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電気比抵抗調査を用いた埋込み杭の杭周固定液の施工品質管理に関する研究

本研究中にも、国内マンションが傾くなどプレボーリング工法の埋込み杭の施工上の品質不良を原因とする社会的問題が生じた。地盤リスクのある杭の施工では、地中の視えないリスクへの十分な配慮が重要であり、今後も信頼できる品質確保が益々求められる。本研究では、施工不良の早期の顕在化を図るため、杭工事早期のセメントソイルの電気比抵抗値から28日後の圧縮強度を以下で推定した。塩化カリウム溶液を介さず、電極を直接挿入した、より正確な電気比抵抗計測を用いた。混入する土砂の種類で若材齢時の電気比抵抗値に一定の傾向があり、最初と数日後の電気比抵抗値と3日後の圧縮強度からの推定が最も高い精度となった。本研究は、プレボーリング工法の埋込み杭の杭周固定液の施工品質管理において、電気比抵抗調査により、施工時の電気比抵抗値から材齢28日の圧縮強度を評価する方法を明らかにすることを目的としている。近年、土木構造物では、施工管理時に杭周固定液の未固化試料による強度確認がなされている。建築構造物においては、その様な施工管理手法が活用されていないのが現実である。その理由の一つに、杭周固定液に長期的な強度を期待する建築構造物が極めて少ないことが挙げられる。しかし、現実には、基礎梁の無い長期的な杭せん断力の生じる建築構造物なども多く存在することから、本研究での杭周固定液の施工品質管理に関する研究が、今後の杭周固定液の施工時の強度性能確保に努めるべき管理手法の開発に寄与することを期待する。現在の埋込み杭の杭周固定液の施工品質管理では、施工現場のセメントミルクプラントの試料から採取した杭周固定液の材齢28日の圧縮強度の管理を中心に行ってきた。そのため、泥水との混ざり具合の配慮、強度試験の手間および強度不足時の手戻り手直しの労力など多大となる。本研究は、施工現場での打設直後の杭周固定液の電気比抵抗調査値により、材齢28日の圧縮強度を評価するところに特徴があり、材齢28日の圧縮強度の評価が可能になれば、電気比抵抗調査でのICT技術を用いた土の中の視える化施工を実現し、より迅速な有効な施工管理手法となる。本年度は、室内実験にて市販の4電極の電気伝導率セルにて、埋込み杭の杭周固定液の材齢によって電気比抵抗値に及ぼす影響と圧縮強度に与える影響を明らかにした。杭周固定液の配合の中で、代表的なW/Cや単位セメント量等と土質(砂、粘性土等)の混入量をパラメータとした供試体において、電気比抵抗測定時の電極溶液条件を変えて、材齢(x)と材齢(x)時の電気比抵抗値ρ(x)の関係、材齢(x)と材齢(x)時の圧縮強度qu(x)の関係を把握した。平成27年度は、平成26年度実施の室内試験と平成27年度実施した施工現場試験から、以下の内容を明らかにした。室内試験では、セメントミルクと砂質土混入のセメントミルクの電気比抵抗測定方法の確立と電気比抵抗と圧縮強度の推定式の提案を行った。比抵抗測定方法CASE13の比較では、CASE1の供試体中央に電極を直接貫入させる測定方法が、最も評価に適していた。CASE2,CASE3に比較して、水セメント比の違いによる圧縮強度の差異が比抵抗に顕著に示され、材齢に伴う比抵抗探子とセメントミルクの接触部の空隙などの問題のないことを明らかにした。室内試験の材齢01日の電気比抵抗の動向は、一旦低下し、それ以降上昇し、その上昇起点時期は水セメント比の大きい程起点時間が遅れる傾向がみられる。杭周固定液の水セメント比が大きいため、電気比抵抗の変化は微小であり、ばらつきも大きく信頼性が低いため、材齢01日の電気比抵抗の動向の推定式への展開は行わなかった。そのため、電気比抵抗と圧縮強度の推定式の提案では、材齢1日の比抵抗ρ(1)、材齢3日の圧縮強度qu(3)の実測値を用いた材齢28日強度qu(28)の推定式を提案した。施工現場試験では、万能採水器を用いて深さ毎の杭周固定液未固化試料の採取と、30mコードセル電気比抵抗ポータブル測定器による施工モニタリングを実施した。材齢01日の電気比抵抗の定性的評価としては、室内試験と同様に、一旦低下し、それ以降上昇した。その上昇起点時期も室内試験と同様であった。室内試験での砂質土での検証結果を踏まえ砂層を主体とする地盤での試験を行った。本来、平成28年度に行う計画であった計測実験も同時に行い、施工モニタリングにより、電気比抵抗調査によるICT技術を用いた土の中の視える化施工を実現し、より迅速で有効な施工管理手法の可能性を明らかにした。平成26年度の室内試験は、普通ポルトランドセメントでW/C60,80,100%。測定容器はφ50×100mmの圧縮型枠ヒットワン。測定方法は、以下の3種類。CASE1:材齢028日で供試体中央に直接電極を直接貫入測定。CASE2:材齢06時間はCASE1と同様。材齢1日28日で供試体中央に直径12mmの開孔に、0.1規定濃度のKCl溶液を注入してを測定。(既往の研究の手法)CASE3:材齢06時間はCASE1と同様。

