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高専における応用数学教材の開発研究

実際的な応用をもつ数学の多様化および数学の応用される分野の拡大とその態様が全て急激に変化している。本研究では、高専の専門教育につなぐ数学教育として(1)応用数学のカリキュラムとしてどのようなものが可能であるか。また、(2)何をどこまで教えるべきか。(3)授業の中でどのような教材を用いると効果的であるかといういくつかの目標を設定した。(1)全国の高専での応用数学のカリキュラムを調査した結果、応用数学に相当する授業科目としては、微分方程式、ベクトル解析、複素関数論、フーリエ級数、ラプラス変換、確率・統計の全て若しくは一部が教授されている。それらの総単位数も限られており、極めて過密なカリキュラムといわざるを得ない。新しい分野に対応する応用数学の科目としては、計算機科学におけるグラフ理論、組合せ論、数理論理学、符号理論やゲーム理論などが挙げられるが、すでに伝統的な応用数学の授業単位でそれら新しい科目の入る余地がない状態である。情報系のコースでは前述した従来からの科目を大幅に削減することが多くの高専で実際に検討され実行されていることが分かった。(2)それぞれの科目においては標準的な教科書が存在し、それに従っておそらく全ての高専では授業が展開されている。結果としてその方法がもっとも効率的であるということであろう。本研究では授業科目とは異なるが4,5年生に対して実施されるゼミナールや卒業研究のテーマとして、微分法方程式とカオス理論を取り上げた。普段の授業では取り扱わない内容であるが、学生達にとっては興味のある内容であった。それらの研究結果を本冊子に記載している。(3)微分方程式、ベクトル解析、フーリエ級数、確率・統計、幾何学などの各科目において教材の開発を行った。それらの一部は実際の授業等の中で実践をして効果を確認している。本年度は高専の機械系学科で標準的に使用されている熱力学の教科書を調査し、数学がどのように利用されているのかを明らかにした。特徴的な内容を述べると(1)専門科目で扱われる数式は、数学の授業で扱われるものに比べ、はるかに煩雑である。(2)比例関係の理解が最重要である。(3)微小量の扱いが数学的な厳密性は考慮せず大胆に行われる。(4)多変数関数の微分法が多用される。以上の結果を踏まえ、数学の教授法及びカリキュラムに関する提言を今後行う計画であるが、本年度中にまとめた事項の要点は(1)無理式や指数を含む式の計算に、より時間を割くこと。(2)微分法、偏微分法においては図形的物理的な意味の理解が重要。(3)積分法に関しては微小量の総和として図形的な理解を図り、計算演習は従来の教材の内容をかなり削除することが可能。(4)微分方程式についても物理的事象との関連で理解することが大切で、解法にかける時間は大幅に削減可能である。また、微分方程式の教材開発及び問題集の作成を上記の観点に基づいて行い、同時に教授法に関する検討を研究分担者全員で行った。その他の研究事項として計画していた、前年度までの調査研究で得られたデータの整理分析に関しては、数学の各分野毎に収集整理をし、一定の結果を得ているが、まだ充分には達成されていないので来年度に継続する予定である。本研究の主要目的は、応用数学カリキュラムを各専門共通のコアの部分と各専門別のオプションの部分とに明確に分離し、重要項目の徹底を図るように提案することである。数学の論理的な一貫性をしつつ、これを行うのは困難な点が多いが、初期の計画を進めて行く所存である。

実際的な応用をもつ数学の多様化及び数学の応用される分野の拡大とその応用の態様がすべて急激に変化している。本研究では、このような状況の下で(1)新しい応用数学教材の開発研究を行う(2)数学教育の新しいカリキュラムを構築する、という2つの目標を設定した。(1)現行の応用数学は、微積分や関数論などの解析学を中心とする古典的応用数学を指している。これに対し、集合と論理、線形代数、抽象代数、確率、統計などの数学分野は、情報理論などのコンピュータサイエンスを始めとする現代科学技術分野にとって重要なものとなっている。また、グラフ理論と組合せ理論、マルコフ連鎖、トポロジーなども近い将来、応用数学として必須の分野となる可能性をもっている。本研究では、これらの理論の導入として必要最小限の項目を整理し、23時間の教材を試作した。また同時に、基礎的な項目の教授だけでは無味乾燥なものになってしまう恐れがあるため、それらの理論のもつ魅力と、いかに応用されているのかという実例を示すことも必要であり、このような観点での教材開発も行った。一方で、現在比較的軽視されている古典的な幾何学における教材開発も行った。この中で意外にも、機械実習における旋盤でバイトの削り角度と仕上がり面との関係が、輪環面上の接線と閉曲線との関係と同じであることが分かった。つまり、幾何学のセンスも工学教育に重要な役割を果たすことが改めて認識された。(2)各専門科目で標準的に使用されている7分野の教科書を調査し、その中で扱われている数学を整理分析した結果、全専門分野で共通に必要とされる数学と各分野毎に固有の必要とされる数学を抽出することができた。現在、全学科に対して画一的に行っている数学教育を不要な内容を除いたカリキュラムに構成する作業を行った。しかし、項目の一部を削除することで、数学の論理的な一貫性が失われていないかという疑念が未だ残っており、今後の課題となった。
小学校体育授業改善に対する知識構成型校内研修プログラムの効果検証

