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CAT-空間の距離構造に関する研究

リーマン多様体の曲率と位相に関する研究は微分幾何学の中心的な課題のひとつである。我々はCat-空間及び内部距離空間の構造をその部分多様体論や大域解析学等のあらゆる角度から検討した。リーマン幾何学とアレクサンドロフ幾何学の研究は我が国で活発に行われ、本研究で我々は今年度主としてリーマン幾何学に関し、特にradial curvatureに関する研究を推進した。塩濱は糸川・町頭と共同でRadial curvatureに関するアレクサンドロフートポノゴフノの比較定理を一般化された測地三角形で証明した。更に塩浜は田中実・東海大学教授と共著でコンパクトなリーマン多様体のコンパクト化と最大直径定理との関係を放射曲率の条件下で明らかにした。この結果はSturmの比較定理の非コンパクト版と看做され、非コンパクト多様体の剛性定理を導いた。更に塩濱と猿子は放射曲率の条件下でハウスドルフ収束を調べ、次元が一定ではない極限空間があらわれる崩壊現象を調べた。この空間はアレクサンドロフ空間でもCAT-空間でもない内部距離空間である。斯様な内部距離空間の幾何学が新天地の開拓に結びつく事が期待される。我々はこれらの研究成果を国内外で発表した。北海道大学で平成15年8月に開かれた第50回微分幾何学シンポジウムに塩濱は招待講演『放射曲率の幾何学』を行った。研究協力者の近藤慶は佐賀大学に於て平成15年3月理学博士の学位を取得した。猿子は有界な全曲率を許容する回転面モデルを参照空間とする放射曲率の条件下で非コンパクト多様体のTits距離を導入し、スケーリング極限空間を求めた。この極限空間はアレクサンドロフ空間でもCAT-空間でもない特異内部距離空間である。1.完備リーマン多様体のradial curvatureの下限がMangoldt曲面や回転面のガウス曲率で与えられたとき、Alexandrov-Toponogovの比較定理が成立する事を証明した。2.非コンパクト完備リーマン多様体をradial curvatureの条件下でコンパクト化して、剛性定理が成立する条件を求めた。3.AlexandrovとZalgallerの比較定理を2次元Alexandrov空間上で証明し、応用として空間のスケーリングにおける収束定理を証明した。4.2次元Alexandrov空間に対する漸近的等周問題を比較幾何の観点から解決した。5.正の時刻を固定するとき熱核が上から一様に押さえられるようなコンパクト多様体の列がスペクトル収束するとき、それらから定まる確率過程の列が弱収束することを得た。6.Chern-Simons積分における3次の項の処理を、積分の正規化と上下積分の償いcompensationのアイデアを用いて行い、摂動型漸近評価を得た。7.ある種の無限次元単体における作用素が、可逆性を持つ為の1階微分の項の具体形を求め、さらにそのときの付随する2乗可積分空間を特定した。1.Radial curvature関数を持つモデルによってリーマン多様体のradial curvatureの下限が制約されているときの様々な比較定理が証明される事を初めて示した。F.Dillen教授等が編集したHandbook of Differential Geometryの第八章『Sphere Theorems』を担当し、球面定理に関する今迄の研究成果をレビューした。浙江大学の許洪偉教授との共同研究で、リーマン多様体の位相を部分多様体の立場から研究し、第二基本形式から定まる様々な量を用いて球面定理や剛性定理を証明した。2.曲率の下限に制限をもつ非有界完備リーマン多様体のコンパクト化を研究し、M.グロモフが導入したティッツ理想境界(無限遠点)を空間のスケーリングにより具体化させた。特に塩濱・町頭らが研究を進めている、最短線の接方向の断面曲率に制限をもつリーマン多様体のクラスを扱った。CAT(0)空間における半直線の漸近類を、自然な形で非負曲率・非有界完備リーマン多様体へ導入出来ることは知られていた。今回の研究では、CAT(0)空間を比較空間にもつリーマン多様体のクラスに対し半直線の漸近類が意味を持つことを確認し、多様体の1/t-スケーリング極限がグロモフ-ハウスドルフ位相で理想境界上の錐に収束することを示した。この収束定理により、ティッツ理想境界の内部距離構造を調べ、多様体の位相有限性・endsの個数の評価に成功した。3.拡散過程の系列が必ずしも連続な経路を持たない確率過程に収束する状況を、斜積過程の枠組みで一般的に解明した。詳しくは、ディリクレ形式を用いて定式化するが、有限次元分布の収束には時刻変更の理論を組織的に用いる。豊富な例が含まれる。4.ある単体上の拡散過程に対し、可逆定常分布の具体形を与えた。

更に塩濱と猿子は放射曲率の条件下でハウスドルフ収束を調べ、次元が一定ではない極限空間があらわれる崩壊現象を調べた。この空間はアレクサンドロフ空間でもCAT-空間でもない内部距離空間である。斯様な内部距離空間の幾何学が新天地の開拓に結びつく事が期待される。我々はこれらの研究成果を国内外で発表した。北海道大学で平成15年8月に開かれた第50回微分幾何学シンポジウムに塩濱は招待講演『放射曲率の幾何学』を行った。研究協力者の近藤慶は佐賀大学に於て平成15年3月理学博士の学位を取得した。猿子は有界な全曲率を許容する回転面モデルを参照空間とする放射曲率の条件下で非コンパクト多様体のTits距離を導入し、スケーリング極限空間を求めた。この極限空間はアレクサンドロフ空間でもCAT-空間でもない特異内部距離空間である。
地方債制度の再構築に関する研究

