hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
氷河時代の気候変動論

琵琶湖堆積物コアを数100年以下の時間分解能で再解析し、過去約100万年の氷河時代における琵琶湖を含む中央日本での気候変動、特に突発的な(1000年以下の時間スケールをもった)気候変化のシグナルを読みとってきた。これらの結果を、グリーンランド氷床コアや日本海等の海底堆積物コア等の、世界各地で活発に行われている氷河時代の気候変動に関する各種分析から導出された気候の記録と詳細に比較検討してきた。こうした解析をもとに、氷河時代の気候変動をもたらしてきたメカニズムについて概念モデルの構築を試みてきた。例えば日本付近では、寒冷期から温暖期への遷移時に、日本海で東シナ海起源の汽水牲珪藻種が急増するとともに、琵琶湖底では粗い粒子が突発的に増加する。これは、この時期に海水準が上昇して対馬暖流が日本海に入り込んだ結果、日本付近の降水量がきわめて多くなり、琵琶湖の周辺域から湖心部へ大量の粗粒が流入したためと考えられる。また、最終最盛氷期やYounger Dryas期のような最寒冷条件下では、珪藻種組成の消滅により、東シナ海からの海水の供給停止が示唆された。琵琶湖では、粒子密度の相対的に大きな細粒がこの時期に増加する。これは、寒冷期には中国大陸などで乾燥地域が拡大して、高密度の黄土が温暖期よりも多く輸送されてきたものであろう。また、気温の南北勾配の強化に伴う大気大循環の劇的な遷移も、この偏西風による大陸からの黄土輸送に大きく関与したに違いない。温暖期に琵琶湖の粒子密度が一般に低い値を示すのは、上に述べた大陸からの黄土輸送が弱まったことに加えて、生命活動が活発になり密度の小さい有機物質系の沈殿が増えたことを意味している。
歯周病原細菌のガス産生に関与する遺伝子発現と口臭の関係についての基礎的研究

【研究目的】歯周病は病的口臭症の最大の要因である。歯周病には種々の歯周病原細菌の関与が指摘されており,それら口腔内グラム陰性嫌気性菌は揮発性硫黄化合物(以下VSC)の生成に関与している。VSC産生メカニズムについては,脱離上皮細胞,血液成分あるいは食物残渣などの細菌酵素によるタンパク分解から生じる含硫アミノ酸の細菌代謝産物といわれている。本研究は歯周病原細菌Porphyrompnas gingivalis(Pg)の産生する、口臭関連ガスであるメチルメルカプタンに注目して、特にPgのメチルメルカプタンの産生に必須遺伝子であるmgl 1-methionine-α-deamino-γ-mercaptomethane-lyase(METase)に焦点を当てて、Pgのガス産生能と口臭の関係について明らかにすることである。【研究方法】1)Pgが産生するメチルメルカプタンの測定オーラルクロマを使用してメチオニンを基質としたガス産生量を測定する。2)Pg標準株におけるmglの発現既に確立した手法であるリアルタイムPCRを用いてメチオニンを基質としたmgl発現について検討する。3)広島大学病院歯周診療科口臭外来受診患者のメチルメルカプタン産生量の測定インフォームドコンセントが得られた患者の口臭関連ガス産生について検討する。【研究成果】Pg標準株へのL-メチオニン添加によるCH_3SH産生量はW83、R-113、W50に高い値、33277、HW24D-1に低い値が認められ菌株間で差があることを確認した。Pg標準株間でのアミノ酸分解酵素mglの遺伝子発現は株間で差が認められ、CH_3SH産生量が高いほどmgl発現が高い傾向を示した。そして、Pgのメチルメルカプタンの産生に必須遺伝子であるmglの発現の高さは口臭の程度にも影響があると考えられる。今後は患者由来の臨床分離株のmgl発現量とガス産生量の相関について遺伝子レベルで検討する必要があると考える。
生涯学習講座におけるピア・エデュケーションの意義と役割

昨年度の引き続き、M県S市で行われている高齢者向け生涯学習講座をフィールドとし、高齢者相互が教え合うという「ピア・エデュケーション」及び高齢者相互の学びあいと高齢者のQOLについて調査を実施し分析を行った。調査対象も昨年度と同様、この講座の受講生及び卒業生で、年齢は主に60歳代であった。調査結果の概要は、以下の通りである。(1)生涯学習講座への参加動機は、自ら学びたい・人間関係を広げたいという本人の意志による積極的な理由とともに、配偶者や家族から進められたなどの理由も1/4程度あり、周囲に進められての参加理由を挙げたのは男性が多かった。しかし、参加理由にかかわらず、卒業時の講座に対する評価は高く、中でも、高齢者相互に学び合う講座の満足度は非常に高かった。この講座では、従来の講義形式に加えて高齢者相互が教え合う時間を積極的にバックアップしており、この試みが講座への継続的な参加に伴う高齢者のさまざまな意欲を高めていると考えられる。(2)卒業生による自主講座も積極的に開かれているが、昨年から今年にかけて自主講座の内容にバリエーションが広がり、参加人数も増えていた。また七夕祭りの参加などの地域貢献活動が活発となり、この活動を通しての生活満足度も高い傾向にある。高齢者自身が地域とつながりを持ち地域の役に立っているという感覚、これらの活動を通しての人間関係の広がりが、高齢者の精神的健康に良い影響を及ぼしている。本研究は、「ピア・エデュケーション」に象徴される高齢者相互の「支え合い」と高齢者自身の生きがいやQOLとの関連を、M県で実施されている高齢者向け生涯学習講座をフィールドに、受講生への調査や聞き取りなどを通して把握しようとするものである。この講座は、従来の講義形式に加え、「ピア・エデュケーション」的時間も設けているのが特徴で、修業年限は2年である。本年度は、この講座に月に1・2回程度受講生と共に参加してフィールド調査を行うと共に、この講座の受講生と卒業生(ともに年齢は60歳以降)に、主にインタビュー調査および質問紙調査を行った。調査内容は、(1)講座について(参加理由や講座に望むこと、出席状況など)、(2)高齢者の生きがいや生活満足感、(3)自立概念、(4)ソーシャルネットワーク、などであった。フィールドおよび面接調査、質問紙調査の結果は現在分析中であるが、全体として講義形式よりも仲間同士で教え合う形の講座の方が、教える方も教えられる方もともに受講満足度が高い傾向が見られ、それは生活満足感にも影響しているようである。
非一様宇宙モデルを用いたダークエネルギー問題およびコペルニクス原理の検証

