研 究 会・学 会 スケジュール

名古屋大学理学部･大学院理学研究科広報誌［理フィロソフィア］
spring̲ summer 2012

編 集だより

第221回アメリカ電気化学会「ナノカーボン・シンポジウム」
The 221st Electrochemical Society Meeting: Nanocarbon Symposium
開 催 日 ： 2012年5月6日
（日）
〜10日
（木）
開 催 場 所 ：シアトル（アメリカ）
主
催 ：アメリカ電気化学会
問い合わせ ： 篠原久典 理学研究科 教授
noris@nagoya-u.jp／052-789-2482

22

語り継がれる記憶は人ひとりの人生より長い。歌はその一例だ。イギリス出身の私は、卒論研究のために、アイル
ランド西部で地質調査を行ったことがある。宿泊した田舎のパブでは、毎晩、現地の人たちが集まり、アイルランド語を交えた歌声が鳴り響いていた。私はギネスを飲みながら日本古生物学会総会・年会

音楽を満喫していた。ある晩、アイルランド人が 17 世紀に

開 催 日 ： 2012年6月29日
（金）
〜7月1日
（日）
開 催 場 所 ： 名古屋大学野依記念学術交流館
主催 ：日本古生物学会
問い合わせ ： 大路樹生 博物館 教授
oji@num.nagoya-u.ac.jp／052-789-5761

イギリス軍と戦った時の思いを歌った歌が始まり、私は一瞬ドキッとした。東日本大震災から1 年が経ち、テレビにいると、震災直後の自分や家族のことが思い出される。

24th International Conference on Formal Power Series andAlgebraic Combinatorics（FPSAC'12）

次は名古屋かもしれないと考え、子供と津波や地震について話すこともある。私は昨年から「 理 Philosophia 」

開 催 日 ： 2012年7月30日
（月）
〜8月3日
（金）
開 催 場 所 ： 名古屋大学理学南館坂田・平田ホール
主催 ： FPSAC'12 組織委員会
問い合わせ ： 岡田聡一 多元数理科学研究科 教授
okada@math.nagoya-u.ac.jp／052-789-5596の編集に携わることになった。その役割は名古屋大学
理学部の活動を広く紹介することにあると思う。それに加えて、今回の「 理 Philosophia 」が、長く歌い継がれる

タウ・レプトン国際ワークショップ 2012
The 12th International Workshop on Tau Lepton Physics（TAU2012）

歌のように震災の教訓を残すための助けになればうれしく

開 催 日 ： 2012年9月17日
（月）
〜21日
（金）
開 催 場 所 ： 名古屋大学理学南館坂田・平田ホール
主催 ：タウ・レプトン物理研究センター
問い合わせ ： 戸本 誠 理学研究科 准教授
makoto@hepl.phys.nagoya-u.ac.jp／052-789-2902

思う。
（ウォリス・サイモン）

表紙説明

日本生物物理学会第50回年会2011 年 3月11日に発生した巨大地震はマグ

開 催 日 ： 2012年9月22日
（土）
〜24日
（月）
開 催 場 所 ： 名古屋大学豊田講堂、
シンポジオン他
主催 ：日本生物物理学会
問い合わせ ： 本間道夫 理学研究科 教授
g44416a@cc.nagoya-u-ac.jp／052-789-2991

ニチュード9を記録、福島第一原子力発電
所では、放射性物質の漏洩を伴う重大な原子力事故が起きた。あれから1 年、大きく揺れ動いた私たちの立ち位置を理学の観点からもう一度見つめ直す。

18 03 02 17 14 10 06 05

spring _ summer 2012
2 0 1 2 年 4月1 0日発 行
広報委員

篠原久典（研究科長）
松本邦弘（副研究科長）
杉山 直（評議員）
粟田英資（数理学科）

雅代

福井康雄（物理学科）※委員長
中村光廣（物理学科）

組織図

寺崎一郎（物理学科）
大木靖弘（化学科）

理学部・理学研究科・多元数理科学研究科・環境学研究科（地球環境科学専攻）
理学部（学科名）

大学院研究科（専攻名）

多元数理科学研究科
数理学科

多元数理科学専攻
理学研究科

杉山 伸（生命理学科）

関連施設等
附属南半球宇宙観測研究センター

瀧口金吾（生命理学科）附属タウ・レプトン物理研究センター

ウォリス・サイモン（地球惑星科学科）
河本達吾（事務長）

太陽地球環境研究所
エコトピア科学研究所
素粒子宇宙起源研究機構

物質理学専攻物質科学国際研究センター

生命理学科

生命理学専攻編集発行

附属臨海実験所

ご意見、ご感想をお待ちしています。
本誌の原稿執筆や取材などにご協力いただける方を求めています。

附属構造生物学研究センター

広報委員会までご連絡ください。

遺伝子実験施設
環境学研究科
地球惑星科学科

地球環境科学専攻

名古屋大学理学部・大学院理学研究科広報委員会〒464 -8602 名古屋市千種区不老町

威

素粒子宇宙物理学専攻

化学科

なお、
ご投稿などの採否については当委員会にお任せください。

生物機能開発利用研究センター

次号は2012年10月頃発行の予定です。

附属地震火山研究センター
博物館

事務部

年代測定総合研究センター

技術部

地球水循環研究センター
減災連携研究センター

制作
編集協力
デザイン

株式会社電通株式会社コミニケ
株式会社ティ・エム・シー

・本誌記事、写真等の無断複写、転載を禁じます。

M

巧

物理学科

̲科 学 の 可 能 性 と 限 界 ◇ 寺 崎一郎
̲な ぜ ９ 地 震 は 予 見 で き な かった の か ◇ 鷺 谷

No .22

̲も う一度 原 子 力 を 考 え る ◇ 福 井 康 雄
̲生 命 か ら 学 ぶ 太 陽 光 エ ネルギ ー 利 用 ◇ 野 口

開 催 日 ： 2012年9月23日
（日）
〜28日
（金）
開 催 場 所 ： パシフィコ横浜
主催 ： International Union Materials Research Society
問い合わせ ： 寺崎一郎 理学研究科 教授
terra@cc.nagoya-u.ac.jp／052-789-5255

̲フク シマレポート ◇ 高 木 新 ／ 安 井 幸 夫
̲時 を 語 る も の︿ 富 田 英 夫 博 士 ﹀ ◇ 堀 寛"Novel thermoelectric materials ̲ Beyond conventional design rules ̲ "（Symposium C‒9, IUMRS‒ICEM2012）

̲理 のエッセ イ ◇ 南̲理 学 部 交 差 点「新奇熱電材料−従来の設計指針を越えて−」（シンポジウムC−9, IUMRS−ICEM2012）

I S S N 1884 ̲ 8486

特集

第24回形式的べき級数と代数的組合せ論国際研究集会

東日本 大 震 災 をめ ぐる理 学は、連日震災の映像が映し出される。それらの番組を見て時を語るもの◎ 理のエッセイ“ものに触れる”ことを惜しまない南雅代

年 代 測 定 総 合 研 究センター准 教 授

富 田 英 夫 博 士 ＿ メダカを生 涯 のメダルに

写真提供：成瀬清「トミタ・コレクション」とよばれる生きたままのメダカ変異

構成の比較が容易となり、ゲノム配列の相似度の高さから体 100 種 類 余りを集めた貴 重な遺 伝 資 源がある。生 涯をもモデルとしての価 値が高まった。変 異 体を集めたトミタ・

富田 英夫（1931̲ 1998）

かけてこれを集めたのが富田英 夫である。体 色の変 化しコレクションもヒトの遺伝病のモデルとして再評価されてい元名古屋大学理学部助教授、
生物分子応答研究センター教授

たもの、ヒレや眼のないもの、体軸の対称性の崩れたものる。その最初の例がよく知られたヒメダカであり、ヒトの肌のなどもあり、興味深い。しかも富田は放射線や変異剤など色の違いを決める遺伝子 S l c45a2 の特定に結びついた。

はいっさい使わず、ひたすら自然 の変 異 のみを野 外 から人類の肌の色へのこだわりを思うと感慨深い。

分離した。その点でも貴重なコレクションである。

Illustration: Lisa Tezuka

小学生の頃、「 ○年の科学 」という、今はすでに廃刊となってしまった科学

真っ黒に日焼けし、麦わら帽に作業服のおっさんが真夏

雑誌を定期購読しており、付録教材の簡単な実験・観察セットがとても楽しみ

メダカはヒトと同じ脊椎動物で、小さく飼育しやすく繁殖の朝から夕までメダカの飼育場に立ち、何百もの水がめを周期も短いため、富田が研究を始めた 1960 年代、すでにのぞき込んでいる。それは時 流に流されず、自分の分 離遺伝や発生のモデルとして期待はされていた。それがヒトしたメダカたちが役に立つ日が将来、必ずくると信じた後ろの全ゲノムD N A の塩基配列が 2003 年に、さらにメダカの姿であった。

