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］
spring _ summer 2018

編 集だより第 20 回 超高エネルギー宇宙線相互作用に関する国際シンポジウム

20th International Symposium on Very High Energy Cosmic Ray Interactions
開 催 日 ： 2018年5月21日（月）～25日（金）開 催 場 所 ： 名古屋大学 野依記念学術交流館
主
催 ： 名古屋大学宇宙地球環境研究所、名古屋大学素粒子宇宙起源研究機構
共催 ： 東京大学宇宙線研究所
後
援 ： 国際純粋・応用物理学連合
問い合わせ ： 伊藤好孝 宇宙地球環境研究所 教授
isvhecri2018@isee.nagoya-u.ac.jp／052 – 789 – 4319

34

本号では、火山の診断研究と防災教育の最前線を特集した。日本では人の命が失われる火山災害が続き、長期的にはカルデラ噴火による国家的破局のリスクすら懸念される。しかし、日本の風土や文化は火山のもたらす恵みとは切り離して語れないのも事実である。
理学の新たな観測手段や理論モデルが火山災害のリ

第 16 回国際棘皮動物学会議

16th International Echinoderm Conference
開 催 日 ： 2018年5月28日（月）～ 6月1日（金）開 催 場 所 ： 名古屋大学 野依記念学術交流館
主
催 ： 第16回国際棘皮動物学会議組織委員会及び名古屋大学博物館
問い合わせ ： 大路樹生 博物館 教授
oji@num.nagoya-u.ac.jp／052– 789– 5761

スクを軽減し、人と火山の共存に資すると信じたい。
火山の恵みの1つが温泉であり、そこは生命進化のサンクチュアリでもある。全地球が凍結した約 7億年前、生命が生き継いだのが温泉だとも言われる。私の関わる探査機はやぶさ2は目的の小惑星に到着直前だが、植物生殖研究の最先端と未来

この探査には、太陽系形成期の微惑星上にあった温Frontiers & Future of Plant Reproduction Research
開 催 日 ： 2018年6月10日（日）・11日（月）開 催 場 所 ： 名古屋大学ITbM棟、ES総合館ESホール
主催 ： トランスフォーマティブ生命分子研究所
問い合わせ ： 東山哲也 トランスフォーマティブ生命分子研究所
higashi@bio.nagoya-u.ac.jp／052– 747– 6404

泉での生命材料物質の進化の証拠を得る目的もある。
教授

微惑星が合体してオーロラの輝く惑星となり、酵素やヘビが生まれ、やがて温泉につかりクォークまで発想するヒトに至った。さまざまにつながっていく理学 ―第 25 回 国際植物有性生殖会議 ～植物生殖 2 018 ～25th International Conference on Sexual Plant Reproduction_ Plant Reproduction 2018 _開 催 日 ： 2018年6月11日（月）～16日（土）開 催 場 所 ： 長良川国際会議場（岐阜県）
主催 ： 国際植物生殖研究連盟
問い合わせ ： 東山哲也 トランスフォーマティブ生命分子研究所 教授
higashi@bio.nagoya-u.ac.jp／052– 747– 6404

その連鎖を今後も本誌は紡いでゆきたい。
（渡邊誠一郎）

表紙説明
マグマが運ぶ熱は温 泉の熱源となり、大きな火山体は多量の水をたくわえる

第 31回生物無機化学夏季セミナー
開 催 日 ： 2018年9月13日（木）～15日（土）開 催 場 所 ： ホテル竹島（愛知県）
主
催 ： 生物無機化学研究会
問い合わせ ： 愛場雄一郎 理学研究科 助教
aiba.yuichiro@i.mbox.nagoya-u.ac.jp／052– 789 – 2953

水源となる。そして火山は独特の美しい風 景を見せてくれる。火山と上手につき合うために私たちは火山のことをもっと知るべきだろう。

星間フィラメントパラダイム：その形成・進化と星形成に及ぼす影響

Interstellar filament paradigm: On their formation, evolution,and role in star formation
開 催 日 ： 2018年11月5日（月）～9日（金）
開 催 場 所 ： 名古屋大学理学南館坂田・平田ホール
主催 ： 名古屋大学大学院理学研究科
問い合わせ ： 犬塚修一郎 理学研究科 教授
inutsuka@nagoya-u.jp／052– 789 – 2811

No .34

広報委員

杉山 直（研究科長）

spring _ summer 2018
2 0 18 年 4 月2 5日発 行

阿波賀邦夫（副研究科長・評議員）
大隅圭太（副研究科長）
糸 健太郎（数理学科）
飯嶋

組織図

宮崎州正（物理学科）

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

物理学科

素粒子宇宙物理学専攻

化学科

物質理学専攻生命理学科

生命理学専攻名古屋大学・エディンバラ大学
国際連携理学専攻

荘司長三（化学科）

関連施設等

杉山 伸（生命理学科）

附属南半球宇宙観測研究センター

白石洋一（生命理学科）

附属タウ・レプトン物理研究センター

渡邊誠一郎（地球惑星科学科）
齋藤勝行（事務長）

未来材料・システム研究所
物質科学国際研究センター
附属臨海実験所編集発行

附属構造生物学研究センター

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。

附属ニューロサイエンス研究センター

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。
広報委員会までご連絡ください。

生物機能開発利用研究センター
環境学研究科特集

素粒子宇宙起源研究機構

遺伝子実験施設

地球惑星科学科

徹（物理学科）※委員長

立原研悟（物理学科）

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。

宇宙地球環境研究所

次号は2018年 10月頃発行の予定です。

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

「 火山を 診る」
04_

マグマの動きを捉える◇ 熊谷博之_
08
噴煙の化学組成を利用した火山診断
11 _ 火山学と防災◇

◇ 角皆

潤

山岡耕春
_
02
時を語るもの〈丹生 潔博士〉◇ 中村光廣_
03
理のエッセイ◇ 岡本祐幸_
12
理の先端をいく◇ 鈴木孝幸／山田泰之 ／渡邉智彦_
18
理学部交差点時を語るもの◎理のエッセイ

日本の大学の世界ランキング

丹 生 潔 博 士 ＿ 原 子 核 乾 板 が あ ぶ りだした チ ャ ーム 粒 子
丹生潔博士は世界で初めてチャーム粒子の存在を見出

核乾板の解析作業が、チャーム粒子の存在をあぶりだした。

した研究者である。その反応は飛行機で日米を往復し宇

原子核乾板の技術はこの検出をきっかけに名古屋大学

宙線反応を記録した原子核乾板中に捉えられ、丹生博士

で発展をとげ、タウニュートリノの世界初の検出、ニュートらの解析によりまだ知られていなかった新粒子であること

リノ振動現象の最終検証をはじめ、今日ピラミッドの未知が示された。

の空間の検出などの応用研究にもつながっている。

丹生博士の研究対象は、素粒子反応での中間子多重発

丹生博士はなくなられる直前まで、中間子多重発生の生の研究であり、新粒子の検出を狙ったものではなかった研究をライフワークとされ、論文も執筆されていた。まさにが、多重発生の研究のために創意工夫された高精度の検生涯、一研究者でありつづけられた方であった。

