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］
spring _ summer 2021

編 集だより本

誌『理フィロソフィア』が、記念すべき 4 0号の節目を迎えた。20 01年度の創刊以来 20年間にわたり、毎年

竜40

宮は海にまつわる伝説である。小 惑 星リュウグウは水を含む岩石があると考えられたこともその名の由

2号の発行ペースを守り、装丁や構成を大きく変更することも来の一つである。地球に住む我々には水は当たり前の存 在なく、名大理学の研究を世に伝えてきた。
「創刊のことば」にだが、太陽系の惑星で海があるのは地球だけだ。しかし、地あるように、理学部・理学 研究科は、外的な動向に即応しつ

球の水がどこから来たのか、複数の仮説があり、十分にわかっ

つもそれに惑わされることなく、20~30 年先を見越した長期ていない。原始の地球に海がなければ、生命は誕生しなかっ的な展望のもとに、真理を探究する基礎研究の発展を目指した。リュウグウはまた有機 物を含むと考えられ、生命誕 生のている。この精神に沿って、タイムリーなトピックスの解説に神秘を明らかにする手掛かりが得られるものと予想されてい終始することなく、特徴ある研究とそれを営む研究者の姿をる。今 号の特 集では、宇宙での水の存 在と生命の起源を探伝えるよう心がけてきた。地道にそのことを丁寧に続けてきる研究をとりあげた。小惑星から物質を持ち帰るという成果たことを名大理学の一員としても誇りに思う。本来であれば、は「はやぶさ」に次いで 2例目で、日本が世界に先駆けている。

記念パーティを開催したいところだが、コロナ禍のためそれ地球に生きる命の神秘を宇宙から解明するミッションに心がもできない。この場を借りて、これまでの発行に携わった多く躍る。渡邊誠一郎さんと三村耕一さん、あわただしい年度末の協力者と本 誌を読み感 想や意見を送ってくださった読 者にもかかわらず読みやすく躍動的な記事を執筆いただきありの方々に感謝申し上げたい。
（飯嶋徹）

がとうございました。
（夏原由博）

お知らせ▶ 理学南館にバックナンバーが勢ぞろい▶ バックナンバーはウェブからも入手できます▶ 名古屋大学のコロナ対策

今 号で『理フィロソフィア』は創刊 40 号を迎え

理学部・大学院理学 研究科のウェブページにあ新型コロナウイルス感染症が世界的に猛威を振ました。理学南館 1階ロビーには創刊以来の全る広報誌サイトでも、すべてのバックナンバーがるい、日本国内においても感染が拡大していま号がそろうバックナンバーコーナーが 設けられ

PDFファイルでダウンロードできます。こちらにす。政府において、新型コロナウイルス感染症対ています。ポケット式の棚には 40号の表紙がすもぜひアクセスをお願いいたします。

策の基本方針が策定されたことを踏まえ、名古べて見えるように収納されており、気になった号

https: //www. sci .nagoya-u . ac.jp/ kouhou /屋大学でもさまざまな対応策を講じています。

がピックアップできます。40号の歴史をぜひ「一backnumber.html

名古屋 大学の最 新の活動 指 針については以下をご参照ください。

覧」してみてはいかがでしょうか。

https://www.nagoya-u.ac.jp/

表紙説明

No .40spring _ summer 2021

惑星リュウグウ。炭素と水は地球 上の生物の原材料とも

広報委員

言える。
「はやぶさ 2」が持ち帰った玉手箱が今あけられようとしている。

組織図
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

関連施設等
附属南半球宇宙観測研究センター
附属タウ・レプトン物理研究センター
未来材料・システム研究所

物理学科

素粒子宇宙物理学専攻

素粒子宇宙起源研究所

化学科

物質理学専攻物質科学国際研究センター

生命理学科

生命理学専攻附属臨海実験所

名古屋大学・エディンバラ大学
国際連携理学専攻

附属ニューロサイエンス研究センター

編集発行

環境学研究科
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
ご意見、ご感想をお待ちしています。

遺伝子実験施設

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。

生物機能開発利用研究センター
地球惑星科学科

2021年05月14日発行
阿波賀邦夫（研究科長）
寺﨑一郎（副研究科長）
嘉村 巧（副研究科長）
松尾信一郎（数理学科）
飯嶋 徹（物理学科）※委員長
中澤知洋（物理学科）
川﨑猛史（物理学科）
伏谷瑞穂（化学科）
杉山 伸（生命理学科）
平子善章（生命理学科）
夏原由博（地球惑星科学科）
南崎 梓（素粒子宇宙起源研究所）
堂前弘樹（事務長）

広報委員会までご連絡ください。
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。

宇宙地球環境研究所
附属地震火山研究センター

事務部

博物館

技術部

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エスケイワード
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。

ISSN 1884 _ 8486

特集

2308

炭素を含む有機 物や水が 存 在すると考えられている小「 生命の謎を宇宙に探る」_「 はやぶさ2 」の竜宮城往還記 ◇ 渡邊誠一郎_
隕石が運ぶ生命の素 ◇ 三村耕一
08_
時を語るもの〈 福井崇時博士 〉◇ 飯嶋 徹
02_
理のエッセイ ◇ 森吉仁志
03_
理の先端をいく ◇ 谷口博基／井上晋一郎／柳井
12_
理学部交差点18
04

毅

時を語るもの◎理のエッセイ

うたかたの表現性

福 井 崇 時 博 士 ＿ 飛 来 する 粒 子 を可 視 化 する
福井崇時博士は、1950年代に、「ネオンホドスコープ」とスパークチェンバーともよばれるこの装置は、粒子が通過呼ばれる装置を粒子が通過する際に生じる放電を使って、した位置の決定精度が高いうえに、応答時間が極めて短く、宇宙線が大気中で引き起こす空気シャワーの構造を精密

トリガーを使うことで目的の現象のみを観測できる。そのため、＊1に決定した。やがて福井博士は、宮本重徳 博士とともに、宇宙線研究のみならず、事象頻度が高い加速器を使った高この放電がガラス管全体ではなく、粒子の飛跡に沿って起エネルギー物理実験の主流装置の一つとなり、1960年代のこることを見出した。そこで、2枚の導電ガラス板の間にネ数々の発見＊2をもたらした。福井博士は、放電箱を応用した

オンガスを封じ込め、宇宙線粒子が入射した時に短時間、加速器実験に軸足を移し、日本の高エネルギー物理学の先

高電圧のパルス（トリガー）を印加すると粒子の飛跡に沿っ駆けともなった。
「最先端の研究成果は最先端の装置開発て局所的な放電が起こることを確かめた。
「放電箱」の発から」－名古屋大学の伝統をここにも見ることができる。

明である。

（飯嶋

徹

森 吉 仁 志 多元数 理 科 学 専 攻 教 授

ふく

い

しゅう

じ

福 井 崇 時（1923 - 2018）
元名古屋大学理学部教授
紫綬褒章受章（1985）

Illustration: Junichi Kishi

素粒子宇宙起源研究所教授）＊1 宮本重徳（1931 - 2 017）
大阪大学名誉教授＊ 2 19 60年代の数々の発見
ミュー型ニュートリノの発見（1962）、CP対称性の破れの発見（1964）の実験で放電箱が使われている。

1年前の今頃コロナウィルス感染者数が増え始めた。本学では春学期は対面授業を休止して遠隔講義とし、秋学期は一部対面授業を再開した。
昨年 6月に遠隔授業に関する調査を行ったところ、学生の8割が肯定的であった。動画を好みの場面で止めたりして自分のペースで学習できる、通学がないので効率的、時間に縛られないという。
しかし遠隔が対面に勝るとは思えない。この結果は、私にとって対面授業の特性を熟考する良い機会となった。対面の利点と遠隔の不利な点（カッコ内）を列挙してみよう。黒板では多量の情報を見渡せる（PCの画面は小さい）、気軽に質問ができる（同時の質問は聞き取れない）、その場で説明を追加省略できる（ファイルは変更できない）、流れに乗り先に進める（一人では理解できないと止まる）。
こうして対面授業の特性がわかってくる。一つは、教員と受講者の意思疎通が極めて密接に行われていることである。対面授業では、送り手は話しかける
最中にも受け手の反応を確かめており、次の働きかけを刻々と修正している。意思疎通は、瞬間においてすら一方通行ではない。もう一つは、消えるものに託した表現の有効性である。コンサートに行くことや寄席で落語を聞くことなどは、すべて送り手の流れに乗って進むことである。流れは止むことなく、現れた泡沫
は消えては生まれて生まれては消え、片時もとどまることはない。忘れ去られ消えゆくからこそ表現できることもある。冗談を交えた講義の説明によって、書籍◇写真の説明名古屋市科学館における放電 箱の常設 展
示。1978 年に名古屋市 科 学館は日本で初
めて放 電 箱の一 般公 開を行った。現 在の装置は外装を変えているが、放電箱そのものは科学館導入時のままで作 動させている。写 真は宇 宙 線 粒子の飛 跡に沿って放電箱で起こる放電の様子と展示外装。