今こうして地球科学の道を歩んでいるのは、このころに養われた科学的好奇心

ゲノムが 2007 年に決 定された。このことでヒトとの遺 伝 子（堀 寛が原因の1 つであることは間違いない。

だった。人体組み立て模型や岩石標本セットなど、誌面からでは得られない“ものに触れる”という体験をさせてもらった。石膏を流し込んでつくったアンモナイトの模型は特に私のお気に入りで、化石へ興味をもつきっかけとなった。

名古屋大学名誉教授 ）大学院生の頃、某塾で化学実験助手なるアルバイトを経験したことがある。
実際の実験で観察力や思考力を養いつつ、化学を理解し実践力を身につけるというものであったが、進学校に通う学生ほど、時間の無駄という高校の方針で化学実験の授業をほとんど受けていなかった（ 現在は状況が改善されていることを願う）。化学に興味をもち、博識の彼らが実際に化学実験をしたことがなく、“ものに触れる” 経験をしていないという事実に驚いた。彼らの知る化学は仮想◇写真の説明左ページの左下は、富田が名古屋近郊の田圃や池から分離したヒメダカと、その多様世界の出来事であり、実世界のものではなかった。
ここ10 年の間にインターネット通信の発展はめざましく、ボタン1 つで必要なな変異体（ 写真提供：島田敦子、東京大学

情報やものが簡単に手に入るようになった。
しかし、世の中に情報やものが溢れ

理学部 ）。富田は皮膚の色の違うヒメダカ

る一方、逆に“ものに触れる”という実践力は低下しているのではないか。最近同士を交配することによって、その中の何種の大学生は、実際に“ものに触れ ”て確認するという泥臭いことを避け、わかり類かが同一の遺伝子内の変化の違いによることを、突き止めた。やがてゲノム研究

やすい答えだけを手軽に求める傾向が強くなったと感じる。

の時代となり、その遺伝子が S l c45a2 と理学研究において重要なことは、誰も理解しえなかった現象を解読し、同定された。
ヒトのアルビノ（白子）には少なく新たな発見をめざすことである。泥臭い作業の先に失敗が待ち受けることもとも4 つの型があり、当時まだ不明であった
4 型アルビノはヒメダカをヒントに原因遺伝あり、答えが 1 つでない場合もあり得る。学生の皆さんは若い今こそ、“ものに子が S l c45a2 であることが判明し、それが触れる”ことを惜しまず、その際にわき上がる好奇心を大切にしながら、未知の人 類 の肌 の色 の多 様 性を決 めていた。

道を切り開いていく冒険を是非経験してほしいと願う。

真ん中は、2002 年まであったメダカの野外飼育場（ 写真提供：溝口明 ）。現在は理農館と理学館が建つ。右はトミタ・コレクションを飼 育 する生 物 機 能 開 発 利 用研 究セン
ターの飼育室。バックの写真は、今も名古屋大学に残るトミタ・コレクションの一部。
02 時 を 語 るもの

1964 年大阪生まれ。東京大学理学部化学科卒。同大学院理学研究科

Masayo Minami

化学専攻修士課程修了。博士（ 理学 ）取得（ 電気通信大学 ）。
日本学術振興会特別研究員（ P D ）、名古屋大学助手、助教授を経て2007 年より現職。専門は地球化学。岩石、堆積物、骨などの同位体分析を行っている。

No.22 spring _ summer 2012

03

特集

東日本大震災をめぐる理 学
科学の可能 性と限 界
専攻教授
寺 崎 一 郎 物物質質 理 学学専攻教授

まずは、この度の震災で被災された皆様に心よりお見舞い申し上げる。あの日の地震は、ここ名古屋でも異常な長周期の揺れとして1963 年生まれ、1990 年東京大学大学院工学系研究科博士課程中退。東京大学助手、超電導工学研究所主任研究員、早稲田大学教授を経て2010 年より現 職。専 門は物 性 物 理 学の実 験 的 研 究。とくに、遷移金属酸化物や有機伝導体の新機能開拓。
機能性物質物性研究室ウェブページ
http : //vlab-nu.jp/

科学の方法論そのものが関わっている。

ないのが実態だと思う。
とはいえ科学には限界があると同時に、素晴らしい強みもある。今後感じられた。震源地から遠く離れていたこともあり、ここ名古屋大学

私たちは、ある実験や観測をいつ何度やっても誰がやっても同じ何年の間に、大地震がどこかに起きる確率や、それがもたらす被害の理学部の周辺ではほとんど被害はなかったが、親類・縁者・友人・になるとき、そのもとになる理論は正しいと判断する。つまり、科学では大きさはある程度予測可能であり、それらをもとにリスクを数値化すること

共同研究者などまで対象を広げれば、誰もがこの大震災を身近に再現性が本質的に重要であり、多くの出来事を統計的に処理してができる。地震保険が成立するのは、科学としての地震活動の理解の感じていることと思う。私は神戸の出身で、阪神大震災のときには正誤を判断する。科学は、個別の事象の個性を捨象することによって、成果である。
もっと予測可能な現象は、天体の運動であり、先日の皆既

たまたま京都で地震を直接体験した。それと比べても、今回の震災は類似の多数の現象を統計的に予言する力をもっており、私たちの未来

月食のときは、実に正確に予言した時間に月が欠けてゆくのをみて感動

規模がまったく違うと感じる。

をある確率で指し示すことができるが、個々の事象を正確に予知するした。科学のなかった太古には、魔術に属する現象だったことだろう。

本誌は名古屋大学理学部の広報誌であり、理学部の広報委員

Ichiro Terasaki

出せるほど私たちの科学は進んでいないということである。これにはことはできないし、そのように発展してこなかった。

科学の叡智が技術に結実したものが原子力発電であったはずだが、会によってその企画・編集が行われている。昨年 4月の広報委員会

たとえば、あるステージのガン患者をある術式で手術したとき、その科学としての原子力をどれくらい私たちは理解していたのだろうか。

では、当然ながら大震災に関連した企画が議題となった。本誌は5 年生存率は定量的に算出できる。しかし、その手術をした目の前

原子力発電が核分裂の連鎖反応を利用する以上、反応回数が年間 2 冊の刊行であり、震災から1 年後の出版が最短であり、時流の患者さん個人があと何年生きられるかを予言することはできない。

ねずみ算式に暴走する寸前の状態、つまり臨界を制御しなければならに即応した出版は不可能である。そこで拙速にことを運ばず、10 年後

今回の震災に関していえば、本当に知りたいのは、自分の町に起きるない。それが技術的に可能であったとしても、科学はこのような不安に読み返しても意味のある、理学の読み物にしようと皆で知恵を出しかもしれない地震の予知や、被爆したかもしれない自分自身の健康定状態の制御の原理的難しさを教えてくれる。科学と技術は似て合った。そして最終的に、私たちは地震、原子力、太陽エネルギーと将来についてであるが、こうした個別の事象について科学は断定

非なるものだが、私たちは両者を混同して論じてはいないだろうか。

という3 つの話題を選んだ。

的な答えをくれない。ここに科学の限界がある。そのうえ、ガン手術のこうした想いを著者のみなさんと共有しつつ、本誌の企画は出来

一般の人たちが知りたいことは、地震の予知はできるのか、放射能場合に比べて大地震の経験回数は少なく、この方面では統計的方法上がった。本誌が、科学とは何か、科学は何を教えてくれたのか、はどれくらい浴びても安全なのか、といったものだろう。広報委員会

そのものがまだ満足に使えない。放射能の健康への影響に至っては、

そして私たちはそれをどう生かせばよいのか、という問 題を考えるでの議論を通じて私が感じたことは、それらの疑問に明解な答えを人体実験ができるはずもなく、信頼できる研究データすらおぼつか

きっかけになれば望外の幸せである。

写真：2011年6月宮城県石巻市（撮影：鷺谷威）

04 特 集 ＿ 東 日 本 大 震 災 をめぐる 理 学

No.22 spring _ summer 201205

特集＿東日本 大 震 災をめぐる理 学

なぜM9 地震は
予 見できなかったのか
鷺谷

減災連 携研究センター教授
威 減災連携研究センター教授

内陸向きの変位
隆起
沈降

非地震時
固着

X
XX
XX

海溝向きの変位
沈降
地震波

隆起

地震時
津波
動的な断層すべり

定常すべり

3 月 11日に起きたこと

図2 プレート沈み込み境界における地震サイクルの概念図
地震間にはプレート境界が固着してプレート運動とともに陸側プレートに歪みが蓄積し、地震時にはプレート境界の断層を破壊して歪みエネルギーを解放する。

マントル対流程度になる。この日本海溝から太平洋沿岸の「 M9 」（ マグニチュード＊1 9 ）とは、地震

地下 50k m に至るプレート境界面で生じた研究者にとって、一生に一度遭遇するかどう

大 規 模な断 層 運 動 が M9 地 震の正 体でかの歴史的な超巨大地震を象徴する形容詞ある。地震後に得られたさまざまなデータのであった。それが、よりにもよって我々が住む解 析によれば、断 層 運 動は南 北 方 向に約日本で起きようとは、ほとんど誰も真剣に考え

