一見したところ、この映画は大したものではないように見えました。E の混沌とした群れです。大腸菌 シャーレの中でバクテリアがあちこちいじり回っていて、一見無作為に見えます。このようなシーンは、世界中の細菌学研究室で日常的に行われています。
しかし、香港中文大学の大学院生で、2015 年の物理学会議でこの映画を上映していた Chong Chen は、注目に値する観察結果を強調しました。コロニーがより混雑するにつれて、細菌の大規模なグループが突然非ランダムに動き始めました。魅力的な方法。何千ものバクテリアの動きが平均化されると、個々のバクテリアよりも何倍も大きい規則的な楕円が描かれました.
フランスの CEA Saclay の理論物理学者である Hugues Chaté は、セッションの後に Chen に近づき、Chen の奇妙な結果を説明するための理論的ツールを持っていると述べました。この 2 人は、チェンの顧問である Yilin Wu と共にチームを組み、この 2 月に Nature に論文を発表しました。 個々のバクテリアの一見調整されていない動きが、大規模な同期振動にどのように加算されるかを示しています。これは、科学文献でこれまで報告されたことのない現象です。それ以来、彼らは他の種や異なる条件下で効果を実証してきました. 「これは非常に堅牢で一般的なものです」と Chaté 氏は言います。 「これは驚くべき壮大な現象です。」
この研究は、研究者が細菌の奇妙な集団行動を調査している方法の 1 つにすぎません。細菌のコロニーは、動物の群れのように動くように見える大規模な渦巻きや流れを形成するように促されています.研究者は、バクテリアを現代のディスプレイの液晶に似た流れる結晶に組織化しました。また、バクテリアの動きは小さな機械の動力源としても利用されています.
科学者たちは、「アクティブ マター」と呼ばれる発生期のフィールドを構築しています。このフィールドでは、個々のユニット間の相互作用を制御する単純な数学的規則が、それぞれがエネルギーを利用して独自に移動し、大規模な秩序を生み出すことができます。このアプローチは、水分子がどのように結晶化して氷になるか、および原子スピンがどのように整列して磁石を形成するかを説明するのに大成功を収めています。物理学者は現在、広大で多様な微生物の世界でこの考えを限界まで押し進めています。そして彼らは、統計物理学が細菌の最も印象的で悪質な行動のいくつかを説明するのに役立つという証拠があると信じています.
多くが一つになる時
壮観な水中渦の中で回転する魚の群れ。ムクドリの群れは、まるで目に見えない手に導かれているかのように、空中をジグザグに動きます。このような大規模な協調運動の起源は、生物学の最も魅力的で永続的な謎の 1 つです。 20 世紀初頭の生物学者は、群れをなす鳥が突然方向を変える能力に困惑し、鳥がある種の「集団魂」を共有している可能性があると考えました。
物理学者にとって、そのような集合的行動は魂ではなく相転移を呼び起こします。相転移は、温度や圧力などのバルクパラメーターが特定の値を超えて増減したときに、数十億から数十億の粒子が同時に秩序化されるときに発生します。物理学者は長い間、相転移に魅了されてきました。なぜなら、それらの多様な特殊性すべてにおいて、それらは普遍的で高度に発達した数学言語を共有しているからです。
相転移の概念は、物理学者が伝統的に研究してきた「受動的な」世界 (たとえば、磁石と水の間) で出現しましたが、この現象は、鳥やバクテリア、がん細胞などの生きている「能動的な」物質でも発生する可能性があります。違いは、動物と細胞は互いに独立してエネルギーを利用し、使用することです。このため、必ずしも熱平衡状態にあるとは限りません。ブダペストにあるエトヴェシュ・ロラーンド大学の生物物理学者であるタマス・ヴィセックは、この種の相転移の分析を難しくしているが、それほど重要ではない、と述べた。 「地球の表面では、ほとんどすべてが非平衡です」と Vicsek 氏は言います。 「コンピュータなしでは、それらを解決することはできません。」
Vicsek は 1995 年にほとんど独力で活動物質の分野を立ち上げました。そのとき、近くの粒子と整列する傾向がある移動粒子の雲をモデル化するチームを率いていました。密度とランダム ノイズ (温度を表す方法) の 2 つのパラメーターのみを調整することで、彼はコレクションを、粒子があちこち飛んでいる無秩序な状態から、粒子が整列して「群れ」を形成する秩序のある状態に反転させました。同じ方向。つまり、彼は相転移を誘発したのです。ヴィセックの「群れ」モデルとして知られるようになったものは、彼の影響力のある論文でその用語を使用したことはありませんが、非平衡システムの秩序を説明するためのより洗練された理論の爆発を引き起こしました.
ただし、このような理論をテストすることは困難です。なぜなら、操作して観察するには、同一の自走式ユニットの大規模なグループが必要だからです。魚や鳥は、文字通り独自の心を持っているため、厄介な実験対象になります。細胞構造を与えるフィラメントなどの細胞構成要素も集団的挙動を示しますが、分離と精製が難しく、適切な特性を持つ合成粒子を生成するのは困難です。フランスの国立科学研究センターとパリ・ディドロ大学の物理学者であるジュリアン・タイユールは、生きているバクテリアは良い妥協をしている.それらは活性物質の本質的な特徴です。同時に、それらは実験するのに十分簡単であり、海、土壌、人体など、それらが成長する自然環境から本質的に「無料」で入手できます.