を何度読んでも理解できなかった概念を頓悟した数理教員も多いと思う。
泡沫をうたかたという。瞬間での意思疎通や消えゆくことを前提にした表現とは「うたかたの表現性」であろうか。
対面授業から離れてほぼ 1年になる。うたかたの表現性に気づいて対面授業の深みを再認識し、講義を楽しみに思えるようになった。感染症流行が終息し、全面的に対面授業が再開される日が早く来ることを強く希う。

Hitoshi Moriyoshi

02

時を 語 るもの

1961年広島県生まれ。東京大学理学系研究科、ブラウン大学大学院、
ペンシルベニア州立大学（Ph. D.）を経て、ニューヨーク州立大学、東京工業大学、北海道大学、慶應義塾大学で教鞭をとり、2009年より多元数理科学研究科教授。指数定理と非可換幾何学に関心を持っている。

No.40 spring _ summer 2021

03

特集

生命の謎を宇宙に探る「はやぶさ2」が小惑星リュウグウから試 料を持ち帰った。

高度からの観測で、L08地域にも岩塊が生命の原材料である有 機 物や地 球の海 水の起 源を探 求 する。

多数あり、安全な着地には高精度の自律

詳細な分析は今後なされるが、今 号の特 集では「はやぶさ2」の図 2 小型ローバーMINERVA-Ⅱ1B（アウル）が写したリュウグウ表面

リュウグウへの到達から地 球 への帰 還についての経過と意 義について論 考いただいた。

9月 21日、同一設 計 の 2 台 の円筒 状のローバー1A（イブー）と1Bが同時に「はやぶさ2」から放出され、トリトニスと名付けられた領域に着陸した。これらのローバーは表面をホップして移動する。この画像はホップする
直前に撮 影。岩石に覆い尽くされた表面の様子がわかる。
（写真提供：JAXA／工大／明治大／会津大／産総研）

もう一 編は、地上に落 下した隕 石からわかった宇 宙での生 命の進 化の可 能 性についての研 究 成 果である。
生命の謎を宇宙に探す 研 究は新しい局面を迎えた。

「はやぶさ2」の竜宮城 往 還 記

制御でより狭い領域をめざす必要があった。訓練 時に人 造天体リュウゴイドには着地可能領域が仕組んであったが、神の手なるリュウグウははるかに強敵だったのだ。
そこで、私たちはタッチダウン方式を変更する決断をした。まず、ターゲットマー
カー（TM）とよばれる目印を降下運用で設置し、その後、TMから目標点までの相渡 邊 誠 一 郎 地球環境科学専攻教授

対位置を探査機にセットした上で再び降
図 1 「はやぶさ2」がとらえたC型小惑星リュウグウ

下し、TM捕捉後、目標点まで自律移動さ2018 年 9月 20日撮 像。ONC-Tの 7バンド 7 枚の連 続画像を超解像処理。赤道リッジが目立つそろばん珠の形状で、赤道直径は約1km。南極付近にはオトヒメボルダー（岩塊）。赤道上のやや左にはウラシマクレーター。
「はやぶさ2」の観測は基本的に天体上空の地球方向から行う。超解像処理はJAXA横田康弘氏による。
（写真提供：JAXA／東京大／高知大／立教大／名古屋大／千葉
工大／明治大／会津大／産総研）

せる方式を選んだ。10月 25日にまずは高度 13mまで降下して、TMを設置した。しかし、TMは目標点からずれて静止したため、近くに新たな目標領域L08-E1（半 径3m）を設定した。その後、リュウグウと地体下方に伸びる筒状のサンプラホーンがして、試料 採取点とアプローチ計画を立球の間に太陽が入ってしまう合期間があっ

着地（タッチダウン）した瞬間にホーン内てねばならなかったことだ。実は、到着前たため、翌2019年2月22日に第1回目のタッ部から弾丸が表面に向けて発射され、衝の1年以上をかけて、私たちは 3億ポリゴ

チダウンを行う計画を立てた。

撃で跳ね飛ばされた砂礫がホーンに導か

ンの仮想小惑星リュウゴイドの形状・熱モ

トラブルで前日の降下開始が遅れたもれキャッチャーに入る方式だ。他にも光学

デルを計算機上に作成し、それを使ったのの、降下速度を上げて予定に追いつき、

カメラONC-T、中間赤外カメラTIR、近赤模擬観測、データ解析、着陸点選定の訓

見事に目標点へのタッチダウンを果たした

外分 光計NIRS3、レーザ測距計LIDAR練を実施した。その経験を生かし、到着（図 3）。サンプラホーンを視野に収めたモが科学観測機器として、衝突装置SCIと分直後から機器較正をしながら、観測を開

離カメラDCAM3が宇宙衝突実験用に搭始し、データ解析と形状モデル作成を進載されている。

めた。

「はやぶさ2」は 2014年 12月3日、種子島
宇宙センターから打ち上げられ、地球スイ

Sei-ichiro Watanabe

1964 年静岡県生まれ。1990 年、東京大学大学院理学系研究科地球物理学 専攻 博士課程中退。1990年、山形大学理学部助手。1993年、名古屋大学理学部助手。1995年、同大学大学院理学 研究科助教授。2001年、同大学院環境学 研究科助教授等を経て、2008年より現職。理学博士。専門は惑星科学。2012年より、はやぶさ2プロジェクト・サ
イエンティスト。

大地への接吻を祝う紙吹雪

ングバイや長期のイオンエンジン運転によっ

自転軸が 軌 道面にほぼ 垂直であったて軌道を変え、2018年 6月にリュウグウ近のは観測に好都合であった。しかし、全傍に達した。その後、探査機がゆっくりと球に無数に転がる岩塊の隙間に、なるべ

近づき、6月 27日に小惑星中心から地球

く広い着地候 補 領域を見つける作 業は方向に 20kmのホームポジションに到着し困 難をきわめた。2018 年 8月の 時点で、た。3年半の旅路の末に門前に至った竜宮

赤道付近のL08と名付けられた 100m四竜宮城への到着まで

も含め、日本時間）に小惑星表面試料が来、サイエンスを統括するプロジェクト・サ

城は、そろばん珠のようなかたちで、入城方の地域はボルダー数密度が低く、候補『理フィロソフィア』25号の「理の先端入った再突入カプセルが無事オーストラリ

イエンティストとして、本ミッションに携わっを峻拒する鬼の如き岩塊がひしめき、炭地域に選定された。しかし、9月から10月をいく」で、「はやぶさ2」計画をご紹介しアで回収され、現在は宇宙航空研究開発てきた。

素質の暗い輝きを放っていた（図 1）。

にかけて相次いで表面に投下されたローてから7年半。当時は探 査機開発の山場機構（JAXA）宇宙科学研究所内の施設「はやぶさ2」ミッションは小惑星リュウ

ミッションの最大の難関は、地上からは

バーMINERVA-Ⅱや 着陸機 MASCOTを迎えていて、打ち上げに間に合うか心で、分取作業を進める段階に至っている。

グウの表層物質を地球に持ち帰るサンプ

かたちも自転軸方向も未知の天体に対しは、岩塊に覆われた恐ろしげな地表を映労の日々だったが、昨 年 12月 6日（以下

私は、太陽系形成論が専門で、2012年以ルリターン探査である。サンプラーは、機て、到着後の短期間の観測データを分析し出した（図 2）。また、投下運用時の低04

特 集 ＿ 生 命 の 謎を宇 宙に探る

図3

第 1回目のタッチダウン直後の着地点付近の様子

2019年 2月 22日、高度 25mから可視広角カメラONC-W1で撮影。赤矢印は事前設置されたターゲットマーカー。黄色の破線は半径 3mの着地目標域L08-E1で、その中に誤差 1mでピンポイント着地に成功したことが事 後解 析で確認された。中央付近の黒い模様は表面離脱噴射で舞い上がった岩片と表面の擦痕。
（写真提供：JAXA／東京大／高知大／立教大／名古屋
大／千葉工大／明治大／会津大／産総研）

No.40 spring _ summer 202105

特集 _生命の謎を宇宙に探るされたことが示された（図 5）。

ニタカメラCAM-Hの画像によって、タッチ危険を伴うSCI 運用のため、チームは飛んだためだ。クレーター生成の様子はダウン直後に大量の砂礫が表面から舞い

いつにも増した緊張に包まれた。待避がDCAM3のデジタル系の画像では、まさリュウグウ表面には含水鉱物がほぼ全に急上昇して、その後は日中にわたって変上がる様子が確認され、私は試料採取の無事にできた後も、クレーター生成は未にスローモーションを見るようで、10分近域に存在することが近赤外分光計NIRS3化は少なく、日没の直前になって急降下す

