サイエンスジャーナル

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震災時のトイレは大丈夫?携帯トイレに見る工夫 このエントリーをはてなブックマークに追加  

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職場で震災時の対応のしかたについて、講習会があった。

もし、職場で阪神淡路大震災級の大地震がおきたらどう対応したらよいか?という内容のものだった。話をしてくれた方が近くの消防署の方であった。

一番印象に残ったのが、阪神淡路大震災の時の体験談だった。あのときは各地の消防隊員が、救援作業を手伝ったそうだ。

実務としては、瓦礫の下敷きになった数体の遺体を回収したということである。特に印象的だったのが、災害避難所のトイレの話であった。

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被災地では盗難や暴行が起きた。避難所のまわりには被災物資を載せた車が集まっていた。物はあるのだが保管する場所がない、配る人がいない。

避難所では温かい食べ物、カップラーメンなどが役に立った。一番困ったのはトイレの問題だった。避難した約22万人がわずかな数のトイレに殺到。トイレはたちまち機能不全になった。

実際に大震災がきて、水道が完全に復旧したのは約2ヶ月後のことだったという。水道が使えなければ飲み水がない。洗濯、料理はできない。風呂、水洗トイレは使えない。基本的な生活のほとんどに水が関係するのに驚く。

どうやら災害時に携帯式トイレの準備は必要である。今日は「災害時のトイレ」「携帯トイレ」について調べたい。

阪神大震災でのトイレの実情


阪神・淡路大震災において実は水が出なくて一番困ったのは、トイレでした。断水が原因ですが、神戸市では、「仮設トイレ対策本部」が設置されたほど、大問題でした。そして避難所ではトイレをめぐっては、次のようなさまざまな困難な状況がみられました。

はじめは便のてんこ盛りがあちらこちらにできた。その後は穴を掘ったり、プールから水を運んだり、新聞の上にしてビニール袋に入れたりと工夫がなされた。

神戸市で全避難所に仮設トイレが設置されたのは約2週間後と時間がかかった。高齢者や身体障がい者は、ところ狭しと避難所に人が集まるなか、人ごみをかきわけてトイレに立つが、寒くて長い時間並ぶことが大変だったり、多くは和式で手すりがなかったり段差があり狭いなど使いにくく、トイレを我慢する傾向が出てくる。

なかにはトイレに行く回数を少なくしようと、ようやく手にした少ない飲食さえも控えるようになり、衰弱する人まで出た(水をとらないと、人は脱水症状を起こしたり、血液が凝固し、脳疾患や心疾患になることもあり、大変危険です) 。

神戸市では75人に1基の割合で設置して、ようやくトイレに関する苦情がほとんどなくなる。

くみ取り式トイレの使い方がわからず、汚物が少しでもたまると申告してくる人もいたため、使用法に関するチラシが作られた。

バキュームカーを自治体はあまり持っておらず、被災地外から応援をうけた。仮設トイレの設置場所の把握にも困難があった。

後に高齢者や病人がいる家には、ポータブルトイレが提供された。在宅被災者は、断水で大量のトイレ用水の確保に苦慮。ボランティア頼みになったり、あまりの重労働に体を壊したり、あるいは貴重な飲料水まで使用したといった苦労もあったとされる 。

神戸市では、効率的な収集作業を行うべく、垂水下水処理場及びポートアイランド下水処理場にし尿を直接投入した。

このように、トイレ問題は本当に切実でしたが、これは避難所に限ることではありません。仮に下水管が破損していなくて水があれば流せますが、その際でも配管が詰らないよう、使った紙はビニール袋に入れてため、少量の水で流せるようにするといった工夫が必要です。

また、水の利用ができない場合に備えて、各戸で家庭用の携帯トイレを購入しておいたり、既存の便器や頑丈な段ボール等に、大きなビニール袋を2〜3重にかけ新聞紙や紙、紙おむつなどを敷いて吸収できるようにして使用したり、庭に穴を掘って使うといった工夫も求められます。

毎回、処理するのではなく消臭剤をかけながら少したまったら袋をしばって、上・下水道の復旧が再開されるまでの間、各戸で外に保管するといったことも必要です。

みなが一斉に下水道の復旧前に流したり、ゴミ捨て場に無造作に置いたりすると、時間がたつうちに雨が降って流れ出るなど、不衛生になり伝染病等がまんえんする元にもなりますので、みなさんの協力が必要となります。(減災どっとこむより引用

各市町村ではどれだけトイレの準備をしているか?


平成7年10月に全国の市と特別区を対象に、日本トイレ協会が実施したアンケート調査の速報結果によると...。

�@防災計画の中でのトイレの位置付け
防災計画の中で、仮設トイレの設置や汲取りの手配など、トイレについての位置付けがなされていると回答した自治体は34団体、22.5%、応急救援物資のひとつとしてトイレのことを考慮している自治体は21団体、13.9%であった。

一方、位置付けされていない自治体は58団体あったが、検討中と回答したところが30団体あった。

�A災害用トイレの備蓄
災害用トイレとして、組み立て式のトイレが数社で製造されている。こうしたトイレを備蓄している自治体は24団体、15.9%であった。備蓄していない自治体は98団体、64.9%で、その理由としては、トイレのことを真剣に考えていなかったと回答した自治体が大半であった。

大量に備蓄している例としては、東京都の特別区がある。多いところでは4000基を越えており、人口約150人に1基の割合となる。

�Bトイレ用品の備蓄
おむつ、トイレットペーパーなどトイレに関連するものの備蓄状況もおそまつである。

備蓄していない自治体が92団体、63%であった。備蓄しているものとしては、トイレットペーパーが17団体、11.6%、子供用紙おむつが12団体、8.2%などどなっている。

神戸における経験では、デッキブラシ、ゴム手袋、棒タワシなど、仮設トイレの清掃用具の必要性が高かった。こうしたものの備蓄も考慮しておく必要がありそうである。

�C災害に備えてのトイレの工夫
災害に備えて、公共トイレ等の工夫をしている自治体は8団体であった。うち7団体は、汲み取りトイレを一部残す対策をとっており、1団体は公共トイレを非常時には汲み取りトイレとして使えるように工夫している。 ただし、このような対策はごく一部のトイレについて行なわれているだけである。

�D災害時のトイレ対策マニュアル
ソフト面での対策として、緊急時にトイレの破損や故障への対応、「応急トイレ」づくりなどのマニュアル作成についてたずねたところ、すでに作成している自治体が4団体、2.7%、検討中が12団体、8.1%あった。よいものがあれば参考にして作りたいと答えた自治体が69団体、46.6%あった。

以上のような結果から、ごく一部の自治体をのぞいて災害時のトイレ対策を講じているところはきわめて少ないということが言える。しかし一方では、阪神大震災の教訓から自治体の関心は高まっている。(日本のトイレ問題 阪神大震災とトイレより引用)

携帯・簡易トイレとはどんな物か?
簡易トイレは排泄物をそのまま吸水凝固する、紙おむつのようなシートタイプのものと、後から高分子吸水材を混ぜて固めてしまうものがある。

シートタイプ 

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高分子吸収材タイプ 

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世界遺産を微生物で守れ!アンコール遺跡、富士山にバイオトイレ このエントリーをはてなブックマークに追加  

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富士山が世界遺産の国内暫定リストに登録された。

前回、世界遺産の暫定リストに登録されたときは、ユネスコの現地調査のあとの審議で却下された。

その理由が「ごみやし尿汚染を解決しなければ、登録は困難」ということだった。

世界遺産になるような所は、美しい場所が多いので観光客が多い。これは富士山だけでなく、すでに世界遺産に登録されたところも同様で、カンボジアのアンコール遺跡では観光客の増加のためにトイレ不足になっている。し尿が処理しきれず、水質汚染が起こっているという

どうやって解決したらよいだろう?

くみ取り式ではとても全部回収しきれないし、臭いがすごい。水洗トイレでは水をひかなくてはならないし、水代がかかるし排水設備も必要になる。

     
丸山動物園のバイオトイレ        さわれるの? 最後は肥料に!

そこで出てきたのが、「バイオトイレ」である。このトイレ、水がいらないから、水代がかからなく安価である。しかも、臭いがしない。有機肥料ができる。など、いいとこばかりのトイレである。アンコール遺跡には、環境NPO法人のグラウンドワーク(GW)三島が「バイオトイレ」を寄贈することになった。富士山ではすでに運用されている。

「バイオトイレ」に必要なのは、「おがくず」と「撹拌装置」だけだという。いったいどうして臭いがしないのか?何で水がいらないか?なぜ大量のし尿を処理できるのか?

2005年、正和電工(株)のバイオトイレが第32回環境賞環境大臣賞・優秀賞を受賞した。2006年、東陽綱業(株)のバイオトイレが環境省平成18年度環境技術実証モデル事業で運用中である。

今日はバイオトイレについて調べる。(参考HP 正和電工(株) GW三島

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アンコール遺跡、微生物で守れ 水質悪化にバイオトイレ


トイレ不足に悩むカンボジアの世界遺産・アンコール遺跡群に、静岡県三島市の環境NPO法人のグラウンドワーク(GW)三島が汚水を出さないバイオトイレを贈ることになった。遺跡を管理する同国政府機関と合意し、5月の設置を目指す。遺跡群周辺では、観光客の急増でトイレが不足、地下水汚染などを引き起こしている。GW三島は「環境改善につなげたい」と話している。

アンコール地域遺跡保護管理機構(アプサラ機構)の説明では、遺跡群内のトイレは11カ所。水洗に使う水は井戸から発電機でくみあげているが、し尿はくみ取り式。業者がバキュームカーで郊外の処理場へ運搬しているが、運び切れていないという。今後トイレを7カ所増設予定だが、年間の観光客は約120万人で、毎年20〜25%ずつ増えているという。周辺はホテルの建設ラッシュが続き、生活排水の増加で近くの川やトンレサップ湖の水質悪化が進んでいる。

バイオトイレは「東陽綱業」(大阪府吹田市)が開発した1基(2人用)で、500万円。1日の処理能力は約400人分。杉チップに含まれるバクテリアの働きでし尿を水と窒素ガスに分解し、出た水を洗浄用に再利用する自己完結型で、においもない。

GW三島は環境省の委託で、富士宮市の白糸の滝にこのバイオトイレを設置し、し尿処理能力などを調べている。昨年10月、シンポジウムのために来日した同機構のクンニェイ第2遺跡局長がこれを知り、視察。効果に注目し、具体化した。

GW三島の渡辺豊博事務局長は「多くの人にカンボジアの現状を知ってもらうためにも、国内からボランティアを募って設置したい」と話している。(asahi.com 2007年02月26日)

バイオトイレとは何か?


