hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
ｎ次モーメントによる情報の表現・伝達・復元

n次モーメントを利用した劣決定信号復元の方法や,その基礎となる最適化問題の性質を検討した.信号復元では,ソースの疎性と独立性を仮定して2次モーメントを非線形推定し,その結果を用いてさらに各サンプルのソースの生の値を非線形推定する方法を構築した.観測次元を超える数の活動を捉えることに成功した.最適化問題では,復元手法の設計可能性と設計限界の解明に寄与する2つの定理を証明した.一つはBergeの最大値の定理から,制約条件のコンパクト性を仮定しない定理,もう一つはBergeの逆である小宮の定理から,目的関数の入力引数を減じた定理である.これらはより実際の信号復元問題の状況に近い.本研究では,特に画像や音声といった我々が普段観察している信号について,n次モーメントがどのように情報を担っているか,またどのように特徴が記述できるか明らかにすることを目的の一つとしている.二年度目となる今年度は,情報復元の観点から,画像のモーメントについて更なる検討を試みた.多数の画像情報を効率的に格納するために,それら画像群から比較的少数の画像テンプレートを求めることは良く行われる.元の画像はテンプレートの線形結合等で表現され,個々の画像は,画像自体でなく結合係数のみを記録すればよいため,圧縮が達成される.こうした圧縮・復元について,モーメントの利用による新たな方法論を検討した.まず,画像一枚を行ベクトルとし,多数の画像の行ベクトルを縦に並べた画像行列を考え,その2次モーメントつまり分散共分散行列の対角性を調べた.Brodatzのテクスチャデータベースの場合,全成分の絶対値の平均に対する対角成分の平均は,元画像の行列では約40倍,ガウシアンランダム行列を変換行列として生成したテンプレート画像行列では約5.7倍であった.すなわち,元画像では対角成分に集約されていた情報が,変換によって非対角成分まで滲出したと言える.重要なのは,逆に,元の画像情報の特徴として,分散京分散行列の対角性を仮定できると確認できたことである.この対角成分は非負であるため,さらに非負性を制約として利用可能である.これらの制約条件を利用して最適化問題を解くことで,元画像のモーメント情報を直接的に復元する新たな枠組みと出来る可能性を得た.その際に用いる評価関数の検討等は今後の課題として挙げられる.提出中のBergeの最大値の定理の関連定理の論文は現在修正中である.本研究では,画像や音声をはじめとする多次元観測信号について,その統計量であるn次モーメントがどのように情報を担っているか,またどのように特徴が記述できるか明らかにすることを目的の一つとしている.今年度は,前年度の研究を受け,モーメントを利用した情報復元について検討を行った.手法としては,元のデータセットの次元を縮小するような線形写像による観測から,まず何らかの次数のモーメントについて,独立性の仮定に基づいて推定を行う.独立性の仮定は,前年度の実データに関する調査で,妥当である場合の存在が確認されている.次に,得られたモーメントの推定を基準とし,これを制約条件ないし罰金項の基準として,元データを変数とする最適化問題を構成する.特に,2次のモーメントが最適化問題として定式化しやすいことから,これを利用し,半正定値計画問題,二次錐計画問題,二次計画問題等の形による原信号復元の方法の検討を行っている.なるべく汎用的な評価関数により復元性を向上させたいという側面と,より個別のデータ種に適した評価関数を探索したいという側面があり,この両面からアプローチを試みている段階である.提出中のBergeの最大値の定理の関連定理の論文は,レフェリーから主定理の証明方法について有益な示唆を受け,現在再修正中である.n次モーメントを利用した劣決定信号復元の方法や,その基礎となる最適化問題の性質を検討した.信号復元では,ソースの疎性と独立性を仮定して2次モーメントを非線形推定し,その結果を用いてさらに各サンプルのソースの生の値を非線形推定する方法を構築した.観測次元を超える数の活動を捉えることに成功した.最適化問題では,復元手法の設計可能性と設計限界の解明に寄与する2つの定理を証明した.一つはBergeの最大値の定理から,制約条件のコンパクト性を仮定しない定理,もう一つはBergeの逆である小宮の定理から,目的関数の入力引数を減じた定理である.これらはより実際の信号復元問題の状況に近い.本研究では,特に画像や音声といった我々が普段観察している信号について,n次モーメントがどのように情報を担っているか,またどのように特徴が記述できるか明らかにすることを目的の一つとしている.初年度となる今年度は,画像の中でも特に高次モーメントが特徴の指標となりうることが先行研究で示唆されている,テクスチャ画像について検討を試みた.テクスチャ画像のサンプルとして標準的に用いられるBrodatzのアルバムのテクスチャすべてを対象とした.まず,各画像についての統計量として,1次4次までのモーメント(平均,分散,歪度,尖度)を計算した.次に,各々を確率変数として標準化した.その後,モーメントの分散共分散行列について主成分分析を試みた.すると,第1主成分が寄与率92%を示し,またこの第1主成分に対して,各モーメントはほぼ均等に寄与していた.すなわち,テクスチャ画像の判別には,1次から4次のモーメントは(標準化された場合)ほぼ同等の情報を担っていることが示唆された.

これは,平均や分散に比べて軽視されがちな高次のモーメントについて,その重要性を示す新たな知見と言える.本研究では,また,劣決定系を信号が経由する際,元の信号やモーメントについてどのような伝達・復元が可能か検討することも目的の一つとしている.今年度は,この問題の数学的な基礎として,劣決定逆問題において,観測信号から元信号を推定する手法(=写像)が,観測信号について連続になるための十分条件と,また一定の条件下での連続な推定写像の存在性を証明した.これらの定理を述べた論文を投稿した(現在査読中).これらの定理は,経済学でよく知られたBergeの最大値の定理の応用ともいえるもので,本研究の対象とする問題のほかにも広範な問題に適用できる可能性がある.本研究では,画像・音声などをはじめとする多次元データについて,その統計量の一種であるn次モーメントに着目し,n次のモーメントがどのような情報を担っていて,どのように特徴を記述できるか検討すること,またn次モーメントを利用した信号の復元の可能性などを検討することを目的の一部としている.今年度は,モーメントを利用した情報復元について引き続き検討を行った.元の多次元データから,観測信号がその線形結合で得られる場合のうち,特に,元の変数より観測変数が少ない劣決定(あるいはオーバーコンプリート)である状況を問題として設定した.なお,線形結合の係数は既知とした.この問題では,観測だけでは不足する元信号に関する知識をどう仮定して手法を構成するかがポイントとなる.前年度は,信号の独立性を仮定し,モーメントをまず推定してから,推定値を基に元の変数に関する最適化問題を構成することを試みた.今年度は,元の変数に予め設定する最適化問題によって,モーメントの対角性が向上できるかを検討した.それにあたり,この分野で提案されているFOCUSSという手法中で,要素の絶対値の対数値(ある意味でl0ノルムというべきものだが,よく言われる非零要素数としてのl0ノルムとは異なる)を最小化することに相当することが可能であることに着目した.数値例で比較したところ,l2ノルム最小化よりもl1ノルム最小化の方が,さらにl1ノルム最小化よりもこのl0ノルム相当の量を目的関数として置いた場合の方が,2次モーメントの対角性が高くなる傾向を確認した.これにより,一旦モーメントを推定するという前年度までの方法と,最初から元変数について最適化を行う方法について,比較及び統合を検討できるようになった.逆問題本年度主に予定していたのは,前年度に引き続き,n次モーメントによる画像・音声等の特徴記述の検討と,モーメントを利用した信号処理の可能性の検討,そしてデータ自体の性質の検討などである.画像情報の圧縮と復元については,変換前後の画像行列の分散共分散行列の性質の検討から,モーメントを利用した方法にとって有効な前提が実データについて確認でき,方法の枠組みが得られた.計画している多重解像度解析との組み合わせによって,さらに有効な議論に進展する見通しである.また,前年度予定以上に進んだ劣決定問題に関する側面について,投稿していた論文は,現在査読結果に基づき改訂中で,完了次第提出の予定である.本年度は,n次モーメントによる画像・音声等の特徴記述の検討と,モーメントを利用した信号処理の可能性の検討,そしてデータ自体の性質の検討について,とくに原信号の圧縮と復元に関して,前年度得られた知見に基づき,具体的な方法の開発・検討へと進展している.
頭蓋内圧亢進時における頭蓋内圧脈波形・髄液拍動・脳血流速度の関係

