hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
分子動力学法による電解質水溶液への水蒸気吸収過程に関する研究

電解質水溶液表面に界面活性剤が吸着していると、水蒸気吸収の際に界面攪乱が発生し、水蒸気吸収量が飛躍的に増加する現象がある。マクロスケールでは一般に表面張力駆動流(マランゴニ効果)と説明されるが、どのような物質が効果的に界面攪乱を引き起こすか、あるいは攪乱に繋がる「揺らぎ」がどのようなメカニズムで発生するか等を明らかにするためには、分子スケールでの吸着の描像を明らかにすることが重要である。本研究においては、水に吸着するノーマルアルコールについて、炭化水素鎖の長さ、アルコール濃度、イオン濃度をパラメータとして分子動力学シミュレーションを行った。分子の詳細なモデルよりも分子集団としての性質に重要な特徴があると考え、分子モデルの決定よりも大規模分子集団の計算に重点を置いた。分子シミュレーションは、直接に分子スケールの実験結果と比較検討する役割だけでなく、マクロな系とどのような繋がりがあるかを明らかにする役割もある。様々な条件における平衡系での計算結果を熱力学的視点から考察することにより、どのような条件においてノーマルアルコールが水面上に不均一な分布を作り、攪乱へと成長していく可能性があるかを明らかにした。また、イオンの存在が吸着の構造的・動的性質に与える影響について明らかにした。大型計算機の発達により計算機上で不均一・非等方系の計算を行うこと、あるいは非平衡の計算を行うことは可能になりつつあるが、そこから定量的に意味のある結論を導き出すことは未だ困難である。大型計算機に適した計算コードの開発とともに計算結果の解析手法の開発も同時に行う必要があり、本研究においてはその一例を示すことができた。1.電解質水溶液の表面について平衡系の分子動力学計算を行い、イオンが表面に対して負吸着する様子が再現された。水溶液の濃度をパラメータとすると、連続的に表面層が変化していく様子が見られた。次に非平衡系の分子動力学計算を行い、水溶液表面での凝縮係数を考えた。水溶液表面での凝縮係数を考える場合には、気体分子が液体表面に捕獲されるか否かの確率を議論するだけでは不十分であり、表面層全体でのダイナミックスを考える必要があることを指摘した。また、著しく非平衡が大きい場合は、表面層の分子のダイナミックスが著しく異なる可能性があることを指摘した。2.界面活性剤が含まれる系に計算コードを拡張した。水溶液に界面活性剤を微量添加すると、吸収時に界面攪乱が起こり、水蒸気吸収を促進する。どのような物質が界面攪乱を引き起こすかについて、実験的にはおおよそ見当がついているが、物性値から判断することは難しい。界面攪乱のメカニズムについてモデルを提案することも重要であるが、同時にどのような分子の特性が表面揺らぎを引き起こすかについて検討することも重要である。そこで、分子動力学計算を用いて、揺らぎの問題を考えることにした。現在のところノーマルアルコールをモデル化したものを界面活性剤分子として扱っている。表面での構造的、動的性質を明らかにし、どのような分子モデルが大きな表面揺らぎを引き起こすかについて、平衡系の計算を行っている。3.界面活性材の空間的な不均一を議論するために、計算コードを大規模計算適合するように拡張することを検討している。この点については今後の検討課題である。
空間における構造と変換の研究

扱う空間は分担者それぞれの専門分野に応じ、写像の空間、代数曲線、微分多様体、線形空間などと多岐にわたっているがそれぞれが自分の専門分野における研究を十分に生かして多くの成果を挙げている。次にその主なものをいくつか挙げよう。本瀬香は有限体から複素数空間への写像全体からなる空間の構造を調べ上げた。丹原大介はDressのMackey関手をモデルとしてTNR関手の概念を導入し、有限群の表現におけるテンソル誘導表現やコホモロジーにおけるノルム写像などを乗法的トランスファーとして公理的に取扱い成功している。榊真は4次元単位球面内の2次元極小トーラスで、ガウス写像による像が定曲率であるものは全測地的3次元球面内のクリフォードトーラスに限ることを示し、4次元単位球面内の2次元極小トーラス全体の集合の中でのクリフォードトーラスのガウス写像による特徴付けをしている。さらに榊は定曲率空間内における極小曲面について、その次元が3乃至4の場合について調べ次のような結果を得ている。すなわち3次元定曲率空間内の極小曲面のリーマン構造はリッチの条件により特徴付けられるが、4次元定曲率空間内の極小曲面でリッチの条件をみたすものは、その全測地的な3次元定曲率部分空間内に入っていなければならないことを証明した。これは4次元定曲率空間内の充満的極小曲面のリーマン構造と3次元定曲率空間内の極小曲面のリーマン構造とは全くことなることをしめしている。また、田中環の業績は、ベクトル空間には凸錐体を用いて順序が入れられるが、それを用いてベクトル空間における実数値関数の準凸性、鞍部点などの概念をベクトル値関数の場合に迄拡張し、実数値関数の場合に成立する命題と同様な命題がどの程度まで成立するかを精細に調べたものである。
沖積河川の変動とその安定化に関する研究

沖積河道において河道の安定化を図る方策のひとつとして護岸や水制といった水理構造物を設置する方法がある。しかしながら、適切な対策を講じなければ構造物周辺に局所洗掘が生じ、水理構造物が破壊され、治水安全上好ましくない状況を呈することがよくある。これを防止するには、設置計画段階で最大洗掘深を流れの水理条件から予測し、適切な対策を講じることが重要である。本研究では、最大洗掘深を予測するモデルを構築し、実河川における局所洗掘深のデータをもとにモデルの妥当性を検証している。バングラデシュを流れるガンジス川やメグナ川のような巨大河川では大洪水による強い掃流力によって側岸侵食が発生し、河道幅が著しく拡幅している。これによって砂州の形成と移動が発生し、河岸も含めて土地の流亡が生じ、貧困を助長している。このような側岸侵食を防止し、安定な河道幅を形成するには適切な水制の配置が重要である。ここでは、不透過性水制、透過水制、透過部と不透過部とを両方有するバングラデシュの伝統的水制であるバンダルの機能について系統的な水理模型実験を行って検討した。これらの水理構造物は側岸侵食を防止するために流れを河道の中央部に水刎ねし、航路維持のために澪筋を固定化する機能を有するが、河岸に土砂を堆積する機能があるか(安定河道幅を形成できるか)未解明であった。本研究により、不透過性水制および透過水制は水刎ね効果はあるものの、河岸に土砂を堆積させ、安定河道幅まで河道をコントロールする機能は有しておらず、一方、バンダルは水刎ねの機能とともに側岸に土砂を堆積させる機能を有していることがわかった。バンダルは現地の竹や木製の杭で製作でき、安価なために現地で対応可能である。また、長期的に使用できるように工夫することで、安定河道を形成することが可能となる。沖積河川における河岸浸食機構は、種々の要因が営力となって作用するため極めて複雑である。河道の安定を持続的に維持するには、侵食に対して何らかの対策法を適用する前に河道変動および河岸侵食の将来の変動特性を知っておく必要がある。バングラデシュでは、ガンジス川、ジャムナ川、ブラマプトラ川といった沖積河川の河道安定を図るため、水制や護岸といった河岸侵食防止対策が導入されている。しかしながら、各地でこれらの対策工が破壊されたり危険な状態になったりしているが、現状の知見ではこのような破壊現象について現地調査レベルでの研究では正確な原因を特定できない状況にある。そこで、本研究では、1)種々の河岸材料と場所での河道変動特性を明らかにする、2)河道安定化のために種々の土砂制御工作物の有効性を検討する、3)河道安定化のための低コストな現地適用型対策方法を開発する、ことを目標としている。本課題を遂行していくうえで、これまでにいくつかの有用な成果が得られている。これを要約すると以下のようである。すなわち、これまで水制周りの局所洗掘について、許容洗掘深を定量的に評価することは困難であったが、バングラデシュの沖積河川に配置された水制群周りの局所洗掘事例を調査した結果を説明し得るモデルを開発した。さらに、河道の安定化を低コストで実施するための工法を開発するために、現地で経験的に利用されているバンダルという構造物(航路維持のために非洪水期に河道内に配置する半不透過型水制)の効果を現地データを用いて検討した。その結果、ある場所では航路維持と河岸侵食防止に効果があるものの、別の場所では有意な効果が認められないことが判明した。これは、バンダルの配置パターンによって、形成される組織的な渦のスケールが異なり、航路維持(水深の確保)と河岸侵食防止に最適な配置パターンが存在することが明らかになった。