近年ではバイオトイレと呼ばれる新たな仕組みのトイレが注目されている。 仕組みは単純で、便槽の中におがくずを詰め込んであり、攪拌することで排泄された糞尿をオガクズの中に住み込んでいる好気性のバクテリアが分解し、最終的には土と水のみが生成されるものである。

このトイレの利点は、汚物を蓄積しないことで悪臭が発生しない点、そして水洗式でないために、保温用、攪拌用の電源さえあれば、どんな場所にでも設置できるという点である。 現行の水洗トイレもおがくずやチップを用いたドライトイレも、水循環式トイレも、化学処理や燃焼処理に頼らずに、生物の力でし尿を処理しているという点で、すべてがバイオトイレの範躊にある。

富士山の頂上・8合目・5合目やサハリンの天然ガス開発現場、南極昭和基地、旭川の旭山動物園、各地の公園、工事現場などで活躍中である。正和電工(株)のバイオトイレは第32回環境賞環境大臣賞・優秀賞を受賞している。

バイオトイレの特色

バイオトイレの特色は、(1)水を使わない(省エネ・水環境の保全に貢献)、(2)臭わない(快適空間の創造)。(3)くみ取り不要(省エネ・無臭)、(4)し尿が資源化される(資源循環・バイオマス廃棄物の資源化)、(5)生ゴミを同時に処理できる(複合処理)、(6)水環境の保全に貢献(環境浄化)、(7)取り付け簡単(簡便性)、(8)移動可能(広域利用)、(9)イベント時や災害時に強い(備蓄・レンタル対象)、(10)ベッドの脇に置ける(介護用・高齢者社会への対応)、(11)水洗トイレ方式に比べ安価(省エネ・インフラ投資の軽減)、(12)病原菌などの死滅(安全性)などの諸特性を有する地球環境に優しい21世紀のトイレである。

なぜ水がいらないか?


希釈廃棄から濃縮資源化へ

水洗トイレでは、多量の水でし尿を薄めて、分解しやすくするのがねらいである。しかし、し尿の大部分は水分であるから、これを有効利用する方がよい。バクテリアで分解すべき対象の固形分は、たかだか4〜5%に過ぎない。

もともと水っぽいし尿を、その50倍以上の水道水で下水処理場に運搬する水洗トイレは、希釈・排棄気型トイレであると言え、水資源が不足気味な昨今では問題があった。

地球規模での水資源の保全を考えるとき、水を使わないトイレは、時代の要請でもある。この点、おがくずは、臭気を発生させずにし尿から水分を蒸発除去するのに優れた資材であり、バイオトイレの主役である。21世紀はバイオトイレの需要度、重要度が高まるであろう。

なぜ臭いがしないのか?


くみ取り式のトイレの臭さには閉口するが、この臭さは、糞と尿とが同じ容器で混合・貯蔵され、十分に空気に触れていないことに原因がある。嫌気状態では、糞に含まれていた嫌気性バクテリアが増殖し酵素ウリアーゼを生産する。このウリアーゼが尿中に含まれていた尿素を効率的に分解して、炭酸ガスとアンモニアを生成する。

糞と尿とを別々に集めると臭気の発生は少ない。また、糞と尿とを混合しても、おがくず中であれば臭わない。おがくずがあると空気をたくさん含むようになるので好気的な状態になる。

おがくずの好気的条件下では、嫌気性の腐敗菌は繁殖できず、通性嫌気性菌や好気性菌の増殖が促進され、尿素の分解によるアンモニアの生成が大幅に抑制されるのである

なぜ、おがくずを使うのか?


おがくずが臭気を発生させずにし尿から水分を蒸発除去するのに優れた資材であると述べた。その理由を解明するために、おがくずの特性を検証する。

好気性条件の保持

おがくずを使用すると、臭気なしにし尿の処理が可能となる。おがくずは、構成粒了自身が多孔質であるとともに、一定容積の入れ物に入れられた場合にその粒子と粒子との間に多大な空隙ができる。

大きい比表面積

おがくずの第2の特性は、その比表面積の大きさである。おがくずの表面からは水分が発し易い。バイオトイレは、間歇的におがくずをゆっくりと攪拌しており、攪拌されると底の方にあった水分の多い部分のおがくずが表面に現れて来る。表面に出てきた水分は、おがくずの表面から蒸散する。

リグニンの存在

第3に、リグニンの存在が、おがくずの物理的磨耗抵抗性を付与している。また、リグニンは難分解性の天然高分子で、化学反応に強く抵抗し、また、天然界にあっては、バクテリアはほとんどリグニンを分解することか出来ない。抗バクテリア性能が高い。

そのため、おがくずに混ぜられた易分解性の有機物は、好気性バクテリアによって効率よく分解・消滅されて行くが、マトリックスとしてのおがくずはいつまでもその形状を変えることがない。このように、おがくずは、リグニンの存在によって、マトリックス材料としてバクテリアに抵抗し、かつ攪拌下での摩耗にも耐えるので、長期間使用することが可能となる。

生分解性

おがくずはリグニンも含めて、生分解性の天然高分子材料である。バクテリアにはめっぽう強いおがくずであるが、キノコの仲間である担子菌類の攻撃には弱い。バイオトイレで使用したあとのおがくずは、土壌に戻すことで、蓄積したミネラル類は肥料となり、おがくずは担子菌やミミズなどの上壌生物の餌となる。

ミミズの糞は最高の土壌改良剤である。このようにおがくずは植物の生育に適した土壌環境を作る資材として最終的に環境に戻すことが可能である。ここに物質循環が完了する。

おがくずを畑に人れると良くないと言われるのには理由がある。それは、おがくずそれ自身には窒素、隣、カリなどの無機栄養素がほとんどないことが原因である。新しいおがくずを土壌中に人れると、これを分解するために担子菌やバクテリアが、周囲の土壌から窒素、隣、カリなどの栄養素をかき集める。

そのため、植物が、栄養不足となって育たないような状況が生まれる。しかしながら、バイオトイレから出た使用済みのおがくずには、窒素、隣、カリなどの栄養素がたっぷり蓄積しているので心配はない。むしろ、栄養分が濃すぎないように希釈して施肥する必要があるくらいである。

将来のバイオエネルギー、林業活性化?


おがくずの能力が広く認識され、生ゴミ、屎尿、家畜糞尿が資源化処理に各地で利用されると、おがくずが大量に必要になる時期が来る。それに備えて、地域ごとにおがくずや使用済みのおがくずの集積地を作って、状況に対応する必要が出るであろう。

農林水畜産関係のバイオマス廃棄物は、個々に処理を考えると困難さが先に立つが、これら厄介者同士を複合処理することで、ともに有用な資源に変換する事が可能となる。おがくずを地域ごとに集積する事は、間伐木利用の促進につながり、各地域の山林の整備による林業の活性化が期待される。  

 

バイオマスで拓く循環型システム―循環バイオ産業の創生

工業調査会

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絶滅危惧種「アメリカシロヅル」 刷り込みから1900キロの渡りまでの保護活動 このエントリーをはてなブックマークに追加  

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人類は助け合い、仲間を増やし、自らの活動の場を広げてきました。それは地球の環境が変え、野生動物の生活の場を奪うことになりました。

現在は、野生動物との共存を目指しさまざまな取り組みが行れています。絶滅のおそれがある動物は法律で指定し、国が中心になって保護しようとしています。ツルは15種ほど知られている鳥のなかまですが、そのほとんどが絶滅のおそれがある動物です。

北米では、アメリカシロヅルが絶滅の危機に瀕しています。1941年にはわずか21羽まで減少していましたが、その後の保護活動で500羽まで回復しました。現在、非営利組織「OM」が超軽量飛行機を使って、越冬地フロリダへの渡りを助けようとしています。

今日は日本でも絶滅の危機にあるツルのなかまについて調べます。(参考HP Wikipedia他)

  
アメリカシロヅル                          アネハヅル  

絶滅危機ツル導き1900キロ 超軽量機を刷り込ませ


絶滅の危機にある北米のアメリカシロヅルを救うため、非営利組織「渡り計画(オペレーション・マイグレーション=OM)」が、越冬地への渡りを助けている。超軽量飛行機で鳥を先導する手法で、昨年末に初めて一羽残らず無事に送り届けた。その後の竜巻で大半を失う悲劇にも見舞われたが、3月には新たな渡りへ向けた準備を始める予定だ。

渡りの支援は01年に始まった。「06年組」の18羽は昨年10月、米北部のウィスコンシン州を出発し、2カ月かけて1900キロ離れたフロリダ州西部の保護区に到着した。

ところが、2月2日未明、フロリダ州を襲った竜巻で、17羽が死んでいるのが見つかった。アメリカシロヅルは40年代に個体数が20羽程度まで減り、カナダからテキサス州アランサス周辺に渡って冬を過ごすのが唯一の野生の個体群になった。

一カ所での越冬は、災害や伝染病の影響による絶滅の危険がつきまとう。渡りの手助けはフロリダにも別の越冬地を確保するのが目的だ。

春先、卵に飛行機のエンジン音を聞かせる「すり込み」から始め、ひなの世話をする際は人の姿を見せないよう白い着ぐるみを利用した。鳥たちは冬に一度、飛行機に誘導されて南に渡ると、次からは自力で渡るようになるという。

現在、北米では約500羽まで増えたが、フロリダ周辺は約60羽にとどまる。フロリダで卵を産むつがいが25組以上になれば、手をかけずに群として持続するとみられている。

OMのジョセフ・ダフ共同代表(57)は「自然の渡りでも、目的地にたどり着くのは3割程度とされる。それだけにその後の喪失は大きかった。改善の余地はあり、手助けを続ける」と話した。(asahi.com 2007年02月25日)

アメリカシロヅルとは何か?
かつてはカナダからアメリカにかけての広大な地域に見られたが、乱獲や生息地となる湿原の減少によって次第に姿を消すようになり、カナダ、アメリカ両国政府が調査と保護に乗り出した1941年には、わずか21羽(他に飼育個体が2羽)のみが確認されるまでに数を減らした。 

アメリカシロヅルの生態は謎に包まれていたが、その後の調査で、カナダのアルバータ州に営巣地が発見され、保護が進められるようになった。個体数は少しずつ回復し始め、1968年からは人工繁殖計画も実施に移された。1999年時点で、野生のアメリカシロヅルは252羽を数えるに至った。
 
ツルのなかまとは?
ツル(鶴)は、ツル目・ツル科(学名:Gruidae)に分類される鳥の総称。どの種類も長いくちばし、首、足をもつ大型の水鳥である。
 
分布南極大陸と南アメリカ大陸を除く4大陸に、2亜科・4属・15種類が分布する。形態はどの種類もくちばし、首、足が長く、体長1m前後に達する大型の鳥類である。
 
羽毛は黒、白、赤などで彩られ、体も大きいのでよく目立つ。また、顔に皮膚が裸出した部分があるのも特徴である。
 
生活場所は田、湖沼、川、湿地、草原などである。食性は雑食性で、小動物から植物の果実まで、いろいろなものを食べる。
 
巣は地上に作る。種類にもよるが卵は1個-4個で、30日前後抱卵する。卵から生まれたヒナは飛ぶことはできないが、すぐに歩けるようになり、親鳥について餌を探し回ることができる。
 
ツルが生きるためには多くの餌、ひいては豊かな生態系が必要である。有史以来の人間の活動、または狩猟によって、世界各地のツルの生息地は大きく狭められ、21世紀初頭の段階では絶滅が危惧される種類も多い。しかし同時に生息域各地での保護活動も盛んになっている。
 
ヒマラヤを渡るアネハヅル
秋に、ツルの大群が、チベット方面からヒマラヤを越えてインドに渡ることが知られている。その数は、数千、数万、あるいは数十万羽ともいわれ、素晴らしい眺めであるそうだ。
 
