サイエンスジャーナル

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2009年05月

科学の公式・力学編6 「力学的エネルギー」とは何か?

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環境にやさしい「風力」「波力」「水力」
 エネルギーとは仕事をすることのできる能力のことであった。近年、石油・石炭などの化石燃料の燃焼で出てくる、化学エネルギーや熱エネルギーを、うまく利用することで人類は発展してきた。

 しかし、これには二酸化炭素による地球温暖化や、大気汚染などの環境問題を引き起こしてしまった。そこで現在、環境にやさしいエネルギーの利用がさかんに考えられている。

 環境にやさしいエネルギーとして注目されているのが、風力や波力、水力を使った発電である。これらのエネルギーは環境にやさしいということ以外に、共通点がある。それは何だろうか?


 力学的エネルギーと力学的エネルギー保存の法則
 正解はどれも力学的エネルギーであるということである。力学的エネルギーとは何だろう?

 力学的エネルギーとは、運動エネルギーや位置エネルギーのことを指す。理想的な場での物体の運動は、力学的エネルギーすなわち、運動エネルギーと位置エネルギーの和は一定になる。これを、力学的エネルギー保存の法則と言う。

 これを式で書くと次のようになる。ただし、運動エネルギーを K 、位置エネルギーを U 、力学的エネルギーを E とする。

  E = K + U    

 実際にエネルギーは、摩擦力などを通して、熱エネルギーなど他のエネルギーに変わることがある。この場合、力学的エネルギーの保存は成立しなくなるが、エネルギー全体としては保存している。より広義の意味で、エネルギーは保存しているので、これをエネルギー保存の法則という。

運動エネルギーとは何か?
 運動エネルギーとは、運動している物体が持つエネルギーのことである。質量mの物質が速さVで運動しているとき、この物体が持つ運動エネルギーは K は次のように表される。

  K = 1/2 mV2   

位置エネルギーとは何か?
 位置エネルギーとは、物体が「ある位置」にあることで物体にたくわえられるエネルギーのことである。力学ではポテンシャルエネルギー(potential energy)ともいう。質量mの物質が高さhの位置に置かれているとき、この物体が持つ位置エネルギーUは次のようになる。

  U = mgh

 上の図は落下する物体のエネルギーの移り変わりを表している。h は物体のある高さ、t は時間、Epot は位置エネルギー、Ekin は運動エネルギー、Etot は力学的エネルギーである。物体の落下にともなって、位置エネルギー(黄色い部分)は減少し、運動エネルギー(青い部分)は増加する。

 ここで重要なのはボールが落下している間、力学的エネルギーはつねに一定で変わらないということである。物体が動くときには、エネルギーの種類は変わるがその総量は増えたり減ったりしない。この法則を力学的エネルギー保存の法則と呼ぶ。 

 

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科学の公式・力学編5 「仕事」「仕事率」「エネルギー」とは何か?

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日常生活における仕事の定義
 「仕事」とは日常生活では職業のこと。辞書で職業とは、生きるために日常的に従事する労働。ほとんどの場合は金銭、つまり、被雇用者の場合は給与、自営業の場合は利益を得るためになされる。

 単に仕事といっても自分の興味・関心のあるものでなければ、とても続かない。しかも、単に興味・関心があってもダメで、努力して自分を表現できるものがないと続かない。これでいいやと思ったら終わりで、次にこうしてみたいと考え続けることが重要である。

物理学における仕事の定義
 しかし、物理学で定義される「仕事」はまったく違う。物理学(力学, 熱力学 ) においては、物体に加えた力と、それによる物体の移動距離の積で表す物理量である。

 物体にはたらく力を F、物体の移動した距離を x とするとそのときの仕事 W は次のように表せる。

  W = Fx    また、仕事率をPとすると  P = W/t

 仕事の単位は、N·m(ニュートン・メートル)や J(ジュール) である。他に W・s(ワット・秒)で表す。

 1 N・m = 1 J = 1 W・s

仕事の単位と電力の単位
 仕事の記号 W (Workの頭文字)は単位のW(ワット)と違うので注意が必要である。 W(ワット)は仕事率 P の単位であり、1W(ワット)は、1秒あたりに消費されている1J(ジュール)の仕事量という意味である。

 さらにW(ワット)は電力の単位でもある。すなわち1V(ボルト)×1A(アンペア)= 1W(ワット)と定めた。仕事率の1W =電力の1W と定められているが、仕事のエネルギーと電気のエネルギーの関係が、イメージとして結びつきにくく理解しにくい。

仕事とエネルギーの関係
 仕事に関連したものにエネルギーがある。エネルギーとは何だろうか?

 物理学でいうエネルギーとは、仕事をする能力のことである。つまり、エネルギーが大きければ、それだけ物体に力がはたらき、数m移動することができる。

 エネルギーには、どんなものがあるだろうか?

 力学的エネルギー(運動エネルギーと位置エネルギー)、熱エネルギー、光エネルギー、電気エネルギー、音エネルギー、化学エネルギー、原子核エネルギーなど多様である。

さまざまなエネルギーの単位
 エネルギーの単位とは何だろうか?

 エネルギーとは仕事をする能力のことなので、エネルギーの単位には、仕事の単位が使われる。すなわちエネルギーの単位もジュール (J) である。

 しかし、エネルギーの種類はさまざまであるので、分野によっては他の単位が用いられる。例えば、栄養学や食品の世界ではカロリー (cal) が用いられる。他には、エルグ (erg)、キロワット時 (kWh)などが用いられる。それぞれ次のような関係にある。

 1J = 1 N·m = 1 W·s = 約2.78 × 10-7 kW·h = 約0.238 9 cal = 107 erg

 1cal= 4.2 J   1W = 1J/s = 1 N・m/s = 1Pa・m3/s

 

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ビクトリア・クレーターに地層発見!火星の太古に海の証拠か?

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驚異の活動を続ける2台の火星ロボット
 デイズニィーの映画「ウォーリー」は、地球上で700年間も働き続ける、ごみ処理ロボットを描いたコメディであるが、この2台のロボットもよく働く。

 火星で活動中のロボット、「スピリット」と「オポチュニティー」は2003年6月に打ち上げられ、2004年1月から火星探査を開始した。

 当初、わずか3ヶ月、90日間と見られていた、2台の活動可能時間は大幅に変更され、2009年5月現在も活動中であり、もう5年が過ぎている。



                                    (出典:NASA)

 砂嵐や故障など、数々の困難に直面しながら、さまざまな発見を続けて現在も活動中というのは驚異というほかない。特に注目されるのは、過去、火星に水があったという証拠をいくつも発見していることである。

「スピリット」の活躍
 「スピリット」は2003年6月10日17時59分 (UTC) に打ち上げられ、2004年1月3日4時35分 (UTC) に火星のグセフ・クレーターに着陸した。

 2007年5月、「スピリット」は温泉や火山活動のあった証拠を見つけた。スピリットが車輪をひきずった跡に明るい色の土が発見されたのだ。そこで、この土を観測機器を使って調べ、90%が二酸化ケイ素であることを明らかにした。

 このような高濃度の二酸化ケイ素の発見は初めてのこと。その形成原因については、温泉のような環境や、火山性の活動によって酸性の蒸気と土が反応したためではないかと考えられている。

 二酸化ケイ素は地球上にも水晶などの結晶構造を持つ物質として存在しており、一般的にはガラスの主成分として使用されている。(2007年5月23日 JPL News Releases)

「オポチュニティ」の活躍
 一方、「オポチュニティ」は、2003年7月7日15時18分 (UTC) に打ち上げられ、2004年1月24日1時5分 (UTC) に火星の反対側にあるメリディアニ平原に着陸した。メリディアニ平原はほとんど平らな場所であるが、オポチュニティは直径約20mのクレーター内に着陸してしまった。このクレーターはイーグル・クレーターと名づけられた。
 
 土壌や岩石のサンプルの調査、風景の撮影などを行うていたが、この時のサンプルの分析結果より火星の表面に赤鉄鉱が存在することが明らかになった。

 昔から予想されていた「火星の表面の赤色は酸化鉄である」というのは本当であった。また、過去に水が存在していた可能性も出てきた。地球上の赤鉄鉱は、海底に堆積してできているからだ。

ビクトリア・クレーターに向かう
 次に「オポチュニティ」はエンデュランスというクレーターを目指して走行し、2004年の6月から12月までここで調査を行った。自らの耐熱装甲が捨てられた場所の近くで隕石を発見し、この隕石はヒート・シールド・ロックという名前で知られるようになった。

 2005年の4月末から6月始めにかけて、オポチュニティは走行困難な砂丘に突入し、いくつかの車輪が砂に埋まってしまった。6週間以上に渡って、地球上で実験を繰り返し、機能を失わずに脱出するための策が検討された。数センチレベルの緻密な作戦によって、オポチュニティは何とか脱出に成功し、走行を続けることができた。

