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海洋生物共生誘引物質“アプリシノプシン"関連制癌剤の開発

海洋生物共生物質“アプリシノプシン"関連化合物の原料となる3H-インドール=1-オキシドの合成を目的として、4-(m-置換フェニル)-3,5-ビス(メトキシカルボニル)-2-イソオキサゾリン=2-オキシドと四塩化チタンとの反応を試みた。その結果、3H-インドール=1-オキシドは得られず,α-ヒドロキシ-4H-1,2-ベンゾオキサジンを高収率で得た。この化合物について環開裂反応をおこなうことによりインドールへの環変換を試みたところ2-オキソ-2H-ベンゾフロ[2,3-b]ピロールを3段階で得た。一方、4-(p-置換フェニル)-2-イソオキサゾリン=2-オキシドについても同様に四塩化チタンとの反応を試みた。その結果、ベンゾフロ[3,3a-d]イソオキサゾール誘導体、およびそのDiels-Alder二量体などの興味深い新規環骨格を有する化合物などを得た。これらの生成物の構造はX線結晶解析により決めた。次に、5-ヒドロキシメチル-2-イソオキサゾリン=2-オキシド誘導体と四塩化チタンとの反応についても検討した。その結果、ベンゾフロ[2,3-c]テトラヒドロピラン、ベンゾフロ[3,2-d]-1,2-オキサジン、などが生成することがわかった。さらに、4-インドリル-3,5-ビス(メトキシカルボニル)-2-イソオキサゾリン=2-オキシドを四塩化チタンと反応させたところ、新規の環骨格を有する3a,4-ジヒドロ-5aH-インド[2,3-b]フロ[3,3a-d]イソオキサゾールおよび3H-インドール=1-オキシドの類縁体であるα-ヒドロキシ-1-オキシド-インド[2,3-b]-1-ピロール誘導体を得た。この反応をさらにフラン、ピロールなどのインドール以外の複素環を置換基にもつ2-イソオキサゾリン=2-オキシドに適応した。その結果、各々新規環骨格をもつ新しいタイプの縮環性フロイソオキサゾール類を得た。制癌性が期待されるアプリシノプシン類縁体の合成を目的として、以下に示す基礎的な実験をおこなった。1)まず、アプリシノプシン類縁体のインドール部分の合成デザインをおこなうために、種々のイソオキサゾリン=2-オキシドとルイス酸(四塩化チタンなど)との反応をおこなった。その結果、4-p-位置換フェニル-2-イソオキサゾリン=2-オキシドからは、ベンゾフロ[3,3a-d]イソオキサゾールのDiels-Alder型二量体が生成した。また、4-インドリル-2-イソオキサゾリン=2-オキシドからはイソオキサゾロ[4,4a-c]フロ[2,3-b]インドールおよびピロロ[2,3-b]インドール-1-オキシドが生成した。さらに、4-フリル-2-イソオキサゾリン=2-オキシドからも対応するフロ[3,3a-d]イソオキサゾールが得られた。一方、4-m-ヒドロキシフェニル-2-イソオキサゾリン=2-オキシドとルイス酸との反応は進行しなかった。2)エリプチシン型アプリシノプシン類縁体の合成のためのモデル実験として、エリプチシンのD環が欠落した類縁体ピリド[4,3-b]インドールの1-アミノ誘導体とメタン

スルホニルクロリドとの反応をおこなったところ、環化がおこり、新規の環骨格を持つ四環性の縮環誘導体が得られることがわかった。3)種々のグリコシアミジン誘導体を合成し、これらと塩化アセチル存在下で脂肪族ニトロ化合物との反応をおこなった。その結果、目的としたN-ベンゾイルグリコシアミジンオキシムは得られず、1,3-環化付加による1,2,4-オキサジアゾール誘導体が得られた。海洋生物共生物質"アプリシノプシン"関連化合物の原料となる3H-インドール=1-オキシドの合成を目的として、4-(m-置換フェニル)-3,5-ビス(メトキシカルボニル)-2-イソオキサゾリン=2-オキシドと四塩化チタンとの反応を試みた。その結果、3H-インドール=1-オキシドは得られず、alpha-ヒドロキシ-4H-1,2-ベンゾオキサジンを高収率で得た。この化合物について環開裂反応をおこなうことによりインドールへの環変換を試みたところ2-オキソ-2H-ベンゾフロ[2,3-b]ピロールを3段階で得た。一方、4-(p-置換フェニル)-2-イソオキサゾリン=2-オキシドについても同様に四塩化チタンとの反応を試みた。その結果、ベンゾフロ[3,3a-d]イソオキサゾール誘導体、およびそのDiels-Alder二重体などの興味深い新規環骨格を有する化合物などを得た。これらの生成物の構造はX線結晶解析により決めた。次に、5-ヒドロキシメチル-2-イソオキサゾリン=2-オキシド誘導体と四塩化チタンとの反応についても検討した。その結果、ベンゾフロ[2,3-c]テトラヒドロピラン、ベンゾフロ[3,2-d]-1,2-オキサジン、などが生成することがわかった。さらに、4-インドリル-3,5-ビス(メトキシカルボニル)-2-イソオキサゾリン=2-オキシドを四塩化チタンと反応させたところ、新規の環骨格を有する3a,4-ジヒドロ-5aH-インド[2,3-b]フロ[3,3a-d]イソオキサゾールおよび3H-インドール=1-オキシドの類縁体であるalpha-ヒドロキシ-1-オキシド-インド[2,3-b]-1-ピロール誘導体を得た。この反応をさらにフラン、ピロールなどのインドール以外の複素環を置換基にもつ2-イソオキサゾリン=2-オキシドに適応した。その結果、各々新規環骨格をもつ新しいタイプの縮環性フロイソオキサゾール類を得た。
微小採血及び無採血化を含むPETによるマウス神経受容体定量画像手法の構築