材齢1日28日で供試体中央に直径12mmの孔に、初期のセメントミルクと等しい電気比抵抗を有する濃度のKCl溶液を注入して供試体を測定。更に、砂質地盤における打設後のセメントミルクを想定した室内試験。普通ポルトランドセメントで、W/C=60.100%。泥水は、珪砂7号を使用し水と混合して比重1.5g/cm3を目標に作成。測定容器、試験方法CASE1CASE3も前述同様。各々実験で、水とセメントミルクの比抵抗、材齢028日の比抵抗、材齢3日7日28日の圧縮強度の関係を明らかにした。セメントミルクの材齢01日の電気比抵抗の定性的な評価としては、一旦低下し、それ以降上昇し、その上昇起点時期はW/Cの大きい程起点時間が遅れる傾向がみられた。平成27年度は、昨年度の室内試験結果から、セメントミルクと砂質土混入のセメントミルクの室内試験における電気比抵抗測定方法の確立と電気比抵抗と圧縮強度の推定式の提案を行った。平成27年度実施施工現場試験では、万能採水器を用いて深さ毎の杭周固定液未固化試料の採取と、30mコードセル電気比抵抗ポータブル測定器による施工モニタリングを実施した。本来、28年度に行う計画であった計測実験も同時に行い、施工モニタリングにより、電気比抵抗調査によるICT技術を用いた土の中の視える化施工を実現し、有効な施工管理手法の可能性を明らかにした。これまで、電気比抵抗の測定方法において、若材齢の電気比抵抗値による28日一軸圧縮強度の評価に対しては、直接に電極をセメントミルクに挿入する方法が、より有効に評価できることを明らかにした。評価においては、一つに、埋込み杭工法で用いられる配合のセメントミルクにおける若材齢の電気比抵抗値と一軸圧縮強度による材齢28日一軸圧縮強度の評価式を作成した。更に、実際に杭周固定液で用いられる配合でのセメントミルクと土砂の混入する泥水を所定の割合で配合したソイルセメントにおける若材齢の電気比抵抗値と一軸圧縮強度による材齢28日一軸圧縮強度の評価式を作成した。本年度は、これらの2つの評価式を同一の形式の評価式にまとめ、今後の異なる配合のセメントミルクや、土砂の混入した泥水にも展開の可能性のある評価式とした。これまでは、室内試験による実験が主であったが、今後の現場試験での現場モニタリングを可能とするため、挿入ロッド状の電気比抵抗測定器を作成し、これまで室内試験で活用したポータブル電気比抵抗計と同等の性能が確保できることを確認した。これにより、現場養生中の電気比抵抗のモニタリングが可能となり、更には、深さ方向の多くのポイントでの測定が可能となった。以上の成果は、The 6th International Conference on Geotechnique、日本材料学会第12回地盤改良シンポジウム、第52回地盤工学研究発表会(名古屋)、2017年度日本建築学会大会(中国)学術講演会にて発表を行った。(地盤工学会と日本建築学会は予定決定)本研究中にも、国内マンションが傾くなどプレボーリング工法の埋込み杭の施工上の品質不良を原因とする社会的問題が生じた。地盤リスクのある杭の施工では、地中の視えないリスクへの十分な配慮が重要であり、今後も信頼できる品質確保が益々求められる。本研究では、施工不良の早期の顕在化を図るため、杭工事早期のセメントソイルの電気比抵抗値から28日後の圧縮強度を以下で推定した。塩化カリウム溶液を介さず、電極を直接挿入した、より正確な電気比抵抗計測を用いた。混入する土砂の種類で若材齢時の電気比抵抗値に一定の傾向があり、最初と数日後の電気比抵抗値と3日後の圧縮強度からの推定が最も高い精度となった。
大規模がんゲノム変異データマイニングのための統計的手法の開発

がんの後天的変異データの集合から、特徴的なパターンを抽出する新たな統計的手法、pmsignatureを開発した(Shiraishi et al., PLoS Genetics, 2015)。この方法論は、「条件付き独立性を仮定したモデリングにより、変異パターンの因子数を増やしても首尾よく推定が可能である」、「提機械学習分野で文書分類に利用されるトピックモデルと類似したモデルとなっている」といった特徴を備えている。さらに、本手法を用いて、スプライシング異常を引き起こす変異において特徴的なパターンを見出した(Shiraishi et al., Biorxiv, 2017)。これまでに、がんにおける変異には、がん種ごとに特徴的なパターンが見られることが知られていた(喫煙歴のある肺がんにおけるC>Aの変異、皮膚がんにおけるC>T, CC>TTの変異)。近年のシークエンス技術の発達により、がんゲノムから得られる膨大な変異データを収集することが可能になり、変異のパターンをマイニングにより、がんの原因を探ることや、新しい発がん物質の発見につながることが期待されている。これまでに、申請者はがんゲノムシークエンス解析から得られる変異データから、特徴的なパターンを抽出するための新たな情報学的・統計学的手法を開発していたが、本年度は、特にそれを実装したソフトウェア、pmsignatureの開発に従事した(https:/github.com/friend1ws/pmsignature)。さらに、多くのユーザーが円滑な利用を促進するために、Rプログラムをもとに、比較的簡単にウェブアプリケーションを開発するためのプラットフォームである、Shiny(http://shiny.rstudio.com)を利用して、ウェブアプリケーションの開発を行い公開した(https://friend1ws.shinyapps.io/pmsignature_shiny/)。さらに、提案手法と、大量のがんゲノムデータへの適用を通じて得られた新規生物学的知見をまとめ、国際学術誌PLoS Geneticsに成果を発表した。今後、点変異だけではなく、挿入・欠失、2塩基置換変異、構造変異など様々な変異を統計モデルに組み込んだ手法の開発を進めることが必要になるが、その準備として、現在は構造変異を感度よく正確に検出する新たな方法論であるGenomonSV(https://github.com/Genomon-Project/GenomonSV)を開発、評価中である。まず、良かった点としては、提案手法をまとめた成果を無事国際学術誌において発表できたことである。この際に、レビュアーから高い評価を頂くことができ、スムーズに採択された。さらに、開発した手法も世界中から多く問い合わせが来ており、定期的にアクセスがあり、多くの研究者が興味を持っていることがわかる。また、構造変異を同定する新たな方法論、ソフトウェアの開発も順調に進展している。改善点としては、次年度は、pmsignatureにおけるパラメータの最適化手法の改善に着手する予定であったが、文献調査、簡単な予備実験はしたものの、まだはっきりとした結果は出ておらず、今年度の課題としたい。DNAシークエンスとRNAシークエンスデータを統合的に扱い、スプライシング異常を引き起こすゲノム変異を網羅的に抽出する新規統計手法、SAVNet(https://github.com/friend1ws/SAVNet)の開発を行った。さらに、開発した手法をTCGAの約9000検体のエキソーム、RNAシークエンスデータに適用し、スプライシング異常を引き起こすゲノム変異の全体像を明らかにした。また、スプライシング異常を引き起こす変異について、前年度までに開発したpmsignatureを利用した変異パターンのマイニングを行い、スプライシング異常を引き起こす変異に特徴的な変異パターンを明らかにした。これらの研究成果は、現在論文投稿準備中である。これまでの変異パターンのマイニングは、1塩基置換の情報のみを利用することが一般的であった。一方で、喫煙歴のある肺がんにおいてはCC>AA,皮膚がんにおいてはCC>TTの2塩基置換が頻繁に生じていることが知られており、1塩基置換以外の変異の情報を統合的に利用することで、より精度の高い変異パターンマイニングが可能になることが期待されていた。しかし、1塩基置換以外の複雑な形式の変異の同定のための方法論は、まだ成熟しておらず、これらを正確に同定する方法論の開発が急務であった。そこで、シークエンスデータから二塩基置換を網羅的に検出する方法論・ソフトウェア(https://github.com/friend1ws/GenomonComplexMutation)の開発を行った。さらに、開発した手法をTCGAのエキソームのデータに適用することで、2塩基置換についての変異パターンの全体像について理解を深めた。「スプライシング異常を引き起こす変異」という重要な変異のクラスについて、前年度までに開発したpmsignatureを首尾よく活用することで、これまでにはわからなかった知見を得ることができた。さらに、2塩基置換などの複雑な変異を正確に同定する方法論を開発することができた。がんゲノムデータの解析コホートの解析結果のQuality Control、検体ごとの構造変異のプロファイル、変異データのサマリー、変異シグナチャーの解析結果などを可視化し、インタラクティブなHTMLレポート形式で生成するソフトウェア、paplot (https://github.com/Genomon-Project/paplot)の開発を行い、国際学術誌、Journal of Open Source Softwareに採録された。サンプル調整の段階でDNAライブラリが酸化し、C>Aのアーティファクトの変異が生じてしまう現象が知られているが、そちらについてTCGAからダウンロードした約9,000検体のエキソームシークエンスデータの解析を通じて、変異のパターンマイニングを行い、変異パターンをがん種横断的に調査した。

