透過對微小力的直接測量和游泳模擬，證明了大型團藻中「纖毛煞車」的必要性。
貢獻者：國家技術研究所
圖1：本研究發展的光學槓桿式測量系統（左）與碰撞時的實際機械資料（右）。此系統透過改變雷射的反射角，精確檢測水箱中游動的團藻與微型片簧（懸臂梁）碰撞時產生的輕微、漸進或陡峭的偏轉。如圖所示（右），標準尺寸的團藻（右上）在碰撞後力傳遞較為平緩，而只有大型團藻（右下）在碰撞後才會出現明顯的「慣性衝擊力」峰值（陡峭變化），該峰值遠大於碰撞瞬間檢測到的前向推力。此數據是本研究的核心發現。
宇部國立高等專門學校（山口縣宇部市；校長：川村敦弘；以下簡稱“宇部國立高等專門學校”）材料科學與工程系副教授島袋克也，與包括常葉大學（靜岡縣靜岡市）教育學部光留紀義教授在內的聯合研究小組，成功地毫秒直接測量了多毫克藻類在水中的遊活細胞碰撞時。
近期研究（Ueki & Wakabayashi，2024）表明，隨著團藻的進化和體型增大，雷諾數（*1）升高，其纖毛對光刺激的反應發生顯著改變，提示纖毛反應與流體環境存在關聯。研究團隊利用高靈敏度的機械測量方法，揭示了大型團藻在游泳過程中所受到的“慣性碰撞力”，並解釋了其煞車行為的物理必要性。此外，計算模擬（*2）顯示，團藻本身的質量（重量）有助於維持其游泳穩定性。這些研究成果於2026年6月30日（當地時間）發表在國際學術期刊《物理評論研究》（Physical Review Research）。
1. 研究背景：隨著身體的生長，「水下世界」如何改變。
從團藻等藻類到草履蟲等原生生物，甚至包括人類支氣管中阻止外來物質進入肺部的細胞，真核生物的纖毛（或鞭毛）都是普遍存在的生物馬達（流體驅動裝置），它們產生水流並控制運動和物質運輸。在這個顯微鏡下觀察到的微觀生物世界中，周圍水的黏度通常起主導作用，因此當生物體停止運動時，它會立即靜止不動，沒有慣性。因此，人們認為微生物的遊動速度和軌跡反映了細胞自身即時產生的推進力。
然而，在從單細胞生物到多細胞生物（如團藻）的重大進化過程中，隨著身體變得更大更重，環境也發生了變化，在這種情況下，「慣性力（傾向於推動生物體前進）」對抗水的黏度的影響就不可忽視了。
在這方面，植木（法政大學）和若林（京都產業大學）近期的一項研究（2024年）對近30種團藻進行了全面分析，他們也是本研究的合作者。研究結果發現，標準大小的團藻在光照刺激下會暫時停止纖毛運動，而直徑超過0.8毫米的較大團藻（例如費氏團藻）則表現出一種特殊的行為：它們會改變纖毛的運動方向來逆轉水流（圖2），這表明該行為與流體環境（雷諾數）密切相關。
先前有假設認為，大型魚類由於自身慣性的影響，無法僅透過停止纖毛運動而突然停止，因此需要這種反向水流控制機制。然而，先前尚無直接測量和驗證它們實際遊動時產生的「慣性力（衝擊力）」的實例。因此，在本研究中，提出這一假設的植木教授和若林教授加入了研究團隊，而島袋副教授（宇部國立高等專門學校）、光留教授（常葉大學）等人則主導了採用物理方法進行驗證的工作。
2. 研究發現：碰撞實驗和流體模擬揭示的物理約束
研究團隊應用掃描探針顯微鏡的「光學槓桿法（*3）」建構了一個實驗系統，能夠以極高的時間分辨率 4 毫秒（0.004 秒）直接測量在水中自由遊動的團藻與微小的片狀彈簧（懸臂梁）碰撞時的力（圖 1，左）。
實驗中，對兩種團藻屬物種進行了測量：卡氏團藻（直徑約 0.2 毫米），它是本研究中的標準大小（中等大小）物種，被定位為比較目標；以及費氏團藻（直徑約 0.8 毫米），一種大型物種。
● 僅發生在大型物種中的“碰撞過程中的衝擊”
在標準體型的卡氏弧菌（V. carteri）中，碰撞時僅觀察到週期性的推力脈動。然而，在體型較大的費氏弧菌（V. ferrisii）中，碰撞瞬間清晰地檢測到了「慣性衝擊力」的尖峰訊號（圖1右下角的橘色區域），該訊號顯著大於隨後的推力。這為體型較大的物種在游泳時具有明顯的慣性（動量）提供了經驗證據，表明它們會「猛烈」撞擊物體。
● 身體上的限制，例如自身體重妨礙煞車和游泳的穩定性。
本研究從物理層面證明，大型團藻生活在一個因自身巨大重量（質量）而無法突然停止的環境中。僅僅暫停纖毛的移動是不夠的，因為剩餘的慣性會使它們繼續向前移動。因此，我們成功解釋了它們為何需要主動制動來逆轉水流以避免危險。此外，本研究也著重指出，大型團藻能夠平均數千根纖毛的力，其自身質量起到「平滑濾波器」（起到平均作用）的作用，抵消並平滑運動中的微小波動。當使用流體動力學模擬（*2）對此機制進行量化時，證實了它們本身的質量能夠抑制遊動波動，從而實現極高的穩定性。
