hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
情報のライフサイクルを考慮した秘密分散法の研究

この実現により,クラウド上などに格納した情報の守秘,利活用と消去等を含む様々な処理に関して,利便性とセキュリティを高めることができる.平成30年度(初年度)に集中的に行ったIDA(Information Dispersal Algorithm)を利用する階層型秘密分散法や,XOR演算を多用する階層型秘密分散法により,高速化については一定の結果を得ることができた.今後は,情報のライフサイクルという視点で,シェアの長期的な保存とその利用方法等を考慮しつつ,さらなる高速化や,シェアのサイズと安全性の調整を実現する方法を含む様々な機能拡張等について引き続き研究を推進する.研究成果を国内の研究会や国際会議等で発表しているが,その一部が令和元年以降になったため.また,平成30年度は当初の想定より理論的な検討に重きを置く結果となったため.令和元年は,平成30年度に得られた様々な検討結果をもとに研究を進め,国内研究会,国際会議,または学術論文誌等での発表を行うことを予定している.そのため,当初予定に加え国内研究会,国際会議,または学術論文誌等に関する使用を増やす予定である.
糖鎖還元法を用いた病原体検出金ナノ微粒子の大量合成技術

本課題は、糖鎖誘導体を用いて塩化金酸水溶液を還元し、当該糖鎖誘導体が表面に導入された金ナノ微粒子を合成することを目的とした。このような金ナノ微粒子が合成できれば、行減退の検査キットなどへの応用が可能となるためである。研究全体の大まかな流れとしては、糖鎖誘導体の合成、金ナノ微粒子の合成法の確立、生理活性の確認となっていた。最初の段階である糖鎖誘導体の合成であるが、病原性大腸菌O157:H7が産生するベロ毒素と選択的に結合する『グロボ3糖』をターゲットに定め、その誘導体を合成した。続いて当該誘導体を用いて金ナノ微粒子の合成操作を行った。合成手法は塩化金酸水溶液に糖鎖誘導体の水溶液を滴下し、アルカリ状態にして金ナノ微粒子が生成した。この金ナノ微粒子に対して、表面糖鎖の分析を行った。表面糖鎖分析の過程で、バッファーの溶液の影響で金属微粒子が凝集することが判明した。この状況を解消するための条件を検討し、適切なバッファーの選択と濃度調整に関して知見を得た。本研究本来の目的は表面に導入された糖鎖の生理活性により『病原体の存在が目に見える形でわかる』微粒子の構築であったが、色調変化が当初想定よりも乏しいことが判明した。この状況を打開すべく、同じ糖鎖誘導体を原料としたポリマーを合成し、金ナノ微粒子と共に溶液中に分散させた。糖鎖を認識する分子(レクチン)を混合した結果、ポリマーによって金ナノ微粒子が取り込まれるとともに、色調変化が明瞭に現れることが明らかとなった。この過程で金ナノ微粒子表面上の糖鎖よりもポリマー上の糖鎖の影響の方が大きいことが判明した。本手法で糖鎖含有金ナノ微粒子を大量に合成できることは明らかになった。生理活性面では当初想定したものとは異なる結果になってしまったが、目指したものと同様の結果を得ることが出来た。本研究課題は金ナノ微粒子表面に糖鎖構造を効率的に導入する手法を確立することを目的としている。平成28年度は主として糖鎖の合成と糖鎖導入に関する研究を行なった。合成した糖鎖は病原性大腸菌O157:H7が産生するベロ毒素と結合する『グロボ3糖』をターゲットとした。当初予定していたノロウィルスが認識するH抗原の誘導体についてはグロボ3糖の大量合成に思いのほか手間取ったため、当該年度での合成を見送った。糖鎖合成と平行して金ナノ微粒子の合成条件についての検討を行なった。本研究における「表面に糖鎖が導入された金ナノ微粒子」の合成反応は、四塩化金酸の水溶液に糖鎖誘導体を溶解させてアルカリ条件にするという非常に簡便なものである。しかし、各材料の混合比や濃度などの合成条件を僅かに変えるだけで、生成した微粒子の直径や糖鎖密度の結果が全く異なることが経験的に明らかとなっており、これらの反応条件に関して検討を行い、所定のサイズの微粒子を安定的に生成できる「法則」を見いだすことも目標に掲げた。さらに、完成した金ナノ微粒子に対し「リン酸ーフェニルヒドラジン法」を用い、微粒子表面糖鎖を酸化させてできた代謝物をHPLCと蛍光ディテクターを組み合わせて検出することにより、微粒子表面の糖鎖の量を分光学的に計測する。導入された糖鎖の量を基に、糖鎖誘導体導入反応における「糖と塩化金酸の混合比率」や反応溶液全体の濃度を変化させ、再度導入反応を行う。これを繰り返すことにより最も多くの糖鎖誘導体が導入される反応条件を見いだすことも目標とした。「研究実績の概要」で触れたように、グロボ3糖の大量合成に思いのほか手間取ったため、全体がやや遅れ気味である。これは糖鎖合成プロセスの簡略化と収率向上を企図して従来の合成方法から変えたものの、却って収率の低下が起こってしまい、結局元の合成方法に戻すというような過程を経たためである。このため、グロボ3糖を原料に用いた金ナノ微粒子の合成を何度も繰り返すことができなくなり、金ナノ微粒子合成反応を仕込む際の糖鎖と塩化金酸の混合比率並びに生成する金ナノ微粒子の直径との相関関係を見出すことも遅れが出ている。現在、元の反応プロセスでグロボ3糖の大量合成を継続している。前述のような状況であるが、糖と塩化金酸の混合比率および生成する金ナノ微粒子の直径に関しては、大体の相関関係が見出せるようになった。ただ、当初の方針では金ナノ微粒子の長期安定性を視野に入れて『可能な限り微小の粒子』を目指して10 nm前後の微粒子が最良であると想定していたが、イムノクロマトグラフに利用される金ナノ微粒子のサイズに関する実勢(50 nm前後)と小さすぎる微粒子は精製が困難である点を考慮して、最適化する微粒子の直径を当初よりも大きくする方針に変えた。金ナノ微粒子表面に導入される糖鎖誘導体の密度であるが、現在まで得られている知見では同じ反応条件で合成反応を仕込んでもロットごとにばらつきがあり、法則性が見いだせていない。こちらは当初の目的が病原体検査キットに使用可能な糖鎖含有金ナノ微粒子の合成であるため、品質管理的な意味合いも込めてさらなる検討が必要である。

