hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
培養動物細胞における重力感知・応答機構の解析

動物細胞は単独で微小重力環境を感知応答するが、その分子機構はよくわかっていない。核やミトコンドリアのような比重の大きいオルガネラに対する重力作用の消失が出発点であると考えられているが、その出発点を細胞がどのように感知して応答反応に結びつけているか不明である。我々は、3Dクリノローテーションを用いた実験や、「きぼう」実験棟での宇宙実験より、間葉系幹細胞は転写因子制御分子であるYAP/TAZの活性変化を介して重力変化を感知していることを見出した。最近の宇宙実験により、個々の培養動物細胞が微小重力環境を感知し応答することが分かってきた。しかし、そのメカニズムの詳細は未だ不明である。本研究では、この課題に挑戦し「重力変化は比重の重い細胞内器官を介して細胞内骨格の張力に影響を与え、細胞の初期応答を引き起こす」という仮説を検証し、動物細胞が微小重力環境を感知する仕組みを分子レベルで明らかにすることを目的としている。特に、機械刺激受容チャネルなどのメカノシグナルに注目して、感知応答反応におけるそれらの役割と上流経路を解析する。また、国際宇宙ステーション「きぼう」における宇宙実験プロジェクトを利用し、細胞の重力感知/応答機構に関わる分子基盤の解明を目指す。今年度は、まず、上記仮説の検証を目的に、間葉系幹細胞を使い細胞の足場の硬さと細胞の模擬微小重力環境に対する応答反応の関連を検討した。その結果、1G条件下では軟らかい足場(ヤング率、10 15 kPa)に比べ硬い足場(ヤング率、> 2 MPa)において骨分化が亢進したが、模擬微小重力環境下では、骨分化に対する足場の硬さの影響は見られなかった。軟らかい足場では細胞内骨格があまり発達せず張力が低下することが知られていることから、微小重力環境の感知と細胞内骨格の張力の関連性が示唆された。実際、薬理学的に細胞内骨格の張力を強めると模擬微小重力環境下における骨分化抑制が回復した。また、4月と9月の2回の宇宙実験に参加し、細胞骨格の張力を修飾したサンプルを回収し、また、微小重力環境下において、重量感知を担うと予想するミトコンドリア、細胞骨格や接着斑の動態のライブ・イメージングを行った。現在、それらのサンプルやデータの解析を進めている。今年度は、細胞のメカノトランスダクションを担う転写調節因子YAPに注目し、模擬微小重力環境、あるいは、微小重力環境下においた培養細胞におけるYAP活性の変化を解析した。その結果、模擬微小重力環境下で24時間培養した間葉系幹細胞では、YAP活性が低下していることを細胞組織染色により見出した。すなわち、対照群と較べてYAP分子が核内に局在している細胞の割合が減少していた。YAP活性の低下はレポーターアッセイ法によっても確認された。Western blotting法により、YAP量を解析したところ対照群の細胞と較べ模擬微小重力環境においた細胞にほとんど変化は見られなかった。従って、YAP活性は細胞内局在の変化に依存すると考えられた。さらに、国際宇宙ステーション内で培養した間葉系幹細胞においても、YAP分子が核内に局在している細胞の割合が対照群より低下していた。従って、YAP分子の活性低下が細胞の微小重力環境感知におけるシグナル伝達経路である可能性が示唆された。地上実験に加え、国際宇宙ステーションの「きぼう」での宇宙実験を利用し、細胞の微小重力環境感知における重要なシグナル伝達経路を明らかにしつつある。微小重力環境下においた培養動物細胞の動態のライブ観察を目指した試みは、9月のロケットの打ち上げ失敗により一度は潰えたが、再度、サンプルを打ち上げることになり再挑戦中である。これまで、我々は、足場の硬さや細胞内骨格の張力に依存して活性制御を受けることが知られている転写調節因子YAPに注目し、模擬微小重力環境あるいは微小重力環境においた間葉系幹細胞におけるYAP活性が、リン酸化とは別の制御を受けて低下することを見出してきた。今年度は、核やミトコンドリアとストレス線維を結ぶアダプター分子の発現抑制により核やミトコンドリアとストレス線維の相互作用を修飾し、細胞の模擬微小重力環境の感知への応答を解析した。

その結果、間葉系幹細胞において、アダプター分子の発現抑制により、(模擬)微小重力依存的な細胞内シグナルが失われることを見出した。従って、核やミトコンドリアとストレス線維の相互作用が、細胞の(模擬)微小重力環境感知に関与している可能性が示唆された。さらに、ストレス線維の張力変化も細胞の(模擬)微小重力環境感知に重要である知見も得ており上記仮説を支持する。動物細胞は単独で微小重力環境を感知応答するが、その分子機構はよくわかっていない。核やミトコンドリアのような比重の大きいオルガネラに対する重力作用の消失が出発点であると考えられているが、その出発点を細胞がどのように感知して応答反応に結びつけているか不明である。我々は、3Dクリノローテーションを用いた実験や、「きぼう」実験棟での宇宙実験より、間葉系幹細胞は転写因子制御分子であるYAP/TAZの活性変化を介して重力変化を感知していることを見出した。順調に解析を進め、作業仮説を支持する結果を得ている。また、予定通り国際宇宙ステーションの「きぼう」を利用した実験と顕微鏡観察を行った。また、研究計画の他の予定項目も着実に進行している。これまでに見出した微小重力環境下における間葉系幹細胞のYAP/TAZ分子の活性低下を手掛かりにその上流を解析し、当初、構築した感知機構のモデルの検証を行う。また、YAP/TAZ分子の活性低下を抑制あるいは亢進した場合、模擬微小重力環境における間葉系幹細胞の骨分化がどうなるか解析し、YAP/TAZ分子の活性低下が間葉系幹細胞の微小重力環境に対する応答反応に対しどのような意義を持つのか解析する。加えて、3回目の宇宙実験に再度、取組み、微小重力環境下での間葉系幹細胞のミトコンドリア、細胞骨格や接着斑を可視化し細胞内での動態のライブ・イメージングを行う。細胞生物物理学重力感知機構のモデルの検証を目的に、機械刺激受容チャネル活性を亢進・抑制し、模擬微小重力環境に対する間葉系幹細胞の応答反応の変化を解析する。また、模擬微小重力環境下で誘導されるメカノシグナルの細胞内分布、活性化状態・下流経路を解析する。加えて、前年度の宇宙実験の解析を進めるとともに、3回目の宇宙実験を行い、微小重力環境下での間葉系幹細胞のミトコンドリア、細胞骨格や接着斑を可視化し細胞内での動態のライブ・イメージングを行う。2015年6月のロケット打ち上げ失敗によって宇宙実験が中止となったが、次年度にかけ再度取り組んでいる。しかし、そのため研究計画の実行に若干の遅れが生じた。その結果、そのための試薬購入時期がずれ、その消耗品購入分を次年度に繰り越した。宇宙実験が、当初予定していた時期より遅れたために、その宇宙実験の解析が若干ずれ込んだ。結果、その解析のための試薬の購入時期がずれ、その消耗品購入分を次年度に繰り越した。上記の試薬を購入する予定。上記解析用の試薬を購入する。
非結核性抗酸菌細胞壁脂質に対する宿主免疫応答の解明

