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水素結合性官能基を有するスフィンゴミエリン2分子膜の水和特性に関する研究

近年、生体膜における脂質2分子膜に対する新しい概念が提唱されている。これに関連して、脂質ラフト(いかだ)あるいは脂質カベオラ(くぼみ)構造に多くの研究者の注意が払われている。これに呼応して、我々は、代表的なスフィンゴリン脂質であるスフィンゴミエリンの2分子膜の研究に着手した。天然由来のスフィンゴミエリンは、広範囲に分布するアミド結合性の脂肪酸鎖長によって特性される。本研究においては、天然の牛脳由来のスフィンゴミエリンの水和特性を、異なる水分率の試料によって得られた氷融解示差走査熱量測定(DSC)曲線の成分分割法によって検討した。これとの比較において、同一鎖長のアミド結合された脂肪酸を有するN-パルミトイルスフィンゴミエリン(C16:O-SM)を、天然スフィンゴミエリンの脱アシル化-再アシル化によって半合成し、その最終生成物をシリカゲルカラムクロマトグラフィーによって精製した。その半合成スフィンゴミエリンに対しても、天然スフィンゴミエリンと同様の方法を用いて氷融解DSC曲線を測定した。本研究において得られた結果は以下のとうりである:(1)不凍結層間水分子数は、天然スフィンゴミエリンに対しても半合成スフィンゴミエリンに対しても同じで、6H2O/lipidであった;(2)凍結層間水分子数に関しては、天然スフィンゴミエリンは、半合成スフィンゴミエリンの約2倍量である;(3)スフィンゴシン鎖(C=18)と比較してより長いアミド結合性の脂肪酸鎖を有する天然スフィンゴミエリンは、2分子膜内において入れ込み型構造を形成するので、それの2分子膜表面は平板ではなく、すなわち、2分子膜の表面に形成される凹凸構造が2分子膜間にウォーターフールをもたらす;(4)半合成スフィンゴミエリンは2分子膜間に平板表面を形成する;(5)2分子膜表面が平板か、あるいは凹凸構造であるかの違いに基づいて、2分子膜の間の領域に取り込まれる水分子の数は異なり、その数は天然スフィンゴミエリンに対するほうが、半合成スフィンゴミエリンに対するよりも多い。天然の牛脳由来のN-acylsphingomyelinと半合成のN-palmitoylsphingomyelinの2種のスフィンゴミエリを研究対象物質として選び,それぞれのスフィンゴミエリン2分子膜系の水和特性を示差走査熱量測定とX線回折の技法を用いて検討した。牛脳由来のスフィンゴミエリンの脂肪酸鎖長の組成は正電荷イオン化物質量分析から決定し,この組成比から,牛脳スフィンゴミエリンの分子量を決定した。それぞれのスフィンゴミエリン-水系の試料を水分量を逐次増加させることで調整し,水分率の異なる約30種試料のDSC測定を低温領域から行い,得られた氷融解DSC曲線をコンピュータプログラムに従って成分分割し,氷融解エンタルピーを見積ることで,不凍結層間水,凍結層間水およびバルク水として存在する各々水分子の数を見積った。その結果,特に注目すべきことは,2分子膜層間に取り込まれる凍結層間水であり,これの水分子数は半合成スフィンゴミエリンは通常の水和量を示すのに対して、天然のスフィンゴミエリンは2倍量以上の水和量を示すことを明らかにした。

X線回折法を用いて同様の水分率の異なる天然スフィンゴミエリン-水系試料の層間水相の厚さを電子密度プロファイル解析から検討したが,DSC測定の結果と同様にこの水相の厚さが長いことをすなわち層間水量が大きいことを明らかにした。近年、生体膜における脂質2分子膜に対する新しい概念が提唱されている。これに関連して、脂質ラフト(いかだ)あるいは脂質カベオラ(くぼみ)構造に多くの研究者の注意が払われている。これに呼応して、我々は、代表的なスフィンゴリン脂質であるスフィンゴミエリンの2分子膜の研究に着手した。天然由来のスフィンゴミエリンは、広範囲に分布するアミド結合性の脂肪酸鎖長によって特性される。本研究においては、天然の牛脳由来のスフィンゴミエリンの水和特性を、異なる水分率の試料によって得られた氷融解示差走査熱量測定(DSC)曲線の成分分割法によって検討した。これとの比較において、同一鎖長のアミド結合された脂肪酸を有するN-パルミトイルスフィンゴミエリン(C16:O-SM)を、天然スフィンゴミエリンの脱アシル化-再アシル化によって半合成し、その最終生成物をシリカゲルカラムクロマトグラフィーによって精製した。その半合成スフィンゴミエリンに対しても、天然スフィンゴミエリンと同様の方法を用いて氷融解DSC曲線を測定した。本研究において得られた結果は以下のとうりである:(1)不凍結層間水分子数は、天然スフィンゴミエリンに対しても半合成スフィンゴミエリンに対しても同じで、6H_2O/lipidであった;(2)凍結層間水分子数に関しては、天然スフィンゴミエリンは、半合成ズフィンゴミエリンの約2倍量である;(3)スフィンゴシン鎖(C=18)と比較してより長いアミド結合性の脂肪酸鎖を有する天然スフィンゴミエリンは、2分子膜内において入れ込み型構造を形成するので、それの2分子膜表面は平板ではなく、すなわち、2分子膜の表面に形成される凹凸構造が2分子膜間にウォータープールをもたらす;(4)半合成スフィンゴミエリンは2分子膜間に平板表面を形成する;(5)2分子膜表面が平板か、あるいは凹凸構造であるかの違いに基づいて、2分子膜の間の領域に取り込まれる水分子の数は異なり、その数は天然スフィンゴミエリンに対するほうが、半合成スフィンゴミエリンに対するよりも多い。
続書を中心とした『水滸伝』の研究

