文部科学省と国立大学附置研究所・センター 個別定例ランチミーティング

第75回 北海道大学 低温科学研究所（2024.2.16)
12:05-12:10(5分） ： 研究所・センターの概要
12:10－12:25(15分） ：「哺乳類の冬眠の制御に関わる分子・遺伝子に迫る」 山内彩加林 助教「南極の海と氷の相互作用」 中山佳洋 助教
12:25－1 2:45(20分） ：質疑応答

低温科学研究所の概要
沿革・ 1941年北大初の附置研究所として設立
・ 2010年以降 「寒冷圏及び低温条件の下における科学的現象に関する学理及びその応用の研究」を目的とする共同利用・共同研究拠点

研究組織・体制
雪氷新領域部門，水・物質循環部門，生物環境部門 （３２名）
環オホーツク観測研究センター （９名）
共同研究推進部（６名）
技術部（９名）教授：１４，准教授：８，講師：１，助教：２０

合計４３名

低温科学研究所の特色
地球惑星科学（環境学，大気・海洋科学など），物理学，化学，生物学といった広範な分野の研究者が学際的でユニークな研究を展開

低温が鍵となる学際的研究 【ボトムアップ的研究】
氷表面反応，氷の特異な表面状態，水中での有機物結晶化，冬眠の科学 etc
地球惑星科学，天文学，化学，物理学，生物，結晶工学，薬学 etc. に新たな展開

グローバルな極域研究 【プロジェクト・トップダウン的研究】
海洋物理学，化学海洋学，微生物学，同位体化学等の研究者の密な関係

なぜできる？
独自開発した水・氷に関する世界的に卓越した分析・実験技術
所内技術部の充実
一人一人が学際的な意識，ユニークさを求める姿勢（人事が重要）

外部資金，共同研究，論文
科研費取得率
過去5年の大型科研費（代表として）： 特別推進研究：１，基盤Ｓ：４，基盤Ａ：６，学変Ａ（領域代表）：１，学変Ｂ（領域代表）：１
過去5年の取得状況（代表として）
R1

R2

R3

R4

R5

総額（億円）

3.3

4.6

4.7

2.8

4.6

教員あたり（百万円）

7.2

10.0

10.3

５.８

9.1

教員あたり課題数

0.810.961.10.930.93

共同研究論文数・論文国際共著率

共同研究数（公募による）開拓型，研究集会，一般研究
R2R3R4R5R671

555483（81）コロナ禍2024.02.16

文部科学省と附置研センターとの定例ランチミーティング

哺乳類の冬眠の制御に関わる分子・遺伝子に迫る

北海道大学低温科学研究所
冬眠代謝生理発達分野 助教
山内 彩加林冬眠
食べ物が少なく寒い季節に、代謝と熱発生を抑制して低体温で生き延びるための適応戦略
現象自体は100年以上前から記述されているが、その制御に関わる分子・遺伝子はいまだ全く不明

シリアン
ハムスター

私は、冬眠の分子機構を理解すべく研究を進めています。

冬眠する哺乳類のスゴイ能力

哺乳類の冬眠の不思議
冬眠発動は何で決まる？
冬眠発動
体温 (C)

冬眠

中途覚醒

35

5環境
or
年周リズム

温暖長日

寒冷短日

非冬眠

冬眠前

後冬眠

低温に耐えられるのはなぜ？
220(日数)

深冬眠
冬眠できない夏のからだ

体のつくりかえ

冬眠できる
冬のからだ

冬眠に向けてどんな体になる？

冬眠前・冬眠中の分子機構を独自に発見！
冬眠に向けて貯蔵と燃焼を同時にできる機構の発見！

冬眠中

低温で障害を受けないのはなぜ？
ビタミンEが重要だった！
非冬眠哺乳類（マウス）

冬眠哺乳類（ハムスター）

体のつくりかえ

白色脂肪組織

脂肪を貯蔵する細胞

低ビタミンE含量

高ビタミンE含量

細胞死

低温で生存可能！

脂肪を燃焼できる細胞

Next 冬眠発動に着目

冬眠発動や低温耐性を決める分子は何か？
冬眠

冬眠期には多臓器で脂質代謝に変化がみられる！

冬眠発動

冬条件

白色脂肪組織冬眠発動しない

不冬眠

褐色脂肪組織肝臓

冬眠に大事なシグナルを出している？
冬眠に必要な体の変化や冬眠に抵抗性を示す個体

学際的な研究により、冬眠に重要な脂質を探索中！
これまでの冬眠研究
エネルギー源
情報伝達
ハムスター

情報伝達としての脂質の役割は？

白色脂肪

褐色脂肪

肝臓

LC-MS/MS

どんな脂質がたまる？
液体クロマトグラフィー

分析化学的手法

融合

質量分析計

MS/MS

感度

脂質

脂質抽出m/z(質量 / 電荷数)