出器（ECC）と、手間のかかる顕微 鏡下での緻密な原子（中村光廣

岡本 祐 幸 物質理 学 専 攻 教 授

に

う

丹生

きよし

潔（1925 _ 2017）

元名古屋大学理学部教授

未来材料・システム研究所教授）
Illustration: Junichi Kishi

日本の大学の世界ランキングがどんどん落ちている。たとえば、U.S.News のデータでは、名古屋大学は 2011年には世界 91位だったが、2018年現在、247位である。また、東京大学は 2011年に 24位だったが、現在、57位であり、100位以内に入る我が国唯一の大学である。21世紀に入ってから17人（うち 6人が名古屋大学関係者）もの日本人がノーベル賞を受賞しているのになぜと多くの人が意外に思うだろう。いい加減な評価だからと無視する人も多い。しかし、な
ぜそうなのかを考えることも必要ではないか。もちろん、近年の予算削減や大学改革の厳しい環境下で、大学の研究力が伸び悩んでいるという側面もあるだ
ろうが、我が国の大学の底力を考えるとそれだけが理由であるとは考えにくい。
私は、一番の理由は、日本のもつ研究力を海外に発信する努力が足りないためだと考えている。世界ランキングの評価項目の1つに「reputation（評判）」があるからだ。米国の大学では、この「評判」を維持するために、学生への経 済 援 助や広報に努力を惜しまない。また、大学 の各 研 究 者も、Google
Scholarなどの個人プロフィールを用いて、積極的に自分の研究業績を英語で公開している。学生への経済援助は、日本の実情を考えると簡単ではないが、教員の研究情報発信ならばすぐにでもできそうだ。先日は、「評判」下落の原因がもう1つあることに気づかされた。国際会議で米国人の研究者と日本の大学のランキング急落について話したときのことである。彼は、即座に「以前は、日本からの博士研究員が多く海外に出ていたが、今ではその数が極端に少なく◇写真の説明ECCは、プラスチックの両面に原子核乳剤なっているのが原因です」といった。よく考えると、これこそ「評判」を一番を塗布した両面塗布乾板と、炭素板や鉛板

左右するものかもしれない。日本から留学生や博士研究員が海外に行くと、などを重ねた検出器。原子核乾板の特長で日本の大学でどれほどの教育を受けて来たかを海外の研究者が常日頃評価あるサブミクロンの位置精度を生かして高エネルギー素粒子反応から発生する粒子のするわけで、結局、日本の大学の「評判」の良し悪しにつながるのである。

高精度測定や粒子種の道程を実現した。図だから青年よ、海外を目指せ。

は 1971年に発表されたチャーム粒子反応。
反応点から発生した粒子の中からチャーム
粒子の対生成とそれぞれの崩壊をとらえた。
上は検出器を組み立てる丹生博士。

02

時を 語 るもの

Yuko Okamoto

1956年三重県生まれ。1979年ブラウン大学卒業。1984年コーネル大学大学院修了、Ph.D.の学位を取得。1984−1986年バージニア工科大学博士研究員。1986年奈良女子大学理学部助手（後、助教授）。1995年分子科学研究所助教授（総合研究大学院大学助教授併任）を経て、2005年より現職。専門は生物物理、計算科学。

No.34 spring _ summer 2018

03

特集

火山を診る

近年、御嶽山や草津白根山で人命が失われる火山噴火が起こっている。
マグマなどの火山性流体が山体や大気に作用して生じるさまざまな現 象を研究することは、
噴火メカニズムの解明だけでなく、火山活動の監視や予測にもつながっている。
この特集では、地球物理学および地球化学に基づく、火山の状態を診断する最新の研究を解説するとともに、火山災害を軽減する取り組みについても紹介する。

マグマの動きを捉える

図1

爆発的な火山噴火とマグマ発泡の痕跡

左はトゥングラワ火山（エクアドル）で 2006年
7月14日に起こった爆発的な噴火。右は火山噴出物（軽石）のサンプル。多くの穴があいており、これらはマグマの発泡によって生じたもの。

熊 谷 博 之 地球環境科学専攻教授

図2

火山で発生する地震と微動の観測波形（a）火山構造性地震、（b）低周波地震、（c）超長周期
地震、（d）微動。火山構造性地震は断層運動によって発生するのに対して、低周波地震・超長周期地震・微動はマグマや熱水などの流体が関与して発生する。

よっても地震が発生する。これらは低周波

いたマグマが貫入したと考えられている。

にわたって続いたため、住民はその間、島地震や超長周期地震と呼ばれる（図 2b、その後、7月8日に小規模な噴火が山頂で外への避難を余儀なくされた。

2c）。さらに、マグマやガスなどの流体の流起こった。さらに 7月11日から超長周期地

マグマはどのように上がってくるのかをれに伴って地震波が観測される。これは微震が 1日に 1～2回の頻度で三宅島の下で考えてみよう。これは以下のような実験で動と呼ばれており、長時間にわたって振動起こるとともに、山頂の陥没が進行した。

確かめることができる。板状のコンニャクが続くという特徴を持っている（図 2d）。さそして8月18日に規模の大きな噴火が発生の中心に十字に切れ目を入れ、これを端からにマグマが上がってくると地面の変形がし、その後数年にわたって噴火活動が継ら押してみる。すると押した方向とは直交生じる。このような変形は、カーナビにも使続した。このように噴火の様々な前兆現象する方向に切れ目が開くことがわかる（図われているGPSや、地面の傾きを精度よくが捉えられたため、その情報に基づいて4）。地下にもこのような割れ目が存在し、強計測できる傾斜計、さらには衛星画像を用

住民の避難が行われ、この噴火による直く押されている方向とそうでない方向が存いた手法によって測定することができる。

接的な人的な被害はなかった。しかしなが在する。マグマは強く押されていない方向

これらの地震の発生や地面の変形は、マグら、有毒な二酸化硫黄ガスの放出が数年に割れ目を開きながら上昇する。この方向

マが上昇して火山活動が活発化するとほとんどの火山において起こり、その発生の仕方には規則性があるため、これらを観測す
ることは噴火を予測する上で重要である。

マグマはどのように上がって来るか

Hiroyuki Kumagai

1993年名古屋大学大学院理学研究科博士課程中退。1994年名古屋大学にて博士（理学）取得。
名古屋大学理学部助手、米国地質調査所客員研究員、防災科学技術研究所主任研究員を経て、2013年より現職。専門は火山地震学と地震発生物理学。

実際にこのような地震の発生や地面の変形の例として、2000年に三宅島で起こった噴火を紹介する。6月26日に、三宅島の直下で火山構造性地震が起こり始め、そ火山で発生する地震

ので、マグマは軽くなり上昇しやすくなる。

な手法によりマグマの動きがどのように捉の後地震が西へ移動するのと同時に、地マグマとは、融けた岩石と揮発性成分（水

それによりさらに発泡が進むという過程にえられているかについて解説する。

面の大きな変形がGPSや傾斜計によってや二酸化炭素）から構成される流体であより、爆発的な噴火が発生する（図 1）。発マグマが上がってくると、それまでとは違捉えられた（図 3）。このときマグマは浅部る。揮発性成分は、地下深くにおいては融泡によるマグマ体積の増加やマグマの上昇

う力が地面にかかり、その力の変化によっまで上昇していたが、噴火には至らなかっ

けた岩石の中に溶け込んでいるが、マグマにより、地震の発生や地面の変形、さらにて、断層運動を伴う地震が発生する。これた。どのようにマグマが上昇していたのかが上昇して圧力が下がってくると気体（ガガスの放出といった様々な現象が起こる。

を火山構造性地震と呼ぶ（図 2a）。さらに、については、後で詳しく述べる。さらに地

図3

左は 2000年 6月26日21：00から 6月27日 01：00に観測された地面の変形（黒矢印）と、推定されたダイク（赤四角）およびその計算値（緑矢印）。右は 2000年 6月26日18:00から 6月27日 06:00までの観測データから推定されたダイク。この期間に三宅島には複数のダイク（DK1−DK4）が貫入したと推定されている。
（Ueda et al. 2005, Gephys. J. Int., 161, 891−906）ス）となる。この現象は発泡と呼ばれる。

