2020年12月

No.50

ケープダンレー沖での変わった氷山（撮影：小野数也 2020年2月）

Research
顕微鏡でみる、
ミクロな水中の世界（木村 勇気） …………………………………………………… 2
気候状態と気候の安定性の理解（関 宰） ………………………………………………………… 5培養による嫌気性ヒ素酸化細菌の探索（小島 久弥） …………………………………………………… 9

People隅田明洋………………………… 12

Press Release／News

北海道大学低温科学研究所
http://www.lowtem.hokudai.ac.jp

R esearch
顕微鏡でみる、ミクロな水中の世界共同研究推進部（雪氷新領域部門） 木村

勇気

素朴な疑問

とはないのでしょうか？食事を待つ間、お冷を飲みなが『誰も見たことのなら考えてみて下さい。疑問が次から次へと湧いてくるこ

い現象を見たい』、『皆とと思います。食後には、コーヒーや紅茶を飲みながらが無意識のうちに当たまた新たな疑問が湧いてきます。入れた砂糖は一方的にり前だと思っているこ

溶けていくだけだろうか？我々は顕微鏡を用いたその場との真実を突き止めた観察を元に、このような素朴な疑問に迫っています。こい 』、『 世 の 中 に 新 しこでは、我々が捉えたいくつかの例を紹介します。

い難題を突き付けた

新しい水を発見い』。このような思い
で約 20 年の研究生活

一般的な物質では、その液体の密度は温度に対して線を送ってきました。例

形に変化します。これに対して、水の密度は、温度の低

えば氷の入った冷たい下と共に大きくなっていき、4℃で最大となった後、0℃

水（ お 冷、 図 １）
。水に向かってまた小さくなっていきます。4℃の水は 0℃に氷を入れると、氷は

図１

お冷の水よりも重いことは、氷水をストローで飲むときに、

どんどんと融けていき上の方から飲む方が下の方から飲むよりも冷たいことでます。融けていく氷の表面に思いを馳せてみて下さい。

実感できます。この密度の非線形性は、水には高密度の氷の中で規則正しく並んでいた水分子は、氷の表面から

水と低密度の水があり、それらが混ざり合っていること

自由に動き回れる水中へと拡散していく様子を思い描けで説明できますが、いまだに明確な証拠は得られていまます。この時、氷と水の境界はどのようになっているのせん。最近、東北大学の新家先生との共同研究で、高圧でしょうか。氷は常に融けるだけで、成長することはな

セル内で作った氷 III １＊ と周りを囲む水との界面に、高いのでしょうか？水と氷は明確に線引きでき、そのどち密度の水が存在することを発見しました（図 2；16 ペー

らでもない水分子は存在しないのでしょうか？やがて、ジを参照）。この高密度の水は、氷 III が成長や融解する

水と氷の平衡温度である 0℃になると、氷はそれ以上融際にマイクロメートルスケールの厚さにまで達しまし

けることなく（外気温が 0℃であれば）安定に水上に浮た。これまで、分子動力学計算などから氷と水の界面にかびます。一般的に、平衡状態では氷と水の界面で水分はナノメートルスケールの遷移層があると考えられてい子はその間を行ったり来たりしていると考えられます。

ましたが、我々の観察結果は、その遷移層とは異なる水

この時、どのくらいの水分子が行き来しているのでしょが従来の考えより三桁も大きな厚みで存在することが分うか？氷の表面から離れた水中で、新しい氷ができるこ

かりました。さらに、混ざり合わない二種類の液体の共図２ 水 - 氷 III 界面において、混ざり合わない 2 種類の液体の共存を示す両連続的パターンの形成を捉えた光学顕微鏡像。氷 III の成長が止まると（0 秒）
界面に存在した高密度水がバルク水へと戻り、その過程で両連続パターンが見られた（3-11 秒）。右は 0 秒と 11 秒の氷表面の一部を示した模式図。
（Niinomi

et al. J. Phys. Chem. Lett . 2020, 11, 6779 を改編）

2

RESEARCH

存を示す両連続的パターンも見られました（図 2）。つ晶が観察できました。その表面では塩の分子が固体と液まり、高密度の水は、周りを囲む水とは明確に区別でき

体の間を行ったり来たりしていると思いますが、残念なる異なる液体でした。冒頭の疑問に挙げた、我々が知っがらその現象を明確に捉えることはできませんでした。

ている水や氷のどちらとも異なる新しい水は存在して分子の動きを活発にしてやれば観察できるのではないか

いたのです。今回観察した氷 III は密度が大きいために、と考え、溶液を 60℃まで加熱して平衡状態を観察する

水が凍ったり融けたりする際に高密度水を中間相としてと、結晶は溶解と析出を繰り返したり、大きさが変化し経由するのかもしれません。お冷に浮かぶ密度の小さなたりとダイナミックな動きをしている様子が見られまし氷と水の界面にも、異なる密度の新しい水が存在していた（図 3）。さらに、電子回折パターンを取得して結晶るかもしれません。

構造を調べると、室温の時に存在していた安定結晶だけ
でなく、準安定結晶４＊ も同時に生成していることが分平衡状態の揺らぎを観る

かりました。この時、それぞれの成長速度は同程度でし我々は、誰も見たことのない現象を観察するために、たが、溶解速度は準安定結晶の方が大きく（緑の矢じり）、を駆使しています。特に、近年はまた準安定結晶は安定結晶に接触すると、瞬く間に取り液体試料の観察に取り組んでいます。この顕微鏡は、光込まれました。お冷に浮かぶ氷も大きくなったり、小さの代わりに電子を使って観察するために、電子の通り道

くなったりしているのかもしれません。

透過型電子顕微鏡

２＊

は高真空に保つ必要があります。そのために、真空中で蒸発してしまう水を含んだ試料は観察できませんでし

水溶液中の現象を透過型電子顕微鏡でみるを

最近は、薄い非晶質窒化シリコンの膜で溶液を挟むこ使って塩が溶ける様子を観察しました。イオン液体は、とで、試料を真空に晒すことなく透過型電子顕微鏡観察

蒸気圧が非常に小さく、電気伝導性もあり、室温で液体を行える手法の開発と応用に取り組んでいます。この手であるなど、電子顕微鏡観察に適した特性を持っていま

法で、構成要素として水分子が無くてはならないタンパ

す。ここに 80℃で飽和するように塩（塩素酸ナトリウ

ク質の結晶や、水和反応が鍵となるセメントの固化反応

ム）を溶解しました。室温に冷ました溶液を透過型電子過程などを観察する中で、今までの常識を覆すことがで顕微鏡で観察した所、イオン液体に浮かぶ塩の小さな結きるようになってきました。例えば、大阪大学の荻先生た。そこで、水の代わりに溶媒としてイオン液体

３＊

図３ イオン液体溶液中の塩素酸ナトリウム微結晶の核生成と溶解過程をその場観察した透過型電子顕微鏡像と電子回折パター
ン。60℃の平衡状態において、矢印で示すように、溶解と析出を繰り返したり、サイズの増減が起こったりした。回折パターンは、安定結晶だけでなく、準安定結晶の出現も示している。（Kimura et al., J. Am. Chem. Soc . 2014, 136, 1762 を改編）

3

RESEARCHと一緒に行った実験では、未飽和の水溶液中でも、イオ

今後の期待

ン液体中で見られたのと同様に塩（塩化ナトリウム）の

現在は、透過型電子顕微鏡中でお冷を観察するための析出、溶解過程が見られました（図 4）。この研究の目

準備を進めています。水の中に浮かぶナノメートルス

的は、アルツハイマー病の原因となるアミロイドβタン

ケールの氷の振る舞いを明らかにしていくことで、冷凍

パク質の凝集体が生成するメカニズムを突き止めること

技術や環境問題、寒冷地での生命の生存戦略、氷天体でにありました。実は、析出した塩の表面にアミロイドβの化学進化など、多分野に貢献できると期待しています。

が集まり、溶解する時に 1 点に集まることで凝集体が作られることが分かりました（15 ページ図１を参照）。
コーヒーや紅茶を飲みながら思いを巡らせていた溶解や、析出の揺らぎは、私たちの体の中でも頻繁に起こっているようです。

語句説明
１＊ 氷 III：水分子の並び方の異なる 15 種類の氷のうちの一つ。お冷の氷は Ih。氷 III は高圧低温領域で安定。
２＊ 透過型電子顕微鏡：光学顕微鏡が可視光（およそ380-780 nm）を用いて観察するのに対して、波長の短い電子（〜 10-3 nm 程度）を用いて観察することで高い空間分解能を得られる顕微鏡。
３＊ イオン液体：塩（NaCl）と同様にカチオンとアニオ
ンの組み合わせからなり、その組み合わせの違う 1,000 種
類以上のイオン液体が知られている。ここでは、臭化 1,3 ‐ジアリルイミダゾリウム（C9H13BrN2）を用いた。
４＊ 準安定結晶：結晶が置かれた環境において、時間と共に安定結晶へと変化する結晶。例えば、チョコレートは口内で溶けやすくするために、準安定結晶として製品化している。
一度溶けたり長期間保管したりすると、チョコレートは安定結晶になり、口溶けが悪くなることがある。

図４ 温度一定の定常状態で、未飽和水溶液から析出、溶解する塩の結晶の透過型電子顕微鏡像。33.6 秒と 43.2 秒に結晶に特有の白い影が見られる。
（Nakajima et al. J. Phys. Chem. Lett . 2020, 11, 6176 を改編）