『水滸伝』に関わるテキストのうち、実態解明が遅れている清代のものを主な対象として、その続書を中心に研究を行なっている。従来の『水滸伝』研究は、もっぱら明刊本によって行なわれてきた。それは清代の『水滸伝』が、いわゆる七十回本(明末の崇禎十四年(1641)の序をもつ)の独擅場だったという認識にもとづく。しかしそれでは『征四寇』(乾隆壬子(1792)の序をもつ)のように、七十回本から百五十年も遅れて出現し、かつ七十回本によって切り捨てられたはずの後半部分を簡本によって復活させた作品の存在は説明しにくい。また『征四寇』以前に出現した『水滸後伝』や『後水滸伝』といった続書も、切り捨てられたはずの内容を踏まえつつ田虎王慶故事に触れるところが無いため、百回本系統に基づくと考えざるを得ない。さらに乾隆期に成立した宮廷大戯『忠義セン図』(センは王+旋)の場合は、田虎王慶故事の描写から百二十回本に基づくはずである。以上のような経緯をへて、咸豊三年(1853)になってようやく、七十回本の続書というべき『蕩寇志(結水滸伝)』が刊行されるのである。このように清代における『水滸伝』とその続書の展開は、従来の一般的な理解とは異なるものであり、かつ相当複雑だが、その具体的な様相を、本研究は明らかにしつつある。続書のうち『水滸後伝』については、原本の系統に当たるテキストのうち筑波大学附属図書館・早稲田大学附属図書館・天理図書館などが所蔵する資料について比較分析を行なっている。これらは基本的に同版と考えられるが、いずれも欠落・補写部分があり、その意味では相補う関係にある。このうち天理本については早くから紹介されてきたが、今回の調査によって相対的に後印本であることが実証的に明らかになった。また早稲田本については、筑波本と天理本の中間に位置付けるのが妥当と考えられる。つぎに『後水滸伝』は原本が一つしか無いため、各種の排印本が一般に利用されてきたが、その問題点の検討や図賛の翻刻等を基礎として、この続書の創作上の構想を復讐という観点から読み解いた論考をまとめて、すでに発表している。さらに『忠義セン図』については同題の異なるテキストが存在するため、その比較分析を行なっている。この調査においては元雑劇から清の介石逸叟『宣和譜(翻水滸)』を経て後の作品群に至る、一連の水滸戯の重要性も明らかになっている。その他、オランダのライデン大学附属図書館に蔵される『水滸伝』関連資料を調査し、とくに百二十四回本について興味深い知見を得た。また容与堂本の後印本について上海図書館蔵本を中心に、先行研究を批判的に検証しつつ新たにまとめた論考を、すでに発表している。三年計画の二年目にあたる今年度は、おもに前年度に得た新しい知見を発展させる形で研究を進めたい。まず『水滸後伝』については、原本系統のうち「遺経堂蔵書」印を有するテキストが最古のものと目されるので、それについて前記の3本と比較分析を行なうべく、準備に着手している。なお同じ所蔵先には『繍像第五才子書』『征四寇』『繍像漢宋奇書』『蕩寇志(結水滸伝)』など、関連資料も豊富である。また『後水滸伝』については論考をすでに発表しているが、なお論ずべき点もあるので、整理のうえ発表の機会を得たい。さらに『忠義セン図』については、十本二百四十齣から成る大作であるが、同題の異なるテキストの存在を新たな切り口として、小説のみならず戯曲との関係も含めて比較分析を続ける。さらに従来未検討の、新たな『忠義セン図』のテキストについても、所見を明らかにできる見込みである。『忠義セン図』と『蕩寇志(結水滸伝)』の方向性の類似については従来も指摘されているが、それが何を意味するかについても、考察を進める。その他、百二十四回本や容与堂本など諸系統のテキストについても清代のものを中心に調査を継続し、それらの具体的な様相を、順次明らかにしてゆきたい。

以上のような経緯をへて、咸豊三年(1853)になってようやく、七十回本の続書というべき『蕩寇志(結水滸伝)』が刊行されるのである。このように清代における『水滸伝』とその続書の展開は、従来の一般的な理解とは異なるものであり、かつ相当複雑だが、その具体的な様相を、本研究は明らかにしつつある。続書のうち『水滸後伝』については、原本の系統に当たるテキストのうち筑波大学附属図書館・早稲田大学附属図書館・天理図書館などが所蔵する資料について比較分析を行なっている。これらは基本的に同版と考えられるが、いずれも欠落・補写部分があり、その意味では相補う関係にある。このうち天理本については早くから紹介されてきたが、今回の調査によって相対的に後印本であることが実証的に明らかになった。また早稲田本については、筑波本と天理本の中間に位置付けるのが妥当と考えられる。つぎに『後水滸伝』は原本が一つしか無いため、各種の排印本が一般に利用されてきたが、その問題点の検討や図賛の翻刻等を基礎として、この続書の創作上の構想を復讐という観点から読み解いた論考をまとめて、すでに発表している。さらに『忠義セン図』については同題の異なるテキストが存在するため、その比較分析を行なっている。この調査においては元雑劇から清の介石逸叟『宣和譜(翻水滸)』を経て後の作品群に至る、一連の水滸戯の重要性も明らかになっている。その他、オランダのライデン大学附属図書館に蔵される『水滸伝』関連資料を調査し、とくに百二十四回本について興味深い知見を得た。また容与堂本の後印本について上海図書館蔵本を中心に、先行研究を批判的に検証しつつ新たにまとめた論考を、すでに発表している。三年計画の二年目にあたる今年度は、おもに前年度に得た新しい知見を発展させる形で研究を進めたい。まず『水滸後伝』については、原本系統のうち「遺経堂蔵書」印を有するテキストが最古のものと目されるので、それについて前記の3本と比較分析を行なうべく、準備に着手している。なお同じ所蔵先には『繍像第五才子書』『征四寇』『繍像漢宋奇書』『蕩寇志(結水滸伝)』など、関連資料も豊富である。また『後水滸伝』については論考をすでに発表しているが、なお論ずべき点もあるので、整理のうえ発表の機会を得たい。さらに『忠義セン図』については、十本二百四十齣から成る大作であるが、同題の異なるテキストの存在を新たな切り口として、小説のみならず戯曲との関係も含めて比較分析を続ける。さらに従来未検討の、新たな『忠義セン図』のテキストについても、所見を明らかにできる見込みである。『忠義セン図』と『蕩寇志(結水滸伝)』の方向性の類似については従来も指摘されているが、それが何を意味するかについても、考察を進める。その他、百二十四回本や容与堂本など諸系統のテキストについても清代のものを中心に調査を継続し、それらの具体的な様相を、順次明らかにしてゆきたい。研究分担者は中国へ資料調査に赴く計画であったが、想定外の公務増加等の事情が生じて日程調整に困難をきたしたため、当該計画を延期せざるを得なくなった。このため生じた次年度使用額については、延期した調査を今年度実施するために使用する計画である。
蛋白質中電子移動の理論と計算

