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部門助教授。日本物理学会、日本数理生物学会、日本生態学会、日本進化学会、個体群生態学会各会員。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(1) 共通教育・専門基礎科目
電磁気学要論（時田）
(2) 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（分担、時田）
(3) 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）
(4) 共通教育・基礎セミナー
楽器を作ろう・・・音の科学入門（分担、菊池）
(5) 理学部専門科目
物理学セミナー2（物理学科、時田）
力学1 （物理学科、菊池）
物理数学2 （物理学科、菊池）
統計物理学3（物理学科、時田）
物理学特別研究（物理学科、分担、菊池・時田）
(6) 大学院理学研究科科目
物性理論特論III （物理学専攻、時田）
多体問題セミナーII （物理学専攻、菊池・時田）
(7) 大学院生命機能研究科科目
基礎数学2 （分担、菊池）
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、砂丘のダイナミクスなどである。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、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。
4 研究成果
4.1 タンパク質の機能とゆらぎ
タンパク質の計算物理学的研究としては、第一原理的に天然構造を予測するという大目標があり、多くの研究者によって全原子模型に基づく分子動力学計算が行なわれている。それに対して我々の興味は、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を明らかにすることにある。そのために、格子模型やバネ・ビーズ模型など粗視化されたモデルに基づく計算機シミュレーションによってタンパク質の構造空間で見た自由エネルギー景観の特徴を調べている。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 (MSOE) 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。4.1.1 ミオシンの構造揺らぎとヌクレオチド解離
代表的な生体分子モーターであるアクトミオシン系はATP 解離によって解放される自由エネルギーを運動に変換する。この際に生じるミオシンの構造変化がヌクレオチドの結合・解離とどのように関係するかを議論するため、結合状態と解離状態のふたつの構造を安定および準安定構造として埋め込んだ新たな粗視化モデルを構築した。このモデルにヌクレオチドを顕わにとりいれ、構造緩和を分子動力学法によってシミュレーションしたところ、ヌクレオチドが結合したままでは中間構造で停止し、ヌクレオチドが解離すると安定構造に緩和することを見出した。これはミオシンの機能発現に際して、ヌクレオチドが「構造を止める」役割を果たしていることを示唆する。実際、ヌクレオチドをいれる代わりにATP 結合部位を“硬く”することによっても緩和は中間構造で停止することが確認された。また、上記過程は、ミオシンを引っ張る方向によってATP 解離速度が変わるという“Strain-sensor”の逆過程に対応しており、Strain-sensor 仮説の裏付けとなるものである。論文は現在準備中である。4.1.2 粗視化タンパクモデルの基礎論
これまで、郷モデルと呼ばれる人工的な相互作用をもつモデルを用いて、タンパクの折れたたみや構造変化を調べてきた。郷モデルは天然構造をエネルギー最小とするように作られるが、よく考えてみるとその枠内でもモデルにはいくつもの任意性がある。しかし、その任意性を議論した研究は過去に見あたらない。我々は郷モデルに基づくモデルの相互作用パラメータを系統的に変化させることによって、同じ天然構造を持つモデルであっても異なる折れ畳み過程をたどる場合があることを示した。特に二個以上のドメインを持つ大きなタンパクではドメインごとに相互作用の大きさを変えることにより、折れ畳み順序や折れ畳み中間体の構造などが制御できる。具体的にリゾチームなどのタンパクにこのモデルを適用し、実験をよく説明できるパラメータを見出した。論文は現在準備中である。また、粗視化モデルのアミノ酸を系統的に間引くことによって、「粗視化モデルの粗視化モデル」を構成することを試みた。これは「繰り込み群」の考え方をタンパクに応用しようというものである。ただし、系統的な繰り込み操作は困難なので、直感的な方法でモデルを構成した。元の粗視化モデルと自由エネルギー景観を比較することにより、折れ畳み中間状態の存在などの定性的な性質は「粗視化モデルの粗視化」を行ってもある程度保たれることを見出した。この事実をうまく使えば、タンパクのシミュレーションに要する計算時間を大幅に減らせると期待できる。