これらを捉えることは、噴火を予測し監視

マグマの発泡や、マグマによって熱せられ震は神津島に向かって西に線上に広がっ

発泡が起こるとマグマの体積は増加するすることに役立つ。ここでは地球物理学的た地下水が水蒸気に変化することなどにていった。ここには三宅島の下に溜まって04

特 集 ＿ 火 山を診る

2000年三宅島噴火活動において推定されたマグマに満たされた割れ目（ダイク）No.34 spring _ summer 201805

特集 _火山を診る

図6

光の散乱の実験

透明なアクリル板（左）と表面にキズをつけたアクリル板（右）での光の透過の様子。キズをつけたアクリル板では表面にできたキズによって光が曲げられたため曇って見える。このような現象は散乱とよばれ、火山の地下で地震波が伝わるときにも散乱が起こっており、そのために火山で観測される地震波形は複雑な特徴を示す。

が水平の時は、ダイクと呼ばれる垂直な板減衰率）は割れ目の大きさだけでなく、どよって無数の穴ができる（図 1）。さらに発

一方、爆発的な噴火では上に述べた微動れた空気が、まわりの空気より軽くなって被害が起こった。御嶽山は 2007年にも小状の構造となる。ダイクにより生じる地面ののような流体が内部に存在するかによって泡が進むと、穴の構造を維持できなくなりが観測される。微動は地面が短周期で揺上昇する。その理 論 的な考察から、H は

規模な噴火を起こしており、その時は噴火

変形は弾性論により求めることが可能であ決まることがわかった。つまり観測された

マグマは粉々に砕け散ることになる。このれる波から成り立っており、非常に複雑な噴火の体積の時間変化率の1/4乗に比例までに約 2か月にわたって様々な地震や微り、三宅島で 2000年 6月26日から27日にか減衰波形の特徴から、震源にある流体のようにしてできたものが火山灰である。つ

波形の特徴を示す。このような複雑な波形することが知られている。よって、この理論

動が発生し、地面の変形も観測された。しけて起こった地面の変形は、非常に浅部ま状態を調べることができる。このような研まり爆発的な噴火とは、発泡によって砕けは、震源での地震波の発生の仕方だけで的な考察と微動の振幅と噴煙の高さとのかし 2014年の噴火では、地震が起こり始で上がってきたダイクの変形で説明できる究が進んだ結果、八丈島では玄武岩質マ

散ったマグマである火山灰と、ガスが噴きなく、地震波が伝わる時に起こる散乱とい関係から、A は噴火の体 積の地震変化率

めてから、地面の変形も観測されず、2週

こと、さらにこのようなダイクが他にもいく

グマ、草津白根火山では霧状の水蒸気ガ出して来る現象である。規模の大きい噴火う現象によって生じており、それらをすべと比例する関係にあることがわかる。この間程度という短期間で噴火が起こった。

つかあったことがわかった（図 3）。

ス、コロンビアのガレラス火山では火山灰

では、この噴き出した噴煙が高度 10 kmて説明することは困難である。しかしながことは、どのような規模の噴火が起こり、このように同じ火山でも噴火ごとに前兆のを含んだガスといったさまざまな流体が、以上に達することがある。このような噴火ら、その平均的な振幅の大きさが、噴煙の噴煙の高さがどの程度なのかを、微 動の出方は大きく異なるため、噴火を正確に予

割れ目の振動を起こしていることがわかっ

は地域住民だけでなく飛行機の運航にも高さと良い相関があることが名古屋大学

振幅から知ることができることを示してい測することは簡単ではない。また 2018年 1た（図 5）。さらにこれらの火山で観測され影響を与える。火山灰が飛行機のジェットなどの研究によってわかってきた。

る。地震波は、天候に関係なくリアルタイム

月23日に起こった草津白根山の噴火では、た減衰振動は時間的に変化しており、そこエンジンに入ると、エンジン内部は高温な散乱というのは、地下にある小さな割れで観測することができ、多くの火山でそのこれまで噴火を繰り返してきた湯釜ではから流体の状態や割れ目の形状の変化をので火山灰が融けてエンジン内部に付着

目や堆積物が場所によって異なるといった観測が行われている。よって、噴火に伴うなく、本白根山という歴史時代には噴火の推定するという研究も進んでいる。

することでその動きを止めてしまう。よっ地下構造の不均質性によって、地震波が曲微動の振幅を用いることによって、噴火のなかった場所から突然噴火が起こった。

て、どのような規模の噴火が起こっている

げられる現象である。たとえば、透明なア

監視と即時的な噴煙高度の予測を行うここの噴火に訓練中の自衛隊員が巻き込まかを即時的に知ることは防災上重要であ

クリル板に光をあてると光を出した方向がとが可能であり、そのような手法の実用化

れ 1名の死者が出るとともに、付近にいた

爆発的な噴火は、マグマの発泡が急激る。噴煙がどこまで上がったかは、目視や強く光るが、このアクリル板の表面をやすに向けた研究も進められている。

スキー客も危険な状態におかれた。

に進むことで起こるということを述べたが、カメラ画像によって調べられるが、天候がりで削って同じように光をあてると曇ってマグマの中で発泡が進むと、ガスの膨張に悪い場合にはそのような観測はできない。

見える（図 6）。これはアクリル板の表面に

図4

割れ目の開口の実験

コンニャクの中心に十字の切れ目を入れて左右から押した場合の形状。マグマもこのような割れ目を形成しな
がら上昇する。

地震観測による噴火の監視

流体に満たされた割れ目の振動

御嶽山の噴火による被害は、噴火を予

火山防災と人材育成

測する技術が不十分であるとともに、観測できたキズによって光が曲げられたためでこのように、地球物理学的な観測によっ

情報を地域住民や登山者に伝達する上でマグマなどの流体に満たされた割れ目ある。このような現象が散乱で、火山の地てマグマの動きに伴うシグナルが捉えられ、多くの問題があることを示した。また噴火は、火山の下に一般的に存在する。このよ

下で地震波が伝わるときにも起こっている。

それを解析する手法の開発や高度化が進が起こった場合に、噴石に耐えられる施

うな割れ目は、内部の流体の急激な体積

よって、散乱した地震波を説明するためにんでいる。また地球化学的な手法によって設の不足といった問題もあげられる。噴火変化により振 動を起こすことが知られては、小さな割れ目などがどのように地下にも、噴火に伴う現象が捉えられており、その災害を軽減するためには、総合的な取りいる。その振動は地震波として観測され、あるかということを知る必要があるが、その例は本 特集の角皆潤先生の記事に述組みが求められている。火山学と防災の徐々に振幅が小さくなっていく減衰振 動れは現実的には不可能である。しかしなべられている。上に述べたように、2000年

関係については本特集号で山岡耕春先生

を示す（図 5）。このような波形は見た目ががら、そのような地震波がある時間幅にどの三宅島の噴火ではさまざまなシグナルが解説している。将来の火山防災に関わ印象的なので、世界各地で特別な名前がれぐらいの強さで観測点に届くかは、地震が噴火前に観測され、それらの解析結果

る人材の育成を目指した文部科学省のプ付けられており、日本では単色地震、中南波を出した現象の大きさの指標となる。日に基づいてマグマの動きを捉え、その情

ログラムが 2016年度から始まっており、名米ではネジを意味するトルニージョとよば本などで起こった噴火の噴煙の高さ（H）

報は住民避難に生かされた。しかしなが古屋大学もそのプログラムに参加している。

れている。この流体に満たされた割れ目のと、微動の10秒間の平均振幅（A）
を比較

ら、2014年 9月27日の御嶽山の噴火では、

火山学は、その基礎的な研究が社会に直したところ、H は A のほぼ 1/4乗に比例す

前兆的なシグナルが捉えられながら、噴接的に貢献できる学問であり、名古屋大

ることがわかった。噴煙は、噴火によって火の予測に生かすことができず、63名の学ではそのような研究を担う人材の育成

生じた高温の火山灰とガスによって温めら

死者・行方不明者という戦後最悪の噴火を積極的に進めている。

振動の理論的な研究が、米国地質調査所や名古屋大学などによって進められた結果、減衰振動の波形の特徴（振動周期と

図5

流体を含んだ割れ目の振動

八丈島と草津白根山で観測された地震波形と、それらを説明する割れ目の振動モデルによる計算波形。割れ目の形状は色をつけた四角に示されており（3つの数字は割れ目の長さ、幅と厚さ）、八丈島は玄武岩質マグマ、草津白根山は霧状の水蒸気ガ
スを割れ目の中に仮定した。このような様々な流体に満たされた割れ目の振動が火山の下で発生していると考えられている。

