hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
気候変化が林木寄生性昆虫の食物条件と個体群動態に及ぼす影響

本研究は人間活動に伴う気候変化が林木寄生性昆虫の食物条件と個体群動態に及ぼす影響について研究を行った。取り上げた気候変化は二つある。一つは温暖化であり、もう一つは酸性雨である。温暖化に関しては、アブラムシ科アブラムシ科の昆虫であるモミジニタイケアブラムシ個体群の動態に関する研究を基盤に、気候変化がカエデの生物季節の変化を通して吸汁性昆虫であるアブラムシの食物条件と個体群動態に及ぼす影響について研究を行った。また、酸性雨に関してはカレハガ科の昆虫であるマツカレハをとり上げ、マツカレハによる針葉の摂食が樹木と成長と葉量にどのように影響するか、そこに酸性雨はどのように関わるかという観点で実験的研究を行った。樹木のフェノロジーとアブラムシの発育の関係をまず明らかにした。その結果、アブラムシの生活史はカエデの生物季節と密接に関係しており、個体群動態の解析にあたってはカエデの生物季節がきわめて重要なものとなっていることが判明した。モミジニタイケアブラムシの個体群動態の解析にあたってはカエデの生物季節がきわめて重要であることが明らかになったため、カエデの春の開芽時期がどのような要因によって決定されているかを明らかにすることが重要である。気温の上昇はカエデにとってきわめて危険な事態が生じる可能性があり、またそれが昆虫類の生活に危機的な事態になる可能性があることが明らかになった。実験的な手法による研究についてはマツカレハによる摂食は葉量の低下をもたらすが、酸性雨が与える影響に関しては予測とは異なり、酸性水の給水によって葉量の増加がみられた。こうした影響の大きさは土壌条件によって異なるなど興味ある結果が得られた。(1)発育段階(幼木と成木)と生育場所(林内と林外)の異なるオオモミジの樹体内各組織のフェノロジーの変化につれて昆虫の食物条件がどのように変化するかを調査し,樹木の食物条件が気候との関連で個体群動態に与える影響を解析するための試料採取を行った。(2)気候条件とフェノロジーおよびアブラムシの個体群動態に関する1982年からの16年間の調査資料の解析にとりかかった。この期間はいわゆる異常気象を頻繁に観測した時期にあたるため,その観点からの解析を行っている。(3)モミジニタイケアブラムシについて,個体群動態に関する調査を継続した。とくに,土壌条件との関連を明らかにするため,苗木上での飼育を開始した。(4)食葉性害虫であるマツカレハの大発生が樹木に与えた影響を解析するなかで,大発生に与える気候条件の影響を考察した。(5)酸性雨が樹木に与える影響が昆虫類の食害にともなってどのように変化するかを,マツとマツカレハについては実験的に解析している。(6)酸性雨が土壌動物に与える影響を実験的に解析し,昆虫類の捕食者には著しい影響を与えないことを明らかにした。(1)オオモミジのフェノロジーの変化につれて昆虫の食物条件がどのように変化するかを調査するため,採取した試料についてチッソと炭素の比を測定した(2)カエデの芽の伸長がどのような条件の影響下に進むかを明らかにするため,冬の低温,冬と春の高温,降水量,花序数,アブラムシ寄生数,前年子学数との相関をみた。冬の低温が最も重要であるが,春の高温,降水量,アブラムシ寄生数も重要な役割を果していることが明らかになった。(3)カエデの芽の伸長とアブラムシのふ化は共に高温の影響を受けて進むが,最も感受性の高い時期に少しの違いがあり,このことが両者の発育の時間的なずれの重要な要因であることが明らかになった。

(4)アブラムシの増殖にはカシラとフェノロジーの一致が重要であり,そのことが大発生の主要なメカニズムであることが17年間のデータの解析から明らかになった。春に出現する昆虫類にとって、食物となる植物のフェノロジーとの一致はきわめて重要である。今回の研究対象としているモミジニタイケアブラムシはとくにようであって、カエデ類の冬芽の発育に合わせて孵化する必要がある。カエデ類の冬芽の発育の観測のうち、データのそろっているオオモミジとイロハモミジの13年間の観測値の解析をおこなった。その結果、開芽の早い林内のオオモミジ、開芽の遅い日向のオオモミジ、イロハモミジというように種やフェノロジーの異なる11本のカエデ類のすべては、(1)開芽に必要な積算温量が冬期間の東京の平均気温で5°C以下の日数によって決定されること、(2)開芽に必要な積算温量とは平均気温で5°C以上、8°C以下以下の狭い範囲の温量であることを明らかにすることができた。開芽に必要な温量の上限値の存在を具体的に明らかにできたこと、その閾値が東京の平均気温で8°Cという低い温度であること、こうした事実は長期間にわたる観測によってはじめて解明できることであるが、これは新たな、きわめて重要な発見であると考える。気候変化と植物のフェノロジーの関係において、また昆虫類の動態において意味するところは大きい。(2000年4月,日本林学会大会で発表予定)その他、具体的な食物条件を土壌含水率、窒素含有率との関係から、またアブラムシの孵化に与える温度の影響を実験している。アブラムシ科の昆虫であるモミジニタイケアブラムシ個体群の動態に関する研究を基盤に、気候変化がカエデの生物季節の変化を通して吸汗性昆虫であるアブラムシの食物条件と個体群動態に及ぼす影響について研究を行った。また、酸性雨に関してはカレハガ科の昆虫であるマツカレハをとり上げ、マツカレハによる針葉の摂食が樹木と成長と葉量にどのように影響するか、そこに酸性雨はどのように関わるかという観点で実験的研究を行った。樹木のフェノロジーとアブラムシの発育の関係をまず明らかにした。その結果、アブラムシの生活史はカエデの生物季節と密接に関係しており、個体群動態の解析にあたってはカエデの生物季節がきわめて重要なものとなっていることが判明した。モミジニタイケアブラムシの個体群動態の解析にあたってはカエデの生物季節がきわめて重要であることが明らかになったため、カエデの春の開芽時期がどのような要因によって決定されているかを明らかにすることが重要である。気温の上昇はカエデにとってきわめて危険な事態が生じる可能性があり、またそれが昆虫類の生活に危機的な事態になる可能性があることが明らかになった。実験的な手法による研究についてはマツカレハによる摂食は葉量の低下をもたらすが、酸性雨が与える影響に関しては予測とは異なり、酸性水の給水によって葉量の増加がみられた。こうした影響の大きさは土壌条件によって異なるなど興味ある結果が得られた。
中生代Gryphaea属(二枚貝)の殻構造との適応的意義

