hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
組合せ最適化問題に対する高性能メタ戦略の開発と評価

組合せ最適化問題の代表例である最大クリーク問題(MCP)および2次割当問題(QAP),通信・ネットワーク関連の問題であるノード配置問題(NPP)に対する高性能なメタ戦略アルゴリズムの開発と評価を行った.MCPにおいては,最近開発した強力な局所探索法を反復局所探索法およびMemeticアルゴリズムの枠組みに導入した高性能メタ戦略を開発し,その性能を評価した.その結果,既存アルゴリズムとの比較において高い探索性能を有することを明らかにした.またQAPおよびNPPに対しても同様のアプローチが可能であり,高性能な反復局所探索法を開発した.その他,バイオインフォマティクス分野におけるアミノ酸配列のマルチプルアライメントのアルゴリズムとして,クリークを考慮した解構築法を開発した.加えて,関数最適化問題に対するメタ戦略であるParticle Swarm Optimization法やメタ戦略に導入を試みるための学習法の検討などを通して,本研究課題をより洗練化するための模索も同時に行った.以上の研究成果は学術論文誌,国際会議,国内で開催の学会・研究会等で発表した.組合せ最適化問題の代表例である最大クリーク問題(MCP)および2次割当問題(QAP),通信・ネットワーク関連の問題であるノード配置問題(NPP)に対する高性能なメタ戦略アルゴリズムの開発と評価を行った.MCPにおいては,最近開発した強力な局所探索法を反復局所探索法およびMemeticアルゴリズムの枠組みに導入した高性能メタ戦略を開発し,その性能を評価した.その結果,既存アルゴリズムとの比較において高い探索性能を有することを明らかにした.またQAPおよびNPPに対しても同様のアプローチが可能であり,高性能な反復局所探索法を開発した.その他,バイオインフォマティクス分野におけるアミノ酸配列のマルチプルアライメントのアルゴリズムとして,クリークを考慮した解構築法を開発した.加えて,関数最適化問題に対するメタ戦略であるParticle Swarm Optimization法やメタ戦略に導入を試みるための学習法の検討などを通して,本研究課題をより洗練化するための模索も同時に行った.以上の研究成果は学術論文誌,国際会議,国内で開催の学会・研究会等で発表した.当該年度においては,組合せ最適化問題の代表例である最大クリーク問題(MCP)および通信・ネットワーク関連の問題であるノード配置問題(NPP)対するメタ戦略を中心に研究を進めた.特にMCPは,バイオインフォマティクス,通信,VLSI設計,画像処理等の重要な分野に応用があり.対象となるMCPの問題サイズは近年益々大規模化しているため,高性能かつ効率的な解法が強く要求されている.我々は,最近開発した強力な局所探索法を反復局所探索法の枠組みに導入した高性能メタ戦略を開発し,その性能を評価した.加えてMCPに対しては,有効なkick法を設計しており,ユーザによるパラメータ設定を一切必要としないものになっている.このkick法は反復局所探索法だけでなく,他のメタ戦略アルゴリズムにおいても利用可能なものとして設計した.その結果,既存アルゴリズムと遜色ない性能を実現した.またNPPに対しても同様のアプローチが可能であり,同様にkick法が必要である.NPPに対してもユーザの設定を必要としないkick法を設計し,高性能な反復局所探索法を開発した.その性能評価の結果,これまでに知られている最良アルゴリズムの性能を超越する成果を得た.その他,関数最適化問題に対するメタ戦略であるParticle Swarm Optimization法やメタ戦略に導入を試みるための学習法の検討などを通して,本研究課題をより洗練化するための模索も同時に行った.以上の研究成果は国際会議をはじめ,国内で開催の学会・研究会等で発表した.当該年度においては,組合せ最適化問題の代表例である最大クリーク問題(MCP)および2次割当問題(QAP)に対するメタ戦略を中心に研究を進めた。特にMCPは,バイオインフォマティクス,通信,VLSI設計,画像処理等の重要な分野に応用があり,対象となるMCPの問題サイズは近年益々大規模化しているため,高性能かつ効率的な解法が強く要求されている.我々は,最近開発した強力な局所探索法をMemeticアルゴリズムの枠組みに導入した高性能メタ戦略を開発し,その性能を評価した.その結果,既存アルゴリズムと遜色ない性能を実現した.またQAPに対しては反復局所探索法のアプローチをとり,局所探索法およびkick法を検討した.その他,バイオインフォマティクスの分野で重要なアミノ酸配列のマルチプルアライメントに対する解構築法についてクリークを考慮した方法の有効性について検討した.
琉球列島の沿岸巨礫群を用いた過去数千年間の津波・高波規模の定量評価