 オポチュニティは2005年10月から2006年3月まで、南方のビクトリア・クレーターを目指したが、その途上でエレバスという大きくて浅いクレーターに立ち寄った。この間に、アーム部分にいくつかの機械的な問題を抱えた。

ビクトリア・クレーターの調査
 2006年6月、火星探査のプロジェクトチームはビクトリアクレーターにオポチュニティを送り込むかどうか長い間決めかねていた。

 クレーターに入るには起伏の激しい地形を通らなければならず、老朽化した探査車の操舵システムや車輪では耐えられない可能性があったからだ。

 ビクトリア・クレーター内部の調査は注意深く実行され、調査は成功。ビクトリアクレーターの壁には、水の流れによって土砂が運ばれて堆積した地層が見つかった。

 似た地層は約6キロ北の別のクレーターでも見つかっており、米コーネル大などの研究チームは「古代の火星では広い範囲で水が流れていたようだ」としている。論文は22日付の米科学誌サイエンスに発表された。

 オポチュニティは2008年8月にビクトリアクレーターを無事抜け出し、現在は約13.5キロ離れた場所にあるさらに大きなエンデバークレーターへ向かってゆっくりと前進している。

関連するニュース
古代の火星、広範囲に水? 米チーム、地層発見


 火星にあるビクトリアクレーターの崖の砂の層の下に、水の流れでできた地層などがあった。

 火星の赤道付近にあるビクトリアクレーターの壁に、水の流れによって土砂が運ばれて堆積(たいせき)した地層が見つかった。似た地層は約6キロ北の別のクレーターでも見つかっており、米コーネル大などの研究チームは「古代の火星では広い範囲で水が流れていたようだ」としている。論文は22日付の米科学誌サイエンスに発表された。

 米航空宇宙局(NASA)の探査車オポチュニティーが撮影した画像を解析してわかった。オポチュニティーは2004年1月に火星に着陸。最近は約2年にわたって、ビクトリアクレーターの周囲を調べていた。(asahi.com 2009年5月26日) 
 

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科学の公式・力学編4 「A=BC」で表される力学公式

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物理の公式「A=BC」
科学の公式は難しいイメージがある。一方でやさしい公式もある。例えば「A=BC」のようにわかりやすい形で表せる、力学の公式にはどんなものがあるだろうか?

これには、運動方程式、摩擦力、フックの法則、浮力などがある。

ニュートンの運動方程式
ニュートン力学とは、アイザック・ニュートンが創始した一連の物理法則を指し、物体の運動と力の関係を明確に数学として表現する力学の一分野である。1687年に、著書『プリンキピア』で発表された。

その中に運動の第2法則として、運動方程式がある。 Fは力、mは質量、aは加速度とすると、次の式が成り立つ。

   F= m a 

この方程式では力が質量と加速度の積に等しいことを示している。力がはたらくと物体の速度が変わるのである。

摩擦力とは?
摩擦力とは、二つの物体が、接触している際に、その接触面の方向に働く力。

ざらざらで水平な机の上で、ある質量をもった物体を水平方向に引っ張る場合と、なめらかな氷の上で同様に物体を引っ張る場合とでは、その物体を動かすのに要する力は明らかに異なる。

静止している物体を動かそうとする際に働く摩擦力を静止摩擦力という。物体の質量が大きい場合、その物体を動かすのにより大きな力を要し、ある限界値以上の力でないと物体は動かない。この物体が静止している限界でかかっている力、すなわち物体が動き出す直前にかかっている力を最大静止摩擦力という。

最大静止摩擦力より大きな外力がはたらくと、物体は動き出す。最大静止摩擦力 Fo、垂直抗力を N、摩擦係数を μとすると次のような式が成り立つ。

   Fo = μN

動いている物体にはたらく摩擦を、動摩擦力というが、その摩擦力を F’とし、抗力を N、動摩擦係数 μ’とすると次のような式が成り立つ。

   F’ = μ'N

フックの法則とは何か?
伸ばした、ばねは、もとの長さにもどろうとする。このときのばねの力 F を弾性力という。このとき弾性力Fはばねの伸び x に比例する。ばね定数を k とすると次のような式が成り立つ。これをフックの法則という。

   F = k x

フックの法則は17世紀のイギリスの物理学者、ロバート・フックが提唱したものであり、彼の名を取ってフックの法則と名づけられた。


浮力とは何か?
水などの流体中にある物体には、重力とは逆の方向の力が作用する。この力を浮力と言う。

物体は流体から圧力を受けている。このとき圧力は物体の上と下では異なる。この物体が受ける上下の力の差が浮力である。すなわち、下から受ける力の方が大きくなるため、物体には下向きの重力とは逆の、上向きの力が作用するのである。

浮力にはアルキメデスの原理が成立する。すなわち「物体が受ける浮力は、その物体と同じ体積の周囲の流体に作用する重力に等しい」。今浮力を F、流体の密度をρ、物体の体積をV、重力加速度をgとすると次のような式が成り立つ。

   F = ρVg    水の場合密度ρは1であるから、  F = Vg   になる。

 

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京都議定書後2013年〜の温室ガス削減目標「7%減」の可能性

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COP14とは何か?
 COPとは、気候変動枠組条約の締約国会議のことである。日本は、COP3の京都議定書で、温室効果ガスの合計削減目標を1990年度比-6%,減少させることを義務付けられている。

 昨年12月ポーランドで開かれた、COP14には189の締約国、384のNGO(非政府組織)などから約1万人が参加した。COP14では、COP15までの作業計画を作成。次回のCOP15では、いよいよ京都議定書に定められた期間後の、2013年からの温室効果ガス削減目標を定める。ポスト京都を占う、COP15は12月、コペンハーゲンで開催される。

 COP14は、その準備段階であり、次のようなことが決められた。

1.先進国は、2013年以降も国別総量目標による削減義務を負う。
2.先進国は、3月末までに中期目標の検討状況を報告し、条約事務局は6月までに京都議定書後の体制の原案を示す。
3.先進国全体の中期目標は、国連「気候変動に関する政府間パネル(IPCC)」の報告を認識、検討を開始する。
4.先進国の京都議定書後の体制での削減幅は、透明性があり理路整然とした方法で決める。各国の削減幅は異なりうる。

COP15に向けて
 各国は、2009年12月のCOP15で13年以降の枠組みを決めることで合意。先進国に対し中期目標の検討状況の報告を3月までに求めた。条約事務局は6月までに、京都議定書後の国際的な温暖化対策の体制の原案を示すことになった。

 こうした状況から、麻生太郎首相は5月24日、官邸で有識者による「地球温暖化に関する懇談会」を開催。2020年までの温室効果ガス排出量削減の中期目標について「来月半ばごろに発表し、7月の主要国首脳会議(サミット)や、12月の気候変動枠組み条約第15回締約国会議(COP15)につなげていきたい」と考えを明らかにした。

 懇談会では、中期目標に関する世論調査結果(4000人を対象に面接で実施)が公表された。これは政府の中期目標検討委員会が4月に示した6つの案のうち、どれを支持するかのアンケート結果であった。

 6つの案とは、温室効果ガスの排出量を90年比で(1)4%増(2)1%増〜5%減(3)7%減(4)8〜17%減(5)15%減(6)25%減−−とする6案だ。

京都議定書後の中期目標
 アンケート結果の中で最も支持されたのは、省エネ機器を現実的な範囲で最大限導入する場合を想定した「7%減」が45.4%と最も多かった。

 懇談会で、産業界側は経済への影響が小さい「4%増」を主張。環境問題に取り組む非政府組織(NGO)は地球温暖化防止のため「25%減」を求め、両案を折衷した「7%減」が妥当との意見も出た。

 政府は6つの案のうち、「1990年比7%減」を軸に絞り込みの検討に入る。国際交渉で存在感を確保するため一定の排出削減は欠かせないとみているほか、目標達成の実現可能性も見込めると判断した。

 今後の交渉では排出削減の基準年を京都議定書の90年から、複数の年との比較に変更することも求める方針。これは世界に先駆け、省エネに取り組んだ我が国の努力を、正当に評価してもらうためのもの。

 これらを含めた目標を6月半ばまでに麻生太郎首相が発表する。

温暖化ガス削減中期目標「首相が判断」 官房長官、環境相をけん制


 河村建夫官房長官は26日の記者会見で、斉藤鉄夫環境相が温暖化ガス削減の中期目標に幅を持たせることも選択肢になり得るとの認識を示したことについて「ひとつの選択肢ではあるが、最終的には麻生太郎首相が総合的な判断で決定していく課題だ」とけん制した。

 2020年を目安とする中期目標は、首相が6月半ばまでに発表する予定。政府は1990年比4%増―25%減の範囲内で六つの案を示したが、環境相は15―25%減と幅を持った目標も選択肢になると語っていた。

 ただ鉄鋼・電力業界が4%増を主張する一方、環境関連の非政府組織(NGO)は25%減を提唱するなど意見が割れている。(NIKKEI.NET 2009年5月26日)  

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2008年の二酸化炭素濃度が過去最高!400ppmも時間の問題

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二酸化炭素濃度が過去最高
     
気象庁は、国内で観測している温室効果ガスの二酸化炭素(CO2)について、2008年の大気中濃度の年平均値が観測史上最高になったと発表した。観測開始以来、上昇傾向が続いているという。この原因は何だろう?