平成25年度は研究課題「非一様宇宙モデルを用いたダークエネルギー問題およびコペルニクス原理の検証」の遂行のために、特に非一様宇宙モデル上の銀河や銀河団などの構造形成に注目して研究を行った。これらは宇宙モデルの性質を強く反映することが期待されるので、非一様宇宙モデルの検証に有用と考えられている。具体的な研究成果について以下に記す。以前に我々が提案した解析方法を用いて、非一様宇宙モデル上のゆらぎの時間発展を追い、得られた結果からゆらぎの統計的な性質を明らかにした。ここでは、ゆらぎの統計的性質を特徴づける密度ゆらぎ2点相関関数を解析した。簡単のためにゆらぎの初期条件の統計的性質は一様等方時空上と同じにした。密度ゆらぎ2点相関関数を計算した結果、2点相関関数にゆがみ(非等方性)が現れることを示した。そして、そのゆがみは非一様宇宙モデルに存在する潮汐力に起因することを明らかにした。一様等方宇宙モデルには背景時空に潮汐力が存在しないので、このゆがみを反映した観測量は宇宙原理の検証に有用であることが期待される。潮汐効果を反映した検証はこれまでほとんど考慮されていなかったので、本研究は宇宙原理の新たな検証方法の基礎づけとなる成果を得たといえる。本研究の成果を論文にまとめ発表した。また、非一様宇宙モデル上のニュートン的構造形成についての定式化を行い、その成果を学位論文の中で発表した。この研究により、非一様宇宙モデル上の非線型構造形成が明らかになる可能性があり、非一様宇宙モデルの研究の中で大きな意義をもつ。非一様宇宙モデル上の密度ゆらぎ相関関数の研究は、銀河分布の観測を用いて非一様宇宙モデルの検証をする上での、重要な基礎づけを与えるもので、高く評価されるべきものと考える。また、非一様宇宙モデル上のニュートン的構造形成についての定式化を行ったことで、非一様宇宙モデル上の非線型構造形成が明らかになる可能性があり、高く評価されるべきものと考える。我々の提案した解析方法を用いて、背景時空に存在する宇宙論スケールの非一様性が構造形成に与える影響を、線型領域から非線型領域まで多岐に渡り明らかにする。特に、非線型領域については宇宙論的N体シミュレーションを実行する。さらに、これまでの理論解析で得た結果を銀河分布の赤方偏移空間ゆがみや重力レンズ効果、宇宙背景輻射における積分ザックスヴォルフェ効果などを反映した観測から得られている結果と比較して非一様宇宙モデルを検証する。また、解析した結果を手がかりにしてコペルニクス原理の正当性を決定づける新たな観測量を提案する。23年度は,研究課題「非一様宇宙モデルを用いたダークエネルギー問題およびコペルニクス原理の検証」の遂行のために,特に宇宙の大規模構造形成に注目して研究を行った.宇宙の構造形成は背景の宇宙モデルの性質を強く反映することが期待されるので,モデルの検証に有用と考えられている.具体的な研究結果について以下の2事項に分けて記す.1.非一様宇宙モデル上の摂動方程式を解き,密度ゆらぎの解を求めた.宇宙の大規模構造は相対論的摂動方程式を解くことによってそのふるまいを知ることができるが,非一様宇宙モデルは時空の対称性が低いため,これまで摂動方程式を解くことはできなかった.それに対して私と共同研究者は,非一様宇宙モデルを近似的に扱うことによって摂動方程式を解く方法を考案した,具体的には背景の非一様モデルをより対称性の高い一様等方宇宙と等方的な摂動に分けて,その時空上に我々の興味の対象である非等方的な摂動を加えた.実際にその方法で摂動方程式を解き,密度ゆらぎを求めることができた.2.角度成長因子,角度成長率を用いて非一様宇宙モデルと一様等方モデルの違いを明らかにした.密度ゆらぎそれ自体は観測量ではないので,求めた密度ゆらぎから観測可能量である角度成長因子,角度成長率を求めた.そして具体的な非一様宇宙モデルを用いてそれらを計算し,標準宇宙モデル(一様等方宇宙)との構造形成における違いを明らかにした,非一様モデルは密度分布の非一様性のために場所によってゆらぎの成長率が異なるが,それは角度成長率に強く反映され,標準宇宙モデルではみられない特徴が表れることを示した。24年度は研究課題「非一様宇宙モデルを用いたダークエネルギー問題およびコペルニクス原理の検証」の遂行のために、特に非一様宇宙モデル上の銀河や銀河団などの構造形成に注目して研究を行った。宇宙の構造は宇宙初期に存在した小さなゆらぎが成長して形成されたと考えられている。そのゆらぎの統計的性質は密度ゆらぎ相関関数によって特徴づけられる。私は共同研究者とともに、非一様宇宙モデル上の密度ゆらぎ相関関数を解析した。そして、その関数に統計的な非等方性が現れることを明らかにした。また、その非等方性は宇宙膨張の局所的な非等方性に起因することがわかった。これらの結果をまとめた論文を現在執筆中である。このような非等方性は標準的な宇宙モデルである一様等方モデルには現れないので、非一様宇宙モデルの検証に強力な手段となることが期待される。

非一様宇宙モデルは背景時空の対称性が低いために、その時空上の場の方程式を解析的に解くことが非常に困難である。これまで、非一様性の小さな場合の非一様宇宙モデルの上の摂動方程式を解析してきたが、より広いクラスの非一様宇宙モデル上の構造の発展を追う簡潔な手段は知られていなかった。そこで、24年度は、広いクラスの非一様宇宙モデル上の構造形成の発展を解析する方法を構築した。我々は背景時空の非一様性のスケールと銀河団などの構造のスケールの差に注目し、ニュートン近似に基づく新たな解析的手法を考案した。この方法を用いて、構造形成を記述する場の方程式系は一様非等方な時空上の場の方程式系と最低次で一致することが確かめられた。その成果をまとめた論文を現在執筆中である。平成25年度は研究課題「非一様宇宙モデルを用いたダークエネルギー問題およびコペルニクス原理の検証」の遂行のために、特に非一様宇宙モデル上の銀河や銀河団などの構造形成に注目して研究を行った。これらは宇宙モデルの性質を強く反映することが期待されるので、非一様宇宙モデルの検証に有用と考えられている。具体的な研究成果について以下に記す。以前に我々が提案した解析方法を用いて、非一様宇宙モデル上のゆらぎの時間発展を追い、得られた結果からゆらぎの統計的な性質を明らかにした。ここでは、ゆらぎの統計的性質を特徴づける密度ゆらぎ2点相関関数を解析した。簡単のためにゆらぎの初期条件の統計的性質は一様等方時空上と同じにした。密度ゆらぎ2点相関関数を計算した結果、2点相関関数にゆがみ(非等方性)が現れることを示した。そして、そのゆがみは非一様宇宙モデルに存在する潮汐力に起因することを明らかにした。一様等方宇宙モデルには背景時空に潮汐力が存在しないので、このゆがみを反映した観測量は宇宙原理の検証に有用であることが期待される。潮汐効果を反映した検証はこれまでほとんど考慮されていなかったので、本研究は宇宙原理の新たな検証方法の基礎づけとなる成果を得たといえる。本研究の成果を論文にまとめ発表した。また、非一様宇宙モデル上のニュートン的構造形成についての定式化を行い、その成果を学位論文の中で発表した。この研究により、非一様宇宙モデル上の非線型構造形成が明らかになる可能性があり、非一様宇宙モデルの研究の中で大きな意義をもつ。23年度は,球対称な巨大ヴォイドの非一様宇宙モデルにおける密度ゆらぎの成長を,一様等方宇宙における非線形摂動近似を用いて解析を進めた.そしてこれまでこの分野の研究者が,厳密性に欠ける直観的な近似方法で行ってきた解析である程度予想されていた結果を再現した.さらに,これまで予想されていなかった局所的な非等方性の効果を明らかにすることができた.相関関数の非等方性について明らかにした研究について、銀河分布の観測から非一様宇宙モデルに制限を付けることができることを示した極めて重要な成果と評価する。また、非一様宇宙モデルにおけるニュートン近似の定式化は、巨大ボイドモデルにおける非線形ステージの構造形成を研究することを可能にする画期的な成果と評価する。非一様宇宙モデル上の密度ゆらぎ相関関数の研究は、銀河分布の観測を用いて非一様宇宙モデルの検証をする上での、重要な基礎づけを与えるもので、高く評価されるべきものと考える。また、非一様宇宙モデル上のニュートン的構造形成についての定式化を行ったことで、非一様宇宙モデル上の非線型構造形成が明らかになる可能性があり、高く評価されるべきものと考える。
細胞死誘発因子としてのカテプシンDの分子細胞生物学的解析

