00741141)
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| 研究分担者 |
佐藤 晋也 福井県立大学, 海洋生物資源学部, 教授 (80709163)
小布施 祈織 岡山大学, 環境生命自然科学学域, 准教授 (90633967)
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| 研究期間 (年度) |
2021-09-10 – 2026-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2024年度)
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| 配分額 *注記 |
99,190千円 (直接経費: 76,300千円、間接経費: 22,890千円)
2024年度: 20,410千円 (直接経費: 15,700千円、間接経費: 4,710千円)
2023年度: 19,760千円 (直接経費: 15,200千円、間接経費: 4,560千円)
2022年度: 21,320千円 (直接経費: 16,400千円、間接経費: 4,920千円)
2021年度: 17,030千円 (直接経費: 13,100千円、間接経費: 3,930千円)
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| キーワード | 流体力学 / 微細藻 / 数理モデル / パターン形成 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
単細胞にとっての力学的な周囲環境は「流体」であり、時として流れ（背景流れ）が存在する。特にこれらの環境適応能力を理解し活用するためには、流体力学の正確な理解が必要である。さらに、実際の微生物はそのnmスケールの細胞小構造が、個体スケールの流体現象や運動に影響を与え、さらには赤潮のような数kmにも及ぶ微生物の多様で複雑な分布ダイナミクスを引き起こしている。さらには、時間的にも細胞の環境適応能力は、世代を超えて引き継がれている。このように、原生生物の行動力学は本質的に時空間マルチスケールの力学現象である。本研究では微細藻を中心にマルチスケールのジオラマ環境を記述する数理モデルの構築を行う。
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| 研究実績の概要 |
本研究で掲げている以下の4つの研究課題ごとに記述する。
[課題1:細胞のかたちの形成過程] 細胞の形状は多岐にわたり、特に珪藻においてはnmスケールの微細構造パターンが特徴的である。そこで、 結晶成長とパターン形成を再現する反応拡散方程式ベースの数理モデルの構築を目指し、特に今年度は、反応拡散系の数理モデルの構築と有限要素法による数値計算を行った。
[課題2:細胞のかたちと流体中における輸送機能] 珪藻の細胞壁形態は多様であり、それぞれが進化的時間スケールの中で生育環境に適応した 結果編み出された、いわば卓越した原生知能の結晶である。実験環境の整備を行うと同時に、塩濃度変化や外部の力学的刺激に対する細胞の応答、及び細胞間の化学物質を介した相互作用について、研究を進めた。その際、物体形状の時間反転性があっても、空間の並進対称性と空間一様的なノイズがあることで、遊泳が可能であることを示すことができた。
[課題3:多様な微生物の生殖ダイナミクスにおける環境とのフィードバック] 細胞から流体中に放たれるフェロモン分子の拡散と流体中の輸送 問題を一体とした数理モデリング手法の開発を進める。パッシブな輸送の時間スケールと変形の時間スケールを分離したマルチスケール解析により、背景流れ場中の微生物の運動の一般化を進めた。近年新たに見つかった、細胞運動の非定常性に起因する新たな微細藻の走流性に対して、マルチスケール解析を用いた安定性解析を行い、その力学的なメカニズムを解明した。
[課題4: 個体の運動と生態・進化のスケールを結びつける数理モデリング] 物体の形状と流体中運動がどのような生態系を生み出すのか、また 、物体の形状や運動はどのように進化していくのかを記述する数理モデルの数値シミュレーションを行い、数理モデルのロバストネスに注意しながら、遊泳と生態系の相互作用に関して研究を進めた。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
本研究で掲げている以下の4つの研究課題ごとに記述する。
[課題1:細胞のかたちの形成過程] 数理モデルの構築に必要な実データが不足している状況であり、基礎的な仕組みからモデルを作り上げる必要がある。当初の予定通りである。
[課題2:細胞のかたちと流体中における輸送機能] 細胞の形状と流体中の物体輸送に関する基本的な性質は帆立貝定理として知られている。今年度得られた成果は、この基本法則を、物体のやわらかさや外部環境のノイズを含む場合に拡張する内容であり、想定以上に進捗している。また、実験研究の環境整備も順調に進められている。
[課題3:多様な微生物の生殖ダイナミクスにおける環境とのフィードバック] 特に周囲の流れと、遊泳ダイナミクスのカップリングに関して、細胞遊泳のダイナミクスに対するマルチスケール解析の有用性が示され、多くの研究成果が得られており、想定以上に進捗している。
[課題4: 個体の運動と生態・進化のスケールを結びつける数理モデリング] 当初想定していた数理モデルでは、定常解が存在せず、生態ダイナミクスが常にtransientの状態になっている。これは、当初想定していなかった問題であり、今後解析する上では障害となる。
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| 今後の研究の推進方策 |
前年度に引き続き、以下の4つの研究課題ごとに記述する。
[課題1:細胞のかたちの形成過程] 昨年度に引き続き、 結晶成長とパターン形成を再現する反応拡散方程式ベースの数理モデルの構築を目指す 。反応拡散系の数理モデルの構築と有限要素法による数値計算を引き続き行う。
[課題2:細胞のかたちと流体中における輸送機能] 昨年度に引き続き、実験環境の整備を行うと同時に、外部の力学的応答に対する細胞の応答 、及び細胞間の化学物質を介した相互作用について、研究を進める。さらに、外部環境によるノイズからどのように情報の収集と処理機構を考慮した行動力学のマルチスケールモデリングに取り組む。
[課題3:多様な微生物の生殖ダイナミクスにおける環境とのフィードバック] 昨年度に引き続き、パッシブな輸送の時間スケールと変形の時間 スケールを分離したマルチスケール解析による、背景流れ場中の微生物の運動の一般化を進める。また、細胞の内部駆動力を取り込んだアクティブソフトマターの一般的な記述に取り組む。
[課題4: 個体の運動と生態・進化のスケールを結びつける数理モデリング] 昨年度に引き続き、物体の形状や運動が群衆レベルの動態に与える 影響、およびこれらがどのように進化していくのかを記述する数理モデルの研究を、フィールド研究からのフィードバックを考慮しながら進める。数理モデルのロバストネスに注意が必要であり、課題1,2,3の結果も取り込みつつ研究を進める。
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