「理学」って何だろう？

はじめに

1

理学という学問は、現代文明を支える大きな柱のひとつであり、これまで社会の進歩に大きな貢献をしてきました。希望に燃える新しい世紀を迎えましたが、一方で環境問題などさまざまな問題に直面しています。今後、
これらの諸問題を解決するためにも理学の役割はますま
す重要になってくると思われます。
しかし、昨今の理学の高度な発展は、理学の外にいる
人々には見えにくいもの、難しいものと映っているように思われます。この冊子は、これから大学に入り学問に触れようとする若い諸君に理学という学問がどのようなものかを知ってもらうために作られました。理学は、数学から生物学まで幅広い分野を含んでいますが、それぞれの分野がわくわくするような新しい学問の展開に沸き立っています。本冊子により、理学の研究の一端にふれていただければと思います。
編集を引き受けていただいた京都大学理学部の教官の方々、資料を提供していただいた各大学および諸機関に感謝の意を表します。
平成14年 5 月

国立大学理学部長会議

2

理学とは
理学（サイエンス）は、私たちを取り巻く大自然の秘密を解き明かし、人類の自然についての知識を豊かにするととも、社会の進歩に貢献することを目指す学問です。理学は、数学、天文学、物理学、地球科学、化学、生物学などの幅広い分野
から成り立っています。
理学は、確かに一見異なる様々な分野からなっていますが、それらは自然の成り立ちを反映したものです。各々の分野は密接に関連しています。
例えば、20世紀のはじめに成立した量子力学は、物質の変化を取り扱う化学や生命の本質に迫る分
子生物学、さらには現代生活に不可欠である半導体製品等の基礎理論としての役割を担っています。
物質の究極を探る素粒子物理が、現在では、宇宙の進化を語る上で欠かせないものとなっています。
相対性理論の確立は、数学における幾何学の進歩が土台になったことは良く知られています。また、X線の発見が物質のミクロな構造を調べる方法を生
み出し、それがDNAの構造をはじめ生体物質の解明に使われてきました。
理学の研究は、私たちが夜空をみてその美しさに感動し、動物や植物の営みを不思議に思い、自然の本当の姿を知りたいと言う知的好奇心に突き動かされて発展してきました。また、この好奇心は自らの問題にも向けられ、人類の起源や進化について多くのことを明らかにしてきました。理学は工業製品を作ると言った直接的な実利を目的としたものではありませんが、理学こそがあらゆる分野において人類の進歩を支えてきたといっても過言ではないでしょう。
しかし近年、科学の進歩が逆に人類の生存そのものを脅かすような事態も一部生まれてきました。
現在、大きな問題となっている環境問題もその一例です。こうした問題を解決するためにも、理学を基礎から深く理解し、過去における様々な研究成果を土台に、解決策を模索することが大切です。
このようにその他にも理学のいろいろな分野において人類がまだ理解できていない新しい問題がどんどん出てきており、それらを解決するためにわが国においても理学の研究者が日夜奮闘しています。
理学は、今、大きな発展の時を迎えようとしています。理学は人類の知的好奇心を土台にして、自然の中の真理を探りその美しさを探究する学問です。理学の進展は21世紀における私たちの文化を高め、生活をより豊かにするに違いありません。

3

物理
壮大な物理実験室【宇宙】

5「物質」とは何か？【素粒子・原子核】「新しい」物理学【量子力学】

17

11

目次

数学
四角い箱の中身【代数からコンピュータへ】「独楽」の数学【可積分系】

21

27「複雑なこと」を表す【力学系・確率微分方程式】

29

地球惑星
私たちの惑星【地球の歴史】

35

地球の鼓動を聞く【地球の変動】
青い空を見上げて【地球環境】

39
41

45億年の親子関係【太陽-地球システム】

45

化学
分子を捕まえる！【分子物性】

48

分子をデザインする【分子創製】
生命活動をになう分子【生命分子】

51
54

生物
生命の本質に迫る【遺伝子】

59

頭の中のアンテナ【高次生命現象】
カンブリア爆発【分子進化】
生物の多様性【多様性】

63

66

71

動物の行動と生態【生態】
人類の由来を求めて【人類】

74
79
4

壮
大
な
物
理
実
験
室

宇宙

ケプラー，ニュートン・・・
古くから科学者は宇宙を観察することで「法則」を発見し，「物理学」という学問を築きあげてきました。
宇宙は物理学という厳密なシナリオにのっとった，私たちの想像を絶するドラマの舞台なのです。
そして，科学技術の進歩により，今や宇宙は科学者達の手近な実験室になりつつもあるのです。
写真：すばるが捕らえたオリオンKL領域

巨大望遠鏡で宇宙を探る
日本の科学者達によって設計された新世代の望遠鏡「すばる」。
世界に誇るそのすばらしい性能は，はるか120億光年先の銀河団をも見ることが可能です。
そしてこの「すばる」を通して新たな発見が次々と生まれています。

すばる展望鏡
国立天文台のすばる望遠鏡は，一枚鏡としては世界最大の8.2mの主鏡をもつ可視光および赤外線望遠鏡です。最物
理も大気揺らぎの影響が小さく，湿度の極端に低いハワイ島マウナケア山（標高4200ｍ）山頂に1997年建設され，角度分解能0.2秒の世界最高性能を達成し，現在，世界中の天文学者が観測を行っています。
マウナケア山頂のドーム全景（右）とす
ばる望遠鏡本体（下）写真提供：国立天文台

すぐれた観測装置群
すばる望遠鏡には，可視光・赤外線用の７つの観測装置があり，様々な観測目的に応じて使い分けられています。その中のひとつOHS（OH夜光除去分光器）は，大学と国立天文台が共同で開発した，望遠鏡の赤外線での観測性能を６倍以上に高めることのでき
る，すばる望遠鏡だけが持つ特殊な観測装置で，特に宇宙遠方の天体の性質を詳しく調査する際に威力を発揮して
写真提供：国立天文台

います。

120億光年のかなた
OHS の一部分は広視野の赤外線カメラとして使用する事ができます。このカメラを用いて，長時間同じ領域を観測し続けることによる遠方宇宙の探

上：夜光除去分光器 OHS
下：OHS により取得された100億光年彼方の巨大銀河の赤外線スペクトル
酸素や水素などの可視光の輝線が赤方偏移して赤外線で観測されているものです。

査や，可視光では塵に隠されて観測できないような星生成領域の観測が行な
われています。
左：遠方宇宙の赤外線画像
約120億光年彼方の宇宙初期の銀河を捕えている事が最近の観測結果と合わせて分かってきています。

右：分子雲中で星生成が行なわれている
領域 S106 の観測結果
すばる望遠鏡の高い分解能により，重く大きい星から軽く小さい星までどの程度の数の星が生まれているのかが詳しく分かりました。
写真提供：国立天文台（2点とも）

6

宇宙の始まりを見る
宇宙は今から150 億年前の「ビッグバン」によって生まれたといわれています。
つまり，150 億光年先から来る情報には，宇宙が生まれたその瞬間を教えてくれる「何か」が含まれているのです。

ALMA
世界の天文学学者が共同で，南米チリ共和国の標高5000メートルのアン

物理

デス高地に大型サブミリ波干渉計（ALMA）を建設しています。周波数30GHzから1000GHzのサブミリ波を観測します。微弱なサブミリ波を観測するために，鏡面誤差が20μm以下の高精度パラボラアンテナや量子限界の
低雑音超伝導受信機，そして超高速デ

資料提供：国立天文台

ータ伝送技術などの最先端技術の開発もおこなっています。直径12ｍアンテ

Astro-F

ナを64台配置して，ハッブル望遠鏡の宇宙科学研究所を中心として，2004

10倍以上高い解像度 (0.01秒角)を実現

年2月打ち上げを目標に赤外線天文衛

します。

星Astro-Fの開発が進んでいます。口径70cmの冷却型望遠鏡により，波長2〜200μmの過去最高の感度を備え，宇宙に存在する各種の天体の謎を赤外線観測により明らかにします。
資料提供：宇宙科学研究所

星や銀河の赤ちゃんを探す
Astro-FとALMAは可視光では見えな

さらに，Astro-FとALMAの観測する波として観測されるからです。年齢がい星間物質を捕らえます。この暗黒星

赤外線からサブミリ波は，生まれたば

数億年の若い銀河が大量にみつかり，間物質は，星を誕生させる材料となりかりの銀河を探すのに適しています。

銀河がどのようにしてできたかがわかます。太陽のような恒星や地球のよう

原始の銀河の放射する光が宇宙膨張にるでしょう。

な惑星が生まれるようすを調べて，太よって赤方偏移し，赤外線やサブミリ

陽系の起源を解き明かします。また，
サブミリ波では，生命の起源に関連する有機分子の検出も可能です。

原始太陽

0.01″
110pe
原始惑星

資料提供：国立天文台

7

資料提供：国立天文台

Astro-E2
宇宙科学研究所を中心としてX線天宙で，酸素や炭素などの多くの元素

ブラックホールに落ち込む物質は下

文衛星Astro-E2の製作が進んでいまがいつどこで作られ宇宙空間にどの図のように「降着円盤」と呼ばれるガす。これはロケットの故障のためように拡がっていったかを調べます。

ス円盤を形成します。ガスはブラック

2000年2月に打ち上げに失敗した

また，広い観測X線波長帯域を生かし，ホールの周りを激しく回転するため，

Astro-E衛星を再製作するもので，

巨大ブラックホールの誕生の謎を解膨大な摩擦熱を発生し1000万度に達

2005年2月の打ち上げを予定していま明します。

する超高温となりＸ線を放射します。

す。絶対温度約0.06ケルビンで動作す

図は日本のグループが米国のチャンる高分解能X線分光器など4種類のX線

ドラ衛星を使って発見したM82銀河の観測装置を搭載し，過去最高のX線波

中質量ブラックホールです。巨大ブラ

長帯域と波長分解能を備えています。

ックホールに成長すると考えられていAstro-E2は，ビッグバン直後には水ます。矢印は同時に発見された小型の素とヘリウムしか存在しなかった宇ブラックホールです。

これを観測することでブラックホール
を間接的に捉えられます。
左：Astro-E2
右：ブラックホール
日本のグループが米国のチャンドラ衛星を使って発見したM82銀河の中質量ブラックホールで物理す。巨大ブラックホールに成長すると考えられています。

ブラックホールの場合

ブラックホール

資料提供：宇宙科学研究所

科学衛星による惑星探査
惑星探査計画
金星は太陽からの距離が地球に最もまた，探査機 Planet-Bが，今現在，近く，また，惑星自体の大きさも地球

火星到着を目指して飛行を続けており，とほぼ同じ惑星です。表面は高温の炭小惑星のサンプルリターンを目的とす

酸ガスの大気と硫酸の雲に覆われているMuses-C衛星は2002年に打ち上げらます。自転運動は非常にゆっくりとしれる予定です。さらに，月探査を目的ていますが，雲は毎秒100メートルもとする Lunar-A衛星や SELENE衛星なの高速で惑星の自転する方向に運動しどが次々と打ち上げられ，また，水星ています。スーパーローテーションと探査衛星をヨーロッパと協力して打ち呼ばれるこの運動に代表される大気の上げることも計画されています。

力学を調べるために，宇宙科学研究所が中心となって2007年に金星を周回す

科学衛星による惑星や月の探査が本格的に始まろうとしています。

るPlanet-C衛星が打ち上げられる予定です。これにより，金星大気に雷現象が存在することの確認や，現在の地球の大気と著しい違いが生じた原因を探るために，金星の大気からどの様にまたどのくらい，外の空間に大気を構成する粒子が逃げ出しているかを調べる
予定です。

左 ：Planet-B
右上：Muses-C
右下：Planet-C
資料提供：宇宙科学研究所

8

「見えない」宇宙を見る
宇宙空間は「真空＝何もない」と思われがちです。
しかし，科学の目で見てみると，宇宙空間は「エネルギー」に満ちあふれた空間なのです。
いったい何があるのでしょうか？そしてそれはどこから来るのでしょうか？

高エネルギー宇宙物理

宇宙線を作る巨大加速器天体

下の写真は米国のComptonガンマ線

宇宙線起源の天体は100年近く謎でンマ線望遠鏡（CANGAROO 日豪共

衛星が捉えた銀河面からの１億電子ボした。最近，日本のX線天文衛星「あ同実験)が検出（中図）に成功，宇宙

ルトガンマ線です。宇宙線が星間ガス

すか」が，超新星残骸SN1006から超線起源天体と考えられる具体的な天体と衝突して発生したガンマ線の放射と高エネルギーに加速された電子が作るが初めて観測されたことになり，大き考えられ，銀河に宇宙線が満ちている

シンクロトロンX線（左図）を発見，な反響を呼びました。

ことがわかります。

さらに同時に生成されると考えられる
超高エネルギーガンマ線（10兆電子ボ
ルト以上）を地上の超高エネルギーガ

写真提供：NASA

左：SN1006のシンクロトロン
X線像
中：宇宙線起源天体
右：X線，γ線の発生のしくみ

宇宙線は宇宙からふりそそぐ高エネ
ルギーイオンであり，10の20乗電子ボルトという，途方もないエネルギーにまで達します。大気と衝突して，いくつもの粒子を生成した電磁シャワーをつくり，地上に多くの粒子を降らせます。

宇宙線をいかにして捉えるか？
X線，ガンマ線は大気に吸収される

して，高エネルギー粒子と大気との衝ので，衛星観測が必要です。ただし

突でできるシャワーからの前方へのビ

100億電子ボルト以上になると，そのーム状のチェレンコフ光を地上の望遠

フラックスが極端に少なくなります。

鏡で捉えることで，ガンマ線，宇宙線

そのため右図のように大気を検出器とを測定します。

宇宙線が大気と衝突して生成される電磁シャワーの計算機シミュレーション
資料提供：宇宙科学研究所

左：X線観測衛星
右：X線，ガンマ線の観測施設
光が地上で広がって大きな面積の装置と同等になり，フラックスの弱い超高エネルギーガンマ線を捕らえることができます。右図はオーストラリアに最近完成したガンマ線望遠鏡です。

9シミュレーション科学
科学者は様々な科学現象をつぶさに観察し，理論体系化してきました。
そして現在，この理論体系をコンピュータに入力することで，今まで肉眼では見ることのできなかった「その瞬間」を再現することが可能になりました。

スーパーコンピュータによる科学の創造

粒子の生成反応を見る
下の3点の写真は，金の原子核同士

1990年代，パーソナルコンピュータ

を200兆電子ボルトのエネルギーで正の性能は格段に向上し，80年代のスー面衝突させ，反応の時間変化を追いか

パーコンピュータをしのぐに至りまし

けたコンピュータシミュレーションでた。さらにインターネットの出現はコンピュータを大衆化するとともに，世界中のコンピュータがインターネット
を介してつながるようになりました。
そのような技術の中から数千以上の計算機をひとつにする並列計算技術が急物理す。最近ではコンピュータの進歩で，このようなたくさんの粒子の生成反応を計算することができるようになりました。静止している時は球形をしている原子核が，非常に高速で運動してい生まれてから10のマイナス５乗秒といるため特殊相対論的効果で収縮して板

うごく短い時間後の状態に相当する２状に見えています。また非常にエネル

兆度という超高温の状態をつくり出す

速に進歩し，従来不可能であった非常

ギーが高く大量の素粒子が生み出されことができると考えられています。こに多数の構成粒子の個々の運動から大る様子が手に取るようにわかります。

の図のような反応結果を解析すること

きな全体をシミュレーションすること

上の写真は，実際の金の原子核のによって，宇宙の初期状態に存在して200兆電子ボルトでの正面衝突の様子

いた物質の状態を理解しようとする研これにより理論式としてしか表現でです。シミュレーションの予想どおり究が進められています。

きなかった世界が可視化され，検証不

大量の粒子が飛び出しているのがわか可能と思われていた理論分野が実証可

ります。このような反応では，宇宙がが可能になりました。

能になり，シミュレーション科学がひ
とつの科学分野として認知されるようになりました。

月の誕生を見る
月がなぜあるか，実はこれも最近まで全くの謎でした。しかし，地球に衝突した惑星の破片と地球重力との相互作用をシミュレーションすることで，自然に現在の月の軌道，周期，重量などほとんどの物理量を再現することに成功し，惑星衝突説が最有力になってきました。左の図は，衝突からたった一ヶ月で現在の月ができた様子を示す
シミュレーション画像です。

資料提供：国立天文台

10

﹁
物
質
﹂
と
は
何
か
？

素粒子
原子核

これは，岐阜県神岡町の地下

1,000mにある「スーパーカミオカ
ンデ」という研究装置です。
直径 40m，深さ 40mの巨大な水槽の内部に 11,200本の光検出器（写真の中の点々ひとつひとつが光検出器です）を備え，ニュートリノと呼ばれる目に見えない素粒子の検出を行っています。

謎の素粒子「ニュートリノ」
超新星爆発や太陽からは「ニュートリノ」と呼ばれる素粒子が放出されます。
このニュートリノを観測することで，光では観測不可能な星の中心部を直接研究することが可能になり，ビッグバン直後の超高温の宇宙の様子をはじめ，様々な謎を解明できるかもしれないのです。

スーパーカミオカンデ

ニュートリノ振動

ニュートリノは電荷を持たない，非ニュートリノ振動が起こると，発種類のニュートリノが混合した状態

常に軽い素粒子です。その質量は長い生時と異なっる成分比でニュートリ

でニュートリノは発生し，観測され間測定できないでいましたが，1998年

ノが観測にかかるため，ある種のニます。その場合，発生した時に同じ東京大学宇宙線研究所を中心としたスュートリノは減少し，別の種類のニ地点にいた各種ニュートリノ成分は，ーパーカミオュートリノは増加する現象が起こり飛行中に分離されてしまいます（下カンデ実験にます。

図）。

より初めて質スーパーカミカオカンデではミュ量が測定されーオン型ニュートリノが地球の反対ました。

側から来る場合（右図：−１の点），

スーパーカミ

写真提供：東大宇宙線研究所

日本の上空からくる場合（右図：＋オカンデ検出器は約5万トンの純水を１の点）よりも減少していることを使い，ニュートリノが水と反応する現観測しました。

象を観測します。ニュートリノ反応は

これはニュートリノ振動が起こっ

リング状の光として観測される（上図）ている場合の予想（右図：緑線）とため，スーパーカミオカンデ検出器は非常に良く一致します。また2001年

水槽内に50cm径の光検出器11,200本にはスーパカミオカンデとカナダのを設置しています。

SNO実験の観測から太陽から来るニ

ニュートリノの正体

Multi-GeV μ-Like + PCュートリノもニュートリノ振動で減少していることが判明しました。

-1

-0.5

資料提供：東大宇宙線研究所

0

0.5

1

θ

ニュートリノは宇宙線によって大気中で生成されます（上図）。ニュート

ニュートリノ振動：ニュートリノ

リノは地球を通り抜けることができるは3種類存在し，それぞれ異なる質量ので世界中の空で発生したニュートリを持つと考えられています。その数ノがスーパーカミオカンデで観測できます（下図）。
この観測を通しスーパカミオカンデ
はニュートリノに質量がある場合の特有な現象であるニュートリノ振動の観測に世界で初めて成功しました。