琉球列島全域において沿岸巨礫群の分布調査を行った.その結果,津波起源と考えられる巨礫群は,先島諸島の一部の島々にのみ分布していることが明らかとなった.一方,台風の高波起源の巨礫群は,ほぼすべての島に分布している.奄美諸島においては,台風の高波起源の巨礫分布を変更しないという制約条件のもとで数値計算を実施し,約1500年前に喜界島を大きく隆起させたイベントは,プレート内の高角逆断層による可能性があることを指摘した.また,先島諸島においては,石垣島での過去2000年間の津波履歴の検討を行い,1771年の大津波を含めて,同等規模の津波が過去三回発生していた可能性があることを明らかにした.琉球列島全域において沿岸巨礫群の分布調査を行った.その結果,津波起源と考えられる巨礫群は,先島諸島の一部の島々にのみ分布していることが明らかとなった.一方,台風の高波起源の巨礫群は,ほぼすべての島に分布している.奄美諸島においては,台風の高波起源の巨礫分布を変更しないという制約条件のもとで数値計算を実施し,約1500年前に喜界島を大きく隆起させたイベントは,プレート内の高角逆断層による可能性があることを指摘した.また,先島諸島においては,石垣島での過去2000年間の津波履歴の検討を行い,1771年の大津波を含めて,同等規模の津波が過去三回発生していた可能性があることを明らかにした.本研究では,琉球列島における過去数百数千年間の津波と台風の高波の規模(最大値)を,リーフ上の巨礫群を用いて明らかにすることを目的としている.本年度は,沖縄県久高島,石垣島,宮古島や鹿児島県奄美大島,喜界島で現地調査を行い,台風の高波または津波で打ち上げられたと考えられる巨礫群の分布調査を行った.調査では,一地域あたり統計的に有意な個数になるまで巻尺,クリノメーター,ハンディGPSを用いてサイズ・長軸の方向,位置情報の収集を行った.さらに,密度および年代測定用試料採取を行った.その結果,奄美大島や喜界島には,台風の高波で打ち上がった巨礫は存在するものの,津波で打ち上げられた巨礫が観察されないことなどがわかった.また,水深が浅いリーフ地形の場所(干潮時の水深が約50cm未満で,徒歩で調査できる場所)においては,GPS測量機器を用いて地形測量を行った.調査は海岸線に直交する方向に複数測線で行い,取得データを地理情報システム(GIS)上で補間することにより,面的地形データを取得した.一方,新たに導入した測深器を用いて,ごく浅海域(水深10m未満)における深度測量を実施した,まず,測深器の精度検証を行ったうえで,石垣島伊原間地域のリーフ地形を対象に調査を行い,小型ボートが侵入可能な水深50cm程度の場所でも測深が可能であることがわかった.そして,実測データとよく合い,サンゴ礁地形のような複雑な地形でも水深の計測が可能であることを確認した.そこで,同地域を対象に面的に測深を行い,リーフ地形データの取得を行った.こうした現地調査により,対象地域の巨礫分布データと地形データという,数値計算を行う上での基礎情報を取得することができた.本年度は,沖縄県宮古島,下地島,石垣島,与那国島,および鹿児島県の奄美大島,徳之島において巨礫の分布調査を行った.今年度の調査は,既往調査で計測済みの巨礫が,その後の台風で移動した痕跡の有無の確認と,未調査の島における巨礫サイズ・空間分布の測定を実施した.さらに,石垣島では数値計算の地形データを作成するため,そして奄美大島では過去の地震による隆起・沈降の有無を明らかにするため,リーフ上にてGPS測量を実施した.調査の結果,与那国島や徳之島では津波により打ち上げられたと考えられる巨礫が存在せず,リーフ上や海岸斜面に点在する巨礫群は,台風の高波で説明できる程度のサイズ,空間分布であることがわかった.本年度の調査とこれまでの調査結果に基づけば,津波起源と考えられる巨礫群は,先島諸島の中でも石垣島,宮古島,下地島,多良間島,水納島に限定されることがわかった.次に,取得した地形データを用いて石垣島伊原間地域を対象に断面計算を行い,海岸に点在する巨礫分布を説明しうる津波の初期入射波の振幅と周期を推定したところ,4分程度の周期が必要であること,津波遡上高は1771年明和津波の古文書記録と整合的であることがわかった.このように,石垣島東海岸の沿岸に打ち上げられた巨礫群は津波起源であることを数値計算によっても確かめることができ,かつ1771年の明和大津波で打ち上げられた可能性が高いことが明らかになった.本手法で必要とする初期条件は,地形,巨礫のサイズ,および初期位置と現在位置である.初期位置を地質学的に推定することができれば,その他の情報は容易に入手することができるため,世界中に分布する津波石を用いて,局所的な津波波高を推定することができるものと考えられる.以上の成果の一部は,国内外の学会において発表(招待講演含む)し,さらに国際誌に論文が受理された.本年度は,石垣島,沖縄島,久高島で現地調査を実施した.具体的には,リーフ上に分布する巨礫のサイズや位置情報を現地調査により取得した.特に,調査期間中に台風の高波で再移動した可能性がある巨礫について,経年移動の追跡調査を実施した.

その結果,サイズの小さい一部の巨礫群は,最大数m移動している事例があることがわかった.石垣島のリーフにおいては,数値計算に用いる地形データを作成するため,10m以浅の浅海域において測深を行い,得られたデータを用いてグリッドデータの作成を行った.そして,これまでに取得した現地データを用いて,琉球列島北部および南部における古津波規模の推定を行った.琉球列島北部では,喜界島が過去数千年間に大きく隆起している一方で奄美大島では顕著な隆起が見られないこと,これらの島々には津波により打ち上げられた巨礫が認められないことを制約条件として数値計算を繰り返し,約1500年前に喜界島を2.5m隆起させた地震イベントの断層パラメータの推定を行った.また,琉球列島南部では,石垣島などに約2000年前に襲ったとされる先島津波により打ち上げられた巨礫のサイズや位置情報に基づき数値計算を実施した.そして,対象とした巨礫が初期位置から現在位置まで複数回に分けて移動したと仮定すると,同島を1771年に襲った津波と同等規模の津波の繰り返しで説明できることがわかった.一方,対象とした巨礫が一度の津波で打ち上げられたとすると,より規模の大きな津波を想定する必要があることがわかった.本年度は,現地調査を行って巨礫分布データを取得することと巨礫分布域の高精度地形データを取得することを主目的としていた.特に,新たに導入したGPS測量機器と測深器を用いて,通常測量が困難な浅海域のリーフ内で測量を行うことが可能となった.こうした点で,当初計画に概ね沿って順調に進展していると判断される.25年度が最終年度であるため、記入しない。当初計画のうち,琉球列島北部と南部の古津波規模の推定が順調に進んでいることから,当研究計画は2おおむね順調に進展している,と判断される.巨礫分布データと地形データが得られた地域については,今後巨礫移動モデルを組み込んだ津波遡上計算を実施する予定である.また,2011年東北地方太平洋沖地震津波以降,海溝沿いで発生する巨大地震・津波に関する研究の重要性が高まっている現状を踏まえ,本研究でも琉球海溝沿いの地域に特に重点を置いて,調査と数値計算を実施していく予定である.25年度が最終年度であるため、記入しない。過去の地震の断層パラメータを推定する上で,地盤隆起・沈降の情報が重要であることが明らかになりつつある.現地調査においては,これまでの巨礫分布調査のみならず,地盤変動の情報についても収集する必要があると考えられる.
新しい対称性を示すフォトニック階層構造を"創る・知る・操る"