冬眠に重要な分子を探索中

脂質を同定

冬眠を制御する分子・遺伝子の発見に向けて冬眠発動のカギとなる遺伝子は不明
ゲノム編集試薬を導入
遺伝子Aは冬眠に重要かも！

CRISPR/Cas9複合体
遺伝子Aのノックアウトハムスター

冬眠できない受精卵 (胚)遺伝子に変異が入る→機能が失われる（ノックアウト）細胞

臓器

冬眠の制御に関わる遺伝子発見のため、これまでみつけた候補遺伝子のノックアウトハムスターやノックアウト細胞株を樹立

今後に向けて大学院：
変温動物の低温適応を分子レベルで研究

冬眠研究に興味を持つ

不凍タンパク質
低温耐性や凍結防止の分子メカニズムを研究

冬眠の分子機構は未だ殆ど不明
哺乳動物

変温動物

融合

学際的な研究展開により、冬眠の分子機構を理解できる可能性がある

低温研は最適な研究環境！

低温環境での様々な自然現象を研究
物理化学

地球科学

生物学

ご清聴いただきありがとうございました南極の海と氷の相互作用

北大低温研

中山佳洋

略歴
2005

学士：名古屋大学工学部機械航空工学科

2009

修士：北海道大学、環境科学院

2011

博士：アルフレッドウェゲナー極地海洋研究所、ドイツ

2015

ポスドク：NASAジェット推進研究所、アメリカ

2018

助教：北海道大学低温科学研究所

南極による氷損失は海面上昇に寄与する人工衛星（GRACE, GRACE-FO）による観測

南極の質量損失（ギガトン）

南極の質量損失 (2002-2023)

0-1000-2000-3000

南極の質量損失 （水換算メートル）-4-3-2-1

01NASA/Goddard Space Flight Center Scientific Visualization StudioNASA and JPL/Caltech
https://svs.gsfc.nasa.gov/31158

3南極の海と氷に内在する転換点

南極の海によって氷損失/海面上昇が加速する

British Antarctic Survey http://iceflowsgame.com

南極による海面上昇への寄与のメカニズム

暖かい水塊
流入

氷河
棚氷

棚氷が
降雪
薄くなる

氷河の加速
棚氷

海氷

南極大陸の氷河
氷の流出

海面上昇

?
接地線

大陸棚

氷山

外洋

暖かい水塊

5

南極に内在する転換点を理解することが難しい要因

観測

数値モデル

観測の問題点：数値モデルの問題点：を捉えることが困難。

が多い。棚氷融解が異なる物理プロセスに観測場所/時刻がばらばら。全体像と長期変動平均場などのみで再現性が評価されることよって駆動される。

本研究室の研究手法：南極に内在する転換点を理解するための現場観測/モデル開発• 数値モデルを利用して、重要観測地点を特定。現場観測を実施。

• 観測/モデル/データ同化を融合し、棚氷融解を引き起こす高温の水塊の空間分布、時間変動、またその物理プロセスを従来に比べ格段に再現できるモデルを開発。

6

観測ヘリコプターを用いたトッテン氷河域の観測

Nakayama et al., 2023
8

過去の観測トッテン氷河/棚氷

Nakayama et al., 2023

1000 m

棚氷

トン
テッス

モ

ワク

学

大

氷

棚JARE61以前の観測

9ヘリコプターを用いた68点の観測に6日間で成功！高温水塊の経路を捉える!
水温（ºC）

Nakayama et al., 2023

A棚氷

トン
テッス

モワク

学

大氷

棚10

ヘリコプターでしかアクセスできない厳しい海氷海域での観測

11ヘリコプターでしかアクセスできない厳しい海氷海域での観測

11ヘリコプターでしかアクセスできない厳しい海氷海域での観測- 世界初、南極域のヘリコプター大規模海洋観測！
- 砕氷船が侵入できない領域でセンサーを投下！
- 東南極で最も融解しているトッテン氷河・棚氷への高温の水塊の流入経路を世界で初めて特定。

11

観測/モデルの融合

融合研究を世界各国の研究者とともに牽引

過去の観測を再現できる領域海洋モデルの開発に成功
1992-2020年のアムンゼン-ベリングスハウゼン海シミュレーション

66S 水深552 mの水温 (2016年1-12月)

70S

4000
3000
1500
500

パインアイランド棚氷
スウェイツ棚氷

76S
76S
0500

130W

110W
0.5ºC

1000(m)

90W

南極周極流
ロス環流

70W

132ºCNakayama et al., 2018 (Nature Communications)、他7編(Nature Geoscienceなど)

大規模な海洋循環の変化が棚氷融解量を急激に増加させる可能性を示唆

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南極
ウェッデル海観測モデル融合研究を国際的に牽引
ウェッデル海モデル開発

ウェッデル海データ同化

べリングスハウゼン海

Photo: 指導している学生とポスドク及び卒業生

ケープダンレー

南極底層水の形成過程

べリングスハウゼン海洋循環と棚氷融解を決定する要因

東南極

アムンゼン海トッテン氷河/棚氷による海面上昇への寄与の将来予測

棚氷の形状を決める要因
1940年代のエルニーニョ/ラニーニャが西南極域に与えた影響の調査

グリーンランド

東南極モデルデータ同化

ロス海
ロス海モデル開発

東南極棚氷への潮汐の影響

グリーンランド縁辺海モデル開発• 観測モデル融合研究から、南極による海面上昇への寄与をより高精度に見積もる。
• 南極の海と氷に内在する転換点とその物理的メカニズムを理解する。

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