資料提供：高エネルギー加速器研究機構

日本横断の実験
ニュートリノ振動をより詳細に研ミオカンデで検出されます。ニュー究するため，人工的に加速器でニュ

トリノ研究は宇宙の解明，素粒子物

ートリノを発生させる長基線ニュー理学者が目指している全ての力の統

トリノ振動実験が現在進行中です。

一理論の進展等に大きな貢献をする

ニュートリノはつくばで生成され日ことが期待されています。

本を横断し，250km離れたスーパカ

ニュートリノは地球を通り抜けることができます。

資料提供：高エネルギー加速器研究機構

資料提供：高エネルギー加速器研究機構

12

物
理

粒子・反粒子の謎
物質を細分化していって最後にたどり着く究極の粒子，それが素粒子です。
宇宙の創世記「ビッグバン」では，この素粒子とともに「反粒子」というものも同じ数だけ生まれたといわれています。
では，「反粒子」はどこにいってしまったのでしょうか？

粒子・反粒子

物理

小林・益川理論

我々の世界は，主に陽子・中性子・

小林・益川理論によると，ボトムク

電子で構成されています。現在の素粒ォークから構成されるB中間子では粒子物理学で，物質を構成する素粒子

子・反粒子の大きな差異が観測される（クォークとレプトン）には下図に挙と予想されています。このためB中間げる12種類の粒子と電荷が反対の反粒子を大量に生成できる加速器，B-ファ子があることが判っています。宇宙創クトリー（全景：右上図，本体：右下

生期，ビッグバンにおいては粒子反粒図）がつくばの高エネルギー加速器研子は同数作られたと考えられていま究機構で建設され，多数の大学の研究す。ではその反粒子は反物質を作るこ

者が粒子・反粒子の研究に取り組んでとなく何故消えてしまったのでしょう

います。

か？その鍵は，日本人物理学者小林・
益川氏が提案した理論により第3世代のボトムクォークが担っていると考えられています。

素粒子反応を検出する
大量に生成されるB中間子を観測するための素粒子反応検出器，Belle（下写真）が建設されました。この検出器

クォーク

レプトン

の精度で測定します。Belle検出器では

第3
ボトム

トップ

はB中間子が崩壊した地点を数十μm

タウ

タウ
ニュートリノ

右図のようにB中間子の崩壊が観測されます。

第2ミューオン ミューオン
ニュートリノ

ストレンジ チャーム

第 1
ダウン

アップ

Belle検出器の正面図と観測された粒子の電子

電子
ニュートリノ

-0

0

飛跡

世 代
-1/3e

2/3e

電荷

粒子だけが生き残るわけ
Belle実験では粒子と反粒子がある特殊な状態（CP固有状態）に崩壊する
際の寿命の違いを測定します。つまり，
粒子と反粒子はどちらが長生きかを調べているわけです。B-ファクトリーではB中間子と反B中間子が対で生成され，その寿命の差を測定します（左上ビッグバンのイメージ

図）。2001年夏，ついにB中間子と反B中間子の間でCP固有状態に行く場合に大きな寿命差があることが判明しま

このページの写真・資料提供：高エネルギー加速器研究機構

13

した（左下図：青線CP=1，赤線CP=-1）。

原子核物理学
原子核とは文字通り原子の核をなす要素です。
原子核には，今まで知られていた「普通の」原子核の他にも，様々なタイプの存在が明らかになりつつあります。
物質の基本的な要素でさえ，まだまだ知られていないことがたくさんあるのです。

新しいタイプの原子核
原子核は物質の基本要素です。陽子のか，まだよくわからないことばかりと中性子が集まってできた原子核が，です。つまり，我々人間は物質の本質

まわりに電子をまとって原子となり，をまだ理解していないのです。

物質を形作っています。現在，約千種

原子核は，ほぼ同数の陽子と中性子類の原子核が知られていますが，陽子が球形に集まったものというのが従来や中性子がどういう力で結合してなぜの常識でしたが，最近では右図のようこのような原子核になるのか，初期宇な様々な新しいタイプの原子核の存在

宙では物質はどういう姿で，そこからが明らかになり，この常識は覆されま

どのようにして原子核が作られてきた

した。

物
理

構造を調べると，従来調べられなかった原子核の深部の様子や，陽子や中性子の間に働く力の詳しい性質を知ることができます。
ハイパー原子核の研究は，実験・理

ハイパー原子核論の両面で日本の研究者が圧倒的に世

ここでは，陽子，中性子，ラムダ粒界をリードしています。最近，つくば子の三種類の粒子からなる「ハイパー

市の高エネルギー加速器研究機構

原子核」の研究を紹介します。上図の（KEK）では，世界で初めてハイパー

ように，加速器で人工的に作った「中原子核の発生する光（ガンマ線）の精間子」を原子核に当てると，中性子が密測定に成功しました。こうしてハイ

ラムダ粒子に変化し，ハイパー原子核

パー原子核の精密構造が次々と解明さが作られます。このハイパー原子核のれています。

拡がるハイパー原子核の世界
さらに，別のKEKの実験では，ラムダ粒子を2つ含む二重ラムダハイパーのように第三の軸を加えて3次元的に表されることになりました。

原子核の決定的な証拠が写真乾板の中

ハイパー原子核は単なる人工的な物に捉えられました（下図左）。こうし質ではなく，中性子星の内部に存在すて，これまで陽子の個数と中性子の個るとされています。こうして我々の物数で区別されていた原子核は，下図右

質観も拡張されるのです。

ハイパー原子核のガンマ線の検出装置と実験で得られたスペクトル14素粒子と生命の融合
私たち人間の体も，行き着くところは素粒子の集まりです。
つまり，宇宙空間にある物質や身の回りのものと，ある意味「同じ」だといえます。
「物理」というと，一見，無機的なものを扱う学問と思われがちですが，「素粒子的な見方」をすればそのような垣根は存在しないといえます。

nx

nm

神岡

295km

東海

スーパーカミオカンデ
検出器

物
理

ニュートリノ質量からレプトン族の混合測定まで
電子ボルト以下の領域のミュオン

ミュオン科学
物質の磁性、表面界面物性、ミュオン触媒核融合、等

ミュオン（μ）

大強度陽子加速器施設
原子核標的（A）

大強度陽子加速器施設は，高エネル

π中間子
π→μ+ν

中性子（n）

K中間子

所が共同で建設を進めている多目的加速器施設です。平成18年度末の完成を予定しています。

反陽子
陽子（p）
3 GeV, 50 GeV

ク，30億電子ボルトシンクロトロン，

50 GeV陽子ビームを原子核にあてて発生する
中間子、反陽子、ニュートリノなどのいろいろな粒子ビームを利用する。

MeV領域の中性子

3 GeV-333μAの大強度陽子ビームによって発生する世界最強のパルス中性子源。

中性子科学

う世界最高強度を誇る陽子加速器群か

強度陽子ビームという共通の道具を基

ハイパー核、核物質中のＱＣＤ、ニュートリノ振動、Ｋ中間子崩壊、等中性子（n）

500億電子ボルトシンクロトロンといこれらの加速器群から供給される大原子核・素粒子物理学

加速器駆動消滅処理建設される加速器は，陽子リニアッら成り立っています。

ニュートリノ（ν）GeV領域の粒子

陽子（p）

ギー加速器研究機構と日本原子力研究

π中間子の崩壊によって発生するミュオンを効率よく集めて世界最強のパルス状ミュオン
ビームをつくる。

大強度陽子ビームによる多様な粒子ビー
ムの生成

高温超伝導発現機構、生命現象、
高分子･液晶･超分子、新素材

meV-eV領域の中性子タンパク質の３次元構造の解明

新しい超伝導物質の構造解明・開発

粒子を発生させて，これを利用した広中性子散乱は，X線と比較すると水

中性子は，ミクロな磁石としての性い範囲の科学分野の研究が行われます。

素などの軽い元素に高い感度を持って質も持ち，磁性体の構造の研究にも大その範囲は，ミクロの世界を探求すいます。この特徴を生かして，複雑ないに役立っています。例えば，新しくる原子核・素粒子物理学から，より身

３次元構造をもつタンパク質の全体像開発された超伝導材料の性質を理解

近な物質の基本的性質や生命の機構ををとらえることができます。

し，実用化に向けた開発を進める上でに，中性子，ミュオン，Ｋ中間子，反陽子，ニュートリノなどの様々な二次探る物質・生命科学，あるいは人類の最近では，このようなタンパク質の未来のための新しい技術開発など，形が，生体内での働きと深い関わりを様々な分野をカバーしています。むし持つことが知られてきています。

ろ，従来の学問領域にとらわれない21も重要な役割を果たしています。

水分子

世紀の新しい科学・技術分野の創成へとつながることが期待されています。

X線で見たタンパク質の構造(C, N, O, S原子からな
このページの写真・資料提供：高エネルギー加速器研究機構

15

る骨組み構成）

中性子で見たタン
パク質の構造Ｘ線では見えない水分子がよく見える

超伝導の渦構造の観測（左）と超伝導技術を応用して動くリニアモーターカー（右）超伝導の新しい潮流
ある温度以下で電気抵抗がゼロになる状態を示す物質のことを「超伝導体」といいます。最初に発C）の水銀でした。
見された超伝導体は，4.15ケルビン（-269°
その後，より高い温度で超伝導となる物質が世界中の研究機関で探し求められています。

酸素の超伝導

現代社会の営みは，通信・輸送・家

酸素は空気中に窒素についで多く含

庭生活の全般にわたって電気を利用しまれ，身近な元素です。酸素に100万た機器に強く依存しています。物質に気圧もの超高圧をかけて冷やしていく

電気を流すと電気抵抗が生じるため，と，絶対温度で0.6ケルビン以下では

電気エネルギーの多くは熱として消費

超伝導になることが発見されました。

されています。ところがある種の金属

この他，超高圧力のもとでは，鉄も強のなかには，冷やしていくと電気抵抗

磁性を失ったあと，超伝導になることが突然，完全に消失するものがありまがわかりました。

1.0

電気抵抗(R/R 1K)

超伝導とは

物
理

98 万気圧120 万気圧0.5

125 万気圧す。これを「超伝導体」といいます。
0

超伝導状態では，電気を運ぶ電子は2個ずつ対を作り，それらの電子対がボ

最近､これまでになかった新しい物
質や新しい性質の超伝導体が次々と見

1

超高圧のもとでの酸素の電気抵抗

ース・アインシュタイン凝縮（18ページ参照）を起こしています。

0.5
温度（ケルビン）

120 万気圧における固体になった酸素。
電気抵抗測定のための電線が取り付けられている。

つかりました。特に日本の大学での研究から多くの発見が生まれています。
c

2ホウ化マグネシウムの高温超伝導aa

マグネシウムとホウ素が1対2の割合

は超伝導体であったことを日本の大学

Mgで結合した２ホウ化マグネシウムが､4年生が卒業研究の実験中に発見したB

金属化合物としては従来の転移温度のものです。この物質は値段も安く､薄記録を一気に16ケルビンも塗り替える

く広げたり線状に伸ばしたりする加工

39ケルビンで超伝導になることがわか面でも優れた性質をもっており，実用りました。この物質は研究用の試薬と的な超伝導材料として，その将来が大して市販されていましたが，それが実いに期待されています。

2ホウ化マグネシウムの結晶構造

超伝導体の中では，電気を運ぶ電子

ムの酸化物超伝導体がその例です。こ運動していることがわかりました。一は2個ずつ対をつくっています。電子の超伝導体では電子の対（白い球で表方向に公転運動していることを上向きには右向き・左向きの自転に相当する

現）は小さい矢印で表されたように同の大きな矢印で表現しています。

ような2種類のスピンという状態があじ向きのスピンをもち，お互いに公転

スピン・トリプレット超伝導

りますが，従来の超伝導体ではすべて，互いに逆向きのスピンの電子が対を作っています。ところが最近，同じ向きのスピンの電子対による画期的な超伝導体も見つかりました。これが｢スピン・トリプレット超伝導体｣と呼ばれるもので，ストロンチウムとルテニウ

16

﹁
新
し
い
﹂
物
理
学

量子力学

光を自在に曲げる。液体が「下から上へ」流れる・・・。20世紀には私たちの常識では計り知れない様々な物理現象が発明・発見されました。それは，木から落ちるリンゴを見て万有引力を発見したニュートンによる「古典物理学」とは全く異なる「新しい」物理学なのです。
「量子力学」といわれるこの新しい物理学の研究はまだ始まったばかり。無限の可能性を秘めた分野でもあります。

レーザー冷却原子のボース・アインシュタイン凝縮：巨視的量子現象の本質に迫る
レーザー冷却法を用いて，希薄原子気体のボース・アインシュタイン凝縮体を作り出すことができるようになりました。これを用いて巨視的量子現象が観測でき，量子力学の本質に迫る興味深い研究が展開されています。

ボース・アインシュタイ
ン凝縮とは？

ボース・アインシュタイ
ン凝縮の検出
ボース凝縮体にレーザー光を照射し，それをCCDカメラを用いて観察す

物
理

原
子
数
分
布

ることで，凝縮体がどのような空間分
布をしているかを測定することができ
高温：原子はランダムに熱運動をしてます。

速度大（負）

速度ゼロ

速度大

飛行時間法と組み合わせることで凝います。

縮体がどのような速度分布をしているかを知ることができます。上図の中央部分の非常に低速度（低温）の集団がボース凝縮体です。
低温：レーザー冷却法により低温になった原子では，波動性が顕著に表れます。

ボース・アインシュタイン凝縮を用いた様々な研究
レーザー冷却原子のボース凝縮体ます。また光との相互作用においては，レーザー光や磁場を用いて多様は，光の波の増幅と同様に，物質波に操作することが可能です。例えば，が増幅される効果が興味深い形で現磁場によって閉じ込めていた凝縮体

れます（超放射）。さらに，原子間相

極低温：さらに冷却されるとお互いを，自由空間に開放することができ，互作用を斥力から引力にスイッチし，の波が重なり合い，純粋に量子力学

これを原子レーザーと呼んでいます。

凝縮体が崩壊する現象（BOSENO-

的な相転移が起きます。これがボー

これは，原子の波がレーザー光のよVA) や格子状に並んだ多数の量子渦

ス・アインシュタイン凝縮(BEC)で

うに位相のそろった状態にあり，原生成など基礎から応用にいたる様々す。集団となって巨視的な量子現象

子リソグラフィーや原子を用いた干な分野で精力的に研究が進められてを起こします。

渉計など様々な応用が期待されていいます。

レーザー冷却原子のボース・アインシュタイン凝縮の成功
中性原子気体をレーザー光を用いて数マイクロケルビン程度の極低温に冷却することが可能になりました。このレーザー冷却法などを用いて，アルカ
リ原子や準安定状態のヘリウム原子，
水素原子のBECが達成されています。
日本でも数グループがBECに成功して
おり，活発に研究が行われています。
上：原子レーザー
右上：超放射右下：量子渦18

フォトニック結晶によって「光子」を操る
光は非常に速く，直進し，制御できないものと思われていることでしょう。
しかし今，光の速度を変え，物質中を思うままに曲げ，自在にあやつることが可能になりつつあります。そしてその先には「量子コンピュータ」という夢の光回路が見えてきました。

フォトニック結晶とは物
理

真空中では光子は光速で伝播し，物

フォトニック結晶は複数の誘電体をフォトニック結晶（Photonic crystal）

質中では屈折率の分だけ光速は遅くな

光の波長程度の周期で交互に積層したと呼ばれます。３Dでは，通常の結晶ります。通常，物質境界面での屈折現構造物であり，積層の次元により１次のように，面心立方格子やダイヤモン

象やプリズムは物質の屈折率の違いに元（1D），２次元（2D），３次元（3D）

ド格子等の構造が作成されています。

よって説明できます。ところがフォトニック結晶と呼ばれる物質中では，光1D

速を車の速度ぐらいに遅くしたり，高2D

3D

効率に光子を閉じ込めたり，自由自在に光子を操れる可能性のあることがわ
かってきました。

フォトニック結晶のしくみ

フォトニック結晶の中での不思議な現象

フォトニック結晶の大きな特徴の一

フォトニック結晶中では自由空間やつにフォトニックギャップ（Photonic

通常の物質中では実現できない，各種

bandgap ）の存在があげられます。自の新現象が期待されます。例えば，フ由空間（Free space )では，光の固有ォトニックバンドギャップの周波数領モードの状態密度D(ω)は光の角周波域に発光波長を持つような原子をフォ数をωに関して下図のように ω の依

トニック結晶中に入れておけば，光の存性がありますが，ある構造のフォト

自然放出を制御できる可能性がありまて上図にフォトニック結晶と光ファイ

ニック結晶中の状態密度は下図のようす。また，光の異常な伝播も期待されバーを組み合わせた新しいデバイスになり，光の固有モードの存在しないることから，異常に遅い光伝播やスー（フォトニックファイバー）を示して周波数領域が生じることがわかりま

パープリズムなどの新しい光学現象があります。白い部分はガラス，黒い部

す。これは，原子が規則的に配列した次々と発見されています。

分は物質が存在していない穴を表して

2

通常の結晶中において，電子のエネル

また，下図のように周期性の乱れいます。真ん中の大きい穴の上下方向

ギー準位にバンドギャップが生じる場（欠陥）を導入することで，非常に光に光が伝播しますが，フォトニック結合があるのと同様に波の回折・干渉現

電場強度が強い領域をつくることが可晶の性質から弱い光でも非線形な相互象の現れとして理解されます。

能になるために，同じ場所を光が巡回作用が生じて，赤色の振動数の光子がしつづける光の局在現象や高効率な非エネルギーのずっと大きい緑や青の光

線形光学現象が観測されています。そ子に変換されて，結果として白色光がういった非線形光学現象の応用例とし観測されています。

線欠陥
点欠陥

フォトニック結晶の展開
フォトニック結晶には，下記のような物理学の基礎分野への応用も考えられています。
●異常ラムシフトなどの電磁量子力学●高効率非線形光学現象●量子コンピュータ●超光速の有無の検証実験