成功を確信した。実はCAM-Hは試 料 採確認の中、母船経由で地上に伝送された

く継続した。

の観測から明らかになり、表面反射率がるという特異なものだった。大気をもたず取用の弾丸が造った小クレーターを写す

DCAM3の画像を、私も固唾を飲んで見生成されたクレーターは半円形で、放低く炭素質物質の含有率が高いと予想さ岩だらけの天体表面では、面の向きはさまために搭載されたのだが、弾丸衝突と探守った。DCAM3にはアナログ系とデジタ

出物は北西側半円の方向に偏っているこれることとあわせて、小惑星帯から地球へ

ざまで、太陽光が低角入射する朝夕でも、査機の表面離脱噴射により舞い上がった

ル系の 2系統のカメラが組み込まれている

ともONC-T画像 解 析 から明らかになっもたらされた水や有機物の起源に関する

太陽に正対する面があって、高温となる。

砂ぼこりで、表面の様子はわからなかった。

が、解像度は低いがデータ容量の小さいた。そこで、次のタッチダウンはSCIクレー

制約が、帰還試料の分析から得られるの大気がないため隣接する面で温度が違っ

しかし、成功を祝う紙吹雪のように砂礫がアナログ系の起爆推定時刻前後の画像のターの北北西の約 20m離れた領域に設ではと期待される。

ても緩和しない。こうした表面をホームポ

舞い飛ぶ画像は、私たちに忘れえぬ感動

みがダウンロードされた。傾いたリュウグ

定された。7月11日、第 2回目のタッチダウ

リュウグウ表面の分光学的特徴は地域

ジションから観測すると、上述の特異な温を残した。

ウの像に目を凝らすと、一筋の白線が表面

ンが 敢 行され、CAM-Hの視野には再び変化が小さく、平均密度が 1.2g/cm3と低度変化が得られるのだ。表面の凹凸を加に対して45°ほど傾いて伸びていた。アナ

成功の紙吹雪が舞ったのである。

いこととあわせて、母天体が破壊された際味した熱モデルはTIRの観測結果を再現に比較的均質な破片を集めて生成されたしており、小天体の標準的な熱モデルにな「がれき（ラブルパイル）天体」であることるだろう。

扇の的を射よログ系の1秒後に撮られたデジタル系の画

2019 年 4 月 5日、「はやぶさ 2」は 小 型

像を図 4に示す。たちまち、チームメンバー

衝突装置SCIによる人工クレーター生成

がディスプレイを何重にも取り囲み、歓喜実験に挑んだ。爆薬入りの起爆部は底面の叫びが続いた。

竜宮城でわかったこと

面の放射 温度の日変化は、日の出とともリュウグウ近傍探査の成果は、2021年を示す。ただし、岩相や色に違いもあるこ

2月時点でScienceやNatureなどの一流国となどから、母天体上での熱変成や衝突

玉手箱の中にあった宝物図 6 「はやぶさ2」再突入カプセルの火球画像に 2kgの銅板が張られた円錐形だが、起その後、探 査機はホームポジションに

際科学誌に 30編近い論文として発表され破砕の影響が示唆される。過去の一時期「はやぶさ2」は 2019 年 11月にリュウグ

爆とともに銅板は自然と半球状に成形さ戻り、人 工クレーターの降下観測を行っている。主な成果を簡潔に紹介しよう。

に特に表面風化が進んだことを示す解析

ウを出発し、2020年 12月6日未明、リュウ

れ、秒速 2kmで天体表面に衝突する設計た。縁から縁までの直径が 18mにも達す

赤道が張り出したそろばん珠のような結果から、その頃、太陽にかなり近づく楕

グウ試料を格納したカプセルを地球に投だ。容器は爆発で四散するため、探査機る巨大なクレーターが生成されていた。本かたちは、過去の高速自転で生じたことが円軌道をしていたことが示唆された。この入し、オーストラリアにパラシュートで落下

は小惑星の陰に隠れねばならない。待避番と同条件で事前に行った地上実験では形 状モデル解析から明らかになった。表ようにリュウグウの歴史も紐解かれつつあさせた（図 6）。回収された 5gを超える試に要する約 30分間、円柱型のSCIは小惑

生成孔の大きさは 2mあまり。ここまで大面熱放射の非等方性によって自転状態がり、帰還試料の絶対放射年代測定による料はキャッチャーから取り出され、分別・星近傍空間で中心軸のまわりを回りながきくなったのは、天体重力が地球の重力変化するYORP効果によって、リュウグウ

検証が待たれる。

秤量と可視・近赤外線分光が進められてら待ち、時限起爆する。SCIの衝突でリュに比べ 8万分の1ときわめて小さく、かつ、の自転周期は、過去には現在の 7.63時間

SCI衝突実験の大きな成果は、小惑星いる。2021年 6月には全国の研究機関にな楕円軌道に入った。これによって 7年後ウグウ表面から放出物が出る様子は、探表層を構成する砂礫を固着させる力が非より短時間で自転していたことがわかった。

上で初めて衝突実験を行って、衝突エネ分配され、各種の初期分析や高次記載がに再び地球に戻り、二度の地球スイングバ

査機待避の途中で分離される小型カメラ

常に弱かったことが原因で、クレーターか

自転周期が 3.5時間程度まで短い時に、遠ルギーと生成クレーター半径の関係を求実施される。近傍観測は多くの発見をもたイで、1998KY26という仮符号がつけられ

DCAM3によって撮る計画である。

らの放出速度がとても遅くても遠くまで心力により表層地滑りが起こり、形状形成

め、従来の想定よりも小さな衝突体でもらしたが、それ以上に多くの謎を生み出した自転周期 10.7分で高速自転する微小な大きなクレーターができることを明らかにている。それらの謎は、今後の地上分析に（直径 30m前後）小惑星へのランデブーをした点にある。これをリュウグウ上の天然

よって決着がつくものと期待される。

めざす計画を立てた。直径 1kmのリュウグ

図 5 表面傾斜分布と降伏モードの数値解析例

図4

分離カメラDCAM3がとらえた人工衝突放出物

2019年 4月 5日撮像。衝突装置SCIの銅球殻が表面に衝突して 3
秒後のDCAM3デジタル系の画像。リュウグウの赤道よりやや北に衝突。衝突点付近の拡大図（120°右回転）に生成クレーターから掘削された放出物の白い筋が見える。放出物は非対称で、北側（右側）の方が濃くのびている。
（写真提供：JAXA／神戸大／千葉工大／高知大／産業医科大）

密度一定の形状モデルを使用。
（A）周期 7.63時間、4.0時間、3.5時間で自転させた場合の面積重みつきの表面
傾斜分布。
（B）それぞれの自転周期での形 状モデルに投影した表面傾 斜マップ。周期 3.5
時間になると、岩塊などを除いて表面傾
斜が 35°程度となる。これは過去の高速自転で広範な領域で表面地滑りが起こ
り形状形成されたことを示唆する。
（C）自転周期 3.5時間のときの内部降伏
領域（黄色）と変形ベクトル。砂礫間の凝集力が弱いこのケース（数Pa程度）では内部崩壊モードだが、凝集力が増加して十数 Pa以上となると表面地滑りモードに移行する。
（Watanabe et al. (2019), Science 364,
268）のクレーターのサイズ頻度分布にあてはNASAの 打ち上げた 探 査 機 OSIRIS-

ウと数m以下の隕石とをつなぐサイズの微め、小惑星帯での小惑星サイズ個数分布

RExがリュウグウに似た炭素質小惑星ベ

小小惑星への探査は世界初であり、どれの関係と組み合わせることで、その表面

ンヌの詳細な周回観測を行い、2020年 10ほどの強度をもつ天体なのかなど、興味は年代を推定すると、約 1000万年と若いこ

月20日に 1回きりの試料採取に成功した。

尽きない。到着は 2031年 7月とはるかに先とがわかった。これは起源と目される母

2023年 9月に試料を地球に持ち帰る予定となり、それまで探査機や観測機器が健天体が衝突 破壊を起こしてリュウグウをである。リュウグウとベンヌの近傍観測結

全な状態を保てるかは予断を許さないが、形成したと推定される時期よりもずっと若果と試料分析結果を比較することで、炭この新たな挑戦を若いメンバーが引き継く、形成後に高速自転による地滑りなど

素質小惑星としての共通性とそれぞれのぎ、成功させてくれることを期待したい。

で表面更新された（それまでに蓄積され天体のもつ個性とが弁別できるものと大たクレーターがかき消された）可能性を示

いに期待される。

特 集 ＿ 生 命 の 謎を宇 宙に探る

はやぶさ 2プロジェクトウェブページ
https://www.hayabusa2.jaxa.jp/「はやぶさ2」は予定通りカプセルを地球唆する。
中間赤外線カメラTIRによるリュウグウに投入した後は、地球離脱のための噴射の熱画像からも大きな発見があった。表を行って、地球と金星の軌道をつなぐよう地 球 惑 星 物 理 学 講 座 ウェブ ペ ージ