中生代のカキ類、Gryphaeaは、海底の泥上に生息し、その弯曲した全体形と比重の大きい殻によって軟らかい泥の上で姿勢を安定に保っている、とされてきた。比重が大きければ貝は泥に沈む。この研究は、Gryphaea類の殻構造を研究して、泥上に浮くための軽量構造を保持しているかどうかを確かめることが第一の目的である。Gryphaea殻の多くは変質し、再結晶しているが、元の構造を残した試料も発見された。Gryphaeaの殻は短冊状で薄い方解石の結晶が密に積みあがった葉状構造(Foliated structure)の薄層からなる。これは薄板状で細長く伸長した結晶が互いに平行に集まってくる。殻は、葉状構造の単層が少しずつ結晶の伸長方向を異にして重なり、全体として交差葉状構造をつくる。これはHyotissaその他のカキに知られた構造である。今回の研究で判明した重要な点は、Gryphaea類には他のカキに普通に見られる軽量構造が見つかない点である。これらから見て、Gryphaeaはよく締まり、比重の大きい泥の上だけに生息していたと結論された。一般に泥上にすむカキは、殻内部に空隙の多いチョーク層あるいは蜂の巣構造の層があって、これによって殻の層比重を小さくして泥に浮いて生活している。エジプト産の白堊紀カキ類のRhuyncostreonなどにはチョーク層が、Ilymatogyraには空房が観察された。これらはGryphaeaとは違う適応戦略を採用している。なお、固着性のカキ類の殻の開閉機能を受け持っている蝶番の靱帯構造と、遊泳性のホタテガイなどの二枚貝との靱帯構造の差異を調べた。遊泳性の二枚貝類では、中央部に有機物の繊維状構造からなる弾性の高い部分があり、これが両縁部の石灰化の進んだ部分に挟まれていることがわかった。繊維の配列方向は、いずれも圧縮に平行であるが、中央部では貝殻の軸に平行であるのに対し、縁部では直交している。中生代に多いGryphaea属の二枚貝は、元来は固着性でありながら、その特殊な殻形態と殻の重量のために泥底上でも殻は安定で、自由生活をしていたといわれる。この研究では、その貝殻構造を主として走査型電顕を用いて明らかにし、模型による水槽実験を行って殻形態・重さと生活様式との関連を論ずる。本年度には主として殻形態と殻の微細構造の観察を行った。観察にはヨーロッパ各地のGryphaea化石試料を用いた。その多くは再結晶していたが、英国南部産および南ドイツ産のGryphaea arcuataでは、元の殻構造と思われる規則的な結晶配列を観察することができた。当初は、このグループの殻も、他の軟泥底にすむカキと同じく、空洞の多い軽量構造をして泥に浮いていたと予想していたが、予想に反して、これまでに調べたGryphaea類では再結晶する前も空洞のない密度の高い殻構造をしていたらしいことがわかった。そして、これらが方解石からなる交差板状構造をつくっていることもほぼ確かめられた。カキ類にはこれまで交差板状構造の存在は知られておらず、従来の研究ではその大部分は葉状構造で、表面に稜柱構造がある、とされている。

もっとも、研究担当者のこれまでの調査で、カキでもHyotissa類では交差板状構造が主体をなすことがわかっている。Gryphaeaはこの点でHyotissaと近縁だといえる。Gryphaeaはカキ類に属する中生代特有の二枚貝である。このグループは元来は固着性でありながら、泥底上で自由生活をしており、その特殊な殻形態と殻の重量のために泥上でも殻は安定であったといわれる。この研究では、その貝殻構造を主として走査型電顕を用いて明らかにし、泥底上での安定な生活に適していたかを調べる。また、カキ類その他の二枚貝にみられる靱帯の構造を調べて、その機能と構造の関係を明らかにする。本年度には(1)Gryphaea殻の微細構造の観察と、(2)靱帯の線維状構造の観察を行った。(1)Gryphaea殻の観察にはヨーロッパ各地のGryphaea化石試料を用いた。英国南部産および南ドイツ産のGryphaea arcuataでは、再結晶してはいたが元の殻構造を観察することができた。これは方解石の柱状結晶が交互に配列したいわゆる交差板状構造くっていることが確かめられた。カキ類にはこれまで交差板状構造の存在な知られていなかったが、今年度中に実施した比較研究の中で、カキでもGryphaeaおよびHyotissa類では交差板状構造が主体をなすことがわかった。Gryphaeaは殻構造からみてHyotissaと近縁だといえる。(2)カキ類のほかSpondylus,Meretrixその他各種の固着性あるいは潜没性二枚貝の靱帯構造と殻を急速開閉するLima,Pectenなどの靱帯とを比較検討し、急速開閉する物の靱帯は殻に近く石炭化が進んでいる縁部と全く石炭化していない中心部の2層構造をしており、それぞれを構成する有機物繊維が互いに直交していることがわかった。カキ類ではこのような構造が見られず、Gryphaeaなどでも同様である可能性が強いことがわかった。カキ類は元来は固着性だが、中に泥底上で自由生活をしているものがいる。Gryphaeaはその代表的な種類で、その特殊な殻形態と重量により泥上で安定で姿勢を保持していた、という従来の考えを検証するため、主として走査型電顕を用いて殻構造を確かめ、また靱帯の構造を調べて、その構造と機能の関係を考察した。1.Gryphaea類の殻は一般に変質が激しいが、昨年度にGryphaea arcuataで確かめられた構造が他の種類でも認められた。すなわち、この貝の殻は主として方解石の交差葉状構造からなる。これはC軸方向に細長くのびた方解石の板状結晶が平行に配列して層状をなし、これが積み重なったものである。同様な構造は現生カキのHytissaでも認められた。重要なことは、Gryphaeaには殻を軽量化する殻隙の多い構造が存在しない、と言う点である。原理的にこの重く厚い殻をもった貝が泥より比重が軽いはずがないから、Gryphaeaはよく締まって比重の大きい泥底上に生息していたものと結論される。2.エジプトの上部白亜系産のIlymatogyraおよびRhyncostreonの殻構造について調べたところ、いずれも殻は交差葉状構造からなっているが、前者には厚いチョーク層と空洞が認められ、多くのカキ類と同じように殻の軽量化が見られたが、後者にはそれがなく、両者ではことなる適応形態を示している。3.カキ類およびその他の固着性・潜在性二枚貝と、殻を急速に開閉する遊泳性二枚貝との靱帯構造を比較検討した。急速開閉する二枚貝の靱帯は中央部の弾性体部と、それを両側から挟む石灰化の進んだ部分とからなることがわかった。
液体容器を有する構造物系の非線形不規則振動に関する研究