本科研費では、小動物に対する微小体積の血中放射能濃度測定システムの開発、及び無採血化のためのデータ処理で必要となる小動物からの陽電子断層撮影画像(PET)データに対する雑音削除アルゴリズムの開発を行った。システム開発では、数[μL]の血液に対して、血漿の分離、血漿及び全血の体積の測定、放射能の測定を行うためのシステムを開発した。その結果製品として発売し得るレベルでの完成を見た。また、事後確率最大化規範に基づいた雑音除去アルゴリズムを開発し、その実用性を示した。マウスに対する定量神経受容体画像の取得に当っては、動脈血血漿中の放射能濃度[Bq/mL]の測定が必要となるが、対象が小さいマウスの場合、正確な微小体積での採血、微小血液からの血漿分離、そこに含まれる放射能濃度の測定の実現が不可欠となる。そこで本年度は、マウス及びラットを対象とした、μLオーダでの微小定量採血,遠心分離による血漿分離,血漿中の微小放射能測定のための技術的実現性の可能性を検討した結果、実現の可能性があるとの判断に至った。微小採血系の実現に当っては、血液の粘性が問題となる。前者については血液の流路に対して適宜親水性及び撥水性を付与することで、μLオーダの血液の確実な移送が可能となった。放射能測定については、イメージングプレート及び通常画像撮影用のフラットベッドスキャナの併用によって画像的に放射能量を測定する方式を採用した。年度途中において、実証機間での凝血対策に関する性能のばらつきが問題となったが、システム内の血液流路に対する表面処理を改善した結果、再現性の検討が可能となった。本年度は、H20年度に製作した微少採血・血漿分離・放射能濃度測定システムの実証試験を行った。システムは、全血からの血漿分離を行った上で放射能濃度を測定する部分と、1ないし3μL程度の採血を実施する部分の2つから構成されている。実証実験では、下腿動脈へカテーテルを挿入したラットに対して18F-FDGを尾静脈より投与した上で、動脈血中の放射能濃度の経時変化を、従来の手採血法を併用しつつ提案システムで測定を行った。その結果、放射能濃度測定についてはほぼ所定の性能が得られることが確認できたことから、H22年度に向けてより大規模な実証実験を行うべく、実装システムの増産に着手した。採血については、血液の粘性に起因して血液の滴下が不安定になる現象と、放射能の一部がシステム上の流路内壁面に吸着される現象が問題となった。前者については血液滴下部分のメカニズムの改良で解決可能であるという知見が得られ、その実証実験を計画中である。後者については、表面処理の改善によって解決を図る。一方採血省略手法については、既存のICAを応用した手法の適用を検討したが、小動物からのPETデータのSN比が劣悪である点が問題となることが判明したことから、MAP推定によるPETデータの雑音低減アルゴリズムについての検討を行った。シミュレーションによる検討の結果、先験情報によって雑音の低減が可能であることが判明した。一方で先験情報に対する雑音除去性能の変動について、更に検討が必要である。本年度は、H21年度までに確定した微少採血・血漿分離・放射能濃度測定システムに対して製品化を視野に入れた設計細部の検討、それに基づいた試作機の製作、およびその精度評価を実施した。また精度検証のための実験では、木村所属の放医研と、外山が実験を行っている国立長寿医療研究センターの2箇所で実施することで、実測システムとしての頑健性や使い勝手も合わせて検証した。その結果、微小体積血液血漿中放射能濃度測定のためのシステムが完成した。今後は、採血の自動化および微小血液を使用した代謝物分析方の開発を進める。また開発システムの概要は、2011年5月に開催される日本分子イメージング学会大会において、Work-In-Progressとして、共同研究先である島津製作所より発表を行う。また、マウスからのPETデータに対する定量解析及び無採血化に必要なデータ処理を行うための前処理としてデータ中の雑音の除去が必要となるが、H21年度までにMAP推定及びBayes推定に基づいて動態モデルに関する先験情報を使用するノイズ除去アルゴリズムを検討してきた。MAP推定については結果が確定し、総分布体積をLoganplot法を用いて算出した場合、雑音除去を実施しない場合は2569%あった総分布体積の過小評価が3.25.0%まで減少したことから、提案アルゴリズムの有効性が示唆された。またこの成果は、SPIE11 Medical Imaging Conference (Florida,USA)で発表した。またBayes推定を用いたノイズ除去については、その性能評価に問題が残っており、引き続き検討を進める。
連続晶析装置での最適化操作設計法

連続晶析装置で要求されている製品スペック(粒径、分布)を満足させる最適な操作を実現するための操作設計法を開発する目的で、本年度はまず大幅な操作条件の変更を伴うスタートアップ(SU)操作に注目した。多くの場合、SU操作時には種結晶が装置内に添加される。そこで添加される種結晶スペックが、連続晶析装置のSU操作時間に及ぼす影響について検討し、種結晶の設計指針について議論した。実験は既存の連続撹拌槽型晶析装置を使用し、操作温度は外部測定端を有したプログラム精密低温恒温水槽で制御した。あらかじめ粒径の異なる2種のアンバーライトを装置内に懸濁させ、MSMPR(連続撹拌槽)の仮定が成り立つ操作条件を決定した。スタートアップ操作は操作変数として種結晶スペック、操作過飽和度、回転数を選択し、制御変数として粒径分布、溶液濃度、結晶生産量を考慮した。種結晶スペックの粒径分布は単一分散と最終製品粒径分布とし、添加量は最終懸濁密度の値を含む3種類用意した。SU操作時間を評価するために整定時間を決める必要があるが、本研究では滞留時間当たりの質量基準の粒径分布の変動量を評価関数とした。まず種結晶を添加しない場合には整定までに8滞留時間必要なことがわかった。主な結果は以下の通りである。1.種結晶の粒径分布が極端に異なる場合SU所要時間が最大5滞留時間影響される。2.種結晶を添加しない場合と、単一分散の種結晶を添加した場合とは同程度の時間で制定する。3.同一粒径の単一分散の種結晶でも整定後の懸濁密度に近い添加をした方が整定までの時間が短い。4.予測される製品結晶粒径分布に対し、3つの分散を考慮した種結晶を加えた程度でも整定時間は短縮される。これらの成果は化学工学会の年会で口頭発表予定で、また投稿準備中である。
スカルン型鉱床の生成機構の解明

三年間にわたる野外・室内研究により数多くの成果が得られたが,そのうちから特に主要なもののみを,以下にグル-プごとに記す。1.鉱物相解析グル-プ,主要なスカルン鉱物(単斜輝石・緑簾石など)における固溶体内の組成変動は,各粒子内,手標本内,単一鉱体内ではほゞ同じであることが発見された。この事実はスカルン形成時に物質の輸送が浸透作用と拡散作用のバランスにより行われていることを示し、鉱物一溶液境界での局所変化が鉱物の化学組成に大きな影響を与えている実態が解明された。2.流体包有物解析グル-プ。内外の主要なスカルンについて検討がなされ、一般にスカルンを形成する流体の温度範囲は500°ー200°Cと広く,塩濃度にも大きな変化があることが明らかとなった。ガス分析では,CO_2のほかCH_4の存在も明らかにされた。この検討を通してスカルン鉱物中の流体包有物に初生的なものがよく保存されており,今後流体の水素同位体もこの流体包有物を用いて測定できる可能性が示された。3.軽安定同位体・REE解析グル-プ.本邦の主要なスカルン鉱床の酸素同位体比の測定がすゝみ,特に鉱床として鉱量の多いスカルンは天水起源の熱水から形成されていることが明らかとなった。しかし,一方では都茂鉱床のようにかなり複雑な起源の熱水素の存在も明らかにされた。REEのパタ-ン解析ではREEの分布は鉱物沈澱時の物理化学的条件,特に酸素分圧が強い影響をもっていることが明らかになった。今後はスカルン鉱物中のREEパタ-ンは酸素分圧の良い指標となりうる。4.広域地質対比・解析グル-プ.本邦のいくつかの主要鉱床に附隨するタングステンの鉱化は,重複鉱化作用としての共通の特徴をもつ。本年度は,研究開始の初年度であるため,日本各地の代表的スカルン型鉱床および関連する地質単位の実地調査・観測・試料採取をまず行い,引き続いて室内作業に入って,主としてスカルン形成の際の熱水溶液の起源と挙動,スカルン鉱物の成長過程の追求などについての具体的なデ-タの取得を開始した。合計13名によって有機的に行われており,全体の進行状況はほゞ予定通りで,主な作業と現時点での成果は以下のようにまとめられる。次年度も引き続き室内作業を中心に研究を進める一方,10月に山口大学において研究集会を開いて中間段階におけるまとめを行う予定である。1.岩手県釜石鉱山,福島県八茎鉱山,岐阜県神岡鉱山,山口県下の小規模鉱山などの実地調査を行い,鉱床構成岩について産状を記載し試料採取を行う一方,周辺の岩石についても検討した。鉱床近傍だけでなく,熱水の活動を示す変質が多くの地域で検出され,鉱化の実態像の手直しが必要となってきた。2.各スカルン鉱物についての化学組成上の特徴を主にEPMAにより検討を開始した。すでに一つの鉱床での変化範囲・手標本程度の中での変化範囲・各粒子内での変化範囲が,大きくは変らないことが,数鉱山の単斜輝石の検討から明らかになり,スカルン形成溶液の化学組成は一定でも局所的な沈殿による組成変化・湿度変化で,この現象がモデル化できることを分担者の一人中野が解析した。3.数鉱山からの試料について硫黄・酸素・炭素・水素同位体比の分析が開始された。未だ予察的な段階ではあるが,鉱床として鉱量の多い大規模なものは,天水起源のものが多いようである。