本研究(「地方債制度の再構築に関する研究-市場本位な商品設計・投資家保護制度・管理手法のあり方」)は、経済情勢については一般的に改善の兆しをみせる一方で、国内の自治体の財政状況が厳しさを増すなかで、資金調達の重要な柱の一つと位置づけられる地方債に注目し、地方債の望ましい制度改革と運用システムの再構築を目指したものである。具体的には、多種多様な地方債が発行・流通する米国等諸外国の動向や債券市場の状況などを踏まえ、以下のような研究を行うことを計画した。第1に、新しい金融商品としての地方債の商品設計を行って類型化すること、第2に、かかる多様な地方債の商品化に対応して必要な、投資を促すとともに投資家を保護するための諸制度について検討し、国内の市場に導入する場合のモデルを提示すること、第3に、地方債の高度化に伴い必要となる自治体の地方債管理手法と投資家の投資手法のプロトタイプについて検討すること、の3点である。上記研究の結果、第1に、地方債の発行・流通制度における制度の現状と課題を、市場の観点から明らかにすることで、自治体のIRの重要性を確認するとともに、今後一層の情報開示に取り組むことが多様な投資家を呼び込むために重要であること、第2に、(特に、米国の地方債制度・システムの詳細な内容把握により)地方債の一層の商品多様化と、投資家本位の制度対応が求められること、第3に、地方債市場を維持発展するために、地域金融との関係強化と応分の負担が自治体に求められること、等の知見を得ることができた。平成15年度は、米国地方債の実態及び制度の動向ならびに国内における債券市場や地方債の現状を把握するために、文献およびデータの収集を行った。収集と同時に、国内において、総務省、財団法人地方債協会、自治体、銀行や証券等金融機関の有力アナリスト、生保など機関投資家ならびに格付会社などへの取材や意見交換を通じて、理論的な部分に加えて、極力地方債ならびに債券マーケットの現状と課題を明らかにするように努めた。次に、米国において地方債の発行と流通に関する現地調査を行った。地元自治体や格付会社などを訪問し、最近の米国地方債市場の現状やデイスクロージャーの実態等について取材した。米国地方債マーケットの現状とディスクロージャー制度については、地方財政学会において報告を行うとともに、専門誌に投稿、査読の結果、掲載をみている(投稿論文については、「都市問題」2003年12月号に掲載)。また、本研究では自治体のリスク顕在化の際の制度的展開についても投資家保護の観点から重要であるものと認識していたところであるが、このことに関連して、米国自治体の財政危機時点における再建・再生制度について解析を行った。この解析の成果については、別添記載のとおり学内の紀要に寄稿を行っている。また、上記成果をもとに、書籍の出版を行った。現地調査を踏まえた新しい地方債制度の商品設計などについては、現段階では作業途中である。米国の一般財源保証債やレベニュー債の日本版については、PFI(Private Finance Initiative)との関係整理や使い分けなどに留意しながら、外部専門家と意見交換を行いつつ検討を行っている。償還年限の多様化は一部日本においても実現していることから検討は行わない。またデリバティブについてはアナリスト等の専門家との意見交換を予定している。本研究(「地方債制度の再構築に関する研究-市場本位な商品設計・投資家保護制度・管理手法のあり方」)は、経済情勢については一般的に改善の兆しをみせる一方で、国内の自治体の財政状況が厳しさを増すなかで、資金調達の重要な柱の一つと位置づけられる地方債に注目し、地方漬の望ましい制度改革と運用システムの再構築を目指したものである。研究対象期間である平成15・16年度においては、もっぱら第1および第2の点を中心に研究を進めたかたちとなった具体的には、多種多様な地方債が発行・流通する米国等諸外国の動向や債券市場の状況などを踏まえ、以下のような研究を行うことを計画した。

第1に、新しい金融商品としての地方債の商品設計を行って類型化すること、第2に、かかる多様な地方債の商品化に対応して必要な、投資を促すとともに投資家を保護するための諸制度について検討し、国内の市場に導入する場合のモデルを提示すること、第3に、地方債の高度化に伴い必要となる自治体の地方債管理手法と投資家の投資手法のプロトタイプについて検討すること、の3点である。上記研究の結果、第1に、地方債の発行・流通制度における制度の現状と課題を、市場の観点から明らかにすることで、自治体のIRの重要性を確認するとともに、今後一層の情報開示に取り組むことが多様な投資家を呼び込むために重要であること、第2に、(特に、米国の地方債制度・システムの詳細な内容把握により)地方債の一層の商品多様化と、投資家本位の制度対応が求められること、第3に、地方債市場を維持発展するために、地域金融との関係強化と応分の負担が自治体に求められること、等の知見を得ることができた。
進行磁場における磁性流体界面波のレーザセンサによる計測

進行磁場における磁性流体界面波の定量的な理解のために重要な、交流磁場内における磁性流体界面の不安定波に関して、次のような実験的ならびに理論的研究を行ない、その結果以下の新たな知見を得た。1.界面に垂直な交流磁場内での磁性流体界面の計測発生する不安定波は2種類ある。もう一つは印加磁場の周波数が比較的小さい場合に発生する定在振動波であり、もう一つは磁場の周波数が比較的大きい場合に発生する定常波である。レーザ変位計とパソコンによる振動波の波形測定によれば、振動波は印加磁場とほぼ等しい周波数成分をもつ。また定常波に及ぼす粘性の影響は小さく、この波は磁性流体に定常一様磁場の作用した場合に発生する不安定波と同一のものである。2.界面に垂直な交流磁場内での磁性流体界面の線型安定性解析振動不安定波についてかく乱の波数が特定の値をとる場合に、数値計算による限界曲線が得られた。粘性がある場合、非粘性の場合に比べて粘性減衰によって、系は安定化される。また表面張力の増大あるい磁化率の減少は、ともに系を安定化させる。さらに波数が特定の値の限界曲線の包絡線として、真の限界曲線が得られ、実験結果と比較的良好な一致がみられた。3.界面に平行な交流磁場での磁性流体界面波の計測磁場こう配のある交流磁場内では磁場の周波数と同じ周波数の定在振動波が発生し、周波数の上昇と共に印加磁場の方向に節の数が増加する。また一様磁場内では、定常的な不安定波が発生し、の発生限界値は液深が深いほど、あるいは容器の幅が狭いほど低くなる。以上の研究成果から、交流磁場内での界面不安定波の発生に関して、ほぼ当初の目的を達成したと考えている。燃焼系において生成されるすす微粒子の生成量は,燃料の種類,混合気の当量比,温度,圧力,乱れなどの関数である.従来,燃料の種類,当量比,温度の影響について調べられて来たが,実際の燃焼系が高圧下の燃焼であるにもかかわらず,圧力の影響が不明確であった.本研究はプロパンを燃料とする定容予混合気燃焼を対象とし,従来にない高圧までの実験を行い,上述の各変数の影響を各々分離して表現することを目的とした.実験では直径100mm,厚さ14mmのディスク型燃焼器に過濃予混合気を充てんし,これを周辺に設けた8本の点火栓で同時点火する. 8本の火炎により圧縮される燃焼室中心部の混合気は圧力が最大になった時に燃焼するが,この部分におけるすす生成を燃焼室の上,下面に輝炎からの発光を分光し, 2色法により温度を測定する.すす生成時の圧力は予混合気の初期充てん圧力,温度は不活性ガスの割合ならびに不活性ガスの組成(N_2がAr)の割合を変えて制御した.実験において変化させた当量比の範囲は1.52.7,温度の範囲は12002100,圧力の範囲は0.15.8MPaである.実験の結果,すす生成量は当量比を増加させるほど,温度を低下させるほど,また圧力を増加させるほど増加することが明らかとなった.本結果は従来にない5.8MPaまでの高圧下の実験から得られたものであり,圧縮点火機関やガスタービンなど実際の燃焼系におけるすす生成を考える上で貴重なデータである.
大腸菌の可視光感受性のミュータント

