hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
有機ホウ素化合物を用いた高立体選択的アリル化反応の開発

昨年度に引き続き、「ホスフィン有機分子触媒によるホウ素化合物の新規分子変換の開発」を実施した。本年度は適用できるホウ素化合物の適用範囲を拡張し(項目1)、新しい形式の反応を見出すに至った(項目2)。また、ホスフィン有機分子触媒作用を利用して、炭素炭素結合を形式的に活性化してアルキン付加型反応へと展開した(項目3)。1ホスフィン触媒による内部アルキンのアンチ選択的ヒドロホウ素化反応の開発:報告者は昨年度にホスフィン有機分子触媒によるアルキノエートのアンチ選択的カルボホウ素化、シリルホウ素化およびジホウ素化反応を見出している。今回ピナコールボランをホウ素反応剤として前述のホスフィン触媒系に適用することで、内部アルキンのアンチ選択的ヒドロホウ素化反応の開発に成功した。これまで内部アルキンの触媒的アンチ選択的ヒドロホウ素化反応は遷移金属を用いたものに限られていた。したがって本反応はホウ素反応剤の適用範囲拡大にとどまることなく、有機分子触媒による初の内部アルキンアンチ選択的ヒドロホウ素化反応として興味深い。2ブレンステッド塩基触媒による末端アルキン類のジェミナルジボリル化反応の開発:ビス(ピナコラート)ジボロンと末端アルキンのブレンステッド塩基触媒反応を用いた1,1-ジボリルアルケンの新しい合成法の開発に成功した。ビス(ピナコラート)ジボロンと末端アルキンを触媒量のLiOtBu存在下反応させることで、対応する1,1-ジボリルアルケンが得られた。3ホスフィン有機分子触媒によるアルキノエート類のアンチ選択的アシルシアノ化反応の開発:ホスフィン触媒によるアルキノエートのアシルシアノ化反応を見出した。本反応ではアシルシアニドの炭素炭素結合が形式的に切断されてアシル基とシアノ基がアルキンに対してアンチ選択的に導入される。本手法を用いることで様々な官能基化アクリロニトリル化合物を合成することが可能となった。27年度が最終年度であるため、記入しない。本年度は量子化学計算によるアルキルボランを用いた銅触媒アリル位置換反応の反応機構解析を実施した。その結果、銅-ビスホスフィン触媒下、1級塩化アリルとアルキルボランのアリル位置置換反応ではホウ素と銅の金属交換後に生成する中性のアルキル銅種の付加脱離機構を示す反応経路が得られた。銅触媒アリル位置換反応においてそのような機構で進行している例は全くなく、極めて新規性の高い知見であると言える。一方で、キラルな2級のリン酸アリルとアルキルボランの1,3-synの立体特異的反応の場合は、付加脱離機構ではなく、中性のアルキル銅、アルコキシボラン、リン酸アリルの3成分による協奏的な酸化的付加、続く還元的脱離を示唆する反応経路が優先的に得られた。この2つの結果から銅の配位環境と脱離基の種類によって異なる反応機構で進行するという極めて興味深い知見が得られた。本研究成果は知見の乏しいアルキルボランを用いたアリル位置換反応の機構解析の先駆的なものであると言える。続いて、量子化学計算で得られた1,3-synの立体特異的な反応における協奏的な酸化的付加の遷移状態のモデルで銅は空き配座を1つ有していることに着目し、実験的に配位子効果を検討したところ、2級のアルキルボランの適用が可能であることを見出した。つまり、2級のアルキルボランとキラルな2級のリン酸アリルとの銅触媒アリル位置換反応がγ位置選択的かつ1,3-synの立体化学で立体特異的に進行することを初めて見出した。さらに、アルキルボランのアリル位置換反応の立体分岐性を利用して立体収束的な反応の開発にも成功した。銅触媒と中程度の嵩高さを有するアルコキシド塩基存在下、2-シクロヘキセンジオールから誘導したリン酸アリルのジアステレオ混合物のアリル位置換反応は立体収束的に進行し、trans体を優先的に与えた。本研究は銅触媒による有機ホウ素化合物を用いたアリル化反応の開発と機構解析を目的とする。現在までに第1級のアルキルボランを用いた位置および立体選択的アリル化反応の開発に成功している。当該年度は第2級のアルキルボランの適用を目指した。第2級アルキルボランとキラル第2級リン酸アリルの1,3-syn型カップリングが、PPh3配位子を用いることで実現した。配位子効果は劇的であり、PPh3を添加しなければ反応は全く進行しない。報告者は量論実験とDFT計算を駆使することで、配位子はアルキルボランと銅(I)錯体のB/Cuの金属交換による第2級アルキル銅(I)種形成を加速していることを明らかにした。本反応は第2級のアルキルホウ素化合物を用いたアリル化反応に世界で初めて成功した例である。上記の課題を進める一方で「ホスフィン有機分子触媒によるアルキノエートのアンチ選択的カルボホウ素化、シリルホウ素化、ジホウ素化反応の開発」を見出したので、合わせて報告する。アルケニルホウ素化合物は、良好な化学安定性や様々な変換反応に利用可能であることから有機合成上、重要な合成中間体である。その合成法のうち、有機ホウ素化合物を用いたアルキンの付加反応は多置換アルケニルホウ素化合物の最も直裁的かつ効率的手法として知られている。

