hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
細胞核に存在する新しいイノシト-ルリン脂質特異的ホスホリパ-ゼCの構造と機能

我々により初めて細胞核に見い出されたイノシト-ルリン脂質特異的ホスホリパ-ゼC(PLC)の構造ならびに機能の解明を目的として実験を進め,以下の結果を得た。1.細胞核PLCの精製:ラット腹水肝癌細胞(AH7974)より分離精製した核からPLCを可溶化し,4種類のカラムクロマトグラフィ-およびグリセロ-ル密度勾配超遠心を行って高度に精製された4種類のPLCを得た。4種とも既知のPLCr_1,r_2およびδのいづれの抗体とも反応せず,一時的にPLCーA,ーB,ーC,ーDと名づけた。成熟静止肝ならびに再生肝(S期)の核からもPLCを精製し,静止肝からはPLCーAとCが,再生肝からはAH7974細胞と同様PLCーA,ーB,ーCおよびーDが得られた。2.細胞質上清および細胞膜PLCの精製:AH7974細胞より細胞質上清および細胞膜画分を調製し,それぞれからPLCを精製した。両画分とも主としてPLCーAおよびーCが同定された。3.4種類のPLCの性質の比較:(1)すべてのPLCがその活性発現のためにCa^<2+>を要求した。また,すべてのPLCがホスファチジルイノシト-ルモノリン酸(PIP)ならびにジリン酸(PIP_2)の加水分解はμMオ-ダ-のCa^<2+>の存在下で効率よく行ったが,ホスファチジルイノシト-ル(PI)の加水分解には,PLCーA,ーB,ーCはmMオ-ダ-のCa^<2+>を要求し,一方,PLCーDのみμMオ-ダ-のCa^<2+>でPIを加水分解した。(2)PLCーAおよびーCはPIを最もよく加水分解し,一方,PLCーBおよびーDはPIPを最も効率よく加水分解した。(3)PLCーAおよびーCに比し,ーBおよびーDは効率よくDNAに結合した。以上の結果から,PIPを最も効率よく加水分解し,DNAと結合するという特徴をもつPLCーBおよびーDは核に多く存在し,しかも増殖期細胞核に特異的なPLCであることが判明した。これらPLCの抗体の作製およびcDNAのクロ-ニングを目指して現在実験を進めている。
針葉樹ならびに広葉樹における細胞壁微細構造の特徴:細胞壁構成成分の架橋構造モデル

平成23年3月23日「分化中スギ(Cryptomeria Japonica)木部におけるヘミセルロースの免疫局在」の題目で博士(農学)を取得した。博士論文では、分化中スギ木部におけるヘミセルロースの堆積過程について調べた結果を示している。免疫標識法により、分化中の正常材仮道管及び圧縮あて材仮道管の細胞壁におけるグルコマンナンO-アセチル-ガラクトグルコマンナン、GGM)、キシラン(アラビノ-4-O-メチルグルクロノキシラン、AGX)、β-1-4-ガラクタンの堆積過程を調べた。また、放射柔細胞の細胞壁及び壁孔におけるGGM及びAGXの堆積過程を調べた。要旨は以下の通りである。正常材仮道管ではS_1層形成開始とともに細胞コーナー部でGGM及びAGXが堆積し、二次壁形成中には分化段階に応じてアセチル化度の異なるGGMや側鎖構造の異なるAGXが堆積した。放射柔細胞壁では仮道管のS_1層形成開始とともにGGMが堆積したが、AGXの堆積はGGMのそれに遅れた。壁孔壁では形成初期においてGGMが堆積したが、成熟に伴い消失した。AGXの堆積は、壁孔壁の形成のどの段階においても見られなかった。圧縮あて材仮道管では、GGMは二次壁の全域にほぼ均一に堆積したが、AGXは主にS_1層やS_2層の内側部分に堆積した。S_2層の外側部分ではAGXの堆積があまり認められなかった。一方、β-(1-4)-ガラクタンやリグニンはS_2層の外側部分で顕著な堆積を示した。これらの結果により、分化中のスギ細胞壁における各種のヘミセルロース堆積パターンが、細胞の種類や壁層の違いにより異なることが示された。さらに、細胞壁の形成段階ごとにアセチル化度や側鎖構造の異なるヘミセルロースが堆積することが示唆された。これらの内容はPlantaに5編の論文として掲載された。私は、木材細胞壁の微細構造を調べ、針葉樹及び広葉樹構成細胞の細胞壁モデルを提示することを目的として研究をすすめている。現在、針葉樹を用いて詳細な研究を実施している。また、実験を円滑に進行するために、一部の実験方法を変更した。1年目(平成21年度)の研究計画と実験の実施状況は以下の通りである。1.ヘミセルロースは針葉樹仮道管の細胞壁に約30%存在し、細胞壁内でセルロース及びリグニンと結合構造を形成する重要な多糖類である。平成21年度は、グルコマンナン及びキシランの抗体を用いて免疫蛍光及び免疫電子顕微鏡法により仮道管におけるグルコマンナン及びキシランの堆積過程について調べ、次の新しい知見を得た。細胞壁の成熟段階より化学構造の違うグルコマンナン及びキシランが細胞壁に堆積した。特に、グルコマンナンの場合、細胞壁の形成が完了した後でも、グルコマンナンのアセチル基は徐々にはずれることが分かった。これらの結果は、植物の学術誌に投稿中である。2.針葉樹の圧縮あて材(傾斜した樹幹に形成される異常材)の細胞壁形成過程における多糖類の堆積について、免疫蛍光及び電子顕微鏡法により調べた。圧縮あて材の特徴的なガラクタンはリグニンが多く堆積する壁層に多いことが判明した。この結果は、植物の学術誌で印刷中である。現在、圧縮あて材におけるグルコマンナン及びキシラン堆積過程について研究をすすめている。これまでの結果では、リグニンが多く堆積している細胞壁層ではキシランが少なく、グルコマンナンの分布も正常材と違うことがわかった。上記の結果は、木材細胞壁の解剖学的特徴に成分化学的情報を加えたものであり、木材細胞壁をバイオマス資源として活用する上で重要な基礎的情報を提供しているものと考えている。

さらに、細胞壁の形成段階ごとにアセチル化度や側鎖構造の異なるヘミセルロースが堆積することが示唆された。これらの内容はPlantaに5編の論文として掲載された。
恒久的骨粗鬆症治療