06

2020年 12月 6日、オーストラリアのクーバーペディ付近で撮影。画像を横切る明るい光跡が、大気圏突入による昇温で発光して火球となったカプセルが描いたもの。ケンタウルス座α星（画像中で最も明るい星）付近で温度が下がり減光したのがわかる。火球の左上の光跡はスペース
Xのスターリンク通信衛星の1機とみられる。
（写真提供：JAXA）

http://www.eps.nagoya-u.ac.jp/~geophys/index.html
No.40 spring _ summer 202107

特集 _生命の謎を宇宙に探る

隕石が 運ぶ生命の素
三 村 耕 一 地球環境科学専攻准教授

図2

球形をしたコンドリュール＊ 2とよばれる球

チソン隕石が 落下後ただちに回収され、1969年 9月28日午前 11時ごろ、オースト

粒が点在している（図１b）。これらの特徴

地球の有機物汚染を最小限に留めたこと

ラリア、ビクトリア州の空を光り輝く光球

から、マーチソン隕石は炭素質隕石と分類が有利に働いた。さらに、マーチソン隕石が横切った。その軌道の先に位置するマー

され、太陽系ができて間もないころに存在が落下した 1969年はアポロ計画のまった

チソン村一帯（15km 2）に散らばった真っした状態を保ち続けている隕石であるこだ中で、同年の 7月にはアポロ11号が人類

黒な塊は、マーチソン隕石と名付けられる。

とが判明した。

史上初めて月に着陸し、月試料を地球に有機物を含む隕石

マーチソン隕石の薄片写真

マーチソン隕石のようなケイ酸塩鉱物からできている隕石は、地球の岩石と区別がつきにくく、道端に落ちていても隕石とは気づかないかもしれない。
（a）隕石の表面はフュージョンクラスト＊１に覆われていて、溶けた物質が流れてできた模様も観察できる。
（b）隕石内部は、主に黒く見える細かい粘土鉱物で構成されており、白く見えるコンドリュール＊２が全体に散らばっている。有機物はこの黒い部分に保持されている。
スケールの最小目盛りは、両写真とも1mm。
（所蔵：名古屋大学地球環境科学専攻）

隕石を50μmほどに薄く磨いて偏光顕微鏡で観察すると、鉱物が光を透過して特有の色を呈する。写真中央部で色鮮やかに見える部分の集合体は、主に輝石という鉱物でできているコンドリュールである。コンドリュールは原始太陽系星雲の中でできたため、分析することで初期太陽系のさまざまな情報を得ることができる。写真右下の白いスケールバーの長さは 500μm。
（写真提供：橋口未奈 子
名古屋大学地球環境科学専攻助教）

図1

マーチソン隕石の外部（a）と内部（b）

隕石は落下後すぐに採集され、回収量はマーチソン隕石の薄片を偏光顕微鏡で持ち帰っていた。アポロ計画により確立さも溶解しない不溶性有機物や、アミノ酸、

結論づけることはなかった。その 6年前の隕石から検出されたL体過剰のアミノ酸

合計 100kgに達した。隕石の表面は、鉄な観察すると、さまざまな鉱物が確認できる

れた高度な分析技術が、隕石の分析にも核酸塩基、尿素など生命体と密接に結び

1828年、ベルセーリウスは、自分の弟子で地球生命体のタンパク質を構成するア

どの沸点が高い物質でできたフュージョン

（図 2）。これまで、マーチソン隕石につい適用されることになったのだ。

ついている有機物も含まれる。これらの化あるウェーラーが無機的に尿素をつくり、ミノ酸（以下、タンパク質アミノ酸）のうち、＊1

クラスト で覆われ、落下時に隕石が高温ては、鉱物組成、化学組成、有機物組成、マーチソン隕石には炭素が 2%程度含ま

学組成と同位体組成から、検出された有天然有機物の人工的な合成に成功したこ

マーチソン隕石からは、グリシン、アラニン、に曝されて溶融したことを物語っている（図

同位体組成の分析が詳細に行われてきてれており、多種多様な有機物が存在してい機物は地球の生命体によってつくられたもとを知っていたはずだが、当時、有機物はグルタミン酸、バリン、プロリン、アスパラ１a）。隕石の内部は黒く、0.5〜2㎜程度のいる。特に、有機物分析については、マーる（図 3）。この中には、酸にも有機溶媒にのではなく、もともと隕石中に存在してい生命体がつくる物質だという認識が非常

ギン酸、ロイシンが検出された。その他はた宇宙有機物であることが明らかになった。

に強く、宇宙有機物の存在を受け入れる

タンパク質を構成しないアミノ酸（以下、

これ以前にも、隕石に対して有機物分ことができなかったのである。さらに、当非タンパク質アミノ酸）で、その化学種は析が行われたことはあった。たとえば、ス

時は有機物の起源を判断するための分析

70種類以上報告されている。また、マーチ

ウェーデンの 化 学 者 ベル セーリウスは技術がなかったことも、隕石有機物の起ソン隕石から検出されたアミノ酸の中には

1834年にアレ隕石の有機物分析をしてい源を正確に把握できなかった理由であろう。

D体に比べてL体が過剰に存在するもの

るが、検出された有機物を地球外物質とそれに比べ、マーチソン隕石は落下直化合物

Koichi Mimura08

特 集 ＿ 生 命 の 謎を宇 宙に探る

1966年生まれ。1995年、名古屋大学理学研究科にて博士（理学）取得。名古屋大学理学部助手、日本学術振興会海外特別研究員（アメリカ地質調査所デンバー）、名古屋大学環境学研究科助手を経て、2005年より現職。専門は、地球化学。現在、衝撃圧縮と静水圧縮でつくられる高温高圧環境（250〜900℃、1〜35GPa）での有機物の挙動を研究。

存在度
(ppm)

がある。

後に注意深く回収され、高い分析技術で一般に、グリシンを除くα−アミノ酸は、データが得られたため、宇宙有機物の存

異なる旋光性を示す異性体（鏡像異性体）

在を証明する歴史的な隕石となった。そのを持ち（図４）、触媒を使わず無機的に合後、過去に回収された数種類の炭素質隕成されたアミノ酸はD体とL体が等量のラ石の再分析により、これらの隕石も、マー

セミ体となる。一方で、マーチソン隕石の非タンパク質アミノ酸の中にはL体の鏡像

脂肪族炭化水素35

芳香族炭化水素30

チソン隕石と同様に多種多様な有機物を

カルボン酸

370

含んでいることが確認された。これにより、異性体過剰＊3が 2〜9%程度を示すものが

アミノ酸

60

炭素質隕石は宇宙有機物を保持している

報告されている。L体過剰の原因としては、アルデヒド、ケトン

30という認識が一般的になった。

原始太陽系星雲に円偏光が降り注ぎ、選糖アルコール

60

アミン

10

尿素

25

核酸塩基

0.2

スルホン酸

70

ホスホン酸

2

不溶性有機物

1.45%＊

択的にD体アミノ酸が分解されてL体過剰のアミノ酸が隕石中に残ったという考え方
図 3 マーチソン隕石から検出された
主要な有機物の種類とその存在度
不溶性有機物は、ベンゼン環、カルボキシル基、アミノ基など様々な基が複 雑に絡み合ってできている有機物である。また、不溶性
有機物は、炭素質隕石から検出される有機物のなかでも圧倒的に高い存在度を示すため、他の有機物が不溶性有機物から生成したと考える研究者も多い。＊は不溶性有機物のみ、単位は%。
（主にSephton, 2002より）。

が提案されている。
マーチソン隕石のタンパク質アミノ酸が示すL体の鏡像異性体過 剰については、
地球生命体からの汚染を排除しきれないということで、その信憑性に関して賛否両

No.40 spring _ summer 202109

特集_生命の謎を宇宙に探る

（b）

（a）

図4

図5

アミノ酸の鏡像異性体

34億年前に生息していた生物の化石

これらの化石は、オーストラリアのピルバラ地域に産出する 34億年前の地層から、名古屋大学の杉谷健一郎教授によって発見された。
（a）赤道面に帽子のツバのような飾りをつけた球体の化石。ツバは網目状で、ツバや球体上の黒色の点は主に炭素から構成されており、窒素、硫黄、リンを含むこともある。
（b）球体の化石が直線状にいくつも連なる化石群。球体の化石がシート状に連なる化石群も発見されており、当時の複雑な生態がうかがえる。
（写真提供：杉谷健一郎名古屋大学地球環境科学専攻教授）

