hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
高専における若年層を対象にした新しいディジタル技術教育プログラムの開発

本研究の初年度である平成29年度は,「ディジタル技術教育に関する現状の調査と分析」を実施した.その結果,大学や高専などで使用されているディジタル信号処理技術を学ぶ各種の教材は,扱う技術的なレベルが高いため,入門者である学生向けの教材として難易度が高いものが多いことがわかった.このため,平成30年度に計画していた,「ディジタル技術教育プログラムの開発」としては,ディジタル信号処理技術を用いた簡易なディジタルラジオを教材として扱うこととし,その主要機能に焦点を絞って,機能ごとに動作原理などを学習できる教材を開発することとした.ディジタルラジオという全体像を意識しながら,その中の各機能を機能単位で学ぶことで,入門者である学生にも理解することが容易なレベル設定とすることができる.扱う主要機能は,ディジタル通信に欠かすことのできない,ディジタルフィルタ回路とディジタル方式の変調回路及び,復調回路とした.これらのディジタル信号処理回路をアナログ信号処理回路と対比しながら学ぶことで,回路構成,動作原理,特徴の違いなどを深く理解できる教材の開発を目標とした.これらの機能について,パーソナルコンピュータ上で視覚的なシミュレーションなどを実行しながら学べる教材を開発した.そして,「開発したディジタル技術教育プログラムの実践」として,開発した教材を学生らに使用してもらい,教材の有効性を確認し,改良すべき項目について検討した.現在までに,「ディジタル技術教育に関する現状の調査と分析」として,工業高校,高専,大学などで実施されているディジタル技術教育に関するカリキュラムや教授法,使用されている教材についての調査を行った.また,平成30年度は,「ディジタル技術教育プログラムの開発」の一環として,ディジタルフィルタ回路,ディジタル方式の振幅変調回路及び,振幅復調回路について学べる教材を開発した.ディジタルフィルタ回路用の教材は,パーソナルコンピュータ上で視覚的なシミュレーションを実行しながら学べる仕様とした.また,ディジタル方式の変調回路及び,復調回路用の教材は,最も基本となる振幅変調回路と振幅復調回路を扱うこととし,パーソナルコンピュータ上で処理を実行しながら学べる仕様とした.この教材は,学習者が興味を持って学べるように,実際の音声データをディジタル方式で振幅変調してから振幅復調するまでの過程を視覚的に確認しながら学べる構成とした.このため,変調前と復調後,さらに処理過程の音声データを実際に聞き比べたり,波形として確認したりすることが可能である.今後は,これまでに開発したディジタルフィルタ回路とディジタル方式の変調回路及び,復調回路の教材について,より学びやすくするための改良や学習項目の追加などを行う.さらに,これと並行して,より効果的にディジタル技術を学べる新しい教材の開発を継続する.コンピュータを用いた無線通信機器の開発に使用される無線周波数の信号入出力モジュール実験装置を学生向けの教材として活用することや,学生が興味を持って学べるようにするために,簡易ロボットの制御を題材にしたディジタル技術修得のための教材などの開発に取り組んでいく予定である.そして,開発した教材を用いて,「ディジタル技術教育プログラムの実践結果の評価」,「ディジタル技術教育プログラムの改善と成果の公開」について進めていく.特に,成果の公開については,技術教育系の学会などにおいて情報発信をしていく予定である.また,これまで十分には遂行できていなかった教育機関などとの連携強化や海外の教育機関におけるディジタル技術教育に関する調査と分析について,引き続き取り組みを継続していく.初年度である平成29年度に計画していた,「ディジタル技術教育に関する現状の調査と分析」として,各地の高専で実施されているディジタル技術教育に関するカリキュラムや教授法,使用されている教材についての調査を行った.また,工業高校や大学などにおける状況についても同様に調査した.その結果,各種のディジタル信号処理技術を統合したディジタルラジオなどの教材を独自に開発して使用しているいくつかの高専や大学が見つかった.これらの教材の内容や教育方法を調査したところ,例えばラジオとしての性能が比較的高いがために,回路構成が複雑になり,学生向けの教材としては難解になっている場合などが多く見受けられた.工業高校については,各種のディジタル信号処理技術を統合した独自開発の教材は見当たらなかった.また,市販されているディジタル信号処理用の開発実験装置などの製品についても入手して,学習用としての適性を調査・考察したが,やはり学生向け教材として使用するのは,難度が高すぎることが判明した.以上のような調査結果から,必要最低限のディジタル信号処理技術を用いた簡易なディジタルラジオを教材として開発することとし,大規模ディジタル集積回路(FPGA)を用いる方法,小規模なディジタル集積回路(IC)を組み合わせる方法,マイクロコンピュータを用いる方法,グラフィティカルなプログラミング言語を用いてパソコン上で構成する方法などを検討し,いくつかの試作を行った.さらに,今後開発する教材を効果的に活用できるように,アクティブラーニング手法やエンジニアリングデザイン教育を取り入れた授業実施方法についての調査・検討も並行して実施した.初年度である平成29年度に計画していた,「ディジタル技術教育に関する現状の調査と分析」として,工業高校,高専,大学で実施されているディジタル技術教育に関するカリキュラムや教授法,使用されている教材についての調査を行った.しかし,これらの教育機関と教材開発に関する十分な連携体制を構築するには至らなかった.また,海外の教育機関におけるディジタル技術教育に関する調査と分析について,十分には実施することができなかった.本研究の初年度である平成29年度は,「ディジタル技術教育に関する現状の調査と分析」を実施した.