本研究は破骨細胞分化誘導を制御する細胞系譜の性質と存在部位について検討し、骨粗鬆症の発症を根治しうる治療法を開発する事を目的とした。破骨細胞分化には腹腔にのみ存在する細胞系譜と骨髄内のT細胞系譜の相互作用により制御されていた。この相互作用をそれぞれの段階で遮断すると、約50%の破骨細胞分化が抑制される。特に腹腔を低調処理することで一時的に腹腔細胞を除去したマウスにおいては1年以上にわたって骨髄細胞からの破骨細胞分化が減少した。本研究はこの3年間で、骨髄内のT細胞系譜の性質、各種変異マウスを用いた解析から、関与するシグナル伝達系も含めて多くの情報を得た。本研究は、破骨細胞分化効率を恒久的に減少させうる可能性を見出し、その手法を骨粗鬆症治療へと応用することで、骨粗鬆症の発症を減少・阻止することを目的としている。申請者が腹腔内へ蒸留水を注入することで低張処理をおこない、その結果、見出した破骨細胞分化誘導制御機構を明らかにするために、3年間で、1)破骨細胞分化制御に関わる腹腔内に存在する細胞群と骨髄中に存在するT細胞系譜の性格を明らかにし、2)その細胞群の特異的除去の方法と骨粗鬆症の抑制効果をマウス個体レベルでも確認する事を目的としている。平成24年度は、1この破骨細胞分化制御に関与する細胞群探索のため、各種トランスジェニック(Tg)マウス・遺伝子破壊(KO)マウスを用いて、腹腔低張処理の効果を検討した。その結果、T細胞抗原受容体のTgマウスでは、低張処理による破骨細胞分化誘導の効果は見られなかったが、B細胞抗原受容体のTgマウスでは正常対照群同様の反応が見られた。実際、正常マウス骨髄からCD4あるいはCD8陽性T細胞画分を除去すると分化誘導の減少が観察され、T細胞系譜の関与が示唆された。2腹腔の低張処理により影響を受ける骨髄細胞を明らかにするため、正常対照群、低張処理マウス、T細胞抗原受容体Tgマウス等からのT細胞画分を低張処理マウスの破骨細胞分化系に加えてその反応の回復を検討したが、まだ、回復能を持った細胞の同定までは至っていない。本年度に行った論文発表は、破骨細胞分化の決定システムの検討を行なったBiochem. Biophys. Res. Commun.)、骨細胞を含む様々な細胞の起源を比較検討した(PLos One)、樹状細胞の遊走機構の解析(Eur. J. Immunol.)、などがある。本研究は、基礎研究から破骨細胞分化効率を恒久的に減少させうる可能性を見出し、その手法を骨粗鬆症治療へと応用することで、骨粗鬆症の発症を阻止することを目的としている。腹腔を低張処理することによって見出した破骨細胞分化誘導制御機構を明らかにするために、3年間で、1)破骨細胞分化制御に関わる骨髄・腹腔細胞群の性質を明らかにする。2)その細胞群の除去の方法をマウス個体レベルで確認するというものである。骨髄中のこの機能を司る細胞は、CD4、CD8a、またはCD5陽性細胞で、B220、CD11b、CD11c、NK1.1、IL7Ra陰性の細胞である。マウス個体レベルでの検討は遺伝子変異マウスの観察からスタートした。T細胞欠損のFoxn1-nu/nu、Rag1-KOマウスでは予想通り、CD4、CD8a、CD5陽性細胞除去による変化は見られなかったが、腹腔低張処理の効果も見られなかった。ところが、MHCクラスII/卵白アルブミンを認識するT細胞抗原受容体遺伝子のトランスジェニックマウスではCD4或いはCD8a陽性細胞除去しても変化しないが、腹腔低張処理では低下した。また、xid変異マウスはT細胞除去では低下し、腹腔低張処理では変化しないことも見出した。これらの観察事実を基礎にして、破骨細胞分化制御にはいかなる機構が働いているのか明らかにできる段階にまで本研究は達していると思う。低張処理により失われるこの腹腔の細胞集団は、腹腔中で維持されているらしく、他の器官から供給はされないために、一度除去すると、その機能が長期間回復しない。まだ、機構が完全には理解できていないが、恒久的骨粗鬆症の予防法に求められている破骨細胞分化誘導の減少という結果は非常に安定して再現出来ている。

申請者が腹腔内へ蒸留水を注入することで低張処理をおこない、その結果、見出した破骨細胞分化誘導制御機構を明らかにするために、3年間で、1)破骨細胞分化制御に関わる腹腔内に存在する細胞群と骨髄中に存在するCD5陽性の細胞群の性質を明らかにし、2)その細胞群の特異的除去の方法と骨粗鬆症の抑制効果をマウス個体レベルで確認する事を目的としている。平成23年度は、(1)1回の腹腔低張処理による骨髄細胞の破骨細胞分化誘導の減少が維持される期間と、(2)骨髄中に存在する破骨細胞分化制御細胞を明らかにすることを目標とした。その結果、(1)腹腔低張処理を1度行うと、その後、少なくとも1年以上(69週)、対象等張緩衝液処理との間に、有意な破骨細胞誘導の減少が観察された。この有意差は雌雄両性に同じように観察された。マウスにおけるこの1年という期間は、ヒトに換算するとかなりの長期的な期間を意味すると推測される。(2)骨髄細胞から、抗体で各細胞系譜を除去するとCD4、CD5、CD8a、Thy1.2のT細胞系譜マーカー分子を発現しており、一方、B細胞、単球・顆粒球、NK細胞、赤血球などの細胞系譜マーカーは発現していなかった。また、Kit(幹細胞を含む未熟な細胞)、IL-7受容体等も陰性の細胞群のようである。更なる検討で、この細胞群を明らかにできると確信している。本年度に行った論文発表は、破骨細胞分化誘導の実験系を明確にした(Methods Mol. Biol.)。B細胞を中心とした骨髄内分化機構の検討を行った(Biochem. Biophys. Res. Commun.)。また最近、樹状細胞の遊走の論文(Eur. J. Immunol.)も発表した。概要に述べたように、申請時に予定した検討項目をおおむね順調に進めることが出来ている。低張処理後の骨髄破骨細胞分化誘導の減少の維持される期間の検討は既に70週にも及んでおり、マウスの寿命のおおよそ半分は、この1回の処理で減少化が維持されることを確認した。よって、腹腔内に代替不可能な細胞集団が存在する可能性が確実になった。低張処理マウスの低下した破骨細胞分化には、骨髄内T細胞系譜の関与が示唆されていたが、そのより詳細な検討を行ってきた。その結果、CD4陽性細胞のみならず、CD8陽性細胞ですらこの減少化に関与していることが明らかとなった。CD4陽性T細胞とCD8陽性T細胞の両者が関与しているのか、あるいは未同定のCD4/CD8両陽性の細胞集団の存在があるのか、どちらの結果でも興味深いが、明確にしなければならない。そのため、試験管内でT細胞系譜の添加で回復させる実験を行い細胞の分離同定を決定する実験を計画している。この点は特に解決を目指して集中する必要を感じている。T細胞の欠損マウスに破骨細胞分化制御細胞を戻す実験の宿主とするRag1遺伝子破壊マウスもようやく十分な数準備できたので、生体での機能回復実験を行い、標的細胞を決定する。概要に述べたように、申請時に予定した検討項目を順調に進めることが出来ている。特に、骨髄内における破骨細胞分化制御細胞についての検討は、T細胞系譜が欠損するマウス、変異マウスにとどまらず、T細胞抗原受容体トランスジェニックマウスでも分化制御機能が低下するので、T細胞系譜の分化段階、サブセットも含めた解析が出来ている。現在、CD4陽性細胞とCD8陽性の細胞にその活性を見出しており、異常を示す変異マウスや単離、精製することで、その標的細胞が概ね、絞り切れた感がある。よって、予定通りに、その標的細胞を単離出来ると考えている。
クローディンシグナルによる乳癌の悪性形質増強機構