光合成細菌Rhodobacter sphaeroidesの反応中心における電子移動(バクテリオクロロフィルから第1キノンへの電子移動)を例にして、タンパク質中電子移動(ET)の機構を計算科学的に(分子動力学シミュレーションと量子化学計算を組み合わせた方法で)解析した。タンパク質構造が熱揺らぎすることによって、電子トンネル因子TDAが数桁も変化するゆらぎを見出した。そのゆらぎの原因はドナーとアクセプター間の距離の変化によるよりも、各アミノ酸構造とそれらの配置の変化の影響が非常に大きいことを明らかにした。このようなTDAの大きな揺らぎが存在することは電子トンネル経路も大きく揺らいでいることを想像させる。原子間トンネルカレントをたんぱく質構造上にプロットする方法でトンネル経路の揺らぎを調べた結果、主として2つのトンネルルートを交互に利用していることが明らかになった。また、各トンネルルートを通過する際に、トンネルカレントの大きさが激しく変化していることを見出した。さらに2つのトンネルルートを同時に通過する場合もあり、トンネルカレント間には破壊的量子干渉効果が大きく働いていることを示した。このようにめまぐるしく変化するトンネルカレントに対して適当な平均化を行って安定な平均トンネル経路を作成することが望まれる。われわれはET速度の電子因子がTDAの2乗であることに注目し、TDAの2乗をトンネルカレントで展開し、カレン間の量子干渉効果を繰り込んだ原子間トンネルカレントの2乗の和で表現することに成功した。この理論を上記ETに適用すると、平均化したET経路はドナーからアクセプター間を一筆書きで結んだような経路2本で簡単に表現されることが分かった。これによりこれまで直観的に提案されていたpathways modelに物理的根拠を与えることができた。光合成細菌Rhodobactersphaeroidesの反応中心における電子移動(バクテリオクロロフィルから第1キノンへの電子移動)を例にして、タンパク質中電子移動(ET)の機構を計算科学的に(分子動力学シミュレーションと量子化学計算を組み合わせた方法で)解析した。今年度は研究計画の第3番目の課題である「蛋白質のconformationが熱揺らぎをしているとき、蛋白質中電子移動はどのように影響を受けるか」について理論的定式化と計算機シミュレーションによる解析を行った。理論的には、電子の運動と原子核の運動が密接にカップルしている場合に有効なnon-Condon近似を採用して、電子移動速度の式を導出した。この理論の新規な点は、電子移動速度が、電子トンネルの途中の過程、すなわち超共役の過程で、エネルギーの出し入れを行わないelastic electron tunnelingとエネルギーの出し入れを行うinelastic electron tunnelingのそれぞれの過程からの電子移動速度の和として初めて表わされたことである。光合成バクテリアRhodobactor sphaeroidesの反応中心のbacteriopheophytinからprimary quinoneへの電子移動反応に適用するために、反応中心全体の分子動力学シミュレーションを実行し、得られたそれぞれの時間の蛋白質のconformationにたいして電子トンネル行列要素を量子化学計算で求めた。その結果、蛋白質構造の熱揺らぎに応じて、電子トンネル行列要素の値が大きく変動した。このデータを用いて、われわれが新しく構築した上のnon-Condon理論に従って電子移動速度を計算し、エネルギーギャップ則を求めると、エネルギーギャップの非常に大きい領域でinelastic electron tunnelingの効果が顕著に現れることがわかった。すなわち、通常のマーカス理論で見られる逆転領域が著しく持ち上げられることがわかった。このことは蛋白質中電子移動速度の調節にinelastic electron tunnelingの機構が有効に使われる可能性があることを示す。今後inelestic electron tunnelingの物理的意味を明らかにしていくとともに、その機構の働いている実際の電子移動系を探索していくことが重要である。生体エネルギー変換において電子移動が中心的・普遍的役割を果たしている。この生体電子移動は蛋白質を媒体としたsuperexchangeの機構でおこる。蛋白質構造が熱揺らぎによって変化をすると、superexchangeの機構がmodifyされ、蛋白質内のトンネルカレントの分布が変わり、最終的に電子トンネル因子が変化する。先年度までの研究で次のことが明らかにされている。

蛋白質構造の熱揺らぎによって誘起された電子トンネル行列要素Tdaの時間相関関数を計算した結果、時間相関関数は指数関数的に減衰し、時定数が60fsと短い値が得られた。この時間相関関数をフーリエ変換して電子因子のパワースペクトルを求めると、ローレンツ関数型になり、長いテールを持った。このことにより、非弾性電子トンネルのチャンネルが開放され、電子移動速度のエネルギーギャップ側のinverted regionを持ち上げる効果を示した。今年度は低温(77K)にして蛋白質構造の熱揺らぎを制限することによってTdaの時間相関関数がどのように変化するかを調べた。その結果は意外にも、大略において、常温で求めたTdaの時間相関関数と似た結果が得られた。すなわち、指数関数的に減衰した。ただし、低温で蛋白質構造は局所エネルギーミニマムにトラップされるので、異なったトラップ状態の蛋白質ごとに時間相関関数の減衰の時定数は異なり、60-130fsの間に分布した。この結果は77Kの低温においてトンネルカレントの揺らぎは、振幅が小さくとも揺らぎの性質が変化せず、dissipativeであることを意味する。その機構と関連して、われわれは各原子間トンネルカレントの揺らぎが、蛋白質の原子間距離の揺らぎとほとんど相関を持たず、蛋白質構造全体の変化を反映した揺らぎになっていることを見出した。このことはタンパク質中電子移動経路がどのようにして決まるかの知見を与えてくれる。光合成細菌Rhodobactersphaeroidesの反応中心における電子移動(バクテリオクロロフィルから第1キノンへの電子移動)を例にして、タンパク質中電子移動(ET)の機構を計算科学的に(分子動力学シミュレーションと量子化学計算を組み合わせた方法で)解析した。タンパク質構造が熱揺らぎすることによって、電子トンネル因子TDAが数桁も変化するゆらぎを見出した。そのゆらぎの原因はドナーとアクセプター間の距離の変化によるよりも、各アミノ酸構造とそれらの配置の変化の影響が非常に大きいことを明らかにした。このようなTDAの大きな揺らぎが存在することは電子トンネル経路も大きく揺らいでいることを想像させる。原子間トンネルカレントをたんぱく質構造上にプロットする方法でトンネル経路の揺らぎを調べた結果、主として2つのトンネルルートを交互に利用していることが明らかになった。また、各トンネルルートを通過する際に、トンネルカレントの大きさが激しく変化していることを見出した。さらに2つのトンネルルートを同時に通過する場合もあり、トンネルカレント間には破壊的量子干渉効果が大きく働いていることを示した。
A群色素性乾皮症の遺伝子診断とモデルマウス作成