19

超流動
通常の物質は低温で固化しますが，ヘリウムのように軽い原子は低温で量子効果が顕著に現れ，常圧では絶対零度まで固化しません。さらに絶対零度近くでは超伝導に似た「超流動状態」になります。そこは量子力学が支配する世界です。

「上」に流れる不思議な物質

超流動ヘリウム3の渦を見る

ヘリウム4は2ケルビン程度で超流動

ヘリウム4の同位元素のヘリウム3もなったものなど，いろいろなタイプが状態になります。超流動状態は粘性が1/400 ケルビンという超低温度で超流あります。この量子渦を研究するにはなく，どのような狭い隙間も通ります。

動になります。超流動ヘリウム3の運実験装置自体を回転させないといけま

これは超伝導で電気抵抗がないのと似

動も量子力学で支配されます。そこにせん。現在，超低温で測定できる装置

できる渦は渦の強さ（循環と言います）

は東京大学物性研究所にしかありませがとびとびの値しかとれず，量子渦とん。そこでは超流動ヘリウム3の量子呼ばれます。量子渦には2個がペアに渦の構造を調べています。

超流動ヘリウム3の相図

超流動ヘリウム3のA相を狭い平行平板に入れた時にできることが期待されている渦ています。さらに壁をはい上がるなど，奇妙な性質を示します。これらは全て量子力学で説明されます。

超低温で発現する超流動ヘリウム3には複数の相物
理が存在します。相が違うとそこにできる渦の構造も違ってきます。

超流動ヘリウム3にできるとされている渦の計算結果
2つの渦が結合したもの(左)や芯のない渦(右)があります。

東京大学物性研究所にある回転クライオ
スタット
1秒間に1回転することができます。データを測超流動ヘリウム4の噴水効果

超流動ヘリウム3A相にできると期待されている芯のない Mermin-Hoの渦定する機器も同時に回転させます。

20

四
角
い
箱
の
中
身

代数から
コンピュータへ

数を文字で表すようになって，人間の計算する力は一気に拡大しました。昔々，代数が誕生した頃のことです。
それから何百年かたって，私た
ちは再び計算の力が一気に拡大する時代を迎えます。コンピュータの誕生です。
科学技術や私たちの生活に飛躍的な進歩をもたらしたコンピュータの中には，ありとあらゆる「科学」が詰め込まれています。
その中で数学は目に見えない部
分，つまり論理的な部分をつかさどっています。
インターネットを見たり，メールを送ったり・・・あなたの目の前で今日も数学は懸命に活躍しているのです。

フェルマーの最終定理が証明されるまで350年間，誰も解くことができなかった数学の問題があります。それがフェルマーの最終定理です。
しかし，この超難問は1994年にワイルズというイギリス人によって解かれました。
そしてそのヒントを考え出したのは2人の日本人でもありました。

フェルマーの最終定理とは？

「ヒント」は日本人によって350年以上も昔，近代整数論の始祖

1955年日光で開かれた研究集会で，として活躍したフェルマーは，本の余

出席者谷山は楕円曲線と保型関数につ白に次のように書き残しました。

いての一つの予想を提出しました。この予想は，後に志村によって，正確な「nが３以上の時に，方程式形にされました。
1986年，フライは谷山・志村の予想を満たす自然数，x，y，zは存在しを証明すれば，フェルマーの最終定理ない。私はこのことの驚くべき証明が証明されることを発見しました。

を発見したが，この余白はそれを書
くには狭すぎる。
」
フェルマーの最終定理と呼ばれるこの言明を証明しようとして，多くの人が努力しましたが，果たせず，しかしその試みの中で新しい数学理論が次々と生まれました。

谷山豊
谷山は， l 進表現，保型関数論などの数論の分野に独創的な業績を残しました。
おしくも若くして亡くなりましたが，その名前は，伝説の天才数学者として，世界中の整数論研究者の間で有名です。写真提供：日本評論社

数学

そして，ついに1994年，ワイルズによって，フェルマーの最終定理は証明されました。
ワイルズは，谷山・志村予想をフェルマーの最終定理の証明に必要な程度まで証明したのです。

志村五郎
志村は後にアメリカに渡り，プリンストン大学で，保型関数などの整数論の様々な分野の研究の，世界的な指導者として活躍しました。その名を冠す
る志村多様体は，整数論の研究の重要な対象として，現在でも盛んに研究されています。

ワイルズの証明
ワイルズの証明は，

この図形は，X，Y が複素数の範囲の解（があったとして，背理法！），で考えると，図のような形をしていて，その解からあるやり方で決まる数 a，b楕円曲線と呼ばれます。

について，式で表される図形を調べることでなされ
ました。

楕円曲線

フェルマー
17世紀のフランスの数学者。
アマチュア数学者であったフェルマーは，整数論の研究以外にも，微積分学の先駆者としても知られ，またパスカルとの手紙は，確率論の先駆けとして有名です。資料提供：日本評論社

ワイルズ
フェルマーの最終定理をついに証明したのは，アンドリュー・ワイルズです。
ワイルズは，大変若い頃から，バーチとスウィグ
ナートン・ダイヤーの予想について大きな仕事をするなど，整数論で大活躍をしてきた人です。
フェルマーの最終定理の証明では，構想を得てから長い間，屋根裏部屋にこもって研究を続けたと伝えられています。写真：PPS通信社

22ガロア体と計算機
19世紀の若き天才数学者は「1+1=0」という，不思議な数学の世界を発見しました。
そしてその成果は時を超え，20世紀後半に発明されたコンピュータの中で開花することになりました。

1+1=0
1+1=0。こんな式が何かの役に立つと思う人はまずいないでしょう。
しかし，「1+1=0の数学」は，情報通信や確率シミュレーションにおいて不可欠の存在となっています。

数
学

暗号化
ネットワーク上で情報を送るときには，ハッカーに情報が漏れるのを防ぐために，「暗号化」をして送信します。
暗号化をして情報を送るには，送る人と受ける人で，「合言葉」になる数

コンピュータは情報を0,1の二値

字，たとえば01110011を決めておき（ビット）の列にして，処理します。

ます。そして，Aに対応する00100001

たとえば電子メールでアルファベットを送りたいときには，合言葉ののAを送るには，00100001を送ります。

01110011を足して送るのです。

2つの元からなるガロア体の足し算

このときの足し算は，1+1=0の足し算です。
何万文字もある文書の暗号化をするには，短い合言葉では足りません。
そこで短い合言葉から長いでたらめな数の列を作ります。この列を作るところで，再び1+1=0の数学が活躍する

2つの元からなるガロア体のかけ算

のです。

ガロア体
1+1=0の数学世界（ガロア体とよばれる）は，19世紀初めにガロアにより導入されました。
ガロア
19世紀フランスの数学者。その短い20年の生涯の中で，群，有限体（ガロア体）などの，多くの発見をして，数学の世界に革命をもたらしました。資料提供：日本評論社

100年をへて，20世紀のデジタルコ
ンピュータの発達によって，ガロア体が見つかったのです。
それは，コンピュータの中では，
1+1=0の数学世界の方が通常の数学世界よりずっと効率良く実現されるからなのです。

には，思いもよらなかったような応用

５次方程式ガロア体は５次方程式の研究の中から発見された。

23

通常の1+1=2の計算規則を用いたC言語のプログラムrandにより生成された空間
内の「ランダム」な点列

1+1=0の数学に基づき，松本眞・西村拓

ランダムとは言い難い結晶構造が見られる。

従来の生成法より遥かに乱数性が高く高速で，
国内外で高く評価されている。

士両氏が開発したメルセンヌツイスター
法により生成されたランダムな点列

特異点解消と計算代数人間が描く似顔絵と写真とはどこが違うでしょうか？似顔絵を描く時には，相手の特徴を捕らえて，時にはそれを思いっきり誇張して描きます。例えば八重歯だとかホクロだとか・・・。
図形の「ホクロ」にあたるのが特異点です。図形の特徴が分かるためには，特異点をしっかり描かなければなりません。そのためには図形を表す式について理論的な考察をすることが大切なのです。

特異点解消の問題

グレブナー基底

多項式を使って定義される図形に標準基底のアイデアは，多項式の計は，ところどころ，複雑に絡み合った算をシンボリックに行う計算代数の中特異点と呼ばれる部分があります。

で再登場しました。

方程式

廣中より少し遅れて，ブックバーガ
ーは廣中の標準基底と同じような概念に到達し，それをグレブナー基底と呼びました。

で表される図形では，原点(0,0,0)が特異点です。
特異点があると，多項式を使って定たとき，そのグレブナー基底を求める
廣中平祐

写真提供：日本評論社

義される図形を調べる上で，困難が起こります。
あるいは図形の持っている大切な情

やり方（アルゴリズム）を発見しまし
た。

標準基底

報が，特異点の回りのからまりの中に

特異点解消の問題は，図形の次元が隠れてしまって見えづらくなります。

１，２の場合には19世紀に解決されて特異点のからまりをほぐすのが特異点

いて，また図形の次元が３次元の場合の解消の問題です。

には1944年にアメリカの数学者オスカー・ザリスキーが解決していました。

注：
廣中の標準基底とグレブナー基底には，局所的と大域的と言う差はがありますが，本質的なア
イデアは同じです。

コンピュータによる発展

下の図は数式処理ソフトでかいた，

廣中平祐は1964年に発表した論文

標準基底とその計算法は，電子計算の特異点の絵です。

で，すべての次元の特異点の解消の問機の発達に助けを借りて，これまで不題を解決しました。

可能だと考えられてきた，多項式のいこのような絵をコンピュータに書かせようとすると，特異点のところがな
かなかきれいに書けません。
図の中で一番情報が詰まっている特数
学

ブックバーガーは方程式の組を与え廣中の論文は，200余頁の長大なもろいろなな計算を可能にしました。

ので，証明に４重帰納法を用いる大作でした。

異点のところを正しく理解するには，廣中は，特異点解消の問題を解決し機械に任せてしまうのではなく，人間た論文の中で，図形を定義する方程式の頭で考える必要があるのです。

を調べるために，標準基底というアイデアを考えました（注）。

の特異点

数式処理ソフト上でのグレブナー基底の計算

24幾何学と理論物理学 2000年のつきあい
I

惑星

S3
S1

F

S2

太陽

Z

E

D

P

B

U
X

R

T

Q
A

C

H

S

S1 = S2 = S3
G

ケプラーの第2法則
円錐曲線

K

双曲線に沿った運動（プリンキピアより）

太陽と惑星を結ぶ線分が一定時間に描く面積は一定である。

数
学
前3世紀

理
︶
を
書
き
︑
重
力
理
論
に
よ
り
ケ
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の
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則

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︑
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キ
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学
の
数
学
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ー
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ン

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19世紀

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︒

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学
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論
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や
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幾
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学
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る
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間
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1860年代
ガ
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学
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間
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から
19世紀

：

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18世紀

：

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曲
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論
︵
円
錐
曲
線
と
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を
発
見
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18世紀

：

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ポ
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17世紀

16世紀

：

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何
学
原
論
に
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っ
て
︑
論
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︑
放
物
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︑
双
曲
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こ
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︶

：

ユ
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ク
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ッ
ド

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に
幾
何
学
を
記
述
︒

前2世紀

高
次
元
の
曲
が
っ
た
空
間
の
幾
何
学
︑

弦理論とリーマン面超弦理論はひもの運動で，物理現象を説明します。その数学的基礎はリーマ
ン面で，これは，ひもが動いた跡であ

弦のエネルギー

る曲面の理論です。

南部の定式化をポリヤコフらが改良したものです。エネルギーから決まる運

リーマン面

動方程式の解は，数学では調和写像と呼ばれます。

リーマン面の退化25曲率3角形の内角の和1803角形

ガウス・ボンネの定理

リーマン計量ゲージ変換

3角形の内角の和の，180°からのずれが，曲がった空間で，長さ素粒子物理学の標準理論は，ほ空間の曲がり方ををあらわす。

や面積を定めます。

とんどすべての力をゲージ理論
で説明します。

アインシュタインの重力理論（一般相対性理論）の基本方程式

ヤン・ミルズの汎関数

空間の曲がり方がその場所のエネルギー密度にミルズ汎関数は，ゲージ場の曲率比例するという式。

の2乗の積分です。

ゲージ理論の基本量であるヤン・

数
学
19世紀末

ポ
ア
ン
カ
レ

：

1960年代1970年代から

統
一
場
の
理
論
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：

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1950年代

：

重
力
は
空
間
が
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が
る
こ
と

接
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の
概
念
が
発
見
さ
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ま
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た
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1920年代

：

ア
イ
ン
シ
ュ
タ
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ン

1920年〜

(

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次
元
空
間
の
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学
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相

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き
る
こ
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を
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見
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：

幾
何
学
︶
を
始
め
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1910年代

関
心
も
︑
２
０
世
紀
の
最
後
に
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再
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高
ま

よ
う
に
な
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て
き
ま
し
た
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数
学
者
の
物
理
学
へ
の

の
幾
何
学
や
︑
大
域
幾
何
学
が
盛
ん
に
用
い
ら
れ
る

ゲ
ー
ジ
理
論
や
弦
理
論
な
ど
で
︑
次
元
の
高
い
空
間

弦理論の基礎である交叉対称性は，かけ算の結合

結合法則

法則と関係があります。

すべての力を統一する大統一理論になると期待される，超弦理論は，およそ20世紀のありとあらゆる数学を使います。

交叉対称性

コード図
絡み合ったひもを研究する結び目理論と場の超弦理論には21世紀の数学が必要であろう・・・（といっている人もいます）

量子論が関わるところで登場します。

26

﹁
独
楽
﹂
の
数
学

可積分系

数学者はさまざまな自然現象を数式で表現することにチャレンジします。
18世紀のスイスの数学者オイラ
ーは独楽（コマ）の運動を方程式で示しました。
オイラーは「子供と遊びながらでも論文が書けた」といわれるほどの天才数学者ですが，もしかしたら「コマの方程式」は，本当に子供と遊んでいるときに書いたのかもしれませんね。

対称性と可積分系
美しい図形は高い対称性を持っています。
それと同じように，自然を表す微分方程式の解を，式で表すことができるのは，方程式に高い対称性がある場合です。
対称性が高い微分方程式の解を，具体的に求めていくのが，可積分系の研究です。
正多面体
古代から知られるこの５つの図形は，もっとも対称性が高い多面体です。

群

２体問題

対称性の研究には，ガロアが考え

太陽と地球の運動である２体問題

数学

た群や，リーの考えた，リー群が役は，可積分系の最初の例です。

に立ちます。
20世紀には，リー群の基本単位である単純リー群や，有限群の基本単位である有限単純群の分類が完成しました。
Kdv方程式などの解には，ぶつかり合っても波の形が崩れないものがあり，孤立波（ソリトン）と呼ばれていオイラーのコマ

ます。

ヤング図形

外から力が働かないコマの運動の方佐藤幹夫は，リー群と関係が深いヤ

程式は，オイラーが発見した可積分系

ング図形を使って，Kdv方程式や，その重要な例です。

の一般化であるKP方程式の解を書き表す方法を見つけました。

戸田格子
戸田盛和による戸田格子は，20世紀に発見された新しい可積分系です。

量子群
対称性は表面には現れずに隠れてい

Kdv方程式Kdv方程式は川などの浅い水面を伝わる波の方程式です。

ることがあります。

ラックス表示19世紀にKortewegとde Vriesが考え，アメリカの数学者ラックスは，行列今世紀後半の可積分系研究の高まりでを用いると，多くの可積分系が下のよも大きな役割を果たしました。

うな一定の形の式，ラックス表示，で神保道夫とドリンフェルトは，量子群という「群もどき」を考え，統計物理学などに現れる可積分系の対称性をあばきだしました。

書き表されることを発見しました。

28

﹁
複
雑
﹂
な
こ
と
を
表
す

力学系
・
確率微分方程式

問題：これはなんでしょう？
「新発見の暗黒星雲！」「タコの足のレントゲン写真！」
そう答えた人は，なかなかユニー
クな想像力をお持ちすが，残念ながら不正解。
これは「マンデルブロート集合」と呼ばれる，数学でのちゃんとした集合なのです。
規則があるようでないような・・・不思議な文様は芸術的とさえ思えてきます。

力学系から現れる複雑な図形
いろいろな現象が時間発展するようすを記述する数学的なモデルを力学系とよびます。
その中で，最も有名なのはニュートンの運動方程式です。
力学系のもつ，不思議かつ時として美しい世界の一端をご紹介しましょう。

3体運動
いくつかの天体が重力の下で運動す

わめて困難になります。

る場合を考えてみましょう。運動方程３個の天体が，衝突したり無限の彼式は，微分方程式であらわされます。

方に飛び去ってしまわずに永久に運動天体の個数が２個のときは，軌道はし続けるかを決定する問題は３体問題

円，楕円や双曲線などになり，その様と呼ばれています。

子は完全に理解されています。
一方，天体の個数を３個以上にする

数
学と，一般にはその軌道を既知の関数で表現することはできなくなります。
実際，その軌道の長時間にわたる挙動を調べようとしても，わずかな初期
値の違いが大きな違いを引き起こすため，大体の様子を予測することさえき

３体問題の基本方程式

３体問題で，複雑な軌道がうまれるこる
メカニズム

ロジスティクス写像
力学系の初期値をわずかに変えた

ほとんどの軌道が周期的軌道に引きだけで，その後の軌道が大きく変わ込まれることもあれば，カオス的な挙ってしまう現象はカオスとも呼ばれ動をすることもあります。

ロジスティック写像ています。
カオスは３体問題だけでなく，非常に多くの力学系で起きていています。
その一番簡単な例がロジスティッ
ク写像と呼ばれる写像です。
ロジスティック写像の様子はパラメータの値によって，いろいろ変わります。

ロジスティック写像を何回も合成したときの点の動きαの変化でカオスが生じる様子

マンデルブロート集合
ロジスティック写像の研究では，数けでなくグラフィックとしての美しさ

列やパラメータを複素数の範囲まで広も併せ持ち，我々の目を楽しませてく

げて考えることが重要です。

れます。

複素数で考えることにより，複素解
析に強力な手法が使えるのです。
カオス的な挙動をする軌道に対応する初期値の集合はジュリア集合と呼ばれ，ジュリア集合が連結になるパラメータの集合は，マンデルブロート集合と呼ばれます。

複素平面

マンデルブロート集合の数々

これらの集合は，数学的な美しさだ30

伊藤解析と数理ファイナンス
数学での発見は，時として数十年，数百年後に社会を動かすことがあります。
たとえば，現代の金融界に不可欠な理論なっている確率微分方程式は，第2次世界大戦中に発表された日本の数学者，伊藤清の論文が発展を遂げた成果なのです。

