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ゲージ理論と量子輸送現象における位相的な励起の研究

二次元ホール電子系でスピンの集団励起(スキルミオン)が観測されていることに見るように、量子力学的な輸送現象には位相的な励起が現れ、主要な役割を演じることが多い。他方、素粒子論においても、超弦理論の進展の中で様々な次元の位相的な励起を自在に取り扱うようになってきた。このような状況を踏まえて、研究代表者は平成17年から3年度にわたり、超対称理論に現れる多様な位相励起の量子的な特性を研究するとともに、特異な量子ホール効果が観測されている新電子系の物性をゲージ理論の視点から研究した。その内容は以下の通りである。1.研究代表者は以前から超対称理論に現れる(BPS)位相励起について、その量子的な特性を超対称代数の位相荷量子異常を通して考察してきた。平成17年度にはこの研究をまとめ上げる形で、スケール変換と超場形式を組み合わせると、種類や次元の異なる様々な位相励起の量子効果を解析する統一的な枠組が構成できることを示した。2.近年グラフェン(graphene)と呼ばれる炭素系2次元物質に実験・理論両面から強い関心が向けられている。グラフェンは質量ゼロのディラック粒子のように振る舞う電荷坦体をもつ"相対論的"な物性系であり、場の理論の観点からも極めて興味深い。(1)研究代表者はまず場の理論に固有な粒子・反粒子描像や量子異常の観点から、磁場中のグラフェンの電磁応答を考察し、グラフェンが特異な誘電体であることを指摘した。(2)続いて、静的構造因子を吟味して、グラフェンが通常の2次元電子系とは異なる短波長の電子相関をもつこと、そしてこれが"相対論的"な効果であることを指摘した。(3)さらにグラフェンの2層系の電磁応答の考察に進み、2層系には殆ど縮退した特徴的なゼロモード・ランダウ準位が出現すること、そしてこの準位の分離幅が外電場、またはホール電流を用いて制御できるという著しい特性をもつことを指摘した。二次元ホール電子系で位相的なスピン励起が観測されていることに見るように、量子力学的な輸送現象にはソリトンや渦糸のような位相的な励起が現れ、主要な役割を演じることが多い。他方、素粒子論においても位相励起は重要な研究対象であり、特に弦理論の進展の中では様々な次元の位相的な励起を自在に取り扱うようになってきた。このような状況を踏まえて、研究代表者は平成17年度には主にゲージ理論・弦理論に現れる多様な位相励起の量子的な特性を(特に、超対称性との関わり合いのなかで)研究した。1.位相的な励起が現れる超対称理論では超対称代数(の位相荷など)に量子異常が生じうることが知られている。新種の量子異常であり、位相的励起の真に量子的な性質を解明する鍵ともなるので、近年少なからぬ関心が向けられている。このような位相荷の量子異常を超場を用いた明白に超対称な枠組の中で定式化し、ソリトンやドメイン・ウォールの量子的な特性を解析した論文を既に発表しているが、今年度は超場を用いた考察を磁気単極子の場合に拡張した。これらの考察を通して、一般に量子効果の様子は励起の種類や時空の次元とともに大きく変化することを知った。さらに、スケール変換と超対称性を組み合わせると、種類や次元の異なる様々な位相励起の量子効果を解析する統一的な枠組が構成できることに気付いた。

2.上記テーマの発展として、ドメイン・ウォール上に拘束された世界やコンパクトな次元を持つ世界を記述する実効理論の研究を試みた。高次元の理論から4次元世界のカイラル対称性を導き出すには位相的な励起の存在とか、非自明な位相構造(オービフォールド)をもつ時空を想定することが必要となる。部分的な成果であるが、現在までにオービフォールド上の場の理論の量子異常をベリー位相を用いて直感的に理解することができた。二次元ホール電子系で位相的なスピン励起が観測されていることに見るように、量子力学的な輸送現象にはソリトンや渦糸のような位相的な励起が現れ、主要な役割を演じることが多い。他方、素粒子論においても位相励起は重要な研究対象であり、特に弦理論の進展の中では様々な次元の位相的な励起を自在に取り扱うようになってきた。このような状況を踏まえて、研究代表者は平成18年度にはゲージ理論に現れる多様な位相励起の量子的な特性を(特に、超対称性との関わり合いのなかで)研究するとともに、特異な量子ホール効果が観測されている新電子系の研究を開始した。その内容は以下の通りである。1.前年度までに研究代表者はソリトン、ドメイン・ウォール、渦糸などの位相励起について、その量子的な特性を超対称代数の位相荷量子異常との関連を通して考察してきた。引き続き今年度には、スケール変換と超対称性を組み合わせると、種類や次元の異なる様々な位相励起の量子効果を解析する統一的な枠組が構成できることを示し、論文として発表した。2.近年グラフェン(graphene)と呼ばれる新2次元物質に実験・理論両面から強い関心が向けられている。グラフェンは炭素原子の単一層からなる理想的な2次元電子系であり、その低エネルギーにおける輸送特性が質量ゼロのディラック方程式に従う擬粒子により記述できるという著しい特徴をもつ。グラフェンは言わば"相対論的"な物性系であり、素粒子論研究者にとっても極めて興味深い。研究代表者は平成18年度の半ばにこのグラフェンのことを知り、直ちに関心を持った。そして、場の理論に固有な粒子・反粒子描像や量子異常の観点から、磁場中のグラフェンの電磁応答を考察し、グラフェンが特異な誘電体であることを指摘する論文を発表した。このような状況を踏まえて、研究代表者は平成19年度には、特異な量子ホール効果が観測されている新電子系の物性をゲージ場の位相的な特質と量子異常の観点から研究した。近年グラフェン(graphene)と呼ばれる炭素系2次元物質に実験・理論両面から強い関心が向けられている。グラフェン中の電子は質量ゼロのディラック粒子のように振る舞うという著しい特徴をもつ。グラフェンは言わば"相対論的"な物性系であり、場の理論の観点からも極めて興味深い。1、研究代表者はまず場の理論に固有な粒子・反粒子描像や量子異常の観点から、磁場中のグラフェンの電磁応答を考察し、グラフェンが特異な誘電体であることを指摘する論文を発表した。2、続いて、観測量である静的構造因子を吟味して、グラフェンが通常の2次元電子系とは本質的に異なる短波長の電子相関をもつこと、そしてこれが"相対論的"な効果であることを指摘する論文を発表した。
植物-病原微生物の分子応答と耐病性の分子機構の解明