A群色素性乾皮症の原因遺伝子(XPA遺伝子)をクローニングし、C4タイプのZnフィンガーモチーフを持つ273個のアミノ酸からなる親水性蛋白をコードする事を明らかにした。XPA遺伝子の機能を解析する為、大腸菌内でXPAcDNAを発現させ組換えXPA蛋白を精製した。ゲルシフト法、フィルター結合法でXPA蛋白のDNA結合能を調べたところ、紫外線(UV)照射していないDNAにもXPA蛋白は結合したが、UV照射したDNAにはより多くのXPA蛋白が結合する事が解かり、XPA蛋白は障害DNAを認識する機構に関わる蛋白である事が示唆された。さらに、より多くのXPA蛋白が、シスプラチンやAAFなどの化学物質、あるいは活性酸素によるDNA障害を引き起こすOsO4処理を受けたDNAに結合し、XPA蛋白単独で多種類のDNA障害を認識出来る事を明らかにした。一方、A群XP患者におけるXPA遺伝子の突然変異を明らかにし、保因者診断、胎児診断等のA群XPの遺伝子診断を幾例か行なった。さらに、A群XPの病態を解析する為、ES細胞におけるXPA遺伝子ターゲッテイング法によりXPA欠損マウスを樹立した。このマウスは正常に生まれ、生後1年半の時点では、肉眼的に解かる様な形態上、行動上の明らかな異常は認められなかった。しかし、XPA欠損マウス由来の繊維芽細胞は、A群XP細胞と同様にUVに高感受性を示し、DNA除去修復能は欠如していた。さらに、化学発癌剤DMBAを用いて皮膚発癌実験を行なったところ、XPA欠損マウスではDMBA塗布一週間後に強い皮膚潰瘍が形成され、さらに一ケ月後にはその部分にパピローマの発生が認められた。正常マウスおよびヘテロ接合体マスでは皮膚潰瘍は認められず、パピローマの発生も低頻度でずっと後期になって認められるのみであった。以上の様に、このマウスは少なくとも発癌性に関しては、XPの良いモデルになると思われた。A群色素性乾皮症遺伝子(XPAC遺伝子)の、A群XP患者における突然変異を明らかにした。日本人患者には、1)イントロン3のスプライス受容部位におけるG→Cトランスバ-ジョンに起因するスプライス異常、2)エキソン3内のT→Aトランスバ-ジョンによるTyr^<116>(TAT)→stop(TAA)のノンセンス突然変異、3)エキソン6内のC→TトランジションによるArg^<228>(CGA)→Stop(TGA)のノンセンスが突然変異を見いだした。いずれの突然変異も新しい制限酵素部位が生じ、それぞれ、AlwNI,MseI,HphIRFLPにより診断が可能である。日本人患者には、85%、4%、13%の頻度でこれらの突然変異が認められたが、外国人A群XP患者には見い出せず、創始者効果が認められた。一方、白人、黒人等、他の人種のいずれのA群XP患者にもXPAC遺伝子の突然変異を見い出している。N端側のZnフィンガ-モチ-フの108番目のCysがPheに変異(G→Tトランスバ-ジョン)している患者や、C端側のZnフィンガ-モチ-フのHisがArgに変異(A→Gトランジション)している患者も見つかり、XPAD蛋白のDNA修復機能におけるZnフィンガ-構造の重要性が示唆された。さらに、XPの病態を解明し、DNA修復機構が個体にとってどのような役割を持ち、個体の分化、老化、がん化等にいかに関与しているかを解明するため、ES細胞の遺伝子標的導入法によるXPモデルマウスの樹立をこころみている。CappechiらのPositiveーnegative selection法に従い、replacement typeのtargeting vectorを作成した。

エレクトロポレ-ションでこれをES細胞に導入し、GANCとG418抵抗性のクロ-ンを得、PCR・ゲノムサザンブロツト法で相同組換え体を選別した。これを集合法にて胚にもどし、体細胞キメラマウス(雄)を得ている。野生マウスとの交配を行い、生殖系列キメラ、ヘテロ接合体の樹立をめざしている。日光紫外線による高頻度皮膚癌発生と、種々の精神神経症状の発症を臨床的特徴とし、DNA除去修復に異常をもつ色素性乾皮症(XP)A群の原因遺伝子(XPAC遺伝子)をクローニングし、それを用いてA群XP患者の遺伝子解析、遺伝子ターゲッティング法によるA群XPマウス樹立を試みた。日本人A群XP患者についてXPAC遺伝子突然変異の解析を行ったが、我々が既にみつけている3種類の突然変異のいずれかの異常で発症していることが明らかになった。カペッキーらのポジティブ-ネガティブ選別法に添ってXPAC遺伝子ターゲッティングベクターを構築し、これをES細胞(F1/1株)にエレクトロポレーション法で導入し、G418,GANC抵抗性のクローンを得た。PCR法、ゲノムサザンブロット法により、これらのクローンから相同組換え体を選別した。このようにして得られたXPAC遺伝子欠損ヘテロ接合体ES細胞を、改変集合法により、ICRマウス8細胞期胚に注入し、キメラマウスを得た。さらに、キメラマウスをICRマウスと交配し、XPAC遺伝子欠損ヘテロ接合体マウスを得た。ヘテロ接合体マウスの雄と雌を交配したところ、野生型、ヘテロ接合体、ホモ接合体マウスが1:2:1の割合で得られた。いずれのマウスも、形態学的にも行動上でも異常は認められなかった。これらのマウスより、線維芽細胞を樹立し、紫外線感受性をコロニー形成能で調べたところ、野生型とヘテロ接合体マウス由来の細胞は、同程度の紫外線抵抗性を示したのに対し、ホモ接合体マウス由来の細胞はA群XP細胞と同程度の強い紫外線高感受性を示した。紫外線照射後の不定期DNA合成もバックグラウンドレべルであり、ホモ接合体マウスはA群XPのモデルマウスになる可能性が示唆された。A群色素性乾皮症の原因遺伝子(XPA遺伝子)をクローニングし、C4タイプのZnフィンガーモチーフを持つ273個のアミノ酸からなる親水性蛋白をコードする事を明らかにした。XPA遺伝子の機能を解析する為、大腸菌内でXPA cDNAを発現させ組換えXPA蛋白を精製した。ゲルシフト法、フィルター結合法でXPA蛋白のDNA結合能を調べたところ、紫外線(UV)照射していないDNAにもXPA蛋白は結合したが、UV照射したDNAにはより多くのXPA蛋白が結合する事が解かり、XPA蛋白は障害DNAを認識する機構に関わる蛋白である事が示唆された。さらに、より多くのXPA蛋白が、シスプラチンやAAFなどの化学物質、あるいは活性酸素によるDNA障害を引き起こすOsO4処理を受けたDNAに結合し、XPA蛋白単独で多種類のDNA障害を認識出来る事を明らかにした。一方、A群XP患者におけるXPA遺伝子の突然変異を明らかにし、保因者診断、胎児診断等のA群XPの遺伝子診断を幾例か行なった。
面積線量計を用いたIMRT吸収線量測定