ツルの渡りが、ちょうどモンスーン明けの好天に行われるので、日本山岳会の松田氏により、モンスーン明けのヒマラヤ登山の好機を決めるのによいという提案がされて以来、多くの登山隊がツルのヒマラヤ越えを観察して、ヒマラヤ登山を成功させた。

ところで、ツルは、何故わざわざ8000mもあるヒマラヤを越えるのであろうか。苦労が多いヒマラヤ越えをしなくても、目的地に行けるのではないだろうか。目的地がヒマラヤの向こうにあるということを、どうやって知ったのであろうか。このようなツルのヒマラヤ越えの理由を考えてみると...。

もともとユーラシア大陸で南北に渡りをしていた鳥(ツルの祖先?)があって、それが何代も続いている間に、島であったインドが南から接岸して冬にはインドまで渡るようになり、さらにその後ヒマラヤが1年に5mmの速さで徐々に高度をあげていき、160万年後8000mになったヒマラヤを越えられるまでに進化し、対応できるようになったものが現在のツルの姿ではないだろうか。
 
日本のツルとは?
日本のツル日本では北海道の釧路湿原とその周辺に留鳥として生息するタンチョウのほか、山口県や鹿児島県出水市などに冬鳥として渡来するナベヅル、マナヅルがよく知られ、いずれも天然記念物に指定されている。
 
この他クロヅル、カナダヅルなどが少数であるが飛来する。ソデグロヅル、アネハヅルもやってくるが希である。
 
 
刷り込み(すりこみ)とは何か?
動物が生まれた直後に目の前にあった、動いて声を出すものを親だと覚え込んでしまう現象。特定の物事がごく短時間で覚え込まれ、それが長時間持続する現象をさす。インプリンティングとも呼ばれる。
 
この現象を指摘したのは、コンラート・ローレンツである。彼の著書によると、彼は、一つの卵だけを自分の目の前で孵化させたところ、生まれた雛は彼を追いかけるようになり、ガチョウのふところへ押し込んでも、他の雛がガチョウについて行くのに、その雛だけは彼を追ったという。
 
 
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日本のノーベル賞�D 「多様な抗体」はなぜできる?遺伝子に隠された秘密を解明 このエントリーをはてなブックマークに追加  

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あらゆる病原菌に対抗するため、体内でさまざまな抗体をどのようにして作り出しているのかは、長い間不明であった。

考えてもみよう、ただ一つの病気に対する抗体ができなかっただけで、人類は簡単に滅亡するのだ。

現実に細菌兵器というのは、これを目的に作られているが、現在のところそんな細菌は作られていない。(ひょっとしてできるか?)

この疑問を解決したのが、ノーベル賞を受賞した利根川進博士だ。

利根川博士ら先人の研究者の努力で、人間は、実に1000兆種類以上の抗体をつくりだせる事がわかっており、この多様さゆえに無数に存在する外部抗原に対応できる。

今日は1978年、利根川博士の ノーベル生理・医学賞を受賞した「多様な抗体を生成する遺伝的原理の解明」について調べたい。(参考HP Wikipedia)

 利根川 進 博士

現在はマサチューセッツ工科大学教授(生物学科、脳・認知科学科、元・学習と記憶ピカウアセンタ所長)を勤める他、ハワードヒューズ医学研究所研究員、RIKEN-MIT神経科学研究センタ所長兼研究員。

抗体・抗原について 前回までのおさらい


抗体を作る細胞は何か?

抗体は、リンパ球のB細胞が作ります。一つのB細胞が産出できる抗体は一種類であり、侵入した抗源に応じたB細胞が活性化されて増殖し、抗体がたくさん作られます。

抗体が抗原である病原菌に結びつくところはどこか?

抗体の形はYの字を立体的にしたような感じですが、Y字の先端部分に、病原体などの侵入者をそれぞれ別個に見分けるところが存在しています。さまざまな抗原に対して、さまざまに変わる部分なので、可変領域という。

「多様な抗体を生成する遺伝的原理」とは何か?


利根川博士が発見した遺伝原理で、V(D)J遺伝子再構成 (gene rearrangement)ともいう。

B細胞に分化する前の生殖細胞の遺伝子では、抗体の重鎖可変領域 (VH) をコードする遺伝子は、VH遺伝子部分、DH遺伝子部分、JH遺伝子部分の3つに分かれており、この3つの遺伝子部分にそれぞれ、可変領域の遺伝子断片が複数個コードされている。

抗体を産生するB細胞の重鎖可変領域の遺伝子は、VH遺伝子部分にコードされているいくつかの遺伝子断片の中から1種類、DH遺伝子部分から1種類、JH遺伝子部分から1種類が選ばれて、それが組み立てられてつくられる。

VH遺伝子部分に50の遺伝子断片、DH遺伝子部分に30の遺伝子断片、JH遺伝子部分に6種類の遺伝子断片があるとすると、その組み合わせは50×30×6 = 9000種類となる。

抗体の軽鎖可変領域 (VL) をコードする遺伝子は、重鎖よりも少なく、VL遺伝子部分、JL遺伝子部分の2つの部分からなります。同じようにVL遺伝子部分に35の遺伝子断片、DL遺伝子部分に5つの遺伝子断片があるとすると、その組み合わせは35×5 = 175種類となる。

そして、9000種類の重鎖と175種類の軽鎖の組み合わせは9000×175 = 150万種類以上になる。このように、重鎖のV、D、J、軽鎖のVとJの遺伝子断片の組み合わせで多様な遺伝子をもつB細胞ができ、それぞれ異なった種類のB細胞がそれぞれ異なった抗体を作ることで多様な抗体がつくられている。これをV(D)J遺伝子再構成といい、主にヒトやマウスでみられる。

その他の抗体を多様にする遺伝原理


体細胞超変異 (somatic hypermutation; SHM)

幹細胞が分化して体のさまざまな細胞に分化していくが、この分化した細胞を体細胞という。幹細胞が体細胞に分化していくときにごく稀に遺伝子に変異が起こることがある(体細胞変異)。

B細胞は変異の頻度が極めて高く、1万倍にも及ぶ。これは末梢の成熟したB細胞の中で、T細胞依存性抗原で活性されたB細胞は胚中心を形成し、この微小環境内で免疫グロブリン遺伝子のV領域が、AID(activation-induced cytidine deaminase)により様々な塩基置換を引き起こされるためである。このメカニズムを体細胞超変異といい、ヒトやマウスにおいて抗体の多様性や親和性の成熟に関与している。

遺伝子変換 (gene conversion)

V(D)J遺伝子再構成を終えた可変領域遺伝子が、V遺伝子上流に存在する偽遺伝子にランダムに置換されて、多様性をつくる。これを遺伝子変換 (gene conversion; GC) といい、主にニワトリでみられる。1986年レイノーらにより報告された。

クラススイッチ組み換え (class switch recombination; CSR)

V(D)J遺伝子再構成等の過程を経て生まれたB細胞は、抗原の刺激を受けると成熟化し、増殖する。この際、重鎖定常領域 (CH) をコードする遺伝子にDNA改変が起こり、最初IgMを分泌していたB細胞はIgG等他のクラスの免疫グロブリンを産生する。同じ可変領域を異なる定常領域と組み合わせることにより、さらに多様な抗体を作り出す。このことをクラススイッチ組み換えという。

これら様々な遺伝的原理により人間は、1000兆種類以上の抗体をつくりだせる事ができるのです。この多様さゆえに無数ね存在する外部抗原に対応できるのです。

その後の利根川進博士


ノーベル賞を受賞した。利根川進博士はかなり変わった人かもしれない。他の人と同じ事に興味を持たないというのだから相当だ。ある程度他人に興味がないと、社会生活に差しつかえそうだ。

しかし、その考え方は理にかなっている。人が自分で考えて成長していく存在である以上、自分のできること、できないことを区別して、早く得意分野を発見して努力することが人生の秘訣であることは、多くの人が述べている。できないことはルールに沿って生きるのがよい。

利根川博士のノーベル賞受賞研究、「多様な抗体を生成する遺伝的原理の解明」を見ると、「1つのことに対して、よく考えが練られている」という印象を受けた。まず利根川博士からはその考え方を学べる。

現在は脳科学の分野に研究の舞台を移し、様々な成果をあげている。脳科学の成果については、次の機会に紹介したい。


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花粉症やアレルギーの原因となる「抗体」とは何か? このエントリーをはてなブックマークに追加  

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前回、花粉症の原因は、抗原としての花粉が体内に侵入すると、抗体が反応し、肥満細胞からヒスタミンが放出されるためであることがわかりました。

毎年、悩まされる花粉症です。抗体というものはもちろんタンパク質の一種ですが、この抗体のタンパク質を何というでしょうか?

正解は免疫グロブリンです。「Ig(アイジー)」と略される。すべての抗体は免疫グロブリンという糖タンパク質でできています。

人の抗体は、IgG、IgM、IgA、IgD、IgEの5種類のグロブリンのうちのいずれかでできています。5種類はIgG、IgM、IgA、IgD、IgEの順に少なくなります。一番多いのがIgGで70-75% 一番少ないのがIgEで0.001%以下です。

それではこのうち、花粉症に関係するグロブリンはどれでしょうか?

正解はIgEです。何とわずか0.001%のグロブリンがあの苦しみのもとだったんですね。ぜんそくや寄生虫にも関係するという、グロブリンです。なくすわけにはいかないんでしょうね?

今日は花粉症の原因である「抗体」について調べます。(参考HP Wikipedia)

抗体(antibody)のはたらき     抗体の構造

    

抗体とは何か?


抗体(antibody)とは、リンパ球のうちB細胞の産生する糖タンパク分子で、特定のタンパク質などの分子(抗原)を認識して結合する働きをもつ。

抗体は主に血液中や体液中に存在し、例えば、体内に侵入してきた細菌・ウイルスなどの微生物や、微生物に感染した細胞を抗原として認識して結合する。

抗体が抗原へ結合すると、その抗原と抗体の複合体を白血球やマクロファージといった食細胞が認識・貪食して体内から除去するように働いたり、リンパ球などの免疫細胞が結合して免疫反応を引き起こしたりする。

一種類のB細胞は一種類の抗体しか作れず、また一種類の抗体は一種類の抗原しか認識できないため、ヒト体内では数百万〜数億種類といった単位のB細胞がそれぞれ異なる抗体を作り出し、あらゆる抗原に対処しようとしている。

「抗体」という名は抗原に結合するという機能を重視した名称で、物質としては免疫グロブリン(めんえき-、immunoglobulin)と呼ばれる。「Ig(アイジー)」と略される。すべての抗体は免疫グロブリンである。

抗体はアレルギーを起こす抗原(例えば花粉、ダニ、カビなど)との接触を繰り返すうちに体内に蓄積され、一定量を超えるとアレルギーを発症することがある。

具体的には、そのアレルゲンが再び体内に侵入したときにIgE抗体がこれをキャッチして肥満細胞に伝え、ヒスタミンなどが放出され、これらが過剰に血管や神経を刺激することでアレルギー症状が出るのです。