細胞間接着装置の最も上極に位置するタイト結合は、機械的な結合に加えて様々なシグナル伝達にも寄与している。タイト結合分子複合体の中心を成す膜貫通分子クローディンは26種類以上からなるファミリーを形成し、組織・細胞特異的な発現パターンを示す。がんではこのクローディン発現パターンが変化するため、腫瘍に対する免疫染色分子マーカーとして有用性が示されている。申請者所属研究室ではクローディンから核内受容体に至る新規のシグナル伝達経路を同定し、それが幹細胞の上皮分化トリガーとなることを明らかにした。また婦人科癌で同経路が悪性形質増強に作用することも示された。よって当初研究計画に示した通り、乳癌におけるクローディン-4 (CLDN4)の臨床病理学的意義と細胞機能を解明すべく研究を進めた。乳癌手術検体を用いた臨床病理学的検討では、CLDN4高発現が若年における予後不良因子である可能性が示された。また複数の乳癌培養細胞株に対してCLDN4の機能欠失・機能獲得を施行し、CLDN4が悪性形質を正に制御することを明らかにした。以上の結果ならびに幹細胞の上皮分化や婦人科癌の研究で得られた知見から、この作用がエストロゲン受容体のリン酸化を介したものである蓋然性が高いことが考えられ、今後はシグナル伝達経路の検証とエストロゲン依存性に着目して研究を推進する予定である。収集した手術検体数は200を超え、細胞生物学的な実験についてもCRISPR法を用いたノックアウト細胞の樹立を含めて進行の律速段階は終えており、当初予定していたとおり順調に進行している。臨床病理学的検討では、生命予後に加えてTNM分類や他の分子に対する免疫組織化学的性状などとの関連性を、多変量解析などにより解析することにより、CLDN4の予後予測マーカーとしての有用性を明らかにする。培養細胞を用いた分子生物学的な検討では、まず第一に阻害剤や免疫沈降などを用いてシグナル経路を明らかにする。第二にゲノム編集によるエストロゲン受容体のノックアウトやリン酸化不応体のレスキュー実験などを行い、CLDN4シグナルの終着点を同定する。最後にRNAシークエンスによるトランスクリプトーム解析によってこのシグナルに制御される下流分子群を同定することにより、乳癌におけるCLDN4の細胞機能と治療標的としての可能性を明らかにする。CRISPR法を用いたノックアウト細胞の樹立を含めて進行の律速段階は終えており、研究が順調に進捗したことが差額が生じた原因である。引き続き臨床病理学的検討、分子生物学的な検討を並行して進めていく。
人工知能を活用したスポーツ選手映像における関節位置の可視化

本研究では,全スポーツ競技のトレーニング支援として,人工知能(Deep Learning)を活用したスポーツ競技映像における選手の関節位置検出アルゴリズムの考案に取り組んでいる.これまでの人工知能を活用した関節位置検出アルゴリズムでは2次元画像上の位置推定を目的としていた.本研究では2次元関節位置検出アルゴリズムを応用し,3次元関節位置検出アルゴリズムの考案に取り組んだ.本年度は,考案した3次元関節位置検出アルゴリズムにおけるカメラキャリブレーションの定量評価実験を実施した.この実験では,3Dキーポイントに注釈をつけることは難しい場合があるため,再投影誤差を評価した.この実験に使用されるバドミントンシーンは,シャトルコックの打撃開始から終了までのフレームである.実験の結果,提案手法によるカメラキャリブレーションは,高精度であることを確認した.また本実験では関節位置の精度が低い部位が存在したが,選手のセルフオクルージョンが原因であり,セルフオクルージョンが発生しないようにカメラを設定することで解決することができる.また,手動8点の座標を用いたキャリブレーション手法と提案手法のキャリブレーション手法の定量評価実験を実施した.定量評価実験に使用するデータは,選手のショット映像からラケットの位置を手動で取得した.実験の結果,両方の手法ともにラケットの長さの推定誤差平均は,8点キャリブレーション手法,提案手法ともにほぼ変化はなかった.一方で,コートネットより低い位置にラケットが存在する場合の推定誤差に手法の比較による変化は見られないが,コートネットより高い位置にラケットが存在する場合の推定誤差は提案手法のばらつきが少ない結果を表していた.従って,8点キャリブレーション手法はコートネットの高さより高い位置のキャリブレーション精度は低下することを実証した.本研究では,全スポーツ競技のトレーニング支援として,人工知能(Deep Learning)を活用したスポーツ競技映像における選手の関節位置検出アルゴリズムの考案に取り組んでいる.これまでの人工知能を活用した関節位置検出アルゴリズムでは2次元画像上の位置推定を目的としていた.本研究では2次元関節位置検出アルゴリズムを応用し,3次元関節位置検出アルゴリズムの考案に取り組んだ.3次元空間と2次元画像空間の射影関係を求めるためには,撮影カメラのパラメータが必要となる.基本的なカメラキャリブレーション処理は,空間中に3次元位置が既知なランドマークを設置し,その観測位置との対応関係から射影変換行列を推定する強校正や,ランドマークを必要としない弱校正があるが,本研究では,モバイルカメラで移動しながら撮影した映像と疎に配置したカメラの画像を統合することにより,密な多視点画像群を構築し弱校正の推定精度向上を実現した.弱校正座標系は,撮影毎に原点や各軸の方向が変化してしまうが,スポーツ競技コートラインを利用することで,撮影空間の世界座標系を設定し,弱校正座標系から世界座標系への変換を可能とした.撮影方式による補完画像を用いて,補完画像の取得数によるカメラキャリブレーション精度の比較実験を実施し,提案手法のロバスト性を検証した.その結果,提案手法は,疎に配置されたカメラ間の距離が大きいほど提案手法は労力が少なく精度よく機能することを示した.このように,提案したキャリブレーション手法を2台のカメラを用いたスポーツ選手映像に適用することで,高精度な3次元関節位置の推定に成功した.これまでの人工知能(Deep Learning)の学習に必要な選手の関節位置データは,画像上の2次元情報に限られていたが,3次元関節位置情報の学習が可能となった.本年度は,人工知能(Deep Learning)を活用したスポーツ競技映像における選手の3次元関節位置検出アルゴリズムを考案した.考案したアルゴリズムは,少ない労力で高精度に機能することを示した.中でも,固定カメラ配置の検討,補完画像枚数の精度検証を行い,カメラと選手の最適な距離や,高精度に機能するための補完画像枚数を明らかにした.例えば,バドミントン競技映像を用いて,提案手法を有効に機能させるためには,輻輳角が6度程度となるように補完画像を切り出すことが望ましい.実験環境のカメラ間は約40m(縦約20m,横約20m)であり,秒速1mの速度で歩行しながら撮影した映像を,毎秒1フレームで切り出し,輻輳角が6度程度の間隔の画像を利用することが最適であることを明らかにした.データ検証では,バドミントン映像と野球映像に対して精度評価を行い,複数のスポーツフィールドの中で提案手法の有効性を示した.特に,野球映像に対する制度検証では,1m四方の立方体に反射板を4つ装着したランドマークを測量器で測距することで,強校正との比較実験を実現し,提案手法は,強校正のキャリブレーションと同等の精度を持つことを明らかにした.データセットの作成では,バドミントン映像の撮影実験を行い,様々なフットワークやラリーの映像データを取得した.このように,目的としたアルゴリズムの考案及びデータセットの取得を実現し,本研究は,順調に推移している.本研究では,全スポーツ競技のトレーニング支援として,人工知能(Deep Learning)を活用したスポーツ競技映像における選手の関節位置検出アルゴリズムの考案に取り組んでいる.これまでの人工知能を活用した関節位置検出アルゴリズムでは2次元画像上の位置推定を目的としていた.本研究では2次元関節位置検出アルゴリズムを応用し,3次元関節位置検出アルゴリズムの考案に取り組んだ.本年度は,考案した3次元関節位置検出アルゴリズムにおけるカメラキャリブレーションの定量評価実験を実施した.この実験では,3Dキーポイントに注釈をつけることは難しい場合があるため,再投影誤差を評価した.この実験に使用されるバドミントンシーンは,シャトルコックの打撃開始から終了までのフレームである.