本研究により、不透過性水制および透過水制は水刎ね効果はあるものの、河岸に土砂を堆積させ、安定河道幅まで河道をコントロールする機能は有しておらず、一方、バンダルは水刎ねの機能とともに側岸に土砂を堆積させる機能を有していることがわかった。バンダルは現地の竹や木製の杭で製作でき、安価なために現地で対応可能である。また、長期的に使用できるように工夫することで、安定河道を形成することが可能となる。
大学入試科目「化学」における科学的能力の評価

中等科学教育において育成された広義の科学的能力を,大学入学試験等において評価する可能性を模索するため,「化学」を例として1入試問題の分析・評価,2モデルパターンの抽出と分類,3科学的能力の分類と評価内容の設定,4入試問題の骨格構造モデルの開発,5身近な化学素材の探査と基礎的実験データの収集,6入試問題の試作,および7模擬試験の実施とその結果の分析・評価の研究項目を段階的に推進した。一連の研究を通じて,筆記形式ならびにマークシート形式の問題により中等科学教育において育成されるべき科学的能力を評価できる一定の可能性が示唆された。1.入試問題の分析・評価とモデルパターンの抽出:国内外の大学入試問題「化学」について,内容的および構造的観点から比較検討した。また,「化学反応の基礎概念」,「無機化合物の性質と反応」,および「有機化合物の構造・性質と反応」に関する入試問題を例として,その構造的特徴と科学的能力の評価問題としての有用性の観点から分類した。これらの研究は,前年度から継続的に推進した。2.科学的能力の分類と評価内容の設定:高等学校化学において探究的な学習活動を取り入れた授業を実践し,事前および事後調査により,基礎知識の応用,論理的思考,およびプロセススキル等の観点から,育成される科学的能力の内容と項目を精査した。これらを基にして,大学入試において評価すべき科学的能力の内容と項目および評価の尺度についての検討を行った。3.入試問題の骨格モデルの開発:上述1および2の成果を基にして,科学的能力を評価する問題の骨格構造の開発に継続的に取り組み,評価する内容および項目に応じた10パターンの骨格構造モデルを開発した。4.身近な化学素材の探査:「化学反応の基礎概念」,「環境化学の理解」,「無機化合物の性質と反応」,および「有機化合物の構造・性質と反応」をテーマとして,科学的能力の評価問題作成のための身近な素材の探査を行い,種々の化学素材を活用した探究的実験教材を開発に継続的に取り組んだ。4.上述1,2,3,4の成果に基づいて科学的能力の評価問題を試作した。また,試作した評価問題を試行テストに供するための準備を行った。中等科学教育において育成された広義の科学的能力を,大学入学試験等において評価する可能性を模索するため,「化学」を例として1大学入試問題の分析・評価,2モデルパターンの抽出,3評価すべき科学的能力の分類と内容設定,4入試問題の骨格構造モデルの開発,5入試問題の題材となる化学素材の探査と基礎的実験データの収集,6入試問題の試作,および7模擬試験の実施と評価の研究項目を段階的に推進した。最終年度にあたる平成25年度は,それまでの研究項目14の結果を基にして,また研究項目5の成果を活用して、6入試問題の試作に取り組み,大学新入生を対象として試作した問題を用いて7模擬試験の実施し,その結果の分析評価を行った。筆記形式の作問は,評価すべき科学的能力として設定した科学的説明,比較・分類,推論,モデル化,科学的発案などの多くの項目に対応する評価問題の作成が可能であった。評価問題の題材となる化学素材については,それぞれの評価項目ごとに学習内容の分野に偏りが生じた。一方で,マークシート形式の作問においては,科学的説明,科学的発案などのいくつかの評価項目に対する評価問題の作問が他の評価項目の作問と比較して難度が高いことが分かった。これらの評価問題を用いた模擬的試験の結果からは,それぞれの評価項目ごとに正解率の分布が得られ,これらの結果を基に評価すべき科学的能力ごとの評価の尺度開発の可能性が示唆された。一方で,本研究において,それぞれの科学的能力の評価のための作問に活用した化学素材は,評価すべき科学的能力ごとに学習内容との関連で顕著な偏りを示しており,さらに科学的能力を評価する問題作成のフレームワークの開発と化学素材の発掘が望まれる。1.入試問題の分析・評価とモデルパターンの抽出:国内外の大学入試問題「化学」について,各国の大学入試問題を内容的および構造的観点から比較検討した。2.科学的能力の分類と評価内容の設定:科学的能力の育成を目的とした教育実践の事例を精査し,学習活動により育成を目指す科学的能力を基礎知識の応用,論理的思考,およびプロセススキル等の観点において種々の項目に分類した。これらを基にして,大学入試において評価すべき科学的能力の内容と項目についての検討を行った。3.入試問題の骨格モデルの開発:過去の大学入試問題