本研究の目的は,小学校において体育授業を苦手とする教師の体育授業改善に向けて提案した知識構成型校内研修プログラムの効果を検証し,教師の知識獲得プロセスを検討することである。とりわけ,体育授業の教授に関する知識の獲得に向けて,1社会構成主義の学習理論に基づき,2日々の授業実践の中で知識の構成・再構成を促すための,3校内の同僚性に着目して提案した知識構成型校内研修プログラムの効果を検証し,体育授業改善に対する効果を検討する。この目的を達成するために,2カ年計画で3つの研究課題に取り組み,教師の知識構成型校内研修モデルの提案を行う。本研究課題の目的は,体育授業の教授に関する知識の獲得に向けて提案した知識構成型校内研修プログラムの体育授業改善に及ぼす効果を検証することである.1年度目である本年度は,前年度までに収集したデータの分析及び発表を中心に行った.また,結果の考察にあたり,体育科教育学を専門とする多くの研究者と情報交換を行い,我が国の体育科に関する小学校教師教育の課題の整理を行った.第1に,収集したデータを分析した結果,提案した校内研修プログラムが,プログラムに参加した小学校教師の体育授業に関する知識獲得を可能とすることが示唆された.また,校内研修プログラムは,3つの段階を設定した結果,知識に対する教師の重要性の認知は,校内研修後に授業実践を通して高まることが示唆された.これらの結果は,小学校教師が体育授業に関する知識を新たに獲得するために,研修における理論的な学びと実践を通じた学びの双方が必要であることを示唆している.第2に,伝達形式を用いて校内研修プログラムを実施し,収集したデータを分析した結果,校内の伝達を担う担当教師が,研修内容についての理解が十分に促すことが可能であることが示唆された.この結果,校内研修を実施する教師が研修担当者として校内で実施することが可能であったと考えられる.本研究課題の目的は,体育授業の教授に関する知識の獲得に向けて提案した知識構成型校内研修プログラムの体育授業改善に及ぼす効果を検証することである.1年度目については,すでに収集済みのデータ分析及び発表を中心に,概ね研究計画通りに概ね順調に進んでいる.今後は,1年度目に分析したデータについて,論文投稿による発表を進める.また,伝達形式で実施した校内研修の効果を検証するために,さらなるデータの分析を進めると共に,これらの結果について体育科教育学を専門とする教師,及び,小学校教師と情報交換をする予定である.また,これらの結果を踏まえて,校内研修プログラムを通した小学校教師の体育授業に関する知識獲得プロセスを検討する予定である.本研究の目的は,小学校において体育授業を苦手とする教師の体育授業改善に向けて提案した知識構成型校内研修プログラムの効果を検証し,教師の知識獲得プロセスを検討することである。本研究課題の目的は,体育授業の教授に関する知識の獲得に向けて提案した知識構成型校内研修プログラムの体育授業改善に及ぼす効果を検証することである.1年度目である本年度は,前年度までに収集したデータの分析及び発表を中心に行った.また,結果の考察にあたり,体育科教育学を専門とする多くの研究者と情報交換を行い,我が国の体育科に関する小学校教師教育の課題の整理を行った.第1に,収集したデータを分析した結果,提案した校内研修プログラムが,プログラムに参加した小学校教師の体育授業に関する知識獲得を可能とすることが示唆された.また,校内研修プログラムは,3つの段階を設定した結果,知識に対する教師の重要性の認知は,校内研修後に授業実践を通して高まることが示唆された.これらの結果は,小学校教師が体育授業に関する知識を新たに獲得するために,研修における理論的な学びと実践を通じた学びの双方が必要であることを示唆している.第2に,伝達形式を用いて校内研修プログラムを実施し,収集したデータを分析した結果,校内の伝達を担う担当教師が,研修内容についての理解が十分に促すことが可能であることが示唆された.この結果,校内研修を実施する教師が研修担当者として校内で実施することが可能であったと考えられる.本研究課題の目的は,体育授業の教授に関する知識の獲得に向けて提案した知識構成型校内研修プログラムの体育授業改善に及ぼす効果を検証することである.1年度目については,すでに収集済みのデータ分析及び発表を中心に,概ね研究計画通りに概ね順調に進んでいる.今後は,1年度目に分析したデータについて,論文投稿による発表を進める.また,伝達形式で実施した校内研修の効果を検証するために,さらなるデータの分析を進めると共に,これらの結果について体育科教育学を専門とする教師,及び,小学校教師と情報交換をする予定である.また,これらの結果を踏まえて,校内研修プログラムを通した小学校教師の体育授業に関する知識獲得プロセスを検討する予定である.
マルチメディア通信を利用した学習環境の開発

本研究ではインターネットをはじめとするマルチメディア通信が教育にもたらすインパクトをレビュー・記述研究・開発研究から明らかにする目的で行われ、大きくわけて3つの成果が得られた。まず、合衆国・日本などのインターネットの教育利用の概要を調査し、それをまとめた。合衆国については教育省の調査などを参考にし、日本の現状については100校プロジェクトの参加校にアンケートを行い、インターネット導入時の問題点を明らかにした。次に、電子メールなど、マルチメディア通信の基本となる通信プロセスの持つ教育的意味を実際に小学校においてフィールド研究をする中で明らかにした。電子メールを導入すれば誰でもすぐ使えるわけではなく、複雑なプロセスが存在していることが明らかになった。最後に、今後マルチメディア通信を教育目的に利用する場合の台風の目になるであろう無線LANシステムについて、米国の動向をレビューした。米国では教育を含めた情報基盤として10数キロの飛距離をもつ無線LANによるインターネットシステムを計画中である。このシステムが完成すれば、学校のみならず、校区のどこからでもインターネットを用いたマルチメディア通信が可能になる。そこで、小規模な無線LANを利用したテレビ会議システムのプロトタイプを作り、公園や学校で実用化に向けた通信試験を行った。その結果、現在の技術でも、軽量化やアクセスポイントの設置などの工夫を行うことによって、教育目的に利用できることが明らかになった。本年度は大学内で試験的なテレビ会議システムの運用を行っている。ソフトウェアシステムのテレビ会議モジュールとしてコ-ネル大学が開発したCU-See Meを使用することにした。実際に動画をネットワークに流した場合の動画のクオリティや、トラフィックの問題などについて研究を進めている。モジュールを組み込む学習環境としてはSuperCardを使用して開発を進めている。AppleScriptと呼ばれるアプリケーション間通信技術を利用して、テレビ会議モジュールであるCU-See Meとの有機的統合をめざしている。当初計画していたシステムに近いものができあがりつつあるが、カラーの動画転送は回線速度との関係があり、実現が微妙である。現時点ではモノクロで実験を進めている。学習支援ソフトファア環境の基礎となる社会的相互作用についても、電子メールを用いた既存のネットワークを用いたもの、アメリカを中心に行われている遠隔地教育プロジェクトを中心にレビューを進めている。本年度は、教育実践に対するインターネットの影響に関して調査研究を行なった。文部省・通産省が実施している100校プロジェクトの現状に関してのアンケート調査を行ない、以下のような結果を得た。インターネットにアクセスできるクライアントの7割はコンピュータ室に設置されている。ただし、6割の学校はクラアントが5台以下という状態にあり、この状態では活用することが困難であると訴える学校もあった。システム管理者の78%は本業との兼任であり、専門の管理者は7%しかいない。また、7%は管理者なしという状態で運用を行なっている。ただし、85%の学校は情報教育委員会などの運用組織によってこの状況をカバーしようとしている。64%の学校では研修を学校独自で行なっており、27%の学校では研修を実施していない。導入・活用の際に苦労したことを質問した結果、最も多かったのが、インターネットで用いられる用語(例:FTP,TCP/IP,IRCなど)が難しいという問題であった。(107校中70校)以下、コンピュータ・その他の機器やソフトなどの使い方が難しい(52)、得られた情報が英語(その他外国語)なので理解するのに苦労がある(51)、欲しい情報がどこにあるのか分からない・探せない(49)、全般に、活用しようという教師の熱意が乏しい(45)と続く。その他、様々な情報が得られた。詳しい内容は、大阪大学人間科学部のサーバ(http : //www.hus.osaka-u.ac.jp/esthome/est home.html)にて、公開している。現在の状態は、導入時の技術的困難や組織的困難を乗り越え、教育利用へ進みつつある途上と判断できるだろう。インターネットの爆発的な普及は教育界にもおよび、合衆国においては、96年度の調査において、全学校の65%がインターネットに接続している。その利用法は、メールなどの継続的なテキストのやりとりに加え、テレビ会議などの映像を用いたやりとりも行われている。