400km、東西方向に約 200kmの範囲に広がていなかった。しかし、先入観にしばられたり、断層のずれの量は震源域全体の平均で域付近の海底で生じた地殻変動は海水面をいう関係が成立する。したがって年 8c m の断層が 1m / 秒といった高速ですべると摩擦

研 究 者をあざ笑うかのように、2011 年 3 月

1）15m 程度、最大では 50m 以上に及んだ 。

動かして巨大津波が発生した。津波は地震速度でプレートが沈み込む日本海溝では、650熱が発生する。岩石の熱伝導率は小さいた

11日14 時 46 分（日本時間 ）、宮城県沖の巨大な断層運動によって3 分以上も続く強い発生から約 30 分後に沿岸に到達し、すべて年間プレート境 界が固 着したままであればめ、摩擦熱はすぐには散逸できず、断層面

地 下 約 24k mを震 源として、2011 年 東 北

揺れが生じ、地盤の液状化や建物被害をを飲み込んだ。こうした一連の事象により、50m程度の断層すべりが起こりうることになる。

付近で急激な温度上昇が起きる。この摩擦

地方太平洋沖地震（ M9.0 ）は発生した。

もたらした。断層運動は、
また、震源域周辺で2 万人近い死者・行方不明者をはじめ多大

今 回の地 震 がこれほど大 規 模になった

発熱によって間隙流体＊2 の圧力が急激に東北地方の東方沖に位置する日本海溝

顕著な地殻変動を生じた。震源域の直上な被害がもたらされた。福島第一原発の事故原因として、2 つの可能性が指摘されている。

増加し、断層の法線応力成分が低下する。

2）では、太平洋プレートが約 8c m / 年の速度ででは約 30mもの東向き変位が生じ 、東北も含め、この地震・津波が日本社会に与えた第一の可能性は、今回の地震の発生間隔がその結 果、実 効 的な摩 擦 係 数 が 0 に近く沈み込んでいる（ 図 1 ）。沈み込んだ太平洋

地 方の陸 地は東 西 方 向に約 3mも伸び、影響の大きさは測りしれない。以下では、この500 〜 1000 年と長く、長期間エネルギーをなって断層がすべりやすくなり、勢い余って地震の自然科学的な側面に注目する。なぜ蓄積したので規模が大きくなったというものですべり過ぎたのではないか、というのである。

これほど巨大な地震が起きたのか、なぜ地震ある。今回の震源域の主要部分は過去 100

1 回の地震で 50mを越える断層すべり量が研究者は巨大地震の発生を事前に指摘でき年ほどの地震の震源域とは重なっておらず、推定されたのは世界でも初めてのことであり、なかったのか考察し、この地震が地震学に長期間固着したままエネルギーを蓄積してそのメカニズムは大変注目されている。

与えたインパクトについて述べていきたい。

いた可能性がある。今回の震源域の一部は3）

プレートの上面の深さは沿岸付近で 50k m

太平洋沿岸は最大で1m 沈降した 。震源

過去に M7クラスの地震が発生した場所と巨大地震はなぜ起きたのか

日本海
海
津波波源域

仙台

太平洋

日本

日本海溝

0㎞

北米プレート
100㎞

込み

沈み

Takeshi Sagiya
1964 年栃木県生まれ。東京大学大学院中退。国土地理院、名古屋大学大学院環境学研究科助教授、准教授、教授を経て、2012 年 1 月より現職。専門は地殻変動学。

06 特 集 ＿ 東 日 本 大 震 災 をめぐる 理 学

200㎞

図1 2011年東北地方太平洋沖地震の発生イメージ

震源域

太平洋
プレート

重なるが、M7 地震ではエネルギーが十分

東 北 地 方 太 平 洋 沖 地 震の M9.0という解放されず、数百年に一度、広範囲が同時

規模は、日本列島で記録された史上最大に破壊してM9 地震を起こし、エネルギーを規模の地震であり、世界でも1900 年以後のほぼ完 全に解 放 するのではないか、という地震では 4ないし5 番目に大きい。これらの考え方もある4）。いずれにしても、500〜1000年

巨大地震は、例外なく海洋プレートが大陸のという長い発生間隔の地震であれば、その間下へと沈み込む場所で発生している。

に十分なエネルギーを蓄積することができる。

＊1 マグニチュード
地震の規模を表す指標。マグニチュードには、記録された地
震動の振幅や断層運動の規模（ 断層面積とすべり量 ）など
異なる定義が複数あり、定義によって値が異なることもある。マグニチュードは地震のエネルギーの対数に2/3を乗じたかた
ちになっており、マグニチュードが１増えるとエネルギーは約 32
倍に、2 増えるとエネルギーは1000 倍になる。
＊2 間隙流体
地球内部の岩石には細かい隙間が存在し、その空間を液体や気体が占めている。

プレート境界が固着した状態でプレートが今回の地震が 869 年貞観地震と類似してい〈 引用文献 〉

沈み込むと、周辺で変形が生じ歪みエネル

たという指摘もあり、まさに1000 年に一度の1 ）たとえば Ito, T., et al., Earth Planets Space, 63, 627630, 2011.

ギーが蓄積される（図2）。
単純にいえば、プレー

超巨大地震だった可能性が高い。

2 ）Sato, M. et al., Science, 332, 1395, 2011.

ト運動速度と大地震の発生間隔、地震時す

一方、第二の可能性として、プレート境界

べり量の間には、
おおよそ（プレート運動速度）

面の摩擦に関する考察から、地震規模の×（地震発生間隔）＝（地震時のすべり量）と大きさを説 明 する仮 説 が出されている 5 ）。

3 ）Ozawa, S. et al., Nature, 475, 373-376, 2011.
4 ）Hori, T., and S. Miyazaki, Earth Planets Space, 63,
773-777, 2011.
5 ）Mitsui, Y., and Y. Iio, Earth Planets Space, 63, 755759, 2011.

No.22 spring _ summer 201207

特集＿ 東日本 大 震 災をめぐる理 学

42˚N

三陸沖北部

40˚N
三陸沖中部

起こりえた M9 地震
今 回の震 源 域において、これほどの超巨大地震が起きることは事前に想定されて

宮城県沖

38˚N

いなかった。政府の地震調査研究推進本部
は、日本周辺で起きる大地震について、地震

三
陸
沖
南
部
海
溝
寄
り

三
陸
沖
北
部
か
ら
房
総
沖
の
海
溝
寄
り

福島県沖

日

6）

規 模や長 期 発 生 確 率を評 価している 。
三陸沖から房総沖にかけては、プレート境界を7 つの領域に区切り、それぞれの領域で起きる地震の規模や発生確率を示していたが、そこで想 定されていた最 大 のマグ ニ
チュードは8.2であった。しかし、実際に発生したのは、7 つの領 域中ほぼ 6 つにまたがる
広 範 囲を同 時に破 壊 する超 巨 大 地 震で

図3 東北地方太平洋沖地震および過去の大地震の震源域と長期評価の地域区分
赤の破線は余震分布から推測される震源域の広がり。
ピンクの等値線はGPSデータから推定された断層すべり量の分布（ 10m 間隔 ）。灰色の楕円は 1885 年以降の主な地
震の震源域。青線は、地震調査研究推進本部による長期評価の際の地域区分。
（ Ito,T., et al., Earth Planets Space, 63, 627630, 2011 ）

本

茨城県沖

海

36˚N

溝
房総沖

34˚N
138˚E

140˚E

見 直しや検 証が盛んに行われた。そうしたて細 分 化 が進んでおり、異なる分 野 間の研 究 成 果の中には、日本も含めて世 界のコミュニケーションは必 ずしもうまくできて日本は世 界 有 数の地 震 国であり、地 震

プレート沈み込み帯ではどこでもM9 地震がいない。巨大地震や津波の発生する可能性

研 究に対 する世 間の関 心も高く、予 算や起こりうる、という衝撃的な結論を述べたものについて、地質学的（ 津波堆積物 ）、測地人員の面でも厚遇されてきた。そうした恵まれ、東北沖で実際にM9 地震

学的（ G P S ）、歴史学的（ 古文書 ）にそのた待遇は、地震予知など防災に役立つ科学

が起きるまで、日本 国 内でそうした警 告が端 緒をとらえていたにも関わらず、それらをを進めてほしいという期 待の現れであった

顧 みられることはほとんどなかった。こうした総合的に解釈し損ない、発生ポテンシャルをと思う。しかし、我々の実力は実用的な地震

一連の経緯を振り返ると、わずかな成功体験

察知するチャンスを逃したことは、その何より予知の実現にはほど遠く、基本的なところもによってうねぼれた研究者が、地球から痛烈の現れである。

満 足に理 解できていなかったことを改めてもあったのだが

10 ）

なしっぺ返しを食らったようにも思えてくる。

142˚E

144˚E

あった（ 図 3 ）。

狭い専門分野の研究でとらえることができブレークスルーが開けるかもしれない。

思い知った。

る地震や地球の姿は、全体のごく一部に過ぎだが、ここでは1000 年に一度という低頻度ない。自分が見えない部分も含めて全体像をのイベントにあと一歩のところまで迫っていた

