骨の形はなぜあの形?【続・食卓から学ぶ形態学(魚の椎骨編)】

この記事は CAMPHOR- Advent Calendar 2021 の16日目の記事です.また,食卓から学ぶ形態学(魚の椎骨編)の続編記事でもあります.

こんにちは,CAMPHOR- 卒業生のサカシタです.卒業後は大学で,研究をしています.専攻は発生生物学,理論生物学で,「生き物の形がどうやってできるのか」という問いを実験とコンピュータシミュレーションから明らかにしようと活動しています.今回は,私が研究対象にしている「骨」と,その形作りの原理に関する仮説を紹介します.

魚の骨格
魚の骨格

骨は脊椎動物の体を支えている,無機物でできた硬い組織です.生物が死んだあとも形が残るため,様々な生き物の骨格標本が博物館などに展示されています.皆さんそれぞれ見たことのある骨格標本を思い浮かべていただきたいですが,骨は,その生き物のからだ全体をかたどったような形になっていませんか?このことから,生き物の形は大まかに骨の形で決まっていると考えられないでしょうか?骨の形をつくる仕組みがわかると,生き物のからだの形ができる仕組みがわかるのではないか,と私は考えて,骨の形作りを研究しています.

さて,本題の問いに入ります.骨の形はどのようにしてできるのでしょうか?これに答えるためのヒントとして,骨の機能に目を向けてみましょう.先ほど述べたように,骨は硬い組織です.このため,私達のからだを支える役割を果たしています.骨という支持体がないと,軟らかい私達のからだは重力に負けて潰れてしまいます.骨があるから私達のからだは形を保っていられますが,そのために骨には重力など,骨の外から力が加わっています.骨は普段から,力に抵抗し続けているのです.このことに着目した昔の科学者は,骨をつくるには骨に加わる力が重要ではないかと考えました*1

実際にそのあとの研究で,骨をつくる細胞は骨に加わる力によって活動が変化することが明らかになっています.骨をつくる細胞は骨に力が加わると,より骨をつくろうと活性化します.また,もう一つ重要な細胞として,骨を削って吸収する細胞も存在します.骨を削る細胞は,つくる細胞とは反対に,骨に加わる力が弱くなると,骨を削ろうと活性化します.有名な例として,宇宙飛行士が宇宙に行くと,骨粗鬆症の患者のように骨が薄くなってしまいます.これは身体にかかる重力が小さくなり,骨を削る細胞が盛んに働いたために起こります.これら2種類の細胞が骨をつくる・削る作業を繰り返して骨の形は作られるため,これまでの研究で,骨の形は骨に加わる力によって決まっていると考えられてきました.

骨をつくる細胞たち
骨をつくる細胞たち

骨の形が骨に加わる力で決まるのか確かめるために,私たちはトポロジー最適化という理論を使って骨の形を再現しようと試みました.トポロジー最適化とは,構造を形作る材料分布を変えることで設計者の求める目的に最適な構造を作り出す構造設計理論です*2.最適化に使う計算式などはここでは割愛しますが,今回のシミュレーションでは,外から加わる力に対して,一番変形の少ない構造をつくることを目的としました(剛性最大化と言います).この目的に適う構造をつくるために,最適化の過程では,応力とひずみの積の相対的な大きさに応じて材料の増加・削減が決まります.言い換えると,力が加わって応力の大きな部分ほど材料が付け加わり,小さい部分ほど材料は削られます.どうです,骨をつくる細胞・削る細胞の活動に似ていませんか?

トポロジー最適化を用いたシミュレーションを使って,今回の研究では魚の背骨の形を再現してみました.なぜ魚の背骨なのか気になった方,ぜひこの記事を読んでみてください!この記事の要点を述べてしまうと,魚の背骨は種ごとに形が様々で,それが魚の泳ぎ方によって異なる力の加わり方と関係しているのではないか,と前の研究で私たちは考えていました.このことから,今回のシミュレーションにうってつけの対象ではないかと考えたわけです.

