海洋下のマントルに由来する岩石中に有機物を発見
―上部マントル中での生物が関与しない有機物合成の証拠―

2026年1月14日
京都大学
広島大学
東北大学
高輝度光科学研究センター
早稲田大学
高エネルギー加速器研究機構

1870年代に、元素周期表で有名なドミトリ・メンデレーエフは、地球のマントル内部で生物が関与することなく有機物が合成される可能性を指摘しました。その後、2000年代以降には、マントル内の高温高圧条件（数百度～数千度、数 GPa）を再現した室内実験により、炭酸塩や鉄酸化物、水などの無機物から有機物が生成されることや、低分子有機物が重合してより複雑な有機物を形成することが示されてきました。一方で、マントル内における有機物合成を直接的に裏付ける証拠としては、マントル由来の岩石中の包有物^※1から有機物を検出することが挙げられます。しかし、これまでに有機物を含む包有物の報告例は、大陸下のマントルに由来する岩石など、ごく限られた地域にとどまっていました。

本研究では、フランス領ポリネシア・タヒチ島産のマントル捕獲岩^※2中に含まれる単斜輝石^※3内の微小な包有物（2–3マイクロメートル以下）を対象に、放射光X線ナノCT^※4、顕微ラマン分光法^※5、蛍光顕微鏡、走査透過型X線顕微鏡法(STXM)^※6など、複数の分析手法を用いて詳細な解析を行いました。大型放射光施設SPring-8^※7(BL47XU)における放射光X線ナノCT撮影の結果、包有物は白金族鉱物^※8、Fe-Ni-Cu硫化鉱物、ケイ酸塩ガラス、およびそれらと共存する軽元素物質で構成されていることが明らかとなりました（図1）。
さらに、この軽元素物質について顕微ラマン分光法、蛍光顕微鏡、およびKEKの放射光施設フォトンファクトリー^※9(BL-19A)に設置されたSTXMを用いて詳細に分析したところ、多環芳香族炭化水素^※10を主体とする複雑な有機物が、二酸化炭素や一酸化炭素と共存していることがわかりました（図2、図3、図4）。本研究では、鉱物中に完全に包有された状態で有機物を検出したことから、これらの有機物が地表付近や分析過程に由来する汚染ではなく、マントル内部で生成されたものである可能性が高いことが示されました。これにより、生物が関与しない有機物合成が、海洋下のマントルでも起こり得ることが示されました。

本研究成果は、これまで十分に解明されてこなかったマントル内における生物が関与しない有機物合成プロセスの全体像を理解するための重要な手がかりとなることが期待されます。特に、地球のマントルの大部分を占める海洋下のマントルに由来する岩石中に有機物が保存されていることが示された点は、極めて意義深い成果です。今後、同様の報告例が蓄積されていくことで、マントル内部で実際に合成される有機物の分子構造や、その形成環境・反応条件について、より詳細な理解が進むと期待されます。また、これらの理解が深化すれば、石油などのエネルギー資源の形成過程や地球規模の炭素循環、さらには生命の起源といった地球科学における根源的な未解明問題の解明にも寄与する可能性があります。今後は、高温高圧実験により今回発見された有機物の特徴を再現し、どのような物理・化学条件下で、どのような反応過程を経て有機物が合成されるのかについて、より詳細に検討を進めていく予定です。

本研究は以下の支援により遂行されました。科学技術振興機構(JST)次世代研究者挑戦的研究プログラム (JPMJSP2110)、日本学術振興会(JSPS)科学研究費(JP20H00198、JP25H00688、JP23K25963)、大型放射光施設SPring-8長期課題（課題番号 2021B0188、2022A0188、2022B0188、2023B0318）、放射光施設フォトンファクトリー S2課題（課題番号 2023S2-001）。

今回扱ったマントル捕獲岩は、1000 ℃を超える高温と数GPaという高圧が支配する極限環境下に置かれていました。そのような条件下で有機物が合成されているという事実は非常に興味深く、大きなロマンを感じています。今後は、マントル内部で合成された有機物の特性やその形成メカニズムについて、より詳細に解明していく研究を進めていきたいと考えています。（三津川　到）

