大規模計算科学研究部門

研究部門の業績

大規模計算科学研究部門
Large-Scale Computational Science Division

１．部門スタッフ

教授　菊池　誠
略歴: 1986 年3 月東北大学大学院理学研究科物理学専攻後期課程修了、1987 年2 月大阪大学理学部物理学科助手、1993 年8 月同助教授(改組により、現在、大阪大学大学院理学研究科)、2000 年4 月より、大阪大学サイバーメディアセンター大規模計算科学研究部門教授。日本物理学会、日本応用数理学会各会員。理学博士。

助教授　時田恵一郎
略歴: 1994 年3 月東京大学大学院理学研究科相関理化学専攻博士課程修了、1994 年4 月大阪大学理学部物理学科助手、2000 年4 月より、大阪大学サイバーメディアセンター大規模計算科学研究部門助教授。日本物理学会、アメリカ物理学会、数理生物学懇談会各会員。理学博士。

２．教育および教育支援業績

本年度は以下の学内の講義を担当した

共通教育・専門基礎科目
力学1 (工学部、菊池)
電磁気学要論(工学部、時田)
共通教育・情報処理教育科目
計算機シミュレーション入門(菊池)
情報探索入門(時田、分担)
共通教育・主題別科目
科学と人間(「科学とニセ科学」の回を担当、菊池)
共通教育・基礎セミナー
楽器を作ろう(菊池、分担)
理学部専門科目
物理数学2 (物理学科、菊池)
物理学輪講・宇宙地球科学輪講(物理学科、時田、分担)
物理学特別研究(菊池・時田、分担)
大学院理学研究科科目
多体問題セミナーII (物理学専攻、菊池・時田)
大学院生命機能研究科科目
基礎数学2（菊池）
コンピューター科学演習（時田）

３．研究概要

本部門の研究分野をひとことでまとめると学際計算物理学である。統計力学や非線形動力学の理論を基礎とし、計算機シミュレーションなどの計算物理学的手法を用いて、物理学と生物学や工学との学際領域の研究に取り組んでいる。現在の主な研究テーマはタンパク質の折り畳みとデザイン、分子モーターの運動機構解明、大規模生態系の進化と安定性、高速道路交通流などである。
　また、計算科学の分野では計算手法の開発も重要な課題である。我々の部門では、その中でも特にモンテカルロシミュレーションの拡張(拡張アンサンブル法) について、精力的に研究を行っている。さらに、新しい自由な計算環境構築を目指して、PC クラスターの運用実験も進めており、サイバーメディアセンターのBiogrid プロジェクトと連携して、Grid 環境下での計算手法についても研究している。

４．研究成果

４．１　タンパク質の折れたたみとゆらぎ：特にモータータンパク

タンパク質の計算物理学的研究としては、一方には第一原理的に天然構造を予測するという大目標があり、多くの研究者が主として全原子模型を用いた分子動力学計算を行なっているが、我々のグル－プは天然構造予測とは違った観点からタンパク質の折れたたみ問題に取り組んでいる。我々の興味は、天然構造を予測することではなく、折れたたみ過程そのもののメカニズムや機能を果たすための大変形のメカニズムにあり、そのために主として構造空間で見た自由エネルギー構造の特徴を調べている。手法としても全原子計算ではなく、格子模型やバネ・ビーズ模型などの粗視化されたモデルを用いた計算機シミュレーションを用いている。なお、格子模型の熱平衡状態計算については、我々が統計数理研究所・伊庭幸人助教授と協力して開発したMulti-Self-Overlap Ensemble Monte Carlo 法が現時点で世界最強の計算手法であり、この手法の利点を生かした計算を行なっている。
　本年度は昨年度に引き続き、モータータンパクのひとつであるキネシンを格子上で表現し、その自由エネルギー構造を求める試みを行なった。モデルは郷モデルと呼ばれる人工的な相互作用をもつモデルである。本年度はこのモデルの全エネルギー領域での状態サンプリングに成功し、あらゆる温度での自由エネルギー構造を描くことがようやく可能になった。郷モデルといえども、現時点でキネシンほどの長さのタンパク質について全エネルギー領域での状態サンプリングに成功した例は他になく、大きな成果と言える。これは、第一にMulti-self-overlap Ensemble法が極めて強力な手法であることを再確認させると同時に、計算に必要なパラメータ学習に関して新たな手法を開発したことの成果でもある。
　これを用いて、キネシンの構造ゆらぎの特徴について検討をすすめている。なお、この成果はいくつかの会議で口頭発表しており、今後論文として発表する予定である。また、キネシンより小さいＲＡＳなどいくつかのタンパクについても計算に成功しており、今後はそれらの構造ゆらぎの性質について検討する。