背骨の形は魚の種ごとに違う
背骨の形は魚の種ごとに違う

今のところ,魚の背骨に加わる力を計測することは難しいです.このため,トポロジー最適化のシミュレーションでは,魚の泳ぐ動きや,周りの筋肉の付き方などから,骨に加わる力を何種類か予想して,その力に対して強い構造をつくりました.この作業は大変で,数時間かかる最適化の計算を数十種類の力の条件で試していくことになります.当然,魚の骨とは似ても似つかないような構造も出てきます.しかし,いくつかの最適構造は魚の背骨と同じような形をしていました.なかでも,魚が泳ぐときに背骨が左右に曲がるので,曲げの力を加えると,マグロなど回遊魚で見られるような太い梁状の構造が再現できました.また,マグロとは体型や生態の違う種の椎骨の形が,引張りの力を加えて再現できています.これは周りの組織,主に筋肉を考慮して加えています.一方で,骨には加わらなさそうな力として,ねじれなどに対する最適化を行っても,魚の背骨に似た構造は得られませんでした.

最適化シミュレーションの結果(上・中段)と魚の背骨(下段)の比較
最適化シミュレーションの結果(上・中段)と魚の背骨(下段)の比較

これらの結果から,魚の背骨の形は骨の外から加わる力に応じて作られている可能性が,シミュレーションで示せました.今回用いたトポロジー最適化は,元々,工学分野で建築物や機械の部品の性能を高めるための設計理論として開発されました.この理論に基づいて骨の形を再現できたということは,骨の形は外から加わる力に抵抗するのに適した構造をとっていると考えられるでしょう.さらに,力の違いによって違う魚の骨の形が再現できたことから,魚の多様な背骨の形は,生物種ごとの運動様式に適応した結果だとすると,面白いと思いませんか?このシミュレーションから,骨の形と力の関係について,様々な可能性を想像することができると思います.

以上の結果は,論文にしてPLOS Computational Biologyという雑誌で発表しています.論文はこちらのリンクから読めます.本記事では紹介していない結果も載っているので,この研究についてより深く知りたい方は,ぜひご一読ください.ここまで読んでくださり,ありがとうございました!

*1:一連の仮説はWolffの法則と呼ばれています."The Law of Bone Remodelling., Julius Wolff, 1986.

*2:"Topology Optimization Theory, Methods, and Applications", Martin Philip Bendsoe and Ole Sigmund, 2004

博士後期課程3年生が行ったアカデミア就活

この4月から大学の助教になりました.内定を得るまでの活動について,知り合いが設けてくれた勉強会で話したのですが,一部の学生だけが情報を得られる状況は不公平だと思ったので,ここに公開します.これを知ったからと言って,内定をより多くもらえるかはわかりません.あくまで読み物として楽しんでください.

志望職種を固める

博士号取得後に就職する先として,大きくは2つに分かれるかと思います.一つは大学と,理研など法人を含めたいわゆるアカデミア,もう一つは民間企業です.私は,博士2年生ぐらいからアカデミアへの就職を考えていました.さらに,海外への留学か国内での就職かで選択肢を検討しました.海外への留学は一度考えましたが,コロナウイルスの流行によって現地での研究活動が十分にできなさそうなこと,万一病気に罹ったときは日本の医療体制の方が信頼できること,この状況でなお行きたい研究室は特になかったことから,やめました.加えて,国内で助教職についたら短期的に留学する準備はできるだろうと思い,就活では国内の大学の助教職,もしくは法人の研究員になることを目指しました.ポスドクではなく助教を目指したのは,任期期間が長いから,それと,早く常勤職につけるよう段階を踏みたかったからです.

求人を見つける

求人を見つける方法はインターネットにも広く公開されています.珍しくはないですが,私は J-RECIN と,所属学会からのメールマガジンをチェックしていました.あとは知人からの紹介です.紹介といっても,こういった公募があるから,書類出してみたら,と言われただけです.しかし最終的にはこの紹介が現在の就職に結びついたので,普段の学会活動や研究室訪問で知り合いを増やしておくこと,自分が職を探していると売り込むことは大事だと思いました.

公募に申請する書類を揃える

私は2件の助教公募に応募しましたが,どちらでも求められたのは,これまでの研究内容の説明と業績リスト,着任後の研究計画です.書類作成は6月から7月に行いましたが,以前に別件の申請で似たような書類を作っていたので,これまでの研究については転用しました.着任後の研究計画は,転用できる素材が不足していたため,少し考えて書きました.研究計画に具体性を持たせるためにも,普段から,どういう研究を今後やっていきたいか,考えておく必要があると思います. また,各大学それぞれで,教育に対する抱負もしくはなぜこの学科を選んだのか,という項目がありました.これは,それぞれの職で重要視されていることなのだと思います.教育に関しては経験がほとんどありませんでしたが,少ない体験談を盛り込みながら書きました.