実験の結果,提案手法によるカメラキャリブレーションは,高精度であることを確認した.また本実験では関節位置の精度が低い部位が存在したが,選手のセルフオクルージョンが原因であり,セルフオクルージョンが発生しないようにカメラを設定することで解決することができる.また,手動8点の座標を用いたキャリブレーション手法と提案手法のキャリブレーション手法の定量評価実験を実施した.定量評価実験に使用するデータは,選手のショット映像からラケットの位置を手動で取得した.実験の結果,両方の手法ともにラケットの長さの推定誤差平均は,8点キャリブレーション手法,提案手法ともにほぼ変化はなかった.一方で,コートネットより低い位置にラケットが存在する場合の推定誤差に手法の比較による変化は見られないが,コートネットより高い位置にラケットが存在する場合の推定誤差は提案手法のばらつきが少ない結果を表していた.従って,8点キャリブレーション手法はコートネットの高さより高い位置のキャリブレーション精度は低下することを実証した.今後は,提案手法を利用した様々な3次元関節位置データセットを作成する.特に,同期精度の高いカメラを導入することで,これまで以上に精度の良い3次元関節位置データの生成を目的とする.従来の人工知能(Deep Learning)の学習に必要な選手の関節位置データは,画像上の2次元情報に限られていたが,提案手法を適用することで3次元関節位置データを作成できる.従って,人工知能による3次元関節位置データの学習方法を検証する.さらに,提案手法によって推定された3次元関節位置データを利用し,映像中の選手の関節角度,速度情報を計算することで,有益な戦術分析情報を選手へフィールドバックする.有益な戦術分析情報は,即時フィードバックが求められる.例えば,バドミントンの試合映像を撮影し,1日目の試合映像の3次元関節位置データから算出される戦術分析情報を2日目の試合前までにフィードバックできれば,次の試合の戦略に活かせるデータとなる.これまでの提案手法においても,そこに重点を置き,少ない労力かつ高精度な3次元関節位置の推定を実現したが,そのデータを用いた関節角度,速度情報などのフィードバックデータの生成においても少ない労力かつ高精度なデータ提供を目指す.このように現場での適用実験が可能となると,3次元関節位置データを利用したフィードバックシステムが完成し,スポーツ選手にとってより効果的なデータとなることが期待される.
積雪物性値の気候依存性に関する研究

積雪の物性値の時空間変化は,大気の循環にも影響を与える非常に重要な問題である.しかし気候・気象モデル内では,積雪物性値は一様とされる事も稀ではない.本研究は,全層平均密度(ρ)並びに全層平均熱伝導率(C)の値並びにその空間分布が日本において時期によりどのように変化するかを求めた.その結果同じ場所でも時期によってρとCの値が異なること,同時期でも場所によってρとCが異なること,分布の様子も時期によって異なることを明らかにした.本研究の結果は,大気と積雪との熱のやりとりを考える際に,積雪の物性値を気候モデルや気象モデル内で一様の定数とするのは非現実的であることを示している.昨年に引き続き防災科研が所有する観測点のうち4個所に、深さ別に雪温計を設置し、一冬期間積雪の熱伝導率の変化を測定するとともに既存の施設を用いて気象要素の測定を行った。一部の観測点においては、豪雪のためにセンサーのケーブルが破損してデータが取れなかったが、おおむね良好のデータが取得できた。2冬期間のデータの解析により積雪のバルクの熱伝導率の気候依存性が明らかになることが期待される。平地における積雪物理モデルの精度評価に関しては、山形県新庄の3冬期、新潟県長岡市の8冬期に関して、積雪変質モデルの結果と断面観測との詳細な比較を行った。その結果、モデルでは密度、粒径が過小評価気味、雪温、含水率に関しては過大評価気味であることがわかった。またこの傾向は特に少雪年に強く出るということも分かった。積雪の物理特性の気候依存性を実験的に明らかにする取り組みとしては、積雪内部の水蒸気移動が温度勾配下並びに等温条件下でどのように変化するかに関する低温室実験を行った。その結果、温度勾配が強いほど水蒸気の移動量が大きいこと、等温条件下では雪温が高いほうが水蒸気の移動量が大きいことがわかった。現在、より詳細な実験を行っている最中だが、本実験の結果は、積雪内部の熱伝導率のうち水蒸気の関与する部分のモデルの改良が期待される。また従来の断面観測よりも詳細な積雪物性値を測定する方法として、積雪の近赤外領域の反射率を使って比表面積を測定する方法(NIR法)をグリーンランド並びに日本の雪(新潟県十日町市並びに新潟県長岡市)に適用することを試みた。その結果、雪が比較的乾いている状態では、従来の方法よりも細かい積雪構造の変化が測定可能であることがわかった。一方で雪が湿ってくると、実際の観測と比べてNIR法の観測値が大きめに出るということも分かった。これに関しては現在改良に向けた実験を行っている最中である。アメダスデータを用いた積雪の物性値の計算に関して, 1)平年値を利用する方法, 2)平年値に近い積雪深変化を示す数年の気象データを利用し計算結果を平均する方法, 3)最近10年間の気象データを利用し計算結果を平均する方法,の3つの方法を試した結果, 1)の方法では,うまく積雪状況を再現できないが, 2)並びに3)のどちらの方法でも妥当な積雪状況を再現することがわかった.積雪の粘性係数の気圧依存性の原因が急速な変質にあることを実験的に明らかにし,学会で発表した.現在積雪変質モデルにその効果を導入するためのモデル化に向けた実験を行っており,近々まとめて論文化する予定である.従来の断面観測よりも詳細な積雪物性値を測定する方法として,乾いた雪のみで使用されていた積雪の近赤外領域の反射率を使って比表面積を測定する方法(NIR法)を,日本の濡れ雪地帯に適用する際の問題点並びに改良点を明らかにし論文化した.また積雪の近赤外領域の反射率に関する実験を行い,その結果の一部を日本雪氷学会並びに国際学会で発表した.このように本研究の目的であった「異なる気候域において,積雪の物性値の時間変化を観測・数値計算の両方から検討する」点に関しては概ね順調に進んだ.また「大循環モデルおよび地域気象モデル内において,積雪の物性値をどのように地域依存性,季節依存性を持たせるか」という点に関しては,本研究の成果を基に広域気候モデルや地域気象モデルを使っている研究者と継続的に議論を行っている.また本研究を通じて, 1)粘性係数の気圧依存性, 2)乾いた雪のみで使用されていたNIR法の濡れ雪への適用方法, 3)本州の日本海側の冬期における気温別降水量に関する新しい知見,等が得られ当初予想していなかった方面での研究の発展もあった.積雪の物性値の時空間変化は,大気の循環にも影響を与える非常に重要な問題である.しかし気候・気象モデル内では,積雪物性値は一様とされる事も稀ではない.本研究は,全層平均密度(ρ)並びに全層平均熱伝導率(C)の値並びにその空間分布が日本において時期によりどのように変化するかを求めた.その結果同じ場所でも時期によってρとCの値が異なること,同時期でも場所によってρとCが異なること,分布の様子も時期によって異なることを明らかにした.本研究の結果は,大気と積雪との熱のやりとりを考える際に,積雪の物性値を気候モデルや気象モデル内で一様の定数とするのは非現実的であることを示している.防災科研が所有する観測点のうち、気象条件が異なる以下の4個所:北海道ニセコ(標高800m)、新潟県妙高山(標高1300m)、新潟県田代(標高420m)、防災科研