大容積平行平板電離箱線量計の製作を行い、動作評価を種々条件で行った。平行平板電離箱線量計と通常使用する0.6ccおよび0.015cc指頭型電離箱線量計での照射野内平均吸収線量の結果はほぼ等しい値となった。IMRT照射野の場合においても、同様にほぼ等しい値となった。大容積平行平板電離箱線量計を用いた照射野内吸収線量測定を行うことが可能であり、IMRT吸収線量評価の一助となる可能性がある。本研究で製作した大容積平行平板電離箱線量計の入射電極、集電極および保護電極は5mm厚のアクリル板表面にアクアダック(炭素塗料)を塗布した。集電極サイズは150mm×150mmとし、極板間隔はZ軸フラットステージにより10μm間隔、30mmまで可変可能とした。印加電圧は外部直流電源装置より0±300Vとした。基礎データ測定は極板間隔と印加電圧関係、指頭型電離箱線量計と平行平板電離箱線量計の深部電離電荷量および照射野内の平均電離電荷量測定について実測、解析を行った。極板間隔を1mmにした場合、印加電圧200Vまでは収集電荷量は増加し、それ以上の印加電圧では収集電荷量はほぼ一定となった。これにより、極板間隔を1mm以下とした場合の印加電圧は200V以上を使用する必要があることが確認された。極板中心および極板四隅の5点における感度の違いについて測定した。中心に対して四隅での収集電荷量はほぼ等しい値を示したことから、電離体積内での感度は一様であり、平行平板電離箱線量計の設置は極板中心と照射野中心を低い精度で一致させれば平均電離電荷量を測定することができる。製作した平行平板電離箱線量計および0.6cc指頭型電離箱線量計を用いて深部電離電荷量測定を行った。指頭型電離箱線量計で測定された深部量百分率と比較を行うと、各深さにおいて1%以内で一致した。また、各照射野サイズの平均電離電荷量を指頭型電離箱線量計のスキャン法と平行平板電離箱によって測定された領域内平均電離電荷は50mm×50mm以上の照射野では±2%以内で一致した。比較的大きな照射野の場合、大容積平行平板電離箱線量計を用いた場合においても、通常使用する指頭型電離箱線量計と同様の結果を得ることが可能である。面積線量計を用いて、強度変調放射線治療(Intensity Modulated Radiation Therapy:以下IMRT)における照射野内吸収線量評価を行いIMRT吸収線量に関する品質保証・管理を行った。モンテカルロシミュレーション(以下:MC)による照射野10cm×10cmにおける照射野内平均吸収線量および15cm×15cm領域における平均吸収線量を算出した。MC結果と小容積電離箱線量計を用いて測定された同領域における平均吸収線量はそれぞれよく一致した。これにより治療計画装置(XiO:ELEKTA-CMS社)で計算された吸収線量から求めた照射野内平均吸収線量、小容積指頭型電離箱線量計で測定結果、MCでの計算結果、面積線量計での測定結果の4者でほぼ等しい結果を得ることができた。次に計画された前立腺IMRT照射における平均吸収線量測定を行い種々測定器での測定結果の解析を行った。先の測定結果より治療計画装置で計算された吸収線量から求めたIMRT照射野における照射野内吸収線量と小容積指頭型電離箱線量計、線量測定用フィルム(EDR2:Kodak社、EBT2:ISP社)による測定と作製した平行平板電離箱線量計を用いた照射野内平均吸収線量の比較を行った。小容積電離箱線量計、EBT2フィルムおよび面積線量計を用いた照射野内平均吸収線量は治療計画装置で計算された照射野内吸収線量とよく一致した。しかし、EBT2フィルムによる測定では、低線量域での線量不一致が見られ、EBT2フィルムの扱いについて新たな課題が生じた。IMRT照射野の場合においても、大容積平行平板電離箱線量計を用いた照射野内吸収線量測定を行うことが可能であり、IMRT吸収線量評価の一助となる可能性が見いだせた。
結晶反転対称性の破れた化合物の電子状態の研究

本研究では磁性原子であるEu原子を含む結晶反転対称性の破れた化合物EuPtSiがf電子系で初めてスキルミオンの磁気構造を持っていることを明らかにした。本研究ではMoるつぼを使ったブリッジマン法で初めてEuPtSiの単結晶試料の育成に成功し、4.0 Kで反強磁性転移があることを明らかにした。また、ネール温度以下の温度2 Kで行なった磁場を[111]方向に加えた磁化曲線には二段階のメタ磁性転移が存在し、このメタ磁性転移が起こる磁場HA1とHA2は0.5 K以下では観測されず閉じた磁気相を形成していることが明らかになった。このEuPtSiの磁気相をA相と名付け、このA相内の物性について研究を進めて行ったところA相ではスキルミオンの磁気構造に由来する創発磁場のためホール抵抗にトポロジカルホール抵抗と呼ばれる異常が観測された。磁場を[100]方向に加えた際にはHA1, HA2の間だけではなく新たにもう一つの閉じた磁気相であるB相が観測され、[110]方向と[112]方向に加えた際には観測されないことも明らかになった。これらのEuPtSiのA相の磁気構造は共同研究者によって中性子散乱実験や共鳴X線散乱の実験がなされていて、スキルミオンの特徴であるtriple-qベクトルが観測されている。そのためEuPtSiのA相はスキルミオンである可能性が非常に高いと言え、これらの実験から得られたqベクトルから得られたスキルミオンの形成する渦の大きさは18オングストロームであることが見積もられた。このスキルミオンの大きさはこれまでに知られているMnSiのスキルミオンの大きさ180オングストロームに比べて1桁小さい値となっている。EuPtSiのA相はMnSiのA相との共通点も多いが、異方性やスキルミオンの大きさなど全く異なる振る舞いも見られた。翌年度、交付申請を辞退するため、記入しない。
重力レンズを用いた、銀河、銀河団や大規模構造などの重力場構造及び進化の解明