おまけに、多くのバクテリアは、少なくとも表面的には、ビセックの矢の群れに似ています。多くのバクテリアは棒状で、「頭」と「尾」があります。実際、Vicsek 自身はバクテリアの集団運動に動機付けられていましたが、おそらく彼の 1995 年の論文の図の矢印がバクテリアよりも鳥に似ているため、彼の名前は今では鳥に関連しています.
ビセックの論文が発表されてから数年後、実験により、彼のモデルが単純な人工的な設定で細菌の行動を説明できることが確認されましたが、そのモデルは単純すぎて自然界の細菌の完全な複雑さを正当化できないことも示されました。 Vicsek 自身は、テルアビブ大学の共同研究者と共に最初の一歩を踏み出し、細菌を寒天の厚い層の上の 2 次元フィルムに配置し、1996 年の論文で、細菌が形成する渦巻きとコロニーが彼のモデルに加えて説明できることを示しました。細菌の化学的性質や細菌が繁殖するという事実などの要因を考慮に入れる必要があります。
その後、2004 年に、当時アリゾナ大学の物理学者であったレイモンド ゴールドスタインと同僚は、バクテリアを 3 次元の液滴に配置し、現れたり消えたりするジェットと渦を観察しました。この現象は、バンガロールにあるインド科学研究所の理論物理学者である Sriram Ramaswamy によって以前に行われた Vicsek のモデルに流体力学を追加することによってのみ説明できました。ゴールドスタイン氏は、「私たちは突然、理論が言ったことを実行しているように見えるシステムを持っていることに気付きました.
2010 年、当時テキサス大学オースティン校の物理学者であった Hepeng Zhang が共同で率いるチームは、顕微鏡と画像解析ソフトウェアを使用して、フィルム内のグループだけでなく個々の細菌の動きを定量化するという別の一歩を踏み出しました。この研究は、バクテリアの物理的および化学的複雑性にもかかわらず、バクテリアの運動における大規模なパターンは、単純な Vicsek のようなモデルで説明できることを確認しました。
それ以来、Goldstein、Zhang、その他の人々は、バクテリアを奇妙で不思議な行動に誘導することにますます熟練してきました.現在ケンブリッジ大学に在籍する Goldstein は、2013 年に始まった一連の論文で、バクテリアをチャネルに閉じ込めると、バクテリアが流入する単一の方向を選択するように誘導できることを示しました。このアイデアをさらに一歩進めて、ローマのサピエンツァ大学の Roberto Di Leonardo流れるバクテリアを使用して小さな貨物を輸送しました。他の人は彼らに小さな歯車を回すように誘導しました。このような実験は、バクテリアを利用したマイクロメカニカル デバイスの可能性を示唆する人もいます。
現在、中国の上海交通大学にいる Zhang は、バクテリアを操作して液晶のようなものを形成させました。これは、電場などの外的影響に応じて個々のユニットが自己配列する一種の材料です。彼はSerratiaと呼ばれる棒状のバクテリアの密度の高いグループを露出させることでこれを行いました 細胞が分裂するのを防ぎ、それによって通常よりもはるかに長く成長させる抗生物質に (彼は後に、自然に伸長するさまざまな細菌を発見しましたが)。最終的に、コロニーは非常に混雑し、バクテリアが整列して流れ始めました.流れ場の特定のポイントで、セルの配置が崩れます。たとえば、セルの 1 つのグループが隣接するグループに対して垂直になる場合があります。 Zhang 氏は、このような「トポロジー上の欠陥」で、細菌が周囲の液体を押したり引いたりすることを発見しました。この動きは、細菌の塊全体がどのように動き、整列するかを決定します。 Ramaswamy を含む理論家は、そのような整列と欠陥が特定の条件下で活性物質系に現れると予測し、それらは微小管と呼ばれる棒状の細胞成分から作られた結晶で見られました。しかし、生きたバクテリアでそれを決定的に見た人は誰もいませんでした.
その影響は重大である可能性があります。通常の (パッシブな) 液晶は、数十億ドル規模のディスプレイ産業に触媒作用を及ぼしており、一部の活性物質物理学者は、生きた液晶が同様に新しい技術につながる可能性があると期待しています。しかし、Zhang 氏は自分の作品を液晶と呼ぶ準備ができておらず、アプリケーションを提案することをためらっています。 「私はただの物理学者です」と彼は言いました。また、研究者は、細菌が技術的応用に課題を提示する可能性があることを認識しています。細菌は生き続ける必要があり、従来の材料とは異なり、自発的に繁殖します。ペンシルベニア州立大学の物理学者で、通常の液晶にバクテリアを加えてハイブリッド アクティブ-パッシブ材料を作成している Igor Aronson は、別の種類のアプリケーションを提案しています。
細菌が団結する理由
無数の実験的進歩により、おそらく最大の疑問がほとんど答えられていないままになっています:なぜ集団行動はそもそも存在するのでしょうか?それらはバクテリアの生存と繁殖を助けるのでしょうか、それとも、量子力学の副産物と考えられる磁性のような、バクテリアの基礎生物学の単なる副産物なのでしょうか?