グリシン以外のα-アミノ酸は不斉炭素を持つため、片方がもう片方の鏡像となる鏡像異性体を持つ。鏡像異性体は、直線偏光を透過する時に偏光面を回転させる性質を示し、その回転方向によって、Lまたは S 体、Dまたは R 体と区別される。
（a）L−アミノ酸、（b）D−アミノ酸。
図中のRはH以外のアルキル基。

論ある。しかし、宇宙起源のアミノ酸がL存在し、それらを構成している水素、炭素、ンモニアからα–アミノ酸を合成するシュト

43億年前になると、液体の水をたたえた料として有利な化合物に変化することがもしれない。私たちに届けられたリュウグ

体の鏡像異性体過剰を持つという事実は、

窒 素などの 元 素は 重 い同 位体（D、 C、

レッカー反応が起こり得る。

原始海洋が現れる。そして、34億年前に明らかになった（アミノ酸の一部はペプチ

ウ試料から、今後、どんな分析結果が得

地球生命体が L体アミノ酸のみを使用す

15

は図５のような明瞭な形態を持つ生命体

ドに変化）。これにより、地球生命体の誕られるのだろうか。期待に胸がふくらむば
かりだ。

＊4

13

N）を多く含むことが報告されている。隕以上に挙げた宇宙有機物の生成環境は、るホモキラリティー を示すことと無関係

石中の有機物も重い同位体の水素、炭素、

私たちの太陽系に限ったものではない。宇が発生した。34億年前より古い時代では

生に隕石が果たした役割を正確に把握すとは思えない。

窒素を含むことから、隕石は星間分子雲

宙のいたるところで有機物がつくられ、宇明瞭な化石は報告されていないが、生命ることが可能となる。

でできた有機物を含んでいると考えられ

宙には生命の構成要素となる有機物があ体がつくった有機物由来のグラファイトが

ただし、この正確な把握が可能になるている。さらに、太陽系の進化を考慮する

ふれていると考えてよい。

38億年前の地層から見つかっている。このは、マーチソン隕石が宇宙の一部をそのグラファイトは炭素の同位体分析から、のまま切り取ったもの、つまり「宇宙物質

宇宙には有機物があふれている
有機物は地球生命体の最も重要な構成と、原始太陽系星雲から隕石母天体（隕要素の一つである。自然界に有機物が存石のもとになった天体）が形成するまでに、

宇宙生命体は存在するのか

生命体がつくったものと解釈されている。

の標本」と見なせる場合である。隕石は、在する場合、そこに生命体の存在を意識

有機物の変質や分解、新たな有機物の生「パンスペルミア説」という考え方がある。

これらは、地球では 43～38億年前までのとても乱暴なやり方で地球に届けられる。

するのはごく普通のことだろう。それは、成などの過程があったはずである。その

これは、宇宙空間に存在する「生命の種」

5億年の間に生命体が発生したことを示す。

マーチソン隕石の場 合、13〜14 km/sのベルセーリウスの時代はもちろんのこと、ため、隕石中の有機物の成因としては、生が初期地球に降り注ぎ、その種が発芽・

隕石中の有機物分析からわかるように宇

速度で大気圏に突入し、隕石表面は数千

有機物がいとも簡単に実験室で合成され成した場所に応じた反応が提案されてい進化して地球生命体になったという説だ。

宙にはたくさんの有機物が存在している〜1万℃程度になったと見積もられている。

るようになった現在でも変わってはいない。

るので、以下に紹介する。

そんなSF小説みたいな話があるのかと思ため、初期地球と同様の環境が 5億年間

この過酷な環境で、隕石の内部に存在しでは、隕石中の有機物は宇宙生命体の存

星間分子雲では、気相でのイオン−分

われるかもしれないが、スウェーデンの化ほど保たれる場所であれば、生命体は発た物質は変質してしまうかもしれない。特に、在を裏付けるものなのだろうか。実際に、子反応や星間塵の表面での光反応が提案

学者アレニウスやイギリスの科学者で二重生するのである。

有機物は熱に対して敏感に反応し、容易

隕石中の有機物には、アミノ酸、核酸塩基、されている。特に、有機物に重い同位体（D、らせん構造の発見者クリックなど、名だた

尿素など、地球の生命体と密接に関係し

13

C、 Nなど）を濃 縮させるイオン−分 子

る科学者がこの説を支持していた。

ている化合物も含まれている。

反応は重要である。

15に別の物質に変化してしまう。マーチソン
隕石は宇宙にあった状態をよく保存してい隕石は宇宙物質の標本か

宇宙生命体の報告例がないのでパンス

隕石は、無機物、有機物、同位体組成にると見なされているが、大気圏突入時の地球の生命体は「入れ物を持つ」、「自原始太陽系星雲では、熱分解反応、鉱ペルミア説を肯定することはできないが、ついて多くの情報を私たちに提供してくれ

熱や落下時に経験した衝撃圧縮の影 響

己複 製できる」、「代謝 機能を持 つ」、「進

物表面での触媒反応、光反応、放電反応

宇宙生命体の存在を否定できないのも事ている。私たちは、これらを宇宙についてが心配だ。

化する能力を持つ」という四つの特 徴をなどが提案されている。このステージでは、

実である。ただし、地球生命体の起源をの正確な情報として捉え、これをもとにし熱や衝撃圧縮の影響を除外したいので持っている。これまで、この四つの特徴を星雲の中心で輝き始めた太陽からの距離解明する場合、もし宇宙生命体に起源をてさまざまな科学的考察を行ってきた。たあれば、宇宙に存在する宇宙物質をてい持つ物体は、隕石中にも地球外の天体にによって温度が変わるため、それに応じて持つとしても、宇宙生命体の発生過程をとえば、著者は、隕石が初期地球に運びねいに回収し、地球に届ければよい。つまも見つかっていない。ただし、存在してい熱分 解反 応で生成される有機物組成が考えなければならず、根本的な解決にはな込んだ有機物から地球生命体が発生した

り、サンプルリターンである。サンプルリター

たがすでに死んでいるため、その特徴が変化する。また、星雲中では対流が起こる

らない。そのため、地球内で生命体が発という仮説に基づき、研究を進めている。

ンで入手した物質の分析により、真の意味検出できないのかもしれない。そもそも、ため、上の反応で生成した有機物の混合生したと仮定し、地球生命体の起源を解

隕石が地球に衝突する時には、隕石の温での宇宙有機物の情報を得ることが可能

宇宙生命体は地球のものではないため、が起こる。

明しようというのが現在の主流である。

度と圧力を上昇させる衝撃圧縮が起こる。

となる。
「はやぶさ2」プロジェクトの対象

同じ特徴を示す必要もないのかもしれない。

隕石母天体では、熱分解反応、鉱物表

現在、地球には生命体が存在する。いつ、そして、その温度と圧力は隕石衝突の速天体、リュウグウはマーチソン隕石のよう隕石中には地球生命体に類似した物体

面での触媒反応、加水分解反応、光反応、

地球生命体が現れたのだろうか。46億年前、度と角度によって決まる。マーチソン隕石に炭素を多く含む天体である。リュウグウ

はこれまで見つかっておらず、隕石の有機放電反応、衝撃反応などが提案されている。

無数の天体が衝突・合体して地球ができた。

の衝突を模擬した実験（図 6）を行ったと試料の分析により、タンパク質などの複雑物は非生物的に生成したものと考えるの隕石母天体での反応の特徴は、液体の水できたばかりの地球の表面は、天体の衝

ころ、隕石の有機物は、激しい衝突では全な有機物の存在、大きなL体過剰を示すアが一般的である。電波望遠鏡での観測にが存在する環境での反応である。この環突エネルギーで岩石が溶けるほど高温にてが分 解し、穏やかな衝突では全く変化

ミノ酸の存在、地球生命体と同様の特徴

より、星間分子雲にはさまざまな有機物が境下では、アルデヒド、シアン化水素、アなり、マグマオーシャンに覆われていた。

がなく、中間的な衝突では生命発生の原を持つ有機体の存在などが確認されるか

三 村 耕 一 ウェブ ペ ージ

10

特 集 ＿ 生 命 の 謎を宇 宙に探る

図6

衝突実験装置

火薬銃の銃身（指さしている部分）の下端から弾丸が発射され、減圧容器内に置かれた試料（オレンジ色の部分）に衝突する。これにより、試料は最高 900℃、35GPaの高温高圧状態になる。弾丸の減速を防ぐため、装置内は減圧状態に保たれる。

＊1 フュージョンクラスト
大気圏突入時に、隕石が大気を圧縮することで高温になり、隕石表面が溶けてできる外皮。
＊2 コンドリュール
原始太陽系星雲で、高温のために溶けた物質が、無重力環境下で表面張力により球体になって冷却・固結した球粒。
＊3 L体の鏡像異性体過剰
L体の鏡像異性体過剰= (L体量−D体量) / (L体量＋D体量)×100＊4 ホモキラリティー
鏡像異性体のうち、一方のみが存在する現象。地球の生命体内において、アミノ酸はL体のみが、糖はD体のみが存在する。

http://www.eps.nagoya-u.ac.jp/~geochem/member/kmimura/fossil.html
No.40 spring _ summer 202111

