１.１　生物学という科学

1.1 生物学という科学

このセクションを読み終える頃には、あなたは次のことができるようになるでしょう。

• 自然科学に共通する特徴を挙げることができる。
• 科学的方法のステップを要約できる。
• 帰納的推論と演繹的推論を比較できる。
• 基礎科学と応用科学の目的を説明できる。

生物学とは何でしょうか？簡単に言えば、生物学は生命 (life) の研究です。これはとても広い定義ですね。なぜなら、生物学が扱う範囲は非常に広大だからです。生物学者は、細胞の微細な、あるいはさらに小さな構造から、生態系、そして生命が存在する地球全体まで、あらゆるものを研究対象とする可能性があります（図1.2）。日々のニュースに耳を傾ければ、私たちが毎日いかに多くの生物学的な側面について話題にしているかに気づくでしょう。例えば、最近のニュースでは、ホウレンソウでの大腸菌（図1.3）の集団発生や、ピーナッツバターでのサルモネラ菌汚染などが取り上げられました。また、エイズやアルツハイマー病、がんの治療法を見つけるための努力も話題になっています。地球規模で見れば、多くの研究者が、この惑星を守り、環境問題を解決し、気候変動の影響を減らす方法を見つけることに力を尽くしています。これら多様な取り組みはすべて、生物学という学問分野のさまざまな側面に関連しているのです。

科学のプロセス

生物学は科学の一分野ですが、科学とは一体何なのでしょう？生物学の研究は、他の科学分野とどのような点を共有しているのでしょうか？私たちは、科学（ラテン語で「知識」を意味する scientia に由来）を、一般的な真理や法則の働きを扱う知識、特に科学的方法 (scientific method) によって獲得され、検証されたもの、と定義することができます。この科学的方法とは、実験と注意深い観察を含む、決められた手順を持つ研究方法のことです。この定義から明らかなように、科学的方法を用いることが科学において重要な役割を果たします。

科学的方法のステップについては後ほど詳しく見ていきますが、この方法の最も大切な側面の一つは、再現可能な実験によって仮説 (hypothesis) を検証することです。仮説とは、ある出来事について提案された説明であり、それを検証することが可能なアイデアのことです。科学的方法を用いることは科学に本来備わっているものですが、それだけでは科学が何であるかを決めるには不十分です。なぜなら、物理学や化学のような分野には科学的方法を比較的容易に適用できますが、考古学、心理学、地質学のような分野になると、実験を繰り返すことがより困難になるため、科学的方法の適用が難しくなるからです。

しかし、これらの研究分野も科学なのです。考古学を考えてみましょう。再現可能な実験を行うことはできませんが、仮説は支持される可能性があります。例えば、考古学者は、陶器の破片を見つけることに基づいて、古代の文化が存在したと仮説を立てることができます。その考古学者は、この文化のさまざまな特徴についてさらに仮説を立てることができ、それは他の発見からの継続的な支持や矛盾を通じて、正しいか間違っているかが明らかになるかもしれません。仮説は検証され、確認されると理論 (theory) になることがあります。理論とは、観察や現象について、多くの証拠によって裏付けられた、よく検証された説明のことです。したがって、科学を、宇宙の成り立ちを理解しようと試みる研究分野として定義する方がより適切かもしれません。

自然科学

自然科学博物館には何が展示されていると期待しますか？カエル？植物？恐竜の骨格？脳の機能に関する展示？プラネタリウム？宝石や鉱物？もしかしたら、上記のすべてでしょうか？科学には、天文学、生物学、コンピューター科学、地質学、論理学、物理学、化学、数学など、多様な分野が含まれます（図1.4）。しかし、科学者たちは、物理的な世界とその現象およびプロセスに関連する科学分野を自然科学 (natural sciences) と呼んでいます。ですから、自然科学博物館には、上記の項目のいずれもが含まれる可能性があります。