本研究は,円筒容器を有する弾性構造物が鉛直方向の振動的外力を受ける場合の構造物と液面の非線形連成振動を対象とした.容器内液面に1本の節直径をもつ非対称1次モード(1,1)が励起される場合を扱い,構造物と液面スロッシングの固有振動数の間に2:1の同調条件が満たされる系について理論的,実験的に調べた.まず,系を支配する数学的解析モデルを構築し,そのモデルが妥当であることを確認するため,外力が正弦波である場合を扱い,その結果,次の成果を得た.1.理論解析では,流体力の非線形性を考慮し,ガレルキン法を用いることによって3つの液面スロッシングの振幅に関するモード方程式(数学的解析モデル)を導き,実験によりその妥当性を確認した.2.液体の深さが減少するにつれ,液面の共振曲線の形状は漸軟形から漸硬形に変化する.3.同調条件にずれが生じると,振幅が変調する概周期振動が生じる.次に,外力が狭帯域ガウス不規則励振である場合を扱い,上記1で得られたモード方程式を用い,主に数値シミュレーションにより,構造物と液面の不規則振動応答について調べ,次の成果を得た.4.構造物変位の2乗平均値は,狭帯域不規則外力の中心周波数のある範囲内で非連成系の場合より小さくなる.5.同じ固有振動数をもつ2つのモード間の非線形連成のため,液面の旋回運動が現れる.6.構造物変位はガウス分布となるが,液面応答には間欠的に振幅零の状態が現れるため液面変位はガウス分布から比較的大きくずれる.7.不規則外力の強さが大きく,帯域幅が小さいほど,液面スロッシングの発生境界は広くなる.8.単一モードのみを考慮した場合でも,構造物のみの統計量は精度良く得られる.本研究は,円筒容器を有する弾性構造物が鉛直方向の振動的外力を受ける場合の構造物と液面の非線形連成振動を対象とした.容器内液面に1本の節直径をもつ非対称1次モード(1,1)が励起される場合を扱い,構造物と液面スロッシングの固有振動数の間に2:1の同調条件が満たされる系について理論的,実験的に調べた.まず,系を支配する数学的解析モデルを構築し,そのモデルが妥当であることを確認するため,外力が正弦波である場合を扱い,その結果,次の成果を得た.1.理論解析では,流体力の非線形性を考慮し,ガレルキン法を用いることによって3つの液面スロッシングの振幅に関するモード方程式(数学的解析モデル)を導き,実験によりその妥当性を確認した.2.液体の深さが減少するにつれ,液面の共振曲線の形状は漸軟形から漸硬形に変化する.3.同調条件にずれが生じると,振幅が変調する概周期振動が生じる.次に,外力が狭帯域ガウス不規則励振である場合を扱い,上記1で得られたモード方程式を用い,主に数値シミュレーションにより,構造物と液面の不規則振動応答について調べ,次の成果を得た.4.構造物変位の2乗平均値は,狭帯域不規則外力の中心周波数のある範囲内で非連成系の場合より小さくなる.5.同じ固有振動数をもつ2つのモード間の非線形連成のため,液面の旋回運動が現れる.6.構造物変位はガウス分布となるが,液面応答には間欠的に振幅零の状態が現れるため液面変位はガウス分布から比較的大きくずれる.7.不規則外力の強さが大きく,帯域幅が小さいほど,液面スロッシングの発生境界は広くなる.8.単一モードのみを考慮した場合でも,構造物のみの統計量は精度良く得られる.本研究は,円筒容器をもつ弾性構造物が鉛直方向の狭帯域不規則加振を受ける場合の構造物と液面の非線形連成振動を対象とするが,本年度は主に,容器内液面に節直径を有する非軸対称1次のスロッシングモードが励起される場合を扱い,構造物と液面スロッシングの固有振動数の間に2:1の同調条件が満たされる場合について理論的に調べた.その結果,以下の知見を得た.(1)理論解析では,流体力の非線形性を考慮し,流体の運動を支配する偏微分方程式系を基に,ガレルキンの方法を用いて構造物の鉛直変位と卓越して現れる液面モードの振幅に関する常微分方程式系,すなわちモード方程式を近似的に導いた.(2)上記(1)のモード方程式を用いて数値シミュレーションを行い,構造物変位の2乗平均値は狭帯域不規則外力の中心周波数のある範囲で非連成系の場合より小さくなることを明らかにした.(3)液面応答には,不規則外力のパラメータに依存して間欠的にスロッシングが発生する場合がある.(4)不規則外力の強さが大きく,帯域幅が小さいほど,液面スロッシングが発生する不安定状態の領域は広くなる.以上の理論的結果は近似理論に基づくため,現在,実験により理論的結果の妥当性を検証中である.本研究は,円筒容器を有する弾性構造物が鉛直方向の狭帯域不規則外力を受ける場合の構造物と液面の非線形連成振動を対象とする.本年度は,容器内液面に1本の節直径をもつ非対称1次モード(1,1)が励起される場合を扱い,構造物と液面スロッシングの固有振動数の間に2:1の同調条件が満たされる系について理論的,実験的に調べた.その結果,以下の知見を得た.

(1)理論解析では,流体力の非線形性を考慮し,液体の速度ポテンシャルを導入して,流体の運動を支配する偏微分方程式を導き,ガレルキン法を用いることによって卓越するスロッシングモードの振幅に関する常微分方程式,すなわちモード方程式を近似的に求め,数学的解析モデルを構築した.(2)上記(1)のモード方程式を用いて数値シミュレーションを行い,得られた振動波形より,(1,1)モードをもつ直交する2つのモードが共存して発生することにより,液面の旋回運動が発生する.(3)構造物変位の2乗平均値は,狭帯域不規則外力の中心周波数のある範囲内で非連成系の場合より小さくなる.(4)構造物変位はガウス分布となるが,液面応答には間欠的に振幅零の状態が現れるため液面変位はガウス分布から比較的大きくずれる.(5)不規則外力の強さが大きく,帯域幅が小さいほど,液面スロッシングが発生する不安定状態の領域は広くなる.(6)(1,1)モードをもつ直交する2つのモードに対応する液面スロッシングの連成の強さは,それらの相関係数より知ることができる.(7)(1,1)モードの一方だけの単一モードを考慮すれば,構造物のみの統計量は精度良く得られる.
tRNAの細胞内動態に基づく生理機能制御の解明