MAC菌体から菌細胞壁脂質であるGPLを抽出し、リポソーム作製用装置を用いて、GPL含有リポソームを作製した。今後、このGPL含有リポソームを用いて、細胞レベル、個体レベルの実験を実施し、GPLの宿主免疫応答を確認していく予定である。MACは同じ菌株でもコロニーの形態が異なることがあり、大きく、smooth opaque (SmO)、smooth transparent (SmT)、rough (Rg)の3つに分類される。我々はこれまでに、コロニー形態によって、GPLの含有量や分子構造が異なることを確認している。更に、Mycobacterium avium subsp. hominissuis (MAH)104株のSmO、SmT、Rgをそれぞれマウスに感染させたところ、Rg感染マウスで、著明な体重減少、菌の大量排菌、強い肉芽腫性炎症を伴った肺炎の発症を確認した。そこで、細胞レベルでもMACのコロニー形態、すなわちGPLの違いに伴う病原性の差を確認するため、ヒトマクロファージにMAH104株のSmO、SmT、Rgをそれぞれ感染させた。Rg感染ヒトマクロファージで、著明な炎症性サイトカインの産生亢進を確認した。以上より、MACの菌細胞壁脂質であるGPLと病原性の関連性が示唆された。非結核性抗酸菌のMycobacterium avium complexによる呼吸器感染症(肺MAC症)は病態が不明であり、診断も困難かつ難治性である。MACは細胞壁にglycopeptidolipid(GPL)を有しており、GPLが宿主免疫応答を誘導し、肺MAC症の病態に関与している可能性がある。そこで、細胞レベル、個体レベルの実験を行い、肺MAC症の病態におけるGPLの病原性を検討する。MACは同じ菌株でもコロニー形態が異なり、Smooth Opaque (SmO)、Smooth Transparent (SmT)、Rough (Rg)の3つに分類される。MAC104株のSmO、SmT、Rgの菌細胞壁脂質を抽出し、薄層クロマトグラフィーにて成分を分離後、質量分析したところ、SmO、SmTに比べ、RgのGPL含有量が有意に少ないことを確認した。大量のMAC菌体から純度の高いGPLを抽出するための条件検討に時間がかかった。色々なMAC菌株から菌細胞壁脂質を抽出し、薄層クロマトグラフィー(TLC)で展開すると、菌株によって脂質のスポットパターンが異なり、菌株による菌細胞壁脂質の違いが確認された。GPLはlipopeptide coreと血清型特異糖鎖からなり、色々な菌株から抽出したGPLを質量分析したところ、菌株によって血清型特異糖鎖が大きく異なり、GPLの化学構造の多様性が確認された。今後、色々な菌株から抽出したGPLを用いて、細胞レベル、個体レベルの実験を実施する予定である。MAC菌体からの菌細胞壁脂質の抽出、TLC、質量分析による脂質の解析が前年度に比べ、円滑になった。実施計画に則り、MAC菌体から抽出したGPLを用い、細胞レベル、個体レベルの実験を通し、GPLに対する宿主免疫応答を解明していく。MACのコロニー形態、菌細胞壁脂質、病原性の関連を更に明らかにする。また、当初の実施計画に則り、MAC菌体から抽出したGPLを用い、細胞レベル、個体レベルの実験を通し、GPLに対する宿主免疫応答を解明していく。質量分析に関係する費用が予定よりも削減出来たため。(理由)質量分析に関係する費用が予定よりも削減出来たため。(使用計画)研究計画に則り研究を進め、主に消耗品購入に使用する予定である。当初の計画に則り研究を進め、主に消耗品購入に使用する予定である。
ラット疼痛モデルにおける新規化合物 DHLHZN の有用性の検討

ラットでの亜急性疼痛モデルを使用しDHLHZNを連日皮下に投与した結果、副作用が少ない事が判明した。プランターテストで逃避時間が延長した事、組織標本で炎症細胞の浸潤が抑制された事、組織中MPO濃度が低下した事から、抗炎症作用により鎮痛効果を有する可能性が示唆された。次に、DHLHZNが用量依存性に鎮痛効果を有するかどうか、後投与でも鎮痛効果を有するかどうかを検討したが、残念ながら証明できなかった。抗酸化物質がフリーラジカルの除去を促進させることにより、疼痛を抑制する可能性が指摘されている。今回、疼痛モデルで使用されているFCA (Freund's complete adjuvant:フロイント完全アジュバント)をラットの足底に投与し疼痛モデルを作成後、αリポ酸誘導体の新規化合物であるヒスチジンジチオオクタナミドNa/亜鉛(DHLHZN)を投与し、その有効性を検討することを目的として研究を行った。初めにDHLHznの安全性を検討した。SD系雄性ラット(体重250-300g)を、生食投与群DHLHzn投与群に分け、セボフルレン吸入麻酔下に、前述の薬剤を1日2回皮下投与し、DHLHZn(10mg/Kg)投与では副作用が少なく安全である事を確認した。次に、DHLHznの同時投与での有効性を検討した。セボフルレン吸入麻酔下に、FCA(フロイント完全アジュバント)を0.15ml足底に注入して疼痛モデルを作成、同時に、生食投与群、DHLHZn(10mg/Kg)投与群に分け薬剤を皮下投与した。投与間隔は1日2回皮下注射とした。投与後より、連日プランターテストによる痛みの評価を行い、本薬剤が鎮痛効果を有するか否かについて検討したところ、DHLHZn(10mg/Kg)投与群で3日目以降で有意に逃避時間が延長した。足底組織標本を観察したところ、DHLHZn(10mgで/Kg)投与群炎症細胞の浸潤が抑制されていた。また、組織中の炎症の指標として組織中MPO濃度を測定したところ、DHLHZn(10mg/Kg)投与群でMPO濃度が低下していた。以上の事から、新規化合物DHLHZnは、抗炎症作用より鎮痛効果を有する可能性が示唆された。この内容の一部は日本ペインクリニック学会題44回大会で発表した。最近、抗酸化物質がフリーラジカルの除去を促進させることにより、疼痛を抑制する可能性が指摘され始めている。今回、疼痛モデルで使用されているFCA(Freund's complete adjuvant:フロイント完全アジュバント)をラットの足底に投与し疼痛モデルを作成後、αリボ酸誘導体の新規化合物であるヒスチジンジチオオクタナミドNa/亜鉛(DHLHzn)を投与し、その有効性を検討することを目的として研究を行なった。SD系雄性ラット(体重250-300g)を用いて、FCA(Freund's complete adjuvant)を足底に投与し亜急性疼痛モデルを作成する事に成功した。次にFCAと同時に生理食塩水とDHLHznを投与し、1)生理食塩水投与群、2)DHLHzn低容量投与群、3)DHLHzn中容量投与群、4)DHLHzn高容量投与群に分け、セボフルレン吸入麻酔下に、生理食塩水もしくはDHLHznを1日2回連日皮下投与し、DHLHznの安全性を確認した。次に各群間においてプランターテストによる痛みの評価、足底組織標本で組織の状態を確認し、組織中の炎症の指標として組織中MPO濃度を側底し、組織中のフリーラジカルの影響を80HdG及びMDA濃度を測定する事で検討し、DHLHznが鎮痛効果を有する事とフリーラジカルが組織を損傷・障害し、痛みにおいて大きく関与している事を確認した。しかし、DHLHznの鎮痛効果が用量依存性であるかどうかを明らかにする事はできなかった。疼痛モデルで使用されているFCA(Freund's complete adjuvant:フロイント完全アジュバント)をラットの足底に投与し亜急性疼痛モデルを作成後、抗酸化物質であるαリポ酸誘導体の新規化合物であるヒスチジンジチオオクタナミドNa/亜鉛(DHLHZN)を投与し、その有効性を検討することを目的として、継続して研究を行なった。昨年度と同様にSD系雄性ラット(体重250-300g)を用いて、セボフルレン吸入麻酔下にFCAを足底に投与することで亜急性疼痛モデルを作成した。今までの研究によりDHLHZNを1日2回皮下投与し、副作用が少なく安全であること、またDHLHZNを1日2回皮下投与し、連日プランターテストによる痛みの評価を行うことで鎮痛作用があることを見出すことに成功している。

