京都大学特定准教授木村欣司氏――世界一複雑な数式作成

世界一複雑な数式作成　「関の和算」に感銘、墓参り
　“世界一複雑な意味のある数式”を作った。その式は約１０００億文字もあり、日本経済新聞朝刊で約１５００年分に相当する文字数。とてもここには書き記せないが、１６次方程式の解の数を調べられる「判別式」という数式だ。京都大学特定准教授の木村欣司（３４）はこの分野で他の追随を許さない。今回の数式を応用すれば、建築物や電子回路などの設計を効率化できる。
　「ｘの１６乗」を含む方程式と考えただけで気が遠くなるが、判別式を使えばその方程式の解が０～１６個のうちいくつあるかわかる。判別式を求める計算量は、次数が１つ増えるごとに８倍になるという。木村は計算量を大幅に減らせる計算手法を編み出し、高性能のスーパーコンピューターで計算をなし遂げた。
　早稲田大学で情報科学を専攻し、コンピューターでプログラムを書くことに明け暮れていたが、情報学科教授・広田良吾の研究室に入り数学の世界へ。ここで数式処理ソフトの使い方を一から教わった。大学院博士課程では、数式処理ソフトの開発者である神戸大学教授の野呂正行のもとでソフト制作に打ち込んだ。２人の師匠から教わったアイデアが、木村の計算手法にふんだんに生かされている。
　そしてもう１人の偉大な“師匠”が、江戸時代の数学「和算」を極めた関孝和だ。関は判別式の概念を世界で最初に示した人物として知られる。木村が判別式というテーマを選んだのは、数式処理ソフトの性能を測る指標として判別式の計算が使われていたこともあるが、「判別式の計算は江戸時代から続く和算を発展させることそのもの」という動機もある。
　関はまだ計算機すらなかった時代に、１４５８次方程式を解く必要がある難問の解法を示すなど、常人離れした才能を持っていた。木村はコンピューターを使って関の解法を追試し、その正確さに改めて感銘を受けたという。２０１０年に１５次方程式の判別式を完成させた際には、関の墓前に報告に向かった。「関孝和に報告するという目標があったからこそ達成できた」と打ち明ける。
　このほど、理化学研究所と富士通のスパコン「京」が世界一の性能と認められた。木村は「京の全ての力を使えば、２０次方程式の判別式も求められる」と期待する。だがスパコンの性能向上だけに頼っているわけではない。「今回の計算手法は、まだ理論値より１００倍も無駄がある」。より効率的な計算方法を編み出そうと、日々頭をひねっている。
　プライベートでは今年結婚したばかり。妻は大学院で絵画を研究しておおり、「お互いに専門のことは全く分からない」と笑う。そして数学研究の息抜きは何かあるかと聞くと、息抜きも数学という答えだった。計算の理論で煮詰まったときは、コンピューターへの実装について考えて気分転換するのだそうだ。
　次の目標は１７次方程式、そしてさらにその先へ。関孝和の背中を追いながら、木村の挑戦はまだまだ続く。
主な業績
アルゴリズムで計算量を大幅減
　コンピューターを使った「数式処理」が専門。数式に数値を当てはめて答えを出す「数値計算」と異なり、数式処理では数式を式のまま変形して答えを導く。誤差のない正確な計算ができる半面、計算量は膨大になり、効率よく計算するアルゴリズム（計算手法）の開発が欠かせない。
　計算量を大幅に減らせるアルゴリズムを考案し、１６次方程式の判別式作成に世界で初めて成功した。１２～１５次方程式の判別式も作成している。建築物の耐震設計、電子回路や自動車部品の設計などでは高次方程式がよく出てくる。判別式を使えば計算を効率化できると期待される。
　▼判別式　方程式の解の数を調べる式。２次方程式版なら高校数学で習う。２次方程式「ａｘ２＋ｂｘ＋ｃ＝０」の判別式は「ｂ２―４ａｃ」で、この値が正なら方程式は２つの実数解を持つ。０なら実数解は１つ、負なら実数解はない。
　きむら・きんじ　１９７６年、埼玉県出身。９９年早稲田大学理工学部卒。０４年神戸大学大学院博士課程修了、同年九州大学研究員。０６年京都大学助手、０７年新潟大学助教。０８年京都大学特定講師、０９年から現職。

