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C4光合成における耐冷性機構の探索 ―熱放散と葉緑体温度の関連性に着目して―

葉緑体は,環境ストレス下において炭酸固定反応に利用されない余剰な光エネルギーを熱として散逸する機構,すなわち熱放散機構を備えている.低温ストレス下でも熱放散活性が増加することが報告されており,これが葉緑体内の極微小な温度環境に影響を及ぼすことも考えられる.しかし,熱放散によって生じる熱が葉緑体温度に及ぼす影響はこれまで報告されていない.そこで,2018年度はまず,葉緑体温度の計測を可能とする測定系を構築した.まず,ダイクロイックミラーユニットを搭載した光学顕微鏡に石英ファイバーを介して青色半導体レーザーを入射し,各種光学フィルターにより励起光と蛍光を分離し,検出系に分光器を接続することでレーザー誘起蛍光スペクトルを計測できる顕微分光システムを構築した.顕微鏡に搭載する光学フィルターの透過波長や反射率およびレーザー光源の波長の組み合わせを検討し,検出感度を調整した.加えて,循環液冷式温調ステージを作成し,極小熱電対で温度をモニターすることでサンプル温度の制御を可能とした.次に,緩衝液中に遊離させたトウモロコシ葉由来の葉緑体と感温性蛍光プローブを混合し,これを用いて測定条件の設定を行った.その結果,レーザーで誘起したクロロフィル蛍光の強度と感温性蛍光プローブの蛍光スペクトルを経時的に同時計測することができた.これにより,クロロフィル蛍光強度の減衰過程から熱放散活性を,また蛍光プローブのスペクトル比から葉緑体温度の推定が可能となった.本年度の到達目標は葉緑体温度の測定系の構築であり,感温性蛍光プローブとクロロフィル蛍光スペクトルの同時モニタリングが可能となったことから初期目標に到達したと判断できる.一方で,より精度の高い測定を実現にするためには,測定条件のさらなる最適化が必要であり,この点が今後の課題である.以上を考慮し,おおむね順調に進展していると判断した.2019年度は,本年度構築した測定系の精度を向上させるべく,さらなる測定条件の最適化を行う.また,熱放散活ならびに他の耐冷性関連形質が異なるトウモロコシ品種を用い,これらについて詳細な光合成特性の評価を行うとともに,熱放散活性と葉緑体温度との関連性を顕微分光装置を用いて明らかにする.さらに,C4植物でありながら低温下で高い光合成維持能力を示すススキ属についても同様の実験を行う.葉緑体は,環境ストレス下において炭酸固定反応に利用されない余剰な光エネルギーを熱として散逸する機構,すなわち熱放散機構を備えている.低温ストレス下でも熱放散活性が増加することが報告されており,これが葉緑体内の極微小な温度環境に影響を及ぼすことも考えられる.しかし,熱放散によって生じる熱が葉緑体温度に及ぼす影響はこれまで報告されていない.そこで,2018年度はまず,葉緑体温度の計測を可能とする測定系を構築した.まず,ダイクロイックミラーユニットを搭載した光学顕微鏡に石英ファイバーを介して青色半導体レーザーを入射し,各種光学フィルターにより励起光と蛍光を分離し,検出系に分光器を接続することでレーザー誘起蛍光スペクトルを計測できる顕微分光システムを構築した.顕微鏡に搭載する光学フィルターの透過波長や反射率およびレーザー光源の波長の組み合わせを検討し,検出感度を調整した.加えて,循環液冷式温調ステージを作成し,極小熱電対で温度をモニターすることでサンプル温度の制御を可能とした.次に,緩衝液中に遊離させたトウモロコシ葉由来の葉緑体と感温性蛍光プローブを混合し,これを用いて測定条件の設定を行った.その結果,レーザーで誘起したクロロフィル蛍光の強度と感温性蛍光プローブの蛍光スペクトルを経時的に同時計測することができた.これにより,クロロフィル蛍光強度の減衰過程から熱放散活性を,また蛍光プローブのスペクトル比から葉緑体温度の推定が可能となった.本年度の到達目標は葉緑体温度の測定系の構築であり,感温性蛍光プローブとクロロフィル蛍光スペクトルの同時モニタリングが可能となったことから初期目標に到達したと判断できる.一方で,より精度の高い測定を実現にするためには,測定条件のさらなる最適化が必要であり,この点が今後の課題である.以上を考慮し,おおむね順調に進展していると判断した.2019年度は,本年度構築した測定系の精度を向上させるべく,さらなる測定条件の最適化を行う.また,熱放散活ならびに他の耐冷性関連形質が異なるトウモロコシ品種を用い,これらについて詳細な光合成特性の評価を行うとともに,熱放散活性と葉緑体温度との関連性を顕微分光装置を用いて明らかにする.さらに,C4植物でありながら低温下で高い光合成維持能力を示すススキ属についても同様の実験を行う.感温性蛍光試薬を効率的に使用して実験を行ったため,経費を節減できたことに加え,一部の光学部品は既存のものを代用したことで新規購入の必要性がなくなった.来年度以降は顕微分光装置を用いた測定の回数が大幅に増えることが見込まれるため,繰り越された経費は蛍光試薬に当てる.
自律型ロボットを用いた校内競技会による「ものづくり」への動機づけと達成感の共有