ソフトマターの自発的な巨大階層構造を自在に設計し試作するために、構造形成のメカニズムを時間・空間両面からの理解することを目標とし、"創る"・"知る"・"操る"の3つの視点に分けて研究を遂行した。主要な成果といては、2種類の液晶秩序が共存する穴あきラメラネマティック相の発見、分子的な構造色物質を用いた蛍光増強効果、などを成功させた。I研究目的に述べた階層構造の自在なデザイン・試作を実現するため、3つの視点、"創る・知る・操る"に基づいて糸統的な研究を遂行した。"創る"本研究課題が解明を目指す、新しいタイプの長距離相互作用とは、複数の構成要素を含むヘテロな混合系においては常に普遍的な力であり、一様な秩序の非整合となる"不純物"の存在によって生み出される、協同現象的な力である。"不純物"の役割を、マルチスケールに包括的に理解するため、模式図に示すように不純物の大きさで分類し、分子、超分子・高分子、粒子の3段階に分けてモデル的な混合系をデザインした。1.分子スケール"等方性スメクティックブルー相"をプロトタイプとして、ダイマー・液晶ポリマーなどをモノマーに混合した系を研究した。2.超分子・高分子スケールこのスケールでは、"液晶マイクロエマルジョン"をプロトタイプとし、ミクロ相分離によりできる超分子会合体を、液晶秩序中に分散させた系を探索した。フッ素含有液晶とBLT液晶を主として、ポリエチレンオキサイドを含む、親水性のジブロック共重合体を用いた、ドラッグデリバリーシステム(DDS)について、"KAST横山昌幸ナノメディカルプロジェクト"との共同研究により試料の提供を受け、混合系のモデルを開始した。このDDS用共重合体も、本研究課題の目的に適した性質を持つ分子であり、液晶溶媒と水の3成分混合系の研究を行った。"知る" "創る"において得られた3つのスケールのモデル系を用いて、階層構造の時空間の特徴を"知り"、その知見をデザインにフィードバックする。ソフトマターの階層構造とは、内部自由度の"運動"と階層的な"構造"間に、密接な関係を持つことが最大の特徴である。本研究課題では、ソフトマターの時空間階層構造の構造と揺らぎを広帯域に調べるために、マルチスケールな測定システムを計画した。既存の広帯域ダイナミクス測定システムに加え、既存施設の透過電子顕微鏡と偏光・位相差顕微鏡に、本研究課題で購入したX線回折測定装置を加えて、広帯域でリアルタイムな空間構造解析システムを構築した。1.分子スケール純粋な液晶モノマー分子に、化学的には同等な同種分子の、ダイマー・オリゴマー・ホモポリマーを混合した系を基礎的モデルとし、巨視的な構造の変化と内部自由度の運動性との関連を直接的に明らかにした。2.超分子・高分子スケール上層の階層構造の構造や物性のダイナミクスの研究と、下層の内部自由度の揺らぎの研究の両面から研究を行った。特にこのスケールでは、不純物と母相の構成要素(分子)のサイズが異なるため、双方の運動を分離して測定することを主眼として研究を行った。運動の"凍結"により動的に発生する、長距離相互作用の起源について包括的な理解を突き詰めることができる。第2年次にあたる19年度は、2つ目のキーワードである"知る"について、重点的な研究を行った。"創る"において得られた3つのスケールのモデル系を用いて、階層構造の時空間の特徴を"知り"、そのデザインにフィードバックする。そこで、本研究課題では、空間測定として、透過電子顕微鏡と偏光・位相差顕微鏡にX線回折測定装置を導入し、広帯域でリアルタイムな構造解析システムを作成した。また、時間軸測定として、ヘテロダイン動的光散乱装置と光子相関法の測定システムにより、広帯域なスペクトロスコピーシステムを完成した。この測定法により1.分子スケール純粋な液晶モノマー分子に、同種分子のダイマー・オリゴマー・ホモポリマーを混合した系をモデルとした。ミクロなエントロピー的なフラストレーションを徐々に加えたときに現れる巨視的な構造の変化をX線・顕微鏡などで調べ、同時に動的光散乱法によるダイナミクスの測定から、内部自由度の運動性への影響を直接的に関係づけた。この結果、分子運動の"凍結"により発生する長距離相互作用の起源の包括的な理解を目指した。2.超分子・高分子スケール高分子・超分子などの不純物を混合すると、液晶秩序の揺らぎや液晶分子の並進拡散を妨害するため、内部自由度のエントロピー損に起因した長距離相互作用が生まれる。本課題では、この力を高分子・超分子を任意の場所に集める力として利用し、新しいタイプの分子マニュピレータの原理を発案した。現在、高分子の形状・サイズ・化学的性質を変えて、原理の定量的検証を行っている。また、この方法により任意の高分子濃度の分布を作り、液晶中での高分子の異方的な拡散を測定することができる。

蛍光プローブなどによる既存の方法に比べ、高分子自体の拡散を直接追うことができる点で、画期的な新しい拡散係数の測定法を提唱した。本年度は3つのキーワードのうち、最後の“操る"について重点的に研究を行った。ソフトマターの階層構造は、その本質的な“ソフトネス"に起因した、外場による大きな“チューナビリティ"を持つことが特徴である。また、逆の視点からのユニークな"操作"法として、分子・超分子を“階層構造を用いて輸送"する実験を試みた。1.分子スケール申請者により発見された“等方性スメクティックブルー相"は、可視光の領域で“完全に等方的"に構造色を反射し、新しい対称性を示す自発的なフォトニック階層構造である。また同時に、この構造色は温度に鋭敏に依存して、紫色から黄色まで選択反射波長が変化する。そこで、色素分子を混合した系を用いて、レーザ光励起によりフォトニック構造を任意に変化させる実験に成功した。応答時間は100m秒と早くないが、角度依存性を本質的に示さない等方秩序構造を、外場によって任意に制御する可能性が広がった。2.超分子・高分子スケールネマティック秩序に対する不純物として、適当な蛍光高分子を混合したサンプルを用意し、あらかじめ別途混合したアゾ色素分子を光励起することでネマティック秩序の秩序変数を空間的に制御する。蛍光高分子の存在はネマティック秩序の秩序変数と直接結合している。そこでこの結合を利用して不純物である蛍光高分子の濃度を自在に制御することができると考えた。この方法では、不純物自体が外場に関して感受率を持たなくとも、背景の液晶場の力を媒介として動かすことが可能である点で優れている。本研究では、蛍光顕微鏡を用いてアゾ色素分子を選択的に励起して、ネマティック秩序の秩序変数の空間勾配を作り、分子を集める分子マニピュレーターを設計した。実際にマニピュレーターを試作してモデル的な蛍光高分子を集めたり、分散させたりすることに成功した。
新しい圧延方法による微細粒塑性材料の組織制御

溶湯直接圧延法および粉末シース圧延法によるAl-Cu超塑性合金薄板の製造を試み、得られた材料の高温引張試験を行って超塑性能を評価した。溶湯直接圧延法により、Al-420%Cu合金の良好な薄板を溶融状態から直接製造することに成功した。Cu量が増して材料がより脆性的になるにつれ、圧延可能範囲が狭くなることが明らかとなった。直接圧延板中のCu分布は板厚方向に不均一で、板表面ほどCu量の多い極端な逆偏析が認められた。直接圧延板は、大きな塑性加工を受け回復状態にあるマトリクス中にAl_2Cu相が微細に分散した組織を示した。直接圧延板はいずれも100%以上の大きな高温伸びを示し、特にAl-20%Cu合金は中間的なひずみ速度で最大350%もの超塑性伸びを示した。直接圧延まではサブグレイン組織を示すマトリクスが、高温引張中に動的再結晶により大傾角化することが、組織観察より示唆された。以上の結果は、溶湯直接圧延法を用いることにより、一切の付加的な加工熱処理を必要とせず、超塑性材料を溶融金属から直接作り込むことが可能であることを示している。共晶組成になるよう混合されたAl粉とCu粉を粉末シース圧延法により固化成形することに成功した。しかし、粉末境界間には種々の金属間化合物が生成し、冷延・焼鈍の繰り返しにより幾分改善されるとはいえ、得られた材料は最大8%程度の高温伸びしか示さなかった。すなわち、この方法の場合、中間相を生成するような系への適用は困難であることが明らかとなった。
電子キャリアタンパク質シトクロムｃによる膜タンパク質との複合体形成機構の解明