しかし、自然科学に何が含まれるかについて、完全な合意はありません。一部の専門家にとっては、自然科学は天文学、生物学、化学、地球科学、物理学です。他の学者は、自然科学を、生物を研究し生物学を含む生命科学と、非生物を研究し天文学、地質学、物理学、化学を含む物理科学とに分けることを選びます。生物物理学や生化学のような一部の分野は、生命科学と物理科学の両方に基づいており、学際的（複数の学問分野にまたがること）です。自然科学を、数値データ（定量的データ）を使用するため「硬い科学（ハードサイエンス）」と呼ぶ人もいます。社会と人間の行動を研究する社会科学は、調査と発見を進めるために、数値データよりも記述的な評価（定性的評価）を使うことが多いです。

当然のことながら、生物学という自然科学には多くの部門や下位分野があります。細胞生物学者は細胞の構造と機能を研究し、解剖学を研究する生物学者は生物全体の構造を調査します。しかし、生理学を研究する生物学者は、生物の内部の働きに焦点を当てます。生物学の一部の分野は、特定の種類の生物だけを対象としています。例えば、植物学者は植物を探求し、動物学者は動物を専門としています。

科学的推論

すべての科学に共通することが一つあります。それは、「知りたい」という究極の願いです。好奇心と探求心が科学の発展の原動力です。科学者は世界とその仕組みを理解しようとします。そのために、彼らは2つの論理的な考え方を用います。帰納的推論 (inductive reasoning) と演繹的推論 (deductive reasoning) です。

帰納的推論は、関連する観察から一般的な結論を導き出す論理的な考え方です。この種の推論は、記述科学でよく見られます。生物学者のような生命科学者は観察を行い、それらを記録します。これらのデータは、言葉や性質で表されるもの（定性的データ）であったり、数値で表されるもの（定量的データ）であったりします。そして、これらのデータには、図や写真、ビデオなどを補足として加えることができます。多くの観察から、科学者は証拠に基づいて結論（帰納）を推測します。帰納的推論では、注意深い観察から推測される一般論を形成し、大量のデータを分析することが必要です。脳の研究はその一例です。この種の研究では、科学者は、食べ物の画像を見るなどの特定の活動をしている人々の多くの生きた脳を観察します。そして、この活動中に「光る」脳の部分が、その刺激（この場合は食べ物の画像）に対する反応をコントロールしている部分だと予測します。脳の活動的な部分が放射性物質で標識された糖を過剰に取り込むことで、その部分が「光る」のです。科学者はスキャナーを使って、その結果として生じる放射能の増加を観察します。その後、研究者は脳のその部分を刺激して、同じような反応が起こるかどうかを確かめることができます。

演繹的推論または演繹は、仮説に基づいた科学で使われる論理の方法です。演繹的推論では、考え方の流れは帰納的推論とは逆になります。演繹的推論は、一般的な原理や法則を使って、特定の具体的な結果を予測する論理的な考え方です。これらの一般的な原理から、科学者は、その原理が正しい限り、正しいであろう具体的な結果を推測し、予測することができます。気候変動の研究は、この種の推論の良い例です。例えば、科学者は、ある地域の気候が暖かくなれば、そこに生息する植物や動物の種類や分布が変わるはずだと予測するかもしれません。

どちらのタイプの論理的思考も、科学的研究の2つの主要な進め方、すなわち記述科学と仮説に基づいた科学に関連しています。通常は帰納的である記述科学（または発見科学）は、観察し、探求し、発見することを目的としています。一方、通常は演繹的である仮説に基づいた科学は、特定の疑問や問題、そして検証可能な潜在的な答えや解決策から始まります。これら2つの研究形態の境界はしばしば曖昧で、ほとんどの科学的な試みは両方のアプローチを組み合わせています。観察がいかに簡単に特定の疑問につながるかを考えると、この曖昧な境界がよくわかります。例えば、1940年代のある男性は、自分の服や犬の毛皮にくっついた「ひっつきむし」（オナモミなどの植物の種子）に、小さなフック状の構造があることに気づきました。詳しく調べてみると、そのフックの仕組みは、ジッパーよりも物を掴む力が強いことがわかりました。彼は最終的に、同じように機能する最適な素材を見つけるために実験を重ね、今日、マジックテープとして広く知られている面ファスナーを作り出したのです。このように、記述科学と仮説に基づいた科学は、常に対話しながら進んでいくのです。

