Discovery Sagaサイレントキーワード俯瞰

軸索輸送 / 細胞内混雑 / キネシン / ゆらぎ / 拡散 / 非平衡 / 揺らぎ / 一分子追跡 / 温度 / ブラウン運動

従来のin vitroでの力学的特性からは細胞内の小胞の運動特性が説明できない。細胞内で輸送される小胞に働く力を計測する手法の開発した結果、細胞内を輸送される小胞には、in vitroの約1000倍もの粘性抵抗を受けていることが示された。しかし、小胞輸送の速度は、細胞内の方が、1000倍もの負荷を受けながら、むしろ速く、ときには4倍以上の速度に達する。細胞内の混雑環境がstaticな混雑環境ではなく、細胞内でのエネルギー消費にともなってactiveに揺らぐ非平衡環境であるためではないかと考え、これを定量的に計測することを目標として、その指標である「非平衡温度」の計測のための技術開発を行った。

神経細胞の軸索輸送の速度の低下は、さまざまな神経変性疾患の発症に関係している。一方、細胞の中は満員電車並みの混雑環境であり、in vitroの1000倍もの負荷がかかっているにもかかわらず、健康な神経細胞での輸送速度はin vitroの4倍に達する。本研究では、そのメカニズムの候補として、細胞内のアクティブなゆらぎに注目し、その定量的な計測方法の開発に取り組んだ。このような計測によって、「細胞の元気さ」を定量化できる可能性が期待される。

非平衡 / 揺らぎ / 厳密解 / 非平衡統計力学 / KPZ普遍性 / ランダム行列 / 流体力学 / 非平衡揺らぎ / 揺らぐ流体力学 / 排他過程 / 頂点模型 / 大偏差

可積分な構造を持つ非平衡統計力学模型に関する理解を深めるいくつかの成果を得た。まず1次元Kardar-Parisi- Zhang(KPZ)普遍性クラスに属するモデルに対して、従来あった問題点を解決する新たな解析法を開発した。特にKPZクラスに属する多くのモデルを特別な場合や極限的な場合として含む確率的6頂点模型と呼ばれるモデルに適用した。また、これまで１成分系に対してのみ行われてきた計算を、AHRモデルと呼ばれる多成分系に拡張することに成功した。さらに、量子スピン鎖におけるスピン流の揺らぎに関する研究も行い、ランダム行列理論と関係が深いことを見いだした。

まずKPZ系に対して開発した新手法は、従来の手法にあった発散の問題が回避されており多くのモデル系に対して統一的に適用することが可能であり、近年進展が著しい可積分確率と呼ばれる分野における重要な貢献である。また多成分系に対する手法の一般化と普遍揺らぎを決定したことは、可積分非平衡系の手法の適用範囲を大いに広げ今後の発展性が高いものであるとともに、揺らぐ流体力学と呼ばれる有効理論の予言をミクロな計算から検証する最初の例も与えるものであった。さらに、量子スピン系に対するカレント揺らぎの決定とランダム行列理論との関係の発見は、新奇性が高く今後様々な方向への拡張、応用が期待される。

有限温度 / 非平衡 / 場の理論 / 揺らぎ / 第一原理 / 局所平衡 / ゆらぎ / リプロン / 統計力学

本研究においては,有限温度の非平衡状況における系の物理的な振る舞いを第一原理より理論的に解析しました.特に,物理量に系の大きさへの依存性がある物理系から依存性が無い系へと連続的な変化を分析しました.また,三井隆久氏とともに様々な物体の表面やガスの有限温度の揺らぎを原子レベルで実験的に測定し,その理解を理論的にも検証しました.これらの測定は我々の新たな測定法の開発を経て初めて可能になったものです.

非平衡 / 非線形 / ゆらぎ / 相変化 / 相制御 / 相転移ダイナミクス / 光励起 / フェムト秒ダイナミクス / 閾値特性 / 孵化時間 / 多成分系 / 流体 / 非平衡系 / 相転移 / 反応・拡散系 / 揺らぎ / 非平衡熱力学 / 光誘起相転移

エネルギーや物質が持続的に注入、除去されている非平衡系においては、系固有の非線形性との結合によって、様々な巨視的かつ動的な現象が発生する。これはナノ・ミクロスケールで発生したゆらぎが、マクロスケールなものへと成長した結果である。本研究は、光、熱、圧力、物質注入によって生ずる非平衡状態に焦点を絞り、その動的過程の追跡、解析を理論的、実験的に行うことを目的とした。本年度得られた成果は以下の通りである。まず理論面では、非平衡条件における化学反応系に関して、変分法が重力、さらには一般のホテンシャル場における反応拡散系に拡張することが可能であることを明らかにすることが出来た。さらに、光分解によって生じたラジカルの再結合反応において、外部磁場ならびに内部の磁場揺らぎの効果について理論的に考察することも可能となった。実験面では、誘電、光学特性、磁性、構造の変化を伴った可逆相転移が、温度、磁場、電場、光刺激等で発生することを確認することに成功した。例えば、中性状態とイオン性状態のエネルギーレベルがほとんど縮退しているCT錯体結晶では、温度降下や加圧によって両状態間の転移(中性-イオン性相転移)が発生する。本研究では、電荷の移動量を制御することによって、長距離クーロン相互作用と電子-格子相互作用が協調する環境を創り出すと、強誘電的な変化を伴った相転移が発現することを明らかにした。さらに、100フェムト秒パルス幅を持ったレーザー光励起によってこの中性-イオン性相転移が引き起こせることや、発生機構が電荷移動励起子状態の凝縮として解釈できることも理論的解析によって明らかとなった。

【研究分担者】
石川忠彦	東京工業大学	大学院・理工学研究科	助手	(Kakenデータベース)
北原和夫	国際基督教大学	理学部	教授	(Kakenデータベース)
BEDEAUX Dick	LEIDEN UNIVERSITY, PROFESSOR
BEDEAUX Dick	ライデン大学	ゴルウエス研究所	教授