よ る 波 浪 中 の衝 撃 圧 力 分 布 計 測 法 の 開 発 へ 向 け た 基礎 的研 究
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(2) Bioluminescenceに. 表‑1. 図‑2. 847. よ る波 浪 中 の 衝 撃 圧 力 分 布 計 測 法 の 開 発 へ 向 け た 基 礎 的 研 究. 実 験 条件. 実 験 装 置.. 3. 実 験 方 法 海 水 中 にPLを 数 密 度Nで. 混 入 さ せ た5×5×5cmの. 透明. ア ク リル製 容 器 の 上 蓋 に 重 さ1298gの ウ ェ イ トを 落 錘 高 さh=1〜10cmか. ら落 下 さ せ,容. 器 内 に衝 撃砕 波 力 を模. 擬 した 衝 撃 力 を 発 生 さ せ る(図‑2参. 照).な. お,PLの. 数. 密 度 は 予 め 培 地 中 のPLを デ ジ タ ル 顕 微 鏡 で 観 察 し,単 位 容 積 内 のPL数 か ら換 算 した もの で あ る.容 方 か ら12bit高感 度 カ メ ラ(40Hz,解. 器 斜 め上. 像 度105×245pixel). でPLの 発 光 を 撮 影 す る と同 時 に容 器 底 部 に 設 置 した ロ ー. 図‑3. 変 換 さ れ たBLの. 画 像 とPL位 置(case6,最. 大 発 光 を示 す. 位 相).. ドセ ル に よ り圧 力 を計 測 した.カ メ ラ と ロー ドセ ル は,. (1). 電 磁 石 に よ って 固 定 され て い た ウ ェ イ トを 開 放 す る 際 に 送 信 され るTTLト リガ ー 信 号 に よ っ て 同 時 計 測 され,同 一 時刻 に お け る生 物 発 光 と圧 力 の 関 係 を取 得 で き る .予 め フ ォ トダ イ オ ー ドで 計 測 したBLと. る 光 起 電 力 と計 測 画 像 の 関 係 か ら,BL強 算 す る.表‑1に. 度 を 較 正,換. 示 す よ うに,発 光 強 度 が 相 対 的 に強 い 夜. 間 に お い て 種 々 の 時 刻,PL数. 密 度,そ. して 落 錘 高 さ を. 変 え て実 験 を 行 い,圧 力 応 答 の基 本 特 性 を調 査 した.な お,PLの. 疲 労 に よ る応 答 の 変 化 を 調 べ る た め,全. ケ ー ス につ い て,5分. (2). 同色人 工光 に対 す. ての. の 間 隔 で 同 一 実 験 条 件 の 裁 荷 を繰. り返 し実 験 を 行 っ た.. こ こで,nは. 検 出 で きたPL位 置 の 総 数 で あ る.一 方nは,. 容 器 内 に混 入 さ せ たPLの 総 数 と は大 き く異 な る.つ り,同. 一 の 荷 重 下 に お い て も発 光 しな いPLあ. る い は計. 測 上 検 出 で き な い レベ ル のBLを 発 光 す るPLが 多 数 存 在 して お り,こ れ らの個 体 差 の 影 響 を 受 け ず に定 量 的 に作 用 し た圧 力 を 算 定 す る た め に は,BLの. 発光 確率 を元 に. 統 計 的 に評 価 し標 準 化 す る必 要 が あ る.図‑4は,case10 の 最 大 発 光 位 相 に お け るBLに. 4. 解 析 方 法. よ る 画 像 濃 度 の ヒ ス トグ. ラ ム の 一 例 を表 して い る.こ の 例 が 示 す とお り,個 容 器 内 のPLは,十. ま. 分 な 時 間 の 経 過 後,容. 器 底 面 に着. 々の. PLが 発 す る光 起 電 力kに 対 してPL個 体 数g(k)が. 指数 関. 床 す る.底 面 上 を 斜 め上 方 か ら撮 影 した 取 得 画 像 は,線. 数 で 近 似 可 能 で あ る こ と が わ か る.即. 発光 確. 形 投 影 に よ り実 座 標 に対 応 す る正 方 形 画 像 へ と変 換 さ れ. 率 密 度(f)は,定. る.載 荷 後,最. して 良 い で あ ろ う.. 大 発 光 を 示 す 位 相 に お い て,BLの. 局所. 数Bを. ち,PLの. も つ 指 数 分 布 と して 次 の 様 に 表. ピー ク の位 置 をPLが 存 在 す る位 置 と定 義 し,そ れ ら個 々. (3). のPL位 置 に お け る換 算 光 起 電 力 の 時 系 列 に つ い て 統 計 的 に評 価 す る.生 育 状 況,バ. イ オ リズ ムや 疲 労 等,個. 体. 差 に よ る 不 確 実 性 が 現 わ れ るBLに よ る光 起 電 力(k)の 検 出 され た総 個 体 数 に対 す る平 均(k)と 標 準 偏 差(σ)は,. 画 像 か ら検 出 さ れ な いPLも 含 め た 個 体 数 分 布 は,未 定 数Aを 使 って. 知.