大腸菌のヘム合成の最終段階に働くフェロキレテ-スが欠失した大腸菌株(ΔvisA (=ΔhemH))は、プロトポルフィリルIXの蓄積により可視光感受性になるが、ΔvisAミュータント株から、光に非感受性のrevertantを分離して調べてみると、それらはほとんどが既知の遺伝子、hemAからhemGまでのミュータントであった。本研究では、1)新らたに分離したhemGミュータントを利用して、大腸菌のhemG遺伝子をクローン化、塩基配列を決定した[Nishimura et al. , DNA Res. , 2,1-8(1996)]2)hemA-G以外のミュータントで、ヘム合成に関与するものを分離した。そのうちの一株(H103命名)はhemA遺伝子の近くにマップされた。塩基配列を決定し、226アミノ酸からなるORFを見いだし、この遺伝子をhemKと命名した[Nakayashiki et al. , GENE, 153, 67-70 (1995)]。3)hemGのミュータントを暗所で培養し、青色光を短時間照射するとswimmingを行っていたバクテリアのほとんどがtumblingを始めることを観察した[Yang etal. , PNAS, 93, 2459-2463 (1996)]。4)一連のポルフィリン合成に関与する大腸菌のミュータントは、他の高等生物のポルフィリン合成遺伝子のスクリーニングに有用であった。例えば、シロイヌナズナのhemGcDNAのクローニングを世界に先駆けて成功した[Narita et al. , Gene, 182, 169-175 (1996)]。5)大腸菌においてはヘムによるフィードバック制御があること、stringent応答がヘム合成の制御に大きくかかわっていることを見いだした[Nakayashiki et al. , Mol. Gen. Genet.,印刷中]。1)大腸菌のhemEとhemGの遺伝子をクローン化、塩基配列の決定をおこなった。hemEはuroporphyrinogen III decarboxlase(UROD)の構造遺伝子(353コドンのORF)からなり、ヒトのURODのアミノ酸配列と全域にわたり高いホモロジー(45.4%)があることが分かった。一方、hemGはprotoporpyrinogen IX oxidaseの遺伝子とされているが、DNAの塩基配列からこの酵素のアミノ酸配列を明らかにした。hemA-G以外の変異株で、ヘム合成に関与していると考えられるものもを新たに2株分離した。そのうちの一つの変異株(H103)はhemA遺伝子の近くにマップされた。塩基配列を決定し、226アミノ酸からなるORFをhemKと命名した。もう一つの変異株(R714)もポルフィリン合成のいずれかのステップに関与する遺伝子に欠損があると考えられるが、この変異は小原らのラムダファージクローンの_<460と>461によって相補されることがわかった。2)visA(hemH)遺伝子を欠失した変異株は全くヘムを作れないが、グルコースを含む完全培地上でminute colonyを作る。この表現型に着目し、ヘミンを培地に加えて、プロトヘム以前のステップに欠損が生じたものは排除するようにした上で、visA欠失株と同様の表現型を示すミュータントの分離を試みた。35株の新しい変異株の分離に成功し、このうち、変異株_<2-20と>10について遺伝子解析を進めた。

その結果、♯2-20はリボフラビン合成に関与する遺伝子のribHにホモロジーがあり、また♯-10はB. subtilisのgerC遺伝子とホモロジーがあった。得た変異株の多くはエネルギー代謝と何等かの関わりをもつ遺伝子由来であることがわかった。大腸菌のヘム合成の最終段階に働くフェロキレテ-スが欠失した大腸菌株[ΔvisA(=ΔhemH)]は、プロトポルフィリンIXの蓄積により可視光感受性になるが、こうしたΔvisAミュータント株から、光に非感受性の復帰変異株を分離して調べてみると、それらはほとんどが既知の遺伝子であるhemAからhemGの変異株であった。本研究では、1)このうち大腸菌ではhemEとhemGの遺伝子の解析がなされていなかったので、分離した変異株を用いてこれら二つの遺伝子をクローン化、塩基配列の決定をおこなった。その結果、uroporphyrinogen III decarboxylase(UROD)の構造遺伝子であるhemEは353コドンのORFからなり、ヒトのURODのアミノ酸配列と全域にわたり高いホモロジー(45.4%)があることがわかった。protoporpyrinogen IX oxidaseの遺伝子とされているhemGは、大腸菌染色体地図上でrrnA遺伝子のすぐ近くの86分に位置し、rrnA遺伝子と同様時計方向に転写されること、この遺伝子は181アミノ酸、約21kDaからなる蛋白質をコードすると、N末端領域にflavodoxin motifを見い出した。2)hemA-G以外の変異株で、ヘム合成に関与していると考えられる変異株も2株新たに分離できた。そのうちの一つの変異(H103)はhemA遺伝子の近くにマップされ、その遺伝子をhemKと命名した。塩基配列の解析結果、226アミノ酸からなるORFが見いだされ、hemA-prfA-ORF226(hemK)のオペロンを形成していることを明らかにした。3)hemA遺伝子欠損株を調べている際、培地にクロラムフェニコールやテトラサイクリンを添加すると生育が回復することを見いだした。生育の回復は抗生物質の濃度に依存し、ポルフィリン合成の促進に起因することが解った。大腸菌におけるヘム合成にはタンパク質合成と共通の基質であるグルタミルtRNAが使われるが、この生育回復の現象はタンパク質合成を阻害することで、より多くの基質がポルフィリン合成に使われるようになるためと考えた。
ユビキタスジェノタイピングによる生物多様性ホットスポットの包括生物保全