更にそのメカニズムとして、足底組織中の炎症細胞の浸潤や好中球の浸潤がDHLHZN投与により有意に抑制されることが示唆され、抗酸化能をもつ薬剤投与により炎症細胞浸潤抑制効果を介した鎮痛作用の経路があることが証明された。本年度は以上の結果を踏まえ、臨床応用を目指す観点からDHLHZNを亜急性疼痛モデル作成と同時に投与せず、後投与における有効性の有無について検討を行った。セボフルレン吸入麻酔下に、FCAをラットの足底に0.15ml投与して亜急性疼痛モデルを作成し、1日後より生理食塩水とDHLHZNを1日2回皮下注射し、FCA投与後より、連日プランターテストによる痛みの評価を行い、本薬剤が後投与で鎮痛効果を有するか否かについて様々な角度から検討を行ったが、DHLHZNの後投与による鎮痛効果を明らかにする事はできなかった。研究実施計画の予定では、ヒスチジンジチオオクタナミドNa/亜鉛(DHLHzn)の鎮痛効果が用量依存性であるかどうかを明らかにするところまでであったが、達成できなかったため。また、研究成果を発表できなかったため。24年度が最終年度であるため、記入しない。研究実施計画書に沿って進めていく。研究成果を学会、雑誌で発表していく。研究成果がうまくいかない場合、今回申請したヒスチジンジチオオクタナミドNa/亜鉛(DHLHzn)以外にも、当教室にてビタミンCを化学的に修飾した新規抗酸化薬剤を保有しており、他の抗酸化機能を有した薬剤を用いて痛みに対する有効性を本研究期間のうちに検討する。
流域スケールへの適用に向けた大気-森林動態モデルの開発

平成19年度、申請者はそれまでに開発を進めてきた大気-森林動態モデルを用いた数値実験を進めてきた。落葉針葉樹林を対象に、温度上昇や大気C02濃度の増加が森林群落の純一次生産量(NPP)、生態系純生産量(NEP)および森林動態に及ぼす影響に関する気候変化実験がその一つであった。そこでは、3-5°Cの気温上昇における高CO2の影響は樹木成長を高め、群落全体のNPP、NEPが現在の気候条件で得られた結果よりも増加し、森林生態系は炭素吸収源としての機能を高める可能性があることを示した。これはすでに論文化された。これを流域スケールでの水・炭素循環の再現と将来の気候変化に伴うこれらの予測を行うため、亜寒帯域を対象とした数値実験を行った。その結果、気候変化(温度上昇とC02上昇)に伴い樹木成長が高まるが、寒冷圏土壌からの炭素放出量もまた増大し、森林生態系全体の炭素吸収機能は現在と比べて低下する可能性のあることが示唆された。しかし、これは土壌炭素動態の取り扱いに敏感であり、この検討が将来の寒冷陸域生態系における炭素動態を定量的に評価するためには重要であることがわかった。更なる詳細な解析を行い、本年度に投稿される見通しである。別の数値実験では、森林を形成する各樹木個体の生態的機能としての葉群構造の違いが、群落内の競争過程や森林の現存量、NPPを決定する重要な要因であることを示した。葉群構造、すなわち、一樹木個体あたりの葉面積密度の鉛直分布が群落下部に集中しているタイプや上部に集中しているタイプで構成される森林群落では、群落内の小個体の生存を可能とする光環境が生まれ、その結果樹木個体間の競争が弱くなる。その場合には、樹木個体間の競争一密度効果によって生じる最終的な群落全体的現存量が最大になることを示した。一方で、葉群が上下方向に均一に分布したタイプの個体で形成される森林群落では、群落内の光環境が悪く小個体が生存していくためには厳しい光環境条件を生み出す。その結果、個体間の競争は厳しくなる。この条件のときに、最終的な群落全体的現存量は最小になることがわかった。さらに、この数値シミュレーションから得られる厳しい個体間競争を呈する葉群条件を示す変数値が、実際の森林群落で得られることがわかった。このことは、その森林がより厳しい個体間競争の元で形成されていることを示唆している。この内容に関する論文は現在すでに投稿中である。申請者は、本研究課題申請資料の「研究計画・方法」に記載した計画に基づいて、天気-陸面モデル(MINoSGI)の開発および同モデルに不可欠となる野外観測を実施した。本年度の研究計画について、資料では以下のように記載した。(H17-1):落葉針葉樹版のモデル開発と野外観測研究(H17-1.1):フェノロジーサブモデル(H17-1.2):成長プロセスモデル本年度、フェノロジーサブモデルを完成させ、国内の学会、国際ワークショップ^<*1>での発表を行い、また学術論文^<*2>を作成し、現在は投稿中である。落葉樹は限定された期間において光合成活動を行い、成長を高める。この成長量にもっとも大きな影響を与えるプロセスが、着葉・落葉の時期およびその量である。従来の生態モデルでは葉量を一定または最も光合成能を高めるような最適な葉量をとるものとして決定していた。しかしながら、実際には群落の様々な物理環境に大きく支配されることから、環境条件の影響を反映した植物の生理生態的な応答の結果としで決定される必要があった。本モデルの特色は次年度の葉量の決定に際し、前年の炭素固定量を反映させるモデルであった。そのために、樹木の成長期間を知るための野外観測が必要となった。これらの特色を元に同モデルを落葉樹種林分へ適用した。8年間の数値実験を行い、野外観測データとの比較を行った結果、モデルは林分レベルの現存量、平均個体樹高、幹直径など基本的な森林動態量を的確に再現することに成功した。来年度はより詳細な測定の継続と他種間群落個体の生存戦略解析を行う。戸田求ら:環境変化が森林動態や競争過程に及ぽす影響のシミュレーション研究,農業気象学会,金沢大学,2005.昨年度、申請者は完成させた落葉針葉樹版の大気-森林動態モデル(MINoSGI)を用いて、(1)冷温帯・落葉針葉樹林の炭素生産量及び森林動態予測に関するシミュレーション研究、(2)樹木個体間競争に伴う森林群落動態が森林域に於ける水収支に及ぼす影響についてのシミュレーション研究、を行った。研究(1)では、落葉針葉樹の苗木を対象に温度上昇や大気CO_2濃度の増加(2×CO_2)が、森林群落のNPPや生態系純生産量(Net ecosystem production, NEP)およびサイズ構造に及ぼす影響を調べるための気候変化予測実験を行った。その結果、<5°Cの気温上昇における2×CO_2の影響は、樹木個体間の競争および樹木成長を高め、計算期間を通した群落全体のNPPおよびNEPの積算量は現在の気候条件で得られた結果よりも増加した。一方で、【greater than or equal】5°Cの温度条件下では樹木の成長が抑制され、林分全体のNPPの積算量は大幅に低下しNEP積算量は負になった。

