石本健太 白眉センター特定助教らの研究グループは、ミクロの世界での水の流れを表す式（ストークス方程式）を使って、ヒト精子の運動とその周りの液に現れる特徴的なパターンを見出しました。

本研究成果は、アメリカ物理学会の学術誌「Physical Review Letters」（2017年3月24日号）に掲載されました。

研究者からのコメント 今回の研究成果の意義は、複雑な精子の運動をうまく「粗視化」する手法を見出したことにあります。 精子の運動は生体内で多機能にふるまい、複雑ながらも洗練された仕組みを持っているように思います。数学を道具として用い、運動や力学の観点から「精子の旅」を覗いてみることで、この仕組みの理解に近づきたいと考えています。

本研究成果のポイント

精子周囲の液体の流れを表す式を解くことで、実験で観測された精子の泳ぎを再現できる

精子周りに生じる流れのパターンから、精子運動を表す簡単な数式を見出した

生体内の精子の運動を理解するのに数理的なアプローチが有効であることを示唆

概要

生命の誕生はひとつの精子と卵の出会いからはじまります。しかし、その前に精子は他の多くの精子たちとの「競争」に勝たなければならない・・・この精子の旅の物語はどこまでが本当なのでしょうか。本研究グループは、精子の泳ぎに周りの液の流れを表す式からアプローチすることで、精子の旅を覗いてみたいと考えました。

ヒトの精子の顕微鏡映像から取得した情報をもとに、周りに生じる流れの式を解析し、精子の運動をコンピュータ上で再現することに成功しました。また、周りの流れの様子を同じ式から計算してみると、複雑な流れの中にも一定のパターンがあることがわかりました。このパターンをもとに精子の運動を捉え直してみると、精子の運動にも尾をひねりながら押したり引いたりする特徴的なリズムが潜んでいることに気づきました。

このリズムを、流れの方程式で記述することで、精子の運動を表す簡単な数式を見出すことに成功しました。今後はこの数式を使って、生体内を想定した複雑な環境下での精子の運動を調べたいと考えています。

方程式から計算された流れの様子

詳しい研究内容について

書誌情報

【DOI】 https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.118.124501

Kenta Ishimoto, Hermes Gadêlha, Eamonn A. Gaffney, David J. Smith, and Jackson Kirkman-Brown. (2017). Coarse-Graining the Fluid Flow around a Human Sperm. Physical Review Letters, 118(12), 124501.