利用する手法は筆者らが『糖鎖還元法』と呼んでいるもので、塩化金酸水溶液に糖鎖誘導体を混合し、アルカリ条件にするだけで表面に糖鎖が導入された金ナノ微粒子が生成するという非常に簡便な手法である。この手法を用いて病原体関連糖鎖を金ナノ微粒子表面に導入することができれば、病原体検査キットならびに医薬品として利用可能な金ナノ微粒子を大量かつ安価に供給することができる。初年度にあたる平成28年度は主に糖鎖合成に費やした。当初の予定ではベロ毒素と結合するグロボ3糖の他にノロウィルスが認識するH抗原関連糖鎖を合成する予定であったが、H抗原関連糖鎖は進捗状況が芳しくない為に見送った。そのほかに微粒子表面の糖鎖密度を解析する手法を見出すため、フェニルヒドラジン法を用いて分光学的に求める方法が適用可能であることを見出した。続いて、平成29年度は微粒子の合成条件の検討と合成と生理活性の解析を行った。原料となる糖鎖誘導体の水溶液と塩化金酸水溶液を様々な濃度で混合し、生成した微粒子のサイズを光散乱で計測するとともに、表面糖鎖密度との関係を先のフェニルヒドラジン法を用いて計測し、その法則性を見出した。また、H抗原関連糖鎖の代わりにおたふく風邪ウィルス(ムンプスウィルス)が認識するシアリルラクトース誘導体の合成に着手した。他に、微粒子表面の糖鎖の生理活性を計測する手法について検討を行い、QCM (水晶振動子マイクロバランス)法を用いることができることを見出した。また微粒子の安定性維持についても検討を行い、ごく微量のポリマーを含む金ナノ微粒子を界面活性剤がわりに添加すると、塩などの影響を受けづらくなり、凝集が防げるという知見が得られた。本手法は塩化金酸溶液を還元することにより金ナノ微粒子を得ているが、合成段階で課題となるのは微粒子のサイズおよびの表面糖鎖密度の制御である。糖鎖誘導体と塩化金酸水溶液の濃度を変更し、生成した微粒子それぞれのサイズおよび表面糖鎖密度を計測した結果、10 nmから30 nmの範囲で微粒子サイズの制御ができることを明らかにした。その一方で、現在実験した範囲では糖鎖分子密度がさほど変わらないことも明らかとなり、こちらの制御が課題として残っている。本手法を用いて金ナノ微粒子を合成する際に、金ナノ微粒子表面に導入された糖鎖がその構造を維持しているか否かが最も重要である。我々はQCM (水晶振動子マイクロバランス)法を用いてこの点を検討した。QCMチップ上にラクトース認識レクチンであるECAを固定化し、糖鎖還元法でラクトース誘導体を表面に導入した金ナノ微粒子をインジェクトした結果、ECAが金ナノ微粒子表面のラクトースを認識して微粒子を補足していることが示唆された。実際に病原体関連糖鎖を導入して生理活性の計測をするのはこれからである。金属ナノ粒子にとって一番の脅威は微粒子同士の凝集である。微粒子の凝集を防ぐためには界面活性剤の導入が必要となるが、本研究課題の場合は表面の糖鎖誘導体の構造維持が最優先されるため別途界面活性剤を導入することは好ましくない。しかし緩衝溶液中の塩の作用で微粒子表面の電荷が中和され、微粒子の凝集が発生する現象が確認された。これを防ぐために、界面活性剤の代わりにポリマーを含む金ナノ微粒子をごく少量(約1%程度)添加することにより、金ナノ微粒子表面の糖鎖活性を損なうこと無く凝集が防げることが明らかとなった。しかし、微粒子合成後の遠心分離を利用した精製過程では条件によって凝集が起こっており、完全な精製法についての検討が課題として残っている。
HIVベクターを用いた変異ケモカイン遺伝子導入によるAIDSの遺伝子治療

本研究により、ヒトLD78(MIP-1α)遺伝子は遺伝子群を形成し、4アミノ酸残基の変異と1アミノ酸残基の欠失をもつ遺伝子が個体間で重複の程度が異なるという極めて大きな個体差があることを見い出した。そのことを利用し、ケモカインの遺伝子治療がHIV-1感染者に有益であるかを検討した。病気進行が遅いHIV-1感染者(長期非進行者)とAIDSに進行したHIV-1感染者(進行者)のLD78遺伝子群を比較する事により、有益な遺伝子を同定する試みを行った。ヒトLD78遺伝子群をN-末端のアミノ酸配列を基にLD78A群とLD78B群に分類した場合、RFLP解析により長期非進行者ではLD78A群が多く、進行者でLD78B群が多いことが明らかになった。このことは、LD78A群遺伝子が有益である事を示唆した。LD78A群とLD78B群の生物学的解析を行ったところ、LD78A群とLD78B群では、ウイルスヘの影響およびCCR5のdown-regulationにおいて大きな差が見い出された。この原因は、N-末端の第二アミノ酸残基の変異による事が明らかになった。このように遺伝子の増幅がHIV-1感染者の病気進行へ与える影響の機序の解析本研究により、ヒトLD78(MIP-1α)遺伝子は遺伝子群を形成し、4アミノ酸残基の変異と1アミノ酸残基の欠失をもつ遺伝子が個体間で重複の程度が異なるという極めて大きな個体差があることを見い出した。このように遺伝子の増幅がHIV-1感染者の病気進行へ与える影響の機序の解析MIP-1α/LD78,MIP-1β、RANTESなどのβ-ケモカインがマクロファージ好性HIV-1の抑制を行うことが報告されている。また、コレセプターであるCCR5の部分欠損が長期非進行者で認められることが報告されている。但し、この異常は日本人では見い出されていない。CCR3のポリモルフィズムでもHIV-1感染者の進行が遅れることが報告されている。さらにSDF-1のポリモルフィズムによりHIV-1感染症の進行度が異なる事が報告されている。このようにケモカイン及びケモカイン受容体のポリモルフィズムがHIV-1感染症の進行に重要な役割を担っていることが示唆されている。本研究において、ケモカイン特にMIP-1α/LD78遺伝子(我々により1986年にヒトのLD78遺伝子として単離され、その後マウスのカウンターパートがMIP-1αとして1988年に単離された。)のHIV-1感染症の進行への影響を調べる目的で、以下の研究を行った。MIP-1α/LD78遺伝子は、サザンブロット解析の結果2-3個の遺伝子と思われていたが、本研究において、さらに詳細に検討したところ実際には10個以上の遺伝子からなる大きなファミリーを形成することがことが明かになった(MIP-1α/LD78 genefamily)。しかも、これらの遺伝子の存在には個体差があり種々の欠損パターンが存在することが明かになった。これらのパターンを正常者50例、HIV-1感染者の長期非進行例11例、CD4数が200未満のHIV-1感染症例20例を解析したところ異なったパターンの傾向を持つことが明らかになった。このことは、MIP-1α/LD78遺伝子群の遺伝子型が病気の進行に重要な因子であることを示唆している。現在これらの遺伝子の機能解析を行っている。ヒト末梢血単球より抽出したDNAを用い、LD78遺伝子(2264BP)をPCRにより増幅し、TAクローニングベクターを用いてサブクローニングしMsp1などの制限酵素で分類し、塩基配列を全て決定したところ、LD78遺伝子ファミリーの遺伝子は10個以上の遺伝子群でありLD78遺伝子と93%から98%の相同性を持つことが明かになった。93アミノ酸残基中21、22、25、62、70番目のアミノ酸残基が異なることが明らかになった。21番目と22番目のアミノ酸残基をもとにLD78-A群及びLD78-B群に分類した。LD78-A群、LD78-B群の蛋白を酵母で発現させ機能を比較したところ、LD78-B群は、LD78-A群の蛋白より、抗ウイルス活性が著明に強いことが明らかになった。また、CCR5をdown-regulationする作用も、LD78-B群は、LD78-A群の蛋白より約20倍強いことが明らかになった。

