OCARINA Communication 1

OCARINA通信
The OCU Advanced Research Institute for Natural Science and Technology

̶特別企画̶
機構長＆プロジェクトリーダー対談

̶人として科学者として真理を追究し、都市 大阪から世界へ発信する̶
機構長 木下勇教授
プロジェクトリーダー 橋本秀樹教授

̶研究紹介̶
B グループ研究課題「都市圏の環境保全と地盤防災のための地下水資源の健全な活用方法の構築」

̶大阪市をはじめとする都市圏における地下水利用のあり方を提言̶
チームリーダー 大島昭彦教授（工学研究科）

̶活動報告̶
̶T o p i c s ̶
光合成の酸素発生の謎を解明
̶人工光合成への足がかり̶
神谷信夫教授

木下

Vol.1

佑一氏

デザイン・イラストThe OCU Advance Research Institute for Natural Science and Technology

OCARINA Communication 1■特別企画
人として科学者として真理を追究し、都市 大阪から世界へ発信する。
「複合先端研究機構」が正式にスタートして 1 年半が経ち、日ごろの活動内容や研究成果をご紹介する広報誌「OCARINA 通信」を発刊することとなりました。第 1 号となる今号は、特別企画として機構長の木下先生とプロジェクトリーダーの橋本先生の対談をお届けします。

共同研究プロジェクトから始まり、

木下先生／確かに、自助努力は必要ですよね。私たち自身もそうし拠点となる複合先端機構が設立された。

てきましたから。

木下先生／現代の問題を解決するためには、研究科や研究領域と業などから研究費をもらったり、文部科学省の補正予算をとってきいった既存の枠組みを越えた横断的な研究が欠かせないという想いたり。さまざまな自助努力をしてきました。権利を主張するためにから、共同研究プロジェクトを始めたのがきっかけでしたね。以は、義務も果たさねばなりませんね。

橋本先生／そうでしたね。CREST（戦略的創造研究推進事業）や企来、研究はもちろん、組織づくりに資金集めに、ずっと全速力で走1

研究費の1/3は自分でなんとかして、残りの1/3は大学、もうり続けてきたような気がします。

1/3は国の予算をとるといった進め方でなければ、難しいでしょう

橋本先生／理系の研究は日進月歩で進んでいくので、どんどんアね。自分の研究はやって当たり前で、＋αで動かなければならない

ピールしていかないと乗り遅れてしまうんですよね。

ので、相当大変なことではありますよ。

木下先生／そうですね。新しい拠点ができるまで数年間も待って

木下先生／もう1つ付け加えるなら、大学からも研究費の1/3を引いられないので、ここ2号館に1つ目の拠点をつくってしまいましき出せるだけの研究内容と説得力があるかどうかということも、問た。この建物はかつて予科練（海軍飛行予科練習生）が使用していわれているのだと思います。

たもので、梁が太くて構造自体がしっかりしているという安心感も橋本先生／ここにくるまで、結構苦労はしましたね。金児前学長のあります。この構造は、文化庁登録有形文化財に指定されている本

頃から、バーチャルな組織として始まり、先見の明がある西澤学長

学1号館とほぼ同等の構造でできているんですよ。そうした歴史あによってリアルな組織づくりが進められました。すべてがうまいこる建物を拠点として研究できることも、誇りに思っています。

と運び出すと、研究者たちのエネルギーがドカーンと爆発するよう橋本先生／内装を変えるだけで、これだけモダンな空間になるんでな気がしますね。

すよね。それに、130年という歴史のある古い大学の最も古い建物の中で、最も先進的な研究が行われているというのは、面白いじゃ

年間203GtものCO2を吸収。

ないですか。ここを拠点として都市環境の再生・防災についての研

光合成の不思議……。

究した成果を世界に発信していけるようになりたいですね。
木下先生／光合成やCO2削減という言葉だけでは、光合成研究の魅

大阪市立大学の未来を考えた先人たち。
その想いを実現できる研究機構に……。

力や面白さは伝わらないかもしれませんが、「自然は年間に203Gt（1Gt=10億t）のCO 2を吸収している」と聞いたら、驚きません
か？それが、光合成の力なのです。どんなに頑張っても、人間が木下先生／この複合先端研究機構は、故 角野昇八先生（前・大阪

203GtのCO2をマネジメントすることはできません。

市立大教授・特命副学長）の切なる思いから生じたものです。当一方、人間は、その活動を通して年間に7GtのCO2を排出してい時、角野先生や初代機構長を務められた畑先生は、今よりもう少します。そのうちの20％、２GtくらいのCO2をなんとかするために、大きな機構の姿を思い描いていました。

一生懸命になっているわけです。

平成24年の完成をめざして整備工事を進めている理系新学舎のでは、203GtのCO2吸収の仕組みはどうなっているのか？複合先

中にも、複合先端研究機構のもう1つの拠点ができます。そこでま端研究機構のような大きくはない規模の組織では、そこに特化してた、新しい研究プロジェクトを進めてほしいですね。

研究しても良いのではないかと思っています。

橋本先生／新しい拠点も1000㎡以上を確保していますからね。
まっさらな空間だけがあるので、そこに入りたい人は、研究内容と橋本先生／203Gtというのも、濃縮された状態ではないですからね。