抗体の構造


軽鎖と重鎖

すべての抗体は基本的には同じ構造を持っており、"Y"字型の4本鎖構造(軽鎖・重鎖の2つのポリペプチド鎖が1組2本で構成)を基本構造としている。

軽鎖(またはL鎖)にはλ鎖とκ鎖の2種類があり、すべての免疫グロブリンはこのどちらかを持つ。重鎖(またはH鎖)にはγ鎖、μ鎖、α鎖、δ鎖、ε鎖の、構造の異なる5種類があり、この重鎖の違いによって免疫グロブリンの種類が変わる。

Fc領域とFab領域

"Y"字の下半分の縦棒部分にあたる場所をFc領域 (Fragment, crystallizable) と呼ぶ。左右2つの重鎖からなる。

白血球やマクロファージなどの食細胞はこのFc領域と結合できる受容体(Fc受容体)を持っており、このFc受容体を介して抗原と結合した抗体を認識して抗原を貪食する(オプソニン作用)。

その他Fc領域は、補体の活性化や抗体依存性細胞傷害作用など、免疫反応の媒介となる。このようにFc領域は抗体が抗原に結合した後の反応を惹起する「エフェクター機能」をもつ。免疫グロブリンのエフェクター機能は、免疫グロブリンの種類(アイソタイプ)によって異なる。

"Y"字の上半分の "V"字の部分をFab領域 (Fragment, antigen binding) と呼ぶ。この2つのFab領域の先端の部分で抗原と結合する。

定常領域と可変領域

Fab領域のうち先端に近い半分は、多様な抗原に結合できるように、アミノ酸配列に多彩な変化がみられる。このFab領域の先端に近い半分を可変領域(V領域)といい、軽鎖の可変領域をVL領域、重鎖の可変領域をVH領域と呼ぶ。

V領域以外のFab領域とFc領域は、比較的変化の少ない領域であり、定常領域(C領域)と呼ばれる。

軽鎖の定常領域をCL領域と呼び、重鎖の定常領域をCH領域と呼ぶが、CH領域はさらにCH1〜CH3の3つに分けられる。重鎖のFab領域はVH領域とCH1からなり、重鎖のFc領域はCH2とCH3からなる。

抗体の種類
抗体は定常領域の構造の違いにより、いくつかのクラス (アイソタイプ)に分けられる。

多くの哺乳類では、重鎖の定常領域の構造上の違いによりIgG、IgA、IgM、IgD、IgEの5種類のクラスの免疫グロブリンに分類される。それぞれのクラスの免疫グロブリンは大きさや生理活性が異なり、例えばIgAは粘膜分泌型の分子であり、IgEは肥満細胞に結合してアレルギー反応を引き起こす。

また、免疫グロブリンは血中や粘膜への分泌型の他、B細胞の細胞表面に結合した型(膜型)のものがある。

IgG
IgGはヒト免疫グロブリンの70-75%を占める。軽鎖2本と重鎖2本の4本鎖構造をもつ。

IgM
IgMはヒト免疫グロブリンの約10%を占める。基本の4本鎖構造が5つ結合した構造をもつ。通常血中のみに存在し、感染微生物に対して最初に産生され、初期免疫を司る免疫グロブリンである。

IgA
IgAはヒト免疫グロブリンの10-15%を占める。分泌型IgAは2つのIgAが結合した構造を持つ。IgA1は血清、鼻汁、唾液、母乳中に存在し、腸液にはIgA2が多く存在する。
 
IgD
IgDはヒト免疫グロブリンの1%以下である。
 
IgE
IgEはヒト免疫グロブリンの0.001%以下と極微量しか存在しない。寄生虫に対する免疫反応に関与していると考えられるが、寄生虫の稀な先進国においては、特に気管支喘息アレルギーに大きく関与している。  
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いよいよ花粉症の季節!その原因「抗原・抗体反応」とは何か? このエントリーをはてなブックマークに追加  

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人の細胞はいくつあるでしょう?

人の体を構成する細胞は約60兆個です。ではそのうち免疫細胞はいくつあるでしょう?

60兆の細胞のうち約2兆個、重さにして約1kgが免疫細胞です。

全細胞の内、毎日3000億個以上の細胞が死に、同じ数だけ新しい細胞が生まれています。免疫細胞も1日に100億個が入れ替わっています。

このような膨大な数の細胞が、一生懸命に働いて私たちの体を守っています。
免疫細胞とは、いったいどのようなものなのでしょうか?

今年も花粉症の季節がやってきました。環境省の予測によると今年は去年より少なめということですが、暖冬の影響でスギの開花が早くなると言うことです。

前回は免疫細胞について学びましたが、この花粉症も免疫細胞のはたらきによって引き起こされることがわかっています。

今回は免疫細胞のはたらきについて学びます。さまざまな免疫細胞がありますが、そのはたらきは連絡を取り合っていて、みごとなチームプレーを行っています。(参考HP Wikipedia)

関連するニュース
今年もつらい花粉症 暖冬で例年より飛散早め


花粉症のシーズンがやって来た。症状に悩まされている人には、つらい日々が続く。今年の飛散量は平年よりも少なめの予測だが、薬局などでは少しでも快適に過ごそうと薬やグッズを求める人が目立ち始めた。医療機関には二月上旬から患者が訪れるなど、例年より花粉の飛散が早まっているようだ。

環境省の予測によると、中国地方の今春のスギ・ヒノキ花粉の総飛散量は平年の六−九割。飛散開始時期を示すスギ花粉前線は二月下旬と、例年並みかやや遅めとしているが、暖冬傾向から早めの開花となっている。(2007年2月25日 日本海新聞)

免疫細胞にはどんな役割があるか?
おもに2つあります。1つは病原菌など体内に入ってきた外敵を直接取り込み消化する役割と、もう1つは外敵を抗原として認識し、抗体をつくり、抗体で外敵を攻撃する役割。

花粉症は、おもに後者の抗原・抗体反応のはたらきによっておきます。

抗原・抗体反応に関係する免疫細胞にはどんな種類があるか?


前回述べたように、免疫細胞には顆粒球、リンパ球、単球、肥満細胞などの種類があります。

単球のマクロファージ、リンパ球であるB細胞、T細胞、その他には樹状細胞、肥満細胞などが抗原・抗体反応に関係します。

花粉症は、おもに肥満細胞の出す化学伝達物質「ヒスタミン」によっておきます。




抗原・抗体反応とはなにか?


1.私たちの細胞が攻撃されないのはなぜか?
カゼのウイルスを例に挙げて、私たちの免疫細胞のはたらきをご紹介しましょう。私たちの自分の細胞には他人と異なる特別な目印がそれぞれついています。これを「クラス�TMHC」といいます。免疫担当細胞はこの目印を識別して、攻撃すべきか、せざるべきかを判断しています。

2.最初に活躍する免疫細胞は?
カゼのウイルスがヒトの体内に侵入したときに、まず対抗するのは「NK細胞」と呼ばれる軍隊です。これは異物であれば何でも反応して、攻撃を加える前線部隊にあたります。

3.2番目に活躍する免疫細胞は?
次に、この防御網が破られ、ウイルスが細胞に感染すると、ウイルスの侵入で自分の細胞の「クラス�TMHC」が別の目印に変化します。すると、免疫担当細胞はこのように変化したクラス�TMHCを目ざとく見つけて第二陣が参戦します。

この軍隊は外敵なら何でも食べてしまう貪食能を持った「マクロファージ」という細胞です

4.ウイルスの情報を集め、指令を出す細胞は?
このマクロファージの役割はまだ続きます。マクロファージは食べたウイルスの情報を解読し、解析を加え、どんな敵かを司令部に伝える役目があるのです。この情報を集めるのがヘルパー「T細胞」という集団です。

情報を受けとったヘルパーT細胞は、細胞表面に「クラス�UMHC」という分子を出し、サイトカインを出し、外敵の情報を他のT細胞・B細胞に伝えるのです。T細胞には、大きく分けて3つの細胞集団がありますが、ここでの活動に参加するのは、司令部の役目をするヘルパーT細胞という軍隊と、キラーT細胞という軍隊です。

マクロファージからの情報を受け取るのはヘルパーT細胞です。司令部であるヘルパーT細胞はこのウイルスの情報を受け取ると、情報に基づいて身体全体の免疫担当細胞に召集をかけるのです。ヘルパーT細胞は「B細胞」という軍隊にも指令を送り、そのウイルスを特別に攻撃できる「抗体」を製造させます。

5.ウイルスに攻撃を仕掛ける細胞は?
この指令で直接ウイルスを攻撃するのがキラーT細胞です。ウイルスに感染した細胞をサイトカインにより破壊します。宿主である細胞が死ぬことで、ウイルスも死にます。B細胞は自らもウイルスを分解し、ウイルスの情報を取得します。同時にヘルパーT細胞の指令によって抗体を作り、ウイルスを攻撃します。

花粉症のしくみは?


花粉が抗原となり抗体がつくられます。花粉症に関係がある免疫細胞は肥満細胞で、抗原である花粉が再度侵入すると、ヒスタミンを放出して抗体の生産を促します。このヒスタミンがアレルギーの原因となるのです。

 

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世界初 牛「気腫疽菌」が人に感染!私たちを病気から守る「免疫細胞」は大丈夫? このエントリーをはてなブックマークに追加  

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心配したインフルエンザが流行っています。先日、宮崎で問題になった鳥インフルエンザはどうなったのでしょう?

鳥インフルエンザは普通人には感染しません。ところが、突然変異により人に感染するタイプに変わることがあるので、監視されています。

気腫疽菌という病原菌もふつう人には感染しませんが、昨日、人に感染したニュースが流れました。こうした場合にも注意が必要です。

私たちの身体はどうやって病気から守られているのでしょう?

正解は「免疫細胞」によって守られています。次の写真はいろいろな免疫細胞です。何というでしょう?(解答は下文中)

karyukyulymphtankyu
  

 



 a                   b                  c

私たちのまわりには、目に見えない病原菌やウイルスにかこまれており、発病の危険は常にあります。

しかし、これらの外敵によってすぐに発病しないのは、これら外敵が身体に入ってきても、数時間のうちに排除する「免疫細胞」のはたらきがあるからです。

では「免疫」とは何でしょうか?「免疫細胞」とは何でしょうか?今日は「免疫細胞」とそのはたらきについて調べます。 (参考HP Wikipedia)

関連するニュース
牛「気腫疽菌」、世界初の人感染…千葉で男性死亡


千葉県の船橋市立医療センターは22日、同県内の50歳代の男性が、主に牛の病気の原因とされる「気腫疽菌(きしゅそきん)」に感染し、死亡したことを明らかにした。

気腫疽菌は破傷風菌の仲間で、通常は土の中などに存在する。人への感染が報告されたのは世界初という。

同センターによると、気腫疽菌は、傷口などから動物の体内に入り、筋肉が壊死する「気腫疽」を発症させる。若い牛や羊に発症例が多く、致死率は非常に高いとされる。

死亡した男性は2006年2月、高熱と胸の打撲傷で、同センターに搬送された。男性は搬送時、既に心肺停止状態で、すぐに死亡。のどの炎症を起こし、体全体が膨れ上がり、特に肺の膨張が著しかったため、男性の肺の組織を調べると、気腫疽菌が検出され、肺の筋肉が壊死(えし)していた。

同センターは、「気腫疽菌は人には感染しないというのがこれまでの『常識』だった。くわしい感染経路を調べることが今後の課題」としている。(2007年2月22日  読売新聞)  

免疫とは何か?