その結果,大学や高専などで使用されているディジタル信号処理技術を学ぶ各種の教材は,扱う技術的なレベルが高いため,入門者である学生向けの教材として難易度が高いものが多いことがわかった.このため,平成30年度に計画していた,「ディジタル技術教育プログラムの開発」としては,ディジタル信号処理技術を用いた簡易なディジタルラジオを教材として扱うこととし,その主要機能に焦点を絞って,機能ごとに動作原理などを学習できる教材を開発することとした.ディジタルラジオという全体像を意識しながら,その中の各機能を機能単位で学ぶことで,入門者である学生にも理解することが容易なレベル設定とすることができる.扱う主要機能は,ディジタル通信に欠かすことのできない,ディジタルフィルタ回路とディジタル方式の変調回路及び,復調回路とした.これらのディジタル信号処理回路をアナログ信号処理回路と対比しながら学ぶことで,回路構成,動作原理,特徴の違いなどを深く理解できる教材の開発を目標とした.これらの機能について,パーソナルコンピュータ上で視覚的なシミュレーションなどを実行しながら学べる教材を開発した.そして,「開発したディジタル技術教育プログラムの実践」として,開発した教材を学生らに使用してもらい,教材の有効性を確認し,改良すべき項目について検討した.現在までに,「ディジタル技術教育に関する現状の調査と分析」として,工業高校,高専,大学などで実施されているディジタル技術教育に関するカリキュラムや教授法,使用されている教材についての調査を行った.また,平成30年度は,「ディジタル技術教育プログラムの開発」の一環として,ディジタルフィルタ回路,ディジタル方式の振幅変調回路及び,振幅復調回路について学べる教材を開発した.ディジタルフィルタ回路用の教材は,パーソナルコンピュータ上で視覚的なシミュレーションを実行しながら学べる仕様とした.また,ディジタル方式の変調回路及び,復調回路用の教材は,最も基本となる振幅変調回路と振幅復調回路を扱うこととし,パーソナルコンピュータ上で処理を実行しながら学べる仕様とした.この教材は,学習者が興味を持って学べるように,実際の音声データをディジタル方式で振幅変調してから振幅復調するまでの過程を視覚的に確認しながら学べる構成とした.このため,変調前と復調後,さらに処理過程の音声データを実際に聞き比べたり,波形として確認したりすることが可能である.本年度実施した,「ディジタル技術教育に関する現状の調査と分析」において,十分な成果を挙げられなかった教育機関との連携強化や海外の教育機関におけるディジタル技術教育に関する調査と分析については,引き続き取り組みを継続する.そして,次年度は,主として「ディジタル技術教育プログラムの開発」及び「開発したディジタル技術教育プログラムの実践」を推進する.具体的な教材としてディジタルラジオを対象として,学生が理解しやすいようにラジオとして必要最低限の機能を有したシンプルな構成とし,各機能が組み合わさってラジオとして動作していることが把握できる構成としたい.
キウイフルーツ近縁自生種に見出した両性花着生個体群の特性解明と育種的活用

九州東部の温暖地で収集したActnidia四倍体自生個体の形態と生殖特性を調査した.形態的特徴はA. rufa(シマサルナシ)と似通っていたが,花弁数,がく片色や毛じ,果形などは明らかに異なった.四倍体自生個体は両性花のみを着生し,花粉発芽率は4061%であった.自家受粉により大半が結実し,多数の正常種子を有し,81%以上が発芽した.四倍体自生個体とA. chinensisキウイフルーツの四倍品種との交配により多数の種子が得られ6592%が発芽した.以上の結果から,四倍体自生個体が機能的な両全性で,自家結実性を有することが明らかとなり,育種素材としての活用の可能性が示唆された.1.生態的特性について,両性・四倍体6系統の発芽期はいずれも3月中旬で,開花期は5月下旬で,二倍体シマサルナシと同時期であった.果実成熟期は11月下旬から12月上旬と二倍体シマサルナシに比べ710日遅かった.2.果実形質については,二倍体シマサルナシは楕円形または円形であったのに対して,両性・四倍体系統は長楕円形で明らかに区別できた.果実重は,5g前後で,二倍体シマサルナシに比べ小型であった.可溶性固形物含量は15.718.9%,滴定酸含量は1.11.6%であった.果皮は二倍体シマサルナシと同様褐色無毛であったが,果肉は濃緑色で二倍体シマサルナシに比べクロロフィル含量が高かった.アスコルビン酸含量は7.412.1mg/100gFWで二倍体シマサルナシに比べ少なかった.プロテアーゼ活性は,0.11.5nmol pNA released/minで,二倍体シマサルナシと同様に著しく低かった.3.収集保存した6系統について両性形質を再検証したところ,いずれの個体も,着生した花は全て形態的な両性花であり,平均60%以上の高い花粉稔性を有し自家結実することが確認された.一方,形態的な特徴から類縁性の高いと思われたA. callosa var. discolorについて,中国武漢植物園と連携して,雌株の形態的な両性花について調査したところ,花粉稔性は全く認められなかった.4.両性・四倍体個体と四倍体チネンシス種キウイフルーツ2品種との間で,双方向の交雑により獲得した種子を播種したところ,6592%の高い発芽率を示し,実生は正常に生育した.5.以上の結果から,両性・四倍体の各種形質が明らかとなり,キウイフルーツ育種への活用の可能性が示唆された.1.生態的特性を把握するため,7.2°C以下の自然低温遭遇350時間での20°Cにおける切枝の発芽率を調査したところ,シマサルナシ2系統は処理開始3週間後には90%以上が発芽し,両性・四倍体2系統の発芽はやや遅れたが,5週間後には90%前後に達した.6月下旬に緑枝挿しを行ったところ,発根促進剤の2000ppmインドール酪酸50%エタノール溶液処理の有無にかかわらず,すべて発根した.2.果実成熟特性について,樹上において,果実硬度は11月下旬まで高く保たれたが,12月上旬には低下がみられ,12月下旬には著しく軟化した.これにともなって,可溶性固形物含量は上昇したが,滴定酸含量は1.82.1%と高く維持された.果実追熟特性について,収穫後の17°Cに保持した場合,対照区の果実硬度は25日目まで緩やかに低下したが,エチレン処理区の果実は5日までに著しく軟化した.可溶性固形物含量はエチレン処理により対照区と比べ速やかに上昇した.また対照区では滴定酸含量は収穫後25日まで高く維持されたがエチレン処理によりわずかに低下した.エチレン処理果実では,色彩計測定において,L値がやや低下し,a値が上昇し,b値が大きく低下し,果肉色は緑色から暗緑色に変化した.対照区の果実は,収穫25日後までエチレンを発生しなかったが,エチレン処理区の果実は,収穫6日後からエチレンを発生するものがあった.3.両性個体と交雑実生の成葉の葉身の形は四倍体自生個体に類似し,葉身の色はA. chinensisよりも淡い緑色であり,また葉身の毛じの状態は両親の中間的であった.研究期間を通じて,両性・四倍体個体が,マタタビ属では極めて希な機能的な両性花のみを着生する両性個体であること示された.また,キウイフルーツとの間に高い交雑親和性があることから,自家結実性導入の育種素材としての活用の可能性が示された.九州東部の温暖地で収集したActnidia四倍体自生個体の形態と生殖特性を調査した.形態的特徴はA. rufa(シマサルナシ)と似通っていたが,花弁数,がく片色や毛じ,果形などは明らかに異なった.四倍体自生個体は両性花のみを着生し,花粉発芽率は4061%であった.