また、その結果から、C>Aのアーティファクトを除去する方法論の開発を行い、性能を評価した。前年度より続けている、新規統計手法(SAVNet, https://github.com/friend1ws/SAVNet)を利用し、TCGAの約9,000検体のエキソーム、RNAシークエンスデータを用いて、スプライシング異常を引き起こすゲノム変異カタログを収集・二次解析するプロジェクトにおいて、変異のパターンマイニングの解析結果などをまとめ、プリプリントサーバーにアップロードし(https://www.biorxiv.org/content/early/2017/09/28/162560)、また国際学術誌に投稿した。さらに、SAVNetについては、ソフトウェアとしての体裁を整え、Webドキュメント(http://savnet.readthedocs.io/en/latest/)などの整備も行った。がんの後天的変異データの集合から、特徴的なパターンを抽出する新たな統計的手法、pmsignatureを開発した(Shiraishi et al., PLoS Genetics, 2015)。この方法論は、「条件付き独立性を仮定したモデリングにより、変異パターンの因子数を増やしても首尾よく推定が可能である」、「提機械学習分野で文書分類に利用されるトピックモデルと類似したモデルとなっている」といった特徴を備えている。さらに、本手法を用いて、スプライシング異常を引き起こす変異において特徴的なパターンを見出した(Shiraishi et al., Biorxiv, 2017)。次年度はまず、現在開発中のゲノム構造変異を高感度かつ正確に検出する新たな方法論、GenomonSVの改良、評価を行う。ここでは特に実験設備を有する生物学系の研究者との共同研究により、検出した変異の正当性の検証にも力を入れる。さらに、検出した構造変異において、結合部における配列のパターン、繰り返し配列の有無、種々のゲノム機能情報などに、どのようなパターンが見られるか?についての検証を行う。ここで得られた観察に基づいて、構造変異のパターン分類をする方法論の開発も目指す。また、今年度に十分に従事できなかった、最適化手法の改善についても取り組む予定である。次年度は、全ゲノムシークエンスデータなどの解析を通じ、また、臨床情報などを統合的に用いて、2塩基置換の変異パターンのより詳細な解析に従事する。さらにがんゲノムについて精通した生物学者と協調することで、得られた変異パターンの生物学的、臨床的な意義を見いだすことを試みる。さらに、挿入・欠失、2塩基置換、構造変異など様々な複雑な形式の変異を統計モデルに組み込んだ手法の開発を進めたい。
遺伝的プログラミングにおける効果的な木構造探索法の研究

1EDAとPORTSを融合した新しいアルゴリズムとして、親個体から部分的に構造を切り出す「増殖」操作と切り出した部分構造を結合する「転移」操作を交互に繰り返すことで、新たな木構造を合成する「部分サンプリング(Partial Sampling: PS)」の有効性を検証した。提案した部分サンプリングは、幅広いサイズの木構造を探索することができ、GPにおけるブロートを抑制した。2従来の「良さ」の指標に加え、「木構造サイズ」および個体集団内での「平均木構造間距離(Structural Distance)」を新たな目的関数に加えた多目的(3目的)最適化の手法の有効性を検証した。検証には2重らせん状に配置された点群のクラス分けを行う関数をGPにより生成する2重らせん問題を用いた。メイティング・オペレータとして部分サンプリングを装備した3目的最適化手法により、ブロートを抑制しつつ、高い多様性を有する解が得られることを確認した。3非支配ソーティングに基づく多目的(3目的)最適化を行なった。このとき混雑距離の代わりに木構造間距離を用いることによって、多様な木構造を探索することが可能となった。4これらの成果を5件の国際学会(査読付き)にて発表し、1件の国際学会誌(査読付き)に掲載された。●EDAの考え方とPORTSを融合した新しい探索オペレータとして、親個体から部分的に構造を切り出す「増殖」操作と切り出した部分構造を結合する「転移」操作を交互に繰り返すことで、新たな木構造を合成する「部分サンプリング(Partial Sampling: PS)」の手法を提案した。提案した部分サンプリングは、幅広いサイズの木構造を探索することができ、GPにおけるブロートを抑制できることを確認した。●従来の「良さ」の指標に加え、「木構造サイズ」および個体集団内での「平均木構造間距離(Structural Distance)」を新たな目的関数に加えた多目的(3目的)最適化の手法の有効性を検証した。●最適化アルゴリズムとして、混雑距離の代わりに木構造間距離を用いた非支配ソーティングに基づく多目的(3目的)最適化を行うことにより、多様な木構造を探索することが可能となった。●これらの研究成果をまとめ、1件の学会誌(査読付き)での掲載および5件の国際学会発表(査読付き)を行った。●昨年度は、木構造の最適化に対して非支配ソーティングによる多目的最適化を重点的に行った。今年度は支配関係に基づいた選択戦略をもつSPEA2をベースとした手法を木構造最適化に適用する手法を重点的に検討する。この時、SPEA2の強度(strength)の計算に、木構造間距離の概念を導入することにより、木構造最適化の性能向上を目指す。●昨年度は木構造をリストにより表現していたが、これでは計算コストが大きくなることが明らかとなった。そこで今年度は、木構造をストリングで表現する手法を模索する。ストリングで表現された木構造に対する交叉、突然変異などのオペレータに加え、部分サンプリングの手法を確立する。これにより、大幅な計算量の削減と効果的な探索が期待できる。1EDAとPORTSを融合した新しいアルゴリズムとして、親個体から部分的に構造を切り出す「増殖」操作と切り出した部分構造を結合する「転移」操作を交互に繰り返すことで、新たな木構造を合成する「部分サンプリング(Partial Sampling: PS)」を提案した。これにより、従来、GPでの大きな問題であったブロートを大幅に抑制するとともに、幅広いサイズの木構造を探索することが可能となった。2従来のGPのように木構造の「良さ」の指標のみに基づいて最適化を行うのではなく、より効果的な最適化を達成するために、従来の「良さ」の指標に加え、「木構造サイズ」および個体集団内での「平均木構造間距離」を新たな目的関数に加えた多目的最適化の手法を提案した。これにより従来の「良さ」の指標に基づいた1目的最適化よりも格段に優れた多様な木構造集合を獲得することができた。3多目的最適化の枠組みとしてNSGA-IIに注目したが、従来のNSGA-IIでは親個体集合から溢れたフロント集合に対して混雑距離(CD)に基づくランキングが行われているが、このランキングに木構造間距離(Structural Distance: SD)を用いることによって、多様な木構造を持つ個体が選択され、解の多様性が充実した。ここでは上述1の部分サンプリングをNSGA-IIのmatingにおいて、交叉・突然変異の代わりに用いる。4これらの手法を2重らせん問題に適用し、その有効性を確認した。従来のNSGA-IIによるGPに比べて、SD及びPSを組み込んだNSGA-IIを用いた場合に、より良好で多様な木構造集合が獲得できた。5H31年度・H32年度に予定していた「大規模ホームセンターにおける短時間労働者勤務表作成問題」について検討を行い、成果を国際学会で報告した。現在、これらの成果をまとめた論文を国際学会に提出している。●研究の当初に提案した、EDAとPORTSを融合したアルゴリズムでは、計算コストが低減できず、また探索効率も良くなかった。この手法では、部分木構造の出現確率を保存するための変数が膨大になり、さらにそれら出現確率を参照するために計算コストを要することが判明した。