理 の 先 端を いく Ⅰ

電荷を蓄え放つもの

図1（a）

典型的な常誘電体および強誘電体の比誘電率と、強誘電性相転移の概要（a）種々の誘電体の比誘電率。
（b）強誘電相転移における自発分極（上段）と比誘電率（下段）の温度変化の模式図。
ここで、図上段の挿入図は、正と負の電荷分布の中心が強誘電性相転移に伴って互
いに逆方向に変位し、それによって自発分極を生じる様子を表している。

谷 口 博 基 物質理学専攻准教授

（a）

比誘電率

（b）

比誘電率

自発分極

（b）

温度（K）
比誘電率

相転移温度

温度

Hiroki Taniguchi

福岡県生まれ。2001年大阪大学理学部物理系学科卒業。2003年九州大学大学院理学府修士
課程凝縮系科学専攻修了。2005年北海道大学大学院理学研究科博士後期課程物理学専攻中退。2005年東京工業大学応用セラミックス研究所助教着任。2006年博士（理学）取得（北海道大学）。2013年より現職。専門分野は、物性物理学、誘電体材料工学、光散乱分光学。

図 3 従来型および非従来型の光デバイス素子の紹介と、非従来型光デバイス素子開発の基礎となる光誘電効果

図中の〇および●で示されたデータプロットは、それぞれTiO 2 および (Nb 0.5 In 0.5) 0.01Ti 0.99 O 2 の比誘電 率の温 度依存性を示している。図より、TiO 2 のTiサイトをそれぞれ0.5%ずつ（合計で 1%）のNbとInで置換することで、TiO 2 の比
誘電率が広い温度領域に亘って一様に増大する様子が見てとれる。

（a）左よりフォトレジスタ、フォトトランジスタ、そしてフォトキャパシタを示す回路記号。ここで、フォトキャパシタの回路記号は、筆者が仮につくった記号であり、実際には存在しない。
（b）弱還元条件下で焼成したLaAlO 3 の暗状 態および光照
射下における比誘電率の周波数依存性。

は、「比誘電率」という値によって表される。

度変化を示している。図より、室温で 200で制御する素子、いわばフォトキャパシタ

物質の「比誘電率」が大きいほど、より多弱のTiO 2 の比誘電率が、たかだか 1%のはまだ存在しない。フォトキャパシタの実

くの電荷を蓄えることができる。身のまわ

元素置換によって 300程度にまで大幅に現が、たとえば次世代の光無線通信や光りの一般的な誘電体（たとえば窓ガラス

増加していることがわかる。ここで、元素

マンマシンインターフェイスなどの新しいや木材）の比誘電率は 10にも満たないが、置換によって物質中に生じる複合欠陥の光テクノロジーを切り拓くと信じて、私たさまざまな基礎学理を縦横に活用するこ

分極率を実験結果より見積もると、TiやO

ちはこれまで、光照射によって誘電率が変とで数百、数千にも達する巨大な比誘電などの構成元素の分極率と比較して桁違化する現 象（光誘電効果）の探索に取り率を備えた誘電体をつくり出すことができ

いに大きな値となる。このような巨大な分組んできた。そして最近、いくつかの化合る（図 1）。

極率を有する複合欠陥は、高誘電率材料

物で光誘電効果を発見するに至った。こ

開発の新たな道筋を示している。

の発見に基づいて現在、より優れた光誘

その処方箋の一つが強誘電性相転移とコンデンサとバッテリー

周波数（㎐）

図 2 TiO 2と(Nb 0.5 In 0.5) 0.01Ti 0.99 O 2 の比誘電率の温度変化

電効果を示す物質の設計と開発を喜々とることはできないながらも、その蓄放電に途で応用されている。特に最近、パワーエよばれる、ある種の相転移現象である。強

ここで紹介した前者の例は、構成元素

私たちは日常的にコンデンサやバッテリー

要する時間は桁違いに速い。私たちの滑

レクトロニクスや高密度高速情報 通信に

誘電性相転移とは、ある温度（相転移温間の協奏的相互作用を用いた基礎物理学に電荷を蓄え、そして放ちながら快適な生

らかな動作が持久力のある「遅筋」と瞬おける技術革新が強く望まれているが、よ度）を境として自発分極の「ない」状態か的アプローチである。それに対して後者の誘電体は縁の下の力持ちである。物性活を送っている。バッテリーは身のまわり発力のある「速筋」の相補的な働きによっり優れたコンデンサの開発がそのカギをら「ある」状態へと移り変わる現象であり、例は、無機化学的観点による組成デザイン

物理学を駆使して誘電体に新しい能力をで比較的良く見かけるが、コンデンサはおて支えられているように、バッテリーとコン握るといっても過言ではない。

それに伴って比誘電率が著しく増大する。

と材料工学的観点による焼成プロセスを授け、その能力を無機化学や材料工学におよそ機器の中に隠れており、直接目にす

デンサの働きも時に相補的である。たとえ

たとえば典型的な強誘電体であるチタン駆使している。このように、一つの課題によって伸ばし、次世代を支える新たなプレる機会は少ない。

ば大型ロボットを駆動することを考えると、酸バリウム（BaTiO 3）では､ 比誘電率が数

向かって多様な分野の学理を結集する学イヤーとして世に送り出したい。

千にも及ぶ（図 1）。

際性は、誘電体研究の一つの魅力である。

高誘電率物質の開発

バッテリーが化学反応を用いて電荷をコンデンサによって動き出し、そしてバッ

物質に電場を加えた時、内部の電荷が蓄える一方で、コンデンサは分極現象を用テリーによって動き続けることによって、よ「偏る」ことで「分極」を生じる物質と、「流

一 方、最 近 私 た ち は 欠 陥 制 御 に よ

いて電荷を蓄える。バッテリーは大量の電り器用で効率的な作業が可能となる。

れる」ことで「電流」が生じる物質とが存る 新しい 高 誘 電 率 物 質の 開 発 に 精 力

誘電率を光で制御する

荷を蓄えることが出来るが、その反面蓄放

コンデンサは単に電荷を蓄えるだけで在する。特に前者は「誘電体」とよばれて的 に 取り組 んで いる。図 2 は TiO 2 の Ti

電気伝導率を光で制御するフォトレジ

電に長い時間を要する。それに対してコンはなく、その高速な蓄放電特性を生かして

おり、コンデンサの材料となる。加えた電の 1%を等 量 のNbとInで 置 換した 物 質

スタ＊1やフォトトランジスタ＊ 2 が私たちのデンサは、バッテリー程多くの電荷を蓄え

たとえば周波数フィルタなどさまざまな用場に対して物質中に生じる分極の大きさ（(Nb 0.5 In 0.5) 0.01Ti 0.99 O 2）の比 誘 電 率 の 温

身のまわりで活躍する一方で、誘電率を光

機 能 性 物 質 物 性 研 究 室 ウェブ ペ ージ

12

理 の 先 端をいく Ⅰ

して進めているところである（図 3）。

＊1 フォトレジスタ
光を照射することによって電気抵抗が低下するデバイス素子。暗くなると自動で点灯する街路灯などに応用されている。
＊2 フォトトランジスタ
光を照射することによって出力電流を制御するデバイス素子。光センサや光通信などに応用されている。

http://vlab-nu.jp/
No.40 spring _ summer 202113

理 の 先 端を いく

Ⅱ

太陽光のもとで植物の気孔が開くしくみのシグナル伝達の理解は断片的であった。

して詳しく調べた。変異株の孔辺細胞では、特徴的なカルボキシル末端のリン酸化にそのため、私はこれを解明すべく長年研

野生株と比較して細胞膜H -ATPaseの活より活性が促進されるが、このリン酸化を

井 上 晋 一 郎 生命理学専攻講師

究している。

性には差が見られなかったが（図 3B）、予触媒するプロテインキナーゼが 20年以上想に反してカリウムチャネル活性が低下し未知であり、気孔開口機構を完全に理解ていた。野生株では青色光の照射によっするための障壁となっている。昔から細胞

青色光が気孔を開かせる

新たなシグナル伝達経路+

植物は太陽光のもと光合成を行うことで糖やデン15年ほど前、私が博士研究員だった頃てカリウム電流の増加が観察されたが、変膜 H+ -ATPaseは細胞内でフォトトロピン

プンなどの有機物を生み出し、自身の生命活動のエも、気孔開口のシグナル伝達の解明は難航

異株ではこの増加が抑制されていた（図と複合体を形成することが知られており、

ネルギー源としている。また、植物が生み出した有機していた。そこで、当時確立された化学増3C）。したがって、CIPK23はH -ATPase

実際に私は、細胞膜H+ -ATPaseをリン酸

物を、我々を含めた多くの生物が利用するため、植物幅型発光系を利用した新たなタンパク質を介さずにカリウムチャネルを活性化する化するプロテインキナーゼ候補を、フォトは地球上の生命活動を支えてもいる。固着生活を営間相互作用検出法を採用し、フォトトロピ