自家受粉により大半が結実し,多数の正常種子を有し,81%以上が発芽した.四倍体自生個体とA. chinensisキウイフルーツの四倍品種との交配により多数の種子が得られ6592%が発芽した.以上の結果から,四倍体自生個体が機能的な両全性で,自家結実性を有することが明らかとなり,育種素材としての活用の可能性が示唆された.1.現地調査により,二倍体のシマサルナシが西日本の太平洋沿岸を中心に広く分布しているのに対して,両性・四倍体個体は、九州東部の一部地域にのみ局在しているものとみられた.2.形態的な観察の結果,両性・四倍体個体は,両性花のみを着生し,花弁が白く,開花後大きく外側に反転すること,ガク片が緑色で毛じをもたないこと,果形が長楕円形で果肉色が濃緑色であることなど,通常のシマサルナシ二倍体の雌花や果実とは明瞭に区別される特徴をもつことが明らかとなった.3.両性・四倍体のこれらの形態的特徴を,中国科学院武漢植物園において収集保存している自生種と比較したところ,亜熱帯性の種の変種の中に類似した特性を示すものがあった.4.二倍体シマサルナシの雌花の葯に含まれる花粉は稔性をもたず,人工培地上で発芽は全く認められなかったが,両性・四倍体個体の両性花の花粉は稔性を有し, 5060%の発芽率を示した.さらに,開花前の花房を被袋して他家花粉を遮断して自家受粉させ,蛍光顕微鏡で観察したところ,雌ずい内で多数の花粉管が正常に伸長し,胚珠に到達していることが確認された.さらに,自家受粉したすべての果実が結実し,正常に発達した種子が形成された.5.チネンシス種キウイフルーツの四倍体の雄および雌品種を用いて,両性・四倍体個体との交雑を行ったところ,双方向の交配組み合わせで結実が認められ,正常な種子が形成されることが明らかとなった.以上の結果より,自生種に新たに見出した両性・四倍体個体が,マタタビ属では極めて希な機能的な両性花のみを着生する両性個体であることが明らかとなった.また,キウイフルーツとの間に交雑親和性があり,育種素材としての活用の可能性が示された.前年度に得られた結果を踏まえ,当初計画にしたがって,両性・四倍体自生種について,発芽,開花,果実成熟期などの生態的特性を明らかにできたこと,可溶性固形物含量,滴定酸含量,クロロフィル含量,アスコルビン酸含量,プロテアーゼ活性等の果実成分を評価できたこと,両性・四倍体自生種と形態的な類縁性が示唆された亜熱帯自生種には花粉稔性や自家結実性がないことが明らかにできたこと,四倍体チネンシス種キウイフルーツ2品種との双方向の交雑により得られた種子が高い発芽率を有し,多数の実生が得られることを明らかにできたこと等の成果が得られたことから,概ね順調に進展していると自己評価した.本研究の目的である自生種に見出した両性・四倍体個体について,初年度の研究計画に基づいて,1)分布特性を明らかにした.2)遺伝的・分類学的位置付けについては,国内近縁種および亜熱帯に分布する種との比較において,形態学的特性を明らかにできたこと,3)自家受粉による結実および自家受粉後の花粉管伸長の観察により,自家結実特性を有することを確認できたこと,4)チネンシス種四倍体品種キウイフルーツとの種間交雑が可能であることを明らかにし,各項目について,期待される成果が得られた.また得成果を園芸学会にて発表した.以上を総合しておおむね順調に進展していると自己評価した.当初の研究計画に基づき,両性・四倍体の「生態的特性」に関して,栄養繁殖特性,耐暑性,休眠性と低温要求性などを明らかにする.また,「チネンシス種キウイフルーツとの交雑個体の形質評価」については,前年度に得られた交雑実生個体の形態,生態的特性の調査を行う.また,最終年度に当たり,研究期間を通じて得られた知見をもとに両性・四倍体個体群の形質について総合的な評価のとりまとめを行う.初年度に得られた成果を踏まえつつ,当初計画に基づいて「分類学的位置付けの検討」,「生態的特性」,「果実成分の評価」等の項目について研究を推進する.国内外の形態的特性が類似する近縁種との比較を現地および研究圃場において詳細に実施する.また,低温要求性や環境適応性などの生態的特性を調査する.
アルタナリア病原菌の植物寄生性を決定するCD染色体の比較ゲノミクス

糸状菌のCD(Conditionally Dispensable)染色体とは、培地上での成育には必要ではないが、植物寄生など特定の生活環にのみ必要な染色体である。本研究では、異なる作物に感染する3つのAlternaria alternata病原菌について、それらの植物寄生性を決定するCD染色体の構造と機能を比較解析した。その結果、これら病原菌のCD染色体は、共通領域と各病原菌特異的な領域からなることが明らかとなり、共通な起源染色体に宿主特異性を決定する病原性遺伝子群が組み込まれてそれぞれ成立したことが示唆された。Alternaria alternataは本来腐生的な糸状菌であるが、本菌にはそれぞれ異なる作物に病気を引き起こす7つの病原性系統(病原型)が存在する。これら病原型の植物寄生性は、宿主植物にのみ毒性を示す菌の2次代謝産物(宿主特異的毒素)によって決定されている。したがって、7つの病原型は、腐生的A.alternataがそれぞれ固有の毒素生産能を獲得することによって病原菌化したと考えられ、病害発生の根本現象である"腐生菌からの病原菌誕生(寄生性進化)"を研究するための好適なモデルである。先に、5つの病原型から毒素生合成遺伝子クラスターを単離するとともに、それらクラスターが小型(<2.0Mb)のconditionally dispensable(CD)染色体にコードされていることを見出した。CD染色体とは、生存には必要ではないが、植物寄生など特定の生活環にのみ必要な染色体を意味する。CD染色体が最初に報告された生物は、エンドウに感染する糸状菌Nectria haematococca(エンドウ根腐病菌)であり、A.alternataは2例目である。本研究では、A.alternata病原菌のうち、基本構造が異なる毒素を生産するイチゴ黒斑病菌(AF毒素生産菌)、リンゴ斑点落葉病菌(AM毒素生産菌)、トマトアルターナリア茎枯病菌(AAL毒素生産菌)のCD染色体について、それらの構造と機能を植物病理学的、分子系統学的視点から比較解析し、A.alternata病原菌の植物寄生性を決定するCD染色体の実体解明を目指す。具体的には、3病原菌のCD染色体の塩基配列の決定と構造比較、CD染色体遺伝子群の分子系統学的解析、CD染色体遺伝子群の発現解析と7つの病原型と非病原性菌株における分布調査、毒素生合成遺伝子群の同定などによって、CD染色体の構造と機能を総合的に解析する。さらに、プロトプラスト融合、菌糸融合によるCD染色体の種内さらに種間移動の可能性を検証する。Alternaria alternataには、病原性の決定因子として宿主特異的毒素を生産する7つの病原性系統(病原型)が存在する。先に、5つの病原型から毒素生合成遺伝子クラスターを単離するとともに、それらが小型(<2.0Mb)のconditionally dispensable (CD)染色体にコードされていることを見出した。本研究では、3つの病原型のCD染色体について、それらの構造と機能を比較解析し、A.alternata病原菌の寄生性を決定するCD染色体の構造、機能さらに起源の解明を目指す。当初、イチゴ菌NAF8株、リンゴ菌IFO8984株およびナシ菌O-276株のCD染色体の比較ゲノミクスを予定していた。しかしながら、ナシ菌O-276株では毒素生合成遺伝子の一部が他の小型染色体にも重複分布することが明らかとなった。そこで、本研究課題を円滑に進めるために、1.0MbのCD染色体がすでに同定されているトマト菌As-27株に解析対象を変更した。イチゴ菌のCD染色体(1.05Mb)の塩基配列はすでに決定しており、今年度は、リンゴ菌の1.4Mb染色体とトマト菌の1.0Mb染色体の構造解析を行なった。両菌のCD染色体の塩基配列をパイロシークエンシング法によって解析したところ、得られたコンティグの総塩基長が予想染色体サイズの50%程度と大きく下回った。そこで、CD染色体断片を含むBACクローンの両末端配列を決定し、上記コンティグにマッピングした。その結果、ほとんどのクローンがコンティグ上にマップされ、どちらの染色体も大規模な繰り返し配列構造を持つことが示唆された。3病原菌の推定毒素生合成遺伝子クラスター領域から、遺伝子破壊法と遺伝子サイレンシング法を用いて、新たな毒素生合成遺伝子を同定した。Alternaria alternataには、病原性決定因子として宿主特異的毒素を生産する7つの病原型が存在する。先に、5つの病原型から毒素生合成遺伝子クラスターを単離するとともに、それらが2.0Mb以下のconditionally dispensable(CD)染色体に分布することを見出した。