もちろん、石油・石炭などの化石燃料の使用や、人間の活動によるCO2排出と、土地利用で森林が減っていることが主な原因である。


                                 (出典:Wikipedia)

では、現在の二酸化炭素濃度はいくらであろうか?

気象庁は5月19日、地球温暖化をもたらす大気中の二酸化炭素の濃度が国内で観測史上最高となったと発表した。今春の観測値は大船渡で4月に395.3ppm、南鳥島で3月に390.8ppm、与那国島は4月に393.2ppmといずれも観測史上最高を更新。

過去の二酸化炭素濃度
つい最近まで、二酸化炭素濃度は300ppmつまり、0.03%であったが(ppmは100万分の1)もはや400ppm(0.04%)の大台に乗るのは時間の問題である。産業革命以前は、およそ 280ppm(0.028%)の濃度であったと推定されている。

空気中の濃度からすると少ないようだが、二酸化炭素は空気中に2%あるだけで、めまいや頭痛を起こす。7%で死亡するという。CO2はわずかでも温室効果は高い気体である。

気象庁は都市化の影響が少ない3地点で定点観測を続けている。2008年の平均濃度は、岩手県大船渡市の大気環境観測所で388.5ppm、小笠原諸島の南鳥島で386.6ppm、沖縄・与那国島で388.0ppm。3地点の平均濃度は過去10年間、1年当たり1.9ppmの割合で上昇している。

二酸化炭素濃度の季節変動
ところで、二酸化炭素濃度は1年間の中でも変動がある。1年の内でもっともCO2濃度が高い季節はいつだろう?

正解は春。春は植物の光合成が本格的に始まる前で1年で最もCO2濃度が高くなる。また、二酸化炭素は赤外線の2.5〜3μm、4〜5μmの波長帯域に強い吸収帯を持つため、地上からの熱が宇宙へと拡散することを防ぐ、いわゆる温室効果ガスとして働く。 二酸化炭素の温室効果は、同じ体積あたりではメタンやフロンにくらべ小さいものの、排出量が莫大なことから、地球温暖化の最大の原因とされる。

関連するニュース
CO2:2008年、大気中の平均濃度 国内で過去最高に


気象庁は19日、2008年の大気中の二酸化炭素(CO2)平均濃度が、国内の観測3地点でいずれも過去最高を記録したと発表した。化石燃料の使用や森林減少の影響でCO2濃度は年々増加し、近年は増加幅が大きくなっているという。

人間活動や植生の影響を受けにくい3地点で観測。2008年の平均濃度は▽岩手県大船渡市388.5ppm▽東京・南鳥島386.6ppm▽沖縄・与那国島388.0ppm−−で、いずれも1987〜1997年の観測開始以来最高となった。3地点とも2008年までの10年間で、年平均1.9ppm増加している。(毎日新聞 2009年5月19日) 


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若田さんの「おもしろ宇宙実験」 尿の再生水でカンパイ!

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宇宙長期滞在中、若田さんの日常
国際宇宙ステーションに滞在中の若田宇宙飛行士。2009年3月15日、STS-119(15A)ミッションで打ち上げられ、日本人として初めてのISS長期滞在を開始してから70日が経過した。あと45日、約3ヶ月半もの間、クルーのフライトエンジニアとしてISSに滞在し、STS-127(2J/A)ミッションで2009年6月13日帰還する。

若田さんは、宇宙空間での長期滞在で、毎日美しい地球を眺めながら、貴重な体験を積み重ねている。うらやましいところもあるけど、これは地球と違って大変だということもある。先日は尿からつくった再生水で、乗組員とカンパイしていたが、これはうらやましくなかった。


                                                                                 (出典:JAXA・NASA)

若田さんの日常生活で、驚かされたのは、まず歯磨き。水が貴重なので歯を磨いたあと吐き出すことはしない。ほとんど飲み込むんだそうだ。次に洗髪、シャンプーをつけるが、やはり水が貴重なので洗い流すことはしない。シャンプーが飛び散らないようにタオルで覆いながら泡を立て、タオルでぬぐい取って終わりだ。

宇宙ステーションでは、お風呂やシャワーがないので、体はロシア製のウェットタオルで汚れを拭き取るだけだ。

若田さんの「おもしろ宇宙実験」その1
若田さんは、宇宙ステーションで行う「おもしろ宇宙実験」のアイディアを募集した。応募総計1,597件のアイディアの中から、いくつかの実験を行っている。

これはぜひ、JAXAの動画を見てほしい。楽しくて、思わず笑ってしまう。

やってみた実験のテーマをあげると「ラジオ体操」「バック転」「リフティング」「オーバーヘッドキック」「腕立て伏せ」「側転」「クロール」「スピン(回転)」まず、ラジオ体操はまったく地上のイメージではできない。おかしくて笑ってしまった。かっこよくできたのは、「側転」ぐらいだろうか。

クロールも面白い。いくらかいてもかいても前に進まない。空気があるのだから前に進みそうなものだが、まったくといってもいいほど進まなかった。それは、手で紙を持ってクロールしても同じだった。

若田さんの「おもしろ宇宙実験」その2
そして先日、2回目の面白実験を行った。テーマは「衣類をたたむ」「魔法のじゅうたん」「水鉄砲」「目薬」。さて、衣類はたためるのであろうか?目薬はさせるのであろうか?

まず、衣類であるが、たたむにはたためたが、重力がないと自然に広がっていった。宇宙空間ではマジックテープで固定する。魔法のじゅうたんは、足とじゅうたんを粘着テープで接着し、滑るように空間を移動することができた。

水鉄砲は、注射器で水を押し出すと、重力がないのでまっすぐ進んだ。水は空中で玉になった。目薬は重力がないので、目に落とすことはできない。目薬の先に水玉をつくり、それをそっと目に持っていって何とかさすことができた。

若田さんのISS長期滞在の意味
若田さんの今回の長期宇宙滞在の主な目的は何だろう?

1.日本人宇宙飛行士の長期滞在での活動や地上との連携を通じて、今後の我が国の有人宇宙計画に必要な有人宇宙技術の実証・習得を行うとともに、複雑なシステムを安全かつ確実に運用する技術の習得を図る。
 
2.日本人宇宙飛行士による軌道上での「きぼう」の機能・性能や運用性設計等の確認及び、日本人宇宙飛行士との連携を通じたシステム運用・管制技術や運用要員の技量の向上。

3.長期的な医学データ取得による知見の習得(重力、宇宙放射線等の医学的影響)
健康管理手法(栄養・体力評価、精神心理)の経験・ノウハウの蓄積。

参考HP JAXA 「おもしろ宇宙実験」 動画

ぼくの仕事は宇宙飛行士
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リサ・ランドール―異次元は存在する (NHK未来への提言)
リサ ランドール,若田 光一
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科学の公式・力学編3 「落体の運動」とは何か?

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月は永遠に落下する?
物体が落下する時の運動を考えてみよう。落下とは重力を受けながら物体が運動することである。例えば、月がなぜ地表に落ちてこないのか、という疑問に対して、月は地球に向かって落下しつづけているのだという回答を与えたのはアイザック・ニュートンである。

人工衛星や月、地球などの天体の運動はすべて落下し続けている。それでいて、地球に衝突したり、他の天体と衝突しないのは、他に遠心力などの力がはたらいているからである。それぞれの天体がぶつかり合わずにバランスよく運動している様は、不思議で神秘的である。

このように落下運動には、重力以外の要素が働いている場合が多い。ここではいろいろな落下運動について考えてみよう。

自由落下運動とは何か?
自由落下とは、重力以外の外力が存在しない状況下での運動のことである。初速ゼロで運動を開始した物体の等加速度直線運動のことを特に自由落下と呼ぶ。空気のある地球上では、空気の抵抗力が存在するので自由落下にならない。空気のない真空状態で考える。

速さをV、時間をt、重力加速度をg、位置をyとすると次のように表される。

   V=gt     y=1/2gt2      V2=2gy 

鉛直投げ下ろし
時刻t=0のときに、物体を原点Oより、初速度Voで鉛直投げ下ろしたときの運動。

   V=Vo+gt  y=Vot+1/2gt2   V2−Vo2=2gy

鉛直投げ上げ  
時刻t=0のときに、物体を原点Oより、初速度Voで鉛直投げ上げたときの運動。
   
   V=Vo−gt  y=Vot−1/2gt2   V2−Vo2=−2gy

水平投射
時刻t=0のときに、物体を原点Oより、初速度Voで水平投射したときの運動。
水平方向の位置をx、鉛直方向の位置をyとすると次のように表される。

   水平方向(x軸)  V=V0   x=Vot

   鉛直方向(y軸)  V=gt   y=1/2gt2

斜方投射
時刻t=0のときに、物体を原点Oより、初速度Vo、角度θで斜方投射したときの運動。水平方向の位置をx、鉛直方向の位置をyとすると次のように表される。

   水平方向(x軸)  V=Vocosθ     x=Vocosθt

   鉛直方向(y軸)  V=Vosinθ−gt   y=Vosinθt−1/2gt2

 

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室温で超イオン伝導となる「ナノ粒子・固体電解質」とは何か?