ことが明らかになった。

トロピンの相互作用パートナーの中から見む植物は、刻々と変動する環境に対応して光合成を最ンと相互作用するタンパク質を網羅的に探これらの結果から、フォトトロピンは細出している。したがって、今後の研究によ適化するためのさまざまな環境応答を誘導する。その索した。その結果得られた候補の一つが胞膜H -ATPaseを活性化するシグナル伝り、細胞膜H+ -ATPaseの活性化機構を完応答の一つとして知られる「光による気孔開口」は、

プロテインキナーゼ＊2のCIPK23であった。

達に加えて、CIPK23を介してカリウムチャ

全に解明し、気孔開口機構の理解をさら

光合成基質であるCO 2を植物体内へ取り入れるため

CIPK23 の 機 能 を 解 明 す る た め、

ネルを活性化するシグナル伝達も誘導すに深められると考えている。

に重要なものである。植物は葉面にある「気孔」とよ

CIPK23を働かないようにしたcipk23変異

ばれる孔を介して大気中からCO 2を取り込む。気孔は株を用いて気孔開口を観察した。その結光合成が可能な光条件下でのみ開くことで、植物体か果、野生株で見られる光による気孔開口

らの過剰な蒸散を抑えるとともに光合成組織への効は、変 異 株 で は ほとんど 見られず（図こうした新たなシグナル伝達経路の発率的なCO 2の供給を可能にしている。

3A）、CIPK23が青色光による気孔開口に見により気孔開口機構の理解は前進して必要であることが明らかになった。

いるものの、依然として大きな問題が残さ

気孔は一対の孔辺細胞により構成され、その開口++ることを新たに明らかにした（図 4）。

残された謎は孔辺細胞が太陽光に含まれる青色光に応答して膨次に、CIPK23が開口機構のどこで働いれている。それは、細胞膜 H+ -ATPaseの張することにより誘導される（図 1）。孔辺細胞においているのか、植物から孔辺細胞だけを単離活性化機構である。細胞膜H+ -ATPaseは＊1 細胞膜H+-ATPase
ATPの加水分解エネルギーを利用して細胞の内から外にH+を輸送する酵素。細胞膜プロトンポンプともよばれる。この酵素の働きにより、細胞内外のH+勾配と電位の差が形成され、これが他の様々な物質の能動輸送のエネルギーとして利用される。
＊2 プロテインキナーゼ
タンパク質のアミノ酸にATP由来のリン酸基を転移する酵素の総称。
リン酸化されたタンパク質は、構造や性質が変化し、様々な細胞過程に働く。

て、青色光は光受容体フォトトロピンにより受容され、シグナル伝達を経て細胞膜H+ -ATPase＊1を活性化す

（A）

（B）

とで細胞膜を過分極させ、電位依存性カリウムチャネ
ルを活性化する。こうしてカリウムが細胞内に取り込
まれて浸透圧が増加し、水が流入して孔辺細胞が膨張する（図 2）。このような開口 機 構のあらましは、
2001年までには明らかになっていたが、フォトトロピ

孔辺細胞

ンがどのようにカリウム取り込みを駆動するのか、そ図2

暗黒Shin-ichiro Inoue1978 年生まれ。2002年九州大学理学部生物学 科卒
業。2007年同大学大学院理学府生物科学 専攻で博士（理学）を取得。日本学術振興会特別研究員DC2、SPD、2012年名古屋大学大学院理学研究科・助教を経て、2018年より現職。専門は植物生理学。

閉じた気孔
図1

開いた気孔

植物の表皮の孔である気孔は、暗黒下では閉じているが、太陽光下で大きく開口する。植物が光合成を行うことができる光条件下でのみ気孔は開く。

孔辺細胞

井 上 晋 一 郎 ウェブ ペ ージ

14

理 の 先 端をいく Ⅱ

暗黒cipk23

phot

図3

野生株

青色光 2分 青色光 5分

暗黒cipk23青色光 2分 青色光 5分

cipk23

cipk23変異株の気孔開口の表現型（A）気孔開度測定。野生株をcipk23変異株、フォトトロピン（phot）変異株と比較した。
（B）細胞膜H+ -ATPase活性の測定。青色光を照射した孔辺細胞から放出されるH+を、細胞懸濁液のpH変化としてモニターした。青い矢印は、青色光照射を示す。
（C）電位依存性カリウムチャネル活性の測定。ホールセルパッチクランプ法により、チャネルを介して取り込
まれたカリウムに由来する電流を測定した。野生株の孔辺細胞では青色光に応答してカリウムチャネル活性が増加し（C左：野生株）、変異株ではこれが低下していることがわかる（C右：cipk23変異株）。それまではカリウムチャネルの活性は細胞膜の過分極のみに依存すると考えられていたが、本研究により青色光による新たなカリウムチャネルの活性化経路の存在が示された。

図4

光による気孔開口野生株

野生株

これまでにわかっていた気孔開口のしくみ

太陽光に含まれる青色光は、フォトトロピンに受容され、シグナル伝達を経て細胞膜H+ -ATPaseを活性化する。この酵素の働きが細胞膜を過分極させ、電位依存性カリウムチャネルを活性化する。細胞内に蓄積したカリウムが浸透圧を上昇させ、水が流入し、孔辺細胞が膨張することで気孔が開口する。

太陽光

（C）

H ＋放出

気孔開度（µm）る。この酵素がH+を細胞内から細胞外に運び出すこ

気孔開口の新しいシグナル伝達経路の発見

我々の研究により、CIPK23を介したカリウムチャネルの活性化という新たなシグナル伝達経路が、青色光による気孔開口には必要であることが明らかとなった。

https://researchmap.jp/read0129244
No.40 spring _ summer 2021

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Ⅲ

理 の 先 端を いく（a）

機械学習モデルを用いた量子多体理論：
量子化学計算法の開発
柳井

(a)
（a）

図1

（b）

毅 トランスフォーマティブ生命分子研究所教授

計算機による物質の探求

その簡便さから化学の電子論の中心的存

多体相互作用に起因し、「電子相関」とも

化学物質の微 細構造をコンピュータ上在にある。この理論は化学結合・反応によばれる。化学の電子論における先端的でシミュレーションし、物質の機能・反応

対する極めて直感的で的確な理屈と解釈

チャレンジの一つとして、この前提が妥当性を理解する手法（量子化学計算）は、理を与えてくれる（福井謙一のフロンティア

でなくなる「化学」に直面したときどのよ

論化学の先端手法の一つとなっている。

軌道理論 1981年ノーベル化学賞などが有

うに波 動関数をモデルするか、すなわち

本稿では、最近の理論開発の進展につい名）。また、量子化学計算で広く用いられ分子系に表れる非摂動的な電子相関を取て述べる。

ている「密度汎関数理論」(1998年ノーベ

り扱う有効な理論を構築する、という課

ル化学賞)はこの枠組みにある。この理論題がある。このような電子相関が顕著にの前提では、厳密な波動関数を|Ψ ⟩ =|Ψ 0 ⟩なる分子系での現象には、反応による電化学結合は、量子力学に基づき、電子+|ΨΔ ⟩ のように単一の電子配置|Ψ 0 ⟩と残子構造の転位、励起状 態、電子・エネルの波 動性を考慮することで記 述される。

渣|ΨΔ ⟩に分 解したとき、|ΨΔ ⟩は摂動的にギー移動など、重要な化学の問題が含まその基礎理論として分子軌道論が知られ、しか寄与しない。|ΨΔ ⟩は電子の量子的なれている。

化学を記述する電子論

量子的多体計算での波動関数モデル（a）分子軌道{ v iσ}に対する電子占有 0または１として電子配置{ v (i) }は記述される。
（b）電子配置の量子的重ねあわせとして波動関数を記述する。{c i }は展開係数を表す。
Adapted with permission from Yang etal., J. Chem. Theory Compute. 2020, 16,3513 –3529. Copyright 2 02 0 American
Chemical Society.

図 3 インドシアニングリーン（ICG）分子の分子軌道と算出エネルギーの誤差

図2

RBMと二次・三次BM（BM2/BM3）のニューラルネットワーク量子状態（NQS）

電子配置の占有状態を記述してその生成確率分布を修得させる。
エネルギー変分原理に基づき最適解の探索が行われる。
Adapted with permission from Yang et al., J. Chem. Theory Compute. 2020, 16, 3513–3529.
Copyright 2020 American Chemical Society.