リソソームカテプシンBとDとで制御される細胞死の経路を解析するため、リソソームカテプシンDを欠損するマウスを用いた。その結果、中枢神経系の多くの神経細胞にはリソソーム様構造物が蓄積しており、これらの構造には、ミトコンドリアATPsynthaseのsubunit cが蓄積していること、さらにsubunit cを分解するtripeptidyl peptidase-Iの活性が上昇していることから、同欠損マウスの表現型は神経性セロイドリポフスチン蓄積症と類似し、カテプシンD遺伝子はこの疾患の原因遺伝子の一つであることが予想された。さらに、視覚異常を伴うことから、同欠損マウスの網膜を解析した。生後20日以降の同欠損マウスの網膜では、厚さが対照群の半分にまで萎縮しており、外顆粒層の細胞数が減少し、photoreceptorの内節及び外節もほとんど消失していた。神経節細胞には変化は見られなかった。外顆粒層には、アポトーシスの像を呈した細胞が認められた。そこで、TUNEL染色を行ったところ、対照群ではTUNEL陽性細胞は、各層とも生後2週までに検出されなくなるのに対して、同欠損マウスでは、外顆粒層で生後9日前後よりTUNEL陽性細胞が急激に増加し、日齢とともに内顆粒層にも出現することが判明した。従って、カテプシンDは神経系、特に網膜の外顆粒層の発生分化過程に必須のプロテアーゼであることが明らかとなった。次にカテプシンD欠損マウス胎仔由来線維芽細胞株を用いて、リソソームに特異的に蓄積し、カテプシンDの基質となり得るタンパク質の同定を試みた。その結果、ミトコンドリア内在性のMnSOD : Superoxidase dismutase(Mn)が候補分子として同定され、カテプシンDにより限定分解を受ける基質であることが示唆された。リソソームカテプシンBとDとで制御される細胞死の経路を分子レベルで解析するため、先ず、リソソームカテプシンDを欠損するマウスの中枢神経系を解析した。Dを欠損するマウスはこれまでの研究から約生後26日で、小腸の壊死と、リンパ球の減少により死に至る。本マウスを良く観察すると、痙攣発作と視覚異常を伴うことが分かった。さらに、消化管の症状を伴わず痙攣発作で死に至る例もあることに気付いた。そこで、中枢神経系を光顕、電顕、免疫組織細胞化学および生化学的に解析した。その結果、中枢神経系の多くの神経細胞にはリソソーム様構造物が蓄積し、その中には、オスミウム好性顆粒、曲線状膜様構造、指紋様構造がみられた。これらの構造は、蛍光顕微鏡でみると自家蛍光を呈し、免疫組織細胞化学的にミトコンドリアのATPsynthaseのsubunit cが蓄積し、セロイド-リポフスチンであることが明らかとなった.。生化学的には、subunit cを分解するリソソーム酵素であるtripeptidy peptidase-Iは活性と蛋白量とも上昇していた。これらの症状から、カテプシンD欠損マウスは神経性セロイド-リポフスチン蓄積症の症状を呈し、カテプシンDはこの疾患の原因遺伝子の一つであることが予想された。さらに、カテプシンDは神経系で必須のプロテアーゼであることが明らかとなった。現在、本マウスの中枢神経系、および本マウスより樹立した線維芽細胞でリソソームに特異的に蓄積する蛋白質の同定を進めている。リソソームカテプシンBとDとで制御される細胞死の経路を分子レベルで解析するため、リソソームカテプシンDを欠損するマウスを用い、同マウスが痙攣発作と視覚異常を伴うことから、中枢神経系を解析した。

その結果、中枢神経系の多くの神経細胞にはリソソーム様構造物、特にオスミウム好性顆粒や指紋様構造を含む封入体が蓄積しており、これらの構造には、自家蛍光を呈し、ミトコンドリアATPsynthaseのsubunit cが蓄積していること、さらにsubunit cを分解するtripeptidylpeptidase-Iの活性が上昇していることから、同欠損マウスの表現型は神経性セロイド-リポフスチン蓄積症と類似し、カテプシンDの遺伝子はこの疾患の原因遺伝子の一つであることが予想された。さらに、視覚異常を伴うことから、同欠損マウスの網膜組織を形態学的に解祈した。生後20日以降の同欠損マウスの網膜組織では、厚さが対照群の半分にまで萎縮しており、外顆粒層の細胞数の顕著な減少が見られ、photoreceptorの内節及び外節もほとんど消失していた。神経節細胞には変化は見られなかった。また、色素上皮細胞を含む全層の細胞の細胞質にリソソーム様構造物が蓄積しており、さらに外顆粒層には、アポトーシスの像を呈した細胞が認められた。そこで、TUNEL染色を生後から各日の網膜組織に施行した。対照群ではTUNEL陽性細胞は、各層とも生後2週までに検出されなくなるのに対して、同欠損マウスでは、外顆粒層の最内側で生後9日前後よりTUNEL陽性細胞が急激に増加し、日齢とともに全層に出現することが判明した。従って、カテプシンDは神経系、特に網膜の外顆粒層の発生分化過程に必須のプロテアーゼであることが明らかとなった。リソソームカテプシンBとDとで制御される細胞死の経路を解析するため、リソソームカテプシンDを欠損するマウスを用いた。その結果、中枢神経系の多くの神経細胞にはリソソーム様構造物が蓄積しており、これらの構造には、ミトコンドリアATP synthaseのsubunit cが蓄積していること、さらにsubunit cを分解するtripeptidyl peptidase-Iの活性が上昇していることから、同欠損マウスの表現型は神経性セロイドリポフスチン蓄積症と類似し、カテプシンD遺伝子はこの疾患の原因遺伝子の一つであることが予想された。さらに、視覚異常を伴うことから、同欠損マウスの網膜を解析した。生後20日以降の同欠損マウスの網膜では、厚さが対照群の半分にまで萎縮しており、外顆粒層の細胞数が減少し、photoreceptorの内節及び外節もほとんど消失していた。外顆粒層には、アポトーシスの像を呈した細胞が認められた。そこで、TUNEL染色を行ったところ、対照群ではTUNEL陽性細胞は、各層とも生後2週までに検出されなくなるのに対して、同欠損マウスでは、外顆粒層で生後9日前後よりTUNEL陽性細胞が急激に増加し、日齢とともに内顆粒層にも出現することが判明した。次にカテプシンD欠損マウス胎仔由来線維芽細胞株を用いて、リソソームに特異的に蓄積し、カテプシンDの基質となり得るタンパク質の同定を試みた。その結果、ミトコンドリア内在性のMnSOD : Superoxidase dismutase(Mn)が候補分子として同定され、カテプシンDにより限定分解を受ける基質であることが示唆された。
「へんてこな機械」を用いたうまくいかない教材の開発と活用法の研究

