2008年度 フロンティアクラス






            2月28日(土) 科学講演会 「健康を科学する」


 フロンティアクラスの課外授業として、本日は東京丸の内の”丸ビル”へ理化学研究所主催の科学講演会「健康を科学する」 を聴きに行ってきました。



                   プログラムの内容です。


@ 開会挨拶         野依(のより)良治氏              (理事長・ノーベル賞受賞者)

A 大切な腸内環境コントロール 辧野(べんの)義己氏 (バイオリソースセンター微生物材料開発室)

B 野菜の健康機能成分を作る遺伝子を発見! 平井 優美氏 

                  (植物科学研究センター代謝システム解析チーム・チームリーダー)


C 患者さんに優しいオーダーメイド医療  中村祐輔氏  (ゲノム医科学研究センター・センター長)

D 肥満はなぜ体に悪いのでしょうか?   春日雅人氏   (国立国際医療センター研究所・所長)


今回は、身近な「健康」が、テーマだったので、興味深く聴くことが出来ました。よく「体内は小宇宙である」と言われますが、宇宙の輪廻と同様に体も古い細胞と新しい細胞の循環で成り立っていることを再認識しました。



丸ビルの7階です。 効果的な医療を行うための研究です。


ヒトの遺伝子はそれぞれ異なります。その遺伝子の違いを知り一人
ひとりに合った医療を生み出していくのがオーダーメイド治療です。















                      
      平成21年 2月21日(土)


   

       ”小林・益川両先生   ノーベル物理学賞受賞記念シンポジウム” 


          
東京・日比谷公会堂   主催:高エネルギー加速器研究機構 (KEK)


学院からは二人の生徒が参加しました。受賞内容の解説は大学・大学院レベルでかなり難解な部分も多かったでしたが、時々ユーモアを交えながらの約4時間の講義はとても興味深いものでした。


                      
 当日のプログラム


@ 
開会挨拶              
鈴木 厚人 
  (KEK 機構長)

A 
素粒子と日本のノーベル賞    岡田 安弘 氏  (KEK 教授)

B 
小林・益川理論           小林 誠 氏   (KEK特別栄誉教授)

C 
Bファクトリー実験とその将来  相原 博昭 氏 (東京大学大学院理学系研究科教授)

D
 標準理論の向こう側        立花 隆 氏   (評論家)

E 
パネル討論             モデレータ(司会)   立花 隆 氏 
                       パネリスト       
小林 誠 氏
                                    
岡田 安弘 氏
                                    相原 博昭 氏
                                    生出 勝宣 氏
(KEK教授)






スウェーデン王立科学アカデミーは、2008年ノーベル物理学賞について、その半分を ”素粒子物理学と核物理学における自発的対称性の破れの発見” に対してシカゴ大学の南部陽一郎氏に、残りの半分を ”クォークが自然界に少なくとも三世代以上あることを予言する対称性の破れの起源の発見” に対して、高エネルギー加速器研究機構(KEK:筑波)の小林誠氏と京都大学の益川敏英氏に贈ることを決定しました。



Bファクトリーによって検証されました。 小林先生はKEKの名誉教授です それぞれ3つの世代に分かれています

                  ※ KEK=高エネルギー加速器研究機構




                                          
シンポジウムの模様

日比谷公会堂  ほぼ満席でした。 これから始まります。
素粒子と日本のノーベル物理学賞の歴史 小林誠先生ご本人による小林・益川理論解説
数式による6元クォークの説明(難解) 今の宇宙があるのは反粒子が消えたおかげ
ノーベル賞理論を実験で証明した施設 パネル討論 司会は評論家の立花 隆さん


                                           説明

原子の構造 原子を構成する基本粒子(素粒子)12種類
赤線から右側が1970年以降に発見 CP対称性の破れを説明するまでの過程
















                     火力発電所見学



           
                  平成20年 12月23日(火・祝)



