hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
燃料電池反応の透過電子顕微鏡その場観察

燃料電池電極/電解質界面近傍における現象をより深く理解するため、酸素雰囲気中、加熱状態で、酸化物イオン伝導体両端の電極間に外部電圧を印加して界面の結晶構造や内部電位の変化を電子線ホログラフィー、および、電子エネルギー損失分光法でその場観察するための試料作製法と観察法を確立した。また、Pt/YSZ、Pt/GDC、および、Ni/GDC界面近傍における酸化還元反応のその場観察・計測では、真空中で加熱する還元雰囲気では、YSZ系とGDC系では内部電位の変化が異なった。また、YSZ系ではZrイオンの価数が、GDC系ではGdイオンの価数が変化、YイオンやCeイオンには変化がないこと、そして、Niの酸化は200°C以下で始まることを見出した。燃料電池の真の実用化のためには、その電極・電解質界面における反応をナノレベルの空間分解能で解明しなくてはならない。我々は、電子線ホログラフィその場観察により、試料内部の電位の測定から界面におけるイオンや原子空孔の動きを直接観察して反応解明のための手がかりを求めている。本研究は、燃料電池反応を実際に透過電子顕微鏡内で実現し、反応中の電解質内部の構造や、電位状態、さらにはイオンの伝導状態を3次元観察しようとするものである。対象としては(1)高分子固体電解質燃料電池(PEMFC)に対して、2種類のガス分離導入試料ホルダー(2ガスホルダー)を用いた電解質内電位分布のplan view観察(2)固体酸化物燃料電池(SOFC)に対して、差動排気とガスインジェクションノズルを導入した1種類のガス環境下で、加熱・電圧印加状態での固体電解質電極界面の状態観察を目指している燃料電池電極/電解質界面近傍における現象をより深く理解するため、酸素雰囲気中、加熱状態で、酸化物イオン伝導体両端の電極間に外部電圧を印加して界面の結晶構造や内部電位の変化を電子線ホログラフィー、および、電子エネルギー損失分光法でその場観察するための試料作製法と観察法を確立した。そこで本年度は、電池反応を起こすことができる環境セル試料ホルダーを設計製作した。このホルダーでは、2種類のガスを同時に導入することができ、また電流を取り出したり、電圧を印加するための2つの電極を備えている。同時に、本研究では、電解質薄膜を2種のガスを隔てる壁として用いると共に、電子線ホログラフィに不可欠な参照波を取り込む領域としても用いる。そこで、隔壁としてはできるだけ厚くて丈夫な膜が、一方、参照波をとるためにはできるだけ薄く、しかも構造が均一な膜が望まれる。この二律背反的な条件を満足する電解質薄膜として市販のNafion溶液から作製した厚さ50-200nmの有機薄膜を用いるべくその電子線に対する強度や補強方法について検討した。さらに、電解質膜、電極、反応ガスとの3層界面を作る出すべく、現在、数10nmサイズの超微粒子を堆積した電極を開発中である。一方、構造変化のその場観察のため計画している実時間ステレオ観察に関しては、一応のシステムが構築済みであるが、従来の見込み角度が±2.3°で少々小さかったため、深さ方向の分解能が不足していた。そこで、±3.5°以上の角度がとれるように構造修正し現在その性能を確認中である。1)1x10^3Pa以上の空気または酸素ガスと燃料ガスを分離して導入できる電子顕微鏡用試料ホルダー(環境セルホルダー)を試作した。現在その性能の確認と、改良が必要な箇所の検討中である。また、ホログラフィー電子顕微鏡に酸素や水素ガスを導入する2系統のガスコントロールシステムを構築した。2)試料に通電したり加熱した時に起きる電極電解質界面の構造変化をとらえるため、高速度カメラと既存のイメージインテンシファイヤーと結合することにより、1/100秒程度でも十分な明るさを持つ像が獲られるシステムを構築した。3)2種類のガスを隔て、かつ電子線を十分に透過する高分子電解質膜の電子線に対する耐性を調べたところ、50nm以下の厚さでは十分なカーボン補強をしなければ電子線照射に耐えられないことがわかった。4)以上の研究は燃料電池反応を直接観察するためのものであるが、同時に、固体酸化物型燃料電池セルをガス中で加熱しながら電極間に外部電圧を印加することにより、燃料電池内部の電荷移動反応や伝導イオンの挙動に対する知見を得るための研究も進めた。酸素イオン伝導体であるイットリア安定化ジルコニア(YSZ)に白金電極を付加した系を加熱その場観察すると、耐熱材料でもあるYSZが真空中では5-600°Cで破壊された。界面近傍のYSZの内部電位は100°C程度の低温からその大きく変化し、400°Cでは30%も減少した。

これは、低温でも白金との界面で結晶から酸素イオンが激しく吸放出されるためであることを、真空中及び酸素雰囲気中のその場電子線ホログラフィーにより明らかにした。反応に用いる酸素および水素ガスを安全に使用するため、その制御システムも導入して、透過電子顕微鏡用3隔壁方式環境セルの性能試験を行い、1x10^3Pa以上の空気または酸素ガスと燃料ガスを分離して導入できることを確認した。また、固体酸化物型燃料電池のモデルセルとして白金(Pt)/イットリア安定化ジルコニア(YSZ)試料を作製し、電界放出型透過電子顕微鏡に試料加熱機構とガス導入機構を組み込み、真空中と酸素ガス雰囲気中で100°C以上600°Cまで加熱することにより、界面からの酸素イオンの吸排出,つまり、酸化還元過程を電子線ホログラフィーによる内部電位計測からその場観察する事に成功した。即ち、真空中で加熱すると酸素分子が脱離し、残された電荷で電解質は負に帯電した。その状態で、流量3x10^<-2>PaL/secの酸素ガスを試料に吹きかけると酸素が界面から取り込まれて内部電位は加熱前と同じ状態に戻った。さらに、混合導電体であるガドリニウムドープトセリア(GDC)の場合、内部電位の変化はYSZと逆転する事もわかった。なお、これらの現象は、Ptとの界面付近数10nm程度のところでのみ観察され、数μm以上離れた所や、YSZ、GDC単体では観察されず、Ptの触媒作用を顕著に表している。この酸化還元反応は、200°C程度の低温で既に始まっていることが初めて分かった。一方、3次元ホログラフィーCTを実施するため、電子顕微鏡用CTソフトウェアを導入し、まず、透過電子顕微鏡像で燃料電池やナノ金属触媒の反応を観察するために最適な試料の条件を検討した。その結果、ナノ金属触媒では、TiO_2のナノファイバーを作製しその上に担持すると良いこと、燃料電池では、固体酸化物型の場合、当初予定していた2室構造よりは、電極材料の違いを利用して同一空間内に陽極と陰極を配置する1室構造の方が、より適していることが分かった。固体酸化物型燃料電池のモデルセルとして白金(Pt)/イットリア安定化ジルコニア(YSZ)試料を作製し、電界放出型透過電子顕微鏡に試料加熱機構とガス導入機構を組み込み、真空中と酸素ガス雰囲気中で100°C以上600°Cまで加熱することにより、界面からの酸素イオンの吸排出,つまり、酸化還元過程を電子線ホログラフィーによる内部電位計測からその場観察する事に成功した。即ち、真空中で加熱すると酸素分子が脱離し、残された電荷で電解質は負に帯電したかのように見えた。その状態で、流量0.03PaL/secの酸素ガスを試料に吹きかけると酸素が界面から取り込まれて内部電位は加熱前と同じ状態に戻った。さらに、混合導電体であるガドリニウム添加セリア(GDC)の場合、内部電位の変化はYSZと逆転し正に帯電したかのように見える事もわかった。なお、これらの現象は、Ptとの界面付近数10nm程度のところでのみ観察され、数ミクロン以上離れた所や、YSZ、GDC単体では観察されず、Ptの触媒作用を顕著に表している。この酸化還元反応は、200°C程度の低温で既に始まっていることも初めて分かった。
腎臓の有機カチオン/プロトン交換輸送系を担う機能性分子の同定

