hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
非線形偏微分方程式に現れる集中・振動現象の研究

ポテンシャルがユークリッド空間における滑らかでコンパクトなframed部分多様体上で0となるような臨界周波数の場合を考察した。臨界周波数の場合に,ポテンシャル関数の零点の連結成分がコンパクトで滑らかなframed部分多様体であるものが複数個ある場合に,それぞれの多様体から離れると指数的に減衰していて,各多様体のまわりでの解の極限プロファイルはその余次元と同じ次元の空間における正値球対称解となっているような正値解について考察した。リャプノフ・シュミットの縮約法を用いることにより,上の条件を満たす正値解を持つような微小パラメーターの値で0に近づく列が存在することを示した。本研究の目的は,非線形楕円型偏微分方程式の解の部分多様体への集中現象,反応拡散系における空間的に集中した解の時間振動現象,非線形波動方程式の自由振動共鳴現象など,非線形偏微分方程式における種々の集中・振動現象を,変分法,リャプノフ・シュミットの縮約法,分岐理論,不変多様体理論,漸近展開法などの手法により解明することである.非線形シュレディンガー方程式は,原子気体のボーズ・アインシュタイン凝縮や,ある非線形光学材料における光の伝播の記述など,物理の様々な分野で現れる方程式である.凝縮体の粒子はポテンシャルにより小さい領域にトラップされるため,粒子数密度が小さい領域に集中した状態が安定に存在する.この安定した凝縮体の基底状態は,非線形シュレディンガー方程式の定在波解を求めることにより得られ,この基底状態を求める問題は,非線形楕円型偏微分方程式の問題に帰着する.また,あるパラメーターが非常に小さい場合,すなわち,半古典状態と呼ばれる定在波解の最も特徴的な性質は,解の集中現象が生じることである.ポテンシャル関数の零点の連結成分が複数あり,その1つ1つが,コンパクトで滑らかな部分多様体である場合に,それぞれの多様体のまわりに集中した解を構成するためには,法バンドルが自明なframed manifoldであるという仮定が必要であることがわかり,その仮定の下で,Fermi座標系におけるリーマン計量の成分のテイラー展開を計算し,微小パラメーターを0に近づける特異摂動問題に対する近似解を構成することが出来た.本研究の目的は、非線形楕円型偏微分方程式の解の部分多様体への集中現象、反応拡散系における空間的に集中した解の時間振動現象,非線形波動方程式の自由振動共鳴現象など、非線形偏微分方程式における種々の集中・振動現象を、変分法、リャプノフ・シュミットの縮約法、分岐理論、不変多様体理論、漸近展開法などの手法により解明することである。非線形現象に現れる複雑な時空間パターンの形成およびダイナミクスの解明は、数学のみならず物理学・化学・生物学・工学に至るまで自然科学の諸分野において重要な研究テーマであり、解析的手法または数値計算的手法により多くの研究がなされている。近年、分岐理論・中心多様体理論・特異極限法などの解析手法の開発により、多くの特徴的な解の情報を理論的に得ることに成功している事例はあるものの、そのような状況は限定的であり本格的な理論構築が待望されている。一方で、反応拡散系の数値シミュレーションにより複雑な時空間パターンをコンピュータ上で再現するなど理論的には証明されていないが多くの数値的知見を得る場合も多い。そこで、個々の問題に別々に用いられてきた解析手法を整理・集約し互いに共有し、複雑な非線形現象の解明に必要な手法を開発する足がかりとするため、この分野の研究者を国内および海外から招聘し、研究代表者として副代表者とともに、RIMS研究集会「非線形現象に現れるパターン形成の数理解析」を開催し、研究討論を行なった。今後は、特異極限における界面や部分多様体への集中現象を縮約法によりさらに理論的に解明していく予定である。本研究の目的は,非線形楕円型偏微分方程式の解の部分多様体への集中現象,反応拡散系における空間的に集中した解の時間振動現象,非線形波動方程式の自由振動共鳴現象など,非線形偏微分方程式における種々の集中・振動現象を,変分法,リャプノフ・シュミットの縮約法,分岐理論,不変多様体理論,漸近展開法などの手法により解明することである.非線形シュレディンガー方程式は,原子気体のボーズ・アインシュタイン凝縮や,ある非線形光学材料における光の伝播の記述など,物理の様々な分野で現れる方程式である.凝縮体の粒子はポテンシャルにより小さい領域にトラップされるため,粒子数密度が小さい領域に集中した状態が安定に存在する.この安定した凝縮体の基底状態は,非線形シュレディンガー方程式の定在波解を求めることにより得られる.したがってこの基底状態を求める問題は,非線形楕円型偏微分方程式の問題に帰着する.また,あるパラメーターが非常に小さい場合,すなわち,半古典状態と呼ばれる定在波解を数学的に取り扱うため,微小パラメーターを0に近づける特異摂動問題を考察する.この半古典状態の最も特徴的な性質は,解の集中現象が生じることである.

ポテンシャル関数の零点の連結成分が複数あり,その1つ1つが,コンパクトで滑らかな部分多様体である場合に,ある0に近づく微小パラメーターの列に対して,それぞれの多様体のまわりに集中した解で,それぞれの多様体のまわりでの解のプロファイルが,その余次元と同じ次元の空間における正値球対称解であるようなものが存在することを示した.本研究の目的は,非線形楕円型偏微分方程式の解の部分多様体への集中現象など非線形偏微分方程式における種々の集中・振動現象を,変分法,リャプノフ・シュミットの縮約法,分岐理論,不変多様体理論,漸近展開法などの手法により解明することである。ポテンシャル関数がユークリッド空間における$q_k$次元の滑らかでコンパクトなframed部分多様体上で0となるような臨界周波数の場合を考察した。ここで部分多様体がframedであるとは,その法バンドルが自明であることをいう。この場合,ポテンシャルの零点集合の多様体は,ユークリッド空間のコンパクトな部分多様体の族の中で,ポテンシャル関数の「あるべき」を重みに持つ体積汎関数の極小点になっている。臨界周波数の場合の極限問題は,ポテンシャル関数の下限が正の場合とはまったく異なる。臨界周波数の場合に非自明な極限問題を得るためにはスケーリング変換が必要である。多様体上の点によらないスケーリングで極限問題を得るためにポテンシャル関数が多様体の近傍で多項式オーダーで減衰することを仮定する。以上のような臨界周波数の場合で,ポテンシャル関数の零点の連結成分がコンパクトで滑らかなframed部分多様体であるものが複数個ある場合に,それぞれの多様体から離れると指数的に減衰していて,各多様体のまわりでの解の極限プロファイルはその余次元と同じ次元の空間における正値球対称解となっているような正値解について考察した。リャプノフ・シュミットの縮約法を用いることにより,上の条件を満たす正値解を持つような微小パラメーターの値で0に近づく列が存在することを示した。非線形偏微分方程式ポテンシャル関数の零点の連結成分が複数あり,その1つ1つが,コンパクトで滑らかな部分多様体である場合に,局所的に解を構成するだけでは駄目で,それぞの多様体がglobalにnormal frameをもつことが必要であることが明らかになったため,当初考えていた手法を修正する必要が出て来たため.リャプシュミット法では、特異極限問題においてスペクトルの共鳴現象の理論的解析が非常に複雑な計算を要するため。ポテンシャル関数が無限遠で0に減衰する場合にもいくつかの点のまわりに集中した解が存在するか,ポテンシャル関数が無限遠で非有界の場合,ポテンシャルの0点や特異点のまわりに集中した解は存在するかなどに関する問題が課題として残っているが,ポテンシャル関数の零点の連結成分が複数あり,その1つ1つが,コンパクトで滑らかな部分多様体である場合の考察は進んだ.特異摂動問題に対して近似解のまわりでの線形化固有値問題の解析に技術的な問題があることがわかったため,共鳴が起こっている固有値に対応する固有関数の展開の計算を修正していく.また,時間遅れを持つ反応拡散系の線形化固有値問題に対しては,空間的に集中した定常解のまわりでの線形化固有値問題において,固有値の時間遅れパラメーターに関する依存性を調べ,非定数定常解の安定性・不安定性,およびホップ分岐について解析していく.
逆平行鎖セルロース分子集合体の合成 -マーセル化を深く理解するために-