分子計算の量子多体アルゴリズム（a）波動関数の決定計算に用いられた分子軌道。
（b）厳密計算から誤差（原子単位）。RBMに用いた隠れ層ノードの数に対してエネルギー誤差が示されている。BM2/BM3は隠れ層を有しない。
Adapted with permission from Yang et al., J. Chem. Theory
Compute. 2020, 16, 3513–3529. Copyright 2020 American
Chemical Society.

子化学計 算へと展開する実装を行った。

すように、計算でICGの分子軌道６個を用

量子多体問題（電子相関)は、一般的に本手法では、配置関数の電子占有の情報

い占有電子 6個による波動関数をRBMおは非多項式的な困難さを孕む。電子相関が記述子として用いられる。量子化学で与よび 2次、3次のＢＭモデルに修得させた。

が顕著となる場合、波動関数の記述に関えられる分子の情報（ハミルトニアン）のテストとして正準 軌 道（CMO）（図 3a）と与する複数の電子配置が擬縮重し、それ

みから、波動関数の分布をBMに学習させ

局在軌道(LMO)の利用での違いを比較しらの重ね合わせが要求される（図 1）。問る。学習は変分原理に基づき、事前の学た。図 3bのグラフが示すように、隠れ層 40

題の難しさは、この擬縮重の度合いが指習データを必要としない強化学習のスキー

ノードのRBMを用いて、0.1kcal/molの精数関数的な複 雑さを有することから生じ

ムに従い、最適解を探し求める。また重要度で厳密解を再現した。一方で、局所解をる。本稿では、ボルツマンマシン（BM）をな拡張として我々は、RBMの代替として、与える数値的不安定性も確認された。本

確率分布モデルとして利用する量子多体

隠れ層無しの高次BMを導入することを提研究で導入された 3次 BMはRBMと同程計算法に関する我々の研究（Yang et al.,

唱した（図 2）。高次BMのエネルギー関数

度の精度を与えることが示された。また数J. Chem. Theory Compute. 2020, 16,

は凹と知られ、そうでないRBMと比した値的安定性の優位性が確認された。

3513–3529）を紹介する。BMは、ニューラ

数値的な安定性を我々は主張している。

本 研究では分 子科学の電子系の量子

ルネットワークとして古くから研究されてRBM同様、展開次元を拡張することで厳多体計算に機械学習の数理モデルを用いいる分布モデルであり、制限ボルツマンマ

密表現への収斂が保証される。この新規るアルゴリズム開発とソルバ実装を達成しシン（RBM）は歴史的には深層学習の開なＢＭの導入なども含めて、メトロポリスサ

た。まだ基礎段階であるが、着想を実証す

発舞台となったモデルとして知られる。近ンプリングを利用した分子系の波動関数

ることができた。機械学習の発展は高速

年、RBMを物理モデルの量子多体計 算

計算の機械学習ソルバの実装を達成した。

演算器の利用などエンジニアリングに大きくよるが、本手法もハードウェアを駆使すに適用する研究が行われている（Carleo
et al., Science 2017, 355, 602−606等）。

Takeshi Yanai

2001年東 京大学 大学院 工学 研究 科博士取得。同年米国 Pacific NorthwestおよびOak
Ridge国立研究所ポスドク研究員（日本学術振興会海外特別研究員）、2005年Cornell大ポ
スドク研究員、2007年分子研理論・計算分子科学研究領域准教授、2018年 4月より現職。

理 の 先 端をいく Ⅲ

実証計算とまとめる高度な実装研究が求められる。

量子的重ね合わせの分布を、機械学習のバイオイメージング分子として知られる手法を用いオートエンコーダとしてのRBM

インドシアニングリーン（ICG）分 子の全

関連する出版論文に学習させる手法である。我々はこれを量

電子エネルギーの計算例を示す。図 3で示

https://doi.org/10.1021/acs.jctc.9b01132

柳 井 毅 ウェブ ペ ージ

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(b)
（b）

http://www.itbm.nagoya-u.ac.jp/ja/members/t-yanai/
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理学部交差点
同窓生からキャンパス通信書籍紹介

氷河で人生の目標を見つける

コロナ禍の教育を振り返る『宇宙の始まりに何が起きたのか』

FGWRS社勤務

素粒子宇宙物理学専攻教授

生命理学専攻講師

アレクシア・ファビアーニ（ Alexia Fabiani）

清水裕彦（ Hirohiko Shimizu）

平 子 善 章（ Yoshiaki Hirako）

モナコにある水リサイクル企業のプロジェクトマネー

今年度は期せずして非対面型あるいは反転教育

本書は、宇宙の始まり、いわゆるビッグバンから、ジャーをしている私は、昨年、仏伊合同の南極基地型の教育が実施された。この急激な変化に対する今の宇宙ができ上がるまでについて、現在わかってConcordiaで雑排水をリサイクルする装置をテストす

意見は多様で端的にまとめるのは困難な状況である。

いること、わかっていないことを、第一線の研究者

ここでは、教育委員長としての経験をもとに私見をがごく平易な言葉で語った解説書である。元素の残す。

起源についての論争から、宇宙の始まりと成長につる計画であったが、残念ながらCOVID-19のために、現地を訪れることができなかった。外出禁止令によっすクレバスが現れはじめる。氷河は美しくもはかないて、ここモナコでは自由が制限されて辛いが、過去に存在で、これまでの長年の雪の堆積で形成された雄

まず、従来型の教育活動が阻害されたとも、新たいての仮説が提唱され、その仮説がいかにして観自分が参加した遠征を思い出すことは、気持ちを和大な姿は、近年消失が加速しており、それがわれわれな可能性がもたらされたとも言える。あらためて振測結果により検証されていったかが、歴史的展開とらげてくれる。折角なので皆さんをジュノー氷原に少皆の環境にさらに劇的に作用している。そこで私たちり返ると、従来型は学生への個別対応の融通が効ともに解き明かされていく。時に著者自ら接した研しだけ「案内」してみたい。

が行ったのは、物理から生物までの分野におよぶ融

きづらく、一過性的な性格が濃厚だった。これに対究者たちとの逸話なども披露され、研究が進展し2019年の夏、私は 60人の学生、研究者、スタッフと解要因の解 析だった。私自身は氷河の表面に生え、して、今年度は教材が保存されたかたちで提供され、ていくさまにも臨場感がある。物理学科の学生諸ともに 2カ月かけ南西アラスカのジュノー氷原をスキー

着色させることで融解を促進する紅藻の空間分布を学生が意欲に応じて学習を進める自由度は増し、氏や天文学好きの高校生の皆さんであれば、一気で 120キロ自力縦断する研究プログラムに参加した。

調べた。岩石の露頭がどのように紅藻の分布に影響

遠隔の研究現場からの配信も可能になった。そのに読めてしまうのかもしれない。ただし、平易な言

このプログラムは 70年以上続いており、毎年、学生のするか理解しようとしたが、残念ながら統計学的に信一方で、学生が相互に議論して理解を深めたり、同葉で語られているからといって、誰でも一読してた

氷上訓練と雪氷学教育と中継キャンプ施設の保守を頼できる結論には至らなかった。

級生の反応を観察したりして、自分の理解度に気づ

ちまち理解できるような内容というわけではない。

く機会は限られた。機能面から言えば、従来はフロー

私のような浅学非才な人間では基礎知識が足らず、している。

遠征の経験は、私の意識を大きく変えるものであり、家族との連絡が遮断された上、全くの他人ばかり

自分の中に深く埋もれていた底力を発見できた。世間型、今年度はストック型とも表現できるかもしれない。

また与えられる情報量が多いのである。なんとかの集団と馴染める自信もなく、いざとなると、こんなから隔離されたことで、「現実」世界に戻った時に自分しかし、学生の創造性を養うという観点に立てば、ついていけたのは全 13章のうちの 4章くらいまで、

冒険は恐怖でしかなかった。アラスカに到着した時点

が本当にしたいことが何なのか、あらためて気づくこ

課題をこなす効率性から両者の優劣を拙速に議論

以後は理解するというよりも楽しむつもりで読み進では、来て失敗したと思った。しかし、最初の10日間で、とができた。そして、フィールドワークを続け、微生物することは不適当であり、効果を確認するには長いめていった。

青く、美しく、変化に富む氷河で訓練することで、私と集団が気候変動によってどのような影響を受けるのか

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然の雄大さに勇気づけられた。

理学博士課程で勉強を再開する。私の研究への情熱

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クマターってなんだっけか」などと開いてみようと思っのアトリンに向けて進み始めた。進行のスピードを決う刺激してくれた教授や指導教員たちに感謝している。

バックをかけ続けることが重要と考えている。

ている。

めるのは雪解けの具合で、溶けるに従い、安全を脅か（2019年物理学科卒業）『宇宙の始まりに何が起きたのか』
杉山 直（Naoshi Sugiyama）著
講談社ブルーバックス／
2020 年 6 月発行
1100 円（税別）18

理学部交差点No.40 spring _ summer 2021

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