お金を用意して来てくださいね。歓迎しますよ。

地球のCO2の濃度は平均400ppm（1ppm=0.0001%）くらいです。

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2

そのCO2だけをよりとってきて、203Gtを処理する能力がある。な

間はタネのまま分裂して増えていきます。つまり、２種類の増え方

ぜそんなことができるのか、それは、1つの大きな謎なんですよ。

があるのです。

海に囲まれた島国、日本でで、実験に向いているのです。実験の鉄則は、ファクターは1つし1億3千万人が生きるためには？

か変更しないこと。同時に２つのことを変更すると、どちらが原因

このタネは、シンプルな構造であり、人工的に培養しやすいのだったのか人間には判断できませんからね。
木下先生／日本の土地にどれだけ作付けしても、３千万人しか生き

木下先生／沖縄では、年間２万tものモズクを養殖していますね。

られません。この数字は、江戸時代の人口からきています。当時

橋本先生／それでも、２万tでは、203GtのCO2を吸収することはでは、自給自足の最も美しい循環社会でした。しかし、日本の気候やきませんね。地球全体のスケールで考えていかなければなりませ

作付面積を考えると、1億3千万人も人口がいては、自給自足なんん。試験管の中でやっていることを地球規模で考えたらどうなるのてできません。

でしょうか？試験管の代わりになるのは、海しかないですよね。

橋本先生／要するに人間が多すぎるんです。でも、それでは人を減らしましょうというわけにはいきませんよね。
木下先生／それを何とかしようとしたら、日本の場合は海洋に目を転じるしかない。すると、海洋の中で非常に不思議な生命体がいる
ことがわかりました。通常、タネは芽が出て花が咲いて増えるでしょう。そうではなく、タネのまま増えていくものが見つかったのです。
橋本先生／オキナワモズクですね。このモズクのタネは、潮に乗って海の中を泳いでいて、育ちやすい場所に着床すると芽が出てきます。しかし、泳いでいる間に死んでしまってはいけないので、そのThe OCU Advance Research Institute for Natural Science and Technology

OCARINA Communication 1■特別企画

profile大阪市立大学

複合先端研究機構／理学研究科教授

橋本 秀樹はしもと ひでき

関西学院大学大学院理学研究科修了。理学博士。大阪市立大学
工学部助手、静岡大学工学部助教授を経て、2002年から大阪市
立大学理学研究科教授。2008年、複合先端研究機構設立時からプロジェクトリーダーを務める。2010年から複合先端研究機構専任教授（理学研究科兼任）。

今の取り組みの結果は孫の世代に影響する。

に使える水素を発生させるようなことができれば、非常に効率がだからこそ、基礎研究が欠かせない。

良いですよね。そういう融合的な取り組みをきちんと理解して、
マネジメント出来る人・研究者を育てていくためには、複合先端

木下先生／CO2の削減やバイオフューエル（生物由来燃料）につ研究機構のような組織が必要なのです。光合成の研究をやっていいて、さまざまな研究・対策がなされていますね。「それらの対るだけでは、ノーソンの発想は出てきませんよね。

策は何かを見落としていないか？本当に正しいのか？」という判3断をするためには、私たちが取り組んでいるような基礎研究を大阪市だからできる研究をする。

しっかりやっておく必要があるのではないかと考えています。

それが、私たちの使命。

橋本先生／結局、ターゲットになるのは孫の世代なんですよね。
人間って、基本的には自分の生きている間のことしか考えない

木下先生／太陽や風といった自然のエネルギーで発電した電力をじゃないですか。でも一番迷惑を被るのは、孫の世代なんです。

いかに効率よく転送するか、という問題もあります。

いまの私たちがまさにそう。高度成長経済期の人たちがいろいろ

橋本先生／太陽光発電などで生まれる電力は直流なのに、わざわやってきたことが孫の世代になって問題となり、非常に苦労してざ交流に変えて送電しているんですよね。

います。研究というのは、本来はそれくらい先のことまで考えて

木下先生／直流は途中に抵抗が生じ、電圧がなくなっていくといやらなければならないのだと思います。

う問題がありました。しかし最近は、高温超伝導が使えるようになり、直流のままの送電も可能になったのです。実用化されてい自分の専門分野だけでなく、る超伝導線なら、半径500mのところは、すべて結ぶことができその先につながるものをイメージする。

ます。そこで着目したいのが、地下鉄などの都市交通ですね。新
幹線以外の電車は直流の電力を使って動いているので、そのまま

木下先生／例えば、植物工場では、より効率が良いという理由

直流を流すためのインフラにすることができます。それを前提

で、赤色LEDが使われています。さらに最近では、フラッシュをに、光合成研究をすればいいという発想が出てくるのです。

使って光合成のタイミングにだけ光るようにしています。

橋本先生／光合成を使った太陽光発電や水素発電で出てくるの

橋本先生／光合成で重要なのは、明暗の切り替えなんですよね。

は、直流の電力ですからね。

植物にあてる光を点滅させると、光ったままの状態の約10倍もの

木下先生／なぜ大阪市大で光合成研究をするのか。その理由の1

酸素が出てくることが実証されています。

つは、地下鉄などがそのまま直流電力のインフラにつなげられる

木下先生／現在の植物工場の効率的なシステムは、そうした光合からですよ。

成研究から生まれたんですよね。

橋本先生／電車をインフラとして活用すれば、市内全体をカバー

橋本先生／あと最近、GSユアサなどが電気自動車に利用していすることができますね。

たリチウムイオン電池を2次利用して、ローソンの屋根に設置し木下先生／20〜25％のCO2をカットしようとしたら、あらゆる技た太陽電池の電力を貯蔵する実証実験を始めたというニュースを術を総合しなければなりません。その一例が、都市エネルギーの見ました。このニュースを見て、将来的にできたら面白いなと考