面接

9月頃に書類審査通過のメールが両大学から来て,10月に面接をすることになりました.コロナウイルスの感染対策から,どちらもzoomを使いました.従来の公募面接は現地に赴かねばならず,遠方であれば面接日の前後はつぶれることを考えると,ネット上での面接は非常に便利です.実際に,今回2つの面接を,一日置きで実施できました.このスケジュールはネットを使っているから可能だと思います.加えて,面接の直前まで計算機実験を回すことができたので,面接前後の時間も有意義でした.コロナウイルスの感染が落ち着いても,ぜひネット上での面接を継続していただきたいです.

面接はというと,どちらも複数人の先生を前に,研究内容の発表をして,その後は質疑応答でした.審査時間は大学によって異なり,片方は10分+10分,もう片方は30分+30分でした.先生方の反応はどちらの大学でも好意的で,質問も多数いただきました.個人的には,どちらも良くできたと思っています.

結果

片方の大学からは,数日後に結果が来て,採用内定をいただきました.一方で,他方の大学からはしばらく経っても結果は来ず,3週間後に不採用のメールをいただきました.当時は,面接の感触が良かったので,不採用の結果に少しショックでしたが,すでに別の内定をいただいていたので,あまり拘らなかったです.マッチングしなかっただけだと割り切れました.どちらに就職しても良いところと悪いところがあると考えていたので,結果には満足しています.

何が採用内定の決め手になったのか

就活が終わった後に,様々な人と話をして,何が就職の決め手になったか考えましたが,一番は,指導教官がこれまでやってきた研究とは異なる,独自の研究を実践していたことだと思います.学生時代はそのせいで研究の進め方に悩んだり,なかなか成果が発表できなかったり苦しい体験がありましたが,今回の就職でそれらは無駄ではなかったのだと思えました.

学振の審査員の気持ちが解った気がする

毎年春は学振の申請シーズンです.今年も何人かの方から,申請書へコメントを求められました.よく,学振の申請書の書き方を指南する記事で,「わかりやすく書く」というアドバイスが頻出しますよね?わかりやすく書く,というのは,審査員が審査しやすくするためです.インターネット上には,申請書を見たとき,審査員がどう感じているのか書かれた記事はあまり見つかりません.というのも,審査員の率直な感情より,さらに発展して,ではどう書くべきか,が論じられていることが多いからです.皆さん,お優しいと思います.今年から自分は,審査員と同じような業務をこなす立場になったので,審査員の感情を自分の体験から想像してみます.

申請書を見たのは夜7時,その日は朝から学生対応の業務,昼に少し実験をして,午後は学部四年生・修士の院生とのディスカッション,その後にまた実験をして,PCデスクに向かうと,「申請書にコメントお願いします」とメッセージが来ていました.この時点でかなり疲れています.

申請書を開きます.まず手っ取り早くどんな内容か知りたいので,①図を見ます.図を見てなんとなく展開が予想できた場合は,次に②見出し・太字・下線でハイライトされている文章を見ます.そして,③業績を確認して,これまで何をやってきたのか把握します.大体ここまでで5~10分ですが,この時点で私は,「この申請書,受かりそう」と予想を立ててしまいます.審査員にとっては,「後でじっくり審査する」か「もう読まない」が決められるかと思います.厳しいですが,①〜③の各段階で,わかりにくいと感じてしまうと申請書を見る意欲は徐々に削がれていきます.

要は,業務と研究でぎゅうぎゅうに詰まったスケジュールの合間に行う審査はかなりシビアだということです. 教員は,学生・ポスドクのように,研究室にいる時間を全て自分のために使えません.特に教授はこの傾向が顕著だと思います.一人ひとりの申請書を全文読んで理解するなんて,できません.この状況を踏まえて,申請書は,「どの情報がどこにあるか予想しやすくする」,「読み返さなくても情報をつかみやすい書類にする」ことが重要だと思います.