免疫とは、ヒトや動物などが持つ、体内に入り込んだ病原菌など「自分とは異なる異物」を排除する、生体の恒常性維持機構の一つである。

免疫には2つの段階がある。

1.自然免疫

自然免疫とは、ヒトや動物などが生まれつき持つ免疫細胞が、侵入物が自己を再生産したり宿主に対し重大な被害をもたらす前に発見、補食・分解するしくみである。

2. 獲得免疫

獲得免疫とは免疫細胞が一度感染源に接触することで感染源を特定し、抗体をつくり、感染源に対して、攻撃を仕掛けていくしくみである。抗原抗体反応ともよばれる。ワクチンのはたらく原理でもある。

免疫細胞とは何か?


私たちの体内に侵入した細菌やウィルス、そして体内で発生したがん細胞から体を守る細胞。白血球ともいう。白血球は学術的にはロコサイトともいう。

免疫細胞は60%が顆粒球で25%がリンパ球である。3〜8%が単球である。その他には肥満細胞がある。

さまざまな名称のものがあるが、はたらきについてはまだ不明な点が多い。わかっている範囲でまとめていきたい。

免疫細胞にはどんなものがあるか?


顆粒球
(写真a)
白血球の60%を占める。細胞質には殺菌作用を持つ顆粒が存在する。染色のされ方の違いによって好中球、好酸球、好塩基球の3分類に分けられる。

顆粒球の中では好中球は細菌をリゾチームという物質で溶かす。好中球が細菌と戦ってたくさん集まって死んだものが膿(うみ・のう)である。

リンパ球(写真b)
リンパ球(リンパきゅう)は、白血球のうち25%ほどを占める、比較的小さく(6〜15μm)、細胞質の少ない白血球。抗体を使ってあらゆる異物に対して攻撃するほか、ウイルスなどの小さな異物に対しては、顆粒球ではなくリンパ球が中心となって対応する。NK細胞、NKT細胞、B細胞(Bリンパ球)、T細胞(Tリンパ球)などの種類がある。

単球(写真c)
単球(たんきゅう、monocyte)は白血球のうち3〜8%を占める。白血球細胞の中で最も大きく(12〜18μm)、豆型の核を持つ。単球は、感染に対する免疫の開始に重要であり、アメーバ運動を行って移動することができ、細菌などの異物を細胞内に取り込み、細胞内酵素を使って消化する。

また単球は血管外の組織や体腔に遊走し、そこで組織固有のマクロファージ(大食細胞)に分化する。あるいは、単球とは血管内に存在しているマクロファージと考えることもできる。

肥満細胞
肥満細胞は、マスト細胞ともよばれる。肥満細胞は、皮膚深部や小血管壁に沿う位置などに存在して、細胞内に、ヒスタミン、セロトニン、ヘパリンなどの化学伝達物質を保持している。そして、体内に異物を検出すると、化学伝達物質抗体を放出し抗体をつくらせるはたらきがある。アレルギー反応を起こす細胞でもある。
  

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じわり温暖化!沖縄の「リュウキュウキッカサンゴ」和歌山で発見 このエントリーをはてなブックマークに追加  

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今年の冬は暖かい。各地のスキー場で雪不足のニュースが聞こえてくる。

北の国、青森地方気象台によると23日、青森市の積雪がゼロになった。参考記録を含めると、同市の2月中の積雪ゼロは1949(昭和24)年以来、58年ぶりのことだそうだ。

南の国、和歌山では沖縄で見られるサンゴ、リュウキュウキッカサンゴの生育が確認された。

沖縄のサンゴは美しい。しかし地球温暖化の一現象であるかと思うと、複雑な気持ちだ。

今日は沖縄で印象的な美しいサンゴについて調べる。身近なところで見られるようになったら要注意だ。 

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関連するニュース
熱帯のサンゴ、和歌山・潮岬で発見…水温上昇が要因


沖縄以南の熱帯に分布する「リュウキュウキッカサンゴ」が21日、本州最南端の和歌山県・潮岬(串本町)沿岸で見つかった。

これまで国内の北限は高知県・足摺岬周辺で、本州での確認は初めて。専門家は、黒潮で運ばれた幼生が地球温暖化の影響もあって成長した可能性があるとしている。

串本海中公園センターの野村恵一学芸員(49)が潮岬西約100メートルの海底(水深約6メートル)で、緑褐色の同サンゴ1群体(長さ約3メートル、幅約2メートル)を発見した。大きさから、1990年ごろに幼生が定着したとみられる。

潮岬沿岸では、2月の水温がこの数年で約1度上昇している。家戸敬太郎・近畿大水産研究所助教授(水産増殖学)は「水温上昇が要因では。特にこの冬は高く、これまで越冬できなかった魚や貝の生存も確認されている」と指摘する。(2007年2月22日0時38分  読売新聞)
 

沖縄にはどんなサンゴがあるか?


沖縄のサンゴは美しい。見ているだけで癒される。最近水温が30度以上になると起きるサンゴの白化が問題になっている。これも地球温暖化の現象だ。さて、次のサンゴの中で和歌山で発見された「リュウキュウキッカサンゴ」はどれでしょう?

                         

  

                        D
 

E                          
 

いかがですか?自然のつくり出す不思議な造形、色彩に惹かれます。

正解はです。キッカとは菊花と書くのでしょうか?そういえば菊の花びらのようにも見えます。

A.アオサンゴ  B.エダサンゴ  C.ミドリイシサンゴ  D.リュウキュキッカサンゴ  E.ユビエダハマサンゴ  F.スリバチサンゴ 

 

データで見る「沖縄サンゴカルシウム」の驚くべきパワー―生活習慣病を撃退!
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新発見!NpO2に「磁気八極子」という不思議な磁力 このエントリーをはてなブックマークに追加  

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 前回、「なぜ磁石では、N極・S極があるのか?」というと、「スピンという、個々の原子のもつ小さな磁石がすべて同一方向を向いているからである」ということを述べました。

 この性質を磁気双極子といいます。ところがふつうの物質ではN極・S極がありません。これはスピンが別々の方向を向いているからです。

 ある物質はスピンが2通りの方向に向いています。これを磁気四極子と言います。ある原子では4通りの方向を向いています。これを磁気八極子といいます。

 これまで、磁気八極子の存在はあまり知られていませんでしたが、NpO2(ネプツニウム酸化物)が磁気八極子だということが「独立行政法人日本原子力研究開発機構」の研究で発見されました。

 ネプツニウムというのは、超ウラン元素の一つ。アクチノイドという原子グループの一つです。超ウラン元素やアクチノイドというのは、放射線を出し他の物質に変化するので、取り扱いが難しく、研究が進んでいない分野です。

 今回の研究成果により物性物理の重要課題であるアクチノイド化合物(NpO2もその一つ)の電子状態の解明が大きく進展し、超伝導機構などが解明されることが期待されます。

 今日は強磁性を持つ「アクチノイド化合物」とは何か?「電気八極子」とは何か?学びます。(参考HP Wikipedia・日本原子力研究開発機構)

 
関連するニュース
ネプツニウム酸化物NpO2に新しい磁気秩序「磁気八極子秩序」を発見


 50年来の謎であったネプツニウム酸化物アクチノイド化合物の一種)の特異な磁気状態は、磁気八極子による新しい秩序状態であることを確認。「磁気秩序 = 磁気双極子の秩序」というこれまでの常識を覆す発見である。

 独立行政法人日本原子力研究開発機構は、東北大学金属材料研究所との共同研究により、50年来の謎であったネプツニウム酸化物NpO2アクチノイド化合物1)の一種)の特異な磁気状態を、核磁気共鳴法2)を用いて解明し、NpO2ではNp原子を    構成する5f電子3)が新しい磁気八極子秩序4)状態を形成していることを発見しました。

 これは、原子力機構先端基礎研究センターの徳永陽研究員、神戸振作研究主幹、東北大金研・放射線金属化学研究部門の青木大助手、本間佳哉助手、塩川佳伸教授らによる成果です。

 低温でNpO2に現れる磁気状態が、通常の磁性体で見られる磁気秩序でないことは1950年代には既に知られていました。しかしそれがどのような状態かは不明であり、物性物理の大きな難問でした。

 今回の研究成果により物性物理の重要課題であるアクチノイド化合物の電子状態の解明が大きく進展し、超伝導機構などが解明されることが期待されます。また、今回初めて観測された「磁気八極子秩序」は、多くの物理現象に普遍的な「自発的対称性の破れ」という現象の一つであることから、今後、電気十六極子などまだ見つかっていない新たな「自発的対称性の破れ」現象の探索が進むことも期待されます。

 本成果は、米国物理学会誌Physical Review Letters誌 12月22日号に掲載予定です。 (2006/12/19 JAEA)

ネプツニウムとは何か?


 原子番号93の元素。元素記号はNpアクチノイド元素の一つ。超ウラン元素でもある。銀白色の金属で、展性、延性に富んでいる。常温、常圧での安定な結晶構造は、斜方晶。摂氏280℃付近から正方晶となり、更に摂氏580℃付近より体心立方構造(BCC)が安定となる。比重は、20.45、融点は摂氏640℃、沸点は摂氏3900℃。原子価は、3価〜7価(5価が安定)。 

アクチノイド化合物1)とは何か?


 原子番号89のアクチニウム(Ac)から103番のローレンシウム(Lr)までのアクチノイド元素を含む化合物。5f電子という他の元素にはない独特の電子をもつため、複雑な磁性や超伝導など多彩な物理現象が出現する舞台となります。

 しかしほとんどのアクチノイド元素は天然では存在せず、また強い放射性のため取り扱いが難しい。このためアクチノイド化合物の電子物性の研究は天然に存在する原子番号92のウラン(U)の場合を除いてほとんど手が付けられておらず未踏の領域となっています。

 超ウラン元素
 ウランより重いネプツニウム以降の元素のことを超ウラン元素という。超ウラン元素のほとんどは自然界には存在せず人工的な環境で生み出されたものであり、半減期も短いものが多い。このため物理的、化学的性質の詳細はとりわけ不明な部分が多い。

核磁気共鳴法2)とは何か?


 核磁気共鳴法(NMR:Nuclear Magnetic Resonance)は原子核の核スピンと電磁波との共鳴現象を利用して固体内の電子状態を探る手段で、その原理は核磁気共鳴断層診断装置(MRI:Magnetic Resonance Imaging)として医療の分野でも広く応用されています。核磁気共鳴法の最大の利点は、物質内部の様子を微視的に観測できる点で、電子がつくる微小な磁場の変化を高感度で測定することができます。原子力機構は国内で唯一、アクチノイド化合物の測定が可能な核磁気共鳴装置を有しています。

5f電子3)とは何か?


 電子はその属する軌道の種類に応じて分類され呼称されます。軌道にはs、p、d、fの4種類があり、5f電子はそのうちの5f軌道上の電子です。比較的高い運動エネルギーを持つが、その軌道の空間的な広がりは大きくないという特徴を持つため、化合物を形成した際には、結晶中を動ける状態(遍歴)と、動けない状態(局在)の中間的な性質をもちます。

 また通常は別々の電子のスピンと軌道が、強い相互作用により結合し、両者が渾然一体となった多極子という新しい自由度を持つようになります。このような5f電子の特徴は固体電子物性における“局在”と“遍歴”という古くからの命題と“スピン”と“軌道”という今日的な課題に対し、格好の研究の場を提供しています。

磁気八極子秩序4)とは何か?