地 球 惑 星 物 理 学 講 座 ウェブ ペ ージ

06

特 集 ＿ 火 山を診る

http: //www. eps. nagoya-u. ac. jp/geophys. html
No.34 spring _ summer 201807

特集 _火山を診る

噴煙の化学組成を利用した火山診断

にかけて噴火を繰り返した九州霧島の新角皆煙観測が繰り返し実施され、噴火開始直後

燃岳では、UAV（無人航空機）を用いた噴

潤 地球環境科学専攻教授は高かったSO2/H 2S比が、噴火開始から2カ月後には、噴火開始直後の10分の1まで低下したことが明らかになった。さらにSO2

火山ガス研究の歴史などが含まれることが多い。

反応して、SO2やH 2が生成する反応と、SO2やHClは、特定波長の赤外光を吸収するの火山から大気中に放出される成分（火火山ガスが最初に注目されたのは、1960

がH 2と反応して、H 2SやH 2Oが生成する反で、望遠鏡と赤外分光計を用いることで、

山噴出物）のうち、気体のものを「火山ガス」～1970年代である。火山岩や火山灰は過応が平衡状態に到達していることを反映しリモートセンシングで定量することもできる。

とよぶ。火山ガスの主成分は水蒸気（H 2O）

去の噴火時に形成されたものが多いのに対ていると考えられている。すなわち、高温にさらに近年では、火山ガス中の各成分のである。噴出時の温度は、静穏な火山であして、高温の火山ガスは、現在地下に存在なると平衡反応がSO2側に傾いてSO2やH 2

濃度だけではなく、各成分の安定同位体比れば 100℃前後のことが多いが、活動的なするマグマに由来すると考えられる。したがっの濃度が上昇し、低温になるとH 2S側に傾も、噴煙を利用して推定できるようになった。

火山だと1000℃を超えることもある。しかし、て火山ガスを調べることで、地下に存在す

いてH 2Sの濃度が上昇する。

以下では、噴煙を利用して火山ガス中の水

この火山ガスが大気中に放出されると、そるマグマの現況を把握できると考え、多くのしたがって、もし地下深部から新鮮なマ素（H 2）の安定同位体比を遠隔から求め、の直後に大気と混合して急冷されて水蒸研究者が、図 2に示すように火山の噴気孔

グマが補給されるなどして高温化すると、これを噴気温度の遠隔測定に活用した、気が凝縮し、雲のような見た目になる（図1）。

（火山ガスの放出孔）に赴いて火山ガスを

SO2やH 2の濃度が上昇する。実際にこれをこの希釈された火山ガスは噴煙、もしくは採取し、化学組成や同位体組成を測定した。

反映すると考えられる現象は各地の火山

プルームとよばれ、大気中を上昇しながら多くの火山で火山ガスの化学組成が報で観測され、たとえば、火山ガスの化学組

拡散し、やがて消えていく。火山ガスには、告されるようになると、高温の火山ガスは成が 1966年から継続的に観測されていた水蒸気以外に、二酸化炭素（CO2）や二酸

SO2やH 2に富み、低温だとH 2Sに富む傾向

群馬県の草津白根山では、1976年 3月の水化 硫 黄（SO2）、水 素（H 2）、一 酸 化 炭 素が明らかになった。これは、マグマの中、も蒸気噴火の約1年前から、SO2/H 2S比やH 2

火山ガスが大気中に放出された時の温（CO）、硫化水素（H 2 S）、塩化水素（HCl）

しくはその周囲の山体内で、H 2SがH 2Oと濃度の増大が観測されていた。この噴火前

度は「噴気温度」とよばれ、火山の山体内

図1

桜島と火口から放出された噴煙

山頂から放出され、白色雲状になって広がっているのが噴煙（プルーム）である。手前側に見えるのは鹿児島市の市街地。

HIReTS 法（Hydrogen Isotopes Remote
Temperature Sensing）とよばれる新手法についてご紹介する。

同位体交換平衡を利用した温度測定

図2で進行しているマグマからの脱ガス様式や、噴気孔における火山ガス試料採取の様子

右手に見える直径約 1 mの噴気孔から、100 ℃を超える火山ガスが轟音とともに噴き出しており、低姿勢で直撃を避けながら火山ガスを集めている（2017年 7月、宮崎県の霧島硫黄山で撮影）。

地下水系との接触の有無、火山活動度の現況や今後の推移などを推定する上で極めて有用であることが知られている。たとえば火山の噴火様式は「水蒸気噴火」、すに、地震活動の有意な変化はほとんど認めないので、噴火に伴う火山ガスの組成変化

なわち、マグマによって加熱された地下水

られていなかったことから、火山ガスは噴を実測することは難しかった。

が膨張・爆発することで引き起こされる噴そこで火山ガスが大気と混合して形成さ火と、「マグマ噴火」、すなわち、マグマそのれた噴煙（図 1）を利用して、火山ガスの組ものが噴出することで引き起こされる噴火成を推定する新手法が、2000年代に入っに大別されるが、水蒸気噴火は理論的にところが 1980～90年代になると、火山ガて開発された。火山からある程度離れた場

400℃程度が噴気温度の上限と考えられてス研究は大きな壁に直面する。草津白根山所に流下してくる噴煙は、放出前と比べると、いる。この 噴 気 温 度 は、火 山 岩 の 融 点のように放出される火山ガスを容易に採取

1000分の1前後に希釈されている。しかし、（1000℃前後）まで上昇する可能性のあるできる火山は限られ、大部分の火山は、地SO2やH 2S、HClは一般の大気にはほとんど

マグマ噴火の噴気温度とは大きく異なるの形的に火山ガスの採取が不可能であった。

含まれていないので、高感度センサーを用で、噴気温度は両者を区別する指標となる。

つまり、頻繁に観測を実施して噴火予知にいて噴煙の中のこれらの成分の相対存在

しかし、噴火が近づいている可能性のあ

つなげることができる火山は限られる。さ比を定量化することで、火山ガス中のSO2る火山で噴気温度を直接測定するのは、らに、噴火の可能性が高くなってくると、観やH 2S、HClの相対比が推定できる。また、正気の沙汰ではない。また、物体がその温測は大きな危険を伴う。1990年代には著

一 般 大 気中にある程 度 存 在するH 2O や度に応じて異なる波長の電磁波を放射す

名な火山研究者が、噴火に遭遇して死亡

CO2、H 2などの成分でも、噴煙内外の微小る性質を利用して遠隔から温度を推定する

するという悲劇も起きた。さらに噴火中、あ差異を検出・定量することで、火山ガス中方法もあるにはあるが、現状の技術だとるいは噴火直後の火山は危険で観測できの相対比を推定できる。2011年 3月から9月

100m以上離れるとかなり不正確になって火予知の有力な指標として脚光を集めた。

噴煙を利用した新展開

Urumu Tsunogai
08

特 集 ＿ 火 山を診る

1996年東京大学大学院理学系研究科博士課程修了、博士（理学）取得。東京工業大学大学院総合理
工学研究科講師、北海道大学大学院理学研究科助教授を経て、2012年より名古屋大学大学院環境学研究科および理学部教授。専門は地球化学・環境科学。