そこで、上述のように「増殖」と「転移」を繰り返しながら新たな木構造を構築する「部分サンプリング」の手法を検討・コーディングするために時間を要した。●前述の理由によりEDAの考え方を多分に含んだアルゴリズムでは多大な計算コストを要するため変異オペレータにのみ頼ってGPの性能向上を図るのではなく、NSGA-IIの最適化枠組みを取り入れた多目的最適化の手法を取り入れることにより性能向上を目指す方向に転換したため、検討・コーディング等に時間を要した。●研究計画で予定していたベンチマーク問題としてRoyalTreeやSymblic Regressionなどの問題は、比較的容易であったため、手法間の優劣が付けにくかった。これに対し、上述の2重らせん問題はニューラルネットワークでも解くことが難しく、関数合成問題として他の応用の可能性も多い。このような評価手法に関する検討・コーディングに時間を要した。●2017年度当初に、企業との共同研究(2分木を会員管理に応用しようとするもの)の交渉が立ち起こった。この共同研究の内容は本研究課題での応用例として利用可能と考えられる。しかし先方企業の都合により当該共同研究は実施されなかった。このための企画・交渉などに時間を要した。1EDAとPORTSを融合した新しいアルゴリズムとして、親個体から部分的に構造を切り出す「増殖」操作と切り出した部分構造を結合する「転移」操作を交互に繰り返すことで、新たな木構造を合成する「部分サンプリング(Partial Sampling: PS)」の有効性を検証した。提案した部分サンプリングは、幅広いサイズの木構造を探索することができ、GPにおけるブロートを抑制した。2従来の「良さ」の指標に加え、「木構造サイズ」および個体集団内での「平均木構造間距離(Structural Distance)」を新たな目的関数に加えた多目的(3目的)最適化の手法の有効性を検証した。検証には2重らせん状に配置された点群のクラス分けを行う関数をGPにより生成する2重らせん問題を用いた。メイティング・オペレータとして部分サンプリングを装備した3目的最適化手法により、ブロートを抑制しつつ、高い多様性を有する解が得られることを確認した。3非支配ソーティングに基づく多目的(3目的)最適化を行なった。このとき混雑距離の代わりに木構造間距離を用いることによって、多様な木構造を探索することが可能となった。4これらの成果を5件の国際学会(査読付き)にて発表し、1件の国際学会誌(査読付き)に掲載された。●EDAの考え方とPORTSを融合した新しい探索オペレータとして、親個体から部分的に構造を切り出す「増殖」操作と切り出した部分構造を結合する「転移」操作を交互に繰り返すことで、新たな木構造を合成する「部分サンプリング(Partial Sampling: PS)」の手法を提案した。提案した部分サンプリングは、幅広いサイズの木構造を探索することができ、GPにおけるブロートを抑制できることを確認した。
スギ・ヒノキは広葉樹より根が浅いか?

比較的若齢の造林地か豪雨等で崩壊すると、広葉樹に較べてヒノキやスギが浅根を示すことがその原因であるといわれることが多い。このことを再検討するために、岐阜県の岐阜大学農学部附属演習林において、48年生のヒノキ造林地でヒノキ主林木とそこに侵入したミズナラの根重の垂直分布を比較した。2本の試料木を選んで、地上部に関する調査を行った後に、深さ60cmまでに存在する根をトレンチ法により採取した。深さあたりの根重密度の垂直分布パターンを求めたところ、指数分布にしたがう減少パターンを示した。2本の試料木間で、深さ方向の根重密度の減少率に有意差は認められなかった。回帰式を積分して個体根重の垂直分布を計算した。地表から30cmまでの深さに含まれる根重の割合は、ミズナラ試料木で89%、ヒノキ試料木で94%となり、試料木間で根の垂直分布に極端な違いは認められなかった。また、傾斜地で、ヒノキ試料木は根を谷側に多く配置していたのに対して、ミズナラ試料木は山側に多く配置するという、根の水平分布上の違いがみられた。また、数種類の樹種の根量は、パイプモデルにしたがうことが確認された。さらに、一般に相対成長関係には樹種差が生じるが、相対成長関係式の作成に用いる変数を吟味することで、樹種差のない統一的な相対成長関係式の構築の可能性があることがわかった。これらの知見から、生物学的な根拠を元に、根の深さについて議論することができる。調査地は、岐阜県益田郡萩原町にある岐阜大学附属演習林とし、傾斜20°である斜面上の人工林とした。調査木は、ヒノキ・カラマツなどの周辺木から孤立しているミズナラ(樹齢32年、樹高8.26m、胸高直径12.8cm)とし、調査木の根元から3方向の斜面位置(斜面上部、斜面側部、斜面下部)にトレンチ(100cm×20cm×60cm)を設定した。トレンチ内の根株を含む平均根密度は、斜面上部13.85kgm^<-2>60cm^<-1>、斜面側部9.93kgm^<-2>60cm^<-1>で、斜面下部7.10kgm^<-2>60cm^<-1>であった。根密度は深さとともに減少する垂直分布を示し、いずれの斜面位置でもその減少パターンは指数関数に適合した。斜面位置毎の根密度の減少パターンから、斜面方向毎の根重を算出し、個体全体の根重(11.05kg60cm^<-1>)を得た。この個体の地上部重は、44.71kgであったことから、T/R率は4.05となった。斜面方向毎では、個体全体の根重の約40%が斜面上部方向に分布していると推定された。これは、斜面上部方向では、他の方向に比べて深さ10cm以下の層で根重が多いことによる。これまでミズナラは深根型に分類されていたが、今回の調査結果では根の垂直分布は斜面方向で異なっていた。今回の結果から、立地条件によっては同一樹種においても、根の浅根性・深根性が異なる可能性が示唆された。したがって、針葉樹・広葉樹といった異なる樹種間でも根の浅根性・深根性を比較するためには、斜面勾配や土壌条件が同一の場所で行う必要があることがわかった。また、斜面位置毎に根重分布が異なっていたことから、針葉樹と広葉樹の根重の垂直分布を比較する際に、考慮すべき重要な知見が得られた。調査地は、岐阜県益田郡萩原町にある岐阜大学附属演習林とし、傾斜23°である斜面上の人工林とした。