【用語解説】

磁気冷凍材料の冷却能力と安定性を両立する材料設計手法を確立
共有結合の精密制御により高効率・高持続性磁気冷凍材料を実現

2025年12月19日
NIMS（国立研究開発法人物質・材料研究機構）
国立大学法人京都工芸繊維大学
公益財団法人高輝度光科学研究センター
兵庫県公立大学法人 兵庫県立大学
Technical University of Darmstadt
国立研究開発法人科学技術振興機構(JST)

NIMS、京都工芸繊維大学、高輝度光科学研究センター、兵庫県立大学、東北大学、ダルムシュタット工科大学の研究チームは、磁場のオン・オフで温度が変化する磁気冷凍材料について、冷却能力と安定性の両立を可能にする材料設計の新手法を開発しました。材料内部の共有結合の種類や配置を精密に制御することで、磁気的な性質の変化に伴う原子配列の遷移がスムーズに進行し、それに伴う不可逆的なエネルギー損失の大幅な抑制が可能になったことで、この両立に成功しました。
本成果は、エネルギー効率の高い磁気冷却技術の開発に新たな道を拓くものであり、2025年12月18日にAdvanced Materials誌に掲載されました。

■従来の課題 エアコンや冷蔵庫、冷凍機など従来の冷却方式（蒸気圧縮式冷却）では、温室効果ガスを排出する冷媒が使用されており、環境負荷が懸念されます。温室効果ガスを排出しない技術の候補の一つとして、磁場のオン・オフで温度変化する材料を利用した磁気冷却技術が注目されています。しかし、この技術の性能向上を目指す研究開発において、次に述べるジレンマが長い間立ちはだかっていました。すなわち、磁場のオン・オフを繰り返す際に材料内部でエネルギー損失が発生するため、冷却能力を保持し続けることが困難である一方（安定性の欠如）、その損失を抑えるための材料設計を行うと、磁場を加えた際の温度変化が減少して冷却効果が弱まる（冷却能力の減少）というトレードオフです。 ■成果のポイント 本研究チームは、金属間化合物の組成を原子レベルで精密に調整することで、元に戻すことができないエネルギーの損失を制御する金属間化合物の材料設計手法を開発しました。この手法を実証するため、磁気冷凍材料であるGd（ガドリニウム）とGe（ゲルマニウム）の金属間化合物の改良を試みました。この材料は、磁場印加時にGdのスピンの向きが揃い（図1の青丸から緑丸への変化）、温度が上昇しますが、スピンの変化に連動して、層間を構成するGe（図1の茶丸）の結合距離が変わりヒステリシス（履歴）が発生していました。今回、Geの一部をSn（スズ）に置換することで、層間の厚み変化を抑えた結果、冷却能力の低下を防ぐことに成功しました。さらに磁場を印加した当初の温度変化も7 Kから8 K（7 ℃から8 ℃）と増加し、持続性のみならず、材料の磁気冷却性能も向上させることに成功しました。 図1. 今回開発した材料の模式図。磁場を印加していない状態（右側）では、上側のスラブ（以下、層と標記）と下層に含まれるGdのスピンの向き（白矢印）は揃っていないが、磁場を印加すると（左側）揃い、温度が上昇する。 ■将来展望 今回得られた磁気冷凍材料は極低温領域で動作し、水素の液化に最適な特性を示すことから、環境負荷の少ない液体水素技術の実現に貢献すると期待されます。さらに、本研究は望ましい特性を実現する磁気冷凍材料設計の新たな手法を提案しています。今後は、この新手法に基づき、他の化合物への応用拡大を計画し、その応用分野の拡大を目指していきます。 ■その他 ・本研究は、NIMS磁性・スピントロニクス材料研究センターのTang Xin主任研究員、寺田典樹主席研究員、Xiao Endaポスドク研究員、只野央将グループリーダー、Andres Martin-Cidポスドク研究員、大久保忠勝副センター長、Hossein Sepehri-Aminグループリーダー、NIMS技術開発・共用部門の松下能孝ユニットリーダー、NIMS宝野和博フェローと、京都工芸繊維大学の三浦良雄教授、高輝度光科学研究センター(JASRI)の大河内拓雄主幹研究員（現：兵庫県立大学教授）、河口彰吾主幹研究員、小林慎太郎研究員、東北大学国際放射光イノベーション・スマート研究センターの中村哲也教授、及び、ダルムシュタット工科大学のAllan Döring博士課程学生、Konstantin Skokov senior researcher、Oliver Gutfleisch教授からなるチームによって、日本学術振興会国際共同研究プログラム（JRP-LEAD with DFG；プログラム番号 JPJSJRP20221608）および科学技術振興機構(JST)ERATO「内田磁性熱動体プロジェクト」（課題番号 JPMJER2201）の支援を受けて実施されました。 論文情報 雑誌名：Advanced materials 題名：Control of Covalent Bond Enables Efficient Magnetic Cooling 著者：Xin Tang, Yoshio Miura, Noriki Terada, Enda Xiao, Shintaro Kobayashi, Allan Döring, Terumasa Tadano, Andres Martin-Cid, Takuo Ohkochi, Shogo Kawaguchi, Yoshitaka Matsushita, Tadakatsu Ohkubo, Tetsuya Nakamura, Konstantin Skokov, Oliver Gutfleisch, Kazuhiro Hono and Hossein Sepehri-Amin DOI：10.1002/adma.202514295

