| 研究課題/領域番号 |
15K17717
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| 研究機関 | 九州大学 |
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研究代表者 |
江端 宏之 九州大学, 先導物質化学研究所, 学術研究員 (90723213)
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| 研究期間 (年度) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| キーワード | アクティブマター / 自発運動 / 細胞運動 |
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| 研究実績の概要 |
細胞運動に代表されるように、多くの生物は変形をしながら自発的に動き回ることが出来る。生物・無生物に関わらず外からの刺激を必要としない自発的運動をするためには、非対称な形状など、空間的な対称性の破れが不可欠である。私は自発運動する粒子の形状と運動の間にある普遍的な関係を実験的に明らかにすることを研究の目的としている。私はこれまでシリコンオイル上の水滴を垂直加振することで水滴上に局在した共振波（ファラデー波）を作り、波の力により泳ぐ液滴を作成している。また、ファラデー波の空間対称性は直方体容器中など固定境界において周波数を下げることで自発的に破れることがわかっている。今年度は液滴上のファラデー波において、ファラデー波の腹の位置をつなぐ曲線の曲率の変化を調べた。その結果、液滴の併進運動の分岐点において曲率が０から有限の値を持つようになることを示した。これは、液滴においても固定境界の場合と同様にファラデー波の自発的対称性の破れが起こり、その結果として併進運動が現れることを示している。
私はさらに変形する自己駆動粒子の持つ普遍性について調べるために、泳ぐ液滴に対して行っていた解析手法を用いて細胞運動の解析を行った。私はゲル上を運動する繊維芽細胞の形状をフーリエ展開し、形状の各モードと重心の速度の間の関係について調べた。その結果、繊維芽細胞の重心の速度は形状のモード２とモード3の時間微分の関数として表せることを見出した。また、得られた速度に関する関係式はアメーバ運動によって液体中を泳ぐ粒子の一般的な方程式と同様なものになっていることが分かった。私はこれまでに泳ぐ液滴のダイナミクスが、形状のフーリエモードの時間発展に基づくモデルを用いて説明できることを示しいる。そのため、形状のフーリエモード解析が生物・無生物に関わらず運動と変形の関係を調べる上で有効であることが分かってきた。
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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
これまで固定容器中のファラデー波は波長が長くなることで自発的に形状の前後対称性を破ることを見出したが、実際に泳ぐ液滴に対しても同様の形状の前後対称性の破れがドリフト分岐点上で起こることを定量的に示すことができた。本研究の最終的な目標は無生物系の実験を通して細胞運動などの生物の自発運動に対する物理的な知見を深めることにある。今年度は実際に液滴の実験において行っていた形状のフーリエモード解析を繊維芽細胞の細胞運動に適用し、細胞の種類や置かれている環境によらず形状と運動の間に普遍的な関係がある可能性を示すことができた。さらに現在、泳ぐ液滴の現象論的なモデルである形状のフーリエモードの時間発展に基づくモデルを拡張すると細胞運動の統計的な性質が良く説明できることが分かってきている。これは形状のフーリエモードの時間発展に基づくモデルが無生物・生物を問わず一般的に適用できることを示唆している。
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| 今後の研究の推進方策 |
これまでの研究により、液滴の運動のメカニズムが明らかになってきた。一方、形状が運動に大きな影響を与える柔らかい粒子系での集団運動の実験はまだほとんどなされていない。そこで次に液滴が集団になったときの挙動について実験をする。液滴間の相互作用については予備的な実験から短距離で反発的、中距離で引力的な異方的相互作用をすることが分かっている。また、相互作用が液滴の形状に影響を与える様子も観察されている。このような相互作用のもとで液滴集団が作る構造について実験を行う。
またこれまでの研究により、変形する自己駆動粒子に対して形状のフーリエモード解析を行うことで自発運動のもつ普遍的な性質が明らかにできる可能性が示された。現在、泳ぐ液滴と同様に細胞運動に対しても形状のフーリエモードの時間発展に基づくモデルにより運動と変形の統計的な性質が説明できることが分かってきている。さらに、実際の実験データをモデルによりフィッティングすることで細胞の移動度、変形の緩和のしやすさ、力の大きさを推定することを行っている。そこで、泳ぐ液滴に対しても実験データをモデルによりフィッティングすることを行う。粘性や加振周波数などの異なるデータに対しフィッティングを行うことで、フィッティングパラメーターの各物理量に対する依存性を明らかにする。このように一般的なモデルによるフィッティングを行うことで変形する自己駆動粒子の特性の定量的な評価ができるかどうかを検討していく。
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