ポイント
- 遊泳バクテリアの群れの集団運動が乱流状態へと遷移する過程で、渦の回転方向の反転・振動状態が最初に現れることを発見。
- 異なる半径の円形領域内のバクテリア集団を同時観察し、渦が不安定化する転移点近傍でのダイナミクスを詳細に解明。
- アクティブマターの集団運動の普遍的な制御理論として、アクティブ流体デバイスやバイオセンサーなどの設計指針に貢献。
東京科学大学（Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｔｏｋｙｏ） 理学院 物理学系の西口 大貴 准教授（研究当時：東京大学 大学院理学系研究科 物理学専攻 助教、現：同 客員研究員）、東京大学 大学院理学系研究科の白谷 空 大学院生、竹内 一将 准教授、米国 ペンシルバニア州立大学のイゴール・Ｓ・アランソン（Ｉｇｏｒ Ｓ．Ａｒａｎｓｏｎ） 教授（研究当時：東京大学 大学院理学系研究科 ＧＳＧＣ 教授 兼任）らの研究チームは、高密度の遊泳バクテリア懸濁液で見られる集団運動状態が、乱れた時空カオス的な流動を示すアクティブ乱流状態へと至る道筋を解明しました。
高密度の遊泳バクテリア懸濁液では、渦が多く存在し、時空カオス的な流動を示す集団運動状態であるアクティブ乱流が生じます。このバクテリア懸濁液を小さな円形領域内に閉じ込めると、一方向に安定して回転する定常な渦を形成します。本研究では、この円形領域の半径が大きくなるにつれてアクティブ乱流へ至る過程において、まず定常な渦が乱れるとともに渦の回転方向が周期的に反転することを発見しました。また、そうした観測結果を数値計算と解析的理論からも検証し、整合性のある結果を得ました。
本研究では、群れのカオス的な運動に幾何学的な制約を課すことで安定な渦構造へと変換し、さらにその渦構造を周期的に反転する状態へと変換する方法を解明しました。こうした理論は、バクテリア集団だけでなく、培養細胞や他の自己駆動コロイドなどの集団にも普遍的に適用できるため、新たなアクティブ流体デバイスなどの設計指針となると期待されます。
本成果は、２０２５年３月１４日付（現地時間）の「Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ（米国科学アカデミー紀要）」に掲載されました。
本研究は、科学技術振興機構 戦略的創造研究推進事業 さきがけ（西口 大貴：ＪＰＭＪＰＲ２１Ｏ８）、同 創発的研究支援事業（竹内 一将：ＪＰＭＪＦＲ２３６４）、日本学術振興会 科学研究費助成事業（西口 大貴：ＪＰ１９Ｈ０５８００、ＪＰ２０Ｋ１４４２６、ＪＰ２３Ｋ２５８３８、白谷 空：ＪＰ２４ＫＪ０８９０、竹内 一将：ＪＰ１９Ｈ０５８００、ＪＰ２４Ｋ００５９３）、同 先端拠点事業 “Ａｄｖａｎｃｅｄ ｃｏｒｅ－ｔｏ－ｃｏｒｅ ｎｅｔｗｏｒｋ ｆｏｒ ｔｈｅ ｐｈｙｓｉｃｓ ｏｆ ｓｅｌｆ－ｏｒｇａｎｉｚｉｎｇ ａｃｔｉｖｅ ｍａｔｔｅｒ（ＪＰＪＳＣＣＡ２０２３０００２）”、アメリカ国立科学財団（Ｉｇｏｒ Ｓ．Ａｒａｎｓｏｎ：ＰＨＹ－２１４００１０）による支援を受けています。
＜プレスリリース資料＞
- 本文 ＰＤＦ（１．５８ＭＢ）
＜論文タイトル＞
- “Vortex reversal is a precursor of confined bacterial turbulence”
- ＤＯＩ：10.1073/pnas.2414446122
＜お問い合わせ先＞
-
＜研究に関すること＞
西口 大貴（ニシグチ ダイキ）
東京科学大学 理学院 物理学系 准教授
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phys.sci.isct.ac.jp -
＜ＪＳＴ事業に関すること＞
安藤 裕輔（アンドウ ユウスケ）
科学技術振興機構 戦略研究推進部 グリーンイノベーショングループ
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E-mail：prestojst.go.jp -
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