No.34 spring _ summer 201809

特集 _火山を診る

火山学は、火山という現象を解明することを目的とする学問である。マグマの発生・使えない。また噴気孔が火山灰等に覆われ応であるH2がH2O化する反応が、ある温度

ぞれのD/1H比は変化しなくなる。つまり、て視認できなくなると測定できない。
「水

で平衡に到達すると、H2OのD/1H比と、H2

急冷直前の噴気温度が、火山から大気中に蒸気噴火は理論的に 400℃程度が噴気温のD/1H比の相対値（（D/1H）（D/1H）
H2 /
H2O

放出されたH2 やH2OのD/1H比に記録され度の上限」と書いたが、これを実測して確比）は、温度のみの関数となる。

るので、これを利用して急冷直前の平衡時認した人はいない。このような噴気温度測

具体的にどのような化学反応が、H 2 との温度を遠隔測定することができる（図 4）。

定に関する問題の解決を目指して開発されH 2Oの間の同位体交換に介在しているかは

しかもH2OのD/1H比は不要で、H2のD/1H

たのが、HIReTS法である。

いまだに明らかにはなっていないのだが、比を求めるだけで、十分な精度と確度で噴たとえばH 2O-CO2 -SO2 -CO間のO原子ととにかく高温の火山ガス中では、H 2とH 2O

気温度が推定できる。これは、ある程度高か、H 2O-H 2 -H 2S間のH原子に代表されるの間の水素同位体交換反応が平衡に到達

温の火山ガスであれば、火山間にH2Oのように、火山ガス中には、複数種の分子間しており、H 2とH 2Oの間に水素同位体交換

D/1H比に差はほとんどなく、これらの平均にまたがって共通に存在している原子がい平衡を仮定して算出した推定温度（「平衡的なD/1H比で代用することができるからでくつか存在する。またこのような原子の多く温度」とよび、AETDと表記する）が噴気温ある。火山ガス中では、H2Oの存在量がH2は複数の安定同位体から構成されており、

度と一致することが、古くから知られていたより圧倒的に多いため、平衡温度の変化は

1
Hと重水素（2H
たとえばH原子であれば、（図 3）。たとえば昭和新山（北海道）では、

主にH2 のD/1H比の変化にのみ反映され、もしくはD、以下ではDと表記）の二種類の1954年に 800℃だった噴気孔が 1977年にH2OのD/1H比はほとんど変化しない。

安定同位体から成り立っている。化学反応

617℃へ、また那須岳（栃木県）では 1960

最初にHIReTS法の検証が行われた北が進行すると、この二種の安定同位体の相

年に 489 ℃だった噴 気 孔 が 1969 年には海道の樽前山では、609℃の噴気孔で火山

対比（D/ H比）は、その反応物と生成物の277℃へ温度が低下する様子が観測されガス試料が、またその周囲の大気中で噴間で、微小に変化する。

たが、この噴気温度の減少に追随して、火煙試料が採取され、それぞれの試料のH 2

高温のマグマ中では、一部の化学反応

山ガス中のH 2とH 2Oの間のAETDも、昭和の濃度とD/1H比が調べられた。噴煙試料が平衡に到達していることをご紹介したが、新山では 750℃から 630℃に、那 須岳はのH 2 濃度は、噴気孔から風下側に約15mある原子が共通に含まれる異種分子間で470℃から290℃に低下した。

1

上昇・分化・噴出・固化などの一連のプロセスを理論・実験・観測等の手法を駆使

Columnして解明していくものである。このような研究手法は理学一般に共通であるが、火山学においてはさらに実社会への適用として防災と直接かかわることが多い。そ火山学と防災れは、火山防災が理学研究の力を用いて火山噴火を予測することを必要としてい山岡耕春

観測された場合であっても、噴火発生後にあわてて噴火警報が発表されることるからである。それでも火山噴火の確実な予測は困難である。火山活動の変化が

地震火山研究センター教授が多い。火山研究者と行政などの火山防災担当者がふだんから顔の見える関係を築いて、いざという時に科学的な説明ができるようにしておく必要がある。
2014年の御嶽山噴火以前は研究者と地元防災担当者との交流がなく、噴火の前兆の地震活動の知見が地元の防災行動に十分に生かされなかった。そのような反省から、名古屋大学では、噴火後に長野県の支援を受けて御嶽山のふもとの木曽町に火山研究施設を開設した。施設では、火山の観測・研究だけでなく，防災教育や地域住民に対する火山防災知識の啓発など、地域といっしょになった防災力向上を図っている。これは自然科学の研究と社会とのかかわりに関する新しい姿で、超学際的研究として期待されているものである。
2017年 7月に長野県木曽町にオープンした名古屋大学御嶽山火山研究施設の除幕式。写真は左から木曽町長，長野県知事、名大総長、王滝村長。施設は御嶽山火山防災研究の拠点となる。

Koshun Yamaoka

1986年名古屋大学大学院理学研究科博士後期課程修了、1986年東京大学地震研究所助手 1991年名古屋大学理学部助教授。2003年東京大学地震研究所教授 を経て、2007年より現職。

離れた場所で大気中の約 60倍、約 50m離一致した。さらに、推定された火山ガス中

噴気温度は、高温時は 920℃、低温時は利用することで、爆発的噴火時や、その直何らかの化学反応が平衡に到達すると、分

その一方で、室温付近の温度だとH2とれた場所で 4倍、約100m離れた場所で 1.3のH 2 のD/1H比から算出した噴気温度は、800℃と、高温を保ちつつも120℃程度の前・直後の火山ガスの組成変化や同位体比

子間の同位体比の相対値は、各分子の構

H2Oの間の水素同位体交換反応は一切進倍であった。この噴煙試料のH 2 濃度とそ

およそ 580℃となり、実測された噴気温度

幅で変動していることが明らかになった。

変化が定量できるようになるので、火山活と誤差範囲内で一致した。また火口内にまた桜島の噴気温度は、観測が行われた

動の現状把握や将来予測技術に、革新的進歩をもたらすことが期待されている。

造と温度のみの関数となり、経由する化学

行しなくなる。したがって、高温の火山ガス

1のD/ H比から、大気H 2の寄与を補正する
1

反応の種類や圧力には依存しなくなる。こが大気中に放出され、その直後に空気と混ことで、火山ガス中のH 2 のD/ H比を推定

多数の噴気孔が存在する薩摩硫黄島（鹿2014年 9月時点で、930℃以上と推定されの状態は「同位体交換平衡」とよばれる。

ざって急冷されると、火山ガス中のH2 としたところ、噴気孔において採取された火児島）では、火口域全体から放出された噴た。これは火山岩の融点（1000℃前後）に

また、今回ご紹介した桜島における噴気

煙から推定した噴気温度は 813℃となり、匹敵する高温で、観測時点でマグマが桜島

温度の遠隔測定は、セスナ機を用いて噴煙

火口内の噴 気孔の実測最高温 度（800−の火口直下に迫っていたことが明らかにの採取に成功したおかげで実現した。図 1900℃）と誤差範囲内で一致することも確なった。桜島は連日のように鹿児島市内にを見てもわかるように、火山の火口は山頂認された。噴煙から推定した噴気温度が、降灰をもたらすことで有名だが、この桜島は、に位置することが多く、またこの山頂の火実測された噴 気 温 度と一致したことで、爆発的噴火の危険性と隣り合わせにいる

口から放出された噴煙は、火口からある程HIReTS法が噴気温度の遠隔温度測定法

ことが証明された。桜島を上回る噴気温度

度上昇してから、水平方向に広がっていく。

として有効であることが証明された。

を示す火山は、国内では見つかっていない。

したがって、火口の縁まで登山するか、そ

火山ガスの化学組成・同位体組成に関すうでなければ航空機をはじめとした何らかる研究が本格的に始まってからすでに 50の機器類を使わないと、噴煙を採取するこ

HIReTS 法 が 開 発 され た お か げ で、年以上が過ぎてはいるが、噴火時（あるいとはできない。火山そのものに関する学術

2011年以降は、阿蘇中岳（熊本県）や桜島

は噴火の危険性が高まりつつある状態）の研究の進歩はもちろんだが、ドローンや無（鹿児島県）といった、それまで誰も噴気

火山ガスに関する情報が入手できるように

人航空機、無人探査車といったような工学

温度を測定することができなかった世界なったのは、噴煙が利用できるようになっ的技術の発展を推進し、その成果を組み有数の活火山で、噴気温度が遠隔測定でたごく最近のことであり、研究は未だその込むことができるかどうかも、今後の火山きるようになった。その結果、阿蘇中岳の端緒にあるといってよい。今後は、噴煙を学の発展にとって重要になってくるだろう。