このことから、2×CO_2条件の下で、<5°Cの気温増加の気候条件下においては、対象とする森林生態系は炭素の吸収源としての機能を高めるが、【greater than or equal】5°Cのより高温な気温条件において森林生態系は炭素吸収源としての機能を弱めることがわかった(Toda et al.^1, In revised process)。研究(2)では、森林内の個体間競争によって生じる森林動態、すなわち森林のサイズ構造の変化が長期間における森林の水収支の年変化に直接的に影響していることが示された(Toda et al.^2, Under review)。個体間競争の非対称性が強いほど大気と森林間の水交換が活発となり、その結果森林からの蒸発散が増加した。このことは、森林系外への流出量は非対称的競争が強まると滅少することを示した。一方で、対称的競争では、蒸発散量の増加は見られず、したがってほぼ一定もしくはやや減少する流出量の年変化を示した。これまで多くの大気-陸面モデルが開発され、様々な空間スケールを対象とした研究がなされてきたが、本研究のように森林動態が水収支の年変化に及ぼす影響に着目した解析事例は無かった。よって、本研究はMINoSGIモデルの特徴である、サイズ構造サブモデルと多層群落微気象サブモデルの結合系を十分に生かした研究として位置づけられる。発表など・戸田求,横沢正幸,江守正多,原登志彦:高CO_2が森林動態や大気-森林群落間の熱・水・CO_2フラックスへ及ぼす影響,日本気象学会,つくば国際会議場,2006・戸田求、横沢正幸、原登志彦:水循環と生態系モデリング、農業気象学会,北海道大学,2006・横沢正幸、戸田求、原登志彦:生態系モデルと炭素循環、農業気象学会,北海道大学,2006その他2報投稿中論文平成19年度、申請者はそれまでに開発を進めてきた大気-森林動態モデルを用いた数値実験を進めてきた。落葉針葉樹林を対象に、温度上昇や大気C02濃度の増加が森林群落の純一次生産量(NPP)、生態系純生産量(NEP)および森林動態に及ぼす影響に関する気候変化実験がその一つであった。そこでは、3-5°Cの気温上昇における高CO2の影響は樹木成長を高め、群落全体のNPP、NEPが現在の気候条件で得られた結果よりも増加し、森林生態系は炭素吸収源としての機能を高める可能性があることを示した。これはすでに論文化された。これを流域スケールでの水・炭素循環の再現と将来の気候変化に伴うこれらの予測を行うため、亜寒帯域を対象とした数値実験を行った。その結果、気候変化(温度上昇とC02上昇)に伴い樹木成長が高まるが、寒冷圏土壌からの炭素放出量もまた増大し、森林生態系全体の炭素吸収機能は現在と比べて低下する可能性のあることが示唆された。しかし、これは土壌炭素動態の取り扱いに敏感であり、この検討が将来の寒冷陸域生態系における炭素動態を定量的に評価するためには重要であることがわかった。更なる詳細な解析を行い、本年度に投稿される見通しである。別の数値実験では、森林を形成する各樹木個体の生態的機能としての葉群構造の違いが、群落内の競争過程や森林の現存量、NPPを決定する重要な要因であることを示した。葉群構造、すなわち、一樹木個体あたりの葉面積密度の鉛直分布が群落下部に集中しているタイプや上部に集中しているタイプで構成される森林群落では、群落内の小個体の生存を可能とする光環境が生まれ、その結果樹木個体間の競争が弱くなる。その場合には、樹木個体間の競争一密度効果によって生じる最終的な群落全体的現存量が最大になることを示した。
電子波デバイスのための極限構造の制御と評価

本年度に得た主な成果は次の通りである。(1)低エネルギー集束イオンビームのパルス照射により、GaAsのエッチ速度が数10倍向上すること、及び増速の機構を速度方程式によって示した。(2)光、荷電粒子照射を利用したGaAsの原子層結晶成長、原子層エッチングの特性およびその機構を検討し新しい結果が得られた。(3)水素原子援用MBEによりGaAs/AlGaAs量子井戸、量子細線を作製し、構造の直接観察、PL測定から本成長法の有用性を確認した。(4)種々のIIIVヘテロ界面の原子層制御をガスソースMEE法により行うことが可能になり、界面の原子配列の差により量子井戸構造の光学的特性に差が出ることを明らかにした。(5)InAs/GaAs格子不整合ヘテロエピタキシの成長初期に起る3次元成長層を量子ドットとして用い得ること、適当な微傾斜をもった基板を用いることにより、発光特性が大きく向上することを示した。(6)PL表面準位分光法により表面評価、原子層エピタキシ、MBE Si超薄膜界面制御層による表面・界面制御、InGaAs量子細線構造の形成と界面制御を行い、多くの知見を得た。(7)GaP-A1GaPヘテロエピタキシ界面の吸収をラマンレーザ導波路の共振シフトにより見いだし、界面完全性を向上させた。(8)電子線直接描画選択成長法で、サブμmのGaAs細線を選択成長し、メゾスコピック構造形成の新方法として有力であることを示した。(9)量子井戸上に表面超格子を作製し、細線状の量子閉じ込めが可能であることを光学測定にて確認した。(10)Siのドライエッチと熱酸化により直径数十nm以下のドットを作成した。これにイオン注入してpn接合を形成し、AFMによりI-V測定を行うことに成功した。(11)準バリスティック伝導域の量子細線で相関磁場を利用した位相干渉長の決定は、スプリットゲート細線でも可能であることを示した。(12)電子顕微鏡に電子線バイプリズム及びフリーレンズコントローラを取り付け、非接触微小電場測定できることを確認した。
数万人の市民と行う膨大な惑星探査画像の解析：手法開発と火星の現在の活動度の発見