しかし、それらの多くは遷移金属触媒作用に依存しているのが現状である。このような背景のもと、ホスフィン有機分子触媒によるアルキノエートのアンチ選択的カルボホウ素化、シリルホウ素化、ジホウ素化反応を開発し、多置換アルケニルホウ素化合物を合成した。つまり、触媒量のPBu3存在下、ホウ素化合物(アルキルボラン、シリルボラン、ジボラン)を用いたアルキノエートのカルボホウ素化、シリルホウ素化、ジホウ素化反応が進行する。その付加反応は基質の構造に依存することなく、完全なアンチ選択性で進行する。昨年度に引き続き、「ホスフィン有機分子触媒によるホウ素化合物の新規分子変換の開発」を実施した。本年度は適用できるホウ素化合物の適用範囲を拡張し(項目1)、新しい形式の反応を見出すに至った(項目2)。また、ホスフィン有機分子触媒作用を利用して、炭素炭素結合を形式的に活性化してアルキン付加型反応へと展開した(項目3)。1ホスフィン触媒による内部アルキンのアンチ選択的ヒドロホウ素化反応の開発:報告者は昨年度にホスフィン有機分子触媒によるアルキノエートのアンチ選択的カルボホウ素化、シリルホウ素化およびジホウ素化反応を見出している。今回ピナコールボランをホウ素反応剤として前述のホスフィン触媒系に適用することで、内部アルキンのアンチ選択的ヒドロホウ素化反応の開発に成功した。これまで内部アルキンの触媒的アンチ選択的ヒドロホウ素化反応は遷移金属を用いたものに限られていた。したがって本反応はホウ素反応剤の適用範囲拡大にとどまることなく、有機分子触媒による初の内部アルキンアンチ選択的ヒドロホウ素化反応として興味深い。2ブレンステッド塩基触媒による末端アルキン類のジェミナルジボリル化反応の開発:ビス(ピナコラート)ジボロンと末端アルキンのブレンステッド塩基触媒反応を用いた1,1-ジボリルアルケンの新しい合成法の開発に成功した。ビス(ピナコラート)ジボロンと末端アルキンを触媒量のLiOtBu存在下反応させることで、対応する1,1-ジボリルアルケンが得られた。3ホスフィン有機分子触媒によるアルキノエート類のアンチ選択的アシルシアノ化反応の開発:ホスフィン触媒によるアルキノエートのアシルシアノ化反応を見出した。本反応ではアシルシアニドの炭素炭素結合が形式的に切断されてアシル基とシアノ基がアルキンに対してアンチ選択的に導入される。本手法を用いることで様々な官能基化アクリロニトリル化合物を合成することが可能となった。本年度は第2級アルキルボランとキラル第2級リン酸アリルの1,3-syn型アリル化反応の開発に成功した。さらに反応機構解析で、配位子の添加がアルキルボランと銅(I)錯体のB/Cuの金属交換による第2級アルキル銅(I)種形成を加速していることを明らかにした。本結果は反応開発と機構研究の両面から研究課題の達成に十分貢献する内容である。また、ホスフィン有機分子触媒によるアルキノエートのアンチ選択的カルボホウ素化、シリルホウ素化、ジホウ素化反応にも成功した。特に、有機分子触媒で炭素ーホウ素共有結合活性化を達成したインパクトは計り知れない。27年度が最終年度であるため、記入しない。第2級アルキルボランを用いた銅触媒不斉アリル化反応の開発を目指す。本年度の成果から単座のホスフィン配位子が反応加速に有効であったことから、キラルな単座ホスフィンを中心に検討を行う。
セラミックス基連続繊維強化複合材Sic/Sicの高温疲労損傷機構

今年度の研究の主たる目的は、高温での疲労破壊過程のその場観察に基づき,高温疲労損傷機構を解明することであり、さらにそれに基づき材料開発ならびに疲労寿命評価法に対する提案等を行うことである。研究実績の概要が以下の通りです。1.走査型電子顕微鏡付き疲労試験機を用いた,高温疲労試験と疲労破壊過程のその場観察を行った。高温疲労き裂発生・伝ぱの挙動を詳細に観察した。2.繊維とマトリックスの界面剥離とその後の界面すべりに伴うブリジング繊維の破壊を調査した。3.疲労試験中に連続的に計測したヒステリシスループから剛性率を求めるとともに、それと界面すべり抵抗の低下との関係、微視的損傷の進行との関係について検討した。5.疲労破壊挙動を説明し得る疲労損傷モデルを提案した。また、その提案モデルに基づく疲労寿命の推定を試みた。さらに、SiC/SiC複合材の信頼性向上のための材料設計指針について検討した。6.研究結果のまとめて、三つ論文を発表し、二つ論文を発表予定した。また,二つ論文を準備中。(1)走査型電子顕微鏡付き疲労試験機を用いた、室温ならびに高温疲労試験と疲労破壊過程のその場観察を行った。疲労荷重繰返し数の増加とともに、ヒステリシスループから計測した剛性が減少した。試験温度が高くなると、疲労寿命は低下した。(2)室温疲労き裂発生・伝ぱの挙動を詳細に観察した。き裂発生は繊維バンドルの間の大きい空孔から起きた。き裂伝ぱ過程は、繊維とマトリックスの界面はく離とその後の界面すべりに伴うブリジング繊維の破壊と言う過程をとっていた。(3)走査型電子顕微鏡により疲労破面を詳細に観察した。繊維引き抜き長さの測定によれば、室温より高温疲労の場合の方が繊維引き抜き長さが長かった。これは繊維とマトリックスの界面の摩擦応力が高温の方が低下するからである。(4)来年度は高温疲労破壊過程のその場観察を継続し、特に高温での疲労損傷について重点的に検討する。SiC/SiC複合材の疲労破壊挙動を説明しうる疲労損傷モデルを提案する。また、本モデルに基ずく疲労寿命の推定を試みる。さらに、SiC/SiC複合材の信頼性向上のための材料設計指針について提案する。
潰瘍性大腸炎に対するエイコサペンタエン酸および抗アレルギー剤の治療効果の検討

5%デキストラン硫酸ナトリウム(以下DSS)溶液をラットに7日間自由飲水させて、潰瘍性大腸炎(以下UC)モデルラットを作製し,エイコサペンタエン酸(以下EPA)および抗アレルギー剤の投与が大腸粘膜におけるロイコトリエン(以下LT)産生能や粘膜微小循環に及ぼす影響を検討した。1抗アレルギー剤であるアゼラスチンおよびトラニラストの経口投与により、UCモデルラットの大腸粘膜でのLTB_4およびLTC_4産生能が濃度依存的に抑制された。しかし、EPAの投与ではLTB_4およびLTC_4産生能に変化は認められなかった。2抗アレルギー剤の経口投与によりUCモデルラットの大腸粘膜血流の低下は抑制傾向を示したが,EPAの投与では大腸粘膜血流の変化は認められなかった。UCモデルラットでは,大腸粘膜血流は低下しておりうっ血の状態にあると考えられた。抗アレルギー剤は大腸粘膜からのLT産生能を抑制することにより、うっ血による組織障害を軽減させる効果があると考えられた。
医用応用を目指した生体内の光の伝播の数理解析