よりクリーンな社会の実現に向けて水素活用が推進されており、このために効率的で低炭素な冷却技術の実現は必須です。従来の蒸気圧縮式冷却方式は温室効果ガスの利用と低いエネルギー変換効率により地球温暖化への影響が大きく、さらに効率的で低炭素な冷却技術が求められています。固体状態の磁気冷却技術は、冷却技術として有望な代替手段の一つです。この技術は、磁気熱量効果を利用しています。固体状態の磁気熱冷却技術（マグネトカロリック冷却）は有望な代替手段であり、これは磁気熱量効果(MCE)^[1]を利用します。この効果は、等温条件下での磁気エントロピー変化(ΔS_m)^[2]や、断熱条件下での温度変化（断熱温度変化）(ΔT_ad)^[3]として現れます。初期の研究では、金属間化合物^[4]において「巨大な」MCEが発見され、従来の冷却技術を置き換える可能性が示されました。しかし、多くの「巨大な」応答は長期的なサイクル運転では持続できないことが分かっています。その結果、既存の材料はデバイスとして安定した性能を発揮することが難しいのが現状です。このことから、効率的な冷却を実現するためには、MCEの可逆性^[5]を高めることで、巨大なMCEを維持しつつ多数のサイクルにわたって安定した動作を保つ材料が求められています。

・今回、巨大で可逆的な磁気熱量効果（MCE）を示す新しい化合物を開発し、磁気冷却の持続的な利用を可能にしました。純粋なGd₅Ge₄（Gd（ガドリニウム）とGe（ゲルマニウム）から成る化合物）では、大きなヒステリシス^[6]が生じるため、MCEがサイクル運転中に不可逆的になってしまいます。しかし、これにSn（スズ）を添加して合金化することでヒステリシスが除去され、巨大かつ可逆的なMCEが得られることが分かりました。可逆的な断熱温度変化(ΔT_ad)は2倍以上に増加しており、図2にその結果が示されています。基礎的な解析によると、Snは単位格子内のスラブ間領域^[7]における局所的な化学環境を変化させ、共有結合^[8]の強さを低下させることで、相転移に対してより有利な活性化障壁^[9]を形成することが分かりました（図3参照）。その結果、不要なヒステリシスが解消され、開発された化合物において巨大で可逆的なMCEが実現されました。なお、本研究では大型放射光施設SPring-8^[10]のBL02B2、BL25SUを利用しました。

・この新しい化合物は、可逆的MCEに関して、既知のさまざまな磁気熱化合物の中でも、5 T（テスラ）の磁場変化において等温磁気エントロピー変化ΔS_m=32 J/kg･K、および、断熱温度変化ΔT_ad=8 Kという高い性能指数を示しています。これは既存のほとんどの磁気熱量材料と比較して、ΔT_adおよびΔS_mの両方において1.5～2倍のMCEに対応します。さらに、この新しい化合物は組成を設計することで40〜160 K（約-233 ℃～約-113 ℃）の温度範囲の中から動作温度を設計できるので、この温度域に液化温度を持つ水素、窒素、天然ガスなどの気体の液化を可能にします。