近年、細胞質におけるtRNA機能の多様な制御と、シグナル分子としてのtRNA断片に興味が集まっている。本研究ではこのような視点の元、tRNAの断片化と細胞質におけるtRNAのスプライシング因子の関係、tRNA本体と切り出されたイントロンの安定性、さらには、tRNAの核.細胞質間バランスを制御する輸送機構等について、出芽酵母を材料とした分子遺伝学的な手法によって、多面的に研究を進めた。近年、tRNAの転写、切断、細胞内局在などをターゲットにして、生育環境に応じて翻訳制御が行われる例がいくつも見つかってきた。本計画では、tRNAを標的にした新しい翻訳制御の分子メカニズムを明らかにすることを目指す。そこで、出芽酵母をモデル生物として、(I)tRNAのアンチコドンループ切断によるtRNAの機能制御、(II)tRNAの細胞内動態を通じた翻訳制御、の2つを取り上げ、その分子機構の解明を目指して研究を進めている。今年度はまず、出芽酵母のtRNAスプライシングリガーゼRlg1pがスプライシング以外に、アンチコドンループが切断されたtRNAの「治癒活性」を持つかを検討した。我々が既に取得しているrlg1温度感受性変異中で、本来の基質では無いイントロンを含まない前駆体として転写されるtRNAのNorthern解析を行った。しかし、制限温度(37°C)下で、イントロンを含むtRNA以外についてはアンチコドンループを切断されたtRNA断片の蓄積は見られず、Rlg1pがtRNAの治癒機能を持つことを示す積極的な証拠は得られなかった。また、tRNAの成熟化中大きなイベントであるスプライシングが翻訳に与える影響を調べるため、tRNATrpをコードする全8つの遺伝子を全てイントロン欠失アリルに変換した株を構築し、in vivoでの翻訳活性を検討した。驚いたことに、この株は野生株とほぼ同等の翻訳能力を持ち、イントロンをもった前駆体として転写されること自身はtRNAの機能に大きな影響を与えないことがわかった、さらに、Rlg1pの解析を通じて、tRNA前駆体のスプライシング後に生じたイントロンの分解酵素への橋渡しや、tRNA型のスプライシングを受けるHACl mRNAの翻訳制御に関わるなど、多機能の酵素であることが明らかとなった。そこで、出芽酵母を用い、(I)tRNAのアンチコドンループ切断によるtRNAの機能制御、(II)tRNAの細胞内動態を通じた翻訳制御、の2つを取り上げて研究を進めている。さらに、ストレス依存の切断部位と同じtRNAのアンチコドンループ部に挿入されていることが多いtRNAのイントロンの生理的意義を検討するため、tRNAのイントロン欠失株の構築・解析も行った。今年度はアンチコドンループが切断されたtRNAの運命を、出芽酵母で検討するための系の構築を進めている。現在、本来液胞に存在するRNaseながら酸化ストレスに応じて細胞質に移行することが知られている酵母Rny1pを、誘導可能なteto_<7->CyClプロモータープロモーターより細胞質で発現させる株の構築に取り組んでいる。また、切断tRNAが再結合される可能性をin vitroで検討するため、酵母tRNAリガーゼの組換えタンパク質の発現・精製も行った。次に、イントロンを含んだ二つの遺伝子から転写されるtRNA-IleUAUのイントロン欠失株を構築し、この株が野生型並みの生育を示したこと等から、tRNA-IleUAUのイントロンには生育に必須な機能のないことを明らかにした。一方、in vitroではtRNA-IleuAuはイントロン依存にwobble位がシュードウリジン(Ψ)化されることが知られていたが、我々は、in vivoでのΨ化もイントロンに依存することを上記の株を用いて明らかにし、tRNAのイントロンがtRNAの成熟化には重要な機能を持つことを突き止めた。近年、tRNAの転写、切断、細胞内局在などを標的にして、生育環境に応じて翻訳制御が行われる例がいくつも見つかってきた。tRNAを標的にした新しい翻訳制御の分子メカニズムを明らかにすることを目指し、今年度は、tRNAの動態、特にスプライシングと細胞内局在に着目して研究を進めた。tRNAのストレス依存の切断部位は、tRNAのアンチコドンステムによく見られるが、ほとんどの真核生物のtRNAのイントロンは、この部位に挿入されている。そこで、tRNAのイントロンの生理的意義を検討するため、tRNAのイントロン欠失株の構築・解析を行った。出芽酵母のtRNA中、10種のtRNAはイントロンを持つ遺伝子にコードされるが、多くのtRNAは最大10個の重複遺伝子から転写されている。本研究では、tRNAの種類毎に完全なイントロンイントロン欠失株を構築し、これら全ての株が生育可能であることから、tRNAのイントロンには生育に必須な機能のないことを明らかにした。

一方、昨年度、in vivoにおいてもイントロン依存にwobble位がシュードウリジン(Ψ)化されることを明らかにしたtRNA-IleUAUでは、イントロン欠失によりにΨ化されないwobble位のUはncm5Uに誤修飾され、かつ、核に留められる傾向にあることを突き止めた。このイントロン欠失株でΨ化を司る酵素Pus1pを過剰発現すると、核へのtRNA-IleUAUの蓄積が亢進することから、アンチコドンステム部分の修飾状態を認識してtRNA機能をその細胞内局在のレベルで制御する機構の存在が示唆された。このPus1pによる異常tRNAの認識機構や細胞質におけるtRNAの切断機構の何れもがアンチコドンループを標的とするのは、eEF1Aと複合体を形成した状態のtRNAにおいて、ここが最もアクセスしやすい部分であることと不可分だと思われる。H23年度は研究を進める大学院生を新たに確保できなかったため。24年度が最終年度であるため、記入しない。前述のマンパワーの不足状況はすぐに改善されない見込みであり、自身での研究遂行のための努力をする。特に、今年度に引き続き、Rny1pにより切断されたtRNA断片の運命の解析を出来るだけH24年度の早い時期に終了し、予定されている他の変異、あるいは、外来RNaseの導入による酵母細胞中でのtRNA断片の生成と、その断片の運命の解析につなげる。
低酸素環境下での運動中の認知機能：閾値の検討と神経活動の評価法の開発