雪氷防災研究センター新庄支所(127m)に、2011年秋に雪温計を深さ別に設置し、一冬期間積雪の熱伝導率の変化を測定するとともに既存の施設を用いて気象要素の測定を行った。一部の観測点はいまだ雪があるためにデータの回収が終わっていないが、取得できたデータの解析により積雪のバルクの熱伝導率の気候依存性が明らかになることが期待される。平地における積雪物理モデルの精度評価に関しては、山形県新庄、新潟県長岡市、十日町の2008/2009, 2009/2010, 2010/2011の3冬期のデータを用いて計算を行った積雪変質モデルの結果と断面観測との比較を行った。その結果、積雪内部の水の移動も含めてモデルの結果は実際の観測をよく再現していることがわかった。このことは、積雪物理モデルを用いて面的に積雪物理量を計算する妥当性を示すものである。一方、積雪内部の不均一な水の移動を再現しきれていないなどモデルの問題点が明らかになった。積雪の物理特性の気候依存性を実験的に明らかにする取り組みとしては、低温室において積雪の物性値の一つである粘性係数の気圧依存性に関する実験を行った。従来積雪の粘性係数は雪温と密度のみの関数として考えられていたが、今回の実験結果は、積雪の粘性係数が気圧によっても変化することを示した。このことは標高の高い山(気圧の低い場所)では、雪の変質が平地と異なる可能性があることを表しており、H24年度以降研究を進めていくことで、山間地で発生する雪崩の予測精度向上に役立つことが期待される。山地の積雪の熱伝導率の測定に関しては、おおむね順調に進み、取得データに関しては、現在モデルとの比較等の解析を行っている。また栃尾田代(423m)において、最大積雪深(積雪深460cm)を記録した時期に観測を行い、全層の詳細な積雪構造のデータを取得した。この時期、この地域では全層雪崩が多発していたので、本研究で得られた断面観測結果は積雪モデルの検証だけではなく、全層雪崩の予測という意味でも貴重なデータとなる。平地に関しては、3地点(新潟県長岡市、十日町、山形県新庄)で、定期的にモデルの検証のための断面観測を行うとともに、長岡市、十日町市においては、NIR法によって詳細な積雪構造の観測も行った。平地アメダスの気候値を用いた積雪の物性値の広域計算に関しては、膨大なデータを処理するためのアルゴリズムの開発が遅れ、現在まだ計算のテスト段階である。なおモデルの入力データを作成する過程で、本州の日本海側における冬期における気温別降水量に関する新しい知見が得られ、それについて国際学会で発表するとともに、論文として投稿し受理された。一方本研究の成果をどのように気候モデル広域気候モデルや地域気象モデルを使っている研究者に利用してもらうかに関する研究打ち合わせを2回行い、今後どのように研究を発展させていくかに関する意見交換を行った。その際に将来の積雪の物性値の変化に関しても計算を行ったらどうかという意見があり、現在気候モデルからの将来予測の結果を積雪モデルに入れるための準備を行っている。このように計算のアルゴリズムの開発の遅れが生じた一方で、入力データの作成中に当初予定していなかった日本海側における冬期における気温別降水量に関する新しい知見が得らえたほか、将来予測への本研究の進展に関する議論などが進んだ。以上を踏まえると全体としては概ね研究は順調に進んでいると考えられる。山地の積雪の熱伝導率を測定するための観測点の整備に関しては、おおむね順調に進んだ。一方、観測したデータの回収に関しては、2011/2012冬期の全国的な豪雪の影響で一部の観測点では現在でも残雪が残っており、未回収のままである。
舌をモデルとした多自由度柔軟機械の研究