セルロースのマーセル化とはセルロースのアルカリ膨潤処理のことを言う。マーセル化によりセルロースの結晶構造はセルロースI型からセルロースII型に変化する。セルロースI型はセルロース分子鎖が平行に、セルロースII型は逆平行に配向していると言われている。ところが、研究代表者は分子鎖の向きが揃ったセルロース鎖の結晶構造がセルロースIIであるという実験事実を得た。この事実は一般的な学説と反する。そこで本研究では、隣り合う分子鎖が逆平行であるセルロース分子鎖集合体を合成し、『マーセル化がセルロース分子鎖の方向に与える影響』に関する新説を提唱する。
加齢黄斑変性におけるrefractile drusenの臨床的特徴・遺伝学的背景

加齢黄斑変性は、網膜の黄斑部が障害される疾患で、60歳以上の主な失明原因の一つである。ドルーゼンとは加齢性の変化に伴い網膜色素上皮近傍に蓄積する脂質を主成分とした沈着物の総称である。Refractile drusenは、加齢黄斑変性との関連、特に網膜色素上皮の萎縮(萎縮型加齢黄斑変性)に関連すると報告があるが、国外のみでの報告であり、国内での状況は明らかにされていない。本研究では日本人におけるrefractile drusenの臨床研究を行う。萎縮型加齢黄斑変性は現在有効な治療薬がないため、refractile drusenの病態解明は、萎縮型加齢黄斑変性の病態解明にも寄与するものと考えられる。黄斑外来の治療歴がない初診患者より、早期加齢黄斑変性(ドルーゼン)および後期加齢黄斑変性(滲出型・萎縮型加齢黄斑変性)を有する患者を全て抽出した。約1800名の採血からDNAを抽出し、まずは後期加齢黄斑変性に最も関連するとされる3つの一塩基多型ARMS2 A69S (rs10490924), CFHI62V (rs800292), CFH Y402 (rs1061170)について検索した。臨床データに関しては、カラー眼底写真で初診時のrefractile drusen, reticular pseudodrusenの有無を判定した。対象患者の抽出、遺伝子解析の遂行、臨床データの解析の一部が実施できた。臨床検査画像から、臨床データの経過を追い、遺伝子解析の結果との関連を検討する。その結果より、萎縮型加齢黄斑変性の病態について考察する。
Wntシグナルの転写因子Lef1のタンパク質分解の制御機構と生理学的意義の解明

Wnrシグナル伝達系は、「動物の体の形態形成」、「幹細胞の増殖」、「癌の発症」に関わる重要なシグナル伝達経路である。Wntシグナルが活性化した細胞では、細胞質内でβカテニンが安定化し、その結果としてβカテニンが核内に移行して転写因子Tcf/Lefが標的遺伝子の転写を誘導する。これまでに、βカテニン及びTcf/Lefファミリーの転写因子Lef1がユビキチン-プロテアソーム系によって分解されていることが明らかになっている。本研究においては、Wntシグナルの制御に関わる蛋白質分解の機能と制御を解析する。他の研究グループによる培養細胞株を用いた研究により、プロテインキナーゼNLKがLef1をリン酸化し、このリン酸化がLef1の蛋白質分解を誘導することが最近明らかになった。私たちはこれまでに、NLKがプロテインキナーゼHIPK2によって活性化されることを明らかにしている。私と共同研究者であるDr.Verheyenは、HIPK2がNLKの活性化を介してLef1の分解を誘導するのではないかと予測し、ショウジョウバエを用いてこの可能性を検討した。ショウジョウバエにおいてHIPK2を機能阻害したところ、予想外なことに、Wntシグナル低下個体と同様の翅形成異常を示し、また、翅原基においてβカテニン蛋白質の減少が観察された。さらに、HIPK2を過剰発現したところ、Wntシグナル亢進個体と同様の翅形成異常やβカテニン蛋白質の増加の誘導が観察された。また、培養細胞株を用いた実験により、ショウジョウバエHIPK2がショウジョウバエβカテニンに結合してこれをリン酸化することが明らかになった。以上の結果より、ショウジョウバエにおいてHIPK2がβカテニンの安定性を促進し、Wntシグナルを促進することが明らかになった。本成果は、Development誌において公表した。Wntシグナル伝達系は、「動物の体の形態形成」、「幹細胞の増殖」、「癌の発症」に関わる重要なシグナル伝達経路である。Wntシグナルの機能と制御の解明は、将来的な新たな医療技術の開発や創薬につながると期待されている。Wntシグナルは、細胞が細胞間情報伝達分子Wntを受容することにより活性化する。Wntシグナルが活性化した細胞では、転写因子Tcf/Lefが標的遺伝子の転写を誘導する。私たちはこれまでに、「(1)Tcf/Lefファミリーの転写因子Lef1がユビキチンープロテアソーム系によって分解されていること」、「(2)シグナルタンパク質NrarpがLef1の分解を阻害し、Lef1を安定化すること」、そして「(3)NrarpによるLef1分解の回避が神経堤細胞の発生に関わること」を見出している。しかし、Lef1の分解の制御機構は分子・個体いずれのレベルにおいても未だに理解が不十分である。本研究においては、脊椎動物個体を用いた細胞生物学的及び遺伝学的解析と生化学的解析を組み合わせて研究を行い、Lef1タンパク質の安定性の制御とその意義を解明することを目標とする。本年度はまず、Nrarp結合蛋白質の探索を行った。そして、BAG2-CHIP複合体がNrarpに結合すること、BAG-CHIPがLef1分解を促進することを見いだした。来年度以降は、BAG2-CHIPが個体レベルにおいてもLef1分解に貢献しているかどうかを検討する予定である。これまでにNLKと呼ばれるキナーゼがin vitroでLef1の分解を正に制御することが分かっている。そこで、NLKがin Vivoにおいても同様の機能を担うかどうかゼブラフィッシュを用いて検討した。その結果、NLK機能阻害胚がWntシグナルが亢進したときと同様の表現型を示すことが明らかになった。現在、その表現型をさらに詳細に検討している。
炎症細胞の脳特異的浸潤における脳血管内皮細胞-脳ペリサイト機構の役割