フルオロキノロン系抗菌剤(FQ)の多くは,主に未変化体として尿中に排泄される。その腎排泄には糸球体ろ過のみならず,近位尿細管での分泌が関与しており,その尿細管上皮細胞における輸送にはトランスポーターの寄与が大きいものと考えられているが,その分子メカニズムについては明らかになっていない。そこで本研究では,MATE1によるFQの輸送の可能性を考え,ラットMATE1(rMATE1)安定発現系を用いて輸送解析を行った。rMATE1による各種FQの輸送を評価した結果,用いたFQ全てにおいて有意な輸送活性が認められた。最も取り込み活性の大きかったnorfloxacin(NFX)を用いて詳細な輸送機能解析を進めた結果,NFX取り込みは顕著な濃度依存性を示し,ミカエリス定数は55.3μMと算出された。この輸送は,MATEの基質であるcimetidine,TEAにより有意に阻害された。しかし,細胞内pH(pHi)を変化させた場合,NFLXの取り込みはほとんど変化が見られず,前年度の検討で示されたpRi依存的なTEA取り込みとは異なる挙動を示した。このことはNFLXが両性物質であるため,H^+と交換輸送されるカチオン性物質(TEA等)と異なり,H^+非依存的に輸送される可能性が考えられる。従って,以上の結果より,FQの近位尿細管刷子縁膜における分泌にMATE1が関与している可能性が示され,その輸送メカニズムはH^+非依存的な促進拡散であることが示唆された。中枢性作用薬や循環器疾患の治療薬などの有機カチオン性医薬品の多くは腎臓での尿細管分泌により体外に排泄されることが知られている。この過程においては、尿細管上皮細胞の刷子縁膜に存在する排出系輸送担体(トランスポーター)が重要と考えられている。これまで腎刷子縁膜を用いた一連の研究により、有機カチオンの排泄にはプロトンの濃度勾配を利用した交換輸送(有機カチオン/H+交換輸送系)の関与が示唆されているものの、その機能性分子は未だ不明である。そこで本研究において、有機カチオンの尿細管分泌に関わる機能性分子を同定するため、ラットの腎臓より新規有機カチオントランスポーター(rMATE1)のクローニングを行い、その発現系における輸送特性を評価した。その結果、rMATE1 mRNAの発現は腎臓で顕著に高く、他の様々な臓器でもその発現が確認された。また、rMATE1の発現系において、細胞内pHを低下させることにより、有機カチオンであるtetraethylammoniumやcimetidineへの輸送活性が認められた。これらのrMATE1による輸送親和性やその輸送に対する種々の有機カチオンによる阻害特性は腎刷子縁膜を用いた研究での報告と類似することが示された。したがって、rMATE1は腎尿細管上皮細胞の刷子縁膜における有機カチオンの排出に大きく寄与している可能性が考えられ、従来、考えられてきた腎臓における有機カチオン/H+交換輸送系の機能的実体であることが示唆された。
非線形波動の分散と共鳴の大域解析

