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 |
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電磁気学要論（時田） |
| (2) |
共通教育・情報処理教育科目 |
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計算機シミュレーション入門（菊池） |
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情報探索入門（分担、時田） |
| (3) |
共通教育・基礎セミナー |
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サイエンス・フィクション -科学と物語のあいだ- |
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楽器を作ろう・・・音の科学入門（分担、菊池） |
| (4) |
理学部専門科目 |
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物理学セミナー1（物理学科、時田） |
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力学1 （物理学科、菊池） |
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力学1 演義（物理学科、菊池） |
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統計物理学3 （物理学科、時田） |
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物理学特別研究（物理学科、分担、菊池・時田） |
| (5) |
大学院理学研究科科目 |
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多体問題セミナーII（物理学専攻、菊池・時田） |
| (6) |
大学院生命機能研究科科目 |
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基礎数学2（分担、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。統計力学と非線形動力学を基礎とした計算物理学的な手法を用いて、物理学と生物学や地球科学あるいは工学との境界領域にとりくんでいる。現在の主な研究テーマはタンパク質の折れたたみとデザイン、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、複雑ネットワーク、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 マルチドメイン・タンパクの折れたたみ
タンパク質の「ファネル描像」は折れたたみ過程が天然構造で決まることを示唆している。これを実現する最も簡単なモデルが「郷モデル」である。郷モデルの精神に基づいて現実のタンパクを記述するGo-like
と呼ばれる一群のモデルは、小型球状タンパクの単純な折れたたみだけでなく、折れたたみ過程に中間状態を持つような複雑なものもうまく記述できることがいくつかの実例で示され、盛んに使われている。一方、マルチドメインのタンパクの中には、天然構造がほとんど同じであるにもかかわらず違う折れたたみ過程をたどるタンパクの組がいくらでも見つかる。これが「ファネル描像」の破綻を意味するかどうかが問題である。我々はドメインごとに相互作用の強さを変えたGo-like
モデルを構成し、その相互作用の強さをパラメータとして、自由エネルギー・ランドスケープがそのパラメータとともにどのように変わるかを調べた。具体的にはc-type
と呼ばれる一群のリゾチーム・タンパクについて計算を行い、パラメータによって自由エネルギー・ランドスケープが変化することを見出した。実験的に知られているリゾチームの折れたたみのバリエーションのすべてについて、このモデルの範囲内で対応する自由エネルギー・ランドスケープが見出された。この結果は、「ファネル描像」の有効性をマルチドメイン・タンパクにまで拡張するものである。この結果は論文としてまとめ、投稿した。
4.1.2 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、Go-like
モデルを拡張して、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導入し、構造ゆらぎの計算を行っている。昨年までに、ヌクレオチドが「構造を留める」役割を果たしていることを示唆する結果を得ていることを受け、ヌクレオチド結合部位以外のさまざまな場所、たとえばアクチン結合部位などで「構造を留める」計算を行った。結果は現在、論文としてまとめつつある。
4.1.3 粗視化タンパクモデルの基礎論
粗視化タンパクモデルをさらに粗視化する研究やGolike モデルの相互作用距離をパラメータとして変化させて、折れたたみの性質がどのように変化するかを調べるなど、モデルの基礎にかかわる研究をいくつか行なった。相互作用距離についての研究はChemical
Physics Letters 誌に掲載予定（Kenzaki and Kikuchi, 2006, オンライン版は掲載済）。
4.1.4 タンパク質の凝集
プリオンの凝集などを念頭において、二個のタンパクからなる系の熱力学的安定状態を簡単な格子モデルを用いて調べた。その結果、タンパクが他の高分子に取り囲まれて、狭い領域に閉じこめられるような状況では、凝集体が「熱平衡状態」として形成されるという新しい凝集メカニズムを提案した。結果はJournal
of Physical Society of Japan 誌に掲載される予定。
 |