最近「ものづくり」の言葉を様々な機会に聞くようになったが、実際にものを形にして希望通りに動作させることは難しい。その理由は、設計の不備や材料選択の不備、製作ミスや材料の形状変化等さまざまな原因による。しかし現在の若者は技術に疑問を持たず素直に受け入れる傾向が強く、うまくいって当然という考え方を持つ者が多い。本研究では、「うまくいかない部分」をちりばめた「へんてこな機械」を教材として製作し、学生主体で問題点と対策方法を考えさせることで学生自身の「気づく力」と「考える力」を向上させることを目的とし研究を進めた。今回の「へんてこな機械」を教材として製作する際には、見た目が不細工でなく問題を内包しつつも問題発見は困難な物を製作しようと考えたが、今回はこの初期条件に悩まされ教材完成までは大変苦労した。試行錯誤の結果、「ぎくしゃく動くXYテーブル」と「薄板しか曲げられないベンダー」(板金折曲機)「復元が困難な装置(解きずらいパズル)」の3点を製作準備し、それを用いた模擬授業を実施した。主目的が「気づく力」を養うことである為、学生に主体をもたせ、学生自身で問題に気づける環境を重視しながら、模擬授業を行った。模擬授業中には、学生達が自主的に教材をいろいろな角度から見る工夫や、教材を前に仲間同士での相談する姿勢など、普段は見せない姿や真剣な眼差しが印象的であり、今回の研究の意義を実感できた。その反面、学生により反応が様々で、興味を持って取組む学生と関心を抱かない学生との差が顕著に現れ、教材に取組む時間や理解度に大きな違いが出るといった新たな課題も明らかになった。本研究では、製作した「へんてこな機械」を用いることによって、物自体が言葉を語り、指導者から言葉で説明するよりも多くの情報量を効果的に伝えることができることを模擬授業で実感できた。今回わかった課題について、学生それぞれの理解度に合わせた着目点を示しながら同様の理解度に導く工夫や、本教材を生きたPRI学習のテーマとしてグループで用いる等、問題点を改善工夫し、本研究を継続していきたい。
変調光放射圧トラッピングプローブによる微細加工形状のナノ複合計測に関する研究

本研究では,まず大気中においてレーザトラップにより3次元的に捕捉したマイクロプローブ球に変調光放射圧による横振動制御を与え,ナノメートルオーダの分解能を有する3次元位置検出用プローブ技術を開発した.その具体的成果は次の通りである.2.プローブを最適な周波数に設定する周波数チューニング技術を用いてプローブ振動を制御し,シリコンウエハ劈開面への接近過程における振動変化を測定した.その結果を用いて,マイクロプローブ球の位相遅れ挙動に基づいた位置検出を行い,横方向の分解能は23nm程度となることが確認できた.さらに,標準偏差13.7nmの非常に高い繰り返し特性が得られた.次に,レーザトラッピングプローブを用いたナノCMM測定システムを試作し,その基本特性を検証する基礎実験によって以下の成果を得た.3.長さ基準である,よう素安定化IIe-Neレーザにトレーサブルな2波長レーザを光源とする3軸同時ヘテロダイン干渉計測によって,ナノCMM3軸座標ステージの運動精度が,位置決め分解能5nm以上,ロストモーション16nm以下の精度であることを示した.4.開発したナノCMM測定システムを用いた3次元座標計測基礎実験を行った.その結果,標準マイクロガラス球(直径168μm±8.5μm)の3次元測定によって,直径162.9μmの測定結果が得られ,開発したナノCMM計測システムがマイクロ3次元形状の測定に有効であることを示した.本研究では,まず大気中においてレーザトラップにより3次元的に捕捉したマイクロプローブ球に変調光放射圧による横振動制御を与え,ナノメートルオーダの分解能を有する3次元位置検出用プローブ技術を開発した.その具体的成果は次の通りである.2.プローブを最適な周波数に設定する周波数チューニング技術を用いてプローブ振動を制御し,シリコンウエハ劈開面への接近過程における振動変化を測定した.その結果を用いて,マイクロプローブ球の位相遅れ挙動に基づいた位置検出を行い,横方向の分解能は23nm程度となることが確認できた.さらに,標準偏差13.7nmの非常に高い繰り返し特性が得られた.次に,レーザトラッピングプローブを用いたナノCMM測定システムを試作し,その基本特性を検証する基礎実験によって以下の成果を得た.3.長さ基準である,よう素安定化IIe-Neレーザにトレーサブルな2波長レーザを光源とする3軸同時ヘテロダイン干渉計測によって,ナノCMM3軸座標ステージの運動精度が,位置決め分解能5nm以上,ロストモーション16nm以下の精度であることを示した.4.開発したナノCMM測定システムを用いた3次元座標計測基礎実験を行った.その結果,標準マイクロガラス球(直径168μm±8.5μm)の3次元測定によって,直径162.9μmの測定結果が得られ,開発したナノCMM計測システムがマイクロ3次元形状の測定に有効であることを示した.平成15年度は紫外レーザトラッピングおよび変調光放射圧制御に関する基礎現象の解明と基本技術の開発を行い,以下の研究成果を得た.1.直径数μmの誘電体微粒子に入射した場合の光学条件をモデル化し,光放射圧理論と有限差分時間領域法(FDTD法)に基づいた計算機シミュレーションを遂行した.本シミュレーションにより,レーザ光強度や偏光状態,対物レンズのNAや微粒子及び媒質の屈折率など種々の光学パラメータを設定し,大気中における誘電体微粒子のレーザトラップが実現できる条件を定量的に明らかにした.2.紫外レーザ光源(波長354.7nm)として,高出力で出力安定性,コヒーレンス性に優れ,スタビリティの高い半導体励起YV04UVQ-switchレーザ(DPSS Laser(株)・Model3510-30)および観察用顕微鏡光学系,輪帯照明光学ユニット,紫外光用ダイクロイックミラー,高NA紫外光用対物レンズおよび微粒子などから構成される,紫外光レーザトラッピング基本光学系を構築した.3.プローブ球として用いる粒径35μmのシリカ微粒子を用いて,水中および大気中レーザトラッピング実験を遂行した.微粒子については,親水性および疎水性コーティング処理によって特性が異なる場合の挙動を調べ,さらに微粒子を捕捉する際に散布する基板についても,ソーダガラス製,金蒸着面およびシリコンウェハなどを用いた基本特性について調べた.プローブ球のトラップ位置やレーザ出力とトラッピング状態および力学的挙動について検証した.4.大気中で3次元捕捉したプローブ球に,強度変調および偏向走査されたレーザ光によって変調光放射圧を作用させたときの,XYZ方向の振動状態を計算するシミュレータを構築し,それを用いた解析によって,振動振幅や周波数数追従性などの基本特性を理論的に明らかにした.平成16年度は,大気中で3次元的に捕捉された誘電体微粒子に,強度変調および偏向制御されたレーザ光による変調光放射圧を作用させることによって3次元的な微小振動を与え,それをCMM用位置検出プローブとして用いる計測技術の確立と基本特性の解明および高度化を目的とした基礎実験装置の構築および基礎実験を遂行し,以下の研究成果を得た.1.振動光学素および振動検出光学系の基本仕様を決定し基礎実験装置の詳細設計および試作を行った.基礎実験装置は,赤外YAGレーザ(波長1064nm)にXY軸において周期的偏向を与える2軸AO偏向素子を利用した振動光学系,He-Neレーザとフォトダイオードなどからなる振動検出光学系および顕微鏡光学系などを一体化して構築した.