本年度は出芽酵母由来の電子キャリアタンパク質isoform-1シトクロムc(iso-1-Cyt c)、及び低酸素時に発現が誘導されるisoform-2シトクロムc(iso-2-Cyt c)と、パートナータンパク質のユビキノールーシトクロムcレダクターゼ(Cyt bc1)及びシトクロムc酸化酵素(CcO)との電子伝達機構について、分光法及びCcOによる酸素消費量の測定を通して速度論的解析を行った。これらの解析によって得られた各Cyt cのCyt bc1, CcOに対する複合体親和性はいずれもiso-2-Cyt cの方が高く、生体内環境に近いイオン強度においてもその傾向は維持された。以上より、iso-2-Cyt cは各パートナータンパク質とiso-1-Cyt c以上に安定な電子伝達複合体を形成していることが示された。さらに、ミトコンドリア電子伝達系の高効率化の要因となるCyt bc1-CcO超複合体の形成に寄与する膜貫通タンパク質Respiratory Supercomplex Factor 1 (Rcf1)に着目し、このタンパク質がCyt bc1-CcO間電子伝達に与える効果について検討した。同様の解析を行った結果、Rcf1存在下において、特にiso-2-Cyt cのCyt bc1との複合体親和性が2-2.5倍、CcOへの電子伝達速度が1.5-2倍の上昇を示した。これらの結果よりRcf1-Cyt c間の相互作用の形成が示唆され、iso-2-Cyt cがCcOへ電子を供給した後Rcf1との相互作用によって速やかにCcOから解離し、Cyt cが拡散過程を経ずにCyt bc1へ迅速に会合する機構の存在が予想された。以上本年度の研究より、iso-2-Cyt c及びRcf1が低酸素時のミトコンドリア呼吸鎖の高効率化を通してATP生産に寄与していることが新たに提唱された。平成30年度が最終年度であるため、記入しない。生体膜に囲まれており、かつ多様な生体分子が高濃度で混在することで水和環境が希薄溶液中と大きく異なるミトコンドリア膜間部において、どのように電子キャリアタンパク質シトクロムc(Cyt c)からシトクロムc酸化酵素(CcO)への電子移動反応を実現しているかについて種々の分光的手法を用いて検討した。水和環境の変化がCyt cの電子伝達活性に与える影響を検討するため、タンパク質表面から脱水和を誘起するポリエチレングリコール(PEG)を溶液中に添加した系におけるCyt cの電子伝達活性の測定を試みた。その結果、PEG存在下においてCyt cの還元電位が40 mV程度ダウンシフトし、CcOを加えていない段階でCyt cが自動酸化するという予想外の結果が示された。このCyt cの自動酸化の原因となる構造変化を追跡するため、ヘムの相対配置を鋭敏に反映する蛍光共鳴エネルギー移動を用いた測定を行った結果、PEGの添加によってCyt c表面から脱水和が誘起された際、Cyt cはヘムの1Å程度の位置変化を伴う微細な構造変化が誘起されていることが示唆された。さらに、変異体Cyt cを用いた実験より、自動酸化に至る構造変化の原因となる脱水和がヘム近傍に位置する疎水性アミノ酸残基Ile81, Val83周辺からのものであることが明らかとなった。これらの疎水性残基は先行研究のCyt c-CcO複合体のドッキングシミュレーション(Sato et al., J. Biol. Chem., 2016, 291, 15320)よりCcOとの会合時に表面から脱水和が誘起されることが予測されており、Cyt cヘム近傍の水和環境変化が還元電位の低下を通してCcOへの電子伝達反応を促進している可能性が新たに提唱された。本年度はより生体内に近い環境下における電子キャリアタンパク質シトクロムc(Cyt c)のシトクロムc酸化酵素(CcO)への電子伝達機能について検討を行った。その結果、様々な生体分子が高濃度で混在することを想定した人口高分子ポリエチレングリコール(PEG)をCyt c溶液に添加した系において、Cyt cの還元電位の低下、さらにはヘム鉄の自動酸化など予想外の現象が観測された。そしてPEG存在下におけるこれらの現象がヘムの位置変化を伴う微細な三次元的構造変化によるものであり、その構造変化がCyt cのヘム近傍に位置する疎水性アミノ酸残基から誘起される脱水和に起因することが新たに示された。本年度の研究で観測されたCyt cの還元電位の低下などの現象が実際の生体内環境においても同様に観測されるかについては更なる検討が必要ではあるが、上記の結果は少なくとも脱水和をはじめとするCytc表面の水和環境の変化が電子伝達機能に大きな影響を与えることを明確に示しており、CcOとの会合時に疎水性相互作用の形成に伴いCyt cヘム周辺の疎水性残基から脱水和が誘起されることの機能的意義が新たに提唱されたという点で研究がおおむね順調に進行していると考える。本年度は出芽酵母由来の電子キャリアタンパク質isoform-1シトクロムc(iso-1-Cyt c)、及び低酸素時に発現が誘導されるisoform-2シトクロムc(iso-2-Cyt c)と、パートナータンパク質のユビキノールーシトクロム

cレダクターゼ(Cyt bc1)及びシトクロムc酸化酵素(CcO)との電子伝達機構について、分光法及びCcOによる酸素消費量の測定を通して速度論的解析を行った。これらの解析によって得られた各Cyt cのCyt bc1, CcOに対する複合体親和性はいずれもiso-2-Cyt cの方が高く、生体内環境に近いイオン強度においてもその傾向は維持された。以上より、iso-2-Cyt cは各パートナータンパク質とiso-1-Cyt c以上に安定な電子伝達複合体を形成していることが示された。さらに、ミトコンドリア電子伝達系の高効率化の要因となるCyt bc1-CcO超複合体の形成に寄与する膜貫通タンパク質Respiratory Supercomplex Factor 1 (Rcf1)に着目し、このタンパク質がCyt bc1-CcO間電子伝達に与える効果について検討した。同様の解析を行った結果、Rcf1存在下において、特にiso-2-Cyt cのCyt bc1との複合体親和性が2-2.5倍、CcOへの電子伝達速度が1.5-2倍の上昇を示した。これらの結果よりRcf1-Cyt c間の相互作用の形成が示唆され、iso-2-Cyt cがCcOへ電子を供給した後Rcf1との相互作用によって速やかにCcOから解離し、Cyt cが拡散過程を経ずにCyt bc1へ迅速に会合する機構の存在が予想された。以上本年度の研究より、iso-2-Cyt c及びRcf1が低酸素時のミトコンドリア呼吸鎖の高効率化を通してATP生産に寄与していることが新たに提唱された。次年度はCyt cに電子を供与するタンパク質複合体III(Cyt bc1)との電子伝達複合体の形成機構について検討する。まずこのタンパク質複合体の形成がCyt c-CcOの系と同様、エントロピーの増大に起因しているかを検討するため、等温滴定型熱量測定によってCyt bc1-Cyt c間の会合に伴うエンタルピー及びエントロピー変化を求める。次に、会合に伴う脱水和がエントロピーの増大にどの程度寄与しているかを検討する。脱水和した水の分子数を会合前後のタンパク質水和層の体積変化として捉え、この体積変化をCyt bc1-Cyt c複合体解離定数の浸透圧依存性から求め、脱水和の熱力学的寄与を評価する。さらに、アミノ酸残基側鎖の水和数を少なくした変異体Cyt cを用いた実験を通して、Cyt bc1との会合の際Cyt c表面から脱水和が誘起されるアミノ酸残基を同定する。以上の実験を通してCyt bc1-Cyt c複合体形成を熱力学的に駆動するアミノ酸残基間相互作用を明らかにし、電子キャリアタンパク質Cyt cによる複合体形成機構の一般性を考察する。さらに、酵母から単離したミトコンドリアを用いた電子伝達活性測定を通してCyt cと生体膜に結合した状態のCytbc1, CcOとの複合体形成機構について検討し、これまでの研究で提唱された複合体形成機構の妥当性を考察する。平成30年度が最終年度であるため、記入しない。
枯草菌SOS制御ネットワークの全貌の解明