小学校高学年から中学生までを対象として,子どもたちが先端技術を直接体験することができる安価な教材を開発した。具体的には,マイクロコントローラを搭載した自律走行型ロボットの標準仕様ともいうべきものを開発した。基礎的なセンサは標準装備,ロボットの機構部分の製作は自由度が大きく,子どもの発想力を生かせる形のものを検討した。ロボットを用いて小学校で校内競技会を行い,「ものづくり」への動機づけと達成感の共有を確認した。先端的な科学技術の基礎を子どもたちに教えようとするとき,その技術を取り込んだコンパクトな標準的な教材があれば,指導者の大きな助けとなると期待されることから,本研究では,先端技術を教材化して扱いやすい形で普及することを目的とし,特に,小学校高学年から中学生までを対象として,一貫して先端技術を学べるような,子どもたちが先端技術を直接体験することができる安価な教材の開発・評価・普及を目指している。この研究では,小学校および中学校において,教材として利用可能なロボットの標準仕様ともいうべきものを開発し,それらを用いて校内競技会を開催して,「ものづくり」への動機付けを高めるとともに,達成感を共有したいと考えている。今年度は,マイクロコントローラ搭載で自律走行が可能なビークル型ロボットで,基礎的なセンサは標準装備,ロボットの機構部分の製作は自由度が大きく,子どもの発想力を生かせる形のプロトタイプを試作し,(1)教材として製作したロボットおよび開発したソフトウェアについての意見交換・検討,(2)実践案の作成と評価方法の開発,(3)製作したロボットを用いた子どもたちに対する実践と評価,などを検討した上で,研究室レベルで必要数を製作して,工作教室等で子どもたちに対し教材として授業実践を行った。その際に得られた意見や評価等を参考に,平成23年度はロボットのハードウェア,および開発したソフトウェアの改良を行い,併せて,校内競技会を開催する予定である。今年度は,マイクロコントローラ搭載で自律走行が可能なビークル型ロボットで,基礎的なセンサは標準装備,ロボットの機構部分の製作は自由度が大きく,子どもの発想力を生かせる形のロボットをデザインし,(1)開発したロボットおよびソフトウェアについての意見交換・検討,(2)実践案の作成と評価方法の開発,(3)学校現場で工作教室を行った後に,そのまとめとしての校内競技会を実践,などを行った。その際に得られた意見や評価等を参考に,平成24年度は開発したロボットのハードウェアおよびソフトウェアの改良を行い,併せて,ロボット製作が「ものづくり」への動機づけとなるかや,校内競技会が達成感を与えるかなどについてまとめ,その有効性を確認予定である。先端的な科学技術の基礎を子どもたちに教えようとするとき,その技術を取り込んだコンパクトな標準的な教材があれば,指導者の大きな助けとなると期待されることから,本研究では,先端技術を教材化して扱いやすい形で普及することを目的とし,特に,小学校高学年から中学生までを対象として,一貫して先端技術を学べるような,子どもたちが先端技術を直接体験することができる安価な教材の開発・評価・普及を目指した。この研究では,小学校および中学校において,教材として利用可能なロボットの標準仕様ともいうべきものを開発し,それらを用いて校内競技会を開催して,「ものづくり」への動機付けを高めるとともに,達成感を共有したいと考えた。今年度は最終年度であったため,マイクロコントローラ搭載で自律走行が可能なビークル型ロボットを完成し,教育現場で実践した。すなわち,基礎的なセンサは標準装備,ロボットの機構部分の製作は自由度が大きく,子どもの発想力を生かせる形のロボットをデザインし,1開発したロボットおよびソフトウェアについての意見交換・検討,2実践案の作成と評価方法の開発,3学校現場で工作教室を行った後に,そのまとめとしての校内競技会を実践した際に得られた意見や評価等を参考に,開発したロボットのハードウェアおよびソフトウェアの改良を行った。併せて,ロボット製作が「ものづくり」への動機づけとなるかや,校内競技会が達成感を与えるかなどについてまとめ,その有効性を確認した。目標としているロボットについては,基本部分に関してのデザイン開発は終了し,学校現場で工作教室を行った後に,そのまとめとしての校内競技会の実践などを行った。まだ細かい点やオプションで計画している高度なセンサやソフトウェアについては開発中であるが,全体としておおむね順調に進展していると考えている。24年度が最終年度であるため、記入しない。平成24年度は,前年度中に,開発した教材として利用可能なロボットの標準仕様ともいうべきモデルの課題等を検討してさらに改良する。

また,前年度中に,学校現場で工作教室を行った後に,そのまとめとしての校内競技会を実践したが,それについても点検を行い課題や改善点について検討を加える。あわせて,ロボット製作が「ものづくり」への動機づけとなるかや,校内競技会が達成感を与えるかなどについてまとめ,学校現場での有効性を確認する。24年度が最終年度であるため、記入しない。
４次元空間中性子探査装置の開発と酸化物高温超伝導機構の解明

J-PARCの強度と合わせ、多重エネルギーの中性子を活用することにより、装置性能を格段に高度化させた、従来の100倍高性能の中性子散乱実験装置「四季」を実現する。これにより、エネルギー問題等の切り札とされるが、発見された20世紀以来今日においても物性物理学の極めて困難かつ重要な高温超伝導機構の解明を推進する。1. 4次元空間中性子探査装置(4SEASONS)の建設本研究遂行の中心となる4SEASONS分光器について,定量的手法によりその予想性能を検討,目標とする性能が達成可能であることを確認し,設計の基本仕様を決定した。実験装置設置詳細計画書をJ-PARC中性子実験装置計画検討委員会に提出し,その審査に合格した。その他、分光器全体設計、スーパーミラー試作、検出器試作、スピン偏極デバイス開発ステージの整備などを実施し、分光器の建設に向けた基盤が整った。2.試料作成環境の構築と試料作成今後の研究に備えて多数の超伝導系の単結晶の作成を進め、特にLa、Cuサイト置換のホールドープ系La_<2-x>Sr_xCuO_4や電子ドープ系Pr_<1-x>LaCe_xCuO_4などの単結晶作成が進んだ。3.酸化物高温超伝導の中性子散乱研究(1)La系高温超伝導体:ストライプ秩序を有するLa_<1.875>Ba_<0.125>CuO_4のCuサイトを非磁性元素Znで置き換えた系を用いて電荷・スピンストライプと結晶構造の関係を調べた。銅酸化物での電荷ストライプ秩序の出現には特殊な結晶構造(低温斜方晶)下での磁気相関の発達が重要であることを示唆する結果が得られた。(2)YBCO系高温超伝導体:最適ドープ領域組成にあるYBCO系超伝導体における高エネルギー領域における磁気励起の研究を行った。運動量-エネルギー空間における構造,強度変化を詳細に調べた結果、YBCO系における磁気励起は単純なストライプモデルでは説明が困難な描像であること等が明らかとなった。4.研究会1.4次元空間中性子探査装置(4SEASONS)の建設平成19年度の4SEASONS設置工事に備えて各機器の設計および仕様の確定がなされた。とくに、中性子スーパーミラーの開発では世界最高性能のミラー作製に成功した。その他、長尺検出器の評価試験やチョッパー全体の構造設計なども順調に進み、実機製作に移行できる段階に達した。また、真空散乱槽の製作発注も済んでおり、遮蔽体の一部やガイド管ジャケットなどはすでに製作が完了している。2.試料作成環境の構築と試料作成原子力機構においてはYBCO系高温超伝導体の単結晶育成環境が整い、大型純良試料の作製が開始された。東北大学ではホールドープ系La_<2-x>Sr_xCuO_4や電子ドープ系Pr_<1-x>LaCe_xCuO_4などの単結晶作製が進んだ。すでにこれらの試料の一部は実験研究に供されており、多数の研究成果に寄与している。3.酸化物高温超伝導の実験研究国内外の中性子実験施設においての中性子散乱実験およびSPring-8でのX線非弾性散乱実験を遂行した。その結果、電子ドープ系Pr_<1-x>LaCe_xCuO_4での異常磁気励起やホールドープ系La_<2-x>Sr_xCuO_4でのフォノンソフトニング効果などを見出した。また、原子力機構JRR3において三軸型分光器AKANEの高輝度化を行い、新たに作製した試料の系統的評価・研究を実施する体制を整えた。4.研究会高温超伝導機構解明に向けた現在の研究の問題点と4SEASONSが果たすべき役割を議論するため、11月にSPring-8との合同ワークショップ「量子ビームによる強相関系に関する研究会」、東北大学金属材料研究所との合同ワークショップ「高温超伝導体における特異な電子状態と物性」を開催した。1.4次元空間中性子探査装置(4SEASONS、「四季」)の建設平成18年度までの詳細検討により確定した基本仕様を元に、中性子ビーム輸送系、遮蔽体等の機器の実機製作が進捗し、分光器本体、遮蔽体の大部分等、一部の機器はビームポートへの据付が完了している。さらに、4SEASONSの目指すサイエンス、最終スペック、製作状況を国内外の研究会において発表することで、装置開発研究の専門家から広く意見を招請することができた。2.試料作成環境の構築と試料作成原子力機構においてはYBCO系高温超伝導体に加えて新たにHg系高温超伝導体単結晶育成環境の準備も始めた。東北大学ではLa214系、電子ドープ系に加えてBi2201系高温超伝導体単結晶などの単結晶作製が進んだ。