光トモグラフィ(DOT)の数理解析ならびにDOTの話題から派生する微分方程式の数値解析の両方で成果が得られたが、特に平成30年度は後者において大きな成果が得られた。先ずDOTについては、本課題研究では数理モデルとしての精度の高い「輸送方程式」を基礎方程式として位置づけていることがDOTに係る他の研究と異なる特徴である。この方程式に対して、生体における光の「吸収」及び「散乱」に関する組織定数(材料定数)の不連続性を積極的に導入した解析による問題解決が本課題研究のこれまでの成果一つであるが、昨年度に引き続いて、この問題設定での順問題の数値計算の効率化および逆問題の再構成公式の数値的実現の検討を平成30年度は行った。輸送方程式は変数が多いため、順問題の数値計算ではメモリ等の計算機資源の効率的利用と、離散化で現れる線型問題を解くアルゴリズムの効率化等が計算速度の向上では要となる。平成29年度迄の数値計算では数億元の連立方程式の解法が必要となる。この数値計算の効率化のため、簡易版の2次元モデルに対してGraded Meshの手法を適用し、そこに非適合要素のFEMアプローチを組み合わせる取り組みで平成30年度は成果を得た。これによって今後の3次元モデルの数値計算の効率化の礎が確立されたと判断している。逆問題の再構成公式については、現状では一部に極限操作を許容するアルゴリズムでの議論に留まり、実用を目指した基礎研究としては、現時点では未解決問題が残されたままである。一方で、派生したトピックである解がある種の特異性を持つ微分方程式解析では、gradient flowの手法による議論により理論と数値計算の両方で成果が得られた。その適用例として、雪の結晶の成長過程や弾性体内の亀裂進展等の問題で信頼性を持った数値計算が可能となった。順問題解析の繰り返しによる逆問題解析のアプローチの点では、Graded Meshのアイデアの導入で大規模計算の効率化のめどが立った。申請時の想定に沿った判断として、積極的な意味で順調な研究推進状況と判断される。一方で直接的な逆問題解析では、輸送方程式に現れる係数に第1種不連続点に相当する「ギャップ」を許容する枠組みでの解析により、逆問題の解の「解の公式」を平成29年度に得られたことは、予想を大きく上回る成果であった。しかしこの公式に対する合理的な離散化アルゴリズムの研究では平成30年度の成果は顕著な進展とはいい難い。結果としては直接的な逆問題解析に関しては、申請時に予定している程度の成果と判断され、消極的な意味で予定通りの進捗状況と判断される。なお、派生するトピックである特異性を有する解を持つ微分方程式の解析では数値解析においても数学解析においても平成30年度は顕著な成果が得られ、申請時の想定を大きく上回っている。以上を総合し、平成30年度迄の課題研究の遂行状況は、「おおむね順調」と判断した。輸送方程式の数学解析を専門とし、研究代表者に研究協力してきた川越大輔博士が研究代表者の所属部局で平成31年度に採用されたことから、同博士を平成31年度から本課題研究の研究分担者に追加した。これにより、直接的な逆問題解析のアプローチでは今後の大きな進歩が期待される。また、順問題の繰り返し解法による逆問題解析では、平成30年度に得られた成果の3次元化をはかり、大規模問題の効率的な数値計算法の確立を図る計画である。また複数の分担者は課題研究の「出口」たる医用応用の研究で既に幾つかの成果を挙げているが、今後はその成果のとりまとめを行い、研究成果の社会還元に向けた準備を行う。なお、課題研究開始時に設置した計算機については、性能の向上した後発機種が順次発表されており、必要に応じて数値計算環境向上のための備品整備を計画している。近赤外光を利用して、生体内の血流測定から生体内情報を得る断層撮影がDOT(Diffused Optical Tomography =拡散光トモグラフィー、通称「ひかりトモグラフィー」)である。これはX線を利用する従来の断層撮影とは大きく異なって非侵襲的であり、また磁場の影響も排除した極めて安全な生体断層撮影であり、脳の活動計測への利用が期待されている。代表者はこの技術は輸送方程式の逆問題として問題設定すべきと従来主張しており、DOTの実現を目指して輸送方程式の逆問題解析を数学解析と数値解析の両面から行うことが本課題研究である。先行研究によって、当面の逆問題解法としては、順問題の繰り返し計算によるアプローチに一定の成果が期待されている。しかし輸送方程式の数値計算は極めて大規模であるため、現実の数値計算環境を充実させた上での数値計算を行うことが求められる。このため、本課題研究推進上の喫緊の準備ととしては、代表者と分担者の計算環境を充実することが不可欠であり、平成28年度は代表者・分担者とも数値計算環境の充実をおこない、その上で事例研究の蓄積することを優先的課題とした。結果としては定常輸送方程式の境界値問題(順問題)を従来よりも大規模な離散化で効率的に数値計算が行えるようになり、特に3次元問題で高精度な数値解を得るに至った。また「光超音波」に関する数値実験でも、分担者により高精度な数値解が分担者によって得られた。さらに研究協力者の成果として、粘弾性方程式を利用した医用目的のMR画像構成を想定した数値計算について、非適合要素を利用した有限要素解析で安定した高精度化数値解を得るに至った。

さらに繰り返し計算の多い大規模連立方程式の数値計算を並列計算環境で行う場合、計算機間のデータ転送も考慮した計算誤差伝播に踏み込んだ新たな数値解析理論の新たな構築の必要性を指摘した。平成28年度は分担者の計算環境の整備を行い、数値計算事例蓄積することを重点項目とした。代表者・分担者とも当初計画通りに計算環境の整備が図られ、順次新たな計算事例が代表者の主宰するセミナー等でも報告されている。特に代表者と藤原宏志(分担者)の研究により、大規模な3次元定常輸送方程式の高精度解法に成果を得、順問題の繰り返し計算に帰着する手法での逆問題解析では想定通りの成果が得られた。一方で、定常輸送逆問題の数学解析では大きな進展が見られなかったものの、粘弾性方程式を基礎方程式とするMR画像の有限要素法を利用した高精度化では藤原宏志が研究協力者と共に成果を挙げ、課題研究全体の進捗としては、「おおむね順調に進展している」と判断した。近赤外光の特性を利用して生体の断層撮影を行おうとする新技術がDOT (Diffused Optical Tomography通称「ひかりトモグラフィ」)である。これは簡易かつ安全な非侵襲的な生体断層撮影技術であるが、近赤外光の散乱特性から解像度は落ちることは必至である。しかし生体への影響が無いことから、医療だけではなく脳科学等への応用が期待されている。そもそも生体内の(近赤外)光の伝播は輸送方程式(Radiative Transport Equation = RTE)で記述されると考えられるが、過去の多くの研究者はその第一近似である拡散方程式を基礎方程式とする傾向が見られ、結果としてDOTを実現するに至る基礎研究成果を挙げてはいない。この状況にあって、研究代表者はDOTをRTEの係数決定逆問題と定式化することを提唱し、研究実績を挙げている。平成29年度には不連続性を許容するRTEの解析について、研究協力者と共に大きな成果を挙げた。具体的には係数および境界条件不連続性を持つ定常RTEの解の一意存在等を数学解析の手法で証明し、さらにその際の評価を利用して係数の不連続性を同定する数学上のアルゴリズムを提唱した。研究の「出口」としてDOTの実現とその脳科学への応用を考慮した場合、脳の組織および血流の(数学的な意味での)不連続性を数理モデルに取り込むことが重要と考えて問題設定を行って得られた成果である。この成果の他、超音波を利用する生体断層撮影の基礎研究である粘弾性方程式の数理解析、ひかり超音波の基礎研究等でも成果が挙げられた。DOTを輸送方程式の逆問題として捕らえる立場では、そもそも定常RTEの順問題の解の構造、特に係数と境界条件に不連続性を許容する場合の順問題解の構造自体が未解決のままであったが、研究代表者と研究協力者の共同研究(一部、海外の研究協力者との国際共同研究を含む)により基礎的な事項が平成29年度末までに解決された。これは逆問題解析としてDOT研究を実施する基盤ができたことであり、この観点から「概ね順調に進展している」と判断した。なお、DOTの解析と粘弾性方程式の数理解析の研究成果は、研究代表者が主催する「数値解析・応用解析セミナー」でも研究進捗状況が適宜報告されている。光トモグラフィ(DOT)の数理解析ならびにDOTの話題から派生する微分方程式の数値解析の両方で成果が得られたが、特に平成30年度は後者において大きな成果が得られた。
1分子DNA検出装置の開発