植物が病原微生物の侵入に応答して、耐病性を示す現象を分子レベルで解明することは、病気を制御する新戦略を構築するために今後益々重要であることを確認した。このため、本企画調査では、耐病性の分子機構に関して病理学、遺伝学、分子生物学、生化学、生理学の個々の分野で卓越した貢献をしている日本の研究者が、それぞれの専門領域にとどまらず、情報交換と討論の中で、今後の研究の明確な方向付けを行い、研究協力体制を整備して将来重点領域として発展させる為の準備段階とした.最近、分子生物学・分子遺伝学的手法を用いて耐病性の分子機構を解明する研究が世界的に急速に成果を上げてきており、永年の生化学的、生理学的な植物の防御機構に関する解析の蓄積と相まって、現在は断片的であるが、近い将来には、耐病性機構が具体的かつ統一的に解明されるであろうと思われる.そこで、合同班会議などを開催し、研究者それぞれに行っている研究をお互いに紹介して学会発表などよりも深く議論をしてゆくなかで、どこが重要な問題点か、欧米の研究の追試ではなくオリジナルな点はどこか、どこに注目すれば国際的にも重要な研究が確立されていけるかなどを論議した。またその重要性にもかかわらず、この分野に携わる研究者の人口はかなり少ない。研究の底辺を広げていくことも重要であろう。そのために、まず、研究分担者が情報を共有する目的で本プロジェクトに関係する人々を集めたシンポジウムを企画した。`植物-徹生物の分子応答の解明にむけて'を開催し、アメリカより招へいした2名を含む7名の研究者による講演と討論を実施した。以上の、討論とシンポジウムの成果を踏まえて、科学研究費補助金「特定領域研究(A)」平成11年度発足特定領域申請書`植物-病原微生物の分子応答機構の解明-耐病性植物の創出に向けて-'を作成して申請した。
鼓藻類の種分化における染色体構成の変動の解析

1.巨大細胞を持つ高次倍数体のミカヅキモClosterium ehrenbergiiの交配群Pは世界中の冷涼水域に広く分布する。(1)本年度に英国の4ヶ所とフランス北部の4ヶ所より分離された合計32のクローン培養株を、オランダのPeter Coesel博士より入手した。(2)これら北西ヨーロッパ産の32株の栄養細胞の形状及び大きさは交配群Pの変異範囲であった。(3)交配群Pの代表プラス株(0-4-9)及びマイナス株(D-4-4)と、新たに入手した32株を交配した結果、正常な接合胞子形成がみられたのでこれらの株はすべてP群に属することが確認され、P群は日本、北アメリカ、北部及び西部ヨーロッパに広く分布することが確認された。2.日本に分布する近縁交配群A、B、P群の代表株を用いた増殖実験の結果から、P群は1015°Cの水温を好み、AとB群は2025°Cの水温を好むこと、及びAとB群はPH7.5付近を境としてAはより酸性水系を、Bはよりアルカリ性水系を好むこと等、3群の生態的場に分化が認められた。3.ミカヅキモ以外の鼓藻類オニノカナボウTriploceras gracile及びコウガイチリモPleurotanium ehrenbergn及びP.nodosumの各形態種内にも、細胞の大きさが非常に異なる固体群が認められ、交配実験の結果からこれらは生物学的に異なる種であることが確認された。4.ミカグキモで得られた知見から考察すると、上記3種の形態種の起源は、進化的に非常に古く、内部に複数の交配群(生物学的種)を分化させ、倍数体複合群を形成しているものと考えられる。1.ミカヅキモClosterium ehrenbergiiの交配群Aの群内交配の接合胞子の発芽体中に稀に出現する同質倍数体のクローン培養を得た。これらのクローンの中で同一接合胞子より生じたZクローンが両方とも交配型マイナスであったものは交配型遺伝子【mt^+】の【mt^-】の両方を持ち【mt^-】が優性であると考えられたので詳細に研究を行った。栄養細胞の大きさが交配群Aの範囲を越えて非常に大きいこと及び染色体数が倍加していることからこれらのクローンは明らかに倍数体であることを確認した。交配群Aのプラスとの戻し交配による"3倍体"接合胞子の減数第一分裂中期の染色体像及び子孫の生存率がほぼ正常であることなどから、交配群Aの染色体構成は倍数性を示すものと結論した。また子孫の交配型の分離が1:1であるのは、1個の優性の遺伝子【mt^-】によって交配型が決定されることによると考えた。2.マイナスの栄養細胞に薬剤処理をし、2個の【mt^-】遺伝子を持つ人工倍数体を作り、交配による子孫の交配型の分離が大きくマイナスに偏ることを確認した。分離比の値から交配群Aの倍数のレベルを推測する実験を行っている。3.交配群A,B,H間では接合子が得られるがその子孫の生存率は非常に悪い。多数のクローン間組合せの交配を行い、稀に得られた比較的増殖の良い雑種株について研究を行った。栄養細胞の大きさ,形態的特徴,交配型等よりこれらの雑種株は異質倍数体である可能性が高いことを確認した。4.オニノカナボウTriploceras gracileの全生活史を培養により初めて明確にした。染色体が大きく数も比較的少ないこと及び接合胞子より発芽体が生じる過程は鼓藻類の中では特異な存在であることを確認した。同種にはヘテロタリックとホモタリックの系統が存在し、両者の接合胞子の形態に差異があることも確認した。1.ミカヅキモClosterium ehrenbergiiの交配型決定遺伝子mt^-はmt^+に対して優性である.(1)交配群Aのマイナス株Rー11ー16の栄養細胞を0.2Mマニトールを含む培養液中で数日間培養を行った後に,通常の栄養細胞より巨大化した細胞を分離培養した.(2)得られたクローンは細胞の大きさ及び染色体数より野性型が倍数化したものと判断された.(3)栄養細胞を人工的に倍数化したマイナス株は野性型株のmt^-遺伝子を2倍持っているため, mt^-が優性遺伝子であれば,野性型のプラス株との交配における子孫にマイナスの個体が多く出現することが予想される.(4)実験結果は,調べた1994のF_1個体の45%が生存し,プラスとマイナスが154と736個体(約1対5に分離)であった.(5)優性遺伝子を2個含む倍数体の減数分裂を考えると,上記の結果は人工倍数体株と野性型株の接合子は交配型遺伝子に関して3倍体遺伝をしていることを示している.(6)しかし前年度及び本年度における減数分裂時の染色体の行動及び子孫の生存率から,野性型株の栄養細胞は半数体ではなく倍数体であると考えられる.(7)mt遺伝子座を持つ染色体のみが例外であるのか,又は倍数体ゲノム内で分化が進み,減数分裂時に特定の染色体間でのみ対合が起るのかは今後の問題として残されている.2.冷涼地域の流水に生息するミカヅキモC.ehrenbergiiの交配群Pは高次倍数体であり広域分布をする.