SAKANAQUARIUM 光 ONLINE 感想:ルーキーがやっぱり好き

 ライブって,山場のメドレーはバンドの歴史を反映しているよね,って話です.SAKANAQUARIUM 光 ONLINE を私は昨年見られなかったので,今日が初の観覧でした.

 中盤,アイデンティティのあとは,「多分、風。」でしたね.「多分、風。」のイントロになって,私,「ああ,昔はここでルーキーが演奏されていたけれど.新曲が増えてセトリが変わったなあ.サカナクションも時間が経ってるのだな.」としみじみしていました.というのも,私は「ルーキー」が好きなんですね.好きだけど,その後の曲も溜まっているし,昔のライブで演奏されまくっているから,もうやることないんだろうな,実際,2019年の834.194では演奏されてないし,,,と思って,ちょっと寂しかったんですよ.そしたら,風終わったあとに,なんか来たじゃないですか.ベースとシンセ4つ打ちしてない...?しかもメロディそれっぽくない...?もしかして...もう予感止まらないですよね.で「シャー・シャー・シャー・シャー・ルー」ってルーキーの最初のフレーズキターーーー!!!!ほんと,さっきの寂しい気持ちが全取っ替えで喜びに変わりました.しかも,ルーキーの演奏・演出が昔を踏襲しているのがニクい.太鼓叩いてる〜〜〜武道館講演思い出してしまう〜〜〜〜山口さんも歌で手を止めず楽器弾き続けている〜〜〜.レーザーも昔と一緒の緑広範囲放射だ〜〜〜懐古させられる〜〜〜.ルーキーの間は,もう最高しか言ってなかった気がする.そのあとはもうミュージックから全曲楽しく,興奮して身体の揺れがやまないまま,最後まで走りぬけていきました.新旧織り交ぜて新しい山場をつくる,最高のセトリ・演出でした.

 それともう一つ,「忘れられないの」をやって最後明るく締めて終わりかな,と思っていたら,個人的にNo. 1曲の「さよならはエモーション」がエンドロールに...!!!!これは本当に嬉しかったです.さよエモ,楽器演奏が良すぎません?シンセのシックなイントロから始まって,ベースとドラムの荒ぶりを経て,疾走感のあるサビに行く展開,まじでいいよね.イントロにバンドメンバーひとりひとりのフォーカスと名前が一緒に出るの,もはや別version のミュージックビデオでしょ...終始ニヤニヤしてしまいました.

 光,どれも演出に工夫があって,その工夫一つ一つにこだわりが光っていました.去年の夏にあったライブだから,ライブに関わったすべての人がコロナ対策をきちんとして本番に臨まれたのだと思います.制約もある中で,こんなにも楽しませてくれるライブをしてくださったこと,本当にありがとうございます.これだけの演出を見せていただいて,またホールで,音圧を感じながら演奏・演出を見たい,と強く思いました.あー,サカナクションのライブ行きたい.

「ミッドナイトブルー」須藤佑実

を読んだ。どの話も当たりの、良い短編集だった。

中でも、「ある夫婦の記録」が良かった。周囲とは感覚のずれた夫婦が互いの仲を深めていく話です。これを読んで私は、変わってる人が努力して他人と心通わせる話が好きなんだと思いました。

表紙がきれいな藍色で、目に留まった人は是非一読を。

ブログの形式

しばらくぶりです。最近全然記事をかけていませんでした。

これまでは一記事に結構な量の文章を詰め込んでいたのですが、その形式だと、思ったことを文章にするのにかなり骨が折れ、まとまらないまま下書きばかり増えていく、、、という事態になったので、今年はもう少し文章量を少なくして、コンスタントに日々のことをつづっていこうと思います。

あまり大したことは書いていないブログですが、今後ともお目通しいただけると嬉しいです。

皆で選曲する音楽再生サービス「Relaym」

 昨年のCAMPHOR-夏合宿*1で作り始めたWebサービス「Relaym」(リレイム)が本日リリースされました.

relaym.camph.net

 自分が発案して,開発も少し手伝いました.ランディングページには書かれない発案の経緯を紹介したいと思います.