4.1.3 タンパク質の凝集
昨年に引き続き、熱力学的に正しい計算機シミュレーション手法を用いて、凝集の最小単位である二個のタンパク質の安定性を調べた。具体的な計算は二次元格子タンパク質モデルとMSOE 法を用いて行なった。計算によって求められた自由エネルギー景観から、二個のタンパク質が充分に接近したところで、急激に構造を変化させて凝集体を形成することがわかった。論文は現在準備中である。なお、現実のタンパク凝集（プリオンなど）への応用は今後の課題である。4.2 大規模生態系の数理
数理生物学、ゲーム理論などの様々な分野で研究されている一般的な生物ネットワークモデルに対する、統計力学的研究を行った。特に、種数が多く複雑で多様な種間相互作用をもつ系が進化する条件を調べた。この成果はTheoretical Population Biology 誌に掲載されている(Tokita and Yasutomi, 2003)。進化した系は、数理生態学において古典的に調べられてきたロトカ・ボルテラ系で表すことができ、異なる栄養段階にわたる捕食関係、競争・共生関係を持つ大規模で複雑な生態系に対応することがわかった。さらに、実際の生態系で普遍的に観察される、いわゆる「種の豊富さのパターン（各種の個体数の分布を特徴づける巨視的なパターン）」を示していた。この群集モデルがもつ相互作用の対称性から、種の豊富さのパターンに対する統計力学的な理論解析が可能となり、環境条件および系の生産力や成熟度に関係する単一のパラメータに対して、共存する種数、個体数の分布、種の豊富さのパターンなどを解析的に得ることができた。個体数の分布は、実際の野外研究で観察される、「左に歪んだ」「カノニカル」な対数正規分布に近い形をとることもわかった。パラメータに依存する分布の形の変化も、野外研究での観察と一致していた。この成果はPhysical Review Letters誌に掲載された(Tokita, 2004)。これまでの種の豊富さのパターンについての理論は、単一栄養段階で競争関係にある比較的単純な群集のみに適用可能であったが、本研究によって、より一般的な大規模群集に対しても適用可能な理論が初めて構成された。これは、本研究室が目指した、統計力学的な視点による、種多様性研究に対する有効性を示すものといえる。また、上記のモデルとは異なるクラスの「反対称」相互作用をもつレプリケーター系(Chaawanya and Tokita, 2002) に対する種の豊富さのパターンに関する統計力学的定式化も行い、野外研究でよく観察される分布（対数正規分布、マッカーサーの折れ棒モデルと等価な指数分布、フィッシャーの対数級数則など）を解析的に導くことができた．
ランダム群集モデル（対称ランダム相互作用行列）に対して解析的に導かれた種の豊富さのパターン。p が小さい場合は極地などの厳しい環境もしくは未熟な群集のパターンを、また、p が大きい場合は熱帯など種数の多い群集のパターンを再現する。
4.3 高速道路交通流の数理と実験
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や実物の車両を使った実験にも力をいれている。本年は昨年行った実験の解析をまとめる作業をおこなった。論文は現在準備中である。4.4 バルハン砂丘群のダイナミクス
バルハン（三日月型砂丘）は、風が一方向に吹きかつ砂の量があまり多くない砂漠で観測されるもので、地球上だけでなく火星でも発見されている。我々は昨年までに砂丘の動力学の本質を捉えた「砂丘のミニマルモデル」を提案し、バルハンの衝突現象を調べてきた。本年は昨年に引き続いて砂床からのバルハン形成シミュレーションを行った。また、大阪大学理学研究科宇宙地球専攻・遠藤徳孝助手のグループと共同で水槽実験も行い、シミュレーションと実験がよく一致することを確かめた。これらの結果はJ. Phys. Soc. Jpn. 誌に掲載され、同誌オンライン版のNews and Comments 欄で大きくとりあげらるとともに、衝突の論文はEditor’sChoice にも選定された。さらに数値シミュレーションによって、これまで困難とされてきたバルハンの運動を制御する方法を発見した。これについての論文は準備中である。
4.5 ＰＣクラスタの構築（待兼山計畫）