脳動脈血流速度モニタ-の導入が遅れたために、現在まで症例数が少なく十分なデ-タの解析が行われていない。1.シャント手術によって症状の改善が期待できるくも膜下出血後の正常圧水頭症において、手術後症状が改善しなかった症例の前大脳動脈および中大脳動脈の血流速度を測定した。血流速度はシャント手術前(61.5cm/s)、手術後(59.0)で有意な変化は認められなかった。しかし持続頭蓋内圧モニタ-ではB波の出現頻度が30%以上と比較的多く、CT cisternographyおよびMRIでは強い髄液循環障害を示したので、従来の報告からこの症例ではシャント効果が当然期待されるはずであった。今後さらに症例を重ねて髄液除去前後の脳動脈血流速度の変化とシャント手術効果との関係を調べ、比較的簡便な手術適応の指標としての本法が有効であるかどうか検討する予定である。2.中脳水道におけるMRI上でとらえた髄液のflow patternとCT cisternographyにおける造影剤の動きとの間には強い相関があることを明かにした。今後髄液の循環動態と血流速度との相関についても検討する。3.正常圧水頭症の症例をくも膜下出血を伴った群と伴わなかった群とに分け、^<123>IーIMP SPECTにより脳血流を測定した。くも膜下出血群の4例では明かに前頭葉の血流低下を示したが、非出血群の7例では全体的な血流低下を認めたが前頭葉の血流低下は明かでなかった。腰椎穿刺による髄液を排除すると、くも膜下出血群の4例では、約10%血流が増加したが、他の7例においては血流は増加しなかった。これらの結果は、正常圧水頭症ではこの原因疾患により髄液循環、脳循環動態に差があることを明らかにし、それを知る一つの指標として脳動脈血流速度測定の重要性を明らかにした。
Veda語における重複現在語幹の研究

Veda語の動詞組織全体の理解のためには,語根重複を伴う動詞語幹形成のメカニズムの解明は焦眉の課題であり,わけても重複現在語幹の形態と機能に関する包括的な調査・分析は為されていないのが現状である。本研究の目的は,重複現在語幹の可能性がある全ての現在語幹について,実際の用例箇所を網羅した調査を通じて,個々の動詞ごとに重複現在語幹の共時的・通時的な位置付けを行い,それらの蓄積を基盤として,Veda語における重複現在語幹の形態と機能の包括的な理解を得ることであった。重複母音-a-で語根重複するグループに対する前年度の作業方針を引き継ぎ,重複母音-i-によって重複現在語幹を形成する動詞群について,重複現在語幹ならびに語根重複を伴う動詞語形(重複Aorist語幹,完了語幹,Intensiv, Desiderativ)の全語形と用例箇所をリストアップするのみならず,語根重複を伴わない他の動詞語形に関しても可能な限り詳細に語形と用例を収集し,個々の動詞の活用語形の精密な資料集を作成していくことに専念した。これにより,翌年度より作成予定の,幹母音を伴わない重複現在語幹の形態と機能とに関する包括的な論文のための基礎準備が整ったと考えられる。古インドアーリヤ語の最古層であるVeda語の動詞組織における,重複現在語幹の形態と機能とを,実際の用例箇所の網羅的調査に基づいて解明する事が本研究の目的である。今年度の課題は,幹母音を伴わない重複現在語幹の中,特に重複母音-a-で語根重複するグループ(-a- reduplizierte athematische Prasentia)に関する精密な調査・検証を行い,同化作用の影響を被っていない-a-(<^*-e-)による語根重複を研究することにより,重複現在語幹形成の形態論的特徴に関して一定の標準を得るとともに,同様に*-e-で語根重複する完了語幹及び重複アオリスト語幹との関係を考察する事,そしてこれに引き続き,語根内部の共鳴音^*uによる同化作用を経たことが明白である,-u-で語根重複するグループ(-u- reduplizierte athematische Prasentia)を調査・検証し,語根重複における同化作用の音韻論的な傾向を把握する事であった。実際に調査を進める過程で,用例箇所における語形の確定の為に,Veda語のシンタクス及びテクストの背景にあるVedaの宗教への理解を更に深化させる必要性が判明し,後藤敏文教授の演習への参加,多岐に亘る資料・研究書・論文の蒐集,学会に参加しての情報交換等を通じて,インド文献学における最新の研究成果の吸収に努めた。また,動詞における重複現在語幹の機能を正確に位置付ける為には,語根重複を伴わない他の動詞語形に関しても可能な限り詳細な調査を行い,対象となる各動詞の活用語形の資料集を整備していく事が研究作業の基礎を確固たらしめるとの見解に達し,計画を若干修正して,重複母音-a-で語根重複するグループの動詞の精密な資料集作成に専念した。
湾曲フィルムの表面ひずみ定量解析：分子配向設計による高性能フレキシブル基板の創製