さらに,実験装置を駆動する計測制御ソフトウェアを製作した.2.粒径8μmのプローブ球の振動状態を解析するため,光放射圧の力学的特性をバネーダンパ系の微分方程式でモデル化し振動振幅および位相遅れの周波数特性にっいて明らかにした.さらに,実験結果をそれらの解析結果と比較しプローブ球振動状態の制御技術を確立した.3.大気中において3次元的に捕捉・振動させたプローブ球が被測定物に接近したときの振動振幅および位相変化を実験的に解析し,振動検出信号から得られるプローブ球の位相遅れ情報から被測定物の位置を計測する基本原理を確立した.4.上述の位置検出原理の有効性を示すため,FIB(Focusing Ion Beam)加工機によって作製したシリコン表面微小段差(約1μm)の測定を遂行した.その結果,不確かさ70nm以下の精度で垂直方向の位置検出が可能であることを明らかにした.5.FIB加工機を用いて,プローブ球上面を微細加工しスピン型プローブ球が試作できることを明らかにした.さらに,FIB加工機のデポジション機能により,長さ1μm,直径数100nmの微細スタイラスがプローブ球上に加工できることを明らかにした.しかし,FIB加工機を用いた場合,プローブ球にドーピングされたガリウムの影響のため,プローブ球の光捕捉が困難になることが明らかになった.平成17年度は,大気中で3次元トラップされた振動微粒子を用いたナノCMM用位置検出プローブの高精度化を目的とし,基礎実験装置の改良および基礎実験を遂行することにより,偏向制御されたレーザ光による変調光放射圧によって振動振幅および周波数を高度に制御する技術を開発し,以下の研究成果を得た.1.新たな光検出素子PSD(Position Sensing detector)を導入した改良型の振動検出光学系を試作し,従来方法では不可能であったマイクロプローブ球の運動挙動を検出する,新たな振動計測手法を開発した.その運動解析によって,位置検出精度の安定性が大きく向上できることを示した.2.直径約8μmのプローブ球に,振幅190nm程度,周波数1.7KHz程度の横振動を与え,試料表面にナノメートルオーダの距離まで接近させたときのプローブの位相遅れを測定する基礎実験を遂行し,マイクロプローブ球と試料表面の間に形成される空気層の粘性抵抗係数の挙動について,実験的および理論的に詳細な解析を行った.その結果に基づき,従来よりもさらに高精度で安定した計測が期待できる新たなプローブ振動制御法および振動検出信号処理アルゴリズムを開発した.3.プローブを最適な周波数に設定する周波数チューニング技術を用いてプローブ振動を制御し,シリコンウエハ劈開面への接近過程における振動変化を測定した.プローブをシリコンウエハ劈開面へ接近させる際はピエゾステージを利用し,劈開面から1μm程度の距離までは100nmステップで,その後は25nmステップで移動させた結果,マイクロプローブ球の位相遅れ挙動が測定面近傍において急激に変化していることが確認された.4.上述の位相遅れに基づいた位置検出を行った結果,横方向の分解能は23nm程度となることが確認できた.さらに,標準偏差13.7nmの非常に高い繰り返し特性が得られた.
エクサスケールに向けた、新しい重力多体シミュレーションフレームワークの構築

本研究の目的は、重力多体シミュレーションからポスト処理をシームレスに実行できる、新しいシミュレーションのフレームワークを構築することである。3次元空間情報を利用した構造検出コードをダークマター構造形成シミュレーションコードに結合させることで中間ファイルを削除し、必要なストレージ量を大幅に削減することを可能にした。またハロー合体形成史の大規模データを、データベースシステムを介してダウンロードできるようにした。個々のユーザがハローのプロパティの選択や、プロパティの値の範囲などの条件を指定できるようにし、条件を満たしたデータのみのダウンロードを可能にした。本研究の目的は、我々がこれまでに「京コンピュータ」等のスーパーコンピュータ上で開発、最適化してきた一連の大規模並列コードをベースに、シミュレーションからポスト処理をシームレスに実行できる、「ポスト京」へ向けた新しいシミュレーションのフレームワークを構築することである。平成27年度はまず構造検出、合体形成史構築といったポスト処理用のコードの最適化を進め、これまでに得られた世界最大規模の大規模シミュレーションに適用した。ダークマターハローカタログや、合体形成史のビッグデータ群を構築し、準解析的銀河、活動銀河核形成モデルに用いた。次に6次元位相空間情報を利用した発展的な構造検出アルゴリズムを試験した。またWEBサーバーを構築、ポスト処理を施したビッグデータの一部を公開し、世界中の研究者が利用できるようにした。構造検出コードの最適化が十分ではないが進み、平成28年度以降に予定していたWEBサーバーの構築とビッグデータの公開を前倒して実施することができたため。2016年度は6次元位相空間情報を利用した発展的な構造検出アルゴリズムを、これまでに得られた大規模ダークマターシミュレーションに適用した。そしてサブハロー込みのハロー合体形成史を作成し、世界中の研究者が利用できるようにインターネット上に公開した。また3次元空間情報を利用した構造検出コードをシミュレーションコードに結合し、シミュレーションから構造検出をシームレスに実行できるようにすることで中間ファイルを削除し、必要なストレージ量を大幅に削減することに成功した。そしてこれまでに得られたハローカタログへの準解析的銀河、活動銀河核形成モデルを適用を進めた。種ブラックホールの質量制限に関する論文がMonthlyNotices of the Royal Astronomical Society誌にて出版された。公開データを増やし、さらに構造検出コードとシミュレーションコードの融合が進んだため。2017年度は2016年度中に作成した、大規模ダークマターシミュレーションを一時処理し、取扱いを比較的容易にしたデータである、「ハロー合体形成史」を単にインターネット上に公開するだけでなく、WEBアプリ経由でデータベースシステムと連携できるようにした(http://hpc.imit.chiba-u.jp/ishiymtm/db.html/)。これにより個々のユーザがハローのプロパティの選択や、プロパティの値の範囲などの条件を指定できるようにし、条件を満たしたデータのみのダウンロードを可能にした。データ転送時間やストレージ消費量を抑えることが可能となった。そして得られたハロー合体形成史上で準解析的銀河、活動銀河核形成モデルを適用を進め、クェーサーの輻射効率がクラスタリングに対して与える影響を評価した。観測で得られるクラスタリングの情報から、銀河中心超巨大ブラックホール周りの降着円盤のモデルに制限が付けられることが示唆された。この結果をまとめた論文がMonthly Notices of the Royal Astronomical Society誌にて出版された。引き続き構造検出コードの最適化を進め、すでに「京」コンピュータ上で最適化されたシミュレーションコードを結合させて、シームレスに実行できるようにする。そのための準備として、古い構造検出コードとの融合の予備的な実験はしており、構造検出の並列化効率は良くないが「京」コンピュータ上で動作することを確認している。これまではシミュレーション1ランで、構造検出のために、50-100の時刻で全粒子データを保存しなければならなかったが、その必要をなくす。シームレスに実行できるようにすることで中間ファイルを削除し、必要なストレージ容量を1/10程度に削減し、より多くのシミュレーションを行うことを可能とする。ハローカタログ、合体形成史のビッグデータをデータベース化し、WEBアプリケーション経由でダウンロードできるようにする。カタログにはハローの位置情報や質量、サイズ、内部構造などの多くの物理量を含める。ネットワークにかかる負荷を減らすために、研究者の目的に応じてダウンロードする物理量を制限できるようにする。SQLなどのデータベースソフトを駆使し、適切なWEBインターフェースを構築する。シミュレーション天文学ファイルサーバを増強する予定であったが、次年度よりコストパフォーマンスの高い上位モデルが発売し安価になることが期待されたため、購入を見送った。