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R esearch
気候状態と気候の安定性の理解
水・物質循環部門

関宰

私の研究テーマは地球の気候システム（脚注参照）を

温暖化が引き起こす被害というと海水準の上昇や、生より深く理解することです。気候システムがどのような態系の撹乱、前述した異常気象（豪雨、干ばつ、台風やからくりで動いており、全球的な気候変動をどのようにハリケーン）の多発などを多くの方はイメージされるの制御しているのかを明らかにするために日々研究を行っではないでしょうか。こうした現象が温暖化の進行ととています。特に近年は将来予測という観点から、今よりもにより深刻になっていき、それに伴う社会的混乱（食温暖化した気候状態における気候システムの振る舞いを料・水をめぐる争いや移民の増加）が発生する可能性が解明することに焦点を当てています。今回は、その研究

高まるという話を、みなさんもどこかで聞いたことがあの意義の説明にやや重点をおいて私の研究の話をしたい

るかと思います。しかし、未来で起きることがこうしたと思います。

予測の範囲に留まるなら、まだ良い方かもしれません。
温暖化によって気候が現在とは異なる状態に移行するこ

温暖化という「完全問題」
人間活動に伴う温室効果ガス（二酸化炭素など）濃度とで、現在の人類の繁栄を根本から揺るがす事態が起こる可能性があるからです。

の増大による気候変動（温暖化）の可能性が初めて叫ばれてから 30 年以上が経過し、今や温暖化による環境の「安定」というゆりかごの中で変化（異常気象の発生頻度の増加など）は現実のものとでは、現在地上の盟主として君臨するまでに至った人

して顕在化するまでに進行したように感じます。ここに類の繁栄の基盤とはなんでしょうか？それは「農業革命」

きてようやく温暖化は若い世代を中心に人類が抱えるグです。我々が有史以来の絶え間ない発展により高度な科

ローバルな問題におけるトップイシューの１つとして認学文明を築けたのは、農業革命による生産効率の飛躍的識されるまでになったように思います。

な向上で得た余剰時間を、他の活動に使えたことが決定

現在の人類の繁栄は自然資源の収奪による温室効果ガ的な要因と考えられています。現代の娯楽や高度な医療

ス濃度の増大、そしてそれにともなう地球温暖化によっなどは全て、生産効率の向上によってもたらされる余剰て未来を犠牲にすることで成り立っているといえます。

時間と、社会的分業によって生まれたのです。しかし、これは、地球温暖化が引き起こされるタイミングと、そ

現代の高度に発達した農業は安定な気候に最も適応したの原因となる行為がおこなわれるタイミングが大きく乖システムであるため、気候の不安定化に対して極めて脆

離しているため、地球温暖化が引き起こされる危機を回弱です。有史以来の継続的な文明の発展という世代を超避するための対策を実行に移すのが難しいことに起因しえて受けつがれてきた偉業は「比較的安定な気候」といます。そのため、地球温暖化問題はしばしば「完全な問う条件の上に成り立ってきたのです。ここで、過去の気題」と言われます。これは解決するのが非常に困難な問題であるという意味です。人間は現在直面している危機に反応するようになっており、逆に具体的でなく、実際に直面するのがかなり先になるような危機には、例えそれがとてつもなく甚大なものであると認識していてもなかなか非常ベルが作動しないのです。

図１ 過去 12 万年間のグリーンランド氷床コアの酸素同位体比記録の変動（NGRIP members, 2004）。氷床コ
アの酸素同位体比は気温の変動を示している。

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RESEARCH

候変動を見てみましょう。図１にグリーンランド氷床コ

高緯度まで輸送されているため、欧州は高緯度のわりにアの分析から得られた過去約 12 万年間の北半球高緯度

温暖湿潤な気候となっています。しかしこの循環が突然の気候変動を示しています。人類が狩猟採取生活をして鈍化すると、低緯度からの熱の輸送が南半球にももたらいた時期と、農耕が開始された時期も併せて示してありされ、北半球では寒冷化が、南半球では温暖化が引き起ます。人類は長い間狩猟採取生活を営んできましたが、こされます。では何が引き金となって子午面循環のス

約１万年前あたりから農耕を開始しました。注目すべきイッチが突然切り替わるのでしょう？それは海洋と氷床点は、農耕が開始される以前の狩猟採取生活時代（氷期）の相互作用が鍵を握ります。この子午面循環の原動力は

は、気温が相対的に低かっただけでなく、気候が極めて

表層海水の密度の変動ですので、淡水の供給によって表不安定であったのに対し、農耕開始以降の気候は比較的

層水の密度の低下が閾値を超えると突然停止してしまい

温暖だっただけでなく、農耕に適した非常に安定した状ます。氷期には巨大な氷床が北米大陸に発達していまし態が維持されてきたことです。このように、我々の文明たが、その氷床の崩壊と大西洋への流出が繰り返し発生

は、繰り返される氷期と間氷期（比較的温暖な時期）のしていたことが知られています。そのため、DO サイク

サイクルの中の「例外的に温暖で安定な気候」というゆルは氷床崩壊による淡水の供給が引き起こす子午面循環

りかごの中で育まれてきたのです。

の停止と突然の回復（時が経つにつれて次第に表層塩分が上昇し、塩分の上昇が閾値を超えると子午面循環が突

悪夢の氷期

然回復する）というメカニズムで発生したという仮説が氷期において見られる急激な気候変動の繰り返しは有力です。このように、一瞬で気候を塗り変えることの「ダンスガード・オシュガー・サイクル（DO サイクル）」

できる氷床は、気候システムにおいても極めて特異的なと呼ばれ、その影響は全世界にわたっていたことが明ら存在といえます。

かになっています。寒冷な状態から温暖な状態への移行（ジャンプ）は、最速ではたったの数年で起こったと安定と不安定を分かつ条件

されており、それに伴うグリーンランドの気温変化は「氷期に気候が不安定な状態に陥っていたのは、子午10℃に及ぶと推定されています。産業革命以降の北極面循環を撹乱させる巨大氷床が北半球に存在していたか

圏の温暖化に伴う気温変化が 150 年かけて 2.5℃程度

ら」という説が有力ですが、話はそう単純ではないこと

であることを考えると、そのスピードと変動の大きさが、もわかってきました。子午面循環のスイッチが切り替わ

いかに桁違いであったのかがわかります。もしこのようるかどうかは、ちょっとした条件の違いによることが最な気候の突然のジャンプがいま起こったら、安定な気候

近の研究によって明らかになってきました。実は氷期でを前提とする我々の文明はひとたまりもないでしょう。

も最も寒い気候状態に達してしまえば、現在と同じよう

我々は気候が安定であることから、計り知れない恩恵をに「比較的安定な状態」になります（図２）。実際に、受けてきたのです。

DO サイクルは氷期の最寒期と現在の間氷期のちょうど中間状態のときにのみ発動していました（図２）。この一瞬で世界を変えてしまうトリック

中間的な気候状態であるからこそ、大西洋の子午面循環

地球の気候は突然劇的に変わりうることを示した DO

は海洋表層のわずかな塩分の撹乱に対して敏感に応答すサイクルの発見は、気候変動の研究における最大の成果るようです。さらに、安定か不安定かを決める要因としの１つといえます。また、この成果は「地球の気候シスて、巨大な氷床の存在だけでなく、全球平均気温と二酸

テムは、条件さえ揃えばこのような変動を再び引き起こ

化炭素濃度のレベルが重要であることもわかってきまし

すことができる」ことを示していますが、果たしてそれた。つまり、気候の安定性は気候状態に依存するのです。

はどのような条件、メカニズムで発動するのでしょう？
DO サイクルは、大西洋の南北方向に存在する子午面循6

眠れる獅子の目覚め

環（脚注参照）のオン／オフのスイッチが突然切り替わ

気候の安定性は気候状態に依存するという発見は、未ることで引き起こされると考えられています。現在はこ来の気候変動の予測において深刻な懸念を突きつけまの循環が比較的活発で、低緯度の熱が効率的に北大西洋す。なぜならば、現在よりも温暖化した未来で安定した

RESEARCH

極氷床がダイナミックに変動する世界に移行するのです。まさに眠れる獅子の目覚めです。

たったひとつの方法
実際に、現在、南極氷床の融解が加速していることが近年の観測によって明らかにされています。もしこのまま温暖化が進行した場合、南極氷床の融解がさらに加速して、やがて海洋循環を撹乱させるほどの影響を及ぼす規模の氷床の崩壊が起きるのでしょうか？
その結果、かつて氷期を席巻した DO
サイクルのような世界規模の急激な気
図２ 現在より寒冷な気候状態（氷期など）からより温暖な気候状態にかけての全球平均気温（現在からの偏差）と二酸化炭素濃度、地球の気候の安定性との対応関係。図の右側には氷期とより温暖な気候状態で変動する氷床を示してある。