これからの地震研究において、我々研究描こうとすれば、他分野との連携を進めること

ことをあえて前向きにとらえたい。日本を襲う

者は、先入観を捨て、いまいちど虚心坦懐にが当然必要になる。地震研究における今回

次なる脅威として、南海トラフの巨大地震や今後の地震研究のあり方

プレート運動によって日本列島が変形する

さずにずるずるとすべる「スロースリップ」や

地 球と向かい合う姿 勢を取り戻 す必 要がの地震の最大の教訓は、まさにそうした分野

首都圏直下の大地震の発生が懸念されてにある。この評価は、固有地震説 に基づい様子を精密に観測できるようになった。東北大地震後に断層がすべり続ける「 余効すべある。地球科学は、分野横断的なアプローチ

横断型の連携研究の大切さである。分野をいる。今回の苦い経験を生かし、次なる大地て行われ、江戸時代以降の約 400 年間の地方は年間 2c m ほど東西方向に縮み続けり」が見つかっていたため、過去 100 年のによって研 究 対 象たる地 球の正 体を解き越えた交流を深めることで、根拠の不確かな震の正体を解明するとともに、地震による災

地震活動から、各領域で繰り返し発生したていることがわかり、その原因として、宮城県

どこかで、そうした現 象 ですべりの収 支 が明かすのが本分のはずだが、最近の科学「 常識 」は検証を迫られ、互いに矛盾して害をできるだけ減らすのである。そうした取り

固有地震と思われる地震を特定し、その規模沖を中心にプレート境界がほぼ完全に固着合ったのだろうと考えていた。データが示して研究のご多分に漏れず、高度に専門化され見える結果の原因を突き詰めることで新たな組みはすでに開始されている。

予見できなかった原因の 1 つは評価手法＊38）や発 生 間 隔を見 積もっていた。すなわち、していると推定されていた（ 図 4 ） 。一方、いた矛盾を、観測データのない時代に押しつ対象とする大地震の発生間隔が 400 年以下

過去 100 年間に日本海溝沿いで発生したけてしまっていたのである。直接的な証拠がであることが暗黙のうちに仮定されていたこと

大 地 震の地 震 波 解 析から、断 層が大きくない以上、別の解釈、すなわち、エネルギー

＊4

（a）

（b）

になる。こうした仮定が間違いであることは、

すべった場 所、いわゆるアスペリティ のが蓄積して巨大地震が起きる可能性につい

869 年に発生した貞観地震の調査から明ら分布が推定されていた（ 図 4 ）9 ）。G P S にて考慮すべきであったと悔やまれる。

かになりつつあった。貞観 地 震については基づく固着域とアスペリティ分布を比較する

日本では1995 年の兵庫県南部地震以降、「日本三代実録 」という古文書に津波によると、前者がべったりと広がっているのに対して地震やG P Sの観測網が全国的に整備され、被 害の記 載が知られていた。近 年、津 波

後者では比較的小振りなアスペリティが点在

スロースリップや深部低周波微動＊5 など、さま堆積物の調査によって過去の津波の存在がし、明らかに分布が異なっている。
また、推定

ざまな現 象の新 発 見が相 次いだ。こうした確認され、浸水範囲もほぼ特定されて、政府された断層すべり量は、プレート運動速度と成功体験を通じて、我々地震研究者は、自分の評 価よりも大 規 模な地 震の発 生が推 測地震の発生間隔から予想される量より明らか

たちの足元にある日本列島のことをわかった

されていた 。しかし、こうした一 連の研 究に小さかった。こうしたデータ同士の矛盾はような気になっていたのかもしれない。

成果がまとまり、防災対策に反映させようとし超巨大地震発生のポテンシャルを示唆してい2004 年 12月にインドネシアのスマトラ島沖ていた矢先にM9 地震は発生したのだった。

たのだが、当時はそう解釈していなかった。

でM9.1の巨大地震が発生したが、この地震

図4 GPSから推定した固着域と地震学的に求められたアスペリティ分布の比較（a）GPSデータに基づくプレート境界面上の固着域分布。
コンターは固着によるすべり遅れの等値線を2cm/年毎に示したものである。
（Nishimura, T. et al., Geophys. J. Int., 157, 901-916, 2004）（b）地震波形データに基づく日本海溝沿いプレート境界面上のアスペリ
ティ分布。地震時のすべり量が最大値の1/2以上となる範囲を塗りつぶしてある。宮城県沖では、GPSで見るとほぼ完全に固着した領域が広がっているが、アスペリティの分布は限定的ですべり量も小さい。
（Yamanaka, Y., and M. Kikuchi, J. Geophys. Res., 109, doi:
10.1029/2003JB002683, 2004）

7）

一方、大地震発生の可能性を示す観測

GPSは陸上のみの観測なので沖合の固着域

も世 界 の地 震 研 究 者 にとってまったくのデータも確かに存在していた。日本列島ではの推 定 精 度 が悪い。それに加えて、これも「 想定外 」であった。こうした事態に、海外で1990 年代にGPSの連続観測網が整備され、

G P Sのおかげで、プレート境界が地震を起こ

は、それまでの地震学の「 常識 」に関する＊4 アスペリティ
プレート境界面上で周囲よりも破壊強度が大きく，
地震時に大きくずれて強い地震波を出す場所。
もともとは「でこぼこ」の意。
＊5 深部低周波微動
西南日本に沈み込んだフィリピン海プレートの深さ30k m 付近
を発生源とし、通常の地震よりもゆっくりとした長時間続く微弱な揺れ。日本で初めて発見され、沈み込みに関係した現象として注目されている。

〈 引用文献 〉
6 ）地震調査研究推進本部 , http://www.jishin.go.jp/

鷺 谷 威 個 人ウェブページ
08 特 集 ＿ 東 日 本 大 震 災 をめぐる 理 学＊3 固有地震説ある地域で起きる最大級の地震については、ほぼ同規模の似たような地震が繰り返し起きているという考え方。

7 ）宍倉正展・他 , 平安の人々が見た巨大津波を再現する−西暦 869 年貞観津波−, AFRC NEWS, No.16, 2010/8.
8 ）Nishimura, T. et al., Geophys. J. Int., 157, 901-916, 2004.
9 ）Yamanaka, Y., and M. Kikuchi, J. Geophys. Res., 109,
doi: 10.1029/2003JB002683, 2004.
10 ）McCaﬀrey, R., Geology, 36, 263-266, 2008.

http://www.seis.nagoya-u.ac.jp/sagiya
No.22 spring _ summer 201209

特集＿東日本 大 震 災をめぐる理 学もう一度
原 子力を考える

DNA

放射線
の飛跡

素粒子 宇宙物理学 専攻 教授
福 井 康 雄 素粒子宇宙物理学専攻教授

放射線とは線による害を生む。
ヘリウム4

鉄 56

入れた新しいエネルギー源である。化石燃料

β線、γ線などとよばれる。
α線はヘリウムのに比べると、桁違いに大きなエネルギーが取り

原子核、β線は電子、
γ線は光子（ 電磁波 ）出せるが、その源は、簡単に人間の手ではである。ヘリウム原子核は、正の電荷をもつ

制御できない「ミクロな世界 」である。科学

陽子 2 個と、電気的に中性な中性子 2 個で研究の歴史を振りかえると、原子力の発見はできている。陽子と中性子は、原子核を構成必然であったと思われる。あらためて、その意する粒 子という意 味で、核 子とよばれる。

生 物は、常に新しい細 胞をつくりながらの修 復 作 用のために、害は少ないと推 定

大きな原 子 核は、不 安 定になりやすい。

味をとらえ直したい。

ヘリウム4は、原子番号 Z＝2（ 陽子の数 ）、

生きている。細胞をつくる分子、とくに大事なされる。ふつう、年間 1ミリシーベルトが許容

陽子をたくさん含む大きな原子核は、陽子間放射線の正体は、粒子や電磁波である。

質量数4（ 核子の数）の原子核である（図1）。

遺伝情報を担うD N A が壊されると、生体を被ばく量とされるが、これは 100ミリシーベの電 気 的な反 発 力でバラバラになろうと

ここで電磁波は、光、電波、X 線を含む電気

ヘリウム4 は安定で、100 億年経っても変化維持できなくなる。D N Aを含めて、分子はルトの 100 分の 1という、大まかな基準に過ぎする。強い力 「 核力 」で結合し原子核と的な波であり、すべて光速度で伝わる。空気しない。人体をつくっている炭素 12、酸素 16、原子がいくつか結びついたものである。そのない。一方、地球の地殻や人体そのものもしてのまとまりを維持するが、Z が 83を超えるも、酸 素や窒 素などの粒 子で構 成される。

