2023 Fiscal Year Annual Research Report
Heuristic algorithm of exploration and exploitation to the space geometry in ciliates and amoebae
| Project Area | Advanced mechanics of cell behavior shapes formal algorithm of protozoan smartness awoken in giorama conditions. |
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| Project/Area Number |
21H05310
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
中垣 俊之 北海道大学, 電子科学研究所, 教授 (70300887)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
棟朝 雅晴 北海道大学, 情報基盤センター, 教授 (00281783)
田中 良巳 金沢学院大学, 経済情報学部, 教授 (10315830)
國田 樹 琉球大学, 工学部, 准教授 (20645478)
佐藤 勝彦 北海道大学, 電子科学研究所, 准教授 (90513622)
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| Project Period (FY) |
2021-09-10 – 2026-03-31
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| Keywords | 物理行動学 / 原生生物 / ジオラマ環境 / 数理モデリング / 原生知能 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
生物の成す知能情報処理は、単細胞生物に端を発する天与の情報処理手法として情報技術にヒントを与えるいわば宝の山である。真核単細胞生物、いわゆる原生生物に見られる行動知の探究は、その根源を問うものである。本研究では、ほふく性アメーバの集団交通ネットワークと遊泳性繊毛虫の集団移動に焦点を当て、どちらも空間の幾何学的形状に適応的であることから、空間の探査と活用性能について、原生生物の知能のアルゴリズムを定式化し、工学的に利用可能な形まで具体化することを目指す。
以下の成果を得た。
(1) 多彩な空間構造に適応したコロニーと輸送網の共発展モデルの有効性を、ケーススタディとしてイタリアで検証し、共発展シミュレータとして提案できた。(2) 粘菌の体内循環輸送網の流体力学的特性、とくに物質の輸送性能を流路径の空間分布に注目して特徴づけられた。(3) 粘菌のネットワーク最適化から読み解く樹木の力学構造、特に振動エネルギーの散逸機構に注目して、フィールドでの揺動実験を実施した結果、枝の大きさと初期エネルギー散逸との間に特徴的な関係があることを発見した。(4) 繊毛虫ラッパムシが狭小空間選好性を持つことを前年度までに発見したので、その空間形状認知能力をより詳細に実験的に評価し、あわせてその空間認知の仕組みを検討した。(5) 這い回る運動の基本的な力学機構を追求する一環として、線虫の生息地拡大行動を調べた。昆虫の有する静電気力を巧みに捉えて昆虫に飛び移り遠くまで移動することを発見し、誌上発表した。(6)クラミドモナスの光走性を３次元空間中のらせん遊泳として力学モデル化した。光線のさす方向に対して一定角度の軌道（定常解）のあることを発見し、現実のクラミドモナスでみられる少しの光反応時間の差によって、光への走性が切り替わることがわかった。
以上の研究成果を広めるために、アウトリーチ活動にも注力した。
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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
交付申請書に記載した実施計画項目をおおむね実施できたから。
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| Strategy for Future Research Activity |
(1) 多彩な空間構造に適応したコロニーと輸送網の共発展について、ケーススタディの地域を増やす。(2) 粘菌の体内循環輸送網の流体力学的特性に関する実験的・理論的研究成果をとりまとめて論文発表する。(3) 粘菌のネットワーク最適化から読み解く樹木の力学構造、特に振動エネルギーの巧みな散逸機構にかんするこれまでの成果を取りまとめて露誌上発表する。(4) 鞭毛虫ラッパムシの空間認知能力にかんするこれまでの成果をとりまとめて論文発表する。(5) 繊毛虫や精子の見せる共通の運動様式であるらせん遊泳に注目して、その生理学的な意義や知能アルゴリズムとしての特性を実験的かつ理論的に検討する。(6) 空間形状依存的なテトラヒメナの集団運動について、特に深さの影響について実験的に調べ、流体力学的な対流運動と比較検討する。(7)多様な生物種の原生知能を探索するために、これまで行動研究が行われていない原生生物を野外から採集し培養方法を確立してきた。それを生かして、有殻アメーバの行動について調べる。特に自分自身ですみかを構築する能力に注目する。
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