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。本年は次期クラスタのための試験機を導入し、ベンチマーク試験などを行った。4.6 研究協力
学内・学外の多く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。また、博士研究員として高城史子氏（JST 研究員、サイバーメディアセンター招聘研究員）、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・下山紘充・中西良樹の4 名が研究に参加した。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 一般向け講演等
(1) 物理学科一日体験入学で、全体講義「物理学の考え方でいろいろなものをながめる」を行った（菊池）(2) 世界物理年企画「アインシュタイン・イヤー・イン・オオサカ」（日本物理学会大阪支部等主催、大阪大学等後援、2005/3/13）で、講演「アインシュタインの夢」を行った（菊池）
(3) 財団法人大阪都市協会が運営するlog osaka web magazine で、一般向け物理学講座「かわいい物理／音」をストリーミング配信中(URL:http://www.log-osaka.jp/broadcasts/workroom/workroom_ index4.html)（菊池）
5.1.2 他大学非常勤講師
(1) 京都女子大学「文化としての科学2」（分担、菊池）5.2 研究面における社会貢献
5.2.1 他大学セミナー講師等
(1) Kei Tokita,“Statistical mechanics of large complex hypercycles” (June, 2004, Harvard University, Program for Evolutionary Dynamics, Harvard University)(2) 時田恵一郎，「ランダム群集モデルにおける種の豊富さのパターン」（2004 年10 月，大阪大学大学院理学研究科）
(3) 時田恵一郎，「ランダムレプリケータネットワークにおける成分量の分布について」（2004 年12月，東京大学大学院総合文化研究科）
(4) 時田恵一郎，「多様化を促進する群集形成の数理モデルと種個体数関係の理論」（2004 年12 月，東京大学大学院農学生命研究科）
(5) 時田恵一郎，「種の豊富さのパターンの理論」（2004年12 月，横浜国立大学21 世紀COE プログラム「生物・生態環境リスクマネジメント」）
5.3 学会活動
5.3.1 国内学会における活動
(1) 基礎物理学研究所計算機委員会所外委員（菊池）(2) 日本数理生物学会運営委員、日本数理生物学会学会サーバ運営委員、日本生態学会第52 回大会運営委員（時田）
5.3.2 論文誌編集
(1) 「物性研究」各地編集委員（菊池）5.3.3 研究集会世話人
(1) 基研研究会「電磁波と生体への影響─作用機序の解明に向けて─ 」2004 年6 月24 日～6 月26日、京都大学基礎物理学研究所（菊池）(2) シンポジウム「交通流のシミュレーション」2004年12 月10 日～12 月11 日、サイバーメディアセンター豊中教育研究棟（菊池）
(3) 基研研究会「モンテカルロ法の新展開3」2005 年2 月28 日～3 月2 日、京都大学基礎物理学研究所（菊池）
5.4 プロジェクト活動
(1) 平成14(2002) 年度～ 科学技術振興機構・戦略的創造研究推進事業「ゆらぎと生体システムのやわらかさをモデルとするソフトナノマシン」（菊池:分担、研究代表者: 柳田敏雄（大阪大学生命機能研究科））(2) 平成15(2003) 年度～平成17(2005) 年度科学研究費補助金基盤研究(C)(2)「交通流の動的性質－実測データ解析とシミュレーション」（菊池: 分担、研究代表者: 只木進一（佐賀大学学術情報処理センター））
(3) 平成14(2002) 年度～平成16(2004) 年度 科学研究費補助金若手研究(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:研究代表者）
6 2004 年度研究発表論文一覧
6.1 解説記事
(1) 時田恵一郎, “多様性の進化と維持機構”, 人工知能学会誌Vol.19, No.6, (2004), pp.678-685.(2) 時田恵一郎, “蝶の羽ばたきは嵐を呼ぶか？ : カオスは生命をかく語りき”, 細胞工学2004 年9 月号, Vol.23, No.9, pp.1070-1076.
(3) 時田恵一郎, “ゼロサムゲームの数理”, 数理科学2004 年7 月号, Vol.493, pp.76-83.