本研究の目的は,低酸素環境下での運動が認知機能に与える影響を明らかにすることであった.本研究により,低酸素環境下(吸入気酸素濃度:0.12-0.13)での運動中であっても認知機能が向上することが示された.しかしながら,低酸素環境下での運動中に動脈血酸素飽和度が低下した被験者ほど認知機能の向上がみられなかった.したがって,動脈血酸素飽和度の低下は,低酸素環境下での運動中の認知機能に影響を与える大きな要因であることが明らかとなった.本研究の目的は,低酸素環境下での運動が認知機能に及ぼす影響について検討することであった.13名の被験者を対象に低酸素環境下(酸素濃度12%)および通常環境下(酸素濃度20.9%)において安静時および運動中に認知機能を測定した.運動強度はそれぞれの環境下における最高酸素摂取量の50%とした.その結果,運動中の認知課題の反応時間は,通常環境下だけでなく低酸素環境下においても短縮がみられた(P<0.01).このことは,低酸素環境下であっても,運動がもたらす認知機能への有益な効果が依然として見られることを示唆している.今後は,今回得られたデータをもとにして,低酸素環境下において運動による認知機能の向上がみられなくなる閾値について検討するとともに,運動中の神経活動を定量化する方法の検討を行うことが重要であると考えられる.本年度に計画していた実験データをとることができたため,本研究課題は順調に進展していると考えられる.次年度は今回得られたデータの解析にあてることができると考えられる.本研究の第一の目的は,低酸素環境下での運動が認知機能に及ぼす影響を明らかにすることであった.そして,第二の目的は,低酸素環境下において運動中の認知機能の向上がみられなくなる閾値が存在するかどうかについて検討することであった.本研究では,通常環境下(吸入気酸素濃度:0.209)および低酸素環境下(吸入気酸素濃度:0.12-0.13)において安静時及び運動中に認知機能を評価した.運動強度は最高酸素摂取量の50%とし,認知課題はGo/No-Go課題と視空間遅延反応課題を組み合わせた二重課題とした.その結果,低酸素環境下でも運動中にGo/No-Go課題における反応時間の短縮がみられた(Normoxia Rest: 1015 ±315 ms vs. Exercise: 862 ±208 ms; HypoxiaRest: 1023 ±228 ms vs. Exercise: 896 ±236 ms, P < 0.001).しかし,低酸素環境下での運動中の動脈血酸素飽和度の低下と,運動による反応時間の変化との間に負の相関がみられた(r = -0.57, P < 0.05).これらの結果は,1)厳しい低酸素環境下であっても運動中に認知機能が向上すること,2)動脈血酸素飽和度が低下すると,低酸素環境下での運動中の認知機能の向上が弱められることを示している.一方,運動中の脳血流の変化や脳の組織酸素飽和度の変化と認知機能の変化との間に関係はみられなかった.これらの結果から,動脈血酸素飽和度の低下が,低酸素環境下での運動中の認知機能に影響を与える大きな要因であることが明らかとなった.本研究の目的は,低酸素環境下での運動が認知機能に与える影響を明らかにすることであった.本研究により,低酸素環境下(吸入気酸素濃度:0.12-0.13)での運動中であっても認知機能が向上することが示された.しかしながら,低酸素環境下での運動中に動脈血酸素飽和度が低下した被験者ほど認知機能の向上がみられなかった.したがって,動脈血酸素飽和度の低下は,低酸素環境下での運動中の認知機能に影響を与える大きな要因であることが明らかとなった.平成28年度は,これまでに得られたデータをもとにして解析を行うことで,低酸素環境下において運動による認知機能の向上がみられなくなる閾値の検討および神経活動を定量化を試みる計画である.運動生理学本年度は実験が順調に進んだため,68054円の余りが生じた.繰越金は次年度の消耗品費として使用する計画である.
沿岸域でのピコ植物プランクトン現存量の動態観測

駿河湾奥部清水港内の長期採水調査より、植物プランクトン光合成色素を分析し、ピコプランクトンの大部分を占める藍藻が、増殖期である夏季には指標色素Zeaxanthinの含有比率が減少し、一方、大型珪藻が増殖する春期には珪藻内の指標色素Fucoxanthinの含有比率が増大する特徴を確認した。また、静岡県西部の汽水湖である佐鳴湖においても夏季にZeaxanthinが増加し、微細藍藻Synechocuccusが急増することを確認した。これは夏季の水温が原因であると示唆された。駿河湾奥部清水港内にて、2005年1月より2007年3月まで毎月12回、合計40回の船舶観測を実施し、水温・塩分、流向・流速、栄養塩観測とともに採水し、植物プランクトンを電子顕微鏡により種識別し、高速液体クロマトグラフ(HPLC)による色素分析より種組成分布を観測した。色素分析は2006年2月までの試料の分析が終了した。この結果、港奥部折戸湾において、7月にFucoxanthinを指標とする珪藻類が増殖し、その1ヵ月後にDivinyl Chlorophylla(DivChla)の急増が観測され、これを指標とする原始緑藻Prochlorococcusが電子顕微鏡観察でも確認された。Chlorophylla濃度に対するDivChla濃度は場所によって0.52程度まで大きく変動し、港内の生産に大きく寄与していることを確認した。一方、同様にピコ植物プランクトンに分類される藍藻Synechocuccusについてはその指標色素でZeaxanthin濃度は全体に低いものの、7月に折戸湾内部に増加していることが認められた。高速液体クロマトグラフによる色素分析においては、標準色素による検量線作成に時間を要していたが、ピーク位置が重複しない13種類の色素を同時混合する方法で効率的に複数色素の検量線を作成する方法を確立し利用した。沿岸域と対比するため、駿河湾内および東海沖にて水深1000mまでの採水を行い、正PLCによる植物プランクトン色素分析を行った。この結果、Fucoxanthinは水深1000mでも観測されたのに対し、Zeaxanthinは水深50m以深ではほとんど観測されず、これはピコ植物プランクトンがほとんど沈降しないことを示していると考えられる。昨年度より引き続き、駿河湾奥部清水港内にて、毎月12回の船舶観測を実施し、植物プランクトンを電子顕微鏡観察するとともに、光合成色素を高速液体クロマトグラフ(HPLC)により分析した。種組成を定量評価する手法として、文献値による種毎の色素組成比とHPLC分析結果より多変量解析する従来法を改良して、種毎の色素組成比を最適化して種組成量と色素組成変化を同時に評価する方法を考案し、その評価を進めた。また、浜名湖からの海水が入り込む佐鳴湖において、表層水中の色素組成の季節変化を観測し、夏季に微細藍藻Synechocuccusが急増することを観察した。同時に底泥中の色素組成の鉛直分布を調べ、周期的に藍藻の指標となるZeaxanthinが増大していることを確認した。これは夏季の水温が25°Cを超え、藍藻の増殖を加速したためと考えられる。原始緑藻と藍藻Synechocuccusについてはハワイ沖定点HOTでも1996年より観測が継続されており、この結果の解析も行った。この結果、Zeaxanthinの積分量は10年間で徐々に増加しており、一方、原始緑藻の指標であるDivinyl Chlorophyllaは積分量では有意な変化は無いものの、1細胞当りの含有量が増加しており、細胞の大きさが増大している傾向が示唆された。この後、これらの結果を考慮して、沿岸域でのピコ植物プランクトンの増殖の特徴を評価する。駿河湾奥部清水港内10点にて毎月12回の頻度で2年間、採水調査を行い、植物プランクトン光合成色素を高速液体クロマトグラフィ(HPLC)分析した。この結果に対して、非線形多変量解析手法を測定時期毎に適用することにより、種組成の分布と各種が持つ色素組成比を同時に推定し、同一種内での色素組成の季節変動を見出した。この結果、ピコプランクトンの大部分を占める藍藻においては、同種が持つクロロフィルa量に対して、藍藻が増殖する夏季には指標色素であるZeaxanthinの含有比率が減少し、珪藻については、大型種が増殖すると指標色素であるFucoxanthinの含有比率が増大する特徴が明らかとなった。また、浜名湖からの海水が入り込む佐鳴湖においては表層水中の色素組成の季節変化を観測し、夏季に微細藍藻Synechocuccusが急増することを観察した。同時に底泥中の色素組成の鉛直分布からは、藍藻の指標となるZeaxanthinが周期的に増大していることを確認した。