ファイルサーバを増強する予定であったが、2016年度は増強せずに足りたため、低価格化が見込まれる2017年度に見送った。コストパフォーマンスの高いファイルサーバを購入する。コストパフォーマンスの高いファイルサーバーを導入する。また最終年度なので、集大成として成果を国際会議や国内研究会で発表するための旅費とする。
人間・エージェントの円滑で確実な意思疎通のためのコミュニケーション基盤

会話に必要なタスク知識,ドメイン知識,コミュニケーション知識を効率的に獲得できるようにすることにより,人間との間で,タスク構造,状況,状況認識,意図の共有を顕著に高めることを目指している.エージェントの現実的な行動表示を可能にする仮想空間構築支援システムの研究開発,模倣学習の高度化と粒度の大きな会話内容管理方式の実現,グループ意思決定における重視度の動的推定法,オントロジーを用いたタスク共有,志向姿勢誘発に基づく共同意図管理手法の開発,循環的意図更新を用いた情緒的な配慮の誘発,生理指標を用いた心的状態推定などの成果を得た.理解しようとする姿勢や評価・解釈したことをお互いに提示し合い,一貫性を確認することが,エージェントの意図理解や共同意図の構築に大きな役割を果たしていることを示唆する知見を得た.独立して行動するエージェントの行動モデルおよび空間情報を最初に作成し,それに追加する形で,人間をナビゲーションするガイドエージェントの行動モデルおよび空間情報を作成するという方式の有用性を確認した.NPCのコミュニケーションモデルを構築し,操作可能なコミュニケーション行動を学習することのできる教師なし学習アルゴリズムの開発を行い,評価実験が可能なレベルまでシステム整備と拡張を行った.人間とロボットの共同的タスク遂行,動的指標の協調的伝達の研究に取り組んだ.ロボットの持つ物理的制約を考慮してタスク状況を作り込むと,インタラクションを必要とせずに大部分のタスクが遂行できてしまうことが多いこと,タスク状況の自由度を上げると,観測が難しい人間の内部状態に依存した状況判断が必要になることも確認した.静的な知識空間としてのドメインオントロジーに規定されていない現象を解釈するために学習過程オントロジーを利用することを検討した.タスクオントロジーに基づく対話応答を自動化し,フィラーや直前の発話に関連する話題の提案,社会的シグナルの表出を用いて,オントロジーに規定されていない現象が出現してもインタラクションを維持するエージェントを作成した.構築されたエージェントについて,実際の意思決定タスクにおいて運用し,会話の楽しさ,説明の適切さ,相談相手としての妥当性などに対するアンケートにおいて対照事例よりも高い評価を得ることができる対話を生成することができたことが確認された.ノイズのある状況でのモチーフ発見アルゴリズムの開発,模倣学習における相手行動の写し取り機能の強化を行った.会話に関わる視聴覚場を丸ごと仮想化し,物理環境と対応付ける.会話エージェント・人間の円滑で確実な共同意図設定と実行管理のための頑健なコミュニケーション基盤を構築し,人間のパートナーとして共同作業をする能力を備えた{仮想/物理}会話エージェントのプロトタイプを並行して研究開発する.「場の共有」「頑健な会話基盤」「状況理解・評価」「タスク共有」「共同意図管理」「インタラクション分析」の6つのテーマを設定し,インタラクションダイナミクスの分析,頑健な会話基盤の実装,状況の共有,状況理解・評価の共有,意図の共有と共同発展について研究を行う.評価用タスクを設定し,質問紙,潜在連合テスト,ビデオ分析,生理指標・脳波分析を総合して会話エージェントの意思疎通力の評価指標を構成する.仮想空間における複数の対象とのコミュニケーション,実環境における人間のコミュニケーション,人間とエージェントとの対面コミュニケーションについて焦点を当て,「頑健な会話基盤」「状況理解・評価」「タスク共有」の3つのテーマについては探索的検討を主とし,「場の共有」「共同意図管理」「インタラクション分析」の3つのテーマについては発展的研究を主とした取り組みを行った.探索的検討を行った3つの課題について研究を進めた結果,タスク遂行のためのオントロジーを構築するだけではコミュニケーションを成立させることが難しいことが明らかになり,ドメインオントロジーやタスクオントロジー以前にコミュニケーション対象として認知・承認されるようなプロセスが必要であることが示唆された.この点を踏まえ,問題を,コミュニケーション生成部分とタスク遂行部分の2つに分割し,それぞれ探索的検討を行った.発展的研究を行った3つの課題については,順調に発展させ,一部の課題では次年度に予定していたテーマも包含するものとなった.メタなオントロジーを暗黙的に保持し,タスク遂行中の人間の反応に基づいて重視度要因を推定し,助言の生成と行動を行う手法のプロトタイピングを行った.教示行動を手がかりとして、時間発展的にドメインオントロジーを構築することができる知識構造抽出手法を開発することを目的とした研究を進めた.社交ダンスの指導を題材として,初心者から始まる習熟過程全体の教示行動および動作データを取得し、教示と関連する動作パターンや時間発展的に習熟する動作のポイント抽出を試みた.時系列マイニングアルゴリズムの高速化,多次元化,頑健化,焦点機構を導入し,長期間にわたり継続的な学習を行う流動型模倣学習アルゴリズムの総合的な提示と,主要アルゴリズムの実装を行った.模倣学習におけるユーザ側からのエージェント印象評価を推定する研究を行い,人間がロボットを模倣する逆模倣や模倣しあう相互模倣でエージェントの印象が高まることを見出した.高いコミュニケーション能力をもつエージェントがタスク遂行能力だけが高いエージェントよりもユーザによく受け入れられることを参加者実験により見出した.異なるタイプの笑いを対象としてユーザの内面的な認知評価を推定する手法の研究を行った.ユーザの志向姿勢を誘発するために発話による運動継続の動機付けと,ゲームの得点取得のための戦略の動的変更を行うエージェントの試作を行った.エージェントの社会的シグナルの表出行動によって会話の参加と離脱にどのような影響があるのかを実験的に調べ,頭部方向の提示によって,人間が比較的スムーズに会話に参加する様子を確認した.タスク間でオントロジーの重み付けを伝搬させることで,タスク間の話題の発展に対応して対話を発展させることができるエージェントを試作した.生理指標(皮膚電気抵抗と心電)の変化を計測して,タスク遂行中の人間の状態を推定する方式のプロトタイピングを行った.