本研究課題では,湾曲した高分子フィルムの表面ひずみを微視的に定量解析し,ナノスケールの分子の動きが巨視的な動きに増幅されるプロセスの解明を目的とする。フレキシブルデバイスの開発は,湾曲に追従する高伸縮な材料の開発とデバイス全体の薄型化に大別される。しかしながら,高分子フィルムの湾曲メカニズムには未解明の点が多く,ひずみの視点から湾曲挙動を詳細に理解することが求められる。そこで本研究では,曲げてもひずまないフィルムを創製する第三のアプローチを提案している。湾曲挙動の理解に基づき,戦略的に分子配向を空間精密制御することにより,折り曲げても劣化しないフレキシブルな高分子基板を創製する。本年度は,測定対象である未延伸や延伸処理された様々な高分子フレキシブル基板に周期構造体を有する薄膜ラベルを貼り付け,レーザー光を入射した際に生じる回折光を利用して,表面ひずみを定量的に解析することに成功した。様々な単層高分子フィルムの湾曲往路における表面ひずみは,湾曲時のフィルム形状を画像解析して得られた曲率半径より算出した理論表面ひずみと同様の傾向を示すことがわかった。また,容易に分子配向を制御できる液晶を用いて高分子フィルムを作製し,湾曲に伴う表面ひずみが増減することも見出しつつある。このように,湾曲時の表面ひずみを分子配向の観点から制御できれば,高性能でありながら低伸縮性ゆえに適応困難であった無機半導体や金属材料をフレキシブルデバイスへ実装でき,学理構築から産業界への発展的な波及効果が期待できる。上述の通り,柔軟性と粘着性に優れたポリジメチルシロキサンを用いて周期構造体を有する薄膜のラベルを作製し,未延伸や延伸処理された様々な高分子フィルムに貼り付けることで,湾曲に伴う表面ひずみを高精度に解析することに成功している。また,フィルムの湾曲形状を画像解析して得られた曲率半径より算出した理論表面ひずみとの比較も可能となった。さらに,既製品の汎用性高分子フィルムのみならず,ラビング法により配向性液晶高分子フィルムを作製し,湾曲に伴う表面ひずみが湾曲方法により異なることを見出した点もおおむね順調に進展しているといえる。空間的に分子配向を精密制御した高分子フィルムの作製と表面ひずみ解析を進める。分子配向による表面ひずみの違いを見出せたため,さらに綿密な材料設計を行い,ひずみを制御したフィルム基板の作製を検討する。具体的には,分子配置の制御,分子配向の制御の2点に着目して材料設計し,表面ひずみを制御したフィルムを作製する。分子配置の制御においては,2種類のモノマーを光重合した際の反応速度の違いによる分子拡散を利用する。架橋剤の選定,光照射条件を最適化することにより,膜厚方向に分子濃度勾配を有するフィルムを作製する。分子配向の制御においては,配向制御により異なる弾性率を示す液晶分子を用いる。一軸配向,ホメオトロピック配向に加え,空間的に配向を制御したツイストネマチック配向やハイブリッド配向などを利用する予定である。精密に分子配向を制御できれば湾曲に伴う両面のひずみが非対称になり,曲げても表面ひずみが抑制されると期待できる。

具体的には,分子配置の制御,分子配向の制御の2点に着目して材料設計し,表面ひずみを制御したフィルムを作製する。分子配置の制御においては,2種類のモノマーを光重合した際の反応速度の違いによる分子拡散を利用する。架橋剤の選定,光照射条件を最適化することにより,膜厚方向に分子濃度勾配を有するフィルムを作製する。分子配向の制御においては,配向制御により異なる弾性率を示す液晶分子を用いる。一軸配向,ホメオトロピック配向に加え,空間的に配向を制御したツイストネマチック配向やハイブリッド配向などを利用する予定である。精密に分子配向を制御できれば湾曲に伴う両面のひずみが非対称になり,曲げても表面ひずみが抑制されると期待できる。湾曲解析システムのアタッチメントが特注品のため,本年度内納品に間に合わなかった。加えて,研究費を効率的に使用したため未使用分が生じた。次年度は,本年度購入予定であったアタッチメントの購入とレンズやフィルターなどの光学部材の購入費に充てる。
変形性膝関節症患者の生活上の困難とセルフケアおよびQOLとの関連

変形性膝関節症患者における生活上の困難,セルフケア能力を測定する尺度を開発し,生活上の困難,セルフケア能力の関連要因およびwell-beingとの関連性を明らかにし,セルフケアを高める学習支援プログラムを考案した.結果として,信頼性・妥当性を備えた14項目3因子の「変形性膝関節症患者生活上の困難尺度」,および20項目5因子の「変形性膝関節症患者セルフケア能力尺度」が開発された.生活上の困難を感じている者ほどwell-beingが低いことが示され,セルフケア能力の高い者は低い者と比べてQOLが高い可能性が推察された.このことは,生活上の困難を克服し,セルフケア能力を高める学習支援プログラム構築する意義を示唆するものである.変形性膝関節症患者における生活上の困難,セルフケア能力を測定する尺度を開発し,生活上の困難,セルフケア能力の関連要因およびwell-beingとの関連性を明らかにし,セルフケアを高める学習支援プログラムを考案した.結果として,信頼性・妥当性を備えた14項目3因子の「変形性膝関節症患者生活上の困難尺度」,および20項目5因子の「変形性膝関節症患者セルフケア能力尺度」が開発された.生活上の困難を感じている者ほどwell-beingが低いことが示され,セルフケア能力の高い者は低い者と比べてQOLが高い可能性が推察された.このことは,生活上の困難を克服し,セルフケア能力を高める学習支援プログラム構築する意義を示唆するものである.本年度は,変形性膝関節症患者の生活上の困難を測定する尺度を開発し,生活上の困難の実態およびQOLとの関連を明らかにした.調査対象は,症状がある50歳以上の一次性膝OA患者とした.調査の結果,回収数は,500(回収率76.9%)であった.有効回答数362名(72.4%)を分析対象とした.対象者の年齢は,72.4±9.6歳(5095歳),男性81名,女性281名であった.罹患期間は,10.6±10.6年(060年),BMIは,24.3±3.3(15.337.3)であった.1.生活上の困難尺度の信頼性・妥当性探索的因子分析,確証的因子分析の結果,「社会生活・人生を営む上での辛苦」「生活動作時の難儀さ」「将来の生活に対する危惧」14項目の下位因子で構成される"生活上の困難"尺度が開発された.確証的因子分析では,生活上の困難を二次因子とする二次因子モデルの適合度が確認された.α係数は基準値以上の値が得られ,尺度の内的整合性は支持された.外的基準との有意な中程度強い相関が得られたことから基準関連妥当性が確認され,統計学的な説明力を有する尺度が開発された.2.生活上の困難尺度の有用性14項目の質問で構成され高齢者の多い膝OA患者にとって簡便で利用しやすい.看護職者における膝OA患者の生活上の困難の理解,ケアの質向上において意義がある.3.生活上の困難の実態,well-beingとの関連生活上の困難の関連要因として,痛み,バランスの悪さ,筋力低下,こわばり,腫脹などが認められた.また.well-beingと中程度の相関がみられ,生活上の困難を感じている者ほど,満足感,幸福感などのwell-beingが低い傾向がみられた.本年度は,変形性膝関節症患者のセルフケア能力を測定する尺度を開発し,セルフケア能力の実態およびQOLとの関連を明らかにした.調査対象は,症状がある50歳以上の一次性膝OA患者とした.調査の結果,回収数は,505(回収率77.7%)であった.有効回答数386名(59.4%)を分析対象とした.対象者の年齢は,72.7±9.5歳(5095歳),男性86名(22.3%),女性300名(77.7%)であった.罹患期間は,11.0±10.9年(070年),BMIは,24.4±3.4(1537)であった.1.セルフケア能力尺度の信頼性・妥当性探索的因子分析の結果,19項目の3因子「自己の状況に関する正しい認識」「療養行動の獲得と継続」「関節に負担をかけない生活の獲得」で構成されるセルフケア能力尺度が開発された.α係数は基準値以上の値(全体0.806,第1因子0.793,第2因子0.761,第3因子0.671)が得られ,尺度の内的整合性は支持された.外的基準であるSCAQとの有意な中程度の相関(r=0.719,p<0.001)が得られたことから基準関連妥当性が確認された.2.セルフケア能力尺度の有用性19項目の質問で構成され高齢者の多い膝OA患者にとって簡便で利用しやすい.看護職者における膝OA患者のセルフケア能力の理解,セルフマネジメントプログラムの評価指標として活用する.3.課題今後,セルフケア能力の関連要因およびwell-beingとの関連を明らかにしていく必要し,セルフケア能九well-beingを高めるプログラムを作成する.平成22年度に,探索的因子分析において,変形性膝関節症患者セルフケア能力尺度(SACKOS)19項目3因子の尺度を作成したが,その恣意性を払拭するために23年度は,確証的因子分析にて尺度の改訂を行い,SCAKOSの信頼性・妥当性の確保に努めた.