(1)北海道の平野部の小河川,本州の年中冷涼な湧水起源の水系,北米オレゴン州及びデンマークの冷涼流水域に分布するミカヅキモは交配群ABHの2倍以上の染色体数であり細胞は巨大である.(2)地理的に大きく隔った産地の株間の交配は可能であり,子孫の生存率も高く,これらは同一の交配群Pに属する.(3)P群はABH群の生育に適した水温(2025°C)では増殖できず,逆にABH群の生育に不適な水温(1015°C)でよく増殖する.1.巨大細胞を持つ高次倍数体のミカヅキモClosterium ehrenbergiiの交配群Pは世界中の冷涼水域に広く分布する。(1)本年度に英国の4ヶ所とフランス北部の4ヶ所より分離された合計32のクローン培養株を、オランダのPeter Coesel博士より入手した。(2)これら北西ヨーロッパ産の32株の栄養細胞の形状及び大きさは交配群Pの変異範囲であった。(3)交配群Pの代表プラス株(0-4-9)及びマイナス株(D-4-4)と、新たに入手した32株を交配した結果、正常な接合胞子形成がみられたのでこれらの株はすべてP群に属することが確認され、P群は日本、北アメリカ、北部及び西部ヨーロッパに広く分布することが確認された。2.日本に分布する近縁交配群A、B、P群の代表株を用いた増殖実験の結果から、P群は1015°Cの水温を好み、AとB群は2025°Cの水温を好むこと、及びAとB群はPH7.5付近を境としてAはより酸性水系を、Bはよりアルカリ性水系を好むこと等、3群の生態的場に分化が認められた。3.ミカヅキモ以外の鼓藻類オニノカナボウTriploceras gracile及びコウガイチリモPleurotanium ehrenbergn及びP.nodosumの各形態種内にも、細胞の大きさが非常に異なる固体群が認められ、交配実験の結果からこれらは生物学的に異なる種であることが確認された。4.ミカグキモで得られた知見から考察すると、上記3種の形態種の起源は、進化的に非常に古く、内部に複数の交配群(生物学的種)を分化させ、倍数体複合群を形成しているものと考えられる。
同一粒子による分子原子混合気体系のBECの研究

本年度は、第一に、昨年度から引き続き変形するアクティブマターの動力学理論を発展させた。アクティブ粒子の状態は現在、界面活性剤を含む油滴や生物系にみられる現象で、極低温BEC系での報告はまだないが、非平衡開放系で広く適応できるものである。本年度は特に、さまざまな反応物が化学反応しながら場を拡散するメソスケールモデルを解析することで、そのドメイン構造が確かに計昨年提出した現象論モデルに適応できることを示した。また係数関係も明らかにし、走行状態での形状について定性的に数値シュミレーションと同様の結果を得た。また大域的に結合したアクティブ粒子の運動の解析を行い様々な集団運動を明らかにした。変形する自走粒子モデルは回転など新しい運動状態を記述できるほか統計物理としても新しい課題を提供しており今後の発展が期待される。第二に、時間記憶を持った熱ノイズに晒された巨視的な自由度の、トラップポテンシャルの変化など外界からの操作に対する系の応答について研究を行った。その結果、同様な操作に対しても熱浴自由度の時間記憶によって操作に必要なエネルギーが異なることを示した。また、調和振動子を例として不可逆エネルギーを評価し減少しうることを示した。小さい系で働く機関のエネルギー効率や応答性評価への活用が期待される。我々は複合粒子と元の原子の量子統計性の違いがマクロにどう現れるのかについて、統計物理学的な研究を行っている。そこではLee-Yangによって開発された手法を用いて、多体の相互作用クラスターでの展開により束縛状態として分子を考察する。これまでボーズ粒子である2原子分子のBEC転移を示すあるダイアグラムの部分和が得られていたが、今回はそれを一般化し、任意の個数の原子がひとつの束縛状態を作る際にも適応できるようにした。これによってより一般的な複合粒子についての性質が議論できるようになることが期待される。希薄ボーズガス系においては粒子の散乱の強さを決めることは凝縮対の静的・動的な物性を決定する上でとても大切である。分子間衝突についてはBECの側から低エネルギーでの寄与の解析を進めている。凝縮体の動力学方程式としては絶対零度でのGross-Pitaevskii方程式がよく知られている。一方、最近BEC凝縮体も熱的な古典成分の中においてLangevin型で記述できるという提案がなされている。我々はこのLangevin方程式の記述に注目して、当初の研究計画に加え、確率過程を用いて非平衡状態の特徴付けを行うための基礎的研究も行った。非マルコフ的時間発展をするLangevin方程式系についてもゆらぎの定理やJarzynski等式などが成立し、適応できることを明らかにした。これは有限温度で磁場を変化させるような任意の外部操作に対する系のエントロピーの増減の確率や応答の一般的性質を表現し、実験的な応用が期待される。希薄気体の極低温のおけるボーズアインシュタイン凝縮では、温度変化に対する凝縮体の生成過程のほか、相互作用や外場の影響を自由に調節・操作できることなどから、希薄なマクロ量子凝縮体の非平衡ダイナミクスを研究する場としても大変興味深い。系のゆっくりとした時間発展は熱浴自由度の相互作用によって、一般に非マルコフ型の確率微分方程式で記述できる場合かおる。今年度はこの確率微分方程式の簡単なモデルを用いて、ダイナミクスの熱浴による時間遅れの効果を操作に対する不可逆仕事を通じてどのように現れるか調べ定式化した。また非平衡定常系での揺らぎの性質から、詳細釣り合いの破れや、揺動散逸関係の破れ、オンサーガの相反定理の破れが、不可逆性を表す確率遷移流れと関係することを明らかにした。これらは一般論であるけれども、今後、量子非平衡系を含め、具体的実験に応用されていくことを期待している。また、変形をともない自己推進する数学的モデルを導入し、新規な分岐構造やダイナミクスの存在を明らかにした。
血管網リモデリングから学ぶ熱流体システム形状最適化

