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カイロウドウケツを通る水の流れ

Nature ダイジェスト Vol. 18 No. 10 | doi : 10.1038/ndigest.2021.211044

原文:Nature (2021-07-22) | doi: 10.1038/d41586-021-01891-2 | Fluid flow through a deep-sea sponge could inspire engineering designs

Laura A. Miller

海綿動物の「カイロウドウケツ」は、美しい骨格構造を持つことで知られる。このほど、高度な数値シミュレーションによって、この骨格構造が、体にかかる抗力を低減させて頑健性を高めるだけでなく、食物粒子や有性生殖での精子の捕獲にも役立っている可能性が示された。

カイロウドウケツ(Euplectella aspergillum)は、「ビーナスの花籠(Venus’ flower basket)」の英語名を持つ深海の海綿動物で、複雑なガラス骨格を有することで知られる。この骨格構造は、優れた機械的支持特性を持つことから、高強度で軽量な橋梁や超高層ビルの設計に着想を与えてきた1。カイロウドウケツの体壁には無数の小孔があり、内部は空洞(胃腔)になっていて、海水が小孔から胃腔内に絶えず流入・流出することで、食物粒子の濾過やガスの交換が行われている。カイロウドウケツの骨格の機械的特性については研究が進んでいるのに対し、その周囲や内部における水の流れの詳細は、まだほとんど分かっていない。今回、ローマ・トルヴェルガータ大学(イタリア)のGiacomo Falcucciら2は、最先端の流体力学シミュレーションを用いてカイロウドウケツ内外の水の流れを調べ、その独特な骨格構造が、体全体にかかる流体力学的な力を軽減するとともに、摂餌や有性生殖に使われている可能性のある、内部の循環パターンを生み出していることを明らかにした。この成果は、Nature 2021年7月22号537ページで報告された。

カイロウドウケツの骨格構造は、正方格子が基本となり、これが対角線方向に補強されて円筒状の骨組みが組み上げられている3(図1)。さらに、この円筒構造の外側には、補強された正方格子と重なり合う形で、張り出した隆起構造がらせん状に巻き付いている。Falcucciらは今回、カイロウドウケツの骨格に見られるこれらの異なる構成要素が、水の流れにそれぞれどのような影響を与えるか分析するため、単純な中実円柱(S1)、らせん状の隆起構造を有する中実円柱(S2)、対角線方向に補強された正方格子の中空円筒(P1)、らせん状隆起構造を有する補強正方格子の中空円筒(P2)という4つの単純化モデルと、カイロウドウケツの形状を完全に再現したモデルを作成して比較した(図2)。

図1 カイロウドウケツ
a 今回Falcucciら2は、高度な流体力学シミュレーションを用いて、深海に生息する海綿動物カイロウドウケツ(Euplectella aspergillum)が持つ複雑な骨格の内外における水の流れを調べた。カイロウドウケツは中が空洞になった円筒形をしており、全長は最大で約25cmである。
b カイロウドウケツの基本骨格の外側には、張り出した隆起構造がらせん状に巻き付いており、Falcucciらは、こうした隆起構造が空洞内に低速の渦構造を生み出していることを見いだした。これは、襟細胞による食物粒子の捕獲に役立っていると考えられる。
c 隆起構造の内側の基本骨格は、対角線方向に補強された正方格子からなり、Falcucciらは、この多孔質構造が流体力学的な抗力を減らし、強い海流に対するカイロウドウケツの頑健性を高めていることを発見した。 | 拡大する

A, J. M. BARRES/ALAMY; B, DIRK WIERSMA/SPL; C, SPL/ALAMY

図2 シミュレーションで用いられたモデル
左から、単純な中実円柱(S1)、らせん状の隆起構造を有する中実円柱(S2)、対角線方向に補強された正方格子の中空円筒(P1)、らせん状隆起構造を有する補強正方格子の中空円筒(P2)の単純化モデル。一番右は、カイロウドウケツの形状を完全に再現したモデル。 | 拡大する

Ref.2

これらのモデルで流れの様子を見極めるには、骨格構成要素周辺の微細な流れから、体全体を取り巻く大規模な流れ(バルク流)まで、全てを詳細なレベルで同時に解像できる極めて正確な流体力学シミュレーションが必要だ。そうしたin silico(コンピューター内での)実験を実現するため、Falcucciらは、流体を仮想粒子の集合体と見なして密度分布関数の時間発展方程式を解く「格子ボルツマン法」を用いて解析を行った4。格子ボルツマン法は、GPU(画像処理装置)と呼ばれる電子回路での並列計算に特に適した方法である。Falcucciらは、イタリアの強力なスーパーコンピューター「Marconi100」(go.nature.com/3hzrzjp参照)で、このシミュレーションを実行した。