生物多様性ホットスポットに生育する絶滅危惧植物を対象に、野生に生育する全個体の植物体の生育場所、繁殖状況、遺伝子型を明らかにすることで、絶滅危惧植物の状況を正しく評価し、適切な保全策を構築することを目的とした。本研究のアプローチにより、絶滅危惧種では、現存する個体数よりも遺伝的に評価した個体数が著しく少ない場合が多いことが明らかになった。また,種を構成する局所集団ごとに遺伝的分化しているため、それぞれを個別の保全対象とすべき種や、更新個体の遺伝解析により未知の繁殖個体の存在が明らかになった種など、生物保全上有用な情報が得られた。自然環境に対する人為インパクトの増大に伴って、多くの生態系で生物多様性が低下しつつある。本研究では、現存する個体が、数十、あるいは数百個体にまで減少した種が集中して分布し、生物保全が急務となっている生物多様性ホットスポットとして、小笠原諸島と阿蘇山系を調査サイトとして取り上げる。これらのサイトに残存する絶滅危惧植物のうち30種について、すべての個体を対象に遺伝子型を決定し、遺伝子型の包括的モニタリングに基づく新たな生物多様性保全のアプローチを試みる。生育地に残存する種内の全個体の遺伝子型を決定することを本研究ではユビキタスジェノタイピング(ubiquitous genotyping)と呼ぶ。ユビキタスジェノタイピングを行う事によって、絶滅危惧種の種内に保持されている遺伝的多様性、遺伝構造、ジーンフロー、集団の遺伝的分化、交配様式と近交弱勢の有無等に関する評価を行う。また、ただ単一の種を対象とするにとどまらず、地史的履歴の異なる研究サイトに生育する、絶滅危惧状況、生活史戦略、進化的履歴の異なる多数の種を解析対象にする事により、生物多様性保全に関してより一般的な理解を得ることを目的とする。多くの絶滅危惧種が集中して生育するホットスポットである小笠原諸島と阿蘇山系において、個体数が数十数百程度にまで著しく減少した絶滅危惧種を対象に、包括的な全個体サンプリングと遺伝子型の決定を行った。研究は、(1)個体レベルの具体的な生育状況調査、(2)遺伝マーカー(マイクロサテライト)開発、(3)全個体サンプリング、(4)全個体の遺伝子型決定、(5)各種遺伝解析と総合評価の段階に従ってすすめるが、平成20年度は、小笠原諸島と阿蘇山系において、上記に示した研究の(1)-(5)段階のうち、(1)個体レベルの具体的な生育状況調査と、(2)遺伝マーカー(マイクロサテライト)開発を行った。また、小笠原諸島に生育する一部の種については、京都大学と首都大学東京の共同研究等で既にマーカー開発が進んでいたので、これらの種では、(3)全個体サンプリングと共に遺伝解析も開始した。個体レベルの遺伝情報を明らかにしうるマーカー開発が終了した種のうち、ハザクラキブシ、ナガバキブシ、オオバシマムラサキ、タブガシ、ハナシノブ等に関しては、遺伝マーカーを論文の形で公表した。更に、開発した遺伝マーカーを用いた情報から、絶滅危惧種に関する、集団内・集団間の遺伝構造や種分化のプロセスを明らかにすることができた。また、種間及びホットスポット間でメタ解析を行う事により、阿蘇山系と小笠原諸島それぞれに特有の遺伝構造を見いだすことができた。これは、今後のホットスポット保全に関して有用な知見となりうるものと考える。研究成果は日本生態学会、進化学会、日本森林学会等の大会で発表したが、そのうちハナシノブの成果はポスター優秀賞を得た。プロジェクト全体の意義と成果に関しては第56回日本生態学会大会でシンポジウム「ユビキタスジェノタイピングによる生物多様性ホットスポットの包括的生物保全」を企画し、公表した。研究は、(1)個体レベルの具体的な生育状況調査、(2)遺伝マーカー(マイクロサテライト)開発、(3)全個体サンプリング、(4)全個体の遺伝子型決定、(5)各種遺伝解析と総合評価の段階に従ってすすめるが、平成21年度は、小笠原諸島と阿蘇山系において、上記に示した研究の(1)-(5)段階のうち、(1)個体レベルの具体的な生育状況調査と、(2)遺伝マーカー(マイクロサテライト)開発を引き続き行うとともに、平成20年度、21年度にマーカー開発が終了した種に関しては、(3)全個体サンプリングと(4)全個体の遺伝子型決定を行った。遺伝解析の結果、それぞれの対象種の種ごとに特徴ある遺伝構造が見いだされ、今後の保全活動に有益に活用できる情報を得ることができた。遺伝解析に加えて、「絶滅のおそれのある野生動植物の種の保存に関する法律」で国内希少野生動植物種に指定されているハナシノブなど、保全上、特段の注意を払う必要のある種に関しては、訪花昆虫相や結果率など生態や個体群動態に関する調査も行った。

ハナシノブに関しては、結果率を制限する主要因が光環境であり、それを改善することで、近年衰退の傾向にある個体群の繁殖パフォーマンスを促進できることを明らかにした。小笠原に野生に20個体未満のみ生育するハザクラキブシについては、野生個体とそれに由来する芽生え集団を対象にユビキタスジェノタイピングを行った結果、未発見の野生個体が存在することが予測できた。このことは、全個体遺伝子型解析の絶滅危惧種保全への新たな応用方法として注目に値するものである。多くの絶滅危惧種が集中して生育するホットスポットである小笠原諸島と阿蘇山系において、個体数が数十数百程度にまで著しく減少した絶滅危惧種を対象に、包括的な全個体サンプリングと遺伝子型の決定を行った。研究は、(1)個体レベルの具体的な生育状況調査、(2)遺伝マーカー(マイクロサテライト)開発、(3)全個体サンプリング、(4)全個体の遺伝子型決定、(5)各種遺伝解析と総合評価の段階に従ってすすめるが、平成2年度は、小笠原諸島と阿蘇山系において、上記に示した研究の(1)-(5)段階のうち、(1)個体レベルの具体的な生育状況調査と、(2)遺伝マーカー(マイクロサテライト)開発を引き続き行うとともに、すでにマーカー開発が終了した種に関しては、(3)全個体サンプリングと(4)全個体の遺伝子型決定を行った。小笠原諸島においては、これまで分析を進めてきたシロテツ属・ムラサキシキブ属・タブノキ属に加えて、トベラ属とクロキ属植物についてマイクロサテライトマーカーを新たに開発し、集団遺伝学的解析を行った。その結果、各属の絶滅危惧種はそれに近縁な普通種と同程度の遺伝的多様性が集団内にあることが確認された。これはノヤギの食害によって最近急速に個体数が減少したことにより、現在もまだ祖先集団が有していた遺伝的多様性が集団内に残存していることによるものと推定される。阿蘇ではハナシノブとマツモトセンノウのDNAサンプリングおよび野外調査を行った。絶滅危惧植物個体群の持続的維持に重要である繁殖過程を明らかにするために、ハナシノブとマツモトセンノウを対象に受粉実験を行い、両種とも自家和合性があることが確認された。訪花および結実は2009年より悪く、送粉者も少なかったが、管理により良好な草原が維持されている自生地では繁殖状況が良いことが明らかになった。また、フィールドにおける個体の生育状況を効率よくモニタリングするために、ラジコンヘリを用いた探索も試みた。小笠原諸島では、これまで採集と解析を継続的に行ってきたムラサキシキブ属やトベラ属について集団と個体数を補充して遺伝子型を決定するとともに、セキモンウライソウ、タイヨウフウトウカズラ、コキンモウイノデ、ムニンミドリシダについても解析を行った。父島ではシロトベラとオオミトベラの間で交雑している可能性が高いことが確認された。また、マルバタイミンタチバナとムニンノキに関しては、本研究による網羅的採集の過程によって無人島域にこれまで認識されていなかった個体群があることが判明した。シロテツ属・ムラサキシキブ属・タブノキ属・トベラ属・クロキ属植物については計画通りユビキタスジェノタイピングによる解析が完了し、現在論文のとりまとめと投稿中を行っている。
アンデス高地先住民の生活の思想

