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論文まとめ379回目 Nature 自己組織化する反応ネットワークにおける化学リザーバーコンピューテーション！？など

あらたま

科学・社会論文を雑多/大量に調査する為、定期的に、さっくり表面がわかる形で網羅的に配信します。今回もマニアックなNatureです。

さらっと眺めると、事業・研究のヒントにつながるかも。
世界の先端はこんな研究してるのかと認識するだけでも、
ついつい狭くなる視野を広げてくれます。


一口コメント

Cenozoic history of the tropical marine biodiversity hotspot
熱帯海洋生物多様性ホットスポットの新生代の歴史
「この研究は、世界最大の海洋生物多様性ホットスポットであるインド・オーストラリア多島海(IAA)の6600万年にわたる進化の歴史を明らかにしました。貝形虫の化石記録を用いて、IAAの種の豊かさが約2500万年前から急激に増加し始め、260万年前にピークに達したことを発見。この長期的な多様化は、大規模な絶滅がなかったこと、生息地の拡大、そして地球の寒冷化によって促進されたことがわかりました。この研究は、現在の気候変動や人間活動がIAAの生物多様性に与える影響を理解する上で重要な知見を提供しています。」

Chemical reservoir computation in a self-organizing reaction network
自己組織化する反応ネットワークにおける化学リザーバーコンピューテーション
「私たちの体の中では、細胞が周りの環境から情報を受け取り、処理して反応しています。この研究では、単純な化学物質を混ぜ合わせて作った「フォルモース反応」という複雑な化学反応ネットワークが、コンピューターのように情報を処理できることを発見しました。この化学システムは、パターン認識や未来予測など、さまざまな計算タスクをこなすことができます。これは、生命システムの情報処理能力に近づく大きな一歩で、将来的には環境に応答する人工細胞やスマート材料の開発につながる可能性があります。」

Connectomic reconstruction of a female Drosophila ventral nerve cord
メスのショウジョウバエ腹部神経索のコネクトーム再構築
「この研究では、ハエの"脊髄"にあたる腹部神経索の全神経細胞と約4500万のシナプス接続を再構築しました。これは人間の脳の1000分の1程度の規模ですが、ハエの行動制御の仕組みを理解する上で重要な一歩です。研究チームは、脚や翼の動きを制御する運動ニューロンを特定し、それらがどのように連携して複雑な動きを生み出すかを明らかにしました。例えば、逃避行動時の脚と翼の協調動作を可能にする神経回路を発見しました。この研究成果は、ヒトを含む他の動物の神経系理解にも役立つ可能性があります。」

Drosophila immune cells transport oxygen through PPO2 protein phase transition
ショウジョウバエの免疫細胞がPPO2タンパク質の相転移を介して酸素を輸送する
「ショウジョウバエの幼虫は、餌を食べるために土に潜り込みますが、そこは酸素が少ない環境です。この研究は、ハエが血液細胞の一種「結晶細胞」を使って酸素を運ぶ驚くべき仕組みを明らかにしました。結晶細胞内のPPO2というタンパク質が、酸素と結合して結晶化し、必要な時に溶けて酸素を放出するのです。これは人間の赤血球によく似た働きで、進化の過程で生まれた巧妙な仕組みと言えます。この発見は、昆虫の呼吸システムに対する理解を大きく変える可能性があります。」

Experimental observation of repulsively bound magnons
反発力で結合したマグノンの実験的観測
「普通、粒子は引力で結びつきますが、この研究では反発力で結合した粒子を観測しました。具体的には、磁石の素となる磁気の波（マグノン）が3つ束ねられた状態を、特殊な結晶を使って実験的に確認したのです。これは、反発し合う粒子が高いエネルギー状態で束縛されるという、直感に反する現象です。この発見は、量子コンピューターなどの新技術開発につながる可能性があり、物理学の新しい扉を開く画期的な成果と言えるでしょう。」

Explainable El Niño predictability from climate mode interactions
気候モードの相互作用によるエルニーニョ予測可能性の解明
「この研究は、エルニーニョ現象の予測精度を大幅に向上させる新しい方法を発見しました。従来の予測モデルは赤道太平洋のみに注目していましたが、この研究では北太平洋、南太平洋、インド洋、大西洋の気候パターンも考慮しています。これらの地域の海面温度変化がエルニーニョに影響を与えることを明らかにし、それらを組み込んだ新しい予測モデルを開発しました。その結果、エルニーニョを16-18ヶ月先まで高い精度で予測できるようになりました。これは気象予報の精度向上にもつながる重要な成果です。」