当初本研究では、ISDNを使った有線のテレビ会議システムを用いた学習環境の開発を目指していたが、有線のシステムは利用が一般的になったため、将来技術である無線LANを利用したテレビ会議システムの開発に目標を修正した。合衆国では、5GHz帯を利用して学校と地域を結ぶ無線LANシステムが計画中であり、将来的にこの領域は大きく成長するであろう。開発には現在主流の2.4GHzの無線LANシステムを利用した。実験の結果、数十メートルの範囲内では、無線でテレビ会議ができることが実証された。それ以上の距離になると、画像は1秒に1回ぐらいは書き変わるのだが、音声がとぎれて実用にならなかった。狭帯域での音声の圧縮・展開技術の改良が今後の課題であろう。また、このシステムはインターネットに接続することもでき、無線LANとインターネットを組みあわせたテレビ会議も可能になっている。今後はインターネットに接続した形で教育利用の実証試験を行っていきたい。
農・食・地域をつなぐ空間―アメリカ合衆国ファーマーズマーケットの持続可能性

本研究はアメリカ合衆国で増加を続けるファーマーズマーケット(農産物直売市)が、どのようなメカニズムで運営され、地域社会に定着しているのか、連邦政府・州・都市(郡)の関係に着目しながら検討した。ファーマーズマーケットは主に都市部において地理的に近い地域で生産された新鮮な農産物を提供する重要な拠点になっており、メディアでも積極的かつ好意的に取り上げられている。日本で言う「地産地消」を実現しており、合衆国のファーマーズマーケットは農産物をはじめとした生鮮食品の供給に大きく貢献しながら今後も持続していくと考えられよう。本研究は、アメリカ合衆国においてローカルフードを入手する場であるファーマーズマーケット(農産物直売市)と地域社会の関係の重層性を、連邦・州・都市(郡)およびコミュニティ・レベルのマルチ・スケールで解明することを目指す。アメリカのファーマーズマーケットはこの十数年で全国的に急増し、多くの都市で開催されるようになり、地域社会に着実に定着しつつある。この背景には、1)州政府による小規模農家支援を軸とした農業振興策、2)新鮮で安全な農産物を欲する消費者の要求、3)低所得コミュニティへの食料供給など重層的な要因がある。本研究はファーマーズマーケットと地域社会の結びつきを解明することにより、アメリカ社会における安定的な食料供給および食を通じた社会正義の追求の持続可能性を明らかにすることを目的とする。平成25年度は研究全体の基盤を確保するために、先行研究の整理と資料収集を行った。また、主たる研究対象地域の一つであるミシガン州デトロイト市およびその周辺都市にて現地調査を行い、様々なファーマーズマーケットにおいて聞き取り調査を行った。その結果、デトロイト市内では複数のNPOが協力しながら市内各地でマーケットを開催しており、その主たる購買客層もマーケットの立地や規模に応じて大きく異なることが明らかになった。中でも低所得層を主要な客層としているファーマーズマーケットでは食料配給券(フードスタンプ)で買い物ができるよう工夫されている様子が伺えた。さらに、デトロイト市では中心市街地の外縁部が当初想像していた以上に空き地・放棄地となっており、市内の各所で菜園が見られたものの、数エーカーの規模で展開している農場はほとんど存在しないことがわかった。また、周辺都市では独自の敷地や屋根付き施設を利用しているファーマーズマーケットもあり、多様な形態であることが確認された。本研究は、アメリカ合衆国においてローカルフードを入手する場であるファーマーズマーケット(農産物直売市場)と地域社会の関係の重層性を、連邦・州・都市(郡)およびコミュニティ・レベルでのマルチ・スケールで解明することを目指す。平成26年度は夏期にミシガン州デトロイト市内で現地調査を行い、様々なファーマーズマーケットにおいて聞き取り調査を行った。その結果、デトロイトでは環境系NPOが立ち上げた都市農業支援プログラムが急速に人気を博し、デトロイト市内の各地で主に野菜を育てる活動が展開したことが明らかになった。現在このプログラムに加入する会員は1000人を超え、デトロイト市内で農産物が育てられている土地は140エーカー(約56ヘクタール)に達する。他方で、農業用に利用できる土地は確保しても、農作業に従事する人員が少なく、労働力確保の面では必ずしも安定的ではない。そのため、事業推進者が論じるような「都市農業でデトロイトを養う」といった規模の実践までには至らないであろうと考察した。また、冬期にはオレゴン州ポートランドとカリフォルニア州オークランドにて現地調査を行った。ポートランドは市内に位置する大学の敷地付近を中心として大規模なファーマーズマーケットが展開し、今も増加傾向にある。逆にオークランドはファーマーズマーケットの規模が小さく、一部にみられる都市農業も再開発の影響を受けやすい地域にあり、デトロイトに比べて農地へのアクセスをめぐるせめぎ合いが遥かに強いことが明らかになった。2015年度は合衆国中西部の二州都にて夏期に調査を行った。ウィスコンシン州州都マディソンで開催されるファーマーズマーケット(以下、FMと略)は、州議会議事堂を取り巻く四辺の道路沿いに店舗が出店し、出店者数も100を超えていた。ここでは毎回先着順に出店スポットを埋めていくことで、消費者が歩き回りながら様々な出店者と触れあう仕掛けになっていた。また、出店者資格に厳密な地理的範囲は定めていないものの、基本的には販売出店者=農業者となっており、転売中心の出店者は認めていなかった。他方で、出店者にとってFMは重要な販売先であると同時に、新たな販路開拓のきっかけにもなっていることが明らかになった。ミネソタ州の双子都市では両都市でFMが開催されていたが、それらの性格は大きく異なっていた。ミネアポリスFMは転売専門の出店者も多く、カリフォルニア産のラズベリーなども販売されていた。また、同州にはかつてインドシナ難民が移住したことから、多くの東南アジア系出店者による農産物の販売が見られた。他方で、セントポールFMは明確に「販売出店者=農業者」であることをルールとしており、それぞれがこだわりの商品を販売していた。これらの結果、地理的に近接するFMでも出店者資格の規定や販売品などで明確な差異がみられることが明らかになった。また、年度末にワシントンDCにて短期間の調査を行った。農務省図書館で収集した資料の管見では、合衆国各地で開催されるFMに対して連邦政府は法的支援はほとんど行われてこなかった。