インフラ整備と、それに見合った発電、イノベーションを考える

えたのは、ローソンならぬノーソン。太陽電池の電力を利用してこと。大阪市大には、それをやる使命があるのではないでしょう

LED照明を一定周期で光らせ、CO2を固定したり、通常の10倍くか。

らい早く育つ作物を作ったり。さらに、光合成を使って燃料電池

橋本先生／そう、使命ですね。こうした研究は、大学の1研究室

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profile大阪市立大学木下

複合先端研究機構長／大学院理学研究科教授

勇きのした いさむ

東北大学理学部化学科卒業。名古屋大学大学院理学研究科修了。理学博士。大阪市立大学理学部助手、講師、助教授を経て、2003 年から現職。

で考えたことがダイレクトに行政に跳ね返る規模でやらなければ難ですよ。

しいものです。大阪市ならちょうどいい規模であり、大阪市自体がどなたかの受け売りですが、「サイエンスは未来を語らない。

環境という問題に非常に興味を持っているので、研究しやすい環境

語っているのは、人間である」という言葉があります。確かにそのでもあります。

通り。ところが、多くの人はサイエンスがあって未来があると勘違いしてしまうんですね。

“知りたい”と思うのは本能だから、人類の知的好奇心を満たすための研究。
木下先生／大阪市大として、ほかにはないユニークな視点から、イ人間が間違いを犯さないように……
USRは、私たちのよって立つべき基盤。

ノベーションにつながるような研究に取り組んでいきたいですね。

木下先生／私は公害世代なので、「化学研究をやることは、本当にしかし、個人的な意見なのですが、現在は哲学が欠落しているのでいいことなのか？」という自問自答をくり返してきました。例えはないかと思います。哲学なしではイノベーションに挑めないのでば、水俣病の原因となった水銀を垂れ流したというのは、大変な問はないでしょうか？

題です。しかし、だからといって水銀の使用をすべて禁止するの

橋本先生／なぜその研究をやりたいのか、正当に自己主張する術もは、どうなのか。適切な処理をして水銀を使えば、コストも安くないし、考えたことすらないというのは、問題でしょうね。

なって、加工しやすくなるのに、そういう可能性もすべてつみ取っ

木下先生／人間の本能は「知りたい」に尽きると思うのです。恋をてしまっています。

するのも、相手の人が自分を好きかどうか知りたいから。死んだ後

橋本先生／安全面でのオーバースペックになっているんですよね。

どうなるかを知りたいから、宗教ができる。

木下先生／本当の意味で安全に管理すれば、問題ない話です。

橋本先生／結局は、その命題に突き当たるんですよね。理学の研究

橋本先生／要するに、人間の問題。人間が間違いを犯すから、人災者にとって「その研究にはどんな意味がありますか？」という質問ですよね。人災を防ごうと思ったら、哲学や倫理が出てくるしかあ

は愚問であると、ファラデーも言っています。人間は知的好奇心のりません。

ある動物であり、知らないことを明らかにするのが理学なのだか

木下先生／いま、公的な存在は、必ず倫理綱領を作ることが要求さら、それ以上何をやることがあるのでしょうか。

れていますね。大阪市立大学にも倫理綱領があり、そこでは、人類でも、世の中がそれでは許してくれない時代になってきている。

の福祉や社会のために尽くすということが書かれています。

役に立つ、イノベーションでこんなものができますというところに

橋本先生／複合先端研究機構にも規程があり、社会や地域への還元

結びつけようとすると、哲学や倫理が出てくるのでしょう。

を目的とするといったことが書いてありますね。

木下先生／正直に言うと、これ以上生活が便利になってもどうって木下先生／それらをUSR（University Social Responsibility）と言います。

ことないのです。むしろ、私たちの生活に直結しなくても、超新星会社の場合はCSRで、よく聞く言葉になっていますね。その大学版が現れたら新聞の一面に載り、小惑星探査機の「はやぶさ」が帰っであるUSRは、私たちのよって立つべき基盤になるのではないかとてきたらみんなが感動するのです。

思います。研究の成果を大阪市、市民、世界に発信していくのはも

橋本先生／みんな感動しているけど、税金をどれだけ燃やしている

ちろんのこと、倫理、哲学的イメージも発信していく場でありたい

ことか。

ですね。

木下先生／それでも、やっぱり知りたい。その想いがすごく大事だとしたら、科学研究者は、そういうことをしっかり考えるべきなん
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OCARINA Communication 1■研究紹介
大阪市をはじめとする都市圏における地下水利用のあり方を提言。
「都市圏の環境保全と地盤防災のための地下水資源の健全な活用法の構築」を研究課題とする B グルー
プは、理学研究科・工学研究科・生活科学研究科の教員 5 名＊が共同で研究を行っています。ここでは、
チームリーダーを勤める工学研究科の大島先生に語っていただきました。
＊）益田
貫上晴恵（理学研究科・生物地球系専攻・教授） 三田村宗樹（理学研究科・生物地球系専攻・教授）
佳則（工学研究科・都市系専攻・教授） 西川