要約

インド・オーストラリア多島海における海洋生物多様性ホットスポットの6600万年にわたる進化の解明

https://www.nature.com/articles/s41586-024-07617-4

インド・オーストラリア多島海(IAA)は、世界で最も海洋生物多様性が高い地域として知られていますが、その詳細な進化の歴史はよくわかっていませんでした。本研究では、貝形虫の包括的な化石データセットを用いて、IAA生物多様性ホットスポットの新生代（過去6600万年間）における詳細な多様性の歴史を再構築しました。

事前情報

  • IAAは現在、世界最大の海洋生物多様性ホットスポットである

  • IAAの詳細な進化の歴史は不明だった

  • 貝形虫は海洋底生生物の良い指標となる

行ったこと

  • IAA地域から216の堆積物サンプルを収集し、47,727個体、874種の貝形虫化石を分析

  • ベイズ推定による誕生-死亡モデルを用いて、種分化率と絶滅率を推定

  • 多変量誕生-死亡モデルを用いて、多様化ダイナミクスと環境要因の相関を分析

  • 主要な生物地理学的グループ（テチス、汎世界、IAA固有）の多様化傾向を比較

検証方法

  • 保存バイアスを考慮した種の出現時期と絶滅時期の推定

  • 種分化率、絶滅率、純多様化率の時系列推定

  • 多様性依存性、生息地サイズ、生息地複雑性、温度、海水準の影響を評価

  • 異なる気候レジーム下での環境要因の影響を時期別に分析

  • 感度分析による結果の頑健性の確認

分かったこと

  • IAAの種多様性は約2500万年前から急激に増加し始め、260万年前にピークに達した

  • 種分化率は約25、20、16、12、5百万年前にピークを示した

  • 絶滅率は新生代を通じて比較的低く保たれていた

  • 多様性依存性と生息地サイズが多様化の主要な決定要因だった

  • 高温は温暖期（23.04-13.9 Ma）の種分化と絶滅の両方を促進した

  • テチス系統群は時間とともに減少し、汎世界的・IAA固有の系統群が増加した

研究の面白く独創的なところ

  • 世界最大の海洋生物多様性ホットスポットの6600万年にわたる詳細な進化の歴史を初めて明らかにした

  • 大規模な絶滅イベントの欠如がIAAの多様性の発展に不可欠だったことを示した

  • 気候変動と生物地理学的変化がIAAの多様化に与えた複雑な影響を解明した

  • 貝形虫という微小な生物を用いて、マクロスケールの生物多様性パターンを説明した

この研究のアプリケーション

  • 気候変動が熱帯の海洋生物多様性に与える影響の予測に役立つ

  • 海洋保護区の設計や生物多様性保全戦略の立案に貢献する

  • 過去の気候変動と生物多様性の関係から、将来の生態系変化を予測する手がかりを提供する

  • 進化生物学や古生物学の理論モデルの検証や改良に貢献する

著者と所属
Skye Yunshu Tian (香港大学 生物科学部)
Moriaki Yasuhara (香港大学 生物科学部)
Fabien L. Condamine (モンペリエ大学 進化科学研究所)