「化学」から,上述2で抽出した科学的能力の項目を評価するために有用と考えられる問題を典型例として抽出し,それぞれの入試問題の構造を参考にして,科学的能力評価のための試験問題の骨格構造モデルの開発に取り組んだ。4.身近な化学素材の探査:「化学反応の基礎概念」,「環境化学の理解」,「無機化合物の性質と反応」,および「有機化合物の構造・性質と反応」をテーマとして,科学的能力の評価問題作成のための身近な素材の探査を行い,種々の化学素材を活用した探究的実験教材を開発した。これらを活用した学習活動により育成が期待される科学的能力の分析・評価を行い,それらの素材を題材として,上述1,2,3,4の成果に基づいて科学的能力の評価問題を試作した。入試問題の分析・評価,科学的能力の分類と評価内容の設定,および評価問題の骨格構造モデルの構築についての研究項目は,計画した研究を遂行し,最終年度の研究推進の基盤となる一定の成果を得た。また,身近な化学素材の探査とその教材化については,「化学反応の基礎概念」,「環境化学の理解」,「無機化合物の性質と反応」,および「有機化合物の構造・性質と反応」をテーマとした種々の探究的な実験教材の開発に成功し,これらの素材を題材とした科学的能力の評価問題の試作を進めた。さらに,最終年度における試作問題を用いた試行テストの準備も整いつつある。上述の成果は,当初の計画に則したものであり,最終年度の研究展開を円滑に推進することができる状況にある。初年度の研究項目のうち,文献調査による入試問題の分析・評価および科学的能力の分類と評価内容の設定については,資料収集ならびにその分析・評価の両方において計画通りに進展している。これらの成果により,本研究で開発を目的とする科学的能力の評価問題の典型例の抽出や評価すべき科学的能力の項目化の作業も可能となっている。身近な化学素材の探査とその教材化については,「化学反応の基礎概念」,「環境化学の理解」,「無機化合物の性質と反応」,および「有機化合物の構造・性質と反応」をテーマとした種々の探究的な実験教材の開発に成功し,さらにこれらの素材を題材とした科学的能力の評価問題の試作まで研究が進展している。上述の成果は,当初の計画に則したものであり,今後の研究展開の基盤となるものである。これまでの成果を基盤として,身近な素材を用いた実験教材の開発とそれを題材とした科学的能力の評価問題の開発に継続的に取り組む。また,試作した評価問題を大学1年生を被験者とした試行テストに供し,その科学的能力の評価問題として実用性について実践的に分析・評価に取り組む。さらに,研究期間の最終年度にあたり,研究を総括し,大学入試において広義の科学的能力を評価することの実現可能性とその具体的方策について提言する。本年度の成果を基盤として,今後,「環境」,「エネルギー」,「新素材」など化学教育の新たなテーマを題材とした過去の大学入試問題および科学的能力の育成を目指した教育実践事例に文献調査の範囲を拡大し,試験問題の分析・評価と学習活動により育成を目指す科学的能力の項目化を通じて,評価問題のモデルパターンと骨格構造モデル開発のためのデータベースの充実を図る。身近な素材を用いた実験教材の開発とそれを題材とした科学的能力の評価問題の開発においても,「環境」,「エネルギー」,「新素材」などのテーマへの拡張を目指す。
「理科基礎」の発展・継続をめざした科学史活用プログラムの開発

本研究では、中学校や高等学校の理科教育のなかで科学史を活用するための方途を、装置と方法の両面から探った。装置に関しては、誘導電気を利用するタイプの「エレキテル」を調査した。このタイプの装置は全国で7台の存在が確認されており、そのうちの5台についての調査を行った。その結果は、「江戸時代に製作された電気治療機の特性調査」『佐久間象山』(松代藩文化事務所管理施設)として報告した。また、トヨタコレクション蔵の装置については、『TOYOTA COLLECTIONものづくりの源流』のなかで報告した。これらの調査を通して、「電気治療機」と呼ばれる装置の詳細な特性が明らかとなり、中等理科教育における教材として活用する道が開けた。熊取町立熊取南中学校(大阪府)において、文化祭の総合企画の一環として、生徒らとともにエレキテルの製作を支援した。この装置は、これまで、わが国の理科教育のなかで製作されていない新たなタイプの装置である。誘導電気を利用するタイプの装置を製作した佐久間象山の技術論に関しては、『技術と身体』において報告した。また、彼の故郷である長野市立松代小学校において、創立150周年の企画事業の一つとして、この装置を使った学習活動がすすめられた。装置の原理や運転の方法を紹介し、体験学習の支援を行った。科学史を活用したその他の教材は『地域環境を主題とした総合学習展開』のなかで報告した。本研究では、中学校や高等学校の理科教育のなかで科学史を活用するための方途を、ソフトしハードの両面から探ろうとするものである。ハード面に関しては、中学校や高等学校の理科教育のなかで活用可能と推定される歴史的な装置の調査を行った。まず最初に行ったのは、「エレキテル」という名で保存されている場合が多いが、実際は静電気を利用するタイプではなく、誘導電気を利用するタイプの装置である。このタイプの装置は、電気治療機の名で呼ばれることもある。また、トヨタコレクション蔵の装置については、同コレクションの様々な装置が紹介される予定の『ものづくりの源流トヨタコレクション』に報告を投稿した。これらの調査を通して、「電気治療機」と呼ばれる装置の詳細な特性が明らかとなり、中等理科教育における教材として活用する目途がついたと言える。今後は、以電気治療機外の他の歴史的な装置についても調査をすすめていく予定である。ソフト面に関しては、科学史を教育の場で活用するための教材の一つであるMind Worksを取り寄せ、その検討を開始した。Mind Worksとは、アメリカの理科教育改革運動として、現在進行中のProject2061のなかの事業のなかで達成された成果の一つである。本研究では、初等・中等学校の理科教育のなかで科学史を活用するための方途を、「エレキテル」を中心とした電気領域において探り、実践を行ったものである。エレキテルは、通常は静電気を利用した装置を指すことが多いが、江戸時代のわが国においては、静電気を利用したもののみならず、誘導電流を利用した装置も含めて、そう呼ばれてきたので、本研究でも、両タイプの装置の活用についての方途を探った。昨年度までの研究において、装置についての資料調査や簡易装置の設計を終えていたので、本年度は学校現場での活用の可能性を探った。静電気を利用したエレキテルに関しては、熊取町立熊取南中学校(大阪府)において、文化祭の総合企画「郷土における日本初の電気実験」と題する活動の一環として、生徒らによるエレキテル製作が試みられた。これまで、わが国の理科教育のなかで製作されていない新たなタイプの装置を、同校の教諭らと協力しながら生徒が中心となって製作できるような支援を行った。また、誘導電気を利用するタイプの装置に関しては、このタイプの装置を製作した佐久間象山の故郷である長野市立松代小学校において、創立150周年の企画事業の一つとして、この装置を使った学習活動がすすめられた。

装置の原理や運転の方法を紹介し、体験学習の支援を行った。上記の二例は、いずれも教科の枠を超えた学習のなかで活用された例であり、科学史を教材として活用する新たな方途を示すことができたと考えるものである。
昆虫のストレス耐性を決める遺伝子の同定