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新固体電解質の発見
電池の液もれは、いやなものである。古くなった電池をそのままにしておくと液がもれだし、手を汚すばかりでな、まわりの金属を、赤く錆びさせ、ボロボロにすることもある。

最近の電池は液もれが少なくなったが、危険性はいつもつきまとう。あの原因は電池の中に入っている電解質溶液。ボタン電池や乾電池など、市販されている電池のほとんどに、液体状態の電解質が用いられている。もし、液体でなく固体の電解質があれば、こんなことは起きないのだが、そもそも固体の電解質って存在するのだろうか?

今回、九州大学、科学技術振興機構、理化学研究所、高輝度光科学研究センターが共同で、室温でも非常に高いイオン伝導性を持ち、大気下で安定かつ耐熱性の高い固体電解質の開発に世界で初めて成功した。このすばらしい、新固体電解質の発見により、これまでにない安定で高性能な電池の実現が可能だという。

そもそも電解質とは何か?
電解質とは溶媒中に溶解して、電気を通す物質のことである。このとき電解質は陽イオンと陰イオンに電離する。これに対し、溶媒中に溶解しても電離しない物質を非電解質という。

この結果、電解質溶液は高い電圧(数ボルト程度)をかけると電気分解することができる。「電解質」という呼び名はこのことから付けられた。

一般的には電解質は塩酸のような「酸」、水酸化ナトリウムのような「塩基」、または塩化ナトリウムのような「塩」のような物質である。さらに、高温低圧の条件下においては、気体も電解質として振舞うことが知られていた。気体の場合はイオンとは呼ばず、プラズマと呼ぶ。

固体電解質は存在するか?
このように液体、気体の状態でも電気を通す電解質は存在する。それでは固体のままでイオンにより、電気を通すものはあるのだろうか?

固体電解質は、イオン結合性の高い物質で、外部から加えられた電場によってイオンを移動させることができる固体である。金属や半導体では、主に電子の移動によって電流が流れるが、固体電解質は主にイオンの移動によって電流が流れる。

移動する荷電粒子がイオンであるという点では電解質の溶液と同様であるが、媒体が固体であるためイオンの移動速度が小さく、低温での導電性は低い。固体の電解質にはどんなものがあるのだろうか?

固体電解質としてはジルコニア(化学式:ZrO2)が古くから使われている。ジルコニアを介して、酸素イオンが高分圧側から低分圧側へ移動する。酸素イオンはマイナスに帯電していることから、高分圧側がカソード、低分圧側がアノードとなる。この性質によって酸素センサーあるいは燃料電池を構成することができる。

超イオン伝導体とは何か?
ヨウ化銀 (AgI)やヨウ化銅 (CuI)も固体電解質である。固体でありながら、溶液並みのイオン伝導度を示すので、「超イオン伝導体」として古くから知られている。

しかし、ヨウ化銀(AgI) の超イオン伝導性は、147℃以上でのみ実現するため、例えば、室温では伝導度が4桁以上低くなってしまうことが実用化の課題とされてきた。

また、これまでの超イオン伝導性物質は、大気中において不安定であることや(RbAg4I5)、加熱によって超イオン伝導性が失われる(AgI-Ag2O-B2O3)などの課題があり、実用化には至っていなかった。

ナノ粒子の超イオン伝導体
今回の研究では、硝酸銀(AgNO3)水溶液、ヨウ化ナトリウム(NaI)水溶液及び銀イオン伝導性の有機ポリマーであるPVP(poly-N-vinyl-2-pyrrolidone)の水溶液を、常温常圧下で混合、ろ過、乾燥するといった非常に簡便な方法で、AgI ナノ粒子を合成することに成功した。また、溶液の濃度や混合手順を変えることで、約10 nm から40 nm の範囲で、異なるサイズのナノ粒子を作り分けることにも成功した。

これらのナノ粒子に関して、超イオン伝導状態(α相)とイオン伝導性の低い通常状態(β相、γ相)との間の相転移挙動を調べるため、「SPring-8」 のBL02B2 ビームラインにおける高輝度X線回折測定などにより構造変化を詳細に調べたところ、α相からβ/γ相への相転移温度が、ナノ粒子のサイズが小さくなるにつれ、転移がより低温で起こること、を発見した。

特に、10 nm 程度のナノ粒子においては、転移開始温度が40℃と、従来のAgI よりも100℃以上低く、超イオン伝導状態が室温付近まで保たれることを発見。この転移温度は、これまで報告されているAgI 関連物質では最も低い温度。

さらに、10 nm のナノ粒子に関して、冷却・加熱を行いながら、イオン伝導度測定を行った。その結果、通常状態に変化した後の4℃という低い温度においても、従来のAgI よりも10 万倍以上高いイオン伝導性を示すことを発見した。これは、AgI に限らず、2つの異なる元素からなる物質群の中では最も高いイオン伝導度の値。

今回の発見は電池の液もれをなくすだけでなく、燃料電池、電気自動車など幅広い分野での応用が可能な素晴らしい発見である。 

参考HP Wikipedia「電解質」・九州大学プレスリリース「バッテリー電解質の性能を世界で初めて固体かつ室温で実現

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科学の公式・力学編2 「等速直線運動」と「等加速度直線運動」

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等速直線運動とは何か?

物体の速度が一定で、直線運動をしていることを「等速直線運動」という。ニュートンの運動の第1法則は「慣性の法則」であるが、この中に等速直線運動が出てくる。
 
「物体に外力が加わらなければ、運動している物体は等速直線運動を続ける。静止している物体はいつまでも静止状態を続ける。」

どのような場合が等速直線運動であろうか?よく例としてあげられるのは、人が摩擦の少ない、氷の上をスケートですべる場合で、このときはなかなか止まらず等速直線運動に近い動きをする。

またエアーホッケーではパックと台の間に空気の層があり、摩擦が少なくなるので等速直線運動に近い動きをする。また、一定のスピードで移動する自動車も等速直線運動をしている。

物体のの速度が Vo、時間を t とすると、速度 V は次のように表される。

   V = Vo  (速度は時間 t にかかわらず一定)

また、進む距離 x は次のように表せる。

   x = Vot 

等加速度直線運動とは何か?
物体が一直線上を一定の加速度で運動するとき、この運動を「等加速度直線運動」と言う。物体に働く力が一定であるときに、物体は等加速度運動を行う。

等加速度とはどんな運動で観察されるのであろうか?一定の力がはたらく運動であるから、一定のエンジンの力で速度を上げる自動車や一定のロケットエンジンの力で、上昇を続けるロケットなどであろうか。

落下運動は、地球と物体が引き合って近づいていく様子を地上でみたとき、あたかも物体に一定方向の一様な力が働いて落ちていくかのように見える現象である。

これは、ほぼ等加速度運動である。(厳密には、地球に近づくほど重力は強くなるので加速度は上がる) またこのとき、位置エネルギーは運動エネルギーへ転換している。

加速度を a、時間を t、初速度を Vo とすると、速度 V は次のように表せる。

   V = Vo + at

距離を x とすると次のように表せる。

   x = Vot +1/2 at2   
 
   V2 − Vo2 = 2ax

物体の運動と移動距離
「等速直線運動」と「等加速度直線運動」の移動距離 x は、縦軸を V、横軸を時間 t としたときの、速度「V=Vo」「V=Vo+at」のグラフの下部の面積になる。(上の図参照)
 

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科学の公式・力学編1 物体の「速度」と「加速度」とは何か?

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速さとは何か?
人が元気に歩く速さは、6 km/hである。人がオリンピックで100mを走る速さは、 36 km/hである。速さとは何だろうか?

速さとは、計測できる動きの量のことであり、距離を移動する量と同じである。

速さは移動の方向を持たない、スカラー量でありその次元は距離を分子、時間を分母とする [距離] ÷ [時間] の分数で表される。

同じ速さの量であっても方向を持つものはベクトル量であり「速度」と言われる。

物体が一定の速さで距離 Δx を時間Δt  をかけて移動し、そのことを数学的に表現すると速さ V は次の式で表せる、

  V = Δx/Δt
 
加速度とは何か?
新幹線の発進時の加速度は、0.2 m/s2、エレベーターの発進は、1 m/s2、ジェット機の離陸は、2 m/s2、物体の落下は、9.8 m/s2、スペースシャトルの発射時の加速度は、30 m/s2もある。加速度とは何だろう?