詳しい解説
本研究は、世界最大の海洋生物多様性ホットスポットであるインド・オーストラリア多島海（IAA）の進化の歴史を、過去6600万年にわたって詳細に解明しました。
研究チームは、IAA地域から収集した216の堆積物サンプルから、47,727個体、874種の貝形虫化石を分析しました。貝形虫は小さな甲殻類で、海洋底生生物の良い指標となります。これらのデータを用いて、ベイズ推定による誕生-死亡モデルを適用し、時間とともに変化する種分化率と絶滅率を推定しました。
分析の結果、IAAの種多様性は約2500万年前から急激に増加し始め、260万年前にピークに達したことが明らかになりました。特に、種分化率は約25、20、16、12、5百万年前にピークを示しました。これらのピークは、オーストラリアとアジアの衝突、テチス海の閉鎖、中期中新世の温暖化、東アジアモンスーンの強化、インドネシア海流の制限など、主要な地質学的・気候学的イベントと一致しています。
興味深いことに、新生代を通じて絶滅率は比較的低く保たれていました。これは、大規模な絶滅イベントがなかったことがIAAの多様性の発展に不可欠だったことを示唆しています。
研究チームは、多様化のダイナミクスと環境要因の相関も分析しました。その結果、多様性依存性（既存の種数が新種の出現に与える影響）と生息地サイズが、多様化の主要な決定要因であることがわかりました。また、高温は温暖期（23.04-13.9 Ma）の種分化と絶滅の両方を促進していました。これは、熱帯の生物多様性が高温によるストレスを受けやすいことを示唆しており、現在の地球温暖化が熱帯の生態系に与える影響を考える上で重要な知見となります。
さらに、研究チームは主要な生物地理学的グループの多様化傾向を比較しました。その結果、テチス系統群（古い海洋であるテチス海に起源を持つグループ）は時間とともに減少し、汎世界的な系統群とIAA固有の系統群が増加していることがわかりました。これは、IAAの生物相が長い時間をかけて変化してきたことを示しています。
この研究の独創的な点は、世界最大の海洋生物多様性ホットスポットの6600万年にわたる詳細な進化の歴史を初めて明らかにしたことです。また、大規模な絶滅イベントの欠如がIAAの多様性の発展に不可欠だったことを示し、気候変動と生物地理学的変化がIAAの多様化に与えた複雑な影響を解明しました。さらに、貝形虫という微小な生物を用いて、マクロスケールの生物多様性パターンを説明したことも注目に値します。
この研究の結果は、現在の気候変動が熱帯の海洋生物多様性に与える影響を予測する上で重要な知見を提供します。また、海洋保護区の設計や生物多様性保全戦略の立案にも貢献するでしょう。過去の気候変動と生物多様性の関係から、将来の生態系変化を予測する手がかりも得られます。さらに、この研究は進化生物学や古生物学の理論モデルの検証や改良にも貢献すると考えられます。

自己組織化する化学反応ネットワークを用いた革新的な化学コンピューティング手法の開発

https://www.nature.com/articles/s41586-024-07567-x

フォルモース反応と呼ばれる複雑な化学反応ネットワークを用いて、化学的リザーバーコンピューティングを実現しました。このシステムは、非線形分類タスク、複雑な動的システムのモデリング、時系列予測などのさまざまな計算タスクを実行できることが示されました。