非線形波動を表す様々な偏微分方程式について、一般解の時空間での挙動を初期値や解の相空間における位相的情報から決定する理論を構築し、基底状態解を少し上回るエネルギーレベルまでの時空ダイナミクスを完全に分類した。それは非線形波動の典型的挙動である、散乱、孤立波、爆発と、これらの間の遷移がどのように起こるかを、方程式のみに基づいて数学的に厳密に記述したものである。1次元の非線形波動方程式系について滑らかさの低いデータに対する初期値問題を調べ、幾つかの具体的な系について時間局所適切となるSobolev指数の必要十分条件をほぼ完全に決定した。適切性の証明においては、負の指数では初期条件への制限作用素が障害となる事を指摘した上でそれを回避する方法を2通り示した。特に波動写像についてはKeel-Taoの本質的な誤りを修正した。また非適切性の証明においては、Sobolev空間での積評価に対する零点特異点の特殊性を利用する手法を考案した。吸引的非線形項を持つKlein-Gordon方程式についてエネルギー有限解の時間大域挙動を調べ、基底エネルギー以下の解はスケール変換の定める変分不等式によって、時間双方向爆発と時間双方向散乱の2つの解集合に分離される事を示した。またその分割はスケール幕の取り方に依存せず、更にエネルギー臨界な費線形項については閾値となる基底エネルギーを定める質量係数が元の方程式からずれ得る事、特に2次元の指数的非線形項についてはTrudinger-Moser型不等式の最良定数によって質量係数が定まる事を示した。空間遠方での消散性を持つ非線形Klein-Gordon方程式について、非線形項が単調な反発性を持つ場合はその増大度について一様にエネルギーの指数的時間減衰が起こる事を示した。その手法は非線形の解に対し直接先験評価として指数減衰を得るため、非線形項の増大度が無条件となっただけでなく、証明は劇的に単純化された上に、減衰度については摩擦項に依る明示的な評価を与える事ができた。非線形Klein-Gordon方程式、非線形Schrodinger方程式、非線形波動方程式について、全ての解の時空大域挙動の分類及び初期状態からの予測を目指す研究を行った(Wilhelm Schlag, Joachim Kriegerらとの共同研究)。非線形波動方程式の解は、大域的分散(散乱)、定常解、ソリトン、爆発など様々に異なる挙動を示す事が知られ、個々の場合や特殊解近傍の漸近的解析については非常に多くの研究がある。しかし、それら異なる挙動の解の相互関係や時間的遷移を、十分広い解集合(関数空間)において調べる研究はほとんど(完全可積分系など、そもそも解の挙動が豊富でない場合を除けば)無かった。今年度の研究では、初期状態について全エネルギー値上限だけの制限の下、上記3つの典型的挙動、すなわち散乱波・ソリトン・爆発解、及びそれらの時間的遷移を全て含む、9通りの解集合への分類に成功した。具体的には、基底状態ソリトンに対する大域的な中心安定多様体及び中心不安定多様体が、エネルギー空間内の超曲面として構成され、それぞれ時間正方向と負方向の挙動を散乱領域と爆発領域へ分割し、更に中心安定多様体上の解は分散波を放射し基底状態ソリトンへと漸近する事を示した。一番の鍵は、基底状態の近傍を通過した解は二度と戻ってこれないこと(ワンパス定理と呼ぶ)である。これを用いて一部の初期値に対しては明示的に大域挙動を予測する事もでき、そこから9個の解集合が其々無限個の軌道を含む事も示される。特に、これまで特殊な方程式を除き存在すら証明されていなかった、散乱から爆発への遷移解を、エネルギー空間で安定的に構成する事に成功した。またソリトン周りの中心安定多様体の構成については、これまで線形化作用素のスペクトルについて強い仮定が必要であったが、別証明によって球対称ソリトンについてはほぼ仮定を除去することに成功した。これにより、エネルギー集約を起こす系や、さらに高エネルギーの解についても分類が進む事が期待される。古典的場の理論で考えられた非線形波動方程式の一種であるSkyrmeモデルとAdkins-Nappiモデルについて時間大域解の存在とその時刻無限大での漸近挙動を調べた(Geba, Rajeevとの共同研究)。これらの方程式は波動写像(シグマモデル)が空間3次元で爆発する事を回避するため考案され、全ての解が時間大域的になる事が期待されているが、波動写像と異なり非斉次かつ準線形なので偏微分方程式としての解析は遥かに難しい。我々は回転共変の対称性の下で自明解周りの時間大域的解析を行い、スケール解析から自然と思われる最小滑らかさのベゾフ空間で小さな大域解と散乱作用素を構成した。これらは漸近安定性の証明に向けての第1段階である。2次元でのソボレフ埋蔵定理の臨界対数増大を記述する、Trudinger-Moser不等式とそれに対応する非線形波動の大域挙動について調べた(Ibrahim, Masmoudiとの共同研究)。不等式についてはMoserによる有界領域での最良不等式が有名だが全空間では成り立たない事も知られている。

我々はその最良修正を見出し、非線形項に対する簡単な必要十分条件の形で示し、更にコンパクト性の破れも修正された最良非線形項に対してのみ起こる事を証明した。これを用いて、二乗指数型非線形項について基底状態ソリトンの時間周波数または質量係数に制限がつく現象について、それが起こるための必要十分条件を与え、更に係数の制限値と不等式の最良定数を対応をさせた。更に非線形クラインゴルドン方程式が質量変位により基底状態を失う場合に、本来基底状態があるはずのエネルギー準位の解の時間大域挙動を完全に決定した。非線形波動方程式の解の時間大域挙動の分類(基底状態を若干超えるまでのエネルギー範囲における散乱、爆発、ソリトンへの分類)について、Schlag, Kriegerとの共同研究を更に進め、特にソボレフ臨界(無質量)の場合の結果を球対称で無い解にまで拡張した。証明方法は解の分解方法を含めて球対称解に対しても改良した。特に空間遠方で減衰の遅いソリトン多様体へ、通常とは異なる非直交の射影を用いる所がポイントである。プラズマ波動を記述するザハロフ方程式系の解の大域挙動について調べた(Guoとの共同研究)。この方程式は亜音速極限で非線形シュレディンガー方程式へ移行するが、シュレディンガーと波動方程式の系になっているため、3次元で初期値問題から大域挙動を解析する事がこれまでできなかった。我々は球対称の仮定の下、エネルギー空間で小さな解が自由解へ漸近する事を証明した。前年度に続き、非線形波動を記述する様々な方程式について、時空およびエネルギー空間で大域的に解の様相を解析し、初期状態からの解の挙動分類と、解集合同士の位相的関係を得た。今年度の特筆すべき実績は以下の2つ。1大域挙動の境界超曲面の構成:本研究成果の基本的描像では、大域的分散性を示す解の集合と、有限時間爆発の解集合の境界が、基底状態ソリトンの中心安定多様体になる。この超曲面は、ソリトン周りの線形化発展方程式の分散性を用いて構成できるが、それには中心安定スペクトルも詳しい評価が必要で、応用上の制約が著しい。またこの方法で超曲面上に得られた解はソリトンへ散乱するが、エネルギー臨界の非線形項では、基底状態近傍に留まりつつエネルギー集約で爆発する解も知られている。本年度は、多様体上の解の挙動を調べずに、2つの解挙動の境界を直接求める手法を開発した。この方法では中心安定スペクトルの情報が殆ど無くても境界面を構成でき、臨界型のエネルギー集約爆発もその中に含まれる。これで臨界型方程式の大域ダイナミクスを劣臨界と同じ描像に嵌め込み、その完全な分類も視野に入れる事ができた。2Zakharov型方程式への応用:本研究成果ではエネルギーの解析を基本としているため、解の関数空間を勝手に選べない。そのため非線形項が分散性に比べて強い場合、特に低次元低次項は難しくなる。そのモデルケースとして、2次非線形項を持つZakharov方程式および、Klein-Gordon-Zakharov方程式の解挙動を調べた。これらの方程式では非線形共鳴が周波数上で局在化する。この特徴を利用するため、normal formの手法で非共鳴相互作用を3次に書き換え、共鳴部分は解に球対称性を仮定して評価し、更に分散性と爆発性への解分類を実行した。
フォトニクス活用型エナジーハーベスティングデバイスの開発

