生き物の賢さは一体どのようにして生み出されるのでしょうか? 生命システム特有の情報処理のしくみは、古代ギリシャ時代から今日に至るまで、その時代の学問を総動員して連綿と問い直されてきた手強い課題です。これに取り組むことは、基礎学問として、人間そのものの理解を深めます。生物らしい情報処理の方法を捉えることができれば、人の感性になじみの良いインターフェースをもった機械をつくるというイノベーションにもつながります。
私たちは、単細胞生物を主な対象として、生物の情報処理能力の高さを実験により評価し、さらにそのしくみをダイナミクスの観点から解明しようとしています。単純な体制を活かして、モノの運動法則から生物行動へと切り込んでいます。いわば生命情報処理の原点への探検です。そのために、理論や実験やフィールド観察を、また生物学や数学や物理学および情報科学を活用します。


研究テーマ

  • アメーバからヒトにいたる生命知の基本アルゴリズムの探求
  • ヒトにやさしい機械インターフェースの設計指針の探索
  • 単細胞生物の行動と情報処理過程の可視化技術の開発
  • 生物行動の多様性と柔軟性を担うダイナミクスの解明
  • 生体システムの用不用適応則から読み解く形状と機能の最適化
  • バイオレオロジーによる生体運動の力学機構の解明

  • 物理エソロジーとは
      生命現象とて物理現象であろう。だとすれば、物の理から生命的なるものを解き明かすことも成立する。では、生命的なるものとは?これには、長い議論があって(たとえば古代ギリシアのアリストテレスの考察)、そしてそれはまだ進行中である(たとえば分子システム生物学や数理生物学などの比較的新しい学問が提示する生命観)。我々はより踏み込んで、物の理からエソロジーを考えたい。エソロジー(ethology)とは動物行動学のこと。ただし、対象とする生物は出来るだけ簡単なものが良いだろう。たとえば、単細胞生物である。これまで単細胞生物の行動実験は、刺激に対して寄るか逃げるかを調べるような、比較的単純なものが多かった。複雑な状況での行動、たとえば迷路解きなどは、脳をもつ生き物に限定されてきた。しかし単細胞とて、複雑な状況におかれればそれなりの判断を示すことが少しずつわかってきた。我々は単細胞生物の物理エソロジーに挑戦している。

    参考書, 総説等

  • 黒田茂、國田樹(2015) "生命のリズムを取り出す", 日本比較生理生化学会(編)「研究者が教える動物実験3(行動)」共立出版       [誤植訂正]       (draft in HUSCAP)
  • 黒田茂、中垣俊之 (2014) "生命現象の物理学 生物行動の運動方程式をめざして", 日本評論社編集部(編) 「物理学ガイダンス」 189-216, 日本評論社       [誤植訂正]
  • 中垣俊之 (2014) ``粘菌 偉大なる単細胞が人類を救う'' (文春新書)
  • 中垣俊之 (2013) "生命情報処理の現象数理:粘菌の迷路解き", 三村 昌泰 (編) 「現象数理学入門」東京大学出版
  • 中垣俊之 (2010) ``粘菌 その驚くべき知性'' (PHPサイエンス・ワールド新書)

  • 主な学術論文(最近のもの)


  • Kuroda,S., Takagi,S., Saegusa,T., Nakagaki,T., "Physical ethology of unicellular organism", In Brain Evolution by Design (eds. Shigeno,S., Murakami,Y. N2omura,T) (Springer, New York) (2017)
  • Akita,D., Kunita, I. Fricker, M. D., Kuroda, S., ato, K., Nakagaki,T., "Experimental models for Murray's Law", J. Phys. D: Appl. Phys., 50, 024001 (2016)
  • Kunita,I., Yamaguchi,T., Tero,A., Akiyama,M., Kuroda,S., Nakagaki,Y., A ciliate memorizes the geometry of a swimming arena, J. R. Soc. Interface 13: 20160155 (2016)
  • Sato,K., Hiraiwa,T., Maekawa,E., Isomura,A., Shibata,T., and Kuranaga,E., Nat. Commun. 6, 10074 (2015)
  • Sato,K. and Shima,S., Phys. Rev. E 92, 042922 (2015)
  • Sato,K., Hiraiwa,T., and Shibata,T., Phys. Rev. Lett. 115, 188102 (2015)
  • Kuroda,S. Takagi,S. Nakagaki,T. Ueda,T. (2015) ``Allometory in Physarum plasmodium during free locomotion: size vs. speed, shape and rhythms", The journal of experimental biology, doi:10.1242/jeb.124354
  • 黒田茂, 田中良己, 中垣俊之 (2015) ``脚式と非脚式の這行ロコモーションにおける運動モードスイッチングの共通力学'', 計測と制御, 54, 248-253, 2015
  • Kunita,I., Kuorda,S., Ohki,K., Nakagaki,T., (2014) Attempts to retreat from a dead-ended long capillary by backward swimming in Paramecium, Frontiers in microbiology, 5, 270, doi:10.3389/fmicb.2014.00270
  • Kuroda,S., Tanaka,Y., Kunita,I., Ishiguro,A., Kobayashi,R., Nakagaki,T., (2014) Common mechanics of mode switching in locomotion of limbless and legged animals, J. R. Soc. Interface, 11: 20140205
  • Tanaka,Y. Ito,K. Nakagaki,T. Kobayashi,R. J R Soc Interface 9 (2012) 222-233.
  • Kunita,I. Sato,K. Tanaka,Y. Takikawa,Y. Orihara,H. and Nakagaki,T, Physical review letters 109 (2012) 248303.

  • 主な学術論文(過去のもの)


  • A. Tero, S. Takagi, T. Saigusa, K. Ito, D. P. Bebber, M. D. Fricker, K. Yumiki, R. Kobayashi and T. Nakagaki : “Rules for biologically-inspired adaptive network design”, Science, 327 : 439-442 (2010)
  • Kenji Matsumoto, Seiji Takagi and Toshiyuki Nakagaki : "Locomotive Mechanism of Physarum Plasmodia based on Spatiotemporal Analysis of Protoplasmic Streaming", Biophysical Journal, Vol. 94, 2492-2504 (2008)
  • Seiji Takagi, Yasumasa Nishiura, Toshiyuki Nakagaki, Tetsuo Ueda, Kei-ichi Ueda: “Indecisive behavior of amoeba crossing an environmental barrier”, Proceedings of Int. Symp. On Topological Aspects of Critical Systems and Networks (World Scientific Publishing Co.), 86-93 (2007)
  • Atsushi Tero, Ryo Kobayashi and Toshiyuki Nakagaki: “Mathematical model for adaptive transport network in path finding by true slime mold”, Journal of Theoretical Biology, Vol. 244, 553-564 (2007)
  • Toshiyuki Nakagaki, Hiroyasu Yamada and A’gota To’th: “Maze-solving by an amoeboid organism”Nature Vol.407 (2000), 470



     
    Copyright (C) Webmaster of Physical Ethology Laboratory, RIES, Hokkaido Univ. - All Rights Reserved.