本研究では、先ず、シリコンベースの半導体により、ナノサイズのポアを製作する。そして、それを用いてDNAがその中を通過するところを一分子単位で観測する。これを目標として研究をすすめ、結果としてDNAを(1)イオン電流の変化と、(2)蛍光分子により染色されたDNAを蛍光顕微鏡、によって一分子単位での観測をすることに成功した。イオン電流を用いてのDNA一分子観測は、近年、世界でハーバード大学をはじめとする有名な研究機関で盛んに行われている。しかしながら、実際の実験において、λDNAなどの比較的長いDNAを用いると、一分子の信号を統計的に解析できるくらい多くのデータを得る前に、DNAのシグナルが途絶えてしまう。この原因について、イオン電流の変化からDNAがポアに進入しても、そのポアから出てきていないことが予測でき、DNAがポアを通過する前に、すでにポアを構成するSiN表面に付着しており、一端のDNAがポア付近に存在する電場により引き込まれたのではないか、そして、そのDNAの存在により、後から通過しようとするDNAが通過できなくなるのではないかという予測がたてられていた。そこで、私は蛍光分子を用いDNAを染色して、DNAがポアを通る瞬間を画像としてリアルタイムに捉えた。私の観測結果からは、確かにDNAがポアにひっかかって、通過せずに揺らいでいる像を得ることがてきたが、決してDNAはSiN表面に付着しているのではなく、DNAはポアの中にだけ存在していた。この現象をナイーブに説明すると、DNAがポア付近の電場により急激にポアに引き込まれるため時には"knot"を形成してしまい、それがポアの中に入りこむ。このknotは通過するには大きすぎるために、ポア内でつまってしまう。私はまた、この現象が起こった際に、上記の推測からAC+DCの電圧を印加するとそのつまったDNAをポアから取り出すことに成功した。この結果は、今年のアメリカ物理学会で口頭発表し、同様の研究を行っているグループの興味をひいた。今後は、DNAがknotをつくらないようにポアに進入する工夫が必要となってくることが予測でき、現在その研究を進めている。本年度、蛍光顕微鏡を導入し、YOYO-1蛍光分子を49.8kbpのDNAに付着させて1分子ごとDNAを観測できることを確認した。次にフォーカスドイオンビーム(FIB)によりマイクロサイズの穴(ポア)をSiN薄膜にあけ、そのポアをイオン溶液に浸す。ポアの両側に電位差を加えると、穴の付近に電場が形成される。マエナスイオンともに、マエナスに帯電したDNAが穴を通りぬける。これは、イオン電流を検出すると一分子レベルでの通り抜けが確認できる。今回は、この現象を蛍光顕微鏡を用いて直接観測した。イオン電流検出の実験において懸念されていたDNAがポアにつまる現象を蛍光顕微鏡により直接観測した。実際、この現象は、ポアの大きさによらずマイクロサイズの大きなポアにおいてもポアの縁にDNAが吸着することが観測されたことから、つまるというより、SiN膜に吸着することが結果としてポアにDNAがつまる原因と判明した。現在、SiN薄膜に直径150nmのポアを20μm間隔で9個あけ、DNAがこれらのポアを通る現象の直接観測を行っている。それぞれのポアの周りにDNAが付着していくのが観測された。その付着の度合いにより、DNAが通り抜ける頻度が異なることを確認した。ただ今、頻度を定量分析している。次に、同時にポアの流れるイオン電流を検出することを試みる予定である。現在、泡がポアにつまって、イオン電流が流れなくなる現象が観測される。この現象が起こると、実験を最初から立て直す必要がある。そこで、泡を瞬時に取り除く対処法としてマイクロチャネルをPDMS, PET,石英などを用いて作りこれらを利用し、ポアの付近に流路を設置する計画をたてた。この流路により液体に流れをつくり、ポア内に形成した泡は、液体の流れとともに押し出されることを期待している。現在、PDMS, PET,によりマイクロサイズ(100μm20μm程度)の溝をフォトリソグラフにより製作し、その溝にカバーガラスを付けてチャネル構造をつくった。蛍光顕微鏡の焦点距離が、カバーガラスの厚さより薄いので、溝に液体と共に流れるDNAを一分子レベルで直接観測することにより、チャネル内の流れを確認した。今後これらの溝をボアの実験に用いる予定である。これらの結果を2月に開催されたナノシンポジウムで発表した。

この原因について、イオン電流の変化からDNAがポアに進入しても、そのポアから出てきていないことが予測でき、DNAがポアを通過する前に、すでにポアを構成するSiN表面に付着しており、一端のDNAがポア付近に存在する電場により引き込まれたのではないか、そして、そのDNAの存在により、後から通過しようとするDNAが通過できなくなるのではないかという予測がたてられていた。そこで、私は蛍光分子を用いDNAを染色して、DNAがポアを通る瞬間を画像としてリアルタイムに捉えた。私の観測結果からは、確かにDNAがポアにひっかかって、通過せずに揺らいでいる像を得ることがてきたが、決してDNAはSiN表面に付着しているのではなく、DNAはポアの中にだけ存在していた。この現象をナイーブに説明すると、DNAがポア付近の電場により急激にポアに引き込まれるため時には"knot"を形成してしまい、それがポアの中に入りこむ。このknotは通過するには大きすぎるために、ポア内でつまってしまう。私はまた、この現象が起こった際に、上記の推測からAC+DCの電圧を印加するとそのつまったDNAをポアから取り出すことに成功した。この結果は、今年のアメリカ物理学会で口頭発表し、同様の研究を行っているグループの興味をひいた。今後は、DNAがknotをつくらないようにポアに進入する工夫が必要となってくることが予測でき、現在その研究を進めている。
現代の哲学的知見に照らして有望な知覚理論の探求

