【宇部高專】微生物也「無法驟停」!?

圖1:本研究開發的光槓桿式測量系統(左)與碰撞時的實際力學數據(右)。精確檢測水槽中游動的團藻(Volvox)撞擊微小板簧(懸臂樑)時，因雷射光反射角度變化而產生的微弱平緩或急劇的彎曲。數據(右)顯示，標準尺寸的團藻(右上)碰撞後會平緩傳遞力量，但僅在大型團藻(右下)中，碰撞瞬間偵測到遠超前進推進力的明顯「慣性碰撞力」尖峰(急劇變化)。此為顯示本研究核心發現的數據。

宇部工業高等專門學校(山口縣宇部市 校長:川村 淳浩 以下簡稱「宇部高專」)物質工學科的島袋勝彌副教授，與常葉大學(靜岡縣靜岡市)教育學部的三留規譽教授等人的共同研究團隊，成功以毫秒為單位直接測量了多細胞藻類團藻游動時的水中碰撞力。

近年的研究(Ueki & Wakabayashi, 2024)報告指出，團藻在進化過程中體型變大、進入「雷諾數(※1)」較高的環境後，對光刺激的鞭毛反應會發生劇烈變化，暗示了其與流體環境的關係。本研究團隊透過高感度力學測量，證實了大型種類在游動時的「慣性碰撞力」,解釋了煞車行為的物理必然性，並透過計算模擬(※2)闡明了自身的質量(重量)有助於游動的穩定性。此成果已於2026年6月30日(當地時間)刊載於國際學術期刊《Physical Review Research》上。

【註釋】

※1 雷諾數: 指物體在流體(如水)中運動時,「慣性力(維持前進的力)」與「黏滯力(流體黏滯性造成的阻力)」的比例指標。細菌及微小微生物的雷諾數非常小(低雷諾數環境),幾乎不受慣性影響，在水中受束縛地游動;但隨著尺寸增大，雷諾數會升高，慣性影響便變得不可忽視，如同本研究中的大型團藻。

※2 計算模擬: 本研究建構了基於牛頓運動方程式的數學模型，考慮了生物的質量(重量)、尺寸、鞭毛產生的脈動力量以及水的阻力，並對大型種類的游動軌跡及速度變化的波動(穩定性)進行了數值計算。

1.研究背景:體型變大後改變的「水中世界」

從團藻等藻類，到原生動物的草履蟲，乃至於人類氣管中防止異物侵入肺部的細胞，真核生物擁有的「纖毛(或稱鞭毛)」是引起水流、負責運動及物質運輸的普遍生物馬達(流體驅動裝置)。在顯微鏡下觀察到的這個微小生物世界裡，通常周圍水的黏滯性較強，因此生物一旦停止運動，便會瞬間停止在原地，不會因慣性繼續前進。故微小生物的游動速度和軌跡，一直被認為是細胞本身推進力的即時反映。

然而，在從單細胞進化到多細胞的過程中(如團藻的同類),隨著身體變大、變重，相較於水的黏滯性,「維持前進的慣性力」的影響也變得不可忽視。

與此相關，本研究的共同研究者之一，植木(法政大學)與若林(京都產業大學)等人於2024年的近期研究中，對近30種團藻同類進行了全面分析。結果發現，標準尺寸的種類在接收光刺激時會暫停纖毛運動，而直徑超過0.8毫米的大型團藻(如Volvox ferrisii)則會改變鞭毛的拍動方向以逆轉水流，採取特殊的行動(圖2),暗示了其與流體環境(雷諾數)的密切關係。

推測大型種類因自身慣性影響，單純停止纖毛運動無法驟停，因此需要這種反方向的水流控制，但實際上並無直接測量並驗證實際游動時產生的「慣性力(衝擊力)」的案例。因此，本研究在提出此假說的植木教授、若林教授也加入研究團隊後，由島袋副教授(宇部高專)、三留教授(常葉大學)等人為中心，挑戰了物理方法的驗證。

2.研究成果:碰撞實驗與流體模擬揭示的物理限制

研究團隊應用掃描式探針顯微鏡的「光槓桿式(※3)」技術，建立了能以4毫秒(0.004秒)為單位、極高時間解析度直接測量水中自由游動的團藻撞擊微小板簧(懸臂樑)時所產生力量的實驗系統(圖1・左)。

實驗對象為團藻屬中標準尺寸(中型種)且在本研究中作為比較對象的團藻卡特里(V. carteri,直徑約0.2毫米),以及大型種的團藻費氏(V. ferrisii,直徑約0.8毫米)這兩個種類。