窒 素 14 などの元 素も安 定で変 化しない。

結合の力は、放射線のエネルギーよりもはる

カリウムやラドンを含み、自然放射線を出す

原子核はすべて、しだいに崩壊してより安定

放射線と空気の違いは、エネルギーの大小に

これらの元素の原子核は、原子番号 30 以下

かに小さい。分子が放射線を受けると結合ために、年間 2.4ミリシーベルト程度の被ばくした小さな原 子 核に変 化 する。Z が 83よりある。放 射 線の粒 子 1 個のエネルギーは、の「 小さな」原子核である。原子番号 Z のが壊され、別の分子に変化する。強い放射が起きている。宇宙線による被ばくも、宇宙

小さくても、陽子と中性子の個数によっては空気の粒子 1 個のエネルギーの数万倍から原子核の中にはZ 個の陽子がある（ 図 2 ）。

線を受けると、数日から数週間でその影響

飛 行 士 ではレベルが高くなる。いずれも、不安定なものがある。炭素 14、コバルト60

1 億倍以上もある。このように桁違いに大きな

これにほぼ Z 個の電 子 が結びついたのが、が現れ、細 胞をつくり続けることができなく有害と実証されるレベルよりも桁違いに低いなどの放射性同位元素である。

エネルギーの粒子が人体にあたると、細胞を原子である。原子のまわりの電子は、原子核なる。生物にとって致命的なダメージであるレベルである。

つくる生体の分子は破壊される。これが放射の10 万倍以上の広がりをもつ。

（ 図 3 ）。

1 fm

1951 年大阪市生まれ。東京大学理学部卒（ 1974 ）、同大学院理学系研究科天文学専攻修了（1979）。専門
は電波天文学。チリ共和国に電波望遠鏡「なんてん」
を設置し、星の生まれるガス雲の観測を行っている。

10

特 集 ＿ 東 日 本 大 震 災 をめぐる 理 学

3.4nm

放射線としての粒子や電磁波は、α線、

図2

ヘリウム4、鉄56、ウラン235の原子核

生命と放射線

一方、弱い放射線でも、長い期間にわたっ

Yasuo Fukui

ウラン235

原子力は人類が 100 年足らず前に手に図1 ヘリウム4原子の構造

1 Å = 1 0 0,0 0 0 f mÅ（オングストローム）
fm（フェムトメートル）

1オングストローム程度に広がる電子（グレーの部分 ）の中心に、小さなヘリウム原子核が位置する。原子核の大きさは、電子の広がりの 10 万分の 1に過ぎない。電子分布の濃さは、各位置での電子の存在する確率を表す。
原子核は、陽子（ 赤丸 ）と中性子（ 青丸 ）からなる。

図3 放射線がDNAの結合を切る様子に100ミリシーベルトを浴びても、人体の細胞閉じ込められていると思ってよい。

原子核の安定性や崩壊の仕方は、中性
子が 1 個変わるだけで大きく変化する。原子

原子核の世界核の内部の構造が、崩壊に微妙な影響をて受けると影響が蓄積する。遺伝子が破壊

原子核は、日常生活では人間が感じるこ与える。Z =83 以上の元素は、すべて放射され、異常細胞「 がん」の発生につながる。

とのない、ミクロな強い力で結びついている。

性元素である。ある確率で自然に崩壊し、弱い放射線については、実験データも限ら

この力「 核力 」は、とても小さな距離でしかより安定になろうとする。このときに、原子核れており、個人差も大きく、その影響は正確働かない。この距離は、原子の大きさ1c mの内に閉じ込められていたエネルギーが原子には確かめられていない。発がん性について

1 億 分 の 1 のさらに 10 万 分 の 1と小さい。

核の外、つまり、日常生活空間に放射線とも、放射線が弱くなると、他の原因との区別

原子核の大きさも、おおむねこの程度である。

してもれ出てくる。放 射 線のエネルギーがができないために、実 験 的に影 響を確 定

このように小さな空間に核子を閉じ込める

大きいのは、原子核内の高いエネルギーをできない。一般論としては、できる限り放射線と、核 子 のエネルギーは大 変 大きくなる。

放 射 線 がもち出 すためである。たとえば、を浴びないほうがよいのはもちろんであるが、原子核中で1 個の核子のもつエネルギーは、

ウランという重い元素がある。ウラン235 は、その量的な根拠は実証されていない。

空気の粒子の 1 億倍を超える。安定な原子235 個の核子でできており、陽子 92 個、中性

過去の被ばくの例から、幼児が浴びても核では、このエネルギーはしっかりと原子核

子 143 個を含む。ウラン235 は自然に崩壊し害が増えない 1 回の被ばく量は、100ミリシーの中に閉じ込められて、外側にはめったにもトリウムなどを経て、最後は安定な鉛になっベルトと推定されている。ただし、長い期間れない。とても丈夫な「 殻 」の中に核子がて崩壊が終わる。

No.22 spring _ summer 201211

特集＿ 東日本 大 震 災をめぐる理 学
中性子

原子炉建屋

ウラン235タービン建屋
19 〜 20 世紀の科学研究によって、人類は動によって、大量の放射線を被ばくしたと推「 原子核の世界 」の扉を開いた。今から70測される。1910 年代には、放射線の脅威は年ほど前の1940 年代、人類初の原子炉がつ理 解されていなかった。1920 年 代になってくられ、10 年余りという短い期間に原子力使

キュリー夫人の研究所の職員にもガンや白血用は実用化された。1 つが原子力発電、もう1病が多発し、ようやく、放射線が癌や白血病

つが原子爆弾である。ともにウラン235 の分を引き起こすことが疑われた。

裂のエネルギーを利用している。発電と爆発

画期的な元素の転換も行われた。最初はαの違いは、コントロールしてゆっくりと分裂させ線を他の原子核にぶつけて、元素が別の元

るか、一瞬で爆発的にエネルギーを解放する

素に転換された。
しかし、α線は陽子 2 個のプか、である。

ラス電荷をもち、原子核のプラス電荷に近づく＊1

放射線を発見したのは、ベクレル である。
＊2と反発されるため、反応は限られる。やがて、

1861

電磁場の方程式（マクスウェル）

1869

陰極線の直進性（ヒットルフ）

1895

X 線の発見（レントゲン）

1898 ラジウムの放射線発見（キュリー夫妻 ）原子炉圧力容器

実験中に、そして戦争中のX 線による看護活

落体の法則（ガリレオ）
万有引力（ニュートン）1896 ウランの放射線発見（ ベクレル）

原子炉格納容器

研究の歴史

1604
1687

蒸気

1903

放射性元素の崩壊説（ラザフォード、ソディー）

1905

特殊相対性理論（アインシュタイン）1911

原子核の存在（ラザフォード）

1919 α粒子による原子核破壊（ラザフォード）

ウラン236
タービン

1933 β崩壊の理論（フェルミ）

発電機

1934

水
燃料

中間子論（ 湯川秀樹 ）1938 ウランの核分裂の発見（ ハーン、
シュトラスマン）
1942 ウランの連鎖的な核分裂反応による原子炉の開発（フェルミ）

制御棒

1945

広島・長崎への原爆投下

1979 スリーマイル島事故

冷却水（海水）クリプトン92

バリウム141

放水路へ

図6 原子炉の仕組み

1986 チェルノブイリ事故
2011

東日本大震災福島原発事故表1 原子力の歴史

図5 ウラン235の核分裂

1896 年のことだった。
レントゲン のX 線の発

フェルミは、電気力の効かない中性子をぶつ

見に刺激されて、同様の現象がほかにないけることで、元素変換を一気に加速した。そするエネルギーは、空気の粒子 1 個のエネル

するが、信頼度は高いとはいえない。一旦大で拡散すると、それを無害なかたちに処理す

宇宙の物理学は、それを超えて、さらに高いか調べるうちに、ウランの化合物の出す放射のような実験の中で、ウランに中性子を当てる

ギーの、実に100 億倍である。

災害で長期に通常電源が使えなくなると、問ることは、まことに厄介な作業となり、多くの労エネルギーの現象を最先端とする。原子核の線の存在に気がついたのである。
すぐに、
キュと核分裂が起こることがわかった。ウランは、
ヨ

原子核の中の核力による結合の強さは、題は深刻である。福島原発の事態は、十分

力と犠牲を要する。2011 年、チェルノブイリ、

物理学は、20 世紀に始まり、20 世紀半ばにリー夫妻 がラジウムの放射線を発見し、物ウ素やセシウムなどを含む2 個の原子核に分

普通の燃料の化学結合よりもエネルギーがに予想された。

スリーマイル島を上まわる原発事故が、福島頂点を迎えて、
21 世紀の物理学の基盤となっ質が自然に出す強いエネルギーの存在が明裂するのである（ 図 5 ）。そのエネルギーは、桁違いに大きい。原子核の結合がこわれるこでおきてしまった。世界に前例のない大規模た。同時に、その知識は原子力工学として、

らかになった。こうして放射性物質という言葉

α崩壊よりも1 桁大きく、夢のエネルギー源となとによって、膨大なエネルギーが生み出されな事故である。人類の直面した、原子力発電

発電に実用化されたのである。

もつくられた（ 図 4 ）。

りうることが期待された。これが、原子力の実る。そのために、一歩間違うと、原子燃料は

今日、放射線はさまざまな分野で利用され用化への幕開けとなった。ウラン1 個の解放

人間の手に余る危険な物質になってしまうのている。医療、農業、工業など、放射線抜きで炉の爆発等で外に放出される放射性セシ

い合意が形成されつつあるように見える。原である。原子炉では、ウラン235をセラミックとは、今の人間の暮らしは考えにくい。害虫のウムの半減期は30 年である。60 年を経てもな