IoT技術の発展に伴い、各種センサ・通信素子駆動用の独立電源として環境光から電力を得るエナジーハーベスティング用太陽電池(EHPV)への期待が高まっている。EHPVでは設置環境における入射光スペクトルに応じた光吸収増強が求められる。本研究では、フォトニック結晶に代表されるフォトニクス技術を活用して所望の波長帯の光吸収増強を図り、EHPVの発電効率の大幅向上を目指す。数値解析により単色光を含む典型的な入射光に対し光吸収増強効果を最大化するフォトニック結晶構造を探索し、これを解析・統合することで各環境に適した構造選定を可能とする。さらに解析結果を元に実際にEHPV素子を作製しその効果を実証する。
水中のラドンを通して行なう、高校生に対する環境教育・計測情報処理教育

平成4年度までに、水中に混入している自然の放射性核種(主にラドンの娘核であるポロニウム)からのα線測定装置を完成させた。シンチレータの表面蒸着は湿度に弱いこと等から、α線検出部にはエポキシ保護のないPINフォトダイオードを使用した。基本的に高圧電源を必要とせず、家庭用電源や乾電池のみで作動でき、高校生が装置を取り扱う際の安全性を確保すると共に、高量子効率と高速応答を得ることができる。又、装置全体を安価(10万円以内)に製作することが可能であるフォトダイオードからの信号増幅部にはハイブリットICを極力用いず高校生程度の知識で回路構成が理解できるものとなっている。又、Poを効率的に補集する手段として、フォトダイオード表面とまわりの金属には電場がかけてある。この装置で波高分析器により測定したところ、Rn222の娘核Po218,Po214からのα線のエネルギースペクトル(6.0MeVと7.7MeV)が検出でき、α線のエネルギー分解能7090KeVを得た。又、岐阜大学の地下水と、違う場所での井戸水を9時間測定し頻度を比較すると岐阜大地下水が28.1±9.5(count/hour)に対し、井戸水75.6±25.3(count/hour)と環境による違いがみられることがわかった。以上から、測定を通しての自然放射線に関する環境教育や、結果の解析による計測情報処理教育、更に装置製作を通したエレクトロニクス教育などによる教育効果が期待できる。現在すでに、岐阜県内の4高校と協力関係を築き、クラブ活動などでこのα線測定器を使って測定し、高校が実際にデータ解析を行っている。今後さらに関係を密にし、教育効果を検討すると共に、自動計測システム作りや、データのネットワーク化などを行っていく。平成3年度は、まず水中に混入している自然放射能(主にRnの娘核であるPo)からのα線測定装置をほぼ完成させた。装置のα線検出部は、高圧電源を必要とする光電増倍管を用いずに、乾電池で作動するPIN・光ダイオ-ドとシンチレ-タ[CsI(T1)]で構成した。これにより高校生が装置を取り扱う際の安全性を確保するとともに、高量子効率と高速応答を得た。光ダイオ-ドからの信号増幅部は、ハイブリッドICを極力用いず簡単にしてあり、高校生程度の知識のもとで回路構成が理解できるものとした。当初問題になっていた最終的な出力段階でのノイズも、α線検出に関しては全く問題にならなくなった。水から蒸発したRnの娘核であるPoを効率的に収集する方法として、電場をかけることが知られているが、現在シンチレ-タの培面に金属蒸着することを(株)堀場製作所の協力のもとにテストしている。一方、まだ恒常的な測定ではないが、水蒸気中を浮遊するRnおよびPoからのα線の頻度を測定した結果、岐阜市市水および地下水でそれぞれ2.5±0.6個/分、3.2±0.6個/分であった。以上から、高校生に対する、装置の製作等を通してのエレクトロニクス教育、測定を通しての自然放射能に関する環境教育、さらに結果の解析等による計測情報処理教育の、高等学校における教育実践に入る準備がほぼ揃った。そこで本年度は、岐阜県内五つの高等学校との協力関係を築き、詳細についての検討会を行った。雨水中の放射能の測定、パソコンへのデ-タ取り込み、装置そのものの製作など、各校それぞれに目的をもって精力的に参加してきた。現在、CsI表面の金属蒸着を急ぐとともに、来年度初頭から実践に踏み切れるように、教育方法等に関し、さらに細かく検討を行っている。

シンチレータの表面蒸着は湿度に弱いこと等から、α線検出部にはエポキシ保護のないPINフォトダイオードを使用した。基本的に高圧電源を必要とせず、家庭用電源や乾電池のみで作動でき、高校生が装置を取り扱う際の安全性を確保すると共に、高量子効率と高速応答を得ることができる。又、装置全体を安価(10万円以内)に製作することが可能であるフォトダイオードからの信号増幅部にはハイブリッドICを極力用いず高校生程度の知識で回路構成が理解できるものとなっている。又、Poを効率的に補集する手段として、フォトダイオード表面とまわりの金属には電場がかけてある。この装置で波高分析器により測定したところ、Rn222の娘核Po218、Po214からのα線のエネルギースペクトル(6.0MeVと7.7MeV)が検出でき、α線のエネルギー分解能7090KeVを得た。又、岐阜大学の地下水と、違う場所での井戸水を9時間測定し頻度を比較すると岐阜大地下水が、28.1±9.5(count/hour)に対し、井戸水、75.6±25.3(count/hour)と環境による違いが見られることがわかった。以上から、測定を通しての自然放射線に関する環境教育や、結果の解析による計測情報処理教育、更に装置製作を通したエレクトロニクス教育などによる教育効果が期待できる。現在すでに、岐阜県内の4高校と協力関係を築き、クラブ活動などでこのα線測定器を使って測定し、高校が実際にデータ解析を行なっている。今後さらに関係を密にし、教育効果を検討すると共に、自動計測システム作りや、データのネットワーク化などを行っていく。
栄養ストレスにおけるアミノ酸の筋肉タンパク質合成と分解に対する異なるレスポンス