マグマ水起源では,鉱化流体の量が少なく,時間的な継続も期待できないことによるのであろう。これは鉱床学にとって重要な知見となりうる。本年度は、研究第二年度であり、前年度に引続いていくつかの地域の鉱床については野外調査を継続すると同時に,前年度同様の室内作業にに研究の重点をおいた。作業の主なものは,スカルン形成の際の熱水溶液の起源と挙動を知るため同位体的解析とシミュレ-ション,また形成の際の物質の移動のメカニズムとその速度を知るための鉱物相の解析および鉱物内での微小領域での組成変動の解析,およびその解析に必要な基礎的デ-タ取得のための熱水合成実験などである。これらの調査と室内作業は12名の研究者により有機的に行われており,全体の進行状況はほヾ予定通りである。平成2年10月1日に山口大学において研究連絡会を開き,各自のこれまでの成果について発表し,討論を行った。その成果のうちの主なものは以下の通りである。1.本邦を代表する都茂鉱床・八茎鉱床・釜石鉱床では鉄・銅あるいは銅・鉛・亜鉛の鉱化に重複してタングステンの鉱化作用がみられることが判明した。これは二種の異なる鉱液の活動によるものであり,これら鉱液は起源の上でも異なる可能性が指摘された。2.都茂鉱床の鉱物について酸素同位体比の測定がなされた。その結果を解析し,これら鉱物を沈澱させた鉱液の同位体組成に直してみると,鉱液は一種類ではなく,少くとも二種類たとえばマグマ起源の熱水と天水起源の熱水が関与していたことが判明した。3.スカルン形成時における金属元素の挙動を知る上の基礎的デ-タをうるためにZnSーFeSーMnS系鉱物と塩化水溶液間における陽イオン交換平衡実験を400゚と600°C,1000気圧で行った。その結果ZnSーFeS閃亜鉛鉱固溶体はおおよそ理想溶液として扱えることが判明した。またZn>Fe>Mnの順に液相よりは固相に濃集しやすいことが判明した。本年度は、研究の第3年目にあたり、研究の終了をむかえるので、主要な作業はこれまで収集したサンプルを用いた室内研究によるデ-タの補完、デ-タのとりまとめ、計算・作図による検討などを主眼とした。また全体の進行状況を確認し、研究者相互の情報交換のため、仙台での三鉱学会の折に分担者会議を開き、また三鉱学会では出来るだけ多くの者がそれまでの成果の一部を、何らかの形で発表するよう努めた。以下に各研究グル-プごとの主な成果を記す。1.鉱物相解析グル-プでは、中野孝教によるスカルン鉱物内での微小領域での組成変動の測定例が蓄積し、これをシミュレ-トした結果、このような微小領域でのオシラトリ-ゾ-ニングは、熱水溶液内の物質輸送が浸透作用と拡散作用の相互の強度のつり合いにより形成される可能性があることを示した。また緑簾石・単斜輝石などにおけるAl,Mnなどの量の変化は、原岩(石灰岩,粘板岩,火成岩など)を識別するよい指標となることを示した。2.同位体比を用いた解析グル-プでは、島崎英彦は都茂鉱山での解析デ-タを増し、前年度の結果よりも更に複雑な熱水系の存在を示唆する結論を得た。このように複雑な熱水系の存在が示された例はこれまで殆ど報告されたことがない。落合清茂はREEの解析を釡石鉱山のスカルン鉱物を用いて行い、REEのパタ-ン解析は形成時の物理化学的条件、特に酸素分圧の高低を示すよい指標となることを示した。3.実験によるシミュレ-ショングル-プでは、内田悦生が塩化物錯体を用いた溶液反応によって、Mg・Fe・Mn・Ca・Znなどの二価の金属元素が溶液と鉱物の間でどのように分配されるかについて検討した。特に準輝石では、鉱物相にMnが濃集する傾向を把握し、この実験を通してMnSiO_3-CaSiO_3系の温度に対する相図を完成した。
金属ナノ粒子のプラズモン光電気化学過程の解明とデバイスへの応用