子力発電については、代替エネルギーの見金属で覆い、棒状にした核燃料を密に装填

駆除、遺伝子の改良、タイヤなどの化学製品

お大量に、当初の 4 分の 1 のセシウムがどこ

通しを含めて、なお、先行きは不透明である。

する。燃料棒の間には水などを満たして、発の強化などに役立っている。がん治療の場

かで放射線を出し続ける。これが、除染の対はっきりしているのは、当面、現存する原発を生する中性子の数をコントロールする。核反合、中性子を使うと特定の元素だけを狙って象であるが、半世紀をこえる安定な保管が必

安全に運用しなくてはならないこと、そのため応の割合を制御して一定のエネルギーを取り

中性子を当てることができる。がんが吸収し要である。さらに、原子炉の核燃料のサイクに、優れた研究者と技術者を育成しなくては出し、水蒸気を加熱する。この水蒸気が、発やすい元素を前もって体内に注入し、中性子

ルは閉じていない。最後の使用済み燃料のならないことである。また、基礎科学の基盤と電機のタービンをまわして発電する。原子炉をあてることで高い精度でがん細胞だけを破保管法は解決されていない。高速増殖炉にして、原子力の知識を絶やすことはできない。

全体は鉄の格納容器などで囲われ、核物質壊できる。

よる核燃料の再利用というスキームも、実用

原子力に関わる暴力と事故に対処するためにも、それは必要不可欠である。

＊3

同時に、苦い歴史も多い。キュリー夫人は、

図4

原子力の利用と将来に関わる最大の困難である。

が簡単には飛び散らないようにしてある（図6）。

これらと質が違うのが、核兵器と原子力発化のめどは立っていない。長期的に、原発も原子炉では、核物質は常に崩壊を続ける電である。とくに大電力の発電を行う原発で使い続けることの是非が問題とされている。

ために、稼働中でなくても冷却が必要である。

は、大量の核燃料を使うために大掛かりな装原子力の発見は、人類の科学研究の過程

これができなくなると、短時間で炉内は 1000

置に大量のウランを集中する。そのため、一で必然的なものであった。1600年代始めのガ度 Cを越え、格納容器が溶けてメルトダウン

旦 事 故 がおこるとたいへん処 理 が難しい。

リレオに始まる実証的な科学研究の発展は、する。何かの事故で冷却のための電源が使個々の放射性物質の性質は克明に理解され物質の究極の姿を求めてきた。原子核は、当えなくなる事態に備えて、非常用電源を用意ている。
しかし、一旦放射性物質が爆発など

然解明すべき課題であった。今の素粒子と核兵器の廃絶については、世界的にも広＊1 H. ベクレル（ 1852 ̲1908 ）
フランスの物理学者。ノーベル物理学賞（ 1903 年 ）を受賞。
＊2 W.レントゲン（ 1845 ̲1923 ）
ドイツの物理学者。ノーベル物理学賞（ 1901 年 ）を受賞。
＊3 キュリー夫妻
夫の P .キュリー（ 1859 ̲1906 ）はフランスの物理学者。妻のM.キュリー（ 1867̲1934 ）はポーランドの物理学者。

ベクレルとキュリー夫妻

左からベクレル、P.キュリー、M.キュリー。1903 年に3 人でノーベル物理学賞を受賞した。

天 体 物 理 学 研 究 室ウェブページ
12

特 集 ＿ 東 日 本 大 震 災 をめぐる 理 学

http://www.a.phys.nagoya-u.ac.jp/ae/
No.22 spring _ summer 201213

特集＿東日本 大 震 災をめぐる理 学

O2Ⓨ⏕ගྜᡂ⣔☜❧

生 命から学ぶ
太 陽光エネルギー利用
野口

巧

⢾

CO2

C6H12O6㓟⣲࿧྾⏕࿨
䛾㐍໬⏕࿨䛻䜘䜛ኴ㝧ග䜶䝛䝹䜼䞊฼⏝eNADP+ + 2H+ග࢚ࢿࣝࢠ࣮

䜸䝌䞁ᒙ

H+

㻟㻜

㻠㻜

㻡㻜

物質理 学専攻教授
物質理学専攻教授

஧㓟໬Ⅳ⣲

21%

㻜

㻝㻜

㻞㻜

H+

NADPH

H+

ATP
ADP + Pi

e-

e-

൨ᖺ๓
ࢳࣛࢥ࢖ࢻ⭷

e-

O2

H2O

H+

ග໬Ꮫ⣔ϩ

エネルギー危機を実感するている。生命の最大の関心事はそのエネル

3月11日の大災害とそれに続く原発事故にギー源をどこに求めるか、ということである。

よって、日本人は人類が直面するエネルギー

当然、地球上に存在していた化学エネルギー

危 機を身をもって実 感した。もはや原 発にを消費しつくしてしまえば、あとは地球外から頼れない我々は、今こそ本気で、地球が享受もたらされる太陽光エネルギーを利用するできる唯一の外来エネルギーである太陽光しかない。35 億年ほど前には、太陽光エネル

エネルギーを活用するためのシステムをつくり

ギー利 用を本 格 的に始めた最 初の生 物、上げる必要に迫られている。太陽光エネル

光合成細菌が誕生した。この段階ですでにギーは無 尽 蔵のエネルギーであるものの、ATPྜᡂ㓝⣲図2 光合成のエネルギー変換システム

生命誕生（ 約 40 億年前 ）から数億年のうちには光合成細菌が光合成による光エネルギー変換を始めた。さらに、約 25 億年前に誕生したシアノバクテリアが、水からの電子をCO 2 還元に用いる現在の光合成システムを確立した。水分解の副産物である酸素の放出により、地球大
気が酸化型大気へと変化し、呼吸生命の進化が促された。

光エネルギー変換は、チラコイド膜に埋め込まれた4 つのタンパク質で行われる。光化学系Ⅱにおける水分解によって得られた電子は、シトクロムb 6 f を経由して光化学系Ⅰに入り、究極の光エネルギー変換システム

NADPHに蓄積される。膜を貫通する電子移動によって生じたプロトン濃度勾配を用いてATP 合成酵素においてATP が合成される。

光合成のエネルギー変換のしくみを簡単に

ATP が合成される。最後にATPと水からのたクロロフィルのラジカルカチオンは、水分解

クロロフィル類による光吸収と励起移動、電荷説明しよう。光エネルギー変換の主役は光電子を用いてCO2を還元し、糖を合成する。

の触媒部位であるM n4C a O5クラスターから

それを固定化して、保存可能なかたちに変換

分離と電子移動、そして C O2 の還元による

化学系Ⅰおよび光化学系Ⅱとよばれるタンパク

光 化 学 系Ⅰや光 化 学 系Ⅱなどの光 合 成

電子を引き抜く。ここで 2 分子の水が 4 電子

するのは容 易ではない。これほど普 遍 的な糖の合成などの光合成の基本的なシステム質複合体である（ 図 2 ）。これらのタンパク質

蛋白質中では、どのように電子が動いていく

酸 化され、酸 素 分 子とプロトンに分 解するエネルギーでありながら、未だにその利用法が出来 上がったと考えられている。しかし、に結合するクロロフィル分子が光を吸収し、のだろうか。光 化 学 系Ⅱの場 合について、（ 図 3b ）。複数の成分上のすみやかな電子が確立せず、エネルギー供給における割合

この光エネルギー変換系は極めて不完全な

そのエネルギーを用いて電子移動が起こる。

電子移動と水分解のしくみをもう少し詳しく

移 動により逆 反 応が抑えられ、0.9 以 上のが少ない（ 3％以下 ）ことがこの困難さを如実ものであった。それは、C O 2 還 元のための電子は、まず光化学系Ⅱにおいて水から引き見ていこう。光吸収によって生じたクロロフィ

極めて高い量子効率で反応が進んでいく。

に物語っている。

電子供与体として硫化水素や有機酸などを抜かれ、光化学系Ｉを通過する。この電子移

ルの励起状態から電子が飛び出し、電子はこれらの反応は水の電気分解と対比する

利用していることであり、それらの枯渇がこの動過程において膜の内外にプロトン濃度勾

フェオフィチンやキノンなどの色素上を移動とわかりやすい（ 図 3c ）。水の電気分解では、生命種の終焉を意味する。

植物や藻類は光合成によって高い量子効率

約 25 億年前に大きな展開が起こる。それで光エネルギーを化学エネルギーに変換するは地球上に普遍的に存在する水を電子供与ことができる。我々は、この自然がつくった光

体として利用できるシアノバクテリアの誕生でエネルギー変換系を完全に理解し、そこからある（ 図 1 ）。これにより、光エネルギーを用い学ぶことにより、人類独自の太陽光利用シスて水から電子を引き抜き、その電子によってテムをつくることができるはずである。