禎一（生活科学研究科・長寿社会総合科学講座・教授）

さらに、私たちは “ 豊富にある浅層地下水を有効に利用してい浅層・中層・深層、ないこと ” も、問題の 1 つであると考え、地下水を有効活用して 43 層の地下水の特徴とは。
私たちは、地下水を深度別に大きく 3 つの層に分けてとらえてつの問題を解決する方策を探究しています。

います。地下 40m までの浅層地下水、100 〜 500m 程度の中層地

5

下水、そして 500m より深い深層地下水、それぞれ抱えている問どれくらいの地下水を題も活用法も異なります。

汲み上げられるのか。

最も浅い浅層地下水は、かつて汲み上げ過ぎたことが原因で地

図 2 は、大阪の東西方向の断面図です。浅層地下水は、ほとん

盤沈下を引き起こしたため、昭和 38 年には地下水の汲み上げを規

ど水を通さない「沖積粘土層」を挟み、「緩い沖積砂層」と、その制する工業用水法、ビル用水法が施行されました。その結果、図 1

下の「第 1 洪積砂礫層」に分かれています。この 2 つの層の地下に示したように地盤沈下は収束しましたが、この浅層地下水は山側

水を対象として、どれくらいの量の地下水を汲み上げられるのかをから雨などによる水が常に供給されるため、地下水位が急上昇して算出しました。

しまいました。これにともない、さまざまな問題が起きているので

ま ず、 大 阪 の 地 盤 デ ー タ ベ ー ス と ボ ー リ ン グ 調 査 を も と に、す。この層の研究は私の専門分野でもあるので、後ほど詳しく説明

250m メッシュ毎の土質・地盤の特性を求めました。その特性値かしましょう。

ら、地下水位を下げたときの沖積粘土層の沈下量を求めています。

中層地下水で問題となっているのは、法規制対象外の井戸を掘り、さらに、最小限の許容沈下量以下にとどまる地下水位低下可能量が地下水を利用する専用水道の敷設が急増していることです。その利分かれば、有効活用できる地下水量を割り出すことができるのです。

用実態はほとんど把握されていませんが、専用水道が増加し続ける

本研究では、建築基礎構造設計指針などから許容沈下量を 5cm とと、水道事業の衰退を招く可能性があります。また、このまま放置

仮定しています。

すると地下水が枯渇し、再び地盤沈下を起こす可能性もあります。

図 3 は沖積砂層、図 4 は第 1 洪積砂礫層の水を汲み上げた場合この層の地下水は浅層ほどの供給源がないため、一旦水量が減ってです。地盤の緩い一部の地域を除くと、沖積砂層で 2 〜 3m、第 1

しまうと、なかなか元に戻すことはできないのです。深層地下水も、

洪積砂礫層で 2 〜 4m は地下水の汲み上げが可能だということが温泉開発で需要が高まっているため、近い将来に枯渇する可能性がわかりました。

あります。そうした問題を防ぐために、地下水利用の実態調査も行っています。

浅層地下水の水位低下は液状化対策として有効か。

浅層地下水の水位上昇は、

さらに、液状化対策として地下水位の低下が有効なのかどうか検4 つの問題をもたらす。

証してみました。まずは、沖積砂層の層厚や粒の大きさなどの特性

私自身の研究は、浅層地下水と地盤の防災・環境をテーマにしてを調べ、そのデータをもとに海溝型の東南海、南海地震が起きたといます。この層の地下水位が高くなったことで、4 つの問題が生じきの液状化の危険度を求めました。それが、図 5 です。PL 値が高ています。まず 1 つは、地下構造物が設計・施工されたときよりいほど、危険度が高いことを表しています。現状の地下水位では、も地下水位が高くなっているため、浮力が働き、既設構造物が不安

東大阪地域は沖積砂層が薄いので比較的安全ですが、西大阪地域に定になること。2 つ目は、地下鉄建設などに伴う掘削工事が難航す

おける液状化の危険度が非常に高くなっていますね。

ること。3 つ目の問題は、阪神・淡路大震災でも問題となった液状では、沖積砂層の水位が下がると、どうなるのでしょうか？現化です。間もなく東南海、南海地震が起きると言われていますが、状から水位を 3m 下げた場合の液状化の危険度を表したのが、図 6

今のように地下水位が高い状態では、かなり大きな被害が出ると予です。非常に危険な状態を表す赤い色がほとんどなくなりました。

想されています。そして 4 つ目の問題は、土壌・地下水の汚染です。

つまり、地下水位を 3m ほど下げることで、地盤沈下を起こさずに重金属や揮発性有機化合物（VOC）などで汚染された土壌に地下水

液状化を予防できるということです。

が浸透すると、地下水とともに汚染物質が拡散してしまいます。
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profile大阪市立大学