事前情報

  • 生体内の化学反応ネットワークは環境情報を処理する能力を持つ

  • 従来の分子情報処理アプローチはデジタル計算モデルに基づいており、分子レベルでの広範な工学が必要

  • 生体システムのような情報処理能力は未だ達成されていない

行ったこと

  • フォルモース反応に基づく化学リザーバーコンピューターを開発

  • 非線形分類タスク、複雑な動的システムの予測、時系列予測などの計算タスクを実行

  • イオンモビリティ質量分析計を用いて、リザーバーの状態を測定

検証方法

  • さまざまな非線形分類タスクにおけるリザーバーの性能を評価

  • 大腸菌の炭素代謝モデルの動的挙動予測能力を検証

  • ローレンツアトラクターの時系列予測を実施

  • 相互情報量解析によってリザーバーのメモリ特性を評価

分かったこと

  • フォルモース反応ネットワークは多様な非線形分類タスクを並行して実行可能

  • 複雑な生化学的反応ネットワークの挙動を予測できる

  • カオス的な環境変化の予測が可能

  • リザーバー内の異なる化学種が異なるタイムスケールのメモリとして機能する

研究の面白く独創的なところ

  • 自己組織化する化学反応ネットワークを用いた情報処理システムの実現

  • 生体システムに近い情報処理能力を持つ化学コンピューターの開発

  • 複雑な分子レベルの設計を必要としない、スケーラブルな分子コンピューティングアプローチの提案

この研究のアプリケーション

  • より高度な化学情報処理システムの開発

  • 環境応答性を持つ人工細胞や知的材料の創出

  • 生体システムとのインターフェースとなる化学コンピューターの実現

  • 複雑な動的システムのモデリングと予測への応用

著者と所属

  • Mathieu G. Baltussen - ラドバウド大学分子材料研究所

  • Thijs J. de Jong - ラドバウド大学分子材料研究所

  • Quentin Duez - ラドバウド大学分子材料研究所

  • Wilhelm T. S. Huck - ラドバウド大学分子材料研究所

詳しい解説
この研究は、自己組織化する化学反応ネットワークを用いた新しい情報処理システムの開発に成功しました。具体的には、フォルモース反応と呼ばれる複雑な化学反応ネットワークを利用して、化学リザーバーコンピューターを実現しました。
フォルモース反応は、単純な化学物質から複雑な糖分子を生成する反応として知られていますが、この研究では、その複雑な反応ネットワークが情報処理能力を持つことを示しました。研究チームは、連続攪拌タンク反応器（CSTR）を用いてフォルモース反応を制御し、イオンモビリティ質量分析計を使ってリザーバーの状態を測定しました。
このシステムは、非線形分類タスク、複雑な動的システムの予測、時系列予測など、さまざまな計算タスクを実行できることが示されました。特筆すべきは、このシステムが複数の非線形分類タスクを並行して実行できること、大腸菌の炭素代謝モデルのような複雑な生化学的ネットワークの挙動を予測できること、そしてカオス的な環境変化を予測できることです。
さらに、相互情報量解析によって、リザーバー内の異なる化学種が異なるタイムスケールのメモリとして機能することが明らかになりました。これは、システムが環境からの情報を時間的に統合し、将来の変化を予測する能力を持つことを示しています。
この研究の革新性は、複雑な分子レベルの設計を必要としない、スケーラブルな分子コンピューティングアプローチを提案したことにあります。従来の分子コンピューターは、個々の反応を精密に設計する必要がありましたが、このアプローチでは自己組織化する化学反応ネットワークの創発的な性質を利用しています。
この研究成果は、より高度な化学情報処理システムの開発、環境応答性を持つ人工細胞や知的材料の創出、生体システムとのインターフェースとなる化学コンピューターの実現など、幅広い応用可能性を持っています。また、複雑な動的システムのモデリングと予測にも応用できる可能性があります。
今後の課題としては、完全に化学的な「読み出し層」の開発や、より多様な入力を扱えるようにシステムを拡張することなどが挙げられています。この研究は、生命システムの情報処理能力に近づく大きな一歩であり、化学反応ネットワークを通じて情報の流れを直接制御する新しい知的物質の創出につながる可能性を示しています。

ショウジョウバエの腹部神経索の全神経回路の再構築と、脚や翼の運動を制御する神経回路の解明

https://www.nature.com/articles/s41586-024-07389-x

脳の制御メカニズムを理解するには、筋肉までの神経回路を詳細に調べる必要があります。本研究では、成虫のメスのショウジョウバエの腹部神経索(VNC)の電子顕微鏡データセットに自動化ツールを適用し、ニューロンの分節化とシナプスの同定を行いました。VNCは脊椎動物の脊髄のように機能し、体の感覚と制御を担っています。遺伝子ドライバー系統とX線ホログラフィーナノトモグラフィーを用いて、脚と翼の運動ニューロンの筋肉標的をマッピングしました。これらのデータを用いて、離陸時に脚と翼の動きを協調させる神経回路を同定しました。