炎症性中枢神経疾患における脳特異的な炎症細胞の浸潤が脳血iL管内皮細胞脳ペリサイト問情報伝達によって惹起される可能性を追求し、自己免疫疾患における中枢神経変性の新たな治療標的を提供することを主眼とした。本研究の主要な成果を以下に示す。(1)炎症性サイトカインTNF-αはマウス脳血管内皮細胞株(MBEC4)のICAM-1およびVCAM-1発現量を増加させた。(2)MBEC4-脳ペリサイト共培養では、TNF-αによる接着分子ICAM-1およびVCAM-1発現増加作用は阻害され、マクロファージ細胞株であるJ774A.1細胞の血液脳関門浸潤を抑制した。。以上、脳ペリサイトは炎症性病態下における脳血管内皮細胞上の接着分子発現を抑制し、炎症細胞の脳実質への浸潤を抑制することが判った。。本研究は炎症性中枢神経疾患における脳特異的な炎症細胞の浸潤が脳血管内皮細胞-脳ペリサイト間情報伝達によって引き起こされる可能性を複眼的視点から追求し、自己免疫疾患における中枢神経変性の新たな治療標的を提供することを主眼とし、平成21年度は脳ペリサイトの炎症細胞遊走因子などの液性因子産生を明らかにした。培養したラット脳ペリサイトに炎症性サイトカインとしてTNF-αを添加し、24時間後、脳ペリサイトの全RNAを抽出した。全RNAはリアルタイムRT-PCR法を用いたRT^2 Profiler^<TM> PCR Arrayシステム(SA Biosciences社)を用いて網羅的にサイトカイン・ケモカインの遺伝子発現量の変化を調べた。脳ペリサイトは炎症性サイトカインであるTNF-αによって、多様なサイトカイン、ケモカインを産生することが明らかとなった。なかでもCCL22,CCL5,CXCL2,CXCL1,CCL9,CCL20,CCL7,CXCL6,CCL2は40倍以上も増加した。平成22年度は脳ペリサイトが脳血管内皮細胞上の接着因子発現に及ぼす影響や炎症細胞遊走を惹起するかを検討する。以上、TNF-αは脳血管内皮細胞からも産生されること、血液脳関門を透過し、末梢から中枢へと移行することを考え合わせると、この知見は炎症性病態下における脳内のサイトカイン、ケモカイン発現量増大に脳ペリサイトの関与を示唆するものである。本研究は炎症性中枢神経疾患における脳特異的な炎症細胞の浸潤が脳血管内皮細胞-脳ペリサイト間情報伝達によって引き起こされる可能性を複眼的視点から追求し、自己免疫疾患における中枢神経変性の新たな治療標的を提供することを主眼とし、平成22年度は脳血管内皮細胞上の接着分子(ICAM-1およびVCAM-1)発現および炎症細胞遊走における脳ペリサイトの役割を明らかにした。炎症性サイトカインTNF-αはマウス脳血管内皮細胞株(MBEC4)のICAM-1およびVCAM-1発現量を増加させた。また、多発性硬化症患者の血液中に多く認められる他の炎症性サイトカインIL-6およびIL-1βはICAM-1およびVCAM-1発現量を増加させなかったことから、TNF-αが主要な接着分子発現誘導因子であることが示唆された。脳ペリサイト共培養下(MBEC4/Pericyte co-culture)では、TNF-αによるこの接着分子発現増加作用は阻害され、マクロファージ細胞株であるJ774A.1細胞の血液脳関門浸潤を抑制した。このとき、TNF-αによるアルブミンの血液脳関門透過に変化は認めなかった。これらの結果は炎症細胞の浸潤は脳血管内皮細胞間の密着結合の破綻によるものではなく、経内皮的に脳実質へ浸潤することを示唆する。この知見は炎症性病態下における炎症細胞の脳浸潤を防ぐ新たな治療標的として脳ペリサイトを提示するものである。
フランスの大都市圏における移民の社会的統合政策の調査研究

1.大都市圏における移民の現状把握とその社会的統合政策の試みの把握。大都市圏の郊外の移民第二世代を中心とした社会問題が多発する中で、移民第二世代の中から新たな革所の試みがなされており、そうした多様な試みをさぐることに努めた。また1980年代の移民第二世代の社会運動(ブールの運動)が、1990年代後半になって、どのような形で変化したのかを把握することに努めた。そこでは、80年代の激しい社会運動から第二世代の自動努力、政治参加、制度化などの新しい形態への移行が認められた。2.国籍法の改正をそれに伴う移民の政治参加の形態との問題点の把握。保守政権による移民規制(パスクア法、ドブレ法)がなされ、1997年の社会党政権の成立により、このバスクア法、ドブレ法への対応が注目されていたが、シュベータマン法という形で、再度改正がなされた。こうした新しい状況に関する資料の収集を行なった。また、こうした作業を通じて、フランスにおける国語をめぐる現状を論争について把握に努めた。また、近年のフランスでキーワードとなりつつある「フランス型多文化主義」に関する識者の意見収集を行なった。3.不法滞在者(サンパピエ)に対する支援と排除の両面からフランス社会の統合能力の状況と問題点の把握。移民支援団体への聞き取り調査を中心とし、不法滞在(サンパピエ)の運動及び、彼らへの支援の状況の把握に努めた。また、上記の移民第二世代(ブール世代)の社会問題とサンパピエの合法化を求める運動との関係と不連続性の分析に努めた。(1)大都市圏における移民の現状把握と、その社会的統合政策の試みの把握。大都市圏の郊外で第二世代を中心にして失業等の社会問題が累積し、しばしば『暴動』にまで発展している。そうした状況の中で、第二世代の中から新たな革新の試みもなされており、そうした試みを探ろうと試みた。まずパリ、リヨン等の郊外のHLM地区を視察し、関係者にインタビューを行ない、問題点の把握に努めた。続いてマグレブ系の地区にあるモスク等のイスラム関連施設を訪れ調査を行なった。さらに、こうした問題を研究対象としているフランスの識者たちへのインタビューを行ない、問題の構造の把握に努めた。(2)国籍法、移民規制法の改正にともなう移民の政治参加の形態とその問題点の把握。改正国籍法(1993年)以降の国籍取得状況に関する全国的統計調査は未だ行なわれていないため、人権団体等のメンバーへのインタビューを通して、その把握に努めた。また、一部地方都市で行われた調査などの資料収集を行った。。その他、移民関連法制の社会的政植下における改正案に関する資料の収集を行なった。さらには、近年フランスでのキーワードになりつつある「フランス型多文化主義」に関する識者の意見収集等も行なった。(3)不法滞在者に対する支援と排除の両面から見た、フランス社会の統合能力の状況と問題点の把握。移民支援団体(DAL・住居への権利)の長期取材を中心とし、その他の移民関連団体へのインタビューを通して、不法滞在者支援の状況の把握を行なった。(1)大都市圏における移民の現状把握とその社会的統合政策の試みの把握。大都市圏の郊外の移民第二世代を中心とした社会問題が多発する中で、移民第二世代の案化から新たな革新の試みがなされており、そうした多様な試みをさぐることに努めた。また、1980年代の移民第二世代の社会運動(ブールの運動)が、1990年代後半になって、どのような形で変化したのかを把握することに努めた。そこでは、80年代の激しい社会運動から第二世代の自動〓力、政治参加、制変化などの新しい形態への移行が認められた。(2)国籍法の改正とそれに伴なう移民の政治参加の形態とその問題点の把握。