金や銀のナノ粒子のプラズモン共鳴に基づく光吸収により、金属ナノ粒子から酸化チタンなどの半導体への電子移動が起こることを明らかにした。この電子移動を利用した光電変換デバイスや可視光応答光触媒、親水・疎水表面パターニング法、還元エネルギー貯蔵型光触媒、光応答膨潤-収縮ゲルを用いたアクチュエータを開発した。また、銀ナノ粒子-酸化チタン系の多色フォトクロミズムでは、その色変化に銀ナノ粒子の粒径・形状変化が関与していることを明らかにした。金属ナノ粒子とn型半導体を組み合わせた系において見られる電荷分離の機構解明と、各種デバイスへの応用を試みている。これまで、金ナノ粒子と酸化チタン、酸化亜鉛などを組み合わせた系において可視光誘起電荷分離を観測しているが、銀ナノ粒子と酸化チタン、チタン酸ストロンチウム、酸化ジルコニウムなどを組み合わせた系においても、可視光誘起電荷分離を観測することができた。観測された光電流のアクションスペクトルと、銀ナノ粒子のプラズモン共鳴に基づく吸収スペクトルが一致したことから、プラズモン共鳴に基づく現象だと結論した。電解質の代わりにホール輸送性ポリマーを使用することにより、銀ナノ粒子の酸化溶解を抑制することができた。光電変換に利用するためには、半導体材料やポリマー材料を選ぶことなどにより、効率を改善する必要がある。また、金ナノ粒子や銀ナノ粒子と酸化チタンを組み合わせた膜について、金属ナノ粒子をアルカンチオールで修飾することにより表面を疎水化した後、部分的に可視光照射を行うことにより、その部分のアルカンチオールを除去し、親水化できることを明らかにした。この手法により、表面パターニングが可能であることがわかった。親水化の機構は、金ナノ粒子の場合はチオールの酸化脱離であり、銀ナノ粒子の場合は、銀ナノ粒子の酸化溶解であることがわかった。また、銀ナノ粒子担持酸化チタン粒子とポリアクリル酸ゲルを組み合わせることにより、光電気化学アクチュエータとして機能することを明らかにした。今年度は、透明電極上にナノポーラス酸化チタンを被覆し、これに金ナノ粒子を担持させ、さらにp型半導体または正孔輸送材料を被覆し、これに電極を取り付けることにより、全固体型光電変換デバイスを作製した。電解液を用いる場合に比べて電流や効率は低くなるものの、全固体型デバイスとして機能することを確認した。光電変換のアクションスペクトルは、金ナノ粒子のプラズモン共鳴に基づく吸収スペクトルにほぼ一致した。試した中では、p型半導体としてヨウ化銅を用いた際に、最も優れた特性が得られることがわかった。また、電解液系においてではあるが、金ナノ粒子のサイズ依存性について調べた。その結果、大きい粒子を用いた場合に、より高い効率が得られるとわかった。これは、電子ドナーから金ナノ粒子への電子移動が起こりやすくなるためか、あるいは、粒子表面で電荷が非局在化するためだと考えられる。また、金ナノロッドなど、より長波長領域に吸収を持つ粒子を利用して、利用可能な波長を明らかにする実験を行っている。長波長領域に吸収を持つ粒子の合成に一部成功しており、光電変換デバイスを作製し、その特性評価を行っている。また、昨年度までに作製を行った、銀ナノ粒子担持酸化チタン粒子とポリアクリル酸ゲルを組み合わせた光電気化学アクチュエータについて、特性の向上を試みている。今年度は、球状金ナノ粒子よりも長波長域にプラズモン共鳴波長をもつ異方性金ナノ粒子を酸化チタンに担持した電極の光電気化学特性を検討した。異方性金ナノ粒子としてロット状の粒子の合成をおこなったが、合成条件により金平糖状の金ナノ粒子が単分散で得られることを見出した。プラズモン共鳴波長は粒径の増大によりレッドシフトするが、粒径の変化に対するシフトの大きさが球状のナノ粒子に比べて大きいことを実験及び計算により明らかにした。この金ナノ粒子を酸化チタンに担持した電極は波長840nmまでの光に応答して光電変換に利用可能であることを明らかにした。金属ナノ粒子とn型半導体を組み合わせた系の可視光応答光触媒としての特性評価では、反応生成物や反応効率についてガスクロマトグラフなどにより検討を進めている。これに酸化タングステンを組み合わせることにより還元エネルギーを貯蔵した可視光応答光触媒に応用できることを示した。また、プラズモン共鳴に基づく光電気化学アクチュエータの検討では、優れた力学物性や迅速な刺激応答性を示すナノコンポジット型ヒドロゲルにポリアクリル酸と銀ナノ粒子担持酸化チタン粒子を組み合わせ、紫外光及び可視光照射により膨潤収縮する高強度光電気化学アクチュエータの作製に成功した。また、ゲルの薄膜化により膨潤収縮速度が向上することや、照射した可視光の色に変化する多色フォトクロミック特性を併せ持つアクチュエータに応用できることを示した。金属ナノ粒子とn型半導体を組み合わせた系において見られる電荷分離の機構解明と、各種デバイスへの応用を試みた。

金ナノ粒子をITO基板上に電解析出し酸化チタンで被覆した電極に、電子ドナーや電子アクセプターを含む電解液中で可視光を照射すると、プラズモン共鳴に起因したカソード光電流が得られるが、このデバイスの可視光応答光触媒としての応用可能性について検討した。電子ドナーとしてエタノール、電子アクセプターとして酸素を含む電解液中で電極に可視光を照射したところ、光電流はほとんど得られなかったが、酸化チタン表面に白金ナノ粒子を担持することで、電極から酸素への電子移動が促進され光電流が増加することを明らかにした。一般に、光触媒用途では、有機物などの酸化反応と同時に酸素の還元反応が起きる必要があるため、本電極は可視光応答光触媒としての利用に適することが示された。また、プラズモン共鳴に基づく光電気化学アクチュエータの検討では、優れた力学物性や迅速な刺激応答性を示すナノコンポジット型ヒドロゲルにポリアクリル酸と銀ナノ粒子担持酸化チタン粒子を組み合わせることで、紫外光照射時にプロトンを生成し、可視光照射時にプロトンを消費するシステムを構築し、プロトンとゲル側鎖の相互作用を駆動力として膨潤・収縮するゲルの開発に成功した。これは、従来の銀ナノ粒子/銀イオンとゲル側鎖の相互作用を駆動力とするゲルとは逆の膨潤収縮挙動を示し、従来よりも膨潤収縮比や速度、繰り返し特性などが向上した。さらに、銀ナノ粒子をあらかじめ酸化チタン上に析出させてゲルに導入したところ、照射した可視光の色に変化する多色フォトクロミック特性の発色向上が確認された。
Heparinの抗炎症作用に関する研究

Heparinは肥満細胞の顆粒に含まれる陰性電荷ムコ多糖体抗凝固因子として知られているが、近年その抗炎症作用が注目されている。平成7年度までに当研究ではHeparinがPDGFで誘導されるとヒト肺線維芽細胞増殖活性を抑制することをin vitroの系で示した。そこで本年度はヒト肺線維芽細胞の増殖、遊走およびマトリックスメタプロテアーゼ(MMP)に及ぼすHeparinの作用機序を解明する目的で、その効果を他の陰性電荷ムコ多糖体Heparan sulfateと比較検討し行なった。確立されたヒト肺胞線維芽細胞株CCL-153を用い、PDGFによる増殖活性を3H-チミジン取り込み能で測定した。また遊走能活性はヒト肺線維芽細胞をコーテングしたトランスウエルチェンバーを用い測定した。さらに培養上清中のマトリックスメタプロテアーゼ(MMP-1,MMP-9)活性を測定し、これらに対するHeparinおよびHeparan sulfateの効果を比較検討し次の結果を得た。HeparinはPDGFによるヒト肺胞線維芽細胞の増殖、遊走さらにMMP-1,MMP-9の活性を抑制した。一方Heparan sulfateはこれらに影響を及ぼさなかった。これらの結果はHeparinとHeparan sulfateはその作用機序異なること、さらにHeparinが炎症局所でのリモデリングに作用する可能性を示唆した。ヒト線維芽細胞は炎症において細胞増殖因子の一つであるPDGF(血小板由来増殖因子)や炎症性サイトカインであるTNFαやIL-1βなどにより増殖を促進されていることが知られている。そこで当研究ではヒト線維芽細胞増殖因子の作用に及ぼすHeparinの効果について検討を行った。その結果、Heparinは細胞増殖因子の一つであるPDGFで誘導されるヒト線維芽細胞の増殖を濃度依存性に有意に制御した。同様にPDGFで誘導されるヒト線維芽細胞の遊走能も抑制した。一方、PDGF(血小板由来増殖因子)で誘導されるヒト線維芽細胞の増殖は炎症性サイトカインであるTNFα+IL-1βの組み合わせでも抑制されたが、遊走能は抑制されず、作用機序の差異が示唆された。またHeparinが炎症の治癒過程において炎症を抑える可能性が示唆された。サルコイドーシスにおいて、肺胞マクロファージ上の細胞間接着分子ICAM-1は健常者に比較し明らかにその発現は亢進していた。この細胞間接着分子ICAM-1の発現にTNFαおよびINF-γの関与が示された。さらに肺胞マクロファージは細胞間接着分子ICAM-1との関連で凝集することが、ヒト線維芽細胞コーテング培養した条件において明らかにした。Heparinはこの反応を抑制した。すなわちHeparinはTNFαおよびINF-γに作用を直接抑制することなしにICAM-1の作用を抑制する可能性を示唆した。
前立腺上皮由来エンドセリンによる前立腺平滑筋細胞増殖効果と細胞増殖因子との関係