４．２　タンパク質デザインへの力学的アプローチ

望みの形の天然構造を持つタンパクを自由にデザインすることも、タンパク質研究の大きな目標のひとつである。我々は、”デザイン方程式”という方法を用いた力学的アプローチを提唱し、引き続き研究を行なっている。

４．３　大規模生態系モデルの数理

数理生物学を中心とする様々な分野で研究されている生態系モデル(レプリケータ方程式系）の数理的研究を行っている。特に、関係している種数が多く、種間相互作用が複雑で多様な場合に興味がある。これは、近年理論的な解析が進んでいる「同所的種分化」の問題にも直接関係している。また、１９７０年代に始まるこれまでの数理研究においては、「大規模で複雑な種間相互作用を持つ生態系モデルは安定に存続できない」という理論的な結果が示されてきており、熱帯雨林や珊瑚礁などに普遍的に観察される大規模で複雑な生態系との矛盾が問題となっている。
　今年度は東京大学大学院広域文化研究科の安冨歩助教授との共同研究である、『絶滅と分化を起こす生態系モデルに創発する複雑で安定なネットワーク』をTheoretical Population Biology(理論群集生物学), 63 (2003) 131-146に発表した。本論文において、絶滅、侵入および突然変異を取り入れ拡張したレプリケーター方程式を、種多様性の動態を表す最も簡単なモデルとして提案した。導入として、1970 年代のGardner-Ashby、Robert May らの先駆的な理論研究から始まった大自由度理論生態学の歴史を概説した。新しいモデルは、従来調べられてきたレプリケーター方程式系やそれと等価なロトカ－ボルテラ方程式系と全く異なる振舞いを示す。数値シミュレーションにより、以下のような系の特徴が明らかになった。

単一の種に対する種間相互作用に特異的に起こる突然変異を仮定すると複雑な生態系が進化しうる。複数のサンプルで平均した種数の増加曲線は、時間のベキ関数によくフィットる。これ以外の(任意の種間関係を仮定する) 従来の(ロトカ-ボルテラ型)進化モデルではそのような増大は見られない。
進化した巨大な生態系は侵入に対する安定性をもつ。
突然変異体の典型的な固定プロセスは、占有種よりもさらに高い適応度をもつ共生的な変異体グループの急激な個体数成長で起こる。
進化は形質空間中でのランダムな拡散ではなく、(科-属-種のような）階層的な系統関係が現れる。
種の個体数のランク－サイズ関係(個体数の分布関数と関係がある) は実際の生態系でよく観察される特徴的な曲線に従う。
レプリケーター系としての種間相互作用は対称行列へと進化する。このため系の全種共存解の安定性や多様性に対しては統計力学的な議論が可能である(論文準備中)。生態学的解釈は、対応するロトカ- ボルテラ方程式へ変換して考える必要があるが、その種間相互作用は、共生、競争、捕食・被捕食型の複雑な種間関係になっている。

付録で、レプリケーター方程式とロトカ-ボルテラ方程式の関係について概説し、大自由度進化モデル研究のプラットフォームとしての新しいモデルの特長について議論した。従来の進化モデル研究においては、複雑で巨大な生態学的ネットワークを構成することができなかったが、本研究において初めて任意の規模の安定な系を構成することに成功した。（図：巨大で複雑な生態系を生みだす突然変異）

４．４　高速道路交通流の数理とデータ解析

高速道路上で見られる交通流のふるまいは、一次元非線形動力学の問題として一部の物理学者の注意をひいている。我々は、この問題に対し、数理モデルの構築と計算機シミュレーションを行っている。また、シミュレーションの正当性は結局観測事実との整合性でしか言えないことから、現実の高速道路交通流で得られる観測データの解析にも力をいれており、計算と観測(データ処理) の２方向から交通流の問題にとりくんでいる。
　本年度は主として観測データの解釈を研究の中心課題とし、東名高速道路や伊勢道など高速道路上の数十ヶ所で取得された各一年分の流量データ詳細な検討を行っている。中でも70 年代に武者・樋口によって提唱されて以来ほとんど追試されていなかった流量ゆらぎの1/f ノイズについて、さまざまな観点からデータを整理・解析して、流量パワースペクトルの低周波数側にたしかに1/f 的なゆらぎが見られることを示すきれいな結果を得たことが最大の成果である。交通流の実測データから得られたものとしては、これまででもっともきれいな結果と言ってよいだろう。一方、その発生メカニズムについてはいくつかの疑問があり、理論面から検討中である。
　なお、本年度は「応用数理」誌が交通流の特集を組み、我々の研究成果をはじめとして、最近の研究動向がまとめられた。菊池はその特集全体の導入となる序論を執筆した。