一方では、IL-1,TNF-aを誘導する作用があり、炎症誘導とHIV-1複製抑制という相反する性質をもつ、そこで現在、LD78-A.LD78-Bのキメラ蛋白を大腸菌で発現させ、強い抗ウイルス活性を発揮する部位、CCR5をdown-regulationする部位、及び炎症誘導作用を持つ部位の同定を行っている。これらの結果をもとに炎症誘導作用を持たず、強い抗ウイルス活性をもつ変異体を作成しHIVベクターに導入する予定である。本研究により、ヒトLD78(MIP-1α)遺伝子は遺伝子群を形成し、4アミノ酸残基の変異と1アミノ酸残基の欠失をもつ遺伝子が個体間で重複の程度が異なるという極めて大きな固体差があることを見い出した。そのことを利用し、ケモカインの遺伝子治療がHIV-1感染者に有益であるかを検討した。病気進行が遅いHIV-1感染者(長期非進行者)とAIDSに進行したHIV-1感染者(進行者)のLD78遺伝子群を比較する事により、有益な遺伝子を同定する試みを行った。ヒトLD78遺伝子群を、N-末端のアミノ酸配列を基にLD78A群とLD78B群に分類した場合、RFLP解析により長期非進行者ではLD78A群が多く、進行者でLD78B群が多いことが明らかになった。このことは、LD78A群遺伝子が有益である事を示唆した。LD78A群とLD78B群の生物学的解析を行ったところ、LD78A群とLD78B群では、ウイルスへの影響およびCCR5のdown-regulationにおいて大きな差が見い出された。この原因は、N-末端の第二アミノ酸残基の変異による事が明らかになった。このように遺伝子の増幅がHIV-1感染者の病気進行へ与える影響の機序の解析は、ケモカインを利用した遺伝子治療を考える上で有用と思われた。
高強度レーザーによる多電子系超高速実時間イメージング法

高強度レーザー照射によって誘起される多電子系原子・分子の再衝突過程を利用した超高速イメージングについて、理論および計算手法を開発した。いくつかの系について高精度数値計算および解析理論により定量的な分析を行った。これにより、実時間原子分子ダイナミクスの研究に新しい道が開け、また高強度レーザーと物質の相互作用に関する深い知見を得た。本研究では、高強度レーザーを利用した超高速分子イメージング法の開発を行っている。とくに、分子内の複数の電子が相関をもって時々刻々動く様子を実時間で捉える、多電子の動的なイメージングについて様々な観点から吟味する。本年度は、強レーザー場中の分子ダイナミクスを理解する上で重要な、強電場中のトンネルイオン化についての理論的研究を中心に進めた。これまでに研究をすすめてきた有効1電子近似の理論を発展させて、多電子系についてのトンネルイオン化を厳密に扱う理論的枠組みを完成させた。そして、He, Li, H2といった、2ー3電子からなる原子や分子の基礎的な系について吟味し、得られた知見をまとめて学術論文として発表した。そして、簡単な分子についてのダイナミクスの研究と、分子構造決定のための分子散乱コードの開発にも着手した。また、関連する強レーザー場中の原子・分子ダイナミクスについての研究も行った。とくに、分子内の複数の電子が相関をもって時々刻々動く様子を実時間でとらえる、多電子の動的なイメージングについて様々な観点から吟味する。本年度は、多体系のダイナミクス分析に重要である、クーロン3体系の高精度波動関数の構築と分析についての研究を行った。また、高強度レーザーパルス照射による原子のトンネルイオン化についての研究も行った。得られた結果をまとめて学術論文として発表した。さらに、分子構造決定のための散乱コードおよび分析法の開発を進めた。当初の目的どおり、多体系のダイナミクスの理解に重要であるトンネルイオン化理論、および散乱波動関数の研究がおおむね順調に進んでいる。とくに、分子内の複数の電子が相関をもって時々刻々動く様子を実時間でとらえる多電子の動的なイメージングについて、様々な観点から吟味する。本年度は、多電子系のイメージングに重要である多電子系のトンネルイオン化について、弱電場漸近理論の高次補正項を導出し、最も基礎的な2電子系についての詳細を系統的に調べた。そして、分子標的については、トンネルイオン化過程における核振動の取り扱いについて理論的考察を行った。実験観測量から標的物質の情報を読み取るための手続きとして、トンネルイオン化の後方散乱成分から標的物質との散乱断面積を抽出する「分離公式」を断熱理論を用いて導出した。得られた公式を用いて、搬送波包絡線位相を制御した超短レーザーパルス照射によって生じる希ガスのイオン化実験スペクトルの分析を行った。また、トンネルイオン化の前方散乱成分から散乱振幅の位相を抽出する新しい理論を構築し、数値計算によって得られた光電子スペクトルを用いて理論の検証を行った。その他、関連する強レーザー場中の原子・分子ダイナミクスの研究も行った。当初の目的通り、多電子系のトンネルイオン化についての理論が完成させ、実験結果と比較すべく現在ざまざまな分子について適用を進めている。これは、多電子ダイナミクスを理解する上でとても重要なステップである。また、簡単な分子についてのダイナミクスの研究と、分子構造決定のための分子散乱コードの開発にも着手した。以上より、今年度はおおむね順調に進展している。今後は、これまでに得られた知見をもとに、簡単な分子についてのダイナミクス研究を進めていく。また、実験データの解析も進める。原子・分子・光物理学多電子系トンネルイオン化については、完成した理論に基づいてさまざまま分子に適用を試みる。また、簡単な分子についてのダイナミクスの研究と、分子構造決定のための分子散乱コードの開発もすすめていく。
疾病の集積地を精確に同定するためのスキャン統計量の開発と評価