3.酸化物高温超伝導の実験研究国内外の中性子源施設において中性子散乱による酸化物高温超伝導体の実験研究を行い、電子ドープ型超伝導体における高エネルギー領域の磁気揺らぎの重要性を示すとともに、La214系アンダードープ試料での砂時計型磁気励起、Bi2201系での格子非整合な磁気ピークの存在などについて理解を深めることができた。さらに、YBCO系におけるフォノンのソフトニングと超伝導転移温度の相関についても重要な知見が得られた。4.研究会酸化物高温超伝導研究の研究概説、及びJ-PARCでの大強度パルス中性子源を念頭においた量子ビームによる研究計画について議論するため、2007年12月14-15日に第2回科研費特別推進研究・研究会「量子ビームによる高温超伝導機構の解明」を開催した。1. 4次元空間中性子探索装置(4SEASONS「四季」)の建設平成19年度に引き続き装置の建設・整備を進め、遮蔽体、中性子ガイド管、検出器の一部等主要機器の設置を完了した。これにより中性子ビームの受け入れが可能となり、中性子ビームを用いた装置調整を開始し、検出器調整、バックグラウンド測定、ビーム強度測定、中性子回折パターンの測定等を行った。2.試料作成環境の構築と試料作成原子力機構および産総研において鉄砒素系高温超伝導体PrFeAsO_<1-y>およびHg系銅酸化物高温超伝導体HgBa_2CuO_<5+δ>の単結晶育成を行った。前者については1mm角程度の板状結晶、後者については数mm角程度の大型良質単結晶の育成に成功した。一方、東北大学ではBi2201系高温超伝導体の大型単結晶育成が進み、フラックス法によるYBCOの単結晶の育成も開始した。3.酸化物高温超伝導の実験研究国内外の中性子源施設において酸化物高温超伝導体の実験を行った。Bi2201系では、初めて磁気揺らぎの観測に成功し、高エネルギー励起の存在、それらのドーピング依存性など重要な情報を得ることができた。LSCO系では、広い組成領域でFe置換によって磁気秩序が誘起されることを突き止め、超伝導の競合状態として非整合磁気秩序が普遍的に存在する可能性を示した。電子ドープ系銅酸化物では、電子ドープされた反強磁性磁気秩序相の磁気揺らぎを初めて観測できた。さらに、鉄砥素系高温超伝導体では、その母相LaFeAsOの粉末試料において2次元的なSDWのスピン相関に相当する磁気散乱ピークを観測し、それが正方晶の室温付近まで存在することを明らかにした。H21年度は、J-PARC中性子源のパワーは20kW(J-PARC目標パワーの1/50)であったが、四季の試験運転を始めた。これにより、バックグラウンド低減のための遮蔽の増強。チョッパーの位相回転テスト、検出器、データ集積系のテスト。データ集積ソフト、解析ソフトの試験と改良を行った。11月より、パワーが100kW(最終目標の1/10)に達し、本研究の第一の目標であった「四季」分光器の性能が同種の装置で世界トップレベルであることを確認した。しかしながら、H22年2月から5月まで、中性子源のトラブルで中性子ビームが出ないこととなった。一方、100kWの段階でかなりの成果が出せる見通しが確認できたので、より優れた成果を出すことと、本研究のまとめとして国際研究集会を開催することを意図し、研究期間をH22年度まで一年間延伸した。
超高速燃焼反応による新規複合アニオン化合物の合成

本研究では、我々が開発した塩化物とナトリウムアミドによる超高速な燃焼反応によるペロブスカイト型酸窒化物合成法を基盤に、この超高速な発熱反応を介して準安定な新規複合アニオン化合物の創出を目指す。本研究では瞬間的な発熱をともなう燃焼反応を用いて、複数のアニオン種を組み合わせた新規複合アニオン化合物の創出を行う。この燃焼反応では、発熱反応が一瞬で終わりそののち急速に冷却されるため、長時間の加熱による熱力学的な平衡反応では得られない準安定な複合アニオン化合物の合成が期待できる。学術的に重要な新規複合アニオン化合物合成だけではなく、超短時間合成へ道を切り開くという観点からも先駆的である。
粘弾塑性を考慮した鉄筋コンクリートシェルの耐力に関する研究

本研究では、鉄筋コンクリート構造物の劣化や耐震性能を評価するために、繰り返し荷重下におけるコンクリートの非線形挙動を精度よく追跡するための新しいコンクリート構成則(放射環状形格子モデル)の開発とその構成則を組み込んだ時刻暦応答解析プログラムおよび粘弾塑性解析プログラムの開発を行っている。本年度は、クリープ実験から得られたデータを利用し、現在開発中のコンクリート構成則を用いて解析を実施した。その結果、養生期間を十分取った試験体については、3要素Kelvinモデルを用いた格子モデルによる解析である程度クリープ特性を追跡することが可能であることが分かった。しかしながら、養生期間が短い場合、3要素Kelvinモデルでは、クリープ挙動を追跡することができず、養生期間によって粘性モデルの採用の仕方を検討しなければならないことが分かった。次に、本研究で開発したプログラムを鉄筋コンクリートクーリングタワーに適用し、風荷重による静定載荷時と地震荷重を想定した繰り返し載荷時における提案する弾塑性解析手法の妥当性の検討を行った。また、本プログラムの鉄筋コンクリートクーリングタワーの耐力推定への適用可能性についても併せて検討を行った。検討の結果、本手法は、静的載荷時でも繰り返し載荷時でも鉄筋コンクリートクーリングタワーの耐力推定をかなりの精度で行えることが確認できた。本研究では、シェル構造部のみを対象に解析を実施したが、実際の鉄筋コンクリートクーリングタワーの脚部はトラス構造である。今後は、より現実に近い解析モデルにより鉄筋コンクリートシェル構造物の耐力推定が行えるようにプログラムを改良し、更に研究を進めたい。本年度は、準動的に繰り返し荷重を受ける場合の解析プログラムの適用範囲の検討として、既存のクランクを有する耐震壁の実験に本格子モデルによる解析を適用した。実験結果と解析結果の比較より、実験の履歴ループの形状や変形性状を破壊に至る範囲まで良好に追跡できることを確認した。動的解析に関しては、本科研により変位計測用のCCDレーザー変位計を購入した。この変位計を使い、既存の振動試験機(サンエス社製)で振動実験を行った際に加速度および変位を同時に取り込むことが可能なシステムを構築し、変位に関して計測精度を検討した。検討の結果、研究対象とする構造物の変位を十分計測可能であることを確認した。また、弾性範囲内の基礎的な実験ではあるが、開発中のプログラムの妥当性を概ね確認することができた。次年度以降は、弾塑性域の応答性状の検討を行う。本年度は、粘性特性を検証するための圧縮および引張クリープ試験を実施する予定だったが、実験装置およびひずみ等の計測の環境の準備だけで終わってしまった。このクリープ特性に関しては、本年度環境の準備が整ったので、次年度に実施したいと考えている。本年度は、粘性特性を検証するための圧縮および引張クリープ試験をそれぞれ2体実施した。実験では、コンクリート打設からクリープ試験実施までの養生期間を40日と101日の2種類で行い、養生期間の違いによるクリープ特性を見た。また、養生期間40日の試験体の水セメント比は55%、養生期間101日の試験体の水セメント比は50%で実験を実施した。実験は、荷重を約3ヶ月間載荷し、1日に1度データロガーによりひずみデータを計測した。また、除荷後2週間程度計測を継続し、除荷時のクリープ特性も計測した。得られた実験データを利用し、現在開発中のコンクリート構成則を用いて解析を実施した。次年度もクリープ実験を継続し、さらに開発中のコンクリート構成則の検討を進めたい。