確率微分方程式

さらに広い分野で確率解析の理論が現在もっともよく

確率論は統計的なデータを処理する用いられているのは数理ファイナン

ことを大きな目的としていて，自然科

さまざまな科学の分野で，不確実なス・金融工学の分野です。市場価格が学・社会科学・人文科学など広い範囲

現象を記述する道具として，1940年代

変動するありさまを記述し，ランダムで役立てられています。

に伊藤清により日本で創られた確率微な市場の動きに対して，危険（リスク）分方程式が用いられています。確率微の少ない方法を考えるのが金融工学の分方程式の理論は20世紀後半に大きく

大事な目的ですが，確率解析はそのた発展し，今日では確率解析と呼ばれてめに不可欠な理論となっています。

物理学では，微分方程式が理論を記述する基本的な道具でした。

数学

金融工学への応用

データを処理するには，それぞれの現象を記述する理論が必要です。
近年，コンピュータ・ＩＴが発達し，大量のデータを高速に処理する事ができるようになりました。そのため，複います。

雑で高度な確率モデルを理論の基礎に置いても，応用することが可能になりました。
確率解析の基礎になる伊藤の公式
ランダムな変数の置換積分の公式です。右辺第２項がふつうの微積分と違っています。伊藤の公式は，数理ファイナンスでも主役を演じます。

金融工学で有名なブラックーショールズの方程式
左辺第４項が伊藤の公式の右辺第２項に対応し
ます。
10

5

0

-5

-10

-15

写真提供：日本評論社

-20

5

0

-5

-10

-15

上：伊藤清
下：全国紙上談話会44号
確率解析の発展に決定的な役割を果たした伊藤の公式は，戦争中の困難な状況のもとで発見され，手書き・謄写版刷りの冊子「全国紙上談話会」に発表された。

-20

-25

-30

株価の変動のようなランダムな現象を表すグラフ

31

流体の方程式
水や空気のような，ものの流れを扱う学問が流体力学です。
確かに「きれいな波紋」や「そよ風のような空気の流れ」が数式で表現できることは想像できるかもしれません。しかし，一見むちゃくちゃなように思える「乱流」さえも，方程式で表現する試みがいま行われているのです。

ナビエ・ストークス方程式
流体力学の基本方程式はナビエ・ストークス方程式という微分方程式です。

流体力学の基本方程式ナビエ・ストーク
ス方程式

数
学

70年間の謎
上：２次元乱流の可視化

乱流も，きれいな渦のパターンも，平面内の流れのベクトル場が複雑化することを見えるようにするには渦度と呼ばれる量の分布を見るのがよい。

ナビエ・ストークス方程式の解析から分かると信じられています。ナビエ・

この絵はある時刻での渦度の分布をコンピュー
ターシミュレーションしたものである。激しく振動している様子が見える。

ストークス方程式は，いわば支配方程式なのです。
しかし，この方程式には解が存在す

左：整った渦のパターン

るかどうかすら分かっていないのです。

このような，乱流と正反対の，きれいな渦もナビ
エ・ストークス方程式の解としてあらわれます。

「初期値と境界値を与えたとき，ナ
ビエ・ストークス方程式に解が存在す
るか」は大きな未解決問題になっています。70年もの間，多くの優れた数学者が，この問題に挑戦してきましたが，謎はさらに深まる・・・

彼らの挑戦はことごとく退けられてき

ナビエ・ストークス方程式には，ごしかし，理論の進歩は解決した問題

ました。この問題は，ミレニアムを記

くわずかの対称性もありません。流体と同じくらいのミステリーも生み出し念して懸けられた，クレイ研究所のの体積以外には保存量もありません。

てきました。これから解くべき問題は，1000万ドルの懸賞問題の一つになって

これは，対称性の高い可積分系とは，今まで解かれた問題より遙かに多いでいます。

正反対の方程式なのです。

しょう。

だからこそ，乱流のような，複雑な流体の運動の数理科学的研究は，21現象を扱う支配方程式となることがで

世紀数学の重要なフロンティアです。

きます。
対称性も保存量もない方程式は，数流体の研究にはいろいろな側面があ

学的な取り扱いには，まことにやっかります。基本方程式の理論的な研究。

いな方程式なのです。しかし，そこにコンピュータを用いた数値実験。これは多くの重要な問題が内包されていらは，ともに欠かせない研究の両輪で，て，多くの数学者や物理学者を魅了しどちらが欠けても，流体現象を理解すてきました。

ることはできないのです。

過去70年の間にナビエ・ストークス方程式の理論は着実に進歩してきました。

32

地球環境を予測する方程式
ナビエ・ストークス方程式は，数学や実験室の域にとどまらず，私たちの住む地球全体の環境さえも「支配」しているといわれています。
実際に行われている数値計算によるシミュレーションをご紹介しましょう。

地球規模での流体運動

数
学

地球規模での大気や海洋の運動もナビ

ギーや物質が地球規模で循環している

エ・ストークス方程式に支配されてい様子を知ることができます。オゾンホます。日々の気象変化や長期の気候変ールを念頭においた「墨流し実験」で動は，この方程式をスーパーコンピュ

は，成層圏でのオゾン破壊物質の輸送

ータで解いて予測されています。また，と混合の様子が，実験室内の3次元的同様の数値計算により，不規則に変動な乱流混合と大きく異なっていることする大気や海洋の流れによってエネルがわかりました。

全世界の気候をコンピューターで予測する
世界の気候は，太陽からの熱と地球上る熱力学方程式，水蒸気の連続方程式，に存在する水（水蒸気）を大気・陸・

風速の運動方程式などに関する微分方

海の間でやり取りすることによって決程式をコンピューターを用いた大規模まりますが，そこには気圧や風速・風な計算によって行ないます。右ページ

向といった様々な気象条件が複雑にかの図は，そのようにして求めた６月からみ合っています。この複雑な現象をら８月の世界の気温と降雨量を示して全世界的な規模で予測するため，世界います。

各地の気温(T)，湿度(q)，気圧(p)，風

大域的な分布がほぼ再現されているこ速(V)を初期値として，太陽放射によとがわかります。

Climate System

Climate Modelexchange and transport systemof energy and substanceenergy cycle

atmosphericcirculation

Atmospheric
Model

cloud
water
circleenergywater
exchanges

snow,iceocean
circulation

計算モデル

33

Land
Model

Ocean
Model

90

６〜８月の世界の降雨量（上）計算で得られた降雨量分布（下）実際の降雨量分布60
latitude

30
0
-30
-60
-90

0

0

800

30

60

90

120

150 180 210
longitude

240

270

300

330

360

90

latitude

60
30

数
学

0
-30
-60
-90

0

0

800

30

60

90

120

150 180 210
longitude

90

240

270

300

330

360

６〜８月の世界の気温（上）計算で得られた気温分布

latitude60（下）実際の気温分布

30
0
-30
-60
-90
0

30

60

90

120

150 180 210
longitude

240

270

300

330

360

305

315

0

30

60

90

120

150 180 210
longitude

240

270

300

330

360

305

315

90

latitude

60
30
0
-30
-60
-90

34

私
た
ち
の
惑
星

地球の歴史

なぜ私たちは地球にいるのか？さらには，なぜ地球に生命が生まれたのか？
そんなことを普段意識して生活している人はそう多くはないでしょう。
でも，生命の星・地球は，「偶然」ともいえるさまざまな要因のもとに宇宙空間に生まれました。
では，この「偶然」とは何だったんでしょう？
あたかも探偵のように地球の過去を探る科学者達の努力は続いています。

生命の惑星 地球
地球は今のところ生命の生存する唯一の惑星です。
私たち人類も含めた生命はいついかにして生まれたのか？
それは大地に刻まれた地球生命の歴史が教えてくれます。

地球はなぜ生命の惑星になったのか？
100

地球には大量の水が存在し，それ

メタン・アンモニア

が海洋を形作りました。大気中に大量に存在していた二酸化炭素は，海水中に溶解して，炭酸カルシウムとして，岩石の中にとりこまれました。
二酸化炭素の濃度が低下すると，光合成によって生命を維持する原始的な植物が誕生しました。それが，長い時間をかけて，大気中の二酸化炭

大
気
中
の
気
体
の
濃
度
︵
％
︶

75

窒素

50

水

25
二酸化炭素

素を酸素に変えて，呼吸活動する有酸素動物が発生し，それらが，陸地で活動する様になりました。

酸素

0

45

40

30

20

10

地
球

時間（億年前）別冊サイエンス「地球と大気の進化

C.J.アレグル／S.H.シュナイダー」より

地層の情報解読
地層の中には，水流，嵐，津波，土むしろ暖流の影響を受けて堆積したこ

石流，地磁気の逆転，隕石の衝突などとがわかりました。大自然の中で地球さまざまなイベントが記録されていまと一対一で向き合うのも研究の醍醐味す。地球のエキスパートたちは，自らのひとつです。

の目と足で地層を調べ，複雑な地球の歴史を解きほぐしてきました。彼らの調査対象は世界中のあらゆる時代の地層におよびます。写真はロシア・カム
チャッカ半島とサハリンに露出する中生代白亜紀（約1億4,000万年〜6,500万年前）の地層です。調査の結果，これらの地層は現在の気候とは異なり，

古生物の記録
化石は，過去三十数億年間にわたる生物の進化をドラマティックに物語ってくれます。それと同時に，写真のアンモナイト化石からは，地球温暖化がもっとも進んで海面が上昇した中生代
白亜紀の海洋環境の一端を読み取ることができます。化石は過去ばかりでな
く，現在や未来の地球環境を解くカギでもあるのです。

36

活動する地球とその歴史の解読
火山活動や地震は，地球が活動を続けている証です。
それまで地表にあったものが地下深くに潜り込んで再び地表に現れる・・・
ゆっくりではありますが，ダイナミックな地球の活動をご紹介します。

火山活動の予測など，防災に関する研究
火山はマグマが地表に達する現象です。地震や地殻変動，地熱などもあわせて観測し，マグマの活動のダ
イナミクスに関する研究が行われています。そのような基礎的な研究は，自然のもたらす災害から私たちの身を守る防災上の観点からも重要です。
ここに示した写真は1979年10月の阿蘇中岳第１火口のストロンボリ式噴火の様子です。

地球

地球規模の物質循環帯
込み沈み沈み込み帯で沈み込んだ物質は，コ
ア・マントル境界まで降下し，そ片の断 色岩）
台
海 体緑
出と
加
の放 発生
付
2O
H
（
マの

南太平洋ホットスポット群（スーパースウェル）

巨大海台

昇流とともに地表まで
ントル規模

マグ

表層流体層へのCO2の放出

脈動と物
質
内の
ル

環
循
大

達するというママン
ト

こからプリュームなどの上

海

嶺

スー

パー

プ
の上 リュ
昇 ーム

での大循
環の解明が

上部マントル

進んでいます。
地球深部からのスー
パープリュームによるホットスポットは多くが太平洋に分布しています。ハワイ島は最大規模のホットスポットに対応していて，地球の活動を探る上で重要な領

解？
の融
質
物
ート
プレ

核-マントル反応

磁気ダイナモの変動（地磁気静穏期）域のひとつです。

固体内核

37

下部マントル

流体内核

造山帯‐浮き上がる地下深部物質
プレートテクトニクスに従うと，大変成岩が見出されるようになっていま

陸は数億年ごとに分離と合体を繰り返す。マントル物質は数ｍから数百ｍのしています。大陸同士の衝突によってレンズ状あるいは層状の岩体として，形成された造山帯には，その地下深部

地殻物質起源の岩石中に取り込まれてを構成していた岩石が広く分布してい産する例がよく知られています。写真ます。1980年代以降の研究で，造山帯のマントル物質は地下120kmで，周囲の地下深部物質の一部は，地表付近にの地殻物質は地下50kmで形成されたあった岩石がマントルまで沈み込み，とされています。地下100〜200kmでダイヤモンドや石英の高圧多形(コー形成された代表的な超高圧変成岩やマス石)を含む超高圧変成岩に変化した

ントル物質の密度は代表的な地殻物質

後，固体状態で再び地表に戻ってきたより大きくなります。さて，マントルことが判ってきました。2001年までに物質と地殻物質の混合は一体どこで，世界中の大陸衝突型造山帯から超高圧

どのようにして生じたのでしょうか？
また，密度の大きい超高圧変成岩やマントル物質は地表までどうやって上昇してきたのでしょう？造山帯の地下深

地殻物質
マントル物質
地殻物質

部で生じた物理過程を一緒に考えませ
んか。

地
球

ダイヤモンドのカソードルミネッセンス像
指輪やネックレスなどの装飾用に研個体にとっては，「履歴書」とも言え磨された透明で美しい宝石級ダイヤモ

ます。特殊な手法を用いれば，そのよンドであっても，その内部には成長のうな情報も引き出すことができます。

記録を示した縞模様が隠されていまこの写真は，ダイヤモンドに電子線をす。このようなパターンは，いわば照射することによって青色に発光する「指紋」と同様にその個体に特有・無現象を利用して，ダイヤモンドの履歴

二のものであって，そのダイヤモンド書の解読を試みているところです。

鉱物の微細構造
マグマが地表に噴出して冷え固まる

は，黒い帯と白い帯とが交互に並んでが観察されないゾーンでは無数の微小と火山岩と呼ばれる岩石になります。

いるゾーンや黒い帯が観察されないゾドメインが複雑に重なり合ったパター

この写真はある火山岩中に含まれていーンが見られます。黒い帯と白い帯とンを示しています。これらのような鉱たピジョン輝石という鉱物を電子顕微

では化学成分−とくにCaの量−に顕物中の微細なパターンを解析すること

鏡を用いて撮影したものです。写真で著な違いがみられます。また，黒い帯

によって，その鉱物やそれを含む岩石が受けてきた熱の変遷についての手懸りをつかむことができます。例えば，
写真の鉱物では，白黒の帯の太さや間隔は高温に保持されていた時間の推定に，ドメインの大きさは冷却時の降温速度の見積もりに，それぞれ利用でき
ます。

38

地
球
の
鼓
動
を
聞
く

地球の変動

地球の内部はどうやって調べるのでしょうか？
まさか輪切りにするわけにはいきませんよね。
深い穴を掘っても限りがありますし・・・
実は，地球の「音」を聴いて調べているのです。
ちょうどお医者さんが聴診器で心拍音を聴くようにね。

地球の内部構造と変動
地震を観測・分析することは，地球内部構造やその活動を知る手がかりとなります。
しかし，地震は時として私たちの生命を脅かす存在でもあります。
「地震を知る」ことは様々な面で大切なことなのです。

地震波による地球内部構造の探査
地震波を用いると地球内部の構造をゆっくりと変動することがわかりまし知ることができます。この方法で地球た。一つの可能性として，内核がマン内部に内核と外核，さらにそれを覆う

トルよりも少し速く回転（１年に1〜マントルの存在がわかりました。30年３度程度）していることが指摘されまあまりの長期にわたって蓄積された地した。その説は，外核のダイナモ作用の粘性やマントルと内核間の重力トル

震波データを用いて解析すると，中心によって地球磁場が形成されています

クとも関連し，その正否を巡って論争部にある内核を地震波の伝わる速さがが，内核とマントルの差動回転は外核が繰り広げられています。

地球の自由振動超伝導重力計
写真提供：国立極地研究所

リアルタイムの地震観測網
私達の生活を災害から守る観点か

地球で地震が起こると，釣り鐘をつされ，これを常時地球自由振動と呼んいたのと同じように地球そのものがあでいます。左のグラフの横軸は周波数，る決まった周期で振動することがあり

縦軸が重力の時間変化を示しますが，ます。これは地球の自由振動と呼ばれ，とびとびにある縦方向に続く赤い縞目

地球全体を揺さぶるほどの大きな地震

が常時地球自由振動を表しています。

の際にだけ起こる現象だと考えられて

常時地球自由振動がなぜ起こるかについました。しかし，最近，地球の重力

いては，現在も研究が進められていまの１兆分の１の変化も測定できるたい

すが，おそらくは大気あるいは海洋がへん感度の高い超伝導重力計の観測に地球を常にたたいているためだろうとよって，地球の自由振動は地震のない考えられています。

地
球

ときでも常に起こっていることが発見

ら，有感地震のみならず微小地震を常時観測することは, 大規模地震発生予

反射法地震探査による地下構造の解明

測の研究や，地震発生機構を探る上で特殊な車を用いて，地面に震動を与

礫・砂・粘土などが堆積してできた地重要です。下図は微小地震観測システ

えると，わずかな揺れが地下深くから層に対応します。この縞模様は水平でムで自動的に決められた深さ30kmよ

はね返ってきます。その反射波を地表なく傾斜したり，たわんでいたりしま

り浅い地震の震央分布です。リアルタ

で検出し解析することによって，地下

すが，地層が形成されるときには水平イムで計算された最近１ヶ月間の結果の構造を調べることができます。下図ですので，これは堆積後に地層が動いの速報が，ウェブ上に公開され, 研究は京都市内を南北に走る測線に沿ったことを示しています。また，図の左面や防災面で役立てられています。

て，反射法地震探査を行なった結果で側の宇治川の付近では地層がたわんです。基盤岩を覆う様に縞模様が見えまいるのがみられ，宇治川の下に宇治川す。この縞は周りの山から流れ出た

断層の潜んでいることがわかります。

40

青
い
空
を
見
上
げ
て

地球環境

私達が普段「空」といっているのは成層圏まで。高さにして約50kmです。
一見ものすごく高いように感じますが，地球（半径約6,400km）を卵とする
ならば，成層圏はその殻ぐらいの厚さしかないのです。
でも，もしこの「殻」がなかったら，地球の表面は月のようになっていたとい
われています。

地球の大気・海洋と環境の変化
私たちが生きていけるのは地球の表面が大気に覆われているからです。
また，大気に対しては地球表面の70％を覆う海洋が大きな影響を与えています。
地球環境について考えていくとき，全地球的な観点からの観測と検討が不可欠といえるでしょう。

新しい観測システム
大気と海洋が地球環境に果たす役割って，より精密で多様な物理量を観測を理解する第一歩は，観測によって現することが可能になりつつあります。

況を把握することから始まります。従これらの新しい観測システムを強力に来から，地上の観測網や気球によって組み合わせることによって，これまで

大気を観測したり，船舶やブイなどに謎に包まれていた大規模な海洋の変動

よって海の中を観測する工夫がされてシステムと地球規模での気候変動とのきましたが，近年の技術的な進歩によ

関わりが明らかにされつつあります。

人工衛星によって得られた海面温度
人工衛星による海洋観測手法の発展

今では欠かせないものとなりました。

は，私たちに有用な情報を与えてくれ

左下の図は人工衛星NOAAによって得るようになりました。人工衛星に搭載られた1988年1月の北西太平洋の月平された赤外域の放射計によって得られ

均海面温度分布です。赤い色は水温がる広域の海面温度のデータは，黒潮の高いことを示しています。白い部分は流路の把握や気候変動の予測のために陸域であったり雲があったりすること