気候が訪れることが約束されないからです（図２）。こ候ジャンプが引き起こされるのでしょうか？また、もし引き起こされるとしたら、その発動条件となる気温、二酸

化炭素濃度レベルの臨界点はどこなのでしょうか？

こでみなさんは「氷期の DO サイクルの要因となったこうした問いに答えることは、今という時代に生き、北米大陸の巨大氷床が今は存在しないので、気温や二酸

温室効果ガス濃度の増大を引き起こしてしまった我々の化炭素濃度が現在より上昇したとしても、氷期の悪夢が責務だと私は考えています。ではどのような方法であれ

再び引き起こされる可能性は低い」と思うかもしれませば、答えに迫ることができるのでしょうか？残念ながらん。しかしながら、それは楽観的な考えといわざるを得

現在の観測を突き詰めていっても、答えに辿り着けそうません。なぜなら、海洋表層の塩分を撹乱できるほどのにありません。なぜなら現在の観測からでは現在起こっ

巨大な淡水の塊（氷床）は、南極にも存在しているからている現象に関する知見しか得られないからです。
また、です。そしてこの南極氷床は、現在よりも温暖な気候状態でいよいよ大規模な融解をはじめる可能性が高いのです。
事実、現在よりもたった 1℃温暖と言われている１つ前の間氷期（最終間氷期：12-13 万年前）では、西南極氷床の大部分が融解していたとされています（図３）。さらに、現在よりも３℃温暖であった鮮新世（300-450 万年前）には、東南極氷床の一部も著しく後退
し、現在よりも５℃温暖な中期中新世（1500-1700 万年前）では東南極氷床がさらに著しく後退していたと考えられています（図３）。現在よりも寒冷な氷期は、北半球氷床がダイナミックに変動する世界でしたが、現在よりも温暖な気候状態に突入すると、今度は南図３ 過去の温暖期の南極氷床分布と全球平均気温（現在からの偏差）、海面上昇（南極氷床寄与分）の対応関係。

7

RESEARCH

気候変動に対する氷床の応答の本質を理解するには、少過去の温暖期へなくとも千年以上の長期的な振る舞いを理解する必要がしかしながら、DO サイクルに類する急激かつ短期間あり、これは現在の観測で扱える時間スケールを遥かにの気候変動を捉えることができるほど十分な時間解像度

超えています。温暖な気候状態で起こり得ることに関すの気候変動の復元は、現在よりも温暖な時代では全くなる知見を得るには、結局、現在よりも温暖であった気候

されていません。つまり、我々は現時点では温暖な気候

状態を調べるしかないのです。つまり、たったひとつの状態における気候の安定性に関する知見をほとんど持ち

方法とは過去の温暖期の研究をすることです。

合わせていないのです。私はこれまで、様々な時代の気候変動の研究をしてきましたが、ここにきて、現在より

過去へのタイムマシン

温暖な気候状態における短周期の気候変動の研究に全力

幸運なことに、地球の歴史を振り返ると、現在よりもを注ぐべきであるという結論にようやくたどり着きまし

温暖な時代がいくつも存在していたことがわかっていまた。そこは全く未開の領域であり、ほぼゼロからのスす。当時の短周期の気候変動を詳細に調べれば、温暖な

タートとなります。今より温暖な気候状態における気候

気候状態で劇的な気候ジャンプが発動しうるかどうかをの安定性を検証するうえで真っ先に取り組むべきは、気検証することができると期待されます。過去の気候変動

候ジャンプの起爆剤となりうる南極氷床のダイナミクス

は、海底や湖沼堆積物、氷床などに記録されています。

の理解だと考えられます。私は現在、最終間氷期（＋１℃）

いわばこれらは地球の過去を覗くことのできるタイムマ

から始まり、鮮新世（〜＋３℃）や中期中新世（〜＋５℃）

シンといえます。
私の研究はそれらの柱状試料を採取し、における南極氷床や表層温度、二酸化炭素濃度の変動なその物性や化学的特徴を分析し、過去の環境変動を復元

どを、DO サイクルに類似した短周期の気候変動を捉えすることからはじまります。これまでの研究によって、ることのできる時間解像度で海底堆積物から復元し、解過去の環境を間接的に復元する手法（代理指標）が提案

析を行っているところです。まだ解析中ではありますが、されており、気候システムを構成する要素や温度・降水

鮮新世と中新世の温暖期において DO サイクルとほぼ同量・二酸化炭素濃度などの変動を復元することができる

じ周期で氷床の融解が何度も繰り返されていたことを示ようになってきました。こうして世界各地から得た時系

す証拠が得られつつあります。はたして温暖な気候状態

列データを統合的に解析することで、気候システムがどで気候システムは安定性を保つのか？それともその凶暴のように働き、地球の気候が制御されているのかを調べな一面を現すことで激しく荒れ狂うのか？その答えを導ます。このような方法で、今までに、氷期が現在よりもくための研究は始まったばかりです。

寒かったことや、その原因、また DO サイクルの存在と最後になりますが、本稿に対して適切なコメントを頂

その駆動メカニズムなどが多くの研究者によって明らかいた広報委員の皆様（山口教授、大場准教授、滝沢助教）にされてきました。私も同様に、世界各地から得られたに深く感謝いたします。

試料を用いて、現在の間氷期や氷期、鮮新世など様々な時代における気候変動を研究してきました。例えば、海底堆積物から氷期における海水温度変動を高解像度で復元して、北大西洋が発信源とされる DO サイクルの影響が、遠く北東太平洋にも及んでいたことを突き止めました。また、現在よりも温暖な気候状態に関する研究では、
二酸化炭素濃度を代理指標とした分析から、鮮新世において二酸化炭素濃度が産業革命前よりもわずかに高かったことなどを明らかにし、気温と二酸化炭素濃度の密接な関係を示しました。

8

気候システム：気候を決める要素の総称。地球の気候システ
ムは大気、海洋、氷、地表、植生などによって構成されていると考えられている。この気候システムに強制力（二酸化炭
素濃度や日射量の変化など）が加えられるとこれらの要素が複雑に相互作用し、それぞれの要素が変化することで気候が別の状態に移行します。
大西洋子午面循環：大西洋における緯度方向の海洋大循環のことで、この循環により温度や塩分が異なる海水が南北に移動している。現在、表層では北向きに流れているが高緯度で沈みこみ、深層では南向きの流れになっている。

R esearch
培養による嫌気性ヒ素酸化細菌の探索
生物環境部門ヒ素を利用する微生物たち

小島久弥

したもので、無機硫黄化合物を酸化してエネルギーを獲

ヒ素は地球表層付近に広く分布する元素で、主に土壌得する硫黄酸化細菌の一種です。skB26 株のゲノムをや岩石中に含まれています。単体のヒ素ならびにヒ素解析している際に、この微生物が Arx と呼ばれるヒ素酸化合物の大半は、生物に対する高い毒性を有していま化酵素の遺伝子（arx 遺伝子）を有していることに気付す。ヒ素化合物は自然条件下において局所的に高濃度できました。この解析を行っていた当時、arx 遺伝子はわ

分布することがあり、飲料用地下水や農業用水などの汚ずか数種の微生物からしか見つかっておらず、嫌気性ヒ染を通して世界各地で大きな健康問題を引き起こして素酸化細菌に特異的なものであると考えられていましいます。環境中でのヒ素の存在形態は主に＋３価の Asた。また、その時点で知られていた全ての嫌気性ヒ素酸（Ⅲ）と＋５価の As（Ⅴ）であるとされ、毒性は前者の化細菌は高い塩濃度と高い pH で特徴づけられる環境に方がより高いものの As（Ⅴ）やそれ以外の形態であっ生育するものでした。skB26 株はこれらとは系統的にても有毒です。
ヒ素の毒性はあらゆる生物に及びますが、

大きく離れており、低い塩濃度と中性付近の pH を好む

As（Ⅲ）から As（Ⅴ）への酸化や、As（Ⅴ）から As（Ⅲ）という性質を有しています。この予期せぬ発見を受け、への還元によってエネルギーを取り出し、生育に利用す

硫黄酸化細菌である skB26 株がヒ素酸化能を持つかどる微生物も存在します。エネルギー獲得のために As（Ⅴ）

うかを検証しましたが、実験した条件下では As（Ⅲ）

を As（Ⅲ）へと還元する反応は、無酸素環境にいる微の酸化は認められませんでした。その一方で、skB26

生物によって進行します。また As（Ⅲ）を As（Ⅴ）へ株が発見されたダム湖の深層水中には As（Ⅴ）を還元

酸化する場合は、酸素存在下でより効率的にエネルギーする別の微生物が生息しており、As（Ⅲ）を供給してを取り出すことができます。こうしたことから、無酸素いることを示唆する研究結果が得られました。skB26

環境では As（Ⅲ）、有酸素環境では As（Ⅴ）の存在比

株が arx 遺伝子を有していることには、やはり何らかのが高くなることが知られています。一方で、無酸素条件

意義があるものと考え、嫌気性ヒ素酸化細菌の探索を進下で As（Ⅲ）を酸化する微生物も知られており、これめることにしました。

らは嫌気性ヒ素酸化細菌と呼ばれます（図 1）。
ここに挙げたような微生物の活動が、環境中でのヒ素の分布や存在形態に影響を与えていると考えられますが、その詳細については未解明な点が多く残されています。環境中でのヒ素の動態に関わる微生物の中において、嫌気性ヒ素酸化細菌は特に知見が乏しい機能群です。本稿では、嫌気性ヒ素酸化細菌に関連する我々の研究成果を紹介します。