SOS制御系は真正細菌が持つDNA損傷に対する防御機構の一つであり、DNA修復や細胞分裂阻害などの反応系から構成されている。本研究は枯草菌SOS制御系の全体像の理解を目的としており、前回までにSOS制御系により転写制御される一群の遺伝子を同定し、さらにその中から細胞分裂阻害因子として機能するYneAを同定してきた。今回はYneAによる細胞分裂阻害の分子機構の解明を目的とした解析を行ったので、その結果について報告する。枯草菌では約10種類の蛋白質が細胞分裂に関与することが報告されており、FtsZは細胞分裂の開始を制御し、分裂部位である細胞中央で特異的に局在しZ-ringを形成する。また、EzrAはZ-ring形成の負の制御因子として考えられている。YneAと細胞分裂因子との関係を明らかにするため遺伝学的手法による解析を進めたところ、ezrAの欠失下でYneAを強制発現させると、より強く細胞分裂が抑制され、合成致死性を示すことが明らかになった。そこで、Z-ring形成への影響を各認したところ、ezrAの欠失下でYneAを強制発現しても野生株と同様な頻度でZ-ringが観察された。一方で細胞分裂は抑制されていたことから、YneAはZ-ring形成以降の収縮間形成過程を阻害している可能性が考えられた。そこで、ezrA破壊株で見られたYneA発現に伴う合成致死性を抑制する細胞分裂因子の同定を試みた。その結果、細胞分裂に必須でありZ-ringに依存して分裂部位に局在する蛋白質の1つであるFtsLを同定することができた。FtsLの過剰発現により細胞分裂の抑制は回復された。さらに、YneAを発現させることでFtsLの分裂部位への局在の抑制が観察された。これらのことから、YneAはFtsLに作用することで細胞分裂を阻害している可能性が考えられる。SOS制御系は多くの真正細菌が共通に持つシステムであり、DNA修復・細胞分裂の抑制等、DNA損傷に対して細胞が応答する反応を制御している。SOS制御系の研究はこれまで大腸菌を中心に行われており、他の生物では不明な点が多く残されている。そこで、我々は枯草菌SOS制御系の全貌を明らかにすることを目的に研究を行っている。これまでにSOS制御系のリプレッサーをコードしているlexAの破壊株を用いたDNAマクロアレイ解析からLexAにより制御される一群の遺伝子を同定し、さらに、その中の1つであるyneAが細胞分裂阻害因子として機能することを明らかにしてきた。今年度では、YneAによる細胞分裂阻害の分子機構の解明を目指し研究を進めた。FtsZは細胞分裂の開始を制御する蛋白質であり、分裂部位である細胞中央に特異的に局在しZ-ringを形成する。そこで、まずYneAの発現が及ぼすZ-ring形成への影響を確認した。その結果、YneAの発現が誘導されるとZ-ringの形成頻度に減少が見られた。これにより、YneAはZ-ringの形成あるいは安定性に影響していると考えられた。次に、酵母2ハイブリッド法による相互作用解析を行ったところ、FtsZを含む特定の蛋白質との相互作用を確認することはできなかったが、YneAは膜蛋白質をコードしている疎水性の領域と高い親和性を持つことが確認された。また、YneA-GFP融合蛋白質やYneA抗体を用いたYneAの細胞内局在性の解析を行い、YneAが膜蛋白質であること、そして細胞膜上全体に渡って分布していることを明らかにした。これらのことから、YneAは細胞分裂部位を含む膜構造に変化を与えることで、間接的にZ-ringの形成あるいは安定性に影響を及ぼし、細胞分裂を抑制している可能性が考えられた。
放射線環境下で動作するガスクロミック水素センサーの開発

ガンマ線等の放射線環境下で動作する光学式水素センサーの開発を目的に、水素の吸蔵より吸光度が変化する三酸化タングステン(WO_3)、三酸化モリブデン(MoO_3)等の水素ガスクロミック層と水素分子を解離させるための白金(Pt)等の金属触媒層から成る水素検知素子を作製し、ガンマ線、電子線照射などによる水素ガスクロミック特性への影響を系統的に調べた。その結果、結晶配向したWO_3膜とPtから成る水素検知素子は、ガンマ線照射に対する影響はほとんどなく、ガンマ線環境下で動作する光学式水素センサーの開発ができることがわかった。放射性廃棄物の貯蔵では、残留水分及び有機物の放射線分解によって発生する水素等の可燃性ガスモニタリング技術の開発が不可欠である。本研究では、放射線環境下で動作する光学式水素センサーの開発を目的に研究を実施している。具体的には、水素の吸蔵より可視光域の吸光度が変化する三酸化タングステン(WO_3)などの水素ガスクロミック層と水素分子を解離させるための白金(Pt)、パラジウム(Pd)等の金属触媒層と組み合わせた水素検知素子を作製し、さらに、ガンマ線、電子線、イオン照射による水素ガスクロミック特性への影響を系統的に調べ、光学式水素センサーを構成する最適な材料系の選定を進めている。平成22年度は、基板温度と基板の傾け角度を制御できる蒸着用基板ステージを製作し、既存のマグネトロンスパッタリング装置に組み込み、成膜中の基板温度(室温450°C)、基板の傾け角度(080゚)をパラメータとしてSiO_2基板上に水素ガスクロミック層となる三酸化タングステン(WO_3)膜を作製した。その結果、成膜中の基板温度:350°C以上で結晶配向した柱状構造のWO_3膜が形成され、さらに、基板の傾け角度が60゚程度になると、SiO_2基板面垂直方向に対して20゚程度傾いた方向に柱状構造のWO_3が形成され、ガスとの接触に有利な凸凹な表面形状を有するWO_3膜が作製できることを見出した。次に基板温度:350°C、基板の傾け角度;60゚でWO_3膜を形成し、その表面にPtを蒸着して作製した水素検知素子(Pt/WO_3)に対して、^<60>Co線源を用いたガンマ線照射試験を実施し、その前後で濃度1%水素に対する水素検知性能を比較した結果、約1MGyのガンマ線照射では、Pt/WO_3の水素検知性能は影響されないことがわかった。放射性廃棄物などの貯蔵では、残留水分及び有機物の放射線分解によって発生する水素などの可燃性ガスモニタリング技術の開発が不可欠である。具体的には、水素の吸蔵より可視光域の吸光度が変化する三酸化タングステン(WO_3)などの水素ガスクロミック層と水素分子を解離させるための白金(Pt)、パラジウム(Pd)等の金属触媒層と組み合わせた水素検知材料を作製し、さらに、ガンマ線、電子線など放射線照射による水素ガスクロミック特性への影響を系統的に調べ、光学式水素センサーを構成する最適な材料系の選定を進めている。平成23年度は、三酸化タングステン(WO_3)以外に水素ガスより光学特性が変化する金属酸化物に関して調査した。具体的には、白金(Pt)触媒を担持した酸化モリブデンなど10種類の金属酸化物の薄膜試料を反応性パルスレーザー蒸着法などにより作製し、水素ガス(濃度1%)に対する可視光領域の透過光スペクトルの変化を調べた。その結果、三酸化モリブデン(MoO_3)、酸化バナジウム(O/V=0.23程度)では着色、三酸化ニッケル(Ni_2O_3)。では脱色を示す透過光スペクトルの変化が観測され、水素検知材料として利用できることがわかった。次に、Ptを担持したWO_3、を含む4種類の金属酸化物薄膜に対して、空気中でガンマ線照射(^<60>Co線源、1.17,1.33MeV、照射量:3.6MGy)を行い、それらの水素による光学的変化への影響に関して調べた結果、いずれの試料においても、ガンマ線照射後に水素ガスによる光学的変化の応答が遅くなる傾向を示した。さらに、Ptを担持したWO_3膜に対して空気中で約20keVの電子線照射を行った結果、約6MGyまでの照射では、水素ガスクロミック特性は影響されないことがわかった。放射線環境下で動作する光学式水素センサーの開発を目的に、水素の吸蔵により可視光域の吸光度が変化する三酸化タングステン(WO3)などの水素ガスクロミック層と水素分子を解離させる白金(Pt)、パラジウム(Pd)などの触媒層とを組み合わせた水素検知素子をスパッタリング法により作製し、放射線照射(ガンマ線、電子線)による水素ガスクロミック特性への影響を系統的に調べ、水素検知素子を構成する最適な材料の選定を進めた。