地
球などによって観測値が得られなかったところを示します。日本南岸では黒潮

資料提供：宇宙開発事業団

が蛇行して一旦岸から離れる様子がはっきりわかります。

水の循環
地球は水の惑星といわれ，表面には青から赤になるほど1日あたりの降水

大量の水が存在します。しかし，その量が多いことを示しています。このよ約97％は海水なので，我々陸上生物がうに降水はとても偏った分布をしてお必要とする淡水は残りの約3％です。

り，人類の多くは干ばつや洪水に毎年さらに淡水のほとんどは固体として雪苦しんでいます。淡水の循環過程はや氷となって主として極地に存在して我々にとって重要な問題なので，世界いるため，我々が日々利用できるのは中の研究者が多くのプロジェクトを実

１年の降水量を足しあわせても地球上施して研究してきました。そのため，の水の0.03％程度でしかありません。

近年ようやく全地球的な水循環の現状

図は人工衛星TRMMによって得られたが明らかになりつつあります。

2001年6月の月平均降水量の分布です。

42

エル・ニーニョと全球気候変動
人工衛星観測をはじめとする広域観まで及び，アジア・モンスーンやアリにさまざまな異常気象や災害を引き起測やスーパー・コンピュータの発達にューシャン低気圧などの変調を引き起こしたことは記憶に新しいところでともなって，海洋が地球規模での気候こすと考えられています。1997年からす。また，エル・ニーニョ現象の影響変動に果たしている役割が徐々に明ら

98年にかけて起こったエル・ニーニョ

は遙か南極にまで及んでいることが近かにされつつあります。エル・ニーニ

現象は20世紀最大と言われ，世界各地

年発見されました。

ョ現象はその代表的なものです。その影響は熱帯赤道域に限らず高緯度域に地
球

資料提供：地球フロンティア研究システム

気候システムにおける全球海洋循環
エル・ニーニョ現象のような数年ス

で及ぶ海洋の流れによって運ばれる熱

ケールの変動だけでなく，数10年から

エネルギーが気候システムを変動させ数100年といった，より長いスケールる大きな要因となります。

の気候変動においても海洋は大きな役割を果たしています。海洋中には，「コンベアーベルト」のように水を輸o送するルートがあると考えられており，このような表層から中・深層にま

0

90 W

o

o

180

90 E

o
o

o

90 N

90 N

Heat release to atmosphere
o

60 N

o

60 N

o

30 N

o

30 N

Warm Surface Current
o

0

AT

0

LA

N

Cold, Saline Bottom Current

IC

T

o

o

PACI FI C

30 S

o

30 S

I NDI AN OCEAN
o

o

60 S

60 S
Recirculated Deep Water

o

o

90 S

90 S
o

90 W

43

資料提供：サザンプトン海洋学センター

0

o

o

90 E

1

80

o

分光学と地球環境問題
分子はそれぞれ固有の光を吸収したがCl +O3 → ClO +O2という化学反応に贈られました。また，長年にわたるオ

り放出したりします。この光を観測す

よって起っていることが明らかになり

ゾン層破壊物質の継続観測により，オることで，大気中に存在する分子の種ました。1995 年には,オゾンホール発

ゾン層保護に関する条約のもとでの生類や濃度を知ることができます。その生メカニズムの理論的解明に貢献した

産規制の効果が目に見える段階となっ結果，大気中には様々な化学的に活性３人の大気科学者にノーベル化学賞がてきました。

な分子（ラジカル分子）が存在し，オ
ゾンホールの破壊等を起こしていることがわかってきました。例えば，南極のオゾンホール付近の大気の分光から，オゾン(O3)の濃度とClOラジカルの濃度に特定の関係があることがわかりました。このことから，オゾン破壊

地球

南極上空のClO とO3 の濃度変化

大気中での化学反応
大気中では，様々な化学反応が起きています。大気の状態を再現する大型シミュレーション装置によって，どのような化学反応が起きているか，その詳細がわかってきました。たとえば，
オゾンの生成は太陽からくる紫外線によって生成されるラジカル分子が引き起こす以下の連鎖反応によって起きていることがわかりました。
NHMC +OH +O2 →RO2
RO2 +NO +O2 →NO2 +HO2 +CARB
HO2 +NO →NO2 +OH
NO2 +hν +O2 →NO +O3
ここで，NHMC はメタンではない炭化水素，CARB はカルボニル化合物，Rはアルキル基，hν は太陽光です。
大気化学反応シミュレーション装置

44

45
億
年
の
親
子
関
係

太陽-地球
システム

地球は太陽を主とする太陽系家族の一員です。
そして太陽から送られてくるエネルギ
ーにより，地球は生命あふれる星になりました。
また，太陽は私たちにとって最も近い恒星でもあります。
太陽を詳しく知ることは，宇宙に無数とある星を知る手がかりとなります。
科学者にとっての太陽は「先生」でもあるのです。

太陽-地球システムの解明
太陽は今も活発に活動を続ける星です。
現在，太陽が光や熱以外にもさまざまなエネルギーを放出していることがわかってきました。
その一部は，オーロラのように私たちの目を楽しませてくれる現象も引き起こします。

太陽の11年周期活動
太陽観測衛星「ようこう」は，太陽の活動周期である11年近くにわたって連続観測を行い，躍動する太陽面とコロナ領域の現象の詳細を捉えました。
それにより，太陽面の爆発現象である
フレアーの物理機構を解明して，さらにそれが地球におよぼす影響を実用に役立てようとする宇宙天気予報の研究に大きな途を切り開きました。図には活動度の指数として広く用いられてい地
球る太陽黒点数と，「ようこう」のＸ線観測で得られた太陽像を対比させて示してあります。黒点数の増減に呼応して太陽面のＸ線輝度分布が変化する様
子が良くわかります。
資料提供：宇宙科学研究所

太陽活動とオーロラ
太陽活動が盛んになるとその表面かプラズマ粒子が運んでくるエネルギーの原子に衝突することによって引き起ら放出される光や電波，プラズマ粒子の一部を取り込んで活動しています。

こされる発光現象ですが，もとをたどのエネルギーが増大します。地球の磁

極地の夜空を彩るオーロラは磁気圏のると，太陽からやってくるエネルギー

気圏はその周辺に太陽から放出された電子が加速されて降ってきて，大気中がその源です。電子が磁力線に沿って高速で移動しますから強い電流が流れます。その電流はさらに電離層を流れてジェット電流と呼ばれるものを形成します。ジェット電流が現れると，地上の磁場が大きく変動します。その変動をオーロラの出現する領域に多数の観測所を分布させて捉え，そのデータをもとに，ジェット電流の強さを示す
指数（AEインデックス）が算出されています。その指数はジェット電流の強度とオーロラの活動を知る重要な手がかりを与えてくれています。さらに，
この指数から太陽からやってくるプラ
ズマ粒子や磁場の状態を推定しようとする試みが行われています。

46

宇宙天気予報とモデル計算
太陽活動と地球の磁気圏および電離されつつあります。また，さらにそれによって地球の磁気圏にも不安定現象

圏の活動は密接に結びついています。

らを組み合わせた総合的な計算機コーが起こって，活動的なオーロラの出現

個々の重要な領域における基礎過程にドの開発も検討されています。図にはする一連の過程が示されています。

ついて計算機シミュレーションが行わ

太陽面でフレアーが起こり，加速されれ，その非線形的な発展の様子が解明

たプラズマ粒子が地球に到達し，それ地上望遠鏡による太陽の観測変動する太陽定数

地
球

望遠鏡による太陽の黒点，コロナな

過去においては太陽から放射されるりとした経年変化と共に非常に短時間

どの観測が定常的に行われています。

エネルギーフラックス（太陽定数）はの変化が見られます。この変動幅は小飛騨天文台のドームレス望遠鏡は，条時間的に一定と考えられていました

さいのですが，地球の大気・海洋シス

件のよい日に太陽の細かい模様まで観が，大気圏外における直接観測を行う

テムに大きな影響をもたらしている可測できる高い分解能をもっています。

と，その考えが誤りであることがわか

能性があり，太陽と地球を一つのシス

また，乗鞍岳にある国立天文台の太陽ってきました。図には複数の衛星によテムとして扱う必要のあることが指摘

観測用のシステムなど，地上望遠鏡にって求められた太陽定数の時間的な変されています。

よる太陽面の観測は，衛星観測と相補化をプロットしてありますが，ゆっく的に重要な役割を果たしています。

資料提供：NASA

47

分
子
を
捕
ま
え
る
！

分子物性

ご存じのとおり，「分子」はとても小さな物質です。おまけにすばっ
しこく動く・・・その正体を捉えるにはとてもやっかいな相手です。
しかし，科学者も負けてはいませんでした。
さまざまな工夫を凝らし，分子を「捕まえる」ことに成功しました。
科学者がこしらえた「仕掛け」とはどんなものなのでしょうか？

分子の反応過程を追う
分子が吸収したり，放出したりする光の波長を調べる（分光する）ことで，分子の検出，分子構造の決定などができます。またレーザーなどの技術的進歩によって，化学反応が進行する最中の原子や分子の動きを，実時間（1/1兆秒の時間分解能）で追えるようになりました。
その結果，「分子が変形し結合を組み替えて生成物を生み出していく」反応の過程が，詳細に明らかになりつつあります。

特異な構造の分子を創る

原子・分子一つ一つの制御高電圧で放電したプラズマ中には原子・分子を一つ一つ操作して，望通常は存在しない様々な分子ができみの物質を作り上げることは可能でします。たとえば水素分子とメタンのょうか？ そのような試みが今まさに混合ガスを放電すると，正電荷を帯始まっています。例えば，銀表面上にびたイオン分子が多数生成します。

吸着した一酸化炭素分子を一つずつ動+その中にはCH 5 という古典的には考かして，別の場所にある鉄原子と反応えられない分子も存在することが，させることに成功しました。生成した吸収される光の波長の解析から明ら

FeCO分子やFe(CO)2分子は，走査トかにされています。このように通常

ンネル顕微鏡によって識別し，構造を安定には存在しない分子の構造やエ決定することができます。

ネルギー状態を明らかにするうえで分光学は威力を発揮します。その成化
学

果は，宇宙空間に存在する多様な分子の同定に役立っています。

走査トンネル顕微鏡で得られる画像

水素ガスの放電

分子の動きを直接見る
最新の超高速レーザー技術を用いる

C5H8Oが開裂して，２つのC2H4(エチ

不安定な中間体のC4H8が生成し，引と，化学反応の途中の分子の動きをリレン)とCOが生成する反応では，10兆き続いてエチレンへと解離していく

アルタイムで追跡することができま

分の1秒以下のパルス幅のレーザー光

様子がリアルタイムで観測できる様す。たとえば，環状の有機化合物を用いることで，まずCOがはずれてになりました。

環状の有機化合物 C5H8Oが開裂して， 2つの C2H4（エチレン）とCOが生成する反応の様子

49

超高速レーザーシステム

コンピュータで分子を見る
分子が形を変える化学反応は，身の回りにも多く見られます。最近では，こうした動きが理論的計算によって直接「見える」ようになってきています。

反応動力学
化学反応の途中では実際に何が起こっているのか？それを実験でつかまえることは一般に非常に難しく，理論計算が特に必要とされる問題です。この図はその一例となるポテンシャル・エ
ネルギー面を示します。これは現代の理論化学計算から求められました。キセノンXeとヨウ素分子I2からなるクラスターが紫外線を吸収すると，電子励起状態に上がり，最後にXeIとIに分解していく過程では，ポテンシャル面の交差を通過することがわかります。

化学

キセノンとヨウ素分子の反応のポテンシャル面

水
図は計算機で得られた水の水素結合
ネットワークを示します。酸素原子（図では青色の球で表現）と2個の水素原子(水色の球)からなる水分子は，水素結合と呼ばれる弱い相互作用（図では黄色の細い線で表現）によって相互に結びつき，3次元的なネットワークを形成しています。この水素結合ネッ
トワークは，4度Cで体積が最小になるといった水特有の性質や，雪の美しい結晶構造の根源です。また，生体内で水素イオンを輸送する経路となるな
ど，生物が生きていく上で重要な機能を担っています。コンピュータを用いた分子動力学計算により，こうした分子の動きが，一個一個明らかにされつつあります。
計算機で得られた水の水素結合ネットワーク

50

分
子
を
デ
ザ
イ
ン
す
る

分子創製

分子のしくみを知れば，こんどは分子を「組み立てる」ことが可能になります。
さらには今までにない分子を生み出すことも可能です。
その「デザインテクニック」は私たちの生活を一変させる可能性を秘めているといえます。

機能を持つ新しい分子を創りだす
原子の組み合わせによって作り上げられる分子の数は無限です。化学者はこれまで，自然界に存在する分子をヒントにして，特異的機能を発現するような分子を数多く生み出してきました。幾度ものフィードバックを経ながら，高機能性新規分子の創製へむけた研究者の挑戦は続きます。

グリーンケミストリー−環境調和型有機合成−
薬や調味料をはじめとして私達の生活は数多くの化学物質によって支えられています。21世紀を迎えて，それらを効率良くつくり出すためのできるだけ環境に優しい方法が強く求められ，グリーンケミストリーという考えが大切になってきています。
これを実現するには，分子を自在にデザインできる化学の力が不可欠です。例えば，図中の人工アンモニウ
ム塩[１]は金属を持たない有機化合物
ですが，化学反応の際１つの分子が繰り返し仕事をして，天然型，非天化
学

然型アミノ酸を無尽蔵につくり出す力を持っています。パーキンソン病に有効な薬（L体のドーパ）を効率的に合成できるのは良い例です。将来，
このようなアプローチで付加価値の高い化合物を思うままに合成できる
ようになることが期待されます。

環境にやさしい人工触媒を利用した医薬品の合成

触媒的不斉合成
不斉合成とは，光学活性体を化学的しても重ならないが，鏡に映すとそのためには不斉環境（簡単に言うと右手に合成することです。それでは，光学一方と同じになる関係にあるもの（分と左手を区別できる環境）が必要で，活性体とは何かというと，右手と左手子では鏡像異性体という）の一方のこ

我々は触媒となるパラジウムなどの遷の関係のように同じ向きに重ねようととをいいます。光学活性体を合成する

移金属に，図で示したようなMOPという不斉分子を配位させて実現させました。1から2の不斉合成ではこの不斉触媒を原料のわずか1/10000加えるだ
けで，ほぼ純粋な2を作り出すことに成功しました。

左利きcatは，一方の面からの攻撃だけを許可します。

52

機能性材料
原子・分子は，集合体(結晶・薄膜・アモルファス)を形成すると，溶液や気相でのそれとは大きく異なる性質を示します。集合体の性質を理解し，その源を探る研究は，科学そのものとして重要であるばかりではなく，今，急展開が求められているナノテクノロジーや機能性材料の応用研究の基礎を与えます。

電気を流す有機化合物
砂糖やプラスティックに代表されるみ，透明でかつ金属と同じ導電性を示

有機化合物は，一般には電気絶縁体ですフィルムを作ることが出来ます(模す。しかし，他の分子やイオンと組合式図)。

せ，錯体を作らせることにより，金属と同じ様に電気を流す物質を作ることができます。錯体の構成成分を選び，望ましい結晶構造を取らせることにより，低温で電気抵抗がゼロとなる超伝導体を作成することも可能です。このような超伝導体は，一般に電解法と呼ばれる一種の電気分解により作成されます(写真)。
透明金属薄膜中でのBO分子の充填様式

また，分子自身が，自分と同種の分子を認識し，錯体の中で独特な結晶構造

化
学を作るものもあります。BOは，そのような性質を持ち，金属的な電気伝導性を示す錯体を与える性質の強い分子です。その錯体を，高分子膜に組み込

ET分子を使った超伝導体の結晶成長
白金電極の先端付近に見える黒い結晶が超伝導体。この錯体の場合，約10 K以下で超伝導状態(電気抵抗がゼロ)となる。

光機能性分子植物の光合成や生体内の電子伝達を担分子に変換できることが明らかになり属を自由自在に取り込む能力もあり，っている重要な色素化合物にポルフィ

つつあります。例えば，分子を平面状

ポルフィリンは光機能性分子として，リンと呼ばれる分子があります。このにどんどんつないでいくと分子ワイヤ

大きな期待がもたれています。

ポルフィリンをつないだり，変形したーに，3次元に組み上げると光捕集アりすることで，全く新しい機能をもつ

ンテナ分子になります。いろいろな金

ポルフィリンから合成されるワイヤー分子やアン
テナ分子

53

生
命
活
動
を
に
な
う
分
子

生命分子

細胞の中では，タンパク質やRNAに代表されるさまざまな分子が，生命を維持するために働いています。それらは，生物が長い進化の過程で獲得してきた精妙な「分子機械」です。

タンパク質のメカニズム
生命活動は，生体を構成しているタンパク質の化学反応によって維持されています。最近では，こうした動きを理解するために，レーザーを利用した様々な分光法が開発され，また理論的計算によってもダイナミクスが「見える」ようになってきています。

タンパク質の役割とはタンパク質の動きを直接見る

DNAの上に書かれた遺伝情報をもと

生体タンパク質は，あるきっかけににして，細胞の中でRNAとタンパク質

よりタンパク質全体の構造が変化し，がつくられます。RNAには，タンパク機能を果たすようにできています。多質を合成する際の遺伝情報の受け渡し

くの原子が，ある目的のためにいっせに関わる分子のほか，それ自体で酵素

いに動く，その働きのメカニズムはど反応をおこなったり，他のタンパク質

うなっているのでしょうか。非常に短の機能を調節したりする「機能性RNA」

い時間（フェムト秒：100兆分の1秒）もあります。タンパク質は，細胞内でから長い時間（1000秒）のオーダーのさまざまな反応をおこない，また，細動きを観測することで，初めて原子を胞の機能を調節する働きをしていま動かす機構が明らかになります。例えす。RNAやタンパク質は，生命活動のば生体内で酸素を蓄える働きをするミ維持において中心的な役割を演じていオグロビンタンパクの構造変化を明らます。