火星における現在のクレーター生成頻度が把握できたら,年代推定の精度が大きく向上する.本研究は宇宙ミュージアムTeNQで約2年間にわたり、3万人以上の方々にご協力いただきながら、合計3,549のCTX画像のペアを精査し、計476個の新しいクレータ類似地形を判別した。調査した領域の総面積は1.0 x 10^7 km2(これは火星全体の7.06%に相当する)で、ATFは3.7 x 107 km2yrであることから、この地形の生成率は1.3 x 10-5 /km2/yrとなった。これは画像解析に基づく先行研究の値や理論計算に基づく衝突フラックスの値よりも1桁以上も大きい結果であった。地球外天体の表面年代を知るには、衝突クレーターの空間密度から推定する以外に現状では手立てが無い。もしある天体における現在のクレーター生成頻度が把握できたら、年代推定の精度は極めて正確になる。そこで本研究は数万人の一般市民の方々と共に、火星上で最近10年以内に形成されたクレーターを網羅的に発見しようとしている。この試みは換言すれば、火星に最近新たにできた地形を発見しようとしていることに他ならない。予備的な検討で、火星上の同じ場所で異なる時間に撮影されたCTX画像を比較することで、黒い斑点状の地形が形成されることがあることがわかっているので、これをダークパッチと呼び発見を試みる。なお常識的には火星には特段の活動度は無いものと考えられているため、こうしたダークパッチは全て衝突クレーターであると解釈される場合が多い。まず今年度はデータとツールを整備し、多数の市民の方々に気楽にご協力いただけるようなマッピング作業環境の整備を行った。データについては当初予定通りCTX画像を利用し、これをヘッダ情報から重複域を抜き出しGIS上で比較作業が行えるようにした。これを用いて実際に宇宙ミュージアムTeNQにおいて来館者に実験に参加していただくこととした。その結果、約32,000人の方々に協力いただき、5800枚の画像を比較して新規にダークパッチが形成されているかどうか調査できた。これを研究者の目でさらに解析・検討した。こうした活動を通じて、先行研究で報告されていた11地点に加えて、新たに計238地点もの新たに形成された地形を発見することに成功した。これが全てクレーターであるとすると、従来考えられてきた単位面積当たりの1年間の生成率よりも約6倍ほど大きい。この途中経過は学会発表の形で報告を行った。当初は今年度にマッピング作業の整備を行うこととしていたが、海外研究者の協力などにより、大幅に予定を前倒しして完了することができた。その結果、同一領域だが異なる時間に撮影された火星のCTX画像を、約3000組分抽出し、これをGISソフトウェア上で容易に比較できるように表示するよう工夫した。さらに遊園地内の宇宙をテーマとする博物館内において来館者が楽しんでこの作業が行えるように機器を配置し作業手順等のパネルを作り、同館のスタッフの協力を得られるような仕組みを整えることができた。その結果、既に3万人以上の方々に作業に協力していただくことができ、新たに約240地点もの黒い斑点(ダークパッチ)を発見することができた。地球外天体の表面年代を知るには,衝突クレーターの数から推定する以外に方法が無い.もしある天体における現在のクレーター生成頻度が把握できたら,年代推定の精度が極めて正確になる.しかしながら、新しいクレーターの自動検出は技術的にかなり困難である。そのため本研究は,数万人の一般市民の方々と共に,火星上で最近10年以内に形成された全てのクレーターを発見することを試みた。ここではCTX画像とよばれる全球のカバレッジの良い画像を選んだ。都心にある宇宙ミュージアムTeNQにおいて、約2年間にわたり、3万人以上の方々にご協力いただいた。解析には、画像解析用(ArcGIS)を用いている。ソフトウェアを駆使して新しいダークパッチを発見する作業を行った。合計3,549のCTX画像のペアから計476個の新しいダークパッチを判別することに成功した。調査した領域の総面積は1.0 x 10^7 km2(これは火星全体の7.06%に相当する)で、ATFは3.7 x 107 km2yrであることから、ダークパッチの生成率は1.3 x 10-5 /km2/yrとなった。これは画像解析に基づく先行研究の値(1.65 x 10-6 /km2/yr)[Daubar et al., 2013]、および理論計算に基づく衝突フラックスの値(10^-8-10^-6 /km2/yr)[JeongAhn and Malhotra, 2015]よりも1桁以上も大きい結果であった。

これは画像解析に基づく先行研究の値や理論計算に基づく衝突フラックスの値よりも1桁以上も大きい結果であった。28年度に用意したデータセットとマッピングツールを用いて、作業を継続する。新たに形成された地形はクレーターと常識的には考えられているが、そうだとすると従来予想されていたクレーター生成率を大幅に上回る。この原因として、実際に小さな衝突体が火星に降り注いでいるという考え方もあれば、何らかの内因的な原因があるとする考え方もある。そこで今年度は、このどちらが正しいかを判断するために、ダークパッチの空間分布について統計的な検討も行う。惑星科学海外研究者との打ち合わせを見込んでいたが必要無くなった大変興味深い成果が生まれつつあるので、海外での成果発表に充てる。
パイロクロア型イリジウム酸化物における新奇な量子磁性と伝導現象の研究