前立腺上皮内に存在するエンドセリン(ET)が前立腺平滑筋細胞に対して増殖効果をおよぼす事が報告されている。しかし,Co-culture法を用いて前立腺上皮細胞から分泌されたETが直接前立腺平滑筋細胞を増殖させることを証明した報告は見られない。上記内容を確認するため、本年度はヒト前立腺肥大症組織より、前立腺平滑筋細胞(PSMC)を初代単離培養する方法を確立した。手術で得られたヒト前立腺組織を1-2mm角に切りディッシュにのせ、血清入り培地を加えて1-2週待ち、組織片の周囲に増殖してくるPSMCを継代培養する方法で、開腹手術のみならず経尿道的前立腺切除術で得られた切除片からの培養も可能であった。この細胞が平滑筋細胞であることは免疫染色により確認した。初代培養の成功率は50%で、15代以上継代しても安定した増殖を認めた。PSMCの増殖効果については、DNA合成能の評価として^3H-Thymidine取込み実験にて確認した。散見される過去の報告と同様に、basic FGFを添加すると、濃度依存性にPSMCの増殖効果が確認された。また、ETは内皮細胞由来の強力な血管収縮作用を有するペプチドであり、その中でもET-1は前立腺に対してはα受容体刺激剤にも匹敵する強い収縮作用を有すると考えられている。そこでヒト前立腺におけるET-1による収縮に関与するET受容体サブタイプについても検討した。ヒト前立腺組織を用いて[^<125>I]-ET-1をリガンドとしたET受容体結合実験を行うと、[^<125>I]-ET-1の特異的結合は濃度依存的に増加した。ET-1の収縮作用を確認すると、用量依存的にヒト前立腺を収縮させた。ET受容体に対しては、ET-1による収縮に対する拮抗作用をETAおよびETB antagonistを用いて比較したが、ともに濃度依存性にET-1を阻害し、その親和性はETA antagonist>ETB antagonistであった。このことから、ヒト前立腺ではET-1による収縮反応は主にETA受容体を介して引き起こされている事が明らかとなった。これはヒト前立腺においてETA受容体が優位に存在しているためと考えられる。今後は、PSMCに対してのET-1の増殖効果を、^3H-Thymidine取込み実験で確認していき、さらにはET受容体サブタイプ別の増殖効果についても調べていきたい。そして、前立腺上皮細胞を単離して、ETの分泌を確認した後、Co-culture法を用いて上皮細胞存在下でもPSMCの増殖効果が認められるか、さらにはそれがET antagonist存在下に抑制されるかどうかを今回の実験結果をもとに検討してゆく予定である。前立腺上皮内に存在するエンドセリン(ET)が前立腺平滑筋細胞に対して増殖効果を及ぼす事が報告されている。しかしCo-culture法を用いて前立腺上皮細胞から分泌されたETが直接前立腺平滑筋細胞を増殖させる事を証明した報告は見られない。上記内容を確認するために本年度はヒト前立腺肥大症組織より、上皮細胞および平滑筋細胞をそれぞれ単離した。次に予備実験として単離した前立腺平滑筋細胞へのETの増殖効果を検討するために、平滑筋細胞をフラスコ内で48時間成長させて無血清下に置き、その後ET-1,ET-3,basic FGFを加えて細胞数の変化を検討した。その結果、ET-1及びET-3はbasic FGFに比べて明らかに細胞数が増加しており、ET-1>ET-3であった。現在DNA合成能の評価として^3H-thymidine取り込みにおいても同様の傾向が見られるか検討中であり、今後は単離した前立腺上皮細胞からのエンドセリンの分泌を確認した後、Co-culture法を用いて上皮細胞存在下でも平滑筋細胞の増殖効果が認められるか、さらにそれがET antagonist存在下に抑制されるかどうかを今回の実験結果を基に検討していく予定である。

ET-1の収縮作用を確認すると、用量依存的にヒト前立腺を収縮させた。ET受容体に対しては、ET-1による収縮に対する拮抗作用をETAおよびETB antagonistを用いて比較したが、ともに濃度依存性にET-1を阻害し、その親和性はETA antagonist>ETB antagonistであった。このことから、ヒト前立腺ではET-1による収縮反応は主にETA受容体を介して引き起こされている事が明らかとなった。これはヒト前立腺においてETA受容体が優位に存在しているためと考えられる。今後は、PSMCに対してのET-1の増殖効果を、^3H-Thymidine取込み実験で確認していき、さらにはET受容体サブタイプ別の増殖効果についても調べていきたい。そして、前立腺上皮細胞を単離して、ETの分泌を確認した後、Co-culture法を用いて上皮細胞存在下でもPSMCの増殖効果が認められるか、さらにはそれがET antagonist存在下に抑制されるかどうかを今回の実験結果をもとに検討してゆく予定である。
麻酔薬の作用機序に関する分子生物学的研究

1)まず各種細胞を用いて麻酔薬添加による形態学的な変化を調べた。PC12pheochromocytoma細胞、Spodoptera frugiperda21細胞、Vero細胞の培養上清に、静脈麻酔薬pentobarbital、脊椎麻酔薬tetracaineをそれぞれ臨床有効濃度と考えられる量50μM、100μMを加えてみたが、正常細胞と比し変化は見られなかった。更に1μMから1mMへと濃度を変化させたが形態学的な変化は見られなかった。次に細胞からグアニジン法にてtotalRNAを抽出し、その発現量の差を比較しようとしたが、回収率が一定ではなく有為な結果は未だ得られていない。2)PC12pheochromocytoma細胞においてその培養上清に50μM pentobarbitalを加え、24、48、72時間後にtotalRNAを抽出し、fos、junのDNAプローブを用いてノーザンブロットを行った。次に血清刺激試験を行った。細胞を4時間無血清培地で処理をし、その後血清を添加し24、48、72時間後にtotalRNAを抽出、同様にノーザンブロットを行った。いずれの実験においてもこ経時的変化では有為な差は認められていない。24時間以内での短時間での経時的変化を追う必要があると考えている。またNGF(Nerve Growth Factor)を50ng/ml添加し、同様の実験を行った。NGF添加後一週間では形態学的にPC12細胞の分化は抑制される様に見えるが、神経線維の伸長度では統計学的に有為ではない。fos、junの発現は抑制される傾向が見られ、更に再現性について実験を継続している。pentobarbital前投与ではこの変化は見られないため、pentobarbitalが、直接NGFの情報伝達系に作用することが推定された。今後は、麻酔薬の濃度による変化や、他の種類の麻酔薬、吸入麻酔薬など、を用いた実験も行いたいと考えている。
固体表面の電子状態と電子移行過程の動力学