マウスの網膜の顕微鏡画像から血管網を3次元構築する画像処理を確立すると共に、リモデリング前後の構造を取得することに成功した。これにより、リモデリング前後の構造変化、それに伴う血流や酸素の濃度の変化のシミュレーションが可能となり、局所の力学因子を抽出した。次に、画像処理で抽出された血管網構造に基づき、動脈もしくは静脈からの分岐数によって各血管を分類した。これを複数のサンプルに適用した結果、プルーニングが生じやすい領域は大きく3つの領域に分類されることを明らかにした。各領域においてリモデリングと局所の力学因子の異なる関係性を調査した結果、それぞれ異なった傾向があることが分かった。この結果は、低いせん断応力の領域でリモデリングが発生するという従来のモデルが必ずしも全ての領域で成立しないことを示唆しており、大変興味深い結果と言える。この結果を受けて、3つの各領域毎の局所の力学因子とリモデリングの関係を調査し、両者を結びつけるモデルを提案した。また、ノックアウトマウスを用いて、初期に分岐数が余剰になるサンプルと分岐数が不足するサンプルにおける血管形成過程を観察した。その結果、いずれのノックアウトマウスにおいても、初期のネットワーク形状は異なるものの、リモデリングを通じて全体として最適な血管構造へ変化していく様子が確認できた。また、血流の数値シミュレーションより、リモデリング後において、血管網末端における血流の供給が増加し、より最適な血管構造へと変化していることが分かった。一方、マイクロデバイス内において血管内皮細胞を培養することによって、血管新生を誘発し、デバイス内部に血管ネットワークを形成させる方法論を確立し、顕微鏡画像から3次元構造を抽出することに成功した。また、上記の構造を数値シミュレーションコードに取り込み、流れの様子や局所の力学因子を抽出するツールを確立した。マウスの網膜における顕微鏡画像からの3次元血管構造の再構築、およびマイクロデバイス内での血管新生の再現、画像の取得共に、その方法を確立できた。また得られた3次元構造を流体計算コードへ取り込み、流れのシミュレーションを行うツールも整備できた。複数のサンプルを解析する中で、局所の力学因子とリモデリングに関して、統計的に有意な傾向が確認されており、リモデリングの数理モデルの構築に向けて極めて有用な知見が獲得できた。前年度までの画像処理ツール、流体シミュレーションコードを用いて、複数のサンプルを解析することによって、局所の力学因子とリモデリングに関するより統計的に確かなデータを取得する。また、それらの結果を集約して、リモデリングに関する数理モデルを精緻化し、局所の力学因子に基づくリモデリンの予測モデルを構築し、その予測性能をマウスの網膜、およびマイクロデバイス内において検証する。マウス網膜の共焦点顕微鏡により得られた画像から3次元の毛細血管網構造を再構築し、これを研究室にて開発された流体シミュレーションに取り込むことに成功した。動脈における典型的な血流の速さや血液の粘性係数を過去の文献から決定し、血流シミュレーションを実施した結果、動脈から静脈までの血圧差や血管内壁にかかるせん断応力が過去の文献値とも良い一致を示していることを確認し、開発した計算コードの検証を行った。一方、血流による酸素輸送を解くコードの開発も同時に進め、過去の文献値に基づき、血液中や組織中における酸素の拡散係数、細胞内での酸素消費率を決定し、これを流体シミュレーションへ反映させた。以上より、3次元血管構造を用いて血流シミュレーションを実施し、本研究課題で必要となる局所の力学因子(せん断応力、圧力、酸素濃度、酸素フラックスなど)を推定するフレームが構築された。実験においては、マウス網膜の共焦点画像から、リモデリング前後の血管構造を抽出する方法を確立し、これによって、数値シミュレーションにより推定される局所の力学因子とリモデリングの関係性を明らかにするための新しい方法論を提案した。一方、マイクロデバイス内で血管内皮細胞を培養し、血管新生を生じさせるために、様々に細胞の培養条件を変えた実験を行い、最適なパラメータ範囲を同定した。更に、マイクロデバイス内で生成された血管網の共焦点顕微鏡画像から3次元構造の再構築を行い、得られた血管構造を流体シミュレーションへ取り込み、せん断応力や圧力の推定が可能であることを確認した。当初予定していた、顕微鏡画像からの3次元血管構造の再構築、およびその流体シミュレーションへの取り込みが行われ、得られた計算結果についても、過去の文献値と良い一致が得られている。また、マイクロデバイス内における血管新生の再現についても、血管内皮細胞の最適な培養条件や初期流路の配置などが明らかになり、再現性のある実験条件を見出すことに成功している。更に、マイクロデバイス内における多数の共焦点顕微鏡画像から3次元血管構造を再構築し、それを流体シミュレーションに取り込むことにも成功しており、当初予定してた目標を達成できているため。

また、ノックアウトマウスを用いて、初期に分岐数が余剰になるサンプルと分岐数が不足するサンプルにおける血管形成過程を観察した。その結果、いずれのノックアウトマウスにおいても、初期のネットワーク形状は異なるものの、リモデリングを通じて全体として最適な血管構造へ変化していく様子が確認できた。また、血流の数値シミュレーションより、リモデリング後において、血管網末端における血流の供給が増加し、より最適な血管構造へと変化していることが分かった。一方、マイクロデバイス内において血管内皮細胞を培養することによって、血管新生を誘発し、デバイス内部に血管ネットワークを形成させる方法論を確立し、顕微鏡画像から3次元構造を抽出することに成功した。また、上記の構造を数値シミュレーションコードに取り込み、流れの様子や局所の力学因子を抽出するツールを確立した。マウスの網膜における顕微鏡画像からの3次元血管構造の再構築、およびマイクロデバイス内での血管新生の再現、画像の取得共に、その方法を確立できた。また得られた3次元構造を流体計算コードへ取り込み、流れのシミュレーションを行うツールも整備できた。複数のサンプルを解析する中で、局所の力学因子とリモデリングに関して、統計的に有意な傾向が確認されており、リモデリングの数理モデルの構築に向けて極めて有用な知見が獲得できた。マウス網膜の血管網については、これまで単一のサンプルでの流体計算を行ったのみであったため、今後は、複数のサンプルに対して流体シミュレーションを適用し、血管網リモデリングと局所の力学因子の統計的な関係性を明らかにする必要がある。また、マイクロデバイス内における血管新生の再現実験についても、より多くのサンプルを扱って、構築される血管網の分岐や血管径などに関して、定量的な解析を行い、デバイス内で構築される血管構造の再現性を確認する必要がある。更に、血管構造の再現性が確認された後には、液体中にマイクロビースを混入させることにより、血管網内部の流体速度を計測し、これと数値シミュレーション結果を比較することによって、本研究で構築した数値計算ツールの検証を行う予定である。前年度までの画像処理ツール、流体シミュレーションコードを用いて、複数のサンプルを解析することによって、局所の力学因子とリモデリングに関するより統計的に確かなデータを取得する。また、それらの結果を集約して、リモデリングに関する数理モデルを精緻化し、局所の力学因子に基づくリモデリンの予測モデルを構築し、その予測性能をマウスの網膜、およびマイクロデバイス内において検証する。
各種微生物による水質汚染のモニタリングとその評価について

公共用水の水質検査は理化学的検査の他に、糞便汚染を把握してよりよき生活環境を保全する目的で大腸菌群測定が施行されている。しかしこの大腸菌群の指標性には多大の難点のあることが、われわれを始め多くの人たちによって指摘されている。そこで、これに代るよりよき微生物指標として、細菌学的見地からも極めて適切と考えられる腸球菌測定に焦点をしぼって検討を進めた。なお、環境庁が目下水浴場で試行している糞便性大腸菌群測定との比較に留意して研究を行った。糞便汚染指標の必要条件ごとに結果を述べる。まず「糞便中に大量に存在し、他に由来しない」と云う事に関しては、両者とも大腸菌群数の約1/10程度であり、おおむね糞便由来に限定され指標菌としては適切である。腸球菌の一部に昆虫由来のものがあると云われるが、われわれの検討では問題にする程の数でなかった。「水中での生残が適度で増殖するようなことはない菌」に関しては、大腸菌群はもちろんのこと、糞便性大腸菌も条件によっては増殖して調査結果を混乱させる。これに対比して腸球菌は極めて適当な生残期間を有し、普通の水質条件では増殖をするようなことはない。「検出方法が簡便でしかも対象とする菌を網羅出来、他の偽陽性を検出してはいけない」に関してが、最も問題となる点である。糞便性大腸菌を検出する環境庁法およびEC-MPN法共に、温度設定その他難点が多く、しかも得られる菌の真正率は60-70%である。これに比して、腸球菌測定の各種方法(AC法・EF法など)は、極めてルチンワークに適しており、70-90%の真正率を与えてくれる。われわれは、従来の方法に勝る検出法を考察しつつあり、変法AC培地を用いたメンブランフィルター法を用いれば、簡便・廉価しかも真正率は100%に近い成績を上げうる。各種野外地点に適用してその有用性を確立しつつある。
自己組織的秩序形成を利用する新規なバイオ生産分離プロセスの開発