| 二個のタンパクの重心間距離を変数としたときの自由エネルギー。システムサイズを変えたものを重ね描きしてある。左の極小は凝集体に相当する。システムサイズが大きくなると解離状態（重心間距離大）の自由エネルギーが凝集体より低くなるが、サイズが小さければ、凝集体が自由エネルギー最小の熱力学的安定状態である。 |
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。昨年度に引き続き、大規模生物群集における、共存種数、個体数の分布，種の豊富さのパターンなどに対する理論研究を進め、その生態学的な意義を検討し、理論による予測・実証研究への提言などを考察した。この結果はEcological
Modeling 誌に掲載される予定である。さらに、生物ネットワークモデルにおける、一般的なダイナミクス（レプリーケーター力学系）から出発して、個体数分布などの系のマクロな性質を導く手法は、分子生物学的なシステム、すなわち細胞内の代謝反応、酵素反応のネットワークなどの解析にも応用できることがわかった。そこで、生態系における種の個体数、細胞内の代謝物質、タンパク質、mRNA
などの量に共通して観測される分布に関する研究をさらに進めた。対数正規分布、指数分布、ガンマ分布、ベキ分布などの、様々な分布関数から、生態学において古典的に調べられて来た面積と種数の間に成り立つベキ関係（種数面積関係）を導く一般的な数理的手法を開発した。この結果、古典的な研究においては対数正規分布から種数面積関係を導く際に必要とされた仮定（正準仮説）の必要なしに、ベキ分布から種数面積関係を導くことができることを見いだした。さらに、書物の中の単語数の分布、都市人口分布、姓の分布、細胞内のmRNA
の量の分布などで知られる、いわゆるZipf の法則（指数が-2 のベキ分布）が、系の多様性に関係する関数を最大化する臨界点で成り立つことなどを発見した（図）。さらに、古典的な研究を拡張して、任意の指数のベキ分布を与える確率過程モデルを開発した。これは、大陸から島への種の移入のダイナミクスを考える「島の生物地理学」におけるモデルと相似であることがわかり、全く異なる分野で普遍的に成り立つZipf
の法則に対する共通のメカニズムを生態学的な観点から統一的に考えることができることがわかった。
 |
個体数分布
 のベキ指数α と、種数(S) 面積(A) 関係 のベキ指数z の関係。指数z は、A が増大したときのS の「増大速度」に関係する。S が大きい極限では、Zipf の法則に対応するα = 1で折れ曲がり、特異的となる。さらに、α = 1 は、S の増大する「加速度」を最大にする点となる。 |
4.3 高速道路交通流の数理と実験
高速道路の交通量に1/f 揺らぎが見られるという報告が70 年代に武者らによってなされているが、実は追試はされていない。しかも、武者のデータは粗いものなので、実は1/f
ではないのではないかという疑いは残っていた。一方、モデルを作ってシミュレーションをしてみると、どうも1/f
になりそうである。そこで、道路公団から入手した東名高速上での一年分の流量時系列をもとにDetrended
Fluctuation Analysis と呼ばれる手法で解析してみると、非常にきれいな1/f
スペクトルが得られた。これだけなら、めでたしめでたしなのだが、その1/f は分単位の短時間部分からはじまって、15
日以上の長時間領域まで延びている。15 日となると、もはや物理的理由とは思いがたい。いろいろ試したのだが、どうやら解析のartifact
ではなさそうなので、論文としてまとめ、Journal of Physical Society of Japan
誌に掲載された(Tadaki et al.，2006)。
名神高速道路、瀬田東インター付近での流量ゆらぎのDFA による解析。ゆらぎが1/f スペクトルなら直線の傾きが1 になる
 |
4.4 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。本年は科研費により、Athlon64
を用いた新クラスタを導入し、システムを構築した。
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）、招聘研究員として金田亮氏、理学研究科物理学専攻博士課程学生として下山紘充氏が研究に参加した。
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) |
菊池誠, “ブラウン運動 ‐アインシュタインの理論から最近の話題まで‐”, 高大連携夏期講習（物理）アインシュタインイヤーによせて, 大阪大学大学教育実践センター，2005 年8 月12 日（金） |
| (2) |
菊池誠, “複雑系とコンピュータシミュレーション”, 新潟県立高田高等学校，サイエンス・パートナーシップ・プログラム「研究者招へい講座」， 2005 年11 月8 日（火） |
| (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) |
時田恵一郎, 広島大学（理学研究科数理分子生命理学専攻）, 2005 年7 月. |
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, “大自由度進化力学系の数理”, 早稲田大学理工学研究科相澤研究室, 2005 年10 月24 日（木） |
| (3) |
菊池誠, “「ニセ科学」入門”, 九州大学理学院, 2005 年12 月20 日（火） |
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) |
京都大学基礎物理学研究所研究会『電磁場と生体への影響－分子機構と総合評価の検討』2005 年7 月7 日～7 月9 日，京都大学百周年記念時計台大ホール（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17(2005) 年度～平成18(2006) 年度科学研究費基盤研究(C)(2)「進化的に獲得された相空間ランドスケープについての理論的研究」（代表：菊池誠，分担：高城史子，茶碗谷毅，時田恵一郎， No.17540383） |
| (4) |