調査木は、ヒノキ・カラマツなどの周辺木から孤立しているヒノキ(樹齢48年、樹高11.88m、胸高直径14.2cm)とし、調査木の根元から3方向の斜面位置(斜面上部、斜面側部、斜面下部)にトレンチ(100cm×20cm×60cm)を設定した。トレンチ内の根株を含む平均根密度は、斜面上部11.35kg m^<-2>60cm^<-1>、斜面側部10.23kg m^<-2>60cm^<-1>で、斜面下部5.42kg m^<-2>60cm^<-1>であった。根密度は深さとともに減少する垂直分布を示し、いずれの斜面位置でもその減少パターンは指数関数に適合した。斜面位置毎の根密度の減少パターンから、斜面方向毎の根量を算出し、個体全体の根量(11.14kg)を得た。この個体の地上部重は、60.41kgであったことから、T/R率は5.42となった。斜面方向毎では、個体全体の根量の約81.59%が斜面下部・側部方向に分布していると推定された。また、深さ30cmまでに、全根量の94.4%が分布していた。これまでヒノキは浅根型に分類されており今回の調査結果でも浅根性を示した。しかし、根の垂直分布は斜面方向で異なっており、傾斜が根系分布に影響を与えていた。今回の結果から、一般に浅根性と言われるヒノキにおいても、傾斜によって異なる可能性が示唆された。したがって、針葉樹・広葉樹といった異なる樹種間でも根の浅根性・深根性を比較するためには、斜面勾配をとくに考慮する必要があることがわかった。また、斜面位置毎に根量の分布の偏りは、地際部幹断面における年輪中心の偏りと関係性があることがわかった。地際部の肥大成長を詳細に把握することで斜面位置毎の根量を推定できる可能性があることがわかった。比較的若齢の造林地が豪雨等で崩壊すると、広葉樹に較べてヒノキやスギが浅根を示すことがそめ原因であるといわれることが多い。このことを再検討するために、岐阜県の岐阜大学農学部附属演習林においで、48年生のヒノキ造林地でヒノキ主林木とそこに侵入したミズナラの根重の垂直分布を比較した。2本の試料本を選んで、地上部に関する調査を行った後に、深さ60cmまでに存在する根をトレンチ法により採取した。深さあたりの根重密度の垂直分布パターンを求めたところ、指数分布にしたがう減少パターンを示した。2本の試料木間で、深さ方向の根重密度の減少率に有意差は認められなかった。回帰式を積分して個体根重の垂直分布を計算した。地表から30cmまでの深さに含まれる根重の割合は、ミズナラ試料木で89%、ヒノキ試料木で94%となり、試料木間で根の垂直分布に極端な違いは認められなかった。また、傾斜地で、ヒノキ試料木は根を谷側に多く配置していたのに対して、ミズナラ試料木は山側に多<配置するという、根の水平分布上の違いがみられた。また、数種類の樹種の根量は、パイプモデルにしたがうことが確認された。さらに、一般に相対成長関係には樹種差が生じるが、相対成長関係式の作成に用いる変数を吟味することで、樹種差のない統一的な相対成長関係式の構築の可能性があることがわかった。これらの知見から、生物学的な根拠を元に、根の深さについて議論することができる。
中世日本における密教・神道交渉史の研究

本研究では、中世日本における密教と神道の交渉史を龍神信仰の観点から再検討した。中世日本では神祇信仰と密教思想は様々な形で結合し、その結果として中世神道の諸流が確立したが、その歴史的展開については未解決な問題が多く残っている。通説では、中世神道が初めて伊勢神宮の周辺に形成され、その後室生山や三輪山などほかの霊地へ広まったとされているが、本研究では、中世神道の言説において龍神信仰に関わる点が多い事実に着目し、そのために古来龍神信仰の聖地とされた醍醐寺の密教の観点から中世神道の様々な信仰を再考した。その結果として、中世神道が醍醐寺の密教から多大な影響を受けたということを明らかにすることができた。平成26年度の研究計画に基づき、本年度は、中世日本における密教と神道の交渉史において重要な意義を持つと考えられる、室生山の自然環境を背景として成立した神道思想の再検討を行った。室生山を中心とする神道説とは即ち、天照大神を室生山の龍穴に棲む龍神の持つ宝珠の垂迹とする説を中核とした神道説であるが、先行研究により、室生山の龍神信仰そのものは醍醐寺系の龍神信仰の影響を受けたものだということが明らかにされている。それゆえに、15世紀以後「御流神道」として広まったこのような室生山をめぐる中世神道説の形成史を解明するために、研究代表者がこれまでの研究において明らかにした、すでに12世紀末までに醍醐寺で「不動・宝珠・愛染」というコンプレックスな龍神信仰が確立していたという新たな視点から、まず室生山をめぐる密教的な龍神信仰に関する種々の考察を行った。研究計画では、本年度の研究事項として、1室生山の神道(御流神道)についての関連資料を可能な限り蒐集し、醍醐寺系の龍神信仰についての研究代表者の知見に基づいた新たな分析をし直すという研究と、2『Dha-tu法口伝集』(金沢文庫, 295.15.1-3)という中世テキストの翻刻と分析の研究を計画していたが、本年度は、とりわけ『Dha-tu法口伝集』という写本の翻刻作業に集中的に取り組んだ。翻刻そのものはほぼ完全に完成し、若干の難読文字や校正注記の表記方法などの検討を残すのみとなっている。なお、本テキストの主題である中世密教の「Dha-tu法」(舎利法)一般についても、関連が深い諸資料を蒐集し、それらの諸資料と本テキストの関係の分析にも着手した。また、本研究の基盤となっている研究代表者の醍醐寺系の龍神信仰に関する研究を、『中世日本真言密教祈雨法の歴史と信仰ー東密舎利・宝珠信仰史の新地平』という一冊の本にまとめ、出版のための準備も行っている。(1)本研究は、中世日本における密教と神道の交渉史を龍神信仰(舎利・宝珠・龍神信仰)の観点から見直すというものであるが、この研究の基盤であり、また、この研究を実質的に進める上で必要不可欠である真言密教系の龍神信仰についての研究をまとめて出版した(『祈雨・宝珠・龍ー中世真言密教の深層』京都大学学術出版会、2016年)。(2)「駄都法」、つまり舎利・宝珠法の諸相を解明する『Dha-tu法口伝集』(金沢文庫保管称名寺聖教295.15.1-3)という写本について内容分析を行い、その分析のために必要である文献や資料を蒐集した。また、本写本の宗教的特徴の歴史的位置づけを上記(1)研究成果の視点から考察した。(3)密教の舎利・宝珠信仰の観点から室生山・三輪山・伊勢神宮の神道的特徴を説く文献や資料を集め、上記(1)の研究成果を踏まえて、それらの文献や資料に見える神祇信仰の歴史的位置づけを再考察した。研究は研究計画通りに進んでいるが、密教の龍神信仰についての図書を出版するにはかなりの労力がかかったため、研究の進捗はやや遅れているのである。およそ十二世紀後半から天台密教(台密)と真言密教(東密)の思想が神祇信仰と結びついた結果として様々な神道流が形成された。特に伊勢神宮、室生山及び三輪山という霊場における密教と神祇信仰の混淆が注目される。これらの霊場の場合では、密教と神道の交渉における舎利信仰、宝珠信仰または龍神信仰の果たした役割が大きい。しかし、そのプロセスが歴史的にどのように展開したかについてはいまだ解決されていない問題がまだ多く残っている。そこで本研究では、醍醐寺の龍神信仰という観点を重視し、その信仰が中世神道の形成へ及ぼした影響を考察した。まず、本研究を実質的に進める上で必要不可欠である真言密教系、とりわけ醍醐寺系の龍神信仰についての研究をまとめて出版した(『祈雨・宝珠・龍ー中世真言密教の深層』(京都大学学術出版会、2016年)。この本では、諸神道流の基盤を形成していた不動・愛染の舎利・宝珠信仰が十二世紀末までに醍醐寺の龍神(善如龍王・清瀧神)の信仰から派生したということを論証した。現在の通説では中世神道は伊勢神宮の周辺に台頭したとされている。これは事実であるが、中世神道思想の源泉そのものは伊勢神宮にはなく、醍醐寺など都の密教寺院にあると考えられる。