工学研究科都市系専攻

大島 昭彦おおしま あきひこ

教授

大阪市立大学工学部卒業、同大学院工学研究科土木工学専攻修了。工学博士。1988 年に大阪市立大学工学部土木工学科助手となり、同講師、同助教授を経て 2011 年から現職。
専門分野：地盤工学

地盤工学の視点から

複合先端研究機構として地下水の有効利用を考える

研究する意義とは。

これまでの研究結果を踏まえ、現在は汲み上げた地下水の有効利

このチームには、私のような土木・地盤工学の専門家だけでなく、用についての研究を進めています。例えば、下水・上水の中間的な「中環境工学および地球学や地質学の専門家、さらには細菌の専門家な水」として利用する方法があります。具体的には、ビルや工場の水

ど、自分の得意分野を持ったスペシャリストたちが集まっています。

冷式エアコンの冷却用水や、ビルや公園のトイレの洗浄用水、公園

互いの情報を交換することで研究に広がりや深みが生まれ、非常にの緑化・ビオトープの環境用水などに利用できるでしょう。ほかに有意義な研究ができています。

も、緊急時の非常用水にしたり、ヒートアイランド対策の打ち水に

本年 7 月、同じ B グループの益田教授をヘッドに研究成果を 1つにまとめた『都市の水資源と地下水の利用したり、さまざまな使い方が考えられます。
こうした地下水の有効利用を実現する上で欠かせないのが、地下未来』という本が出版されます。地下水

水の「公水」化です。地下水は大きな視点でみると、地球環境の中の利用についてさまざまな角度からアプで循環しているものです。雨が降り、河川に流れたり地下を通った

ローチし、調査・研究してきたことの集

りして海に戻り、蒸発してまた雨となる……。雨も河川も海も、個大成となりますので、お手にとっていた人のものではないのに、地下水だけ個人のものというのは、おかし

だければ幸いです。地下水の有効利用・な話ですよね。そこで、地下水は「公水」化して、国や自治体が適地盤の問題は、非常に身近な問題です。

正な管理・利用をすべきであると考え、自治体にも働きかけていま

行政はもちろん、一般市民の皆さんとともに、考え、取り組んでいきたいと考えす。
｢都市の水資源と地下水の未来｣
益田晴江編 京都大学学術出版会

ています。

【図 3】

【図 5】

【図 4】

【図 6】

【図１】

【図 2】

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OCARINA Communication 1■活動報告
Kick Off Symposium

大阪市立大学 複合先端研究機構

設立記念シンポジウムプログラム

2008 年 3 月 10 日

▶開催日時
▶招待講演者◦ Richard J. Cogdell, Fellow of Royal Society (University of Glasgow, UK)◦ Alfred Holzwarth (Max-Planck Institute, Germany)◦ Cong-Qiang Liu (State Key Laboratory of Environmental Geochemistry, Institute of Geochemistry, Chinese
Academy of Sciences, China)◦ Shawn K. Y. Lum (Nanyang Technological University, Singapore)◦矢野 重信（奈良女子大学）◦西垣 誠（岡山大学）◦田中 伸和（電力中央研究所）▶シンポジウム概要
複合先端研究機構の設立を記念して開催された、第 1 回目の国際シンポジウム。エネルギー不足、水資源の不足、地球温暖化といった喫緊の都市問題に対して戦略的に研究を展開すべく、当該分野において活躍されている国内外の研究者をお招きし、分野間の垣根を取り払って、問題解決に向けての認識を共有するとともに活発な意見交換を行いました。

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The 2nd Activitiy Report2010 OCU International Symposium on the Foundation of Environmental Research2010 年 3 月 8 〜 9 日▶開催日時▶招待講演者◦ Richard J. Cogdell (University of Glasgow, UK)◦ Thomas A. Moore (Arizona State University, USA)◦ Ana L. Moore (Arizona State University, USA)
◦ Bruno Robert (CEA, FR)◦ Leroy Cronin (University of Glasgow, UK)◦ Timothy J. Storr (Simon Fraser University, CA)◦ Lawrence R. Sita (University of Maryland, USA)◦ L. James Wright (University of Auckland, NZ)◦石谷 治（東京工業大学）◦宮坂 力（桐蔭横浜大学）▶シンポジウム概要
第 2 回目の国際シンポジウムの会場となったのは、淡路夢舞台国際会議場です。青い海と緑の森、豊かな自然を身近に感じられる環境で、招待
講演者らによる 11 件の講演や 27 件のポスターセッションなどが行われました。「大阪発世界を救う」を合い言葉として 2 日間にわたって活発な意見交換が行われ、情報発信への第一歩を踏み出しました。

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The 3rd Activitiy Report

大阪市立大学 複合先端研究機構

2 号館開所記念講演会

2010 年 11 月 18 日

▶開催日時
▶招待講演者< 特別講演 >< 基調講演 >◦矢野 重信◦藤井 律子（大阪市立大学複合先端研究機構）

奈良先端科学技術大学院大学
京都大学産官学連携本部

客員教授

大阪市立大学複合先端研究機構

特別研究員

大阪市立大学複合先端研究機構

外部審査員

大阪市立大学◦川上 恵典（日本学術振興会）

研究員

客員教授

▶シンポジウム概要
2010 年 11 月、複合先端研究機構の設立から 4 年目にして、本格的な活動拠点となる研究施設の設立に至りました。プロジェクトが名実ともにスタートしたことを機に、記念講演会を開催し、矢野客員教授による特別講演のほか
2 件の基調講演、34 件のポスターセッションを実施。世界をリードする研究機構をめざし、参加者一同、思いを新たにしました。