細胞や生物生体系は、熱ストレスを始めとする各種の致死的ストレス条件にさらされると、これに応答して一群の熱ショック蛋白質(HSP)や特定の蛋白質を急速に生産したり、変性しかけた蛋白質を巻き戻したり、あるいは細胞膜を通して蛋白質を透過・放出したり、さらにはまた不活性な凝集物を形成するなど、様々な潜在機能を誘導発現して、環境変化に適応する。これらの微生物・細胞や蛋白質、細胞膜の示す各種のレベルにおけるストレス応答ないし刺激応答機能を、水性二相分配法を始めとする各種の方法によって解析し、これらが変性しかけた蛋白質とHSPないし細胞膜やモデル細胞膜リポソームとの間のゆらぎのある動的な複合体形成を経ること、またこれが疎水相互作用の介在する自己組織的構造形成によることを明かにした。これらのストレス応答型の自己組織的構造形成能は、主として刺激応答型ポリマーや水性二相系、リポソームと複合利用することにより、バイオ生産・分離プロセスに有効利用された。培養生産された細胞や蛋白質混合液を、刺激応答型ポリマーや水性二相系、リポソーム共存下で適当なストレス条件にさらすことにより、目的蛋白質をトラップし、巻き戻し、あるいは膜透過させて、選択的に回収できることを示した。親水性ポリマーであるポリエチレングリコール、デキストラン、ないし非イオン性界面活性剤Tritonの混合水溶液が自発的に相分離して形成する数種の水性二相系を用いて以下の検討を行った。先ず大腸菌や枯草菌が、熱・塩・変性剤を始めとする各種のストレス条件下で生産するシャペロニンGroEL,GroESや機能性ペプチドsurfactin,ないしβ一galactosidase,CABを始めとする各種細胞内酵素・タンパク質、可溶性タンパク質量、不溶性画分(凝集物)の生産量と、それらの細胞外への放出量、さらにはこれらの細胞内酵素の各種ストレス条件下における活性や濁度の動的解析法をも併用して、酵素の安定性や変性・失活速度、凝集速度、表面特性・相互作用(機能)解析を行い、これらの間の相関関係について定量的に検討した。次いで水性二相分配法や蛍光色素法・定常蛍光偏光解消法等を適用して、これら微生物・細胞・脂質二分子膜モデル細胞の表面特性・細胞膜透過性・流動性等の定量的評価を行い、熱ストレスやTriton・溶菌酵素による物理的・化学的・生物学的ストレスによる細胞膜の特性変化とその制御法を検討した。この結果、各種酵素・タンパク質により高次構造変化とそれに伴う表面特性変化、特に表面の一部に極在する疎水結合部位を表す局所的疎水性の変化が各種速度過程を規定する大きな要因であることを明らかにした。例えば、局所的疎水性が最大となる変性初期の中間体が、シャペロンGroEL,GroESや機能性ペプチドsurfactinとの相互作用過程や、細胞膜との相互作用過程・透過過程、凝集過程等において重要な役割を果たしていることを明らかにし、一連の国際会議で発表するとともに論文として投稿した。親水性ポリマーや両親媒性物質の混合水溶液が自発的に相分離して形成する水性二相分配法や蛍光色素法・定常蛍光偏光解消法等を用いて、微生物細胞・脂質二分子膜モデル細胞の表面特性・細胞膜透過性・流動性等を定量的に評価した。超音波・熱ストレスやTritonないし溶菌酵素等による物理的・化学的・生物学的およびこれらの複合ストレスによる細胞膜の特性変化、ならびに各種酵素・タンパク質の高次構造変化とそれに伴う表面特性変化を解析し、これら両者間の相互作用がストレスの種類や複合の仕方によらず、局所的表面疎水性ないし流動性により定量的に相関できることを明かにした。またタンパク質の膜透過や再活性化を、これに基づいてモデル化し、実験結果をよく説明できることを明かにした。ケーススタディとして、脂質二分子膜モデル細胞中にタンパク質混合物を封入した複合系を調製した。次いでこれら自己組織的に形成される複合系に最適な熱・塩・pH等のストレス、ないしはこれらのストレスを複合して負荷することにより、目的タンパク質の選択的透過・分離が可能であることを実証した。これらの結果に基づいて、環境ストレス応答という高度の非定常な生物機能を模倣する新規でシンプルかつ効率的なバイオ生産分離プロセスを開発した。
ショウジョウバエを用いた左右対称性を破る新規な機構の解明