物性物理学においては理論によるトポロジカル絶縁体の発見に刺激を受け、バンドトポロジーの効果が注目を集めているが、バンドトポロジーが強相関電子系に及ぼす効果については未解明な部分が多い。その中でもワイル半金属状態などの新奇な電子状態の発現が予言されており、電子相関およびスピン軌道相互作用が大きな5d電子系であるパイロクロア型イリジウム酸化物は、強相関電子系においてバンドトポロジーの効果を研究するにあたって格好の舞台である。我々はパイロクロア型イリジウム酸化物の単結晶の純良化および大型化を行い、種々の物性測定を行った。磁気秩序を示さず自発的異常ホール効果を示すPr_2Ir_2O_7と磁気秩序を示すPr_(2-x)Ir_(2+x)O_(7+d)試料との差異は、これまで明らかにされていなかったが、電気抵抗測定により磁気転移温度において電気抵抗が減少する異常を見出し、さらに極低温における比熱測定により磁気転移に伴う明確な比熱の異常を発見し、詳細な磁気エントロピーの見積もりによって転移温度においてポーリングの残留エントロピーに対応する量のエントロピーが解放されているが明らかになった。このことは、単結晶試料を用いた中性子散乱実験の共同研究によって明らかにされたPr_(2-x)Ir_(2+x)O_(7+d)試料の磁気構造が"2-in 2-out"相関をもった反強磁性秩序であることと整合する結果である。ホール抵抗の測定結果からキャリア密度を見積もったところ、磁気秩序を示すPr_(2-x)Ir_(2+x)O_(7+d)試料は磁気秩序を示さない試料と比較して一桁以上キャリア密度が高いことが明らかになった。このことは、組成変化によるキャリア密度の上昇によって、RKKY相互作用による磁気秩序が発達している可能性を示唆していると考えられる。26年度が最終年度であるため、記入しない。遍歴電子系における幾何学的にフラストレートした磁性と伝導電子との結合効果、および5d電子系における強いスピン軌道相互作用の効果は強相関電子物理における重要な問題である。加えて、近年いわゆるトポロジカル絶縁体などの発現に関わるバンドトポロジーの物理も俄かに注目を集めている。パイロクロア型イリジウム酸化物はこれら種々の効果が期待され、実験的には金属スピンアイス物質Pr_2Ir_2O_7におけるカイラルスピン液体の可能性や、R_2Ir_2O_7(R=Nd以降の希土類)における磁気転移に伴う金属絶縁体転移など興味深い物性発現の舞台となる一方、理論的にはWeyl半金属相の存在が予言され注目を集めている。我々はパイロクロア型イリジウム酸化物の大型の単結晶育成に成功し、以下のことを明らかにした。Pr_2Ir_2O_7に関しては、先行研究によって磁気秩序なしに自発的に異常ホール効果が表れることが明らかにされているが、今回我々は磁気秩序を示し、従来とは全く異なる基底状態をもつ試料の合成に成功した。中性子回折によって0.4K以下から磁気ブラッグピークが発達することが明らかにされた。EDXによる組成分析では明確な組成比のずれは観測されなかったが、今後基底状態の劇的な変化がどのように引き起こされているのかを明らかにすることで、スピン液体相の発現条件等を明らかにする端緒となる。Eu_2Ir_2O_7に関しては、Ir過剰で金属的な試料のホール抵抗測定によってキャリア密度が温度にほぼ線形に依存する一方、移動度が温度に反比例して発散する異常な振る舞いを見出した。これはフェルミエネルギー付近に線形分散をもつDirac電子系と類似の振る舞いであり、今後さらに制御された組成の試料による測定を進め、理論的にも予想されているDirac電子と類似の線形分散をもつWeyl半金属相の可能性を検証していく。また、共鳴X線磁気散乱の共同研究を行い、パイロクロア型イリジウム酸化物において初めてall-in all-outの反強磁性磁気構造を実験的に直接明らかにした。このことは、理論的に予言されているトポロジカル相の可能性を議論する足場とも言える重要な成果である。物性物理において近年トポロジカル絶縁体の理論的予言とそれに引き続く実験による物質系の発見により、バンドトポロジーが物性におよぼす効果がにわかに注目を集めている。その中でも特に、パイロクロア型イリジウム酸化物は現時点で唯一、強い電子相関と非自明なバンドトポロジーを持つと期待される物質系であり、実験的な研究が大いに注目を集めている。今回我々が合成したPr_2Ir_2O_7単結晶はPhilippGegenwart教授(Georg-Augst-Universitaet Goettingen)のグループとの共同研究により磁気熱量係数が低温かつゼロ磁場に向かって発散的な振る舞いを示し、ゼロ磁場において量子臨界的振る舞いを示すことが明らかにされた。これらの事実は従来の磁性の枠組みでは理解できず、新たな理論が必要になり、この発見が新たな理論研究の刺激になることが期待される。また、昨年度に我々が発見した、従来とは異なり低温で長距離磁気秩序を示すPr_2Ir_2O_7単結晶は、約1%程度の酸素欠損があることが澤博教授(名古屋大学)との共同研究である放射光X線回折実験により分かりつつある。このことは、わずかな組成ずれによって物性が大きく変化する可能性を示唆しており、パイロクロア型イリジウム酸化物の化学組成への敏感さを示しているものと考えられる。

これは近年理論的に予想されているパイロクロア型イリジウム酸化物のゼロギャップ半導体的なバンド構造を考えると自然に理解される。その物性の本質的な理解のために組成を0.1%以下のレベルで制御できる純良単結晶育成法の開発を推進している。また辛教授(物性研究所)との共同研究による光電子分光によって電子状態の理解も進んでいる。今後も純良大型単結晶を用いた低温磁化、比熱、電気伝導度、ホール伝導度測定に加え共同研究を精力的に推進し、強相関トポロジカル相の実験的検証を行う。物性物理学においては理論によるトポロジカル絶縁体の発見に刺激を受け、バンドトポロジーの効果が注目を集めているが、バンドトポロジーが強相関電子系に及ぼす効果については未解明な部分が多い。その中でもワイル半金属状態などの新奇な電子状態の発現が予言されており、電子相関およびスピン軌道相互作用が大きな5d電子系であるパイロクロア型イリジウム酸化物は、強相関電子系においてバンドトポロジーの効果を研究するにあたって格好の舞台である。我々はパイロクロア型イリジウム酸化物の単結晶の純良化および大型化を行い、種々の物性測定を行った。磁気秩序を示さず自発的異常ホール効果を示すPr_2Ir_2O_7と磁気秩序を示すPr_(2-x)Ir_(2+x)O_(7+d)試料との差異は、これまで明らかにされていなかったが、電気抵抗測定により磁気転移温度において電気抵抗が減少する異常を見出し、さらに極低温における比熱測定により磁気転移に伴う明確な比熱の異常を発見し、詳細な磁気エントロピーの見積もりによって転移温度においてポーリングの残留エントロピーに対応する量のエントロピーが解放されているが明らかになった。このことは、単結晶試料を用いた中性子散乱実験の共同研究によって明らかにされたPr_(2-x)Ir_(2+x)O_(7+d)試料の磁気構造が"2-in 2-out"相関をもった反強磁性秩序であることと整合する結果である。ホール抵抗の測定結果からキャリア密度を見積もったところ、磁気秩序を示すPr_(2-x)Ir_(2+x)O_(7+d)試料は磁気秩序を示さない試料と比較して一桁以上キャリア密度が高いことが明らかになった。このことは、組成変化によるキャリア密度の上昇によって、RKKY相互作用による磁気秩序が発達している可能性を示唆していると考えられる。26年度が最終年度であるため、記入しない。当初計画していたPr_2Ir_2O_7およびEu_2Ir_2O_7の単結晶の大型化に成功し、中性子回折や共鳴X線磁気散乱などの大型の単結晶を必要とする共同研究が飛躍的に進展した。一方で、特に大型のPr_2Ir_2O_7単結晶はわずかな酸素欠損の可能性があり、従来とは異なり磁気秩序を示すことが明らかになった。今後更に単結晶の純良化を行い比較研究を行うことで、磁気秩序の発現機構を明らかにし、スピン液体相の可能性を検証することができる。Pr_2Ir_2O_7の大型単結晶を用いた磁気熱量効果により自発的な量子臨界性を発見した。また、光電子分光の共同研究により、本物質の電子状態の理解が進展した。
問題基盤型学習の教育効果・コストに関する研究-チーム基盤型学習と対比して