かにするために，パルスレーザー光で酸素を解離させ，その後のタンパクの化
学動きが調べられています。

パルスレーザー光でミオグロビンタンパ
クの酸素を解離させたときのタンパクの構造変化

細胞内における遺伝情報の流れ

蛋白質の分子シミュレーション
分子シミュレーションは，分子や分子の集合体の振る舞いをコンピュータ
上で再現する方法です。実験だけでは知ることが難しい分子が機能を発揮す
る際の詳細なメカニズムを調べることができます。
タンパク質を結晶化して，これにＸ線を照射し蛋白質のような巨大分子の振る舞いを再現するためには，蛋白質
分子とその周りにある水分子も含めた数万から数百万の原子から構成される系をコンピュータ上で再現します。原
子間の相互作用エネルギーをすべて考慮することで，各原子がどのように動いているのかを観ることができます。
この図には実際の分子シミュレーショ
ンに用いたリゾチームという蛋白質と分子シミュレーションで得られたリゾチームとその周りの水分子の配置55

その周りの水分子が示してあります。

タンパク質の立体構造を知る
生体内の化学反応をつかさどるタンパク質の立体構造を知ることで，その生物学的な機能を理解することができます。

Ｘ線結晶解析によるタンパク質の立体構造の決定
タンパク質を結晶化して，これにＸ輝度の高いシンクロトロン放射光が用ず，その測定に用いる波長も自由に選線を照射し結晶からの回折を測定する

いられます。シンクロトロン放射光でぶことができ，このことは結晶構造のことで，結晶を作っているタンパク質

は，Ｘ線強度が非常に大きいのみなら解析の手法に用いられています。

の３次元立体構造を原子レベルで決定することができます。タンパク質はほ
とんどの生体内化学反応を触媒していますが，折りたたまれて立体構造を形成することで初めてその機能が発現されます。したがって，タンパク質の機能を理解するためには立体構造を知ることが不可欠です。Ｘ線結晶解析の方法は，結晶さえできればどんなに大きなタンパク質分子（あるいはその複合
左：シンクロトロン放射光施設
Spring-8（兵庫県西播磨）体）でも，原子レベルでの立体構造を知ることができます。Ｘ線には極めて

DNA の 複 製 を 開 始 す る タ ン パ ク 質 とDNAとの複合体の立体構造
DNAの複製が起こる時，これを制御することのためにもタンパク質が使わ化
学

写真提供：（財）高輝度光科学研究センター

ることで，複製を開始するシグナルを与えています。

光合成の光エネルギー変換
反応を行う膜タンパク質
膜タンパク質は生体膜（脂質二重層）に埋もれて存在するタンパク質で，れています。DNAが複製を開始すると生体膜という反応の場の上で，多くのきにタンパク質がDNAに結合して，複重要な生物学的な働きを担っていま製を開始するシグナルを与えます。こす。光合成反応中心複合体は最初に立の図は大腸菌の，あるプラスミドの複体構造が解明された膜タンパク質で，製開始を制御するタンパク質とDNAと光合成反応において，吸収した光エネの複合体の立体構造で，タンパク質

ルギーを化学的なエネルギーに変換す（上部）の２箇所のヘリックス部分がるという役目を担っています。生物のDNA（下部）の２つの大きな溝にそれぞれ結合していることがわかります。

DNA複製開始タンパク質とDNAとのこのようにタンパク質がDNAを認識す

複合体の立体構造

生命維持に必須である光合成の中で，最も重要な最初のステップの鍵を握っているタンパク質です。光合成反応中
心の立体構造からは，その中で起こる
電子伝達反応において，電子が複合体の中をどのように伝わっていくかが手に取るように理解できます。

光エネルギーを化学エネルギーに変換する光合成反応中心複合体での電子伝達反
応のようす

56

酵素が触媒する化学反応の解明
ウンデカプレニル二リン酸合成酵素

55個のウンデカプレニル二リン酸を合せるのに都合よい構造をつくっているは，細胞壁の合成などに関与する生命成します。その立体構造が決定され，わけです。そのような酵素の表面の窪維持に必須の酵素タンパク質です。こ酵素は二量体として働いており，酵素

みで，基質分子がどのように反応するの酵素はイソプレノイドの一種であるの表面にはリン酸基を結合する部分とかということも酵素の立体構造から理

ファルネシル二リン酸（炭素15個の化

長い疎水性の炭素鎖を認識する窪んだ

解することができます。

合物）に，炭素が５個のイソプレンを部分があることが分かりました。酵素

次々と連続的に８回付加させて，炭素の表面で基質と生成物をうまく反応さファルネシルニリン酸（C15化合物）
OPP

OPP

イソペンテニル
ニリン酸（ C5化合物 ）

連
続
８
回
縮
合
反
応

ウンデカプレニルニリン酸（ C55化合物 ）

化
学

OPP

ピロリン酸

7
OPP

左：ウンデカプレニル二リン酸合成酵素が触媒する反応
右上：ウンデカプレニル二リン酸合成酵素の立体構造
右下：酵素の分子表面で進行中の触媒反応のようす

炭素15個の出発物質 +（炭素5個の化合物 × 8回反応）= 炭素55個の反応生成物

水素を合成したり分解したりする酵素・ヒドロゲナーゼ
多くの微生物は，水素を合成したり分解したりする酵素・ヒドロゲナーゼというタンパク質を持っています。ヒ+
ドロゲナーゼは，（ H2 →← 2H + 2e ）の反応を触媒し，細胞の中のプロトン濃度を調節する働きをしています。ヒ
ドロゲナーゼの触媒としての働きをその化学構造から解明できれば，水素をもっと効率良く合成したりすることがヒドロゲナーゼ分子全体構造の模式図可能となります。つまり，将来，水素をエネルギー源として利用できるようになるかもしれません。図で示したよ
うに，ヒドロゲナーゼはNiやFe原子

酵素反応部位の拡大図（Ni-Feを含む金属錯体）
SO/CN/CO

システイン（酵素反応部位）を持ち，そこで上に示した反応を触媒します。

システイン
CN/CO

Fe
CN/CO

57

システイン

S
Ni

機能性RNA
RNAは，細胞の中で遺伝情報を伝える働きをしていることが古くから知られていましたが，それ以外にも，さまざまな働きをしているRNAが存在します。それら機能性RNAの研究をもとにして，自然界には無い，新しい機能性RNAを創り出すことも可能になりつつあります。

リボザイム（RNA酵素）

タンパク質合成とRNA

約20年前に酵素活性を持つRNA（リタンパク質合成の際にも，リボゾー

ボザイム）が発見されて以来，RNAはムRNAが触媒として働いていることが細胞内で情報担体としての働き以外にわかっています。RNAは，遺伝情報をも多様な働きをしていることがわかっ担うことができてきました。図は，リボザイムの中でると同時に，タ

現在もっとも研究が進んでいるテトラ

ンパク質合成でヒメナのイントロン・リボザイムの活も中心的な役割

性中心の構造です。RNAの二重らせんを果たしているがいろいろな相互作用で折り畳まれ，ことから，地球

２本の二重らせんの間に形成された溝

上に生命が誕生（クレフト）が活性中心を形成していした際には，

RNAが大きな役割を果たしたものと考えられています。

ます。

化学

イントロンリボザイムの高次構造モデル

リボゾーム

機能性RNAをデザインする
自然界に存在するRNA分子の構造のりました。それを利用して，希望するあります。図は，2本の二重らせんが研究から，RNAの高次構造の形成に関

高次構造を持ったRNA分子を人工的に近接するように設計したRNAの一例でわるいろいろな構造単位が明らかにな

設計することができるようになりつつす。中央の溝の部分の塩基配列を改変することによって，この部分で触媒反応を起こさせることができます。このように，RNAは自由に構造を設計することができるうえに，そのRNA上で特異的な触媒反応を起こさせたり，細胞内の特定の分子を識別させたりすることができ，はかりしれない応用の可能性を秘めた素材です。

人工的に設計したRNA
２つの近接した二重らせんの間で，触媒反応を起こさせることができます。

58

生
命
の
本
質
に
迫
る

遺伝子

「お父さん似」「お母さん似」。
これは偶然ではありません。
お父さん，お母さんの遺伝情報，いわゆる「プログラム」を受け継ぐことによって起こるのです。
「情報」とか「プログラム」
とかまるでコンピュータみたいだと思いませんか？
その通り，まさに生物はミクロの要素で構成された緻
密なシステムなのです。

ゲノムの謎を解く
それぞれの生物に特有な遺伝子に書き込まれた1セットの遺伝情報，これを「ゲノム（GENOME）」と呼びます。この「情報」を読み解くことが生命現象や生物の進化を解明するカギとされています。

ゲノム・サイエンス
生物はそれぞれの種に固有な遺伝子

象に関わっていることがわかってきまの１セットを親からもらい，そこに書した。遺伝子ではなく，ゲノム全体をき込まれた遺伝情報に従って自身を作調べる必要性が高まってきたのです。

り上げます。この１セットの遺伝情報

すでにヒトのゲノム30億塩基対が解読

をゲノムと呼び，その実体はDNA（デされており，遺伝子機能，遺伝子産物，

オキシリボ核酸）という有機物質であ

生命機能，健康や病気との関連など，

ることがわかっています。DNAはA,

さまざまな研究がはじまっています。

G, C, Tで表される４種類の塩基が２本のらせん状に結合したもので，この配列が遺伝子情報となります。近年，一ゲノムの本体である染色体の蛍光顕微鏡写真

つの生命現象には驚くほど多くの遺伝子が関わり，一つの遺伝子は複数の現生きている細胞を見る

経
過 0
時
間
︵
分 15
︶

60

145

細胞が生きていくためには，DNAに書かれている遺伝情報だけではなく，細胞膜と細胞内の骨格としてはたらく

65

微小管のダイナミックな変化が必要で150す。光学顕微鏡技術の進歩によって，その微細な世界の動きを直接見ること

35

125

ができるようになりました。微小管はチューブリンというタンパク質がらせ

170

ん状に重合したもので，必要に応じて

45

130

形成され，消滅します。この生成と解体がエネルギーの高低の変化を利用し

200
50

135

55

140

た動的不安定性という巧妙な仕組みであることがわかってきました。

250

10μm
現実の細胞の中の微小管
生きているヒト細胞分裂 − 染色体（赤）と微小管（緑）。
染色体はDNA 特異的蛍光色素 Hoechst 33342 で染色し，微小管はローダミン蛍光色素でラベルしたチューブリンタンパク質を細胞に顕微注入して染色した。同じ細胞の５分ごとの変化を追跡，記録した。資料提供：通信総合研究所

60

生
物

ゲノム・リプログラミングと自然界のクローン
遺伝子組成が等しい細胞や生物の集界で無性生殖をするプラナリアやホヤ

ムだけで個体発生が進行します。また，団をクローンといいますが，未受精卵などはみなクローンとして増殖してい日本の河川にいるフナやドジョウにはへの体細胞核の移植技術や細胞融合をますが，両性生殖をする動物にもクロ

メスのゲノムだけで増える種がみつか

用いてクローン動物をつくり出したーンで増えるものがいることがわかっっています。なぜ，このような現象がり，ゲノムを再プログラム化することてきました。二枚貝のマシジミは，雌自然界に存在するのか，クローン技術ができるようになりました。この機構

雄同体で卵子と精子の両方をつくっての安全性や成果を問うためにも重要なは細胞を若返らせながら生命をつなぐ

自家受精しますが，受精後まもなく卵研究課題と言えるでしょう。

ものと考えられています。また，自然由来のゲノムが捨てられて精子のゲノ

1

2

3

4

5

6

生
物

雄性発生するマシジミの卵
マシジミの発生は，精子のゲノムだけで進行する。1）受精直後の卵。卵の核は第一減数分裂の中期（2つにわかれ始めたところ）。鎌形に見えるのが精子の核。精子の核は減数分裂を省略し，染色体数は
体細胞と同じ。2）第一分裂後期（卵の染色体が2つにわかれたところ）。3）卵の核は2つとも第一極体として放出される（通常の両性生殖する動物では，卵内に核が残り，精子由来の核と合体する）。卵内に見られるのは精子核が変化した雄性前核。4）雄性前核は次第に大きくなり，前核内に糸状の染色体がみられるようになる。5）雄性前核由来の染色体は赤道板上にならぶ（第一卵割中期）。6）第一卵割
後期（染色体が左右に分離）7）二細胞期（二枚貝の第一卵割は不等分裂。左右の細胞の大きさが異なる）。放出された卵の核は2個の極体として卵の動物極（上側）に付着しており，発生には関与しない。
以後精子由来の遺伝情報のみで発生が進行する。
（写真：三重大学生物資源学部）

7

ヒトのDNAパターン

61

生物の形と起源「百花繚乱」の例えに使われるように，植物はその種類ごとに異なるさまざまな花を咲かせます。
ところで，たとえどんな花であろうと，その構成は必ず外側から「がく」
「花弁」
「雄しべ」
「雌しべ」
の順になってますよね？その謎に迫ってみましょう。

花はどのようにしてつくられるか
八重咲きの花は2000年以上も昔からのグループの遺伝子のはたらきの組み

A，B，Cグループの遺伝子（MADS

人々の注意をひいてきました。八重咲

合わせによって決められていることがボックス遺伝子）の発見を期に花の起きの花は雄しべが花弁（花びら）に転

明らかになりました（ABCモデル）。A

源についての研究方法は大きく変わり

換してしまうことにより生じますが，グループの遺伝子とCグループの遺伝

つつあります。個体の発生過程で花がこのように相同な器官の間で転換が起子は互いのはたらきを抑え合い，Cグ

どのようにつくられるかについての理

こることをホメオシスと呼び，ホメオ

ループの遺伝子の機能が失われるとA

解が，系統発生の過程で花がどのようシスを引き起こすような突然変異をホグループの遺伝子が内側の2つの区画にして進化してきたかを理解する重要

メオティック変異と呼びます。花がど

でもはたらくようになります。八重咲

な鍵を提供しているというわけです。

のようにつくられるかというしくみ

きの花はそのようにして生じます。

は，八重咲きを含む様々なホメオティ
ック変異を研究することによって明らかになってきました。
例えば，花を構成する４種類の器官（がく，花弁，雄しべ，雌しべ）の並
び方は，外側から内側に向かって，がく，花弁，雄しべ，雌しべの順になっていて，これは植物の種類によらず不変です。ホメオティック変異の研究か
ら，この並び方は，A, B, Cという３つ

生
物

d
B

花はどのようにしてつくられるか（器官の並び方がどのように決まるか）

B

A

C

a）花がつくられる機構がもっともよく研究されている植物シロイヌナズナ（アブラナ科）。根を除く植物の全体像を示す（スケールは5cm）。

Ab）シロイヌナズナの開花直前のつぼみ（スケールは0.5ｍｍ）。がくと花弁を１枚ず
つ取り除いてつぼみの内部にある雄しべと雌しべが見えるようにしている。
c）花芽が盛んにつくられているシロイヌナズナの茎の先端部の走査型電子顕微鏡写

遺伝子の組み合わせAA +B

形成される花器官B雌 雄+ C し し
べ べ
C

花
弁

が
く

真（スケールは50μｍ）。発生段階が異なる３つの花芽（若い順に１から３）の上に彩色を施している。１は形成されたばかりの花芽で，まだ区画分けがされていない（白で示す）。２は区画分けがされた花芽で，（d）のABCモデルの説明図の下左と同じ色で彩色している。３はさらに発生が進んだ花芽で，青色で示す一番外側の区画には４枚のがくが形成されている。
d）花の器官の並び方を説明するABCモデル。このモデルでは，形成され始めたばかりの花芽に同心のリング状に４つの区画（１〜４）を想定する。Aグループの遺伝子（青色で表す）は区画１と２で，Bグループの遺伝子（黄色で表す）は区画２と３で，Cグループの遺伝子（赤色で表す）は区画３と４でそれぞれはたらくと考える（上）。
はたらく遺伝子の組み合わせは４つの区画で異なり，区画１ではAグループのみ（青色で表す），区画２ではAとBグループ（緑色で表す），区画３ではBとCグループ（橙色で表す），区画４ではCグループのみ（赤色で表す）がそれぞれはたらく（下左）。
これらの遺伝子の組み合わせにより，区画１にはがく，区画２には花弁，区画３には雄しべ，区画４には雌しべがそれぞれ形成される（下右）。

1

2

3 4
62

頭
の
中
の
ア
ン
テ
ナ

高次
生命現象

おいしい！

まぶしい！

熱い！

うるさい！

いい匂い！
この樹木のように複雑に枝分かれしたものが何だかわかりますか？
これは私たちの小脳の中にある「プルキンエ細胞」と呼ばれる神経細胞です。驚くことに，この複雑な形が一個の細胞なのです。
私たちの五感から得られるたくさんの情報をとらえるため，あたかも魚を捕らえる網，もしくはレー
ダーアンテナを想像させますね。
そしてこのアンテナは，同時に150,000の情報を得ることができる，性能をもっているといわれ
ています。

小脳の断面

高次生命現象を探る
生物の体は小さな細胞の集まりです。そしてこの「集まり」はたったひとつの細胞からの分化を出発点としています。分化した細胞は，その後手や足になるものもあれば脳になるものもあります。
その違いはどこにあるのでしょう？

細胞運命とアポトーシス

免疫に見る自己と非自己生物の個体を構成する神経細胞や白自分以外のものが体に侵入してくるることが知られています。TCRは無数血球など特殊化した細胞は，もともとと，それを正確に識別して体外へ追いの非自己を識別する能力が必要です

一つの受精卵に由来しています。この払う機構を免疫と呼びます。この機構

が，それが限られた遺伝子でどのようような細胞運命の違いを調べるためが病原微生物のみを排除するのではなにして作り出されているのか，というに，細胞分裂によって生じた姉妹細胞

く，他人の血液や臓器を移植する際にのが免疫学の難問でした。それを利根が異なる運命をもつ非対称細胞分裂がも発現することがわかってきました。

川進博士は，染色体上の遺伝子の配列注目されされています。また，それぞ

細胞表面にあるMHC（主要組織適合がリンパ球では後天的に変化する「遺れの細胞には遺伝的に死がプログラム

遺伝子複合体）が自己または非自己由伝子再構成」と呼ばれる現象であるこされており，DNAの断裂，核の分断化

来のタンパク質の断片（ペプチド）をとをつきとめたのです。

などを起こして消滅することが知られ細胞外に提示し，それをリンパ球の上ています。このアポトーシスは，発生にあるTCR（T細胞抗原レセプター）

過程で器官や組織が形成されていくのが認識するのです。MHC抗原は非常に重要で，この機構に損傷を受けたたに多型性のあるたんぱく質で，ヒトでめに細胞死が起こらず，がん細胞が増は６種類の遺伝子からなる複合体であ殖する現象も知られています。アポト
ーシスのプログラムがどのような情報伝達によって起こるのか，どのようにして発生過程に組み込まれたのかにつ生
物