今年度は、主に前年度までに取り組んできた痛みの経験に関する研究を論文にまとめるとともに、色の主観的ないし経験依存的な性格を認めるタイプの色の傾向性理論に関する発表を行った。まず痛みの問題に関しては、論文「痛みの経験は志向的か」を執筆した。これは、2015年中に刊行予定の論文集に収録されることとなっている。その内容は、痛みに関する志向説を批判することを通じて、志向説の強調する痛み(やその他の身体感覚)の経験が持つ志向的な性格ー主体自身の身体状態「についての」ものであるという性格ーを認めてもなお、何らかの主観的な感覚的要素がそれらの経験の現象学的性格に寄与することを認めるべきであることを論じたものである。この結論は、そこからの自然な展開として、知覚、感覚的経験一般について、主観的な感覚的要素を認めつつ、知覚(感覚)対象に対する直接的な気づきを確保するような知覚(感覚)理論の可能性を示唆する。次に、(示唆されたその可能性の一つの具体化の試みとして、)物体の色をある種の感覚的要素を含む経験を引き起こす傾向性とみなすタイプの色の傾向性理論と、それに結びつきうる色知覚の理論について検討を行い、北日本哲学研究会におけるワークショップでその成果の一部を発表した。その内容は、傾向性理論は色知覚の現象学に合致しないという批判に応え、傾向性理論を擁護するとともに、傾向性理論と結びつく説得的な色知覚の理論の概要を示すというものであった。これらの成果は、全体として、知覚および感覚的経験における主観的な感覚的要素の存在と、そしてそれらの要素の経験の志向的な性格に対する積極的な寄与を認める知覚理論の見込みを示している。そして、この結論は、現代における有望な知覚理論の概要を示すという本研究課題に一定の答えを与えるものである。26年度が最終年度であるため、記入しない。本研究の目的は、現代の哲学的知見と科学的世界観に照らして真に有望で、説得力のある知覚理論とはいかなるものかを明らかにすることである。今年度は、この目的の達成のため、とくに「知覚経験の現象的側面と志向的側面の関係についての現象学的な研究」に取り組んだ。より具体的には、知覚の哲学において比較的周縁的な扱いを受けることの多い、痛みやかゆみなどのいわゆる身体感覚に特に注目した。これらの感覚は、主体の身体という物理的世界内の一事物のありようにかかわる一種の「知覚」としばしばみなされる一方で、また外界のありように回収されない主観的な感覚的・質的側面を有しているとも言われるが、これらにおける現象的側面と志向的側面の関わりを(も)十分に説明しうるかどうかという観点から、現在有力視されている「志向説」、「選言説」(素朴実在論)、「クオリア説」を特に現象学的な観点を尊重する見方から検討し、いかなる立場が魅力的であるかを探求した。そして以下のような結果を得た。(1)痛みの質を経験独立的と考えるのは難しく、したがって経験独立的な可感的性質の主体への現前によって現象的性格を捉えようとする選言説の説明方針を、これらの感覚に拡張することは困難である。(2)志向説(の少なくとも標準的バージョン)も類似の困難を抱える。志向説論者たちはこの困難に対処するため、経験の志向的内容の「非概念性」や、それに含まれる独特の「与えられ方」、あるいは内容に加えて措定される「志向的モード」などに訴えるが、これらはいずれも、痛みの現象的性格を志向説的枠組み内部で十全に扱うことに成功していない。(3)クオリア説は、経験(心)依存的な存在者を認める点で有利であるが、旧来クオリアに結びつけられてきた、「非志向的で非空間的な質」という描像に固執する限りは、痛みの経験が身体という事物についての一種の知覚として機能しうることを滴切に説明するのは困難である.本研究の最終目的は、現代の哲学的知見と科学的世界観に照らして真に説得的な知覚理論を明らかにすることである。この目的のために、本年度は、前年度までの研究成果を発展させつつ、知覚的経験はいかにして外的世界に関わり、主体が世界に関する直接的知識をもつことを可能にするのかという観点から、説得的な知覚理論を探求した。より具体的には、特に年度の前半においては、前年度において集中的に取り組んだ、痛みのような身体感覚経験の現象的側面と志向的側面の関わりに関する研究をさらに発展させ、これらの経験において、心的/経験依存的な感覚的質的要素がその志向的側面に本質的に寄与し、そして、主体が自身の身体という物理的事物のありように関わる直接的な知識をもつことを可能にする役割を果たしていることを明らかにした。この成果は、科学基礎論学会講演会において、口頭発表「痛みの経験は志向的か」として公表した。この成果に基づき、年度の後半では、「経験依存的な感覚的要素が経験の志向的および認知的側面に本質的に寄与する」というアイデアがさらに、身体感覚を超えてどの程度知覚的経験一般に拡張可能であるかを特に色視覚に則して検討した。具体的には、「赤色とは、「赤色の感覚」を引き起こす傾向性である」と主張する色の傾向性説の可能性を検討し、上のアイデアの拡張可能性を探った。

その成果は、1.傾向性説はしばしば視覚経験の現象学に反するといった理由で退けられるが、しかし、現象学や内観が色や色を見るという経験の形而上学的本性について何をどの程度明らかにするものであるかは決して明らかではなく、この種の反論は決定的ではないこと、そして、2.しばしば問題視される「赤の感覚」と呼ばれる存在者は、経験される世界から切り離された何かとしてではなく、いわば世界への経路となるものとして理解されうる見込みがあることである。これらの成果は近く、論文にまとめる予定である。今年度は、主に前年度までに取り組んできた痛みの経験に関する研究を論文にまとめるとともに、色の主観的ないし経験依存的な性格を認めるタイプの色の傾向性理論に関する発表を行った。まず痛みの問題に関しては、論文「痛みの経験は志向的か」を執筆した。これは、2015年中に刊行予定の論文集に収録されることとなっている。その内容は、痛みに関する志向説を批判することを通じて、志向説の強調する痛み(やその他の身体感覚)の経験が持つ志向的な性格ー主体自身の身体状態「についての」ものであるという性格ーを認めてもなお、何らかの主観的な感覚的要素がそれらの経験の現象学的性格に寄与することを認めるべきであることを論じたものである。この結論は、そこからの自然な展開として、知覚、感覚的経験一般について、主観的な感覚的要素を認めつつ、知覚(感覚)対象に対する直接的な気づきを確保するような知覚(感覚)理論の可能性を示唆する。次に、(示唆されたその可能性の一つの具体化の試みとして、)物体の色をある種の感覚的要素を含む経験を引き起こす傾向性とみなすタイプの色の傾向性理論と、それに結びつきうる色知覚の理論について検討を行い、北日本哲学研究会におけるワークショップでその成果の一部を発表した。その内容は、傾向性理論は色知覚の現象学に合致しないという批判に応え、傾向性理論を擁護するとともに、傾向性理論と結びつく説得的な色知覚の理論の概要を示すというものであった。これらの成果は、全体として、知覚および感覚的経験における主観的な感覚的要素の存在と、そしてそれらの要素の経験の志向的な性格に対する積極的な寄与を認める知覚理論の見込みを示している。そして、この結論は、現代における有望な知覚理論の概要を示すという本研究課題に一定の答えを与えるものである。26年度が最終年度であるため、記入しない。上記の通り、とくにこれまで比較的周縁的な取扱いを受けてきた身体感覚の現象的側面と志向的側面の関わりに則して、現在の主要理論を検討しなおすことで、一定の結果を得るに至っており、またそれらの成果はすでに発表準備段階にある。上記の通り、まず、身体感覚という事例に関して、(志向説やその他の現在有力視されている説と対照的に、)経験依存的な感覚的質を認める理論が有望であることを示すことに成功している。また、その成果の延長として行った色の傾向性説の検討を通じ、傾向性説に対する新たな擁護と発展の可能性について一定の成果を得ており、それらは公表の準備段階にある。今後は、まず(1)身体感覚の検討を通じて到達した、経験における主観的な感覚的・質的要素が、身体感覚だけでなく知覚経験一般においていかなる認知的ないし認識的役割を果たしているのかという課題、また(2)そのような要素を含む知覚経験がとくに科学的な世界像との関連においていかなる存在論的身分を持つのかという課題に取り組む予定である。
興奮収縮連関機構の構造機能協関