流速が秒速1~10cm以上の水流の中に、カイロウドウケツと同程度のサイズの中実円柱を置くと、円柱の下流側に旋回渦の繰り返しパターンが形成されることは十分に証明されている5。こうした渦放出現象は、円柱後流に大きな速度変動をもたらし、流体力学的抗力を変動・増大させる。今回のFalcucciらによる一連のin silico実験では、流れの中に置かれた正方格子の中空円筒(P1とP2)が多孔質物体として働き、後流の速度変動を抑制したり、円筒にかかる抗力を低減させたりすることが示された。海中の流れは、海綿動物を海底から引き離して押し流すほど強力になり得ることから、こうした抗力の低減は、強い流れの存在下でカイロウドウケツの頑健性を向上させるのに役立つ。

Falcucciらはまた、らせん状の隆起構造が加わることで、円筒内の空洞に低速の渦構造が生じることも見いだした。浅海の海綿動物は栄養価の高い光合成藻類を入手できるのに対し、深海の海綿動物は主に、水中を低濃度で漂う非光合成細菌を餌とする6。さらに、海底境界層では粒子状懸濁物質の97%が無機物であるため、摂餌はとりわけ困難になる。そうした環境でカイロウドウケツが非常に効果的かつ選択的な濾過摂食を行えているのは、おそらく、らせん状隆起構造が生み出す渦構造によって懸濁物質が胃腔内に行き渡り、食物粒子を捕獲して取り込む襟細胞とプランクトンの遭遇率が高まるためと考えられる。カイロウドウケツは有性生殖も行うことが知られており、こうした渦構造は同様に、水中を浮遊する精子を胃腔内にとどまらせ、襟細胞を介した体内の卵との接触機会を増やして繁殖効率を向上させている可能性がある。

今回のin silico実験によって、カイロウドウケツの内外を通る水の流れに関する理解が大きく深まったが、まだ分かっていないことも多い。例えば、Falcucciらは、外側のらせん状隆起構造により胃腔内の粒子の滞留時間が長くなることを示したが、これが食物粒子の取り込みやガス交換にどの程度役立つのかは定量化されていない。今後の研究では、胃腔内に生じる低速の渦構造によって、特定の形状やサイズの粒子が選択的に濾過され得る仕組みについても検討すべきだろう。

加えて、鞭毛を打つことで胃腔内に能動的に水流を生み出す襟細胞が、環境によって生じる流れとどのように相互作用するかについても、まだ分かっていない。また、今回のin silico実験は、流れは一様(すなわち定常流)で、カイロウドウケツは剛体と仮定した上で行われたが、非定常流を受けて体が変形すれば、生み出される流体力はおそらく、Falcucciらが見いだした単純化モデルによるものとは異なるはずだ。

今回の研究は、最先端の数値シミュレーションを用いて、生物力学、基礎流体力学、生体模倣設計といった分野の問題をいかに探れるかを示した顕著な例である。そして、得られた結果は、カイロウドウケツのような海洋無脊椎動物やその他の生物に見られる複雑な構造の多くが、流体力学に非直観的な影響を及ぼしていることを示唆している。Falcucciらが用いた手法はまた、食物濾過やガス交換、抗力低減に関係するものだけでなく、花粉捕捉や熱損失に関係する自然界のあらゆる謎に応用できる可能性がある。例えば、今回のようなマルチスケールの流れシミュレーションは、サンゴ礁を通したガス交換の流体力学7や花粉捕捉の空気力学8の理解を深めるのにも使えるかもしれない。

さらに、今回のカイロウドウケツに関する研究では、複雑な形態がいかにして流れを操作し、抗力低減、機械的支持、粒子濾過などの多数の機能に役立ち得るかが明らかになった。こうした一連の知見に着想を得て、サンプリング装置や濾過装置などの多機能工学構造が改良されるようになるかもしれない。

(翻訳:藤野正美)

Laura A. Millerは、アリゾナ大学(米国トゥーソン)に所属。

参考文献

  1. Fernandes, M. C., Aizenberg, J., Weaver, J. C. & Bertoldi, K. Nature Mater. 20, 237–241 (2021).
  2. Falcucci, G. et al. Nature 595, 537–541 (2021).
  3. Weaver, J. C. et al. J. Struct. Biol. 158, 93–106 (2007).
  4. Succi, S. The Lattice Boltzmann Equation: For Complex States of Flowing Matter (Oxford Univ. Press, 2018).
  5. Tritton, D. J. J. Fluid Mech. 6, 547–567 (1959).
  6. Yahel, G., Whitney, F., Reiswig, H. M., Eerkes-Medrano, D. I. & Leys, S. P. Limnol. Oceanogr. 52, 428–440 (2007).
  7. Monismith, S. G. Annu. Rev. Fluid Mech. 39, 37–55 (2007).
  8. Niklas, K. J. Bot. Rev. 51, 328 (1985).

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Nature ダイジェスト Online edition: ISSN 2424-0702 Print edition: ISSN 2189-7778

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