2016 Fiscal Year Research-status Report
非線形な環境影響を含む生体分子モデルと機能=揺らぎ関係
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15K05196
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| Research Institution | Ibaraki University |
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Principal Investigator |
中川 尚子 茨城大学, 理学部, 教授 (60311586)
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2015-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 分割 / 破断 / 熱伝導系 / 気液共存相 / 一次相転移 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
生体分子は、一次元鎖が鎖内の相互作用により三次元的形状に折りたたまれた系であり、分子内や分子間の結合を変化させると、機能発現が起こる。結合の出現や消滅を熱力学的見地から特徴づけることは発現機構の理解に必要である。そこで、一次元鎖の一部に結合が現れたり、鎖が分割されたりした場合の、熱力学的状態の変化を詳細に調べた。数値実験により、準静的極限に相当する遅い操作（可逆操作）を実現し、固定や分割に伴うヘルツホルム自由エネルギーの変化量を同定した。同時にJarzynski等式によるヘルムホルツ自由エネルギー変化の同定も行い、実際に正確な自由エネルギーの変化量を得ていることを確認した。熱力学的対象としての一次元鎖は相加性・示量性を満たすので、分割による系の自由エネルギーの変化量はゼロ、または新たな表面を作るための表面エネルギー分相当と考えられ、可逆的な分割は鎖の長さに依存しない微小な仕事量で実現できると予想するのが通常である。ところが数値実験の結果はこの予想を裏切り、分割に伴う自由エネルギー差は鎖の長さとともに増大した。このような非自明な結果の原因を探るため、分割作業中の揺らぎを精査した。系の揺らぎは主に基準振動（フォノンモード）に支配されており、鎖に余分な相互作用（結合）がない領域の長さとともに増大した。もっとも簡単なモデル系として調和振動子一次元鎖を採用すると、自由エネルギーの解析解を求めることができ、この増大の仕組みと基準振動の関係を明らかにでき、異常な自由エネルギー変化は分割や結合生成に伴って起こる普遍的な現象であることがわかった。以上の結果は論文として発表するため、現在、準備中である。
また、熱伝導系を支配する大域的な熱力学構造を発見し、それを利用して熱伝導下での気液相転移についての予言を提案した。この成果についても現在論文を準備中である。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
研究計画２年目の段階で、部分系への分割と揺らぎの関係に踏み込む成果を得ることができた。計画段階では非平衡状態に置かれることにより立ち現れる揺らぎの性質と想定していたが、平衡状態下でも同じ性質が隠れていることをつきとめ、そのたちあらわれ方とともに普遍性にも踏み込むことができたので、当初の目標の一部は達成できたことになる。
また、部分系での局所平衡維持を仮定した非平衡状態の大域的構造についての記述方法を発見でき、次年度以降の発展への足がかりを掴むこともできた。
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| Strategy for Future Research Activity |
２年目で得られた成果を着実に論文として発表し、国内外の研究者に周知する。大域的なダイナミクスが生じる系の熱力学構造を研究するための準備も整ったので、３、４年目は、理論面と数値実験の両面からダイナミクスがある系での揺らぎと熱力学についての研究を展開する。
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| Causes of Carryover |
購入した計算機サーバが値下げされ、その差額分が残額となった。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
次年度の成果発表用の出張旅費として有効に使用する予定である。
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