遠方クェーサーが視線上の銀河によって強い重力レンズ効果を受けているレンズ系が70以上報告されている。これまでの詳細な観測と理論的研究により、レンズ銀河が光で見える様にほぼ楕円形で矛盾がないことが分かっている。しかしながら、いくつかのレンズ系では単純にフィッティングしたのでは像の明るさがうまく再現できない。その原因については未だ決着ついていないが、ダストなどによる影響、銀河のサブストラクチャ、使っていたレンズモデルが単純すぎる等議論されている。そこで、私はより複雑なモデルを使いさらに詳細なフィッティングを4つのレンズ系に対して行った。天文学的な不定性により3つについては結論できないが、B1422+231はサブストラクチャによりレンズ効果がなくても銀河群の摂動をよりとりいれることにより説明できることが分かった。よって、これまでサブストラクチャレンズ効果とされてきたレンズ系もレンズモデルの見直しやさらなる詳細化が必要になる。また、他のレンズ系に対してもこれまで見落とされていたフィッティングの誤りを明らかにした。そして、その陥りやすい誤りについても簡単に起因を説明できることが分かった。また、PLFというモデルを使った線形方法を使うことで簡単にハッブル定数などレンズ系から算出できることも分かった。最近示された同様の方法との比較と改善案についても明らかにした。この結果については、2004年1月アトランタで行われたアメリカ天文学会で発表した。また、日本天文学会誌PASJにも受理され4月に発行される予定である。
脳局所特徴に基づく高精度脳MRI画像解析技術の開発

本年度は,以下の2項目を実施した.1.前年度に検討した脳局所特徴および解析手法について,大規模な脳MRI画像データベースを用いて性能評価および解析の実験を行った.まず,健常者からなる脳MRI画像データベースを用いた年齢推定の実験を通して,正常加齢に伴う脳の形態変化が顕著に現れる局所領域を調べた.年齢推定に用いる局所領域を1つずつ削除することで有効な領域を求めた.得られた有効領域は,医学における統計解析の結果と一致することを確認している.有効領域のみを用いて年齢推定することで,推定精度が向上することを確認した.次に,健常者と脳疾患患者において,形態変化が顕著に表れる領域を解析し,診断支援を行うことを検討した.具体的には,アルツハイマー病患者を含む大規模な脳MRI画像データベースを用いて年齢推定実験を行い,健常者とアルツハイマー病患者との間に推定される年齢に差があることを確認した.アルツハイマー病患者の場合は,実際の年齢よりも10歳20歳程度高く推定される傾向にあり,この結果を診断支援に利用できる可能性がある.以上の成果については,医用画像処理に関する国際会議等で発表を行った.2.局所領域をノードとし,局所領域間の接続性からエッジを定義することで,複雑な脳機能をネットワークとして表現し,局所領域間で相互作用しながら情報伝達を行っているスモールワールド性を有していることを確認した.健常者とアルツハイマー病患者との間で構成されるネットワークに違いがあることも確認した.これらの知見に基づいて,複雑ネットワーク解析に基づいた脳画像解析が行えることを実証した.28年度が最終年度であるため、記入しない。28年度が最終年度であるため、記入しない。本年度は,以下の2項目を実施した.1.高精度な脳画像解析を行うために必要となる局所特徴を新たに定義した.コンピュータビジョンなどの分野でよく用いられているようにキーポイントを抽出して特徴量を定義するのではなく,解剖学に基づいて定義された脳アトラスによって分割された領域ごとに特徴量を定義した.このことにより,どの位置にある局所領域の特徴量が解析に有効であるかを解剖学の観点から説明することが可能となる.灰白質,白質,脳脊髄液の正規化された体積値を特徴量として用いることを検討した.2.前項1で検討した局所特徴を用いた脳MRI画像の解析手法を検討した.今年度は,特に,年齢に着目し,脳MRI画像から被験者の年齢を推定する解析手法を検討した.脳MRI画像に内在する性別,年齢,生活習慣などの因子が独立に形態変化に作用していることを利用し,線形回帰分析を用いて各因子を分離した.そして,局所特徴に基づいて,年齢を推定する識別器を構築した.健常者の大規模なデータベースを用いた性能評価実験を行って,従来手法と比較して高精度に年齢を推定できることを実証した.年齢推定において貢献度の高い局所領域を抽出し,統計解析の結果および医師の所見と比較した.貢献度が高かった局所領域は,正常加齢に伴って形態変化が大きい部位であり,医学的にも妥当な領域が選択されていた.また,脳疾患患者,特に,アルツハイマー病患者のデータベースを用いた実験を通して,年齢推定手法を利用した脳疾患の診断支援への可能性を検討した.当初計画していた通りに,脳MRI画像を解析するために必要となる局所特徴を定義するとともに,それを用いた解析手法について検討した.特に,正常加齢に伴った形態変化に基づいた年齢推定手法を検討し,4.5歳程度の誤差で年齢を推定できることを確認した.以上より,おおむね順調に進展していると判断した.本年度は,以下の2項目を実施した.1.前年度に検討した脳局所特徴および解析手法について,大規模な脳MRI画像データベースを用いて性能評価および解析の実験を行った.まず,健常者からなる脳MRI画像データベースを用いた年齢推定の実験を通して,正常加齢に伴う脳の形態変化が顕著に現れる局所領域を調べた.年齢推定に用いる局所領域を1つずつ削除することで有効な領域を求めた.得られた有効領域は,医学における統計解析の結果と一致することを確認している.有効領域のみを用いて年齢推定することで,推定精度が向上することを確認した.次に,健常者と脳疾患患者において,形態変化が顕著に表れる領域を解析し,診断支援を行うことを検討した.具体的には,アルツハイマー病患者を含む大規模な脳MRI画像データベースを用いて年齢推定実験を行い,健常者とアルツハイマー病患者との間に推定される年齢に差があることを確認した.アルツハイマー病患者の場合は,実際の年齢よりも10歳20歳程度高く推定される傾向にあり,この結果を診断支援に利用できる可能性がある.以上の成果については,医用画像処理に関する国際会議等で発表を行った.2.局所領域をノードとし,局所領域間の接続性からエッジを定義することで,複雑な脳機能をネットワークとして表現し,局所領域間で相互作用しながら情報伝達を行っているスモールワールド性を有していることを確認した.健常者とアルツハイマー病患者との間で構成されるネットワークに違いがあることも確認した.これらの知見に基づいて,複雑ネットワーク解析に基づいた脳画像解析が行えることを実証した.次年度は,本年度の研究成果を踏まえて,年齢推定手法に基づいた脳疾患の診断支援を検討する.また,脳局所特徴を用いた解析手法を発展させるために,脳の形態変化に関するモデルの構築,および,脳ネットワークの構築することを検討する予定である.28年度が最終年度であるため、記入しない。
確率制御におけるリスク回避的極限とロバストモデルの研究