1.低栄養状態におけるロイシンの作用ラットに無タンパク質食を1週間自由摂取させると後肢筋重量は減少したが、それに1.5%のロイシンを添加した食餌を与えると骨格筋量の減少は抑制された。このときの筋原線維タンパク質の分解速度を3-メチルヒスチジン放出速度を新たに開発した動静脈濃度差法で測定したところ、ロイシンの投与で有意に減少した。骨格筋タンパク質の合成速度は両者で変化は認められなかった。ユビキチン-プロテアソーム系の活性やユビキチンリガーゼの発現の減少はなく、オートファジーの律速となるオートファゴソーム形成の調節タンパク質であるLC3-IからLC3-IIへの変換が抑制されたことを見いだした。これは、分解の抑制がオートファージー-リソソーム系で行われていることを示唆している。2.6時間ごとのロイシンの摂取が合成と分解に及ぼす影響20%カゼイン食で飼育しているラットを18時間絶食させ、ロイシンを6時間ごとに2回67.5mg/100g体重ずつ経口投与した。3-メチルヒスチジンの放出速度から測定した分解速度は、投与1時間後から減少し6時間後まで減少が続き、2回目の投与でさらに減少した。合成の指標となるS6K1のリン酸化は投与1時間後だけ促進された。以上の結果から、低栄養というストレス時において骨格筋タンパク質の増減は、合成よりむしろ分解で調節され、それを制御することで骨格筋の萎縮抑制できることが明らかになった。3.廃用性筋萎モデルにおけるロイシンの効果10%カゼインあるいはそれにロイシンを1%添加した食餌を摂取させたラットの後肢をギプスで固定し、分解を評価した結果、固定により増加した分解をロイシンは抑制し、ユビキチンリガーゼ遺伝子発現にも影響を与えることを明らかにした。本年度は新たな分解速度、合成速度の測定法の構築、低栄養筋萎縮モデルおよび廃用性筋萎縮モデルラットにおけるアミノ酸の合成と分解に及ぼす効果を検討した。1.新たな分解速度の測定法筋原線維タンパク質の分解の指標となる3-メチルヒスチジン(MeHis)を動静脈濃度差法、すなわち動脈血と静脈血のMeHis濃度差と血流量から分解速度を測定する方法を確立した。本法は従来法に比べより生理的で急性の変化を直接把握できることが明らかになった。2.合成速度の測定法合成速度はフェニルアラニンの動静脈濃度差を用いた方法で測定する予定であったが、検討の結果、十分な感度を得られなかったので、安定同位体ラベルのフェニルアラニンの大量投与で測定する方法を確立した。3.低栄養筋萎縮モデルにおけるロイシンの効果Wistar系雄ラットに無タンパク質食、あるいは無タンパク質食にロイシンを添加(1.5%)あるいは5%カゼイン食を1週間自由摂食させた。その結果、ロイシン添加食の摂食により分解速度は減少した。血中の分岐鎖アミノ酸濃度に差はなく、タンパク質合成の翻訳段階の指標となるS6K1と4E-BPIのリン酸化にも変化はなかった。一方、5%カゼイン食では分解の抑制が見られなかった。さらに合成速度を大量投与法で測定したところ、ロイシンの添加による促進は認められなかった。4.廃用性筋萎縮モデルにおけるロイシンの効果10%カゼイン食あるいはそれにロイシンを1%添加した食餌を摂取させたFisher344雌ラットの後肢をギプスで6日間固定し、分解速度と分解系遺伝子発現を解析した。その結果、骨格筋の固定による萎縮と増加した分解速度がロイシン添加食で抑制された。

このとき、固定により主たる分解系の一つであるユビキチン-プロテアソーム系におけるユビキチンリガーゼの遺伝子発現の増加が認められ、ロイシンがこれを抑制することが明らかになった。1.低栄養状態におけるロイシンの作用ラットに無タンパク質食を1週間自由摂取させると後肢筋重量は減少したが、それに1.5%のロイシンを添加した食餌を与えると骨格筋量の減少は抑制された。このときの筋原線維タンパク質の分解速度を3-メチルヒスチジン放出速度から測定したところ、ロイシンの投与で有意に減少した。一方、重窒素ラベルフェニルアラニンの取込みから骨格筋タンパク質の合成速度を測定したところ、両者で変化は認められなかった。分解に関わる酵素系の発現や活性を測定したところ、ユビキチン-プロテアソーム系の活性やユビキチンリガーゼの発現の現象はなく、オートファジーの律速となるオートファゴソーム形成の調節タンパク質であるLC3-IからLC3-IIへの変換が抑制されたことを見いだした。これは、分解の抑制がオートファージー-リソソーム系で行われていることを示唆している。2. 6時間ごとのロイシンの摂取が合成と分解に及ぼす影響20%カゼイン食で飼育しているラットを18時間絶食させ、ロイシンを6時間ごとに2回67.5mg/100g体重ずつ経口投与した。3-メチルヒスチジンの放出速度から測定した分解速度は、投与1時間後から減少し6時間後まで減少が続き、2回目の投与でさらに減少した。合成の指標となるS6K1のリン酸化は投与1時間後だけ促進された。以上の結果から、低栄養というストレス時において骨格筋タンパク質の増減は、合成よりむしろ分解で調節され、それを制御することで骨格筋の萎縮を抑制できることが明らかになった。
非平衡条件下で駆動する粒子の運動法則と多体現象