探索のきっかけと方針
嫌気性ヒ素酸化細菌に着目したきっかけ
は、Sulfuricella denitrificans skB26（ 以 下、
skB26 株）という微生物にあります。この微生物は、年間を通じて約 5℃に保たれたダム
湖の深層水から得られました。低温環境における硫黄循環過程の解明を目指す過程で発見

図１ 環境中でのヒ素の存在形態と微生物機能、およびヒ素汚染対策における微生物利用の概念図。円で示してあるのは、各微生物のヒ素代謝に関わる主要な酵素。微生物によるヒ素化合物の変換には、毒性に対処するためにエネルギーを費やして行われるものもあるが、ここでは省略してある。

9

RESEARCH

嫌気性ヒ素酸化細菌は、それまでは高アルカリの塩湖ものであることが分かりました。

からしか見つかっていませんでした。しかし「無酸素条これら 3 つの微生物の中で最初に得られた J1A 株は、件下で As（Ⅲ）を酸化する」という機能が、こうした培養実験によって無酸素条件下で As（Ⅲ）を酸化する

極限環境に生息する微生物に限定されるべき理由は思い能力を有していることが確認できました。J1A 株のゲ

当たりません。arx 遺伝子を持つ skB26 株がダム湖かノムを解析したところ、Arx とは別のヒ素酸化酵素であら発見されたことと合わせて、「淡水環境には未知の嫌る Aio の遺伝子も有していることが分かりました。Aio

気性ヒ素酸化細菌が生息している」と考えるに至りましは、有酸素環境でのヒ素酸化に関わる酵素として知られた。そのような微生物を見つけ出すには、どのような方ているものです（図１）。これら 2 タイプのヒ素酸化酵

策を採ればよいでしょうか。まず微生物を探し出す大元素の遺伝子を併せ持つ生物が発見されたのは、これが初として、一定量以上のヒ素が存在する環境が想定されまめての例となります。観察された無酸素条件下での Asす。また研究開始当時に arx 遺伝子を持つことが判明し（Ⅲ）酸化に関わっているのがどちらの酵素なのかは、ていた微生物には、硫黄酸化細菌あるいはその近縁種でまだ特定できていません。この点を解明することが当面あるという共通点がありました。これらのことから、「嫌の課題と言えますが、その先の展開として、酸素の有無

気性ヒ素酸化細菌を発見するには、ヒ素に富んだ環境にによるヒ素酸化酵素の使い分けなども興味深い研究対象

生息する硫黄酸化細菌の中から探索するのが効率的であとなりそうです。J1A 株については、ヒ素関連以外の様々

る」という仮説を立てました。この仮説に沿う形で、まな特性を明らかにしたうえで、Sulfuritortus calidifontis

ず硫黄化合物を与えて培養を行い、得られた硫黄酸化細という学名をつけました。

菌について arx 遺伝子の有無を調べ、その存在が認めら

残りの 2 株、M52 株と J5B 株は互いに近縁で、同じれたものについて As（Ⅲ）酸化能を評価する、という新属の別種と考えられます（いずれも分類は未確定）。

方針を策定しました。As（Ⅲ）を酸化する微生物を培

これら２株のうち、As（Ⅲ）を酸化する能力は M52 株

養したいのであれば、最初から As（Ⅲ）を供給すればでのみ確認されました。M52 株による As（Ⅲ）の酸化は、よいようにも思えます。しかしながら、無酸素条件下で無酸素条件下のみならず、低濃度の酸素存在下で酸素をの As（Ⅲ）酸化はエネルギー獲得効率の低い反応であり、利用する形でも進行することが分かりました。M52 株

これに依存した増殖は低速であることが予想されます。

は Aio の遺伝子を持たないことから、観測された As（Ⅲ）

さらに、As（Ⅲ）はこれを利用するものにとってすら酸化には酸素の有無によらず Arx が関わっていると予想

毒性が高く、低濃度でしか供給できないという制限があされます。Arx が酸素を利用したヒ素酸化に関与するこります。実際に研究を遂行するにあたっては、危険性のとはこれまで示されておらず、この点についてこれからある As（Ⅲ）を使用した実験をできるだけ減らしたい

実験によって証明する必要があります。また、M52 株という事情もあります。
実験従事者の手間や健康リスク、と同じ実験条件下において J5B 株が As（Ⅲ）を酸化で安全管理の諸コスト、廃液処理等に伴う環境負荷は軽視

きない理由についても未解明です。同じく As（Ⅲ）酸

できるものではなく、やみくもに As（Ⅲ）を使った実化の確認できていない skB26 株の場合と異なり、J5B

験をするのは好ましくありません。As（Ⅲ）を使わず

株では近縁種である M52 株との比較解析が可能です。

に候補となる微生物を絞り込むことができれば、As（Ⅲ）

M52 株と J5B 株の間での詳細な比較は、嫌気性ヒ素酸を用いた実験は必要最小限に抑えることができます。

化細菌への理解を深めるための様々な手掛かりを提供してくれるかもしれません。

これまでに見つけたもの
こうした方針を基本に据えつつも、様々な試行錯誤や10

まだ見つけられていないもの

偶然がもたらした紆余曲折を経て、arx 遺伝子を有する培養を中心とした手法で研究を進めている間に、他の新たな硫黄酸化細菌を３種類ほど得ることに成功しまし研究者の活動によっても arx 遺伝子に関する情報が徐々た。そのいずれもが、同じ温泉に由来する試料から得らに集まってゆきました。知見の蓄積に大きく貢献したのれたものです。これらは既知のいかなる微生物種とも明は、近年急速に発展したメタゲノム解析です。この手法

確に異なっており、それぞれが独立した新種に相当する

では、環境中の多様な微生物のゲノムを直接解析するこRESEARCHとにより、培養を経ることなく一度に大量のゲノム情報

あるいは「その場から追い出す・洗い流す」ための措置が得られます。研究開始当初はほとんど情報がなかったを通じて、ヒ素の局在をコントロールすることが重要と

arx 遺伝子ですが、培養されていない未知の微生物のゲなります。As（Ⅲ）は水への可溶性が As（Ⅴ）よりもノムからも発見されるようになりました。こうして蓄積高いため、環境中での移動性も高いことが知られていまされてきた情報に、我々の研究成果も加えて改めて整理す。ヒ素の空間的分布をコントロールするには、As（Ⅲ）

すると、Arx が大きく３つのグループに分けられることと As（Ⅴ）の間での変換、つまり酸化と還元を状況にが判明しました。そのうちのひとつは、淡水環境に生息応じて適切に促進したり抑制したりする必要があります

する微生物に特有でした。このグループには、我々の発（図 1）。例えば「ヒ素をその場から洗い流す」ことが求見した 4 株（skB26 株・J1A 株・M52 株・J5B 株）のめられる局面では、酸化を抑制して還元を促進すればよ

Arx が含まれますが、それ以外は全て未培養の微生物にいことになります。一方で「ヒ素をその場に留める」こ由来するものでした。培養と並行する形で、我々も環とを目指すのであれば、酸化を促進して As（Ⅲ）を As

境中から直接 arx 遺伝子を検出することを試みてきまし（Ⅴ）に変換することが求められます。しかし先述の通り、た。この際に用いたのは、arx 遺伝子だけを特異的に検As（Ⅲ）は無酸素環境に豊富に存在する傾向にあります。

出する方法で、全遺伝子を対象としたメタゲノム解析でよって As（Ⅲ）を酸化することが求められる局面には、はありません。ダム湖や温泉の試料を解析してみると、

しばしば無酸素という条件が付随することになります。

そこに様々な嫌気性ヒ素酸化細菌が生息していることを無酸素環境への酸素の供給は、一般に高コストで技術的示唆する結果が得られました。この解析では、検出され困難が伴うことが少なくありません。酸素を必要とせずた arx 遺伝子の持ち主である微生物は特定できず、そのに As（Ⅲ）を酸化できる嫌気性ヒ素酸化細菌は、微生

ヒ素酸化能も証明はできません。しかし、淡水に特異的物を利用したヒ素汚染対策における重要なツールのひとなタイプの Arx を持つ様々な種類の微生物が、未発見のつとなる可能性があります。そして、ヒ素汚染への早急まま環境中に潜んでいるということは言えそうです。遺な対応が切実に求められているのは、飲料水や農業用水

伝子配列としてだけ検出された正体不明の微生物の実体といった淡水資源に他なりません。

を捉えるためには、結局のところ培養によって“発見”基礎と応用のいずれの観点から見ても、本研究はほんすることが必要になります。これらを培養する試みにおの出発点とも言うべき段階のものです。自然界におけるいては、メタゲノムの情報が何らかのヒントをもたらす

ヒ素循環の全体像の把握も、微生物機能を利用したヒ素

かもしれません。「arx 遺伝子を持つ微生物」が、他に汚染対策の実用化も、実現にはまだ程遠い状態です。しどんな遺伝子を有しているかを知ることができるからでかし、その鍵となりうる微生物を発見し、純粋培養としす。その観点から検証してみると、硫黄酸化細菌を狙うて様々な実験に利用できる状態にしたことには、大きなと効率的、という仮説は依然として有効そうです。

