細胞内で熱が逃げない謎——東大が発見した「非拡散熱」が医療を変える

東京大学による2026年5月の研究で、生命の物理に根本的な驚きがもたらされました。熱は、教科書に書かれているようには細胞内を拡散しないのです。研究者らが精密な赤外線レーザーを使って生きた細胞内の微細な一点を加熱したところ、熱は急速に分散せず、その場に留まりました。研究チームが「非拡散熱（nonspreading heat）」と名付けたこの現象は、生体システムにおけるナノスケールの熱伝導に関する再考を迫るものです。

実験の仕組み

岡部弘基氏と宝田将氏が率いるチームは、熱の動きをリアルタイムで観察するために、2つの高度な技術を組み合わせました。

• 高速温度マッピング： 独自に開発した蛍光性高分子温度計と高速蛍光寿命イメージング顕微鏡を使用しました。これは超高感度カメラとして機能し、細胞内の微小領域におけるミリ秒単位の精密な温度変化を捉えました。
• 制御されたレーザー加熱： 赤外線レーザーで細胞内の特定の領域に正確な熱パルスを与え、その後の冷却曲線を追跡することで、細胞が元の温度に戻る速度を正確に測定しました。

決定的な比較：細胞 vs リポソーム

この効果が生きた細胞の複雑さに特有のものであることを証明するため、研究チームは人工リポソーム——単純な液体で満たされた、細胞とほぼ同じサイズの袋——に対しても同一の実験を行いました。結果は明らかでした。リポソームでは、熱は流体の標準的な拡散方程式が予測する通り、急速に分散しました。しかし、生きた細胞の内部では、同量の熱が著しくゆっくりと消散したのです。

この直接比較によって原因が特定されました。リポソームは、本質的には膜に包まれた水の袋です。一方、細胞は同じ水溶性の細胞質基質を含んでいますが、それに加えてタンパク質、細胞小器官、分子の細胞骨格が高密度に詰め込まれています。研究は、細胞内のこれらの生体分子こそが熱を閉じ込めている原因であると結論付けました。

教科書の物理への挑戦

この発見は、既存の理論に脚注を加えるだけのものではなく、理論そのものに真っ向から挑戦するものです。標準的な熱力学と流体力学では、液体環境における熱は急速に拡散するとされています。東京大学の研究は、細胞内の熱拡散が遅いだけでなく、位置に依存することを発見しました。冷却速度は、細胞のどの部分が加熱され、その近くにどのような分子構造があるかによって変化したのです。

研究チームは、「『非拡散熱』の現象は非常に前例のないものであり、物理的メカニズムを解明するために既存の教科書に頼ることはできなかった」と述べています。この複雑さにより、科学者は、混雑した活動的な生体環境において、エネルギーがナノスケールでどのように移動するかを考え直す必要に迫られています。

私たちの体内で熱が果たす役割の再考

この研究の意義は物理の教科書をはるかに超え、生物学や病気に対する私たちの基本的な理解にまで及びます。

• 細胞のシグナルとしての熱： 主任研究者の岡部弘基氏は、閉じ込められた熱は単なる代謝廃熱ではないと提唱しています。むしろ、細胞が特定の機能を動かすために能動的に利用する濃縮されたエネルギー源として機能する可能性があるというのです。これは、熱を受動的な副産物ではなく、細胞制御のための「能動的なシグナル」として再定義するものです。
• 医療への応用： 細胞内のわずか1～2°Cの自発的な温度変化が、神経幹細胞の分化、熱ショック応答、炎症といった重要なプロセスに影響を与えることは既に知られています。細胞がどのように自然に熱を閉じ込め、利用しているかを理解することは、体温に関連するてんかん、炎症、がんなどの疾患に対する新たな治療戦略を開く可能性があります。

「Non-diffusive slow heat dissipation induces high local temperature in living cells（生細胞における非拡散性の遅い熱放散が高い局所温度を誘導する）」と題された本研究は、2026年5月にNature Communications（DOI: 10.1038/s41467-026-71878-y）に掲載されました。