たとえばH2OがH2化する反応と、その逆反

H2Oの間の同位体交換反応が停止し、それ

1

山ガス試 料中のH 2 のD/ H比と誤差内で1000

噴煙（プルーム）
交換反応停止AETD（°C）

H2O + HD

500

0

昭和新山
那須岳
焼岳
樽前山
九重硫黄山
恵山
薩摩硫黄島

0

500

同位体交換平衡1000

噴気温度実測値と同位体平衡温度（AETD）の関係

AETDは、各噴気孔から放出される火山ガス中のH 2とH 2Oの間に水素同位体交換平衡を仮定して算出した。

10

特 集 ＿ 火 山を診る

噴気温度 算出

HDO + H2
H2O + HD
HD/H2比＝温度の関数
図4

火口温度遠隔測定法（HIReTS法）の原理
1

図3

HD/H2比分析

噴気急冷

噴気温度（°C）

HDO + H2

噴煙中のH 2のD/ H比を測定することで、噴煙中のHD/H 2比を求めることができる。これは、H 2と共存するH 2Oが同位体交換平衡に達していた急冷直前のHD/H 2 比が保持されたものである。同位体交換平衡に達している時のHD/H 2 比は温度のみで決まるので、噴煙中のH 2のD/1H比から急冷される直前の温度を求めることができる。

噴煙を利用した火山ガス研究の将来

物 質 循 環 科 学 講 座 ウェブ ペ ージ

http: // has. env. nagoya-u. ac. jp/gg. html
No.34 spring _ summer 201811

理 の 先 端を いく Ⅰ
8

カエル

マウス

ヘビの胴体が長い謎の解明

眼

26

心臓

頸椎

前足

胸椎

肋骨

図1

アルバートネクテス
（首長竜）

腰椎 仙椎

後ろ足

尾椎

ニワトリ

骨盤

脊椎動物の骨格パターン

94（骨盤と後ろ足の元になる組織）

図3

脊椎動物の骨格パターンの進化の様子

は胴体とよばれている。

＊2胚の中でGDF11（ジーディーエフイレブン）

出したところに仙椎と後ろ足が同時に形成た（図 4）。私たちの研究により、ヘビは他

さまざまな動物の骨格パターンの進化をとよばれる分泌タンパク質が働きはじめたされることがわかり、この発生学的なメカの動物と比べてGDF11が働き始めるタイミ

見てみると、今生きている動物だけでなく場所が、将来の仙椎になることを発見した

ニズムによって、我々脊椎動物の後ろ足がングが極めて遅いために、後ろ足の形成の既に絶滅してしまった恐竜や首長竜、ヘビ（図 3）。GDF11の機能を破壊したマウスで必ず仙椎の位置につくられるという進化的

タイミングも遅くなるために長い胴体（前足の祖先で手足を持つテトラポドフィスに至は後ろ足の位置が脊椎骨 6個分体の後側に保存されたシステムを明らかにした。

と後ろ足の間）をもつことが判明した。ちな

るまで、あらゆる生物種において後ろ足はにずれることがわかっている。私たちの研

進化の過程で脊椎骨の数は多様化しても、後ろ足（青色）は必ず仙椎（赤色）に接続している。黒色の数字はそれぞれの動物の頭から後ろ足までの脊椎骨の数を示している。

究で、GDF11タンパク質は仙椎になる組織

また興味深いことに、進化の過程でそれぞの隣の組織（専門用語で側板中胚葉 とメカニズムれの動物の総脊椎骨の数や、頭から後ろ足いう名前の組織）にも働きかけて、そこに次に私たちは、動物種間で後ろ足の位置

後ろ足の位置の多様性に代表される生までの脊椎骨の数（図 2内の黒色の数字）

後ろ足と骨盤をつくることがわかった。すの違いが生まれる仕組みを調べるために、物の大進化は、これまで進化学の分野では大きく変化しているにも関わらず、後ろ足

なわち、GDF11タンパク質が発生中に働き脊椎動物の中で胴体が短い（頭から後ろは体のかたちをつくるHox遺伝子の変化に足までが近い）ものと、胴体が長い（頭かよって引き起こされたと考えられて来た。今ら後ろ足までが遠い）もの、合わせて 9種回の研究で、GDF11はHox遺伝子の働くの動物においてGDF11の働き方を調べた。

場所をまさに制御している働きをもつこと

その結果、カエルやカメなどの胴体が短が判明した。これにより生物の形態の大進い（頭から後ろ足までが近い）ものは発生

化は、オーケストラの指揮者のように働く、中にGDF11が働き始めるタイミングが早く、思った以上に少数の遺伝子の変化によってエミュー（鳥の仲間）やヘビなどの頭から後もたらされた可能性が推測される。

れる直前までの状態である「胚」の“発生＊3

早発生中に GDF11 が働くタイミング 遅カエル

背骨過程”の変化の蓄積によって起こる。そこ
で私たちは、さまざまな脊椎動物において後ろ足ができる時の発生過程を調べれば、
なぜ後ろ足が必ず仙椎の場所につくられるのか、また進化の過程でどのようにして後ろ足の位置が多様化していったのかを、明らかにできるのではないかと考えた。

私たちヒトを含む脊椎動物は、体の中心

これらのかたちの違いは発生中に将来のに背骨（せぼね）をもっている。背骨はたく

脊椎骨になる領域に発現するHox（ホック

仙椎の位置に後ろ足をつくるさんの脊椎骨（せきついこつ）が１列に並ス）遺伝子群 によって決められている。

発生メカニズム

んだ構造をしており、脊椎骨はかたちの違

前足は胸椎の最も前端に位置しており、後近年の研究で私たちは、体の発生過程

いで頭に近い方から頸椎（けいつい）、胸椎

ろ足は、骨盤（こつばん）を介して仙椎にを観察しやすいニワトリの胚を用いて後ろ（きょうつい）、腰椎（ようつい）、仙椎（せん接続している。前足から後ろ足の間の部分

足の発生メカニズムを詳細に調べた結果、理 の 先 端をいく Ⅰ

みにダックスフントは胴体が長く見えるが、仙椎に接続していることが分かる（図 2）。

“進化”は、受精卵から体がつくられ産ま

12孵 卵して 2日目のニワトリ胚の模 式図を示す。発生中に分 泌タンパク質である
GDF11が発現した場所が仙椎（赤色）となる。GDF11は隣接する後ろ足をつくる場所となる側板中胚葉にも作用し、仙椎の位置に必ず後ろ足（青色）をつくる。

後ろ足の位置の多様性を生み出す

ス ッポン

マウス

ニシキヘビ

ムが存在するのではないかと考えた。

＊1

仙椎の位置に必ず後ろ足がつくられる仕組み

図2

る進化的に高度に保存された発生メカニズつい）、尾椎（びつい）とよばれている（図1）。

後ろ足

側板中胚葉

マウスを例に脊椎動物の骨格パターンを示す。背骨は頭側から頸椎、胸椎、腰椎、仙椎、尾椎に分けられる。脊椎動物の後ろ足（青色）は仙椎（赤色）に接続している。

から、私たちは仙椎の位置に後ろ足をつく

1977年生まれ。1999年慶應義塾大学理工学部応用化学科卒
業、奈良先端科学技術大学院大学バイオサイエンス研究科
後期博士課程修了。博士（バイオサイエンス）。日本学術振興会
特別研究員、ウィスコンシン大学海外特別研究員、さきがけ研究員（兼任）などを経て、2010年名古屋大学大学院理学研
究科生命理学専攻助教、2016年同講師。2018年 4月より現職。

