複雑系化学物理とツリガネ虫談義 東京農工大学大学院共生科学技術研究部 牛木秀治 【緒言】 約 ２ ５ 年 前 よ り 、 我 々 は 、「 自 然 の 階 層 構 造 」 と い う 視 点 を提起してきたが、近年、粘度のサイズ効果という問題に興 味を持っている。即ち、①オストワルド粘度計、②微少振動 粘度計、③顕微鏡下でのブラウン粒子の運動、③動的光散乱 法、④蛍光プローブ法による分子の並進・回転拡散運動、な ど、これらで測定した「とりあえず」の溶液粘度が、どの程 度一致するのか？という指摘である。特に、細胞レベルであ るメゾスコピック領域において、単細胞生物が、バケツ一杯 の溶液物性を感知しているか否か？の興味を持った。本報告 で は 、 μ m オ ー ダ ー の ツ リ ガ ネ ム シ （ Vorticella ） の 収 縮 運 動 を 高 速 ビ デ オ カ メ ラ で 測 定 し 、そ の 収 縮 速 度 の 粘 度 依 存 性 を 、 形態の異なる３種類（メチルセルロース、フィコール、ＰＥ Ｏ）のポリマーを添加して比較した。 【実験】 ツ リ ガ ネ ム シ の 概 観 を Fig 1 に 示 す 。 こ れ を 所 定 の 培 養 液 で 培 養 し 、 Fig 2 に 示 す 観 測 装 置 で 、 ツ リ ガ ネ ム シ の 収 縮 運 動 を Fig 1. Structure of Vorticella モニターした。ここでは、倒立型 顕微鏡に、高速度ビデオカメラを 設 置 し 、 約 4000 フ レ ー ム ／ 秒 で 、 観測した。ちなにみ、一般のビデ オ は 、 30 フ レ ー ム ／ 秒 で あ る 。 この測定は、かなり根気のいる測 定であることは、間違いない。言 い換えれば、この高速ビデオの測 定 で は 、 記 憶 容 量 が 1000 フ レ ー ムであり、１回のシャッター・チ ャ ン ス は 、 1/4 ＝ 0.25 秒 で あ る 。 この測定チャンスに同調させなけ れば、ツリガネムシの収縮運動を モニターすることはできない。そ のモニターしたツリガネムシの収 縮 運 動 の 分 解 写 真 を Fig 3 に 示 す 。 こ の 図 に よ れ ば 、 180 μ m の 収 縮 Fig 2. Apparatus for Rapid Motion of Vorticella に 1.67ms を 要 し て い る の で 、約 0.11m/s ＝ 388m/h の 速 度 で あ り 、原 生 動 物 の 運 動 と し て は 、 かなりの高速運動である。 【結果・考察】 Fig 3 で 示 す よ う な ツ シ ガ ネ ム シ の 柄 の 部 分 の 収 縮 過 程 の 画 像 を Ｐ Ｃ へ 取 り 込 み 、 そ の 収縮速度を算出した。 ＜収縮運動に関する議論＞ 収縮過程における議論では、千尋ゲルの体積 相 転 移 現 象 を 想 起 す る 。 Fig 4 に 示 す よ う な ス ピ Fig 3. Shrinking Process of the Stalk of Vorticella Fig 4. Two Shrinking Models ノーダル分解型と核生成成長型の機構である。我々のこれまでの知見だと、スピノーダル x y = A(1 − exp(− ) β ) C （１） （２） 分 解 型 だ と （ １ ） 式 が 、 核 生 成 成 長 型 だ と （ ２ ） 式 が 成 立 す る 。 も し 、（ １ ） 式 が 成 立 す るならば、我々が提起している積分変換法を用いれば、この収縮過程における微小部分の 階段関数の緩和時間の分布関数を求めることが出来る。 （３） 今 回 は 、（ １ ） 式 の 拡 張 指 数 型 関 数 で fitting を 行 っ た 。 こ こ で の 収 縮 速 度 を Ｖ ＝ Ａ ／ Ｃ ( cm/s ） と し た 。 水 溶 液 の 粘 度 を あ げ る 為 に 、 Fig 5 で 示 す ３ 種 類 の 高 分 子（ Methylcellulose 、Ficoll 、PEO ） を添加した。これ等の高分子溶液の粘度を微 少振動粘度計で測定し、その高分子溶液の粘 度におけるツリカネムシの柄部分の収縮速度 を測 定した。 ツリガネムシの柄部分の収縮速度と各高分 子 溶 液 の 粘 度 と の 対 応 グ ラ フ を Fig 6 に 示 す 。 このグラフにおいて、①高分子溶液の粘度の 増加に伴って、ツリガネムシの柄部分の収縮 速 度 は 低 下 す る 、 ② Ficoll 及 び PEO 水 溶 液 に お い て は 、 そ の 速 度 の 低 下 は ほ ぼ 同 じ 傾 向 を Fig 5 Experimental Condition of Polymer Solution 示 す 、 ③ Methylcellulose 水 溶 液 で は 、 Ficoll 及 び PEO 水 溶 液 に 比 べ て、相対的に、その 速度は低下しない、 という知見が得られ た。 ここで用いた高分 子 は 、 Methylcellulose が半屈曲性高分子 鎖 、 Ficoll は 球 状 高 分 子 、 PEO は 屈 曲 性 高 分 子 鎖 で あ る 。 ち Fig 6 Polymer Solution Visicosity vs. Shrinking Speed of the Stalk of Vorticella な み に 、 Methylcellulose の 濃 度 は 0.3%wt/v 、 F i c o l l は 1 0 % w t / v、 PEO20000 は 5%wt/v 、 PEO500000 は 0.5%wt/v で あ る 。Fig 6 の 知 見 は 、 原生動物程度のスケー ルにおいて、バルクの 粘度だけではなく、高 分子鎖の形状が利いて いる可能性を示唆して い る 。 例 え ば 、 PEO 水 溶液は、乱流抑制効果 ( drag reduction ) を 示 す ことが知られているが、 原生動物レベルでの高 速収縮過程において、 高分子鎖の形状が関わ Fig 7 Model of Energy Dispersion Process for Shringing of Vorticella る 可 能 性 に つ い て の 議 論 を 発 表 で 行 う 。 我 々 は 、 こ の 機 構 を Coil-Stretch Transition と 呼 び たい。
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