本研究では、3つの病原型(イチゴ黒斑病菌、リンゴ斑点落葉病菌、トマトアルターナリア茎枯病菌)について、CD染色体の構造と機能を比較解析し、A. alternata病原菌の寄生性を決定するCD染色体の構造、機能、起源の解明を目指す。なお、イチゴ菌のCD染色体(1.05Mb)の解析は昨年度までにほぼ終了している。昨年度、リンゴ菌の1.4Mb染色体とトマト菌の1.0Mb染色体の解析によって、どちらも大規模な繰り返し配列を持つ複雑な構造であることを見出した。そこで今年度は、先に同定したコンティグのプライマーウォーキングによる連結、未決定領域に対応するBACクローンの選抜と塩基配列決定を行い、染色体構造の概要を把握するとともに、次年度解析対象とすべきBACクローンを選抜した。また、リンゴ菌の1.4Mb染色体とイチゴ菌の1.05Mb染色体から保存された領域を見出し、両菌のCD染色体が構造的に類似していることを示唆する結果を得た。イチゴ菌(AF毒素生産菌)とトマト菌(AAL毒素生産菌)のプロトプラスト融合によって、AF毒素とAAL毒素の両方を生産し、イチゴとトマトの両植物に病原性を示す菌株を作出した。さらに、それらの染色体構成を親株と比較し、ダブル毒素生産株ではイチゴ菌とトマト菌のCD染色体をあわせ持つことを確認した。3つの病原型の毒素生合成遺伝子領域を推定するとともに、遺伝子破壊法、遺伝子サイレンシング法を用いて、新たな毒素生合成遺伝子を同定した。Alternaria alternataには、病原性決定因子として宿主特異的毒素を生産する7つの病原型が存在する。先に、これら病原型の毒素生合成遺伝子クラスターが、生存には必要でないconditionally dispensable(CD)染色体に分布することを見出した。本研究では、3つの病原型(イチゴ黒斑病菌、リンゴ斑点落葉病菌、トマトアルターナリア茎枯病菌)について、CD染色体の構造と機能を比較解析し、A.alternata病原菌の寄生性を決定するCD染色体の起源の解明を目指す。なお、イチゴ菌の1.05Mb染色体の構造解析はすでに終了している。昨年度までに、リンゴ菌の1.4Mb染色体とトマト菌の1.0Mb染色体の構造を解析し、どちらも大規模な繰り返し配列を持つ複雑な構造であることを明らかにした。今年度は、先に同定したコンティグのプライマーウォーキングによる連結、未決定領域に対応するBACクローンの選抜と塩基配列決定を行い、各染色体のほぼ全長をカバーする150kb以上のコンティグを同定し、リンゴ菌の1.4Mb染色体には複数の反復領域が存在すること、トマト菌の1.0Mb染色体はセントロメアを挟んでほぼ左右対称構造であることを見出した。さらに、3病原菌のCD染色体の構造を比較し、イチゴ菌とリンゴ菌のCD染色体の毒素生合成遺伝子をコードしない片腕の構造が全長にわたり類似していること、この領域の一部(約220kb)がトマト菌の1.0Mb染色体にも保存されていることを見出した。この結果は、3病原菌のCD染色体が同一起源であることを示唆した。3病原菌のCD染色体にコードされる全遺伝子を推定するとともに、イチゴ菌、リンゴ菌、トマト菌からそれぞれ25個、17個、13個の毒素生合成遺伝子を推定し、遺伝子破壊法またはサイレンシング法を用いて、それらの毒素生合成における機能解析を進めた。
高エネルギー宇宙ニュートリノ・電子の新しい観測・解析の為のN-K関数の適用と改良