これまでに共同研究者らによって、消化管の一部である後腸が左右非対称な形態に発生する際、捻転前に観察される上皮細胞の形状の歪んだ性質が重要な働きをしていることが示唆されています(Taniguchi et al., Science, 2011)。私は、この過程において、上皮細胞の形状変化が生み出す「機械的な力」が重要な働きをしているのではないかと考えました。さらに、この「機械的な力」を定量化することにより、後腸が左右非対称な形態に発生する過程において重要な知見が得られると考えました。そこで、後腸が左右非対称な形態に発生する際に必要な「機械的な力」を定量化するために、以下の2つの実験を遂行しました。(1)後腸の培養実験まず、後腸自身が捻転に必要な「機械的な力」を生み出しているのかどうかを確かめるために、胚より単離した後腸の培養実験を行いました。その結果、胚より単離した後腸は培養液中において、生体内と同様に捻転することが明らかとなりました。このことより、後腸自身が捻転に必要な「機械的な力」を生み出していることが示唆されました。(2)磁性ビーズを用いた後腸が左右非対称な形態になる際に必要な「機械的な力」の定量化後腸の培養実験から、後腸自身が生み出す「機械的な力」が捻転に必要であることが示唆されました。この結果より、外部より加えた力により私は後腸の捻転を止め、そのとき加えた力を定量化することで、後腸自身が生み出す「機械的な力」を見積もることが可能なのではないかと考えました。そこで、外部からの力として磁力を用いて、後腸の捻転を止める実験を行い、さらに、そのとき加えた磁力を定量化しました。その結果、後腸の捻転に必要な力は、約6nNであることが明らかとなりました。以上の2つの実験により、後腸が左右非対称な形態に発生する際、後腸自身により生み出される約6nNの「機械的な」力が必要であることが示唆されました。動物のからだには、遺伝的に決められた左右非対称性が認められることがしばしばあります。左右軸は、前後軸や背腹軸とともに、体軸の要素として胚発生の基礎となっています。したがって、左右非対称性の形成機構を明らかにすることは、個体発生や臓器形成を理解するための中心的な課題の1つです。そこで、本研究では、ショウジョウバエを用いて、臓器の左右対称性が破られ、左右非対称な形態に発生する過程を明らかにすることを目的としています。左右対称性の破れに関わる遺伝子を網羅的に探索するために、生殖細胞系列において突然変異細胞をモザイクにもつ個体から、突然変異ホモ接合体胚を得る方法(生殖細胞モザイク法)を用いて、胚の消化管の左右非対称性の異常を指標とした遺伝的スクリーンを行いました。この結果、消化管の左右対称性の破れに関わると考えられる遺伝子の突然変異体を1系統単離することができました。また、多光子共焦点顕微鏡を用いて、ショウジョウバエ胚消化管のタイムラプス観察を行いました。その結果、消化管の形態が大きく変化する時期を明らかにすることができました。また、消化管の左右非対称な形態形成には、機械的な力が必要であるのではないかと考え、消化管の左右非対称な形態を人為的に操作できるシステムを確立しました。現在、この突然変異体の責任遺伝子を同定するための遺伝子座マッピングを行っており、候補遺伝子を約55遺伝子まで絞り込むことが出来ています。また、ショウジョウバエ胚において、任意の遺伝子を個体中の器官の中でモザイク状に発現させるシステムを新たに構築し、論文を発表しました(Nakazawa et al .,2012,Developmental Dynamics)。このシステムを、単離した突然変異体ホモ接合体胚内で用いることで、単離した遺伝子の細胞内における機能を調べることができると考えられます。このシステムを用いて、消化管の左右非対称性が鏡像化することが明らかとされているMyosin31DF遺伝子の突然変異ホモ接合体胚内で、Myosin31DF遺伝子をモザイク状に発現させました。この胚の消化管上皮細胞の頂端面におけるDE-cadherinタンパク質の局在を調べた結果、Myosin31DFが細胞自律的に働いていることを明らかにすることができました(Taniguchi et al.,2011,Science)。

これまでに共同研究者らによって、消化管の一部である後腸が左右非対称な形態に発生する際、捻転前に観察される上皮細胞の形状の歪んだ性質が重要な働きをしていることが示唆されています(Taniguchi et al., Science, 2011)。私は、この過程において、上皮細胞の形状変化が生み出す「機械的な力」が重要な働きをしているのではないかと考えました。さらに、この「機械的な力」を定量化することにより、後腸が左右非対称な形態に発生する過程において重要な知見が得られると考えました。そこで、後腸が左右非対称な形態に発生する際に必要な「機械的な力」を定量化するために、以下の2つの実験を遂行しました。(1)後腸の培養実験まず、後腸自身が捻転に必要な「機械的な力」を生み出しているのかどうかを確かめるために、胚より単離した後腸の培養実験を行いました。その結果、胚より単離した後腸は培養液中において、生体内と同様に捻転することが明らかとなりました。このことより、後腸自身が捻転に必要な「機械的な力」を生み出していることが示唆されました。(2)磁性ビーズを用いた後腸が左右非対称な形態になる際に必要な「機械的な力」の定量化後腸の培養実験から、後腸自身が生み出す「機械的な力」が捻転に必要であることが示唆されました。この結果より、外部より加えた力により私は後腸の捻転を止め、そのとき加えた力を定量化することで、後腸自身が生み出す「機械的な力」を見積もることが可能なのではないかと考えました。そこで、外部からの力として磁力を用いて、後腸の捻転を止める実験を行い、さらに、そのとき加えた磁力を定量化しました。その結果、後腸の捻転に必要な力は、約6nNであることが明らかとなりました。以上の2つの実験により、後腸が左右非対称な形態に発生する際、後腸自身により生み出される約6nNの「機械的な」力が必要であることが示唆されました。第2染色体について、およそ500系統の突然変異系統を作出し、消化管の異常に関して、遺伝的スクリーンを行いました。目標とする系統数にはまだ届いていませんが、新たに得られた突然変異系統、1系統の責任遺伝子に関して、およそ55遺伝子まで絞り込むことができており、「研究の目的」にある「ショウジョウバエの左右対称性の破れに機能する遺伝子の同定」は、採用年度内に達成できると考えています。当初は、第2染色体、第3染色体を含めて、母性効果を除去した、約2000系統の突然変異系統を作出し、消化管の左右性が異常になる突然変異系統を探索する予定でした。しかしながら、遺伝的スクリーンに遅れが生じてしまい、採用年度内に2000系統の突然変異系統の遺伝的スクリーンを完了することが難しくなってしまいました。そこで、今後は、第2染色体の遺伝的スクリーンで得られた突然変異系統の責任遺伝子の同定を第一優先にし、同定した責任遺伝子がショウジョウバエの左右対称性の破れにおいて、どのような機能を果たしているかどうかを採用年度内で明らかにできるようにします。
大腸炎における下痢の病態の解明-大腸上皮の水分電解質輸送能異常-

(2)抗ENaCα、β、γ抗体を用いた免疫組織化学により、各分子の蛋白発現を検討した。cortisol存在下で、GEを培養液に添加することによりENaCγ蛋白を高発現する細胞数が増加した。ENaCα、βsubunitの発現に明らかな変化は認められなかった。以上の結果より11β-HSD2発現の減弱により、大腸粘膜上皮細胞でのNa輸送能が逆に亢進する可能性が示唆された。潰瘍性大腸炎において認められる11β-HSD2発現の減弱は、低下したNa輸送能を回復させようとする合目的的な反応である可能性が考えられる。1)ラットにおける大腸炎作製のためのデキストラン硫酸ナトリウム(DSS)の投与条件(濃度,および投与期間)の設定を行う目的で,予備的検討としてマウスにおける大腸炎モデルの作製の条件設定を行った。3%DSSの自由飲水による9日10日間連続経口投与により,遠位大腸を中心にびまん性のびらん,出血を呈する大腸炎を作製可能であった。病理組織学的に陰窩腫瘍の形成,粘膜固有層への著明な炎症性細胞浸潤などの大腸炎の所見を確認した。2)ラットにおけるアミロライド盛受性Naチャネル(ENaC)α,β,γ各サブユニットの蛋白発現を免疫染色にて検討するために,ラット正常大腸,腎組織を用いて,抗体希釈倍率,抗原賦活化等の条件設定を行った。3)ラットでの検討に先立ち,ヒト大腸粘膜から遊離した粘膜上皮細胞より抽出したRNAを用い,定量的RT-PCR法にて,水分電解質吸収に関わる諸分子のmRNA発現の検討を行った。正常対照28例,潰瘍性大腸炎27例,Crohn病24例の手術摘出標本から抽出されたRNAを用いて,mineralocorticoid receptor,glucocorticoid receptor,11β-HSD2,prostasin,ENaCα,β,γ各サブユニットの各分子およびhouse keeping geneとしてβ-actin,GAPDHのmRNA発現の検討を行った。平成16年度には,臨床的な各種パラメーター(病気の活動性などの)との関わりを含め,解析を行う予定である。
インターネット利用非同期型遠隔情報教育のためのコンピュータ援用教授システムの研究