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The 4th Activitiy Report

第3回

大阪市立大学複合先端研究機構国際会議▶開催日時

2011 年 3 月 7 〜 9 日〜角野メモリアル〜▶招待講演者◦ Richard J. Cogdell (University of Glasgow, UK)◦ Sarah Henry (University of Glasgow, UK)◦ Thomas A. Moore (Arizona State University, USA)◦加藤 昌子（北海道大学）◦ Ana L. Moore (Arizona State University, USA)◦麻田 俊雄（大阪府立大学）◦ Dalio Polli (Politecnico di Milano, Italy)◦戸田 三津夫（静岡大学）◦ Kazi Matin Ahmed (University of Dhaka, Bangladesh)◦松田 智（静岡大学）◦ Guoji Ding (Shanghai University, China)◦中井 美早紀（関西大学）◦松村 有里子（成蹊大学）▶シンポジウム概要
第 3 回目の国際シンポジウムは、複合先端研究機構の設立に尽力された故 角野昇八先生の偉大な功績をたたえ、「角野メモリアル」と題して開催。これまでに機構が成し遂げた業績、最新の研究成果を発表したほか、国内外の研究者による講演も行われました。また同時に、研究活動のさらなる充実に向け、
新プロジェクトのアイデアを募集、発表しました。

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OCARINA Communication 1■ Topics
緑色のもとはクルロフィル
このように光合成は私たちにとって非常に大切な生物現象である

profile大阪市立大学ため、その研究には２００年以上にもわたる長い歴史があります。
複合先端研究機構

教授

神谷信夫かみや のぶお
高エネルギー物理学研究所／放射光実験施設客員研究員、理化学研究所副主任研究員、理化学研究所播磨研究所（大型放射光施設SPring-8）研究技術開発室室長
を経て、2005年から大阪市立大学理学研究科教授。理学博士。2010年から複合先端研究機構専任教授。

そもそも光合成に関する研究は、蒸気機関の発明から始まった産業革命で、人間が石炭を無制限に燃やして汚してしまった空気を植物がきれいにしているという発見から始まりました。光学顕微鏡による観察から、植物の細胞はその全体が緑色をしているわけではなく、
クロロフィルは葉緑体に集まっており、ここで光合成が行われていることがわかりました。さらに電子顕微鏡が発明されると、葉緑体の内部には袋状の脂質２重膜（チラコイド膜）が重なり合った構造があり、クロロフィルはこの部分だけにあることがわかりました。
クロロフィルは太陽光を吸収してそのエネルギーを取り入れる働き

光合成の酸素発生の謎を解明—人工光合成への足がかり—

複合先端研究機構の神谷信夫教授（物質分子系専攻）と岡山大学大学院自然科学研究科の沈建仁教授（バイオサイエンス専攻）
らの研究グループは、光合成において光エネルギーを利用し、水を分解して酸素を発生させる反応の謎を解明しました。太陽の光エネルギーを生物が利用可能な化学エネルギーに変換する機構を9

解明し、地球の環境問題、エネルギー問題、食料問題の解決に貢献する画期的な成果といえます。本研究の成果は、英国「Nature」
誌 の Research Article と し て 掲 載 さ れ て い ま す。（Nature (2011),
473(7345), 55-60）をしており、20 世紀の半ばになるとその化学構造が明らかになりました。クロロフィルは先端のリング状の部分（クロリン環、中心にマグネシウム）に長く伸びた鎖状の部分（フィトール鎖）が結合した構造をしています。クロリン還もフィトール鎖も水には解けにくく、逆に油に溶けやすい疎水性で、クロロフィルはチラコイド膜に埋もれた疎水性膜タンパク質複合体に取り囲まれています。

水から酸素を作り出す天然触媒の結晶化
光化学系 II（PSII）はこのような膜タンパク質のひとつで、光合
成で水を分解し酸素分子を作る酵素、すなわち生物界の触媒として働いています。PSII は酸素分子とともに水素イオンと電子を作り出しており、それらは二酸化炭素を炭水化物に変える（炭酸同化）ために必要な生体物質の合成に利用されます。このように PSII は光合成で中心的な働きをする酵素の一つであるため、その分子構造を明らかにし、酸素発生の反応機構を解明しようとする研究には長い