空間疫学において疾病集積性の検出のため,スキャン統計量を用いた検定法が用いられる。本研究では従来のスキャン統計量より精度良く地域を同定できる検定統計量の提案をめざし検討を行った。時間・空間集積性の検定として,アウトブレークをより早期かつ精確にとらえるためのモデルに基づく新たなスキャン統計量を提案し,実際のデータへの適用やシミュレーションを通してその有用性が確認できた。空間疫学において、ある疾病や症状の発生が集中(集積)しているかどうかを検出し、集積が認められる場合その集積地域を同定するために疾病集積性の検定法という検定方法が用いられる。特に集積が認められる疾病は感染症であったり、また、その地域に何らかの原因がある可能性が考えられたり、同定された集積地域(クラスター)に対して更なる調査の必要性が示唆されることになる。そこで集積性の検出力が高く、さらにその地域を精確に同定することができる統計手法が求められている。集積性の検定としてはKulldorff (1997)のcircular scan statisticが広く用いられているが,近年、それを改良したTango and Takahashi (2005)のflexible scan statisticも利用されるようになってきている。しかし両手法とも同じ尤度比統計量を用いた検定法であり、この統計量を最大化するという手法では真よりも大きなクラスターを同定してしまうことが指摘されている。本研究ではこの最大尤度比統計量によるクラスター同定の様子・性質を理論的、数値的に検討し、その上でより精度良く地域を同定できる検定統計量の提案をめざし,実データの解析など関連の研究も含め検討することを目的としている。本年度は特に従来の統計量の性質の検討ならびにその適用について検討するため、国内外のデータ(症候サーベイランスデータ、ヤコブ病のデータ)への適用を通じ、circular scan statisticとflexible scan statisticの比較、同定の様子の観察を行い、それぞれの特徴を把握するとともに、疫学研究での利用が出来た。さらに疾病地図をはじめ疫学研究における集積性の検定の利用を視野に入れ、生物統計学の理論・実際的検討を行い、次年度への準備を進めることができた。本研究では従来の集積性検出のためのスキャン統計量について,クラスター同定の様子・性質を理論的、数値的に検討し、その上でより精度良く地域を同定できる検定統計量の提案をめざし,実データの解析など関連の研究も含め検討することを目的としている。本年度は特に時間・空間集積性の検定として,サーベイランスに適した新たなモデルに基づくスキャン統計量の開発,評価を行った。実際のデータへの適用やシミュレーションを通して,その有用性が確認できた。またこれらのスキャン統計量に関して,疾病以外の分野として,遺伝子情報におけるスニップの同定や,医療費など保健医療情報の地域差についても検討を行い,今後の適用の可能性が確かめられた。さらに,地域差を考慮した新たな統計量の導出を行い,簡単な数値比較を行って従来法よりも精確な同定ができる様子が確かめられたが,今後の更なる検討が必要と考える。
古細菌の対掌体型エーテル極性脂質のin vitro生合成

古細菌は真核生物、真正細菌とは系統的にも生化学的にも大きく異なり、生物進化、細胞の起原への考察の材料を提供すると同時に、環境問題やバイオテクノロジーに対しても潜在的可能性を秘めている。古細菌を真核生物、真正細菌と最も例外なく根本的に区別しているのは細胞膜のエーテル型極性脂質の化学構造とその生合成機構である。特にエーテル結合だけでなく、グリセロリン酸骨格の立体構造の違いが注目される。本研究は、グリセロリン酸骨格の立体構造の違いを形成する酵素の一般性、および極性脂質合成系の一連の酵素がどこまで古細菌に特異的な構造を認識し、形成することに貢献しているかを各酵素の基質特異性を調べることによって研究した。古細菌独自のグリセロリン酸構造を生成するG-1-P dehydrogenaseは測定した限りのすべての古細菌に見いだされ、ゲノム解析のなされたすべての古細菌にそのホモローダが検出され、この酵素の古細菌における普遍的存在が立証された。また、古細菌以外の生物にはこの遺伝子のホモローダは見いだされなかった。G-1-Pに2本のゲラニルゲラル基がエーテル結合した最初の脂質前駆体であるarchaetidic acidはCTPで活性化され、CDP-archaeolという極性脂質生合成の共通の中間体を形成する。この酵素、CDP-archaeol synthaseはゲラニルゲラニル基に強い特異性を示したが、グリセロリン酸の立体構造やエーテル結合には特異性を示さなかった。CDP-archaeolはセリンと反応してarchaetidylserineに転換するのが古細菌極性脂質生合成の次の反応である。この酵素AS synthaseは炭化水素鎖、グリセロリン酸の立体構造、エーテル結合に特異性を示さず、合成したCDP-archaeol類似物のすべてに活性を示した。この酵素は真正細菌BacillusのPS synthaseとホモロジーを示し、基質特異性でも共通性を示し、その起源に示唆を与えた。各種古細菌(Methanosarcina,Halobacterium,Pyrococcus,Thermoplsamaなど)の無細胞抽出液中に、ジヒドロキシアセトンリン酸のNAD(P)Hによる還元活性およびグリセロールキナーゼ活性を検出した。グリセロリン酸のガスクロマトグラフィーによる迅速微量定量法、およびMethanobacterium thermoautotrophicumのグリセロール-1-リン酸デヒドロゲナーゼを用いるグリセロール-1-リン酸定量法を開発し、生成したグリセロリン酸の立体異性体を定量した。グリセロール-1-リン酸デヒドロゲナーゼは測定したすべての古細菌に存在し、この酵素が広い範囲の古細菌で対掌体型極性脂質の生合成を担う酵素であることを示唆した。グリセロールキナーゼ活性は従属栄養菌にのみ見いだされ、グリセロールの異化代謝に関与するものと推定された。1-O-ベンジル-sn-グリセロールおよび3-O-ベンジル-sn-グリセロールとゲラニルゲラニオールを出発物質として、不飽和アーキオールを有機化学的に合成し、これをリン酸化して不飽和アーキチジン酸またはその対掌体を調製した。これらを基質としてM.thermoautotrophicumの無細胞抽出液中のCDP-不飽和アーキオール合成活性を検出し、その基質特異性を検討した。本酵素は脂質基質のグリセロリン酸骨格の立体構造より、炭化水素鎖の不飽和か否かに強い特異性を示した。メタン生成古細菌Methanothermobacter thermoautotrophicusの無細胞抽出液中に昨年検出した、不飽和アーキチジン酸とCTPからCDP-不飽和アーキオールを合成する活性をさらに詳細に検討した。