検討の結果、本手法は、静的載荷時でも繰り返し載荷時でも鉄筋コンクリートクーリングタワーの耐力推定をかなりの精度で行えることが確認できた。本研究では、シェル構造部のみを対象に解析を実施したが、実際の鉄筋コンクリートクーリングタワーの脚部はトラス構造である。今後は、より現実に近い解析モデルにより鉄筋コンクリートシェル構造物の耐力推定が行えるようにプログラムを改良し、更に研究を進めたい。
消化管における新しい機能調節素子としての線維芽細胞

線維芽細胞および関連する間質細胞は、多様性を持ち各臓器において固有の機能を担うことを検討した。消化管において筋層にはPDGF受容体αとSK3カリウムチャネルを発現する線維芽細胞とc-KitとTMEM16Aを発現する間質細胞(カハール介在細胞)、粘膜にはPDGF受容体αを発現する上皮下線維芽細胞(筋線維芽細胞)、粘膜下組織にはPDGF受容体αとCD34を発現する線維芽細胞が分布した。またサイトグロビンは広く線維芽細胞に発現することが明らかとなった。線維芽細胞の持つ臓器調節機能の解明を目指し、消化管におけるその分子形態学的基盤を明らかにする研究を遂行している。線維芽細胞は間質を埋め、結合組織を作る働きに加え、臓器機能、たとえば消化管運動の調節に関与する機能的細胞であるとの見地から本研究を進めている。線維芽細胞の分子基盤を求めるため、PDGF受容体α-EGFPマウスを用いて粘膜と筋層よりセルソーターにより線維芽細胞の分離と収集、および収集細胞から抽出したmRNAを用いたDNAマイクロアレイを行った。同時に線維芽細胞に発現する分子の文献的調査を行った。その中から線維芽細胞に発現量の多い分子としてサイトグロビンを取り上げ、ペプチド抗体を作製、免疫組織化学法によりマウス消化管での発現を詳細に解析した。サイトグロビンは粘膜内の線維芽細胞に広く発現すると共に筋層内の線維芽細胞にも発現した。カハール介在細胞や神経細胞の一部にも発現が見られたが、平滑筋細胞や血管内皮細胞には発現が見られなかった。線維芽細胞におけるサイトグロビンの発現は同細胞が組織内において酸素を始めとするガス代謝に関与することを示唆している。線維芽細胞の特性を探る中で類縁の細胞であるカハール介在細胞の消化管での分布を詳細に検討したところ、マウス盲腸筋層においてc-Kit陽性を示す平滑筋細胞を見いだした。同細胞はc-Kitと共にTMEM16Aを発現し、さらに平滑筋アクチンと平滑筋ミオシンを発現する細胞であった。電子顕微鏡による観察でも同細胞は平滑筋としての特徴を示していた。同細胞は周囲に神経要素が乏しくギャップ結合もないことから、筋層機能に直接関与する可能性は無いと考えられ、その機能的意義については今後さらに検討する。線維芽細胞の持つ臓器調節機能を明らかにすることを目的に、消化管におけるその分子形態学的基盤を明らかにする研究を遂行している。消化管筋層において線維芽細胞(fibroblast-like cells)の免疫学的表現型はPDGF受容体α、SK3カリウムチャネルを発現する細胞として明確に同定される。一方、消化管粘膜では上皮直下の線維芽細胞(筋線維芽細胞)はPDGF受容体α発現細胞、間質の線維芽細胞はPDGF受容体β発現細胞として同定されることが明らかとなった。また、線維芽細胞系に発現の知られるCD34およびサイトグロビンもこれら細胞に発現することが観察された。線維芽細胞の分子基盤を求めるため、PDGF受容体αーEGFPマウスを用いて粘膜と筋層よりセルソーターにより線維芽細胞の分離と収集、および収集細胞から抽出したmRNAを用いたDNAマイクロアレイを行った。今後、発現分子の解析とその意義について研究を進める予定である。消化管筋層の線維芽細胞はSK3カリウムチャネルを発現しプリン受容体mRNA発現とプリンシグナルに反応することから、抑制性神経伝達としてのATP受容を行っていると考えられている。興奮性神経伝達について検討を進めたところ、ムスカリン受容体性アセチルコリン受容体のうちM2およびM3サブタイプのmRNA発現およびM2受容体発現を観察し、加えて線維芽細胞周囲にコリン作動性神経終末(vesicular acetylcholine transporter)の発現を確認した。消化管における線維芽細胞を含む間質細胞の持つ臓器機能調節能を明らかにすることを目的として研究を遂行した。これまでの研究により消化管には様々な免疫化学的特徴を持つ線維芽細胞および間質細胞が分布することが明らかとなった。我々が明らかにした筋層線維芽細胞はPDGF受容体αとSK3を特異的に発現し、一方粘膜においてPDGF受容体α発現細胞は上皮下線維芽細胞(筋線維芽細胞)と粘膜下組織中の線維芽細胞であった。PDGF受容体α-EGFPマウスよりセルソーターにより調整した細胞のマイクロアレイ解析よりサイトグロビンに注目し、抗体作製と組織発現解析を進めた。サイトグロビンは消化管線維芽細胞に広く発現することが明らかとなった。消化管筋層における間質細胞としてカハール介在細胞が知られるが、同細胞におけるアセチルコリン神経伝達能についてムスカリン受容体欠損マウスによる解析を進めた。ムスカリン受容体M2およびM3欠損マウス消化管においてカハール介在細胞は正常と同じく分布した。