アクティブマターの集団運動の普遍的性質を追究するために、遊泳バクテリア懸濁液をモデル系として実験をおこなった。昨年度までに実現に成功していた「バクテリア集団運動の長距離ネマチック秩序相」の解析を緻密化した。具体的には、この長距離秩序相が巨大な粒子数揺らぎを示すこと、そしてバクテリアの向きの空間相関関数が冪的な振る舞いを示すことを確認した。これにより、本実験系が、20年以上前に理論的に予言されていたクラスの集団運動の初めての実現であるという確証を得た。また、個々のバクテリアの衝突による相互作用を定量的に評価するために、希薄な条件下でのバクテリアの2体衝突イベントを多数撮影した。衝突前後のバクテリアの向きの変化の統計を、Boltzmann方程式を用いて定量的に解析した結果、2体衝突のレベルでは長距離秩序相への相転移は説明できず、高密度での多体衝突や連続的な衝突が重要であることが明らかとなった。これらの結果は投稿論文としてまとめ、Physical Review E誌に投稿し、Rapid Communicationとして掲載された。この成果は、非平衡条件下で駆動する粒子の多体現象の代表例としての「アクティブマターの集団運動」に関する数多くの理論研究の実験的基礎となるものである。また、本実験系と既存の実験系や自然界の群れ運動を比較することで、その理論的普遍性が発現する必要条件を示唆することができたため、今後の理論研究や実験系の新たな設計指針・アイデアを与えることができた。並行して、従来のバクテリアの実験系で得られていた「無秩序なバクテリア乱流」についても実験をおこない、わずかな拘束条件を課すことで、ある種の秩序を抜き出せることを実証した。これらの結果として、バクテリア懸濁液をモデル系として、アクティブマターにおける秩序の発現とゆらぎについての理解を深化させることができた。28年度が最終年度であるため、記入しない。非平衡条件下で駆動する自己駆動粒子の運動、およびアクティブマターの集団運動の解明を目指して、非生物と生物の両方を取り上げて実験を進めた。非生物系の例として、交流電場下で自己駆動する非対称なコロイド粒子(ヤヌス粒子)を用いた。粒子表面や電極表面の処理を改良することにより、ヤヌス粒子を高密度で駆動させることに成功した。この状況において、ヤヌス粒子の速度相関・局所秩序変数などを測定した。これにより、衝突を繰り返しながら進んでいる乱流のような状況でも、同じ方向に進む粒子が連なった構造が存在することを明らかにした。次に、粒子のアスペクト比が粒子集団の運動に与える影響に着目した。ヤヌス粒子は球形のため、衝突時に粒子同士の向きを揃える相互作用が弱い。そこで、アスペクト比の高い極限の粒子の集団運動を実現し、比較をおこなった。具体的には、大腸菌を抗生物質下で培養して細長く成長させることで得られる、フィラメント状の大腸菌を使用した。これにより、高アスペクト比での実験をおこなうと同時に、単純な生物系での集団運動の実現を目指した。フィラメント状の大腸菌を擬2次元系に閉じ込めることで、大腸菌同士が頻繁に衝突しあって向きが揃っていく状況を実現できた。この条件下で粒子数密度が高いときに現れる集団運動のマクロな相は、通常サイズ時に大腸菌がtumblingを示すか否かによって変わることを突き止めた。Tumblingを示す野生株では、局所的に向きは揃うものの、向きの異なるドメインが多く共存し、大域的な秩序は現れなかった。一方、tumblingを示さない変異株では、対向する大腸菌が共存する大域的なネマチック相が得られた。また、この状況において、先行研究の理論およびシミュレーションで予言されている粒子数密度の異常な揺らぎ(Giant Number Fluctuation)を確認し、その冪指数がシミュレーションの予測と無矛盾であることを示した。アクティブマターにおける集団運動の統計力学的性質への実験的アプローチのため、前年度に引き続き、非生物と生物の両方を取り上げて実験を進めた。非生物系の例としては、前年度同様に交流電場下で自己駆動する非対称なコロイド粒子(ヤヌス粒子)を用いた。ヤヌス粒子の作るアクティブ乱流状態において、速度相関・局所秩序変数を測定することにより、正と負の相関が共存していることを明らかにした。これは数値計算による先行研究でのアクティブ乱流の発生機構の説明と合致する結果である。また、Stokes方程式を解析的に解くことにより、ヤヌス粒子が作る流れ場からこのような相関を引き起こす相互作用を説明した。これらの結果はPhysical Review E誌に出版された。その後、さらに、粒子間相互作用を制御することにより、乱流状態ではなく全体として向きを揃えて一方向に進む秩序相を得ることに成功した。現在、その秩序相のゆらぎなどの性質を調べている。生物系の実験も、前年度に引き続きフィラメント状大腸菌を使用した。擬2次元系におけるフィラメント状大腸菌の大域的ネマチック秩序相における「巨大な密度ゆらぎ」(giant numberfluctuations)は前年度から実験的に観測されていたが、今年度はその実験精度を高め、その結果を確かなものとした。また、この秩序相が長距離秩序を持つことを定量的解析により明らかにした。集団運動の大域的秩序相における密度ゆらぎの異常性は、理論・数値計算で20年前から予想されていたものの、他の実験系では得られていなかった成果である。

これらの結果は、まもなく投稿予定である。ヤヌス粒子のこれまでの結果は投稿論文にまとめた上で、これまでヤヌス粒子では得られていなかった大域的秩序相も実現できた。この秩序相の結果をフィラメント状大腸菌の結果や理論研究と比較することにより、今後より一層の進展が期待できる。バクテリアの実験は実験精度を高めるとともに解析手法を工夫することで、理論研究と対応付く結果を数多く得ることができた。これにより、集団運動の大域的秩序相の性質を実験で詳細に調べられた。アクティブマターの集団運動の普遍的性質を追究するために、遊泳バクテリア懸濁液をモデル系として実験をおこなった。昨年度までに実現に成功していた「バクテリア集団運動の長距離ネマチック秩序相」の解析を緻密化した。具体的には、この長距離秩序相が巨大な粒子数揺らぎを示すこと、そしてバクテリアの向きの空間相関関数が冪的な振る舞いを示すことを確認した。これにより、本実験系が、20年以上前に理論的に予言されていたクラスの集団運動の初めての実現であるという確証を得た。また、個々のバクテリアの衝突による相互作用を定量的に評価するために、希薄な条件下でのバクテリアの2体衝突イベントを多数撮影した。衝突前後のバクテリアの向きの変化の統計を、Boltzmann方程式を用いて定量的に解析した結果、2体衝突のレベルでは長距離秩序相への相転移は説明できず、高密度での多体衝突や連続的な衝突が重要であることが明らかとなった。これらの結果は投稿論文としてまとめ、Physical Review E誌に投稿し、Rapid Communicationとして掲載された。この成果は、非平衡条件下で駆動する粒子の多体現象の代表例としての「アクティブマターの集団運動」に関する数多くの理論研究の実験的基礎となるものである。また、本実験系と既存の実験系や自然界の群れ運動を比較することで、その理論的普遍性が発現する必要条件を示唆することができたため、今後の理論研究や実験系の新たな設計指針・アイデアを与えることができた。並行して、従来のバクテリアの実験系で得られていた「無秩序なバクテリア乱流」についても実験をおこない、わずかな拘束条件を課すことで、ある種の秩序を抜き出せることを実証した。これらの結果として、バクテリア懸濁液をモデル系として、アクティブマターにおける秩序の発現とゆらぎについての理解を深化させることができた。ヤヌス粒子の実験系を、電極や粒子の表面処理などの工夫により、高効率でデータ収集が可能な物に改良できた。これにより、一定の結果が得られるとともに、次年度以降の実験に必要な条件を整えることが出来た。得られた結果は、投稿論文にまとめている途中である。生物系を使った実験は、当初は3年目に計画していたが、前倒しして実験を開始した。目標としていた集団運動を実現する実験系を作り上げることに成功しただけでなく、tumblingの有無による集団挙動の違いなど、新たな知見も得られた。ヤヌス粒子および大腸菌の実験系で、相互作用や密度などのパラメータをより制御しやすい実験系の構築に取り組む。
循環型資源利用を促進する企業間関係の経営学的研究