この活性は膜画分に存在し、至適pH8.5、至適温度55°Cで、0.2M KClと1mM Mg^<2+>を活性に必要とする。この反応の生成物を薄層クロマトグラフィー、化学分析、紫外吸収スペクトル、FAB-マススベクトルなどでCDP-不飽和アーキオールであることを確認した。またこの反応の化学両論が成立することも確かめた。次に、化学合成したCDP-不飽和アーキオールとL-セリンからアーキチジルセリンを合成する活性をM.thermoautotrophicusの無細胞抽出液中に検出した。前述のように酵素的に合成したCDP-不飽和アーキオールを基質にしたときも同様にアーキチジルセリンに転換された。M.thermoautotrophicusの培養中に[^<32>P]無機リン酸を短時間取り込ませて菌体全脂質の薄層クロマトグラム上に[^<32>P]CDP-不飽和アーキオールに相当するスポットを検出し、その脂質が前記のアーキチジルセリン合成酵素でアーキチジルセリンに転換することを見いだした。これらのことからCDP-不飽和アーキオールとCDP-不飽和アーキオールシンターゼはこの古細菌の極性脂質生合成に実際に関与することが明らかになった。これまででジヒドロキシアセトンリン酸から極性脂質の合成に至る5段階の反応を触媒する酵素活性が証明され、そのうち3段階は本研究によって明らかにされた。メタン生成古細菌Methanothermobacter thermoautotrophicusの無細胞抽出液中に昨年検出した、CDP-不飽和アーキオールとセリンからをアーキチジルセリン(AS)合成する活性をさらに詳細に検討した。この活性は膜画分に存在し、至適pH8.0、至適温度60°Cで、1%Triton XlOOと5mMMn^<2+>を活性に必要とするが、KClは必要とせず、細胞内濃度の0.8Mでは約30%阻害する。この反応の生成物を薄層クロマトグラフィー、化学分析、FAB-マススペクトルなどでASであることを確認した。次に、化学合成したCDP-不飽和アーキオールの類似物(炭化水素鎖が完全飽和されたもの、炭化水素鎖を直鎖脂肪酸にしたもの、エーテル結合をエステル結合としたもの、グリセロリン酸骨格をG-3-P型にしたもの)を用いてASシンターゼの基質特異性を調べた。ASシンターゼはこれらのいずれの基質とも反応し、広い基質特異性を示すことが明らかになった。同じ基質を用いてBacillus subtilisおよびEscherichia coliの無細胞抽出液中のホスファチジルセリンシンターゼの基質特異性を測定したところ、B. subtilisの場合はM. thermoautotrophicusと類似の広い特異性を示したが、E. coliの場合は立体構造はG-3-P、炭化水素鎖は脂肪酸を認識していることが明らかになった。全ゲノム配列の発表されている古細菌のいくつか(M. thermoautotrophicusを含む)において、B. subtilisのPSシンターゼ遺伝子とホモロジーのある遺伝子が検出され、おそらくそれはASシンターゼであると思われる。
デスメ膜非剥離角膜内皮移植術(nDSAEK)後における角膜および視機能の解析

本年度は、線維柱体切除術(trabeculectomy)施行後の濾過胞眼症例に対する角膜内皮移植術(nDSAEK)術後の他覚的視機能の解析を行った。nDSAEK施行後の濾過胞眼症例10眼と非濾過胞限症例51眼を対象とし、術中術後合併症の有無や種類、術後視力と角膜内皮細胞密度(術後6ヶ月、1年、2年)について比較検討した。10眼中2眼は術後1年2年の間に再移植を必要とした。濾過胞眼症例の平均角膜内皮細胞密度(/mm2)は、術前2877 (n=10)、術後6ヶ月2422 (16%減少、n=10)、術後1年1947 (33%減少、n=10)、術後2年1225 (60%減少、n=8)であり、非濾過胞眼症例(n=51)では、術前2827、術後6ヶ月2189 (23%減少)、術後1年1991 (30%減少)、術後2年1717 (39%減少)であった。非濾過胞眼症例(51例)と比較して、術前、術後6か月、術後1年では2群間に有意差はみられなかったが、術後2年では2群間に有意差がみられた。濾過胞眼症例の平均矯正視力LogMARは、術前0.88LogMAR (n=10)、術後6ヶ月0.50LogMAR (n=10)、術後1年0.45LogMAR (n=10)、術後2年0.44LogMAR (n=8)であり、非濾過胞眼症例(n=51)では.術前1.03LogMAR、術後6ヶ月0.30LogMAR、術後1年0.28LogMAR、術後2年0.25LogMARであった。非濾過胞眼症例(51例)と比較して、平均矯正視力LogMARは全期間において両群間に有意差はみられなかった。濾過胞眼症例に対してのnDSABKの術後中期成績は、術後2年で約60%の内皮細胞の減少があり、約20%で再移植を必要としたことから、今後も長期に渡りさらに臨床成績が悪化する可能性があると示唆された。
視細胞間結合による波長情報処理と色覚