これまで研究されてきた機械の多くは,その機構を剛体と仮定することを基礎として発展してきた.剛体と仮定することにより,運動学問題・動力学問題が容易に解けることがその理由である.しかしながら,実際の機械システムは完全な剛体であることは不可能である.一方,近年「生物型機械」の研究が盛んにおこなわれており,ヒューマノイド型ロボットに代表される形態重視型機械が我が国を中心に多く見受けられる.以上の2点を基礎とし,柔軟かっヒトにヒントを得た機械に本研究では着目する.その具体例として本研究は「ヒトの舌をモデルとした多自由度柔軟機械の研究」を目的とする.舌の役目には発話・咀嚼・楽器演奏その他があり,その柔軟性には注目に値する可能性があると研究代表者は考えている.そこで本研究では舌に着目し,その運動をシミュレート可能な機械を構築する.現在までにヒトの舌の動作の基本動作の解析を進め,舌の可動範囲・速度・発生力を計測した.これはヒトの舌にマーカーを付着させ,毎秒30フレーム以上の高速カメラで舌の動作を解析するシステムであった.発生力に関しては,歪みゲージを金属板に貼り付けた計測システムを構築した.これらの計測結果に基づき,多自由度機械の駆動部および基本ユニットを設計し,基本ユニットの理論的解析もおこなった.駆動には形状記憶合金を用いることにより,コンパクトな舌部分を構成できた.以上を統合した多自由度柔軟機械を開発した.世界的にこれまで研究されてきた機械システムの多くは,機構を剛体と仮定することを基礎として発展してきた.剛体と仮定することにより,運動学問題・動力学問題が容易に解けることがその理由である.しかしながら,実際の機械システムは完全な剛体であることは不可能である.一方,近年「生物型機械」の研究が盛んにおこなわれており,ヒューマノイド型ロボットに代表される形態重視型機械が我が国を中心に多く見受けられる.以上の2点を基礎とし,柔軟かつヒトにヒントを得た機械に本研究では着目する.その具体例として本研究は「ヒトの舌をモデルとした多自由度柔軟機械の研究」を目的とする.舌の役目には発話・咀嚼・楽器演奏その他があり,その柔軟性には注目に値する可能性があると研究代表者は考えている.そこで本研究では舌に着目し,その運動をシミュレート可能な機械を構築する.現在までにヒトの舌の動作の基本動作の解析を進め,舌の可動範囲・速度・発生力を計測した.これはヒトの舌にマーカーを付着させ,毎秒30フレーム以上の高速カメラで舌の動作を解析するシステムであった.発生力に関しては,歪みゲージを金属板に貼り付けた計測システムを構築した.これらの計測結果に基づき,本年度は多自由度機械のワイヤ駆動部および基本ユニットを設計し,基本ユニットの理論的解析もおこなった.まず多自由度機械の駆動部としてワイヤを用いた駆動部を設計した.ワイヤ駆動法を用いることにより,駆動部と舌部分とを分離可能であり,コンパクトな舌部分を構成できる.ワイヤ駆動においては摩擦の軽減とワイヤ経路の確保が重要となるため,ワイヤ蛇管方式を検討した。次に舌部分を構成する基本ユニットには柔軟性および多自由度性を考慮に入れた機構を設計した.これまで研究されてきた機械の多くは,その機構を剛体と仮定することを基礎として発展してきた.剛体と仮定することにより,運動学問題・動力学問題が容易に解けることがその理由である.しかしながら,実際の機械システムは完全な剛体であることは不可能である.一方,近年「生物型機械」の研究が盛んにおこなわれており,ヒューマノイド型ロボットに代表される形態重視型機械が我が国を中心に多く見受けられる.以上の2点を基礎とし,柔軟かっヒトにヒントを得た機械に本研究では着目する.その具体例として本研究は「ヒトの舌をモデルとした多自由度柔軟機械の研究」を目的とする.舌の役目には発話・咀嚼・楽器演奏その他があり,その柔軟性には注目に値する可能性があると研究代表者は考えている.そこで本研究では舌に着目し,その運動をシミュレート可能な機械を構築する.現在までにヒトの舌の動作の基本動作の解析を進め,舌の可動範囲・速度・発生力を計測した.これはヒトの舌にマーカーを付着させ,毎秒30フレーム以上の高速カメラで舌の動作を解析するシステムであった.発生力に関しては,歪みゲージを金属板に貼り付けた計測システムを構築した.これらの計測結果に基づき,多自由度機械の駆動部および基本ユニットを設計し,基本ユニットの理論的解析もおこなった.駆動には形状記憶合金を用いることにより,コンパクトな舌部分を構成できた.以上を統合した多自由度柔軟機械を開発した.
溶接困難材料に対する高効率・高信頼精密微細レーザ溶接法の開発

連続発振半導体レーザを重畳することでパルスNd:YAGレーザの基本波においても照射部温度を高温に維持することでアルミニウム合金の高効率微細溶接が実現できる.また,波長変換により得られるパルスグリーンレーザは高反射率の銅であっても適切な溶接形態で高いエネルギー吸収量を示す.さらにパルス幅を長くすることでエネルギー吸収量を増大させ,溶接欠陥の少なく良好な接合が可能であった.パルスレーザを用いた微細溶接では,微細スポットを用いることで高い制御性を有する微細接合が期待でき,そのプロセス特性を明確にすることで,今後も溶接困難材料への適応が広がっていくことが期待される.レーザ加工において溶接困難材料とされているアルミニウムに対し,波長808nmの連続発振半導体レーザをパルスNd:YAGレーザに重畳することで溶接ビードの高品位化と大きな溶け込み深さを両立する手法を検討した.溶接ビードの断面観察により溶融領域を計測するとともに,熱電対による周囲温度の計測,ならびに高速度ビデオカメラによるレーザ光照射部の観察を行った.また,アルミニウムの固体状態における波長808nmの連続発振半導体レーザの光吸収率を熱伝導による温度上昇を計測することで算出した.そして,これらの測定結果を取り入れた非定常熱伝導解析により溶接プロセスにおける温度分布を検討した.波長808nmの連続発振半導体レーザ出力はパルスNd:YAGレーザのピーク出力に対して数パーセントと,それ自体でアルミニウムを溶融するだけの効果は無いが,連続発振半導体レーザを重畳することでパルスNd:YAGレーザの休止時間における試料温度を高く維持できていた.それにより,熱伝導型とキーホール型の溶接プロセスの遷移領域においてもパルスNd:YAGレーザのエネルギーをアルミニウムに対して安定的に吸収させることが可能であった.またこの時,キーホールを形成できることから大きな溶け込み深さを得ることができ,かつ激しいスパッタの飛散を抑制した状態でプロセスを構築できることから良好な表面品位を得ることができた.さらに,その溶接プロセスの遷移領域において,安定的にキーホールを形成できるためのプロセスウィンドは連続発振半導体レーザの出力を適正化することで広くすることが可能であった.その結果,アルミニウムの微細レーザ溶接においてもパルス幅数msのパルスレーザを用いても溶接ビードの高品位化と大きな溶け込み深さを両立できることが明かとなった.平成27年度の研究実施計画であげていた「波長808nmの半導体レーザ重畳によるエネルギー吸収効率向上のメカニズムの検討」,および「熱伝導型溶接とキーホール型溶接の遷移領域におけるプロセスの安定化」を実施した.その結果,それ自体でアルミニウムを溶融するだけの効果は有しない連続発振半導体レーザの重畳が,パルスNd:YAGレーザによるアルミニウムの微細溶接プロセスに及ぼす効果に関する知見が得られた.また,熱伝導型とキーホール型の溶接プロセスの遷移領域という特異的な状態においてもプロセスを安定化させるための方向性が示唆されるなど,おおむね順調に進展したと考えられる.波長1064nmでピーク出力3kWのパルスNd:YAGレーザ発振器を用い,非線形光学結晶の1種であるLBOを共振器内に設置し,光軸の調整を試みた.一般的なナノ秒以下の時間幅のパルスレーザと比較して瞬間的な出力が低く,パルス幅が長いことから非線形結晶へのダメージが生じやすい.そのため,大きな波長変換効率を得ることは難しいが,任意の波長を抽出可能なダイクロイックミラーを用いて2波長が混在する状態から波長532nmのみを取り出し,ミリ秒オーダーのパルスレーザにおいても波長532nmのレーザ光が得られた.このレーザ光をコア直径0.1mmの光ファイバで伝送し,光ファイバ出射端においてピーク出力1kW以上のミリ秒パルスグリーンレーザによるプロセスを実施できる環境を整えることができた.波長532nmのミリ秒パルスグリーンレーザによる基礎特性を検討するため,矩形パルスを用いて厚さ1mmの無酸素銅に対して窒素シールドガス雰囲気においてレーザ光照射実験を行ったところ,スポット直径0.25mm以下よりキーホールが形成され,溶け込み深さはスポット直径の減少にしたがって線形的に増加した.また,パルス幅が大きくなるほど,溶け込み深さも大きくなり,そのばらつきも減少した.一方,波長532nmと1064nmのレーザ光による結果を比較したところ,一般的に熱伝導型とキーホール型溶接の境界とされる,パワー密度が10^5W/cm^2において,波長1064nmでは試料表面がほとんど溶融しなかったが,波長532nmでは大きな溶融痕が得られ,吸収率の大きなレーザ光による効率的なプロセスが期待できることが明かとなった.しかし,矩形パルスでは急激にキーホールが閉じることにともなって溶接欠陥であるポロシティの発生が確認されたことから,パルス波形制御等を検討して改善を図っていきたいと考えている.平成28年度の研究実施計画であげていた「ミリ秒パルスグリーンレーザの開発」,および「ミリ秒パルスグリーンレーザによる基礎特性の検討」を実施した.その結果,目標としていたミリ秒パルスグリーンレーザで照射実験を進められる環境を整えることができた.そして,矩形パルス波形であるが,銅に対する基礎的なレーザ溶接特性を検討し,議論することができたなど,おおむね順調に進展したと考えられる.連続発振半導体レーザを重畳することでパルスNd:YAGレーザの基本波においても照射部温度を高温に維持することでアルミニウム合金の高効率微細溶接が実現できる.また,波長変換により得られるパルスグリーンレーザは高反射率の銅であっても適切な溶接形態で高いエネルギー吸収量を示す.