機能解析よりM2受容体が主体的に、M3受容体は調節的に消化管運動に関与することが明らかとなった。また、カハール介在細胞のマーカー分子c-KitにcopGFPをマーカーとするレポーターマウスの観察から、盲腸において新規平滑筋細胞を同定した。同細胞は平滑筋アクチンおよび平滑筋ミオシン発現を確認し、平滑筋で有りながらc-Kit分子を発現した。線維芽細胞は炎症病態において線維化等の病態に関与するため、発現分子解析を進め、上皮下線維芽細胞がテネイシンCを発現し上皮修復に関与することが明らかとなった。テネイシンCは正常組織においても線維芽細胞やカハール介在細胞が産生し間質を構成する分子で有ることも明らかにした。解剖線維芽細胞およびカハール介在細胞を同定可能なレポーターマウス(それぞれPDGF受容体α-EGFPマウスおよびc-Kit-copGFPマウス)が十分に繁殖し、前者のマウスから線維芽細胞の分取と解析を行うことが出来た。また、線維芽細胞を解析するためのサイトグロビン抗体を複数種の動物に免疫し精製し、解析に用いることが出来た。加えてPDGFシグナルやその他の発生シグナルに関与する分子のレポーターマウス等を導入繁殖しており、解析を進めているところである。消化管における線維芽細胞を同定するための基準(免疫組織化学的表現型、マーカー)が明らかになり、形態学的に研究を安定して行うことが出来るようになった。加えてレポーターマウス(PDGF受容体αーEGFPマウス、c-KitーcopGFPマウス)を利用できる環境が整ったことにより、細胞の分取解析が順調に進んでいる。c-KitーcopGFPマウスからカハール介在細胞を分取し解析することが本年は行うことが出来なかった。これまでに確立した手法と資材を用いて線維芽細胞の特性を詳細に明らかにする。これまでにDNAマイクロアレイを含む解析から、線維芽細胞に特徴的な分子を見いだしている。それら分子群の発現解析を抗体とレポーターマウスを用いて進める。またPDGFシグナルを用いた遺伝学的手法により線維芽細胞の除去を試みる。そのため現在動物を導入し繁殖中である。これまでに確立した手法を用いて線維芽細胞の特性をさらに明らかとする。特にCD34やサイトグロビンなどの線維芽細胞発現分子の詳細な解析を進める。また、発現分子の解析に本年出来なかったカハール介在細胞(c-KitーcopGFPマウスからカハール介在細胞を分取)を加えることで、消化管筋層の間質細胞2種類の異同をさらに明らかにする。両者の消化管運動における意義が明らかになれば、病態との関連について新たな視点をもたらしうると考える。導入予定の遺伝子改変マウスおよびダイヤモンドナイフを年度内に購入することが出来なかったため。前年度購入予定のマウスやナイフは次年度始めに購入予定が決まっている。加えて助成金全体として動物を始めとする研究資材の調達を行い年度内に使用する計画である。研究費としては動物の購入使用、および実験用消耗品の購入が主たるものとなる。
アルコ-ル性肝障害の成因における栄養学的背景に関する研究、1、アルコ-ル性脂質過酸化における糖質と脂肪の関与について

ラットを用いた実験において、低糖質食によってアルコ-ル性肝障害が増強されることが判明した。その一つの機構として、低糖質食→MEOSの活性亢進およびグルタチオンの減少→アルコ-ル代謝の亢進、活性代謝物の生成増大、解毒機能の低下→過酸化脂質や中性脂肪の蓄積→アルコ-ル性脂肪肝の促進、が推察された。このような現象が人間集団において観察されるか検討するために、男2165人(平均年齢は50.0±10.3)を対象として調査した。1.アルコ-ルの摂取の増加に伴いγ-GTP値が上昇した。各年齢別にみると、20歳代を除く各年齢におけるこの上昇は他の年齢層の上昇に比較するとゆるやかであった。アルコ-ル摂取量の増加に伴いGOTとGPT,GOT/GPT値トリグリセライド(TG)値およびHDL-コレスレロ-ルが上昇した。20歳代を除く全年齢層においてHDL/LDL比が減少した。しかし総コレスレロ-ルはアルコ-ルの影響を受けなかった。2.アルコ-ルの摂取量の増加に伴い炭水化物源の摂取量が減少した。しかし蛋白質と脂肪の摂取量はアルコ-ルの影響を僅か受けるのみであった。炭水化物、蛋白質および脂肪エネルギ-比はいずれもアルコ-ル摂取の増加に伴い減少したが、炭水化物エネルギ-比の減少は他の栄養素の減少に比較するとはるかに大きかった。3.20歳代において一般に糖質はγ-GTPと負の相関関係をもつが、30歳代においてはγ-GTPの上昇にたいする糖質の影響はあまり認められなかった。40歳代と50歳代においては一般にγ-GTPの上昇と糖質の間に負の相関関係が認められた。60歳代においてはγ-GTPの上昇と糖質の摂取との間に若干負の相関関係が認められた。一方蛋白質と脂肪は20歳代においてのみγ-GTPと正の相関関係を示した。以上より、糖質がアルコ-ル性肝障害の進展に影響を及ぼすが、蛋白質と脂肪の摂取はほとんど影響を与えないことが推察された。1糖質と肝薬物代謝酵素系:アルコールの摂取によってチトクロームPー450が増加し、アルコールのミクロソームにおける代謝(MEOS)が亢進した。この現象は低糖質食によって増強された。2糖質と肝過酸化脂質(MDA)、トリグリセライド(TG)およびグルタチオン(GSH):アルコールの摂取により肝のMDA値が増加し、その程度は低糖質食によって強められた。しかし血清中のMDA値はアルコールの影響をうけなかった。TGに関してはアルコールを低糖質食と共に与えた場合においてのみ増加した。病理標本を作成したところ、このTG値の結果に一致して、低糖質食と共にアルコールを与えた群においてのみ小葉中心領域に脂肪変性が認められた。一方肝のGSHはアルコールを低糖質食と共に与えた場合においてのみ減少した。このGSHの減少はアルコールを摂取したというよりも、糖質を減らしたことに起因することが明らかとなった。3糖質によるアルコール性過酸化脂質の生成の修飾に関する機構:低糖質によってミクロソームの過酸化脂質生成速度が増大した。