また、持続的農業を支援するNPOで聞き取り調査をしたところ、彼らが議会に働きかける政策提言ではFM自体への支援よりも、持続的農業の実践と安全な農産物を普及することへ力点が置かれていた。このことがひいては各地でのFMの活性化やローカルフードの定着に一層大きな意味を持つ、という大局的な視点から将来展望を描いていることが明らかになった。本研究はアメリカ合衆国で増加を続けるファーマーズマーケット(農産物直売市)が、どのようなメカニズムで運営され、地域社会に定着しているのか、連邦政府・州・都市(郡)の関係に着目しながら検討した。ファーマーズマーケットは主に都市部において地理的に近い地域で生産された新鮮な農産物を提供する重要な拠点になっており、メディアでも積極的かつ好意的に取り上げられている。日本で言う「地産地消」を実現しており、合衆国のファーマーズマーケットは農産物をはじめとした生鮮食品の供給に大きく貢献しながら今後も持続していくと考えられよう。2014年に学内の別組織へ転籍してから、本研究課題を申請した当時の想定をはるかに超える学内業務を負担することとなり、予定していただけの現地調査が十分行えなかった。これは資料調査などに重点をおきつつ、最終年で挽回していきたいと考えている。人文地理学平成27年度は前年にも増して学内での業務が増えたため、前年に引き続きじっくり現地調査に費やす時間が限られることが予想される。そのため、現地調査を効率良く実施することに配慮するとともに、文献・資料の分析に重点を置いて、問題点の整理に務める。最終年度となる本年は、ローカルフード運動が展開するアメリカ合衆国においてファーマーズマーケットおよび都市農業が抱える抜本的な課題を明らかにしていきたい。本研究を申請した当時には想定していなかった学内外の業務が研究課題採択前より始まり、夏以降までそれに時間を取られて、予定していただけの現地調査が十分行えなかった。これは残り2年間で挽回していきたいと考えている。本研究では引き続き文献や資料の収集と研究動向の整理を進めるとともに、現地調査を集中的に行うことで各地のファーマーズマーケットが抱える課題を明らかにしていきたい。申請書に挙げていた項目のうち、論文執筆が予定通り進まず英文校閲への経費執行がなかったため。2年目も継続して現地調査を集中的に実施するとともに、積極的に論文を書いて前年度に予定していた分を執行するようにする。
肝発癌における脾臓の役割解明に関する研究

肝硬変患者は、脾臓内TGF-β1発現が亢進しており、それは脾臓内マクロファージ由来のものであった。さらに、肝硬変患者の脾臓内IL-6、TNF-a、MCP-1発現は低下しており、HGF発現は逆に亢進していた。また、脾摘患者において、肝癌合併・非合併例で比較した結果、肝癌合併例において、肝発癌に関与するIL-6、HGF、IL-8の脾臓内発現が有意に亢進しており、また、HGFの受容体であるc-Metの肝非癌部における発現も有意に増強していた。肝線維化・肝発癌ともに肝脾連関の関与が示唆された。【研究の目的】近年、脾臓による肝線維化促進の機序が解明されつつある。既に我々も、肝硬変患者では肝線維化促進因子であるTGF-βが、脾臓において高発現することを報告している。しかしながら、硬変肝から発生する肝細胞癌において、その発生に脾臓が果たす役割はこれまでほとんど報告されていない。今回、肝発癌や腫瘍増殖過程における脾臓の関与を明らかにするために、ラット肝発癌モデルに対し脾摘、さらにRituximab投与による''内科的脾摘''を行うことにより、肝内の腫瘍発現の推移、免疫担当細胞変動やサイトカインの変化を解析し、肝硬変症例に対し脾摘を適応する際の基礎的根拠となるような知見を得ることを目的とする。【研究実施計画】平成25年度:肝発癌における脾臓の影響について検討【研究実績】臨床検体で肝発癌における脾臓内サイトカイン発現の影響の検討を行った。対象は当科で脾摘術を行った21例で、肝硬変合併肝癌症例7例と、肝癌非合併症例14例に分けた。脾臓中のHGF、VEGF、TNF-α、TGF-β、IL-6、IL-8のmRNA発現をreal time RT-PCRを用い測定し、比較検討を行った。また脾臓、肝非癌部のc-Met発現を免疫組織化学染色の発現強度(1+, 2+, 3+)で評価した。肝癌合併症例では非合併症例に比べ、肝発癌促進作用を有するHGFの脾臓内における発現が有意に高値であった。VEGF、TNF-α、TGF-βは両群間に有意差を認めなかった。炎症性サイトカインで肝発癌促進作用を有するIL-6、IL-8に関しては、IL-6は肝癌合併症例で発現が高い傾向を認め、IL-8は有意に高発現していた。また脾臓内c-Met蛋白発現に関しては両群間に差は認めなかったが、肝非癌部では非合併症例に比べ肝癌合併症例で有意に高発現していた。当科で脾摘術を行った21例で、肝硬変合併肝癌症例7例と、肝癌非合併症例14例に分けた。26年度が最終年度であるため、記入しない。消化器外科26年度が最終年度であるため、記入しない。臨床検体を用いた肝発癌における脾臓の影響についての検討に関して、論文報告した。今後の推進方策:動物モデル(ラット肝発癌モデルに対する脾摘/ Rituximab投与による'内科的脾摘')を行い、肝内の腫瘍発現の推移、免疫担当細胞変動やサイトカインの変化を解析する。
ザクロ石の成長過程の定量的測定を用いた変成作用の前進モデル構築に関する研究