横浜港の一角に位置する主力発電所です ビオトープには水生生物・鳥・昆虫がいます。




 12月23日(火・祝)に、フロンティアクラスの生徒達と鶴見区大黒町にある東京電力・横浜火力発電所(トゥイニー・ヨコハマ)の見学に行ってきました。

見学コースは、発電所紹介ビデオの上映→発電設備の見学→展望室見学で、全工程で2時間ほどでした。(本来は1時間30分なのですが、私たちの質問に丁寧に説明していただき、またいろいろなお話も聞かせていただき30分ほどオーバーしてしまいました。)

この横浜火力発電所は敷地面瀬が約45万平方メートル(横浜スタジアム16個分)もあり、途中の移動は電気自動車に乗せてもらいました。また敷地内は公園もあり緑が豊富で、暖かい時にはたくさんの鳥や昆虫が生息するそうです。

見学会では各部署で25分の1の縮小モデルを見ながら、火力発電の仕組みを詳しく説明していただきました。現在は環境にやさしいACC(改良型コンパインドサイクル)発電方式で332.5万キロワット規模の設備になっているそうです。

また、SOx(硫黄酸化物)NOx(窒素酸化物)などの大気汚染の原因を極力減らしたり、使った水をきれいに浄化して海に戻したり等、環境保全にも十分な注意をはらっているそうです。






                 
                     見学会の模様です。

コンパインドサイクルの説明 窒素酸化物を抑制します 排熱回収ボイラ
ACC発電・汽力+ガスタービン ニッケルとコバルトの合金です タービンフロア
1.37ギガワットの出力 これからエレベータに乗ります つばさ大橋
みなとみらい地区 横浜ベイブリッジ 右下にYSFHが見えました
理研横浜研究所全景 房総半島方面 電気バスで移動します
記念写真 帰りにYSFHでひと休み













    









                                  理化学研究所 横浜研究所 見学




                                    平成20年 11月4日(火)



                       



                                                 横浜研究所全景

                                  







 11月4日  フロンティアクラスの課外授業として、鶴見区末広町にある理化学研究所・横浜研究所に行ってきました。日本の基礎科学研究の最先端の一つとして、またライフサイエンス研究の拠点として、2000年に開設されました。

研究成果は飛躍的な学術成果として発信し、また新薬の創生やオーダーメイド医療などの医学・福祉分野、また食料生産の研究などにより、安全、かつ安心な社会生活に貢献しています。







                                                 見学の模様

273mの渡り廊下(宇宙の絶対0℃と同じ) 案内図
いろいろな施設 低温に維持されている実験室
ニュートンのりんご メンデルのぶどう
DNAとRNAを観察しています 生命現象を分子レベルで解析します
ヒトゲノムの塩基配列の解読です タンパク質の合成過程です
核磁気共鳴装置 Nuclear  Magnetic  Resonance
超伝導磁石 お世話になりました。ありがとうございました。
























         ノーベル化学賞 「緑色蛍光タンパク質・GFP」の解説講演






               平成20年10月19日(日)   科学技術館(東京北の丸公園内)







                                         
                                            (東京新聞より)

                                     下村 脩 (しもむら おさむ)先生
                                     1928年 8月27日 京都府生まれ

                                   長崎大助手・名古屋大助教授を経て
                                   米ウッズホール海洋生物学研究所上席研究員
                                   退職後はマサチューセッツ州の自宅で研究 
                                                     





理化学研究所主催:「ノーベル化学賞受賞記念講演」が、東京科学技術館で開催されましたので、フロンティアクラスの生徒達と聴きに行きました。学院に戻ってから、授業の中で内容の再認識とレポートを作成しました。


オワンクラゲ (朝日新聞より) GFPは医学研究の場では欠かすことが出来ません。
細胞中の特定のタンパク質にGFPを結合させれば、
そのタンパク質が細胞の中でどう移動するかを顕微
鏡で観察することができます。(分子イメージング)