保守政権による移民規制(パスクア法、ドブレ法)がなされ、1997年の社会党政権の成立により、このパスクア法、ドブレ法への対応が注目されていたが、シュベーヌマン法という形で、再度改正がなされた。こうした新しい状況に関する資料の収集を行なった。また、こうした作業を通して、フランスにおける国籍をめぐる現状と論争について把握に努めた。また、近年のフランスでキーワードとなりつつある「フランス型多文化主義」に関する識者の意見収集も行なった。(3)不法滞在者(サンパヒエ)に対する支援と排除の正面からみたフランス社会の統合能力の状況と問題点の把握。移民支援団体への聞き取り調査を中心とし、不法滞在者(サンパピエ)の運動及び、彼らへの支援の状況の把握に努めた。また、上記の移民第二世代(ブール世代)の社会問題をサンパピエの合法科を求める運動との関連と不連続性の分析に努めた。
パルスパワー技術による放射性物質汚染コンクリートの減容化と再資源化

福島第一原子力発電所事故により飛散した放射性物質のうち,一般的に放射性セシウム134Cs,137Cs)は主に陽イオンとして非常に安定した状態で粘土鉱物に取り込まていると考えられており,コンクリート中では多孔質な間隙や粘土質に吸着しやすく,高密度な粗骨材には吸着しにくいことがわかっている.コンクリートの構成材料である粗骨材は材料体積の約4割を占め,セシウムが吸着しにくいと考えられている粗骨材を分離して,放射性コンクリート廃棄物の減容化が期待できる.本年度は,福島第一原子力発電所の事故で汚染した実汚染コンクリート試料を福島第一原子力発電所の所在地である大熊町から提供していただいた.このコンクリート試料1482gを対象としてパルス破砕を行い粗骨材,微粒分,処理水の回収を行って,それぞれの放射性セシウムの含有量を調べることとした.既往の研究ではコンクリート試料の破砕は,5mm,2.5 mmおよび1.2mmの3種類の網目サイズをもつ網籠電極を使用して,粗骨材と細骨材を3段階処理により,付着セメントペーストの少ない骨材の回収を試みた.印加する電圧については,従来の400kVでは粗骨材が砕け粒度の小さいものが多く回収されてしまったため,300kVと電圧を小さくしたものの結果,粗骨材の回収率が極端に低くなってしまった.よって本年度は,2.5mmにおけるパルス破砕を行わずに,5mmの金網と1.2mmの金網の2段階処理でパルス破砕を行った.また電圧を200kVとさらに低下させ放電回数を増やして骨材の回収率を上げることができた.回収骨材の放射性物質含有量を粒度別に比較すると,粒度の小さい骨材ほど放射性物質の濃度が高いことが判明した.つまり,粒度の小さい骨材を回収することで汚染コンクリート除去効率が上昇することが示された.一方処理水の分析結果では処理水には放射性物質が移行していないことが分かった.平成30年度が最終年度であるため、記入しない。平成30年度が最終年度であるため、記入しない。パルスパワー技術による汚染コンクリートの除染試験を実施した結果、5mmの金網電極を使用した一次破砕処理によって発生する1.2mmの微粉を分離することにより、汚染コンクリートの放射能濃度を約2/3から1/2程度に低減し、発生する汚染微粉は処理したコンクリートの約25wt%になることが確認された。また、5mmの金網電極による一次処理、2.5mmの金網電極による二次処理、及び1.2mmの金網電極による三次処理を実施することにより、初期の放射能濃度を約1/4から1/3に低減させた骨材が得られ、その量、すなわち回収率は初期のコンクリート質量の約43wt%から47wt%になることが明らかとなった。骨材の累積回収率と放射能の残存率においては相関関係があることが示唆され、処理対象となる汚染コンクリートの累積回収率と放射能残存率を明らかにすることにより、除染の程度や、減容率を制御可能であるとの知見が得られた。また、パルスパワーによるコンクリートの除染では、放射性セシウムで汚染した粉塵を発生することもなくコンクリートを破砕でき、これまで実施した試験では使用した処理水の汚染も確認されてはいない。これらから破砕処理による汚染コンクリートの二次廃棄物の発生量の低減が期待でき、汚染コンクリートの汚染状態によって放射性廃棄物のレベル区分の高い廃棄物処分量が低減できるとともに、廃棄物の減容率の向上や再利用可能な骨材の回収など汚染コンクリートの処分コスト低減に向けて幅広く活用が可能であると考えられる。一方、今回の試験に供試された放射性汚染コンクリートの使用骨材の品質は、実際の構造用コンクリート、特に原子力施設に利用されるコンクリートに使用される骨材の品質に比して低いとの疑いがある。したがって、実際に原子力施設に利用されているコンクリートの使用骨材と同等の品質をもつ骨材を特定し、今後の試験に反映させたい。本学においては、熊本地震による研究設備ならび機材の被災からその復旧までに多大な費用と時間を要している。本研究においてもその影響を受け、実験の開始が当初予定よりも大幅に遅れた。また、汚染コンクリートの破砕分離処理の工程において、その作業および分析精度が従来に比べて劣る結果となり、その再検証を進めているところである。さらに、放射能汚染コンクリートの試料採取については従来から困難を強いられており、その入手については今後の研究進捗において解決すべき大きな課題となっている。パルスパワーによる再生骨材製造設備の概要:パルスパワーによる再生骨材製造設備は、自動入替装置、充電装置、放電装置および制御装置により構成されている。処理能力は一般的なコンクリートから再生骨材Hの製造で1 t/hであり、天然骨材を用いたコンクリートであれば2 t/hに向上する。既存設備と比較して処理能力が低いが微粉の発生量を低減できるため、微粉処理費の低減が期待できる。最終的には処理能力を10 t/h程度まで向上させられるように現在も開発が進められている。消費エネルギーは一般コンクリートで18 kWh/tであり、砂利コンクリートで9 kWh/tである。パルスパワーによる再生骨材製造コストの算出:現在の設備の処理能力は2 t/h程度である。原子力施設のコンクリートは天然骨材を用いていることが多いため、パルスパワー再生骨材製造設備の処理能力を2 t/hとした。