(3) 848. 海. 岸. 工. 学. 論. 文. 集. 第55巻(2008). (a). 図‑4. 最 大 発 光 位 相 に お け るBLに. (b). よ る画像 濃 度 の ヒス トグ. ラ ム(case10).. (4) と仮 定 す る.こ れ ら の 定 数A,Bは,外. (c). (d). 力 に対 す る力 学 的. な応 答 を 表 し,こ れ らを 最 小 二 乗 法 で 決 定 し分 布 関 数 を 基 に標 準 化 す る こ とに よ り個 体 差 を 含 め た作 用 応 力 を見 積 もる こ とが で き る.標 準 化 後 のBL画 像 濃 度 の平 均 は,. (5) で 与 え られ,keと. 図‑5. 圧 力 の関 係 が調 べ られ る.. 平 均 光起 電力 の時系 列(上)とcase6に BL分 布(下).. 図‑6は,衝. 5. 結 果. 対 す る底面 上 の. 撃 圧 力 とBLに よ る光 起 電 力 の 時 間 変 化 を. 比 較 した もの で あ る.衝 撃 圧 が 極 め て短 期 間 で 最 大 値 と 衝 撃 圧 発 生 時 のPLに よ るBLの 光 学 的 応 答 の 基 礎 を 以 下 に調 査 し,新 た な計 測 法 と して の適 応 性,実 用 性,こ れ らに対 す る問 題 につ い て 議 論 を行 う.. る動 圧 力 変 化 に 伴 い青 色 に 発 光 す る.図‑5は,落. 撃 力 によ 錘落 下. 高 さ をパ ラメ ー タ とす る平均 光 起 電 力 の時 間 変 化 と case6の 最 大 光 起 電 力 を 示 す 前 後 の位 相 に お け るBLの 変 化 を 表 して い る.衝 撃 力 の 発 生 直 後,BLは. 線形 的 に上. 数 関 数 的 に 減 衰 す る.こ の. BLの 時 間 変 化 の 特 徴 は全 て の ケ ー ス に 共 通 す る も の で あ るが,落 錘 高 さの 増 加 に応 じて 最 大 光 起 電 力 が 増 加 す る.こ の 圧 力 に 対 応 したBL光 起 電 力 の 変 化 は,BLに. よ. る圧 力 計 測 の可 能 性 を 示 唆 す る もの で あ る.こ の 光 起 電 力 が 最 大 と な る位 相 の 前 後 で は,ド PL位 置 に お い て,そ. ー ナ ツ状 に 分 布 した. の発 光 強 度 に ば らつ き を 持 ち な が. ら も平 均 的 に増 減 して い る こ とが わ か る.な お,ド ツ状PLの 分 布 は,荷. ーナ. 重 を 海 水 へ 直 接 伝 え る容 器 の 円 柱. 状 上 蓋 直 下 に お い て,動 荷 重 発 生 時 に海 水 中 で 僅 か な圧 力 差 が 生 ま れ 中 心 付 近 のPLが 同 心 円 状 に 移 動 させ ら れ る こ とに 因 る もの で あ り,計 測 に 関 して 影 響 を与 え る も ので は な い.. の 後,圧. の衝 撃 圧 発 生 か. らBL光 起 電 力 の ピー ク ま で の遅 れ 時 間 は,PLに. 加 重 に は 応 答 しな い が,衝. 昇 し最 大 発 光 を 示 した後,指. 起 電 力 は上 昇 を 開 始 す る.そ. 力 が 減 衰 し十 分 低 下 す る ま で の経 過 時 間 約0.05s後 に よ うや くBL光 起 電 力 が 最 大 値 と な る.こ. (1) BLの 基 礎 的 力 学 応 答 特 性 個 々 のPLは,静. な る 間 に,BL光. 働 く圧. 力 に依 存 せ ず ど の ケ ー ス に お い て も約0.075s程 度 で あ っ た.即. ち,こ. の 遅 れ 時 間 は本 研 究 で 採 用 した 微 生 物PL. 固有 の 応 答 性 を示 す も の で あ り,少 な く と も この 遅 れ 時 間 よ り短 い 時 間 内 の変 動(13Hz以. 上)を. 解 像で きない. こ とを 意 味 して い る.特 に今 回 対 象 とす る衝 撃 圧 に対 し て は,高 周 波 で変 動 す る圧 力 に は 応 答 しな い た め,圧 力 の位 相 情 報 で は な く最 大 圧 力 の み 計 測 可 能 とな る. 光 起 電 力 の標 準 偏 差 の 時 系 列 は 光 起 電 力 と類 似 した時 間 変 化 を 示 す.光 起 電 力 の標 準 偏 差 と最 大 値 の 比 は,高 い衝 撃 圧 ほ ど 高 くな る.つ. ま り,混 入 したPLの 中 に は. 個 体 差 か ら,あ る程 度 ま で しか 発 光 で き な い もの も含 ま れ,高. い 圧 力 ほ ど ば らっ きが 大 き くな る と考 え られ る.. こ の ば らっ き を考 慮 した 標 準 化 さ れ た光 起 電 力keも. ま. た 平 均 光 起 電 力 と類 似 した 時 間 変 化 を 示 す. 図‑7は,case7〜10に. 対 す るBLの 光 起 電 力 を衝 撃 圧 の. 最 大 値 及 び 力 積 と比 較 した もの で あ る.平 均 光 起 電 力 を 考 え た場 合,そ. の 増 加 が衝 撃 圧 あ る い は そ の 力 積 の増 加.