昨年度の装置導入および研究の結果、岩石試料を精密に逐次研削することが可能となった。そこで本年度は四国中央部三波川変成帯から採取した泥質変成岩を試料として研削作業を進めた。一回研削する毎に鏡面研磨を施し、EPMAによって研磨面に露出しているザクロ石粒子の元素マッピングおよび定量分析を行った。二次元の元素マッピングの画像データについては、定量分析から求めた適切なしきい値を設定して二値化し、ピクセル数計測によって、ザクロ石中の特定の化学組成範囲を持つ部分の面積を出すことができた。ザクロ石の外形を球と仮定し、二次元画像で得られる面積は新たに成長したザクロ石の外殻の断面積であると考えて、面積を体積に換算した。これが、ザクロ石中で特定の化学組成範囲を持つ部分の成長量となる。一方、ザクロ石の化学組成は、ギブス法計算によって温度・圧力条件と対応づけることが可能である。したがって、これらのデータを合わせて、ザクロ石の成長量を温度圧力条件に対してプロットすることができた。プロットした結果、ザクロ石は低温時には成長量が少なく、高温時には成長量が多くなる傾向が見られた。この結果は前進モデルで予測されるザクロ石成長挙動と調和的ではあるが、計算結果では高温時により極端な成長量増大が見られる。これが、包有物が多数含まれる二次元断面での計測による誤差の影響かどうかは、三次元の成長量復元の結果によって判断されると考えられる。蓄積中のデータを用いて、次年度に三次元的な成長量測定を試みる予定である。研究初年度である本年度は、岩石試料の研削に精密な制御を導入し、均等な厚さでの逐次スライス研削手法を確立することが主眼であった。このために、岩石薄片用精密研磨機を導入、設置し、試料作成準備・予備研削試験を行った。試料としては、三波川変成帯四国中央部別子地域の泥質結晶片岩を用いた。岩石試料の小片を薄片用スライドガラスに接着し、厚さ2mm程度になるように二次切断を行い、表面がスライドガラスと平行になるまで精密研磨機で研磨してスライス準備を整えた。マイクロメーターを用いて試料の厚さを精密に計測しスライス精度を確認したところ、研削面の傾斜はおよそ50μmの範囲内であることを確認した。したがって約100μm単位での逐次研削は可能であろうと考えられる。次に、試料内部に大部分が含まれるザクロ石結晶の位置特定を試みた。大粒径の結晶では、試料の両面に結晶断面が露出するため特定が容易であったが、小粒径ザクロ石については片側だけにしか断面が出ないため、この方法では特定できない。そこで、鏡面研磨した試料の表面に断面が露出しているザクロ石結晶の輪郭部分を実体顕微鏡で観察してみたところ、結晶外殻の傾き具合(試料内部に向かって広がっているか狭まっているか)を推測することによって、およその判定が可能であろうと思われた。また、化学マッピング分析の結果である画像データを敷居値によって二値化し、特定の化学組成範囲を持つ部分の面積をピクセル数で求めることができることが分かった。次年度以降は、作成した試料をスライスしながらEPMA分析を行い、スライス画像を重ね合わせることによって、ザクロ石がある化学組成で成長した部分の体積を三次元的なデータに基づいて求める手法を構築できるのではないかと考えている。
宇宙進化を決定づける赤外線銀河のガス・ダストと星形成メカニズムの解明

塵の中で激しい星形成を起こしている赤外線銀河の存在は約35年前に発見されたが、科学技術の進歩によって、ようやく赤外線、ミリ波・サブミリ波を用いた詳細な観測が可能となった。しかし、今まで調査された赤外線銀河は観測が比較的容易な極度に明るいものに限られる等、赤外線銀河という種族全体としての物理的性質の理解にはまだ至らない。本研究では、銀河個々の性質と銀河全体が従う経験則に着目することで、赤外線銀河がどのようにして宇宙の星形成史を決定づけているのかを系統的に評価する。
尿細管機能を模倣した液体膜によるイオンの選択輸送