1.セルフケア能力尺度(SCAKOS)の因子構造および信頼性・妥当性の検討セルフケア能力を二次因子,「自己への関心と適切な認識」,「療養法の遵守と継続への意思」,「関節への負担軽減のための調整」,「病状悪化予防のための能動的な取り組み」,「有効な支援の獲得」の20項目5因子を下位因子とする二次因子モデルが構築された.適合度指標はCFI=0.919,GFI=0.927,AGFI=0.907,RMSEA=0.045が得られ,適合度指数はほぼ統計学許容水準を満たしていた.SCAKOS全体のCronbach'sα係数は0.813で,内的整合性が確認された.基準関連妥当性について,外的基準SCAQ得点とSCAKOS得点とのピアソンの相関関係を算出し,SCAKOSとSCAQ得点間に高程度の相関がみられた(γ=0.78,p<.01).以上より,SCAKOSの信頼性・妥当性は確認された.2.セルフケア能力尺度の有用性20項目の質問で構成され高齢者の多い膝OA患者にとって簡便で利用しやすい.看護職者における膝OA患者のセルフケア能力の理解,セルフマネジメントプログラムの評価指標として活用する.3.セルフケア能力の実態セルフケア能力に関連する要因としては,年齢,性別,罹患期間であった(高年齢,女性,罹患期間が長いとセルフケア能力が高い傾向にある).患者の機能障害とwell-beingとセルフケア能力に関連はみられず,生活動作の難しさを感じている者ほどセルフケア能力が高い傾向にあった.4.課題ASMP (Arthritis Self-management Program)におけるHelp bookを翻訳中であり,研究結果として明らかになった患者の生活上の困難の特徴,セルフケア能力の特徴を鑑み,セルフマネジメントプログラムを構築する.
高性能土壌の開発に関する基礎的研究

土壌は通常野外に置かれているために、直接環境の影響を受けやすく、土壌中の諸反応、とくに土壌中で起こる生化学反応を人為的にコントロールすることは非常に難しい。人類が土壌に期待する様々な重要な機能の多くが土壌中で行われる化学反応とくに生化学反応に起因していること、これらの反応が土壌微生物によって行われることに注目して、本研究では土壌中の微生物生態を土壌化学的側面からまず考察し、ついで微生物の生態ないしは生残性をコントロールしている要因を抽出し、その上で、土壌微生物の住処となるマイクロハビタットを土壌に人為的に介在させることによって土壌微生物の生態を、引いては土壌中で起こる生化学反応をある程度制御できると考えて、実験を進めた。微生物は周囲の物質環境(化学環境)と水分環境とにとくに大きく影響された。炭素含量に富み、窒素含量が少ない有機資材を用いて、窒素汚濁などで高いBOD負荷を示す汚水を処理するときわめて優れた浄化ならびに窒素の除去を行うことから、土壌中に炭素率の高い有機物を埋設するだけで、畑土壌中で生成される硝酸態窒素の溶脱を阻止することができた。一方、難分解性農薬であるγ-HCHを特異的に分解する微生物Sphingomonas paucimobilis SS86を本農薬の長期連用圃場から分離同定し、本微生物を用いて、その土壌中での生態を生残部位の同定を中心とした検討から、特定の生化学反応を有する微生物を土壌中に安定的に住まわせるためには、その形態に適した住処を土壌中に創設すること、その微生物が基質とする物質を予め土壌または住処に浸潤させておくことが必要であることがわかった。以上の実験から、土壌中の微生物の生化学反応を制御することがある程度可能であることが実験的に示され、高性能土壌の開発への道が開かれたと判断した。土壌中の有機物分解を制御するための第一段階として、土壌種ごとにその分解量を評価した。供試土壌には粗粒質土壌(富山県入善町)、中粒質土壌(埼玉県熊谷市)および細粒質土壌(静岡市安東)のそれぞれ沖積土壌を、添加有機物には稲わら粉砕物ならびに下水汚泥コンポストを使用した。非生物的物理化学的反応区(非生物区)は本研究では土壌および有機物をクロロホルムで燻蒸殺菌した実験系で行い,生物化学的反応区(生物区)は殺菌しない系で行った。実験室内に設置した土壌カラムに、上記各種土壌の風乾細土を土壌:乾物有機物=100:1(重量比)に混合したものを充填し、土壌水分を各種土壌の最大容水量の60%に保持して各種温度でインキュベ-ション実験を行った。有機物の無機化過程で発生する各種ガス、有機酸ならびにイオン交換反応(NーKCl浸出液)で得られた無機イオンを経時的に定量した。その結果、非生物区の低温処理区5°Cでは下水汚泥中の無機イオン、水溶性有機物の土壌吸着はほとんど起らず、脱イオン水で容易に浸出されたが、インキュベ-ション温度が上昇するにつれて土壌吸着が明らかに認められるようになった。この傾向は土壌粒子が細かい土壌ほど強くあらわれた。一方、生物区の低温処理区で認められる反応は非生物区とほぼ同一であり、易分解性有機物、各種イオンが水浸出で多量認められた。インキュベ-ション温度が上昇するにつれて、水浸出される有機酸、無機イオンの種類と量は低温処理区の場合の組成と明確に異なり、各種アミノ酸、酪酸、酢酸、グルコ-ス,キシロ-スは消失し,無機イオン量も著しく減少した。