本研究では、循環型杜会の企業における環境経営の原理を循環型資源利用の促進という視点から明らかにした。具体的には、企業間関係の経営学的研究の成果を踏まえて、環境ネットワークにもとづく環境経営の原理を環境コミュニケーションによって理論化した。1.企業間関係の視点からは、企業グループ内の環境保全を徹底し、その評価を精緻化しようとする試みのほかに、グループ以外の企業やNPO、NGOとの連携を深める傾向が強まっていることを明らかにした。2.循環型杜会の基本理念から、企業グループという発想から、ネットワークという広域的で、多様な連結を思考する環境対応へと変化していることも理論的・実証的にも示された。3.このような環境ネットワークが大きな役割を果たす段階では、環境責任主体の間のコミュニケーションが重大な課題となることも明らかにされた。4.循環型社会の基盤となる環境コミュニケーションでは、環境報告書が有力な手段となっている。わが国の環境報告書について分析した結果、単なる情報公開機能からコミュニケーション機能への進化が必要であることを指摘した。以上の成果を展開すると、環境パートナーシップへの行動論的な研究が循環型杜会の発展に不可欠であると結論づけられた。循環型資源利用を促進する企業間関係が、従来の投入-産出関係だけでなく、政府、地域社会、非営利組織や非政府組織との複合的な関係に基づいて形成されることが本研究により明らかにされた。1.循環型資源利用は、循環型社会の中核的な課題である。循環型社会の行動責任主体は、企業だけでなく政府、消費者、そして地域社会などへと拡大しているのである。この結果、循環型資源利用を促進する企業間関係は、循環型社会の各責任主体間に形成される複合的な連携のなかに位置付けられる。たとえば、企業間関係が市民ネットワークや地域社会との連携によって、循環型資源利用の高度化(高い組織的合理性)を達成していることが確認された。2.同産業、同規模の企業間関係による環境保全対応からの脱却が模索される必要がある。つまり、循環型資源利用を促進する企業間関係は、これまでのリサイクルセンターといった業務的な連携にとどまらす、循環型資源利用のための共同研究開発という視点が今後重視される。したがって、企業間関係は異なる産業分野、規模の企業の間に形成されることが必要である。3.市場を競争という一元的な視点からだけでなく、活動、資源そして主体のリレーションシップの束として理解することが必要である。つまり、市場に形成される環境保全ネットワークが循環型資源利用を促進するのである。4.今後の研究展開としては、循環型資源利用を促進する企業間ネットワークの形成と環境保全ネットワークを基盤とする新たな環境経営について精緻化することが期待される。本年度は、「循環型資源利用と環境コミュニケーション」の経営学的研究を行った。研究の目的は、環境コミュニケーションの理論的な基礎研究に重点がおかれた。具体的な成果は、次のとおりである。1.地球環境問題の解決は、循環型資源利用という視点からみると、企業と他企業、その他組織(NPO、NGOなど)との相互連携を不可欠としているのである。2.循環型資源利用を促進する企業間関係では、循環型資源連鎖に基づく企業間関係が中心となっていた。しかし、この循環型資源連鎖は、今や、NPO、NGOなどの多様な環境主体をふくむ広域化の傾向を強めているのである。3.多様な環境主体との環境連携は、何よりも環境主体間の相互理解が不可欠である。このような視点から提案されているのが、環境コミュニケーションである。4.環境コミュニケーションの目的は、環境ネットワークという階層的な性格ではなく、相互の主体性を尊重する理念に基づく連帯に近いものと考えられるのである。しかし、単なる連帯ではなく、機能的で活動的なネットワークという性格をもつ環境ネットワークでは、より明示的なコミュニケーションが求められるのである。ここでは、このような意味で、環境報告書の役割を検討し、今後の課題と将来的な意義を明らかにした。
トイレ環境下での事故予防に向けた便座脈波伝播速度計測技術の開発

トイレ環境は短時間滞在にもかかわらず日常下での事故(疾病,外傷等)の発生率が高い[1].温暖差によるヒートショックや血管迷走神経反射,怒責(いきみ)による血圧変動が循環系への負荷となるためである.さらにこれらの急激な血圧上昇は失神などの意識消失による外傷が発生する危険も伴う(トイレ環境下イベント).本研究課題の実現は,トイレ環境下での事故予防に寄与するものである.またトイレ環境下での無意識血圧測定の実現は,日常生活での定期的な血圧測定につながり,異常値の早期発見やスクリーニング適用など,その波及効果は大きい.トイレ環境は短時間滞在にもかかわらず日常下での事故(疾病,外傷等)の発生率が高い[1].温暖差によるヒートショックや血管迷走神経反射,怒責(いきみ)による血圧変動が循環系への負荷となるためである.さらにこれらの急激な血圧上昇は失神などの意識消失による外傷が発生する危険も伴う(トイレ環境下イベント).本研究課題の実現は,トイレ環境下での事故予防に寄与するものである.またトイレ環境下での無意識血圧測定の実現は,日常生活での定期的な血圧測定につながり,異常値の早期発見やスクリーニング適用など,その波及効果は大きい.
再構成法による光合成化学系II(PS II)の光電荷分離と水分解機構の分子論的研究

