2008年04月24日
ボルボックスの同類認識機能？
ボルボックスは、群体を形成する生物として有名ですね。
群体を形成するには、同類（仲間）とそれ以外とを見分けているはずですが、
彼らは、どのようにして同類を認識しているのでしょうか？
＜ボルボックスの群体：ウィキペディアより引用＞
今日は基礎調査編として、その謎に少し迫ってみます。
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●ボルボックスの特徴
・外側に数千個の体細胞からなる一層の細胞層があり、その内側に十数個の生殖細胞がある。
・体細胞間はゼラチン状の構造（原形質連絡）により結ばれている。
・何千という数の細胞が協力しあって、群体全体として泳ぐ。
・群体には、前後があり、決まった方向に泳ぐ。前の細胞は大きくまばら、後ろ側の細胞は小さくて密につまっている。また、娘群体は、必ず群体の後寄りでつくられる。
＜リンクより引用＞
・娘群体は表裏が反転する。生殖細胞が約2000個の細胞に分裂し終わった後、インバージョン（反転）が起きる。（生殖細胞は、親の身体とは反対に球体の外側、体細胞（鞭毛）は内側を向いている。それが反転して生殖細胞が球体の内側に入り、体細胞（鞭毛）が外側を向くことで、泳ぐことができるようになる。）
＜リンクより引用＞
・日中、池の水の温度が高いときは池の表面の光があるところに集まっている（正の走光性）が、夕方、池の水の温度が低くなってくると光から離れて、池の底に向う。このように光に対する応答は環境の温度によってかわる。
・マイナス電極に集まる性質（負の走電性）を持っている。
・光と負の電気の両方の刺激が加わった場合、それらを合成する方向に動く。
（リンク参照）
おそらく、正の走光性や負の走電性は単細胞時代から獲得された認識機能→運動機能であると思われるが、ボルボックスの場合は、それらの運動が群全体で起こることが大きな特徴である。群全体で泳ぐ時に、体細胞の鞭毛が協力して同じ方向に運動することや、インバージョンも、娘群体が協力して起こることから考えて、ボルボックスの細胞どうしが、同類（仲間）と認識し合っていることは間違いないであろう。
●どのようにして同類を認識しているのか？
ボルボックスの細胞どうしは、原形質連絡糸と呼ばれる糸で結ばれている。原形質連絡糸は、生体の原形質の細胞膜などの微細な孔や細胞間の空隙を通って糸状にのびたもの。各細胞間における原形質連絡を行なっている。
＜リンクより引用＞
＞ボルボックスの原形質連絡は，細胞質分裂が不完全に起こり，一部の細胞膜が娘細胞間で繋がった構造として元の分裂面上に形成される。クラミドモナスでは原形質連絡は形成されないが，IAR1タンパク質の局在部位である分裂面は，InvA （遺伝子）の局在部位である原形質連絡ができる部位と似ており，原形質連絡の祖先となった構造や過程と関係しているかもしれない。（西井一郎氏の論文参照）
また、「ボルボックスのインバージョンは、 微小管の上をキネシンと呼ばれるタンパク質（分子モーター）が移動することによって引き起こされる。キネシンは原形質連絡（ブリッジ）に結合し、原形質連絡（ブリッジ）と共に移動する。」とされる。（西井一郎氏のレポート参照）
やはり、ボルボックスの同類認識機能には、細胞膜と膜を結びつけるタンパク質が密接に関わっていると思われる。原形質連絡を形成し、群体となったのも、細胞膜が娘細胞間で繋がったことに起源があるらしい。おそらく、細胞膜が持っていた同類認識機能が、ボルボックスの同類認識機能の原点にあるものと推察される。（継続追求）
- by fkmild
- at 12:00
comments
fkmildさん、はじめまして。
KAMと申します。
ボルボックスは、多細胞生物の起源について考える上で、とてもよいモデルだと思います。
記事を拝見して、知らなかったことが多々あり、とても勉強になりました。
生物の見方は、いろいろなものがあると思います。
生物物理を勉強していた立場からすると、
>群全体で泳ぐ時に、体細胞の鞭毛が協力して同じ方向に運動することや、インバージョンも、娘群体が協力して起こることから考えて、ボルボックスの細胞どうしが、同類（仲間）と認識し合っていることは間違いないであろう。
ということについて、別の見方をします。
生物が刻むリズムは、「非線形振動子」として捉えることが可能です。
非線形振動子の一般的な特徴として、「引き込み現象」と呼ばれるものがあります。
この引き込み現象により、非線形振動子を相互作用させただけで、あたかも群れ全体が協調して動くかのようなふるまいをシュミレーションすることができます。
最近、モジュールロボットとか、自律分散ロボットというものが注目されていて、同じ機能を持つモジュールの集団をつくり、その集団に協調した動きを創発させると、生き物のような動きが生まれてきます。