 タンパク分子の大きさは、わずか10ナノメートルです。(ナノは10億分の1)そのままでは光学顕微鏡では観察できません。そこで特定のタンパク分子にGFPをつけると電球のように光って見えます。

下村先生は、1962年、オワンクラゲから発光物質として
「イクオリン」というタンパク質とGFPを取り出して発表しました。

1970年代に、イクオリンが
カルシウムと結合することで青く光り、そのエネルギーを使って、GFP緑色に光って見えることを解明しました。それまでに採ったクラゲは85万匹以上と言われています。

1990年代になって、アメリカの研究者によって
GFPを作る遺伝子が分かり、他のタンパク質とくっつけて細胞に組み込む方法が開発されました。

今では、GFPは医学や生物学の実験で欠かせない道具となっています。細胞の転移先を調べたり、アルツハイマー病で神経細胞が壊れていく過程を見たり、インスリンを分泌する細胞が膵臓で作られるかなどの解明にも使われています。



GFPの光る仕組みを解説する実験です。 下から青い光をあてると・・
鮮やかな緑色の光を発光します。 理研の戎崎(えびすざき)先生と中野先生






GFPの解説の後、シンラドームの中で最新の3D立体映像を使って、現在、分かっている宇宙の構造と人体の仕組みを説明していただきました。太陽系を抜け出し、銀河系を後にして、137億光年の宇宙の果てまで壮大な旅をしてきました。


そのあとは、ミクロの世界の探検です。小さなロケットに乗ってタンパク質が合成される仕組みを体験してきました。DNAやRNAがとても大きく感じました。


遥か壮大な宇宙の大規模構造から、人体の小宇宙まで、まるでSF映画を見ているような気分で学習することが出来ました。お二人の先生とスタッフの皆様に感謝です。








                                
                             中心部で明るく輝く星WR136は数百万年以内に超新星爆発を起こすと言われています。                                                

             

            

今回は、オワンクラゲの話だったので、宇宙の「オワンクラゲ」を紹介します。
写真は、
NGC6888で三日月星雲とも呼ばれています。ここでは新しい星が
たくさん作られています。はくちょう座の方向、約4700光年の所にあります。








                                  
                               このような映像を3Dで見せていただきましたニュートンムック 「生命の万能素材」から




             

タンパク質の形は、20種類あるアミノ酸を「どの順序でつなげるか」で決まります。
その順序を決めるのが
RNAの情報です。

RNAの暗号にしたがって、アミノ酸つながっていきます。RNAの持つ情報をアミノ
酸の順序へと置き換える過程を、生物学では、
「翻訳」と呼んでいます。




























             実験授業  「DNA」を肉眼で見てみよう!」




            

 

             DNAを実際に観察する実験を行いました。







                その前に・・  DNA とは ?




DNAとはDeoxy  Ribonucleic  Acid の略でデオキシリボ核酸と呼ばれています


動物でも植物でも細胞の核の中には、必ずDNAがあります。生物の遺伝を支配する物質です。

子は親に似ます。これは親の体をつくるタンパク質と同じものを、子も作ることが出来るからです。これを可能にする物質がDNAです。

DNAとは、親から受け継いだ1冊の本と言えます。その本には、個々のタンパク質の形を指示した文章が書いてあります。この文章は、文字ではなく「塩基」という、化学物質の文字でつづられています。

A(アデニン)T(チミン)G(グアニン)C(シトシン)という4種類の塩基です。これらの4種類の塩基が、鎖のように1列に並んだものがDNAです。そして2本の鎖が向かい合いらせん階段のように組み合わさっています。これを「二重らせん構造」と呼んでいます。




   

                     

           
                 DNAの構造 ニュートン2月号「細胞」から












                  次に・・   RNA とは ?