アワヨトウを用い遺伝的選抜によって群生相様黒色系統を作出した。この選抜黒色系統と非選抜系統の幼虫の生理的諸特性を比較した。選抜系統は非選抜系統に比べ熱ストレス感受性が高いことが分かった。その要因を明らかにすべく、両系統幼虫の体液中活性酸素種濃度を測定した。選抜系統は非選抜系統よりもストレスの有無に拘らず高い値を示した。さらに、抗酸化酵素(catalaseやSOD)活性を測定した結果、両酵素活性とも非選抜系統で高い事が分かった。また、酵素活性の差がその遺伝子発現レベルの差に因る事も確認した。両系統の交配実験によりストレス耐性は母性遺伝する事、さらに、抗酸化酵素遺伝子発現の重要性が明らかになった。研究室で継代飼育しているアワヨトウには非選抜と黒色選抜の2系統がある。後者は、10年以上に渡って黒っぽい外皮を持つ幼虫を選抜して交配を重ねた系統で、同種とは思えぬほど、前者の白っぽい非選抜系統に比べ幼虫の体表が全体的に黒色である。最近、両系統は体表の色彩のみならず、ストレス抵抗性においても明らかな差があることが分かった。本研究の目標は、その分子メカニズムを解析することによって、昆虫のストレス抵抗性の差異を決定する主要因を明らかにすることである。まず、最初に、両系統終齢幼虫の高温ストレス抵抗性について詳細な比較調査を行なった。1時間の高温ストレス処理による半数致死温度は、非選抜と黒色選抜系統でそれぞれ43.9度、43.1度と非選抜系統が0.8度高かった。43.5度の高温ストレスにおける半数致時間は、非選抜と黒色選抜系統でそれぞれ1.7時間と1.2時間であった。これらの結果を踏まえ、両系統の終齢幼虫を43度、1.5時間の高温ストレスに暴露後2日目の生存率は、非選抜系統が約90%であったのに対し、黒色選抜系統は僅か40%と低い値であった。以上の結果は、やはり、黒色選抜系統では高温ストレスに対する抵抗性は非選抜系統に比べ低いことが明らかになった。両系統の高温ストレス耐性の違いがそれぞれの幼虫体内での活性酸素種(reactive oxygen species (ROA))濃度によるものと予想し、43度、1時間の高温ストレスを与えた後に体液を採血してROS濃度を測定した。その結果、非選抜系統幼虫体液においては高温ストレス前後でのROS濃度の変化は検出されなかったのに対し、黒色選抜系統幼虫体液では高温ストレス直後でストレス前の約2倍の上昇、その後も徐々に増加し続け、ストレス暴露2時間後には約3倍に達していることが明らかになった。まず、本研究においては、研究室で継代飼育するアワヨトウの非選抜と黒色選抜の2系統幼虫がストレス抵抗性において有意な差があることを証明した。すなわち、1時間の高温ストレス処理による半数致死温度は、非選抜と黒色選抜系統でそれぞれ43.1度、43.9度と非選抜系統が0.8度高く、43.5度の一定高温ストレスにおける半数致時間は、非選抜と黒色選抜系統でそれぞれ1.7時間と1.2時間と非選抜系統が長かった。これらの結果、やはり、黒色選抜系統では高温ストレスに対する抵抗性は非選抜系統に比べ有意に低いことが明らかになった。その結果、非選抜系統幼虫体液においては高温ストレス前後でROS濃度の変化は検出されなかったのに対し、黒色選抜系統幼虫体液では高温ストレス直後でストレス前の約2倍の上昇、その後も徐々に増加し続け、ストレス暴露2時間後には約3倍に達していることが明らかになった。以上の結果は、黒色選抜系統の高温ストレスに対する低い抵抗性が体内活性酸素種の高さに起因することを示唆するものと解釈できる。こうした体内の活性酸素種濃度の差異は、両系統幼虫体内の抗酸化活性の差によるものと予想し、現在、両者の体液中の抗酸化活性を測定中である。現時点では、高温ストレス処理前の幼虫体液中の抗酸化活性測定に止まっているが、この結果は予想に反するものであった。つまり、黒色選抜系統の方が非選抜系統よりもやや抗酸化活性が高い結果となった。今後、高温ストレス処理を施した後の活性変化を測定する予定である。後者は、10年以上に渡って黒色の濃い外皮を持つ幼虫を選抜して交配を重ねた系統で、同種とは思えぬほど、非選抜系統に比べ全体的に幼虫の体表が黒色化している。両系統は体表の色彩のみならず、ストレス抵抗性においても明らかな差があることが分かった。1時間の高温ストレス処理による半数致死温度は、非選抜と黒色選抜系統でそれぞれ43.1度、43.9度と非選抜系統が0.8度高かった。43.5度の高温ストレスにおける半数致時間は、非選抜と黒色選抜系統でそれぞれ1.2時間と1.7時間であった。

これらの結果を踏まえ、両系統の終齢幼虫を43度、1.5時間の高温ストレスに暴露後2日目の生存率は、非選抜系統が約90%であったのに対し、黒色選抜系統は僅か40%と低い値であった。両系統に高温ストレス(43度/1時間)を与え、その後の幼虫体液中の活性酸素種(reactive oxygen species (ROA))濃度を測定した。その結果、非選抜系統幼虫体液においては高温ストレス前後でROS濃度の変化は検出されなかったのに対し、黒色選抜系統幼虫体液では高温ストレス直後でストレス前の約2倍の上昇、その後も徐々に増加し続け、ストレス暴露2時間後には約3倍に達することが明らかになった。こうした体液ROS濃度の差を産む要因を明らかにすべく抗酸化酵素活性と遺伝子発現量を測定した結果、やはり黒色系統の抗酸化酵素は発現量、活性共に非選抜系統よりも有意に低いことが明らかになった。アワヨトウを用い遺伝的選抜によって群生相様黒色系統を作出した。この選抜黒色系統と非選抜系統の幼虫の生理的諸特性を比較した。選抜系統は非選抜系統に比べ熱ストレス感受性が高いことが分かった。その要因を明らかにすべく、両系統幼虫の体液中活性酸素種濃度を測定した。選抜系統は非選抜系統よりもストレスの有無に拘らず高い値を示した。さらに、抗酸化酵素(catalaseやSOD)活性を測定した結果、両酵素活性とも非選抜系統で高い事が分かった。また、酵素活性の差がその遺伝子発現レベルの差に因る事も確認した。両系統の交配実験によりストレス耐性は母性遺伝する事、さらに、抗酸化酵素遺伝子発現の重要性が明らかになった。上述のように、両系統幼虫体内の抗酸化活性の差によるものと予想し、現在、両者の体液中の抗酸化活性を測定中である。現時点では、高温ストレス処理前の幼虫体液中の抗酸化活性測定に止まっており、予想に反して、黒色選抜系統の方が非選抜系統よりもやや抗酸化活性が高い結果が得られている。今後は、高温ストレス処理を施した後の抗酸化活性変化を測定すると共に、以下のような3種類の実験を遂行する。1)非選抜と黒色選抜系統の幼虫脂肪体における、高温ストレス処理前後での抗酸化酵素(superoxide dismutase (SOD), catalase)活性の測定を行う。2)非選抜と黒色選抜系統の幼虫脂肪体における、高温ストレス処理前後でのSODとcatalase遺伝子発現をRT-PCR, real-timePCRによって測定する。特に、SODについては、主として細胞質に存在するSOD1とミトコンドリアに局在するSOD2について、それぞれの発現が高温ストレスによって両系統でどのように変化するかを詳細に解析する。こうした解析によって、両系統の抗酸化酵素の遺伝子発現の差異とミトコンドリアの性質の違いについて何らかの情報が得られるものと期待できる。3)前年度の研究結果から、黒色選抜系統幼虫では、高温ストレス処理後、顕著に体液中の活性酸素種が増加傾向を示した。一方、非選抜系統では、こうした傾向は一切検出されず一定の濃度(ストレス処理前の濃度)に止まっていた。この事実は、ストレスによる個体死とこの体液中活性酸素種の濃度が密接に関係することを示すものと解釈できる。したがって、この体液中活性酸素種を分析し、できれば主要な活性酸素分子を特定し、構造決定とストレスー濃度ー生存率相関を明らかにする。昆虫生理・生化学
作物の収量機構の解析と到達可能水準の探究