3. 未來展望：顯微鏡之外的自然規律
這項研究透過實驗和計算方法，展示了隨著生物體因多細胞化而體積增大，周圍的流體動力學環境如何影響運動控制機制。
地球上現存的團藻種類繁多，從單細胞生物到擁有數萬個細胞的大型物種，它們各自擁有不同的細胞數量。這被認為是每個物種最終都進化出最有利於自身生存的細胞數量和相應的體液控制機制的結果。
研究生物時，至關重要的是要想像我們透過顯微鏡觀察到的微觀生命體背後的世界，以及它們如何在自然環境中生存。未來，除了在實驗室進行精確的機械測量外，我們還需要透過直接體驗它們所處的自然環境，從它們的自然狀態出發，來揭開更多謎團。
纖毛是一種廣泛存在於從藻類到人類的通用流體驅動裝置，它如何響應自身大小和環境的變化而改變其控制機制？這項成果為利用顯微鏡下獲得的力學數據，從流體動力學的角度揭示微生物在其棲息地中的力學響應提供了新的切入點。
■聯繫信息
關於研究內容：
島袋克也，副教授，宇部國立高等專門學校材料科學與工程系。電子郵件：kshimabu@ube-k.ac.jp
常葉大學教育學部，教授三留紀義，電子郵件：mitome@sz.tokoha.ac.jp
[參考網址]
・本研究論文（2026）：物理評論研究
https://journals.aps.org/prresearch/abstract/10.1103/2b1s-z7t6
・上一篇研究論文（2024）：BMC Ecology and Evolution 官方論文網址： https://bmcecolevol.biomedcentral.com/articles/10.1186/s12862-024-02302-6
• 對先前研究的簡明易懂的解釋（京都產業大學新聞稿）：網址：
https://www.kyoto-su.ac.jp/wr-news/20241004_345_release_ka01.html
【註釈】
*1 雷諾數：此指標表示物體在流體（例如水）中移動時，「慣性力（試圖保持物體運動的力）」與「黏滯力（因流體黏滯而產生的阻力）」之比。細菌和小型微生物的雷諾數非常低（處於低雷諾數環境），它們幾乎不受慣性力的影響而隨水運動。但隨著其體積增大，雷諾數也隨之增大，慣性力的影響變得不可忽視，正如本研究中的大型團藻所展現的那樣。
*2 計算模擬：在本研究中，我們建立了一個基於牛頓運動方程式的數學模型，該模型考慮了生物體的質量（重量）、大小、纖毛產生的脈動力和水阻力，並對大型物種的游泳軌跡和速度波動（穩定性）進行了數值計算。
*3 光學槓桿法：這項技術利用雷射照射微型片簧（懸臂梁），並透過感測器檢測片簧在受力輕微彎曲時反射光角度的變化，從而精確測量極其微小的力。這使得即時、高時間分辨率地測量作用於遊動微生物的納牛頓級（十億分之一牛頓）力成為可能。
■ 關於宇部國立高等專門學校
宇部國立高等專門學校是日本歷史最悠久的工業高等專門學校之一，成立於1962年，是日本首批國立高等專門學校之一。其課程設置兼顧通識教育和專業技能，旨在培養工程師所需的廣博知識和系統性專業技能。
目前，五年制“本科課程”提供五個系（機械工程、電氣系統工程、控制與資訊工程、材料工程和管理資訊工程），學生之後可以繼續攻讀兩年制“高級課程”，該課程提供三個專業方向（生產系統工程、材料工程和管理資訊工程）。
8年9月，我們將建造一座新的資訊教育大樓，旨在與大學和企業合作，以創造促進資訊教育的環境。宇部國立高等專門學校致力於培養具備「高專業知識」和「資訊科技技能」、能夠在社會中取得成功的優秀人才。
【學校概況】
學校名稱：宇部國立高等專門學校（日本國立高等專門學校）
地點：山口縣宇部市常盤台2-14-1
校長：川村敦弘
成立於1962年
網址：https://www.ube-k.ac.jp/
商業活動：理工學院和高等教育機構
圖2：體型差異與煞車方式（概念圖）。當受到光刺激時，標準大小的團藻（上圖：卡氏團藻）只需「停止」纖毛運動即可停止，而較大的團藻（下圖：費氏團藻）由於重量（慣性）較大，需要「反轉」纖毛的運動方向才能煞車。