平成24年度は、Pd及びPtを担持したWO3膜(Pd/WO3膜、Pt/WO3膜)に対して、空気中でガンマ線照射(コバルト60線源、積算線量:最大26.8 MGy)を行い、それらの水素検知(濃度1%水素)への影響を調べた。その結果、積算線量:3.7 MGy照射後のPd/WO3膜では、ガンマ線照射によりPd層がPd酸化物を形成したため、水素検知ができない状態となった。一方、Pt/WO3膜では、ガンマ線照射によるPt表層の酸化に起因して、水素よる吸光度変化の応答の遅れを示したが、積算線量:26.8 MGyの照射後でも水素検知ができることを確認した。また、光学式水素センサーを模擬したその場測定セルを作製し、水素検知素子にPt/WO3膜を用いてガンマ線照射下における水素検知実験を実施した。その結果、ガンマ線照射下(7.8 kGy/h)で水素検知ができることを確認した。さらに、Pt/WO3膜に対して空気中で加速エネルギー:2 MeVの電子線照射(電子線加速器、積算線量:最大15 MGy)を行い、その影響を調べたが、水素検知の性能劣化は確認できなかった。以上の結果から、水素検知素子としてPt/WO3膜を用いることによりガンマ線環境下で動作する光学式水素センサーの開発ができることがわかった。水素ガスにより着色する三酸化タングステンなど4種類の金属酸化物を用いた水素検知素子試料の作製することができた。さらに、これらの試料に対してガンマ線、電子線照射による水素ガスクロミック特性への影響を調べた結果、白金・三酸化タングステンから成る水素検知素子が放射線環境下の水素検知に有望であることがわかり、研究は順調に進展している。24年度が最終年度であるため、記入しない。平成24年度は、スパッタリング法により作製した水素検知材料に対して^<60>Co線源からのガンマ線(1.17,1.33MeV)及び電子線加速器からの電子線(2MeV)を照射し、水素ガスクロミック特性への影響を調べ、水素検知材料を構成する最適な触媒、金属酸化物を選定するとともに、前年度に作製した水素検知素子その場測定装置を用いて、ガンマ線照射下における水素検知素子の動作試験を実施する。最後に研究成果のまとめを行う。
リウマチ性疾患因子HLA-B27と免疫制御受容体LILR群の分子認識

ヒト細胞表面抗原HLA-B27の異常型β2mフリーホモ二量体(B27_2)が、免疫制御受容体LILR群との相互作用により、リウマチ性自己免疫疾患のひとつである強直性脊椎炎(AS)を引き起こす分子認識機構を、立体構造解析の観点から明らかにすることを目的としている。今年度はまず、分子動力学的なLILRB2とβ2mフリーのHLAの結合シミュレーションの結果、昨年度得られたK121、Dl22に加え、新たにQ115、D118、R14、E229、D196、E232、D227-E232、V248、V194-E198がLILRB2と相互作用していることが分かった(理研・杉田、宮下博士との共同研究)。そのうち、特にR14、D118、E232はβ2mフリーのHLAの時にのみ相互作用する残基であることが分かった。このシミュレーション結果をもとに、重要な相互作用残基の同定を目指し、実験的に表面プラスモン共鳴法で解析するためにサンプルを準備した。また、結晶化に関しては、共同研究先(Oxford大学・Paul博士ら)が作製したB27_2特異的抗体を用いたB27_2の精製および抗体との複合体の結晶化を目指して、サンプル供与・条件の準備を引き続き行っている。ペプチド依存的にLILRB2との結合能が6倍程度変化すると報告のあったHLA-B27/ペプチド-LILRB2複合体の結晶構造解析に関しては、昨年度に引き続き、LILRB2:B272=2:1で混合したサンプルの結晶化条件の最適化(pH、塩の種類、塩濃度、PEG濃度)を進めたが、目立った改善は認められず、解析に十分な分解能を得られていない。今後も引き続き、リウマチ性疾患因子HLA-B27と免疫制御受容体LILR群の分子認識の解明を目指した研究を行う予定である。ヒト細胞表面抗原HLA-B27の異常型ホモ二量体(B27_2)が、免疫制御受容体LILR群との相互作用によりリウマチ性自己免疫疾患のひとつ、強直性脊椎炎(AS)を引き起こす分子認識機構を、立体構造解析の観点から明らかにすることを目的として研究を行った。まず、HLA-B27は提示するペプチドに受容体との結合が依存しているか否かを検討した。通常型のHLA-B27および異常型のB27_2をそれぞれ3種および14種の報告のあるペプチド断片とともに調製し、受容体LILR群(8種類)との結合の有無、結合能の差異の有無を表面プラスモン共鳴法(ビアコア)を用いて検討した。結果、HLA-B27は既知の受容体LILRB1(Kd=67μM)、B2(Kd=2224μM)以外のLILRとは結合せず、その結合力は提示するペプチドに依存しないことが明らかになった。一方、異常型のB27_2は、既知の受容体LILRB2以外にLILRA3、LILRB5にSPRレスポンスが認められ、異常型B27_2特異的に結合するLILR受容体が存在する可能性が示唆された。今後、LILRA3およびLILRB5については、非特異レスポンスなのか、特異的な結合によるレスポンスなのか、検討を重ねる必要があると考えている。また、LILRB2とB27_2の結合力は提示するペプチドに依存する(Kd=23105μM)ことがわかった。検討したペプチドには非自己由来のものも含まれるため、ウィルス感染とAS発症の関連を分子認識機構の観点から説明できるか、検討を重ねる予定である。来年度は、B27_2単独および受容体LILRB2または新規のB27_2特異的LILR受容体との複合体の結晶構造解析を開始するとともに、さらなる相互作用解析を行い、B27_2と受容体LILRとの分子認識機構を明らかにしていきたいと考えている。HLA-B27の異常型β2mフリーホモ二量体(B27_2)が、LILR群との相互作用により、強直性脊椎炎(AS)を引き起こす分子認識機構を、立体構造解析の観点から明らかにすることを目的としている。B27_2の調製の精製度に昨年度から問題点があり、結晶化に至らなかったため、今年度は、まずその精製度を挙げる変異体の探索を試みた結果、実際にS-S結合が必須であるかは分からないが、Cys67がB27_2形成に重要であることがわかった。また、LILRB2の^<15>Nラベル体を調製し、約80%の主鎖ピークが十分な分離で得られることができたため主鎖ピークを各アミノ酸に帰属することによって、B27_2との結合領域の同定を進めていく目途が立った。次に、分子動力学的に、β2mフリーのB27とLILRB2の結合をシミュレーションすると、α3ドメインとの結合は維持され、重鎖のK121、D122が新たにLILRB2と相互作用する計算結果が得られた(理研・杉田、宮下博士との共同研究)。その結果に基づき、変異体を用いたLILRB2との結合実験を行った結果、D122が重要であることが示唆された。