前年度には、文献調査及び予備的現地調査を実施した。これを基に、本年度はボリビアにおける長期現地調査を実施した。この現地調査においては、参与観察の手法に基づき複数の組織(NGO、ラジオ局)において活動に同伴し、これらの機関の補助的業務を自ら担いながら、民族誌的データの収集に尽力するとともに、アイマラ先住民の人々が自らをどう見ているかに関する、現地でも限られた人間しか存在を知らない未公刊の貴重なラジオドラマ資料(脚本、音声資料、視聴者のお便りなど)へのアクセスを多数得るとともに、重要関係者への聞き取り調査を実施し、また現地で公刊されたおもにアンデスの言語人類学と社会人類学に関する文献のさらなる収集作業を行った。これらはすべて日本国内ではアクセスできないデータであるため、今回の現地調査は有意義な結果を上げることができた。これらの作業と並行して、博士論文執筆のための大枠の構成・目次案を定め、研究指導教官および現地で研究上のアドバイスを受けている研究者との打ち合わせを行った。また、アイマラ語での聞き取りデータについては文字起こしを進め、正確さを期すためネイティブの話者との確認作業を継続した。本年度の調査で収集した題材を基にして、博士論文に関するコロキアムを次年度に実施する予定である。また、次年度において、日本では日本ラテンアメリカ学会(使用言語は日本語)で、また現地ではボリビアの国立民族学・民俗学博物館で開催される民族学の年次大会(使用言語はスペイン語)で、本年度の研究成果を部分的に報告することを予定している。昨年度は、以下の研究活動を行った。本研究は地域研究の中でも人類学の手法を中心として長期の現地調査に基づいて成果を出すことを予定しているため、長期の現地調査を二年目に行うこととして、一年目はその準備作業に取り組んだ。具体的には、まず、本研究分野の関連する文献のサーベイを広範に行い、現時点での既存研究の到達点を確認するとともに、そこにおいて残された課題と研究員自身の研究内容の位置付けがどのようであるかを見極める作業を行った。これは、アンデス高地部における先住民運動の展開、ペルー及びボリビアの農村の先住民の生活、特にボリビアにおけるオーラル・ヒストリーの手法の展開、アンデス地域における国際機関及び各種NGOによる先住民に対する支援などの分野にまたがったサーベイを行った。次に、8月に現地を1ヶ月訪問し、現地の共同研究者と次年度に向けた研究に関し、調査地、訪問先、調査手法などについての打ち合わせを行うとともに、本件に関連する諸機関から次年度の受け入れ可能性の確認を取り、また現地での文献収集を行った。最後に、本調査はアンデス先住民言語(ケチュア語及びアイマラ語)の一定の知識を必要とするため、現地滞在時を中心として以前から取り組んでいたアンデス先住民言語の研鑽に継続して取り組んだ。これらの調査・研究は、特別研究員採用以前からの研究活動との密接な関連の中で行い、これらの研究成果をまとまった論文の形で公表することができた。これらを総合すると、初年度の研究活動は研究奨励金を十分に活用して成果を上げることができたと考える。
ジョージ・ミュラーのキリスト教福祉思想が日本社会事業へ与えた影響に関する研究

本研究は、ジョージ・ミュラー(1805-1898)の福祉思想が日本の社会事業形成へ与えた影響に関する総合的研究である。ミュラーという人物については、孤児院創設者、キリスト教伝道者、として知られているが、社会福祉研究の中では、十分に検証されることがなかった。本研究では、1)ミュラーの人物像を学術的・実証的に解明する。その際、彼が強く影響を受けた敬虔主義思想を明らかにする。また彼もその運動のリーダーであったブラザレン運動を実証的に解明する。2)ミュラーが日本に及ぼした影響について、山室軍平、石井十次の関連から日本近代の社会事業形成の影響の全体像を解明する。
フゾバクテリウムLPS-蛋白質複合体による免疫機構活性化の研究

口腔嫌気性菌Fusobacterium nucleatum(フゾバクテリウム)表層から分離したリポ多糖(LPS)-蛋白質複合体(LP複合体)についてヒト好中球に対する炎症性サイトカインの産生誘導を検討した。またLP複合体の蛋白質成分を分離し、部分的なアミノ酸配列を解析した。1. LP複合体によるヒト好中球の炎症性サイトカイン産生誘導。ヒト末梢血好中球にLP複合体を添加して培養し、1、6,24時間後の培養上清中のサイトカインをELISA法にて測定した。LP複合体0.01μg/ml添加により、インターロイキン(IL)-8は1時間後に、腫瘍壊死因子(TNF)-αは6時間後に産生が誘導された。IL-1βはLP複合体1μg/ml添加において、6時間後に誘導が認められた。LP複合体は同菌LPSに比較し2ないし5倍のサイトカイン産生誘導能を示した。IL-6およびインターフェロンγの好中球からの産生は認められなかった。RT-PCRによるサイトカインmRNA発現の解析においても同様の結果が得られた。2. LP複合体蛋白質成分の解析。複合体を構成する蛋白質成分をSDS-ポリアクリルアミド電気泳動で分離後、PVDF膜に転写しN末端のアミノ酸配列を分析した。分子量4キロダルトン(kDa)、5kDa、6kDaおよび10kDaポリペプチドのアミノ酸配列はフゾバクテリウム外膜蛋白質FomAのアミノ酸配列と一致したことから、これらはFomAの分解産物であると考えられた。他の蛋白質成分(16k、25k、35k、45kDa)のアミノ酸配列はFomAとは異なっており、これらの成分の遺伝子クローニングを現在進行中である。歯周病関連菌Fusobacterium nucleatum(フゾバクテリウム)からリポ多糖-蛋白質複合体(LP複合体)を分離し、炎症反応への関連をヒト好中球ケミルミネッセンス(CL)反応、およびマウス腹腔内投与後の炎症性サイトカインの動態から検討した。1.フゾバクテリウムLP複合体の構成成分。菌体のヘプチルチオグルコシド抽出物を、プロテイナーゼK処理しDEAEイオン交換カラム法により、LP複合体を分離した。SDS-PAGE分析の結果、LP複合体はリポ多糖のバンドに加え8kDaから50kDaにかけて7ないし8本のポリペプチドバンドを含んでいた。2.LP複合体刺激による好中球活性化。LP複合体は血清非存在下においてヒト好中球を直接に刺激し、スーパーオキサイドを産生させた。すなわちLP複合体1μg/mlの刺激により好中球にCL反応が認められた。リポ多糖による直接刺激ではCL反応は認められなかった。ホルミルペプチド刺激CL反応に対するプライミング効果は、1%血清存在下において、リポ多糖およびLP複合体とも0.1μg/mlで認められた。3.LP複合体投与マウスの炎症性サイトカイン。マウス腹腔に1μgのLP複合体を投与した場合、腹腔内および血清中のINF-γ、IL-1β、およびIL-6の濃度が上昇し、6ないし12時間後にピークとなった。72時間後にほぼ投与前のレベルに戻ったが、サイトカイン濃度の上昇は、リポ多糖のみを投与した場合に比較して顕著であった。以上の結果からフゾバクテリウムLP複合体は、免疫担当細胞を活性化しリポ多糖よりも強力な炎症因子として作用することが示唆された。また好中球においては、情報伝達経路がLP複合体とリポ多糖では異なる可能性が考えられた。
神経回路トポロジーと神経活動パターン及びその情報表現との関係性について