意義があると考えています。これを足掛かりとして、嫌気性ヒ素酸化細菌に関する研究が大きな展開を見せるこ

見つけたことの意義
改めて、「淡水性の嫌気性ヒ素酸化細菌」を見つけだとを期待しています。そして、我々ものその一端を担うべく探求を続けていきたいと考えています。

す意義について考えてみたいと思います。微生物に関する基礎科学の観点からは、こうした生物の発見それ自体

謝 辞： こ こ で 紹 介 し た 成 果 の 多 く は、Melodyに少なからぬ意義があります。この点についての専門的Cabrera Ospino 博士をはじめとする共同研究者の方々な議論はさておき、ここでは別の観点として、環境浄化のご尽力により得られたものです。本研究は科研費への応用の可能性に言及しておこうと思います。ヒ素化（15K07209 および 20K12215）の助成を受けています。

合物はそのほとんどが有毒です。このことは、ヒ素汚染研究の立ち上げ期には、低温科学研究所からの支援（低への対応においては分解によって無毒化するという方策

温科学研究所が機能せず、毒性の低い形態に変換するというアプロー

篤く御礼申し上げます。

平成 26 年度研究助成）を頂きました。

チも有効性に乏しいことを意味します。このためヒ素汚染への対策においては、「その場に留める・閉じ込める」

11

PEOPLE
退職のご挨拶
（元2020 年３月 31 日をもちまして

集委員の仕事がオンライン化による投稿数の増加によっ北海道大学低温科学研究所を退職てしだいに研究の時間を圧迫するようになっていきましし、同４月１日より京都府立大学

た。とは言え、科学ジャーナルの紙媒体からの pdf 化が生命環境科学研究科に異動しまし進み、図書館に行く必要が激減したばかりでなく、異分た。北大低温研に赴任した 1999

野の論文もキーワードで簡単に検索し入手することがで

年 10 月 か ら 20 年 以 上 に わ た っきるようになったことはすばらしいことです。

てお世話になりました。ありがとうございました。

赴任当時の低温研では、気候変動予測研究に資するた

赴任当時はまず札幌の自然に次々に驚かされました。

めの複数の大型研究プロジェクトが走りはじめていまし私は高校卒業まで長崎に生まれ育ち、低温研に来るまでた。私の所属研究室であった寒冷生物圏変動分野（現は森林の研究を暖温帯域（中部・近畿地方）で行ってい寒冷域植物生理生態分野）でも、原登志彦教授のもと、たので、雪の結晶が肉眼で見えること、ゴキブリやイノ

分子生物学・植物生理学・森林生態学・水文学・気象

シシがいなくてそのかわりに野良ギツネが住宅街をうろ

学・雪氷学など広い研究分野を取り込んだ、北東ユーラ

うろしていること、スキー場がアフターファイブに楽し

シア地域を対象とするプロジェクトが始まりました。そめる距離にあること、冬のツルツル路面（１年目は何度の一環で、2000 年および 2001 年の夏にはカムチャツ

か背中からひっくり返りました）、住宅にクーラーも雨

カ半島においてロシア科学アカデミー極東支部の研究者

戸も無いのが普通なことなど、それまでの私の常識が何らとの共同の森林調査に同行させていただきました（写度も覆されました。

真１）。日本に居るだけでは到底理解できなかったであ

赴任当時の 2000 年代初めは科学技術分野におけるイ
ンフラが大きく進化した時期でした。特に、アカデミア

ろう北方域の自然環境を、身をもって体験する貴重な機会となりました。

全体が、日々向上するコンピュータの性能や劇的に進化

私の研究内容もこのような状況下で自ずから変わりましつつあるインターネット環境の恩恵にあずかって進展したが、上述の異分野との共同研究の成果を出すことがしました。それまで大型計算機に頼っていたような計算できたのは、赴任後の最初の 10 年のうちの後半になっがパソコンでできるほどまでになり、大量データ処理能てからの事でした。特に、低温研の水文気象グループの力の向上とともに、遺伝子やタンパクなどのミクロな分

兒玉裕二さん（現 国立極地研究所 国際北極環境研究セ

野から航空機や衛星による植生観測などのマクロな分野

ンター 特任教授）、中井太郎さん（現 国立台湾大学生に至るまでの分析技術が、私の専門である森林生態学の分野にも入りこんできました。
低温研に赴任した当時は、
Ｅメールはすでにありましたが、生態学関連のジャーナ
ルでは論文原稿の投稿や査読はまだ郵送で行われていました。インターネット環境の整備とともに E メールの添付書類による原稿送付にかわり、間もなくウェッブ上のオンラインシステム上で査読作業が行われるようにな
り、査読に要する時間は大幅に短縮されました。おかげで楽になったかというとそうでもありません。赴任後すぐに「楽だよ」と言われたので引き受けたはず（今にして思えば単にだまされていただけ）の某ジャーナルの編

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隅田 明洋
生物環境部門）写真１

2000 年のカムチャツカ森林調査での夕食。

PEOPLE
物資源及農学院 助理教授）らとの共同研究では、自分整合することをイントロやディスカッションに盛り込んの専門である森林の構造に関する知見を森林～大気間だことで査読者を納得させることができました。それがの熱・水収支の研究に生かすことができました。このできたのは、低温研での 20 年間に幅広い分野の研究者

ような異分野間の共同研究の最初の１年程は彼らの言と知り合いになることができ、異分野の研究情報に対す葉（専門用語）をほとんど理解することができませんでる壁が低くなったことに起因します。例えば年に何度かした。しかしお互い全く違う分野で教え合うことを通し開かれる低温研セミナーでは、宇宙での分子生成、氷のて、データ解析や論文作成の段階ではとても楽しくディ

性質、気象、海洋循環、植物や動物の生理、同位体の科

スカッションができたことが印象に残っています。低温学など、多様な話を聞けておおいに楽しませていただき

研赴任前のただの森林生態学の研究者だった私は、次第ましたが、同時に視野を広げる絶好のきっかけとなりまに森林研究と他のサイエンスとの結びつきを意識するよした。

うになりました。

低温研以外の研究機関の異分野の研究者とも情報交換

プロジェクト研究が終息した後の残り 10 年間は森林を行う機会をつくるようになりました。2019 年９月に生態学プロパーの研究に戻り、寒冷域に優占する常緑針は異分野の研究者を招待した低温研共同研究集会を開催

葉樹林を対象とした研究を行いました。なかでも、長期し（写真２）、その第２弾である 2020 年９月の低温研

にわたる樹木個体間の競争や森林の発達・維持への気象

共同研究集会では、北大農学部の斎藤秀之さん、低温研

要因の影響に関する研究では低温研の渡辺力教授にもごの小野清美さんと滝沢侑子さんのご協力を得て、オンラ

協力いただき、我ながら非常に興味深い成果を得ること

インでありながら 100 名以上方々から視聴いただくとができました。樹木の個体間競争による個体の成長の優ともに、そのうち 60 名ほどの方々から想像を超えた非劣の違いは個体の保持する葉の量の 10 年以上にわたる

常に高い評価の声をいただきました。また、低温研内の変化パターンの違いに起因すること、そのことが幹の形

懇親会では研究者間の交流ばかりでなく、技術部スタッの個体間の違いにも影響すること、森林全体の葉の量やフとも交流でき、おかげで普通ではないレベルの技術部

幹の成長量は毎年変動する夏季の気象要因の影響をうけスタッフの技術に完全におんぶされた面白い研究も始め

ること、森林全体の葉の量の年変動に対して数年前の気ることができました（まだ継続中ですが）。

象の状態が残存効果となって影響を及ぼすことなど、どれもそれまで未知であり想像もできていなかった現象を明らかにすることができました。

現在の私があるのは間違いなく低温研の皆さまのおかげです。深く感謝しています。今後も低温研にはお世話

実はこの研究に使用したデータは、低温研に来る以前になる予定ですのでどうぞよろしくお願いします。
また、に 20 年間かけて記録された常緑針葉樹林の詳細な調査

低温研のさらなる発展と皆様のご健康を心よりお祈りい

データなのですが、これらをうまく統計的にハンドリン

たします。

グするソフトウエア環境と、コンピュータの性能向上とが同時に整ったことではじめて上述の解析をほどこすことができるようになったのです（ただし時間はかかりました）。さらに、これらの論文を書くにあたり、低温研に赴任以来の様々な経験が大いに役立つこととなりました。最初は解析結果を査読者に受け入れてもらえず投稿
論文をリジェクトされたこともあったのですが、植物生
理学や木材科学などの異分野の最新の知見が解析結果と写真２