膜電位変化は、細胞内Ca^<2+>濃度変化に変換されて細胞機能を制御することが知られている。心筋細胞では膜電位依存性Ca^<2+>を介するCa^<2+>流入によってリアノジン受容体2型が活性化され、大量のカルシウム放出が起こり、カルシウムシグナルが増幅される。一方、骨格筋細胞ではCa^<2+>流入を介することなく、Ca^<2+>チャネルからの信号によりリアノジン受容体1型が活性化されCa^<2+>放出が起こる。この場合も一種の(増幅率が無限大の)カルシウムシグナル増幅機構と考えることもできる。このように、Ca^<2+>チャネルとリアノジン受容体の機能協関として起こるシグナル増幅機構の詳細はまだ明かでない。われわれは、リアノジン受容体1型欠損マウスから得た培養骨格筋細胞を用い、リアノジン受容体1型と2型リアノジン受容体を入れ替えると、電位依存性カルシウムチャネルとリアノジン受容体の機能協関が保たれるかについて実験を行った。この実験の結果、骨格筋型の協関は1型に特異的なものであることが明かとなり、分子機構解明の糸口を得た。更に2型リアノジン受容体は、Ca^<2+>チャネルの制御をはずれて自発的なCa^<2+>放出を起こしやすいことを示す結果も得た。この異常なCa^<2+>動態は、不整脈などの病態で重要な意味を持つと考えられる。さらに、Ca^<2+>チャネルとリアノジン受容体の機能協関に必須なアミノ酸配列の一つを、リアノジン受容体1型分子上に同定することに極く最近成功した。
国内世論と政治体制が国際紛争のエスカレーション・平和的解決に及ぼす影響

平成22年度から継続し,政治指導者に対する国内観衆の支持と国内の政治制度が国際紛争に与える影響に焦点をあて,次のとおり研究を行った.まず,昨年度は,一般的な国際危機交渉モデルを拡張し,国内世論,国内外の政治エリートの行動,および国際紛争の帰結の連関メカニズムを明らかにすることができたが,本年度は,より具体的に経済制裁を分析射程に取り込むことにより,理論枠組みの精緻化を図った.昨今の北朝鮮,イランの核問題やシリアの騒乱を見れば明らかなとおり,経済制裁は国際交渉において頻繁に用いられる.しかし,本研究では,経済制裁を,後に行う可能性のある武力行使の威嚇や軍事的行動を含む強制外交に向け,世論の支持を獲得しておかなければならない政治指導者が採る国内向けの政策オプションとして捉えることにより,敵対国への非難声明に始まり,武力行使の威嚇や,ときに実際の行使へと至る一連の国際危機交渉を理論化することが可能になった.従来の研究では,経済制裁や強制外交の有効性を個別に分析するものが主であったが,本研究はそれらの統合の必要性を示すものである.さらに今年度は,民主主義国における選挙サイクルと国際紛争の関係について共同研究を行った.そこでは,諸外国からも国内政治が観察可能な民主主義国の政治指導者は,投票行動研究の知見に基づき近視眼的な有権者を前提とすれば,選挙が近づくと観衆費用を背景に国際交渉を有利に進めようとするインセンティブがあると理論構築した.そして,実際に民主主義国が選挙前に国際紛争をイニシエートする傾向があり,また,その紛争の多くが武力行使を伴わずに終結することを,豊田紳(早稲田大学)と東島雅昌(Michigan State University)が作成した,選挙と国際紛争の月次レベルのデータセットを用いて実証した.本研究は,「国家の政治指導者に対する国内観衆の支持とその観察可能性,および,指導者の説明責任を担保する政治制度の有無といった国内政治的要因が,国際危機に臨む国家の指導者の戦略的行動,ひいては国際危機の帰結にどのような影響を及ぼすか」という問いに対する,数理分析,計量分析,事例分析を併用した体系的な理論的・実証的分析を目的とするものである.本年度は,主に数理分析と事例分析に注力し,研究成果の一部を2010年夏のAPSA年次大会で報告した.各分析の概要は次の通りである.(1)数理分析:本研究の理論枠組みを定式化するため,国際紛争の数理分析で標準的に用いられているフォーマル・モデルを拡張し,国際危機交渉,および政治指導者と国内観衆との相互作用,という2つの戦略的相互依存関係を捉えうるゲーム理論モデルを構築した.より具体的には,政治指導者に対する国内観衆の支持変数を導入することにより,世論,国内外の政治エリート(野党,メディア,国際機関等)の行動,および国際紛争の帰結の相関関係を分析した.(2)事例分析:モデルの経験的妥当性を示すべく,例証として1975年のマヤグエース号事件について事例分析を行った.事例選択の際には,国際危機・紛争の主要なデータベースである,International Crisis Behavior Project DatasetおよびCorrelates of War ProjectのMilitarized Interstate Disputes Datasetを参照した.従来の研究では,国際紛争の際に政治指導者に対する国内支持が高まるという,いわゆる"Rally 'Round the Flag"効果の存在が指摘される一方,同効果は稀にしか生じないという実証結果も提出されている.本研究は,国内外の政治エリートが国内世論に与える影響,あるいは国際危機・紛争が国内世論に与える影響等を個別に考察するのにとどまっていた従来の研究を超え,同効果が生じる因果メカニズムおよび「希少性」について一つの解を与えたものとして意義深いと考える.来年度は,モデルの更なる精緻化,事例分析の深化と事例の追加に加え,計量分析に取り組む.平成22年度から継続し,政治指導者に対する国内観衆の支持と国内の政治制度が国際紛争に与える影響に焦点をあて,次のとおり研究を行った.まず,昨年度は,一般的な国際危機交渉モデルを拡張し,国内世論,国内外の政治エリートの行動,および国際紛争の帰結の連関メカニズムを明らかにすることができたが,本年度は,より具体的に経済制裁を分析射程に取り込むことにより,理論枠組みの精緻化を図った.昨今の北朝鮮,イランの核問題やシリアの騒乱を見れば明らかなとおり,経済制裁は国際交渉において頻繁に用いられる.しかし,本研究では,経済制裁を,後に行う可能性のある武力行使の威嚇や軍事的行動を含む強制外交に向け,世論の支持を獲得しておかなければならない政治指導者が採る国内向けの政策オプションとして捉えることにより,敵対国への非難声明に始まり,武力行使の威嚇や,ときに実際の行使へと至る一連の国際危機交渉を理論化することが可能になった.従来の研究では,経済制裁や強制外交の有効性を個別に分析するものが主であったが,本研究はそれらの統合の必要性を示すものである.さらに今年度は,民主主義国における選挙サイクルと国際紛争の関係について共同研究を行った.そこでは,諸外国からも国内政治が観察可能な民主主義国の政治指導者は,投票行動研究の知見に基づき近視眼的な有権者を前提とすれば,選挙が近づくと観衆費用を背景に国際交渉を有利に進めようとするインセンティブがあると理論構築した.そして,実際に民主主義国が選挙前に国際紛争をイニシエートする傾向があり,また,その紛争の多くが武力行使を伴わずに終結することを,豊田紳(早稲田大学)と東島雅昌(Michigan State University)が作成した,選挙と国際紛争の月次レベルのデータセットを用いて実証した.
ポリピリジル骨格を持つ新規な機能性有機蛍光物質の創成