神経情報表現に密接な関係がある神経回路の動的な性質は、しばしば議論される回路を構成する個々の細胞の膜特性はもちろん回路構造にも依存すると考えられることから、神経回路の構造と生成される神経活動パターンの関係を調べた。回路構造を統計的に特徴付けるには十分に大きな要素数で構成される回路を扱う必要があることから、計算機上で大規模な神経回路モデルを効率よく扱う方法が不可欠になる。そこで、PCクラスタと呼ばれる並列計算システムで大規模な神経回路モデルを分散的に処理するためのアルゴリズムの開発を行った(このプログラムは本研究課題以外の研究にも適用されている)。このプログラムを用いて大規模神経回路のシミュレーションを行い、in vitroやin vivo環境でのカルシウムイメージングによる実験で報告されている神経活動データ(Ikegaya et al.,2004,etc)との比較を考え、自発発火活動時の神経活動について調べた。回路構造の規則性を表す統計量をパラメータとすると、規則的な構造の神経回路では発火率が5Hz程度のθ周波数で変動する傾向が強く見られ、規則性が少なくなるにつれこの発火率の振動は弱くなった。にもかかわらず、個々の神経細胞の発火活動の規則性を解析すると、規則的な構造の神経回路が最も不規則なスパイク活動を示すことが確認された。また、スパイク相互相関の典型的な時間スケールも、この回路構造のパラメータに依存すること等がわかっている。より詳細な解析は今後も必要とするが、回路構造の規則性と神経活動の時空間パターンには有意な相関関係が存在すると考えられる。
梗塞巣遠隔部における神経細胞活動電位の経時的変化と組織学的変性

ラットのMCA閉塞モデルを用いた.このモデルでは体性知覚領野を含む大脳皮質が梗塞に陥るが,視床は梗塞には陥らない.しかし,視床と梗塞に陥った大脳皮質とは密接な神経連絡があり,大脳皮質後時間の経過とともに視床は退行変性に陥った.すなわち梗塞後4日後では光顕的には大きな異常は認めないもののTTC染色にて染色性の低下を認め,7日後より光顕的に視床神経細胞は変性に陥り,14日後にはさらに変性は進んだ.視床にある知覚中継核VPL神経細胞より微小電極を用いてsingle unit activityを記録し電気生理学的に神経機能を評価した.対側上肢を電気刺激を行ないこの刺激に応答するVPL神経細胞のsingle unit responseを測定し,視床VPL神経細胞のsynaptictransmissionの変化を経時的に検討した.sham controlでは30Hzでの電気刺激下でのVPL神経細胞のfiringrateは約0.7spikes/stimulusであったが,MCA閉塞後1日後では約0.1と著明に低下した.しかし,4および7日後には0.4から0.5に回復した.。しかし,14日後には再び約0.1と減少した.VPL神経細胞にしぼった機能の面からはこの様に特徴ある変化を生じることが明らかとなった.ラットのMCA閉塞モデルを用いた.このモデルでは体性知覚領野を含む大脳皮質が梗塞に陥るが,視床は梗塞には陥らない.しかし,視床と梗塞に陥った大脳皮質とは密接な神経連絡があり,大脳皮質後時間の経過とともに視床は退行変性に陥った.すなわち梗塞後4日後では光顕的には大きな異常は認めないもののTTC染色にて染色性の低下を認め,7日後より光顕的に視床神経細胞は変性に陥り,14日後にはさらに変性は進んだ.視床にある知覚中継核VPL神経細胞より微小電極を用いてsingle unit activityを記録し電気生理学的に神経機能を評価した.対側上肢を電気刺激を行ないこの刺激に応答するVPL神経細胞のsingle unit responseを測定し,視床VPL神経細胞のsynaptictransmissionの変化を経時的に検討した.sham controlでは30Hzでの電気刺激下でのVPL神経細胞のfiringrateは約0.7spikes/stimulusであったが,MCA閉塞後1日後では約0.1と著明に低下した.しかし,4および7日後には0.4から0.5に回復した.。しかし,14日後には再び約0.1と減少した.VPL神経細胞にしぼった機能の面からはこの様に特徴ある変化を生じることが明らかとなった.
重金属と半金属を同時に不溶化可能な土質の物理的・化学的特性の解明

不溶化資材による鉛と半金属(Sb)の同時不溶化技術を土壌中において確立するため,土壌中での不溶態の形成機構および不溶態形成に適した土壌条件を解明することを試みた.土壌中の間隙量が多く,水分飽和度が高いほど,資材による鉛不溶態形成量が高まった.また鉛移動性が高い土壌においても不溶態形成によって鉛の系外への移動が抑制されることが示された.以上のことから,土壌中の重金属類は,移動する過程で資材と反応し不溶態が形成されることが実証された.不溶態形成量は,土壌の間隙量が多く,飽和度が高いほど多くなる.そのため,実汚染土壌において雨水等の浸透が生じた場合でも,重金属類の移動が抑制されると示唆される.銃弾には,鉛以外にもアンチモンも含まれるため,射撃場現場では半金属汚染への対策も求められている.不溶化は,溶解性の高い形態から不溶態へ重金属を形態変化させ,重金属類の拡散を防止する方法である.リン資材と酸化鉄資材によって,同時に鉛と半金属の不溶態が形成されることが知られている.ところが,鉛と半金属の不溶態形成量は,土中全量の一部に留まる.この不完全な不溶態形成の理由は,「土質の違い」と説明されてきたが,土質の“何"が,不溶態形成を制限しているか未知なままである.そこで,本研究では,不溶態形成に適した土質の物理的・化学的条件を解明し,鉛と半金属を同時に不溶化可能な技術の確立を目指す.平成25年度は,土壌水分条件を物理的要因として,有機物と酸化鉱物を化学的要因として,鉛-アンチモン不溶態形成量との関係解明を試みた.物理的要因の実験では,実汚染土に不溶化資材を添加し,水分飽和度を10%, 50%, 100%とした処理,湛水条件とした処理を設けた.所定期間静置後,XRDにて鉛不溶態を,XPSにてアンチモン不溶態を分析した.土壌中全鉛量に対する鉛不溶態形成量は,100%水分飽和土においても20%程度であったが,湛水処理により40%に高まった.このことから,土壌中で水分移動/循環が生じることで鉛不溶態が形成されやすいことが明らかとなった.化学的要因の実験では,有機物,鉄酸化物を特異的に除去した未汚染土に塩化鉛を添加した模擬汚染土を準備し,不溶化資材を加えた場合と加えない場合での不飽和状態での透水試験を行った.資材を添加しなかった土壌では,鉛移動量が高かった.しかし,この土壌に資材を添加することで,鉛移動量は,大きく減少した.またXRDによる鉛不溶態形成量の結果から,資材の添加によって減少した鉛は,鉛不溶態形成によって説明することができた.重金属と半金属の両者によって汚染された土壌の対策技術の確立が期待されている.リン資材と酸化鉄資材によって,同時に重金属と半金属の不溶態が形成されることが知られているが,重金属と半金属の不溶態形成量は,土中全量の一部に留まる.本研究では,不溶態形成に適した土質の物理的・化学的条件を解明し,鉛と半金属を同時に不溶化可能な技術の確立を目指す.平成26年度は,砂・粘土組成率と不溶態形成との関係解明を試みた.実験は,砂と粘土をそれぞれ0:100, 25:75, 50:50, 75:25, 100:0の割合で混合した土壌に鉛とアンチモンを添加した模擬汚染土壌を供試した.模擬汚染土壌に不溶化資材を添加した処理と添加しなかった処理をそれぞれ設けた.底部に等間隔の灌水孔を設けたアクリル製ポットを用い,上向流の不飽和透水試験を行った.通水量は,1ヶ月間の降水量相当とした.通水試験後,通水によって移動した鉛量と模擬汚染土中で形成された不溶態量を評価した.資材の有無にかかわらず土壌中の粘土含有比率の増加に伴いPbの移動量は少なくなった.また,資材を添加することでPb移動量は資材未添加よりも大幅に抑制された.不溶態の形成量は,砂のみでは添加した鉛の40%であったが,粘土含有比率が高まるにつれて増加し,粘土のみでは約65%となった.以上のことから,不溶化資材による鉛の不溶化処理において,土壌の間隙および粘土含有比率の考慮が不溶化処理効果向上につながると考えられた.重金属と半金属の両者によって汚染された土壌の対策技術の確立が期待されている.リン資材と酸化鉄資材によって,重金属と半金属の不溶態が同時に形成されることが知られているが,重金属と半金属の不溶態形成量は,土中全量の一部に留まる.本研究では,不溶態形成に適した土質の物理的・化学的条件を解明し,鉛と半金属を同時に不溶化可能な技術の確立を目指す.昨年度までに,以下のことを明らかにした.すなわち,土壌中での水分移動/循環が生じることで鉛不溶態が形成されやすいこと,鉛の不溶化処理において,土壌の間隙および粘土含有比率の考慮が不溶化処理効果向上に繋がることを示した.平成27年度は,土壌中での鉛の移動性と不溶態形成との関係解明を試みた.土壌に化学的な処理を加え,鉛の移動性が異なる模擬汚染土(50000mg-Pb/kg)を作製し,模擬汚染土壌に不溶化資材を添加した処理と添加しなかった処理を設けた.