2019 年９月の低温研共同研究集会の発表者とスタッフ

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Press Release（2020/5/26）

海洋コンベアベルトの終着点における栄養物質循環の解明～縁辺海が海を混ぜ、栄養分を湧き上がらせる～
発表者：准教授

西岡純【研究成果の概要】
北海道大学低温科学研究所の西岡 純准教授と同大学院地球環境科学研究院の山下洋平准教授、東京大学大気海洋研究所の小畑 元教授、小川浩史教授、安田一郎教授、長崎大学大学院水産・環境科学総合研究科の武田重信教授らの研究グループは、これまで明確には理解されていなかった、グローバルスケールの海洋循環（海洋コンベアベルト）の終着点に位置する北太平洋の栄養物質循環像を明らかにしました。
これまで北太平洋では、どのようなメカニズムを経て海洋表層に窒素やリンなどの栄養塩が供給され、生物活動が維持されているのかは良くわかっていませんでした。本研究では、これまでに予想されていた、深層に蓄積されている栄養塩が直接表層の高緯度海域を肥沃にしているという考えを覆し、ベーリング海で形成される中層水の栄養塩プールの形成と海峡部で起こる混合が、深層と表層の栄養塩を繋ぐ重要な役割を果たしていることを明らかにしました。この中層水由来の栄養塩とオホーツク海から流出する鉄分が混合すること
で、西部北太平洋の生物生産が高い状態で維持されていることが解明されました。本研究で見えてきた北太平
洋の栄養物質循環像は、
地球規模の海洋物質循環を解明する上で鍵となるエリアの理解を大きく進めます。今後、海洋における炭素循環、栄養物質循環、生態系の気候変動に起因する変化を理解する上で欠かせない知見となります。
本研究は、新学術領域研究「海洋混合学の創設」及び「新海洋像」、その他の科学研究費補助金、低温科学研究所共同利用開拓型研究の助成を受けて実施されました。
なお、本研究成果は2020年5月27日（水）
公開のProceedings of the National Academy of Sciences of theUnited States of America誌にオンライン掲載されます。
【論文発表の概要】
論文名：Sub-polar marginal seas fuel the North Pacific through the intermediate water at the terminationof the global ocean circulation（海洋コンベアベルト終着点における中層水を介した縁辺海による北太平洋の肥沃化）
小畑 元 2、
小川浩史 2、
小野数也 1、山下洋平 3、Keun Jong Lee 2、武田重信 4、安田一郎 2
著者名：西岡 純 1、（1北海道大学低温科学研究所、2東京大学大気海洋研究所、3北海道大学大学院地球環境科学研究院、4長崎大学大学院水産・環境科学総合研究科）
雑誌名：Proceedings of the National Academyof Sciences of the United States of America（総合 科学雑誌）
ＤＯＩ：10.1073/pnas.2000658117
公表日：2020年5月27日（水）

海洋コンベアベルトの概念図
W.S. Broecker, Oceanography, vol4, No.2, 1991

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Press Release（2020/7/29）

アルツハイマー病の原因物質を「毒性」に変貌させる新しいメカニズムを発見～溶けているはずの塩がナノレベルでは析出と溶解を繰り返すことが原因～
発表者：准教授

木村勇気【研究成果の概要】
大阪大学国際医工情報センターの中島吉太郎特任研究員（常勤）、工学研究科の荻博次教授らの研究グルー
プは、
北海道大学低温科学研究所の木村勇気准教授らとの共同研究により、溶液に溶けているはずの塩が局所的に析出※1と溶解※2を繰り返す現象を特殊な電子顕微鏡により直接観測することに成功し、この現象がアルツハイマー病の原因と考えられるタンパク質凝集体の生成を加速する様子を世界で初めて直接観察することに成功しました。
今回の発見は、溶質が溶媒に「溶けている」という現象が、析出と溶解の動的平衡により成り立っていることを直接立証した成果であると同時に、
タンパク質が溶けている溶液に塩を加えるとタンパク質が析出する「塩析」という現象の理解に新たな概念が加わることになります。アルツハイマー病の原因タンパク質が塩とともに溶解しているとき、塩が一時的に析出し成長すると、その表面に多くのタンパク質分子が吸着し、その後、その塩が再び溶ける時、吸着したタンパク質分子が塩の消滅点に集められ、局所濃縮され、通常では起こり得ない反応が起き、結果、タンパク質の凝集核を形成することがわかりました（図１）。この凝集核こそがアルツハ
イマー病の原因物質の起点となるものであり、こうした塩のナノレベルでの析出と溶解によって、タンパク質の凝集を加速することが明らかとなりました。これはタンパク質の凝集現象における全く新しいメカニズム
であり、このメカニズムこそが、凝集反応を支配する可能性もあります。
本研究成果は、米国科学誌「The Journal of Physical Chemistry Letters」に、７月20日（月）に公開されました。
【用語解説】※１ 析出 … 溶解している溶質が固体として現れる現象。
※２ 溶液TEM … 通常の透過型電子顕微鏡は、試料を高真空環境内に設置して電子線を照射し、試料を透過した電子線を利用することにより、試料を観察する。Transmission Electron Microscopeという英語名から、図3超音波が作る気泡の成長と圧壊によるタンパク質の凝集加速現象TEMと呼ばれている。液中TEMでは、溶液状態の試料を、上下に窒化ケイ素の微小窓を有する200nm程度の薄さの微小容器に閉じ込めてシールし、この微小容器ごと高真空環境に設置して、微小窓に電子線を透過させることにより、溶液状態のまま透過画像を得ることができる電子顕微鏡である。

【論文発表の概要】
タイトル：“Time-Resolved Observation of Evolution of Amyloid-β Oligomer with Temporary Salt Crystals”
著者名：Kichitaro Nakajima, Tomoya, Yamazaki, Yuki Kimura, Masatomo So, Yuji Goto, and Hirotsugu Ogi
本研究成果は、2020年7月20日（月）に米国科学誌「The Journal of Physical Chemistry Letters」（オンライン）に掲載されました。

図１
する塩の結晶が析出し、成長し、溶解する過程で、タンパク質が局所的に濃縮され、毒性の凝集体が出現

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Press Release（2020/8/7）

水/高圧氷の界面に〝新しい水″を発見！
水の奇妙な物性の謎に迫る画期的な成果
発表者：准教授

木村勇気【研究成果の概要】
水は、ありふれた存在ですが、特異な物性を示す奇妙な液体であり、多くの自然現象を支配しています。東北大学金属材料研究所の新家寛正助教、宇田聡教授と北海道大学低温科学研究所、木村勇気准教授、産業技術総合研究所環境創生研究部門の灘浩樹主任研究員と東京大学大学院総合文化研究科先進科学研究機構の羽馬哲
也准教授を中心とする研究グループは、室温−20℃に保たれた低温室内で水に高圧を加えることで結晶化す
る氷 III を観察し、成長・融解する氷と水の界面に通常の水とは異なる未発見の新しい水の層が形成されることを見出しました（図１）。
さらに、氷表面を濡らす新しい水の濡れ性と表面パターンから、新しい水の密度は
通常の水よりも大きい上に、通常の水とは混ざり合わず、構造が異なることが示唆されました（図２）。この成果は、長年に渡る大きな謎である水の特異な物性を説明する“構造の異なる二種類の水の存在”仮説の検証に道を拓くものです。
本成果は、アメリカ化学会が発行するThe Journal of Physical Chemistry Lettersに7月24日（金）付でオンライン掲載されました。
【論文発表の概要】
雑誌名：The Journal of Physical Chemistry Letters
英文タイトル：High-Density Liquid Water at a Water–Ice Interface
全著者：H. Niinomi, T. Yamazaki, H. Nada, T. Hama, A. Kouchi, J. T. Okada, J. Nozawa, S. Uda,
and Y. Kimura
ＤＯＩ：https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.0c01907

図１ 水 / 氷 III 界面に形成する新しい水の偏光顕微鏡その場観察像。A：加圧・減圧により水中で成長・融解する氷 III 結晶。B：
氷 III 表面の拡大像。画像 a,b,d は図 A 中の四角 a,b, 及び記号 d近傍の拡大像。C：観察された新しい液体の形状の模式図。図中の青及び赤の四角で示された模式図はそれぞれ、図 B 中青及
び赤の四角で示された観察像の液体形状に対応している。

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図２ 水 / 氷 III 界面に形成する新しい水の層の均質な形態から両連続的な形態への発展。A：水中で成長する氷 III の顕微鏡像。B：水 / 氷 III 界面の拡大像。画像 a,b は図 A 中の四角 a,b に対応している。C：新しい水の形態の模式図。左右の図は、図 B 中の画像 a と b に対応している。

Press Release（2020/8/25）

暖かい海水が白瀬氷河を底面から融かすプロセスを解明～海洋観測と数値モデル、
測地・雪氷学分野との融合研究～
発表者：助教平野大輔【研究成果の概要】
北海道大学低温科学研究所の平野大輔助教、国立極地研究所の田村岳史准教授、海洋研究開発機構の草原和弥研究員らの研究グループは、現場観測と数値モデルの手法を融合し、暖かい海水の流入によって生じる白瀬
氷河の顕著な融解プロセスを解明しました。
近年、西南極＊1では氷床＊2の融解が加速していることが観測され、地球の海水準上昇への影響が危惧されています。一方、東南極＊1ではその実態は未だよく分かっていません。南極・昭和基地のあるリュツォ・ホルム
湾の奥には、南極で最大級の流動速度を持つ白瀬氷河が存在しますが、氷河＊3融解の鍵となる海洋の観測は、厚い海氷に阻まれてほとんど行われていませんでした。しかし、第58次南極地域観測隊（2016-17年）では、過去約60年にわたる日本の南極観測で初めて、湾口から白瀬氷河の前面海域にいたるエリアでの大規模な海洋観測に成功しました。
本研究では、この海洋観測データの解析を軸に、数値モデルや測地・雪氷学分野との融合研究を行い「白瀬氷河の下（底面）に、沖合起源の暖かい海水が流入することで顕著な融解が生じていること、また、その融解強度は卓越風の季節変動によってコントロールされる」という一連のプロセスを提唱しました。
これは、西南極と比べて圧倒的に知見が乏しい東南極における氷床質量変動の理解向上に貢献すると期待されます。
本研究は、平野助教が中心となり、南極地域観測の第Ⅸ期重点研究観測プロジェクト「氷床・海氷縁辺域の総合観測から迫る大気−氷床−海洋の相互作用」（2016 〜 2021年度）のもとで、国立極地研究所、海洋研究開発機構、英国南極観測局との共同研究として実施されました。なお、本研究成果は、2020年8月24日（月）公開のNature Communications誌に掲載されました。
【用語解説】＊1 西南極、東南極 … 南極大陸の西経領域および東経領域のこと。
＊2 氷床 … 降り積もった雪が、長い年月をかけて押し固められて形成された氷の塊のこと。南極大陸上の氷床を南極氷床と呼び、地球最大の氷の塊である。
＊3 氷河 ･･･ 南極やグリーンランド、山岳地では陸上に降り積もった雪が自身の重みで氷塊となり、重力によってゆっくりと流動する。この流れを氷河という。最終的に海へと流れ出して浮いている領域を棚氷や氷舌と呼ぶ。図も参照。なお、海水が凍った海氷とはいずれも異なる。

