生命は神秘的な「渦(うず)」から始まることが判明

mathematics 2020/04/01
受精が起こると受精卵の表面には複数の渦が生じる/Credit:マサチューセッツ工科大学
point
  • 受精卵表面で起こる渦の仕組みは外部動力を必要としない自発的な渦だった
  • 受精卵は自発的な渦によって、生命活動の第一歩を踏み出す

これまでの研究で、受精が起こると、受精卵の表面に渦のような構造が発生することが知られています。

上の画像は、ヒトデの受精卵の表面の渦を可視化したものです。

これらの渦は、受精のシグナルを受けた数十億ものタンパク質が、一斉に活動を開始することにより生じると考えられています。

またこの渦は受精卵のその後の発達にとって必須であり、渦が形成されなければ、受精卵は細胞分裂を始めることができません。

そのため受精卵から生命へ向けた最初の第一歩は、まさにこの渦によってはじまると言えます。

しかしこれまでは、受精卵上の渦がどのような物理現象に依存して形成されるかは不明でした。

ですが今回、アメリカの研究者たちによって詳細な可視化と数学的なモデリングが行われた結果、渦の仕組みが「位相欠陥」によって生じていることが明らかになりました。

位相欠陥は、ランダムな動きをしていた粒子が、外部的なエネルギーを必要とせず、自発的にパターンのある集団行動を始めるようになることを、数学的な言葉で言い表したものです。

位相欠陥を原理とした自発的な渦には、木星の大気の渦や、量子世界の粒子の渦運動など、様々なものが含まれています。ちなみに洗濯機の作る渦は外部の力によるので、自発的な渦とはいえません。

生命はなぜ自発的な渦を、発生のトリガーにしているのでしょうか?

研究内容はアメリカ、マサチューセッツ工科大学(MIT)のツァーハンタン氏らによってまとめられ、3月23日に権威ある学術雑誌「nature/physics」に掲載されました。

Topological turbulence in the membrane of a living cell
https://www.nature.com/articles/s41567-020-0841-9

渦の性質は外部の力によらない位相欠陥によるものだった

バクテリアの個々の自由な動きが、摩擦や境界の形状によって結果的に、渦を形成する(自発的な位相欠陥の渦の一種)/Credit:九州大学複雑流体研究室(youtube)

位相欠陥による自発的な渦は惑星大気、海洋といった巨大な系から、量子の世界の微細な乱流まで、広い範囲にわたってみられる物理現象です。

また最近の研究では、複数のバクテリアが含まれた水滴も、バクテリアの個々の自由な動きが、結果として自発的な渦の運動を引き起こす系であることが明らかになりました。

受精卵の表面に渦状の構造ができることは以前から知られていましたが、この渦が自発的な渦か、または洗濯機のように外部から動力を供給された渦であるかは、不明でした。

そこで研究者たちは、受精卵上の特定のタンパク質(Rho)が光を放つように調整し、鮮やかな可視化を行いました

そして可視化によって得られたデータを数学モデルを使って確かめ、受精卵上の渦が自発的なものか、外部からの力によるものかを計算しました。外部からの力が加わっていた場合、渦運動の中に、外部との動力接続部分が歪みとして存在することになります。

計算の結果、受精卵上の渦の性質が、自発的な位相欠陥による渦だと言うことがわかりました

生命は自発的な対称性の破れによって発生を開始する

ヒトの受精卵。よくみると表面に無数の渦が存在していることがわかる/Credit:youtube

今回の研究によって、受精卵表面のタンパク質は、自発的な渦を形成する力があることがわかりました。

これは受精卵から生命への第一歩が、自発的な対称性の破れによって生じることを意味します。

というのも、卵子は受精が行われるまでは、極めて静的な状態に保たれています。

ヒトにおいては、卵子が作られるのは胎児期のときのみであり、以降は卵巣内部に何十年も安置されます。

受精はそのような静的な状態に、決定的な変化を与える切欠となります。切欠を受け取った受精卵はどこから力を供給されることもなく、自発的な渦運動を開始し、静的な状態を破って、細胞分裂へと進むのです。

なお、なぜ生命が最初の自発的な運動に「渦」を選んだかは、まだわかっていません。

自然界で最もよくみられるものを偶然採用したか、あるいは、生命と渦が深い部分で繋がっている可能性もあります。

いずれにしても、自発的な渦を、生命はトリガーとしてうまく取り入れていると言えるでしょう。

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reference: sciencealert / written by katsu
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