(4) Bioluminescenceに. 図‑6. 衝 撃 圧 力(上),光. 起 電 力 の 平 均 及 び 標 準 偏 差(中)と. 準 化 さ れ た 光 起 電 力(ke)の. 849. よ る 波 浪 中 の 衝 撃 圧 力 分 布 計 測 法 の 開 発 へ 向 け た基 礎 的 研 究. 標. 図‑7. 最 大 衝 撃 圧,衝. 撃 圧 の 力 積 と平 均 光 起 電 力(上),標. 化 さ れ た 光 起 電 力(下)と. 時 系 列:左;case6,右;. 準. の 関 係(case7〜10).. case3.. を表 す と は限 らな い こ とが わ か る.一 方,標 準 化 され た 光 起 電 力 は,PLの. 数 密 度 の 差 異 及 びPLの 個 体 差 に よ る. 発 光 度 合(発 光 の し易 さ)を 発 光 分 布 関 数 に よ り標 準 化 して い る た め,最 大 衝 撃 圧 及 び力 積 共 に最 大 光 起 電 力 に 対 して 単 調 増 加 して い る.即 ち,予 め こ の関 係 を 較 正 値 と して 与 え る こ とに よ り標 準 化 さ れ た 光 起 電 力 を 計 測 す る こ とで 最 大 衝 撃 圧 及 び力 積 を計 測 で き る可 能 性 が あ る. 図‑8は,case1〜6の で あ る.こ. 図‑7と 同 様 な 比 較 を表 した も の. れ に よ る と,発 光 し得 るPL数 自体 が 非 常 に. 少 な く な り統 計 的 評 価 が 困 難 と な る 圧 力 が 低 い ケ ー ス casel及 び2で. は,相 対 的 に誤 差 が 大 き くな るが,そ. れ. ら以 外 の ケ ー ス で は図‑7と 同様 に標 準 化 さ れ た 光 起 電 力 は衝 撃 圧 と良 い相 関 を もつ.し か しなが ら,こ れ らの ケ ー ス は よ り高 い衝 撃 圧 が 課 せ られ て い る図‑7の ケ ー ス よ り も強 い光 起 電 力 が 生 じて い る.case1〜6とcase7〜10は, 異 な る シ ャー レで は あ る が 同 一 環 境 の下 で 培 養 さ れ た も の で あ り,唯 一 異 な るパ ラ メ ー タで あ る水 温 がBL発. 光. 強 度 に与 え る影 響 につ い て さ ら な る研 究 が 必 要 で あ る. 図‑8. (2) 疲 労 の 影 響 BLの 生 物 の疲 労 に よ る影 響 に つ い て い くつ か の 研 究 が あ る.Blaserら(2002)は,発. 最 大 衝 撃 圧,衝. 撃 圧 の 力 積 と平 均 光 起 電 力(上),標. 化 さ れ た 光 起 電 力(下)と. 準. の 関 係(case1〜6).. 光渦鞭 毛藻 類の一種 で. あ るPyrocystis fusiformisの攪 拌 の 繰 り返 し実 験 に よ るB. 影 響 に つ い て 調 査 を行 っ た(図‑9参. Lの 低 減 に つ いて 調 べ て い る.本 研 究 で は,PLに. 初 回 の光 起 電 力 が 最 も高 く,2回. 対する. 5分 間 隔 で 行 った 繰 り返 し衝 撃 力 載 荷 実 験 に よ るBLへ の. 照).ど. のケ ース も. 目の 載 荷 で は初 回 の光. 起 電 力 と比 べ て 半 減 す る.光 起 電 力 の低 下 率 は,発 光 し.