本研究は、遠隔地から授業に参加できない学習者に対して、インターネット利用のWWW教材非同期的学習環境を提供し、コンピュータにより支援するシステムの構築を目的とする。この課題は、個別学習による学習の行き詰まりを解消させるだけでなく、孤独感を取除いて、授業参加時のように他者との競争心を起こさせたり、協調的体験をさせるなどの工夫についても、考慮しなければならない。本研究においては、授業における同期的学習環境の実験を通して、行き詰まりの解消、他者との相対的な学習比較、協調学習グループの形成の方法を明らかにして、その分析結果から非同期的に利用できる重要な方法を開発することができた。行き詰まり解消においては、学習者の学習状態を把握するために、教材構造に着目した教材理解モデル、課題達成過程を分析するための課題理解モデル、学習履歴の実時間分析による学習者モデルの3つのモデルを構築し、これらの差分モデルから理解状態を把握する方法を確立した。その有効性を評価するための実験では、行き詰まりの原因と解消法の予測が可能であることが言えた。得られた個別学習支援方法は、同期・非同期学習のいずれにも適用できることが分かった。非同期学習における孤独感を取除くために、同期的学習における学習結果を利用して、現在の学習状況は他者と比較して進んでいるか、遅れているかなどの情報が得られる環境を構築した。さらに、同期学習における協調学習例をデータベース化することにより、非同期学習者も協調学習の様子を実感できるように考慮できた。これらの結果は、ITS98国際会議(米国)とICCE99国際会議(日本)で発表し、構築したシステムの詳細は、教育システム情報学会、電子情報通信学会、日本教育工学会など、国内の研究会で公表した。本研究は、情報教育を広く早急に国内へ普及させるために、WWW教材を遠隔地から授業に参加する同期的学習で、あるいは授業外の時間帯に非同期的学習で活用する際に、学習者を支援して滑らかな学習を達成させる教授システムを構成することを目的にしている。このため、その基本的な学習環境をインターネット利用技術で達成する方法を構築する。そこで、できるだけ短期間に基本機能を明示し、その評価を行なって利用可能なシステムを公表する。すなわち、本研究は、遠隔情報教育における学習つき実習教材を対象に、非同期学習に対する基本機能を備えたコンピュータ援用教授システムを2年で完成させ、公表することにした。作成した研究計画・方法に従い、以下のように研究経費を支出して研究を推進し、その成果を研究会等で発表した。1.既存のWWW教材を活用して、情報リテラシーの教科に関するWWW教材を作成し(渡辺、織田)、そのファイルサーバとしてワークステーションを購入した。2.学習環境を提供するパソコンを購入し、遠隔授業のための学習者インタフェースを構築した。(竹内、桑田)。3.電気通信大学と九州工業大学間で非同期学習の実験を行い、情報処理教育研究集会に参加し、SCSにより研究内容を公表した(渡辺、織田、竹内、平嶋)。4.同期的遠隔授業における教材学習履歴の分析法を開発するため、課題達成度の調査と質疑応答履歴のデータベース化を行った(田中、織田)。5. ITS98国際会議(米国)に出席し、ワークショップでの発表、および研究内容のレビューなど、本研究の新規性・有用性を確認した(渡辺)。本研究においては、授業における同期的学習環境の実験を通して、行き詰まりの解消、他者との相対的な学習比較、協調学習グループの形成の方法を明らかにして、その分析結果から非同期的に利用できる重要な方法を開発することがきでた。

行き詰まり解消においては、学習者の学習情報を把握するために、教材構造に着目した教材理解モデル、課題達成過程を分析するための課題理解モデル、学習履歴の実時間分析による学習者モデルの3つのモデルを構築し、これらの差分モデルから理解状態を把握する方法を確立した。その有効性を評価するための実験では、行き詰まりの原因と解消法の予測が可能であるこが言えた。得られた個別学習支援方法は、同期・非同期学習のいずれにも適用できることが分かった。非同期学習における孤独感を取除くために、同期的学習における学習結果を利用して、現在の学習状況は他者と比較して進んでいるか、遅れているかなどの情報が得られる環境を構築した。さらに、同期学習における協調学習例をデータベース化することにより、非同期学習者も協調学習の様子を実感できるように考慮できた。これらの結果は、ITS98国際会議(米国)とICCE99国際会議(日本)で発表し、構築したシステムの詳細は、教育システム情報学会、電子情報通信学会、日本教育工学会など、国内の研究会で公表した。
ステレオインラインホログラフィ法を用いた固体粒子が渦核に与える影響の観察