C O2を糖に還元固定するという、現在植物が地球を変えた生命のエネルギー革命

特 集 ＿ 東 日 本 大 震 災 をめぐる 理 学ග໬Ꮫ⣔Ϩ

図1 地球大気の酸素濃度の変遷と生命の進化

(a)

Fe

QA

なる。思わぬ副産物は水の酸化による酸素

それでは生命はいかにして太陽光エネル

発生であった。のちに葉緑体へと進化する

ギーの利用を始め、現在のような光合成系をこのシアノバクテリアの酸素発生が、地球大気つくり上げたのか。残念ながら、その進化のに酸素をもたらし（ 現在 21％）、その後の呼吸詳細な道筋はわからない。ただ明らかなこと

生命の進化を促した。またオゾン層の形成には、光合成の進化には 2 つの大きな段階がよって有害な紫外光が遮断され、生命の爆発あったことである。

的な進化が起こった。このように、水を電子源

約46億年前の地球誕生から数億年のうちとする酸素発生型光合成の確立は、地球とには、すでに生命が誕生していたと考えられ生命の共進化の決定的な転換点であった。

(c)

1.8 V

QB

e-

ePheoD1

2H2O

4H+

O2 +
4H+

2H2

e−

行っている光合成系の基本が確立したことに14ࢩࢺࢡ࣒ࣟb6f

H+していく（ 図 3a ）。一方、電子移動により生じ的なエネルギー源を太 陽 光から得ており、1963 年生まれ、1991 年東京大学大学院理学系研究科博士課程修了。理化学研究所研究員、筑波大学助教授、同准教授を経て 2010 年より現職。専門は生体系の分子分光学。
とくに、光合成機構の生物
物理学的研究。

e-

配が形成され、それによって化学エネルギー

ところが地球上の生命はその活動の究極

Takumi Noguchi

H+

ChlD1
Mn4CaO5
clusterYZe−hνD170 W3
W1

H2O
H2O

Ỉ䛾㟁Ẽศゎ

YD

P680

W2

O2

CP43-R357Mn4

H+ H+
H+ H+

E333

ග໬Ꮫ⣔ϩ

Mn3

W4

S3

Ca
A344

Mn2

CP43-E354
H332

Ỉศゎ⣔

E189

Mn1

hν

S4

(b)

eO2
H2O
H2O
e
S2 e- S0
e
S1

D342

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図3

光化学系Ⅱにおける光誘起電子移動と水分解反応（ a ）光化学系Ⅱの反応中心における色素配置と電子移動経路。
（b ）水分解系（Mn4 CaO 5クラスター）の構造（ 左 ）と水分解反応の中間状態サイクル。
（ c ）水の電気分解との比較。光化学系Ⅱの水分解反応は、水の電気分解の陽極の反応（ 1.8Vの電池を含む）に対応する。

No.22 spring _ summer 201215

特集＿ 東日本 大 震 災をめぐる理 学

非日常の世界を垣間見る

冷静な行動に感動する

生命理学専攻准教授

物質理学専攻助教

高木新（Shin Takagi）

安井幸夫（Yukio Yasui）

私は2011年6月25日〜26日、福島での一時帰宅者スクリー

2011 年 7 月23日〜 26日と8 月22日〜 24日の 2 回、福島

ニングに参加した。放射線・原子力は門外漢である一市民と第一原子力発電所トラブルにより避難した住民が 20k m

して現場を垣間見た印象を記させていただく。

圏内にある自宅へ一時帰宅する際の放射性物質による当日は名古屋大学工学部の人たちのレンタカーに同乗

汚染検査に行ってきた。福島へ応援に行ったのは、私のさせてもらい雨の中を南相馬市へ向かった。福島市内では研究手段の1 つが茨城県東海村にある研究用原子炉での

陽 極において水 の酸 化による酸 素 発 生、（ たとえば光による電 子 移 動 ）はある程 度

存在する水であり、水からの電子獲得反応

毎時 1マイクロシーベルト前後を示していた線量計の値が、中性子散乱実験であり、発電用と中性子発生用の違いこそ陰極ではプロトンの還元による水素発生が可能であるが、それを組み合わせて目的とは天 然の光 合 成と同じものである。よって、川俣町を過ぎ飯館村への峠を越えると毎時 3 〜 4 マイクロあれ原子力にお世話になっているので、その恩返しをした起こる。一方、光合成では、光吸収が電位差する物質変換を成し遂げるのは極めて困難

光化学系ⅡにおけるM n4C a O5クラスターのシーベルトに跳ね上がり、スピーカーから警 戒 音が鳴りかったからである。

を生み、電気分解反応が進む。クロロフィル

であろう。

構 造や反 応 機 構が解 明できれば、それは続けた。
トンネルに入ると音はピタリと止み、測定値もバック

突然避難させられ、いつ自宅に戻れるかわからない状況が吸収する赤い光は約 1.8 Vの電池に相当

実は、人工光合成の研究は天然の光合成

そのまま人工光合成系の開発に応用するグラウンド程度の毎時 0.1マイクロシーベルトまで下がるのがにも関わらず、大半の住民は粛々と秩序立って一時帰宅をし、光化学系Ⅱと光化学系Ｉの電子伝達鎖は反応を再現することを目的としていない。なぜことができる。一方、還元側の反応は目的に印象に残った。

行い、その礼儀正しさに感心した。5 時間以上、東電社員にこの電池が直列につながれていることを意味

なら、光合成の化学エネルギーとしての最終

応じてさまざまに変 化 させることができる。

20k m 圏のすぐ外側に位置する馬事公苑が今回のスク文句をいいつづけている人もいたが仕方がないと思う。防護する。光化学系Ⅱにおける水分解反応は、生成物はセルロースやでんぷんなどの多糖

CO2 削減の観点からは、CO2を還元してCO

リーニング会場だった。屋内馬場に臨時に床板を貼った

服に書いてある私の所属を見て、「 名古屋から来てくれたの

水の電気分解の陽極の反応と全く同じである

であり、それはそのまま燃料としては使用でき

や C H4 にするというシステムが有効である。

会場で、東電をはじめとする電力団体関係者に官公庁・ですか、ご苦労さまです 」と声をかけてくださる方もいて、+（ 2H2O → O2 + 4H + 4e ）。一方、陰極ないからである。現在、これらの光合成生産

しかし、最も魅力的なシステムは、クリーンエネ

大学関係者が加わり、作業にあたった。帰宅者は世帯ごとにつらい状況でも他人への気遣いを忘れないふるまいに感動

での反応は大きく異なり、水素発生の代わり物はバイオマスとして利用されているが、そのルギーである水素の生成であろう。すなわち、

トランシーバーを渡され、タイベックス防護服・靴カバー・した。多くの人が袋いっぱいに荷物を入れて持ち帰る中、に、CO2 の還元が起こる。

ためには糖を分解して燃料アルコールを合成

水の電気分解を光エネルギーによって行う

ラテックス手袋・マスク・キャップに身を固めて現地に向か

津波にやられていたのか泥まみれで濡れたアルバム1 冊だけするというプロセスが必要であり、そのためのことであり、無尽蔵な資源である水と太陽光われた。戻って来られた方と持ち帰り品の汚染検査が私を持ち帰るご老人の汚染検査は心が痛かった。一方、帰宅エネルギーを必要とする。

だけで燃 料を得ることができる究 極の人 工たちの仕事だったが、私の担当した限りでは問題になる汚染

後の自分の被ばく量を見て、「 東京電力のせいで被ばくした、はなかった。

本来なら被ばく量はゼロでなくてはならない」と抗議する人−

生命から学び生命を超える
25 億年前に生命が創り上げた光合成を

それでは人類が目指すべき人工光合成と光合成である。それが原理的に可能である

人間が人工的に再現することはできるのだろは何か。それは「 光合成を超える光合成 」

ことはT i O2 の光水分解の例などにより40 年

しかし、帰宅者の現地滞在時間は 2 時間、持ち帰り品もがいた。その被ばく量は自然放射線レベルだったので、「人うか。今のところ、天然の光合成の再現はであり、光エネルギーと水からの電子を用い以上前から知られていたが、最近、さまざまな

ポリ袋 1 つ分と制限されており、自分がその立場だったらは皆、地面や空気や体内にある天然放射性物質からの実現していない。光合成反応は多くのステッて、直接、水素やメタンなどの燃料をつくる

光触媒が開発され、その実用化も現実味をどうするだろうかと思った。
また、津波の被害にあった地域の放射線や宇宙線によって年間約 2000マイクロシーベルトのプよりなるが、それぞれのステップは極めてシステムである（ 図 4 ）。こうした人工光合成

帯びてきた。

帰宅者には泥で汚れた年金の書類だけ、あるいはまったく被ばくをするので、被ばく量は原理的にゼロにならない」と精密に制御されている。各ステップの再現においても電子源はやはり地球上に豊富に