４．５　モンテカルロ・シミュレーションの新技法の開発

温度一定のアンサンブルを構成するために、従来はメトロポリス流のモンテカルロ・シミュレーションが使われてきた。しかし、最近になってカノニカル(温度一定) ではないアンサンブルへの興味が高まり、特に、シミュレーションで人為的なアンサンブルを構成した後、得られたアンサンブルから温度一定アンサンブルを再構築するという、いわゆる“拡張アンサンブル”の方法に注目が集まっている。もともとは物理学の分野で発展したアイデアだが、現在その適用範囲は情報処理や統計学の広い分野にわたっている。従来の”温度を与えて手を放す”シミュレーションから、“積極的にコントロールする(しかし、最終結果は正しい温度一定アンサンブルになる)”シミュレーションへの流れは、今後も続くはずである。我々のグループは”拡張アンサンブル”の先導的な研究グループのひとつであり、特に格子ポリマーをターゲットとした拡張アンサンブル法に重点を置いて研究を進めてきた。その成果として既に上述したMulti-self-overlap ensemble法を提案し、成功を納めている。本年度は、特にそのパラメータ学習について、新たな手法を確立し、上述したキネシンの計算に成功した。

４．６　ＰＣクラスタの構築(待兼山計畫)

我々は、自由な計算環境構築を目指して、主にシミュレーションを用途とするPC クラスタを自作・運用している。昨年度までの53 台のPC(106CPU) からなるクラスタに加えて、本年度はさらに20 台のPentium 4 機と4 台のAthlon MP 機を導入し、現在運用試験中である。また、サイバーメディアセンターが中心となって展開しているBiogrid プロジェクトに参画し、Grid 基盤グループのメンバーとしてGrid 環境下での計算技法に関する基礎的研究にも取り組みつつある。

４．７　研究協力

学内・学外の研究者と積極的に研究協力を行うことにより、研究の活性化を計っている。学外共同研究者は伊庭幸人(統計数理研)、岡部豊(都立大理)、杉山雄規(名大情文)、只木進一(佐賀大CS)、中山章宏(岐阜経済大)、西成括裕(龍谷大)、安富歩(東大総合文化)、湯川諭(東大物工)、横山和成（独立行政法人農業技術研究機構北海道農業研究センター）の各氏、学内では阿久津泰弘(理学研究科物理)、茶碗谷毅(理学研究科数学) の各氏である。また、博士研究員として佐々木志剛氏、理学研究科物理学専攻博士課程学生として剣崎博生・勝木厚成の2 名が研究に参加している。

５．社会貢献に関する業績

５．１　教育面における社会貢献

5.1.1 学外活動

大阪大学・SIIT タマサート大学遠隔教育プロジェクト（時田、講義“The Physics of the web: small-world networks and internet flow”を担当）
大阪府立今宮工業高等学校講師「音とテルミンの科学」(菊池、理学研究科物理学専攻の出前授業として)
豊中市中央公民館・秋の講座講師「ファンタスティック・サイエンス：音の科学から電子楽器テルミンの原理まで」(菊池、理学研究科物理学専攻の出前授業として)
大阪府研究職職員研修会講師「科学とニセ科学」（菊池）

5.1.2 他大学非常勤講師

京都女子大学「文化としての科学2」(分担、菊池)
九州大学「タンパク質おれたたみの計算物理学」(菊池)
長岡技術科学大学「運動情報工学」（時田）
静岡大学「システム工学特別講義第2」（時田）

５．２　学会活動

5.2.1 国内学会における活動

日本物理学会WWW 小委員会委員(菊池)
基礎物理学研究所計算機委員会所外委員(菊池)
数理生物学懇談会運営委員(時田)

5.2.2 論文誌編集

「物性研究」各地編集委員(菊池)

５．３　プロジェクト活動

平成13(2001) 年～平成14(2002) 年度科学研究費基盤研究(C)「生態系および蛋白質モデルにおける進化的に獲得された相空間構造の特徴づけとその意味」(代表：菊池誠、分担：茶碗谷毅、時田恵一郎)
平成14(2002) 年～平成15(2003) 年度科学研究費若手研究(B)「生物多様性の維持機構に関する統計力学的・計算物理学的研究」(時田恵一郎）

６．2002 年度研究発表論文一覧

６．１　著書

(1) 大貫惇睦編著『物理学への誘い』大阪大学出版会(菊池、「熱とエネルギー」の章を担当)

６．２　解説記事

(1)菊池誠,『高速道路交通流の数理・はじめに』, 応用数理12 巻2 号(2002) 2-6.

(2)時田恵一郎,『複雑さの起源－ “拡張された工学”の視座へ』, 高温学会誌28 巻6 号(2002) 309-314.