平成17(2005) 年度～科学研究費特定領域研究「生命システム情報」「生物情報ネットワークの構造および動的挙動の数理解析」(代表：阿久津達也，分担：五斗進，望月敦史，時田恵一郎，No.17017019） |
| (5) |
平成17(2005) 年度日本学術振興会国際学会等派遣事業 第I 期 「欧州数理生物学会議（ECMTB05）」（代表：時田恵一郎, 2005 年7 月16 日～7 月24 日；ドレスデン，ドイツ）(No.171128N) |
6 2005 年度研究発表論文一覧
6.1 著書
| (1) |
SGC ライブラリ-44「ゲーム理論のフロンティア」, 松田裕之・池上高志共編著（「ゼロサムゲームの数理」担当），サイエンス社，2005 年12 月. |
6.2 解説記事
| (1) |
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”, 情報処理学会論文誌「数理モデル化と問題解決」Vol.47 No.SIG1 (TOM14) MPS シンポジウム2004 特集号(2006) pp.68-77. |
| (2) |
入江治行, 時田恵一郎, 羽原浩史, “ベントスの種個体数分布と種数面積関係, 京都大学数理解析研究所講究録, No.1432(2005), pp.116-120. |
| (3) |
時田恵一郎,“自由集会「生物多様性科学の統合をめざして」参加レポート”, 日本生態学会誌，Vol.55, No.2 (2005), pp.313-318. |
| (4) |
菊池誠,“渋滞の先頭にいるのは誰か”, Bionics, 2005 年12 月号 |
| (5) |
高田彰二, 高城史子，「フォールディングの理論」， 実験医学vol.23 (2005), No.15 （増刊） pp.2254. |
6.3 その他の記事
| (1) |
時田恵一郎, 「仙台大会印象記」, 日本進化学会ニュースレター, 2005 年. |
| (2) |
時田恵一郎, 書評, サイモン・レヴィン／著 重定南奈子・高須夫悟／訳(2003)「持続不可能性ーー環境保全のための複雑系理論入門」文一総合出版， 日本生態学会ニュースレターNo.7 (2005), pp.33- 34. |
| (3) |
菊池誠，“意識の密室と別れる50 の方法瀬名秀明『デカルトの密室』講義”, 「SF が読みたい! 2006 年度版」（早川書房, 2006） |
6.4 原著論文
| (1) |
S. Tadaki, M. Kikuchi, A. Nakayama, K. Nishinari, A. Shibata, Y. Sugiyama and S. Yukawa, “Power- Law Fluctuation in Expressway Traffic Flow: Detrended Fluctuation Analysis”, J. Phys. Soc. Jpn., Vol.75 (2006), No.3, p.034002 |
| (2) |
Hiroo Kenzaki and Macoto Kikuchi,“Coarsegrained protein model, cooperativity of folding and subdomain structure”, Chem. Phys. Lett., オンライン版は2006/3/10 出版 |
6.5 国際会議発表
| (1) |
K. Tokita,“Dynamic Theory of Species Abundance Distributions”, The Second Scientific Congress of East Federation of Ecological Societies (EAFES2), Toki Messe, Niigata, Japan March 25-28 (2006), oral, session organizer. |
| (2) |
K. Tokita,“Creative extinction: emergent patterns by extinction dynamics of large communities”, The Third Okazaki Biology Conference :“The Biology of Extinction 2”, Sponsored by National Institute for Basic Biology, Okazaki Conference Center, Okazaki, Japan, March 12-17 (2006), invited. |
| (3) |
K. Tokita,“Random community models and their species abundance distribution”, Biodiversity and Dynamics of Communities and Ecosystems: Structures, Processes and Mechanisms (BDCE2006), Sponsored by Osaka Prefecture University, Grand Cube Osaka, Osaka, Japan, March 6-8 (2006), invited. |
| (4) |
Kei Tokita,“Species abundance distribution, species-area relationships and the Zipf’s law”, Mathematical Analysis of Complex Phenomena in Life Sciences (MACPLS2005), University of Tokyo, Komaba, October 25-28, 2005; Invited |
| (5) |
Haruyuki Irie and Kei Tokita,“Species abundance pattern and species area
relationship of biological communities”, The 6th European Conference on