1.水稲の新品種は旧品種に比し, HI(収穫指数)と登塾歩合が向上し,安定した生産性を示したが,前乾物重が低下する傾向にあり注目された.また,登塾はその初期には籾当たり葉面積と穂軸重により,後期には根の呼吸速度により左右される.一方,暖地品種は外国産多収品種に較べ, sink量(収穫期籾穀量)が著しく少なく, sink量の増大とそれに伴う葉の量の増大と活性の強化が必要と認められた. 2.春播コムギの短強稈系統は, N多施によく反応して増収したが,同時にHIが上昇する系統が見出され注目された.なお,子実収量は, N12kg水準で550g/m2に達した.3.マメ類では,栄養生長量の抑制とHIの向上が共通して増収に結びつく.ダイズでは,品種ヒュウガの矮性突然変異系統が蜜植により増収する.ラッカセイでは,亜種fastigiataの早生性と少分枝性の増収効果が指摘された.ソラマメでは, m2当たり茎長100cmの有効茎を100本程度確保することにより高収がえられた.4.イモ類では,光合成率やイモの生産特性が異なる代表的品種を用い,葉の働きとイモの肥大の関係を詳細に解析した.その結果,サツマイモの光合成率の高低には,葉肉コンダクタンス(生理的形質)と柵状組織の長さ(形態的形質)が関与していることがわかり,バレイショとサトイモでは,イモの肥大が葉の挙動と密接な関連を示すことが明らかになった.5.代表的な作物について,その生産性をNの吸収と利用効率および光エネルギーの吸収と利用と利用効率との関係に基づいて解析し,作物のもっている収量のpotentialityとその作物間差異を確かめた.以上の結果は,収量の成立と収量限界を考察する際に合理的な指針となるばかりでなく,実際育種や栽培技術に関わる研究者に有用な知見を提供するものである.1.水稲の新品種は旧品種に比し, HI(収穫指数)と登塾歩合が向上し,安定した生産性を示したが,前乾物重が低下する傾向にあり注目された.また,登塾はその初期には籾当たり葉面積と穂軸重により,後期には根の呼吸速度により左右される.一方,暖地品種は外国産多収品種に較べ, sink量(収穫期籾穀量)が著しく少なく, sink量の増大とそれに伴う葉の量の増大と活性の強化が必要と認められた. 2.春播コムギの短強稈系統は, N多施によく反応して増収したが,同時にHIが上昇する系統が見出され注目された.なお,子実収量は, N12kg水準で550g/m2に達した.3.マメ類では,栄養生長量の抑制とHIの向上が共通して増収に結びつく.ダイズでは,品種ヒュウガの矮性突然変異系統が蜜植により増収する.ラッカセイでは,亜種fastigiataの早生性と少分枝性の増収効果が指摘された.ソラマメでは, m2当たり茎長100cmの有効茎を100本程度確保することにより高収がえられた.4.イモ類では,光合成率やイモの生産特性が異なる代表的品種を用い,葉の働きとイモの肥大の関係を詳細に解析した.その結果,サツマイモの光合成率の高低には,葉肉コンダクタンス(生理的形質)と柵状組織の長さ(形態的形質)が関与していることがわかり,バレイショとサトイモでは,イモの肥大が葉の挙動と密接な関連を示すことが明らかになった.5.代表的な作物について,その生産性をNの吸収と利用効率および光エネルギーの吸収と利用と利用効率との関係に基づいて解析し,作物のもっている収量のpotentialityとその作物間差異を確かめた.以上の結果は,収量の成立と収量限界を考察する際に合理的な指針となるばかりでなく,実際育種や栽培技術に関わる研究者に有用な知見を提供するものである.本年は、イネ科作物,マメ類,イモ類,比較作物班に分かれて研究を推進してきた。えられた主な成果は、つぎのとおりである。1.日本の稲はsink capacityが極めて小さい。多収稲は、根の呼吸速度が、上,下層分布根の間で差が少なく、登熟が良かった。2.春播コムギの子実収量は、収穫指数の向上によって多収化しているが、年次によっては全重か収穫指数のどちらかに、より強い影響を受ける。3.ラッカセイは、亜種hypogaeaとfastigiataとの雑種に由来する品種(例えば、タチマサリ)が、早生化,大粒化し、収穫指数が高く、多収である。4.有限伸育型(日本型品種)のソラマメは、100本/【m^2】ぐらいの有効茎を確保することが多収の必要条件である。5.サツマイモは光合成能力の高い時期に塊根肥大を開始すること、非同化器官の割合を低くすること、および耐肥性の高い品種を利用することによって多収がえられる。6.バレイショで、裁培種と近縁種の雑種系統を密植裁培したところ、10t/10a以上の記録的な塊茎収量がえられた。7.サトイモは、多肥密植下で乾物生産量が大きく、葉面積指数が5かそれよりやや低目の時に生産効率が高い。8.窒素の利用効率には作物間差異がみられる。

高い作物は、てん菜,バレイショで、以下トウモロコシ,コムギ,イネ,ダイズの順で低くなる。効率の年次変動の大きい作物はてん菜で、小さい作物はバレイショ、窒素吸収量と収量の相関が高い作物はダイズであった。9.生育期間中に吸収された光合成有効放射量(ΔPAR)と乾物生産量(ΔW)に基づいて、光エネルギー転換効率を算出して作物を比較した結果、高い作物から、エンバク,オオムギ,バレイショ,コムギ,ダイズ,サイトウ,アズキの順となった。
歯性上顎洞病変時の線毛上皮細胞の再生能と機能分化に関する培養学的研究