５０年後想定、高ＣＯ２濃度、コメの高温障害深刻――農環研、実験結果から予測

　早ければ５０年後に想定される現在より１・５倍高い二酸化炭素（ＣＯ２）濃度では、コシヒカリなど日本を代表するコメの品質が著しく低下することが、農業環境技術研究所の実験で明らかになった。収穫した米粒のうち形が整った米粒の割合（整粒率）は２７％と、現在より１７ポイント低下し、等級外になったという。同研究所はコメの高温障害を軽減する技術の開発に、今回の研究成果を役立てる。
　同研究所は茨城県つくばみらい市の実験水田に、正８角形状にＣＯ２を放出するチューブを設置。風上からＣＯ２を流して、区画内のＣＯ２濃度を現在より約２００ＰＰＭ（ＰＰＭは１００万分の１）高い５８４ＰＰＭにした。
　昨年は記録的な猛暑で、試験地における生育期間の日平均気温は平年より１・８度高かった。このため、現在のＣＯ２濃度で育てたコメの整粒率は４４％と低く、品質は３等級に届かなかった。今回の試験の結果、高いＣＯ２濃度がコメの品質をさらに低下させることがわかった。

「はやぶさ」の別室から、岩石質の微粒子回収、ＪＡＸＡ、肉眼で確認も

宇宙航空研究開発機構（ＪＡＸＡ）は小惑星探査機「はやぶさ」のカプセルで、昨年末に開封した小部屋から数百個の微粒子が見つかり、そのうち岩石質の１０数個を回収した。０・１ミリメートル以上の大きさで肉眼で確認できるものもあった。はやぶさが２００５年に着陸した小惑星イトカワから持ち帰った微粒子である可能性が高いという。 　カプセルはＡ、Ｂ室の小部屋に分かれ、２度のイトカワ着陸時に舞い上がった微粒子をそれぞれ採取した。既にＡ室からは約１５００個の微粒子が見つかり、このうち約５０個が初期分析に回された。ＪＡＸＡは１０日からＢ室からの回収作業に着手した。カプセルを反転させたところ数百個の微粒子が落下。静電気を活用して微粒子１０数個を回収した。 　Ｂ室は１回目の着陸時に使ったもので、斜めの状態で２回目の時よりも長い時間イトカワに滞在していた。このためＢ室の内部をさらに細かく調べれば、Ａ室よりも多くの微粒子が出てくる可能性があるとしている。

マウス皮膚細胞→肝細胞、九大、ｉＰＳ経ず直接作製

　九州大学の鈴木淳史准教授らは、マウスの皮膚細胞から肝臓の細胞を直接作り出す技術を開発した。新型万能細胞（ｉＰＳ細胞）を経ずに作れるので、がん化の危険性や作製時間・費用などを低減できる期待がある。肝炎や肝硬変などの新たな再生医療法の実現などに役立つ成果。英科学誌ネイチャー（電子版）に３０日掲載される。
　皮膚細胞などから目的の細胞を直接作る手法は「ダイレクト・リプログラミング」と呼ばれる。世界で研究が活発化しており、神経や軟骨などを作る技術は既に開発されている。
　研究チームはマウスの皮膚細胞に「Ｈｎｆ４α」と「Ｆｏｘａ」という肝臓で働く２種類の遺伝子を、レトロウイルスというベクター（遺伝子の運び手）を使って導入した。肝細胞が育ちやすい培養環境を整えたところ、約１カ月で肝細胞が得られた。胎児と大人由来の皮膚細胞でそれぞれ試し、いずれも肝細胞ができた。この細胞を「ｉＨｅｐ細胞」と名付けた。
　これまでは皮膚細胞をｉＰＳ細胞に変え、さらに肝細胞に分化させる手順が一般的。ただｉＰＳ細胞はあらゆる細胞になれる半面、未分化な細胞ががん化する可能性などが指摘されている。
　得られた肝細胞は、本物の細胞と同様のたんぱく質が働き、肝細胞特有の機能も確認できた。増殖も可能。肝細胞が十分に働かず死に至るマウスに、作った肝細胞を移植すると２カ月後でも約４０％が生存できた。「１回の移植での成績としては非常によい」（鈴木准教授）と評価。人にも同様の遺伝病があり、本人の皮膚細胞を活用した再生医療の実現につながると期待している。