鞭毛の協調運動について、そのような見方も役立つかもしれません。
モジュールロボット動画
http://www.youtube.com/watch?v=4oSavAHf0dg&feature=related
http://www.youtube.com/watch?v=Tq8Yw19bn7Q
ＫＡＭさん、コメントありがとうございます。
こんな昔のエントリーまで読んでくださって感激です。
果たして、「同類（仲間）と認識し合っている」かどうかは、推測の域を出ないのですが、仮説としてはあり得るかな？と思って大胆に書いてみました。素人考えですが、同類どうしが群れるという性質は、生命にとってしごく基本的なことであり、そこには同類を認識する何らかの機能が関わっているのではないだろうか？と考えています。
いささか擬人論的すぎるかも知れませんが、そのメカニズムが科学的に裏付けられるといいなと思っています。
「自己組織化」や教えてくださった「非線形振動子の引き込み現象」といったことにはとても関心があります。物質と生命の境界はどの辺にあるのか？という興味はつきません。
また参考になるような情報があったら、是非教えてください。よろしくお願いします。
fkmildさん、こんにちは。
僕にとって、この記事は、いろいろな意味でとても興味深いです。
ありがとうございます。
非線形振動子の引き込み現象では、各振動子が持っている振動数が近いほど、引き込み＆同調が起こりやすいという一般的な性質があります。
振動数が近い
→互いに同調することが可能
→集団として協調的な振る舞いが生まれる
振動数が遠い
→同調できない
→集団に秩序が生まれず、単なる寄せ集めになる。
これを外から見ると、振動数が近いもの同士は、同類として互いを見分けているというように見えるのではないかなと思いました。
記事をもう一度見返してみて、興味をひきつけられたのは、進む方向の決まり方です。
非線形振動子を並べて同調させた場合、振動数の大きいほうから小さいほうへ波が伝わる性質があります。
そして、振動数は密度とも関係していて、細胞性粘菌では密度の大きいほうが振動数が大きくなるようです。
ボルボックスを見ると、密度分布が出ていて、しかも、それが進む向きと関係があるようですね。
仮説ですが、
体細胞を非線形振動子とみなせる。
密度分布に応じて、振動パターンが決まる。
その結果、進行方向が決まる。
というように考えられるかもしれないと思いました。
発火が伝わる向きと、進行方向が同じなのか、逆なのか、「逆」だとうまく説明できるのですが。。
鞭毛の動き方を見れば分かりそうなのですが、どこか、ボルボックスすが進んでいる様子（動画）を見れるところをもしご存知でしたら、教えてください。
ＫＡＭさん、こんにちわ。
面白いですね。ちなみに実は建築の仕事をやっているのですが、建物にも固有振動数（周期）というものがあって、地震の振動数（周期）と一致すると共振して大きく揺れるといったことがあります。
スケールが全然違うので何とも言えませんが、ひょっとしたら生命原理とも相通じるものがあるのかも知れませんね。（もっとも、建築の場合（物理の世界）は、密度（比重）が大きいと振動数は小さくなる（揺れにくい）という違いがあるようですが・・・）
ちなみに、人間の集団にも波長の合うやつと合わないやつがいたりしますが、何だか関係しているようで興味深いです。
ボルボックスが進んでいる様子がわかる動画は、今のところ見たことがありませんが、見つけたらお知らせします。
fkmildさん、こんにちは。
建物の共進とも、共通点があるような気がします。
ボルボックスの動画を検索してみましたら、いくつか、出てきました。
http://chigaku.ed.gifu-u.ac.jp/chigakuhp/html/KYO/seibutsu/syokubutsu/biseibutsu/boruboks/index.html
http://www5.tok2.com/home2/ayuayu2003/volvox.html
鞭毛の動き方は分からなかったのですが、ほとんどの個体が「回ってる」ことが、興味深かったです。
非線形振動子によるパターン形成では、ターゲットパターンよりも、スパイラルパターンのほうが安定で、生まれやすいです。
もし、そのようなものが鞭毛の動きに生まれていて、ボルボックスが回転しているのではないかと予想しました。
また、細胞性粘菌では、光などの刺激によってその箇所の振動数が他の部分より大きくなり、振動数が大きいほうから小さいほうへ波が進み、その結果として光のほうへ進むことが分かっています。
ボルボックスでも、もしかしたら、同じような仕組みがあるのかもと思いました。
だんだん、ボルボックスに興味がわいてきました。