骨盤

GDF11

21

は必ず仙椎の位置につくられる。このこと

脊椎動物の骨格パターンの進化

背骨
仙椎

頭

Takayuki Suzuki

胚157

テトラポドフィス（ヘビの祖先）鈴 木 孝 幸 生命農学研究科准教授（2018年 3月まで生命理学専攻講師）

頭

短

仙椎

後ろ足
胴

の

長

手足が短い変異体なため相対的に胴体が長く見えているだけである。

さろ足（ヘビでは多くが退化してなくなっているが、ニシキヘビなどの一部のヘビでは

（

頭

か

ら

後

ろ

痕 跡が 残っている)までが遠いものでは
足

ま

で

の

脊

椎

の

図 4 脊椎動物において後ろ足の位置の多様性を生み出す仕組み

数

）

長

発生中にGDF11の働きはじめるタイミングが遅い種ほど、頭から後ろ足までの位置が遠くなり、胴体が長くなる。ヘビではGDF11の働きはじめるタイミングが極めて遅いために長い胴体をもつ。

形 態 発 生 学 グ ル ープ ウェブ ペ ージ

＊1

Hox遺伝子GDF11が働きはじめるタイミングが遅いこ

ホメオティック遺伝子ともよばれ、動物の初期発生の段階で体の前と後のそれぞれの場所にかたちをつくり出すために必須な重要な遺伝子。

とがわかった。

＊2

この進化発生学的知見から、進化の過程で後ろ足の位置が多様化していった原
因は、GDF11というたった 1つの遺伝子からつくられるタンパク質の発生中に働くタイミングが異なるためであることが明らかとなっ

GDF11細胞の外に分泌される分泌タンパク質。仙椎が形成される場所で特異的に働き、隣接する後ろ足の元の組織である側板中胚葉にも作用し、仙椎が形成される位置に後ろ足の形成をスタートさせることがわかった。
＊3

側板中胚葉

後ろ足が形成される前の発生段階で将来の後ろ足をつくる細胞がいる場所の総称。

https://nagoyaumb5.wixsite. com/morphogenesis
No.34 spring _ summer 201813

理 の 先 端を いく

Ⅱ

酵素から着想を得た「分 子の容れ物 」

ナミックに変化しながらもゲストと安定な真ん中のドアがスライドしてゲストを挟ん

加え、入り口のサイズよりも大きなゲストも会合体を形成できる新しい分子ケージをだ後入り口が閉じ、強固にゲストと会合で取り込むことができる。また、このケージは山 田 泰 之 物質科学国際研究センター准教授

合成したいと考えた。もちろん、酵素のようきると我々は考えた。ロタキサン構造では、

環境・大きさの等しい内部空間を2つもち、にアミノ酸を用いてそのようなケージをつく

分子同士が共有結合で連結されているわ

図 3bのゲストをそれぞれの空間に1分子ずることも可能かもしれない。しかし、目的実けではなく、図 2aのように絡まり合っていつ取り込むことができるが、その際、ゲスト現のための「仕掛け」として我々が用いたる状態であるため、「スライドドア」式の分は 1分子ずつ段階的にケージに入ることものは、軸状分子が環状分子を貫通した「ロ子運動が可能になると期待したわけである。

わかった。これは、1段階目の会合の強さ

タキサン」という人工の超分子構造であるが 2段階目の会合の強さよりもずっと大き天然の分子システムへの挑戦（図 2a）。我々の考えたシステムの概念図をいことを意味しており、図 2bのようなケー

図 2bに示した。まず、3つの平面性分子を、実際に合成した分子ケージの構造を図

面と面を向かい合わせて配置する。一番上

3aに示した。ピンク色で示したポルフィリンと一番下の分子を軸状の「レール」で連結という平面性色素 2分子が 4重にレールで酵素の誘導適合に限らず、生体内には未しておき、「ロタキサン」構造を介して真ん架橋された二量体に、4つの環をもつフタだ人工分子では実現困難なほど高度な機中の分子をレールに連結することで、ケー

ロシアニン（図中オレンジ色）1分子を4つ能をもつ分子システムが数多く存在する。

ジの内部にはナノ空間が 2つできる。このとのロタキサン構造を介して連結した超分子

その分子システムから着想を得て新しい機

き、真ん中の分子が「スライドドア」のようケージである。我々が期待した通り、この能性分子を構築することは、天然のシステに移動できれば、仮に空間の入り口のサイ

ケージはアニオンを側鎖にもつ平面性分子

ムを越える分子システムの創出につながる

ズよりも大きなゲストがやってきたとしても、と非常に安定な会合体を形成することにと信じて我々は研究に取り組んでいる。

（a）ロタキサン構造の例（b）ロタキサン構造を利用した「スライドドア」を持つ
分子ケージの概念図

ゲスト分子
（基質）

環状分子が軸状分子から抜けないようにするためのストッパー

Yasuyuki Yamada

1975年生まれ。2003年東京大学大学院理学系研究科博士課程修了。パデュー大学化学科博士
研究員、東京理科大学薬学部助教、名古屋大学物質科学国際研究センター助教を経て、2014年より現職。専門は錯体化学・超分子化学。

酵素
図1

分子のかごをデザインする

会合体を形成できるようになるが、その分、ジを合成することは容易ではない。

分子ケージは、内部に空間をもつ「分子ゲストの構造が限定される。これはちょうの容れ物」であり、分子を内部に取り込む

ど「鍵と鍵穴」のようなもので、酵素の分ことで（取り込まれる分子を「ゲスト分子」

子認識の仕組みの1つとして知られる。一ところが、ある種の酵素は図1に示すようという）化学センサーや分子の貯蔵・反応方、ケージが柔らかい構造をもつ場合には、に、自分自身がゲストの構造に併せて柔軟場として利用できることから、近年精力的

ケージが変形してさまざまなゲストを取りに変化することで、さまざまなゲストと安定込むようにはなるが、ゲストとケージの会な会合体を形成できる。この会合体形成のデザイン上重要な要素の1つに、「骨格の合体が熱エネルギーによって簡単に変形

様式は「誘導適合型モデル」とよばれ、タ

柔軟性」がある。分 子ケージが簡単にはするため、安定性の高い会合体を形成す

ンパク質が非常に大きな分子であることにることが困難になる。このため、「ケージ・加え、その構造がある程度の柔軟性をもっ柔らかい構造をもつ場合とをそれぞれ想ゲスト会合体が高い安定性をもつ」と「柔ているからこそ実現可能なユニークな性質

像してみよう。まず硬い構造をもつ場合に軟に構造変化して多様なゲストと会合できである。我々はこの誘導適合型会合体形成

は、ある特定の構造をもつゲストと安定なる」という2つの特徴を併せもつ分子ケーから着想を得て、ケージ自体の構造がダイ

理 の 先 端をいく Ⅱ

O

O

O

O

O

NH2
O

O

軸状分子
（2）真ん中の「仕切り」がスライドして入ってきた分子を強く包接する。

Cl
O
O
CH3

H 3C

環状分子

（3）2つめの分子が内部空間に侵入する。
図2

（b）

O
O

SO3

フタロシアニン環
O

O O
O
O
O
O H 2N OONOO O
H 2N O
O
O
O O

N
NH
N

N
HN
N N

O

O

N
O
O
O NH2
O
O

O
O

O

O
O
O
O
O NH2
O O O
O

NH NHN
N

ポルフィリン環O

ロタキサン構造を利用した「スライドドア」をもつ分子ケージの概念図

ロタキサンとは、（a）に示すように、環状分子に軸状分子が貫通した構造をもつ分子の総称である。ロタキサンを利用して 3つの平面性分子同士を（b）のように連結すれば、真ん中の平面性分子がスライドドアのように可動式になるため、
平面性分子同士の間のナノ空間の大きさが変化する分子ケージが構築できる。