【論文発表の概要】
論文名：Strong ice-ocean interaction beneath Shirase Glacier Tongue in East Antarctica（東南極・白瀬氷河氷舌での海洋による顕著な底面融解）
著者名：平野大輔 1、田村岳史 2、草原和弥 3、大島慶一郎 1、Keith W. Nicholls 4、
牛尾収輝 2、清水大輔 2、小野数也 1、藤井昌和 2、野木義史 2、青木 茂 1（1北海道大学低温科学研究所、2国立極地研究所、3海洋研究開発機構、4英国南極観測局）
雑誌名：Nature Communications
ＤＯＩ：10.1038/s41467-020-17527-4.
公表日：2020年8月24日（月）午後6時（オンライン公開）

沖合の暖かい海水の流入によって生じる、白瀬氷河の底面融解プロセス

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Press Release（2020/9/8）

超高真空・極低温のアモルファス亜酸化窒素（N2O）の構造を解明：
機能性有機薄膜や氷星間塵の研究への応用も
発表者：准教授

羽馬哲也（東京大学）、教授

渡部

直樹、教授

香内

晃

【研究成果の概要】
東京大学大学院総合文化研究科附属先進科学研究機構の羽馬哲也准教授、京都大学化学研究所の長谷川健教授、北海道大学低温科学研究所の渡部直樹教授、香内晃教授らは、「赤外多角入射分解分光法（Infrared
Multiple-Angle Incidence Resolution Spectrometry、
以降は赤外MAIRS法とする）」という新規赤外分光法（注１）を用いて、これまで研究が困難であった「超高真空・極低温で作製したアモルファス薄膜」の分子構造を調べる方法を開発しました。
開発した装置を用いて6 K（-267℃）のアモルファス亜酸化窒素（N2O）薄膜について分析を行ったところ、薄膜内でN2O分子は基板法線（注２）から平均して65°傾いて配向していることがわかりました。N2O薄膜は、真空蒸着法（注３）で作製すると107−108 Vm-1（N2O一分子層あたり+3 mVから+32 mV）という巨大な電場が形成されることが知られており、本研究によってN2O薄膜の電気的性質と分子構造とを結び付けて理解できるようになりました。
真空蒸着法は有機半導体などの機能性有機薄膜の作製にも用いられています。また極低温基板に真空蒸着法で作製したアモルファスな分子性固体（H2O、CO、CO2、NH3など）の薄膜は、宇宙を漂う氷星間塵の模擬物質としてよく研究されています。今後、これらの物質について赤外MAIRS法を用いた分析を行うことで研究が大きく発展することが期待できます。
【用語解説】（注１）赤外分光法：物質に赤外光を照射し、透過または反射した光を測定することで、試料の構造解析や定量を行う分析手法。波長が2.5 ～ 20μm（波数にして4000 ～ 500cm-1）ほどの赤外光を物質に照射すると、分子の振動による物質固有の吸収パ
ターン（スペクトル）が現れ、分子の構造に関する情報が得られる。

【参考】（注２）基板法線：基板に対して垂直に伸びた線。
（注３）真空蒸着法：真空中の基板に、蒸着材料のガスを付着させ薄膜を形成する方法。

【論文発表の概要】
論 文 名：“Quantitative Anisotropic Analysis of Molecular Orientation in
Amorphous N2O at 6 K by Infrared Multiple-Angle Incidence Resolution
Spectrometry”
著者名：Tetsuya Hama*, Atsuki Ishibashi, Akira Kouchi, Naoki Watanabe,
Nobutaka Shioya, Takafumi Shimoaka, and Takeshi Hasegawa
雑誌名：The Journal of Physical Chemistry Letters
ＤＯＩ：http://dx.doi.org/10.1021/acs.jpclett.0c01585
公表：2020年9月28日（月）（オンライン公開）

図１ 本研究で開発した「超高真空・
極低温赤外 MAIRS 法」のための実験装置。

図２ （左図）面内振動と面外振動のイメージ図。
（中図）赤外 MAIRS 法で得られた 6 K のアモルファ
ス N2O 薄膜の面内振動スペクトルと面外振動スペ
クトル。（右図）面内振動スペクトルと面外振動ス
ペクトルの強度比から明らかになったアモルファ
ス N2O 薄膜内の N2O 分子の平均配向角（基板法線から 65°）。

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Press Release（2020/9/16）

南極の海の底、
もう甘くするのは止めました!?
～数十年続いた淡水化傾向が逆転。南極海観測網の継続に期待～
発表者：准教授

青木茂【研究成果の概要】
北海道大学低温科学研究所の青木 茂准教授、海洋研究開発機構の勝又 勝郎主任研究員、東京海洋大学、水産研究・教育機構らによる共同研究グループは、オーストラリア南方の南極海の海底付近において、これまで
加速度的に低くなってきているとされてきた塩分＊1が、2010年代に反転して急激に高くなりつつあることを見出しました。
これまで減ってきていた重い水の量も増えています。こうした海の変化の実態は、水産庁の開洋丸による広域海洋調査や東京海洋大学の海鷹丸による観測航海といった近年の日本による観測を、世界の過去の観測も含めて比較することで判明しました。この変化は、南極深海の海洋循環が強まりつつある可能性も提示しています。
変化の原因は、この海域の上流側に位置する南極の棚氷＊2の融解が、ここ何十年か加速
してきていたものの、2010年代の前半に弱まったことにある可能性があり、南極氷床＊3と深海との連動性を示すものです。
今後の動向を見極めるためには、南極海モニタリング観測網の整備により、変化の傾向を引き続き注視していく必要があります。
本研究成果は、2020年9月15日（火）
公開のScientific Reports誌に掲載されました。
【用語解説】＊1 塩分 … 海水の中に含まれる塩の量のこと。海水１㎏のなかに溶けている量のグラム数で定義する。
＊2 棚氷 … 氷床から流れ出して周辺の海の上に浮かんだ部分のこと。
＊3 氷床 … 長い年月をかけて降り積もった雪が押し固められてできた、巨大な氷の塊のこと。

【論文発表の概要】
論文名：Reversal of freshening trend of Antarctic Bottom Water in the Australian-Antarctic Basin during
2010s（2010年代におけるオーストラリア-南極海盆の南極底層水の淡水化傾向の反転）
著者名：青木 茂 1、
山崎開平 2、平野大輔 1、
勝又勝郎 3、嶋田啓資 4、北出裕二郎 4、佐々木裕子 5、村瀬弘人 4（1北海道大学低温科学研究所、2北海道大学大学院環境科学院、3海洋研究開発機 構、4東京海洋大学、5水産研究・教育機構）
雑誌名：Scientific Reports
ＤＯＩ：10.1038/s41598-020-71290-6
公表日：日本時間 2020年9月15日（火）
午後6時（英国時間 2020年9月15日（火）午前10時）（オンライン公開）

2018-19 年に南極海の観測を行った開洋丸

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Press Release（2020/9/18）

北極海の冷水の起源はシベリアにあった！
シベリア沿岸に冷水湧昇帯を発見し、その物理メカニズムを解明
発表者：准教授

西岡純【研究成果の概要】
東京大学、北海道大学、海洋研究開発機構の合同研究チームは、シベリアとアラスカの間に位置する“アナディル海峡”
で海洋調査を行い、北極海に流れこむ冷たい『湧き水』の存在を明らかにした。この観測は、ロシ
ア極東海洋気象学研究所の「マルタノフスキー号」と海洋研究開発機構の海洋地球研究船「みらい」を用いて2017年と2018年の夏に行われた。
それ以前の観測では、ロシア排他的経済水域（EEZ）内の観測が制限されているためにアメリカEEZ内であるアラスカ沿岸の調査結果が中心に報告されてきた。これによると、夏に北極海に流入する海水は極めて高温で、その温暖な海水が北極海の海氷分布を主体的に決定すると言われてきた。
しかしながら、アナディル海峡の西側（ベーリング海北西部シベリア沿岸）海域を「マルタノフスキー号」
で詳しく調査し「みらい」の広域調査（アラスカ沿岸）とあわせることで、冷たい水が下層から湧き出すポイン
トが存在し、その水が海峡を北上することで北極海の低水温と海氷の維持につながっていることが明らかになった。
この発見によって今後、以前より高い精度での北極海の海氷予測の実現が期待される。また今後はア
ナディル海峡の冷水の起源を特定し、詳しい調査を行うことで北極海の海氷とベーリング海北西海域の気候変動との因果関係を明らかにしていく。
【論文発表の概要】
雑誌名：「Journal of Geophysical Research – Oceans」
論文タイトル：Cold Water Upwelling near the Anadyr Strait: Observations and Simulations
著者：Yusuke Kawaguchi*, Jun Nishioka, Shigeto Nishino, Shinzou Fujio, Keunjong Lee,
Amane Fujiwara, Daigo Yanagimoto, Humio Mitsudera, Ichiro Yasuda
DOI番号：10.1029/2020JC016238
アブストラクトURL：https://doi.org/10.1029/2020JC016238