人工腎臓治療をさらに発展させるためには、血液から病因物質のみを取り除くシステムか、透析後の透析液から有用な溶質を回収して血液に戻すという尿細管機能を実現するシステムを構築する必要がある。本研究では、携帯型人工腎臓の開発を目指して、使用後の透析液に含まれているイオン(特にNaCl)と尿素を分離し、イオンを回収することを目的とした。そこで、イオン選択性を有する液体膜を用い、電位差を推進力とした透析システムで、尿素とNaClの分離およびNaClの濃縮を試みた。逆ミセルを形成させた有機溶液およびキレートを溶解させた有機溶液をPTFE膜に含浸させて液体膜として使用した。その結果、逆ミセル液体膜では、電位差を与えなくてもNaClの透過速度は尿素のそれよりも大きくなり、電位差を与えることでNaClの透過速度は向上した。キレート溶液を用いた場合には、逆ミセルより含浸膜の安定性は優れていたが、電位差を与えないと尿素とNaClの透過速度に差が生じなかった。そこで、逆ミセル含浸型液膜を用いて、電気透析を模倣した三連式セルを作製した。外側の二層間に推進力として電位をかけ、一定時間経過後のNaClと尿素の移動量を求めた。NaClは中央の層で増加し、尿素の移動量はNaClに比べて少なかったことから、同様の操作を繰り返すか、同様の装置をいくつか接続して連続操作することによって、NaClと尿素を分離し、NaClを濃縮することが可能になる。以上の結果より、逆ミセル液体膜を用い、電気透析を模倣したシステムによって、NaClと尿素の混合溶液からNaClを分離、濃縮できることが分かった。このような分離システムは、尿細管機能を再現したり、使用後の透析液から有用な溶質を回収し、それを血液に戻すことを可能にする。膜を通しての輸送現象は工学的には溶質の分離・精製技術として応用されている。逆浸透膜、気体分離膜、透析膜などはその良い例である。しかし、共存する多くの溶質中から特定の溶質のみを認識し、選択的に透過できる生体膜と比べると、人工膜の機能は不十分と言わざるを得ない。生体の腎臓は、ある大きさ以下の溶質を糸球体においてすべて濾過した後、尿細管において必要な溶質を再吸収して、残った不要な溶質を濃縮して尿として排出している。透析治療がさらに発展するためには、血液から病因物質のみを取り除く、あるいは透析液や濾液から必要なものを残し、不必要なものを濃縮して除去する必要がある。このような尿細管の機能を有する分離膜が作成できれば、人工腎臓治療は飛躍的に発展することが期待される。当該研究では、溶質の選択的透過を行うために液体膜を利用し、特に、尿素、イオンおよびアミノ酸の分離が可能なシステムを構築することを目的とした。液体膜の選択性を保持したまま透過速度を大きくするために電位を利用した。液体膜には陽イオン性、陰イオン性の界面活性剤を用いて逆ミセルを形成させた有機溶液、および陰イオンおよび陽イオンに対して選択性のあるキレートを溶解させた有機溶液を用いた。液体膜として、疎水性のPTFE膜にそれぞれの有機溶液を含浸させたもの、あるいはそれぞれの有機溶液を親水性の高分子膜で挟んだものを使用した。それぞれの液体膜について、液体膜の形状、尿素およびイオンの透過速度および選択性などについての基礎的な検討を行った。逆ミセル液体膜では、電位差をかけない場合においても、塩化ナトリウムの透過速度は尿素の透過速度の約2倍となった。これは、正抽出速度は同じであったが、塩化ナトリウムの逆抽出速度が大きいためであった。また、逆ミセル溶液を含浸型の液体膜として用いると、液体膜中に水の透過経路ができやすく、液体膜は不安定であった。したがって、逆ミセル溶液を用いる場合には、含浸型でない方がよいと考えられた。キレートを溶解させた液体膜の場合、1.5Vの電位差で、塩化ナトリウムの透過速度は尿素の約2倍であった。キレートの場合は逆ミセルの場合と比べ、含浸型の液体膜でも安定性に優れていた。以上の結果より、液体膜に界面活性剤、キレートを用いたいずれの場合も、イオンと尿素の透過速度に差が現れ、膜透過において選択性があることが分かった。また、それぞれの場合に適切な液体膜の形状も明らかになった。しかし、透過速度は不十分であり、今後さらに装置形状、操作条件を検討する必要がある。

そこで、逆ミセル含浸型液膜を用いて、電気透析を模倣した三連式セルを作製した。外側の二層間に推進力として電位をかけ、一定時間経過後のNaClと尿素の移動量を求めた。NaClは中央の層で増加し、尿素の移動量はNaClに比べて少なかったことから、同様の操作を繰り返すか、同様の装置をいくつか接続して連続操作することによって、NaClと尿素を分離し、NaClを濃縮することが可能になる。以上の結果より、逆ミセル液体膜を用い、電気透析を模倣したシステムによって、NaClと尿素の混合溶液からNaClを分離、濃縮できることが分かった。このような分離システムは、尿細管機能を再現したり、使用後の透析液から有用な溶質を回収し、それを血液に戻すことを可能にする。本研究では、携帯型人工腎臓の開発を目指して、使用後の透析液に含まれているイオン(特に塩化ナトリウム)と尿素の分離に着目し、イオンを回収することを目的どした。そこで、陽イオン選択性、陰イオン選択性を有する液体膜を用い、電位差を推進力とした透析システムで、尿素とイオンの分離およびイオンの濃縮を試みた。昨年度の研究では、尿素とイオンの透過速度および選択性について基礎的に検討した。陰イオン性液膜相には陽イオン、陽イオン性液膜相には陰イオンが取り込まれやすいため、電気透析槽でのイオン交換膜と同様の効果が得られると考えた。そこで本年度は、逆ミセル含浸型液膜を用いて、電気透析を模倣した三連式セルを作製した。外側の二層間に推進力として+1.5Vの電位をかけ、一定時間経過後のイオン濃度と尿素濃度の初期濃度に対する比を求めた。イオン濃度は、外側の層に比べて中央の層で増加した。電位をかけない場合と同様に、尿素は拡散によって移動した。これは、長時間実験により含浸膜が劣化し、液体膜中に水の透過経路ができたためである。また、長時間電位をかけると、塩化ナトリウム水溶液が電気分解する可能性がある。そこで、短時間実験を行った結果、尿素の移動量は長時間実験に比べ少なく、イオン濃度は中央の層で増加したことから、短時間で同様の操作を繰り返す、あるいは同様の装置をいくつか接続して連続的に操作することによって、イオンと尿素を分離することが可能になる。以上のことより、逆ミセル液体膜を用い、電気透析を模倣したシステムによって、塩化ナトリウムと尿素の混合溶液から塩化ナトリウムを分離、濃縮できる可能性が示唆された。このような電解質と非電解質の分離システムは、尿細管機能を再現したり、使用後の透析液から有用な溶質を回収して、それを血液に戻すことに有用である。
精密パラメータ制御プラズマ活用グラフェンナノリボン集積デバイスの創成