これら2地点での観測結果より、夏季の温度上昇に伴う藍藻の増殖が色素組成ではZeaxanthinの増加となって顕著に現れるが、藍藻自身のZeaxanthin含有率は減少していることから、細胞数は急激に増大することが示唆された。
応力制御成膜技術による低温動作酸化物イオン導電体の開発

YSZあるいはGd_2O_3添加CeO_2系酸化物イオン導電体をSi基板上にエピタキシャル薄膜化することで、従来の焼結体の固体電解質に比べて、低温の280350°C程度で動作することを見いだした。この現象は、固体電解質を数十nm数μmと非常に薄くすることによる内部抵抗の減少と、製膜時に発生する圧縮応力と基板と電解質の間に働く熱膨張差による引っ張り応力による複雑な応力状態により説明できることを明らかにした。酸化物イオン導電性固体電解質の動作温度と内部抵抗の低下を、酸化物イオン導電体をSi基板等の熱膨張係数が異なる基板の上に成膜し、薄膜に応力を印加することで結晶格子に歪みを与え、バルクセラミックスでは得られないイオン導電性の実現を試みることを目的にしている。初年度は以下の検討を行った。すなわち、Si基板上にYSZエピタキシャル薄膜を形成し、Si基板側から反応性イオンエッチング(RIE)装置を用いてSi基板の一部を除去する条件を検討した。また、市販の酸素分圧を可変したガス発生装置と、固体電解質燃料電池試験装置を組み合わせて、様々な酸素分圧下でのこのようにして作成したYSZ薄膜の電気伝導率および起電力の測定を行った。この際に、薄膜形成条件(膜厚、バッファ層の導入、基板厚さの変化等)の影響を確認した。作成したYSZ薄膜はSi(001)基板直上に(001)エピタキシヤル成長しており、表面は非常に平滑で、微構造観察においても全く組織などは見られなかった。薄膜X線装置を用いた応力測定の結果、成膜圧力5.5×10^<-4>Torrおよび10mTorrで成膜したYSZ薄膜は見かけ上、圧縮応力を示した。これは、低酸素分圧下で引っ張り応力が印加されたために、大量の欠陥が導入され、そのため、バルクの格子定数との比較で単純に考えると圧縮応力のように考えられたものと思われる。製膜圧力300mTorrの試料は強い引っ張り応力を示し、これは十分に酸素が供給されたために酸素欠陥の状態がバルクと同様になったためと考えられる。RIE装置を用いたSi基板のエッチング条件は、基板厚さが0.5mmと厚いために、多くの困難があった。最終的にA1マスクとRIE条件の最適化によってほぼ満足なエッチング条件を得ることが出来た。その際、YSZに対しての化学的なダメージは見られなかったが、一部のサンプルでは亀裂が生じた。YSZ薄膜にかかる応力と亀裂の入りやすさには相関があり、引っ張り応力を受けている試料は確実に膜が破壊されてしまった。また、同じ応力状態でも、膜厚が厚く(850nm程度)なると亀裂が入りやすくなる。交流インピーダンス測定の結果、見かけ上、圧縮応力を受けているYSZ薄膜は非常に高い電気伝導率を示した。電気伝導の活性化エネルギーは約0.4eVであり、報告されている値よりもかなり小さな値を示した。また、350550°Cまでの温度域で酸素分圧に対応するEMFを測定することが出来た。特に、350°Cにおいては理論値と近い値を示し、YSZ薄膜そのものが低温で十分酸素分圧を検知することを見出した。初年度、第2年度はSi基板上にエピタキシャル成長したY_2O_3を添加したZrO_2(YSZ)薄膜のSi基板側の一部を除去し、様々な酸素分圧下で作成したYSZ薄膜の電気伝導率および起電力の測定を行った。また、YSZ薄膜の微構造を観察し、その応力状態を検討し、表面は非常に平滑で、均一な組織であること、YSZ薄膜は見かけ上、圧縮応力を示すのに対し、Gd_2O_3を添加したCeO_2(GDC)薄膜では製膜状態で、引っ張りから圧縮の状態まで、応力状態が変化していることを見いだした。平成20年度は薄膜の応力状態の原因を探るために、成膜条件、アニール条件と薄膜の応力状態の関連を検討し、応力状態が複雑に変化する原因を明らかにした。すなわち、薄膜の圧縮状態を生み出す主な要因として、本研究の成膜方法であるPLD法で生成する高エネルギー粒子の薄膜へのイオン打ち込みの効果の寄与が大きいとの仮説を導き、YSZの場合は打ち込みの際の応力が成膜後も保存されるのに対し、GDCの場合は、成膜中にアニール効果が起きるために、イオン打ち込みの効果が打ち消され、冷却時に基板との熱膨張差に起因して、引っ張り応力が残留するものと結論した。

さらに,その仮説を確認するために、YSZ薄膜の成膜後にアニール操作を行うことで、応力状態を圧縮から引っ張りまで変化することに成功した。これまでの経過から、あらたに酸化物イオン導電体を薄膜化すること自体によって、酸化物イオン導電性が大きく変化することを見いだし、さらに応力状態がどのように影響するかについて検討することが必要であることが明確となった。酸化物イオン導電性固体電解質の動作温度低下と内部抵抗低下を従来とは全く異なったアプローチで実現しようとするものである。具体的には、酸化物イオン導電体をSi基板等の熱膨張係数が異なる基板の上に製膜し、薄膜に応力を印加することで、結晶格子に歪みを与え、バルクセラミックスでは、得られないイオン導電性の実現を試みる。これにより、従来、バルクセラミックスで行われている、新材料探索とは全く異なった形で、イオン導電を制御することで、これまでより著しく低温で動作する酸化物イオン導電膜の実現を目的とする。Si基板上にエピタキシャル成長したY_2O_3安定化ZrO_2(YSZ)酸素濃淡電池セルを用いて、280-320°Cという低温で、理論起電力を得ることに成功した。この原因について、従来の焼結体を薄くするアプローチでは、数十ミクロンが膜厚の限界であったものを、固体電解質を数百nmに薄膜化すること自体で酸化物イオン伝導の低抵抗化することと、基板による薄膜への応力印加の影響の両面が重要であることを明らかになった。薄膜化と応力印加により、イオン伝導の活性化エネルギーが低減するものと考察しており、YSZとGd_2O_3を添加したCeO_2とでは、応力印加のメカニズムが異なることを明らかにしている。低温動作可能な電極として酸化物電極の検討を行った。Si基板上に形成したYSZエピタキシャル薄膜の酸化物イオン拡散の活性化エネルギーの薄膜応力依存性の最適条件をまとめた。
カーボンナノチューブにおける新規ラジカル反応の開発と機能性ナノカーボンの創出