2,2':6',2"-テルピリジル(tpy)について、環窒素のオルト位をアミノ置換することにより、高効率の蛍光発現(380nm)を実現した。特に6-アミノ体の量子収率(Φ)は0.70と非常に大きな値であった。一方、4'-アミノ体はΦ<0.01であった。以上のことから、アミノ基を適切な位置に導入することで、高輝度の蛍光性tpyを開発することに成功した。種々の置換基を検討したところ、4'-フェニルtpyが効率よい蛍光(Φ0.3)を示すことを見出した。フェニル基のパラ位を置換し、蛍光チューニングを検討した。吸収・蛍光スペクトルの溶媒依存性および分子軌道計算より、強い電子供与性基の導入の結果、HOMO-1がHOMOを越えることが示唆された。分子軌道レベル制御を通じて蛍光をチューニングした例は皆無であり、この成果は、より戦略的な蛍光特性設計への足がかりとなる。置換基導入によらず、bpyに蛍光性を付与する方法として、既知の蛍光性化合物2-アミノフェナジンとbpyを縮環させた分子構造を持つ、7-アミノジピリド[3,2-a:2',3'-c]フェナジン(dppz-NH_2)を合成した。その結果、効率よい蛍光を発現し、新しい分子設計指針の有効性を確認した。またdppz-NH_2は、二価金属イオンに対する選択的キレート形成ならびに蛍光応答性を示したことから、機能性有機蛍光物質としての可能性を明らかにできた。さらにルテニウム錯体[Ru(bpy)_2(dppz-NH_2)]^<2+>が、反応活性なアミノ基を利用してさまざまなアクセプターと容易に結合可能なこと、高効率の新規光増感ユニットとなることを確認し、その有用性を提示した。以上、ポリピリジル骨格を持つ新規蛍光性化合物の開発に成功した。さらにこれらの化合物が特異な光機能を示し、光機能性有機蛍光物質として大きな将来性を有することを明らかにした。ポリピリジル化合物は、多点分子間相互作用が可能なことから有力な機能性骨格として注目されてきたが、強い蛍光を示す誘導体はほとんど報告例がない。本研究では、優れた光機能性錯体を形成する2,2':6',2"-テルピリジル(tpy)化合物に蛍光性を付与し、分子間相互作用に基づく蛍光制御が可能な、新規の機能性蛍光物質群を設計・合成し、機能評価を行うことを目的とした。本年度は、蛍光性tpyを目指した分子設計と合成をおこなった。また、蛍光性2,2'-ビピリジル(bpy)の開発について、新たな知見を報告する。アミノ置換tpyを検討したところ、6-アミノおよび6,6"-ジアミノ体が有機溶媒中で380nm付近に高効率の蛍光を示すことを見出した。6-アミノ体の量子収率は0.7を超え、ジアミノ体の約二倍であった。一方、4'-アミノ体の量子収率は0.01以下であった。以上の結果、アミノ基を適切な位置に導入することで、高輝度の蛍光性tpyが合成できた。さらに種々のtpy誘導体を検討したところ、4'-フェニル置換によって蛍光性が発現することを見出した(350nm;量子収率0.5)。フェニル基のバラ位に種々の官能基を導入したところ、官能基の電子供与性が大きくなるにつれて蛍光極大は長波長側に移動した。

このことは、置換基導入による蛍光特性のチューニングの可能性を示唆している。以上の結果から、アミノ基あるいはフェニル基を適切な位置に持たせることで、tpyに蛍光性を付与できることを明らかにした。今後は、分子軌道計算等を用いて置換基の種類・位置と蛍光性との関係を考察し、また蛍光性tpyの機能評価をおこなう。Bpyに蛍光性を付与する新しい方法論として、蛍光性化合物2-アミノフェナジンを縮環させた。その結果、2-アミノフェナジンの蛍光性とbpyのキレート構造を併せ持つ化合物が合成できた。今後これの機能評価をおこなう。本研究は、多点分子間相互作用部位を持つポリピリジル化合物に蛍光性を付与し、分子間相互作用に基づく蛍光制御が可能な新規な機能性蛍光物質群を設計し合成することを目的とする。昨年度4'-フェニル-2,2':6',2"-テルピリジル(phtpy)が効率よい蛍光を示すことを報告したが、本年度はさらに種々のフェニル置換体を合成し、置換位置と蛍光特性との関連について調べた。Phtpyと同じくパラ位にフェニル基を持つ4-置換体と4,4"-置換体の蛍光量子収率(Φ)は、phtpyの1/10以下であった。また、6-置換体はほとんど蛍光を示さなかった(Φ<0.01)が、6,6"-置換体は、Φ0.2程度であったが、phtpyと同様の位置(350nm)に蛍光が観測された。以上から、置換位置が蛍光特性に大きく影響することが示された。一連のフェニル置換tpyについて、分子軌道計算法PM3を適用したところ、HOMOおよびLUMOはそれぞれπおよびπ^*型であることが明らかとなった。またINDO/S法による吸収スペクトル計算は実験結果とよく一致し、いずれの最低励起バンドもHOMO→LUMOのπ-π^*と、n-π^*との混合モードであった。昨年度報告した、新規の蛍光性ビピリジルである7-アミノジピリド[3,2-a:2',3'-c]フェナジン(DPPZ-NH2)について、その光機能性を検討をした。すなわち、ルテニウム錯体([Ru(bpy)_2(DPPZ-NH2)])を励起エネルギードナーとし、7-位にアミド結合を介して導入した種々のアクセプターに対するエネルギー移動を調べた。その結果、いずれの場合も励起エネルギー移動が観測され、またアクセプター性が大きくなるに従って、エネルギー移動効率は大きくなるという相関関係が見られた。このことから、[Ru(bpy)_2(DPPZ-NH2)]が新規光増感ユニットとなりうることが確認された。蛍光性tpyである4'-フェニルtpyのパラ位に置換基を導入し、蛍光チューニングを検討した。置換基の電子供与性の増大に伴い、局所励起遷移帯に対して分子内電荷移動(ICT)遷移帯は大きく長波長シフトし、アミノ置換体ではICTが最低エネルギー遷移帯となった。分子軌道法MOPAC/AM1から、この要因としてフェニル基に局在するHOMO-1が上昇し、tpyに局在するHOMOを越えることが示唆された。分子軌道レベルの制御により蛍光チューニングをおこなった例は皆無であり、より戦略的な蛍光特性設計への足がかりを提示した。Ru(II)およびOs(II)の、2,2'-ビピリジン(bpy)および2,2':6',2"-テルピリジン(tpy)錯体の発光効率の改善を目指し、4,4'-ジフェニルbpy(pbpy)と4,4"-ジフェニルtpy(ptpy)を合成した。これらのRu(II)およびOs(II)錯体について、最大で約10倍の発光増加が見られたことから、当初の目的を達成した。
樹木における光合成律速因子の究明と光呼吸の制御に関する研究