上顎洞粘膜細片をexplant culture法で培養し、特に基底細胞を推定させる類円形細胞は細胞極性を有して伸長し、伸長側に線毛を獲得し、線毛円柱細胞形態に成長・発育することがアクチンの分布・局在性から示された。また分化・発育方向をみると線毛円柱上皮細胞と偏平上皮細胞への2方向性に向かうことが細胞培養学的に判明した。洞上皮細胞は偏平化生能を有し、または偏平上皮になることは偏平角化に関する各種の細胞マーカーを用いて証明できた。この事実は上顎洞性癌が偏平上皮癌である証左となる。さらに、線毛運動発現の機序が明確となり、またこれまで問題とされていた異常線毛の発生機序を解明し得た。平成4年および5年度の以上の研究結果は、別紙に示す学会やセミナーで口演および別添した論文により発表してきた。さらに発表しなければならぬ結果も得ているが、この間に得た実績を踏まえ、さらに発展させた形で公表する予定である。上顎洞線毛細胞の分化・発育に関する直接的証明のない現在、この点に関して、培養学的手法による解明が最も確実な手法であるが、これに臨床的に合目的な生物学的所見や観点を加えた各種の検討が必要である。以上の諸点につき、さらに新事験への考案を行っている段階である。上顎洞粘膜由来上皮細胞の生物学的特殊性,特に基底細胞から線毛円柱細胞への分化・発育,また再生力に関する特性を知ることから治療法や手術法の改良への考え方を得ることを目的として、培養学的実験を行った。まず,洞粘膜片の培養所見から,手術に関する臨床的検討を行った結果,組織片からoutgrowthする細胞のシート形成力は,極めて強く,炎症性病変時の洞粘膜の処置法として,消炎療法と外科的保存法により粘膜上皮の再付着や再生,または再構築の促進が期待される。特に,洞底に形成されることの極めて多い水様嚢胞は歯性病因によるものと考えているが,本病変では,滲出液の貯溜で洞底骨面上に挙上・剥離した病的粘膜部のみを切除するだけで,洞粘膜が再生し,露出骨面を被覆することがX線学的に推定され,手術法に役立つ根拠になることが判明した。基底細胞は,扁平化生方向と線毛円柱細胞への分化・発育能のあることを光顕的,および走査電顕的形態から証明してきた。さらに,今回,扁平化生能の潜能のあることを,上皮細胞に対する各種モノクローナル抗体の応用による免疫組織化学的検索の結果,口腔組織培養研究会(平4年12月,於札幌市)で発表した。現在,線毛円柱細胞の最大の特徴的機能である線毛運動を超高速度ビデオ(ナックMHS200型)を用いて分析途上にある。こゝで撮影された各線毛束(一定の線毛植立部に形成発現される線毛は収束化傾向あり。各線毛の動きは推定可能)の動態的分析の可能であることが判明したが,一定の線毛植立部の多数の線毛群の運動様式における同調性やmetachronismの発生機序を分析する点では,現状では十分でなく,現象的分析にとゞまっている。これに関しては,分析法を再検討中である。各種の炎症性病態下におかれ,障害された上顎洞上皮には再生能はあるのか,また線毛運動機能を再現獲得することは可能であるのかを培養学的直視下に証明することは,手術法や治療法の改良などへの考え方を得る一大根拠となる。これまで,基底細胞が線毛円柱細胞へと分化・発育し,一方で培養条件や細胞生着部の場の支配により拡大した細胞,扁平化生を生じるbipotentialityを有することを形態学的に報告してきた。歯性上顎洞炎の初期病態の一つと考えられるhydrocele部を被覆する上皮は,その粘膜下に貯溜した滲出液(化学的分析により既に証明同定・報告済)上に培養された組織片と考えてよい例も多い。

これらを光顕的,走査電顕的に検討すると,in vivo,in vitroともに線毛円柱細胞の胞体が拡大し,扁平化所見を呈したことを推定させるものが多い。特に,in vivoで線毛の脱落した円柱細胞と類似の形態を示す例のみられることで裏付けられる。線毛細胞の最大の機能である線毛運動が何故生じ,隣接細胞と協調・協同運動を生じるか,また異物の搬送・排除機能に関して検討した。nac film motion analyzerにより,異物の流れを指標として線毛運動様相を解析した。細胞塊や組織片では線毛は協調・協同運動することを示したが,その分析情報量には限界があった。このため,単離細胞での線毛運動をみると,細胞骨格(少なくともアクチン)の関与が胞体自体の伸縮活動の運動源になっていることが判明した。そこで超高速度ビデオ(ナックMHS200型)により線毛運動の現象分析を行った。有効打,回復打の線毛移動を分析すると,ガラス面上に付着した細胞質にも,線毛運動と協調性のある位置的変動が認められ,前述の細胞内活動が線毛内に伝搬することが証明された。これは,これまで線毛内の構造的位置のズレによる発動機構だけではないことを証明した一大事実と考えている。
細胞表層物質の構造と機能

(1)中野と米澤はブタとウシの卵子表層透明帯糖タンパク質の精子結合活性糖鎖の構造と存在部位を調べ、ブタでは3本鎖と4本鎖の複合型中性糖鎖が、ウシでは高マンノース糖鎖が精子結合活性をもつこと、これらの糖鎖はいずれもZPBタンパク質に存在し、特にブタの活性糖鎖はZPBのN末端領域に偏在していることを明らかにした。更にKissとの共同研究で、ブタ精子膜にはGPIアンカー型のαマンノシダーゼが存在することを示した。(2)竹尾はSipiczkiと共同して酵母の形態形成について研究した。酵母細胞の形は生長と分裂部位により大きく決められた。分裂酵母は両端でのみ生長し中央部で二分裂する簡単で極性の強い生長様式をもつが、この解析には極性を欠く球状ミュータントが有用であった。分裂部位決定に細胞壁とサイトスケルトンが大きな役割を果たすこと、細胞膜超微形態も生長や分裂に相関することを示した。また酵母-カビの形態変換を引き起こす環境要因は、菌種により異なるが細胞の形態的反応には異種間での共通性が認められた。(3)相見はBarabas研究室で培養されているStreptomycetes griseofluvusの一菌株について生物活性成分の化学的研究を行った。クエートの油汚染地域の土壌から採取された本菌についてβラクタマーゼ阻害活性と抗菌活性を指標に生物活性成分の検索を行った。βラクタマーゼ阻害活性物質については微量のため解明研究に進めなかった。抗菌活性成分を含有するAK25及び3-2について質量分析、核磁気共鳴を用いて構造解明を試みた結果、主成分は糖類、もしくはポリエーテル系化合物と考えられた。(4)小熊は、まずHPLCで分離不十分な塩素系芳香族化合物を、計算で分離定量するアルゴリズムを開発した。また、生物に有害な鉛をクラウンエーテルに吸着後シュウ酸アンモニウム溶液で溶出後直接原子吸光装置に導入する良好な自動分析法を開発した。更に、黒鉛炉原子吸光法を用いたヒト頭髪中のスズの直接定量法を開発した。本法は分析時間が格段に短く、有害なスズ摂取量のモニタリングに有効な実用分析法となることが期待される。Sipiczkiと竹尾の両研究グループは共同して、日本で分離された分裂酵母S.japonicusの形態形成を調べた。液体培地では調べた全ての条件で酵母形を取った。寒天培地の表面では仮性菌糸、寒天中で真性の菌糸となった。菌糸形は栄養勾配に従って成長し、極端に液胞化していた。また、様々な環境変化により酵母形に変化した。次に両グループは、分裂酵母の細胞周期制御機構をカフェインによる生長様式の変化を通じて調べ、短方向生長から両方向生長へ変換する時点へ特異的に影響を与えることを明かにした。これらの共同研究をまとめ論文2報を提出した。中野と米澤のグループはブタ卵子表層の透明帯糖タンパク質のうち精子結合活性を持つZPB成分の糖鎖の分布を調べ、結合活性の強い糖鎖はN端領域のAsnに結合していることを示した。また、ZPBの活性を高めるZPCの糖鎖の分布も調べ、これらを二つの論文にまとめた。更に中野と米澤はKissと糖分解酵素の実験計画について討論した。