科学的方法

生物学者は、生きている世界について問いかけ、科学に基づいた答えを探すことで研究を進めます。このアプローチは科学的方法として知られており、他の科学分野でも共通して用いられています。科学的方法は古代でも使われていましたが、それを最初に体系的に記録したのは、イギリスのフランシス・ベーコン卿 (Sir Francis Bacon, 1561–1626) でした（図1.5）。彼は科学的な探求のための帰納的な方法を確立しました。科学的方法は生物学者だけが使うものではありません。ほとんどすべての研究分野の研究者が、論理的で合理的な問題解決の方法として応用することができます。

科学的なプロセスは、通常、観察（多くの場合、解決すべき問題）から始まり、それが疑問へとつながります。簡単な問題を例にとり、観察から始めて、科学的方法を適用して問題を解決してみましょう。ある月曜日の朝、学生が授業に来て、教室が暑すぎることに気づきました。これは観察であり、同時に問題を説明しています（教室が暑すぎる）。次に学生は疑問を抱きます。「なぜ教室はこんなに暑いのだろう？」

仮説の提案

仮説とは、検証可能な、提案された説明であることを思い出してください。問題を解決するために、いくつかの仮説を提案することができます。例えば、一つの仮説は、「誰もエアコンをつけなかったから教室は暑い」かもしれません。しかし、その疑問には他の答えがある可能性もあり、したがって他の仮説を提案することもできます。二番目の仮説は、「停電のためエアコンが作動しないので、教室は暑い」かもしれません。

仮説を選んだら、学生は予測を立てることができます。予測は仮説に似ていますが、通常「もし…ならば…、…だろう」という形をとります。例えば、最初の仮説の予測は、「もし学生がエアコンをつければ、教室はもはや暑くなくなるだろう」となるかもしれません。

仮説の検証

有効な仮説は検証可能でなければなりません。また、反証可能でなければなりません。つまり、実験結果によってその仮説が間違っていることを示せる可能性があるということです。重要なこととして、科学は何かを「証明する」とは主張しません。なぜなら、科学的な理解は常に新しい情報によって修正される可能性があるからです。この、考えを反証する可能性を受け入れる姿勢こそが、科学を非科学と区別する点なのです。例えば、超自然的な存在がいるかどうかは、検証することも反証することもできません。

仮説を検証するために、研究者は一つ以上の仮説を否定するように設計された実験を行います。各実験には、一つ以上の変数（実験中に変化させたり、変化したりする可能性のある要素）と、一つ以上の対照群があります。対照群は、研究者が仮説として立てた操作（例えば、エアコンをつけること）以外は、実験群と全く同じ条件に保たれます。もし実験群の結果が対照群と異なれば、その違いは、何か他の要因ではなく、仮説で考えた操作によるものだと結論づけることができます。

最初の仮説を検証するために、学生はエアコンがついているかどうかを確認します。もしエアコンがついていても動いていなければ、何か別の理由があるはずなので、この仮説は棄却（否定）されるべきです。二番目の仮説を検証するために、学生は教室の照明が機能しているかどうかを確認します。もし電気がついていれば、停電ではないので、この仮説も棄却されるべきです。学生は、適切な実験を行うことで、それぞれの仮説を検証する必要があります。一つの仮説を棄却しても、他の仮説が正しいかどうかが決まるわけではないことに注意しましょう。それは単に、有効ではない仮説を一つ除外するだけです（図1.6）。科学的方法を用いて、学生は実験データと合わない仮説を棄却していくのです。