色覚の基盤にある神経機構について、アゲハの色覚系を対象にして解析的実験研究を行った。アゲハ複眼には異なる分光感度をもつ6種の視細胞(紫外・紫・青・緑・赤・広帯域)があり、求蜜行動を指標にした行動学的実験の結果、アゲハはこのうちの紫と広帯域を除く4種を使って色を識別していることを突き止めた。また、視覚二次ニューロンである大単極細胞の膜電位をホールセルパッチ法で記録する方法を確立した。さらに、視葉板への色素注入に基づいて脳葉への視覚情報出力経路を少なくとも18本、同定した。この研究では、色知覚の基礎にある神経機構を細胞レベルで理解する研究の一環として、チョウ類視覚系を対象に、(1)視細胞間結合の機能解析、(2)LMC分光感度の解析、(3)色覚系入力視細胞の行動学的同定について、焦点を絞った実験的研究を行っている。平成18年度は、視細胞軸索末端における分光感度の解析、視葉板神経回路の免疫組織化学的解析、波長弁別能の解析および混色実験の準備の3項目を掲げ、それぞれについて以下のような成果を得た。●視細胞軸索末端における分光感度の解析視細胞の分光感度を、視細胞間結合が多く見られる視葉板(第一次視覚中枢)で記録し、それを網膜部分で記録される分光感度と比較検討した。18年度中には視細胞同士のカップリングを明確に示すような生理学的データは得られていない。一方、視髄(第二次視覚中枢)にまで軸索を伸ばす長受容細胞の末端形態に、分光感度による多様性が見られるらしいことがわかった。●視葉板神経回路の免疫組織化学的解析アゲハの中枢神経系におけるセロトニンの分布を、包埋後標識免疫組織化学法で、光学顕微鏡レベルで調べた。特に視葉板に注目してセロトニン細胞の分布を観察した結果、視葉板の前方と後方とで染色の密度が明らかに異なることが確認された。●波長弁別能・混色特定波長の単色光に対して吻伸展するように条件付けしたアゲハを用い、波長弁別能を調べた。その結果、420、480、560nmに波長弁別能の特に高い領域が見つかった。アゲハ網膜に存在する6種の視細胞(紫外線、紫、青、緑、赤、広帯域)のうち、どの細胞が関わっているかを推測するために、シミュレーションを行ったところ、紫と広帯域を除外したときに行動実験の結果とよく一致することがわかった。平成19年度は、視葉板におけるLMC分光感度の解析、視髄における長視細胞末端の形態、視葉出力経路の解剖学的同定、混色実験の4項目を掲げ、それぞれについて以下のような成果を得た。●視葉板におけるLMC分光感度の解析視細胞末端における分光感度を視葉板で記録したが、視細胞間結合を明確に示すような結果は得られなかった。かわって、視葉板で視覚二次ニューロンLMCの分光感度を記録した。結果、それぞれ3タイプの個眼に由来すると考えられる3種類の分光感度が記録された。●視髄における長視細胞末端の形態ひとつの個眼に含まれる視細胞9個のうち、視細胞1、2、9番は視髄(第二次視覚中枢)にまで軸索を伸ばす長受容細胞である。このうち視細胞1、2番の軸索末端形態を視髄で調べた。結果、の末端形態に、分光感度による多様性が見られるらしいことがわかった。●視葉出力経路の解剖学的同定アゲハ視葉のさまざまな部分に蛍光色素を注入、脳葉への細胞投射を解剖学的に調べた。結果、18本の視葉出力経路を同定した。うち9本は脳の同側がわのみに、3本は脳の反対側に、1本は脳の両側に、5本は反対側の視葉に伸びていた。●混色実験2つの波長をまぜた光に対して吻伸展するように条件付けしたアゲハを用い、混色が成立するかどうかを調べる実験を行なった。単色光との対比、特定の反射スペクトルをもつ色紙との対比を行なったが、明確な結果は得られていない。更なる条件検討が必要である。一方、モンシロチョウでも求蜜行動を指標にして色覚を調べる実験を行ない、色覚の存在を確認することができた。なお、アゲハで4原色の色覚系を証明したProc Roy Socの論文は、国内外の新聞誌上で紹介された。

この研究では、色知覚の基礎にある神経機構を細胞レベルで理解する研究の一環として、チョウ類視覚系を対象に、(1)視細胞間結合の機能解析、(2)LMC分光感度の解析、(3)色覚系入力視細胞の行動学的同定について、焦点を絞った実験的研究を行っている。平成20年度は以下の成果を得た。●視葉板におけるLMC分光感度の解析視葉板における視覚二次ニューロンLMCの分光感度の記録にホールセルパッチ法を導入した。結果、かなり安定した記録が得られるようになり、それぞれ3タイプの個眼に由来すると考えられる3種類の分光感度を得た。ただし、記録後に単一LMCを色素注入で確実に染色するまでには至らなかった。記録・染色技術の更なる改良が必要である。●視葉出力経路の解剖学的同定アゲハ視葉のさまざまな部分に蛍光色素を注入、脳葉への細胞投射を解剖学的に調べた。注意深い組織観察の結果、脳内ではキノコ体を含むさまざまな領域に少なくとも20本の神経束が観察された。シナプシン抗体で染色した脳の3D像をマールブルグ大学Uwe Homberg教授と共同で構築することに成功した。今後の脳構造解明に資する重要な成果である。●モンキチョウ個眼多様性の分子解剖学的同定モンキチョウの個眼多様性を、視物質オプシンの同定、ィンサイチュ・ハイブリダイゼーションによるオプシンmRNA分布の確定、電顕に依る詳細な解剖の方法で調べた。結果、モンシロチョウには紫外受容型1つ、紫受容型2つ、長波長受容型1つの計4つのオプシンが見つかり、その分布様式から個眼には3タイプあることが確認された。個眼の微細構造を調べたところ、感桿中央部に明瞭な狭窄が認められた。これは複眼では初めて見つかった構造で、感桿周囲色素によるフィルター効果を高める機能があるものと考えられる。
積分核を有する非線形波動方程式の零分散極限での解の挙動に関する研究

1.厳密に解ける固有値問題非局所的非線形シュレーディンガー(NLS)方程式の逆散乱形式に基づく線形固有値問題を多重ソリトン型ポテンシャルの場合に厳密に解き、固有値、及び固有関数の性質を調べた。さらに多重ソリトンポテンシャルが退化した簡単な代数型ポテンシャルについても同様な解析を行い、その離散固有値がラゲール方程式を含む代数方程式の根として得られることを示した。2.厳密に解ける力学系との関連非局所的NLS方程式のソリトン解、及び周期解の極の運動を複素平面上の力学系の立場から検討し、前者はカロジェロ・モーザー系に、後者はカロジェロ・モーザー・サザーランド系に同等であることを証明した。これは、非局所的NLS方程式が完全可積分系であることを示唆する重要な結果である。3.変調理論非局所的NLS方程式の1周期波の変調問題をWhithamの理論を用いて展開した。具体的には、波の波数、振幅、及び速度についての変調方程式を導き、これらを陽に解いた。この結果の応用として、小さな分散係数を持つ非局所的NLS方程式の初期値問題を、階段状の初期値に対して解き、解の性質を調べた。4.初期値問題の定式化非局所的NLS方程式の初期値問題の逆散乱法による定式化を行った。具体的には、ヨスト関数に対する閉じた積分方程式系を順、及び逆散乱問題の解析により導いた。同時に、ヨスト関数の直交性や完全性も証明した。また、無限個の保存則や、これらの散乱データによる表式も得た。5.ソリトン解の新しい表式ペンジャミン-小野(BO)方程式の多重ソリトン解を非線形の代数方程式系から導いた。これは線形代数方程式系を通して多重ソリトン解を構成する逆散乱法の枠組みからは予想できない新しい発見である。ここでの成果は、BO方程式の初期値問題の零分散極限での解の挙動を研究するためのひとつの足がかりになるものと期待される。積分核を有する非線形波動方程式のひとつである非局所的非線形シュレーディンガー方程式に関して以下の成果を得た。1.厳密に解ける固有値問題逆散乱法に基づく線形固有値問題を、多重ソリトン型のポテンシャルに対して厳密に解き、固有値、および固有関数を陽に求めた。さらに固有関数が完全系をつくることを証明した。次に多重ソリトンボテンシャルが退化した簡単な代数型ポテンシャルについても同様の解析を行い、その誰散固有値がラゲル多項式を含む代数方程式の根として得られることを示した.2.厳密に解ける力学系との関連ソリトン解、および周期波解の極の運動を複素平面上の力学系の立塙から検討し、これらが可積分であることを示した。実際、前者はカロジェロ・モーザー系に、後者はカロジェロ・モーザー・サザーランド系に同等であることを証明した。これらは非局所的非線形シュレーディンガー方程式が完全可積分系であることを示唆する重要な成果である。3.変調理論非局所的非線形シュレーディンガー方程式の初期値問題の逆散乱法による定式化はまだ完成していない。ここでは特に分散が小さい場合の初期値問題の解の構成を変調理論に基づいて行った。主要成果は、波の速度や波数に対する変調方程式が極めて簡単な形に書け、解が容易に求まることである。具体例として階段状の初期条件に対して解を構成した。これらの結果は、従来からよく知られているKdV方程式や非線形シュレディンガー方程式の対応する変調理論には見られない新しい知見を含んでいる。

