[論文レビュー] Stochastic dynamics of magnetic nanoparticles and a mechanism of biological orientation in the geomagnetic field

Vladimir N. Binhi|ArXiv.org|Dec 27, 2004

Electromagnetic Fields and Biological Effects参考文献 7被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、磁性細胞小体（磁性細胞小体は磁性生物に存在する生体由来の磁性ナノ粒子）の確率的回転運動が、微弱な地球磁場を高感度で検出可能であると提唱している。熱的ノイズと弾性制約の下での磁性細胞小体の回転をモデル化することで、磁場の向きに対する感度が1–2度に達することを示し、渡り鳥の長距離航行を説明するとともに、微弱な電磁界に対する生物的反応のメカニズムを示唆している。

ABSTRACT

The rotations of microscopic magnetic particles, magnetosomes, embedded into the cytoskeleton are considered. A great number of magnetosomes are shown to possess two stable equilibrium positions, between which there occur transitions under the influence of thermal disturbances. The random rotations attain the value of order of radian. The rate of the transitions and the probability of magnetosomes to stay in the different states depend on magnetic field direction with respect to an averaged magnetosome's orientation. This effect explains the ability of migrant birds to faultless orientation in long-term passages in the absence of the direct visibility of optical reference points. The sensitivity to deviation from an `ideal' orientation is estimated to be 1-2 degrees. Possible participation of magnetosomes in biological effects caused by microwave electromagnetic fields is discussed.

研究の動機と目的

• 渡り鳥が地球の微弱な地磁気場を検出し、どのように航行するかのメカニズムを説明すること。
• 熱的ノイズよりもはるかに弱い磁気信号が生物学的反応を引き起こすというパラドックスを解明すること。
• 細胞骨格に制約された磁性細胞小体の確率的回転ダイナミクスをモデル化し、高感度を説明すること。
• 弾性制約と熱的ゆらぎが方向センシングを可能にする役割を調査すること。
• 微弱な電磁界、特にマイクロ波露出が生物に与える影響の可能性を検討すること。

提案手法

• 磁性細胞小体の回転を、角度運動に二重井戸ポテンシャルを導入したFokker-Planck方程式で、粘性媒体内にモデル化する。
• 弾性復元モーメントと磁気モーメントを組み合わせ、二つのエネルギー極小を持つポテンシャルエネルギー関数を導出する。
• Kramersのトンネル透過率理論を用いて、ポテンシャル井戸間の平均第一通過時間を計算する。
• 角度状態の確率分布に基づき、方向検出の信号対雑音比を導出する。
• 信号対雑音比と拡散係数を用いて、最小分解可能な角度を推定する。
• 1グラムの脳組織に約10^6個の磁性細胞小体が存在する場合の信号平均化と、群れ全体の飛行協調を考慮し、感度を向上させる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 熱的ノイズがはるかに強い中で、磁性細胞小体がどのように地磁気場を検出できるのか？
• RQ2 弾性制約が、方向感度を向上させる確率的回転ダイナミクスをどのように実現するのか？
• RQ3 地磁気場の向きからの最小分解可能な角度の理論的下限は何か？
• RQ4 複数の磁性細胞小体や複数の鳥による信号平均化が、検出感度をどのように向上させるのか？
• RQ5 マイクロ波場が、磁性細胞小体のダイナミクスを介して生物学的系に影響を与えるメカニズムは何か？

主な発見

• 地磁気場の方向からの最小検出可能角度は1–2度と推定され、観察された渡り鳥の航行精度と整合的である。
• 弾性剛性が小さい（パラメータaが小さい）場合に感度が最大となり、a > 0.65のとき、最適感度は約1.7度（0.03 rad）に達する。
• 磁性細胞小体の平衡的配向分布は、磁場の方向が好ましい軸に対してどのように傾いているかに依存する。
• a > 0.65のとき、安定な配向間の遷移に要するKramers時間は数秒のオーダーとなり、飛行中における統計的平衡状態を支持する。
• 1グラムあたり約10^6個の磁性細胞小体の信号平均化により、検出感度が√N倍向上する。
• 群れ全体の飛行協調により、さらに方向のゆらぎが√N倍低減され、航行精度に寄与する可能性がある。