・従来、ヒステリシスを抑制する方法はしばしばMCEの性能を損なうという問題がありました。しかし、今回の手法では局所的な共有結合性^[11]の調整に着目することで、この従来のトレードオフを克服しました。これにより、より環境に優しい社会を目指した高効率な磁気冷却のための新しい材料設計原理が確立されました。

環境に優しくエネルギー効率の高い磁気冷却技術にとって、耐久性が高い磁気熱量材料の開発は、炭素排出を最小限に抑えられるため、カーボンニュートラル社会の実現に不可欠です。本研究では、巨大で完全に可逆な磁気熱量効果(MCE)を実現する画期的な材料を開発しました。ここで開発された化合物は、水素や天然ガスといったエネルギーキャリアの磁気液化において、長期運転下での信頼性が重要となる用途で、強力な候補となる材料です。さらに本研究は、巨大なMCEと耐久性との間に長年存在していたトレードオフを克服する新たな材料設計の道を開き、次世代冷却材料の開発を促進・加速するものです。

【用語解説】

結晶中トリウム229原子核アイソマーのクエンチ機構の解明に前進
～固体原子核時計のリセットは電子が担う？～

2026年1月9日
岡山大学
高輝度光科学研究センター
京都大学
理化学研究所
大阪大学

◆発表のポイント
・X線照射による結晶中トリウム229アイソマー励起状態の脱励起が加速される現象（クエンチ）の温度依存性を測定し、結晶発光の温度依存性との相関を明らかにしました。
・クエンチ現象が、励起電子の拡散とトリウム原子核との相互作用で生じることを突き止め、その物理過程を説明するクエンチ機構モデルを構築しました。
・固体原子核時計の動作に必要な原子核状態の初期化（リセット）を担うクエンチ機構の理解を進め、高精度原子核時計の実現にまた一歩前進しました。

138億年の時を一瞬のように感じさせる研究の日々の中で、私たちは協力しながら、凝縮物質・原子核・電子が織りなす深い法則に触れることができました。すべての研究者の献身に心から感謝します。この瞬間は、私の一生の宝物です。岡大、ありがとう。

Ming Guan
大学院生
（研究当時）

吉見准教授

＜現状＞
人類はこれまで、レーザー光によって原子核のまわりを回る電子を励起し、物質の構造解析から量子技術まで、さまざまな科学分野を発展させてきました。しかし昨年から今年にかけて、当グループを含む複数の研究チームが、史上初めて原子核そのものをレーザーで励起することに成功し、大きな注目を集めています。この実験で用いられたトリウム229の原子核は、わずか8.4 eV^（注５）という非常に低いエネルギーの励起準位（アイソマー）を持ち、レーザー光で直接励起できる唯一の原子核として知られています。　原子核の状態は外界の影響を受けにくい極めて安定なため、この励起・脱励起を時間の基準に利用することで、既存の原子時計を超える高精度を持つ「原子核時計」の実現が期待されています。
原子核時計は、全地球測位システム(GPS/GNSS)や重力変化を利用した地殻変動観測など、新しい地球・宇宙計測技術への応用が見込まれています。さらに、暗黒物質^（注６）の探索や物理定数の経年変化^（注７）を調べるといった基礎物理の最前線研究にも活用できると考えられています。
こうした原子核の優れた外界からの隔離性ゆえに、固体結晶に埋め込んだ状態でも高精度を実現できるという利点があります。このため、小型で可搬性に優れた「固体型原子核時計」の開発が注目されています。一方で、固体原子核時計を動作させるためには、計測サイクルごとに核の励起状態を瞬時に初期化（リセット）する必要があります。そのような時計サイクルを動作させるためには、結晶中で10分もの長い寿命を持つアイソマーを能動的に素早く基底状態へ戻す、いわゆる脱励起が加速される現象（クエンチ）が鍵を握ります。当グループは昨年、このクエンチ現象を初めて実験的に実証し、他のグループからも類似の研究が報告されました。しかし、クエンチ現象を引き起こしているメカニズムは依然として謎のままであり、このリセット機構の理解が今後の原子核時計研究の重要な課題となっています。