加速度は、単位時間当たりの速度の変化率。速度がベクトルなので、加速度も同様にベクトルとなる。加速度はベクトルとして平行四辺形の法則で合成や分解ができるのは力や速度の場合と同様であるが、法線加速度、接線加速度に分解されることが多い。法線加速度は向きを変え、接線加速度は速さを変える。

速度を ΔV とすれば、加速度a は速度の時間Δt とすると次のように表される。

  a = ΔV/Δt

速度の合成・分解

速度は、x方向や、y方向に分解できる。今、地上との角度θ、速度V で運動する物体を考えるとx方向の速度成分、Vx、y方向の速度成分、Vyは次のように表される。

  Vx = V cosθ   Vy = V sinθ 

 

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ビールの「天敵」乳酸菌でコラーゲンが増える健康食品開発!

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乳酸菌と特定保健用食品
乳酸菌というとヨーグルト?でもそれだけでない、さまざまな食品に利用されている。どんな食品に利用されているだろうか?

主なものとしては、ヨーグルトや乳酸飲料などの発酵乳製品の他に、キムチや浅漬け、ピクルス、ザワークラウトなどの発酵植物製品、鮒寿司などのなれ寿司などがあげられる。乳酸菌による発酵は、これらの食品に酸味を主体とした味や香りの変化を与えるとともに、乳酸によって食品のpHが酸性側に偏ることで、腐敗や食中毒の原因になる他の微生物の繁殖を抑えて食品の長期保存を可能にしている。

それだけでなく、最近は健康効果に着目して利用されるケースも多い。特定保健用食品(トクホ)として認可された乳酸菌製品には、食品の摂取によって便秘や下痢の改善、善玉菌に分類される菌が増殖し有機酸が増え、悪玉菌が減少しアンモニアが減ったため腸内環境が改善されたことを示す研究結果が多い。また、研究によって血圧や血清コレステロールの低下が確認された製品や、花粉症などのアレルギー症状が軽減されるという研究報告もある。

乳酸菌とアルコール飲料
健康によいイメージのある乳酸菌であるが、ある食品で増えると味が変になり、嫌われるものがある。それは何だろう?

正解はアルコール飲料である。アルコール飲料をつくる菌は何か?それは酵母菌や麹などである。乳酸菌もある程度必要であるのだが、途中で増えすぎると酸味や異臭を生じて商品価値がなくなってしまう。

日本酒醸造の現場ではこれを火落ちまたは腐造と言い、これらの菌は「火落ち菌」として造り酒屋たちから恐れられている。また火落ちにより混入した乳酸菌によって醸造後に腐敗することを防止するための手法が経験的に編み出されており、これを「火入れ」という。

「火入れ」は醸造した酒を65℃の温度で23秒間加熱する、低温殺菌法である。これだけで乳酸菌を殺菌できる。「火入れ」は江戸時代からつたわる先人の知恵である。

ワインにおいても同様に保存中に乳酸菌発酵によって異臭や酸味を生じることがある。ビールにおいても乳酸菌が混入すると味や泡立ちを低下させるため、ビール製造の「天敵」とされてきた。

乳酸菌とコラーゲン美肌効果
アサヒビールでは「ビール酵母」以外に、天敵「乳酸菌」についての研究も熱心で、主力のビール以外に健康食品の開発にも力を入れている。今回、乳酸菌の中で、肌の張りや保湿性を高める「コラーゲン」や「ヒアルロン酸」の生成を促し、美肌効果が期待されるものを発見した。

約200種類の乳酸菌を使って実験を重ねた結果、白菜浅漬けなどから抽出した5種類がコラーゲンなどの生成を促すことを発見、2008年末に特許を申請した。5月20日から始まる「日本栄養・食糧学会」で発表するという。

健康的なイメージのある乳酸菌が、アルコール飲料に嫌われているのに驚いたが、コラーゲンまでつくるとは思わなかった。しかし、コラーゲン自体、生物がつくるのであるから、乳酸菌にそれを助けるはたらきがあっても、おかしくない話だ。

関連するニュース
利用したのは「天敵」乳酸菌…アサヒビール、健康食品発売へ


アサヒビールは19日、肌の張りや保湿性を高めるコラーゲンやヒアルロン酸の生成を促し、美肌効果が期待される乳酸菌を発見したことを明らかにした。20日から始まる「日本栄養・食糧学会」で発表する。

この乳酸菌を使った健康食品を年内にも発売し、3年後には10億円規模に育てたい考えだ。

乳酸菌はビールに混入すると味や泡立ちを低下させるため、ビール製造には「天敵」とされてきた。約200種類の乳酸菌を使って実験を重ねた結果、白菜浅漬けなどから抽出した5種類がコラーゲンなどの生成を促すことを発見、2008年末に特許を申請した。(2009年5月20日  読売新聞)

参考HP Wikipedia「ビール酵母」「日本酒」「乳酸菌」  

ここまで来た!免疫性・乳酸菌生産エキス―高密度乳酸菌の成果
矢沢 一良,鈴木 和郎
セントラルSOG

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長期記憶の仕組み解明 「シナプスタグ仮説」とは何か?

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記憶のしくみ
私たちの記憶はどのように形成されるのであろう?

神経細胞にはシナプスと呼ばれる神経回路のスイッチ素子が1細胞当たり数万個もあり、他の神経細胞と情報のやり取りをしている。

一つひとつの神経細胞は多くの記憶に関わっているが、記憶ごとに異なるシナプスを使い分けることで、個々の記憶を混同せずに正確に保存していると考えられている。

長期間保存される記憶では、その記憶に対応する特定のシナプスに細胞体から記憶関連たんぱく質が配達されることでそのシナプスの働きの変化が持続し、記憶が正しく長期間保存されると考えられている。

シナプスタグ仮説
ところが、1細胞あたり数万個存在するシナプスのうち、どのような仕組みで特定のシナプスのみに記憶関連たんぱく質を配達し、働かせているのかは分からなかった。これを説明するためにシナプスタグ仮説が提唱されていたが、タグの実体が不明のうえ、本当にそういう仕組みがあるのか実証されていなかった。

三菱化学生命科学研究所の井ノ口 馨グループリーダーらは、ラットを使った研究で、記憶関連たんぱく質が神経細胞のスイッチ素子へ正しく配達されるメカニズムを突き止め、記憶が正確に安定して保存される仕組みを発見した。

本研究グループは、Vesl-1Sという記憶関連たんぱく質に緑色蛍光たんぱく質(GFP)を融合させることで、神経細胞内における記憶関連たんぱく質の局在を可視化した。この分子の挙動を解析した結果、記憶関連たんぱく質は細胞内全てに配達された後、その時に使用されていたシナプスだけに取り込まれることが明らかになり、仮説が正しいことが実証された。

さらに、シナプスタグの実体は、シナプス後部のスパインの入り口にあるゲートの開閉であることを発見した。

期待される応用例
シナプスタグに生じる異常は、トラウマ記憶をそれとは無関係な種々の状況と結びつけてしまうPTSDの症状に関わると想定されるので、シナプスタグ機構を制御することによるPTSD治療法の開発への展開が期待される。

異なる出来事の複数の特徴を1つにまとめて覚えることにより連合記憶ができるが、シナプスタグ機構は連合記憶の保持に必要と思われます。統合失調症などの精神疾患の症状には、記憶の連合が不正確になり事実と異なる組み合わせで記憶をつなぎ合わせることが原因となっていると想定されるものもあるため、シナプスタグ機構を制御する薬を開発することにより、統合失調症などの改善薬になる可能性がある。

脳卒中などで脳細胞が損傷を受けた時、生き残った他の脳部位や再生した末梢に連絡する脳部位が機能を代替することが知られている。この時、リハビリテーションで体を動かすことにより新規の機能部位でシナプス伝達の改善が起きると考えられている。シナプスタグ機構を適切に制御する方法の開発が、リハビリテーションの効率を改善するのに役立つ可能性がある。

参考HP 科学技術振興機構 「記憶を正確に保存する神経細胞のしくみ 

面白いほどよくわかる脳のしくみ―記憶力、発想力、集中力はすべて脳がつかさどる (学校で教えない教科書)
高島 明彦
日本文芸社

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脳と感覚のしくみ―行動・記憶・心の基盤とその能力 はじめて学ぶゲノム生物学 (はじめて学ぶゲノム生物学)
デボラ バーンズ,エミリー フアン,田沼 靖一,コールドスプリングハーバー研究所
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新・新エネルギー革命?無尽蔵マグネシウムと太陽光レーザーで

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マグネシウムは何に含まれているか?
マグネシウムは不思議な金属である。金属なのに鉄や銅のように重くはないし、固くはない。燃やしてみると石油・石炭より激しい熱と光を出す。そして、私たちの身近にあり、埋蔵量はほぼ無限である。マグネシウムは何に含まれているのだろう?