 固体の中の磁気モーメントが、自発的に整列している状態を磁気秩序と呼びます。もっともよく見られる磁気秩序は磁気双極子が一方向に整列した状態で、これを強磁性状態と呼びます。磁石は、その典型的な例です。今回の発見は、整列している磁気モーメントが磁気双極子ではなく、磁気八極子であることを実証したことが特徴です。


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「磁石」ってなんだろう?すべての物質にある「スピン」とは何か? このエントリーをはてなブックマークに追加  

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 磁石とは何か?
 そう、N極とS極を持ち、鉄などを引きつけるものである。このような力を磁力(磁性)という。では磁力(磁性)を持つものは何だろう?

 正解はほとんどの物質だ。

 鉄が磁石になるのは知られていますが、ほとんどの物質が磁性を持つことはあまり知られていない。それは、大部分のものは磁性が弱いからである。

 紙を糸などでつるし、強力な磁石(アルニコ磁石など)を近づけると引きつけられるので驚く。

 鉄以外では、ニッケル、コバルト、希土類金属は強い磁性を持ちよく磁石として使われる。逆に反磁性となるものに銅や水がある。

 強力な磁界の中ではトマトやリンゴが浮く。反磁性である水分のためだ。磁石について学ぶ。(参考HP 広島大学理科特別授業) 

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 なぜ物質には磁性があるのか?
 正解は物質をつくる原子自体が、小さな磁石(スピン)だから。

 原子は電子と原子核からできており、電子はいつも運動している。右ねじの法則で学んだように直線電流が流れれば、右回りに磁界が生じます。電子が運動をすれば磁界が生じる。このような原子の中にある小さな磁石のことを「スピン」という。

 これらの「スピン」が同一方向を向くと、鉄などでは強い磁石ができる。その結果、磁石全体でN極・S極がはっきりとわかれる。ところがふつうの物質はN極・S極にわかれていない。これは原子のもつ「スピン」が別々の方向を向いているからだ。

 磁石の分類方法
 磁石は、いろいろな種類が研究開発されてきた。これらの多くの磁石を分類する場合、何を基準として分類するかによって異なる。一般的な分類法は、次の通りだ。

1.成分元素による分類(鉄、ニッケル、コバルト、希土類金属など)
2.製造法による分類(鋳造、焼結、圧延、線引など)
3.素材の状態による分類(合金、セラミックス、ポンド磁石)
4.異方性の有無による分類(等方性、異方性)
5.保磁力の大小による分類(硬質、半硬質)
6.磁化原理による分類(フエロ磁性、フェリ磁性、デイア磁性) 

 成分元素による磁石の分類
 この分類法はもっとも代表的なもので、一般に広く用いられている。磁性を発揮する主体元素は、鉄、ニッケル、コバルト、希土類金属などであり、通常は、化合物、合金の形態で実用上は多くの添加元素を含む複雑な組成となっている。

 成分元素で磁石を分類する場合の名称は、主元素の頭文字を組み合わせたものが多い。例えばアルミニウム、ニッケル、コバルトを含む磁石はそれらの頭文字をとって、アルニコと称する。希土類金属を主成分とする磁石はネオジム磁石、サマリウム磁石のように呼ばれる。

 ただし、名称は国によって異なり、また各メーカーでは独自の商標をつけた名称を用いているから、その主成分が何かを確かめる必要がある。以上のことをふまえて、現在工業化されている磁石、および多量生産されていないが、特殊用途に実用化されている磁石の一覧は次のようである。 

 主な磁石種類
 アルニコ磁石 フェライト磁石 鉄・クロム・コバルト磁石 マンガン・アルミニュム・カーボン磁石 稀土類磁石 ボンド磁石 

 前述のように、磁石は成分元素による分類がもっとも一般的であるが、その他の分類についてもそれぞれの特徴を示すものとして有益である。これらの概要を示せば次のようになる。

1.鋳造磁石:  おもにアルニコ磁石がこれであり、複雑な形状のものができるのが特徴である。
2.塑性加工性磁石: 鉄・クロム・コバルト磁石がこの代表である。圧延、線引などで、薄板、細線とすることができるので、特殊用途の磁石として有望である。
3.異方性磁石: 磁石は製造法によって、特定の方向にのみ磁性が強いものを作ることができる。これを異方性磁石という。異方性磁石は特定方向に強力である特徴があるとともに、その他の方向で使うことはできない欠点がある。どの方向でも同じ磁性の磁石は等方性といわれる。これは磁性は弱いが、設計上どの方向で用いてもよい特徴がある。

 異方性磁石を作る方式としてはいろいろな方法がある。第一は希土類磁石の場合のように、粉末を磁場中でプレスして特定の結晶方向を揃えること。第二は鉄・クロム・コバルト磁石の場合のように、磁場中で熱処理して析出相の方向を揃える方法。第三は鋳造的に結晶方位を揃えることなどである。(株式会社 未踏HPより引用) 

 

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失った「自分の歯」を取り戻せる?「歯の再生」マウスで成功 理大 このエントリーをはてなブックマークに追加  

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大人の歯の数はいくつだろうか?

正解は「親知らず」を入れると32本である。

歯は大切なのはもちろんだが、私の歯は子供の頃の虫歯で半数は治療を受けた。子供達には歯を大切にさせたいと思う。

しかし、時代は日々進歩してる。抜けたり、虫歯になった歯を将来、再生することができるようになるかもしれない。マウスを使った「歯の再生実験」が成功した。人への応用が期待される。

再生医療の分野ではES細胞が話題になっている。ES細胞では肝臓の細胞をつくり出すことには成功したが、肝臓そのものはまだできていない。

今回もES細胞から歯をつくったのではなく、マウスの歯のもとになる細胞を移植して歯を再生した。

しかし、近い将来ES細胞から歯のもとになる細胞ができたとき、すぐに歯を再生できる重要なテクノロジーを確立したといえる。

研究した東京理科大のチームは、今後もさまざまな臓器について移植再生を試みるそうだ。

今日は「歯のできかた」と「歯のつくり」「虫歯の原因」について調べます。(参考HP Wikipedia・花王・LION)

関連するニュース 
胎児細胞から「歯」再生、東京理科大がマウスで成功


マウスの胎児から採取した細胞を体外で培養した後に、マウスに移植して血管や神経のある歯を丸ごと作り出すことに、東京理科大基礎工学部の辻孝・助教授(再生医工学)らの研究グループが初めて成功した。

成功率も高く、歯周病や虫歯で抜け落ちた歯を再生させる技術として注目を集めそうだ。19日のネイチャーメソッズ電子版で報告された。

研究グループは、臓器や組織は、その元になる細胞の上皮組織、間葉組織が相互作用して形成される“種”が成長してできることに着目した。

まずマウスの胎児から、歯の元になる細胞、歯胚(はい)を取り出す。歯胚を構成する上皮組織と間葉組織を酵素でバラバラにしてそれぞれ約10万個の細胞として、ゲル状のコラーゲンの小さな滴(0・02cc)に高密度に注入。血清の入ったシャーレの中で2〜4日間培養したところ、歯の種を再生できた。

その歯の種の一部(長さ0・25ミリ)をマウスの抜歯した跡に22回移植したところ、17回生着し、2週間後には8倍の2ミリの大きさの歯に成長していた。

この歯には、機能を維持するのに必要な神経や血管が内部に通り、歯と歯茎の間でクッションの役目を果たしている歯根膜もできていた。

再生医療の分野では、胚性幹細胞(ES細胞)から、肝臓など目的の臓器の細胞を作ることには成功しているが、臓器そのものを作製するまでには至っていない。

研究グループでは、同様の方法で、マウスの毛を作製することにも成功。今後、腎臓や肝臓などさまざまな臓器の作製に応用していく考えだ。(2007年2月19日  読売新聞) 

歯はどうやってできるの?
 1.歯胚の形成 → 2.歯冠硬組織の形成 → 3.歯根硬組織の形成 → 4.セメント質・歯根膜・固有歯骨の形成 → 5.歯の萌出 
 
といった複雑な形成過程を通ってできます。参考HP FUMI's Dental Officel
 
 歯のしくみ 
みなさんは、自分の歯の数をご存じですか。成人の歯は通常28本。「親知らず」と呼ばれる第3大臼歯4本を加えると32本になりますが、最近では生えない人も多いようです。

これらの歯は、「切歯」「犬歯」「臼歯」の3種類に分けられ、また、歯肉から上に見える部分を「歯冠」、歯肉に隠れている部分を「歯根」といいます。
歯は、「エナメル質」「象牙質」「セメント質」から成り立っています。エナメル質はからだの中でもいちばん硬い組織で、水晶に近い硬度です。また、歯の中心部には、神経や血管が入り込んだ「歯髄」という大切な組織があります。
 
虫歯の原因は?
ムシ歯の病因には「細菌(ミュータンス菌)」「歯の質」「糖質」の3つの要素があります。この3つの要素が重なったときに、時間の経過とともにムシ歯が発生します。

3つの要素のうち、1つあるいは2つの要素だけでムシ歯が発生することはありません。
 ミュータンス菌
約1μmくらいの球状の菌で、鎖のようにつながっています。※1μm=1/1000mm
 
ミュータンス菌とは?
食べ物カスがあると、ミュータンス菌が繁殖し、プラーク(歯垢)を形成する。 プラーク(歯垢)は食べカスではなく、歯の表面にネバネバとこびりついている細菌のかたまりです。プラーク1mg(耳かき一杯程度)中には2〜3億個もの細菌が棲み、その種類は350種以上といわれています。その中で、特にムシ歯の原因となるのがミュータンス菌です。

ミュータンス菌は、砂糖からデキストラン(グルカン)をつくりプラークを形成します。デキストランはネバネバした多糖体で水に溶けません。そのため、歯に強固にくっつきます。

ミュータンス菌は、糖質から酸をつくり、歯を溶かしていきます。これが虫歯です。

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冬の水辺の鳥「カモ」と「アヒル」の違いは何か? このエントリーをはてなブックマークに追加  

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冬の水辺でよく見かけるカモのなかま。羽がつややかで美しいものが多い。油がついていてよく水をはじきそうだ。カモとはどんな鳥なのか?身近なカモの種類について調べる。 (参考HP Wikipedia)

カモとは何か? アヒルとは何か?


カモ(鴨)は、カモ目カモ科の鳥類のうち、体が小さく、首があまり長くなく、雄と雌で色彩が異なるものをいう。分類学上のまとまった群ではない。

日本では主にマガモカルガモなどが生息し、全国の河川や湖などで見られる。また、季節によってはオシドリシノリガモなども見られる。

マガモを家禽化したものはアヒル(家鴨)と呼ばれる。日本語と異なり英語のDuckなどヨーロッパの言語では、野生の鴨と家禽のアヒルも同じ言葉を使う。

次のカモのなかまの名前は何でしょう?

