内田 就也

ムカデなどの多足動物が地を這う運動(這行運動)において、多数の足 の協調運動は体軸に沿って一方向に伝搬する進行波(メタクロナル波) を形成することが知られている。従来、この足波の伝搬方向は動物種に よって固定していると考えられていたが、黒田らはある種のムカデにおいては環境条件によって足波の伝搬方向が逆転することを見出した。す なわちムカデに与えた刺激や這行表面の材質に応じて、足波はムカデの 運動方向と平行または反平行に伝播する。一方ゾウリムシなどの繊毛虫 も、体表にある多数の繊毛の水かき運動が同期してメタクロナル波を形 成するが、その伝播方向は周囲の流体の粘性などの環境条件に応じてや はり変化することが知られている。本申請者はこのような繊毛の協調運 動に関して、繊毛間の流体相互作用を考慮した物理モデルを提案し、 個々の繊毛の運動パターンによってメタクロナル波の伝播方向が制御さ れることを示した。本申請研究ではこの知見をムカデに応用して、力学 的相互作用を介したメタクロナル波の制御メカニズムおよびその環境条 件に対する応答特性を、実験データを反映した数理モデルによって解明 し、生物種を超えた物理的な描像を構築する。

多足動物の足波と繊毛虫の繊毛波の機能的・力学的類似性に注目し繊毛打のモデルを拡張することによって、ムカデのメタクロナル波へ応用する。具体的には、様々な環境条件における足波を高速カメラによって撮影し、得られた動画像をコンピュータを用いて解析することにより、体軸に並んだ各足の軌道および位相データ等を抽出する(実験および動画像解析)。このデータから直接的にモデルの肝である位相ダイナミクスの推定を試みる。これは、繊毛軌道の定量的測定が困難である繊毛虫に対してムカデが有する優位な特徴である。さらに得られた位相ダイナミクスの理論解析を行い、異なる環境条件におけるムカデの歩行パターンを比較、分析することで、メタクロナル波発生の物理メカニズムを明らかにする(実験データ駆動型数理モデリング)。この間、必要に応じて追加実験を提案し、得られたデータをモデル作成に還元する。このような実験と理論との間の相互フィードバックを行い、モデルの信頼性を向上させていく。得られた多足モデルと繊毛打モデルを比較し、ゾウリムシからムカデまでメタクロナル波を用いた生物移動の理解に向けたより包括的な物理モデルの枠組を探る。

生物において複数の運動器官が協調して進行波状の集団運動を示しこれを用いて移動する現象は、メタクロナル波として知られている。本共同研究では、ゾウリムシからムカデまで、生物種を超えたメタクロナル波の普遍的特徴の抽出と数理モデルの構築を行う。