カーボンナノチューブの内部空間を利用して、従来にはない様々な1次元物質を合成することに成功した。従来の熱融合反応とは異なり、温和な条件下での炭素-炭素結合形成反応および水素結合形成を利用することで、効率的に新規1次元物質を構成することが可能である。実際にポリチオフェンやダイヤモンドポリマーといった1次元物質の合成を実証している。特にカーボンナノチューブ内部のポリチオフェンは通常とは異なり、固体状態であっても主鎖がねじれることなく平面共役骨格を保つことができ、また金属型カーボンナノチューブをpドープすることが明らかとなった。カーボンナノチューブ(CNT)は炭素原子のみで構成される円筒状の物質である。CNTの内部空間を利用した一次元物質の創出についても研究が進んでいる。しかし、これらの合成反応の多くは非常に高い温度条件下における熱融合反応を用いるのが一般的である。内包物質の加熱分解ののちに骨格を再構築することから、狙った物質をコントロールして合成することは容易ではない。すなわち、内包分子の骨格や性質を活かして、多種多様な機能性ナノカーボン物質群がデザイン・合成できれば、これまでにない特性が生まれることも考えられ、及ぼすインパクトは計り知れない。申請者は、ホモリティックに解離しやすい炭素-ハロゲン結合をあらかじめ化合物に導入しておくことで、CNTの内部で分子構造を活かした合成反応が進行するのではないかと想定した。本年度では、炭素-臭素結合をもつダイヤモンド分子である4,9-ジブロモジアマンタンを用いて検討を行ったところ、減圧条件下175度という従来よりも極めて低い温度で、CNTの内部に数珠状の物質を合成することに成功した。各種スペクトル測定の結果から、想定通りダイアマンタン骨格で繋がったポリマーであることが明らかとなった。また、本手法の反応機構については、CNT合成時の触媒である金属粒子が鍵となり、分子の炭素-臭素結合のラジカル的な解列を補助し反応が進行していることを確認している。さらに本手法が他の分子においても有用であることを見出すとともに、合成した1次元物質の新規抽出方法の開発にも成功しつつある。本年度は炭素-臭素結合をもつ分子を用いてCNTの内部で1次元のポリマーを合成し、当初の想定通りにラジカル機構で反応が進行していることを明らかにした。その際に、CNT合成時の触媒である金属粒子が本反応の鍵であることを見出している。この知見を元に同様の戦略を用いることで、パイ共役分子の1次元のポリマーの合成へと展開しており、今後ますますの進展が期待できる。またそれに加えて、内部の1次元ポリマーを抽出する新たな手法についても開発にも成功しつつある。これによって本課題のターゲットである1次元ナノ物質のより詳細な物性解明へと展開することが可能になる。これらの1次元物質はバルク材料とは異なる特性が発現することから、世界中で精力的に研究が進められている。従来、非常に高い温度条件下における熱融合反応が一般的であり、狙った物質をコントロールして合成することは容易ではなかった。申請者は、解離しやすい炭素-ハロゲン結合を化合物に導入する低温合成法により、CNTの内部にジアマンタン骨格を数珠状につなげたダイヤモンド分子ポリマーの合成に成功している。本年度では、sp3骨格からsp2骨格へと基質適用範囲の拡大を狙い、芳香族化合物を原料に用いてCNT内部空間におけるポリマー合成を行った。sp3化合物よりも若干の高温を必要とするものの、ジブロモビチオフェンを原料とすることで1次元のポリチオフェンポリマーを合成することに成功した。CNT外部に生成した不純物の除去を必要とするものの、電子顕微鏡による観察および各種スペクトル測定の結果から想定通りチオフェン骨格が繋がったポリマーであることが明らかとなった。CNT内部への内包率も高く、効率的な合成が可能である。また、ラマンスペクトル測定から内部のポリチオフェンからCNTへの電子移動が示唆されるピークのシフトが観測されており、CNTへの安定なnドーパントとしての有用であるポテンシャルを秘めており、この面での研究展開が期待できる。本年度はCNT内での芳香族ポリマーの合成を計画しており、当初の計画通りにポリチオフェンをCNTの内部に合成することに成功している。また、CNTへのn-ドーパント剤としての機能を見出しつつあり、今後のCNTデバイス応用に向けた展開が期待できる。本年度では、前年度に見出した芳香族化合物を原料に用いたカーボンナノチューブ(CNT)内部空間におけるポリマー合成の最適化を行った。ジブロモビチオフェンを原料に用いて減圧条件下220°Cで加熱することにより、CNTの内部空間にポリチオフェンを合成することができる。透過型電子顕微鏡による観察から確かにCNTの内部には1次元状のコントラストが確認できた。吸収スペクトルからは少なくとも36量体以上のポリマーの生成が示唆されており、これは電子顕微鏡像とおおよそ良い一致を示した。ラマンスペクトルから生成したポリチオフェンがねじれの極めて少ない骨格であることを示唆しており、これはCNTに内包された効果であると結論づけた。また、ラマンスペクトルからは金属性CNTへの選択的なp型ドーピングが起こっていることも明らかとなった。同様の手法によって、ジブロモビアントリレンを用いてのグラフェンナノリボン(GNR)の合成にも成功している。

透過型電子顕微鏡による観察からはGNRが螺旋状にねじれた構造を取っていることが確認できる。ラマンスペクトルにおいてはGNRの幅方向の大きさを示すRBLMのピークが396 cm-1と原料の大きさに対応するGNRが合成できていることを指し示している。その他のピークからもGNRの生成を示唆する結果が得られている。このように、様々な1次元物質の合成が可能であることを示しており、今後の様々な内包が達成されることが期待できる。カーボンナノチューブの内部空間を利用して、従来にはない様々な1次元物質を合成することに成功した。従来の熱融合反応とは異なり、温和な条件下での炭素-炭素結合形成反応および水素結合形成を利用することで、効率的に新規1次元物質を構成することが可能である。実際にポリチオフェンやダイヤモンドポリマーといった1次元物質の合成を実証している。特にカーボンナノチューブ内部のポリチオフェンは通常とは異なり、固体状態であっても主鎖がねじれることなく平面共役骨格を保つことができ、また金属型カーボンナノチューブをpドープすることが明らかとなった。今後の研究推進に関しては、現在見出しつつある新たな1次元ポリマー合成に取り組むとともに、CNT内部に合成した1次元ナノ物質の抽出法の確立を目指す。また、取り出した1次元ナノ物質の詳細な解析および物性解明にも着手する。得られた性質をもとにターゲットとなる1次元ナノ物質のデザインへとフィードバックを行ない、より効率的な合成および物質の創成を目標とする。今後の研究推進に関しては、まず現在合成に成功しているポリチオフェン内包CNTの物性測定を中心的に進める。n-ドーパント剤としての性能および安定性の評価を行い、この得られた性質をもとにターゲットとなる1次元ナノ物質のデザインへとフィードバックを行ない、ドーパント剤としてより高性能を目指す。また、光学特性やその他特性発現を目指し、その他のポリマーについても効率的な合成および物質の創成に着手する。ナノカーボン化学
並列計算による核融合プラズマの大規模シミュレーション