さらにパルス幅を長くすることでエネルギー吸収量を増大させ,溶接欠陥の少なく良好な接合が可能であった.パルスレーザを用いた微細溶接では,微細スポットを用いることで高い制御性を有する微細接合が期待でき,そのプロセス特性を明確にすることで,今後も溶接困難材料への適応が広がっていくことが期待される.レーザ加工において溶接困難材料とされているアルミニウムや銅に対しも高効率かつ高信頼な微細レーザ溶接法を実現するための手法を検討した.融点の低いアルミニウムに対しては波長808nmの連続発振半導体レーザを波長1064nmのパルスNd:YAGレーザに重畳することで溶接ビードの高品位化と大きな溶け込み深さを両立する手法を検討した.連続発振半導体レーザ出力はパルスレーザのピーク出力に対して数パーセントと,それ自体でアルミニウムを溶融するだけの効果は無いが,連続発振半導体レーザを重畳することでパルスレーザの休止時間における試料温度を高く維持できていた.それにより,熱伝導型とキーホール型の溶接プロセスの遷移領域においてもパルスレーザのエネルギーをアルミニウムに対して安定的に吸収させることが可能となり,パルス幅数msのパルスレーザを用いても溶接ビードの高品位化と大きな溶け込み深さを両立できることが明かとなった.一方,光反射率のさらに低い銅に対しては,波長532nmのグリーンレーザと波長1064nmの近赤外レーザを用いて,その溶融量の安定化を目指した.波長1064nmではパワー密度の変化に対して吸収率が3倍以上と大きく変化することから溶融量の変動が大きいが,波長532nmではパワー密度の変化に対して吸収率は大きく変化することなく大きな値を示した.波長532nmでは効率的なプロセスが期待できることが明かとなったが,矩形パルスでは急激にキーホールが閉じることにともなって溶接欠陥であるポロシティの発生が確認された.波長532nmではパワー密度によらず光吸収率が安定していることから,時間的に照射出力を変化させるパルス波形制御を用いることでキーホールの形成を適切にコントロールできた.その結果,ポロシティの発生が少なく,溶け込み深さの大きさも安定して得られることが明かとなった.平成27年度においては,おおむね順調に研究計画を遂行できたことから,平成28年度は当初の計画通り,銅の高効率,高信頼微細パルスレーザ溶接法の検討を実施する予定である.具体的には,「ミリ秒パルスグリーンレーザの開発」を試み,それを用いてレーザ加工における難加工材である銅に対してレーザ光照射実験を行って「ミリ秒パルスグリーンレーザによる基礎特性の検討」を行う.これにより,平成29年度に実施予定の「吸収光エネルギー量の明確化」と「パルス波形制御による高機能化」のための準備と知見を得る.平成28年度においては,おおむね順調に研究計画を遂行できたことから,平成29年度は当初の計画通り,銅の高効率,高信頼微細パルスレーザ溶接法に関して,「吸収光エネルギー量の明確化」と「パルス波形制御による高機能化」を実施遂行する.特殊加工学
高温超伝導材料を基盤とする新エレクトロニクスの総合的研究(成果取りまとめ)

本研究は平成元年度から平成3年度までの3年間にわたる「高温超伝導材料を基盤とする新エレクトロニクスの総合的研究(略称:新超伝導工学)」の成果取りまとめに関するものである。まず本重点領域における研究成果の概要、成果の分類、将来課題など成果取りまとめに必要な課題を分析、抽出するために、研究代表者および研究分担者の全員による全体会議を行った(平成4年7月4日および5日,於:名古屋)。以上で決定した方針にもとづき、下記の各項を実施した。(2)新超伝導工学の3年間の成果に関する討議とこの分野の将来に関する展望を討議するためにシンポジウムを開催した(平成5年2月23日,於:東京)。以上により新超伝導工学3年間の研究成果の取りまとめを完了したが、周知のとおりこの分野の研究はまだ研究の緒についたと言うべきで、本研究がこの分野に与えた効果は大きいが、将来とも継続的に努力すべきものと考える。なお参考として、平成5年1月28日および29日の両日、「大学と科学」公開シンポジウム「21世紀の期待をになう超伝導」を他の重点領域研究2領域と協同して開催した。両日とも多数の聴衆の参加を得て盛会であった。また研究報告書と同文の英文図書を平成5年2月末に出版した。
化学物質による腸内フローラ変動の新規解析法開発とその応用