本研究ではそのような観点から中世の神道に関する様々な問題を考察した。その問題の中で、(1)厳島神社の法華信仰、及び(2)神祇灌頂に関係が深い仏母信仰がある。また、中世神道と直接には関連しないが、一般的に中世の宗教(神道を含む)に大きな影響を与えた舎利信仰の一環である「駄都法」(舎利・宝珠法)の諸相とその歴史的展開についても考察した。本研究では、中世日本における密教と神道の交渉史を龍神信仰の観点から再検討した。中世日本では神祇信仰と密教思想は様々な形で結合し、その結果として中世神道の諸流が確立したが、その歴史的展開については未解決な問題が多く残っている。通説では、中世神道が初めて伊勢神宮の周辺に形成され、その後室生山や三輪山などほかの霊地へ広まったとされているが、本研究では、中世神道の言説において龍神信仰に関わる点が多い事実に着目し、そのために古来龍神信仰の聖地とされた醍醐寺の密教の観点から中世神道の様々な信仰を再考した。その結果として、中世神道が醍醐寺の密教から多大な影響を受けたということを明らかにすることができた。当初の研究計画より進展がやや遅れているが、その理由は、『Dha-tu法口伝集』という写本自体に、写本の底本に由来すると思われる誤記やその訂正注記などが多く含まれるため、翻刻作業に思いのほか時間がかかったということ、また、研究代表者が昨年度京都大学の白眉プログラム所属中に計画していた研究プロジェクト(学術論文の執筆や学術学会の発表など)が多くあり予想以上にそれらに時間がかかったということに因る。さらに本年度に、本研究の基盤となっており、本研究を進める上で不可欠である醍醐寺系の龍神信仰についての研究代表者のこれまでの研究成果を一冊にまとめる作業を同時並行的に進めることとしたため、本研究計画の進展は当初の計画よりやや遅れることとなった。研究計画の(A)「室生山を中心に形成された神道説の研究」、(B)「三輪山を中心に形成された神道説の研究」、及び(C)「伊勢神宮を中心に形成された神道説の研究」をまとめたいが、(D)「中世以後の密教神道説の展開」の研究を省略し、別の事業として進めることにしたい。日本宗教研究計画の(A)「室生山を中心に形成された神道説の研究」は、本年度中に完成させることはできなかったが、今後、速やかに翻刻作業を終わらせ、その内容の分析などから室生山をめぐる神道説と龍神信仰との関係に関する新たな考察をまとめたい。そしてその後、計画通りに研究を進めたいと考えている。図書の執筆にかなりの労力がかかり、出張のための旅費をすべて使用できなかったため本年度、出張のための旅費に使用する予定である。
ＬＨＣの結果及び自然性問題が示唆するプランクスケール物理の解明