そのため、1時間あたりの処理能力を満足するように粗骨材で2台、細骨材で2台の合計4台(粗骨材1台と細骨材1台の組合せを1系統とする)を設置するとした。また、パルスパワーは最後に処理水槽に沈下する残渣を再生細骨材と微粉に分ける必要があるため、粒度調整機も設置した。ただし、粒度調整機はパルスパワー製造設備に比べて処理能力が高いため、設置数を1台とした。なお、製造された再生骨材の運搬等の重機はパルスパワーによる再生骨材の製造でも必要と考え、コスト低減対策前の場合と同一とした。その結果、設備費の総額は162,720千円から123,720千円に低減し、減価償却費で表すと20,340千円/年から15,465千円/年に低減した。これは、既存技術では必要であった加熱装置および磨砕機がないためである。平成28年度の調査により、再生骨材の利用が進まない課題として、製造コストが高額であることや発生する微粉の処理などを抽出した。その対策の一つとしてパルスパワーによる再生骨材の製造について検討を実施した。この製造方法は短時間で大電力が発生するパルスパワーを利用した制御破壊により、骨材に付着するペーストの低減効果が期待でき、骨材を損傷させずに回収できることや微粉の発生量を低減できる特徴があることが本年度の研究により明らかにされた。さらに、エネルギーを時間的に圧縮・重畳することによる大きな仕事量を得ることができるため、消費エネルギーを削減できる可能性があることも示した。福島第一原子力発電所事故により飛散した放射性物質のうち,一般的に放射性セシウム134Cs,137Cs)は主に陽イオンとして非常に安定した状態で粘土鉱物に取り込まていると考えられており,コンクリート中では多孔質な間隙や粘土質に吸着しやすく,高密度な粗骨材には吸着しにくいことがわかっている.コンクリートの構成材料である粗骨材は材料体積の約4割を占め,セシウムが吸着しにくいと考えられている粗骨材を分離して,放射性コンクリート廃棄物の減容化が期待できる.本年度は,福島第一原子力発電所の事故で汚染した実汚染コンクリート試料を福島第一原子力発電所の所在地である大熊町から提供していただいた.このコンクリート試料1482gを対象としてパルス破砕を行い粗骨材,微粒分,処理水の回収を行って,それぞれの放射性セシウムの含有量を調べることとした.既往の研究ではコンクリート試料の破砕は,5mm,2.5 mmおよび1.2mmの3種類の網目サイズをもつ網籠電極を使用して,粗骨材と細骨材を3段階処理により,付着セメントペーストの少ない骨材の回収を試みた.印加する電圧については,従来の400kVでは粗骨材が砕け粒度の小さいものが多く回収されてしまったため,300kVと電圧を小さくしたものの結果,粗骨材の回収率が極端に低くなってしまった.よって本年度は,2.5mmにおけるパルス破砕を行わずに,5mmの金網と1.2mmの金網の2段階処理でパルス破砕を行った.また電圧を200kVとさらに低下させ放電回数を増やして骨材の回収率を上げることができた.回収骨材の放射性物質含有量を粒度別に比較すると,粒度の小さい骨材ほど放射性物質の濃度が高いことが判明した.つまり,粒度の小さい骨材を回収することで汚染コンクリート除去効率が上昇することが示された.一方処理水の分析結果では処理水には放射性物質が移行していないことが分かった.引き続き、放射能汚染コンクリートのパルスパワーによる破砕試験により本手法の適用性検討を進める。
高温・高圧下における鉄-含水ケイ酸塩反応と原始マントル・コアの化学進化

本年度は当初予定していた高圧下X線回折装置の納入・調整が遅れたために研究計画のうちで若干の予備実験を行うに止まった。その進捗状況を略記する。1.電気的測定を高圧下で行うための測定制御システムは、本研究費による購入分と大学予算による追加講入分を合わせて組み上げられ、時間的変化を追跡できるよう、調整され、予備実験が行われた。2.遷移金属-水反応に含まれる部分反応である遷移金属の水素化と、それに伴う金属の融点降下については、高圧下X線回折による観測を行ったが、未だ実験的困難が完全には克服されず、予備的段階にとまっている。3.今後の研究計画における最初の目標は、遷移金属中への水素の溶解(水素化物形成)による融点降下の定量的、一般的傾向についての実験であり、ついで鉄-水素系の状態図を決定することである。高圧装置はようやく稼動状態に入ったので、ほどなく成果が得られるものと期待される。
ボツリヌス毒素の腸管よりの吸収機構の解明

ボツリヌスC型菌は分子量約15万の神経毒素に分子量約14万の無毒成分(non-Tox non HAと命名)を結合してM毒素を、さらにこれに赤血球凝集素(HA)を結合してL毒素を形成する。A型菌の場合はM、L毒素の他、L毒素が2分子結合したLL毒素も産生する。我々はHAはHA1(33kDa)、HA2(17kDa)、HA3a(22kDa)、HA3b(53kDa)よりなること、L(およびLL)毒素はM毒素よりも効率よく腸管から吸収されることを報告してきた。精製A型LおよびLL毒素、大腸菌で人工合成した各HAサブコンポーネントのモルモットの小腸上皮細胞への結合性を調べ、A型毒素は主にHA1を介して結合することを認めた。さらにこれら毒素の赤血球への結合を詳細に解析し、そのレセプターはGalβ1-4GlcNAcであることを示した。C型のL毒素および各サブコンポーネントを用いて同様の実験を試みたところ、毒素の腸上皮細胞および赤血球の結合には、当初シアル酸に結合するHA3bのみが関与すると思われたが、HA3b、HA1の両方が関与しており、HA1のレセプターはシアリルラクトースであることが推察された。なお、HA1の重要性は、HA活性の低いC型L毒素では、HA1のC端が欠失していたこと、HA1に対するモノクローナル抗体がL毒素の経口毒性を減少中和したことからも示唆された。さらに、C、D型の無毒成分はほとんど同一のアミノ酸配列を示すことから、この無毒成分を用いて腸管免疫を高めると、C、D型両毒素の吸収を阻害することも認めた。ポツリヌス神経毒素に結合している無毒成分の1つである赤血球凝集素(HA)はHA1、HA2、HA3a、HA3bのサブコンポーネントより成る。A型菌より7S(神経毒素)、12S、16Sと19S毒素(両者を併せてHA^+-毒素と命名)を精製した。またHA1HA3bの各サブコンポーネントをGST融合蛋白として作製した。HA^+-毒素は赤血球膜に存在するglycophrinがもつN-結合型糖鎖のGalβ1-4 GlcNAcに主に結合した。モルモットの小腸切片に対する結合性では、HAサブコンポーネント中、HA1とHA3bのみが結合活性を示したが、HA3bはシアル酸に、HA1はHA^+-毒素と同様にガラクトースを認識していた。以上のことより、A型HA^+-毒素は、HA1を介し、糖蛋白質のガラクトース分子に主に結合すると結論した。同様のことをC型菌より得た、7S、12S、16S毒素、および各HAサブコンポーネントで行ったところ、16S毒素はシアル酸に結合した。赤血球をシアリダーゼで処理すると、16S毒素およびHA3bの結合は激減したが、HA1の結合は低下しなかった。しかし、腸切片においては、シアリダーゼ処理すると、16S毒素、HA3bのみならずHA1の結合性も低下した。各HAサブコンポーネントに対する、数種類のモノクローナル抗体による結合阻害実験では、HA1に反応する抗体は、16S毒素の結合性も阻害した。従ってC型16S毒素の小腸上皮への結合性はHA3bのみならず、HA1も関与していること、C型HA1の認識する糖鎖はA型HA1とは多少異なることが示唆された。また、C型16S毒素はモルモットの腸粘膜ムチン由来分子量約700kDaのムチン(糖蛋白質)に、また、T84細胞に非常に高い親和性で結合することも判明した。