＜研究成果の内容＞
本研究では、大型放射光施設SPring-8の高輝度X線を用い、ウィーン工科大学と共同開発したトリウム229をドープしたフッ化カルシウム(CaF₂)結晶を対象に実験を行いました。図1(a)に示すように、トリウム229原子核の基底状態に約29 keVのX線を照射すると、その一部が準安定な励起状態（アイソマー）へ遷移します。照射を止めると、このアイソマーは平均寿命約10分で真空紫外光（波長148 nm）を放出して基底状態に戻ります。我々のグループは以前、X線照射中のみ寿命が短くなる現象（クエンチ）を発見しました。本研究では、このクエンチの温度依存性とその物理的要因を明らかにすることを目的としました。
試料結晶の温度を真空槽内で室温から約−160℃までの間で制御し、脱励起光（真空紫外光）とX線照射後の結晶が発する蛍光（残光）を測定する実験を行いました。図1(b)は、照射中に生成されるアイソマー数の時間変化を室温と低温で比較した結果です。照射を開始するとアイソマー数は増加し、やがて励起と脱励起（クエンチ効果も含む）が釣り合って一定に達します。この飽和時間から照射中のクエンチ寿命を求めた結果、低温ほどクエンチ寿命が長くなりアイソマー生成数が増えることが分かりました。図2(a)は温度ごとのクエンチ効果による寿命をまとめたもので、後述するモデル曲線との一致から、結晶中で励起された電子がクエンチに関与している可能性が高いことを示しています。さらに図2(b)では、アイソマー生成数と照射後に観測される結晶の残光強度を比較しました。この残光は励起電子の緩和過程で生じる光としてよく知られており、その温度依存性がアイソマー生成数の温度依存性とよく一致しました。このことからも、励起電子がクエンチを促進する主要な要因であることが分かりました。
これらの結果を踏まえ、図3に示す電子拡散・捕獲モデルを構築しました。X線照射で励起された電子は結晶中を拡散し、トリウム近傍の欠陥準位^（注８）にトラップ（捕獲）されます。その際、トラップ電子とアイソマーの相互作用により、電子が励起されると同時に原子核が脱励起（クエンチ）すると考えられます。このモデルは電子の拡散速度が温度に依存することを自然に説明し、実験結果ともよく一致します。さらに、図2(b)に見られる−60℃付近で局所的にクエンチ効果が弱まる挙動についても、拡散電子がその温度領域で結晶内欠陥にトラップされやすくなると仮定すれば理解できます。

＜本研究の意義と今後の発展＞
本研究は、固体中における電子と原子核の相互作用を通じて核のエネルギー状態を能動的に制御できることを明確に示した成果です。特に、X線によるトリウム229アイソマーのクエンチ現象を詳細に解析し、そのメカニズムを温度依存性から明らかにした点で、固体型原子核時計のリセット原理の理解を大きく前進させました。今後は、電子移動に関するより定量的な解析や、レーザー励起との統合実験を進めることで、原子核時計の安定動作や高効率な初期化手法の確立を目指します。これにより、次世代衛星測位システムや精密測地のみならず、暗黒物質探索や物理定数変動の検証といった基礎物理研究にも大きく貢献することが期待されます。

■研究資金
本研究は、独立行政法人日本学術振興会(JSPS)科学研究費助成事業(JP21H04473、JP23K13125、JP18H04353、JP24K00646、JP24H00228、JP24KJ0168、JP25K17413、JP25H00397)、戦略的創造研究推進事業(CREST: JPMJCR24I6)、 EU-ERC(No.856415 (nuClock))、Austrian Science Fund の支援を受けて実施しました。