私は今年度、自身の研究課題「LHCの結果及び自然性問題が示唆するプランクスケール物理の解明」に関連して、1つの論文を発表した。Higgs粒子の発見により素粒子物理学において標準模型が基礎理論としての地位を確立したが、我々の世界では標準模型でも解決の難しい問題が数多く存在する。特に宇宙項問題をはじめとする自然性問題は場の理論の枠組そのものが不十分であることを意味しており、それを超えた理論や新しい考え方が必要である。これまでの自身の研究により、統計力学におけるミクロカノニカル分布の考え方を場の理論に適用することで、いくつかの自然性問題が解決出来る可能性が分かっていたが、その定式化はまだ不完全であり、特に熱・統計力学との間の様々な対応関係(熱力学変数に対応するものは何か?等)が不鮮明であった。それを明らかにするために、まずはよく知っている統計力学の方で場の理論の最も重要な考え方である繰り込み群の見方を考察した。具体的には相互作用する古典液体系に着目し、場の理論と同様にスケール変換を考えることで一般の相関関数の間に成り立つ新しい厳密式=Density renormalization group equations (DRGE)を導出した。我々の方程式系においては、場の理論の繰り込みスケールに密度が対応しており、定性的には高密度になるにつれて多体の相関関数の寄与が重要になる形をしている。従って、この方程式系を物理的に妥当な近似のもとで解くことができれば、通常は解析が難しい高密度における液体・固体の様々な性質を議論出来ることが期待される。このような研究は純粋に統計力学の研究という側面だけでなく、将来的には上で述べたように素粒子や化学分野への応用も十分期待される。「研究実績の概要」でも述べたように、私のもともとのモチベーションは場の理論における自然性問題解決を統計力学の立場から試みることであった。自身のこれまでの研究により、そのような見方がいくつかの限られた問題に対しては出来ることは分かっていたが、より一般の場合にどう理論を展開していけば良いのかが分からなかった。それに対し、今年度の研究により統計力学の方で場の理論の繰り込み群的な見方が可能であることが分かり、特に新しく得られた方程式系においていくつかの対応関係(密度と繰り込みスケール、相関関数とカップリング定数など)が明らかになった。このような見方が可能であろうことはある程度予想していたが、具体的な統計力学の古典液体系で示せるとは予想しておらず、当初の計画以上に進展していると言える。また、DRGEの導出自身にも場の理論の手法を用いており、この研究を続けることで場の理論と統計力学の背後にある対応関係がより理解出来ると期待される。我々が得たDRGEは相関関数に対する厳密な式であり、また一般にn点相関関数に対する微分式にn+1点関数が含まれるため、それを一般的に解くことはもちろん出来ない。従って、実際には相関関数に対する何らかの近似をしなければならないが、一番簡単な近似は多点の相関関数を理想気体のものにおく近似である。これは密度が非常に大きくなると悪い近似になると予想されるが、我々の方程式系では2点や3点の相関関数の寄与は厳密に取り入れられているため、たとえミクロなポテンシャルv(r)自身が短距離でも、2点や3点の繰り込み(場の理論で言うと1PI diagramを無限個繋げたもの)によって長距離力が生じると期待される。現在、まずは3点相関関数以上を理想気体においた場合を解析中であり、そこから液体論で知られているような(低密度における)2点相関関数に対する振る舞いが得られるかどうかが最初の興味である。仮にそれが得られない場合、3点相関関数以上の寄与が本質的に重要であることを意味するが、我々の方程式系はそれらもsystematicに取り入れていくことが可能である。もちろん、次の段階としてはこのような研究により得られた知見をもとに、場の理論におけるミクロカノニカルの見方を具体的に定式化し、自然性問題へ応用することが目標である。そして、可能であれば弦理論などの量子重力理論との関わりや統一も議論したい。私は今年度自身の研究課題「LHCの結果及び自然性問題が示唆するプランクスケール物理の解明」に関連して、2つの論文を発表した。[1]ではヒッグス粒子がプランクスケール近傍で非自明なポテンシャルの形を持つことをモチベーションに、インフレーションの新たなモデルを考察した。一般に何らかのスカラー粒子(インフラトン)が高エネルギーで別の真空を持つ場合に、その粒子と重力との相互作用を考えることでインフレーションが高エネルギーの真空のまわりでも実現可能なことを示した。特に、インフレーション後にスカラーは低エネルギーの真空へと自然に落ちていくので、ヒッグス粒子をそのインフラトンとしても問題ない。場の理論を超えた様々な考察[2]より別の真空の存在は自然であると考えられており、我々の結果はそれらと矛盾しない。続いて[2]では場の理論の繰り込み群に関する問題を考察した。一般に摂動論に基づく計算を行うと、有効作用にはlog(m2/μ2) (m:粒子の質量, μ:繰り込みスケール)を含む項が表れ、質量が複数ある場合には繰り込み群によるimprovementは難しいと考えられていた。我々はdecouplingに基づく議論を波動関数繰り込みも正しく扱うように定式化することで、それが可能であることを示した。結果として得られる有効作用は、これまでの不完全な議論から得られるものと定性的にはそれほど変わらないが、定量的には理論のパラメータ次第では大きく変わり得る点で重要である。

LHCによって発見されたヒッグス粒子の質量は、そのポテンシャルが高エネルギーで別の真空を持つ可能性を示しており、近年その事実に基づいた現象論的研究やその起源に対する理論的研究が盛んに行われている。私の研究課題の目的はその起源を両方のアプローチを使って明らかにすることにある。研究[1]は現象論からのアプローチによる研究であり、ヒッグスに限らず一般のスカラー場に対し別の真空の存在はインフレーションと矛盾しないことが分かった。インフレーションを実現することは、素粒子宇宙論ではモデル考察の上では必須であり、別の真空の存在がそれとconsistentであると分かったことは1つの成果である。また研究[2]も現象論からのアプローチであるが、このような繰り込み群のimprovementはcouplingのrunningが顕著になる高エネルギーほど重要になり、それは転じてプランクスケール近傍でのヒッグスポテンシャルの振る舞いに大きく影響を与える。従って、真空の安定性を定量的に議論する際にも我々の扱いは必須であり、様々な現象論モデルへの応用が期待される。私は今年度、自身の研究課題「LHCの結果及び自然性問題が示唆するプランクスケール物理の解明」に関連して、1つの論文を発表した。Higgs粒子の発見により素粒子物理学において標準模型が基礎理論としての地位を確立したが、我々の世界では標準模型でも解決の難しい問題が数多く存在する。特に宇宙項問題をはじめとする自然性問題は場の理論の枠組そのものが不十分であることを意味しており、それを超えた理論や新しい考え方が必要である。これまでの自身の研究により、統計力学におけるミクロカノニカル分布の考え方を場の理論に適用することで、いくつかの自然性問題が解決出来る可能性が分かっていたが、その定式化はまだ不完全であり、特に熱・統計力学との間の様々な対応関係(熱力学変数に対応するものは何か?等)が不鮮明であった。それを明らかにするために、まずはよく知っている統計力学の方で場の理論の最も重要な考え方である繰り込み群の見方を考察した。具体的には相互作用する古典液体系に着目し、場の理論と同様にスケール変換を考えることで一般の相関関数の間に成り立つ新しい厳密式=Density renormalization group equations (DRGE)を導出した。我々の方程式系においては、場の理論の繰り込みスケールに密度が対応しており、定性的には高密度になるにつれて多体の相関関数の寄与が重要になる形をしている。従って、この方程式系を物理的に妥当な近似のもとで解くことができれば、通常は解析が難しい高密度における液体・固体の様々な性質を議論出来ることが期待される。このような研究は純粋に統計力学の研究という側面だけでなく、将来的には上で述べたように素粒子や化学分野への応用も十分期待される。「研究実績の概要」でも述べたように、私のもともとのモチベーションは場の理論における自然性問題解決を統計力学の立場から試みることであった。自身のこれまでの研究により、そのような見方がいくつかの限られた問題に対しては出来ることは分かっていたが、より一般の場合にどう理論を展開していけば良いのかが分からなかった。
有職家高橋宗直とその門弟についての研究

本年度は主に、高橋宗直の著述の伝本調査と、高橋宗直の門弟・津久井尚重の歴史研究の様相について研究を行った。前者については、第一に、高橋宗直の著述について、慶應義塾図書館魚菜文庫所蔵の高橋家旧蔵資料を閲覧・調査した。第二に、その他諸所に蔵される宗直の著述について、現物調査又は複写物の取り寄せにより、内容の確認を行った。第三に、宗直の著述のうち最も大部なものである『宝石類書』名古屋市蓬左文庫蔵本90冊について、閲覧・複写を行い、内容目録の作成を進めた。また同時に宗直の学問に大きな影響を与えたと考えられる野宮定基の『群記類鑑』(名古屋市蓬左文庫蔵、220冊)についても閲覧・複写を行って内容を調査するとともに、宗直への影響の可能性について検討した。そして、以上の調査を踏まえ、第245回大阪大学古代中世文学研究会にて、宗直の著述の内容とその思想的特徴についての見通しを報告した。後者については、特に尚重著『南朝編年記略』における『大日本史』の影響に注目し、『南朝編年記略』の依拠資料について調査を行うとともに、諸所に蔵される『大日本史』の伝本および流布状況について調査を行い、『南朝編年記略』における『大日本史』利用の実態や影響について検討した。そして、以上の調査を踏まえ、第123回日本近世文学会大会にて、『南朝編年記略』における『大日本史』利用の様相について研究発表を行い、同発表の内容について、『近世文藝』誌への投稿を行った。
ミトコンドリア電子伝達系による水素イオン能動輸送機構の研究