豆腐をつくるときの「にがり」や、植物の葉緑素「クロロフィル」に含まれるが、何といっても海水中の「塩分」に一番多い。海水の中に溶けている金属としては、ナトリウムの次に多い。現在の金属マグネシウムは、海水からつくられるというから驚かされる。

ちなみに海水の水分は96.6%、塩分は3.4%。塩分のうち、塩化ナトリウムが77.9%、塩化マグネシウムが9.6%、硫酸マグネシウム6.1%、硫酸カルシウム4%、塩化カリウムが2.1%である。

マグネシウムはどんな反応をするか?
では、マグネシウムはどんな反応をするだろう。

まず、空気中で燃やすとまぶしい光と熱を発する。このときの熱エネネルギーは、601.7 kJ/ mol もある。このときの反応性は強く、何と二酸化炭素中でも燃えて、酸化マグネシウムMgOと炭素Cをつくる。そればかりか、窒素中でも燃焼し、窒化マグネシウムMg3N2を生成する。

マグネシウムの不思議はそれだけではない。マグネシウムは、非常に軽い軽合金の材料として重要である。理科の実験では、酸によく溶け水素を発生するが、単体の金属マグネシウムを粉末の状態にするか、高温にしても水とよく反応し、水素を発生する。水素は燃料電池など次世代エネルギーとして注目されているエネルギー源だ。

この反応性は例えば、金属ナトリウムやカルシウムのように、水と激しく反応して高温を発するほどの危険性はなく、ニトログリセリンのように爆発性もない。ちょうどよい反応性とも言える。植物が葉緑素に「Mg」を選んだのも利用したのもわかる気がする。

有望な次世代エネルギー
マグネシウムは燃やしても、高エネルギーを発するが、二酸化炭素を発生しないのもよい。埋蔵量も石油や天然ガスのように有限でなく、海水からほぼ無限にとれる。

こうした利点の多さから、現在、化石燃料に替わる次世代エネルギーとしての利用研究が進められている。燃えるときの熱を利用する他、水と反応させて発生する水素を燃料として利用する方法が挙げられる。

燃焼後の酸化物のリサイクルのための還元処理が最大の課題であるが、レーザーや太陽光レーザーによる、2万度の超高温を利用してイオン化、電気分解で再生する方法などが提案されている。実現すれば、夢の半永久エネルギーになる。


参考HP Wikipedia「マグネシウム」・東京新聞「石油・石炭もういらない!マグネシウム・エネルギー社会 東工大矢部孝教授(2009年5月12日)」 

 

初歩から学ぶマグネシウム―一番軽い金属構造材 (ケイ・ブックス)
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ペットが野生化・巨大化 「イグアナ」が教室乱入、庭で穴掘り!

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ミドリガメの野生化
ミドリガメは米国産アカミミガメの幼体にで、ペットショップや縁日の屋台などでよく見かける。幼少期は小さくて、緑、黄、黒などの鮮やかな模様がありきれいなので人気がある。

しかし、成長につれ多くの個体は鮮やかな模様はくすんでしまい、褐色と緑黒色主体の体色となる。米国から大量に輸入されているが、日本国内で野生化し、いまや代表的な外来種の一つとなっている。

2008年現在外来生物法では要注意外来種にとどまっており、流通や飼育に規制はない。本亜種はカメの中では極めて環境に順応しやすく世界中に帰化する。遺棄されたカメは増殖を続け、日本の都市部の川や池では在来種のクサガメやニホンイシガメは少なく、本亜種が多いという状況になってしまった。

グリーンイグアナの野生化
最近、沖縄県石垣島では中南米原産のイグアナが増えているという。もともとペットとして島に持ち込まれたものが逃げたか、飼い主が捨てたかし、その後に繁殖したものとみられる。

環境省の石垣自然保護官事務所は生息状況を調査しているが、これまでに11匹が捕まった。うち5匹は3月末からの約10日間で捕獲された。小学校の教室に突然入ってきたり、「玄関を開けたら、庭で穴を掘っていた」と話す住民もいる。 もっといそうだという。

増えているのは最大2メートル近くになる中南米原産の大トカゲ「グリーンイグアナ」。グリーンイグアナは日本ではペットとして流通しているが、鋭いツメと長い尾を持ち危険もある。逃げても本州の気候では冬を越すのは難しいが、石垣島の気候が繁殖に適しているようだ。国内の繁殖報告は現在、石垣島だけ。20年ほど前から目撃されているが、生息数ははっきりしない。 ( asahi.com 2009年5月13日 )

グリーンイグアナとは何か?
グリーンイグアナは、イグアナ科グリーンイグアナ属に分類されるトカゲ。単にイグアナと呼ばれることもある。

イグアナで思い出すのは世界遺産ガラパゴス諸島のイグアナであるが、グリーンイグアナは同じイグアナでも種類が違う。ガラパゴス諸島のイグアナは固有種でウミイグアナ、とリクイグアナに分かれる。

最大全長120-180cm。全長の2/3を尾が占め、尾には暗色の横縞が入る。成体は喉元に垂れ下がった皮膚(咽喉垂、デュラップ)が発達し、威嚇や求愛の際にはこの部分を膨らませる。耳孔の下部には大型の丸い鱗がある。

幼体は鮮やかな緑色だが、成長に伴い色味は褪せていく。オスは後頭部から背面にかけて鬣状の鱗(クレスト)が発達する。熱帯雨林に生息する。樹上棲で、水面に張り出した樹上にいることが多い。泳ぎは上手く、危険を感じると水に飛び込んで逃げる。陸上で外敵に襲われた場合は、噛みついたり尾を打ちつけたりして応戦する。

食性は植物食で、植物の葉、花、果実などを食べる。幼体は昆虫などの動物質も食べる。また幼体は成体の糞を摂取し、体内に植物を分解するためのバクテリアを取りこむ。繁殖形態は卵生。地中に1回に20-45個の卵を産む。

参考HP Wikipedia「イグアナ」「ガラパゴスリクイグアナ」「ウミイグアナ」
環境省 要注意外来生物リスト爬虫類・両生類
 

外来生物が日本を襲う! (青春新書インテリジェンスシリーズ)
池田 透
青春出版社

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移入・外来・侵入種―生物多様性を脅かすもの
川道 美枝子,堂本 暁子,岩槻 邦男
築地書館

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国内初!新型インフル感染者確認!すでに5月初旬に国内侵入?

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新型インフルついに水際を突破
5月16日新型インフルエンザの国内感染が神戸市の高校生3人に確認された。9日に成田空港の検疫で感染者が発見されたが、検疫での水際阻止でない、初の国内感染例になった。

新聞報道によると、神戸市の高校生では他に5人、症状を訴えている。さらに大阪府では、茨木市の高校で生徒ら9人が確定はしていないが(5月16日現在)感染濃厚と判明。症状を訴えるなどしている生徒を数えると約100人以上にも上るという。

神戸の高校生の場合、すでに5月8日には所属している、バレーボール部でインフルエンザがはやり、ある部員1人が休み、9日には同部で2人が休んでいた。新インフルエンザ感染が判明している高校生は12日に休み病院へ行き、A型の診断。その後病院から保健所へ連絡。15日にはほぼ回復したが、神戸保健所の検査で新型と判明した。16日には他の生徒2人についても新型が判明した。

この時期は部活動の交流戦などの行事が盛んで、神戸市の3人は交流試合に参加していた。彼らにはいずれも海外渡航歴はない。初の国内感染例になった。

新型インフル5月初旬すでに国内侵入か?
こうした状況を考えると、神戸市では8日には、もうすでに新型インフルエンザに感染していた人がいたことがわかる。潜伏期間を考えると、ゴールデンウィークに、海外から国内に潜入していた可能性が高い。

しかも交流試合があったことや、お隣の大阪府でも症状が出ている人が大勢いることなどを考えると、今後の国内流行もある程度は予想できる。

神戸市は感染判明を受け、市立学校の休校やイベント中止などを決めた。根路銘国昭・生物資源研究所長は「新型インフルエンザウイルスの遺伝情報を見ると、肺で増殖する構造を持っていない。今後も各地で散発的な発生は起きるだろうが、現段階では大流行の心配はないと考えている。感染した場合の症状も軽く、休校や旅行などの中止は過剰な反応だ。冷静に対応してほしい」と呼びかけた。

新型インフル対策「国内発生早期」へ
それにしても、インフルエンザの感染力は速い。昨日(16日)は、各地で行事があり、私も子供の体育祭で学校へ行ったが、大丈夫なのかと心配になる。関西に出張ででかけていた人が感染していれば、今後、関東でも感染者が報告されてもおかしくない状態である。

厚労省は感染ルートの特定を急いでいるが、もはや、今後の国内流行は決定的だと思う。幸い、季節性インフルエンザと同程度の毒性で、それほど強くないので、通常のインフルエンザのように対策が取ればよいと思う。