宇宙から入射する高エネルギーニュートリノを高精度で観測する為に,バイカル湖の水中や南極の氷の中でνが発生する電子やμ中間子からのチェレンコフ光の空間分布を三次元シャワー理論(N-K関数)と散乱理論を用いて解析的に求めた。暗黒物質起源の宇宙線中の高エネルギー電子観測の可能性に関連して、我々のエマルションチャンバーによるスペクトル観測で加速器ビームを用いてエネルギーの測定精度が約10%である事を確かめ、大気中伝搬によるバックグランド電子とスペクトル変形について評価を行った。高エネルギー宇宙ニュートリノを観測するため、南極の氷中でニュートリノが核衝突で発生するμ中間子や、電子(ICE CUBE計画)から発生するチェレンコフ光の空間分布を求めるのが研究の目的である、すでにハワイ沖の深海の海水を利用してDUMANDと呼ばれる計画が1970年代に計画され、その際計算をおこなったが^*、19年度の研究では、チェレンコフ光が氷中での散乱を受ける点が主要な違いである、散乱が加わっても、光子は吸収されないが、各時刻における広がりの範囲が規定される、発生した光子の内,生き残る割合は吸収係数のみできまるので、散乱係数を入れた計算は、チェレンコフ光の空間分布を変えるが、観測される光子の総量を変えることはない。μや電子のエネルギーの決定には散乱係数は基本的に関係しない事を明らかにしたことがこの研究の第一点である、具体的な空間分布の計算としては先ず、散乱に対してdiiifusion近似を用いて、チェレンコフ光に対する空間分布について,ハンケル変換を使って、複素積分形の解析解を求めることが出来た、簡単な実例について数値計算した結果は、これまでICE CUBEのグループでモンテカルロで計算した数値結果と良く一致しており、更に複雑な場合について精密な考察が可能になることを示している。一方、diffusion近似をあげて精密化を行うとともに、散乱の度合いと吸収係数との関係がチェレンコフ光からの空間分布にどのように影響するかの計算が進行中である。1.高エネルギー宇宙ニュートリノが南極の氷中で発生する荷電粒子によるチェレンコフ光の空間分布について、氷中の散乱効果をdiffusion近似でとりあつかった解析解を求めたが、この解について、モンテカルロの結果との比較を行い、よく一致すること確かめた。この結果、この解析解を用いて、Ice Cubeで散乱のある氷中の実験を精度よく行うこと出来る展望が得られた。2.昨年7月にはCOSPAR(宇宙空間研究連盟)の国際研究集会が、カナダのモントリオールで行なわれたが、諸外国の関連研究者との討論の結果、いろいろな要望が出されたので、この研究で発展させた手法をもちいて、新しいシャワー理論の発展も試みた3.上記理論の基礎となる部分については岡山商科大学の中塚氏と共同で研究を行い、その結果をPhys Revに発表した。1.高エネルギー宇宙ニユートリノが南極の氷中で発生する荷電粒子によるチェレンコフ光を検出するIce Cubeの実験では、放出された光は氷中で散乱効果を受ける。散乱効果をdiffusion近似で取り扱い光の空間分布について解析解を求めた。解析解の一部をモンテカルロの計算結果と比較して、光の散乱のある氷中の実験データの解析を精度よく行う事が出来る事を確かめた。吸収係数の効果が散乱の効果を上回る水中の場合も含めて、各々の場合の光子の空間分布の特徴を明らかにして総括し、論文をしかるべきにJourに出版する予定である。2.従来の筆者らの行ったECCに加えて、最近ATIC, PPB-BETS, Fermi, HESS等による高エネルギー宇宙電子の新しい観測が加わった。各々のスペクトルの形の一致は必ずしもよくないが、電子の発生源として暗黒物質の可能性も提案され議論を呼んでいる。その際、大量にある陽子のバックグランドの除去を行い、精度のよいe/P分離を行う事が必要である。ATIC, PPB-BETS, Fermiでは主に核子によるシャワーと電子シャワーの広がりの違いを利用して分離が行われている。NK関数を用いて電子シャワーの横広がりの精度を加速器の電子ビームを用いた実験で確かめ、どのようなパラメータがe/P分離に最も有効であるかを導き、実験に適用しこれらの実験の再解析を行うことを検討している。3.ECCの観測スペクトルについては、さらに新しい観測データを加えて、LPM効果、大気電子の寄与、大気中のエネルギ0損失に伴う、スペクトルの変形の解析を行った。
揺らぐ環境にある生体分子における機能発現機構の「頑健性」の解明

タンパク質分子の分子動力学データに対し、ウエーブレットによる集団運動の抽出、抽出された集団運動に対する次元縮約、相空間の不変集合に基づく集団運動の解析を遂行した。これらの手法を、具体的な生体分子の分子動力学データに応用し、生体分子の分子機能を動的メカニズムに依拠して解明する研究を推進しつつある。(1)階層的集団運動を抽出する計算科学・「データマイニング」の開拓(2)階層的集団運動に対して相関・因果関係を解析する統計的因果推論の構築ウエーブレットで抽出された特徴的時間スケールの異なる振動緩和モードにおいて、それらの間のエネルギー移動過程の解析に向けて、ウエーブレット解析とカーネル主成分性解析を組み合わせた新たな解析手法を開拓しつつある。(3)大自由度由度非線型力学系の不変集合解析非線型力学系の不変集合解析(1)階層的集団運動を抽出するデータマイニングの展開と有効性の検証ウエーブレットによりゆっくりした振動成分を抽出し、このように抽出された集団運動に対して、その動的な挙動の解析に向けて、カーネル相関解析・特異値分解により、集団運動の動力学を抽出する「データマイニング」の方法を展開した。またランダム行列の特異値分布の厳密な解析理論を展開し、量子カオス系の時系列データに応用し、その有効性を検証した。(2)階層的集団運動の時系列データに対する統計的相関・因果推論大自由度の「ランダム力学系」による時系列データから、「頑健」な機能発現を可能とする動力学的相関・因果関係を抽出するため、統計科学の新たな展開、特にカーネル最適化の方法である半正定値行列計画法の応用を探求した。特にカーネル主成分解析に実際に有効であることを確かめつつある。(3)大自由度力学系の相空間構造・不変集合による階層的集団運動の解析不変集合と、それらに対し漸近的に接近・離反する「安定・不安定集合」、これら「不変集合」相互間のつながり等、階層的な集団運動の動力学的メカニズムを、法双曲的不変多様体の崩壊に基いて理解する方法を展開した。その方法を、電場と磁場の下にある水素原子のイオン化のモデルに応用し、その有効性を検証した。古典力学での解析に加えて、量子系の解析も検討しつつある。(4)具体的な生体分子の分子動力学計算への応用ダイアラニン、シニョリン、ミオグロビン、SNaseなどのポリペプチドやタンパク質の分子動力学計算による時系列データに対して、上記の解析方法を応用しつつある。また生体分子に限らず、炭素クラスターの強レーザー場中の挙動の解析など、様々な化学反応系に時系列解析を応用し、基礎科学・応用科学としての広がりを示しつつある。本研究の目的は、非平衡非定常な環境において、生体分子の機能が頑健に発現する動力学的機構を解明する事である。生体分子の機能とは、揺らぐ外界のもとで、刺激に対する応答としての階層的集団運動が、分子自身の非線型動力学により頑健かつ自発的に形成され、それがさらに一連の構造変化・化学反応を動的に誘起することである。本研究では、計算科学・統計科学・非線型物理の学際的共同研究により、下記の課題に取り組んだ。(1)分子動力学計算で得られる大規模時系列データから階層的集団運動を抽出する「データマイニング」の開拓:タンパク質分子の分子動力学データに対し、ウエーブレットにより集団運動的な振動を取り出すことができた。さらに抽出された集団運動に対して、その動的な挙動の解析に向け、特異値分解などの手法を駆使し、集団運動の動力学を抽出する「データマイニング」の方法を開拓しつつある。(2)「データマイニング」で抽出された階層的集団運動に対して相関・因果関係を解析する統計的因果推論の構築:従来、時系列の因果性の解析は、定常性など限定的な状況でなければ困難だと思われてきた。しかし近年、福水らが中心となりカーネル非線形回帰分析にもとづいて因果関係を推定する方法論が展開されている。本研究では、これらの理論に依拠しながら、実際のデータ解析で重要となる原像問題・カーネル最適化問題に取り組み、従来の方法が不十分であることを明らかにした。(3)大自由度非線型力学系の不変集合解析による「粗視化」とそれに基づく階層的アルゴリズムの開発:大自由度力学系における階層的集団運動の特徴、時空間スケールにおける階層性の起源など、非平衡現象における集団運動を不変集合に基づいて研究した。特に「法双曲性の破れによる分岐現象」の存在を明らかに、この分岐現象が、反応座標の切り替わり等、力学系の階層構造の変化に帰結することを明らかにした。本研究の鍵となるのは、ウエーブレット変換に依る集団運動の抽出とその変遷の解析である。種々の生体分子の時系列に対して、この方法の有効性を確認しつつあり、当初の予定通りに進展している。24年度が最終年度であるため、記入しない。今後の進展の鍵となるのは、カーネル法による非線形統計解析である。カーネル法は極めて一般的な枠組みであるが、具体的な応用における指針の面で不十分なところがある。この点における打開策として期待できるのが、近年になって提唱されている半正定値行列計画法の応用である。この方法に依るカーネル主成分解析は順調な結果を出しており、この方向を今後追求する。
3次元心エコー法を使用した麻酔中の心形態・機能・局所壁運動の新しい評価法の確立