（a）多重インターロック型分子ケージ

分 子 組 織 化 学 研 究 室 ウェブ ペ ー ジ

14O

酵素の立体構造のくぼみにぴったりとかたちが合うゲスト
分子（基質）が選択的に認識される「鍵と鍵穴モデル」に対して、誘導適合モデルでは、ゲスト分子が酵素に結合すると酵素のくぼみがその分子の認識に適した形状に変化する。

O（1）真ん中の「仕切り」がスライドして分子が内部空間に侵入する。

H 3C

酵素 ー ゲスト分子複合体

酵素の「誘導適合」型分子認識モデル

NH NHN
N

ている。

CH3

人工の超分子構造の利用に開発が進められている。分子ケージの変形しない硬い構造をもつ場合と非常にゲスト分子の構造にあわせて酵素が変形する

ジの骨格変形が関与していると我々は考え

N
H
N
H
N

O3S

図3

平面性二価アニオン型
ゲスト分子（a）の分子ケージは、ポルフィリンという色素分子二分子が柔軟なアルキル鎖を介して4重に架橋された二量体（図中ピンク色）に、4つの環状分子を側鎖にもつフタロシアニンという色素一分子（図中オレンジ色）を、4つのロタキサン構造を介して連結した構造をもつ。
この分子ケージ内に導入可能なゲスト分子の一例を（b）に示した。

超分子ケージとその内部空間に導入可能なゲスト分子の例

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No.34 spring _ summer 201815

理 の 先 端を いく

Ⅲ

程式に基づいて、オーロラの発達を計算

電離層機で再現する試みを進めている。計 算モ
電子降下

デルとして、磁気流体方程式で記述され

地球磁場
図2

オーロラ
地球磁気圏
プラズマの対流

地球磁気圏
プラズマの対流

地球磁気圏と電離層の模式図

太陽から来る高速のプラズマ流（太陽風）により地球磁気圏内に大規模なプラズマ対流が生じ、それをエネ
ルギー源として電離層に向けて電子が降下し、中性大気を励起発光させて極域電離層にオーロラが発生する。

る磁気圏プラズマと二流体方程式で表される電離層プラズマの結合モデルを構築した。そして、磁気圏プラズマの運動と磁場変動に加え、電離層プラズマの密度変化と電場変動を名古屋大学のスーパーコ
ンピュータで追跡し、オーロラをかたちづくる密度や電流の構造変化を調べた。

Tomo-Hiko Watanabe

新潟県生まれ。1993年東北大学大学院理学研究科地球物理学専攻で学位取得後、核融合科学研究所助手、助教授、准教授、教授を経て、2014年 2月より現職。核融合プラズマにおける乱流輸送やオーロラなどの宇宙プラズマ現象の理論・シミュレーション研究を進めている。

プラズマ物理から解くオーロラのかたちと運動
渡邉智彦

素粒子宇宙物理学専攻教授

したプラズマの層、すなわち電離層と、高宇宙と地球との間にプラズマを介した電流

度およそ1000km以遠から宇宙空間に広回路がつくられる。

カラー表示したもので、色はプラズマ中にがるほぼ完全電離したプラズマからなる

では、どのような仕組みでオーロラの構

生じた渦の強さとその回転の向きを表し

磁気圏である（図 2）。イオンと電子の混合造が生まれるのだろうか。以下では我々がている。初期に与えた平面波状のゆらぎが、ガスからなるプラズマでは、その密度変化取り組んでいる理論モデルについて概説す

不安定性の成長を介し、電磁場や速度場に応じて電場が誘起され、また、イオンとる。図 1の写真に見られるように、オーロラ変動の増幅をもたらす。それが発達すると、電子の相対速度差による電流から磁場変はしばしば多重構造をもって現れる。これ

2次的な不安定性が発生し、波面の変形動が生じる。この電磁場変動は、また、荷を一種の波と見なそう。電離層中にプラズや渦の巻き上がりが生じる。さらに非線

電粒子の運動に影響を及ぼし、粒子の集マ密度の濃淡ができたとする。これは水平形 状態に入ると渦構造は大きく乱れ、電団運動が引き起こされる。なかでも、巨視方向に波として伝わると同時に、電磁場擾

磁場をともなった乱流状態に遷移するこ

的でゆっくりとした変動は磁場に沿って伝乱を生み、電流を運ぶプラズマの波としてとがわかってきた。こうした乱流中では搬し、数 10秒から数 100秒程度の周期をも磁気圏中を伝播する。この電流回路に生じ粒子加速が生じることも指摘されており、

つ地磁気擾乱として観測される。このプラた 2つの波がうまく共鳴すると互いに増幅

オーロラ発光をもたらす降下電子の加速

ズマの波は、地球磁場に沿って流れる電流、しあい、オーロラとして発達すると考えられる。

機構としても興味深い。

すなわち、宇宙から地球へと降り注ぎオー
ロラを発光させる電子を運ぶ役割を担っ

オーロラの謎図 3はシミュレーション結果の一 例を

今後は、プラズマの運動論的効果を含

オーロラ発達のシミュレーション

んだより詳細なシミュレーション研究を行ている。一方、電子が降り込むと、電離層こうした考えから、核融合プラズマの研うとともに、人工衛星観測によるオーロラの電子密度が増加し電流が流れる。つまり、

究でも用いられるプラズマ物理の基本方

発達理論の定量的な検証を進めたい。

極夜に輝くオーロラは、多くの人々を魅了してやまない。その妖しげな、または、
神々しい光は、宇宙から降下する電子が地球上層にある電離層大気中の原子・分子を衝突励起して発光させるものである。た図1

とえば図 1 に見られるオーロラに特 徴的

極地方で観測された多重オーロラ

特徴的な緑色の光は電子との衝突により励起された酸素原子の発光である。オーロラ
は地球磁気圏と電離層のプラズマの相互作用を反映していると考えられる。
（NASAウェブサイトhttps://www.nasa.govより転載）

な緑色の光は、電子との衝突により励起された酸素原子の発光である。このオーロ
ラを光らせる電子は、図 2 に模式的に示したように地球磁気圏とよばれる宇宙空間
から飛来する。その元となるエネルギー源

が詳しく調べられてきた。しかし、この最もラズマ物理学の観点から理論的に解き明は、磁気圏中の電離気体（プラズマ）の対

身近な宇宙現象であるオーロラにも、未だかすことを目指して研究を進めている。

流であり、ひいては太陽からの高速プラズ

解明されていない謎が残されている。そのマ流（太陽風）にある。これまでの地上観

1つが、どのようにして、図１のようなカー

測や衛星観測から、オーロラ発生の特徴

テン状や渦巻き構造をもつオーロラがつく

オーロラの舞台となるのは、地上から高的なパターンや、地磁気活動との相関などられるのか、という点である。この謎をプ

度 80kmから 800km程度にある弱く電離16

理 の 先 端をいく Ⅲ

図3

オーロラ構造発達の計算機シミュレーション結果の例

図は磁気圏プラズマ中に発生した渦度分布を示す（赤色は反時計回り、青色は時計回りの渦を表す）。シミュレーション領域の上面が磁気赤道面、下面が電離層に対応する。不安定性の線形成長段階（左図）から、2次的不安定性の発達（中図）を経て、非線形な乱流状態（右図）に遷移する。
（T.-H. Watanabe et al.2016, New J. Phys. 18, 125010）

オーロラとプラズマプ ラズ マ 理 論 研 究 室 ウェブ ペ ージ

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理学部交差点
キャンパス通信

同窓生から世界に開かれた大学を体感する

今も続く理学研究科との関係

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ガジャマダ大学生物学部教授

杉山

エンダン・セミアルティ（Endang Semiarti）

伸（ Shin Sugiyama）

書籍紹介『 研究するって面白い！
科学者になった 11人の物語 』
多元数理科学専攻准教授

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