いて，解析が行われています。

細胞膜透過性ペプチドを用いた蛍光標識
タンパクの細胞内導入と核移行

64発生過程と決定因子
動物や植物の体は，受精卵から染

1

2

3

4

色体上に書き込まれたボディ・プランと呼ばれる遺伝子的プログラムに従って胚形成を経て高次構造をもつ個体へと変容していきます。ホヤや脊椎動物で見つかった「脊索を作るための遺伝子」は，生物の体がどのようなプログラムに従って作られていくかを教えてくれます。T遺伝子と呼ばれる原因遺伝子は，ホヤの初期胚の中で将来脊索になる予定の細胞でのみ発現しますが，この遺伝子を脊索にならないはずの細胞で強制的に発現させるとそれらの細胞が脊索に変わります。T遺伝子は脊索を作らない棘皮動物や半索動物にも存在し，
中胚葉の形成に重要な働きをしていると考えられています。また，細胞分裂を経てそれぞれの細胞に別々の運命をたどらせるようにするのは，卵の細胞質の中にある特定のRNAやホヤにみる発生過程

タンパク質だということがわかって（1）ホヤ胚におけるT遺伝子の発現。将来脊索になる細胞（2で緑色で示した部分）のみで発きました。個体発生の引き金を引く決定因子の働きが明らかになろうと現している（黒く染まった部分）。
ウニ胚（3）およびギボシムシ胚（4）でのT遺伝子の発現。青および紫色に染まった部分で発現がみられる。

しています。

脳の不思議を探る

生物

私たち人間の脳が，いかなる仕組み
で意識や感情を生み出すのか。視覚や聴覚の受容器の解析からロボットの製作まで，脳科学は多岐にわたっています。人間に固有な高次な脳活動であっても，その萌芽や原型は他の動物にも認められるはずです。そこで，ショウジョウバエやマウスなど人より単純なモデル動物を使って，分子・細胞・組織・個体の各レベルで脳の働きが調べられています。
また，脳の構成要素である神経細胞のはたらきや神経細胞間での情報伝達部位であるシナプスの機能や形成機構を解明する研究もさかんに行われています。将来，脳ではたらくそれぞれの遺伝子や神経細胞が，どのようにして脳をつくり，行動をひきおこしているかがわかるようになるでしょう。
ネズミの神経細胞
脳から神経細胞を取り出しペトリ皿中で培養したもの。
神経細胞での分子のはたらきを調べる実験などに用いられる。

65

カ
ン
ブ
リ
ア
爆
発

分子進化

今から約6億年前の海底で，動物たちはその数と種類を急激に，そして大幅にふやしました。それは「カンブリア爆発」と呼ばれています。ほんの1000万年ほどの短い時間のな
かで，現在私たちが目にすることのできる，ほとんどすべての動物グループが出そろったと言われています。

66

分子進化の機構を探る
進化も遺伝子によって引き起こされたものです。したがって逆に遺伝子を調べていくことで進化の痕跡をたどっていくことが可能なのです。

遺伝子の爆発現在の動物門につながる動物グルーにはこの遺伝子重複によってできた細た。生物多様性の分子機構はすでに存

プは，今から６億年前のカンブリア紀

胞間伝達や形態形成に関わる特有の遺在している遺伝子をどう使って多様化

初期に爆発的に多様化したと考えられ伝子が存在します。生物の系統を分子したかという点にあり，その機構は単ています。では遺伝子の多様化はいつの比較から再現するように，遺伝子重細胞原生生物との比較によって解明さ起こったのでしょうか。新しい機能を複を再現していくと，遺伝子の爆発的れつつあります。

もった遺伝子は，すでにある遺伝子の多様化はカンブリア爆発より３億年前

コピーから作られますが，多細胞生物に起こっていることがわかってきまし
出芽酵母GPA2分裂酵母gpa2
ヒトαs-1
カエル
ヒト
ショウジョウバエ
Gαs
ヒドラαs-like
カイメンαs-like
ショウジョウバエGfa Gfα
ヒト
ヒトα13
ヒドラα12/13-like
カイメンα12/13-like Gα12/13
ショウジョウバエcta
ヒトαq
カエルαq
カエルαq
ヒトαy
カエルα11
Gαq
マウスα14
ショウジョウバエdgq
ヒドラαq-like
カイメンαq-like
ヒト
マウスα15カイメンα15/16-like2 Gα15/16
カイメンα15/16-like1
カイメンsGα1
カイメンsGα2 sGα
ヒトαt1
カエルαt1
ラット・ガストジューシン Gαt
ヒトαt2
100
ヒト
Gαz
ラットαz
ヒトαo2
カエルαo
Gαo
ショウジョウバエαo
カイメンαo-like
ヒトαi1
カエルαi1
ヒトαi3
カエルαi3
ヒトαi2
Gαi
ショウジョウバエ
ヒドラαi-like
カイメンαi-like

生物

遺伝多様化はいつ起きたのか？
この系統樹は，Gタンパク質族の分子系統樹。Gタンパク質αサブユニットの比較から推定された。機能の異なる10のグループ（サブタイプ）に分かれ，同一サブタイプに属する枝（配列）は系統樹の上で一つの固まりになっている（色で塗りつぶした）。異なるサブタイプを作った遺伝子重複は◆で示した。●はカイメンとその他の動物が分岐した時期を示している。枝の右端は現在を示し，枝にそって左へいくほど過去に遡る。この系統樹から，異なるサブタイプを作った遺伝子重複（◆）のすべては，
カイメンとその他の動物の分岐（●）以前に起きていたことがわかる。すなわち，現存する動物の中でもっとも古い分岐に対応するカイメンとその他の動物の分岐以前に機能の異なる基本的遺伝子（サブタイプ）のほぼ完全なセットがすでにできあがっていたことになる。

67

分子系統樹をもとにして動物の移動や分化を推測する
DNAの塩基配列を異なる生物種の間Draco lineatus スジトビトカゲ

で比較し，共通の祖先から分かれた後

Draco volans マレートビトカゲに蓄積した塩基置換の数をもとに系統

Draco cornutus ツノトビトカゲ

樹をつくることができます。この方法

Draco dussumieri インドトビトカゲを使えば，ある植物や動物の分類群が適応放散した時期を推定でき，大陸移

Draco maculatatus ブチトビトカゲ

動などの地史や氷河期などの気候変動

Draco fimbrinatus フトトビトカゲと照らし合わせて考察することができ

Draco blanfordii ブランフォードトビトカゲます。これまで形態からではわからな

Draco quinquefasciatus イツスジトビトカゲ

かった違いが塩基配列の変異から明ら

Draco haematopogon アカヒゲトビトカゲ

かになり，シダ植物やコケ植物などがDraco melanopogon クロヒゲトビトカゲ

新しく分類され始めています。また，

Draco maximus オオトビトカゲ

DNA分析は種内の遺伝的集団構造を明らかにする上でも有用で，生物の進化

Draco taeniopterus スジバネトビトカゲや種分化を解明するために重要な手法

Draco obscurs ウロコヒゲトビトカゲとなっています。

80°

トビトカゲ属とその近縁属の分子系統樹

100°

120°

20°

2
1

5
生
物

3

0°

4

1.インド

2.インドシナ

3.スンダランド

4.ワラシア

5.フィリピントビトカゲの起源と種分化
この仲間は約21種が知られており，東南アジア地域とインド南部に分布する。分子系統学的な解析の結果は，この属が単一起源であり，その種分化が地理的な分断と対応していることを示した。その種の分布域はインド，インドシナ，スンダランド，ワラシア，フィリピンの5つに大別できる。スンダラ
ンドとワラシアの間の分化は古いが，インドシナとスンダランドの間は分断と連続が繰り返され，互いに侵入し，分化することによって，多様化したことが系統樹から推定される。インドにはかなり初期に侵入し分化しているが，フィリピンにはスンダランドとワラシアで分化したものが侵入したものと考えられる。形態的な特徴から原始的とされる原生林内よりも，むしろ林縁部や，まばらな林に棲んでいるものが多く，進化的な特徴を持つものは，主にスンダランドで多様に分化したと考えられる。

上：ブチトビトカゲ（雌）の翼を広げた
ところ
下：翼を畳んで樹幹にとまって眠るイツ
スジトビトカゲ（雌）68共生と共進化
地球上には約1000万種類の「生物」がいるといわれています。
しかし，それらの生物はそれぞれが別々に生きているわけではありません。
時として全く異なる生物同士の持ちつ持たれつの密接な関係もあるのです。

動物と植物の間
ミドリムシや渦鞭毛藻のような生物れています。このような細胞内共生はールされています。こうした細胞内共は食物を外部から取り込み鞭毛で泳ぐ進化の過程で何度も起こり，真核の藻

生の進化機構を解明することによってと同時に，葉緑体をもって炭酸同化作類と原生動物が繰り返し共生すること

植物や動物の起源，多様化の過程につ用を行うという性質を備えていることによって新たな藻類を作り出すメカニ

いても分析が進められています。

から，動物とも植物とも分類されます。

ズムがあると考えられるようになりま

こうした生物は，原生動物の細胞に藻した。ミトコンドリアも20億年前に根類が入り込んで共生し，その後，藻類粒菌や細菌の仲間が細胞内共生してでの核とミトコンドリアが退化し消失しきたもので，ゲノムが小さく，葉緑体て葉緑体だけが残ってできたと考えらと同じように細胞核によってコントロ

〈A〉

動物細胞

多細胞動物の祖先型
葉緑体なし

核

〈B〉

〈C〉

動物細胞に植物細胞が共生

植物細胞に植物細胞が共生

葉緑体は4重膜

葉緑体は4重膜核

外来の核・外来のミトコンド
リア・内在の葉緑体の消失

高等植物の祖先型

葉緑体は2重膜核

核

外来の核・外来のミ
トコンドリアの消失

核

〈D〉

植物細胞

核

核

核

生
物

核

核
核

植物細胞

植物細胞

核

原始的な動物細胞
原始的な植物細胞核

葉緑体の前駆体（光合成バクテリア）
ミトコンドリアの前駆体（好気性バクテリア）
核

進化は共生の歴史
何回もの共生のステップを経て，多様な細胞形態が生まれた。ミドリムシは原始的な動物細胞に，さらに藻類（植物細胞）が共生したものだと考えられる。
資料提供：JT生命誌研究館

69

ミトコンドリア・葉緑体をもたない原始的な真核細胞

共生はどのように進化したか
異種の生物が一緒に生活して，行う。共進化には，共生だけではなく，複数の種間に起こる場合もあります。

動・生理的に密接な関係を保っている

捕食者と非捕食者や擬態する種とさその進化過程の解明はまだ始まった状態を共生と呼びます。花や実をつけれる種など多様な例が知られており，ばかりです。

る植物と，花粉を運ぶ昆虫や果実を食べて種子を運ぶ鳥，動物は，共生している例と言えるでしょう。例えば，イチジクはそれぞれの種によって共生するイチジクコバチの種類が決まっています。植物と動物の共生関係は，もと雄花

は食う食われる関係だったものが多様な関係をもつように進化した歴史を反映しています。ブナやフタバガキなど

雌花の樹木は根を菌糸でおおう外生菌根との共生によって繁栄していますし，病気を引き起こすウィルスも宿主と共生

受粉するように進化する例と言えましょ
受粉

卵

幼虫

さなぎ

雄が羽化

雌が羽化

種子

イチジク属植物の開花パターンとイチジクコバチ類の生活史との間の対応関係
イチジクコバチは体長2mm内外の小さな昆虫で，イチジクの花のうの小さな部分からもぐりこむ。内部に達したコバチは，持っている花粉を雌花につけると同時に，一部の子房に産卵する。産卵されなかった雌花は種子となるが，産卵された雌花では，幼虫が種子を餌に成長する。羽化はオスからはじまり，まだ子房内にいるメスと交尾をおこなう。イチジクの仲間は，花のうの中で雌花と雄花の咲く
タイミングが大きくずれていて，ちょうどコバチが羽化する時期に合わせて，雄花が咲きはじめる。
交尾後子房から出てきたメスの成虫は花粉を体につけて，産卵できるつぎの花のうを探して飛んでいく。資料提供：東北大学大学院生命科学研究科

人間と他の生物との共生
過去何世紀も人間は自然を支配し，人間にとって便利なように改造する努
力を重ねてきました。しかし，その人
為的な影響が大規模な自然破壊につながり，かえって人間に悪影響をもたらしているという反省がなされるようになりました。そもそも人間は自然とどのような関係をもって進化してきたのでしょうか。栽培植物の出現は植物と人間の共生，動物の家畜化は動物と人間の共生と見ることができます。栽培
植物や家畜の品種の多様化は人為的に選択されたものでもあります。そういった人間と他の生物との生態史をさぐる研究が，生物学を超えて文化人類学，経済学，考古学，歴史学，社会学，栄養学，農学などの分野と協力して各地で試みられています。

食用としてゾウを解体するアフリカの狩猟採集民

70

生
物

生
物
の
多
様
性

多様性

多い茂る熱帯雨林の木々をめぐる空中回廊。
地上を歩くのが面倒くさい・・・からではありません。「樹冠部」と呼ばれる，いわゆるてっぺん部分での動植物の営みを観察するための足場なのです。
さて「樹冠部」は私たちに何を教えてくれるのでしょうか？

熱帯雨林研究と生物の多様性
熱帯雨林は陸地の3％をしめるにすぎません。しかし，そこには地球上の生物種の約半数が生息している，まさに生物の宝庫なのです。
その奥深さからこれまで困難であった熱帯雨林の本格的な調査を進めていくことが，生物の多様性の謎を解くカギとなると考えられています。

熱帯雨林の生物群集
現在，森林は全陸地上の植物のバイ
オマスの90％を担い，その約半分は熱帯雨林に生育しています。約1000万種と推定される生物種もその半分は熱帯雨林に生息しています。熱帯雨林が陸地面積の３％しかないことを考えると，いかにここが生物多様性の高い場
所であるかがわかります。近年，その多様性を支えているのは花や実をつける樹冠部であることがわかり，空中回

クロオオアリ
初夏になると新女王アリとオスアリが誕生し，結婚飛行の準備が始まる。結婚飛行のタイミングをはかるのは働きアリの役目。（右）
結婚飛行が終わると，女王アリは産卵を始める。
（左） 写真：山口進（下の2点とも）廊や林冠クレーンが建設されて詳細な観察が続けられています。その結果，さまざまな植物と動物の共生関係が種分化を促進し，熱帯雨林の生物の多様性をもたらしていることがわかってきました。熱帯雨林は生物相互の関係と共進化を追求する最も興味深い世界なのです。

化学物質によるコミュニケーション
植物は動物による食害を防ぐための分業社会は個体が成長するにつれてに，葉や未熟果にタンニン，アルカロ

幼若ホルモンの量が変わり，これに対イドなどの消化阻害物質や毒物を含ん応して役割が変化することによって支でいます。動物同士もフェロモンといえられていることが判明しました。こう揮発性の化学物質を出して情報交換

うした化学的なコミュニケーションのをしています。アリやカメムシなどの働きや変化，神経系とのつながりにつ昆虫は体からの水分蒸発を防ぐ体表ワ

いて分析が進められています。

生物

ックスをもっていますが，これはすべて種特異的な炭化水素からできていて，同種の仲間を識別するのに役立っていることがわかっています。アリによっては他種のアリの体表成分を体に擦りつけて化学擬態をして，他種にサナギを育てさせるものもいます。ハチ

ハキリアリ
葉を巣に持ち帰る大型の働きアリと，葉に産卵しようとする寄生バエを監視する小型の働きアリ。
（右）葉を切り取っている大型の働きアリ。巣の中で，この葉を発酵させキノコを育てて食べる。（左）72

種と生態系の保全
環境破壊は今各地で急速に進んでお種の絶滅や生態系の攪乱を防ぐ実践的り，多くの種や貴重な生態系がまだそな方法を開発して積極的な対策を講じの実態が解明されないまま消滅していていく必要があります。これには多面

こうとしています。こうした事態をく的なアプローチからの研究が不可欠

い止めようと，絶滅危惧種を記載した

で，生態学は言うに及ばず，生物地理

レッドリストが国や都道府県，国際保学，進化生物学，遺伝学，環境科学，

護団体によって作成され，希少種の国

人類学，造園学，野生生物管理学など

際取引を禁じるワシントン条約や生物

多くの学問分野と連携することが望ま多様性条約などの国際協定が締結されれます。遺伝子レベルから個体群レベています。しかし，法的な規制だけでルまで絶滅の危険度を測るパラメータは十分でなく，人間活動が生物の種，ーを作る必要があるのです。

群集，生態系に与える影響を評価し，アフリカ（ガボン）の熱帯雨林で1日に採集した果物

深海生物の多様性
熱水の噴き出す深海。生物が生きていくにはあまりにも劣悪な環境に思えますが，実は非常に多くの生物を育んでいるのです。
さらにそこには太古の生命の謎を解く鍵があるかもしれないのです。

原始生命の子孫たち

生物

地球表面の約70％は海で，その多くる場所では生物の多様性が高く，次々の地球環境とよく似ており，化学合成

は水深1000mより深い水域から成り立に新しい種，属，科ばかりか門の動物に頼っている微生物は原始生命の子孫っています。かつてこれらの深海域にが発見されています。そのひとつチュと思われます。光合成によって形成さは生物はいないと思われていました

ーブワームは口も消化管も肛門もなれた陸上の生態系とは別に，深海ではが，最近の調査で無脊椎動物門のほとく，体内に化学合成細菌を共生させ，太古の化学合成系が継承されてきたのんどすべてが生息していることがわか

それが生成する有機物を摂取していまかもしれません。

ってきました。とくに熱水噴出孔があす。熱水噴出孔に見られる環境は太古

1

2

3

熱水噴出口にすむ生き物たち
1）ヘオリムシ（チューブワーム）。相模湾。
2）シンカイヒバリガイとエビの仲間。沖縄トラ
フ。3）シロウリガイ。相模湾。
海底の地殻活動が活発な場所には，高温の熱水を噴出する煙突状の構造（チムニー）が見られ，その周りにはたくさんの生物が高密度で生息している。4）熱水を吹き上げる沖縄の伊是名海穴
写真提供：海洋科学技術センター

73

4

動
物
の
行
動
と
生
態

生態

「社会」はなにも人間だけのものではありません。人間以外の動物にも立派な社会があり，そして「文化」あるのです。
そして，動物の社会や文化を詳しく調べていくことは，私たち人間が人間として生きてきた生物学的歴史を知る手がかりとなるのです。

動物の行動を変化させる仕組み
個々の動物特有の行動。知れば知るほどその謎は深まるばかり。
しかし，「フィールドワーク」と呼ばれる，野外における綿密な調査と，時としてコンピュータを用いる分析がこの謎をひとつひとつ解明しつつあります。