この「暑い教室」の例は観察結果に基づいたものですが、他の仮説や実験では、より明確な対照群を設定できる場合があります。例えば、ある学生が月曜日に授業に出席し、講義に集中するのが難しかったとします。この状況を説明する一つの観察として、「授業前に朝食を食べると、より集中できる」という仮説が考えられます。学生はその後、この仮説を検証するために、朝食を食べる群と食べない群（対照群）を設定した実験を計画することができます。

仮説に基づいた科学では、研究者は一般的な前提から具体的な結果を予測します。私たちはこの種の推論を演繹的推論と呼びます。演繹は一般から特定へと進みます。しかし、その逆のプロセスも可能です。時には、科学者は多くの特定の観察から一般的な結論に達します。私たちはこの種の推論を帰納的推論と呼び、それは特定から一般へと進みます。研究者はしばしば、科学的知識を進歩させるために、帰納的推論と演繹的推論を組み合わせて使用します（図1.7）。

科学的方法は、あまりにも厳格で形式張っているように見えるかもしれませんね。科学者はしばしばこの手順に従いますが、柔軟性があることを心に留めておくことが大切です。時には、実験がアプローチの変更を示唆する結論につながることもあります。また、実験が全く新しい科学的な疑問をもたらすこともよくあります。多くの場合、科学は一直線に進むわけではありません。むしろ、科学者は絶えず推論を行い、一般化し、研究を進める中でパターンを見つけ出します。科学的な考え方は、科学的方法だけが示すよりもずっと複雑なのです。そして、科学的方法は、必ずしも科学的な性質を持たない身近な問題の解決にも応用できることにも気づくでしょう。

二種類の科学：基礎科学と応用科学

科学界では、ここ数十年の間、さまざまな種類の科学の価値について議論が交わされてきました。単に知識を得るためだけに科学を追求することは価値があるのでしょうか、それとも科学的知識は特定の問題を解決したり、私たちの生活をより良くしたりするために応用できる場合にのみ価値を持つのでしょうか？この問いは、基礎科学 (basic science) と応用科学 (applied science) という二種類の科学の違いに焦点を当てています。

基礎科学、または「純粋」科学は、その知識がすぐに実用化されるかどうかに関わらず、知識を深めることを目指します。すぐに公共の利益や商業的価値につながる製品やサービスを開発することに焦点を当てているわけではありません。基礎科学の当面の目標は、知識のための知識を得ることですが、だからといって、最終的に実用的な応用につながらないという意味ではありません。

対照的に、応用科学、または「技術」は、現実世界の問題を解決するために科学を利用することを目指します。例えば、作物の収穫量を改善したり、特定の病気の治療法を見つけたり、自然災害によって脅かされている動物を救ったりすることを可能にします（図1.8）。応用科学では、問題は通常、研究者のためにあらかじめ設定されています。

中には、応用科学を「役に立つ」もの、基礎科学を「役に立たない」ものと考える人もいるかもしれません。そのような人々が、知識を得ること自体を重視する科学者に対して投げかけるかもしれない質問は、「それが何の役に立つの？」というものでしょう。しかし、科学の歴史を注意深く振り返ってみると、基礎的な知識が、非常に価値のある多くの素晴らしい応用を生み出してきたことがわかります。多くの科学者は、応用を開発する前に科学の基本的な理解が必要だと考えています。そのため、応用科学は、研究者が基礎科学を通じて生み出した成果に依存しているのです。一方で、実際の問題の解決策を見つけるためには、基礎科学から先に進むべきだと考える科学者もいます。どちらのアプローチも妥当です。差し迫った対応が必要な問題があるのは事実ですが、基礎科学が生み出す幅広い知識の基盤がなければ、科学者はほとんど解決策を見つけることができないでしょう。