【用語解説】

働く酵素の姿をミリ秒で捉える
―SACLAが拓く新しい時分割タンパク質構造決定法の可能性―

2025年12月19日
大阪医科薬科大学
大阪大学
東北大学
龍谷大学
大阪公立大学
量子科学技術研究開発機構
神戸大学
理化学研究所
高輝度光科学研究センター
京都大学
兵庫県立大学

研究のポイント
◾️酵素の反応過程をミリ秒レベルで可視化することに成功
◾️独自の二液混合装置による時間分解結晶構造解析で、酵素が構造を変化させる仕組みを解明
◾️新しい時分割タンパク質構造決定法として、生命科学研究の可能性を大きく広げると期待

【研究の内容】
　銅含有アミン酸化酵素は様々な生物種に広く存在し、アミン類をアルデヒドとアンモニアに分解する活性を持っています。この酵素の活性中心には、銅イオンと補酵素トパキノン（TPQ）を含んでおり、ヒトの血清中の本酵素は糖尿病の発症にも関与しています。これまで、本酵素は触媒過程で、補酵素TPQが大きく構造変化することが知られていましたが、どのような仕組みで構造変化が起きるのかその詳細な仕組みは不明なままでした。そこで、この疑問を明らかにするため、研究グループは、微生物由来の銅含有アミン酸化酵素を用いて数μmサイズの微結晶を作成し、SACLAにて二液混合法を用いた時分割SFXを実施しました。酵素微結晶懸濁液と基質溶液の混合からXFEL照射までの時間（遅延時間）が異なる複数のデータセット（22 msから100 msまで計9セット）を取得しました。遅延時間の増加に伴い、補酵素TPQとその周辺残基や水分子の電子密度の形状と占有率が変化していることを観測し、反応時間軸に沿った各反応中間体の構造変化を明確にとらえることに成功しました（図1）。

　さらに、本酵素の触媒過程での構造変化は活性中心のみで起こると従来は考えられていましたが、基質結合に伴いドメインレベルでの構造変化が起き、これに連動して活性中心での構造変化が進行することが明確になりました（図2）。

　このようなタンパク質全体の僅かな動きを検出することは従来の解析法では困難であり，本研究の大きな成果といえます。

【本研究が社会に与える意義（社会的意義）】
　今回の研究では、酵素の精緻な動きの一端を原子レベルで明らかにしています。酵素科学における重要な研究テーマの一つに、新しい機能性を持つ酵素の分子設計が挙げられますが、今回の成果は、この分野に大きく寄与する可能性があります。一般的に、酵素は多段階の反応ステップを経由し常温常圧で効率良く働きますが、各ステップにおいて素早く最適な構造をとる必要があります。その動きの原理や基質が化学変化した中間体の構造を理解することは、各種の有用酵素の設計・開発にも大きな進展をもたらすと期待されます。

【研究者のコメント】
　高品質の微結晶を大量に得ることは非常に困難でしたが、その苦労のかいあって、想像以上に多くの知見が得られました。二液混合法を用いた時分割SFXは技術的には困難な課題も伴いますが、その原理から多くの酵素反応の適用が可能であり、今回の成果は、多くの酵素科学者にとっての夢である酵素反応のflipbook（パラパラマンガ）作りへの重要な第一歩といえます。

【発表者】
（所属・役職等は全て研究当時のもの）
　村川武志：大阪医科薬科大学 医学部 助教
　鈴木 守：大阪大学 蛋白質研究所 准教授
　福井健二：大阪医科薬科大学 医学部 助教
　桝田哲哉：龍谷大学 農学部 教授
　溝端栄一：大阪大学 大学院工学研究科 講師
　角南智子：量子科学技術研究開発機構 量子生命科学研究所 主幹研究員
　登野健介：高輝度光科学研究センター XFEL利用研究推進室 チームリーダー
　南後恵理子：東北大学 多元物質科学研究所 教授，理化学研究所 放射光科学研究センター チームリーダー
　當舎武彦：兵庫県立大学大学院 理学研究科 教授
　矢野貴人：大阪医科薬科大学 医学部 教授
　谷澤克行：大阪大学 産業科学研究所 招へい教授
　岡島俊英：大阪大学 産業科学研究所 准教授

【用語説明】