1.チトクロム酸化酵素結晶化条件とX線回折実験条件を改良することにより、最高1.65A分解能のX線回折を示す結晶が得られるようになった。常温で2.30A分解能、液体窒素温度で2.0A分解能のX線構造が得られた。その酵素還元中心には過酸化物が架橋しており、Cu_Bのその他の三つの配位子のうち一つのヒスチジンイミダゾールとその近傍に位置していたチロシンとが共有結合によって連結していた。さらにNa^+結合部位がX線構造に検出された。また2.30A分解能の構造にはO_2還元中心とマトリックス側表面とをつなぐ水素結合ネットワークが2つ認められた。2.35A分解能で決定された還元型のX線構造の酸素還元中心には架橋過酸化物が存在しておらず、CU_Bは平面三角形Cu^<1+>錯体を形成していた。この錯体の安定性がFe^<2+>-O_2型の異常な安定性の主な原因であると考えられる。また還元型になると、酸化型では分子内に完全み埋まっていたAsp51が分子表面に移動し、膜間腔の水層に接触することが明らかになった。また酸化型のときAsp51は水素結合のネットワークを通じてマトリックス側から水素イオンを取り込むことができることをX線構造は示していた。このような構造変化はAsp51がポロトンポンプ部位であることを強く示唆している。酸化還元滴定実験により、4つの1電子酸化還元中心以外に2当量の電子受容部位を完全酸化酵素が持っていることが明らかになった。FTIRにより1官能基のカルボキシル基が還元によって解離することが示された。これらの結果は上述の結晶構造解析の結果を支持している。2.複合体I精製法の改良の結果、再現性収量、ロテノン阻害のどれもが、これまでの報告を上まわる標品が再現性よく得られるようになった。この標品によって、反応機構研究の第一歩として初期定常状態の解析を行った。その結果、ユビキノン-NADH-NAD^+-ユビキノールの順に基質と反応生物が結合、遊離する機構が明らかになった。1)結晶の可視近紫外測定用分光装置の開発。ミトコンドリア電子伝達複合体結晶の酸化還元状態や配位子結合状態を確実に見積もるための最も信頼できる方法はやはり可視近紫外分光法である。そこで本年度は結晶の可視紫外吸収測定のための分光器を設計製作した。問題点はX線回折実験用毛細管による光の散乱、ソ-レ帯の高い吸光度、結晶の方位特異性等にある。これらの問題点を解決するために、入射光ビームを細くする、光源を強くする、検出器の感度を高めることなどによって装置の改良を試みた。その結果、α帯周辺の吸収スペクトルはX線回折実験にも使える程度の大きさ(0.6mm程度)の結晶でも測定は可能になったが、吸光度がα帯の5倍ほどもあるソ-レ帯の吸収は0.2mm以下の厚みの結晶にしか利用できないことが明らかになった。2)結晶凍結法の検討。

反応中間体を低温で固定してその結晶構造を解明するためには、まず結晶の質(規則性)を低下させずに凍結する条件を確立する必要がある。良い条件が見つかればむしろ凍結結晶の方が高い分解能を示すことがある。そこで最も高い分解能が得られているウシ心筋チトクロム酸化酵素結晶の凍結条件を検討した。その結果、酸化型では常温では3Å分解能程度までしかX線回折点が認められなかった結晶でも、凍結すると2Åを切る分解能のX線回折像を示す凍結結晶が得られるようになった。3)部分還元型チトクロム酸化酵素の調整法と還元滴定。部分還元型結晶を調整するためには還元及び酸化滴定条件を確立する必要がある。そこで、溶液でのチトクロム酸化酵素の酸化還元滴定条件を再検討した。この実験には嫌気性と標品の純度が最も重要であることが明らかになった。標品は再結晶によって純化し、酵素濃度は金属の定量によって分子吸光係数を再検討した。さらに高度の嫌気性を確立するために、ガラスと金属配管だけによって作られた酸化還元滴定装置を設計製作した。通常の酸素標品の還元には6電子当量酸化には4電子当量を必要とすることを明らかにした。1)結晶凍結法の検討。本年は酸化型結晶の凍結条件をさらに検討した。結晶を劣化させることなく凍結するためには不凍剤を添加することが不可欠である。そこで本年度は不凍剤の種類と濃度及び処理法について詳細に検討した。不凍剤存在下での結晶化には成功しなかったので、不凍剤を結晶にしみこませる条件を検討した。その結果、グリセロール濃度を35%まで89段階で段階的に上昇させることによって凍結の際の劣化を相当に防ぐことができるようになった。しかし、同型性が失われることと再現性が不十分であることが大きな問題で、今後さらに検討の必要がある。2) 2.0A分解能の構造解析。結晶凍結法は上述のように確立することはできなかったが、凍結することによってX線の損福を大きく防ぐことができるので、1個の結晶から、1組のデータを収集することができた。その結果、2.0A分解能でのX線構造を分子置換法によって決定することができた。その結果、常温2.3A分解能で発見できなかった多数のリン脂質や水分子が認められた。これらは、分解能が高められたためというよりは、低温によって、常温でとりうるいくつかの立体構造のうちの最も安定なものに固定されたために明確な電子密度を与えるようになったと考えられる。分子内部にもこのように低温ではじめて認められる、反応機構に重要であると推定される水分子がいくつか発見された。3)チトクロム酸化酵素の酸化還元滴定。昨年度開発した方法によってチトクロム酸化酵素の酸化還元滴定を種々の条件で行った。その結果、完全酸化型には2種類あって一方は代謝回転して直接関与しているが他方は代謝回転していないときに生じる休止型であること、後者には過酸化物架橋構造が含まれているらしいことが明らかになった。この結果はX線結晶構造解析の結果を支持する。1.ウシ心筋チトクロム酸化酵素の酸化還元に伴うカルボキシル基の解離の赤外分光法による解析。カルボキシル基のC-O伸縮振動は水素イオンの解離によって大きく低波数側に移動するので、赤外分光法によって解離や水素イオン化を解析することができる。重水中で酸化型で1741cm^<-1>にCOOHと帰属することができるピークが還元型では1584cm^<-1>COO^-と考えられるピークに変換されることが赤外域での酸化-還元差スペクトルから明らかになった。