二年計画の最終年度にあたる今年度は,初年度においてプラズマCVDによる架橋グラフェンナノリボンの合成機構解明及び、合成条件最適化によって実現した高集積化グラフェンナノリボンデバイスを用いて,高性能光電子デバイスの作製とその動作実証を試みた.まず初めに,作製した高集積グラフェンナノリボン電界効果トランジスタ(FET)に対して光照射を行い、ソース・ドレイン電流の変化を観測した.その結果,光照射後においても光電流が長時間にわたって持続する特異な光応答(Persistent photo conductivity: PPC)を観測した.またPPCのメカニズムを、ゲートバイアス依存,入射光波長依存,X線光電子分光法(XPS),分子間力顕微鏡(AFM)による系統的な実験から調べた.その結果,大気中でニッケル電極表面に生成された水酸化ニッケルがUV光を吸収し,グラフェンナノリボンとニッケル電極の接合界面においてホールがトラップされることによって,グラフェンナノリボンが電子ドーピングを受け,PPCが現れることが明らかになった.またPPCを動作原理とした光照射の情報を記憶する光メモリの動作実証を行った.その結果,光照射によるメモリ書き込みと,パルスゲートバイアス印可によるメモリ消去を組み合わせることによって,光メモリの繰り返し動作の実証に成功した.またこのグラフェンナノリボンを用いた光メモリデバイスが大気中や純水中にいても正常に動作することを確認し,高い対環境性を実証した.29年度が最終年度であるため、記入しない。29年度が最終年度であるため、記入しない。三年計画の初年度において,精密パラメータ制御プラズマ活用グラフェンナノリボン集積デバイスの創成に向け,プラズマ化学気相堆積(CVD)中のグラフェンナノリボン合成機構解明と,その合成機構に基づいたグラフェンナノリボンのウェハスケール集積化合成に取り組んだ.1.プラズマCVD中のグラフェンナノリボン合成機構解明グラフェンナノリボンの合成機構解明に向けて,Ni薄膜を用いた系統的な実験,及び分子動力学シミュレーション及びフェーズダイアグラム計算による理論解析を行った結果,プラズマ照射によるNi中炭素濃度上昇によりNiと基板との濡れ性が向上することで,Niナノバー構造を高温下で維持可能となることが明らかになった.また架橋構造形成ダイナミクスに関して,冷却過程におけるグラフェン析出に伴うNi中炭素濃度の減少によりNi構造が不安定化し,最終的に架橋グラフェンナノリボンが合成されることが明らかとなった.2.グラフェンナノリボンのウェハスケール集積化合成上記の合成モデルに基づきプラズマ照射時間の制御によって高温下におけるNiナノバー構造の安定化と,冷却過程におけるNiナノバーの不安定化による架橋構造形成が両立される条件の同定を行った.その結果,プラズマ照射時間が最適な合成条件においては98%以上の高い効率でグラフェンナノリボンが合成されることが明らかになった.また合成条件最適化によって約1,000,000本のグラフェンナノリボンをウェハースケールで高密度集積化することに世界で初めて成功した.二年計画の初年度にあたる今年度は,プラズマCVD中のグラフェンナノリボン合成機構解明を行う予定であったが,さらに次年度に行う予定であったグラフェンナノリボンの集積化にも着手し,合成機構に基づいた合成条件最適化によりウェハスケールでのグラフェンナノリボンの集積化合成に世界で初めて成功した.以上の成果が得られているため,本研究を"当初の計画以上に進展している"と評価した.二年計画の最終年度にあたる今年度は,初年度においてプラズマCVDによる架橋グラフェンナノリボンの合成機構解明及び、合成条件最適化によって実現した高集積化グラフェンナノリボンデバイスを用いて,高性能光電子デバイスの作製とその動作実証を試みた.まず初めに,作製した高集積グラフェンナノリボン電界効果トランジスタ(FET)に対して光照射を行い、ソース・ドレイン電流の変化を観測した.その結果,光照射後においても光電流が長時間にわたって持続する特異な光応答(Persistent photo conductivity: PPC)を観測した.またPPCのメカニズムを、ゲートバイアス依存,入射光波長依存,X線光電子分光法(XPS),分子間力顕微鏡(AFM)による系統的な実験から調べた.その結果,大気中でニッケル電極表面に生成された水酸化ニッケルがUV光を吸収し,グラフェンナノリボンとニッケル電極の接合界面においてホールがトラップされることによって,グラフェンナノリボンが電子ドーピングを受け,PPCが現れることが明らかになった.またPPCを動作原理とした光照射の情報を記憶する光メモリの動作実証を行った.その結果,光照射によるメモリ書き込みと,パルスゲートバイアス印可によるメモリ消去を組み合わせることによって,光メモリの繰り返し動作の実証に成功した.またこのグラフェンナノリボンを用いた光メモリデバイスが大気中や純水中にいても正常に動作することを確認し,高い対環境性を実証した.二年計画の初年度にあたる今年度は,ウェハスケールでのグラフェンナノリボンの集積化合成に成功した.一方でそれらを用いたデバイス動作はまだ実証されていない.そこで今後はグラフェンナノリボンを用いた電子デバイスを作製し,高性能電子デバイス動作を実証する.29年度が最終年度であるため、記入しない。
骨代謝におけるプロスタグランディンH2合成酵素-2(COX-2)の生理的役割

骨吸収因子ばかりでなく骨形成因子としても注目をあびているプロスタグランディンE2を作る酵素は、プロスタグランディンH2合成酵素(COX)であるが、最近この酵素に、COX-1とCOX-2のアイソマ-が存在することが明らかとなった。そこで、これらCOXアイソマ-の骨代謝における役割の解明を行なった。その結果、IL-1などのサイトカインによる骨吸収作用は、IL-1が骨芽細胞に働きCOX-2のmRNAレベルを上昇させ、その結果としてPGE2産生に伴う破骨細胞数の増加によるものであることが明らかとなった。一方、従来PG合成とは関係がないと考えられてきたIL-6、PTH、ビタミンD3などの破骨細胞形成もCOX阻害剤で抑制されることが明らかとなり、その機序の解明が必須であった。そこで本研究において、私が開発した破骨細胞形成系のような混合細胞培養系においても個々の細胞のCOX活性を生きたまま測定できる計(1995年Biochemistry)を応用して、その機序の解明を行なった。その結果、破骨細胞前駆細胞の破骨細胞への文化にはCOX-2の発現が必須であり、このCOX-2を抑制することによりすべての破骨細胞形成促進因子の効果がなくなることが明らかとなった。さらに骨形成系におけるPGE2の役割を解明する目的で、PGE2の投与を行なったところ新生骨への血管新生が促進することが明らかとなった。そこで、その作用点を調べたところ、COX-2で産生されたPGE2が血管新生因子であるVEGFの産生を促進することが明らかとなった。今後、さらにこの骨形成系でのPGE2の役割い関して検討を加えるつもりである。本年度は、破骨細胞分化におけるプロスタグランジンH2合成酵素(COX-2)の役割を解明するために、1)破骨細胞形成培養系において破骨細胞分化過程におけるプロスタグランジン合成活性の変動、2)破骨細胞形成に影響を与える遺伝子発現とプロスタグランジン合成との関係について検討を行った。その結果、破骨細胞形成系であるマウス骨髄培養系において、骨吸収因子の添加に伴い、COX-2の発現が上昇した。しかも興味深いことに、その活性は破骨細胞前駆細胞である酒石酸抵抗性酸ホスファターゼ(TRACP)陽性単核細胞で顕著に認められた。このことは、破骨細胞形成促進因子である活性型ビタミンD3、腹甲状腺ホルモン(PTH)やインターロイキン6のようにその情報伝達にプロスタグラジン合成を介さないと考えられいる因子の破骨細胞形成が、プロスタグランジン合成阻害剤であるインドメタシンで抑制されることを初めて説明できる結果であった。さらに、PTHによる破骨細胞形成系において詳細な検討を行ったところ、インドメタシンやCOX-2の特異的阻害剤による破骨細胞形成の抑制は、単独では破骨細胞形成を惹起しない量のプロスタグランジンE2により復活した。このプロスタグランジンE2の添加は、破骨細胞形成における重要な遺伝子であるc-fos遺伝子の恒常的発現を引き起こした。以上の結果より、破骨細胞形成におけるプロスタグランジンの役割としては、インターロイキン1を骨芽細胞に作用した際に産生される多量のプロスタグランジンE2のように破骨細胞形成支持細胞(ストローマ細胞)に作用して破骨細胞形成を支持する因子を産生するばかりでなく、破骨細胞前駆細胞で誘導されるCOX-2から産生される少量のプロスタグランジンのように破骨細胞分化そのものを調節していると考えられる。そこで、これらCOXアイソマ-の骨代謝における役割の解明を行った。