人間とエージェントが互いの意見を持ち寄ることでコモングラウンドを形成すると同時に,人間が持つ重視要因をインタラクティブに推定する機構を持ったエージェントを構築した.各インタラクションで重視要因を推定し,次回以降のインタラクションに活かす重視要因推定・保持モデルと各インタラクションで重視要因推定のみを行い,次回以降のインタラクションではこれまでの重視要因がリセットされるモデルとで比較を行い,重視要因推定・保持モデルが人間とエージェント間で相互理解を深めることを示唆する実験結果を得た.重視要因を目的ごとに分離して2層にし,それぞれの要素をメタなオントロジーを通して循環的に接続し,その伝搬によって重視要因を推定する手法を開発した.ゲームへの勝利という明確な目的のあるタスクにおいて,戦略の動的変更を行ったエージェントが,実験参加者に有意に意図を感じさせることができることがわかった.さらに実験を行い,相互に影響し合いながら意図を推定する手法は,目的志向性提示による志向姿勢の誘発・維持においても有効であることを確認できた.継続的インタラクションを行うタスクにおいて,助言のタイミングによってその後のタスク遂行態度が明確に変化すること,その変化が明らかな生理指標反応パターンの変化として抽出できることを確認した.単なるパフォーマンス評価ではなく,本人の感じている「難点意識」を検出したり,パフォーマンスが同等でも,あきらめているのか,試行錯誤しているのか,といったことを検出したりできる,内部状態推定手法が提案できた.インタラクションデータからインタラクションのパターンと因果性を推定する一連の模倣学習手法の取りまとめを行うとともに,アルゴリズムをツールボックスとして取りまとめた.会話に必要なタスク知識,ドメイン知識,コミュニケーション知識を効率的に獲得できるようにすることにより,人間との間で,タスク構造,状況,状況認識,意図の共有を顕著に高めることを目指している.エージェントの現実的な行動表示を可能にする仮想空間構築支援システムの研究開発,模倣学習の高度化と粒度の大きな会話内容管理方式の実現,グループ意思決定における重視度の動的推定法,オントロジーを用いたタスク共有,志向姿勢誘発に基づく共同意図管理手法の開発,循環的意図更新を用いた情緒的な配慮の誘発,生理指標を用いた心的状態推定などの成果を得た.
後縦靱帯骨化症解明および治療に向けた多面的研究

後縦靱帯骨化症の遺伝要因を解明するためにまずはゲノム全域での疾患遺伝子同定を試みた。罹患同胞対数は141対に増やすことができている。ゲノムを網羅する420個のマイクロサテライトマーカーを用い、もっとも強い連鎖を21番染色体長腕で認めた。連鎖領域の150個の遺伝子、600SNPについて、2段階のスクリーニングにより、7個の遺伝子で有意差を得るにいたった。collagen 6A1遺伝子(COL6A1)に32個のSNPを同定し、それぞれでアソシエーション・スタディをおこなった結果、イントロン32に存在するSNPで最も強い有意差を得た(P=0.000003)。COL11A2同様患者靭帯細胞を用いてCOL6A1へのスプライシングへの影響などを検討したものの、いまだSNPによる機能変化を検出できていない。OPLLは多因子疾患で、遺伝要因のみで病態を形成するわけでなく、OPLLを理解するためには多面的なアプローチが求められる。OPLLでは後縦靱帯そのものもしくは他の靭帯細胞を外科的に得ることができ、患者の組織での遺伝子発現レベル変化を調べることが可能である。OPLL患者由来靭帯細胞を得ることにより骨分化の程度、mRNA発現、実験手法による遺伝子機能解析などをおこなうことができる。本研究において、細胞の遺伝子発現を網羅的に検出する手法、マイクロアレイ法により包括的遺伝子発現、で特徴的な遺伝子発現を検討し、ひいては病態の全体像を明らかにすることを試みた。OPLL患者の後棘問靭帯を用いる。OPLL由来細胞において骨化誘導に伴い変化する遺伝子群を検討した。対照と比較して2倍以上の遺伝子発現差を示しかつ統計的に有意差を認めた遺伝子を選択した。OPLLで骨分化とともに顕著に発現上昇を認めた遺伝子の中で、転写因子promyeloticleukemia zincfinger(PLZF)とそのホモログであるFAZFを同定できた。骨分化メディウムであるOSによりPLZFは誘導され、FAZFはBMP-2で誘導され、異なる役割分担を有する事が示された。PLZFは骨分化のマスター遺伝子であるCBFA1の上流に存在することを明らかにでき、FAZFもまたBMP-2誘導性骨代謝に関連していることも示すことができた。後縦靱帯骨化症の遺伝要因を解明するためにゲノム全域での疾患遺伝子同定を試みた。OPLLのような多因子疾患では遺伝要因のみで病態を形成するわけでなく、OPLLを理解するためには多面的なアプローチが求められる。