６．３　原著論文

(1) S. Tadaki, K. Nishinari, M. Kikuchi, Y. Sugiyama and S. Yukawa,“Observation of Congested Two-lane Traffic Caused by a Tunnel”, J. Phys. Soc. Jpn., 71(2002) 2326-2334.

(2) Kei Tokita and Ayumu Yasutomi, “Emeregence of a complex and stable network in a model ecosystem with extinction and mutation”, Theoretical Population Biology, 63 (2003) 131-146.

６．４　国際会議会議録

(1) S. Tadaki, K. Nishinari, M. Kikuchi, Y. Sugiyama and S. Yukawa, “Analysis of congested flow at the upper stream of a tunnel”, Physica A 315 (2002) 156-162.

６．５　口頭発表(招待講演・一般講演)

(1) Kei Tokita, “Persistence of large-scale replicator equations with random prey-predator interactions”, Workshop on Dynamical Systems in Mathematical Biology (May. 2002, Tokyo).

(2) 時田恵一郎, “ランダム食物網モデルにおける種多様性のダイナミクス”, 非線形物理研究会（2002 年6 月、大阪府立大）.

(3) 検崎博生, 菊池誠、“キネシンの格子モデル”、第2回日本蛋白質科学会年会(2002 年6 月)
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(4) 時田恵一郎,“ランダム食物網型ロトカ・ボルテラ系における多様性のダイナミクス” , 日本物理学会2002 年秋季大会(2002 年9 月, 中部大学).

(5) 佐々木志剛，Vincent DUPUIS，Jean-Philippe BOUCHAUD，Eric VINCENT,“エイジング現象に関する不完全なメモリー効果に関する研究”, 日本物理学会2002 年秋期大会(2002 年9 月, 中部大学).

(6) 佐々木志剛，Olivier Martin, “階層構造と温度カオスを合わせ持つモデルのstatics に関する研究”, 日本物理学会2002 年秋期大会(2002 年9 月, 中部大学).

(7) 時田恵一郎、“食物網型大自由度ランダム群集モデルのパーシステンス”、第12 回数理生物学シンポジウム（2002 年9 月、北海道大学）.

(8) 時田恵一郎,“生態系は小さな世界か？”、日本生態学会近畿地区例会（2002 年10 月、大阪市立大学）.

(9) 検崎博生, 菊池誠,“キネシンの格子モデル”、日本生物物理学会第40 回年会(2002 年11 月).

(10) 菊池誠，中山章宏，西成括祐，杉山雄規，只木進一，湯川諭、“車線間相関-大型車の役割-”、第8 回交通流のシミュレーションシンポジウム(2002 年11月、名古屋大学).

(11) 菊池誠，杉山雄規，只木進一，中山章宏，西成括祐，湯川諭, “東名高速道路における流量ゆらぎ”, 第8回交通流のシミュレーションシンポジウム(2002 年11 月、名古屋大学).

(12) 時田恵一郎,“捕食・被捕食関係が維持する安定性・多様性” , 地域生態系共同研究プロジェクト研究集会（2002 年12 月、大阪女子大学）.

(13) 時田恵一郎,“大自由度進化力学系における複雑性、多様性および安定性”, 広島大学情報メディア教育研究センター講演会（2003 年3 月、広島大学）
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(14) 時田恵一郎,“複雑なネットワークのトポロジーとその起源”, 研究会「生命科学におけるInformatics とMathematics」（2003 年3 月、基礎生物学研究所）.

(15) Kei Tokita, “Biodiversity dynamics of large scale complex systems”, Fukuoka Workshop of Theoretical Biology: Coevolutionary Aspects in Ecology and Medicine(Mar.2003, Fukuoka).

(16) 時田恵一郎,“森林型ランダム群集モデルの多種共存解”, 日本物理学会2003 年年次大会（2003 年3 月）.

(17) 検崎博生, 菊池誠,“格子モデルによる、モータータンパク質の自由エネルギー構造”, 日本物理学会2003 年年次大会（2003 年3 月）.

(18) 菊池誠，柴田章博，杉山雄規，只木進一，中山章宏，西成括祐，湯川諭,“高速道路交通流のゆらぎ”、日本物理学会2003 年年次大会（2003 年3 月）.

(19) 菊池誠，中山章宏，西成括祐，柴田章博，杉山雄規，只木進一，湯川諭, “高速道路交通流の渋滞パターン”, 日本物理学会2003 年年次大会（2003 年3 月）.

(20) 菊池誠，中山章宏，西成括祐，杉山雄規，只木進一，湯川諭,“高速道交通流における大型車の役割”、日本物理学会2003 年年次大会（2003 年3 月）.