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May 25, 2023

東京鉄道と同じように粘菌がネットワークを成長させる

Laura Saunders, Science News Innumerevoli dollari spesi per ingegneri talentuosi e dedicati

ローラ・サンダース、サイエンスニュース

才能と献身的なエンジニアが数えきれないほどの時間を費やして、世界で最も効率的な日本の鉄道システムの 1 つを設計しました。 粘菌に聞いてみればよかったかもしれない。

東京周辺の日本の都市のパターンに配置されたオーツ麦フレークを提示すると、脳のない単細胞粘菌が日本の鉄道システムの配置に驚くほど似た栄養分を運ぶ管のネットワークを構築することが、日本と英国の研究者らによって1月に報告された。科学で22位。 粘菌の行動の単純なルールに基づいた新しいモデルは、より効率的で適応性のあるネットワークの設計につながる可能性がある、と研究チームは主張している。

研究の共著者であるオックスフォード大学のマーク・フリッカー氏は、東京周辺の鉄道網は毎日、大量輸送の需要に応え、遠く離れた地点間で何百万人もの人々を迅速かつ確実に輸送する必要があると指摘する。 「対照的に、粘菌には中枢脳がなく、実際に解決しようとしている全体的な問題の認識もありませんが、実際の鉄道網と同様の特性を持つ構造を作り出すことができます。」

黄色の粘菌 Physarum Polycephalum は、肉眼で見えるほどの大きさの単細胞として成長します。 空間に隔てられた多数の食物源に遭遇すると、粘菌細胞が食物を取り囲み、トンネルを作り栄養分を分配します。 この実験では、北海道大学（札幌市）の中垣俊之氏率いる研究者らは、東京周辺の都市の点在を模倣したパターンでオーツフレーク（粘菌の珍味）を配置し、粘菌を放した。

当初、粘菌はオート麦フレークの周りに均一に分散し、新しい領域を探索していました。 しかし数時間以内に、粘菌はそのパターンを改良し始め、オート麦フレーク間のトンネルを強化し、他のつながりは徐々に消えていきました。 約 1 日後、粘菌は相互接続された栄養輸送管のネットワークを構築しました。 その設計は東京を囲む鉄道システムとほぼ同じで、中央に位置するオーツを接続する多数の強力で弾力性のあるトンネルを備えていました。 「2 つのシステムの間には、驚くべき程度の重複があります」とフリッカー氏は言います。

次に研究者らは、粘菌の行動から単純な特性を借用して、生物学にインスピレーションを得たネットワーク形成の数学的記述を作成しました。 粘菌と同様に、このモデルは最初にどこにでも行き渡る細かいメッシュ ネットワークを作成し、次に最も多くの荷物を運ぶチューブがより堅牢になるようにネットワークを継続的に改良し、冗長なチューブが剪定されます。

ドイツのマクデブルクにあるオットー・フォン・ゲーリッケ大学の生化学者ヴォルフガング・マルワン氏は、マラリア原虫の挙動を「言葉で捉えるのは非常に難しい」とコメントする。 「彼らが何らかの形で自らを最適化していることがわかりますが、それをどう説明しますか?」 この新しい研究は「複雑な生物学的現象に対する単純な数学モデルを提供する」とマーワン氏はサイエンス誌の同じ号の記事で述べた。

フリッカー氏は、このような柔軟なシステムは、火災や洪水の早期警報を提供するセンサーの短距離無線システムなど、時間の経過とともに変化する必要があるネットワークを構築するのに役立つ可能性があると指摘しています。 これらのセンサーは災害が発生すると破壊されるため、ネットワークは情報を迅速に効率的に再ルーティングする必要があります。 分散型で適応性のあるネットワークは、戦場にいる兵士や危険な環境を探索するロボットの群れにとっても重要になるだろうとフリッカー氏は言う。

新しいモデルは、腫瘍を支えるために血管がどのように成長するかなど、研究者が生物学的疑問に答えるのにも役立つかもしれない、とフリッカー氏は言う。 腫瘍の血管ネットワークは、密で構造化されていない絡み合いとして始まり、その後、より効率的に接続できるように改良されます。

画像: 科学/AAAS

関連項目:

ローレン・グッド

WIREDスタッフ

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