6.2 原著論文
(1) Kei Tokita,“Species abundance patterns in complex evolutionary dynamics”, Physical Review Letters 93(2004) 178102.(2) Noritaka Endo, Keisuke Taniguchi and Atsunari Katsuki,“Observation of the whole process of interaction between barchans by flume experiments”Geophysical Research Letters, Vol.31, No.12,(2004) L12503
(3) Atsunari Katsuki, Hiraku Nishimori, Noritaka Endo, Keisuke Taniguchi,“Collision dynamics of two barchan dunes simulated by a simple model”Journal of the Physical Society of Japan, Vol.74,No.2, (2005) 538-541
(4) Atsunari Katsuki, Macoto Kikuchi, Noritaka Endo,“Emergence of a Barchan Belt in a Unidirectional Flow: Experiment and Numerical Simulation” Journal of the Physical Society of Japan, Vol.74, No.3,(2005) 878-881
6.3 国際会議会議録
(1) M. Kikuchi, Y. Sugiyama, S. Tadaki and S. Yukawa,“Formation of Synchronized Flow at the Upper Stream of Bottleneck in Optimal Velocity Model”Transportation Systems 2003, Proceedings of the 10th IFAC Symposium (Elsevier), 347-351(2) Y. Sugiyama, M. Kikuchi, A. Nakayama, K. Nishinari,A Shibata, S.-i. Tadaki, S. Yukawa, “Traffic Flow as Physics of Many-Body System” Transportation Systems 2003, Proceedings of the 10th IFAC Symposium (Elsevier), 335-340
6.4 国際会議発表
(1) Kei Tokita and Tsuyoshi Chawanya, “Diversity dynamics in large complex biological networks”,International Conference on Complex Systems(ICCS2004), Boston, May 16-21, 2004, oral.(2) Atsunari Katsuki, “Collision dynamics of two barchan dunes simulated by a simple model”Workshop on dunes and sand transport Carry le Rouet,France, June. 9-11, 2004, oral.
(3) Atsunari Katsuki, “Collision dynamics of two barchan dunes simulated by a simple model”, 22nd International Conference on Statistical Physics Bangalore, India, July 4-9, 2004, poster.
(4) Atsunari Katsuki, “Collision dynamics of two barchan dunes simulated by a simple model”, Pattern Formation in Nonequilibrium Systems( The Satellite Meetings for STATPHYS 22)Kolkata, India,July 11-13, 2004, poster.
(5) Kei Tokita,“Statistical mechanics of relative species abundance”, International Conference for Mathematics in Biology and Medicine, Annual Meeting for the Society for Mathematical Biology (SMB), University of Michigan, Ann Arbor, July 25-28, 2004, poster.
(6) Kei Tokita,“Statistical mechanics of relative species abundance”, 4th Conference of the International Society of Ecological Infomatics (ISEI4), Pusan National University, Pusan (Busan), Korea, Oct 24-28, 2004, Invited.
(7) Kei Tokita, “Species abundance patterns in complex evolutionary dynamics”, 50th NNIBB Conference: Structure and Dynamics of Complex Biological Networks, Okazaki Conference Center, Okazaki, Japan, Feb. 8-10, 2005, Invited.