政府は16日午後に対策本部幹事会を開き、国内行動計画の対策レベルを「海外発生期」から「国内発生早期」へと引き上げた。

「国内発生早期」では〈1〉医療機関での発熱外来整備〈2〉学校などの休校要請〈3〉不要不急の外出自粛要請〈4〉集会などの自粛要請〈5〉企業への業務縮小要請...などの厳しい対策が実行に移される。場合によっては1週間程度の公共機関の停止や学校閉鎖などがあるかもしれない。

新型インフルについての特徴
WHOなどが、新型インフルエンザがメキシコから急速に世界に広がった流行の初期の状況を分析した。メキシコでは4月末時点で2万人以上が感染していたとみられ、致死率は0.4%程度と推定。

1918年に大流行したスペイン風邪(致死率2%)より弱く、1957年のアジア風邪(同0.5%)程度としている。

WHOのケイジ・フクダ事務局長補代理は4日の記者会見で、徐々にわかってきた新型インフルエンザの特徴を説明した。感染者が下痢を起こす率が40〜50%と高い。

SDC(米疾病対策センター)は15日の記者会見で、米国内の感染者は公式集計よりはるかに多く、現在の実際の感染者は「全米の症状の広がりからみて、10万人以上と言ってもいいだろう」との見解を明らかにした。

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新型インフル「国内発生早期」、政府が対策レベル引き上げへ


神戸市内の高校生から採取したウイルスが、新型インフルエンザと確認されたのを受け、政府は16日午後に対策本部幹事会を開き、行動計画の対策レベルを「海外発生期」から「国内発生早期」へと引き上げる見通しだ。

今後の調査で、同高校以外でも複数の患者が見つかり始めた場合、対策はもう1段階引き上げられ、「感染拡大期」へと進む。

「国内発生早期」の対策は、国内での感染拡大を出来る限り抑えることが狙いだ。現行の行動計画によれば、患者に接触した人の追跡調査や水際対策の継続に加え、〈1〉医療機関での発熱外来整備〈2〉学校などの休校要請〈3〉不要不急の外出自粛要請〈4〉集会などの自粛要請〈5〉企業への業務縮小要請――などの厳しい対策が実行に移される。

しかし、今回の新型ウイルスの病原性は、通常の季節性インフルエンザ並みと見られている。強毒性の鳥インフルエンザを想定した行動計画を実施すれば、経済・社会への影響が必要以上に大きくなる恐れがあるため、政府の対策本部は、新型ウイルスの特徴に合わせた弾力的な対処方針を決める見通しだ。(2009年5月16日  読売新聞) 

参考HP 厚労省新型インフルエンザ対策「基本的対処方針の実施

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世界初!緑色光合成細菌が持つ高集光能力の構造を解明

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まだまだ謎の多い光合成
植物はどうやって生きているのであろうか? 

もちろん、光合成により、自ら栄養分をつくり出しているからである。現在では小学校で光合成を学んでいるが、150年前にはまだ、光合成は発見されていなかった。

1862年、ドイツの植物生理学者ユリウス・フォン・ザックスは、葉緑体を顕微鏡で見たときに現れる白い粒は取り込まれた二酸化炭素に関係があるのではないかと考えた。彼は当時既に知られていたヨウ素デンプン反応を参考に、日光に十分当てた葉にヨウ素液をつけた。すると葉は紫色に変色した。この結果、植物はデンプンを作り、それを使って生きていることを発見した。

では、葉緑体のしくみはどうなっているのだろうか?

1915年、ドイツの化学者リヒャルト・ヴィルシュテッターは、葉緑体に含まれる植物色素「クロロフィル」や他の植物色素の研究し、ノーベル化学賞を受賞した。受賞理由は「植物色素物質に関する研究」であった。彼は複雑なクロロフィルの構造を明らかにし、ヘモグロビンの色素であるヘムの構造とにていることを示した。

光合成の暗反応「カルビン・ベンソン回路」
それでは光合成では、どうやってデンプンがつくられるのだろうか?

1950年、米国の化学者メルヴィン・カルヴィンは、アダム・ベンソンとともにカルビン・ベンソン回路を発見し、二酸化炭素からデンプンがつくられる過程を明らかにした。この功績により、1961年にノーベル化学賞を受賞した。

カルビン・ベンソン回路は暗反応とも呼ばれる過程で、二酸化炭素の固定を行なう炭酸固定反応である。カルビン・ベンソン回路は10以上の酵素からなる複雑な回路であるが、放射性同位体である炭素14をトレーサーとして用いることにより、これを解明した。

こうして今日、くわしく光合成の働きがわかってきたが、もちろんまだまだわかっていないことも多い。その一つが、クロロフィルが葉緑体の中で、どのような集合体を形成しているかである。このクロロフィルの集合体は、単独のクロロフィル分子より、少ない光で効率的に光合成を行うことが知られていた。

バクテリオクロロフィルのクロロソーム解明
今回、物質・材料研究機構(理事長:岸 輝雄)ナノ計測センターの清水 禎グループリーダーらの共同研究チームは、炭素とマグネシウムの固体NMR等の手法を用いて、葉緑素の一種であるバクテリオクロロフィル c と呼ばれる分子が実際の生体内でどのような構造になっているのかについて、その詳細を解明することに成功した。

バクテリオクロロフィルは、およそ百個規模の分子が寄り集まってクロロソームと呼ばれる積層構造をしていることまでは知られていたが、6種類提案されていた積層構造のうち一種類に特定されることを実験結果から示すことができた。

更に、分子同士を結合させて積層構造を作る原因が、水分子とマグネシウムとの化学結合であることも示すことができた。これらの発見は世界でも初めてである。

バクテリオクロロフィルを太陽電池に応用
緑色光合成細菌は、光の少ないところでも成育できる藍藻類などのことである。これに含まれる葉緑体は、集光機能が極めて効率的にできている。

この働きは、バクテリオクロロフィルの集合体クロロソームの積層構造にあることがわかっていた。この機能の全容を解明できれば、日光が十分でない環境でも効率良く働く太陽電池に応用する可能性がある。

また、生体物質で重要な役割を果たしているマグネシウムを、NMRで直接観測する技術を手に入れたことは、生体機能の核心に迫る上で極めて重要なことである。
 

参考HP Wikipedia「光合成」「光合成細菌」「カルビン・ベンソン回路」
物質・材料研究機構「
光合成細菌が持つ集光機能物質の構造を世界で初めて解明  

光合成事典

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なぜウイルスは、決まった生物にだけ感染するのか?

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ウイルスの感染するしくみと感染しないしくみ
現在、これまでにはなかった新型インフルエンザウイルスが、世界的に広がっている。日本でも国内感染者が発見され心配であるが、今のところ、猛毒性はないので、これまでと同様に、あわてずに対処することが大切である。

今回のインフルエンザ、豚にしか感染しないタイプが、人に感染するタイプに変わったという。ところで、インフルエンザは牛や馬、犬や猫に感染するのであろうか?きっと、まったく感染しない動物もいるはずである。

インフルエンザと無縁の動物、当たり前といえば当たり前だが、なぜ感染する動物と感染しない動物がいるのだろうか?これまで病原体は、感染するしくみが研究されてきたが、感染しないしくみを研究していけば、インフルエンザも撲滅できるかもしれない。

世界で初めて発見されたウイルス
インフルエンザウイルスは非常に小さく、人の細胞を利用して増える。他のウイルスについても同じで、自ら細胞を持たずに、他の生物の細胞を利用して増える。現在の生物の定義では、細胞を持たないので生物に含まない。核酸とわずかなタンパク質からできている、物質にすぎない。

では、世界で初めて発見されたウイルスは何だろう?

正解は、タバコモザイクウイルス(TMV)である。タバコモザイク病は、タバコモザイクウイルスによる植物の病気で、タバコなどの葉にモザイク状の斑点ができ葉の成長が悪くなる。

1892年、ドミトリー・イワノフスキーにより、また1898年にはマルティヌス・ベイエリンクによって、細菌を「ろ過」した抽出液にも依然として感染性因子を含んでいることが示された。これが、ろ過性病原体すなわちウイルスの最初の発見である。

1935年、ウェンデル・スタンリーがこのウイルスの結晶化に成功し、電子顕微鏡観察で初めて姿をとらえた。そして結晶化後も活性を失わないことを示した。このことから、ウイルスは生物というより物質に近いことがわかった。彼はこの業績により1946年度ノーベル化学賞を授与された。

タバコモザイクウイルス(TMV)に感染しないトマトのしくみ
さて、このようにウイルスは動物だけでなく、植物にも感染する。ほとんどすべての農作物はウイルスにより収量低下等の被害を受ける。

タバコモザイクウイルス(TMV)は、タバコに感染するウイルスである。だから、タバコ以外の植物には感染しない。しかしなぜ、タバコと同じ「ナス科」のトマトに感染しないのか?しくみはよくわかっていなかった。

今回、農業生物資源研究所は、トマトのtm-1遺伝子による、tm-1というタンパク質が、タバコモザイクウイルス(TMV)の複製に必要なタンパク質に結合し、その機能を阻害することを明らかにした。その証拠に、tm-1遺伝子を組込んだタバコは、TMVの発現がなくなった。