分類とフィールドワーク
動物の行動や生態を理解するためには，まずその動物がどの分類群に属しているかを知らなければなりません。
動物はそれぞれの形態に応じて動く範囲や利用する環境が異なっているからです。生物の多様性を知るためにはどんな動物がいるのかを同定し，分類する作業が不可欠になります。フィール
ドワークはその大切な研究方法の一つです。動物を採集し同定し，その行動をつぶさに記録します。得られた情報をデータ・ベースにして他の生息地の個体や近縁種と比較することによって，その動物の進化や適応の歴史を推定することができます。そういった調査をする中で，アリと共生する植物や魚の口内保育といった興味深い発見がある「右利き」「左利き」の魚
左側は右利き個体，右側は左効き個体（口が右，左にそれぞれ曲がっている）。

ほか，サルの子殺し行動や魚の曲がっ生
物た口の適応的意味が解明されます。

ナチュラル・ヒストリーと進化
ナチュラル・ヒストリーは自然史

ダーウィン以来の謎を解く鍵が隠されコンピュータ上に再現するという方法

学，あるいは博物学と訳され，物の収ています。数理モデルを作ってそれをも使われています。

集と記載をする学問と思われてきましたが，実は個々の動物が繰り広げるド
ラマに科学的なストーリーを付けて説明する学問です。それは，なぜその動物がそんな行動をするのか，という質問を発することから始まります。１）
生理学的メカニズム，２）発達過程，
３）機能や適応度，４）進化史的理解，という４つの問いをティンバーゲンは設定しましたが，それぞれの質問に適合する異なった分野の説明があります。なぜハチやアリにはカーストがあるのか。なぜヤドカリは殻を借りるのか。なぜつがいの鳥でも浮気をするのか。とくに，４つ目の質問には，自然
淘汰や性淘汰という進化現象について

ヤドカリ同士の貝殻の交換
貝殻を奪われたヤドカリは攻撃したヤドカリが捨てた貝殻に入る。

75

性の不思議に挑む
多くの動物では性差は卵と精子の違

雄の姿や行動を変えているらしいので

いに発し，顕著な形態や行動上の性的す。このような性淘汰によってつくら二型を生み出しています。それは雄とれた形質は自然界にたくさん存在して雌で繁殖成功度を左右する条件が異ないます。

っているからです。卵に比べてコストの低い精子を生産する雄は，交尾の機会や配偶相手の獲得に投資します。一方，高価な卵の生産や育児に投資する
雌は配偶相手を選択します。雄の方が交尾相手をめぐる競合が強いので，シカの立派な角やヒヒの長い犬歯のように武器となる形質が雄だけに発達するのです。しかし，武器にならないクジ
ャクの羽のような形質も，雌に好まれて繁殖相手を獲得できるために発達したと考えられます。コウホウジャクの長い尾を切って，さまざまな長さにして調べた結果，雌が長い尾の雄を好むことがわかりました。雌は今まで考えられていた以上に積極的に雄を選び，

生
物

上：ウォーターバック
雄がもつ立派な角は雄間闘争によって進化したと考えられている。

下左：ヒヒ
マントヒヒの雄はライオンの雄のような立派なたてがみと長い犬歯をもっている。

下右：クジャク
豪華な羽は雄が雌に好まれるための手段として
発達した。

76

社会の仕組みと文化の起源を探る「一匹狼」。本当にオオカミは一匹で暮らしているのでしょうか？
「猿まね」。本当にサルは他人のまねをするのでしょうか？
動物それぞれの独自の社会や文化の一端をご紹介します。

社会の多様性をつくり出す要因とは何か
動物は種によってさまざまな集団を向は食物の種類によっても，似たようつくります。単独生活をしていて交尾なニッチを占める他の動物種の存在にをするときだけ雌雄が一緒になるトラ

よっても，さらに交尾相手をめぐる雄やクマ，つがいで暮らすオオカミ，雄の競合状態によっても異なってきまがなわばりを構えて雌の集団を取り込す。生態学的条件の他に，おそらく系

むインパラやガゼル，大きなハレムを統的な制約や問題を解決する社会的知

つくるオットセイ，複数の雌雄が一緒

性のあり方がこうした違いを生み出しに暮らすニホンザルなど，多種多様でていると思われるのです。

す。なぜ動物は群れをつくるのでしょうか。その主たる理由は食物の摂取と右：絶滅寸前にあるツキノワグマ
写真提供：社団法人高知県生態系保護協会

捕食者からの防衛によって説明されます。小さな群れでは捕食者にねらわれる危険が大きく，大きな群れでは食物をめぐる競合が高くなります。この傾

文化的行動と道具使用
生物

宮崎県の幸島に生息するニホンザル
は，人から与えられたサツマイモを海水で洗い，砂を落とし塩味を付けて食べます。これは４歳の雌が始め，しだ
いに群れの仲間へと伝播していきましサツマイモを洗うニホンザル

た。こういった文化的な行動は霊長類によく見られます。とくに，チンパン

大アリを釣るチンパンジー

ジーは多種多様な道具を使うことで有名です。アフリカでは，チンパンジー

大西洋の生息地に対応してそれぞれ違う道具が発見されており，文化圏と呼び得るものがあると考えられています。霊長類以外でも，カラス，ササゴイ，ダーウィンフィンチなどの鳥類にも道具をセネガル
シェラレオネ
ギニア

使って食物をとる行動が観察されています。これらの動物で文化的な行動がどのようにして定着し，他の集団や地

赤道

リベリア
象牙海岸
カメルーン

域に伝播していくのか。人間が文化を獲得した生態学的背景や社会的条件は

赤道ギニア
分布域と文化型：

ガボン

何か。人間以前の文化がしだいに明ら= シロアリ釣りと大アリ釣り

かになりつつあります。

= 掘り棒を使ってシロアリを捕食= ハンマーを使って木の実を割る
チンパンジー文化圏の地図

77

タンザニア

繁殖と行動を結びつけて考える
近年，わざわざ動物を捕獲して血液布を広げた過程が推定できるようになを採取せずに，体毛や糞といった残存りました。それぞれの動物種の繁殖特物の資料から得られるDNAの配列を比性が，社会の動態や分布域の拡大にど較する手法を用いて，同一種の地域集う関与しているかを分析できるように団間の類縁関係を調べたり，子どものなったのです。

父親を判定できるようになりました。
その結果，イルカやクジラが非常に広東北

範囲を回遊していて，しかも特定の仲間と密接な関係を保って暮らしている
ことがわかってきました。ニホンザル
も氷河期の寒冷期を南部の暖温帯林で生き抜き，温暖化にともなって北へ分

東日本

紀伊半島
奥多摩
秩父ほか

ニホンザル

西日本
屋久島

1
3
4 日光
2 五葉山
5
6
12
21
15
22
18
23
13
14
17
17*
17**
19
20
20*
26
33
26*
34
16
16*
29
27
28
31
30
32
7
8
9
10
11
35
37
36
38
38*
39
41
41*
41*
40
42
43

ミトコンドリアDNA配列から各地のサルが示す
タイプ（番号で表示）の関係を推定した結果（注）ニホンザルは単一系統で，東西の2グループに大別できる。ただし奥多摩，秩父など一部のサルは，西日本のサルに似たタイプを示す。

生物

Mc
タイワンザル

左上図で示した東西の2グループの分布（注）■は西日本タイプ，●は東日本タイプ，▲は東日本にありながら西日本タイプに分類されたタイプを示す。

78

人類

二本足だけで歩行する霊長類である人間。動物としてはきわめて「特殊」な存在ではありますが，けっして「特別」な存在
ではありません。
しかし，なぜ人間が生まれたのか？この問題には，生物学の様々な手法を用いたアプローチが続けられています。

人
類
の
由
来
を
求
め
て

人類の系図をつくる
近年，DNAの塩基配列の比較から人先はアフリカで誕生したことや，モンされ，人類はどういった特徴をもとに類と類人猿の分岐時期を推測できるよ

ゴロイドは新大陸へ複数回の移動を行

類人猿と分化したのか。人類の多様化

うになりました。この方法によれば，っていることなどが推測されるようにはどんな特徴に関与する遺伝子による人類の祖先はチンパンジーの祖先と約なりました。現在，類人猿のゲノム解のか，などの疑問が明らかにされてい600万年前に分かれ，両者の共通祖先

析が急ピッチで進められています。今くでしょう。

はゴリラの祖先と約700万年前に分か後は人類と類人猿の間でゲノムが比較れたことになります。また，ミトコン

2500

ヒヒ

ドリアDNAが母性遺伝をすることを用

1500

オラウータン

いて，現代人の共通祖先である女性の700

DNAに到達しようという試みも行われ

ゴリラ

1000
800

ています。その結果，現代人の共通祖

600

チンパンジー

100

ヒト

600
2000

1000

0

分岐年代（単位：万年）

DNAの塩基配列から推測される人類と類人猿の分岐時期

96

遺伝子頻度

ピグミー（中央アフリカ）
100
アフリカ人
ヨルバ（西アフリカ）サン
86 イギリス人
46
イタリア人
西ユーラシア人
38
イラン人
北インド人
北米先住アメリカ人
44
23
南米先住アメリカ人 アメリカ人
イヌイット
オーストラリア先住民（アボリジニ） サフール人
39
13
パプア・ニューギニア人
本土日本人
21
アイヌ人
18 沖縄人
14
12
韓国人
4
チベット人
2 モンゴル人
南中国人
東ユーラシア人
22 14 ポリネシア人
ミクロネシア人
4
タイ人
フィリピン人8
インドネシア人
20
フィリピン先住民・ネグリト（アエタ）12フィリピン先住民・ネグリト（ママヌク）
0.05

生
物

遺伝子頻度からみた遺伝的な近縁関係

人類の祖先はどんな姿をしていたか
近年，人類発祥の地アフリカでは類人猿と人類をつなぐ祖先の化石や，人類最古の化石が次々に発掘されています。その結果，人類は類人猿の祖先と分かれてすぐ直立二足歩行で歩き始めたことがわかってきました。しかも，生息地は樹木の多い環境で，長い間果実を中心とした植物食をしていたことが地層や歯の形態から推定されています。また，ネアンデルタール人，縄文人，現代人の骨格，さらには人類に近縁な霊長類の骨格と比較する
ことによって，人類の形態進化がどのようにして起こったかが詳しく分析されています。
写真：シリア・デデリエ洞窟出土のネアンデルタール人
幼児の骨格復元80

中新世ヒト上科化石とその発掘場所
左の化石は北ケニアのサンブルヒルズから発見されたサンブルピテクス・キプタラミ（学名）の上顎の化石。950万年前（中新世後期）の人類の祖先のもの。
下の2点の写真が発見場所（北ケニア，サンブルヒルズの第22化石産地）。日本の調査隊として初めてアフリカ中新世ヒト上科化石を発見した。

ケニア

生
物
さらに祖先を遡って北ケニアのナチョラで始まった京都大学の発掘プ
ロジェクト。中新世中期，
1500万年前の地層からヒト上科のナチョラピテク
スが大量に発見されている。

81

類人猿から人類の心と社会の進化を探る
人間の行動や心の進化をたどるには，化石や遺伝子からではなく，生きている類人猿からヒントを得なければなりません。これまで人間に独自と思われていた特徴が類人猿にもあることがわかってきました。例えば，チンパ
ンジーは食物をよく分配します。とくに，共同で狩猟をした時は分配行動がよく起こり，最優位の雄が肉の分配を
権力の維持に利用します。ボノボでは性行動が日常的になっており，授乳中でも雌が発情して雄と性関係をもちます。ゴリラは特定の雄と子どもの関係が長期間維持される人間家族の原型のような集団を作って暮らしています。
チンパンジーにコンピュータを操作させる実験では，人間の文字をある程度まで使いこなし，数字を記憶できることがわかっています。また，相手の心を理解したり，だましたりする高度な社会的駆け引きがあることもわかってきました。
人間性の進化の道筋が類人猿の目を通して明らかにされようとしているの

対面位の交尾ポノポによく見られる人に似た対面位での交尾。他の類人猿と比べて，雌の性器がやや前についているため，このような交尾姿勢がとりやすくなっている。おとなの交尾が始まると，どこからともなく子どもが駆け寄ってきて，背中の上に乗って遊ぶ。
写真：古市剛史です。

生物

ゴリラの家族
ゴリラは特定の雄と子どもの関係が長期間維持される人間家族の原型のような集団を作って暮らしている。

コンピュータを操作するチンパン
ジーの親子
生まれてからずっと親の後ろ姿を見ることで，子どもは知識や技術を学んでいく。

82

国立大学理学部卒業生の進路
理学部卒業生の約半数は、大学院に進学し、数学、
情報、物理、宇宙物理、地球・惑星科学、化学、
生物化学、生物科学、生命科学、人類学等の多くの分野で、第一線の研究者や研究および教育の指導者をめざします。他の約半数は、企業、国・公立の学校や研究所など多様な分野に就職します。
今、地球を取り巻く自然は大きな岐路に立たされています。これからの日本は世界各国と連携して新たな理論や科学技術を確立していくことが要求されています。そのため、科学の基礎を担う理学部の重要性がますます高まっていくものと思われます。この21世紀は、探求心に富み、独創性豊
かな、実行力のある理学部の卒業生を広く求めています。

国立大学理学部卒業生の進路
その他

12.7%
大学院進学

企業関係

29.4%

公務員

83

2.8%
教育 3.2%51.9%

◎この冊子の内容は，インターネットでもご覧いただけます。以下のアドレスにアクセスください。

http://www.sclib.kyoto-u.ac.jp/whats/

What's 理学？
平成14年5月発行

発行者：国立大学理学部長会議

編集委員：石田 英實
谷森 達
深谷 賢治
町田 忍
百瀬 孝昌
山極 壽一
（京都大学）

デザイン：GK京都84

32国立大学理学部学科一覧
北海道大学

弘前大学

東北大学

山形大学

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化学科
生物科学科
地球科学科

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数理システム科学科
物質理工学科
地球環境学科
電子情報システム工学科
知能機械システム工学科

理学部
数学科
物理学科
宇宙地球物理学科
化学科
地圏環境科学科
地球物質科学科
生物学科

理学部
数理科学科
物理学科
物質生命化学科
生物学科
地球環境学科

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埼玉大学

千葉大学

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第二学群
生物学類

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生物化学科
生物学科
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情報科学科

理学部
数学科
物理学科
化学科
情報科学科
地球惑星科学科

理学部
数学科
物理学科
化学科
生物学科
情報科学科

理学部
数学科
物理学科
化学科
生物学科
地質科学科
自然環境科学科

富山大学

金沢大学

信州大学

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数学科
物理学科
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生物圏環境科学科

理学部
数学科
物理学科
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地球学科
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物理科学科
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生物科学科
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理学部
数学科
物理学科
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生物地球環境科学科

名古屋大学

京都大学

大阪大学

神戸大学

理学部
数理学科
物理学科
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地球惑星科学科

理学部 理学科
数理科学系
物理科学系

理学部
数学科
物理学科
化学科
生物学科

理学部
数学科
物理学科
化学科
生物学科
地球惑星科学科

地球惑星科学系
化学系
生物科学系

数学分野
物理学分野
宇宙物理学分野
地球物理学分野
地質学鉱物学分野
化学分野
動物学分野
植物学分野
生物物理学分野

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岡山大学

広島大学

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材料プロセス工学科

理学部
数学科
物理学科
化学科
生物学科
地球科学科

理学部
数学科
物理科学科
化学科
生物科学科
地球惑星システム学科

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愛媛大学

高知大学

九州大学

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化学・地球科学科

理学部
数理科学科
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理学部
数理情報科学科
物質科学科
自然環境科学科

理学部
物理学科
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地球惑星科学科
数学科
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生物地球圏科学科

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数理科学科
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知能情報システム学科（他に工学系３学科）

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数理科学科
物理科学科
物質化学科
地球科学科
生物科学科
環境理学科

理学部
数理情報科学科
物理科学科
地球環境科学科
生命化学科

理学部
数理科学科
物質地球科学科
海洋自然科学科

物理系
地学系
化学系
生物系

32国立大学理学部URL一覧
文部科学省

http://www.mext.go.jp/index.htm

北海道大学 理学部

http://www.sci.hokudai.ac.jp/

弘前大学 理工学部

http://www.st.hirosaki-u.ac.jp/

東北大学 理学部

http://www.sci.tohoku.ac.jp/

山形大学 理学部

http://www-sci.yamagata-u.ac.jp/index.html

茨城大学 理学部

http://www.ibaraki.ac.jp/html/gakubu/gakubu3.html

筑波大学 第一学群 自然学類

http://www.nature.tsukuba.ac.jp/

第二学群 生物学類

http://www.biol.tsukuba.ac.jp/

埼玉大学 理学部

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千葉大学 理学部

http://www.s.chiba-u.ac.jp/index.html

東京大学 理学部

http://www.s.u-tokyo.ac.jp/index-ja.shtml

東京工業大学 理学部

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お茶の水女子大学 理学部

http://www-s.cc.ocha.ac.jp/

新潟大学 理学部

http://www.sc.niigata-u.ac.jp/index.html

富山大学 理学部

http://www.sci.toyama-u.ac.jp/indexJP.html

金沢大学 理学部

http://www.s.kanazawa-u.ac.jp/

信州大学 理学部

http://science.shinshu-u.ac.jp/index-J.html

静岡大学 理学部

http://www.sci.shizuoka.ac.jp/

名古屋大学 理学部

http://www.sci.nagoya-u.ac.jp/index-j.html

京都大学 理学部

http://www.sclib.kyoto-u.ac.jp/kusci/index-j-top.html

大阪大学 理学部

http://www.sci.osaka-u.ac.jp/index-jp.html

神戸大学 理学部

http://www.sci.kobe-u.ac.jp/

奈良女子大学 理学部

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島根大学 総合理工学部

http://www.riko.shimane-u.ac.jp/

岡山大学 理学部

http://www.science.okayama-u.ac.jp/

広島大学 理学部

http://www.sci.hiroshima-u.ac.jp/

山口大学 理学部

http://www.sci.yamaguchi-u.ac.jp/index.html

愛媛大学 理学部

http://www.sci.ehime-u.ac.jp/

高知大学 理学部

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九州大学 理学部

http://science.scc.kyushu-u.ac.jp/

佐賀大学 理工学部

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熊本大学 理学部

http://www.sci.kumamoto-u.ac.jp/index-j.html

鹿児島大学 理学部

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琉球大学 理学部

http://www.cc.u-ryukyu.ac.jp/~fukami/tua/index.html

国立大学理学部長会議

2002