A                B      
 

                      
 

E 
                  
 

正解はA.マガモ B.コガモ C.オナガガモ D.ヒドリガモ E.オシドリ
F.キンクロハジロ です。

A.マガモ
体長は約60�p。繁殖期のオスは黄色のくちばし、緑色の頭、白い首輪、灰白色と黒褐色の胴体とあざやかな体色をしている。

メスはくちばしが橙と黒で、ほぼ全身が黒褐色の地に黄褐色のふちどりがある羽毛におおわれる。非繁殖期のオスはメスとよく似た羽色(エクリプス)になるが、くちばしの黄色が残るので区別できる。

B.コガモ
大きさは38cmくらい。小さなカモ。全体は灰色っぽい。頭は茶色で、目から首の後ろにかけてこい緑色。体の横に、体にそって白い線が走っている。お尻のクリーム色が目立つ。冬鳥だが、北の地方では少し繁殖(卵から子育て)している。湖や川などに集団でいることが多い。都会の池などにも来る。

C.オナガガモ
オスは75cmくらい。メスは53cmくらい。全体にほっそりとしたカモで、オスの尾は長い。オスの顔や頭はこげ茶色で、首の後ろに白い線が走っている。嘴は黒で、両側はうすい青。メスは目立たない色。逆立ちして、お尻を高く上げて水中の餌を食べる。冬に日本に来て、川や湖、池などに集団でいることが多い。

D.ヒドリガモ
頭の部分が赤く、額はクリーム色。人が近づくと仲間に「ぴゅー」と警戒信号を発する

E.オシドリ
体長は45cmほどで、カラスよりやや小さい。繁殖期のオスはクチバシのピンク、目の上から冠羽にかけてのシロ、首にある長いチャイロの羽、栗色の胸、オレンジ色の翼、翼の風切羽が変形した「銀杏羽」など非常に特徴的な羽色をしている。メスは全体的に灰褐色で、目のまわりに白いアイリングがあり、目の後ろに白い線が続く。オスは非繁殖期にメスとよく似た羽色(エクリプス)になるが、くちばしのピンクが残るので区別できる。オスメスとも腹は白く、脚は黄色をしている。

F.キンクロハジロ
オスは下面が白くその他は黒色で、頭の後ろから長く垂れ下がった冠羽が特徴。嘴は青灰色で先端が黒色。メスは全体に茶褐色で下面は上面よりも淡色。日本には冬鳥として全国に渡来し、湖沼や池、河川などに分布する。繁殖期が終わると、換羽(エクリプスという)して、メスの体色似るが全体的にメスより黒味を帯びる。
 

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どちらがオオサンショウウオ?中国外来種すでに日本で繁殖? このエントリーをはてなブックマークに追加  

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先日、「カワニナ」に似た外来生物の「コモチカワツボ」の話題を取り上げた。外来種が日本国内に広まる例は多い。

「コモチカワツボ」と同様に、外来種「チュウゴクオオサンショウウオ」がすでに国内で繁殖しているのを松井正文教授(京都大学)が確認した。

DNA鑑定で確認したので間違いはないと思われる。発見されたのが京都や徳島で、5固体。若い固体もふくまれていたということなので、繁殖拡散していると予想される。

オオサンショウウオ科は世界に3種。「チュウゴクオオサンショウウオ(中国産)」、「ヘルベンダー(米国産)」、そして日本の「オオサンショウウオ」。

特別天然記念物「オオサンショウ」が駆逐されたり、交雑がおきる心配がある。

今日は「オオサンショウウオ」と「チュウゴクオオサンショウウオ」、外来生物の問題点について調べる。(参考HP Wikipedia・両生類のページ

どちらがオオサンショウウオ?
 
A                         

関連するニュース
オオサンショウウオ、中国から外来種


国の特別天然記念物オオサンショウウオに姿がそっくりな外来種が中国から日本に入り込み、河川で繁殖している可能性が高いことが、京都大の松井正文教授(動物系統分類学)の調査で分かった。チュウゴクオオサンショウウオという種類で、過去にペット用や食用として持ち込まれたものが自然界に広がったとみられる。日本固有種のオオサンショウウオが駆逐されたり、交雑によって遺伝子が乱されたりする恐れがあるという。

国内では以前から、「体の模様が普通のオオサンショウウオと違うものがいる」という情報があった。しかし、オオサンショウウオは個体によって体の色が様々で、外見だけでは区別が難しい。

そこで、松井さんは、三重、大阪、岡山、大分など14府県でDNA調査をした。その結果、京都府の川の4匹、徳島県の水路の1匹が、中国の揚子江流域などに広く生息するチュウゴクオオサンショウウオの遺伝子型と一致した。若い個体も交じっていたことから、日本で繁殖した可能性が高いとみている。

国際自然保護連合(IUCN)日本委員会によると、チュウゴクオオサンショウウオはワシントン条約で商取引が禁止されている。 (asahi.com 2007年2月16日) 

チュウゴクオオサンショウウオとは何か?


上図 和名:チュウゴクオオサンショウウオ 学名:Andrias davidianus

分布 中国南西部 生態 良く解ってはいませんが、日本産オオサンショウウオと同様の生態をとっていると、考えられます。 全長 500-1500mm

日本産の種より若干大きくなり、頭のイボは小さく、対になって並んでいることが多い。体色は、白みがかって明るく、大きく独立した斑紋があります。また、頭はなめらかで、目がわりあい目立って見えます。しかし、日本産と同様に、生体ではあまり目が見えません。 国内にかなりの数が輸入されたことがあります。しかし、ほとんど売れなく、その後はどうなったか?たまに逃げた(逃がした)本種が、発見されて新聞にのることもあります。

オオサンショウウオとは何か?


上図 和名:オオサンショウウオ 学名:Andrias japonicus

分布 岐阜県以西の本州、大分県 オオサンショウウオ(大山椒魚)は、日本では本州の岐阜県以西と四国、九州の一部に生息する、チュウゴクオオサンショウウオと並ぶ世界最大の現生両生類である。体長は50〜60cm、中には1mを越えるものもいる。

目はとても小さく、視力は弱い。日本国の特別天然記念物1952年3月29日指定)。  

外来生物の問題点は?


もちろん全ての外来生物が悪影響を及ぼすわけではなく、たいていの外来生物は自然のバランスの中に組み込まれ、大きな影響を与えずに順応してしまいます。しかし、中には次のような問題も起きます。

生態系への影響外来生物が在来の生き物を食べてしまうことにより、本来の生態系が乱されてしまったり、在来生物との間に競争がおこり、生活の場を奪ってしまったりする。

人の生命・身体への影響たとえば、毒をもっている外来生物にかまれたり、刺されたりする危険があります。

農林水産業への影響外来生物の中には、畑を荒らしたり、漁業の対象となる生物を捕食したり、危害を加えたりするものもいます。

移入・外来・侵入種―生物多様性を脅かすもの

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オールスケルトンタイプの電気製品が可能に?「透明エレクトロニクス」の技術最前線 このエントリーをはてなブックマークに追加  

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スケルトンタイプの電気製品が流行した。透明な電気製品の中に複雑な電子回路が見える製品には、近未来的な好奇心を感じた。
 
しかし、透けるといっても中の配線や配電盤はしっかり見えていた。もしこれらの電子回路の部分も透明になったらオールスケルトンタイプの電気製品ができる。
 
そんな夢の技術が一歩実現に近づいた。東北大学の金属材料研究所のグループが透明な酸化物半導体(酸化亜鉛)を、薄膜結晶にする技術を開発した。
 
この技術は、透明エレクトロニクスの中心課題であった透明薄膜トランジスタ高性能化を可能にするだけでなく、高温超伝導酸化物にも応用することが期待されるすばらしい成果だ。
 
近未来には、透明なガラスと思ったものが、電気を流すとテレビになるといったものができます。窓の外の景色をその日の気分によって変えるといった使い方もできるでしょう。
 
今日は将来の夢の技術「透明エレクトロニクス」について調べます。(参考HP JST)
 
 スケルトン金属  ZnO    

関連するニュース

酸化物における量子ホール効果の観測に初めて成功

国立大学法人東北大学金属材料研究所の塚崎 敦博士研究員と大友 明助手らは、東北大学電気通信研究所および独立行政法人科学技術振興機構と共同で、酸化物における量子ホール効果の観測に世界で初めて成功しました。

量子ホール効果の観測に用いた試料は、酸化亜鉛(ZnO)および酸化亜鉛と酸化マグネシウムの混晶(MgZnO)の積層薄膜からなり、結晶育成技術を工夫し薄膜結晶の品質を高めたことで今回の成功につながりました。

量子ホール効果は、高純度の半導体中に形成された2次元電子ガスホール抵抗が極めて高精度に量子化されることを利用して電気抵抗標準として用いられています。なお、量子ホール効果には、整数量子ホール効果と分数量子ホール効果とがあり、今回観測されたのは整数量子ホール効果です。

東北大学の研究グループは、従来のZnO薄膜結晶の品質を著しく改善する成長技術を開発し、紫外発光ダイオードや透明薄膜トランジスタなどの素子を世界に先駆けて開発してきました。今回、この技術を基に作製したZnOとMgZnOの積層薄膜で、分極効果をつくると、高い移動度を有する2次元電子ガスを形成することに成功したので、量子ホール効果の観測に至りました。

今回の成果は、透明エレクトロニクスの中心課題であった透明薄膜トランジスタ高性能化を可能にするだけでなく、高温超伝導酸化物をはじめとする多様な物性・材料群と量子ホール効果を組み合わせることを容易にすることから、新奇な物理現象発見への可能性を拡げるものです。

本研究成果は、米国の科学雑誌「Science(サイエンス)」への掲載に先立ち、2007年1月25日(米国東部時間)付けでオンライン公開されます。 (2007年1月26日 独立行政法人科学技術振興機構)

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透明エレクトロニクスの未来


近年、透明なプラスチックで外装された“スケルトン”構造の携帯型機器が多く見られるようになりましたが、「透明エレクトロニクス」で実現できることを端的に言えば、機能の根幹である電子回路も透明にしてしまうことです。

そのためには、透明薄膜トランジスタの高性能化、すなわち電子移動度の向上が必要でした。酸化物半導体でも従来の半導体並みに高いトランジスタ特性を実現できる可能性を示した点で、本研究は「透明エレクトロニクス」の実現に可能性を切り拓いたといえます。

透明な電気を通す物質とは?


「透明」というと=ガラス=絶縁体というイメージがあるので、電気を通す物質はないように思いますが、実はいくつか発見されています。

ITO(酸化インジウム・スズ)
・酸化インジウムに5〜10wt%の酸化スズを添加
・In3+席に置換したSn4+がキャリア電子を発生する
・酸素欠損も同時にキャリアを発生
・抵抗率が低い(1.5〜2.0×10−4Ωcm)

・液晶ディスプレイなどにもっともよく用いられている
・インジウムが高価である

酸化亜鉛
・酸化亜鉛に酸化アルミニウムや酸化ガリウムを添加
・安価だが抵抗率が高い(〜1.0×10−3Ωcm)

酸化スズ
・酸化スズに酸化アンチモンやフッ素をドープ
・太陽電池用電極として使用されている

量子ホール効果とは?