アルコールを低糖質食と共に摂取すると、この生成速度は一層進んだ。赤血球膜の溶血作用を過酸化脂質による細胞毒性の指標として検討したところ、アルコールを低糖質食と共に与えた場合、ミクロソームの赤血球溶血作用は最大であった。一方ミクロソームの赤血球溶血作用はGSHの添加により完全に阻止された。〔結論〕ラットを用いた実験において低糖質によってアルコール性肝障害が増強されることが判明した。その機構として、低糖質食→MEDSの活性亢進およびGSHの減少→アルコールの代謝亢進、活性代謝物(活性酸素、アセトアルデヒド等)の生成増大、解毒機能の低下→過酸化脂質、TGの蓄積増加→アルコール性肝障害の増強が推察された。従来糖質はエネルギー源としての重要性が主として知られているが、このようにある種の疾病の発現を左右する新らたな機能も有する。アルコ-ル性肝障害の成因における糖質の役割を、某健康センタ-においてヘルスチェックを受けた男2165人(平均年齢は50.0+10.3)を対象として調査した。1.アルコ-ル摂取と肝機能との関連性:1)アルコ-ルの摂取の増加に伴いγ-GTP値が上昇した。各年齢別にみると、20歳代を除く各年齢においてアルコ-ルの摂取量の増加に伴いγ-GTP値が上昇した。60歳代におけるこの上昇は他の年齢層の上昇に比較するとゆるやかであった。2)アルコ-ル摂取量の増加に伴いGOTとGPTおよびGOT/GPT値も上昇した。これらの上昇を年齢別にみると、それぞれ30-50歳代、40歳代、50-60歳代で有意であった。3)トリグリセライド(TG)値もアルコ-ル摂取の増加に伴い上昇した。このTGの変化を年齢別にみると、30-40歳代において有意に上昇していた。4)いずれの年代層においても、アルコ-ル摂取の増加に伴いHDL-コレステロ-ルが増加し、20歳代を除く全年齢層においてHDL/LDL比が減少した。しかし総コレステロ-ルはアルコ-ルの影響を受けなかった。2.アルコ-ル摂取と栄養摂取:アルコ-ルの摂取量の増加に伴い炭水化物源の摂取量が減少した。しかし蛋白質と脂肪の摂取量はアルコ-ルの影響を殆ど受けなかった。3.アルコ-ルによるγ-GTPの上昇と糖質摂取との関係:20歳代において一般に糖質はγ-GTPと負の相関関係を持つが、30歳代においてはγ-GTPの上昇に対する糖質の影響はあまり認められなかった。40歳代と50歳代においては一般にγ-GTPの上昇と糖質の間に負の相関関係が認められた。60歳代においてはγ-GTPの上昇と糖質の摂取との間に若干負の相関関係が認められた。一方蛋白質と脂肪は20歳代においてのみγ-GTPと性の相関関係を示した。以上より、糖質がアルコ-ル性肝障害の進展に影響を及ぼすことが伺えるが、蛋白質と脂肪の摂取はほとんど影響を与えないことが推察された。
ドリフト硬化型PCaRC造壁柱の開発と性能評価

本研究の概要は、壁柱断面の両端に集中配置したウルボン筋の定着長さと定着詳細をパラメータに取り、巨大地震動(再現周期1000年以上の地震動)に対して人命保護・損傷抑制・機能回復の耐震性能を併せ持つプレキャストコンクリート(PCaRC)壁柱の優れた耐震性能を実験的に明らかにしたうえ、高ドリフト硬化性と高修復性を併せ持つPCaRC壁柱の性能評価法、および修復性モデルを構築・提案することを行う研究である。
水泳選手におけるスイムエルゴメータを用いた高強度トレーニングの開発

水泳競技は下肢に比べ上肢から発揮されるパワーが推進力に大きく影響を及ぼすため,上肢筋群の高強度トレーニングが不可欠である.しかし,水泳は水中という特殊な環境で行われるため,水泳中の上肢筋群の大きなパワー出力が泳効率の低下をまねく可能性もある.本研究では,そのような弊害を最小限に抑えるために,水泳選手が実際に高強度トレーニングの一環として行なっている陸上でのスイムエルゴメータを用いたトレーニングに着目し,そのトレーニング負荷について検討することで,水泳選手の高強度トレーニングのガイドラインを作成することを目的とした.そのために,2018年度では,スイムエルゴメータや水泳中の筋電図測定に関する先行研究を収集し,情報収集を行なった.また,陸上でのスイムエルゴメータによる高強度トレーニング中の筋電図,および,水泳中の筋電図を測定した.さらに,陸上および水中におけるぞれぞれのストローク動作を分析するため,防水の自発光マーカーを用いて動作解析を行なった.そして,陸上でのスイムエルゴメータによる高強度トレーニング中における筋活動量や筋活動の順序性の側面から動作特性について検討した.全国大会出場レベルの大学男子競泳選手を対象に,ストローク頻度をコントロールした上で,10ストロークの全力運動を実施し,陸上でのスイムエルゴメータと水泳中の筋活動を精査した.その結果,陸上でのスイムエルゴメータによる高強度トレーニングは立位で実施するため,水泳中と比較して,上肢を挙上することにより僧帽筋の筋活動が優位になることが示された.本研究の目的を達成するために,水泳中の筋電図測定に関して,電極を装着した状態で全力泳を実施することに対する被験者の慣れや,電極を取り付ける際の防水加工技術を験者が習得する必要があった.また,筋電図測定と同時に,ストローク動作の測定も試みたが,水泡の影響で画像解析をすることが困難であった.以上のことから,予備実験を積み重ねることによって,試行錯誤しながら,防水テープの貼り方を工夫し,水中用の自発光マーカーを用いることでこれらの問題を解決することができた.以上のような状況から予定よりも遅れを生じているため,「やや遅れている」と判断した.2018年度に実施した陸上でのスイムエルゴメータによる高強度トレーニングは立位式のものであったが,立位姿勢でストローク動作を実施すると上肢を挙上するため水泳中に比べて僧帽筋の筋活動が優位になることが示された.そこで,陸上においてベンチ上に伏臥位姿勢をとるタイプのスイムエルゴメータを用いて高強度トレーニングで実施することで,立位式のものと同様に筋活動量や筋活動の順序性の側面から動作特性について検討し,それぞれのトレーニングに対するメリットやデメリットを調査する.さらに,陸上でのスイムエルゴメータによる高強度トレーニングの介入実験を行うことで,そのトレーニング効果を明らかにする予定である.水泳競技は下肢に比べ上肢から発揮されるパワーが推進力に大きく影響を及ぼすため,上肢筋群の高強度トレーニングが不可欠である.しかし,水泳は水中という特殊な環境で行われるため,水泳中の上肢筋群の大きなパワー出力が泳効率の低下をまねく可能性もある.本研究では,そのような弊害を最小限に抑えるために,水泳選手が実際に高強度トレーニングの一環として行なっている陸上でのスイムエルゴメータを用いたトレーニングに着目し,そのトレーニング負荷について検討することで,水泳選手の高強度トレーニングのガイドラインを作成することを目的とした.そのために,2018年度では,スイムエルゴメータや水泳中の筋電図測定に関する先行研究を収集し,情報収集を行なった.また,陸上でのスイムエルゴメータによる高強度トレーニング中の筋電図,および,水泳中の筋電図を測定した.さらに,陸上および水中におけるぞれぞれのストローク動作を分析するため,防水の自発光マーカーを用いて動作解析を行なった.そして,陸上でのスイムエルゴメータによる高強度トレーニング中における筋活動量や筋活動の順序性の側面から動作特性について検討した.全国大会出場レベルの大学男子競泳選手を対象に,ストローク頻度をコントロールした上で,10ストロークの全力運動を実施し,陸上でのスイムエルゴメータと水泳中の筋活動を精査した.その結果,陸上でのスイムエルゴメータによる高強度トレーニングは立位で実施するため,水泳中と比較して,上肢を挙上することにより僧帽筋の筋活動が優位になることが示された.本研究の目的を達成するために,水泳中の筋電図測定に関して,電極を装着した状態で全力泳を実施することに対する被験者の慣れや,電極を取り付ける際の防水加工技術を験者が習得する必要があった.また,筋電図測定と同時に,ストローク動作の測定も試みたが,水泡の影響で画像解析をすることが困難であった.以上のことから,予備実験を積み重ねることによって,試行錯誤しながら,防水テープの貼り方を工夫し,水中用の自発光マーカーを用いることでこれらの問題を解決することができた.以上のような状況から予定よりも遅れを生じているため,「やや遅れている」と判断した.2018年度に実施した陸上でのスイムエルゴメータによる高強度トレーニングは立位式のものであったが,立位姿勢でストローク動作を実施すると上肢を挙上するため水泳中に比べて僧帽筋の筋活動が優位になることが示された.そこで,陸上においてベンチ上に伏臥位姿勢をとるタイプのスイムエルゴメータを用いて高強度トレーニングで実施することで,立位式のものと同様に筋活動量や筋活動の順序性の側面から動作特性について検討し,それぞれのトレーニングに対するメリットやデメリットを調査する.