最後に、ペプチド依存的にLILRB2との結合能が変化するHLA-B27/ペプチド(GAG:KRQIILGLNK、GAGL6M:KRWIIMGLNK)(JEM,2007)-LILRB2複合体の結晶構造解析を行い、複数の条件で結晶が観察されたが、その後の結晶化条件の最適化(pH、塩の種類、塩濃度、PEG濃度)がなかなかうまくいかない。今後引き続港結晶化条件の最適化を進め、結晶構造を明らかにする予定である。来年度は、以上の研究を進めることによって、複合体の立体構造解析および結合に重要な残基の同定を行う予定である。ヒト細胞表面抗原HLA-B27の異常型β2mフリーホモ二量体(B27_2)が、免疫制御受容体LILR群との相互作用により、リウマチ性自己免疫疾患のひとつである強直性脊椎炎(AS)を引き起こす分子認識機構を、立体構造解析の観点から明らかにすることを目的としている。今年度はまず、分子動力学的なLILRB2とβ2mフリーのHLAの結合シミュレーションの結果、昨年度得られたK121、Dl22に加え、新たにQ115、D118、R14、E229、D196、E232、D227-E232、V248、V194-E198がLILRB2と相互作用していることが分かった(理研・杉田、宮下博士との共同研究)。そのうち、特にR14、D118、E232はβ2mフリーのHLAの時にのみ相互作用する残基であることが分かった。このシミュレーション結果をもとに、重要な相互作用残基の同定を目指し、実験的に表面プラスモン共鳴法で解析するためにサンプルを準備した。また、結晶化に関しては、共同研究先(Oxford大学・Paul博士ら)が作製したB27_2特異的抗体を用いたB27_2の精製および抗体との複合体の結晶化を目指して、サンプル供与・条件の準備を引き続き行っている。ペプチド依存的にLILRB2との結合能が6倍程度変化すると報告のあったHLA-B27/ペプチド-LILRB2複合体の結晶構造解析に関しては、昨年度に引き続き、LILRB2:B272=2:1で混合したサンプルの結晶化条件の最適化(pH、塩の種類、塩濃度、PEG濃度)を進めたが、目立った改善は認められず、解析に十分な分解能を得られていない。今後も引き続き、リウマチ性疾患因子HLA-B27と免疫制御受容体LILR群の分子認識の解明を目指した研究を行う予定である。
深層循環のモデリング

過去に得られている深層流の観測情報及びこの重点領域研究の他研究班において新たに得られるであろう観測情報を総合して、深層循環構造について提起されている循環像を直接に検証し、また改訂していくことを目的としている。研究方法は3つに大別し得るが、1つは数値モデルにおいて深層循環の特性を明確にすることで、本年度における顕著な成果の1つとして、フィリッピン海において、物質分布から推定されるように南西端からの流入を仮定したときに現れるべき循環を検討したところ、従来考えられたものとは若干違ったパターンが得られること、しかもこのパターンが本重点領域の他班で行われた直接測流の結果と良く対応していることが示されたことが挙げられる。第2の研究は、温度・塩分等の実測の分布を基にして、深層における流速場を推定するデータアシミレーションの手法の開発であるが、今年度は、昨年度に開発したモデルを用いて、実際に各水粒子がどの様に動くかを検討した。まだ直接この結果をフィリッピン海のような局所的海洋に適応するには若干の問題が残されているが、この予備的な結果においても水粒子が、予想以上に深層と表層との間で交換されることが示唆されている。観測された諸量の鉛直分布は、深層においてもかなりの混合が起こっていることを示唆しており、この問題はさらに次年度にも検討を続けたい。もう1つの研究は回転水槽を利用した深層水の広がりのモデル化である。昨年度の実験結果にかなりのばらつきがあったため、精度を上げた再実験にかなりの時間を割いたが、これと併せて結果の理論的考察を進めた。その結果、ばらつきの原因の1つが単なる実験誤差ではなく、広がっていく高密度水の厚さとエクマン層の厚さの兼ね合いからくる流下機構の差にもよることが分かってきた。これを考慮に入れた実験を次年度に行いたい。
高密度磁気記録および光-磁気記録のコロイド-SEM法による新しい観察法の研究

直流マグネトロンスパッタリング法によって作製されたCo_<70>Ni_<30>薄膜(厚さ600A)の磁気ディスクに、2.538.1kFCIの記録密度で長手方向に記録された磁気記録をコロイド-SEM法によって観察した。膜面に垂直に磁界200Oeを作用させてコロイド模様を作製することにより、再生ディスクノイズの小さな記録の場合は、磁区境界の乱れが少なく、かつ境界幅が狭いことが明らかとなった。従って本方法による磁気記録の観察は、再生ディスクノイズの大小の判定に有効であると結論される。直流マグネトロンスパッタリング法によって作製されたTb_<27>Fe_<63>Co_<10>磁気ディスクに、半導体レーザーにより記録された4μmおよび2μmビット長の光磁気記録をコロイド-SEM法により観察した。観察例図1に示す。膜面に垂直な磁界900Oeを作用させて記録模様を作製した(C)では、明瞭な記録状態が観察されている。この方法は、記録ビット形状の直接観察に有効な方法である。観察例図1に示す。
気候温暖化による中部日本・高山域の少雪化と森林生態系の動態変化の解析