Relaym(リレイム) とは

 Relaym は1つの音楽プレイリスト(本サービスでは「セッション」と呼ばれています)を用意して,その中に複数の参加者が自由に楽曲を追加していき再生するサービスです.カラオケの曲予約を想像してもらうとわかりやすいと思います.あれは,いろんな人が曲を自由に追加して,前の曲が終わったら,溜まっていた予約曲が先頭から流れていく操作を繰り返しますよね.それと同じ挙動をSpotifyを使って実現しています.曲を追加するために,カラオケの場合だと大体部屋に1つしかない予約機器を使いますが,Relaym ではセッションを共有している人全員のスマートフォン・PCが使えます.つまり,曲を追加するためにデバイスを共有する必要はありません.セッションの再生・一時停止にはサービスの仕様上,Spotify Premium に加入している人が1人必要です.しかし,その他の人は,Spotify アカウントすら持っていなくても参加できます.Relaymを使うために,会員登録も必要ありません.

 友達・家族とドライブ,一緒に作業,はたまた鍋パ・BBQをしている合間に,皆さんが好き好きに選んだ楽曲をBGMとして流すことができます.最近はコロナウイルス対応で人と会う機会が減っていますが,そんな人のために,Relaym のリンク共有機能を使うと,BGMにおすすめの楽曲を知り合いに追加してもらうこともできるようになっています.

 サービス名の Relaym は,relay music を略した造語です.それぞれのユーザーが選んだ楽曲がつながって流れていく様子から名付けました.

Relaym を発案したきっかけ

 Relaym をつくることで,「未知の音楽を見つける新しい方法」を提供したかったのが発案のきっかけです.皆さん,自分が聞いたことない音楽ジャンルの楽曲に触れる機会はどこで,どれぐらいあるでしょうか?昔,サカナクションのラジオ番組で,リスナーの「音楽との出会い方」を公開していく回がありました.結構多かったのが「親が運転している車の中で」だったことを覚えています.テレビ,ラジオなどのメディアを除いて,自分にとって未知の音楽を知る機会は,家族,友達など親しい人を通じてが多い気がします.私の場合,以下のような体験を通じて様々な音楽ジャンルと出会ってきました.

  • お母さんの車の中(邦・洋のR&B)
  • 友達(邦ロック・UKロック・インストゥルメンタル・ジャズ)
  • 音楽サークル
    • 練習曲(合唱曲・ディズニーなど)
    • カラオケ(ボカロ・アニソン・ゲームソングなど)

 あと,自分が新しい音楽を探すときにもう一つ頻繁に使う方法が,

  • お店でBGMに流れている曲を Shazam(音楽を聞き取って,曲名と歌手名を出してくれるサービス)で検出する

です.

 上に挙げたこれらの例で共通しているのは,「おすすめされている楽曲が,その場ですでに流れている」点です.皆さんにも当てはまるかはわかりませんが,私は面倒くさがりなので,CDを渡されたり,You Tube のリンクを送ってもらうだけだと,なかなかCDケースは開かないし,リンクも押しません.新しい音楽ジャンルには出会いたいんですけど,音楽を聴く力がなかなかでません.これは,自分が楽曲を勧めるときに跳ね返ってきていて,友達に曲の説明をしてURLを送ってもなかなか聴いてもらえなかったり,好きになってもらえることはあまりないんですよね...せっかくなら,おすすめしたときにすでにこの曲がその場で流れていたらいいのに...とつねづね考えていました.だから,私にとって Relaym は好きな曲を追加してみんなにおすすめするためのアプリです.同時に,プレイリストを共有している人達が,自分にとって未知の楽曲を流してくれるのを楽しみにしています.「この曲が追加されてる!〇〇が好きなん?」みたいな問いをきっかけに,身近な人の音楽嗜好が知れて,音楽の話で盛り上がれることを期待しています.

 気になった人はぜひ使ってみてください!

relaym.camph.net

開発

 CAMPHOR- 夏合宿から始まって,色々な人が開発に携わってくれました!アイディアに賛同してくれる人がいることが嬉しかったし,実際に動く実体ができてくると,かなりワクワクしました.コードはOSSとして公開されたようなので,いろんな人に見てもらえると嬉しいです.

github.com

github.com

*1:昨年の夏合宿の様子はこちら.この記事にある,「みんなでBGMリストを作るアプリ」が Relaym のことです.