インラインホログラフィは再生粒子像の奥行き位置精度が低い問題があった。そこで、2組のインラインホログラフィを直交させることで問題を解決した。その結果、3次元速度場を得ることができ、固体粒子が渦核に与える影響を観測可能になった。さらに、インラインホログラフィがもつ双画像問題についても、新たに開発した位相回復法を用いて解決できる可能性を示せた。本研究の目的は、「ステレオインラインホログラフィ法を用いた固体粒子が渦核に与える影響の観測」である。従来の低い奥行き位置精度に制限されるインラインホログラフィに対して、高い奥行き位置精度が可能なステレオインラインホログラフィ法を用いる。当該年度では、ステレオインラインホログラフィ法による3次元速度場計測システムの構築をおこなった。特に、ステレオインラインホログラフィ法で得られるホログラフィックパターンから構築された3次元の粒子群分布の再生像に生じるノイズを低減する方法について提案と検証をおこなった。具体的には、構築した再生像に対して、再帰的に領域分割し、各ステップごとでmin-max filterと総乗をおこなうことで、奥行き方向への伸びが低減される。まず、粒子伸びを約半分に低減する2波長再生法をステレオインラインホログラフィ法を組み合わせることで、再生像のノイズが粒子数が増えても常に約3dB低減されることを数値解析で検証した。しかしながら、依然として粒子伸びは残り、得られる再生像の光強度分布も小さくなった。そこで、2波長再生法の代わりに総乗を用いて粒子伸びを直接短縮した。この結果、粒子の短縮に成功したが、2つ以上の粒子が存在する場合は、粒子間に極端な光強度値の差が生じてしまい、結果的に大部分の粒子像が失われてしまった。このことを解消するために、構築した再生像に対して、再帰的に領域分割し、各ステップごとでmin-max filterと総乗をおこなうことで、上記問題が解消した。一昨年度提案し、数値実験でその原理を確認した再帰体積フィルターの実証実験を本年度実施した。その結果、実験でも同様に100倍程度の粒子伸びが粒子直径程度まで改善されることが明らかになった。また、渦核の観測に必要な高速度カメラ2台用いたステレオインラインホログラフィ法について、同様に実証実験を行った。今回新たにカメラ設置に必要な校正方法を提案した。そして、提案手法を用いて、静止流体中で沈降する粒子群の3次元速度ベクトルを奥行き方向精度で実用レベルに改善できた。本研究の実績は、「ステレオインラインホログラフィ法を用いた固体粒子が渦核に与える影響の観測」である。従来の低い奥行き位置精度に制限されるインラインホログラフィに対して、高い奥行き位置精度が可能なステレオインラインホログラフィ法を用いて、2項目を実施した。1.ステレオインラインホログラフィ法による3次元速度場計測システムの構築、2.固体粒子が渦核に与える影響の観測。これらの実施により固体粒子と渦核の相互作用が3次元渦度場によって観測可能となった。本研究で重要となるカメラ2台の設置法について、機械的な調整方法を用いたCMOS素子サイズ以下の精度で設置できる校正方法を確立できた。また、実証実験で再帰体積フィルターの有効性が確認できたことによって、昨年度の計画を全て達成した。このことから、おおむね順調に研究が進展している。また、この校正方法を拡張することで、カメラ2台を用いた位相回復法が可能となり、従来では静止した微粒子の観測まで報告されていたが、今回では沈降する粒子群の観測にも成功した。流体工学本年度でソフトとハード両面の準備が整った。最終年度では、個体粒子が渦核に与える影響を観測する。このとき、観測対象が水槽内にあるため、現状のカメラ校正方法を拡張する必要がある。観測の過程で得られる影響に関する知見だけでなく、観測手法のさらなる精度向上が期待できる。観測システムにおけるハードとソフトの構成要素のうち、最も問題となるソフト部分について解決方法を提示できたため、本研究はおおむね順調に進展していると言える。つまり、ソフト部分におけるホログラフィ法における奥行き方向への粒子伸びの問題は、構築した再生像に対して、再帰的に領域分割し、各ステップごとでmin-max filterと総乗をおこなうことで、奥行き方向への伸びが低減される方法で解決することが数値実験において提示できた。このことは、Gabor型のホログラフィ法において長年解決が困難であった、粒子群の再生像についての一定の解決方法となり、粒子測定に大きな波及効果が見込める。とくに、本研究の目的であるステレオインラインホログラフィ法を用いた固体粒子が渦核に与える影響の観測に用いる3次元ホログラフィックPIVの高精度化に繋がる。よって、当該年度の研究成果によって確実な進展が得られたことになる。今後の研究の推進方策として、観測システムにおけるハードとソフトの構成要素のうち、ソフトについて一定の成果が得られたため、いよいよハード部分の構築をおこなう。本年度に導入が予定されている高速度カメラ2台を観測体積に対してマイクロ精度で位置合わせする固定具と調整治具の設計開発をおこなう。

特に、これらの装置については前年度に導入されたNC工作機械と3次元座標測定機を組み合わせて用いることで、加工された部品の設計と加工との差について厳格に精度管理を実施することが期待できる。観測システムのハードとソフトうち、ソフトを主に研究がすすんだため、ハードの支出が減少した。次年度はハードの構築が主になるため、部品や消耗品の購入にあてる。
準包接水和物結晶核生成のメモリー効果発現機構の解明

包接水和物結晶の核生成時においてみられるメモリー効果(いったん結晶ができると再び核生成しやすい)の発現機構の解明のため、構造が似ており常圧で扱うことのできる準包接水和物結晶を用いて、その発現条件を詳しく調べた。Type A, Type Bの二つ種類の結晶について、ともに調和融点濃度での実験よりも、水溶液濃度が低い方がメモリー効果による核生成が発生しやすいことが明らかになった。実験装置の設計・製作を行い、準包接水和物結晶の核生成方法の検討を行った。水溶液濃度を固定してメモリー効果の有効温度測定を行った。高精度の温度安定性を得るため、0.01°Cで温度制御が可能な低温恒温槽を購入した。結晶は市販の分光光度計用セル内で核生成させ、観察には実体顕微鏡とハイビジョンビデオカメラを組み合わせた。また、解析にはハイビジョンレコーダーとコンピュータを組み合わせることとした。このシステムにより、従来よりも高解像度の動画を記録・解析することが可能となった。今年度は、20wt%のTBAB水溶液を用いた。平衡温度は約9°Cである。最初の核生成発生の温度は-5°C付近であり、約14Kの過冷却を必要とした。温度を上昇させると生成したTBAB-hydrateは約9°Cで解離するが、水溶液の温度を14°C以下で保持すると、再び温度を下げたときに1-8Kの過冷却でTBAB-hydrateの核生成が観察された。一方、水溶液の温度を15°C以上で保持した場合、再び温度を下げてもすぐにはTBAB-hydrateは核生成せず、初期と同じ-5°C付近までの過冷却を必要とした。従って、20wt%でのメモリー有効温度は14°Cであると判断した。また、これまで実験を行ってきているXe-hydrateとの相違点・類似点についても検討を行った。これらの研究成果は、学会発表で公表した。実験装置の一部改良を行い、準包接水和物結晶の核生成時におけるメモリー効果の発現状況を観察した。昨年度の20wt%水溶液に加えて,本年度は40wt%水溶液でのメモリー効果の有効温度、およびその発現確率の測定を行った。水溶液濃度40wt%は、水溶液での水:TBABの比率と、包接水和物結晶での水:TBABの濃度が一致する「調和融点」が実現する。このときの温度は12°Cである。この調和融点においては、結晶の成長および解離とも濃度変化が伴わないため,核生成、およびメモリー効果発現に対して有効ではないか、という議論がこれまであり、核生成およびメモリー効果発現確率の測定を行った。実験の結果、水溶液濃度40wt%が核生成に特に有効であることはなく、20wt%での核生成と確率的にはそれほど変化しないことが明らかになった。また、メモリー効果に対しても特に40wt%での場合に発現確率が高いとは言えなかった。これらの研究結果は,学会発表で公表した。昨年度まではtypeAのhydrate結晶を用いたが、本年度はtypeBのhydrate結晶を用いて、メモリー効果の発現確率の測定を行った。typeBでは水溶液濃度32wt%が、結晶と同じ水とTBABの比率である「調和融点」であるので、40wt%から10wt%まで水溶液濃度を変えて実験を行った。実験の結果、調和融点ではメモリー効果の発現が見られなかったが、低濃度においてメモリー効果の発現が見られ、その確率は調和融点の約半分の濃度でピークを持つことが明らかになった。これはメモリー効果発現のメカニズム解明に対して重要な情報である。これらの研究結果は、一部は学会発表で公表しており、残りの部分は今後の国際学会で発表し、学術雑誌に投稿する予定である。