相見は正倉院所蔵薬物試料「北第127号烏薬之属」について精密な構造解析を行いこれらがインドールアルカロイドであることを明かにし、7、8世紀の中国や日本の律令書に見られる最古の毒物"冶葛"が中国やタイに自生するマチン科植物Gelsemium elegansであることを確証し報告した。相見は更にBarabasと来年度行う抗生物質の構造決定に関する共同研究について意見を交換した。小熊は、分離不十分なため高速液体クロマトグラム上でピークが重なり合った塩素系芳香族化合物を、計算上で分離定量するアルゴリズムを開発した。小熊はまた来年度のデブレツエン大訪問の際の研究計画についてBorbelyと打ち合わせた。中野はデブレツン大で、SipiczkiとBorbelyは千葉大でそれぞれ約1時間の講演を行った。本研究は、文部省科学研究費補助金(千葉大学とデブレツェン大学間の国際学術研究)が2年目から基礎研究(B)(2)に移行したもので、引き続き両大学の研究者の共同のもとに遂行された。竹尾とSipiczkiの両グループは、昨年度に引き続き分裂酵母の研究を行った。分裂酵母は最も生長極性の強い酵母であり、両端でのみ生長し、生長方向と垂直面で分裂する。その球形ミュータントの生長様式を細胞壁表層構造を主な標的として調べた結果、生長方向、分裂面共に規則性が失われていることを見い出した。中野・米澤とKissの両グループは共同して、ブタ精子表層の糖分解酵素のうちα-マンノシダーゼとβ-ガラクトシダーゼの特性づけを行い、α-マンノシダーゼがGPI-アンカー型であることをはじめて明らかにする一方、β-ガラクトシダーゼはpHの変化で会合したり解離したりする興味深い性質を持つことを見い出した。Barabas,Penyigeのグループはクエートの油田地帯に生育するActinomycetesの一種を研究室内で生育することに成功した。相見のグループはその二次代謝産物の化学構造を解明すべく1H-と13C-NMRスペクトルの測定を行った。またBorbely等は植物毒素の細胞への効果を調べた。小熊のグループは生物に有害な鉛を、クラウンエーテル担持樹脂カラムに選択的に吸着後、シュウ酸アンモニウム溶液で溶離した濃縮液を直接原子吸光装置に導入するという、感度、再現性いずれも良好な自動分析法を開発した。竹尾と小熊はデブレツェン大で、KissとBarabasは千葉大でそれぞれ約1時間の講演を行った。中野・米沢グループはウシ卵子表層の透明帯を構築している糖タンパク質3成分の内、アミノ酸配列が未決定のZPAとZPBの配列をcDNAの塩基配列から決定した。またZPCも含めた3成分についてN結合型糖鎖の結合部位の大部分を決定し、精子結合活性を持つのは主にZPBであることも明らかにした。Sipiczkiと竹尾の両グループは共同して、分裂酵母を中心に数種の出芽酵母の、細胞周期と細胞生長に関して蛍光顕微鏡と急速凍結電子顕微鏡法とフリーズ・レプリカ電子顕微鏡法を用いて研究した。その結果S.pombeでは細胞表層である壁の生長極性は母細胞から受け継いだ壁の性質とサイトスケレトンによることが分かった。C.neoformansでは壁は再編成された。相見グループは前年度に引き続きBarabas、Penyigeグループとの共同研究として、クエートの油田に生育するStreptomycetes属菌株の細胞代謝産物の研究を行った。
常温で作動する高選択的一酸化炭素センサの開発

本研究では、低温で作動する一酸化炭素センサの開発を目的とし、Pt担持CeO2-ZrO2-Bi2O3複合酸化物またはPt担持CeO2-ZrO2-SnO2複合酸化物を用いた接触燃焼式センサの開発を行った。Pt/ CeO2-ZrO2-Bi2O3を用いたセンサでは110°Cで、Pt/CeO2-ZrO2-SnO2と窒化アルミニウムを組み合わせたセンサでは70°CにおいてCOを精度良く検知できることが明らかとなった。火災等に伴う無味無臭のCO中毒事故を防止するためにはCOガス濃度を計測できるセンサが必要不可欠であるが、市販のCOセンサが組み込まれた火災警報器は高価格であること、用いられているCOセンサ自体の選択性や寿命も未だ不十分であり、定期的な交換が必要となるといった問題があることから、新規なセンサの開発が望まれている。平成25年度は、申請者が平成24年度に開発したCO酸化触媒であるPtを担持したCeO2-ZrO2-SnO2を用いた接触燃焼式センサについて、応答速度の向上を目指した。Ptコイルと触媒層との間に熱伝導層として窒化アルミニウム(AlN)層を挟むことで、触媒上でCOが燃焼することにより発生した熱をPtコイルに効率よく伝搬することが可能となった結果、応答速度が大幅に向上し、かつセンサ出力が安定することが明らかとなった。本研究では、申請者がこれまでに開発したCO酸化触媒であるPtを担持したCeO2-ZrO2-M2O3(M =Sn, Bi)複合酸化物(Pt/CeO2-ZrO2-M2O3)を用いた常温作動型の接触燃焼式センサの開発を行った。本年度は、CeO2-ZrO2-SnO2系触媒を用いたセンサの開発に取り組み、70°Cで作動するCOセンサの作製を行った。CeO2-ZrO2-SnO2複合酸化物に担持するPt量を約10wt%にしたところ、65°CでCOを完全酸化できることが明らかとなったが、同触媒を用いた接触燃焼式センサでは、65°CでのCO検知は困難であった。これは、使用したPtコイルのサイズが小さく、触媒塗布量が少量であったことから、反応ガス量が極少量であり、感度が低すぎたためと考えられる。しかしながら、70°Cに昇温すると、感度良くCOを検知できたことから、本触媒を用いることで100°C以下でCOを検知可能な接触燃焼式センサが得られることが明らかとなった。従来の接触燃焼式COセンサでは、COを検知するには400°C程度の温度が必要であったが、100°C以下でCO検知が可能という本研究成果は、同分野において意義のある結果であると考えられる。研究申請時(平成23年秋)には、平成24年度にCeO2-ZrO2-Bi2O3複合酸化物を用いた接触燃焼式COセンサの開発を行う予定であったが、CeO2-ZrO2-Bi2O3複合酸化物と同時に開発に着手したCeO2-ZrO2-SnO2系酸化物を用いたセンサにおいてS/N比が大きなセンサ感度が得られたことから、対象物質をCeO2-ZrO2-SnO2系酸化物に変更して研究を行った。その結果、最終目標である常温作動は達成できていないが、70°Cで精度良くCOを検知できるセンサの開発に成功しており、中間目標としては十分達成できていると判断する。CeO2-ZrO2-SnO2複合酸化物よりCeO2-ZrO2-Bi2O3複合酸化物の方が低温でCO酸化できることを既に見出していることから、CeO2-ZrO2-Bi2O3複合酸化物を用いたセンサの開発を行う。しかしながら、CeO2-ZrO2-Bi2O3複合酸化物を用いたセンサではS/N比が小さいことも明らかとなっていることから、触媒量の最適化、表面形態の制御を行うことで、S/N比を高めたセンサの開発に取り組み、センサの常温作動を目指す。該当なし
アゾベンゼンの酸化還元サイクルを利用するタンデム式光触媒システムの開発