系における外乱等の不確実さに関して頑健性(ロバスト性)を持つモデルが理論・応用の両面で注目を集めている。本研究では数理ファイナンスの問題やそれを一般化した確率制御問題におけるリスク回避的極限を考え、ロバスト性を持つモデルの導出や動的計画的手法を発展させることに成功した。また、ロバストモデルに関連する経路依存型の系に対する最適制御問題の研究を行った。制御理論では制御力学系における状態を、制御と呼ばれるパラメータを動かすことでコントロールすることを目標とする。外乱などの系の不確かさはしばしば確率過程で表現されるが、一方でモデル化誤差に起因する不確かさに対しても頑健性を備えた理論の必要性が実務を中心に高まっている。工学において80年代初頭に提唱されたH無限大制御では外乱やモデル化誤差を未知の決定論的関数で表現し、数理ファイナンスにおけるG期待値ではボラティリティの取る範囲に幅を持たせ最悪の場合の期待値を計算し、これらの理論は頑健性を備えたモデルとして注目をされている。リスク鋭感的確率制御において特異極限を取ることによりH無限大制御がある一定の条件の下で得られることが知られているが、本研究の目的は数理ファイナンスにおける問題や一般的な確率制御において特異極限に相当するリスク回避的極限を取ることで頑健性を有する様々なモデルを導出し、それらに必要な数学的基盤を与えることである。また関連する制御問題を数学的観点から研究する。本年度はファクターモデルと呼ばれる市場モデルにおいて、無限時間区間上の冪型効用関数の最適投資・消費問題に対するリスク回避的極限問題を考察した。単にリスク回避的極限を取ると自明な問題に帰着するため、リスク回避度をファクターの拡散が小さくなるにつれ大きくなるようにスケーリングし、その上でリスク回避的極限を取ることで微分ゲームを導出した。詳しくは無限時間最適投資・消費問題の最適期待効用がリスク回避的極限を通じて無限時間微分ゲームの値に収束することを示した。またその極限値を1階Isaacs方程式の一意的な粘性解として特徴付けた。この微分ゲーム問題はH無限大制御の意味での頑健性を備えていることから、最適投資・消費問題に対して新しいロバストモデルを提案することができた。制御理論における力学系の状態は、制御と呼ばれる制御主体者の意思決定項によりコントロールできるとする。一方で外乱やモデルの不確かさなど制御主体者がコントロールすることが困難な要素を考慮する必要があり、外乱は確率制御では確率過程で、H無限大制御では未知な決定論的関数としてモデル化される。また近年活発に研究されているG期待値では確率的力学系におけるモデルパラメータを未知として扱う。本研究ではリスク回避的極限を通じて得られるモデルを中心に、頑健性を備えた様々なモデルの研究、またそれらの解析に必要な数学的基盤研究を行うことを目標とする。今年度は、部分可観測下ファクターモデルにおける冪効用関数に対する最適投資問題のリスク回避的極限から得られる問題を、H無限大制御の枠組みで捉え直すことに成功した。具体的には、対数効用関数の最適投資問題を部分可観測H無限大制御で定式化し、この問題をinformation stateと呼ばれる無限次元の量を新たな状態とする完全可観測微分ゲームに帰着させた。information stateを有限次元の量で記述し、有限次元における動的計画方程式を解くことで、株価を利用できる情報とする予測器、またそれによる最適投資戦略を構成した。系における外乱はしばしば確率過程を用いてモデル化されるが、その統計的性質やモデルにおける係数などのモデル化誤差に対してロバスト性(頑健性)を持ったモデルの研究は理論と応用両面で注目されている。本研究では主にリスク回避的極限を通じてロバスト性を備えたモデルの導出を行い、それらに対する研究に必要な数学的基盤を与えることにある。最終年度は、後向き確率微分方程式やG期待値等の分野で活発に研究されている経路依存系の近年の研究動向に沿い、経路依存型の決定論的系に対するロバスト制御の基礎理論の構築を試みた。具体的には、通常の動的計画法を一般化することで、経路依存型inf-sup型微分ゲームにおける値関数を、経路依存型Isaacs偏微分方程式の粘性解として特徴付けることに成功した。この研究を端緒に、これまでなされてきた膨大な動的計画的手法が経路依存型の系に対して展開されることが期待される。研究期間全体を通じて、リスク回避的極限に関連するロバスト性を有するモデルの数学的基盤研究を行った。詳しくは、数理ファイナンスにおける最適投資(消費)問題のリスク回避的極限を考え、極限操作を通じて得られる数理ファイナンスに関連する新たなロバストモデルの提案を行い、それらに対する動的計画法による解析手法を与えた。また、一般の経路依存型確率制御問題のリスク回避的極限を動機として、この極限操作の結果として導出される決定論的系に対する経路依存型ロバストモデルの一般論の構築を行った。部分可観測の下での最適投資問題に対するH無限大制御的モデルとその解析手法を得ることで、リスク回避的極限に関連する頑健性を備えたモデルの研究において新たな進展を見ることができた。

当初想定していたG期待値に関連する研究に着手する以前に、G期待値が経路依存型制御問題と密接に関係することが最近指摘され、経路依存型制御の基礎的研究が重要になりつつある。このような状況や現在進行中の経路依存型重点サンプリング法の研究を考慮に入れ、経路依存型制御の動的計画法による基礎的研究や関連する冪等的手法の研究を進めている。確率制御リスク回避的極限に関連する頑健性を有するモデルの研究は引き続き行う。一方、G期待値と経路依存型制御の関係や現在進行中の研究テーマに関連する経路依存型問題を念頭におき、経路依存型制御に対する動的計画法の数学的基礎研究や冪等的手法の研究を行う。研究を着実に遂行するために国内外の研究集会等に参加し情報収集する。また得られた研究結果を国内外の研究集会等で発表する。国内外の研究集会や大学・研究施設等を訪れて関連研究者と意見交換等を行いながら研究を推進する。研究目的に関係する書籍を購入し、情報収集をする。数値解析や資料作成のための計算機環境も必要に応じて整備・拡張する。ファクターモデルにおける無限時間区間上の最適投資・消費問題に対してリスク回避的極限を通じて頑健性を持つ新しいモデルが得られ、研究目的に掲げた最適投資・消費問題におけるリスク回避的極限に関して進展が見られた。またリスク鋭感的制御の特異極限問題や動的計画方程式の冪等代数的手法に関連して、経路依存型の期待値に対する動的重点サンプリング法の研究を開始し、研究成果が上がりつつある。上記の重点サンプリング法の研究にも着手したため、G期待値の研究の準備に若干の遅れを生じている。最適投資・消費問題におけるリスク回避的極限に関して、無限時間区間の問題に対して一定の結果が得られた。これを踏まえて他のモデルや設定の下で引き続きリスク回避的極限問題に関する研究を継続し、頑健性を持つモデルの導出を試みる。リスク鋭感的制御の特異極限や動的計画方程式の冪等代数的手法に関連して開始した経路依存型の重点サンプリング法の研究は、基本になる経路依存型の動的計画的法が必要となるが既存の研究が少ない。まずはその数学的基盤を与えることを目指す。このためG期待値の研究は遅れる可能性があるが、G期待値や関連研究に対して文献等で情報の収集に努め、可能ならば国内外の研究集会等に参加し関連研究者と意見交換を行う。本年度の研究内容の計画の一部遅延による、当該計画のための書籍購入の次年度への繰り越し遅延している計画の書籍を購入し、当該計画を次年度計画に合わせ遂行する
長周期地震動の破壊力予測と大型タンクのスロッシング抑制実験