上向流の不飽和透水試験における鉛の移動量と鉛不溶態形成量との定量関係を評価した.鉛の移動性が高い土壌ほど鉛不溶態である緑鉛鉱の形成量が多かった.緑鉛鉱の形成量は,資材添加よる鉛移動抑制量と同程度かそれよりも多く,不溶態の形成によって,鉛浸透が抑制されることが実験的に示された.以上のことから,実汚染土壌でも資材が十分に混和されていれば,重金属の移動性が異なる土壌であっても雨水等の浸透によって重金属不溶態が形成され,それ以上の移動が抑制されることが示唆された.不溶化資材による鉛と半金属(Sb)の同時不溶化技術を土壌中において確立するため,土壌中での不溶態の形成機構および不溶態形成に適した土壌条件を解明することを試みた.土壌中の間隙量が多く,水分飽和度が高いほど,資材による鉛不溶態形成量が高まった.また鉛移動性が高い土壌においても不溶態形成によって鉛の系外への移動が抑制されることが示された.以上のことから,土壌中の重金属類は,移動する過程で資材と反応し不溶態が形成されることが実証された.不溶態形成量は,土壌の間隙量が多く,飽和度が高いほど多くなる.そのため,実汚染土壌において雨水等の浸透が生じた場合でも,重金属類の移動が抑制されると示唆される.平成26年度の研究目的は,土壌中での砂・粘土含有比率と鉛・アンチモン不溶態形成量との関係を解明することであった.鉛については,通水試験による移動量と不溶態形成量を評価し,粘土含有比率が高いほど不溶態形成量が高まることを明らかにできた.しかしながら,アンチモンについては,不溶態形成量の評価まで至っておらず,やや遅れていると判断した.土壌学,地盤環境学平成26年度の積み残し課題であるアンチモンの分析を継続して行っていく.また,平成26年度の結果から,不溶化資材による鉛不溶態形成では,土壌溶液中に溶存している鉛イオン以外に土粒子に吸着している鉛も不溶態となったことが示唆された.このことについて,どのようなメカニズムで土粒子に吸着した鉛が不溶態となるのか明らかにしていく予定である.平成25年度の研究目的は,土壌水分条件と砂・粘土組成率を物理的要因として,鉛およびアンチモン不溶態形成量との関係を解明することであった.土壌水分条件については,土壌中で水分移動/循環が生じることで鉛不溶態が形成されやすいことを明らかにした.砂・粘土組成率については,実施することができなかった.しかし,当初平成26年度に計画していた化学的要因の解明を前倒しで実施し,不溶化資材に添加によって鉛移動量が減少したのは,鉛不溶態形成によることを不飽和条件での透水試験とXRDによる分析から明らかにできたので,おおむね順調に進展していると考えた.平成26年度では計画よりも消耗品費が下回った.しかし,次年度使用額は,10,000円未満であり,およそ計画通りに執行できたと考えている.平成26年度は,平成25年度に実施することができなかった砂・粘土組成率と不溶態形成量との関係解明を試みる.また,アンチモン不溶態形成については,XPSによる分析を試み,エネルギーシフトを確認することができたが,アンチモン不溶態形成を明確にすることまではできなかった.引き続きアンチモン不溶態形成の解析を試みる予定である.平成25年度においてXAFS法を用いた非破壊の鉛・アンチモン形態分析を行ったが,現在解析を進めている段階である.さらにXAFS法による形態分析・解析を進め,多角的に不溶態形成に適した土質の物理的・化学的条件を解明を試みる予定である.平成26年度は,当初予定金額(消耗品:30万円,旅費50万円,その他:30万円)に加え,平成26年度に実施できなかった分析を進めるため,その分消耗品費を使用する予定である.平成25年度では計画よりも消耗品費が下回った.これは,一部,平成25年度に予定していた実験を実施できなかったためである.
電子物性的アプローチによる光圧誘起相転移の解明