本研究は本年度が最終年度であり、当初計画した研究(1)のまとめと、今後に継がる関連研究(2)の予備的研究を行った。(1)高等植物の光合成光化学系II(PS II)複合体を構成する蛋白質群のうちチトクロ-ムb_<559>(Cytb_<559>)とL蛋白質(Psb L翻訳産物:5kDa)の機能を調べた。前者については前年度PS IIの光励起に伴うCyt b_<559>の酸化と還元の速度を決定したが、本年度はその酸化種と還元種がそれぞれZ^+とQ_Bであると同定した。この結果、PS II光励起に伴うP^*_<680>→Pheoa→Q_A→Q_B→Cyt b_<559>→Z^+→P_<680>の環状電子移動が存在することが明らかとなった。Cyt b_<559>→Z^+の電子移動は時間分解EPR法により測定した。環状電子移動の生理的意義については現在検討中であるが、PS IIに存在する水分解系の形成および修復時に寄与していることを示唆する結果を得ている。後者に関しては、界面活性剤を用いてPS II粒子から種々のサブユニット蛋白質を解離し、HPLCによりそれぞれを単離した後、再構成することにより,L蛋白質がP^x_<680>→Q_Aへの安定な電荷分離に必須の成分であることを見出した。この結果は紅色光合成細菌の光化学反応中心に比べ、高等植物のPS IIはより複雑な制御機構を保持していることを示している。(2)当初の計画では既に形成されているPS II系を人工的に解体、再構築を行うことによりPS IIにおける光電荷分離の分子機構を調べることを目的とした。しかし研究を進めて行くに従い、invivoでのPS II複合体の形成過程を調べることが分子機構の解明にとって不可欠であることが分かってきた。PS II複合体の形成は光誘導により人為的に制御できる利点を利用し、形成過程の解析に着手した。まず最初のステップとして、サブユニット蛋白質の内葉緑体DNAにコ-ドされているものに着目し、光誘導によるそれらの遺伝子発現過程をmRNAの量的質的変化を追跡することにより調べた。その結果PSbCおよびPsbD遺伝子の転写とmRNAのプロセッシングが光誘導を受けることを確認した。(1) 9月下旬にESR装置が設置され稼動を始めた。現在、ESR装置用励起光源光学系の設置及び10μs領域での時間分解ESR測定のために必要な期回路及び制御用コンピュータープログラムを作製中である。設置したESR装置の感度及びS/N比は本研究の目的に十分であることを確認した。(2)チラコイド膜の光化学反応中心【II】(【P_(680)】)結合蛋白質を決定する目的で反応中心複合体の解体と補欠分子族を保持した状態での各サブユニットの単離を行った。ほうれん草チラコイド膜から調製した光化学反応中心【II】コア複合体をn-オクテル-β-D-チオグルコシド(OSG)を用いて可溶化し、密度勾配超遠心法により、蛋白質組成の異なる4つのサブユニットを分取した。またOSG存在下で等電点クロマトフォーカシング及びイオン交換カラムを用いたHPLCにより、分子量43-KDaと47-KDa蛋白質の単離に成功した。これら6種類のサブユニットに対し、反応中心を構成していると考えられるクロロフィルa(chla),フェオフィチンa(pheoa),プラストキノンA(【PQ_A】)の同定と光電荷分離活性の測定を行った。従来【P_(680)】結合サブユニットの候補にあげられていた47KDa蛋白質は(pheoa)及び(【pQ_A】)を含まずさらに光励起により【P(_680^+)】の生成に対応するシグナル(830nm近傍での幅広い吸収)も認められなかった。一方、【D_1】,【D_2】,およびCytb559からなるサブユニットにはユニット当りchlaは4分子,pheoaは2分子,【PQ_A】は1分子存在した。またこのサブユニットは強い光電荷分離活性を示した。以上の結果より【D_1】,【D_2】およびCytb559からなる複合体中に光化学反応中心【II】が存在することが証明された。(3) (2)で得られた6種類のサブユニットと膜表在性34kDa蛋白質との再結合実験により、水分解酵素系Mn活性中心結合蛋白質の決定を試みている。(1)前年度葉緑体チラコイド膜中に存在する光化学系II(PSII)複合体を部分的に解体し,密度勾配超遠心法により蛋白質組成の異なる4種の小複合体を分離した.さらにHPLCにより分子量43kdaと47kDaの蛋白質の単離に成功した.本年度はこれらの複合体を用いて,光化学反応中心とPSIIに存在する水分解酵素系蛋白質の結合に関与する蛋白質の同定を試みた.水を酸化し,その電子によりQ_Aを還元するPS・IIの基本的機能を有する最小単位は分子量47,43,33(D_1),33(D_2)33kDa(水分解系)の蛋白質およびテトクロームb_<559>(cyt b_<559>)から構成されている(PSII反応中心複合体).

この内光化学反応中心はD_1/D_2/cyt b_<559>複合体に結合しているが,光化学反応中心と水分解系33kDa蛋白質の結合には43kDa蛋白質が関与していることを明らかにした.(2) PSIIの光化学反応中心を結合するD_1,D_2蛋白質は紅色光合成細菌RPS Uiridisの光化学反応中心を形成するL,Mサブユニットに対応し,両者に結合している補欠分子の組成は基本的には同じであると推測されている.しかし両反応中心に結合しているcytの性質は全く異なっており, PSIIではb型cytが膜を貫通した形でD_1,D_2に強く結合している.このcyTb_<559>には異なった酸化還元電位を持つ2つの状態が存在し,高電位型(HP),低電位型(LP)と名付けられている.しかしその生理的意義は全く分かっていない.本研究では, cyt b_<559>のうちHPーcytb_<559>が光化学反応中心の励起によって惹起される循還的電子伝達能を有することパルスレーザフォトリシス法により明らかにした. HP cytb_<559>を含むPSII反応中心複合体を光励起すると2μ秒以内にcytb_<559>の還元が起り,続いて4μ秒と200μ秒の2つの時定数を持つ再酸化が起る.光化学反応中の再還元に〓200μ秒の成分があり,これとcyt b_<559>の再酸化の200μ秒の成分の強度には比例関係があることからcytb_<559>が,循還的電子伝達鎖を形成していると結論.高等植物の光合成光化学系II(PSII)の光化学反応中心を結合するD_1、D_2蛋白質は、紅色光合成細菌の光化学反応中心を形成するL、M蛋白質に対応し、両者に結合している補欠分子の組成は基本的には同じであると推測されている。しか前者の場合、反応中心複合体にはD_1、D_2以外にも多種の蛋白質が含まれているが、それらの役割は明らかにされいない。本年度はこれらのサブユニット蛋白質のうち、第一電子受容体(Q_A)の機能発現に必須の蛋白質の同定のD_1、D_2に強固に結合しているb型チトクローム(Cyt b_<559>)の役割に焦点を合わせて研究し、以下の成果を得た。(1) Cytb_<559>は細菌の光化学反応中心には存在せず、その役割のみならず化学量論も明確にされていなかった。本研究では、まずCytb_<559>は光化学反応中心あたり1分子結合していることを明らかにした。次いで光化学反応中心励起に伴うCytb_<559>の還元と酸化の速度を独立に測定し、特殊な条件下で起るCytb_<559>を通しての環状電子移動の経路を明らかにした。(2) PSIIの光化学反応中心を形成する主要な補欠分子はD_1、D_2もしくは両者の間に局在している。しかしPSIIを界面活性剤を用いて、D_1/D_2/Cytb_<559>複合体まで解体すると、Q_Aへの電子移動活性は消失し、安定な光電荷分離能を示さなくなる。本研究では、界面活性剤によりPSIIから解離した成分を高速液体クロマトにより分離した後、種々の組合せで再構成することにより、Q_A機能の回復に必須の蛋白質成分の同定を試みた。この目的達成のため、Q_A機能の再構成の方法を検討し、50%以上の回復率を示す再構成法を見い出した。さらにこの方法を利用して、Q_Aの機能発現にはD_1D_2Cytb_<559>の外に、最低2種の蛋白質が必要であることを明らかにし、そのうちの一つの最有力候補として、分子量5100の蛋白質をつきとめた。他の必須成分としては、43,000蛋白質の可能性が高い。