さらに,陸上でのスイムエルゴメータによる高強度トレーニングの介入実験を行うことで,そのトレーニング効果を明らかにする予定である.実験の遅れにより,予定していた学会発表および研究打ち合わせができずに,次年度使用額が生じた.
ラットを用いたサイクロスポリA誘発性歯肉増殖症におけるインテグリンに関する研究

免疫抑制剤サイクロスポリンA(CsA)の副作用として歯肉増殖症が知られている。炎症の有無に関係なく増殖症を誘発するCsA誘発性歯肉増殖症ラットモデルを用いて,歯肉結合識の主成分であるI型コラーゲンの合成と分解について検討した(J Cell Physiol182:351-358,2000)。発症機構として,線維芽細胞によるI型コラーゲンのファゴサイトーシス抑制を介した同線維の分解抑制の可能性を明らかにした。細胞膜上ではα2β1インテグリンがI型コラーゲンのレセプターとして存在し,ファゴサイトーシスにおいても同線維のインテグリンへの結合により細胞内へ取り込まれると考えられる。更にファゴサイトーシスは,抗α2インテグリン抗体による抑制がin vitroで報告されており,増殖症の発症過程においてもインテグリンの関与が考えられる。我々は,同ラットモデルを用いてα2インテグリンの発現を検討し,発症機構におけるα2インテグリンの役割を考察した。肉眼的歯肉増殖前のCsA投与8日目及び増殖後のCsA投与30日目の歯肉から,線維芽細胞を分離培養し以下の結果を得た。線維芽細胞のコラーゲンファゴサイトーシスは,CsA投与により8日目では対照群の1/8,30日では1/3に抑制され,細胞膜上でのα2インテグリン発現も蛍光顕微鏡上で抑制が確認された。更にFACS解析でCsA8日間投与群で25.1±6.1,対照群は50.7±6.3%となり,CsA30日間投与群では51.1±2.5,対照群で67.0±5.5となり,8日及び30日の双方においてCsA投与によりα2インテグリンの発現が抑制された。α2インテグリンmRNAの発現もRT-PCR法により抑制が認められ,以上の結果CsA誘発性歯肉増殖症はα2インテグリンを介するコラーゲンファゴサイトーシスの抑制により発現する可能性が示唆された。サイクロスポリンA(CsA)誘発生歯肉増殖症の発症機構として,我々はラットモデルをて,線維芽細胞によるコラーゲンファゴサイトーシスの抑制が,発症に重要な役割を果たすことを明らかにした。ところで,α2β1インテグリンは線維芽細胞上にてI型コラーゲンのレセプターとして働き,更に線維芽細胞のコラーゲンファゴサイトーシスはα2インテグリンにより制御されることが報告されている。そこで,CsA誘発性歯肉増殖症において,線維芽細胞上のα2インテグリンの発現レベルをラットモデルを用いて測定し,コラーゲンファゴサイトーシスの抑制とα2インテグリン発現レベルとの相間を検討した。8日及び30日間CsA投与ラット下顎大臼歯部歯肉から、線維芽細胞を分離培養しFITCラベルしたコラーゲン処理ラテックスビーズの細胞内への取り込みをFACScanにて測定した。その結果、8日及び30日間CsA投与群においては、2.0±1.0%及び9.9±1.5%を示す一方、コントロール群では13.0±1.0%及び33.3±4.9%の細胞がファゴサイトーシス能を有しており、CsA投与により特にCsA投与初期の段階でファゴサイトーシス能が著しく抑制されることが示された。FITCラベルした抗ラットα2インテグリン抗体を用いて、同線維芽細胞を抗体染色し蛍光顕微鏡にて観察すると、CsA投与群

由来細胞はそれぞれコントロール群よりも染色程度は弱く、さらにFACScanにてその蛍光強度を測定すると8日及び30日間CsA投与群由来線維芽細胞の強度は、25.1±6.1、51.1±2.5を示すのに対し、コントロール群では50.7±6.3及び67.0±5.5を示し、双方の時期において細胞上のα2インテグリンの発現は抑制されていた。このようにα2インテグリンの発現抑制により、線維芽細胞によるI型コラーゲンの認識とそのファゴサイトーシスを抑制することにより、歯肉結合識中にコラーゲン線維が蓄積することにより歯肉増殖が発症する可能性が示唆された。免疫抑制剤サイクロスポリンA(CsA)の副作用として歯肉増殖症が知られている。炎症の有無に関係なく増殖症を誘発するCsA誘発性歯肉増殖症ラットモデルを用いて,歯肉結合識の主成分であるI型コラーゲンの合成と分解について検討した(J Cell Physiol 182:351-358,2000)。発症機構として,線維芽細胞によるI型コラーゲンのファゴサイトーシス抑制を介した同線維の分解抑制の可能性を報告している。細胞膜上ではα2β1インテグリンがI型コラーゲンのレセプターとして存在し,ファゴサイトーシスにおいても同線維のインテグリンへの結合により細胞内へ取り込まれると考えられる。更にファゴサイトーシスは,抗α2インテグリン抗体による抑制がin vitroで報告されており,増殖症の発症過程においてもインテグリンの関与が考えられる。前年度,我々はラットモデルを用いて歯肉線維芽細胞を分離培養し,肉眼的歯肉増殖の確認される前から(CsA投与8日間)コラーゲンファゴサイトーシスが抑制されること,そして細胞膜上でのα2インテグリン発現も抑制されることを蛍光顕微鏡上で確認している。そこで,以下のようにα2インテグリンの発現レベルを蛋白レベルで定量化するとともに,mRNAの発現についても検討した。FACS解析でCsA8日間投与群で25.1±6.1,対照群は50.7±6.3%となり,CsA30日間投与群では51.1±2.5,対照群で67.0±5.5となり,8日及び30日の双方においてCsA投与によりα2インテグリンの発現が抑制された。α2インテグリンmRNAの発現もRT-PCR法により抑制が認められ,以上の結果CsA誘発性歯肉増殖症はα2インテグリンを介するコラーゲンファゴサイトーシスの抑制により発現する可能性が示唆された。
実海域適応型船首形状に関する研究