これらの実験結果は非生物区においても土壌反応層の温度が高まれば、吸着反応を主体とした反応系が働き、種々の物質が土壌粒子に吸着されること、この吸着反応が生物区の生物に対して、新たな「化学環境」を与え,生物活性に大きな影響を及ぼすことが考えられた。本年度は微生物の安定な生存部位を確保するためのマイクロハビタットの創作を行うために,炭素材,石膏資材,セラミックス,多孔質ガラスなど微小孔隙を有する市販ならびに天然資材を用いて実験を行った。微生物が微小孔隙に入り込み,原生動物などより大きな生物による捕食が行なわれないようにするには,用いる材料の孔隙径の分布特徴を調べる必要があった。電子顕微鏡による観察を主体としてまず孔隙の形態的特徴を明らかにし,ついで窒素ガス充填計測法によって孔隙径分布を調べた。炭素材については,用いる材料で大きく異なり,スギ,マツ,ヒノキなどの針葉樹炭はナラ,クヌギ,ドングリなどの広葉樹炭より孔隙径分布は広範囲に及ぶ傾向にあった。石膏資材として用いたセメント副産物であるTBX,オートクレーブ処理軽量コンクリートであるALCは110μ(ミクロン)の微小径孔隙は少なく,100μ以上の孔隙が多かった。セラミックスは酸化アルミナおよび焼結ケイ藻土を用いたが,酸化アルミナ主体のセラミックは微小孔隙,粗大孔隙ともに少なく,マイクロハビタットとして用いることに問題があった。一方,焼結ケイ藻土は100μ以上の粗大孔隙も存在するが,孔隙径分布のヒストグラムをとると1020μの部分の頻度が高く,マイクロハビタットとしての利用に期待が持てた。多孔質ガラス(MPG)は15μの部分にシャープな頻度分布が認められ,この付近の大きさの微生物の担体として優れた素材であると考えられた。MPGおよび焼結ケイ藻土を用い,それに麦芽エキスを基質として、これらの資材に減圧下浸潤させ,その後E.Coliを接種して培養し,微小孔隙からのE.Coliの洗脱を検討した。その結果,MPGを用いた場合には,孔隙の深部まで微生物が侵入でき,安定な生残部位を獲得し得ることが示唆れた。しかし,供試の素材全般について,微小部位に定着できる個体は多くはないことが判明した。炭素材(各種木炭)、石膏資材(autoclaved lightening concret)、セラミック(焼結珪藻土)および多孔質ガラス(micro pore glass)を用いて、これらが有する微細な種々の孔径の孔隙に土壌微生物が住処(マイクロハビタット)を獲得し、土壌中で安定な生化学反応が進行するかを調べた。基質としてブドウ糖・ペプトンをこれらの素材の孔隙に浸漬した後、通常の火山灰畑土壌の作土に2ヶ月間埋設し、孔隙に集まる微生物について調査した実験をまず行った。孔隙径が5μに統一されていた多孔質ガラスでは、その孔隙の深部には一種類の微生物が棲息していることを示唆する結果を微生物の増殖速度と顕微鏡による形態観察から得た。一方、種々の大孔隙から構成されている他の素材の場合は孔隙の入口、深部に関係なく種々雑多な大量の微生物が棲息していることが示唆された。これらの結果から、土壌に埋設する多孔質素材の性状と素材に含ませる基質とを厳格に規制することによって、きわめて多様な土壌微生物の母集団からある特定の微生物を精選し、住み着かせることができ、さらにその微生物の特有の生化学反応を土壌中で特定・強化させることが可能であると考えた。ついで、農薬γ-HCH分解菌(Sphingomonas paucimobilis SS86)を用いて、上記の推論をさらに確かなものにするため、γ-HCH連用圃場から土壌を採取してγ-HCH分解菌の生態を検討した。
広域の風食評価のための、地表面状態とダスト発生臨界風速の関係解明

2000年以降の頻繁に発生する東アジアのダストの原因を調べた。本課題では土壌粒子が舞い上がり始める風速(ダスト発生臨界風速)を気象台データから統計的に見積もる方法を考案し、臨界風速を土壌・地表面状態の指標とした。ダスト発生頻度、強風発生頻度、臨界風速の解析から、主にモンゴル、内モンゴル東部、中国東北地方における砂漠化(臨界風速の減少)が2000年以降の黄砂多発の主な原因であったことを明らかにした。東アジアにおけるダスト発生年々変化の原因を砂漠化など地表面状態の変化と気候変動による強風発生頻度の変化に区別するため、ダスト発生臨界風速、強風発生頻度、ダスト発生頻度、各種地表面状態の解析を行った。1.各気象測候所における1970年代から2000年代まで10年単位で臨界風速の5パーセンタイル値(ut5%)を見積もりマッピングした。2.全測候所について、ut5%と地表面状態の関係を議論することは困難であるため、2000年代において少雨傾向であったモンゴルのマンダルゴビという地点に焦点を絞り、夏季降水量とut5%の経年変化の傾向が同じであることを明らかにした。3.臨界風速の解析では母集団を稼ぐために10年単位で解析を行っていることが欠点であるため、1970-2008年のut5%を強風のしきい値とし、1年ごとの強風発生頻度(f_u>ut5%)とダスト発生頻度(f_Dem)、夏季降水量の関係を調べた。この解析においてf_Demとf_u>ut5%の比を正規化ダスト発生頻度(f_NDem=f_Dem/f_u>ut5%)とした。この解析より、マンダルゴビでは夏季降水量とf_NDemが負の相関関係にあることが分かってきた。以上のような負の相関関係が得られたのは、マンダルゴビが夏雨領域の草原と砂漠の境界付近に位置しており、夏季降水量が植生量の経年変化に大きく影響しているためと考察している。しかしながら、負の相関関係から大きく外れている事例もあるため、積雪、凍土、土壌水分、土地利用など他の地表面要素についての解析が必要である。また、マンダルゴビ以外の地点についても、同様の解析が必要である。東アジアにおけるダスト発生の年々変化の原因をerosivity(風食を起こす風の能力)とerodibility(土壌・地表面の風食感受性)に区別するため、ダスト発生頻度、強風発生頻度、ダスト発生臨界風速の解析を行った。Erodibilityの変化を議論するため、降水量、NDVIなどの土壌・地表面状態の解析を行った。当該年度の解析より、SYNOP報の降水量データが1980年代以前にエラーが多いことが分かったため、1990年以降に焦点を絞った。1.1990年代と比べて2000年代はモンゴル、内モンゴル、中国東北地方、河西回廊においてダスト発生頻度が増加、2.内モンゴル西部(砂漠)、河西回廊(砂漠)ではerosivityの変化(強風発生頻度の増加)がダスト増加の原因であり、3.モンゴル(草原)、内モンゴル東部(草原)、中国東北地方(耕作)においては、erodibilityの変化(臨界風速の減少)がダスト増加の原因であることが分かった。Erodibilityの変化の原因解明にあたって、草原域の草に着目し、春夏に生長した草が春に枯れ草として残り、枯れ草がerodibilityに影響しているという「枯れ草仮説」を提唱し、夏季降水量、NDVIの解析から枯れ草仮説が成立する可能性が高い領域を特定した。この結果は雑誌Geophysical Research Letterに論文投稿した。また、信頼できる降水量データをモンゴル水文・気象研究所より入手し、マンダルゴビ気象台におけるerosivity、erodibilityとダスト発生の関係について調べた。この作業より、夏季植生が多いときは枯れ草仮説が成立しているが、少ないときは枯れ草以外の要素(例えば、積雪、凍土、融解水、放牧)がerodibilityに効いている可能性があることを示した。この結果は雑誌SOLAに論文投稿した。これまで、東アジアにおけるダスト発生の年々変化の原因をerosivity(風食を起こす風の能力)とerodibility(土壌・地表面の風食感受性)に区別するため、ダスト発生頻度、強風発生頻度、ダスト発生臨界風速の解析を行ってきた。さらに、Erodibilityの変化を議論するため、降水量、NDVIなどの土壌・地表面状態の解析を行ってきた。これらの解析から、1.1990年代と比べて2000年代はモンゴル、内モンゴル、中国東北地方、河西回廊においてダスト発生頻度が増加、2.内モンゴル西部(砂漠)、河西回廊(砂漠)ではerosivityの変化(強風発生頻度の増加)がダスト増加の原因であり、3.モンゴル(草原)、内モンゴル東部(草原)、中国東北地方(耕作)においては、erodibilityの変化(臨界風速の減少)がダスト増加の原因であることを明らかにした。