Mathematical and Theoretical Biology (ECMTB05), Dresden University of Technology,
Dresden, Germany, July 18-22, 2005; Poster |
| (6) |
Kei Tokita,“Abundance distributions of complex biological networks”, The 6th European Conference on Mathematical and Theoretical Biology (ECMTB05), Dresden University of Technology, Dresden, Germany, July 18-22, 2005; Poster |
| (7) |
Hiromitsu Shimoyama,“Coarse graining of coarse grained protein models”, Osaka University -Asia Pacific- Vietnam National University Hanoi, Hanoi, Vietnam, Sept. 27-29, 2005;Poster |
6.6 国内学会発表
| (1) |
入江治行, 時田恵一郎,“生態系における面積・種数・個体数の間の一般的な関係”, 日本物理学会, 秋季大会, 同志社大学:2005 年9 月19 日（月）～ 22 日（木）（口頭）, |
| (2) |
時田恵一郎, 入江治行,“種数面積関係からみたZipf 則の特異性”, 日本物理学会秋季大会, 同志社大学:2005 年9 月19 日（月）～22 日（木）（口頭） |
| (3) |
時田恵一郎, 入江治行,“Zipf の法則の進化的・生態学的起源”, 数理生物学会年会，横浜国立大学, 2005 年9 月15 日（木）-17 日（土）（口頭） |
| (4) |
時田恵一郎,“種の豊富さのパターンの統計力学的・動力学的理論”, 日本進化学会東北大会, 東北大学川内キャンパス・仙台国際センター, 2005 年8 月26 日（金）-29 日（月）（ポスター） |
| (5) |
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”， 日本生物物理学会，第43 回年会，札幌コンベンションセンター: 2005 年11 月23（水）-25（金） |
| (6) |
菊池誠,“ニセ科学入門”, 日本物理学会, 年会, 愛媛大学・松山大学: 2006 年3 月27（月）-30（木） （シンポジウム） |
| (7) |
下山紘充，“粗視化タンパク質モデルの粗視化”, 日本物理学会, 年会, 愛媛大学・松山大学: 2006 年3 月27（月）-30（木）（ポスター） |
| (8) |
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：拘束とヌクレオチド解離”，日本物理学会，第61 回年次大会，愛媛大学・松山大学: 2006 年3 月27（月）-30（木） |
| (9) |
佐々木一夫, 金田亮,“分子化学機関の非平衡定常状態に対する解析解”，日本物理学会，第61 回年次大会，愛媛大学・松山大学: 2006 年3 月27 （月）-30（木）（口頭） |
6.7 国内研究会発表
| (1) |
時田恵一郎,“Zipf の法則の特異性とその進化的・生態学的起源”, 新しい数学を造ろう“Mathematical aspects of molecular biology” Towards new constructions, けいはんなプラザ, 2006 年1 月20 日（金）-23 日（月）（招待講演） |
| (2) |
時田恵一郎, 入江治行,“島の生物地理学とZipf の法則”, 第2 回生物数学の理論とその応用, 京都大学数理解析研究所, 2005 年11 月21 日（月）-25 日（金）（口頭） |
| (3) |
時田恵一郎,“Zipf 則の特異性とその進化的・生態学的起源”, 早稲田大学理工学部／大学院理工学研究科講演会, 55-2 物理・応物会議室，2005 年10 月24 日（月）（招待講演） |
| (4) |
時田恵一郎,“大規模生物ネットワークの数理 － 社会的システムのモデルとして－”, 第11 回創発システムシンポジウム「創発夏の学校」 計測自動制御学会，インテック大山研修センター，富山市, 2005 年8 月19 日（金）-21 日（日）（招待講演） |
| (5) |
時田恵一郎,“複雑で安定なシステムが進化する条件とは何か？”, 高等研研究会「ダイナミックスからみた生命的システムの進化と意義」，国際高等研究所，2005 年6 月1 日（水）2 日（木）（招待講演） |
| (6) |
時田恵一郎,“複雑性ー安定性論争：複雑系を安定化する本質的な要因は何か？”, 東京大学大学院情報学環（駒場） 対話による複雑系研究会（第1 回） ，東京大学駒場キャンパス情報教育棟4 階遠隔講義室，2005 年4 月27 日（木）（招待講演） |
| (7) |
菊池誠, “統計力学アンサンブルの拡張とモンテカルロ・シミュレーション”, 21 世紀COE「究極と統合の新しい基礎科学」研究会「多体系・無限系と数学の最前線」，大阪大学理学部, 2005 年11 月28 日（月） |
| (8) |
菊池誠，“計算物理学の学際的展開”, 21 世紀COE 「究極と統合の新しい基礎科学」研究活動報告会， 舞子ビラ神戸,2006 年3 月5 日（日）-7 日（火） |
| (9) |
高城史子，“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”，生体分子とゆらぎ研究会2005，関西セミナーハウス，2005 年6 月20 日（月）-22 日（水） |
| (10) |
佐々木一夫, 天利聡, 金田亮,“分子化学機関のエネルギー変換機構:思考実験による解析”，生体運動研究合同班会議,2006 年1 月8 日（日） |
6.8 修士論文
| (1) |
杉浦正康，「生体内のウイルス動態と免疫応答の数理モデルの研究」（大学院理学研究科物理学専攻） |