事前情報

  • ショウジョウバエの神経系は、脊椎動物に比べて単純だが、基本的な神経機能の多くは保存されている

  • 腹部神経索(VNC)は、昆虫の体の感覚と運動を制御する重要な神経構造である

  • これまで、ショウジョウバエのVNC全体の詳細な神経接続マップ(コネクトーム)は作成されていなかった

行ったこと

  • 成虫のメスのショウジョウバエVNCの電子顕微鏡画像を取得

  • 自動化ツールを用いてニューロンの分節化とシナプスの同定を行った

  • 遺伝子ドライバー系統とX線ホログラフィーナノトモグラフィーを使用して、脚と翼の運動ニューロンの筋肉標的をマッピング

  • コネクトームデータを解析し、脚と翼の協調動作を制御する神経回路を同定

検証方法

  • 自動化された分節化とシナプス予測の精度を、手動のアノテーションと比較して検証

  • 同定された運動ニューロンの形態と筋肉標的を、既存の文献データと比較

  • 離陸時の脚と翼の協調動作に関与する神経回路の機能的つながりを分析

分かったこと

  • ショウジョウバエのVNCには約4500万のシナプスと14,600の神経細胞体が存在する

  • 脚と翼の運動ニューロンの詳細なマッピングが可能になり、それぞれの筋肉標的を同定できた

  • 離陸時の脚と翼の協調動作を制御する特定の神経回路が明らかになった

  • VNCには予想以上に多様な神経細胞タイプが存在することが分かった

この研究の面白く独創的なところ

  • ショウジョウバエのVNC全体のコネクトームを初めて再構築した点

  • 自動化ツールと手動の検証を組み合わせ、大規模かつ高精度な神経回路マッピングを実現した点

  • 運動ニューロンの形態と筋肉標的を統合し、行動制御の神経基盤を明らかにした点

  • オープンアクセスのデータセットとツールを提供し、さらなる研究を促進している点

この研究のアプリケーション

  • ショウジョウバエの行動制御メカニズムのさらなる解明

  • 他の動物種の神経系理解への応用

  • 神経疾患研究への貢献

  • 人工知能や機械学習分野への応用（例：ニューロモーフィックコンピューティング）

  • 運動制御の原理に基づいたロボット工学への応用

著者と所属

  • Anthony Azevedo - ワシントン大学生理学・生物物理学部

  • Ellen Lesser - ワシントン大学生理学・生物物理学部

  • Jasper S. Phelps - ハーバード医科大学神経生物学部

  • John C. Tuthill - ワシントン大学生理学・生物物理学部

詳しい解説
本研究は、ショウジョウバエの腹部神経索(VNC)の全神経回路を再構築することに成功した画期的な成果です。VNCは昆虫の体の感覚と運動を制御する重要な神経構造で、脊椎動物の脊髄に相当します。
研究チームは、最先端の電子顕微鏡技術と自動化されたイメージ解析ツールを駆使して、VNC内の約14,600の神経細胞と4500万のシナプス接続を同定しました。これは、ショウジョウバエの脳全体のおよそ3分の1の規模に相当します。
特筆すべきは、脚と翼の運動を制御する運動ニューロンの詳細なマッピングです。遺伝子工学的手法とX線イメージング技術を組み合わせることで、個々の運動ニューロンがどの筋肉を支配しているかを特定することができました。これにより、神経回路の構造と機能を結びつける重要な知見が得られました。
さらに、このデータセットを活用して、離陸時に脚と翼の動きを協調させる特定の神経回路を同定しました。これは、複雑な行動がどのように神経系によって制御されているかを理解する上で重要な一歩となります。
本研究の意義は、単にショウジョウバエの神経系の理解を深めただけでなく、より複雑な動物種の神経系研究にも応用できる方法論とデータセットを提供した点にあります。研究チームは、再構築されたVNCの回路、運動ニューロンのアトラス、およびデータ解析ツールを公開しており、今後のさらなる研究の発展が期待されます。
この成果は、神経科学、行動生物学、そしてバイオエンジニアリングなど、幅広い分野に影響を与える可能性があります。例えば、神経疾患の理解や治療法の開発、より効率的な人工知能システムの設計、さらには生物学的原理に基づいたロボット工学の発展などに貢献する可能性があります。

ショウジョウバエの結晶細胞がPPO2タンパク質の相転移を介して酸素輸送を行うことを発見

https://www.nature.com/articles/s41586-024-07583-x

ショウジョウバエの結晶細胞と呼ばれる免疫細胞が、PPO2タンパク質の相転移を介して酸素を輸送することを発見した研究。これまで昆虫の呼吸は気管系のみに依存すると考えられてきたが、この研究は免疫細胞が酸素輸送に関与することを示し、昆虫の呼吸に対する理解を覆す可能性がある。