土中の温暖化ガス、一酸化二窒素、分解する微生物発見――北大・東大、培養にも成功

　北海道大学の石井聡助教と東京大学の妹尾啓史教授らの研究チームは、土壌中でできる温暖化ガスの一酸化二窒素だけを分解して無害な窒素に変える微生物を見つけた。この微生物を取り出して培養することにも成功。水田や畑にまけば、二酸化炭素（ＣＯ２）とメタンに次ぐ第３の温暖化ガスである一酸化二窒素の発生を抑えられる可能性がある。
　見つけたのは水田の土壌中に住むハーバスピリダム属というグループに分類される微生物の一種。同属の微生物は一酸化二窒素や硝酸を窒素に変える性質を持つことで知られる。
　研究チームは、まず様々な微生物を含む土を一酸化二窒素の濃度を高めた空気の中に入れ、細胞分裂を阻害する薬品を加えた。すると盛んに細胞分裂していたハーバスピリダム属の微生物だけが阻害剤に反応し、円形から線状に変形した。変形した細胞を１つずつ採取して培養した。
　さらに硝酸を含む空気の中で微生物を培養し、硝酸濃度の変化を測定した。硝酸濃度が低くなった微生物を除外。一酸化二窒素だけを分解する微生物を分離できた。
　この微生物を畑や水田にまいた場合、硝酸の分解が抑制され、肥料のやり過ぎで起こる土壌の酸性化が加速する恐れがあるが、研究チームは「適切な施肥と併用すれば、温暖化も土壌酸性化も抑えられる」（石井助教）と考えている。耕作地以外の自然土壌や、人間の排せつ物を処理する下水処理場などでも使える。
　一酸化二窒素は大気中に微量に存在し、ＣＯ２の約３００倍という高い温室効果を持つ。温暖化への寄与はＣＯ２の１割程度と見られる。農地への肥料の投入や家畜の排せつ物で大量に発生し、産業革命以降の大気中濃度は上昇傾向にある。
　オゾン層を破壊する性質も持ち、増加が続けばフロンガスを上回るオゾン層破壊物質になる恐れも指摘されている。