6.5 国内学会発表
(1) 時田恵一郎，「北の一様、南の多様：大規模多種力学系の理論から」（招待講演），生態学会第51 回大会（2004 年8 月，釧路市観光国際交流センター）(2) 高城史子・菊池誠，「ミオシンモータードメインの構造緩和シミュレーション」，日本物理学会2004年秋季大会（2004 年9 月，青森大学）
(3) 時田恵一郎，「ランダム群集モデルにおける種の豊富さのパターン」，日本物理学会2004 年秋季大会（2004 年9 月，青森大学）
(4) 入江治行・時田恵一郎，「生態系の種数面積関係と個体数ランク分布」，日本物理学会2004 年秋季大会（2004 年9 月，青森大学）
(5) 勝木厚成・菊池誠・遠藤徳孝，「バルハン砂丘帯の形成メカニズム」，日本物理学会2004 年秋季大会（2004 年9 月，青森大学）
(6) 勝木厚成，「バルハン砂丘群の集団ダイナミクス」，日本物理学会2004 年秋季大会（2004 年9 月，青森大学）
(7) Kei Tokita，“Diversity Dynamics in Complex Ecological Networks” (Invited) ，数理生物学会第14回年会（2004 年9 月，広島大学）
(8) 入江治行・時田恵一郎，「ベントスの種数時間面積関係」，数理生物学会第14 回年会（2004 年9月，広島大学）
(9) 高城史子・菊池誠，「ミオシンモータードメインの構造緩和シミュレーション」、生物物理学会第42 回年会（2004 年12 月，京都国際会議場）
(10) 検崎博生・菊池誠，「リアリスティックな格子モデルによるチューブリンの自由エネルギー構造」，生物物理学会第42 回年会（2004 年12 月，京都国際会議場)
(11) 中西良樹・菊池誠，「格子モデルによるタンパク質二量体の安定性の解析」，生物物理学会第42 回年会（2004 年12 月，京都国際会議場）
(12) 高城史子・菊池誠，「ミオシンモータードメインの構造変化とヌクレオチド解離シミュレーション」，物理学会第60 回年会（2005 年3 月，東京理科大学）
(13) 下山紘充・菊池誠，「粗視化タンパク質モデルの粗視化」物理学会第60 回年会（2005 年3 月，東京理科大学）
(14) 勝木厚成・菊池誠，「砂丘形態の安定化挙動」，物理学会第60 回年会（2005 年3 月，東京理科大学）
(15) 検崎博生・菊池誠，「リアリスティックな格子モデルによる，チューブリンの自由エネルギー構造」，物理学会第60 回年会（2005 年3 月，東京理科大学）
(16) Kei Tokita，“Theory of species abundance patterns in a large complex community” ，生態学会第52 回大会（2005 年3 月，大阪国際会議場）
(17) 入江治行・時田恵一郎，「生物群集の種-個体数分布と種数面積関係」，生態学会第52 回大会（2005年3 月，大阪国際会議場）
6.6 国内研究会発表
(1) 菊池誠，「拡張アンサンブル: あるもののシミュレーションからないもののシミュレーションへ」，第9 回未来研究ラボシステム「非線形ダイナミクス」研究会（2004 年4 月，基礎工学部）(2) 菊池誠，「生体分子モーターとタンパク質おれたたみ、またはマックスウェルの悪魔は何度発明されたか」，高等研シンポジウム「ダイナミックスからみた生命的システムの進化と意義」（2004 年8 月，札幌アスペンホテル）
(3) 勝木厚成，「バルハン砂丘の衝突ダイナミクス」，第10 回未来研究ラボシステム「非線形ダイナミクス」研究会（2004 年6 月，基礎工学部）
(4) 勝木厚成，「バルハン砂丘群の集団ダイナミクス」，基研研究会「ソフトマターの物理学2004 － 変形と流動－」（2004 年7 月，京大基礎物理学研究所）
(5) 時田恵一郎，「大規模生物ネットワークの多様性、複雑性および安定性」，情報処理学会数理モデル化と問題解決研究会「複雑系の科学とその応用」（2004 年10 月，名古屋大学）
(6) 入江治行・時田恵一郎，「ベントスの個体数分布のデータ解析と数理モデル」，情報処理学会数理モデル化と問題解決研究会「複雑系の科学とその応用」（2004 年10 月，名古屋大学）
(7) 勝木厚成・菊池誠・遠藤徳孝，「バルハン砂丘帯の形成メカニズム」，「複雑流体の構造形成と崩壊の数理」（2004 年11 月，京大数理解析研究所）
(8) 菊池誠，「情報の遺伝子以外への固定化について（レビュー）」，「ダイナミックスからみた生命的システムの進化と意義」（2004 年11 月，国際高等研究所）
(9) 勝木厚成・菊池誠・遠藤徳孝，「バルハン砂丘帯の形成プロセス」，第10 回交通流のシミュレーション・シンポジウム（2004 年12 月，サイバーメディアセンター豊中教育研究棟）
(10) 時田恵一郎，「大規模生物ネットワークモデルにおける多様性、複雑性および安定性」，日本バイオインフォマティクス学会生物情報ネットワーク研究会「遺伝子・代謝ネットワークの構造と動的挙動の解析」（2004 年12 月，東京大学医科学研究所）
(11) 高城史子，「Go++ でGo Go＿ミオシンの構造変化シミュレーション」，「複雑な多谷ポテンシャルエネルギー面上で生起する動力学諸問題：タンパク質とその周辺」（2005 年3 月，神戸大学）
(12) 矢野史朗・南哲人・村田勉・藤巻則夫・鈴木良次・菊池誠，「位相同期モード解析法の提案とMEG信号への応用」，電子情報通信学会ニューロコンピューティング研究会（2005 年3 月，玉川大学）
6.7 修士論文
(1) 松村祐介，「レプリケータ方程式を用いた生態系ネットワークにおけるアセンブリモデルの研究」（大学院生命機能研究科）(2) 服部和雅，「ラチェット系のエネルギー効率とJarzynski 等式の検証」（大学院理学研究科物理学専攻）
(3) 矢野史朗，「自発的脳活動における多試行位相同期解析」（大学院理学研究科物理学専攻）