問題基盤型学習カリキュラムと、問題基盤型・チーム基盤型学習のハイブリッド型カリキュラムを比較すると、後者は教育に必要な人員・拘束時間をおよそ半減させながら、共用試験や医師国家試験において有意に高い学習到達度(知識、技能)を示した。本法は、欧米に比較し人的資源に劣る日本の教育環境において、知識と並行して問題解決能力、自己主導型学習能力を育成する問題基盤型の教育を発展させるための一つの方法となりうる。チーム基盤型学習は、学生主導の学習や問題発見・解決能力を養成する問題基盤型学習の長所を生かしつつ、欠点(多大な人的・時間的コスト)を補うものとして注目されているが、本研究では、その両者の教育特性を、学生側の要素(学習の網羅性、学習の深度、学習意欲)および教育側の要因(教育運営に要するコスト、教員の満足度)の両面から調査する。H22年度は、佐賀大学3年次カリキュラムにおいて、問題基盤型学習(21週・18症例)とチーム基盤型学習(24週・45症例)を実施できた。これは日本におけるチーム基盤型学習としては、最大規模のカリキュラムである。H22年度は導入初年度であったために、学生の学習行動、学習到達度、コスト、教員の満足度および教員の意識調査を、アンケートや面接調査を通して行いつつ、カリキュラムの充実に力を入れた。その結果、チーム基盤型学習は、学生の自己学習を強化し、症例討論への積極性も向上させるなど、期待通りの学習効果を得た。一方、臨床推論能力や、事後の学習については、問題基盤型学習の方が効果的である傾向がみられた。教育運営に必要なリソースは、グループ討論に教員を配置しないチーム基盤型学習では、教員数を年間でのべ110名(47%)削減しえたことをはじめ、学習教材の準備や事前打ち合わせなどに要する時間についても大幅に削減しえたため、これらの人的リソースは、他の教育充実のための活動へと割り振ることができた。H23年度はさらに両社の特性を生かしつつ、双方に効果的な実施方法とその効果を検討する。H24年度は、佐賀大学3年次カリキュラムにおいて、問題基盤型学習(21週・18症例)とチーム基盤型学習(24週・45症例)を実施できた。

H24年度は本カリキュラムで学んだ学生が卒業し、国家試験を受験するため、成果検証のための指標も得られた。調査は、カリキュラムの導入と並行して実施ており、データは予定通り収集できている。また、国内外専門家との情報交換も信仰しており、カリキュラム開発も進んでいる。24年度が最終年度であるため、記入しない。学生や担当教員からの評価は概ね予想通りの結果となっている。教育の人的コストに関する改善効果は予想通りと言えるが、教員の教育準備・実施に関する心理的負担をも組み込んだ調査としたい。
1.5-双極子の環化付加を鍵とする中員環過酸化物の新規合成反応

シクロアルケンのプロトン性溶媒中でのオゾン分解で得られる溶媒捕獲生成物(1)を、炭素2個、酸素3個からなる1,5-双極子の前駆物質として利用することにより、アルデヒドとの[5+2]および[5+2+2]という、まったく新規の高次環化付加に成功した。この結果、テトロキセパン(2)およびペントキソナン誘導体(3)を、効率良く合成することが出来た。その例をschemeに示す。テトロキセパンについては、各種のアルデヒドが使用可能であるが、ペントキソナンについては、ホルムアルデヒドの場合のみ、反応がうまく進行する。この反応の特徴は、立体化学がきわめて特異的なことである。1-アルキルインデンの場合、溶媒捕獲生成物として一種類の立体異性体のみが得られ、このことに対応して、生成物も一種類の立体異性体が選択的に生成する。ペントキソナンについては、その構造がX-線解析により決定された。
新規反応開発を基盤とする医薬リード化合物の設計と合成

結核はAIDSおよびマラリアとともに三大感染症とよばれ、多剤耐性菌などの出現によって今なお人間の生存と安全を脅かす存在である。しかしながらここ40年間もの間新規の化学構造や作用機序を示す強力な新薬は全く報告されておらず、開発が望まれている。R207910はJohnson&Johnson社によって開発された化合物であり、既存の抗結核薬に比べて非常に強い抗菌活性を有する。また、既存の薬とは異なる作用機序を示すことから多剤耐性菌をも標的とした新しい結核治療薬として有望視されている。しかしながら報告されている唯一の合成法はJohnson&Johnson社による光学分割法であり効率が良いとはいえなかった。そこで私は抗結核薬R207910の世界初の立体選択的合成法の確立を目標として研究を開始した。合成の鍵となるのが不斉四置換炭素を含む連続する二つの不斉中心をいかに構築するかである。当研究室で開発された触媒系を元に、一つ目の不斉点を触媒的不斉プロトン化により、さらにその基質に対するジアステレオ選択的なアリル化によって二つ目の不斉点である三級アルコールを構築することとした。○不斉プロトン化不斉プロトン化の基質であるシリルエノールエーテルを合成し、当研究室で開発されたガドリニウムーFujiCAP0錯体を用いて不斉プロトン化を行い、一つ目の不斉点の構築を検討した。リガンドのチューニングによって現在のところ63%eeにて目的物を得ることに成功している。○ジアステレオ選択的な触媒的アリル化とR207910の合成当研究室で開発された触媒的不斉アリル化をそのまま用いた私の合成中間体に適用した場合にはジアステレオ比がほぼ1:1だったのに対して、ZnCl_2およびホスホニウム塩を添加した場合に6:1と選択性が劇的に向上した。その後変換を行い、総計13工程にてR207910へと導くことに成功した。「フッ素」の有用性は様々な分野において注目されているが、不斉四置換炭素上にCF_3基を有する化合物の効率的合成は従来法では難しく、医薬品の構造を制限する要因の一つになっていた。「医薬化合物ライブラリーの多様性の向上」を通した創薬化学への貢献を目指し、CF_3置換キラル三級アルコールの効率的合成法の開発に取り組んだ。当研究室では既にトリフルオロメチルケトンに対する世界初の触媒的不斉ビニル化およびフェニル化反応の開発に成功している。Motoki, R.; Kanai, M.; Shibasaki, M."Catalytic Enantioselective Alkenylation and Phenylation of Trifluoromethyl Ketones" Tetrahedron, Lett.2006,47,8083。しかしながら、この方法においてはあらかじめシリル基で活性化されたプレ求核剤を用いる必要があった。より効率的な合成法の確立を求めて、触媒的不斉アルキニル化反応の開発を行った。この反応はシリル基の補助を必要とせず、直接的にアルキンの末端プロトンを引き抜くことができる点において、上記の反応よりもコンセプト的に優れているといえる。種々の反応条件の検討によって高収率で基質一般性高く目的物を得ることに成功した。(1)一般に反応性の低い銅アセチリドを求核種として用いたこと、(2)反応系中で生成するカリウム塩が反応性の向上に大きく寄与する知見を見出したことの二点が特筆すべき点である。現在不斉収率の向上、抗HIV薬(efavirenz)合成への展開に取り組んでいる。
GPGPUプログラミング容易化のためのMapReduceアルゴリズム処理系の開発