1.粒子間相互作用が大きなプラズマの解析の一つの主要な手段である計算機シミュレーションの方法の開発を,慣性核融合において燃料標的を爆縮する過程で生ずる相互作用の強い状態を対象として行った。2.核融合標的のような不均一や界面を含む場合には,大規模なシミュレーションが必要であり,計算機の単一CPUの高速化には限界があるから,大規模化は多数のCPUによる並列計算によらざるを得ない。この研究では並列PCクラスターによりシミュレーションを行った。3.プラズマの大規模シミュレーションの基礎である古典イオン系に対して,周期境界条件の変形を許す,等温で,等圧または等積の大規模分子動力学法を開発した。応用として,電子による遮蔽を考慮した遮蔽クーロン力で相互作用する湯川系およびその混合物を解析し,外場の中における相図を求めた。さらに,クーロン相互作用を大規模系に対して計算する方法として有効な高速多重極展開法の具体的なプログラムを開発し,10万程度以上の粒子による微視的なシミュレーションを可能にした。4.電子系を含めたプラズマの量子力学的シミュレーションとして大規模化可能な,電子密度そのものを変数として扱う密度汎関数分子動力学法を実行した。具体的な対象として,液体金属領域にある水素プラズマをとりあげ,1000個程度の電子を含む系に対しても,実用的な計算時間でシミュレーションができることを示した。プラズマ相転移(圧力電離)より高密度側において,相転移点に近づくにつれ,電離度が低下し,電子による陽子の電荷の遮蔽が強くなる様子を,電子分布を可視化することにより明瞭に示した。更に,密度汎関数分子動力学法の結果を較正するための第一原理に基づく分子動力学法の開発も行った。1.大規模シミュレーションの基礎の一つは,古典イオン系に対する分子動力学法である。プラズマ中の電子を媒質として扱う近似では,イオンの間には遮蔽されたクーロン力が働くとみなせる。このようなイオン系の大規模シミュレーションのためには,遮蔽クーロン力に対する周期境界条件の適用(エバルトの方法),周期境界条件の自由度の適正な扱い,温度・圧力などの熱力学的条件の扱いを,並列化可能な数値計算プログラムとして実現する必要がある。これらを理論的に解析し,シミュレーションのためのプログラムの開発を実行した。一つの応用例として,遮蔽クーロン力で相互作用する湯川系の特性を解析した。2.電子系の量子力学的取り扱いのためには,3次元空間におけるシュレ-ディンガー方程式の解法が必要であり,空間を要素に分割する有限要素法が有用である。また,電子間の相互作用を記述する方法としては,密度汎関数法が実用的である。これらは,1.におけるシミュレーションとは異なる面が多いから,独立した数値解析法を開発しなければならない。計算のアルゴリズムとしては,空間の次元数は本質的でないので,まず2次元空間での十分高速なシミュレーションを行うことを目標として理論的解析およびプログラムの開発を行った。応用例として,2次元量子導波路における電子状態の解析を,電子間相互作用を取り入れて行った。また、3次元における半縮退電子系の古典イオンの場に対する応答を解析中である。1.プラズマの大規模シミュレーションの基礎である古典イオン系に対する分子動力学法において,電子による遮蔽を考慮し,変形可能な周期境界条件および適切な熱力学的条件の下でシミュレーションを実行した。大規模化のために,領域分割による並列化,多重時間ステップによる高速化を行い,研究室レベルの計算機でも1万イオン弱の系のシミュレーションが実用的な時間で可能となった。一つの応用例として,外場の中におかれた遮蔽クーロン力で相互作用する湯川系およびその混合物の特性を解析した。湯川系は,電子の存在の効果を古典の範囲で採り入れた系の代表である。その結果,一次元的な外場の中では,湯川系が低温において層状の構造をとることが示され,層の数が低温状態を特徴づける2つのパラメータの平面に相図として表された。

また,温度を上げたときの融解点が,相関関数の遠距離における振舞いと,動的揺動スペクトルの変化の両面から明らかにされた。2.電子系を含めた量子力学的取り扱いとしては,電子間の相互作用を密度汎関数法により記述,密度そのものを変数として扱う方法が,動的なシミュレーションの大規模化の観点から実用的である。具体的方法としては,空間を分割した上で,有限要素法によってシュレ-ディンガー方程式を解くことをくり返す必要がある。これまでの2次元解析に基づき,3次元系に対するプログラムの開発を行った。各時間ステップにおいて,効率のよい空間分割を適応的に行うこと,および並列化による高速化について,理論的な解析とプログラム化が進行中である。1.プラズマの大規模シミュレーションの基礎である古典イオン系に対する分子動力学法において,電子による遮蔽を考慮した遮蔽クーロン力で相互作用する湯川系およびその混合物の特性を引き続き解析した。特に,混合物が外場の中におかれたとき,成分間に分離が起きる条件を明らかにした。次に,クーロン相互作用を大規模系に対して計算する方法として,高速多重極展開法が有効であるので,具体的なコードとして利用可能にするためのプログラムを開発した。結果として,古典系であれば10万程度の粒子を含むプラズマのシミュレーションが可能となり,界面を含むプラズマを粒子モデルにより微視的に解析するための方法が与えられた。2.電子系を含めたプラズマの量子力学的シミュレーションには,電子系を密度汎関数法により記述し,電子密度そのものを変数として扱う密度汎関数分子動力学法が大規模化可能である。具体的な対象として,液体金属領域にある水素プラズマをとりあげ,並列PCクラスターによりシミュレーションを行った。その結果,1000個程度の電子を含む系に対しても,実用的な計算時間でシミュレーションができることが示された。プラズマ相転移(圧力電離)より高密度側において,相転移点に近づくにつれ,電離度が低下し,電子による陽子の電荷の遮蔽が強くなる様子が,電子分布を可視化することにより明瞭に示された。また,この中に荷電数の異なる原子核が不純物として含まれる場合のイオン化の様子が調べられた。これはプラズマの状態を測定するためのプローブとなり得る。更に,密度汎関数分子動力学法の結果を第一原理シミュレーションにより較正するため,第一原理に基づく分子動力学法の開発も行った。