微生物の運動形態の変化に関する流体数理

与微生物运动变化相关的流体数学

• 批准号: 12J02077
• 负责人: 石本 健太
• 金额: $ 1.92万
• 依托单位: Kyoto University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2012
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2012-04-01 至 2015-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-12J02077/
• 关键词: 微生物; 低レイノルズ数流れ; 境界要素法; 精子; ストークス流; 繊毛; 鞭毛; 遊泳安定性

昨年度から、境界要素法を用いた流体中の微小生物の運動に関する数値計算手法を開発し、その中でも具体的な問題として精子遊泳の研究を行ってきた。境界要素法による数値計算は良い精度を与えるが、一方で計算コストが大きく、精子遊泳のような具体的な生物の問題では多くのパラメータスタディを要するため改善が必要であった。そこで、本年度はStokes方程式を近似的に解くregularized Stokeslet法に注目し、計算の低コスト化を図った。また、一様な流れのもとで、境界付近の精子が流れの上流に泳ぐという性質（走流性）に関して、regularized Stokeslet法による流体数値シミュレーションを行った。これにより、精子の走流性が流体力学を中心とした力学的な現象であることがわかった。また、哺乳類精子は受精の際、卵を覆っている透明帯に付着することが知られている。体外受精の際には無数の精子が透明帯に付着するが、精子の遊泳による力のために卵が回転することが古くから知られてきた。しかし、ほとんどの卵の回転方向が（ガラス基板の上側から見たとき）左回転になっていることは長年受精の神秘として生殖生物学者の中で謎とされてきた。そこで、昨年度から研究を行ってきた境界要素法による高精度の数値計算によって精子１匹が卵に及ぼす力の大きさを数値的に求め、多くの精子が付着した卵の運動に関する数理モデルを構築し、解析することで、一方向の卵の回転現象の解明に迫った。その結果、精子の鞭毛運動のもつchiralityと、ガラス基板と卵の間にはたらく流体相互作用からくる複合的な物理学的なダイナミクスであることが分かった。

Yesterday annual か ら, boundary element method を with い た の tiny organisms in the fluid の movement に masato す る the numerical computing technique を open 発 し, そ の in で も specific な problem と し を line っ て sperm swimming の research て き た. Boundary element method に よ る the numerical calculated を い は good precision and え る が, one party で calculation コ ス ト が big き く, sperm swimming の よ う な specific な biological の で は more く の パ ラ メ ー タ ス タ デ ィ を to す る た め improve が necessary で あ っ た. そ こ で, this year's は Stokes equations を に solution of approximate く regularized に attention し Stokeslet method, low computing の コ ス ト change を 図 っ た. ま た, others な flow れ の も と で stage, paying nearly の sperm が flow れ の upper に swimming ぐ と い う nature walk (flow) に masato し て, regularized Stokeslet method に よ る fluid the numerical シ ミ ュ レ ー シ ョ ン を line っ た. こ れ に よ り, sperm の walk flow が fluid mechanics を center と し た mechanics phenomena of な で あ る こ と が わ か っ た. ま た, mammalian sperm は fertilization の interstate, egg を っ て い る transparent 帯 に pay the す る こ と が know ら れ て い る. In vitro fertilization の interstate に は countless の sperm が transparent 帯 に pay the す る が, sperm の swimming に よ る force の た め に eggs が back to planning す る こ と が ancient く か ら know ら れ て き た. し か し, ほ と ん ど の eggs の back planning direction が (ガ ラ ス substrate の upper か ら see た と き) left back planning に な っ て い る こ と は years fertilization の mysterious と し て in reproductive biologist の で mystery と さ れ て き た. そ こ で, yesterday's annual か ら を line っ て き た boundary element method に よ る high-precision の the numerical computing に よ っ て 1 horse に が eggs and sperm ぼ す の potent き さ を the numerical に め, many く の sperm が pay the し た eggs の movement に masato す る mathematical モ デ ル を build し, parse す る こ と で の planning back phenomenon, a direction の eggs の interpret に forced っ た. そ の results, sperm の flagellar movement の も つ chirality と, ガ ラ ス between substrate と egg の に は た ら く fluid interaction か ら く る composite な physics な ダ イ ナ ミ ク ス で あ る こ と が points か っ た.

项目成果

Swimming efficiency of spherical squirmers: Beyond the Lighthill theory

• DOI: 10.1103/physreve.90.012704
• 发表时间: 2014-07-17
• 期刊: PHYSICAL REVIEW E
• 影响因子: 2.4
• 作者: Ishimoto, Kenta;Gaffney, Eamonn A.
• 通讯作者: Gaffney, Eamonn A.

球形微生物の運動における慣性の影響

惯性对球形微生物运动的影响

• 发表时间: 2012
• 期刊: 数理解析研究所講究録
• 作者: Hong Na Zhang;Tomoaki Kunugi;Feng Chen Li;K. Ishimoto;K. Ishimoto and E. A. Gaffney;石本健太
• 通讯作者: 石本健太

Hydrodynamic spermatozoan swimming stability near boundaries

边界附近精子的水动力游动稳定性

• 发表时间: 2014
• 作者: K. Ishimoto;M. Ikawa and M. Okabe;K. Ishimoto and E. A. Gaffney
• 通讯作者: K. Ishimoto and E. A. Gaffney

Fluid flow and sperm guidance: a simulation study of hydrodynamic sperm rheotaxis

• DOI: 10.1098/rsif.2015.0172
• 发表时间: 2015-05-06
• 期刊: JOURNAL OF THE ROYAL SOCIETY INTERFACE
• 影响因子: 3.9
• 作者: Ishimoto, Kenta;Gaffney, Eamonn A.
• 通讯作者: Gaffney, Eamonn A.

The enigma of egg rotation

鸡蛋旋转之谜

• 发表时间: 2014
• 作者: K. Ishimoto;M. Ikawa and M. Okabe
• 通讯作者: M. Ikawa and M. Okabe