並列処理やGPGPUに関する知識が無い一般的なプログラマでもGPUの高性能を容易に利用可能とするために,逐次C言語で記述されたMapReduceプログラムを効率の良いGPGPUプログラムに自動変換するコンパイラを開発することを目的に,逐次C言語でMapReduceプログラムを記述するための簡潔で使いやすいMapRedece APIの設計と,設計したAPIに基づいた次のコンパイラの試作を行った:(1)逐次C言語用コンパイラ,(2)OpenMP用コンパイラ,(3)単一GPU用コンパイラ,(4)複数GPU用コンパイラ本研究の目的は,並列処理やGPGPUに関する知識が無い一般的なプログラマでもGPUの高性能を容易に利用可能とするために,逐次C言語で記述されたMapReduceプログラムを効率の良いGPGPUプログラムに自動変換するコンパイラを開発することである.この目的の達成のために,(1)逐次C言語によるMapReduceプログラム記述のためのAPIの設計,(2)(1)で設計したAPIを用いて記述されたMapReduceプログラムをそのまま逐次Cプログラムとして実行するためのライブラリの開発,(3) MapReduceプログラムをソースプログラムの修正無しにそのままマルチコアCPU上で並列実行するためのライブラリの開発,をまず行い,いくつかのアプリケーションを用いて評価実験を行いつつ,GPGPUに関するこれまでの研究経験を活かしてこれらを徐々に発展させる形で,(4)単一GPU用コンパイラの開発,(5)単一PC上の複数GPU用コンパイラの開発,(6)GPUクラスタ用コンパイラの開発,を行う.そこで平成26年度は,まず,逐次C言語でMapReduceプログラムを記述するための簡潔で使いやすいMapReduce APIの設計を行った.さらに設計したAPIに基づいた逐次C言語用トランスレータ,OpenMP用トランスレータと単一GPU用トランスレータの試作を行った.本研究の目的は,並列処理やGPGPUに関する知識が無い一般的なプログラマでもGPUの高性能を容易に利用可能とするために,逐次C言語で記述されたMapReduceプログラムを効率の良いGPGPUプログラムに自動変換するコンパイラを開発することである.この目的の達成のために,(1)逐次C言語によるMapReduceプログラム記述のためのAPIの設計,(2)(1)で設計したAPIを用いて記述されたMapReduceプログラムをそのまま逐次Cプログラムとして実行するためのライブラリの開発,(3) MapReduceプログラムをソースプログラムの修正無しにそのままマルチコアCPU上で並列実行するためのライブラリの開発,をまず行い,いくつかのアプリケーションを用いて評価実験を行いつつ,GPGPUに関するこれまでの研究経験[6頁,7頁の30本の研究業績の全て]を活かしてこれらを徐々に発展させる形で,(4)単一GPU用コンパイラの開発,(5)単一PC上の複数GPU用コンパイラの開発,(6)GPUクラスタ用コンパイラの開発,を行う.平成27年度は,まず,いくつかの簡単なMapReduceプログラムを平成26年度に開発したAPIとCPU用コンパイラを用いて開発し,さらにこれらを用いて,やはり平成26年度に試作した単一GPU用コンパイラの改良と実行性能の評価を行った.その結果,MapReduceプログラムの記述自体は改良したAPIを用いて問題なく行えることがわかったが,試作したGPU用コンパイラでは,細粒度のMapReduceアルゴリズムが対象の場合,CPU-GPU間のデータ転送がボトルネックになることがわかった.当初計画では今年度中に複数GPUに対応したコンパイラの試作まで行う予定であったが,昨年度に試作した単一GPU用コンパイラでは一部記述できないMapReduceアルゴリズムがあることが判明したため,APIおよびコンパイラの仕様変更および改良を行う必要が生じたため,作業にやや遅れが生じている.本研究の目的は,並列処理やGPGPUに関する知識が無い一般的なプログラマでもGPUの高性能を容易に利用可能とするために,逐次C言語で記述されたMapReduceプログラムを効率の良いGPGPUプログラムに自動変換するコンパイラを開発することである.この目的の達成のために,(1)逐次C言語によるMapReduceプログラム記述のためのAPIの設計,(2)(1)で設計したAPIを用いて記述されたMapReduceプログラムをそのまま逐次Cプログラムとして実行するためのライブラリの開発,(3) MapReduceプログラムをソースプログラムの修正無しにそのままマルチコアCPU上で並列実行するためのライブラリの開発,をまず行い,いくつかのアプリケーションを用いて評価実験を行いつつ,GPGPUに関するこれまでの研究経験を活かしてこれらを徐々に発展させる形で,(4)単一GPU用コンパイラの開発,(5)単一PC上の複数GPU用コンパイラの開発,(6)GPUクラスタ用コンパイラの開発,を行う.平成28年度は,まず,昨年度にやり残した,GPUのVRAM容量を超えるデータを取り扱えるように昨年度試作したコンパイラの小改善を行った.昨年度のコンパイラがVRAM容量を超えるデータを取り扱えなかった理由は,CUDAのUnified Memoryの機能の制限のためであるが,今年度初めに発売された新しいPascalアーキテクチャに基づくGPUから,この制限が取り払われた.このため昨年度末に計画した,CUDAに代わってOpenCLの仮想共有メモリを用いたコンパイラの試作は中止し,引き続きCUDAを用いることにした.平成28年度は,次に複数GPUに対応したコンパイラの試作を行った.並列処理やGPGPUに関する知識が無い一般的なプログラマでもGPUの高性能を容易に利用可能とするために,逐次C言語で記述されたMapReduceプログラムを効率の良いGPGPUプログラムに自動変換するコンパイラを開発することを目的に,逐次C言語でMapReduceプログラムを記述するための簡潔で使いやすいMapRedece APIの設計と,設計したAPIに基づいた次のコンパイラの試作を行った:(1)逐次C言語用コンパイラ,(2)OpenMP用コンパイラ,(3)単一GPU用コンパイラ,