このDNAにRNAポリマラーゼが結合します。 RNAポリメラーゼは、DNAの塩基配列をコピーして、その情報を伝える装置です。RNAポリメラーゼは、らせん構造を部分的にほどいて塩基をむき出しにします。

そしてこの塩基を鋳型にして、DNAの情報をコピーした
RNA(リボ核酸)を作っていきます。この過程を「転写と呼んでいます。出来上がったRNAは、核の外に出てリボソーム(タンパク質の合成装置)と結合します。

RNAのうち、タンパク質の設計図としてはたらくタイプのひも状の分子を、
mRNA(メッセンジャーRNAと呼んでいます。リボソームがmRNA上を動いていくにつれ、mRNAの情報に基づき、20種類の中から選ばれたアミノ酸を一つずつ、くっつけていきます。その役目をする分子を、tRNA(トランスファーRNA)といいます。








                                  ニュートン2月号「細胞」から






この時、連続する塩基三つ分の情報が1セットになって一つのアミノ酸と対応します。例えば、塩基が、アデニン・アデニン・グアニン
(AAG)という順番で並んでいれば、リシンというアミノ酸がくっつきます。





mRNAの3個塩基配列(コドンといいます)とそれが指定するアミノ酸を表した遺伝暗号表




このようにして、コドンが指定するアミノ酸がリボソームへと運ばれていきます。トランスファーRNAが運んできたアミノ酸が、それまでに合成されたタンパク質(アミノ酸が並んだもの)の最後尾に付け加えられます。これが繰り返されて、アミノ酸が数珠つなぎになったものが、タンパク質です。












            
説明が長くなりました。それでは実験の模様です。



                   用意したもの


実験器具    ビーカー、試験管、試験管立て、漏斗、漏斗台、ろ紙、ガラス棒、
          メスシリンダー、ミキサー、注水ビン、スプーン、割り箸


材料       ブロッコリー、食塩、水、無水エタノール、中性洗剤





                    実験順序


@ コップ半分程度の10%の食塩水を作ります。そこに中性洗剤を数滴入れます。
A 花の部分だけのブロッコリーと@の溶液をミキサーに入れ,ドロドロにします。
B Aの液を、フィルターでろ過したものをビーカーの中に入れていきます。
C そこに冷蔵庫で冷やしておいたエタノールを静かに注ぎ入れます。
D はしで軽くかき混ぜます。





※  DNAは、塩水に溶けやすく、中性洗剤によって細胞がほぐれやすくなります。また、DNAは、エタノールに溶けにくいので、白い綿状になって上部に現れてきます。









         DNAの説明と実験の手順を理解してから、実習に入りました。

10パーセントの食塩水を作っています。 ブロッコリーを入れて攪拌します
フィルターでろ過します。 冷やしたエタノールを加えます。
はしで軽くかき混ぜました。 DNAが白い綿状になって現れてきました。

光学顕微鏡では見ることの出来ないDNAを束にすることによって、観察することが出来ました。この後、レポートを作成しました。

































        
      プラナリアの生息地へ




               
                平成20年 9月15日(日)









                            
                             
              ニュートン 「万能細胞」より



プラナリア(ナミウズムシとも呼ばれています)は,全身を再生できる生物です。体長約1cmの扁形動物の仲間です。特徴は三角アタマかわいい寄り目で、山間の澄んだ水の中にしか生息できません。

プラナリアを3つに切断した場合、それぞれの切断面に再生芽が出来ます。記録によると、100個に切ってもそれぞれから再生したという話を聞いたことがありますが、どうやって切ったかなど、真偽の程は確かではありません。

場所は南足柄市の関場というところです。東名高速の大井松田インターから10kmほどで到着します関場は、狩川の上流に近いところで、金時山(きんときやま)方面から流れてきていると思われます。