今年度は最終年度であるが、各種の電子状態計算法を整備してきた。まだ、吟味しなければならないことは多く存在しているが、具体的な系に応用する準備は、ほぼ整った。実際に今年度実行したことを記す。1)PF_3/Ni(111)系の電子状態を計算し、その回転状態および光刺激脱離における幾何学的位相の効果を調べる目的で、2個のPF_3をNi表面の第2近接位置に置き、一方を回転した場合に他方の配置を最適化した場合の断熱ポテンシャルを計算した。障壁は非常に小さく、基板のNiによるものであることを推定した。同時にNiクラスターの電子状態を計算しているが、分子軌道計算であっても、異なるスピンの状態が非常に接近しており、どの状態が基底状態かの判定が難しく、現在CI計算により検討を行っている。あわせて、基底状態に縮退があるH3およびH4系について、バレンスボンド法による電子状態計算と、得られたポテンシャル面上での波束の時間発展を計算中であり、また定性的議論によりどのような効果が現れるかを検討した。また、バルクにおいてもJahn-Teller型あるいは軌道整列が起こる系での定式化も試みた。2)金属表面上の吸着水素の動力学(吸着、脱離、解離等)を定量的に扱うことを目的として、擬ポテンシャル法による電子状態計算のプログラムを作った。Al表面に適用したところ、分子吸着と解離吸着の2種の吸着位置を見出し、現在表面からの距離および幾何学配置に依存したポテンシャル面を計算中である。3)時間発展演算子法の応用として、多電子系のエネルギー固有値と波動関数を求めること、および、メゾスコピック系の光学応答の計算を行った。現在結果の吟味中である。4)STMチップによる分子操作における電流の効果を調べるため、分子内振動を表面に残す電流成分を計算する定式化を行い、LCAO計算によるプログラムを作り、実験結果を定性的には説明できることを示した。固体表面近傍に原子・分子を置いた場合の電子励起状態の局所的性質(特に原子・分子の励起状態)を調べるため、まず、比較的単純な系: Ge (110)表面上の励起He原子の電子状態の計算から始めた。Ge (110)表面から2重子2個のクラスターを取り出し、バルク側を水素終端した模型で置き換え、Heの位置はそのうち1個のGe原子直上に置き、Ge-He原子間距離を変化させながら電子状態を計算するプログラム開発を行い、用いる波動関数の数が少ない場合には、計算可能にした。まず、Ge原子の3d内殻までを凍結し、Hartree-Fock近似による分子軌道計算を行った。次に、許す励起状態に制限を加えて、配位相互作用(CI)計算により、全系のエネルギー及び固有関数を求め、得られた固有関数から、1電子密度行列を求め、占有する電子数を求めるプログラム開発を行った。ただし、異なる原子軌道関数が直交していないため、そのまま原子上の電子数と解釈するわけにはいかない。現在、1電子密度行列を対角化するような1電子軌道を利用する改良を進行させている。現状では、ワークステーションの容量のテストも兼ねており、かなり励起状態数を制限した結果であるが、今後計算を進める上での予備的計算はほぼ終わった。結果として、Ge-He原子間距離が小さくなった場合、Geの3d内殻軌道とHeの1s軌道との混成の可能性があり、3d軌道を凍結しない計算も必要であることがわかった。今後、直交していない原子軌道関数から電子数を求めるアルゴリズムの開発、より大きな計算を可能にするため、大型計算機センターのスーパーコンピューター上で動くプログラムへの改良策を行う。また、スラブ模型によるバンド計算との比較検討を進める。

平成8年度に引き続き、固体表面上に励起He原子を置いたときの電子状態の計算を、クラスター模型により行った。内殻軌道を凍結し、分子軌道計算およびそれを用いた配位相互作用(CI)計算により、全系のエネルギー及び固有関数を求め、得られた固有関数から、1電子密度行列を求め、占有する電子数を求めるプログラムを大型計算機上でも実行できるように改良した。許す励起状態の数をかなり制限した計算から始め、この制限をゆるめたが、固体側の励起状態を多数含んでしまうため、CI計算で信頼できる結果を得るに至らなかった。現在この点を如何に解決すべきか検討中である。一応、少数の励起状態を用いた計算では、基底状態には、物理吸着に対応するポテンシャルの極小があるが、励起状態に対しては、そのようなポテンシャルの極小はないことが分かった。この他に、NiないしはRu表面に吸着したPF_3の光または電子刺激による脱離現象について興味深い実験結果があり、この系の電子状態の計算をやはりクラスター模型を用いて始めた。この系では、低い励起状態が縮退しており、原子の運動に関して断熱近似を適用する際に、幾何学的位相の効果が現れることが期待される。計算は、先ず、固体金属のクラスターとして、小さなものから始めて、その範囲では計算の実行が可能になっている。しかし、実験に現れるような異方性を再現できるようなクラスターサイズが比較的大きいため、現在プログラムを大きくすることを実行中である。また、重い金属元素の固体も用いられているであるので、スピン-軌道相互作用の効果も取り入れられるようにプログラムを改良中である。今年度は最終年度であるが、各種の電子状態計算法を整備してきた。まだ、吟味しなければならないことは多く存在しているが、具体的な系に応用する準備は、ほぼ整った。実際に今年度実行したことを記す。1)PF_3/Ni(111)系の電子状態を計算し、その回転状態および光刺激脱離における幾何学的位相の効果を調べる目的で、2個のPF_3をNi表面の第2近接位置に置き、一方を回転した場合に他方の配置を最適化した場合の断熱ポテンシャルを計算した。障壁は非常に小さく、基板のNiによるものであることを推定した。同時にNiクラスターの電子状態を計算しているが、分子軌道計算であっても、異なるスピンの状態が非常に接近しており、どの状態が基底状態かの判定が難しく、現在CI計算により検討を行っている。あわせて、基底状態に縮退があるH3およびH4系について、バレンスボンド法による電子状態計算と、得られたポテンシャル面上での波束の時間発展を計算中であり、また定性的議論によりどのような効果が現れるかを検討した。また、バルクにおいてもJahn-Teller型あるいは軌道整列が起こる系での定式化も試みた。2)金属表面上の吸着水素の動力学(吸着、脱離、解離等)を定量的に扱うことを目的として、擬ポテンシャル法による電子状態計算のプログラムを作った。Al表面に適用したところ、分子吸着と解離吸着の2種の吸着位置を見出し、現在表面からの距離および幾何学配置に依存したポテンシャル面を計算中である。
量子拡散と物質波