Erodibilityの変化の原因解明にあたって、草原域の草に着目し、春夏に生長した草が春に枯れ草として残り、枯れ草がerodibilityに影響しているという「枯れ草仮説」を提唱し、夏季降水量、NDVIの解析から枯れ草仮説が成立する可能性が高い領域を特定した。これらの結果は雑誌Geophysical Research Letterで論文発表した。また、雑誌編集者らに学会のResearch Spotlightに選ばれ学会週刊誌EOSに紹介記事が掲載された。降水量データ、植生量データ、NDVI、土壌水分量データを用いて、マンダルゴビ気象台における枯れ草仮説の検証を行った。この作業より、夏季植生が多いときは枯れ草仮説が成立しているが、少ないときは枯れ草以外の要素(例えば、積雪、凍土、融解水、放牧)がerodibilityに効いている可能性があることが分かった。この結果については雑誌SOLAで論文発表した。これまで、東アジアにおけるダスト発生(風食)の年々変化の原因を侵食能(風食を起こす風の能力)と受食性(土壌・地表面の風食脆弱性)に区別するため、気象台データを用いてダスト発生頻度、強風発生頻度、ダスト発生臨界風速の解析を行ってきた。さらに、受食性の変化を議論するため、降水量、NDVIなどの土壌・地表面状態の解析を行ってきた。これらの解析から、モンゴルから中国東北地方の草原・耕作域において、地表面状態の変化(臨界風速の減少)が顕著なダスト多発を引き起こしていたこと、モンゴル草原域において夏季植生の残渣である春の枯れ草がダスト発生に影響していることを明らかにしてきた。このように、気象台データを用いて長期・広域の風食砂漠化の実体解明が大きく前進したが、文献・聞き取り調査から、地域、時代によって観測基準、観測環境が異なるなどといった気象台観測の弱点も明らかになってきた。また、臨界風速の数値モデルへの応用も試みてきたが、上記気象台データの弱点に加えて地点数不足も原因で実現できていない。そこで、本年度は気象台観測環境の検証とダスト数値モデルに応用するための臨界風速メッシュマップ作成手法の検討を行った。気象台観測環境の検証はモンゴルの水文気象環境研究所の協力を得てツォクトオボー気象台の調査を行った。その結果、気象台から10kmほど離れた谷領域で最もダストが発生しやすく、一方、気象台が存在する台地領域は比較的ダストが発生しにくいことが分かってきたため、谷領域と台地領域による風速、臨界風速の違いを観測する計画を立てた。臨界風速メッシュマップ作成については、気象研究所の協力を得て4次元同化手法によるダスト発生再解析データ作成計画について打合せを行った。本研究は次の4つを課題としている。1.臨界風速(土壌粒子が舞い上がり始める風速)を年代別に見積もることで地表面状態のダスト発生への影響を調べる。2.風の解析と併せて、地表面状態の変化と気候変動のそれぞれの影響を調べる。3.臨界風速と地表面状態の関係を明らかにする。4.ダスト数値モデルに入力する臨界風速のデータセットを作成する。課題1と2については、東アジアの1990年代と2000年代の解析を行い、雑誌Geophysical Research Letter (GRL)に論文発表した。課題3については、枯れ草仮説の提唱、枯れ草仮説が成立している可能性のある地域の特定を行い、雑誌GRLで論文発表した。
過冷却液体を用いたバルクa-Siの創製