基礎科学と応用科学が協力して実際の問題を解決できる例として、DNAの構造が発見され、それがDNA複製の分子メカニズムの理解につながった後の出来事があります。DNA (デオキシリボ核酸) の鎖は、すべての人で異なり、私たちの細胞の中に存在し、生命に必要な指示を与えています。DNAが複製されるとき、それは細胞が分裂する直前に自身の新しいコピーを作ります。DNA複製のメカニズムを理解したことで、科学者は実験室での技術を開発することができました。これらの技術は現在、遺伝病を特定したり、犯罪現場にいた人物を特定したり、親子関係を判定したりするために使われています。基礎科学がなければ、応用科学が存在することはまずなかったでしょう。

基礎研究と応用研究のつながりのもう一つの例は、ヒトゲノム計画 (Human Genome Project) です。これは、研究者たちが人間の各染色体を分析し、マッピングして、DNAの構成要素（塩基）の正確な配列と、各遺伝子の正確な位置を決定した研究プロジェクトです。（遺伝子 (gene) は、機能的な分子をコードする特定のDNA領域によって表される、遺伝の基本的な単位です。個人の遺伝子の完全なセットがその人のゲノム (genome) です。）研究者たちは、人間の染色体をよりよく理解するために、このプロジェクトの一環として、より単純な他の生物も研究しました。ヒトゲノム計画（図1.9）は、単純な生物、そして後には人間のゲノムを用いた基礎研究に依存していました。重要な最終目標は、最終的に、遺伝子に関連する病気の治療法や早期診断を求める応用研究のために、そのデータを使用することでした。

図1.9 ヒトゲノム計画は、いくつかの異なる科学分野で働く研究者間の13年間にわたる共同作業でした。研究者たちは、ヒトゲノム全体を解読したこのプロジェクトを2003年に完了しました。（credit: the U.S. Department of Energy Genome Programs (http://genomics.energy.gov)）

科学者は通常、基礎科学と応用科学の両方の研究計画を慎重に立てますが、いくつかの発見はセレンディピティ (serendipity)、つまり幸運な偶然や思いがけない幸運によってもたらされることもあります。スコットランドの生物学者アレクサンダー・フレミング (Alexander Fleming) は、黄色ブドウ球菌が入ったペトリ皿（実験用の皿）を誤って開けたままにしたときに、ペニシリンを発見しました。望ましくないカビが皿に生え、細菌を殺してしまったのです。フレミングの、細菌が死んだ理由を探求する好奇心と、その後の彼の実験が、ペニシリウムというカビによって作られる抗生物質ペニシリンの発見につながりました。高度に組織化された科学の世界でさえ、運は、観察力のある好奇心旺盛な心と組み合わさると、予期せぬ大きな進歩につながることがあるのです。

科学研究の報告

科学研究が基礎科学であれ応用科学であれ、科学者は他の研究者がその発見をさらに発展させ、その上に新しい知見を築き上げられるように、自分たちの発見を共有しなければなりません。他の科学者との協力は、計画、実施、結果の分析のすべての段階において、科学研究にとって重要です。このため、科学者の仕事の重要な側面は、同僚とのコミュニケーションと、同僚への結果の公表です。科学者は、科学会議や学会で発表することによって結果を共有できますが、この方法では、その場にいる限られた少数の人々にしか届きません。そのため、ほとんどの科学者は、科学雑誌に掲載される査読付き論文 (peer-reviewed manuscripts) で結果を発表します。査読付き論文とは、その分野の専門家である科学者の同僚（ピア）が内容を吟味（レビュー）する科学論文のことです。これらの同僚は、その科学者の研究が出版に適しているかどうかを判断する資格を持つ人々です。査読のプロセスは、科学論文や研究助成金の申請書に含まれる研究が、独創的で、重要で、論理的で、徹底的であることを保証するのに役立ちます。研究資金を申請する助成金提案書も査読の対象となります。科学者は、他の科学者が同様の、あるいは異なる条件下で実験を再現し、発見をさらに発展させられるように、研究成果を発表します。実験結果は、他の科学者の発見と一致している必要があります。