事前情報

  • 昆虫の呼吸は複雑な気管系のみに依存し、循環系や免疫細胞の助けは不要だと考えられていた

  • ショウジョウバエの血球細胞(ヘモサイト)には、プラズマ細胞、結晶細胞、ラメロサイトの3種類がある

  • 結晶細胞は細胞質内に結晶状の構造を持ち、メラニン化や創傷治癒に重要な役割を果たす

  • PPO2は結晶細胞内で結晶を形成するタンパク質として知られていた

行ったこと

  • 結晶細胞を欠損したショウジョウバエ幼虫の表現型解析

  • 低酸素・高酸素環境下での血球細胞の動態観察

  • PPO2タンパク質の結晶形成・溶解過程の詳細な解析

  • PPO2欠損変異体の作製と表現型解析

  • 結晶細胞特異的なPPO2の過剰発現や変異体の発現実験

  • nlsTimerを用いた組織の酸素化レベルの測定

検証方法

  • 遺伝学的手法:結晶細胞欠損変異体や PPO2 欠損変異体の作製、細胞特異的な遺伝子発現制御

  • 顕微鏡観察:共焦点顕微鏡や電子顕微鏡を用いた血球細胞や PPO2 結晶の観察

  • ライブイメージング:血球細胞の動態や PPO2 の相転移過程のリアルタイム観察

  • 生化学的解析:PPO2 タンパク質の精製と分光分析

  • 分子生物学的手法:RT-qPCR による遺伝子発現解析

  • 低酸素・高酸素環境下での飼育実験

  • nlsTimer を用いた組織の酸素化レベルの測定

分かったこと

  • 結晶細胞を欠損した幼虫は低酸素応答を示し、生存率が低下する

  • 血球細胞は酸素濃度に応じて循環と造血ポケットの間を移動する

  • PPO2 は酸素、銅イオン、中性 pH 環境下で結晶を形成し、低酸素・低 pH で溶解する

  • PPO2 の結晶-溶解サイクルが酸素の貯蔵と放出を可能にしている

  • PPO2 欠損変異体は内部低酸素状態を示し、成長が遅延する

  • 結晶細胞による酸素輸送は主に脂肪体の酸素化に寄与している

  • カブトガニのヘモシアニンが PPO2 の機能を代替できる

この研究の面白く独創的なところ

  • 昆虫の呼吸における免疫細胞の新たな役割を発見し、従来の常識を覆した

  • タンパク質の相転移という物理化学的現象が生理機能に直結することを示した

  • 進化的に保存された酸素結合タンパク質の新たな機能を明らかにした

  • 昆虫の生態（土中での生活）と呼吸機能の関連性を示した

  • 免疫と呼吸という一見無関係な生理機能の融合を示唆した

この研究のアプリケーション

  • 昆虫の呼吸メカニズムに関する教科書の書き換え

  • 農業害虫の新たな制御方法の開発につながる可能性

  • タンパク質の相転移を利用した新規ドラッグデリバリーシステムの開発

  • 低酸素環境での生存に関する進化生物学的研究への応用

  • バイオミメティクス(生物模倣)技術への応用の可能性

著者と所属

  • Mingyu Shin (韓国・漢陽大学)

  • Eunji Chang (韓国・漢陽大学)

  • Daewon Lee (韓国・漢陽大学)

  • Jiwon Shim (韓国・漢陽大学)

詳しい解説
本研究は、ショウジョウバエの免疫細胞である結晶細胞が、PPO2タンパク質の相転移を介して酸素を輸送するという驚くべき発見を報告しています。
これまで昆虫の呼吸は、複雑な気管系のみに依存すると考えられていました。しかし、この研究は結晶細胞が酸素輸送に重要な役割を果たすことを示し、昆虫の呼吸に対する理解を根本から覆す可能性があります。
研究チームは、結晶細胞を欠損したショウジョウバエ幼虫が低酸素応答を示し、生存率が低下することを発見しました。詳細な解析の結果、結晶細胞内のPPO2タンパク質が酸素と結合して結晶を形成し、必要に応じて溶解して酸素を放出するメカニズムが明らかになりました。
このPPO2の結晶-溶解サイクルは、酸素、銅イオン、pHなどの環境要因によって制御されています。PPO2が結晶化すると酸素を貯蔵し、溶解すると酸素を放出します。この仕組みは、ヒトの赤血球におけるヘモグロビンの働きと驚くほど似ています。
研究チームは、PPO2欠損変異体が内部低酸素状態を示し、成長が遅延することも発見しました。特に、脂肪体という組織の酸素化に結晶細胞が重要な役割を果たしていることが分かりました。
さらに興味深いことに、カブトガニのヘモシアニンというタンパク質がPPO2の機能を代替できることも示されました。これは、酸素結合タンパク質の機能が進化的に保存されていることを示唆しています。
この研究は、昆虫の呼吸における免疫細胞の新たな役割を発見し、タンパク質の相転移という物理化学的現象が生理機能に直結することを示した点で非常に独創的です。また、昆虫の生態（土中での生活）と呼吸機能の関連性を示し、免疫と呼吸という一見無関係な生理機能の融合を示唆した点も興味深いです。
この発見は、昆虫の呼吸メカニズムに関する教科書の書き換えを迫るだけでなく、農業害虫の新たな制御方法の開発や、タンパク質の相転移を利用した新規ドラッグデリバリーシステムの開発など、様々な応用の可能性を秘めています。