東京工業大学教授柏木孝夫氏――海洋バイオマス、突破口に

燃料・地球温暖化に貢献
　東京電力福島第１原子力発電所の事故を受け、政府は今後のエネルギー政策と地球温暖化対策の両面で頭を悩ませている。１つの突破口となりそうなのが、海藻を燃料として使う「海洋バイオマス」だ。４月には産学が協力して事業化を目指す「海洋環境創生機構」が設立された。同機構の会長に就任した東京工業大学の柏木孝夫教授に、今後の展望を聞いた。
　――海洋バイオマスはエネルギー供給と地球温暖化問題に対し、どのように貢献するのか。
　「海藻からエタノールを抽出できバイオ燃料を生産できる。陸上の植物と同様、光合成で育つため、二酸化炭素（ＣＯ２）をうまく供給すれば、海藻の成長を促進できる。火力発電所や製鉄所など大口のＣＯ２排出源の近傍に海藻の培養槽を設ければ、火力発電所などから出るＣＯ２を固定化できる。カーボンニュートラルとなり、地球温暖化問題に貢献する」
　「例えば、６万立方メートル（オリンピックプールの約５０倍）の培養槽を使うと、１日当たり３６０トンの海藻を生産できる。バイオ燃料の生産量は同１２０トンとなる。海藻の生産過程で固定されるＣＯ２は年１万４５００トンとみている」
　――バイオマスは採算性改善が課題といわれているが。
　「海藻をバイオ燃料として使うだけでは、採算は厳しいと考えている。そこで、育てた海藻の一部や、燃料を得た後の残さを活用し、医薬品や化粧品などの新規材料を生み出す研究を進めている。基礎研究はあらかた終わり、海藻の生産、燃料化、有用物質の抽出といったシステム全体をうまく設計する研究に、注力する時期にきた」
　――創生機構への参加企業は。
　「竹中工務店、日立製作所や横河電機、昭和シェル石油などが参加している。海洋植物から有用成分を作り出すため、花王も参加している。約２０社の協力を得た。国の研究費を申請している。富山市とは実験に関する相談もしている」
　――被災地の復興に役立つ可能性は。
　「津波で大きな被害を受けた沿岸部の新産業に役立てればと考えている。福島県の東電広野火力発電所の近くは、海洋バイオマスを推進するうえで、条件を満たす場所の１つだと思う」
　――経済産業省の「再生可能エネルギーの全量買い取りに関するプロジェクトチーム」の有識者メンバーだったが、今後、被災地の再生可能エネルギーの導入はどう進めるべきか。
　「政府は、電力会社に再生可能エネルギーの全量を固定価格で買い取ることを義務づける特別措置法案を国会に提出している。この法案だけでは不十分で、被災地に再生可能エネルギーが集約されるように、事業者へのインセンティブを与える必要がある。グリーンパークを設けて、税制面の優遇措置を設けるのも１つの手。都市部から被災地に資金が流れる仕組みを作ることが必要だ」
記者の目
エネルギー供給
米国と開発競争
　気候変動に関する政府間パネル（ＩＰＣＣ）が５月にまとめた報告書によると、バイオエネルギーは世界のエネルギー供給量の約１割を占める。大半は途上国で暖房・調理に木材を使う伝統的バイオマス。科学技術を駆使した近代バイオマスはこれからの分野だ。
　海藻を活用してバイオ燃料を生産する試みは米国で研究が盛んだ。２０１０年には米エネルギー省の支援のもと商業化に向け３つのプロジェクトが始動した。米国との開発競争に打ち勝てるか、日本の技術力が問われている。

京大と岡山大、脊髄小脳変性症、原因遺伝子を特定

　京都大学の小泉昭夫教授や岡山大学の阿部康二教授らは脊髄（せきずい）小脳変性症の原因遺伝子を見つけた。特定の遺伝子に変異があると、小脳の細胞内に異常が起こり、小脳の障害などを引き起こしていた。予防法や治療法の開発に役立つ成果という。
　脊髄小脳変性症にはさまざまな種類があり、原因遺伝子がいくつか見つかっている。小泉教授らは患者の遺伝子を解析し、脊髄小脳変性症の患者の中に遺伝子「ＮＯＰ５６」の異常により、症状の出た例があることを突き止めた。
　ＮＯＰ５６の一部に大きな繰り返し配列があるとたんぱく質を合成する工程に異常が起こり、小脳の細胞内にＲＮＡ（リボ核酸）が蓄積する。それによって小脳の障害や筋肉などを動かす神経細胞に異常が起きていた。
　今後は患者の細胞をもとに新型万能細胞（ｉＰＳ細胞）を作製し、神経細胞などに分化させることで病態の再現を目指す。メカニズムを詳細に解明し、蓄積するＲＮＡの分解する化合物などが見つかれば、治療薬になる可能性があるという。