超音波画像のColor Kinesisの解析用のコンピューターソフトの開発を基礎に解析処理法を検討中である。Color KinesisあるいはAqousticquantification(AQ)の解析用のコンピューターソフトでは心内膜面を拡張末期(心電図でのR波と同期)を決め33msec毎にcolorあるいは線形表示させて、その画像をデジタル画像のままMOに保存する。その後変換ソフトを用いてパーソナルコンピューター上で画像処理ができるようにファイル形式を変換する。その後、これらの画像を重ね合わせることにより3次元構築ができるようにソフトを変更中である。ただし、現在のところこの操作には1心拍画像を処理するのに約5-10分かかるため実用的ではない。3次元のマルチプレーンの経食道心エコーを用いてマルチプレーンの角度を0度から180度の範囲で10度づつ回転させて画像を得ていく操作が必要になるが、現在この操作上問題なのは最低でも18心拍画像が必要となり実際にはその倍以上の心拍が必要となる。このためその間に心拍変動があるような状況、あるいは人工呼吸による影響などの影響も生じてくる。このため現段階ではこの方法の変更を含めて他にシンプルな方法がとれないかを検討中である。現実的には経食道心エコーを4腔像、2腔像、長軸像の得られる高さに固定し、2-dimentionalエコーおよびAcoustic quantification(AQ)の画像をそれぞれ得ることでこの3画像からまず基本骨格になる3次元構築を行ないその後に詳細な画像を追加する方法を検討中である。
自閉症治療のための創薬に向けた行動薬理学的モデル動物システムの開発

自閉症の中核症状である社会的相互交流障害の改善に有効な薬物療法を開発することは重要である。結節性硬化症はTSC1ないしTSC2遺伝子のハプロ不全に起因し、自閉症をしばしば合併する。本研究は、結節性硬化症モデル動物Tsc1^<+/->およびTsc2^<+/->マウスの自閉症様行動異常、mTOR阻害薬ラパマイシンの投与によるその改善、mTOR系遺伝子の脳内発現異常のラパマイシン治療による正常化を見いだした。これらはマウスの自閉症様行動におけるmTOR信号伝達の重要性を示すとともに、ヒト自閉症の薬物治療におけるmTOR阻害薬の有用性を示唆する。結節性硬化症はTSC1またはTSC2遺伝子の変異に起因する常染色体優性遺伝疾患で、高率に知的障害と自閉症を合併する。単一遺伝子変異による自閉症の原因疾患の中では、最も頻度の高い疾患である。結節性硬化症に合併する自閉症、ひいては自閉症一般の治療を目指すtranslational researchの萌芽的研究として、本研究はモデル動物(Tsc1^<+/->およびTsc2^<+/->マウス)における自閉症様行動異常の有無を調べた。その結果、両モデルマウスの身体所見は野生型と同等であった。運動については、open field testにおいてオスの運動量がメスより高かったが、遺伝子型による差はなかった。Poletest、rotarodtestの結果にも遺伝子型による差はなかった。自閉症様行動に関して、変異マウスは野生型マウスに比しsocialinteractiontestにおける新奇マウスの探索時間が有意に短く、立ち上がり行動が有意に多かった。その他の行動試験、すなわちtube test、novel object test、food exploring testおよびlight/dark box testにおける異常行動はみられず、上記の自閉症様行動は見せかけだけのものではないと考えられた。TSC1遺伝子産物hamartinおよびTSC2遺伝子産物tuberinはmTOR(mTORC1>活性を負に制御しており、結節性硬化症ではこれらの機能が低下するためmTOR活性が異常に亢進する。したがってラバマイシン投与によるmTOR活性抑制が知的障害や自閉症を改善する可能性も期待される。実際にラバマイシンがTsc2^<+/->マウスの記憶学習障害を改善したという先行研究もある。本研究ではラバマイシンが自閉症様行動を正常化するかについて、今後検討を進める予定である。結節性硬化症は(TSC)に合併する自閉症の中核症状、とりわけ社会的相互交流の障害に対して有効な薬物療法を開発する目的で、モデル動物を使った治療の研究を行った。TSCは自閉症を高率に合併し、原因が既知の自閉症としては最も頻度が高い。TSCは2つの原因遺伝子TSC1、TSC2の変異に起因する常染色体優性疾患である。TSC1、TSC2の異常は下流にあるmammalian target of rapamycin(mTOR)の機能亢進をもたらしごこれがTSCにおける病変や症状の原因と考えられている。われわれは平成22年度の研究で、自閉症のモデル動物Tsc1^<+/->およびTsc2^<+/->マウスに自閉症様行動(相互交流の減少と立ち上がりの増加)が見られることを発見した。平成23年度はTsc1^<+/->およびTsc2^<+/->マウス成獣にmTOR阻害薬ラパマイシンを投与し、投与前後に行動実験を行って社会的相互交流を観察した。その結果、ラパマイシン投与前に認められた行動異常、すなわち相互交流の減少と立ち上がりの増加はいずれもラパマイシン投与後(510mg/kgを24時間間隔で2回腹腔内注射した翌日)に改善し、野生型マウスと同程度となった。野生型マウスの相互交流および立ち上がりは、ラパマイシン投与後も明らかな変化を示さなかった。Tsc2^<+/->マウスの脳における遺伝子発現パターンをマイクロアレイにより解析したところ、ラパマイシン投与前に認められたmTOR系遺伝子の発現異常が、投与後に改善していた。TSCに合併する自閉症に対しmTOR阻害薬が有効であり、成人に達してからの治療でも奏功する可能性が示唆された。これらのマウスが治療可能な自閉症のモデルとしてトランスレーショナルリサーチに有用であることも示された。勤
タイト結合分子オクルディンによる微絨毛形成およびフェンス機能の調節機構の解明