関場はマス釣りでも有名です。 さらに上流に向かい、崖を下って着きました。


                                  これから、プラナリアを探します。大きなハチが飛び回っていました。夏に行かれる方は要注意です。

裸足になって対岸まで渡りました。 筆と水を入れたペットボトルが必需品です。
石を裏返しています。 何かが動いているようです。
大きめの石の裏に数匹、いました。 採ってきた川の水を水槽に入れています。
ペットボトルからプラナリアを移しています。 素焼きの植木鉢を入れました。
細長く見えるのが、プラナリアです。 ルーペで拡大して写真を撮りました。
水温は10℃〜15℃ぐらいに保ちました。
保冷剤を頻繁に取り替えましたが、水温が
上がってしまうことも、たびたびありました。
空気は、時々エアーポンプで入れました。
エサは、レバーを小さく切ったものか動物
系の乾燥エサ(少量)がよさそうです。実際
に食べたかどうかは確認できませんでした
伸びたり、縮んだりします。



                               分断する前に、氷水に数分入れておくと、動きが鈍くなります。

分断した後も元気に動いています。 下のマス目は1cm間隔です。


学院では年に一度、定点調査をしていく予定です。今年も関場に向かいます。
生息地の情報収集も適宜行い、分布地図などの作成もするつもりです。



























                               
同素体の解説 & 分子モデル作成授業



  
             フラーレン & カーボンナノチューブ



フラーレン C60 フラーレンとカーボンナノチューブ




化学に興味ある方は、”フラーレン””カーボンナノチューブ”は炭素の同素体として最近よく耳にされている言葉だと思います。

炭素原子(C)だけで出来ている他の物質として、鉛筆の芯の材料になっている
黒鉛(グラファイト)ダイヤモンドがありますが、この二つの性質は全く似ていませんね。それは結晶構造(原子の並び方)が違っているからなのです。

グラファイトは、平面的につながった炭素のシートが幾重にも重なっています。シート同士の結合が弱く、柔らかくてはがれ落ちやすくなっています。

ダイヤモンドは4つの方向に伸びた「手」が、他の炭素の「手」と上下左右に正四面体状に結合して力強い立体的な構造になっているので、非常に硬い物質となっているのです。

今日の授業では、まず、原子の同位体と同素体の違いの説明から入り、今回は炭素の同素体を例にとって、最近話題になっている”フラーレン”と”カーボンナノチューブ”の
分子モデルを作成して、それぞれの構造の違いを学びました。





            フラーレン


60個の炭素原子がサッカーボールのようにつながりあって、球に近い形をしています。

1985年に、アメリカ・ライス大学のスモーリー博士等のグループによって発見されました。人類にとってなじみ深い元素である炭素にまだ、知られていなかった同素体があったのです。

そして、フラーレンはその対称性の完成度のすばらしさから、
「史上最も美しい分子」と言われています。また、フラーレンは炭素ですが、有機溶剤に溶けたり、真空中で加熱すると昇華(固体→気体)するなど、多彩な反応性ユニークな物理的性質を持っていたことが世界中の科学者を驚かせました。

今では、その応用範囲は実に多彩です。超伝導・医薬・潤滑剤・液晶材料・ガス貯蔵・光吸収など、さまざまな分野で利用され、注目を集めています。





    カーボンナノチューブ(Carbon Nanotube)


名前の通り、
カーボン(炭素)が、ナノ(10億分の1メートル)サイズで、チューブ(円筒状)になったもので、人間の髪の毛の5万分の1の太さです。

1991年、フラーレン研究(アーク放電によるフラーレン大量生成)の流れを汲んで、
飯島澄男氏が発見しました。

カーボンナノチューブは、
炭素6個がくっついた六角形が他の六角形とシート状に結合し、それが先端が丸くなったチューブ状の分子構造をしています。

カーボンナノチューブは、チューブの太さによって、
半導体にも導体にもなれるという性質を持っています。半導体としてスーパーコンピューター等に使われています。

また
低い電圧で電子を放出することが出来るのでTVのディスプレイでの使用、細くて強い(0.3mmの細さで1トンの鉄を持ち上げることが出来る)という性質は、樹脂に混合することで傷つきにくい素材が作れるので、スポーツ用品に利用する研究も進んでいます。

また、エネルギー資源として、
水素を吸着できるということがわかっているのでクリーンな燃料として水素燃料電池への利用も考えられています。将来のエネルギー問題の代替手段として大いに期待が持てそうです。早くカーボンナノチューブが安価で大量生産が可能になる時がくればいいですね。
























               
          物理変化と化学変化の実験






                  

 

               固体それとも液体?