2次元電子ガス(参考図)の運動方向に垂直に強い磁場をかけると電子の軌道運動が量子化され、エネルギーがとびとびの値となるランダウ準位が形成されます。

このランダウ準位を磁場の強度で変化させたとき、電子のエネルギーがちょうどランダウ準位のエネルギーと一致するとホール抵抗(参考図)に平坦部が現れます。ホール効果が量子化されるこの現象を量子ホール効果と呼びます。

なお、量子ホール効果には整数量子ホール効果と分数量子ホール効果とがあり、それぞれを明らかにした功績により発見者には1985年と1998年にノーベル物理学賞が贈られました。

2次元電子ガスとは何か?


半導体と絶縁体あるいは異種半導体どうしの接合界面で界面に沿って運動する電子、すなわち、2次元平面にのみ運動量を持つ希薄な電子のことを2次元電子ガスと呼びます。 (参考図

ホール抵抗とは何か?


固体中を流れる電流に垂直に磁場をかけると、電流と磁場の両方に直交する方向に電圧(ホール電圧)が生じる現象をホール効果と呼び、ホール電圧を電流で割った値がホール抵抗です(参考図)。

分極効果とは何か? 


コンデンサでは絶縁体の両端に電圧をかけたときだけ電荷が蓄積されますが、絶縁体を強誘電体に置き換えると電圧を切っても蓄積された電荷は失われないため、不揮発性メモリとして動作し実用されています。

このとき強誘電体中では相反する電荷を担う原子または分子の位置がわずかにずれており、これを分極した状態にあるといいます。ある種の結晶は電圧をかけなくても特定の結晶方位にわずかに分極した状態にあります。

分極の大きさが異なる異種材料を接合するとその差に比例した電荷が界面に蓄積されるようになります。このことを分極効果と呼び、本研究で用いたZnOとMgZnOの接合では、この分極効果を用いて正の電荷を界面に蓄積した結果、電子が界面に引き寄せられて2次元電子ガスが形成されました(参考図)。 
 

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温泉は「鉱物資源」だ!温泉に含まれる成分とは何か? このエントリーをはてなブックマークに追加  

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今年は暖かい日が続いている。いつもなら冬の休日は家族で温泉にでかけるのが、ささやかな楽しみである。

箱根もよいが、伊豆もよい。近くにはよい温泉が多い。最近は歩いて100mの場所にも温泉がある。こちらの温泉は地中深くボーリングして取り出したものである。

昔のイメージとは変わって街の中でも楽しめる温泉が多くなった。

温泉とは何だろうか?またどんな種類の温泉があるのだろうか?

先日、熱水鉱床の話をしたが、水は高温・高圧下ではさまざまな金属を溶かすことができる。地上に出てくる温泉の中にも、まだいろいろな物質が溶けており、これが健康にもよい。

温泉というのは、文字通りの温かい水ではなく、実に様々なものを溶かした鉱物資源という印象だ。

今日は温泉について学ぶ。(参考HP Wikipedia)

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温泉とは何か?


温泉(おんせん)とは、地中から湯が湧き出す現象や、地下水が湯となっている状態、またはその場所を示す用語である。その湯を用いた入浴施設も一般に温泉と呼ばれる。

日本では温泉は温泉法と環境省の鉱泉分析法指針で定義されている。

温泉の三要素 温泉には以下の三つの要素がある。

1.泉温
泉温は湧出口(通常は地表)での温泉水の温度とされる。泉温の分類としては鉱泉分析法指針では 冷鉱泉・微温泉・温泉・高温泉 の4種類に分類される。
泉温の分類は、国や分類者により名称や泉温の範囲が異なるため、世界的に統一されているというわけではない。

2.溶解成分(泉質)
溶解成分は人為的な規定に基づき分類される。日本では温泉法及び鉱泉分析法指針で規定されている。鉱泉分析法指針では、鉱泉の中でも治療の目的に供しうるものを特に療養泉と定義し、特定された八つの物質について更に規定している。溶解成分の分類は、温泉1kg中の溶存物質量によりなされる。

3.湧出量
湧出量は地中から地表へ継続的に取り出される水量であり、動力等の人工的な方法で汲み出された場合も含まれる。

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温泉法による温泉の定義


日本では、1948年(昭和23年)7月10日に温泉法が制定された。この温泉法第2条(定義)によると、温泉とは、以下のうち一つ以上が満たされる「地中からゆう出する温水、鉱水及び水蒸気その他のガス(炭化水素を主成分とする天然ガスを除く。)」と定義されている(広義の温泉)。

1.温度
泉源における水温が摂氏25度以上。(摂氏25度未満のものは、冷泉または鉱泉と呼ぶ事がある)

2.成分
次の成分のうち、いづれか1つ以上のものを含む。(含有量は1kg中)
溶存物質(ガス性のものを除く。) 総量1000mg以上
遊離炭酸(CO2) 250mg以上

リチウムイオン(Li+) 1mg以上
ストロンチウムイオン(Sr++) 10mg以上
バリウムイオン(Ba++) 5mg以上
フェロ又はフェリイオン(Fe++,Fe+++) 10mg以上
第一マンガンイオン(Mn++) 10mg以上
水素イオン(H+) 1mg以上
臭素イオン(Br-) 5mg以上
沃素イオン(I-) 1mg以上
フッ素イオン(F-) 2mg以上
ヒドロひ酸イオン(HAsO4--) 1.3mg以上
メタ亜ひ酸(HAsO2) 1mg以上
総硫黄(S)[HS-,S2O3--,H2Sに対応するもの] 1mg以上
メタほう酸(HBO2) 5mg以上(殺菌や消毒作用がある塩化物質。眼科で目の洗浄や消毒に使われる。)
メタけい酸(H2SiO3) 50mg以上(保温効果を持続させる作用がある。)
重炭酸ソーダ(NaHCO3) 340mg以上
ラドン(Rn) 20(100億分の1キュリー単位)以上
ラジウム塩(Raとして) 1億分の1mg以上
備長炭お風呂用 ごくらく湯 1KG

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鉱泉分析法指針による分類


療養泉

鉱泉分析法指針では、治療の目的に供しうる鉱泉を特に療養泉と定義し、特定された八つの物質について更に規定している。
泉源の温度が摂氏25度以上であるか、温泉1kg中に以下のいずれかの成分が規定以上含まれているかすると、鉱泉分析法指針における療養泉を名乗ることができる。

1.溶存物総量(ガス性のものを除く) - 1000mg
2.遊離二酸化炭素 - 1000mg
3.Cu2+ - 1mg
4.総鉄イオン(Fe2++Fe3+) - 20mg
5.Al3+ - 100mg
6.H+ - 1mg
7.総硫黄([HS-,S2O3--,H2Sに対応するもの)- 2mg
8.Rd - 111Bq

さらに療養泉は溶存物質の成分と量により以下のように分類される。

塩類泉 - 溶存物質量(ガス性物質を除く)1g/kg以上
単純温泉 - 溶存物質量(ガス性物質を除く)1g/kg未満かつ湯温が摂氏25度以上
特殊成分を含む療養泉 - 特殊成分を一定の値以上に含むもの 
薬用入浴剤 七草湯500ml

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温泉は成分によってどんな種類に分かれるか?
単純温泉

含まれる成分の含有量が少ないため(温泉水1kg中1000mg未満)、刺激が少なく肌にやさしい。無色透明で、無味無臭。旧泉質名は単純泉。神経痛、筋肉・関節痛、うちみ、くじき、冷え性、疲労回復、健康増進などの一般的適応症に効果がある。

硫黄泉

硫黄が多く含まれる温泉。卵の腐ったような硫化水素の臭いがあり、色は微白濁色。換気が悪い場合、中毒を起こすことがある。ニキビ、オイリー肌、皮膚病、リュウマチ、喘息、婦人病などの症状に効果あり。硫黄イオンはインスリンの生成を促す働きがあるので、糖尿病の症状にも有効。刺激が強い泉質なので、病中病後で体力が落ちている人や乾燥肌の人には注意が必要。

塩化物泉

ナトリウムが含まれる温泉。旧泉質名は、食塩泉。主な効用としては、外傷、慢性皮膚病、打ち身、ねんざ、リュウマチ、不妊症などがあげられる。飲用は胃腸病に効くといわれている(飲泉は、医師の指導を受け、飲用の許可がおりている場所で、注意事項を守って行うこと)。ナトリウムイオンは、脳のホルモンを刺激し、女性ホルモンのエストロゲンを上昇させる働きがあるので、女性の更年期障害にも有効。

含鉄泉

鉄を含む温泉。水中の鉄分が空気に触れる事によって酸化するため、湯の色は茶褐色である。殺菌消毒作用がある。炭酸水素塩系のものと硫酸塩系のものがある。この泉質の温泉は保湿効果が高いので、体がよく温まる。貧血に効く。

含銅・鉄泉

銅及び鉄を含む温泉。水中の金属分が空気に触れる事によって酸化するため、湯の色は黄色である。含鉄泉同様、炭酸水素塩系のものと硫酸塩系のものがある。血症、高血圧症などに効く。

含アルミニウム泉

アルミニウムを主成分とする温泉。旧泉質名は、明礬泉、緑礬泉など。殺菌消毒作用がある。肌のハリを回復させる効果があり、また慢性皮膚病、水虫、じんましんなどにも効く。明礬泉はとくに眼病に効果があるとされる。

酸性泉

水素イオンを多く含む強い酸性の温泉(PH3以上)。刺激が強く、殺菌効果が高い。また、古い肌を剥がし新しい肌に刺激を与えて自然治癒力を高める効果もある。水虫や湿疹など、慢性皮膚病に効く。肌の弱い人は入浴を控えるか、入浴後に真水で体をしっかり洗い流すなどの配慮が必要。

炭酸水素塩泉

アルカリ性の湯。重曹泉、重炭酸土類泉に分類される。重曹泉の温泉への入浴は、肌をなめらかにする美肌効果があり、外傷や皮膚病にも効果あり。飲泉すると慢性胃炎に効くといわれる。一方、重炭酸土類泉の温泉は炎症を抑える効果があるので、入浴は、外傷、皮膚病、アトピー性皮膚炎、アレルギー疾患などに効く。飲泉は、痛風、尿酸結石、糖尿病によいとされる。

二酸化炭素泉

無色透明で炭酸ガスが溶け込んだ温泉である。旧泉質名は単純炭酸泉。炭酸ガスが体を刺激し、毛細血管を拡張して血行をよくする効果がある。入浴による効果は、心臓病や高血圧の改善。飲泉は便秘や食欲不振によいとされる。

放射能泉

微量のラドン・ラジウムが含まれる。これらの不活性の気体のごく微量の放射能は人体に悪影響を及ぼす可能性は小さく、むしろ、ホルミシス効果で微量の放射線が免疫細胞を活性化させる(癌の発育を妨げることがあるのではないかと言われる)ので、むしろ体に良いのではないかと考えられている。皮膚病、婦人病を始め様々な病気や外傷に効果があるといわれるが、とくによいとされるのは痛風、血圧降下、循環器障害である。

硫酸塩泉

硫酸塩が含まれる。苦味のある味。芒硝泉、石膏泉、正苦味泉に分かれる。血行をよくする働きがある。入浴効果は外傷や痛風、肩こり、腰痛、神経痛などに効く。飲泉は便秘やじんましんに効く。硫酸塩は、強張った患部(硬くなった肌)を柔らかくして動きやすくする働きを持っているため痛風や神経痛の症状に効果が高い。 
にがり温泉 500g

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