タイト結合分子であるoccludinの発現により上皮極性の指標である微絨毛の形成が促進される。この変化は微絨毛関連分子(ezrin、radixin、moesin、EBP-50)の発現量ではなくリン酸化を制御することにより、分子の局在を変化させることによる変化であった。また、occludinのC末側の細胞質ドメインのみを導入した場合でも同様の変化が見られることから、上皮における微絨毛形成にはoccludinのC末側の細胞質ドメインを介した微絨毛関連分子のリン酸化が関与していると考えられた。Occludin欠損マウス肝細胞株にoccludinを一過性に過剰発現させると、走査電子顕微鏡による観察上、微絨毛の発現している細胞数、微絨毛の数および長さの増加が認められた。以上より、occludinは微絨毛関連分子のリン酸化を制御することにより、その局在を変化させることで微絨毛形成に関与している可能性があると考えられた。Occludinの発現による微絨毛形成の変化をoccludin欠損マウス肝細胞株と野生型マウス肝細胞株の比較検討した結果、occludinは微絨毛関連分子(ezrin、radixin、moesin、EBP-50)の発現量ではなくリン酸化を制御することにより、その局在を変化させることで微絨毛形成に関与している可能性があると考えられた。このリン酸化にかかわる領域を特定する目的で、野生型occludin発現ベクターとともに、occludinの機能を実行する上で必須の領域と推定されるC末側の細胞質ドメインを様々な程度に欠いた欠損型occludin発現ベクターを導入した細胞株を用い、occludinにおける微絨毛形成にかかわる責任領域の同定を試みた。走査電子顕微鏡による観察上、本来微絨毛形成の弱いマウス悪性黒色腫細胞株に、C末側の細胞質ドメインを様々な程度に欠いた欠損型occludin発現ベクターを導入しても微絨毛の形成は変化しないが、C末側の細胞質ドメインのみを導入した場合、野生型occludin発現ベクターと同様に微絨毛の形成が増加した。このとき微絨毛関連分子の発現量に変化はなく、C末側の細胞質ドメインのみを導入した場合、リン酸化の増加傾向が見られた。以上から、上皮における微絨毛形成にはoccludinのC末側の細胞質ドメインを介した微絨毛関連分子のリン酸化が関与していると考えられた。
細胞内共生細菌ボルバキアのオルガネラコミュニケーション

ボルバキアは、節足動物や線虫類の細胞内に共生する細菌だが、安定的に宿主細胞内に共生する分子メカニズムは分かっていない。本研究では、ボルバキアのゲノムにコードされている機能未知な推定タンパク質が共生に関係している可能性が高いボルバキアに特異的な遺伝子を、全ゲノム配列が決定しているボルバキア5種のゲノムに対する生物情報学的解析からを同定WOP1(Wolbachia hypothetical protein 1)、WOP2、WOP3し、その遺伝子の発現を実験的解析により明らかにした。ウォルバキアは、昆虫などの節足動物や線虫類の細胞内に共生するαープロテオバクテリアに属する細菌で、宿主の生殖や発育に大きな影響をおよぼす。しかし、ウォルバキアがどのようにして安定的に宿主細胞内に共生しているのか、その分子メカニズムは分かっていない。全ゲノム配列が決定しているウォルバキア5種それぞれの推定タンパク質群のアミノ酸配列データをKEGGデータベースから得た。5種のアミノ酸配列データを全ての組み合わせにおいてBLAST検索を行いidentityが90%以上の配列を選別した結果、4種のウォルバキアのゲノムに共通して保存されている3つの推定タンパク質を特定した。それら3つの推定タンパク質の一次構造からハイドロパシー分析を行ったところ、疎水性領域は少なく、いずれも可溶性のタンパク質である可能性が高いことが分かった。次に、カイコ卵巣由来のBmN4細胞と、ヒメトビウンカを宿主とするウォルバキアに感染したaff3細胞を用いて、培養と継代を行った。まず、ウォルバキアに感染したaff3細胞からBmN4細胞へのウォルバキアの感染を試みた。次に、今回特定した3つの推定タンパク質がウォルバキアのゲノムにコードされていることを検証するために、それぞれ遺伝子に対するプライマーを設計しPCRを行った。その結果、どの遺伝子においても目的のPCR生成物が検出されたため、3つの推定タンパク質がゲノムにコードされていることが確認できた。今回特定した3つの推定タンパク質が細胞内で発現していれば、それらがウォルバキアの共生の分子機構に関係している可能性は高いと考えられる。また、先の報告をもとにウォルバキアをマウス培養細胞に作用させたところ、本来、接着細胞であるマウスの細胞の接着性が大きく低下し、培養細胞の形態に変化を与えたが、マウス細胞にウォルバキアが感染しているかは確定できていない。はじめに、全ゲノム配列が決定しているウォルバキア4種それぞれの推定タンパク質群のアミノ酸配列データをKEGGデータベースから得た。4種のアミノ酸配列データを全ての組み合わせにおいてBLAST検索を行いidentityが90%以上の配列を選別した結果、4種のウォルバキアのゲノムに共通して保存されている3つの推定タンパク質を特定した。BmN4細胞にウォルバキアが感染していることを検証するために、ウォルバキアの16S rRNAとftsZ遺伝子に対するPCRと顕微鏡による細胞観察を行い、ウォルバキアの感染を確認した。更に、今回特定した3つの推定タンパク質がウォルバキアのゲノムにコードされていることを検証するために、それぞれの遺伝子に対するプライマーを設計しPCRを行った。ウォルバキアは昆虫や線虫類の細胞内に共生し、主に宿主の生殖に影響を与える細菌の一属であり、卵細胞を通じて垂直伝播し、宿主の雌雄などを制御している。本研究では『異物である細菌がなぜ安定的に真核細胞内に共生できるのか?』を主目的として、ウォルバキアと核などのオルガネラ間での情報伝達や物質輸送を解明する。ウォルバキアが安定に感染した培養細胞系を構築し、ウォルバキアの増殖・形態を観察する。また、ウォルバキアに特異的な遺伝子を同定することを目的とした。ウォルバキア感染細胞と昆虫細胞は農業生物資源研究所の野田博士より譲渡してもらった。感染細胞を維持したところ、10日程度で細胞同士が凝集した。30日後には細胞の形態は大きく変形し、顕微鏡下で光学密度の高い物体や結晶体のような構造物を観察した。