身近で大切な光合成反応
光合成、すなわち植物の葉が太陽の光を受けて、根から吸い上げた「水」と空気中の「二酸化炭素」から「炭水化物」をつくりだし、同時に空気中に「酸素」を放出するという現象はよく知られています。中学生くらいのころに、植物の葉に適当な模様をかたどった黒紙を重ねてしばらく太陽光をあてた後、その葉から緑色の色素であるクロロフィルを取り除いて白くなったものにヨウ素を作用させると、黒紙のなかったところが紫色に染まり、黒紙のあった部分は白
いままで最初の模様が浮き出して見える、という実験をしたことを覚えている方もあると思います。これはまさに、光合成により植物の葉にデンプン（炭水化物）ができ、それがヨウ素—デンプン反応
により紫色に変わって見えたということでした。このように光合成は私たちにとって身近なもので、また多くの生命現象の中でも特に大切なものであると言えます。光合成によって作られる炭水化物は、
タンパク質、脂質と合わせて三大栄養素と言われます。私たちの体の中で炭水化物はブドウ糖に分解され、呼吸して取り込んだ酸素がこのブドウ糖を化学変化させて私たちの活動のエネルギーとなります。さて空気中の酸素の元をただせば、地球が誕生して以来の 30
億年とも言われる長い時間の間に、すべて光合成が作り出したものです。また私たちが生きていくために欠かせないタンパク質や脂質も、生物界の全体を見てその元をただせば、それらを作り出すためのエネルギーの源はすべて光合成にあります。

歴史があります。X 線結晶構造解析は、分子を集めて結晶とし、その X 線回折像から分子構造を明らかにする方法であり、40 年ほど前から分子量の大きいタンパク質をも対象とすることができるようになりました。しかしながら、その当初、結晶構造解析に成功した
タンパク質はすべて水に溶けやすい水溶性のもので、PSII のような疎水性膜タンパク質の構造解析ができるようになったのは、たかだ
か 20 年ほど前のことです。分子量の小さい化合物でも、分子量の大きいタンパク質でも、分子を結晶にしようとする際にまず大切なことは、不純物を含まない純品を得ることです。チラコイド膜に埋もれて水に溶けない PSII では、まず界面活性剤を用いて水に溶けるようにし、その上で不純物を取り除いて純品にします。しかしながら、界面活性剤は要するに衣服についた油汚れを可溶化する洗剤のようなもので、あまりに強力なものを用いると PSII そのものの構造を壊してしまいます（タンパク質の変成）。また PSII はもともと疎水性のチラコイド膜の中で安定なもので、界面活性剤で可溶化した状態は不安定ですから、時間とともに純品に変成物が混ざるよ
うになります。この変成物は PSII に似て非なるもので、容易には取り除くことができず、膜タンパク質の結晶化ではもっともやっかいなものとなります。

PSII の X 線結晶構造解析
これは膜タンパク質の結晶化が難しい理由のほんの一部ですが、The OCU Advance Research Institute for Natural Science and Technology

OCARINA Communication 1

私たちの研究チームでも、良い結晶を得るために非常に長い時間をロフィルが集まったもので、回りのクロロフィルから届いたエネル

費やしてきました。私たちが PSII を結晶化してその構造を明らかに

ギーにより、瞬間的に、負電荷を帯びた「電子」と「正孔」の対がしようと研究を開始したのは、既に２０年以上も前のことです。実

できます（電荷分離状態と呼ぶ）。この電子は、P680 から PSII のは最初の数年で緑色の析出物が得られたため、茨城県の放射光実験

外に出て、最終的には炭酸同化に必要な生体物質の合成に使われま施設（PF）に持ち込んで X 線回折実験を行いました。しかしながらす。一方、P680 に残された正孔は電子を引きつける性質が非常に結果は惨憺たるもので、結晶であることを示す斑点（回折点）はまっ

強く、それによって近くの Mn4CaO5 クラスターから、さらにはこたく確認できませんでした。つまりその析出物は、クロロフィルをのクラスターに結合している水分子から電子を引き抜きます。こう

含んで緑色をしていても、純品の PSII の結晶ではなかったというこして全体として、水から１個の電子が引き抜かれることとなりますとです。ここから長い悪戦苦闘が始まったわけですが、最近になっが、２個の水分子から１個の酸素分子を作り出すまでには合計４個てようやく非常に良質の結晶を得ることに成功し、兵庫県の大型放の電子を引き抜かなければなりません。すなわち PSII では、上記

射光施設（SPring-8）に持ち込んで結晶構造解析を完成させました。 のプロセスが連続して４回起こることになります。
図１は PSII の全体構造を模式的に示したもので、分子量 35 万の単量体が２個集まって２量体になっています。PSII の単量体は 19 種

Mn4CaO5 クラスターの化学構造

類のタンパク質（サブユニットと呼ぶ）がより集まった複合体です。

図２はこのように複雑な反応をしている Mn4CaO5 クラスターの各サブユニットは、アミノ酸が直線状に並び（ポリペプチド鎖と呼詳細な化学構造を示したものです。歪んだ椅子の形をしており、今ぶ）、それが立体的に折り畳まれたものですが、構成する原子でそ回の結晶構造解析により世界で初めて明らかとなりました。その分の分子構造を表すと複雑になりすぎて全体の様子をうまく表現する

解能は 1.9 Å（単位はオングストローム）です。ここで分解能とは、ことができません。そこで図１では、ポリペプチド鎖がらせん状に２点を明瞭に分離できるもっとも短い距離を示し、１オングスト