もちろん、バクテリアのパターンが進化の手仕事を表していると想像したくなる。粘液細菌を研究するプリンストン大学の生物物理学者、ジョシュア・シェイヴィッツは、「物理法則により、本質的に無料でパターンを取得できるため、生物学がこれを利用できると考えるのは魅力的です」と述べています。 「場合によっては、あるいは多くの場合でさえ、少なくとも部分的にそれを利用しているようです。」
最初から、アクティブマターの支持者はこの考え方に従ってきました。 Vicsek と彼の共著者は、1996 年の論文で、その渦巻きがバクテリアが栄養素を濃縮するのに役立つ可能性があることを示唆しました。一方、ゴールドスタインのグループは、その渦がバイオフィルムと呼ばれる粘着性の細菌マトリックスの始まりである可能性があることを示唆しました。バイオフィルムでは、バクテリアの大規模なグループが、自由に泳いでいる個体から、はるかに移動性の低い集団状態に移行する可能性があります。相転移との類似性は、ほとんど魅力的です。
バイオ フィルムは、生物医学研究のホットなトピックです。彼らは自由遊泳細胞よりもはるかに抗生物質に耐性があり、治療が最も難しい感染症を引き起こす可能性があります.バイオ フィルムの形成を説明し、それを防止または破壊する方法を見つけることは、さまざまな種類の細菌研究者の夢であり、活性物質実験とバイオ フィルムとの関係を示唆することはほぼ必須になっています。最近の 性質 たとえば、Chaté と彼の共著者は、振動する E.大腸菌 彼らが観察した不思議な振動とほぼ同じサイズのパターンで、バイオフィルム前駆体のように見えるものを時々堆積させました。 「深い生物学的意義はわかりませんが、これらの振動で起こっていることが何であれ、バイオフィルムの状態がどのように成長するかに関係があると確信しています」と彼は言いました.
自然界の生物が実際に関与している行動を活性物質の概念が説明していると確信していない人もいます。そしてバクテリアはバイオフィルムを形成するために多くの方法を進化させてきたが、そのうちのいくつかは運動とは何の関係もないとプリンストン大学の生物物理学者であるジン・ヤンは述べている. Vibrio cholerae を使った実験で 、コレラの原因となるバクテリアであるYanと同僚は、移動状態からの相転移の結果としてではなく、分裂細胞が高密度に蓄積するときにバイオフィルムが形成されることを示しました。また、一部のバクテリアは棒状ではなく球状であるため、配置に依存するモデルは適用されません。 「生物学では、それぞれの種は異なります」と Yan 氏は言います。 「すべての一般的なモデルを作ろうとしているわけではありません。」
テキサス大学オースティン校の生物物理学者、Vernita Gordon は、統計物理学はバイオフィルム形成の説明の一部を提供するかもしれないが、細菌を完全に説明することはできない. 「これらのバクテリアの活性物質の特性だけを考えることは、生物学の多くを省いていると思います」と彼女は言いました.
活動物質の研究者はいくつかの印象的な現象を明らかにしたが、「生物学者がもっと注意を払うべき何かがここにあることを示すのは物理学者の責任である」と、カリフォルニア大学サンディエゴ校の分子生物学者 Gürol Süel は述べた。つまり、物理学者は特定の行動が細菌の生存と繁殖にどのように役立つかを示さなければならないことを意味します。Süel は最近、バイオフィルム内の細菌間で伝播することを発見した電気信号について示しました。 「パターンを見るたびに、パターンに興味をそそられ、すぐに何らかの意味を割り当てます…しかし、それは必ずしもそれが機能的なものであることを意味するわけではありません」と彼は言いました.
しかし、Chaté は、生物学を説明する上で、活性物質のアプローチがより大きな役割を果たす可能性があると考えています。 1 つには、コンピューターでシミュレートするには詳細が複雑すぎる数百万の細胞の相互作用を効率的にキャプチャする方法を提供します。 「それは来る」と彼は言った。 「それを無視することはできません。」
この分野はまだ生物学者にとって魅力的ではありませんが、物理学者はおそらく群がり続けるでしょう。物理学者がますます生きている世界を受け入れるようになるにつれて、ジャーナルや物理学会議での活性物質の論文の数は近年急増しています。シャテ、タイユール、および彼らの同僚は、ある意味で、自分たちを初期の自然主義者のようなものだと考えています。つまり、細菌の行動の驚くべき、ほぼ圧倒的に多様な新しい世界を発見しています。ダーウィンとウォレスの種目録調査から遺伝的多様性の分子理論にたどり着くのに1世紀かかったように、彼らは、この新しい旅がどこにつながるかを言うのは時期尚早だと主張している.しかし、彼らはそれが実を結ぶと確信しています.
「現在、調査中です」と Tailleur 氏は述べています。 「第 2 段階では、どのような新しい特性が利用できるかがわかれば、それらを生物学に応用できることを願っています。」