OPLLは外科疾患であるので、後縦靱帯そのものもしくは他の靭帯細胞を得ることができ、患者の組織でなにがおこっているか遺伝子レベルで調べることが可能である。OPLL患者由来靭帯細胞を得ることにより骨分化の程度、mRNA発現、実験手法による遺伝子機能解析などをおこなうことができる。近年、組織、細胞の遺伝子発現を網羅的に検出する手法、マイクロアレイ法がよく用いられている。個別の遺伝子発現は従来も検討されていたが、1-2万個の遺伝子発現を同時に検討するマイクロアレイ解析により、包括的遺伝子発現、ひいては病態の全体像を明らかにすることができるようになった。OPLL患者の後縦靱帯の非骨化組織に病変と関連する遺伝子発現変化が存在するであろうが、患者、対照から後縦靱帯を得にくいこともあり、多くは棘間靭帯を用いている。組織を細切し、遊走細胞を培養することにより、培養靭帯細胞を得ることができる。骨芽細胞誘導培地で培養もしくはBMPで刺激すると、アルカリフォスファターゼ上昇などOPLL由来靭帯細胞は対照細胞より強い骨化傾向を示す。すなわちOPLL由来細胞にはすでに骨化傾向を示すなんらかの病態が存在していることを示す。近年、マイクロアレイを用いた網羅的遺伝子発現プロファイル解析が病態を知る手立てとして有用であることがよく知られるようになった。OPLL由来細胞において骨化誘導に伴い変化する遺伝子群を検討した。対照と比較して2倍以上の遺伝子発現差を示しかつ統計的に有意差を認めた遺伝子を選択した。OPLLで骨分化とともに顕著に発現上昇を認めた遺伝子の中で、転写因子promyeloticleukemia zincfinger (PLZF)が同定できた。後縦靱帯骨化症(OPLL)のような多因子疾患では遺伝要因のみで病態を形成するわけでなく、OPLLを理解するためには多面的なアプローチが求められる。今回、細胞の遺伝子発現を網羅的に検出する手法、マイクロアレイ法により包括的遺伝子発現、ひいては病態の全体像を明らかにすることを試みた。すなわちOPLL,由来細胞にはすでに骨化傾向を示すなんらかの病態が存在していることを示す。
山岳地域の森林生態系における炭素・水・熱循環に対する気候変動の影響評価

本研究では,炭素・水・熱交換量観測データと気候モデル・生態系モデルを有機的に組み合わせ,山岳地域の森林生態系を対象として,生態系機能の気候変動に対する環境応答を評価した。その結果,生態系機能は,温暖化に伴う群落フェノロジーの変化と根雪期間の変化に強い影響を受けることが明らかとなった。気候変動下における森林生態系機能を広域に評価するために,融雪・根雪のタイミング,群落フェノロジーの時空間分布の高精度な推定とこれらの予測型モデルの高精度化が重要であることが示唆された。本年度は,岐阜県高山市の冷温帯落葉広葉樹林を対象とした,群落フェノロジーと気温データを用いた群落フェノロジーモデルの構築,(2)観測値に基づいた生態系モデル(改良版NCAR/LSM)の検証・最適化,(3)気候モデル(CMIP3 Multi-Climate Models)用いた生育期間および炭素収支の将来予測を行い,温暖化の影響によって延長された生育期間が落葉広葉樹林の炭素収支に与える影響について評価した。気温と群落フェノロジーの関係を気候モデルのA1B,A2,B1シナリオの将来予測気温に適用し,展葉開始から落葉終了日(生育期間)の将来予測(2046-2065年)を行い,現在(2002-2007年)と比較した。将来予測では現在と比較して,展葉開始が1013日早まり,落葉終了は79日遅くなった。結果として,落葉広葉樹林の生育期間は1722日延長した。また,融雪終了日が812日早まり,根雪開始日が5日遅くなった結果,下層植生を含む森林生態系全体の光合成可能期間が1317日増加した。この結果,将来の生態系全体の総光合成量,生態系呼吸量,総生態系生産量は,現在と比較して,それぞれ912%,912%,1217%増加した。これらの増加分は主に落葉広葉樹の寄与が主体であり,林床ササ群落の寄与率はほとんどなかった。これらの結果から,気候変動による群落フェノロジーと森林生態系の全体の光合成可能期間の変化が落葉広葉樹および森林生態系全体の炭素動態に大きな影響を与えることが明らかとなり,気候変動下における落葉広葉樹林の炭素収支を広域に評価するために,融雪・根雪のタイミング,群落フェノロジーの時空間分布の高精度な推定とこれらの予測型モデルの高精度化が重要であることが示唆された。本研究では,これまでに生態系に関する多くのデータ,知見が蓄積され,また,メソ気象モデル(MM5)による高解像度の気象値が得られている岐阜県・高山市・大八賀川流域を対象とし,山岳地域森林生態系を対象とした炭素・水循環の気候変動応答を評価する。本年度は,とくにフィールド観測データに基づいた生態系モデルの検証・最適化とモデルによる落葉広葉樹林,常緑針葉樹林の炭素収支比較を行い,下記を明らかにした(Saitoh et al. in press, Eurasian J. For. Res.)。(1)タワーフラックス観測,バイオメトリック法,チャンバー法に基づく炭素収支データを検証データとして利用することで,両生態系における炭素収支をモデルにより高精度で推定可能となった;(2)常緑針葉樹林では純生態系交換量(NEP)のピークが4-6月にあらわれ,落葉広葉樹林ではNEPのピークが7-9月にあらわれた。この両生態系における異なるNEPの季節変化は,主に4-6月のフェノロジーの違いとそれに伴う総光合成量(GPP)の大きさの違いに起因していることが示唆された;(3)年積算GPP,生態系呼吸量(RE)は,落葉広葉樹林と比較して,常緑針葉樹林で大きく活発な植生活動が行われていることが明らかとなった。この両生態系のGPP,REの年積算値の相違は,主にバイオマス量の相違の影響を反映していることが示唆された。来年度は,これらの検証・最適化されたモデルをと将来予測データを利用した流域スケールの気候変動応答解析を行う予定である。観測値に基づく生態系モデルの検証・最適化が行われ,これらの研究を基した論文がEurasian Journal of Forest Researchに掲載された。また,気候変動の現在値/将来予測値として大気ー海洋結合モデル(AOGCM)の出力値に関しては,これらの予備解析を行い,生態系モデルに入力するための準備が進んでいる。平成23年度に地上観測データを利用して検証・最適化された生態系モデルを用いてプロット・流域スケールでの炭素・水・熱交換量気候変動応答解析を行う。常緑針葉樹林,落葉樹林サイトを対象として,生態系モデルによって推定された炭素・水・熱交換量などの定量値を用い,とくに次に示す現在値/将来予測値のサイト間比較,シナリオ間比較に焦点を絞って解析を行う。

サイト間比較は炭素・水・熱循環の環境応答に関する総合的な検討を行うこととし,シナリオ間の比較を同時に行うことで,常緑針葉樹林および落葉針葉樹林の異なる植生間での気候変動下における環境応答の共通性と相違性を明確にする。これらを流域スケールに拡張し,流域スケールでの炭素・水・熱交換量気候変動応答解析を行う。平成24年度は,おもに研究成果発表に必要な旅費と出版物に関連した費用が必要である。研究成果の発表は国内2回(水文・水資源学会,生態学会),国外1回(Phenology2012)を予定している。研究成果の取りまとめとしては、国際誌2本の投稿を考えており英文校閲費、論文投稿費、別刷代を申請する。また,データ量が膨大となるため,データ整理のために院生を雇用する。