深井は金属-水素合金中での空孔-水素クラスターの多量生成現象(超多空孔生成)に関して,その生成条件,生成量,生成過程を数種類の金属を対象とする超高水素圧実験によって詳しく調べ,その結果が深井による統計熱力学的理論でよく記述できることを示した.これによって超多空孔生成は予測・制御が可能となったので,空孔にトラップされた水素原子の量子拡散を研究するのに最も適した系としてニオブ-水素合金を選定し,液体ヘリウム温度から室温までの範囲でNMR測定を行った.実験の結果,約20K以下の低温でmotional narrowingを示すプロトンの運動を見出して,これを空孔にトラップされたプロトンのcage motionによるものと同定した.現在,その量子状態とトンネル過程を引き続き研究中である.門野は,本研究費で導入した希釈冷凍機を用いて塩化カリウム結晶中のミュオニウム原子の量子拡散に関する実験を進めて,10mK以下の温度でのμSR測定に初めて成功し,結晶中でミュオニウムが波動状態すなわちブロッホ状態になっていることを示す証拠を得た.その際には,並行して進められた近藤による理論との比較が決め手になっている.この実験は結晶中で原子が物質波状態になっていることを見出した最初の実験である.これらの実験により,量子拡散の研究対象を広げようとする試みも,低温で波として伝播するという量子拡散の究極の形を検出しようとする試みも,ともに一定の成果を得たということができる.深井は金属-水素合金中での空孔-水素クラスターの多量生成現象(超多空孔生成)に関して,その生成条件,生成量,生成過程を数種類の金属を対象とする超高水素圧実験によって詳しく調べ,その結果が深井による統計熱力学的理論でよく記述できることを示した.これによって超多空孔生成は予測・制御が可能となったので,空孔にトラップされた水素原子の量子拡散を研究するのに最も適した系としてニオブ-水素合金を選定し,液体ヘリウム温度から室温までの範囲でNMR測定を行った.実験の結果,約20K以下の低温でmotional narrowingを示すプロトンの運動を見出して,これを空孔にトラップされたプロトンのcage motionによるものと同定した.現在,その量子状態とトンネル過程を引き続き研究中である.門野は,本研究費で導入した希釈冷凍機を用いて塩化カリウム結晶中のミュオニウム原子の量子拡散に関する実験を進めて,10mK以下の温度でのμSR測定に初めて成功し,結晶中でミュオニウムが波動状態すなわちブロッホ状態になっていることを示す証拠を得た.その際には,並行して進められた近藤による理論との比較が決め手になっている.この実験は結晶中で原子が物質波状態になっていることを見出した最初の実験である.これらの実験により,量子拡散の研究対象を広げようとする試みも,低温で波として伝播するという量子拡散の究極の形を検出しようとする試みも,ともに一定の成果を得たということができる.深井(代表者)が計画した主要設備である多空孔金属合成装置は夏休み前に納入され,いくらかの手直しを経て,秋から本格的な稼働状態に入った.本体である350トン・プレスは非常に使い易く,高温・高水素圧下での多空孔金属の生成条件の探索の手順はほぼルーチン化されている.今後は低温での試料回収機能のテストに入る予定である.これと並行して,熱処理後に回収試料中の空孔-水素クラスター濃度を決定する実験,すなわち密度測定と水素の熱放出スペクトル測定の技術開発も行って,これらもほぼ完成させることができた.また,こうして得られた実験結果をもとに金属の水素化に伴う多空孔生成の機構の理論的考察に取り組んで,一応の完成に到達した.(これは論文にまとめて日本金属学会誌に投稿したところである.)この理論の完成によって,今後の試料作成に対する指針が得られ,実験計画が立てやすくなったのは大きな進歩である.門野(分担者)は極低温でのμSR測定のための基幹設備である希釈冷凍機の設計・建設に取組んで,世界最高の性能を必要とするために多くの技術的困難があったがそれらを克服して,ようやく完成にこぎつけた.既存の設備によるμSR実験では,タンタルの超伝導状態でのミュオン・スピン緩和に特徴的な温度依存性を見出して,ミュオンと伝導電子との相互作用について新しい知見を得た.これは,これまで曖昧さの残されていた問題に明瞭な解答を与えたものである.深井(代表者)は多空孔金属試料作成の方針を策定するための基本となる,空孔-水素複合体生成機構に関する論文を完成させ,数種類の金属についての実験により理論の定量的信頼性を確認した.現在はこれに基づいてNb-H系を選定し,水素のトンネリング移動を調べるための試料作成条件を検討するとともに,これに並行してNMR緩和時間の測定を開始している.なお,この過程で,秩序配列した空孔にトラップされた水素は殆ど実現しないことが知られたので,当初の計画を若干変更し,研究の対象は孤立した空孔にトラップされた水素原子に限ることにした.門野(分担者)は極低温でのμSR測定のための希釈冷凍機をRAL-理研のミュオン施設に設置して試運転を行い,ビーム照射下で十分に所期の性能をもつことを確認した.さらに次のステップとして高純度KClを用いたμSR実験を行い,緩和時間の外部磁場依存性についての予備的なデータを得ることができた.これは固体中ミュオニウムのコヒーレント状態(物質波)への移行の有無を占う鍵を与えるものであって,今後の精密な測定が待たれている.

深井は金属-水素合金中での空孔-水素クラスターの多量生成現象に関して,引き続きその生成条件と生成量,生成過程を理解することに努め,漸く満足すべき理解に到達することができた.この結果に基づいて金属中で空孔にトラップされた水素原子の量子拡散を調べるのに最適の試料としてニオブ-水素合金を選定して空孔-水素クラスターの生成条件を詳しく調べ,並行して低温領域での水素原子のジャンプ挙動のNMRによる研究に着手した.現在のところ,約20K以上でmotional narrowingを起こすほど速い運動をしているプロトンの存在が見出されており,20K以下でのline broadeningからみかけの活性化エネルギー1mevが得られている.この信号をもたらしているプロトンの存在状態は今のところ未確定であるが,空孔にトラップされたものであろうと推測されている.門野は,本研究費で導入した希釈冷凍機を用いて塩化カリウム結晶中のミュオニウム原子の量子拡散に関する実験を進めた.特に試料温度を確実に10mK程度まで下げることに力を注ぎ,そのための試料成型法と温度測定法を確立した.この方法によって実験を行った結果,結晶中でミュオニウムが波動状態すなわちブロッホ状態になっていることを示す証拠を得ることができた.これは結晶中で原子が物質波状態になっていることを見出した最初の実験である.
タンチョウの求愛ダンス：計算統計学による構造理解と内分泌同調仮説の検証