反発力によって結合した磁気励起状態の実験観測に成功

https://www.nature.com/articles/s41586-024-07599-3

反発力によって結合した磁気励起状態（マグノン）の実験的観測に成功したという画期的な研究成果が報告されました。これは、量子多体系における新しい物理現象の発見であり、将来的な量子技術への応用可能性を秘めています。

事前情報

  • 通常、安定した複合物体は引力によって形成される

  • 光学格子中で強い反発相互作用による原子対の形成が実験的に示されていた

  • 凝縮系物理学では強い崩壊チャネルのため、反発力で結合した粒子対は存在しないと考えられていた

行ったこと

  • イジング的な一次元反強磁性体BaCo2V2O8の磁気励起状態をテラヘルツ分光法で測定

  • 実験結果を一次元ハイゼンベルグ-イジング反強磁性体モデルの理論計算と比較

検証方法

  • 量子臨界点以下の大きな横磁場中でのスペクトル測定

  • 動的スピン構造因子の数値計算と実験結果の比較

  • 磁化測定による物質パラメータの決定

分かったこと

  • 反発力で結合した3マグノン状態と2マグノン対の分光学的特徴を観測

  • これらの高エネルギー状態は連続状態から十分に分離され、顕著な動的応答を示す

  • 散逸があるにもかかわらず、同定可能な程度に長寿命である

研究の面白く独創的なところ

  • 反発力による粒子の結合という反直感的な現象を実験的に初めて凝縮系で観測

  • 量子多体系における新しい準粒子状態の発見

  • テラヘルツ分光と理論計算の組み合わせによる高精度な解析

この研究のアプリケーション

  • スピン鎖の輸送特性制御への応用

  • マグノニクスベースの量子情報処理技術への応用可能性

  • 新奇な量子状態を利用した量子デバイスの開発

著者と所属

  • Zhe Wang - ドルトムント工科大学物理学科、ケルン大学物理学研究所II、アウクスブルク大学物理研究所

  • Catalin-Mihai Halati - ジュネーブ大学量子物質物理学科、ボン大学物理研究所

  • Jean-Sébastien Bernier - ボン大学物理研究所、ノーザンブリティッシュコロンビア大学物理学科

詳しい解説
この研究は、凝縮系物理学において長年理論的にのみ存在すると考えられてきた「反発力で結合した粒子対」を実験的に観測することに成功した画期的な成果です。
研究チームは、イジング的な一次元反強磁性体であるBaCo2V2O8という物質を用いて実験を行いました。この物質に強い横磁場を印加し、量子臨界点近傍での磁気励起状態をテラヘルツ分光法で精密に測定しました。その結果、反発力によって結合した3つのマグノン（スピン波）状態と2つのマグノンが対になった状態の分光学的特徴を観測することに成功しました。
これらの高エネルギー状態は、通常のマグノン励起のエネルギー帯から十分に分離されており、また顕著な動的応答を示すことが分かりました。さらに興味深いことに、系に散逸が存在するにもかかわらず、これらの状態は実験で同定可能な程度に長寿命であることが明らかになりました。
研究チームは、実験結果を一次元ハイゼンベルグ-イジングモデルの理論計算と詳細に比較することで、観測された現象が確かに反発力で結合したマグノン状態であることを確認しました。この理論モデルは、量子多体系の典型的なモデルの一つとして知られており、今回の実験結果はこのモデルの新しい側面を明らかにしたと言えます。
この発見は、量子多体系における新しい準粒子状態の存在を示すものであり、物性物理学の基礎研究として大きな意義があります。さらに、これらの新奇な量子状態は、スピン鎖の輸送特性の制御や、マグノニクスベースの量子情報処理技術への応用可能性を秘めています。
今後の研究では、この現象のより詳細な理解や、他の物質系での類似現象の探索、さらには実際の量子デバイスへの応用に向けた研究が進められると期待されます。この成果は、量子技術の新しい可能性を切り開く重要な一歩となるかもしれません。