その結果、IL-1などのサイトカインにらる骨吸収作用は、IL-1が骨芽細胞に働きCOX-2のmRNAレベルを上昇させ、その結果としてPGE2産生に伴う破骨細胞数の増加によるものであることが明らかとなった。一方、従来PG合成とは関係がないと考えられてきたIL-6、PTH、ビタミンD3などの破骨細胞形成もCOX阻害剤で抑制されることが明らかとなり、その機序の解明が必須であった。そこで本研究において、私が開発した破骨細胞形成系のような混合細胞培養系においても個々の細胞のCOX活性を生きたまま測定できる系(1995年Biochemistry)を応用して、その機序の解明を行った。その結果、破骨細胞前駆細胞の破骨細胞への分化にはCOX-2の発現が必須であり、このCOX-2を抑制することによりすべての破骨細胞形成促進因子の効果がなくなることが明らかとなった。さらに骨形成系におけるPGE2の役割を解明する目的で、PGE2の投与を行ったところ新生骨への血管新生が促進することが明らかとなった。そこで、その作用点を調べたところ、COX-2で産生されたPGE2が血管新生因子であるVEGFの産生を促進することが明らかとなった。今後、さらにこの骨形成系でのPGE2の役割に関して検討を加えるつもりである。
動的ストークスシフトを利用したDNA高次構造の水和過程に関する研究

位置特異的に蛍光プローブを導入した種々のDNA構造の設計と合成を行ない、そして蛍光測定からDNAの構造転移を観測した。本研究で用いた蛍光プロープ6-Dimethylamino-2-acyl-naphthalene(dan)はソルバトクロミズム分子であり、溶媒極性によって蛍光特性が大きく変化することが知られている。そこで、dan誘導体を6-methoxy-2-naphthalic acidからの4段階反応により合成し、デオキシシチジンまたはデオキシグアノシン誘導体上のアミノ基とカップリングさせることにより、dan修飾DNAヌクレオシドを得た。これまでの報告では、シトシンまたはグアニンのアミノ基への修飾は、プローブ分子をDNA二本鎖の主溝、副溝のそれぞれに安定に位置させることができると知られていることに由来する。DNA合成機より得たdan修飾DNAオリゴマーにおいて、主溝にdanを導入した場合に比べ、副溝で蛍光スペクトルがブルーシフトした。これはDNAの溝の幅は、主溝より副溝で狭いため、より疎水的になっていることに由来すると考えられる。また相補鎖にRNAを用いることにより、A型DNA/RNA二本鎖においても検討した。その結果前者のB型DNA二本鎖とは逆の減少が見られ、主溝でブルーシフトが見られた。これはA型構造をとることにより、溝幅の変化が起こりB型とは逆の環境になったためと考えられる。さらに3価カチオンであるヘキサミンコバルトを用いることにより、DNAのB-A構造転移を観測した。その結果、主溝へdanを導入したDNAオリゴマーにおいて、劇的なブルーシフトが観測され、B-A構造転移に伴うDNAの水和環境変化をリアルタイムに検出することに成功した。同様に左巻きz型pNAの水和環境を検討した結果、主溝側ではほぼバルク水中と同様の環境であり、逆に副溝側では十分な疎水環境を持っていることを明らかにした。またCGの繰り返し、左巻きのZ型DNAでは、主溝および副溝の水和環境はB型DNAに比べ、それぞれ相対的に親水環境にあることがわかった。とくに主溝はバルク水と同等のイオン強度であった。ゆえに、Z型DNAでは主溝は存在しないことが実験的に立証した。また副溝も親水的であり、B型DNAに結合するタンパクがZ型DNAとは相互作用しないのも、これらDNAグルーブ微小環境の異なりに由来すると示唆される。位置特異的に蛍光プローブを導入した種々のDNA構造(典型構造および局所構造)の設計と合成を行ない、そして蛍光測定からDNAの構造転移を観測した。本研究で用いた蛍光プローブ6-Dimethylamino-2-acyl-naphthalene (dan)はソルバトクロミズム分子であり、溶媒極性によって蛍光特性が大きく変化することが知られている。同様に左巻きZ型DNAの水和環境を検討した結果、主溝側ではほぼバルク水中と同様の環境であり、逆に副溝側では十分な疎水環境を持っていることを明らかにした。

これはA型構造をとることにより、溝幅の変化が起こりB型とは逆の環境になったためと考えられる。さらに3価カチオンであるヘキサミンコバルトを用いることにより、DNAのB-A構造転移を観測した。その結果、主溝へdanを導入したDNAオリゴマーにおいて、劇的なブルーシフトが観測され、B-A構造転移に伴うDNAの水和環境変化をリアルタイムに検出することに成功した。同様に左巻きz型pNAの水和環境を検討した結果、主溝側ではほぼバルク水中と同様の環境であり、逆に副溝側では十分な疎水環境を持っていることを明らかにした。またCGの繰り返し、左巻きのZ型DNAでは、主溝および副溝の水和環境はB型DNAに比べ、それぞれ相対的に親水環境にあることがわかった。とくに主溝はバルク水と同等のイオン強度であった。ゆえに、Z型DNAでは主溝は存在しないことが実験的に立証した。また副溝も親水的であり、B型DNAに結合するタンパクがZ型DNAとは相互作用しないのも、これらDNAグルーブ微小環境の異なりに由来すると示唆される。