光圧を用いた、電子状態の変化を伴った相転移現象を初めとした物質改変は、ナノメートルオーダーの物質加工や新奇量子物性の発現の可能性を秘めている。本研究目的は、光照射によるアブレーションや電子状態の励起によって結合が切断され自由となった原子や分子に、光圧によるマニピュレーションを組み合わせて発現する全く新しい相転移機構を電子物性的アプローチにより解明することである。方位角方向の力(トルク力)と動径方向への力(勾配力)を与える光渦を照射したC60薄膜は、照射量によりその電気伝導特性が半導体的な振る舞いから金属的な振る舞いに変化した。この結果は、照射量によらず半導体的な振る舞いしか示さない通常のガウシアンビームを照射したC60薄膜と大きく異なる。それら薄膜のフェルミ準位近傍の電子状態を調べるために光エネルギー6 eVと7 eVで光のスポット径が光渦の50μmよりわずかに小さい(10-30μm)レーザー光(ガウシアンビーム)を用いた光電子分光測定をしたところ、光渦を照射した領域は金属的なフェルミエッジが観測されたのに対し、光渦を照射していない領域では照射によりフェルミ準位より下の電子状態の密度に変化はあるもののフェルミ準位を横切ることはなく、半導体的な電子状態であった。分子軌道に関する知見を得るためにスポット径が1000μm程度ある光エネルギー8.4 eVのXe光源を用いて光電子分光測定を行なった結果、光渦によって束縛エネルギー1.6 eVと2.5 eV付近に新たな状態が出現したことがわかった。これを過去の理論計算の結果と比較することで、光渦照射によってできた金属的なC60薄膜が、これまで高温高圧下でのみ報告されたものと非常に似た電子状態を有することを明らかにした。平成30年度が最終年度であるため、記入しない。光渦による電子状態の変化を伴った相転移現象を初めとした物質改変は、ナノメートルオーダーの物質加工や新奇物性発現の可能性を秘めている。本研究目的は、光照射によるアブレーションや電子状態の励起と光圧によるマニピュレーションを組み合わせた全く新しい相転移機構を電子物性的アプローチにより解明することである。そこで初年度は、光渦照射により半導体的な振る舞いから金属的な振る舞いに転移するC60薄膜の電子状態測定を目的に試料作製用真空槽から測定用真空槽へのC60薄膜の移動方法の確立をまず行った。C60薄膜の作製と光渦照射で光圧が寄与することによって相転移したC60薄膜の作製を行う真空槽と、光電子分光測定する真空槽は異なっており、試料の電子状態を測定するためには作製した薄膜を大気中に取り出して搬送する必要がある。作製したC60試料を10-1Pa程度の低真空に封入して搬送し、その後10-8Pa以下の超高真空槽に入れることで搬送中試料に吸着した水などのガスが抜け、光電子分光測定が十分行えることがわかった。実際には、マスキングによってSiO2表面上にパターニングした厚さ5nm程度のC60薄膜の一部に光渦を当て、光渦を照射した場所としていない場所の電子状態を光エネルギー6eVと7eVのレーザー光電子分光で測定したところ、光渦照射したところでのみ元々半導体的な電子状態のC60が金属的となってことを示すフェルミエッジが観測された。C60にレーザー光を照射すると分子重合が起き、C60が部分的に金属的になることが知られており、本課題の実験でも電子状態に時間変化が観測されたがレーザー照射のみではフェルミエッジが現れなかったことから上記フェルミエッジの観測は光渦照射に起因すると結論した。試料搬送用の簡易真空槽を作製したことにより、場所の離れた試料作製真空槽と電子状態測定真空槽の間でC60薄膜の汚れを最小限に抑え、光電子分光測定が初めて可能となった。光渦照射用のレーザー光源を光電子分光装置に取り付けることが非常に難しいことから、試料搬送が可能となったことは本研究遂行において不可欠な進展である。光電子分光測定は光のスポットサイズを光渦のものと同程度まで絞れる光エネルギー6eVと7eVのレーザー光を用いて行い、光渦照射をした試料としていない試料においてフェルミ準位近傍の電子状態に明確な違いを観測した。しかし、レーザー光電子分光測定時に起こる分子重合のため分子軌道の電子状態が時間とともに変化してしまい、光圧誘起相転移に関する詳細な情報を与えるC60薄膜の電子バンド構造を得るには至らなかった。また、光渦照射により形成された金属的なC60薄膜は分子の回転が止まることを利用し、回転の止まった分子の配置を調べて重合部位に関する知見が得られることを期待して光電子分光測定と同様に作製した試料を搬送して走査トンネル顕微鏡での観測を試みた。しかし、基板上に形成されている絶縁酸化膜の影響でクリアな像を得ることはできず重合部位に関する知見を得るには至らなかったが、新たに走査トンネル顕微鏡の真空槽にC60の蒸着源と光渦用のレーザー光源を設置し、酸化膜や汚れによる影響のない測定が可能なセットアップを完成させた。領域内の共同研究として当初の計画にはなかった表面プラズモンが増強される金ナノ粒子の電子状態観測を新たに始めた。新学術領域では領域内の新規共同研究が奨励されており、この共同研究の開始は当初の計画以上の成果とあると言える。

バンド構造測定に関しては計画通りに進まなかったものの、その他の計画に関しては予想通り、もしくは予想以上に進んでおり、全体としておおむね順調に進行していると考えている。光圧を用いた、電子状態の変化を伴った相転移現象を初めとした物質改変は、ナノメートルオーダーの物質加工や新奇量子物性の発現の可能性を秘めている。本研究目的は、光照射によるアブレーションや電子状態の励起によって結合が切断され自由となった原子や分子に、光圧によるマニピュレーションを組み合わせて発現する全く新しい相転移機構を電子物性的アプローチにより解明することである。方位角方向の力(トルク力)と動径方向への力(勾配力)を与える光渦を照射したC60薄膜は、照射量によりその電気伝導特性が半導体的な振る舞いから金属的な振る舞いに変化した。この結果は、照射量によらず半導体的な振る舞いしか示さない通常のガウシアンビームを照射したC60薄膜と大きく異なる。それら薄膜のフェルミ準位近傍の電子状態を調べるために光エネルギー6 eVと7 eVで光のスポット径が光渦の50μmよりわずかに小さい(10-30μm)レーザー光(ガウシアンビーム)を用いた光電子分光測定をしたところ、光渦を照射した領域は金属的なフェルミエッジが観測されたのに対し、光渦を照射していない領域では照射によりフェルミ準位より下の電子状態の密度に変化はあるもののフェルミ準位を横切ることはなく、半導体的な電子状態であった。分子軌道に関する知見を得るためにスポット径が1000μm程度ある光エネルギー8.4 eVのXe光源を用いて光電子分光測定を行なった結果、光渦によって束縛エネルギー1.6 eVと2.5 eV付近に新たな状態が出現したことがわかった。これを過去の理論計算の結果と比較することで、光渦照射によってできた金属的なC60薄膜が、これまで高温高圧下でのみ報告されたものと非常に似た電子状態を有することを明らかにした。今後は、平成29年度に得た成果を基に課題を発展させるとともに、光圧による他の物質改質の可能性を探る。具体的には、光渦によって金属化されたC60薄膜の電子状態を光エネルギー21.2eVのHe放電管や放射光施設で20から40eVの光エネルギーを用いて測定する。研究代表者はこれまでこれらの光源を用いたC60薄膜の研究を行っており、C60の重合が起こらないことを確認している。しかし、これらの光源はレーザー光よりも弱い上にスポットサイズが光渦のものよりも1桁以上大きく、光電子強度が稼げない可能性がある。そこで試料にマスキングすることで光渦と同程度の大きさのC60島を多数作製し、それらのうち光源のスポットサイズよりも広い範囲内にあるものを金属化させることで光電子強度を上げることを検討している。C60の重合部位に関してはセットアップが完了した走査トンネル顕微鏡装置を用いる。光電子分光で使用している自然酸化膜で被覆されたシリコンではトンネル電流が安定しないことから金属基板上に成長させた単原子絶縁膜上にC60薄膜を作製し、それに光渦を照射して照射領域と非照射領域での分子像を室温で観測する。得られた像より分子の重合の様式に関する知見を得る。C60の相転移は光渦による電子励起と光圧を組み合わせた結果であるが、アブレーションと光圧を組み合わせることで他の物質改質を探ることを計画している。用いる試料はビスマス単結晶薄膜であり、ここに光渦のパルス光を照射することでビスマスナノワイヤーの創製を目指す。