アモルファスシリコン(a-Si)は、これまで、蒸着やシランを用いた気相成長によって作製されてきたが、液体から直接バルク状のa-Siを作ることは不可能であった。近年、液体Siの過冷却状態に着目した2つの理論提案がなされ、過冷却液体Siの急冷によるバルクa-Si作製の可能性が開けてきた。本研究では、静電浮遊法を用いて液体Siを300K以上過冷させ、その状態を急冷凍結することにより、液体Siから直接バルク状のa-Siを作製することを試みた。これまでにa-Siと思しき試料が得られており、今後、バルクa-Siの構造、物性評価を進める予定である。アモルファスシリコン(a-Si)は、これまで、蒸着やシランを用いた気相成長によって作製されてきたが、ガラスとは異なり、液体から直接バルク状のa-Siを作ることは不可能であった。近年、過冷却状態に着目した理論提案がなされ、過冷却液体Siの急冷によるバルクa-Si作製の可能性が開けてきた。我々は、独自に開発を進めてきた静電浮遊法を用いることにより、液体シリコン(融点1683K)を大きく過冷させると、液相からアモルファス相を作製できる可能性を見出した。本研究の目的は、過冷却液体を用いてバルクa-Siを創製することである。現時点では、過冷却液体Siの急冷実験によるアモルファスSiは得られていないが、結晶化ガラスを想起させるナノスケール微細構造の形成を確認することができており、アモルファスSiが一度形成された可能性を想定している。ナノスケール微細構造の形成過程の考察から、急冷によって潜熱を試料全体から奪うことによりa-SIが得られると考えられる。申請者らは、これまで静電浮遊法を用いた高温融体の研究を進めてきた。静電浮遊法は、静電気を使って「静かに」試料を浮遊させるので、試料への擾乱を最小限に抑えることができる。さらに、試料容器が不要なので、容器に起因する結晶核が発生せず、深い過冷却状態を実現する最良の環境を提供する。静電浮遊法を用いてSiの過冷却実験を行ったところ、Siの融点下およそ300Kもの大過冷却状態を実現し、過冷却状態における密度温度依存性の異常と粘性の増加傾向の変化を見出した。これを手掛かりにして、過冷却液体Siの急冷凍結によりa-Siを作製することが本研究の目的である。本年度は、平成26年度に立ち上げた静電浮遊法を用いた急冷装置を用いて、過冷却液体Siの急冷凍結実験を繰り返した。特に最適な急冷方法の探索に注力した結果、2本の金属ロッドで試料を勢いよく挟み込み薄片を得るピストンアンビル法が適していることが判明した。この方法を用いて急冷した試料を透過型電子顕微鏡を用いて観察した結果、a-Siと思しき局所構造が発見された。本研究では、過冷却液体Siの急冷凍結によりバルクa-Siを得ることを目的としている。平成27年度の研究において、急冷試料の一部にa-Siと思しき局所構造が観測されており、順調に研究が進捗していると考えられる。近年、過冷却状態に着目した理論提案がなされ、液体Siを300K以上過冷させた状態をクエンチすることにより、バルクa-Siが得られる可能性が報告された。本研究課題の目的は、過冷却液体Siを急冷凍結しバルクa-Siを作製することである。しかし、実際問題として、液体Siの温度を融点(1683K)より300K以上下げる事は大変難しく、そのためには、液体Siを無容器状態で、かつ液体への外部擾乱が少ない状態に保持しながら温度を下げて行く必要がある。本研究課題では、液体Siを保持する方法として、静電浮遊法に着目した。静電浮遊法は、静電気を使って試料を浮遊させるので、試料への擾乱を最小限に抑えることができる。本研究課題において、液体Siの過冷却状態をクエンチするために、静電浮遊法を用いた急冷装置を作製し、過冷却液体Siの急冷実験を行った。透過型電子顕微鏡を用いて急冷試料の観察を行った結果、a-Siの生成が確認された。これまでは、液体急冷法を用いてa-Siを作製することは困難であると考えられてきたが、液体Siの過冷却状態を用いれば、液体急冷法を用いたバルクa-Si作製が可能なことが示された。近年、液体Siの過冷却状態に着目した2つの理論提案がなされ、過冷却液体Siの急冷によるバルク

a-Si作製の可能性が開けてきた。本研究では、静電浮遊法を用いて液体Siを300K以上過冷させ、その状態を急冷凍結することにより、液体Siから直接バルク状のa-Siを作製することを試みた。これまでにa-Siと思しき試料が得られており、今後、バルクa-Siの構造、物性評価を進める予定である。研究開始時に想定していた、アモルファスSiを作製するための過冷却液体Siの急冷方法に改善余地のあることが判明した。そこで、試料全体から潜熱を奪う事が可能な、ハンマークエンチと呼ばれる急冷装置を作製する必要が生じている。ハンマークエンチ型の急冷装置の作製は順調に進んでおり、今年度半ばから試料作製に用いられる予定である。研究がおおむね順調に進展していると考えられることから、現在の方向で研究を進め、a-Siが液体急冷法により作製できることを明確にしたい。一方で、得られた試料の一部に酸化傾向が見られる。酸化をどのように抑制するかが今後の課題である。また、現状ではa-Siの生成がミクロンサイズの局所的なものにとどまっており、その物性評価が困難である。物性測定が可能なセンチメートルサイズの試料が得られるように、実験方法の改善を行う。液体急冷法を用いたa-Siの作製は、これまで成功例が報告されていない。今回、過冷却液体を用いることにより、a-Siが生成した物理的な理由を解明することも重要である。海外の共同研究者と連携し、第一原理計算を用いて過冷却液体Siの物性解明にも取り組む。28年度が最終年度であるため、記入しない。材料工学今年度半ばに完成予定の、ハンマークエンチ型急冷装置を用いれば、試料全体を急冷する事ができるので、過冷却液体Siを用いたアモルファスSiの作製に向けて前進できると考えている。平成26年度の研究では、本研究の目的である液体急冷法を用いたa-Si作製に成功した。しかし、得られたa-siはミクロンサイズにとどまっており、その物性評価が困難である。物性評価が可能なバルクa-Siを作製する必要がある。急冷方法の改善を検討する必要が生じたために、次年度使用額が生じた。過冷却液体Siを急冷凍結してa-Siを得るためには、現在の静電浮遊溶解法を用いた急冷装置において使用している急冷方法(回転円盤に液滴を落下させる手法)から、ハンマークエンチ(液滴を両側から銅円盤で挟み込む手法)へ変更する必要が生じたため、急冷手法の改造に必要と考えられる費用を想定し、基金分を繰り越した。上述のとおり、急冷方法の改善を検討した結果、ガス浮遊法を用いた急冷方法が適しているという結論に至った。平成28年度は、繰り越した基金を用いてガス浮遊法を用いた急冷装置を作製する予定である。ハンマークエンチ型の急冷が可能となるように現在の装置を改造する予定である。
IL-7レセプターの発現制御による免疫監視システムの形成と維持機構

T細胞はその分化過程において、2つの段階でIL-7レセプター(IL-7R)の発現を一時的に低下させる。第一は胸腺で正と負の選択がおこるDP段階で、第二は末梢で抗原特異的なクローン増幅が起こる活性化T細胞の段階である。いずれもTCRの親和性のみで細胞の反応性が決まる段階であり、余計な生存・増殖シグナルを入れる可能性のあるIL-7Rを積極的にシャットオフしていると考えられる。そこで、IL-7Rの発現制御機構を解析した。まず、脾臓T細胞を固相化抗CD3抗体で刺激すると、IL-7Rの発現は16時間後にほとんど消失したが、この時のIL-7Rα鎖mRNAのレベルも著減していた。この結果から、TCRシグナルによってIL-7Rの発現低下が誘導され、それが転写レベルで制御されることが明らかとなった。次に、IL-7Rα鎖遺伝子のプロモーター領域を解析した。マウスとヒトの配列を比較すると、転写開始点の上流200bpが高度に保存されており、Ikaros、PU.1、Runxの結合モチーフが存在した。さらに、プロモーターの上流約3.6kbに高度に保存された270bpの領域が存在し、グルココルチコイド受容体(GR)の結合モチーフがあった。次に、レポーター法により、プロモーター領域を未熟T細胞株KKFに導入すると、特異的な転写が検出された。PU.1モチーフとRunxモチーフを破壊すると、活性が顕著に減少した。さらに、上流領域を加えると、グルココルチコイドによる転写の増幅が見られ、GRモチーフを破壊したものでは消失した。以上の結果から、IL-7Rα鎖遺伝子のプロモーター活性において、PU.1とRunxのモチーフが重要な働きをしているおことが明らかとなった。さらに、GRが、上流に存在するグルココルチコイド応答性領域に結合し、プロモーターからの転写を増幅することが示された。
黄色人種とCaucasianのチロシナーゼ遺伝子多型の人類遺伝学的解析による比較