本研究では、2003年十勝沖地震時の長周期地震動特性を調べ、スロッシング挙動に及ぼす非線形性の影響を検討するとともに、巨大地震に伴う長周期強震動のシミュレーション手法を提案し、想定震源域における長周期地震動の破壊力を予測した。次に、タンクを対象に流体-構造連成解析を実施し、タンク側壁・浮屋根と内容液の挙動を定量的に分析した。提案したスロッシング抑制策の効果を検討した結果、その有効性が明らかになった。上半期は、巨大地震に伴う長周期強震動のシミュレーション手法を提案し、長周期地震動の破壊力予測を行うとともに、提案手法の有効性を検討した。1.野外調査と各種計測による分析を通して、対象の流体含有物がプレートに由来しているかどうか、マントル起源成分の寄与などを明らかにした。特に石英脈中の流体とブライトレイヤー内部の流体の組成を調べた。2.地盤構造を格子状にモデル化し、そこに3次元不整形地盤構造を割り当て、さらに南海トラフの震源格子に力を加えた場合の波動を逐次追跡し、対象地域の長周期地震動を計算した。その際、断層面の動的破壊進行の効果を震源格子群の逐次破壊として表現することにより、震源破壊から不整形地盤応答をトータルに計算可能にした。さらに、震源データの不確定性が長周期地震動に及ぼす影響を調べた。また、地盤構造のモデル化の違いにより、盆地生成波などの長周期地震動の出現を明らかにするため、水平成層地盤構造による解析結果と3次元不整形地盤構造によるシミュレーション結果を比較分析した。下半期は、次年度以降における流体一構造連成解析のため、予備的にスロッシング抑制策に関する数値実験を実施した。3.平底円筒タンクを剛体と仮定して内部の液体運動のみに着目し、タンクに水平動と上下動が同時に作用したとき、有限振幅スロッシングの非線形挙動に関し、液面境界条件の非線形性を考慮した振動方程式を導き、上半期で求めたシミュレーション地震波形を使いスロッシング挙動を分析した。4.マス・バネ・ダンパーからなるスロッシング防止装置を浮き屋根に設置する方法を導入したとき、果たしてスロッシングを効果的に抑えることができるか?大地震時のスロッシングに対する安全性を確保することは可能なのか?に応えるため、線形スロッシング解析を用いたスロッシング抑制策の定式化を行い、数値シミュレーションを実施した。2007年7月16日、新潟県中越沖でM6.8の強震動が観測され、固有周期に共振して激しく液体が揺れる「スロッシング(液面揺動)」現象が東京電力柏崎刈羽原子力発電所内の燃料貯蔵プールにおいて確認された。そこで本研究では、粒子法のMPS法を用いそ流体と構造物の3次元的連成挙動解析を行い、プールとともに、圧倒的に多い小型タンクのスロッシングを分析した。本研究で採用したMPS法では、連続体の運動を有限数の粒子の運動として離散化すると、粒子の挙動が容易に解明できる。従来手法である有限要素法や差分法と比較すると、1)完全ラグランジュ法であるので。2)メッシュ生成が必要でないなどの特徴がある。この利点のため、自由表面流体をリァルに再現できる。解析モデルとしては直方体プールと円筒形タンクを対象とした。前者には2007年新潟県中越沖地震時の東京電力柏崎刈羽原子力発電所建屋3階の地震応答記録を、後者にはK-NET強震観測網の柏崎地震記録を入力地震波として用いた。非圧縮性流体と構造物の連成挙動解析を行い、スロッシングに起因する液位・圧力変化などに関するミクロな分析を実施した。その結果、特に流体粒子の動きを可視化することにより、明確なスロッシングモードやスワール現象を解明できることがわかった。また、飛沫を再現できるとともに、スロッシングが構造物に及ぼす影響が明らかになった。このことはMPS法の有効性を示すものである。本研究では,粒子法(MPS法)を用いてタンクと内溶液をモデル化し,流体と構造物(浮屋根・タンク側壁)の連成解析を行い,浮屋根の有無・構造条件の相違が流体-構造物の連成効果,スロッシングに及ぼす影響を調べた.タンクのモデル化に当たっては,浮屋根の効果を考慮するとともに,その構造条件(剛体・弾性体,強度)や液深をパラメトリックに変化させた.浮屋根部については,解析の都合上,ポンツーンなどのミクロなモデル化をしなかった.浮屋根がないと,自由表面の液面状態になる.そのため,地震入力波に対してスロッシングが成長することにより,液深とタンク内径の比や空間余裕高さが違うと,内溶液がタンクから溢流するケースがあった.MPS法による粒子法の解析を導入した結果,スロッシングに伴う砕波や飛沫現象を的確に再現できることがわかった.浮屋根があると,スロッシングは大きく抑えられた.浮屋根の有無により,スロッシングモードに変化が生じ,スロッシングには非線形挙動を呈することも多かった.

浮屋根が剛体であると,変形が許されないため,スロッシングは線形的挙動を呈す.浮屋根が弾性体になると,自由表面の状態に近い挙動を示すことになり,浮屋根のない状態におけるスロッシングの非線形性が見られ,スロッシングの成長に伴い,2次モード以上の高次モードが生起する特徴のある応答が発現した.本解析により,MPS法がタンクのスロッシングに伴う浮屋根挙動の解明に適用できることがわかった.浮屋根の構造条件はスロッシングの波高,周期,モードに大きな影響を及ぼす.本手法の提案により,流体-構造物(浮屋根とタンク側壁)の動的相互作用に伴い,流体-構造体連成解析によるスロッシングモードの変化などを基本的に分析できたことは本研究の特色である.