積分核を有する非線形波動方程式の重要なクラスである非局所的非線形シュレーディンガー方程式や、ベンジャミン-小野方程式に関して以下の成果を得た。1.初期値問題の定式化非局所的非線形シュレーディンガー方程式の初期値問題の逆散乱法による定式化を行った。具体的には、ヨスト関数に対する閉じた方程式系を順、及び逆散乱問題の解析により導いた。同時に、ヨスト関数の直交性や、完全性も証明した。また、無限個の保存則や、これらの散乱データによる表式も得た。本研究は、前年度に行った多重ソリトンポテンシャルに対する初期値問題の定式化をより一般の初期値に対して拡張したものである。2.ソリトン解の新しい表式ベンジャミン-小野方程式の多重ソリトン解を非線形の代数方程式系から導いた。これは線形代数程式系を通して多重ソリトン解を構成する逆散乱法の枠組みからは予想できない全く新しい発見である。同様の解析を、カドムチェフ-ペトビアシュビリ方程式の有理型多重ソリトン解に対しても行った。ここでの成果は、ベンジャミン-小野方程式の初期値問題の零分散極限での解の挙動を研究するためのひとつの足がかりになるものと期待される。3.最近の研究のレビュー積分核を有する非線形波動方程式に関して、研究代表者の最近の研究を中心にレビューを行い、英文の著書として公表した。具体的には、ベンジャミン-小野方程式、及びこれの2次元版、非局所的非線形シュレーディンガー方程式、及びこれの有限深さ版について、数学的側面から、特に初期値問題に焦点を当てて議論した。内容は、主としてこれら方程式の逆散乱形式での線形固有値問題の固有値、及び対応する固有関数の性質を扱った。
信頼性を重視した大規模変数次元小標本因果ネットワーク推定法の開発

大規模変数次元かつ小標本のデータから,因果ネットワークに関する知識を発見する統計解析法を開発した.具体的には,(1)連続変数の線形因果ネットワークにおいて,因果的連鎖のトリガーの役割を果たす外生変数の推定法の開発,(2)推定される外生変数を起点とした部分ネットワーク推定法の開発,(3)バイオインフォマティクス・ニューロインフォマティクス・社会科学などの実データによる性能評価実験を行った.また,ソフトウェアをインターネット上で公開し,成果を広く利用可能にした.大規模変数次元かつ小標本のデータから,因果ネットワークに関する知識を発見する統計解析法を開発した.具体的には,(1)連続変数の線形因果ネットワークにおいて,因果的連鎖のトリガーの役割を果たす外生変数の推定法の開発,(2)推定される外生変数を起点とした部分ネットワーク推定法の開発,(3)バイオインフォマティクス・ニューロインフォマティクス・社会科学などの実データによる性能評価実験を行った.また,ソフトウェアをインターネット上で公開し,成果を広く利用可能にした.本年度は、部分因果ネットワーク推定法の基本原理を確立することを目的とした。そのために、まず(1)外生変数の推定法の開発に取り組んだ。小標本であっても信頼性高く推定できるような小さくかつ重要な部分として、因果ネットワークの外生変数に着目した。外生変数は、因果システムのトリガーの役割を果たすと考えられる。外生変数を同定することにより、効果的にシステムを制御したり、現象の根本原因の同定に関する仮説を得たりできると予想される。それから、(2)推定された外生変数を起点とした部分ネットワーク推定法の開発第2段階として、推定された外生変数を起点として、部分ネットワークを推定する統計解析法を研究開発した。これらの結果は、因果ネットワーク推定法に関する研究で最も権威のある国際会議(Uncertainty in Artificial Intelligence 2009, UAI2009)に口頭発表として採択され出版された。また、次の2つについて学会発表を行った:1.上述の因果ネットワーク推定法に基づいて、遺伝子発現データを分析し、有望な結果を得た。2.上述の因果ネットワーク推定法の統計的信頼性を調べるためのリサンプリング法を開発した。これにより見せかけの発見を防ぐことができる。これらの結果は、現在査読付雑誌に投稿中である。次年度は、本年度に開発した因果ネットワーク推定法をさらに改良・拡張し、実際のデータ解析において、より信頼性の高い因果ネットワークを推定できるようにしたい。本年度は、初年度に開発した線形因果ネットワークの探索法の仮定を緩め、バイオインフォマティクス、社会科学、ニューロインフォマティクスなどの応用分野に適した方向に拡張し、より柔軟に因果関係をモデリングできるようにすることを目的とした。まず、研究協力者から実データの提供を受け、優先度の高い問題点を洗い出した。そして、次の2つの方向にモデルの拡張を行ったa;)時間構造を利用する;b)潜在的交絡変数の存在を考慮する。a)については伝統的な自己回帰モデルおよび自己回帰移動平均モデルによる因果分析と私達が提案する非ガウス性を利用した因果分析を組み合わせて新しい分析法を開発し、脳磁図データを分析し興味深い結果を得た。また、b)については、米国の社会学関連の公開データベース(General social survey)のデータを用いて、Status attainment modelと呼ばれる親子の学歴と収入の関係に関するモデルをデータから探索的に検討し、一定の統計的証拠を得た。また、変数次元よりサンプルサイズが圧倒的に少ないバイオインフォマティクスのデータにも開発した推定法を適用して方法論の検証を行い、国際会議で報告した。これらの結果をまとめ、因果ネットワーク推定法に関する研究で最も権威のある国際会議(Uncertainty in Artificial Intelligence 2010,UAI2010)にて招待チュートリアルを行った.本研究課題の目的は、バイオインフォマティクスにおける遺伝子発現データのような大規模変数次元データから、因果ネットワークに関する有用な情報を信頼性高く推定する統計解析法を研究開発することである。本年度は、初年度および昨年度に開発した因果ネットワーク探索法をさらに発展させ、成果をいくつかの雑誌論文にまとめた。主な成果は次のとおりである:1.まず、因果構造ネットワークにおいて根本原因にあたる変数である外生変数を同定する方法を開発した。そして、それを変数次元よりサンプルサイズが少ないバイオインフォマティクスの遺伝子発現データに適用して方法論の検証を行い、興味深い結果を得た。2.次に、1の外生変数を同定する方法を発展させ、因果構造ネットワーク全体あるいは部分因果ネットワークを推定するためのフレームワークを構築した。社会学の学歴データに適用し、推定法の性能の検証を行い、有望な結果を得た。現在、遺伝子発現データでも検証中である。3.また、2の推定法を拡張し、多母集団の同時分析を行うためのモデルを開発した。まだ基本的なモデルであるが、大きく性能が向上することを数値実験で確認した。今後の発展が期待される。特に、複数の実験条件の遺伝子発現データを効果的に結合させて推定の精度を高めたり、モデル仮定の崩れの検出力を高めたりすることができるだろう。また、複数の被験者の脳活動計測データから脳領域の因果ネットワークを推定する問題にも、同じアイデアが適用可能である。これらの結果を基に、情報統計力学の最前線-情報と揺らぎの制御の物理学を目指して-にて招待講演を行った。
水生植物の繁茂が閉鎖性水域の内部流体運動に及ぼす影響の定量的解明