気候モード間の相互作用を考慮することでエルニーニョの予測可能性が向上する

https://www.nature.com/articles/s41586-024-07534-6

エルニーニョ南方振動(ENSO)は、全球の季節予報スキルの大部分を提供しているが、予測可能性の源を定量化することは長年の課題であった。本研究では、拡張非線形リチャージ振動子(XRO)モデルを用いて、ENSOの予測を最大16-18ヶ月先まで行えることを示した。XROモデルは、ENSOのコアダイナミクスと他の変動モードとの季節的に変調された相互作用を簡潔に組み込んでいる。ENSOの長期予報スキルの本質的な向上は、他の気候モードの初期条件によって追跡可能であり、これらのモードのENSO振幅への寄与として定量化できる。

事前情報

  • ENSOは全球の季節予報スキルの大部分を提供している

  • ENSOの予測可能性の源を定量化することは長年の課題であった

  • 人工知能を用いた予報は有望な進歩を示しているが、そのスキルを特定の物理プロセスと結びつけることはまだできていない

行ったこと

  • 拡張非線形リチャージ振動子(XRO)モデルを開発した

  • XROモデルを用いてENSOの予測を行った

  • 気候モデル出力を用いてXROモデルを訓練し、再予報実験を行った

検証方法

  • XROモデルの予測スキルを全球気候モデルや最も優れた人工知能予報と比較した

  • 他の気候モードの初期条件がENSOの予測にどのように寄与するかを分析した

  • 気候モデルのバイアスを修正した場合のENSO予測スキルの変化を調べた

分かったこと

  • XROモデルは16-18ヶ月先までENSOを予測できる

  • ENSOの長期予報スキルの向上は、他の気候モードの初期条件によって追跡可能

  • 気候モデルのENSOダイナミクスと気候モード相互作用のバイアスを減らすことで、より優れたENSO予報が可能になる

研究の面白く独創的なところ

  • ENSOと他の気候モードとの相互作用を簡潔に組み込んだXROモデルを開発した点

  • ENSOの予測可能性を他の気候モードの寄与として定量化した点

  • 気候モデルのバイアス修正がENSO予測スキルに与える影響を明らかにした点

この研究のアプリケーション

  • より精度の高いENSO予測システムの開発

  • 気候モデルにおけるENSOシミュレーションの改善

  • 全球の季節予報スキルの向上

  • 気候変動の影響評価や適応策立案への貢献

著者と所属

  • Sen Zhao - ハワイ大学マノア校 大気科学部

  • Fei-Fei Jin - ハワイ大学マノア校 大気科学部、国際太平洋研究センター

  • Malte F. Stuecker - ハワイ大学マノア校 国際太平洋研究センター、海洋学部

詳しい解説
この研究は、エルニーニョ南方振動(ENSO)の予測可能性を大幅に向上させる新しいアプローチを提示しています。従来のENSO予測モデルは主に赤道太平洋域の力学に焦点を当てていましたが、この研究で開発された拡張非線形リチャージ振動子(XRO)モデルは、ENSOと他の気候モードとの相互作用も考慮しています。
XROモデルは、北太平洋子午面モード(NPMM)、南太平洋子午面モード(SPMM)、インド洋盆モード(IOB)、インド洋ダイポールモード(IOD)、南インド洋ダイポールモード(SIOD)、熱帯北大西洋モード(TNA)、大西洋ニーニョモード(ATL3)、南大西洋亜熱帯ダイポールモード(SASD)などの気候モードとENSOとの相互作用を組み込んでいます。これにより、ENSOの予測スキルが大幅に向上し、16-18ヶ月先までの予測が可能になりました。
研究チームは、各気候モードの初期条件がENSOの予測にどの程度寄与するかを定量化しました。その結果、IOD、NPMM、TNAなどの初期条件が特に重要であることが分かりました。また、気候モデルのENSOダイナミクスと気候モード相互作用のバイアスを修正することで、ENSO予測スキルが向上することも示されました。
この研究は、ENSOの予測可能性を高めるだけでなく、気候システムにおける異なる海盆間の相互作用の重要性を浮き彫りにしています。これらの知見は、気候モデルの改善や季節予報の精度向上につながる可能性があり、気候変動の影響評価や適応策の立案にも貢献すると期待されます。


最後に
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