ウォルバキアゲノムのバイオインフォマティクス解析では、ウォルバキアに高く保存された3種類の遺伝子をゲノムの網羅的なBLAST解析から同定できた。これらの遺伝子を前ゲノム遺伝子との相同性解析を行ったところ、他の生物種に高く保存された遺伝子は検出されないため、ウォルバキアの機能に重要な役割を果たしていることが考えられる。(1)細胞内ウォルバキアとオルガネラの形態蛍光顕微鏡、透過型電子顕微鏡を用いて、ウォルバキア感染細胞と非感染細胞の細胞内形態の詳細な観察を行う。特にウォルバキアの細胞内での分布や各オルガネラとの相互作用を注意深く観察する。(2)マイクロアレイ解析ウォルバキア感染細胞と非感染のコントロール細胞からmRNAを抽出し、sf9細胞遺伝子のマイクロアレイ解析を行う。マイクロアレイ解析は本研究機関では行い得ないため、抽出したmRNAを外部に委託解析する。マイクロアレイの結果は本学部が得意とする情報学を利用して解析し、ウォルバキア感染細胞で発現変化の大きかった遺伝子をクラスター解析により、分類し、代謝系や細胞周期などとの関係を明らかにする。(3)温度感受性細胞株の解析ボルバキアにルシフェラーゼをレポーター遺伝子として組み入れたプラスミドで形質転換を行い、このウォルバキアを動物細胞に感染させる。この細胞に変異剤処理を行い、限外希釈法で単一細胞由来の株化を行う。この細胞の発光反応シグナルを25°Cと37°Cで観察し、温度感受性細胞をスクリーニングする。このような表現形を示すには、宿主昆虫細胞、共生ボルバキアの2つゲノムでの変異に起因すると考えられる。得られた温度感受性変異細胞の性質を形態観察と上述の研究方法で明らかにする。興味深い表現形の細胞をコレクションし選別する。研究費の使途は大きく以下の通りを予定している。物品費:試薬、血清、ガラス・プラスチィック器具旅費:研究成果発表(学会発表)人件費:研究補助員(パート)の雇用費前年度と研究費の規模はほぼ同じで、大学院生、研究補助員を含めた研究組織規模は大きく異ならない。このため、上記の研究推進にあたっての研究費の使用は前年度とほぼ同じと計画している。
カルシウム結合部位を導入した変異リゾチームの巻戻し活性中間体の捕捉とその構造決定

ヒトalpha-ラクトアルブミンのCa^<2+>結合配列を導入した変異ニワトリリゾチーム内のSS結合を還元し、Ca^<2+>存在下、弱アルカリ性条件で、再酸化(巻き戻し)を行った。巻き戻し5分後の溶液を直ちに、弱酸性条件下で、カチオン交換樹脂を接続したHPLCにて解析した時、保持された2つのピークが現れた。遅れて溶出するピーク(II)は、還元前の変異体と同一の保持時間を持っていた。一方、早く溶出するピーク(I)は、活性が十分に回復する30分後及びCa^<2+>非存在下での巻き戻し5分後には観察されなかったので、ピークIは、Ca^<2+>が結合することで構造が保持されている巻き戻り中間体に由来するものであることが強く示唆された。この中間体の構造を決めるために、ピークIを分取した後、分取した一部を同条件で解析したところ、保持されたピークは全く現れなかった。このことは、この中間体の構造が分取中に壊れていることを示唆していた。この条件下で、予想される化学反応はSH-SS交換反応なので、SH基と速やかに反応するICH_2cONH_2を巻き戻し5分後の溶液に加え反応を止め、反応液を上述の条件で解析したところ、ピークIIのみが現れた。即ち、巻き戻し中間体はICH_2cONH_2との反応中、もしくは、反応したことによってその構造が崩れたことが予想された。以上述べたように、Ca^<2+>存在下で構造を保持している巻き戻し中間体を捕捉することができた。しかし、その構造は速やかに変化することから、現段階では構造を決定することは困難であることがわかった。この構造変化には、分子内SH-SS結合の組み替えが関与していると予想される。そこで、この変異体の4つのSS結合のうち、近接している2つのSS結合の内1組のシスチンをそれぞれアラニンにアミノ酸変異したリゾチームを調製した。この変異体が巻き戻し過程で中間体を持つかどうか現在解析している。
地球環境科学における数理モデルと実データを用いた体系的な応用数学課程の構築

地球環境科学は現在多方面から関心が持たれている。その中でも二酸化炭素の増加とそれにともなう地球温暖化はグローバルな課題である。しかし、科学的な議論としてその因果関係を量的に表現し調べることは普及していない。私たちは科学教育、応用数学教育として地球環境科学を取り入れることを試みてきた。この3年間の研究の中で(1)二酸化炭素の循環を、システムダイナミックソフト「iThink」を用いてモデル化した。これは、IPCCで採用されている数値を利用することにより作成できた。このモデルは小さなコンピュータで動くもので、パラメータの変更がきわめて容易であること、全体の関連が視覚的に分かりやすいことがその大きな特徴となっている。炭素の各貯蔵庫とその間の年間の移動量、移動率を定量的に表したBoxモデルを採用し、1年ごとの変動をシミュレートしていくことができる。(2)現在の温暖化予想では、計算手法としてスペクトル法などが用いられている。実際は高速フーリエ変換が行われている。私たちは、離散フーリエ変換をもっと活用する必要があると考えて、声の分析をグラフ電卓を用いて行う教材を開発した。この成果はICME10(2004)において行った。また、文部科学省「サイエンス・パートナープログラム」として、高校教員研修講座(2004年8月東京都、12月福井県)で講習なども行った。(3)地球温暖化に関連する諸科学の中からの教材選定作業は、CLimate System Modeling (Kevin E. Trenberthe、1992)の分析を中心に行ってきた。(1)のモデルはこの成果の反映である。全体としてはまだ十分な分析の量と質になっていない。範囲を限定して二酸化炭素の循環、生物圏の挙動について主に取り上げてきた。本年度は地球温暖化に関する文献調査と簡単なモデル作り、関連するプログラムの開発を目標として研究を進めてきた。1.温暖化等に関する文献調査2.数学的手法の分析3次元シミュレーションは大気大循環モデルをもとに各格子点での物理量を時間ステップ毎に計算していくものである。その際最も重要な物理量は熱量、気圧等である。一方二酸化炭素の濃度は年間変化が中心であって、大気中では数日で拡散しほぼ一様であると仮定できる。ところが海洋での二酸化炭素は拡散速度も遅く、炭酸塩としての沈澱などその移動様式が複雑である。この部分の数理モデルはいくつか提案されている。我々が注目したHILDAモデルは、二酸化炭素の貯蔵庫をいくつかに分けるもので興味深いものであった。この区分は、海洋は低緯度混合層とその下の深海34層、高緯度表層とその下1層に分け、更に大気、土壌、樹木、腐葉土、人工的な排出源をとり、それらの間の移動を単純な関係で表している。また、計算手法は各Box間の単年度移動を表した行列を対角化し、行列の累乗をしているものであった。3.簡単なモデルとプログラム作りこれらの調査と分析をもとにStellaを用いて次のプログラムを作成した。(1)Boxモデルを用いた二酸化炭素の大気-海洋にわたる循環モデル、(2)Boxモデルを用いた二酸化炭素の温室効果を取り入れた気候温暖化のモデル。今年度は地球温暖化に関する公開されたJavaで書かれたプログラムと文献の調査を行い,簡単なモデル作り、関連するプログラムの開発を目標として研究を進めてきた.1.温暖化等に関するプログラムと文献の調査この分野の科学的で総合的な解説書である「Climate System Modeling」をもとに、二酸化炭素の循環・移動と気候変動にかかわる部分を分析した。また、IPCCの提起するTARと略称されるシナリオを元にした気候変動モデル、「Choose Climate Model」について、その二酸化炭素の循環部分を分析した。このプログラムはJavaで書かれているもので根拠のしっかりしたプログラムである.