中部日本の日本海側の山岳域では、森林限界は亜高山帯常緑針葉樹からなり、高山域では低木のハイマツ(Pinus pumila)群落が発達して、多雪に守られた独特の景観を形作っている。しかし、今後予想される気候温暖化に伴って少雪化が進むと、積雪の保護がなくなって、高い標高域での環境ストレスはむしろ増大することも予想される。そこで本研究では、(1)日本海側から太平洋側への冬季の環境傾度に沿って、森林限界付近で樹木が受ける環境ストレスを明らかにし、(2)日本海側の山岳として乗鞍岳(標高3026m)をとりあげ、その森林限界の優占樹種である常緑針葉樹のオシラビソ(Abies mariesii)に対して、冬季の積雪がどのように樹木を保護しているのかを明らかにするための調査を行った。太平洋型気候の山岳域では、冬季に土壌や幹が凍結して吸水が停止している期間に、乾燥した晴天が続くので、葉からのクチクラ蒸散が多く、枝での貯水だけではまかなうことができずに、シュートが枯損することが、最も重要なストレスの要因であった。一方、多雪の日本海側の中部山岳地域・乗鞍岳の森林限界では、冬季の乾燥は致死に至るほどではないものの、仮導管内の通導阻害が生じる。この通導阻害は、8月下旬に新しい木部の形成が完了するまで、気孔コンダクタンスを低下させるという形で残存し、年間の光合成量を減じているとみられる。さらにオオシラビソは3月から4月にかけて積雪面より上の幹の針葉が強光障害を受けて褐変枯損する。その結果、積雪面より上のシュートの針葉の寿命は短く、偏形化し、やがては物質生産の不均衡から幹は枯損する。しかし、積雪面以下の枝では雪に保護されており損傷を受けることはなく、針葉の寿命も長く密生し、この部分の物質生産が、枯損した幹の再生を支えていると考えられる。温暖化に伴って少雪化が進んだ場合、針葉の乾燥ストレスは致死に至るほど進み、物質生産の主な担い手である積雪面下の現存量も減少し、枯損幹の再生を支えられず、オオシラビソの生存ができなくなることも予想され、森林限界の下降を引き起こすかもしれない。したがって、積雪に保護されて成立している現在の森林限界や高山域の景観の維持は困難となる可能性がある。気候温暖化による少雪化が森林生態系に与える影響を評価・予測するための第1年度として、中部山岳域の長野県乗鞍岳と八ヶ岳を中心をした調査を行った。本年度は、まず実際に亜高山帯での環境ストレスが樹木にどのような影響を与えているかについて、強光の光化学系に対する影響を、次に水分ストレスについて明らかにすることを試みた。低温下で強光が葉に照射されると、光化学系は温度の影響を受けないが、カルビンサイクルは不活性化しており、気孔も閉鎖しているので、炭酸同化が行われないので、受け取った過剰なエネルギーによってチラコイド膜などの損傷を受けやすい。

乗鞍岳の森林限界の常緑針葉樹のオオシラビソは実際、春に強光によるダメージを受けていることが、測定及び実験により明らかとなった。次に水分ストレスについては、冬から春にかけて幹は凍っているが、針葉からのクチクラ蒸散は続き、春までにかなりの水分が消失することがわかった。水分は消費するが、土壌や幹からの水の供給が得られないため、枝の仮導管にはエンボリズムが生じており、これが生育期間開始時にも続くと水上げができなくなり、枝全体が枯死することが明らかとなった。これら2つのストレス、強光と水分ストレスとが、枝葉に損傷を与え、常緑葉の寿命を短縮し、生産力を減少させていることが予測される。そこで、次年度以降は、生産力の減少を定量化する予定である。同時に、山岳域での温暖化傾向が明瞭となってきたので、すみやかに中部山岳域での気候モニタリングを開始する予定である。日本の森林植生の特徴のひとつに、日本海側の多雪に守られて固有の森林生態系が発達していることがある。気候温暖化による冬季の積雪量・積雪期間の減少が、亜高山帯針葉樹林及び森林限界にどのような影響を与えるかを予測する知見を得るために、本年度は、冬季の積雪と樹木の水分ストレスについて重点的に研究を行った。(1)中部山岳域としては積雪量の少ない八ケ岳においてシラビソ(Abies veitchii)の水分状態の季節変化を測定した。秋から冬に向かって気温の低下とともに葉・枝の含水量は徐々に低下し、4月初旬には最低値を示した。特に風衝地における低下は著しく致死含水量にまで至った。ここでは積雪量は0.51mでシラビソは下部の枝まで積雪の保護を受けることはなく枯損し偏形化した。(2)北アルプスの南端に位置し比較的冬季の積雪量の多い長野県乗鞍岳の森林限界を構成するオオシラビソ(Abies mariesii)について同様の測定を行った。ここでは冬季に降雪が続くため乾燥することが少なく、冬季の含水量の低下もそれほど顕著ではなかった。しかし、4月初旬には積雪面(23m)上の枝では、軽い水分ストレスに起因する木部のエンボリズムが生じ、これは8月上旬まで回復することはなかった。そのため水分通道が阻害され、気孔コンダクタンスも低く、光合成が抑制されていた。この抑制は、新たな木部が形成される8月下旬には解消した。一方、積雪面以下の枝では、積雪に保護されてこのような抑制はまったくみられず、森林限界における物質生産の担い手は積雪面以下にある部位であるということができる。中部山岳・乗鞍岳の森林限界の積雪面より上で越冬したシュートが4月初めに水分量の最低値をとった際に、枯死に至ることはないものの、木部負圧が低下し、かなりの程度のキャビテーション(木部内に気泡が生じて水の通導を妨げる)が生じた。このような致死には至らない冬から春先にかけての水分ストレスは、その後どのような経過をたどるのかについて重点的に調査を行った。雪融けが進んだ6月上旬には、すでに針葉の含水量は回復し始めている。この時、冬季に積雪面上にあった枝では通水の阻害率は依然として60%近かったが、積雪面下にあった枝では通水阻害はほとんどみられなかった。当年の木部が形成され始めた7月下旬には、積雪面上にあった枝のPLCは約40%にまで回復したが、夜明けの日最大(predawn)木部圧ポテンシャルは低く、夜間にも針葉の水分欠差が回復しないことを示している。そして気孔コンダクタンスは日中を通じて低く蒸散量も小さかった。これに対して、積雪面下の枝では、predawnの木部圧ポテンシャルは高く、気孔コンダクタンスも通常の常緑針葉樹と同じレベルを示し、特にストレスを受けていないことを示している。