複数のウイルス増殖抑制機構
さらに、トマトにはtm-1タンパク質による複製の阻害に加えて、タバコモザイクウイルス(TMV)が植物体の中で増え拡がることを抑制する別の機構が存在することも示唆された。複数のウイルス増殖抑制機構が同時に存在することは、ウイルスが容易に宿主生物種以外に感染できるよう変異しないことを説明できる。

この研究によって、非宿主生物の細胞中に、ウイルス因子に結合してその機能を阻害するようなタンパク質が存在すること、一方でウイルスがある生物種で増殖を遂げるためには、そのような阻害因子から逃れるように適応する必要があることが初めて明らかになった。

これまでのほとんどのウイルス研究は、着目するウイルスが増殖可能な宿主を用いて行われてきたために、このような阻害機構は知られていなかった。今後、非宿主生物種に着目することによって、これまでに有効な抵抗性遺伝子が見つかっていないウイルスに対しても、そのウイルスに有効な阻害因子を発見することができるのではないかと期待される。

インフルエンザウイルスなども、将来、この方法で撲滅することができるかもしれない。

参考HP Wikipedia「タバコモザイクウイルス」 ・農業生物資源研究所「ウイルスが決まった植物にしか感染しないしくみ」 

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宇宙の謎を解く「ハッブル宇宙望遠鏡」の最後の修理 NASA

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ハッブル宇宙望遠鏡
下の美しい写真を見てほしい。これらはすべて夜空に輝く天体である。この写真を写したのは、米国の誇る「ハッブル宇宙望遠鏡」である。

ハッブル宇宙望遠鏡(HST)とは、地上約600km上空の軌道上を周回する宇宙望遠鏡である。長さ13.1メートル、重さ11トンの筒型で、内側に反射望遠鏡を収めている。主鏡の直径2.4メートルのいわば宇宙の天文台である。大気や天候による影響を受けないため、高い精度での天体観測が可能。

ハッブル宇宙望遠鏡と国際宇宙ステーション(ISS)を比べると、上空600kmという高さは、地上400km上空を周回する国際宇宙ステーションより外側である。そのスピードは国際宇宙ステーションが、地球1周約90分であるのに対し、ハッブルは地球1周97分であるから、相当なスピードだ。

アトランティスによる修理
今回、この宇宙望遠鏡を修理するために、スペースシャトル「アトランティス」号が13日午後(日本時間14日未明)、宇宙望遠鏡に接近、ロボットアームでつかみ、シャトルの貨物室に固定するのに成功した。

14日朝(同14日夜)から6時間以上の船外活動を5日連続で行い、部品の修理や交換を行うという。宇宙望遠鏡は、1990年にシャトルで宇宙へ運ばれたが故障が目立ち、これまで4回の修理が行われた。シャトルは来年退役する予定で、今回が最後の修理になる。

この猛スピードで回る、宇宙望遠鏡に近づく技術もたいしたものだが、この宇宙空間で精密機械を修理する技術もすごい。今回、この修理を完結するために、乗組員は1年以上、延べ400時間に及ぶ訓練を受けているという。今回、修理が成功すれば、初めて装備が完全になり、寿命は2014年まで延びる。

また、宇宙望遠鏡の周回軌道は、国際宇宙ステーションとドッキングする通常の飛行と違い、宇宙に漂うゴミ「スペースデプリ」の多い空間である。宇宙ステーションと違って、避難場所がないため、万が一衝突した場合には、別のシャトルが救援機として打ち上げられる予定だ。

ハッブル宇宙望遠鏡の成果
ハッブル宇宙望遠鏡は、宇宙の謎を解くために、素晴らしい活躍をしてきた。どんな発見がこれまで、なされたのだろう?

・1994年、シューメーカー・レヴィ第9彗星が木星に衝突する様子を克明に捉えた。
・太陽系外の恒星の周りに惑星が存在する証拠を初めて得た。
・銀河系を取巻くダークマターの存在を明らかにした。
・宇宙の膨張速度が加速しているという現在の宇宙モデルはハッブル宇宙望遠鏡の観測結果によって得られた。
・多くの銀河の中心部にブラックホールがあるという理論は、ハッブル宇宙望遠鏡の多くの観測結果によって裏付けられている。
・1995年12月18日〜28日、おおぐま座付近の肉眼でほとんど星のない領域について十日間にわたり観測を行い、「ハッブル・ディープ・フィールド」と呼ばれる1500〜2000個にも及ぶ、遠方の銀河を撮影した。
・1998年、これに続き、南天のきょしちょう座付近において「南天のハッブル・ディープ・フィールド」 (Hubble Deep Field - South) 観測を行った。 双方の観測結果は非常に似かよっており、宇宙は大きなスケールに渉り均一であること、地球は宇宙の中で典型的な場所を占めていることを明らかにした。
・さらに2003年、探査領域はろ座の1度ほどの領域を、微光天体カメラおよび赤外線カメラを用い、撮影された画像には、1万個以上の誕生後4、5億年の銀河が映し出されている。「ハッブル・ウルトラ・ディープ・フィールド」と呼ばれている。

参考HP Wikipedia「ハッブル宇宙望遠鏡」「ハッブル・ディープ・フィールド」 


宇宙画像 2009―世界の望遠鏡がとらえた1年間の厳選天体 ハッブル、スピッツァー、チャンドラ、すば (2009) (ニュートンムック Newton別冊)

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第15回ノーベル化学賞 R・ヴィルシュテッター「植物色素の正体」

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 クロマトグラフィー(Chromatography)
 クロマトグラフィー は、物質を分離・精製する技法。物質の大きさ・吸着力・電荷・質量・疎水性などの違いを利用して、物質を成分ごとに分離する。

 クロマトグラフィーには、どんなものがあるのだろうか?

 クロマトグラフィー分離の物理化学的原理は、分配、吸着、分子排斥、イオン交換があげられる。 さまざまな、クロマトグラフィーの原理が存在するが、これらの分離原理を単独で示すものはなく、多かれ少なかれ、分配、吸着、分子排斥、イオン交換の分離作用を併せ持っている。

 クロマトグラフィーの担体
 クロマトグラフィーでは、分析したい物質を運ぶ「担体」が必要である。この担体を移動するときに物質は分離していく。担体には、紙(セルロース)やシリカゲル、アルミナなどが使われる。ガスクロマトグラフィーでは担体として、ヘリウム、窒素、アルゴンなどの不活性ガスが用いられる。

 もっともポピュラーなクロマトグラフィーとして分配クロマトグラフィーがある。これには薄層クロマトグラフィーとペーパークロマトグラフィーがポピュラーである。薄層クロマトグラフィーでは担体として、シリカゲル、アルミナ、ポリアミド樹脂などがよく使われる。

 ペーパークロマトグラフィー
 ペーパークロマトグラフィーは、ろ紙を用いる簡単なクロマトグラフィーである。ろ紙の下端から数センチのところにキャピラリでサンプルをスポットし、溶媒を用いて展開する。そこに発色試薬を噴霧するなどしてスポットが見えるようにする。

 ところで、ペーパークロマトグラフィーは誰が発明したのだろう?

 正解はロシアの植物学者ミハイル・ツヴェットが発明した。彼はジュネーヴ大学で物理学・数学を学び、のち植物学に転じた。クロロフィルの研究過程でクロマトグラフィーの方法を発見し1903年に発表した。「クロマトグラフィー」の語は1906年に命名した。

 もう一人は、ドイツの化学者リヒャルト・ヴィルシュテッターである。彼は1905年にチューリッヒ大学の教授になり、クロロフィルの研究を始めた。彼はミハイル・ツヴェットとは別にペーパークロマトグラフィーを開発し、植物色素の研究を行った。クロロフィルの構造解析や植物色素の研究の業績により、1915年にノーベル化学賞を受賞している。

 ミハイル・ツヴェットがリヒャルト・ヴィルシュテッターと共にノーベル賞を受賞できなかったのは、ロシア革命の混乱と重なったことで、彼の業績が死後になって分かったためである。

 クロロフィル・ポリフィン化合物
 彼は植物色素の構造も解析し、血液色素であるヘムがクロロフィル中で見つかったポルフィリン化合物に類似していることを示した。

 ポルフィリンとは複雑な構造を持つ、有機化合物である。このような複雑な構造をどうやって解析できたのだろうか?
 ポルフィリンの中心に鉄原子が入れば動物性色素であるヘムができ、ポリフィリンの中心にマグネシウム原子が入れば植物性色素であるクロロフィルができることを解明したのは素晴らしい。

 リヒャルト・ヴィルシュテッターは、クロロフィルや他の植物色素の研究により1915年にノーベル化学賞を受賞した。 受賞理由は「植物色素物質に関する研究」。

参考HP Wikipedia「リヒャルト・ヴィルシュテッター」「クロマトグラフィー」「ミハイル・ツヴェット」「クロロフィル」「ポルフィリン」「ヘム」 

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