カイアシ類は流されながら流速場をどのように検知し応答するのか

2020 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 19K04184
• 研究機関: 国立研究開発法人産業技術総合研究所
• 研究代表者: 秋葉 龍郎 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 生命工学領域, 主任研究員 (00221713)
• 研究分担者: 田中 祐志 東京海洋大学, 学術研究院, 教授 (90207150)
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 2022-03-31
• キーワード: 応力テンソル / プランクトン / 流速場検知 / 理論研究 / 実験研究

研究実績の概要

本年度は流速場が流速場中の生物に及ぼす力について、理論的研究を行なった。流速場を行列の形式で記述するとき、行列の成分は並進運動と回転運動と変形運動に分解される。このうち物質に力を及ぼすのは変形運動だけである。流速場の内側から視覚などの情報に頼ることなく環境を力学的に感じているとすると、変形運動から未来を予測していることなる。また変形を促す流体が非圧縮性流体である水であることに注目すると形態の変形は等積変形だけとなる。変形を及ぼす流速場の成分としてテンソルを取り出すと、形状変化を感じる感覚器はテンソルセンサーであることとなる。本年度は思考実験により、テイラークエット水流において、内側の円筒が回転する場合と外側の円筒が回転する場合の２種類を考えた。水流の方向を有する面が重力の方向を含む面のとき、この両者では懸濁粒子の分布が異なることが示唆された。その結果、例えば植食性のプランクトンの場合、両者の違いは水流から受ける力は同等であっても、餌密度が異なることで環境差を感じることが示唆された。すなわち、流速場を力として感じる場合を明示的な流速場検知と呼び、餌密度やその他かの要因から環境差を感じるときは暗に流速場を感じていることが示唆された。
このように流速場をテンソル、生物の流速場を感じる感覚器をベクトルとして捉えるベクトルを変換する流速場をテンソルとして感じていることなる。そこでポテンシャル流速場での生物の行動を測定すればよいとの方針がたった。

現在までの達成度 (区分)

3: やや遅れている

理由

昨年度はコロナウイルスの影響で、乗船しての試料の採取が叶わず、やや遅れている。装置の設計はほぼ終了しているので今年度早いうちに装置を完成し、実験を開始したい。また理論的な考察から実験装置の設計が変更になったので現在対処中である。その他の実施状況は予定通りである。
生物が流速場の中でどこにいるのかを検知するよい方法が見つかったので、その方法で研究を実施する。ちなみその方法はし遮光型センサーで位置を特定するものである。センサーの出力はトランジスタ出力となるので、データの収集が用意である。
対象とする生物が１ミリ以下であってもセンサーが動作することの確認は終了した。

今後の研究の推進方策

本年は生物のテンソル応答を調べるために、同心円のテイラークエット流速場と異心円でのテイラークエット流速場での速度勾配選択嗜好性について観察実験を行う。また水流が重力の方向の面内にある場合と、重力の方向と水流の方向が垂直である場合について実験を行う。生物の選択嗜好性は遮光型センサーを並列に配置し、その出力を計数することで調べる。また、パルス状吸い込み流に対する逃避特性から時間応答特性も調べる。カイアシ類、フジツボ幼生、魚類、ウニの幼生、ワムシなどの様々な生物について実験を行う。これらの実験を通してテンソル嗜好性を調べる。生物の対称性と感じる応力の関係を調べる。
理論研究ではテンソルが輸送方程式を満足することから、さまざまなモデル流速場におけるテンソルの物質微分を生物が感じることの意義をより追求して研究を行う。
流速場に対する応答を調べる実験なので、光を感じる生物の場合はセンサーを赤外光として、また室内光の影響をさけるために、暗室内で実験を行うこととしたい。

次年度使用額が生じた理由

本年度には実験を実施する予定で装置設計を行っていたが、途中で設計の間違いに気づき設計を変更したために、次年度に繰り越すこととなった。本年度の早いうちに実験装置を完成して研究を実施する予定である。