腸内フローラは宿主の健康と密接に関係する。これまで食品添加物を含む種々の化学物質と腸内フローラとの関係は十分に考慮されていたとは言い難く、今後このような観点からの検討が必要だと考えられる。本目的に適用可能な従来法は培養操作を必要とし、腸内細菌に嫌気性菌が多いこと、およびすべての菌種を増殖可能な条件がないこと等も考慮すると、培養操作を必要としないで細菌群集構造の変化を解析する手法の適用が望ましい。そこで以下の項目について検討し、目的にかなう手法を検定法も含めて確立するとともに、いくつかの保存料、防カビ剤等を投与したマウスの腸内細菌群集に対して本法を適用し、その影響を評価した。本解析に用いる適切な検定手法が存在しないため、新規にメトロポリス法を用いたモンテカルロ法を開発・導入した。2腸内細菌群集に影響を与える薬物を用いた新規検定法の妥当性の検討腸内細菌群集に影響を与えることが明らかな薬物(ペニシリンG、およびメトロニダゾール)をマウスに経口投与し、腸内細菌のPCR-DGGEバンドパターンに対してメトロポリス法を用いたモンテカルロ法による検定を行ない、検定法の解析力を検証した。3化学物質摂取の影響の検討保存料、防カビ剤等繁用される合成食品添加物などをマウスに経口投与し、PCR-DGGE法を行うことによって腸内細菌群集に対する化学物質の影響を解析した。比較的高用量の投与で変化を認めた化合物を見出したが、実際の摂取量を考慮すると問題となる変化ではないと判断した。これまで食品添加物を含む種々の化学物質と腸内フローラとの関係は十分に考慮されていたと言い難く、今後このような観点からの検討が必要だと考えられる。本目的に適用可能な従来法では培養操作を必要とし、腸内細菌に嫌気性菌が多いこと、およびすべての菌種を増殖可能な条件がないこと等も考慮すると、培養操作を必要としないで細菌群集の変化を解析する手法の適用が望ましい。以下の項目について検討し、目的にかなう手法を確立するとともに、その妥当性を示した。腸内細菌からDNA抽出、およびPCR用試料調製法を検討し、簡便で夾雑物の影響を排除できる方法を選定した。一連の操作等を条件検討し最適化した。2腸内細菌群集に影響を与える薬物を用いたPCR-DGGE法適応の妥当性の検討腸内細菌群集に影響を与えることが明らかな薬物(ペニシリンG、およびメトロニダゾ-ル)をマウスに経口投与し、腸内細菌を回収し項目1で決定した手法でDNAを抽出した。このDNA試料に関して、項目1で決定した条件でPCD-DGGE法を行うことによって腸内細菌群集の解析におけるPCR-DGGE法の解析力を検証し、明瞭なバンドパターンの違いを認めた。3.主要な菌種の同定上記項目2で顕著に変化したバンド7種をゲルから回収してDNAの塩基配列から菌種を同定し、変化が予想された菌種のものであることを確認した。4.化学物質摂取の影響の検討保存料等繁用される合成食品添加物などをマウスに経口投与し、PCR-DGGE法を行うことによって腸内細菌群集に対する食品添加物の影響を解析した。
クローン干渉の非平衡統計力学的記述

本年度は時系列統計における異常な時系列を捉える手法の開発として軌道のレプリカ対称性の破れの研究を進めた。申請者はこれまで軌道のレプリカ対称性の破れの生じる状況として、noisy Burgers速度場に駆動される粒子とトラップモデルという二つのモデルを見出してきたが、本年度の研究により、対数相関ポテンシャル中の拡散という第三の状況においても軌道のレプリカ対称性の破れが生じることを見出すことができた。対数相関ポテンシャル系は静力学としてランダムエネルギー模型と同様の熱力学を再現するが、各サイトのポテンシャル間に相関が存在し、ランダムエネルギー模型とは異なる極値統計を示すことが知られている。また、対数相関ポテンシャル系の動力学は二つの劣拡散相の間の転移を示すことが知られてきた。本研究ではこれらの劣拡散相において軌道の重なりの分布を調べ、低温相においては重なり分布が非自明な関数形をとることを数値的に示した。即ち、低温相においてはダイナミクスが少数の安定な軌道に局在する(軌道のレプリカ対称性の破れ)。本成果はJ. Stat. Mech.誌から出版予定である[arXiv:1801.03224]。また、集団遺伝学モデルにおいて負性抵抗が生じる状況の探索を行った。通常は集団遺伝学モデルにおいて淘汰をかけると適応度は時間とともに増大するが、本研究ではある種の時間変動する適応度地形を考えることにより、淘汰を少しでもかけると適応度が減少してしまう状況をラチェットとの類推により発見することができた。これは昨年度発見した進化の負性微分抵抗よりもさらに過激な現象である。引き続き現実的な設定においてこのような現象が見られないか研究を進めている。翌年度、交付申請を辞退するため、記入しない。集団遺伝学的なスケールにおいては、生物の進化は遺伝型の間の変化が生じる「変異」と個体間の競争による「淘汰」の二つのステップに基づいて行われる。この際、適応度地形が滑らかであれば進化速度は淘汰が強いほど速くなると考えられている。一方、新しい遺伝子は変異のみでなく組み換えによっても供給されうる。組み換えは有性生殖や遺伝子水平伝播などの過程において見られ、マラーラチェットやクローン干渉など、変異に駆動された進化における進化を遅くする要因を避けるのに有用であると考えられている。しかしながら、組み換え自体に駆動された進化の性質はあまり知られていない。我々は、集団内での組み換えと集団間の移住のみによって遺伝的多様性が供給される集団遺伝学的状況においては、淘汰が強くなると適応度地形が滑らかであるにもかかわらず進化速度が遅くなり得ることを数値計算・解析計算の両面から示した。この結果は各集団がそれぞれ独立のニッチに適応している状況、共通のニッチに適応している状況のいずれにおいても成り立つ。また、この現象は、外力に駆動される粒子系において外力を大きくした際に粒子カレントが小さくなる負性微分抵抗と呼ばれる現象とも似ており、これらの類似性についても考察を行った。特に本研究の模型は適応度地形の凹凸なしにダイナミクスの拘束によって進化を遅くするような模型となっており、ガラスにおける運動論的拘束模型との類似性も見られる。以上の結果は現在論文投稿中である。集団遺伝学レベルにおいて進化を遅くする新しいメカニズムを提案したという点は今年度の大きな成果である。一方、このメカニズムを捉えられるような実験的設定の提案にまでは至らなかった。また、ガラス理論とのはっきりとした対応も現段階ではわかっていない。以上の点を踏まえておおむね順調に進展していると判断する。今年度得られた進化を遅くする機構をガラス理論の文脈で明確に理解することが一つの課題である。また、本成果を実空間における細胞集団の増殖とカップルさせ実空間における増殖の凍結を見るのも一つの方向性である。

この際、進化の系統樹の分布に注目することが重要であると期待される。さらに、今年度の模型で扱われたような階層的な系の進化を非平衡統計力学的な文脈に乗せることも課題と考えられる。翌年度、交付申請を辞退するため、記入しない。