本研究は,閉鎖性水域における流体運動と水生植物の関係を明らかにすることにより,物理的に水質浄化が行われやすい水域環境を提言することを目的として水理実験および現地観測により検討を行っている.今年度の研究成果としては,まず水理実験によって得られた乱流計測結果をもとに,乱れエネルギー収支式を用い水生植物の繁茂率および遊動性の違いを定量的に表現した.これにより,水生植物が繁茂する閉鎖性水域に吹送流が作用した場合の内部流体運動について,汎用理論として数理的に記述することができた.一方現地観測では,水温成層の時間変化に及ぼす浮葉性植物の影響を検討するために,小規模閉鎖性水域において昼夜観測を行った.これにより浮葉性植物が繁茂する場所は繁茂しない場所に比べて,日中は水面が受ける熱量が減少するために水温変動幅が少ないこと,夜間は放射冷却が抑制されるために比較的水温が高いことを示した.一方,浮葉性植物が繁茂しない場所は受熱しやすい環境にあるために,日中の温度の上昇率が高く,夜間は放射冷却に基づく放熱により水温躍層の形成が確認された.さらに,この現地観測結果に基づき,水質予測モデルで用いるモデルパラメータを決定し,このモデルパラメータに関しても水性植物の繁茂状況による違いを定量的に表現している.以上の水理実験および現地観測によって得られた知見をもとに,閉鎖性水域における水温および溶存酸素に関する水質予測モデルを構築した.本研究は,閉鎖性水域における流体運動と水生植物の関係を明らかにすることにより,物理的に水質浄化が行われやすい水域環境を提言することを目的として水理実験および現地観測により検討を行っている.まず,水理実験において,閉鎖性水域に駆動力として与えられる吹送流による機械的擾乱に及ぼす浮葉性植物および浮遊性植物の影響について,水表面気流特性および水面波特性を検証することにより明らかにした.これにより浮葉性植物の繁茂率の影響として,水面占有率の増大に伴い水表面長さを減少させ,水表面に起因する抵抗値を減衰させることを示した.一方,浮遊性植物の遊動性の影響として,遊動性は抵抗値に大きな影響を与えないことを示した.また,水面波特性に及ぼす浮葉性植物の影響として,風上側において,水面占有率の増大に伴い吹送距離を減少させ風波の発達を抑制することを示した.風下側において,浮遊性植物の遊動性の増大に伴い風波の発達を抑制する効果が衰えることを示した.さらに,これらの影響は,擾乱の応答して生じる内部循環流に影響を及ぼし,水域内部の鉛直混合力を変化させることを明らかにした.次に現地観測では,水温成層の時間変化に及ぼす浮葉性植物の影響を検討するために,小規模閉鎖性水域において昼夜観測を行った.これにより浮葉性植物が繁茂する場所は繁茂しない場所に比べて,日中は水面が受ける熱量が減少するために水温変動幅が少ないこと,また夜間は放射冷却が抑制されるために比較的水温が高いことを示した.一方,浮葉性植物が繁茂しない場所は受熱しやすい環境にあるために,日中の温度の上昇率が高く,夜間は放射冷却に基づく放熱により水温躍層の形成が確認された.本研究は,閉鎖性水域における流体運動と水生植物の関係を明らかにすることにより,物理的に水質浄化が行われやすい水域環境を提言することを目的として水理実験および現地観測により検討を行っている.今年度の研究成果としては,まず水理実験によって得られた乱流計測結果をもとに,乱れエネルギー収支式を用い水生植物の繁茂率および遊動性の違いを定量的に表現した.これにより,水生植物が繁茂する閉鎖性水域に吹送流が作用した場合の内部流体運動について,汎用理論として数理的に記述することができた.一方現地観測では,水温成層の時間変化に及ぼす浮葉性植物の影響を検討するために,小規模閉鎖性水域において昼夜観測を行った.これにより浮葉性植物が繁茂する場所は繁茂しない場所に比べて,日中は水面が受ける熱量が減少するために水温変動幅が少ないこと,夜間は放射冷却が抑制されるために比較的水温が高いことを示した.一方,浮葉性植物が繁茂しない場所は受熱しやすい環境にあるために,日中の温度の上昇率が高く,夜間は放射冷却に基づく放熱により水温躍層の形成が確認された.さらに,この現地観測結果に基づき,水質予測モデルで用いるモデルパラメータを決定し,このモデルパラメータに関しても水性植物の繁茂状況による違いを定量的に表現している.以上の水理実験および現地観測によって得られた知見をもとに,閉鎖性水域における水温および溶存酸素に関する水質予測モデルを構築した.