約 25 億年に起こったシアノバクテリアに手ぶらで戻って来られた方もおられた。この方たちはこれ説明したが、自然放射線のことを理解してもらえず困ることもよる光合成系の確立を「 生命による第一のまで亡くなった家 族の慰 霊さえできなかったのだと思うとあった。体内にある天然放射性物質により通常、人体はエネルギー革命 」とするならば、人類による心が痛んだ。

1キロあたり約 100 ベクレル、
70kgの体重の人は約 7000 ベク

ኳ↛䛾ගྜᡂேᕤගྜᡂ

CO2

CO2 H+C6H12O6

CH4 H
2
CO

人工光合成系の確立は、「 生命による第二私が福島で見たのは日常の顔をした非日常の世界だった

レルの放射能をもっていることもあまり知られていない。これのエネルギー革命 」とよぶべきものであろう。

とでもいえようか。通 過した飯 館 村は栗の白い花が咲く

らの経験はいろいろ考えさせられ人生勉強にもなった。

それにより、もはや化 石 燃 料にも原 発にも美しい高原の村だった。高度汚染のこの地域でも、当時、頼らず、地球環境を一切破壊せずに、太陽

人の暮らしは続いており、小さな子どもが傘も差さずに歩い

光と水からエネルギーをつくりつづけることがているのを見かけたし、ガソリンスタンドや自動車整備工場もできる。それを達 成するにはまだ多くの課 題

営業していた。その一方で、スクリーニング会場横の地面でが乗り越えなければならないが、近い将来、すらガイガーカウンターを向けると毎分 2000カウント以上の

図4 天然の光合成と人工光合成の比較

人類が永久にエネルギー問題から解放され値を示した。人間の日常的な感覚をはるかに超える膨大な

天然の光合成では、光エネルギーと水からの電子を用いて糖を合成するが、人工光合成では、それらから水素やメタン、一酸化炭素などの燃料を直接合成する。

ることも夢ではない。

エネルギーを扱うことの難しさ、特に、常にブレーキを踏み

H2O

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O2

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続けないと制御不能に陥るという原発が原理的に抱える
光 生 体エネルギー研 究室ウェブページ
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特 集 ＿ 東 日 本 大 震 災 をめぐる 理 学

http://www.glab.phys.nagoya-u.ac.jp/

危険性について、改めて深く考えさせられる。
防護服を着て一時帰宅の準備をする住民（撮影：安井幸夫）
No.22 spring _ summer 201217

理 学 部 交 差点
同 窓 生から

キャンパス通信キャンパス通信

実験と英語の発想を融合させた化学教育「げんさいカフェ」ただいま営業中一新されたキャンパス風 景

愛知県立松蔭高等学校 教諭

減災連携研究センター客員教授

生命理学助教福田俊彦（Toshihiko Fukuta）

隈本邦彦（Kunihiko Kumamoto）

杉山伸（Shin Sugiyama）

福田俊彦氏は、1981 年に本学化学科を卒業、以来 30 年

開講していた授業を受講したことと、化学科の有機化学

サイエンス・カフェは1990 年代後半に英国で生まれセミナーをしていただいた客人と昼食に出かける

にわたり高 等 学 校の化 学 教 師として教 壇に立ってきた。

の教科書が英語で書かれていて悪戦苦闘したことが役にた科学コミュニケーションイベント。ゲストである科学者

際に、理学部の新しい建物を紹介しながら散策したら、2011 年 1月には文部科学大臣から優秀教員として表彰を立ったという。

と参加者の市民とが、コーヒー等を片手に対話をする。

思いのほか感心していた。気付いてみると、戦後的通常の講演会などと違って、質疑応答の時間をたっぷだった理学部の風景も、いつのまにか現代風に変身りとるのが特徴で、少人数で開かれることが多い。

している。建物が順番に改築、もしくは新築され、徐々受けているほか、2008 年に中日新 聞 社より中日教 育 賞、具体例をあげて説明する。教科書には次のように書か2010 年に日本化学会より化学教育有功賞、愛知県教育委員れている。
「 第一級アルコール(メタノール、エタノールなど )会より教員表彰を受けるなど、化学教育の分野で大きな実績を酸化すると得られる化合物をアルデヒド(ホルムアルデヒド、

減災連携研究センターでは、
2011 年 6月から月1 回、を上げてこられた。同氏の授業は、実験の重視と英語のアセトアルデヒドなど)という」。
しかし、なぜそのような化合物センターの研究者をゲストに「 げんさいカフェ」を開い

しかし、最後に理学部の中を抜けるメインの通りに発想を取り入れた指導法の2 つが大きな特徴となっている。

をアルデヒド（ a l d e h y d e ）とよぶのかは書かれていない。

ている。研 究 者 が 30 分 ほど自分 の研 究について敷石が敷設され、それが風景のすべてのコンポーネ

これでは暗記するしかない。

語った後、会場からの質問に1 時間ほどかけて答える。

ントを視覚的につなぎ合わせたことにより、一気に統一

質問の仕切りと、難しい専門用語などが出た時にツッコ性がもたらされたように思う。四谷通から坂を上ってくるむ役をファシリテーターである私が担う。

と並木と路面の視線の先に理学部の建物が見えて同氏の授業の特徴は、高等学校で学習するほとんど
すべての単元で、実験を取り入れていることである。しかも事前、事後の解説にも十分な時間をかけているという。
代表的なものに「アルミニウム箔を使ってモルの概念を理解する実験 」がある。
実験の目的は、アルミニウムと塩酸との反応により化学反応の量的関係とモルについての理解を深めることである。
福田氏は市販のアルミニウム箔の厚さが 12マイクロメートル

アルデヒド（ aldehyde ）の水素原子の数に注目すると、もとのアルコールより2 個少ないことに気づく。つまりアルデヒドに進んだ変化だった。

（ aldehyde ）という名前は、アルコール（ alcohol ）から水素

南海トラフ巨大地震に備え、この地域の防災力を

原子（ hydrogen ）を取り除いた（ de ）化合物であることを上げることをめざす当センターでは、研究成果を社会意味している。

に向けて効果的に情報発信することが責務と考えて担当者に聞いたところ、この道は名古屋大学キャンいる。
「 げんさいカフェ」もその重要な方法の 1 つだ。

パスマスタープランにのっとり、大学を東西につなげる

研究者にとっても、カフェで皆さんの質問攻めに「 新たな交流軸 」としての機能が想定されている。

当初、こうした指導は有機化学のみを対象としていたが、その後、改善を加え今では化学全般に及んでいる。

くるのは壮観ともいえる。中途段階ではわからなかった狙いが、完成してやっと理解できた次第である。

であることに注目、これを2.5c m×3.4c mに切り取ると、ほぼ

現在、高等学校の生徒の中には、「 化学は暗記科目」とあうことはいい経験になる。どう説明すれば一般の人

また、将来的には学内駐車場所を大学敷地の周辺部

0.001m o lに当たる。通常高等学校にある機材でここまで思い込んでいる生徒もいるという。
しかし、実験を重視するたちによくわかってもらえるのか、一般の人たちは研究に移し、ここを歩行者専用にする計画もある。しかし、精密な測定は不可能だが、市販のアルミニウム箔の厚さにことで化学反応を具体的にイメージさせ、英語の語源をひも者にどのような期 待をしているのかが “ 肌でわかる”

そういう入車制限を待たずして、すでに効果が現れて注目することで、化学反応式の係数比を目に見えるかたち

とくことで名称を成り立ちから理解できると福田氏はいう。

からだ。

いる。遊歩道的な空間は広場のようで、他の建物にちなみに「 げんさいカフェ」の「さい 」は減災と出かける際にもちょっと気分がいい。人と会話しながらサイエンスの両方にかけているのだが、英語表記の歩いていても話が弾む。外に出るとふっと散歩したくのときに受けた化 学の授 業で実 験の面白さを知ったこと

Gen Science CaféのGenはGeneralの省略形としてなる。一言でいえば、理学部もキャンパスらしくなっただったという。実験を重視する校風であった名古屋大学の「 一般の」
とか「 普遍的な」といった意味があるらしい。

ということだろうか。

化学科で学んだことも現在につながった。

そのことも気に入っている。

にして表現できることを実感できるようにした。
そもそも同氏が化学の教員を目指したきっかけも、高校生「 実験こそが化学の王道です 」。その言葉には確かな（K）重さがあった。

実験重視の授業とともに福田氏の指導法の中心をなすのが、化学について理解を深める方策として英語の発想を取り入れていることである。化学を学ぶ生徒にとってとっつきにくく思われるのは、有機化合物名がほとんど片仮名で書かれていることである。片仮名を片仮名のまま理解しようとするとどうしても暗記にたよることになる。
福田氏は化合物の名称を英語の成り立ちから解きほぐす（上）実験を重視した授業
右が福田氏ことによって、理解を深めることができるのではと考えた。

（右）
自作の実験プリント

ここでも、大学在学中に語学センター（ 当時 ）が全学向けに「げんさいカフェ」の様子。研究者を囲むように参加者が座り、じっくり対話する（左側が筆者）

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理学部交差点

理学部 C 館からの風景

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