巻いた構造をとっている部分（ヘリックスと呼ぶ）をバトンのよう

ロームは１ミクロンの１万分の１なので、今回の構造解析では、分子の中で結合している２個の原子を疑う余地なく分離することができました。図では４個のマンガン（Mn）を紫色、カルシウム（Ca）
を黄色、これらをつなぐ５個の酸素を赤色、クラスターに結合した４個の水（の酸素）を橙色で描きました。私たちが特に注目していますのは、Ca の右奥にあって回りの金属との結合距離が長く、椅子の形を歪める原因となっている特別な酸素とそれに近い２個の水であり、これら３個の酸素原子の内の２個（どの組み合わせになるかはなお不明）の間に酸素分子の結合が生じると予想しています。
この予想を作業仮説として認めれば PSII の酸素発生の反応機構を

図１ 光化学系 II（PSII）の分子構造の模式図

想定することができます。今回の構造解析により疑う余地なく明らな棒で表し、それ以外を折れ曲がったひもでつないでいます。図かかとなった化学構造と、この反応機構の想定があれば、水を分解しら、PSII には長いヘリックスが林立している領域があり、その下にて酸素を発生する人工触媒を設計することができ、今後はその合成は比較的短いヘリックスが集まっている領域があることがわかりま研究が世界的規模で展開されるものと予想されます。

す。バトンが林立した領域は疎水性ヘリックスの集団であり、PSII
はこの部分でチラコイド膜に埋もれています。後者はチラコイド膜

人工光合成に向けての外にある水溶性の部分で、図の赤丸で囲んだところには、PSII の複合先端研究機構の A グループでは、太陽光を効率よく集める

酸素発生でもっとも重要な役割をはたす Mn4CaO5 クラスターがあ

人工アンテナ系の開発が進められており、また太陽光を吸収して安ります（図２参照）。

定な電荷分離状態を作り出す有機金属錯体の合成研究と、水から酸素を発生させる人工触媒の研究も行われていますので、今回明らか

PSII の電子伝達反応

図２ 水を分解して酸素を発生させる
Mn4CaO5 クラスターの化学構造になった Mn4CaO5 クラスターの構造をまねた人工の酸素発生触媒

図１では、チラコイド膜を貫が合成されるまでにそれほど長い時間はかからないと思われます。

いて林立する多数のヘリック

人工光合成の実現に向けて残る課題は、酸素発生に同期して水素をス の 間 に、 と こ ろ ど こ ろ 隙 間発生させる人工触媒系、二酸化炭素からメタノールを合成する人工が 空 い て い ま す。 実 は こ の 隙

触媒系を開発し、これらと上記のアンテナ系、電荷分離系、酸素発間には疎水性のクロロフィルが生系を組み合わせたシステムを作り上げることとなります。最後の多数埋もれており、太陽光を吸システム化とその高効率化には、水素やメタノールを合成する人工収して、そのエネルギーを反応

触媒系の開発と同様に高いハードルが予想されますが、各モジュー

中心（P680 と呼ばれる）へ伝

ルをシステム化するためのノウハウは産業界に既に蓄積されておえるアンテナとして働いていま

り、産業界とうまく連携することができれば、目的とする人工光合す。P680 は２個の特別なクロ成を実現できる可能性は十分にあると言えるでしょう。

The OCU Advance Research Institute for Natural Science and Technology

10大阪市立大学 複合先端研究機構
いま、私たち人類が早急に解決すべき問題として、エネルギー不足や水資源の不足、地球温暖化といった問題が挙げられます。これらは近代都市が生み出した問題であるとともに、都市そのものに甚大な影響を及ぼしており、まさに現代における都市問題を象徴していると言えます。大阪市に生きる私たちにとっても、切実な問題であることはもちろんのこと、一大政令指定都市として、これらの問題に正当に対処するための方策・指針を、世界にさきがけて提案・提言していくことは、極めて本質的かつ重要な課題であると考えられます。
そこで大阪市立大学では、本学の各研究分野における英知を戦略的に融合し、核となるテーマの研究を有機的、発展的に推進していく研究組織として「複合先端研究機構（OCARINA：TheOCU Advanced Research Institute for Natural Science and Technology）」を設立。現在進行中のプロジェクト「都市環境の再生に向けた戦略的新展開」では、下記 3 つの研究課題に取り組んでいます。
戦略課題 A：次世代エネルギーの開拓と産業応用
戦略課題 B：都市圏の環境保全と地盤防災のための地下水資源の健全な活用法の構築
戦略課題 C：都市圏における環境・生態系の時空間変動
これらの課題は、微視的な空間から巨視的な予測を含む包括的なものです。都市圏における環境問題や地球規模での諸問題に正当に対処していくためには、分野間の垣根を越えた相互のコ
ミュニーションが欠かせません。また、得られた成果を大阪市民の皆さまをはじめとして、広く世に伝えていく責任があると考えています。
複合先端研究機構が正式部局としての活動を開始して丸 1 年。昨年末には 2 号館に拠点を設けることができました。また、第二の拠点となる理系新学舎整備のための工事も、平成 24 年夏の完成をめざして本格的に始まっています。地球規模の課題を早急に解決したいという想いから、人と知識が先行して集結しましたが、設備の整備も進め、世界をリードする研究機構にしていきたいと考えています。

大阪市立大学

複合先端研究機構〒 558-8585
大阪市住吉区杉本 3-3-138
電話：06-6605-3619（発行 2011 年 7 月）