ボツリヌスC型菌は分子量約15万の神経毒素に分子量約14万の無毒成分(non-Toxnon HAと命名)を結合してM毒素を、さらにこれに赤血球凝集素(HA)を結合してL毒素を形成する。A型菌の場合はM、L毒素の他、L毒素が2分子結合したLL毒素も産生する。我々はHAはHA1(33kDa)、HA2(17kDa)、HA3a(22kDa)、HA3b(53kDa)よりなること、L(およびLL)毒素はM毒素よりも効率よく腸管から吸収されることを報告してきた。精製A型LおよびLL毒素、大腸菌で人工合成した各HAサブコンポーネントのモルモットの小腸上皮細胞への結合性を調べ、A型毒素は主にHA1を介して結合することを認めた。さらにこれら毒素の赤血球への結合を詳細に解析し、そのレセプターはGa1β1-4GlcNAcであることを示した。C型のL毒素および各サブコンポーネントを用いて同様の実験を試みたところ、毒素の腸上皮細胞および赤血球の結合には、当初シアル酸に結合するHA3bのみが関与すると思われたが、HA3b、HA1の両方が関与しており、HA1のレセプターはシアリルラクトースであることが推察された。なお、HA1の重要性は、HA活性の低いC型L毒素では、HA1のC端が欠失していたこと、HA1に対するモノクローナル抗体がL毒素の経口毒性を減少中和したことからも示唆された。さらに、C、D型の無毒成分はほとんど同一のアミノ酸配列を示すことから、この無毒成分を用いて腸管免疫を高めると、C、D型両毒素の吸収を阻害することも認めた。
ALSラットモデルにおける神経前駆細胞の解析と新規治療法の開発

筋萎縮性側索硬化症(Amyotrophic Lateral Sclerosis以下ALS)は神経疾患のなかで最も過酷な疾患とされており、早期に病因の解明と有効な治療法の確立が求められている。本研究ではALSの新しい動物モデルとして確立したヒト変異Cu/Zn SOD遺伝子導入ラット(以下Tgラット)を用いて、再生医療の開発を念頭に内在性神経前駆細胞の解析を開始した。これまでにTgラットにブロモデオキシウリジン(BrdU)を投与して脊髄の増殖性細胞を標識、病態下における脊髄神経前駆細胞の増殖と分化を検討したところTgラットでは運動ニューロン脱落前より有意に脊髄神経前駆細胞が増殖していたが、その多くはグリア系細胞に分化していることが示された。本年度は、発症前(10,15週齢)、運動ニューロン脱落開始直後(20週齢)、発症後早期(21週齢)、および末期(24週齢)のH46R変異Tgラットと週齢一致非Tgラット(各群n=4-5)に対して、BrdUを7日間連日投与し増殖性細胞を標識、脊髄の灌流固定後凍結切片を作成して多重免疫組織化学により解析した。1)内在性未分化NPCsの増殖は運動ニューロン脱落開始直後や発症後早期には検出されず、末期に至って中心管周囲にようやく検出された。このことから運動ニューロン脱落に対する内在性NPCsの増殖には一定の閾値の存在が示唆された。一方、2)このような未分化NPCsを外来性再生誘導因子によって賦活する方法として、肝細胞増殖因子(HGF)を運動ニューロン脱落開始後(22週齢)のTgラットに2週間持続髄腔内投与した。その結果、非投与群に比べさらにBrdU陽性細胞の増加を認めた。このことからHGFには内在性NPCsを賦活増殖させる作用があると想定された。
メタボリックシンドロームの発症に及ぼす栄養素摂取および食物消費構造の影響について

メタボリックシンドローム(MetS)に対する食事性因子の影響を検討した。1)横断研究において、食物消費構造の検討では、MetSリスクは菓子因子または米・酒類因子の者でリスクが増加した。副菜因子はMetSのリスクに関連しなかった。また、食事パタン以外の食事性因子として、コーヒー摂取が「ほとんど飲まない」者に対して「4杯以上/日」の者で有意なMetSリスクの低下がみられた。また、グライセミックインデックス(GI)の最も低い群に対し、最も高い群で有意なMetSリスクの上昇を認めた。2)追跡研究において、食物消費構造の検討した結果、間食(果物)因子の者でMetS発症のリスクが低下した。1.本年度の住民健診について住民健診は、6月24日から8月11日までの23日間で、受診者は、男性973名、女性1,297名の計2,270名であった。栄養調査については、現在、入力および点検作業を行っている。また、OSI結果については、栄養調査データの整理が完了した後、データベース化し集計作業に入る。2.2002年度(第4集団)の追跡研究について「メタボリックシンドロームと栄養摂取との関連(食物消費構造)」:因子分析の結果、固有値1以上の因子は7因子抽出された。第一因子の正方向には野菜類や大豆製品、藻類、きのこ類などの副菜因子が、負方向には米・酒類因子が抽出された。第二因子の正方向には和菓子類や洋菓子類などの菓子因子が、負方向には米・酒類因子が抽出された。因子得点の平均的なQ3群を基準とした時のリスクは、第二因子で正方向(菓子因子)へ行くほど、または負方向(米・酒類因子)へ行くほどリスクが増加した。第一因はMetSのリスクに関連しなかった。「メタボリックシンドロームと栄養摂取との関連(乳・乳製品)」:性、年齢、喫煙習慣、飲酒習慣および身体活動量を調整後のオッズ比は、0.63(0.41-0.96)であった。牛乳・乳製品との相関がみられた、栄養素をそれぞれ個別にロジスティックモデルに投入した結果、リスクはやや弱まったが、牛乳・乳製品はMetSとの関連が示された。また、判定基準別で最も関連のみられた項目は、高血圧であった。その他の診断基準で明らかな関連はがみられなかった。1.本年度の住民健診について住民健診は、6月16日から8月11日までの24日間で、受診者は、男性973名、女性1,302名の計2,275名であった。音響的骨評価値(OSI)は、骨粗鬆症財団基準によるOSIの判定基準を用い要精検と判定された者が、男性40名(4.1%)、女性453名(34.8%)であった。2.2002年度(第4集団)の追跡研究について本年度は食物消費構造とメタボリックシンドローム以外の生活習慣病との関連について検討した。2002年の健診における食習慣調査の成績と、2005年に実施した高齢者調査の成績を用いて、高齢者の認知機能と栄養素等摂取との関連について検討した。改訂長谷川式簡易知能評価スケール(HDS-R)とMini-Mental State Examination(MMSE)の日本語版を用いて点数化し、HDS-Rは20点以下を、MMSEは23点以下を認知機能低下の疑いありとして評価した。HDS-RとMMSEのいずれの検査でも疑いありと評価されたものは63名であった。HDS-R、MMSEの両方で認知機能低下と食事パターンとの関連を検討した結果、第一因子得点(正方向には緑黄色野菜、その他の野菜、藻類、豆・豆製品などの副菜因子、負方向にはアルコール飲料などの酒類因子のパターン)との関連がみられ、副菜型の食事パターンが認知機能低下のリスクを減少させることが示唆された。3.平成24年度(一斉健診)の準備住民健診にて食事調査を実施するにあたり、食事調査法の再検討を行った。また、平成25年度以降の計画として、新たに久山町における食事調査の妥当性を検討する予定である。1.本年度の住民健診について住民健診は、6月25日から8月7日までの25日間であった。住民健診受診者のうち、栄養調査(簡易版)受診者は男性938名、女性1,233名の計2,171名であった。入力作業が終了しデータセット作成の最終確認作業中である。また、昨年度実施した栄養調査については最終確認が終了し、平成26年度中にデータセット化を行う予定である。