樹木葉の光合成、光呼吸および温度ストレス耐性に関係する因子を明らかにするため、クロロフィル蛍光とガス交換速度の同時測定により、木本および草本植物の葉のチラコイド膜を流れる電子の流束(電子伝達活性)、光合成活性(CO_2吸収速度)、光呼吸活性、葉のRubisCO活性、葉緑体ストロマ中のCO_2濃度、葉肉細胞におけるCO_2拡散抵抗などを比較した飽和光照射下(1000μmol m^<-2>s^<-1>)での葉緑体ストロマ中のCO_2濃度は、草本葉において160240(μmol mol^<-1>)であったのに対し、常緑樹の葉では100170(μmol mol^<-1>)と低く、樹木細胞は大気炭酸ガス濃度(21%O_2,350ppmCO_2)のもとでCO_2不足の状態にあることが明らかになった。これは、樹木葉肉細胞のCO_2透過性が極端に低いことに原因がある。すなわち、葉では葉緑体内のCO_2濃度の低下により光呼吸活性が高くなり、光呼吸の誘導により光化学系II活性の抑制が起こることが示された。また、本研究で開発した葉の電子伝達測定法は、トリエン脂肪酸合成酵素(FAD遺伝子)の発現を阻害した形質転換植物の機能解析に有効であり、生体膜を構成している脂肪酸不飽和度の低下によって形質転換タバコの高温ストレス耐性能力が著しく向上することを見出した。以上の研究により、(1)大気炭酸ガス濃度のもとでの葉の最大光合成活性は、葉肉細胞のCO透過性に依存すること、(2)葉内の炭酸ガス濃度の低下とともに光呼吸が増加し、光化学系IIの量子収率が低下すること、(3)生体膜のCO_2透過性が低いことが樹木葉の光合成能力を低下させている原因(律速因子)であること、(4)生体膜を構成している脂質のトリエン脂肪酸含量の減少(FAD-7遺伝子)の発現抑制)によって植物の高温耐性能力が向上することが明らかとなり、植物の物質生産に関係する律速因子とストレス耐性に関与する遺伝因子が特定された。木本植物と草本植物のCO_2固定速度(350ppm CO_2を含む空気中での飽和光照射による単位葉面積当たりの最大光合成速度)を比較すると、木本植物の最大光合成速度は草本植物の1/2以下であり、著しく低い値が得られる。この研究では、葉の電子伝達反応の非破壊測定、すなわちチラコイド膜を流れる電子の数を葉緑体を単離することなしに生きている葉を用いて定量的に測定する手法を開発し、葉の電子伝達速度や光呼吸活性、RubisCO活性(RuBPカルボキシラーゼ活性オキシゲナーゼ活性)などの測定を行った。また、この測定法を応用して、遺伝子組み替えによる形質転換植物の機能解析をおこなった。まず、クロロフィル蛍光とガス交換速度とを同時に測定することにより、チラコイド膜を流れる電子の流束(電子数)および光合成速度(CO_2吸収の流束)を葉のままで非破壊的に測定する方法を開発した。様々な種類の木本および草本植物の葉を用いて電子およびCO_2の流束測定を行い、光合成や光呼吸経路における電子消費速度や、葉のRubisCO活性、葉緑体ストロマにおけるCO_2濃度、葉肉細胞におけるCO_2拡散抵抗などを比較した。

その結果、空気中(21%O_2,350ppmCO_2)、飽和光照射下(1000μmol m^<-2>s^<-1>)での葉緑体内のCO_2濃度は草本葉において160240(μmol mol^<-1>)であったのに対し、樹木葉では100170(μmol mol^<-1>)と低く、樹木細胞はCO_2不足の状態にあることがわかった。これは、樹木細胞のCO_2透過性が草本の1/31/8と極端に低いことが原因であった。以上の結果より、樹木葉では葉機体内でCO_2が不足するために光呼吸活性が高くなり、その結果として光合成が抑制されることを明らかにした。また、本研究で開発した電子電子測定技術は、形質転換植物の機能解析に極めて有効であり、生体膜を構成している脂肪酸の不飽和度の変化によって植物の高温に対する耐性能力が増加することを明らかにした。以上の成果をもとに、次年度は、樹木葉のCO_2不足の原因となる葉肉細胞のCO_2透過性と脂肪酸不飽和度との関係について研究する。木本植物葉の最大光合成速度は草本植物の1/2以下であり、著しく低い値が得られる。この研究では、葉の電子伝達反応の非破壊測定、すなわちチラコイド膜を流れる電子の数を葉緑体を単離することなしに生きている葉を用いて定量的に測定する手法を開発し、葉の電子伝達速度や光呼吸活性、RubisCO活性(RuBPカルボキシラーゼ活性オキシゲナーゼ活性)などの測定を行った。また、この測定法を応用して、遺伝子組み替えによる形質転換植物の機能解析を行った。このような測定により、空気中(21%O_2,350ppmCO_2)、飽和光照射下(1000μmolm^<-2>s^<-1>)での葉緑体内のCO_2濃度は草本葉において160240(μmol mol^<-1>)であったのに対し、樹木葉では100170(μmol mol^<-1>)と低く、樹木細胞はCO_2不足の状態にあることがわかった。この原因を明らかにするため、葉の葉肉細胞のCO_2透過性と生体膜を構成している資質の脂肪酸不飽和度との関係をいろいろな植物で測定し、次の結果を得た。(1)葉肉細胞における不飽和脂肪酸含量と葉の高温ストレス耐性との間に相関関係があることを見出した。(2)不飽和脂肪酸のうち、トリエン脂肪酸(18:3)量と葉肉細胞のCO_2透過性(コンダクタンス)との間には正の相関が見られ、トリエン脂肪酸の増加とともにコンダクタンスが増加し、光合成活性が増加することが明らかになった。(3)光呼吸活性/光合成活性の比は、トリエン脂肪酸含量が低いほど大きくなった。すなわち、光呼吸は葉のCO_2膜透過性によって制御できることが示唆された。以上の結果より、樹木葉はCO_2の膜透過性が低く、葉緑体内でCO_2が不足するために光呼吸活性が高くなり、その結果として光合成が抑制されることが明らかになった。このことは、生体膜を構成している脂肪酸の不飽和度を人為的に変えることによって、光呼吸活性と高温ストレス耐性能力が変化するととを示している。葉肉細胞におけるCO_2透過性や葉緑体の電子伝達系を流れる電子の数(流束)を非破壊的に測定することは、葉の光合成能力を解析する上で極めて有効な方法である。本研究では、葉における光合成量子収率とCO_2ガス交換の同時測定によって葉緑体を流れる電子の数を定量的に測定し、葉緑体中のCO_2濃度、光呼吸活性、サイクリック電子伝達反応を測定する方法を開発した。また、タバコ形質転換体を用いて、葉肉細胞の光合成能力および植物の温度ストレス耐性能力について遺伝子レベルで解析した。さらに樹木の脂肪酸不飽和化酵素遺伝子(fad遺伝子)のクローニングを行い、低温、高温ストレスによる脂肪酸不飽和化酵素遺伝子の発現を解析した。