チロシナーゼ陰性白皮症(Oculocutaneous albinism type1,以下OCA1と略す。)はチロシナーゼ遺伝子の変異により引き起こされる常染色体劣性の遺伝病である。チロシナーゼ遺伝子の配列は完全に解明されており、遺伝子診断にも容易に利用できる。しかしながら発見された新しい塩基置換がナンセンス変異以外であった場合、mutationとpolymorphismのどちらに属するかは、実際に蛋白を発現させて機能を解析するか、または正常人100人を調べて存在しない事を示す必要がある。これらはコストと時間のかかる作業であるため、各医療機関ごとに遺伝子診断を行う上で大きな負担になる。そこで当科は日本人とインド人の健常人約100人を対象にチロシナーゼ遺伝子コード配列及びプロモーター配列を解析し、別人種でのデータベースを作成すると共に、日本人とインド人のチロシナーゼ遺伝子との異同を明らかにすることで、人種の進化とチロシナーゼ遺伝子の変化の関係を明らかにしようと考えた。すでに本研究によって、インド人に認められて日本人にはないpolymorphismとしてQ90R、S192Y、R402Q、F460Sの4つを、逆に日本人にはあってインド人にないpolymorphismとしてP45T、D125Yの2つを明らかした。さらにこの1年間に次の事実を明らかにした。(1)プロモーター領域において、日本人にはg.-317delGのpolymorphismが存在する。(2)イントロン2領域にはg.IV52+24insTのpolymorphismがインド人に、g.IV52-21insTが日本人に存在する。以上2年間の本研究において明らかにした日本人とインド人のチロジナーゼ遺伝子データベースは、今後の眼皮膚白皮症1型患者の遺伝子診断におおいに貢献するものと期待される。この1年間日本人とインド人の健常人約100人を対象にチロシナーゼ遺伝子のエクソンの全配列を解析し、チロシナーゼ遺伝子配列データベースを作成した。その結果、インド人に認められて日本人にはないpolymorphismとしてQ90R、S192Y、R402Q、F460Sの4つが、逆に日本人にはあってインド人にはないpolymorphismとしてP45T、D125Yの2つが明らかになった。今後プロモーター領域、イントロン領域の遺伝子配列データベースを作成し、polymorphismについて検討する。
「複雑系の数値解析と最適制御の研究」

複雑系を研究対象とする本研究の成果は、以下の4つに大別される。(1)沿岸油濁の生態系に及ぼす影響。(2)大域最適化問題に対するハイブリッドアルゴリズムの開発とその応用。(3)(1)で提案された数理モデルから派生した数学的諸問題に対する、理論的・数値的研究及び数理モデルを記述する、偏微分方程式系の解法アルゴリズムの提案。(4)上記(1)(2)(3)の研究を強力に推進するにあたり、基盤となった国際会議・二国間セミナー等の開催。上記(1)(2)(4)の研究の概略(1)日本海沿岸におけるナホトカ号の油流出事故に見られるように、沿岸海域における油濁は、海域中に生息する様々な生物に大きな影響を与えるのみならず、その生態系の構造、機能にも大きな影響を与え、更に物質循環などを滞らせる。これらの現象を解明する手段として、流体力学に基づく数理モデルの構築、数値シミュレーションとその可視化を行った。ここで得られた結果は、流体実験手法に基づく結果と良い整合を示し、沿岸生態系に対する油濁負荷を軽減する技術開発に対して、数理的見地からの提言を意味している。(2)本研究で開発されたアルゴリズムの基本原理は、複雑系の或るダイナミカルな運動パターンを模して構成されている。(4)当該科学研究費の援助によって開催した(1)国際会議として「第12回領域分割法に関する国際会議」(1999年10月25日10月29日,於:千葉大学)がある。領域分割法は、複雑系を理解する上で、非常に有効であると同時に手法に内包される数学解析は、偏微分方程式の研究分野の拡大を促進している。また、(2)二国間交流セミナーとしては、「Active Controlに関する日仏セミナー」(1998年10月7日10月9日,於:東京)と、「数値数学に関する日中セミナー」(1998年8月24日8月28日,於:千葉大学)がある。参加者と講演名は本報告書内に付記されている。本研究では、まず複雑な形状を持つ境界に沿う流れをクーロンの摩擦型境界条件を課すことによって近似する手法を開発した。この手法は、地上の建造物や植生の影響を上空の大気の流れの解析に取り入れるために大変有効であることを実証した。次に、海岸に打ち寄せる波がしぶきになる現象を記述するため、相転移理論を援用したモデルを開発し、数値計算を行った。このモデルは、実際の現象をよく記述していることが確かめられた。また、ここで開発したプログラムを用いて沿岸生態系に対する環境汚染等の影響を調べるシミュレーションを行った。このシミュレーションは、砂浜の内部に生息する底生生物等に対してどのように栄養物が補給されているかというメカニズムを明らかにしつつある。今後は実験との比較を行い、漂着原油による汚染なども考慮した、より詳細な解析を行っていく計画である。また、磁気テープの製造工程において磁性材料を塗布した表面に現れるメニスカスパターンについての解析を行った。この現象は種々の要因が複雑に絡み合って発生している。今までこの現象は実験的にしか捉えられていなかったが、本研究では初めて数値的に現象を再現することに成功した。今後は数値的に得られたデータを基にして、この現象に対する数学的な解析を行ってゆく計画である。ここに述べたような複雑な現象を数値的に研究するためには、大規模な計算が必要になる。現時点で利用可能な計算機資源を充分に活用するためには、領域分割法に代表される並列計算の技術が必要である。本研究ではこの領域分割法について深く学ぶため、この分野での第一人者であるフランスのY.Maday教授とY.Achdou教授を招いて研究会を開催し、我々が対象としているような複雑な問題に対する領域分割法の適用方法について研究した。その成果は今後各研究分担者の研究の中に生かされてゆく予定である。