微小な磁石「スピン」、たくさん持つ新物質、東大、超省エネ電子機器に

　東京大学の石坂香子准教授や十倉好紀教授らは、超省エネ電子機器の材料になる新物質を開発した。微小な磁石「スピン」として扱える電子をたくさん持つのが特徴。電気の代わりにスピンを使った省エネ半導体や、少ないエネルギーで情報を書き換えられるメモリーなどスピントロニクスの実用化に役立つ成果だ。
　開発した新素材はビスマス、テルル、ヨウ素を層状に並べた結晶構造を持つ半導体。表面から内部まで、スピンをたくさん持っていることを観測した。新素材を細いワイヤ状に加工し微弱な電流を流せば、スピンの流れである「スピン流」が作れる可能性がある。
　電流の代わりにスピン流で情報処理ができれば、電子機器の消費電力を大幅に減らせると期待されている。これまでもスピンを持つ素材は開発されているものの、表面に少し持つだけの素材が多く、スピンを取り出して思い通りに制御するのが難しかった。
　ハードディスクのメモリーをスピン流で書き換えれば、従来の大きな電流を使う方法と比べて消費電力を１００分の１以下にできる。電流をほとんど使わない超省エネトランジスタも作れるという。

記憶も忘却もする素子、物材機構など、脳のシナプスに相当

物質・材料研究機構などの研究グループは、人間の脳のように情報を記憶もすれば忘却もする素子を開発した。脳神経細胞同士の接合部であるシナプスに相当する働きをする。重要な情報は長く強固に記憶し、不要な情報は忘れる脳型コンピューターの開発に役立つという。
　米カリフォルニア大学ロサンゼルス校との成果で、英科学誌ネイチャー・マテリアルズ（電子版）に２７日掲載される。
　開発した「シナプス素子」はイオンや原子の動きを制御して働く原子スイッチを応用した。縦横５０ナノ（ナノは１０億分の１）メートルのサイズで、素子の電極間に１ナノメートルの隙間がある構造。わずかな電圧操作で材料の硫化銀から銀原子が析出し、隙間に橋をかけて強く接続したり、逆に銀原子が戻って隙間ができたりする。隙間が空いても完全に切れず、弱く接続している。
　脳のシナプスは信号入力の頻度が多いと接続が強固になり、少ないと弱くなり、これが記憶の重要な仕組みの１つと考えられている。同様に新型素子も信号の頻度や時間、大きさによって接続強度が変化する。逐一プログラムで指示しなくても、自分で判断する賢い脳型コンピューターに必要になるという。

電池で力制御、新型ブレーキ、東京電機大と藤倉化成、「重くない」バーベル

運動器具に応用も
　東京電機大学の三井和幸教授らと藤倉化成は、乾電池で数百グラム相当の力を制御できる新型ブレーキを共同開発した。樹脂製シートを金属の電極板で挟んだ構造。電極間の電圧を上げるとシートと電極間の摩擦力が増す仕組みだ。“重くないバーベル”をはじめとする運動器具など幅広い分野で実用化が期待される。
　開発したのは電圧を与えると表面の摩擦力が高まる樹脂製シートと、シートを組み込んだ数ボルトの電圧で働く小型ブレーキ。自ら動くのではなく、動かそうとすると動きを止める力（制動力）が働く。例えばヒジに固定すれば、持ち上げるときだけ重く感じるバーベルになる。電圧の高さでバーベルの重さに相当する力を加減できる。
　シートは厚さ約１ミリ。高分子を酸化スズ薄膜で包んだ直径約１６マイクロ（マイクロは１００万分の１）メートルの微粒子をシリコーンゴムで固めた。試作したブレーキは直径約６センチの円形に切り取ったシートを４枚使い、金属板の電極と交合に挟んだ構造になっている。シートの枚数が増えれば制動力が増すという。
　ブレーキは９ボルトの乾電池で働く。電極には交互にプラスとマイナスの電気を与える。昇圧器で電圧を２・５キロボルトまで上げると、約４００グラムのバーベルに相当する制動力が出た。ブレーキに流れる電流は数十マイクロアンペアで、消費電力は数十ミリワットと極めて小さかった。一般の１００ボルト電源を使えば、数十キログラムの制動力が出る可能性がある。
　電気で制動力を高めるには、電磁石を利用する方法がある。しかし電磁石はコイルが必要で寸法が大きくなり、消費電力は１００倍以上高い。また、磁力を発生する電磁石は、精密機器の近くで使えないという欠点がある。「新技術は、電磁石を置き換える他の用途もありそうだ」と三井教授は話している。