(5) 850. 海. 岸. 工. 学. 論. 文. 集. 第55巻(2008). 電 力 に対 して,PL個. 体数 分布 が指数 関数 で近似 可能 で. あ る こ と が 明 らか に な っ た.こ. のPL個 体 数 分 布 を基 に. BLの 光 起 電 力 分 布 を 統 計 的 に標 準 化 し,大 たBLを 排 除 可 能 と な る.こ. き く逸 脱 し. の 方 法 に よ り,初 期PL投 入. 密 度 に依 存 せ ず に計 測 可 能 と な る. 標 準 化 さ れ たBL画 像 濃 度 平 均 は,任. 意 の 落 錘 高 さh. にお け る衝 撃 圧 の 力 積 及 び 最 大 衝 撃 圧 と高 い相 関 が あ る. これ ら の 関 係 を較 正 値 と して 与 え れ ば,BLに. よ る光 起. 電 力 分 布 か ら衝 撃 圧 を計 測 す る こ と が可 能 で あ る と考 え る.し か し な が ら,未 解 明 で あ るBL強 度 の 水 温 依 存 性 図‑9. 繰 り返 し衝撃 荷重 下で の光起 電力 の変 化.. を 明 らか に して 適 切 な較 正 値 を 取 得 す る必 要 が あ る. 繰 り返 し載 荷 を 受 け る場 合,応 力 履 歴 が な い場 合 と比 較 して,BLに. た 履 歴 に依 存 し,高 い圧 力 下 で 高 強度 で 発 光 す る ほ ど顕 著 と な る.さ. らに繰 り返 し載 荷 を継 続 す る と,ほ ぼ一 定. のBL強 度 で 発 光 す る様 に な る が,発 光 履 歴 に よ りBL強 度 が 変 化 し相 対 的 に 変 動 成 分 が 大 き くな る た め,PLが 疲 労 状 態 で の 計 測 は適 切 で は な い と考 え る.力 学 的刺 激 以 外 にBL強 度 に 作 用 す る一 因 と して バ イ オ リズ ム の 影 響 が あ る(Widder・Case,1981).一. 般 に は,渦. 鞭毛 藻. 類 は昼 間 に発 光 強 度 は低 く夜 間 に高 くな る傾 向 が あ る と. よ る 光 起 電 力 は低 下 す る.即 ち,PLの. 疲. 労 を 考 慮 す る必 要 が あ る.光 起 電 力 の低 下 率 は,発 光 し た 履 歴 に依 存 し,高 い圧 力 下 で 高 強 度 で発 光 す る ほ ど顕 著 とな る. バ イ オ リズ ム の 夜 間4 ,5時 間 後 が 最 も安 定 した 発 光 を 得 られ る こ と が確 認 され た. BL強 度 に与 え る 生 物 的 要 素 に よ る影 響 に つ い て 未 解 明 な 点 が 残 さ れ て い る.信 頼 性 の あ る生 体 圧 力 セ ンサ ー の 開 発 に向 け て さ らな る研 究 が必 要 で あ る.. い わ れ て い る.同 一 の衝 撃 荷 重 下 に お け るバ イオ リズ ム の 発 光 強 度 へ の影 響(case10〜14)を. 比 較 した 結 果,. 夜 間4,5時 間 後 が 最 も安 定 した 発 光 を得 られ る こ とが 確 認 され た. 6. 結 論 個 々 のPLは,静. 加 重 に は応 答 しな い が,衝. る動 圧 力 変 化 に伴 い 青 色 に発 光 す る.最 した後,指. 撃力 によ. 大BL強 度 を 発. 数 関 数 的 に減 少 す る.. 生 物 を 使 っ た制 御 で 最 も困 難 な 問 題 は,生 育 速 度,環 境,活. 動 履 歴 等 の差 異 に よ る個 体 差 を ど の よ うに 処 理 す. る か で あ る.個 々 のPLの 位 置 に対 応 す るBLに よ る 光 起. 参. 考. 文. 献. Blaser, S., F. Kurisu,H. Satoh,T. Mino (2002): Hydrome-chanical stimulation of bioluminescentplankton, Luminescence, 17, pp.370-380. Rohr, J., J. Allen, J. Losee, and M. I. Latz (1997): The use of bioluminescenseas a flow diagnostic,Phys. Lett.A, 228, pp.408-416. Stokes, M. D., G. B. Deane, M. I. Latz, J. Rohr (2004): Bioluminescence imaging of wave-induced turbulence, J. Geophys.Res. Oceans, 109,pp.1871-1879 Widder, E. A., J. F. Case (1981): Two flash forms in the bioluminescetdinoflagellate,Pyrocystis fusiformis, J. Comp. Physiol,143,pp.43-52..
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