今年度、釧路地域での野外調査を継続した。餌付け量の減少に伴う離合集散パターンの変化、給餌場での個体間相互交渉とコミュニケーションに関するデータを記録した。コミュニケーションの研究に関しては、タンチョウのつがいのダンスの機能分析と成果発表に注力した。まず、ダンスという双方向コミュニケーションを分析する統計的枠組みを整理した。この枠組みを14の行動要素からなるタンチョウのダンス時系列データに当てはめた。情報理論に基づく複雑性・同調性の指標を算出し、つがいのこれまでの繁殖成功のデータとの関連を調べた。その結果、これまでに繁殖に成功していないつがいほど、複雑なダンスを踊ることが判明した。この知見は、従来想定されていた、つがいのダンスが繁殖成功と正の関係にあるというpair bond仮説と正反対の結果である。この結果をBehavioral Ecologyに発表した。この成果をプレスリリースし、新聞に掲載されるなどして周知することができた。また、この論文はAltmetric指標で全体の上位5%以内という高い注目を受けた。これらの他に、タンチョウのつがいが行うコミュニケーションの研究を行なった。また、タンチョウ研究の経緯と成果を、一般書に寄稿した。これらの成果は、ツルの行動に関する貴重なデータであり、基礎生態から保全の各領域において、世界的に見ても重要な成果である。これらの成果の一方、内分泌測定に関しては、サンプルを収集することが困難であり、予備的データを得るに留まった。ダンスの機能に関する成果を踏まえて、今後、至近要因に関する理解を進めていくことが重要である。二個体が同時に信号を発信・受信する双方向コミュニケーションは、個体ごとの分析結果を足し合わせても、その特徴を再現できない複雑な現象(1+1=2ではない)である。本研究が対象とするタンチョウ(鳥類ツル科)にみられる求愛ダンスは、個体内・個体間の行動遷移ルール、ペアー雌雄間の行動同調性によって、行動要素の配列・持続時間が決定される複雑な信号である。本研究では、計算機的統計手法・行動内分泌学の実験手法を用いて、タンチョウの求愛ダンスの構造・機能・至近要因を解明することを目的としている。本年は、求愛ダンスを構成する行動パターンの分析を主に行った。釧路地域における野生個体の観察により、ペアによる求愛ダンスの構成要素である「鳴き合い」(duet)を録音し、duetが行われる状況とその前後の行動を記録した。これらのほか、個体識別のために標識調査を行った。これまでと引き続き、個体識別されているつがいによる求愛ダンスの画像データを分析した。ダンスの構造に関しては、エントロピーを用いた解析を新たに行い、pair bond仮説から予測される繁殖成功との関係を調べた。その結果、pair bond仮説を部分的に支持する結果を得た。また、ダンスの構成要素の分析から、構成要素や持続時間に関する性差があることもわかった。野外調査と行動分析に関しては、計画通り順調に研究が進んでいる。今年度は2編の論文が受理・掲載されたため、順調であると考えている。また、ダンスの機能に関する論文を現在取りまとめており、従来想定されてきたpair bond仮説を部分的に支持する重要な結果が得られている。内分泌測定に関しては、サンプル収集に関して、克服すべき点が存在するが、この難点は想定されたものであり、粘り強く研究を進めていくことで解決できると考えている。今年度は最終年度であり、ダンスの構造と機能に関するデータ分析を終え、投稿・発表を行う。野外調査は、当初、フォローアップのための最小限のものを行う予定であったが、今年度も初年度・2年目と同様の規模の行動観察を行うことが望ましいと考えている。また、個体間のコミュニケーションを解釈する際、タンチョウの生活史に関する理解が必要となる。このため、生活史全般の分析も進める。最終年度である本年も、ある程度の期間、野外調査を行う必要が出てきたために、その分を次年度使用額として計上している。
施設内高品質作物生産のための高頻度換気による蒸発散および光合成促進に関する研究

0,5,15,24Hzの異なる空気振動を与えた場合の、草丈約10cmのトマト苗からの蒸散量および培地(バーミキュライトとハイドロボール)からの蒸発量を測定した結果、トマト苗からの蒸散抵抗も培地からの蒸発抵抗も、風速の-0.5乗に比例していた。すなわち、空気振動自体よりも空気振動が作り出す風速によって蒸発散量がほぼ決定されていた。そこで、空気振動により形成した風速場とファンにより形成した風速場における蒸発散量の違いを調べた。風速値はどちらも等しく設定した。具体的には、空気振動発生装置で5Hzまたは15Hzの空気振動を与えた密閉容器と、小型ファンを設置した密閉容器を準備し、いずれも通気量10L/min、風速0.25m/sとなるようにした。その結果、培地では、空気振動での蒸発量は5Hzの場合、バーミキュライトでファンの場合の37%、ハイドロボールでファンの場合の60%であった。また、15Hzの場合はバーミキュライトで60%、ハイドロボールで42%であった。一方、トマト苗の場合は、ファンの場合に対して空気振動での蒸発量は5Hzの場合118%、15Hzの場合は129%であった。しかし、各密閉容器内の飽差を考慮すると、蒸散抵抗は5Hzの場合も15Hzの場合もファンでの値とほとんど同じであった。これらの傾向は、空気振動を密閉容器の片側からだけ与えた場合と同時に両側から与えた場合で変わらなかった。以上のことから、以下のことが明らかとなった。1.空気振動により密閉容器内に効率的に風速を発生させ(本装置では15Hz付近)、蒸発散を促進することが可能であると考えられる。2.風速が同じ場合は、空気振動の方が培地からの蒸発量はファンでの蒸発量の半分程度に抑制される。しかし、トマト苗からの蒸散は風速が同じであれば、空気振動でもファンでも同程度となる。まず、空気振動発生装置として、振動周期を2.550Hz、ストロークボリュームを01000ccで可変調節できる装置を試作した。これに、020cmH_2Oでの加圧や015L/minでの通気ができる機能を付けた。また、通気に炭酸ガスを一定量混入できるようにした。これに容積30Lの植物栽培用密閉容器を組み合わせてシステム化した。次に、密閉容器内の2種の培地(バーミキュライトとハイドロボール)からの蒸発量を測定した。15L/minの通気のもと、ストロークボリューム約200ccで0,2,5,10,15,20,24Hzの異なる空気振動を与えた。その結果、20Hzの空気振動における蒸発抵抗が最も小さかった。0Hzで蒸発抵抗は最大であった。0,5,15,24Hzの異なる空気振動を与えた場合の草丈約10cmのトマト苗からの蒸散量も測定した。この場合の蒸散抵抗も培地からの蒸発抵抗と同様の傾向を示し、15Hzで最小であった。次に5,24Hzが小さく、0Hzが最大であった。これは、空気振動により容器内に共振が発生し、その結果、風速が0<5,24<15Hzとなったこととほぼ対応していた。蒸散抵抗は風速の-0.5乗に比例していた。また、炭酸ガス濃度の変化も測定し、風速が小さい場合は苗による炭酸ガスの吸収量は蒸散量に比例し、高風速ではほぼ一定となることを確認した。なお、培地の場合も蒸発抵抗は風速の-0.5乗に比例したものの、わずかながら、振動数によって比例線からのずれが見られた。これは振動による境界層領域での空気撹拌の違いによるものと推察された。ただし、苗の場合は植物体自体の揺れが発生するため、培地のようなずれは認められなかったと考えられる。以上より、空気振動により密閉容器内に効率的に風速を発生させ(本装置では15Hz付近)、蒸発散を促進することが可能であると考えられる。