2.研究成果について本年度の成果の一部として、メタボリックシンドローム(MetS)と食物消費構造との関連について1988年と1998年のデータを用いた追跡研究を行ったので報告する。久山町における1988年度および1998年度の成人健診を受診した40歳以上の者で、1988年時にMetSの者を除いた1,018名を対象とした。食物消費構造の検討は、19食品群を変量とした因子分析の主因子法を用い、因子負荷量および因子得点を算出した。因子分析により得られた個人の因子得点を四分位(Q1-Q4)に分け、ロジスティック回帰分析により性、年齢、喫煙習慣、飲酒習慣および運動習慣を調整したときのMetSおよびその構成因子のリスクを検討した。因子分析の結果、固有値1以上の因子は8因子抽出され、第一因子は正方向に米、負方向にパンの主食因子が抽出された。第二因子の正方向には副菜因子が、負方向にはアルコール因子が抽出された。第三因子の正方向に間食(果物)因子が、負方向にはアルコール因子が抽出された。因子得点の最も低い群(Q1群)を基準とした時のリスクは、第一因子、第二因子ではMetS発症リスクに関連しなかったが、第三因子で間食(果物)因子の者(Q4群)でオッズ比0.55(0.34-0.90)とMetS発症のリスクが低下した。これらの結果から、間食(果物)型の食事パタンはMetS発症のリスクを低下させることが示唆された。1.本年度の住民健診について住民健診は、6月28日から10月20日までの41日間であった。受診者は、男性1,296名、女性1,671名の計2,967名であった。本年度は、5年に一度の一斉健診であったため、通常の健診項目に加え、詳細な栄養調査を実施した。栄養調査については、現在、入力・確認中で、順次結果を返却する予定である。2.研究成果について(1)牛乳・乳製品摂取とメタボリックシンドローム(MetS)との関連(追跡研究)について1988年の成人健診を受診した40歳以上の成人男女2,596人を対象とした。これらの者で、1988年時にMetSの者、1998年の健診を受診しなかった者を除いた1,018人を最終的な解析対象とし、乳・乳製品の摂取がMetS発症に及ぼす影響を検討した。牛乳・乳製品の摂取量を四分位(Q1-Q4)にわけ、摂取量の最も低い群(Q1)に対するMetS発症リスクを、ロジスティック回帰分析により検討した。その結果、性、年齢、喫煙習慣、飲酒習慣および身体活動量を調整した後の、最も摂取量の多い群(Q4)のリスクは、オッズ比(OR)0.56(95%CI: 0.34-0.92)(P for trend=0.04)であった。各診断基準別に牛乳・乳製品摂取との関連を検討した結果、どの項目とも有意な関連を示さなかった。さらに牛乳と乳製品に分けて検討したが、MetSおよび各診断基準とも有意な関連を示さなかった。1.本年度の住民健診について住民健診は、6月27日から9月27日までの25日間であった。住民健診受診者のうち、栄養調査(簡易版・生活習慣等の項目を含む)受診者は男性1,114名、女性1,469名の計2,583名であった。入力作業が終了しデータセット作成の最終確認作業中である。また、昨年度実施した栄養調査については最終確認が終了し、平成27年度中にデータセット化が完了した。2.研究成果について本年度の成果の一部として、メタボリックシンドローム(MetS)とグライセミックインデックス(GI)グライセミックロード(GL)との関連について2002年のデータを用い検討したので報告する。久山町における2002年度の成人健診を受診した4079歳の2,319名を対象とした。
１価２価混合アルカリ珪酸塩融体の物理化学：地球科学―ガラス工学への応用

東京工業大学物質理工学院材料系、矢野・松下研究室に所属し、1価2価混合アルカリ珪酸塩融体の物理化学の研究に従事した。この期間に珪酸塩融体の分子動力学シミュレーションの結果の解析方法の開発に関する論文(Hung et al., 2016)、および珪酸塩融体のイオン液体・ネットワーク液体転移を示唆する論文(Noritake & Kawamura 2016)を発表。構造の変化に関する解析としてHanoi University of Science and Technology(現在Ton Duc Thang University所属)のHung教授と共同でネットワーク構造の変化の解析法として、Si-Oネットワークの分類法、さらに1価2価混合アルカリ珪酸塩融体の解析に非常に適していると考えられるSimplex Cluster解析を開発した(Hung et al., 2017, In Review)。それを用いて現在、過去の高圧力下におけるシミュレーションの解析を行っており、アルカリ元素が含まれるO-Simplexのクラスターの特徴が物性に大きく寄与することを見出しつつあり、論文の投稿の準備を進めている。この解析法を用いれば今までにできなかった混合アルカリ効果によって構造がどのように変化しているのかを特徴づけることができるようになるだろう。またその他の活動として前年度所属していた東京大学大学院理学系研究科地殻化学実験施設で行っていた高圧下における氷の物性に関する研究に理論計算担当として協力、論文を発表した(Komatsu et al., 2016; Watanabe et al., 2017)。6月に日本コンピュータ化学会吉田賞(論文賞)を受賞。翌年度、交付申請を辞退するため、記入しない。
生物多様性の維持機構に関する統計力学的・計算物理学的研究