【註釋】

※3 光槓桿式: 透過將雷射光照射到微小板簧(懸臂樑)上，利用感測器捕捉板簧因受力而產生的微小彎曲時反射光角度的變化，從而精密測量極微小力量的技術。藉此，得以即時且以高時間解析度測量游動微生物所承受的奈米牛頓(十億分之一牛頓)等級的力量。

僅大型種類出現的「碰撞衝擊」

標準尺寸的V. carteri僅在碰撞時出現推進力的週期性脈動;而大型的V. ferrisii則在碰撞瞬間，明確捕捉到遠超後續推進力的急劇「慣性碰撞力」尖峰訊號(圖1・右下橘色區域)。這證明了大型種類在游動時具有明顯的慣性(動量)前進，是名副其實的「砰!」的碰撞的實證證據。

自身重量阻礙煞車的物理限制與游動穩定性

這在物理上表明,「大型團藻因自身重量(質量)大，故生活在『無法驟停』的環境中」。單純暫停纖毛運動，會因殘留的慣性而持續前進，因此為了避開危險，需要主動逆轉水流的煞車。此研究成功解釋了此一背景。此外，本研究還關注到，大型種類在數千根纖毛力量的平均化作用下，其自身重量能抵銷細微運動的波動並使其平滑化，起到「平滑濾波器(平均化作用)」的功能。透過流體力學模擬(※2)將此機制數值化後，確認了自身質量能抑制游動的波動，實現了極高的穩定性。

3.未來展望:顯微鏡之外的自然法則

本研究從實驗與計算兩方面，展示了生物在多細胞化並增大體型過程中，周圍的流體力學環境如何影響其運動控制機制。

團藻的同類，從單細胞到數萬細胞的大型種類，各自擁有不同細胞數的狀態下共同生活在現今地球上。這可視為各自物種找到了適合其生存的細胞數，並發展出相應的流體控制機制後達成的平衡結果。

研究生物時，重要的是要具體想像，那些透過顯微鏡鏡頭所見的微小生命，在實際的自然環境中是如何生存下來的，以及其背後的真實世界。未來，除了實驗室的精密力學測量外，還需要親身接觸牠們生存的自然環境，從自然本來的姿態去探求，以解開更深層的謎團。

從藻類到人類廣泛共通的「纖毛」這一普遍的流體驅動裝置，如何因應尺寸和環境的變化而改變其控制法則?本次成果，是從眼前的顯微鏡下獲得的力學數據出發，透過流體力學解析生息環境中微生物的力學響應，為此提供了新的立足點。

圖2:體型大小與煞車方式的差異(概念插畫)。接收光刺激時，標準尺寸的團藻(上:V. carteri)僅需「停止」纖毛運動即可在原地停止;但大型團藻(下:V. ferrisii)因自身重量(慣性)較大，需要將纖毛的拍動方向「逆轉」來煞車。

聯絡方式

關於研究內容:

宇部工業高等專門學校 物質工學科 副教授 島袋 勝彌 E-mail: [email protected]

常葉大學 教育學部 教授 三留 規譽 E-mail: [email protected]

【參考網址】

・本研究論文(2026): Physical Review Research

https://journals.aps.org/prresearch/abstract/10.1103/2b1s-z7t6

・先行研究論文(2024): BMC Ecology and Evolution 論文官方網址: https://bmcecolevol.biomedcentral.com/articles/10.1186/s12862-024-02302-6

・先行研究相關淺顯易懂的解說(京都產業大學新聞稿):網址:

https://www.kyoto-su.ac.jp/wr-news/20241004_345_release_ka01.html

關於宇部工業高等專門學校

宇部工業高等專門學校是國立高專的創始校之一，於1962年創設，是日本歷史最悠久的高專之一。透過均衡配置一般科目與專業科目，培養工程師所需豐富的教養與系統性的專業知識。

目前，五年制的「本科」設有五個學科(機械工學科、電氣系統工學科、控制資訊工學科、物質工學科、經營資訊學科),之後可繼續深造的兩年制「專攻科」設有三個專攻(生產系統工學專攻、物質工學專攻、經營資訊工學專攻)。

預計於令和8年9月新建資訊教育棟，整備與大學及企業合作推進資訊教育的環境。宇部高專將培養具備「高度專業力」與「資訊技術力」,能在社會上活躍的人才。

宇部高專外觀

【學校概要】

學校名稱:獨立行政法人國立高等專門學校機構 宇部工業高等專門學校

所在地:山口縣宇部市常盤台2-14-1

校長:川村 淳浩

設立:1962年

網址:https://www.ube-k.ac.jp/

事業內容:高等專門學校、高等教育機構