  
物質の変化には、物理変化と化学変化があります。どのような違いがあるのでしょうか。





                         
物理変化




状態変化のように、物質そのものは変化せず、状態や体積・温度・形などが変化することを物理変化といいます。

T. 
三態変化    固体液体気体と状態が変わること 

@   
液化   気体が液体になること
A   
気化   液体が気体になること
B   
融解   固体が液体になること
C   
凝固   液体が固体になること
DE 
 昇華   固体から直接気体に、また、気体から直接固体になること





※ 気化には、液体の表面から気化する
蒸発と、液体の内部からも気化する沸騰とがあります。



U. 混合と分離   

2種類以上の物質が、それぞれの性質を失うことなく混ざり合うことを
混合といい、混ざり合っている状態からそれぞれの物質に分かれることを分離といいます。



※ 液体に他の物質が均一に混合することを溶解といい、できた混合物を溶液といいます。そして、溶解している物質が、結晶として再び現れてくることを析出(せきしゅつ)といいます。








                         
化学変化





物質の実質が変わる変化、すなわち、ある物質がなくなり、異なる性質を持つ別の物質が生成する変化を化学変化といいます。



T 
化合

2種類以上の物質が変化して、全く別の1種類の物質が生成する変化を
化合といいます。

              例   
水素+酸素→水




U 
分解

1種類の物質から別の2種類以上の物質が出来る変化を
分解といいます。

              例   
酸化銅→銅+酸素


    ※ 一般に、化学変化の際には、
エネルギー(熱・光・電気など)が伴います。











         
今回の実験 「ウーブレックの正体」



                     
  用意したもの


      
コーンスターチ(とうもろこしのでんぷん)  水   カップ  ボウル  スプーン




                        
 手順


 @ ボウルの中にコーンスターチカップ1杯と水をカップ(3分の1)を入れます。

 A スプーンでかき混ぜる。すぐに粘り気が出てくるが、パン生地のような感じになるまで辛抱強くかき混ぜます。(スプーンで切るようにしながらかき混ぜるのがコツ)

 B このようにして出来た物質を
「ウーブレック」と呼んでいます。ウーブレックをすくいとって絞ってみると固体のような感触だが、手で握った直後から、溶けて、指の間からしたたり落ちてきます。


ウーブレックは、
完全な固体でも、完全な液体でもありません。しかし、そこに見られる変化に化学反応は関わっていません。あくまでも物理的な変化です。

コーンスターチが取り込んだ水は、乾燥という単純な方法で取り除くことが出来ます。



                 
追記   不思議なウーブレック


@ ウーブレックを丸めて床に落とすと、軽くはずんだ後、ぺシャッとつぶれて水たまりのような状態になります。

A 勢いよくちぎると、固体のような感触ですが、ゆっくりちぎると液体のように流れてしまいます。





                     ウーブレックを作ってみました。

固体のようですが・・ 軽く手で握ると、すぐ溶け始めてきます。



















                     
            天体観測

                    


   
フ                      ロンティアクラスでは、定期的に天体望遠鏡による天体の観測を行っています。


満月 倍率を上げて撮影
クレーターがよく見えました 金星と月の接近
倍率を上げて金星を撮影しました 木星(少しぶれました)

天体望遠鏡 : DS-2070AT (MEADE 屈折式70mm・天体自動追尾式オートスター内蔵)
アイピース : MA 25mm  MA 9mm 使用
撮影 : カメラ CASIO EX-Z 1080 (デジタルカメラアダプターU接続によるコリメート撮影)