数理生物学、ゲーム理論などの様々な分野で研究されている一般的な生物ネットワークモデルに対する、統計力学的研究を行った。特に、種数が多く複雑で多様な種間相互作用をもつ系が進化する条件を調べた.この成果はTheoretical Population Biology誌に掲載された(研究発表2,Tokita and Yasutomi,2003).さらに、実際の生態系で普遍的に観察される、いわゆる「種の豊富さのパターン(各種の個体数の分布を特徴づける巨視的なパターン)」を示していた.この群集モデルがもつ相互作用の対称性から、種の豊富さのパターンに対する統計力学的な理論解析が可能となり、環境条件および系の生産力や成熟度に関係する単一のパラメータに対して、共存する種数、個体数の分布、種の豊富さのパターンなどを解析的に得ることができた.個体数の分布は、実際の野外研究で観察される、「左に歪んだ」「カノニカル」な対数正規分布に近い形をとることもわかった。パラメータに依存する分布の形の変化も、野外研究での観察と一致していた.この成果はPhysical ReviewLetters誌に掲載された(研究発表3,Tokita,2004).これまでの種の豊富さのパターンについての理論は、単一栄養段階で競争関係にある比較的単純な群隼のみに適用可能であったが、本研究によって、より一般的な大規模群集に対しても適用可能な理論が初めて構成された.これは、本研究課題が目指した、統計力学的な視点の種多様性研究に対する有効性を示したといえる.また、上記のモデルとは異なるクラスの「反対称」相互作用をもつレプリケーター系(研究発表1,Chaawanya and Tokita,2002)に対する種の豊富さのパターンに関する統計力学的定式化も行い、野外研究でよく観察される分布(対数正規分布、マッカーサーの折れ棒モデルと等価な指数分布、フィッシャーの対数級数則など)を解析的に導くことができた.数理生物学を中心とする様々な分野で研究されている生態系モデル(レプリケーター方程式系)の数理的研究を行った。特に、関係している種数が多く、種間相互作用が複雑で多様な系が進化する条件を調べた。これは、近年理論的な解析が進んでいる「同所的種分化」の問題にも関係する。また、1970年代に始まるこれまでの数理研究においては、「大規模で複雑な種間相互作用を持つ生態系モデルは安定に存続できない」という理論的な結果が示されてきており、熱帯雨林や珊瑚礁などに普遍的に観察される大規模で複雑な生態系との矛盾が問題となっている。今年度は、『絶滅と分化を起こす生態系モデルに創発する複雑で安定なネットワーク』をTheoretical Population Biology(理論群集生物学),63(2003)131-146に発表した。当該論文において、絶滅、侵入および突然変異を取り入れ拡張したレプリケーター方程式を、種多様性の動態を表す最も簡単なモデルとして提案した。導入として、1970年代のGardner-Ashby、Robert Mayらの先駆的な理論研究から始まった大自由度理論生態学の歴史を概説した。新しいモデルは、従来調べられてきたレプリケーター方程式系やそれと等価なロトカ-ボルテラ方程式系と全く異なる振舞いを示す。数値シミュレーションにより、系のいくつかの特徴が明らかになった。付録で、レプリケーター方程式とロトカ-ボルテラ方程式の関係について概説し、大自由度進化モデル研究のプラットフォームとしての新しいモデルの特長について議論した。従来の進化モデル研究においては、複雑で巨大な生態学的ネットワークを構成することができなかったが、本研究において初めて任意の規模の安定な系を構成することに成功した。昨年度に引き続き、数理生物学を中心とする様々な分野で研究されている生態系モデル(レプリケーター方程式系)の数理的研究を行った。今年度は、種間相互作用がランダム対称行列である大自由度レプリケーター方程式系について調べた。この系は、数理生態学で研究が進んでいるロトカ・ボルテラ(LV)系に変換可能であり、LV系においては、異なる栄養段階にわたる捕食関係、競争・共生関係を持つ大規模で複雑な生態系のモデルと見なすことができる。相互作用の対称性から、統計力学的な解析が可能であり、系の生産力や成熟度に関係する単一のパラメータに対する、共存する種数、個体数の分布、種の豊富さの分布などを解析的に得ることができた。さらに、個体数の分布は、実際の野外研究で観察される、「左に歪んだ」「カノニカル」な対数正規分布に非常に近い形をとることがわかった。生産力パラメータに依存する分布の形の変化も、野外研究での観察と一致していた。これまでの、種の豊富さ分布に関する研究は、単一栄養段階で競争関係にある群集のみに適用可能な理論のみであったが、本研究によってより巨大で、様々な種が共存する群集にも適用可能な理論が初めて構成された。これは、本研究課題にもあるように、統計力学的な視点から数理生態学上の問題に取り組んだことに依る成果であるといえる。また、上記のモデルとは異なるクラスの「反対称」相互作用をもつレプリケーター系の統計力学的定式化についても研究を進めている。こちらでも、野外研究でよく観察され、経験的・統計的にあてはめがなされてきた、いわゆるフィッシャーの対数級数則を解析的に導くことができた。

数理生物学、ゲーム理論などの様々な分野で研究されている一般的な生物ネットワークモデルに対する、統計力学的研究を行った。特に、種数が多く複雑で多様な種間相互作用をもつ系が進化する条件を調べた.この成果はTheoretical Population Biology誌に掲載された(研究発表2,Tokita and Yasutomi,2003).さらに、実際の生態系で普遍的に観察される、いわゆる「種の豊富さのパターン(各種の個体数の分布を特徴づける巨視的なパターン)」を示していた.この群集モデルがもつ相互作用の対称性から、種の豊富さのパターンに対する統計力学的な理論解析が可能となり、環境条件および系の生産力や成熟度に関係する単一のパラメータに対して、共存する種数、個体数の分布、種の豊富さのパターンなどを解析的に得ることができた.個体数の分布は、実際の野外研究で観察される、「左に歪んだ」「カノニカル」な対数正規分布に近い形をとることもわかった。パラメータに依存する分布の形の変化も、野外研究での観察と一致していた.この成果はPhysical ReviewLetters誌に掲載された(研究発表3,Tokita,2004).これまでの種の豊富さのパターンについての理論は、単一栄養段階で競争関係にある比較的単純な群隼のみに適用可能であったが、本研究によって、より一般的な大規模群集に対しても適用可能な理論が初めて構成された.これは、本研究課題が目指した、統計力学的な視点の種多様性研究に対する有効性を示したといえる.また、上記のモデルとは異なるクラスの「反対称」相互作用をもつレプリケーター系(研究発表1,Chaawanya and Tokita,2002)に対する種の豊富さのパターンに関する統計力学的定式化も行い、野外研究でよく観察される分布(対数正規分布、マッカーサーの折れ棒モデルと等価な指数分布、フィッシャーの対数級数則など)を解析的に導くことができた.