Elucidation of the Mechanism of a Ciliate Swimming: Near a Wall and Under Shear Flow

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本年度はまず、前年度に報告者らが明らかにした繊毛虫のスライド運動モデルの一般性を検証した。繊毛虫テトラヒメナ（Tetrahymena pyriformis）の場合、スライド運動は繊毛打による推進力の非対称性、細胞形状の楕円体アスペクト比から説明可能であった。そこで、テトラヒメナよりもアスペクト比の大きい繊毛虫ゾウリムシ（Paramecium caudatum）のスライド運動を観測し、細胞周りの流れ場計測から推進力の非対称性を確認した。さらに数値計算で推進力非対称性と形状アスペクト比を軸としたスライド運動の相図を作成したところ、ゾウリムシのスライド運動のパラメータも本モデルの適用範囲内であることが明らかになった。次に、せん断流れ下における繊毛虫遊泳運動を調べた。繊毛虫は自然界で安定した生活環境に留まって生存効率を上げるため、外部流れに逆らって泳ぐ性質、正の走流性を持つが、そのメカニズムは明らかになっていない。報告者らはT. pyriformisの走流性に対し、マイクロ流路内と圧力制御ポンプを用いてせん断流れを制御した実験を実施した。結果、細胞はあるせん断力以下で正の走流性を示し、壁面付近を流れに逆らってスライド運動していることを確認した。前述の繊毛虫スライド運動モデルにせん断流れを与えて遊泳運動を計算したところ、実験結果と同様の壁面上を流れに逆らうスライド運動を再現できた。走流性を示すせん断力の閾値も実験と計算でよく一致し、繊毛虫の正の走流性もスライド運動に必要な推進力非対称性、細胞の形状だけで説明可能であることを示した。また、本年度はドイツのマックスプランク陸生微生物学研究所に長期滞在し、研究活動を行った。本研究計画を実施することで身に着けた流体工学の知見と微生物を扱う実験・画像解析技術を生かし、せん断流れ下におけるバクテリアの定量実験を実施した。