光合成はシラコイド膜中の光化学系Iと光化学系IIを連結させたタンデム方式で反応に必要な酸化還元力を生み出している。この2つ系の反応はキノンを電子プールとした電子伝達系を介して連携している。そこで、人工的にタンデム方式の光反応を構築すべく、キノンの代わりにアゾベンゼンを用いた化学的二光子励起の研究を検討した。まず、光化学系IIの構成を行った。水溶性ポルフィリン錯体を光増感剤、双性イオン型ビオローゲンをメディエーター、トリエタノールアミンを犠牲的電子供与体として、これらを水相に溶解させ、2分子膜に担持した両親媒性アゾ化合物の光還元反応を行った。ポルフィリン光励起による定常光照射(>520nm)を行うと、アゾベンゼンの吸収に対応する300400nmの吸収が減少した。これに対して、ビオローゲンを添加しない系では上記の吸収の減少は観測されなかった。これらの結果より、双性ビオローゲンがメディエーターとして働き、膜界面を介しての電子移動反応が起こり、2分子膜に担持されたアゾ化合物がヒドラゾ体に変化したと考えられる。光増感剤として、ルテニウム錯体を用いた場合においても同様な結果が得られた。次に、NMRスペクトルによってアゾベンゼンからヒドラゾベンゼンへの光還元反応を確かめた。化学的還元によって得られたヒドラゾベンゼンの芳香環プロトンと上記の様に光還元によって得られた芳香環プロトンが一致した。従って、メディエーターを用いることで、2分子膜に担持したアゾベンゼンに2プロトンと2電子を貯めることが可能な電子プールを構成することができた。また、光化学系Iの構成として、ヒドラゾベンゼンによるルテニウム錯体の光酸化反応を行った。ヒドラゾベンゼンによるルテニウムの蛍光消光が観測され、光酸化反応が確かめられた。以上の結果により、アゾベンゼンを電子プールとしたタンデム式光触媒の可能性が示された。
電子伝達フラビン蛋白に含まれるAMPの役割

哺乳類のミトコンドリアに存在する電子伝達フラビン蛋白は、二つのサブユニット(α,β)とFlavin Adenine dinucleotide(FAD),Adenosine 5'-monophosphate(AMP)の四分子の非共有結合による複合体であることを既に報告した。AMPは補酵素でもアロステリック因子でもなく、その役割は未だはっきりしていない。これまでの実験で、分離したα、β、FAD、AMPから電子伝達フラビン蛋白を再構成する際、AMPの濃度が高いほど電子伝達フラビン蛋白の再生速度が速い事を観察していた。すなわち、AMPはアセンブリの過程で何等かの役割を担っていると考えられる。本年度はこのアセンブリのメカニズムについて研究を行い、以下の成果を得た。1.αとβの結合-αとβだけを混ぜても結合は観察されなかった。2.片方のサブユニットとFAD、AMPとの結合-α、FAD、AMPを混ぜても結合しなかった。同様にβ、FAD、AMPも結合しなかった。すなわち、リガンド(FADとAMP)が結合するためには両方のサブユニットが必要である。3.αβとFADの結合-この反応は非常にゆっくりとしか進行しなかった。4.αβとAMPの結合-この反応は非常に速く、FADの結合に比べ約500倍の速さであった。5.α-β-AMP複合体とFADの結合-この反応は非常に速かった。6.まとめ-FADはαβには結合しにくいが、α-β-AMP複合体には非常に速く結合できる。一方AMPはαβに非常に速く結合できる。すなわち、AMPはFADに先んじてアポ蛋白に結合することによってアポ蛋白の構造を変化させFADを結合しやすくする働きがあることが明らかとなった。
酸性温泉光合成性微生物マットの実験的培養による微生物間相互作用の解明

全ての生物は他種生物群との相互作用の基に生存している。生物群集に含まれる生物種の特定及び環境観測に基づき、各生物群集系における生物間相互作用のモデルが提唱されてきた。しかし、その多くは相関関係からの推定であり実際に各因果関係があるかは不明である。因果関係を検証するためには、生物群集に対して実験的な処理を施し応答を見ることが必要である。本研究は、これまでに殆ど無い後者の実験例を示すことを目的とする。微生物組成が比較的単純で、光(昼夜)以外の外環境がほぼ一定である硫酸酸性温泉における光合成性微生物マットを対象とする。研究開始となる2018年度は、当該微生物マットに含まれる真核藻類以外の微生物の生物種組成を明らかにすることを目的としたメタゲノム解析を行った。その結果、マットには従属栄養性の鉄酸化最近が優先しているが、一部窒素固定を行うと予想される独立栄養の化学合成バクテリア群が存在することが示された。計画通り、今後研究に用いる日本産の硫酸酸性温泉マットの微生物組成の大枠が明らかとなった。さらに、真核藻類群による光合成だけではなく、窒素源のやり取りも考慮した研究を次年度以降進める必要性も示され、今後の研究方針も明確となった。温泉の生物試料を研究室内で培養する系を確立する。さらに光の有無、無機窒素源の添加の有無により、微生物群の増殖、トランスクリプトームがどの様に変動するか解析することで、光合成及び窒素固定の微生物群への影響を解析する。当初2018年度に予定していた酸性温泉マットの採集用の旅費を別予算から支出できることとなったため次年度使用額が発生した。当該額については、2019年度の採集用旅費及び採集に必要な消耗品費に充てる計画である。