科学論文は、創造的な文章とは大きく異なります。実験をデザインするには創造性が必要ですが、科学的な結果を発表する際には、決まったガイドラインがあります。まず、科学的な文章は、簡潔で、要点を押さえており、正確でなければなりません。科学論文は簡潔である必要がありますが、同僚が実験を再現できるように十分に詳細である必要もあります。

科学論文は、いくつかの特定のセクションで構成されています。導入 (introduction)、材料と方法 (materials and methods)、結果 (results)、そして考察 (discussion) です。この構成は、「IMRaD」形式と呼ばれることもあります。通常、論文の冒頭には、謝辞と参考文献のセクション、そして抄録 (abstract)（内容の簡潔な要約）があります。論文の種類や掲載される雑誌によっては、追加のセクションがある場合もあります。例えば、一部の総説論文（特定のテーマに関する研究をまとめた論文）では、概要が必要となることがあります。

導入部では、その研究分野で以前から知られていたことに関する、簡潔でありながらも広範な背景情報から始まります。良い導入部は、その研究を行う理由（研究の根拠）も示します。それは、行われた研究を正当化し、研究者が研究の根拠となる仮説や研究上の疑問を提示する論文の結論部分についても簡単に触れます。導入部は、他の研究者の発表された科学的研究を参照するため、雑誌のスタイルに従った引用が必要です。適切な引用なしに他者の研究やアイデアを使用することは、盗用 (plagiarism)（剽窃）にあたります。

材料と方法のセクションには、研究者が使用した物質、データを収集するために使用した方法や技術についての、完全かつ正確な記述が含まれます。この記述は、他の研究者が実験を再現して同様の結果を得られるように十分に詳細である必要がありますが、冗長である必要はありません。このセクションには、研究者がどのように測定を行ったか、そして生のデータを分析するためにどのような計算や統計分析を用いたかに関する情報も含まれます。材料と方法のセクションは実験の正確な記述を提供しますが、その結果について議論するわけではありません。

一部の雑誌では、結果セクションの後に考察セクションを設ける必要がありますが、両方を組み合わせることがより一般的です。もし雑誌が両方のセクションを組み合わせることを許可しない場合、結果セクションは、それ以上の解釈を加えることなく、単に発見を記述します。研究者は結果を表やグラフで提示しますが、同じ情報を重複して提示することはありません。考察セクションでは、研究者は結果を解釈し、変数がどのように関連している可能性があるかを説明し、観察された現象を説明しようと試みます。結果を、以前に発表された科学研究の文脈の中に位置づけるためには、広範な文献調査を行うことが不可欠です。したがって、研究者はこのセクションにも適切な引用を含めます。

最後に、結論セクションでは、実験によって得られた知見の重要性を要約します。科学論文は、研究者が提起した一つ以上の科学的な疑問にほぼ確実に答えますが、どんな優れた研究もさらなる疑問へとつながるはずです。したがって、よく練られた科学論文は、研究者自身や他の人々が、その発見に基づいて研究を続け、発展させることを可能にするのです。

総説論文 (review article) は、オリジナルの科学的発見、つまり一次文献を提示するわけではないため、IMRaD形式には従いません。代わりに、一次文献として発表された研究結果を要約し、コメントするもので、通常、広範な参考文献リストを含んでいます。

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1.1 節末の演習解答

図を見て考えよう 1.6 解答

1. 観察 (c)
2. 質問 (f)
3. 仮説（答え）(a)
4. 予測 (b)
5. 実験 (d)
6. 結果 (e)

結果に基づくと、仮説「電気コンセントに何か問題がある」は正しくありません。コーヒーメーカーが機能したため、コンセントは正常に動作しています。代替仮説としては、「トースター自体が壊れている」「トースターの電源コードが損傷している」「トースター内部のヒューズが切れている」などが考えられます。

図を見て考えよう 1.7 解答

1. 帰納的推論
2. 演繹的推論
3. 演繹的推論
4. 帰納的推論

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