高い実海域性能を有する船首形状設計の指針を得ると共に、実海域において最適な船体形状を得るための新たな計算手法を開発することを目的に、水槽実験および計算手法の開発を行った。パナマックスバルクキャリアの水槽試験を実施し、波浪中抵抗増加の実験値を取得した。また船首部での流体挙動の様子をビデオ撮影し入射波の散乱やスプレイ現象に関する知見を得た。さらに船首部形状の違いによるローカルな波の攪乱とスプレイ現象を調べるために粒子法による水波の計算手法を開発した。これまでの波浪中抵抗増加の研究では、船体から遠方の波浪場の解析から抵抗増加量を理論的に求める方法が主流であるが、この方法では船首の局所的な形状が抵抗増加に及ぼす影響を直接的に評価することが困難であり、船首形状の設計に対する指針が得られ難いという問題があった。本研究では遠方の波浪場ではなく船首近傍の非線形流場に着目し、数値シミュレーションにより船首部形状の違いによるローカルな波の攪乱と放射を調べることで、波浪中において波の攪乱と放射ができるだけ小さい船首形状を得ようとするものである。本年度はパナマックスバルクキャリアを対象に水槽試験を実施し波浪中抵抗の実験データを得た。流体挙動の様子をビデオ撮影し、船首部での入射波の散乱やスプレイ現象に関する知見を得た。また実験データの解析プログラムを3本開発しプログラム登録した。これらの実験データと解析プログラムは、数値計算結果の検証と物理現象の解明のために必要であり重要である。また船首部形状の違いによるローカルな波の攪乱と放射を調べるために計算プログラムを開発した。本プログラムは数値計算手法の一つであるMPS法を用いた非線形流体計算コードである。本コード開発の際に、計算領域の外部境界における非物理的な反射波が低減する境界条件モデルを開発した。また左右対称な現象を効率良く計算するために、計算領域の左舷または右舷方向の領域のみ計算する機能を付加した。これらの研究成果は、平成21年度の5月に開催される日本船舶海洋工学会講演会と計算工学会講演会で発表することになっている。本年度は、船舶の波浪中抵抗増加を新しい数値計算法である粒子法を用いて数値解析するために、粒子法のための水波の透過境界条件を開発した。粒子法や有限差分法などの数値解析手法では計算量の理由から無限遠方までの計算領域を扱うことは困難であり計算領域を有限で打ち切らねばならず、遠方への波の放射現象を計算する際には何らかの波の透過境界条件もしくは波の減衰境界を用いる必要がある。粒子法では一般に空間解像度を可変にすることは容易ではなく、差分法などのように高粘性場による波の減衰領域を粗い解像度で解くことが難しく、高粘性場を設けることによる計算量の増大が負担になる。そこで本研究では粒子法のための高粘性場を用いない波の透過境界条件を開発した。吸収式造波機の原理を数値計算に応用し、波の透過境界前面部の水位を取得し、線形の進行波として入射波の周波数成分を求め、その情報を基に境界部の粒子を運動させた。開発した境界条件を検証するために、進行波の伝播の計算を波周期が1.00[sec]と0.83[sec]の場合で行った。提案した波の透過境界条件を用いた計算結果を、従来手法である高粘性領域によって反射波を抑制する場合と比較した。その結果、本手法の計算結果は高粘性領域を用いた方法と同様に進行波を透過し、反射波を抑制できることが示された。また高粘性領域による手法に比べて計算領域を小さくすることができ計算量と計算時間を削減できることを確認した。本方法により粒子法による水波の計算が従来と比べて高解像度でかつ短時間で実施可能にした。本研究成果は波浪中抵抗増加を低減する船首形状の設計指針を得るための数値シミュレーションを実用化に近づけるものである。これらの成果は日本船舶海洋工学会論文集に投稿し既に掲載が決定している。また平成22年度の日本船舶海洋工学会春季講演会においても発表する。
ストリーミング配信を利用した遠隔教育環境の構成に関する研究

学校において児童・生徒が、取材活動など学習の過程において、あるいは学習の成果をまとめる手段としてビデオカメラや編集機器を活用し、映像を制作するする活動は、これまでにおいても視聴覚教育の一環、あるいはメディア・リテラシー育成の取り組みとして広く行われてきた。このような映像制作環境は従来、機器が高価、編集作業にかかる時間、機器のメンテナンスに必要な手間、磁気テープの劣化など、どの学校においても気軽に利用できるというものではなかった。しかしながら、映像分野におけるデジタル技術の発展で、この状況は急速に改善されつつある。本研究を行うにあたって、日常的な学習場面で利用可能な映像編集・保存環境およびストリーミング技術による映像配信環境を準備した。また、小学校6年を対象としたナレーション朗読の実践において、児童自身によるナレーションの録画と編集・視聴を組み入れ、映像制作を通じたメディア・リテラシー的な力の育成を図った。ストリーミングサーバおよびディレクトリサーバを中心とするデジタル映像の制作・編集環境を準備し、小学校6年の国語科において、自らが行う物語のナレーションを自分で撮影し編集、相互に視聴・検討し、互いのナレーションをつないでひとつの作品に仕上げる活動を通じて、質的観察およびアンケート調査の結果から、メディアリテラシー的な力が児童に養われていることが明らかとなった。総合的な学習の時間などは学校や地域ならではのオリジナルな知識・学習成果を生み出し継承する絶好の機会であるが、学校図書館を利用した学習成果の保存・検索とあわせ、本研究で利用したデジタルによる編集・保存・視聴環境を整え、それらを活用する経験を持たせることにより、深い学習が可能となった。また、学校で独自の教材をつくり遠隔教育に利用したり、児童・生徒が独自の学習教材を作り、ストリーミングによる遠隔教育やeラーニング化などを行うため、学校外のストリーミングサーバをリレーさせることで学校外への配信が可能となることも明らかとなった。本研究の具体的目的として、・教育対象・規模に応じたストリーミング配信環境のモデル化・学習者からのフィードバック方法の検討・複雑な予備知識なく教育コンテンツを容易に発信できるような機材・技術及び使用法のパッケージ化・学校の教室など、小規模な集団におけるストリーミングを利用した情報発信支援を設定している。本年度はまずシステム環境に関する基礎的検討として、本学附属小学校をモデルとし、ストリーミングサーバの設置および映像作成環境の整備を行った。ここでは映像製作を利用した学習成果のとりまとめと、その継承を行っており、映像コンテンツ作成に関するカリキュラムの再検討、学習成果の継承のために必要な枠組みとして、学校図書室における不学校独自の学習成果のデジタル化とそれに必要な成果分類の方法に関する検討を行っている。また、コンテンツ作成や保存・発信に必要な現場教員のためのマニュアル作成、操作等の研修内容の検討を進めている。その上で、校内ネットワークにおける映像の伝達と利用に必要な環境の構成と運用に必要な知見をまとめる予定である。また、これと関連して学習の様子やデジタル化された学習成果を保護者に対して提供し、さらに学校と保護者の連携を日常的かつ密なものとするためのデジタルコミュニケーション手段に関する実践と検討を行った。またこれらの成果を、日本教育工学会第19回全国大会において発表した。最終目的は社会人教育であるが、現在本学では全学規模でのeラーニングに関する検討が進められている。それを踏まえた上で附属小学校等において得られた知見を、社会人や大学院生に対する教育を進める上で役立つものとなるよう次年度においてまとめていく予定である。