図 人工衛星による観測海域の海面水温。ロシア船「マルタノフスキー号」と海洋地球研究船「みらい」を用いて “ 冷水湧昇帯 ” の詳細な調査を行なった。

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Press Release（2020/9/30）

氷河ポンプがフィヨルドの豊かな海洋生態系を支える～海の栄養分が補給・撹拌・移送されるしくみを解明～
発表者：教授杉山慎【研究成果の概要】
北海道大学低温科学研究所の杉山 慎教授、西岡 純准教授、同大学北極域研究センターの深町 康教授、同大学北方生物圏フィールド科学センターの野村大樹准教授らの研究グループは、東京大学大気海洋研究所の漢那直也研究員（日本学術振興会特別研究員・元北海道大学北極域研究センター）と共同で、グリーンランドのカービング氷河＊1から流出する、鉄分に富んだ融け水が、窒素、リンなどの栄養塩＊2に富む海水と混ざって海面へ湧き上がり、
夏の間のフィヨルド＊3の生物生産に大きく貢献することを明らかにしました。
氷の融け水は、水深200mにある氷河の底からフィヨルドに流出し、その場の海水を巻き込んで湧昇します。
ポンプを使ったように海面へ汲み上げられた融け水と海水は、周囲の海水に比べ鉄分と栄養塩を豊富に含んでおり、フィヨルドの広域に広がり植物プランクトンの増殖を促します。
カービング氷河が流入するグリーンランドのフィヨルドには、氷河の恵みを受けた豊かな生態系が広がっています。
今後、北極域の温暖化が進行してカービング氷河が消失すれば、氷河の融け水による汲み上げポン
プの機能が失われて生態系に大きな影響が予想されます。
本研究は、グリーンランドで加速している氷河の融解が、フィヨルドの生態系に与える影響の理解への貢献が期待されます。
本研究成果は、2020年9月28日（月）公開のGlobal Biogeochemical Cycles誌にオンライン
掲載されました。
なお、
本研究は、ArCS北極域研究推進プロジェクト、ArCS II 北極域研究加速プロジェクト、
日本科学協会の助成を受けて実施されました。
【用語解説】＊1 カービング氷河 ･･･ 海に流れ込む氷河のこと。
＊2 栄養塩 ･･･ 硝酸塩、リン酸塩、ケイ酸塩などの植物プランクトンが増殖するために必要な塩類のこと。硝酸塩の利用に鉄が必要となる。
＊3 フィヨルド ･･･ 氷河によって削られた入江のこと。

【論文発表の概要】
論文名：Iron supply by subglacial discharge into a fjord near the front of a marine-terminating glacier innorthwestern Greenland（グリーンランド北西部における海洋性溢流氷河近傍のフィヨルドへ底面排水による鉄供給）
著者名：漢那直也 1、杉山 慎 2、深町 康 3、野村大樹 4、西岡 純 2（1東京大学大気海洋研究所、2北海道大学低温科学研究所、3北海道大学北極域研究センター、4北海道大学北方生物圏フィールド科学センター）
雑誌名：Global Biogeochemical Cycles（米国地球物理学連合学会誌）
ＤＯＩ：10.1029/2020GB006567
公表日：2020年9月28日（月）（オンライン公開）

左：フィヨルドでの観測の様子。奥に見えるのがカービング氷河。
右：観測中に遭遇したアザラシ。現地の重要な水産資源の一つ。

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Press Release（2020/10/14）

海洋微生物の「老い」
が雲の生成を抑える～雲の生成を制御する大気中の有機物量の指標として、海洋微生物の老化度を新たに提唱～
発表者：助教宮﨑雄三【研究成果の概要】
北海道大学低温科学研究所の宮﨑雄三助教、同大学院地球環境科学研究院の鈴木光次教授らの研究グルー
プは、亜寒帯西部北太平洋での船舶による大気と海水の同時観測から、海洋植物プランクトンの細胞老化が進むほど、海しぶきによって大気へ移行する有機物の量が増えることを明らかにし、大気微粒子（エアロゾル）がもつ雲粒の生成能力を抑制する可能性を初めて示しました。
大気エアロゾルは太陽光を散乱・吸収するほか、雲の量や降水過程に影響を与えるなど、気候変動に重要な役割を果たします。エアロゾルに最大80 ～ 90%含まれる有機物は雲生成の促進・抑制を決定づけると考えられています。
地球の表面積の約7割を占める海洋の表面では、微生物の活動に伴う有機物が海しぶきにより大気へ放出されますが、海洋大気中の有機物量を支配する要因は明らかではありません。研究グループは海洋
植物プランクトンの細胞「老化」に着目した指標を新たに用い、細胞老化が進むほど、海水中及び海しぶきとして大気へ放出される有機物の量が増えることを明らかにしました。さらにこの細胞老化に伴う大気エアロゾ
ルの有機物量の増加は、雲の生成を「抑制」
する可能性があることを見出しました。本成果は、温暖化等による海洋表層の植物プランクトンの活動度の変化が、大気への有機物の放出を通して雲の生成に影響することで起こる、将来的な気候影響を評価・予測する上で重要な知見となることが期待されます。なお、本研究成果は、2020年10月12日（月）
公開のScientific Reports 誌にオンライン掲載されました。
【論文発表の概要】
論 文 名：New index of organic mass enrichment in sea spray aerosols linked with senescent status inmarine phytoplankton（海洋植物プランクトンの細胞老化に関係付けた海飛沫大気エアロゾル中の有機物量を表す新しい指標）
著者名：宮﨑雄三 1、鈴木光次 2、立花英里 1、山下洋平 ２、Astrid Müller 3、川名華織 ４、西岡 純 １（1北海道大学
低温科学研究所、2北海道大学大学院地球環境科学研究院、3国立環境研究所、4海洋研究開発機構）
雑誌名：Scientific Reports
ＤＯＩ：10.1038/s41598-020-73718-5
公表日：2020年10月12日（月）（オンライン公開）

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NEW
N
NEEW
WSSS
■低温科学研究所がスミ州立大学と部局間交流協定を締結
低温科学研究所は、７月13日にスミ州立大学と部局間交流協定を締結しました。
本協定の締結はコロナ禍による海外との交流が著しく制限されるなか、先方からの積極的な研究交流の依頼が受け、締結に至りました。
スミ州立大学は８学部からなるウクライナ北東部の大学で、多くの技術的専門分野を置く大学でもあります。
今後は共同研究の実施等、積極的な研究交流の連携が期待されます。

■令和３年度共同研究・研究集会の公募について
令和３年度共同利用・研究集会は、
令和２年12月１日から募集を開始しています。
詳しくは、
当研究所ホームページの「共同研究」のページでご確認願います。
http://www.lowtem.hokudai.ac.jp/kyoudou.html■人事異動（令和2年4月2日から令和2年10月1日まで）
異動日

異動内容

R2. 4.15

任期満了

R2. 4.30

辞職

R2. 5. 1

採用

谷

口

R2. 6. 1

採用

三浦

R2. 6. 1

採用

R2. 6.15

採用

R2. 7. 1

採用

勝

野

弘

康

博士研究員

R2. 9. 1

採用

小

野

かおり

技術補佐員

R2. 9.30

任期満了

立

花

英

里

技術補助員

R2.10. 1

採用

鷹

野

真

也

学術研究員

R2.10. 1

転出

土

田

とも峰

主

R2.10. 1

転入

菊

地

修

一般職員

川

氏

名

俣

大

職

志

FAN RONG
玲

名

博士研究員
事務補助員

彩

博士研究員

CHAMBERS CHRISTOPHERROBERT SCOTT

平

考

学術研究員

子

K.W.P.BETHMINI SENEVIRATHNE

備

技術補助員
学術研究員

任

工学系事務部情報科学研究院へ
病院経営企画課から

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編集後記▶本号も幅広い低温研の研究内容をお届けできました。お楽し
みいただけますと幸いです。2021年が明るい展望が拓ける一年となりますように！（山口）▶記念すべき50号の発行に携わることができたこと、大変喜ば
しく思います。寒さにもコロナにも負けず、すがすがしい気持ちで新年を迎えたいですね！（大場）▶言いたいことは山口先生と大場先生が言ってくださったのでありません。2021年、良い年になりますように！（滝沢）▶コロナ禍の中、宇宙、海洋など多くの研究が紹介されております。是非ご覧ください。（事務部総務担当）

低温研ニュース第50号（北海道大学低温科学研究所広報誌）
発行人：低温科学研究所所長
編

集：低温研広報委員会（山口 良文、
大場 康弘、
滝沢 侑子、事務部総務担当）

ご意見、お問い合わせ、投稿は下記まで〒060-0819 北海道札幌市北区北19条西8丁目
TEL：011-706-5445
FAX：011-706-7142●低温研ニュースは本研究所ウェブサイトでも公開しております。
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