学習目標
- 生命の特性を特定し、説明する
- 生物の組織のレベルを説明する
- 系統樹を認識し、解釈することができる。
- 生物学のさまざまな下位分野の例を挙げることができる。
生物学は生命を研究する学問ですが、そもそも生命とは何でしょうか？「わかりきったことじゃないか」と、バカげた質問のように聞こえるかもしれませんが、生命を定義するのは必ずしも簡単ではありません。
例えば、生物学の一分野である「ウイルス学」では、生物の特徴の一部を持つが、他の特徴を持たないウイルスを研究します。ウイルスは生物を攻撃したり、病気を引き起こしたり、繁殖したりすることはできますが、生物学者が生命を定義する際の基準を満たしてはいません。したがって、ウイルス学者は厳密には生物学者ではないのです。同様に、生物学者の中には、生命が誕生した初期の分子進化を研究する人もいます。生命に先立つ出来事は生物学的な出来事ではないので、こうした科学者も厳密な意味での生物学からは除外されてしまいます。
生物学はその初期の段階から、次の3つの問題に取り組んできました。
- 何かを「生きている」といえる状態にする共通の性質とは何か？
- 生きていることが分かったら、その構造の中に意味のあるレベルの組織をどうやって見つ けるのか？
- そして、生命の驚くべき多様性に直面したとき、私たちはどうすれば異なる種類の生物を整理し、それらについてよりよく理解することができるのだろうか？
日々、新しい生物が発見される中、生物学者はこうした疑問に対する答えを探し続けています。
生命の特性
すべての生物には、「秩序」「環境に対する感受性や反応」「繁殖」「適応」「成長と発生」「制御・ホメオスタシス」「エネルギー処理」「進化」という、いくつかの重要な特性や機能があります。これらの8つの特性を合わせて考えると、生命を定義することができます。
秩序
生物は、1つまたは複数の細胞からなる高度に組織化された協調的な構造を持っています。非常に単純な単細胞生物であっても、その構造は驚くほど複雑です。各細胞内では、原子が分子を構成し、その分子が細胞小器官やその他の細胞内の物質を構成しています。多細胞生物（図1.10）では、同じような細胞が組織を形成しています。組織は共同して器官（明確な機能を持つ身体構造）を形成し、器官は互いに協力して器官系を形成します。
感受性・刺激に対する応答
生物はさまざまな刺激に反応します。例えば、植物は光に向かって体を曲げたり、フェンスや壁に登ったり、触覚に反応したりします（図1.11）。また、小さなバクテリアでも、化学物質や光に向かって動いたり、遠ざかったりすることができます（化学物質に向かって動く現象は走化性、光に向かうことは走光性と呼ばれる）。刺激に向かって動くことは正の反応であり、刺激から遠ざかることは負の反応です。
学習へのリンク
この動画（英語）では、光を受けて開く、枝に巻き付く、獲物を捕らえるなど、植物が刺激に対してどのように反応するかを見ることができます。
繁殖
単細胞生物は、まずDNAを複製し、その後、細胞が分裂して2つの新しい細胞を形成する準備をする際に、DNAを均等に分割して繁殖します。多細胞生物では、多くの場合、特殊な生殖細胞（卵巣、卵母細胞、精子細胞）が作られます。そして受精（卵母細胞と精子細胞の融合）の後、新しい個体が誕生するのです。生殖の際には、生物の遺伝子を含むDNAが子孫に受け継がれます。この遺伝子によって、子孫は同じ種に属し、大きさや形などの特徴が似通ったものになります。
適応
すべての生物は、その環境に適合しています。生物学者はこれを「適応」と呼んでいますが、これは自然淘汰による進化の結果であり、生殖可能な生物のあらゆる系譜に作用しています。適応の例としては、沸騰泉に生息する耐熱性の古細菌（アーキア）や、蜜を吸う蛾の舌の長さが餌となる花の大きさと一致していることなど、多様でユニークなものがあります。適応は、その個体の繁殖能力を高めるものであり、子孫を残すために生き延びる能力でもあります。適応は一定ではありません。環境が変化すると、自然淘汰によって集団内の個体の特性が変化します。
成長と発生
生物は、遺伝子が細胞の成長と発生を指示することによって成長し、発生します。これにより、その種の子供（図1.12）は、親と同じ特徴を持つように成長します。
制御・ホメオスタシス
どんなに小さな生物でも、内部の機能を調整したり、刺激に反応したり、環境ストレスに対処したりするためには、複数の調節機構が必要です。生体内で制御されている内部機能の例として、栄養輸送と血流があります。器官（一緒に働く組織の集まり、臓器とも）は、酸素を全身に運ぶ、老廃物を除去する、栄養を各細胞に届ける、体を冷やすなど、特定の機能を果たしています。
細胞が正常に機能するためには、適切な温度、pH、各種化学物質の適切な濃度など、適切な条件が必要です。しかし、これらの条件は時々刻々と変化します。生物は、環境が変化しても、内部の状態をほぼ一定の範囲に保つことができます。これがホメオスタシスです。例えば、生物は体温調節プロセスによって体温を調節する必要があります。ホッキョクグマ（図1.13）のような寒冷地に生息する生物は、低温に耐えて体温を維持するための体の構造を持っています。毛皮、羽毛、脂皮、脂肪などの構造が、このような保温を助けるのです。また、暑い地域では、人間の汗や犬の浅速呼吸のように、余分な体温を逃がすための方法があります。
エネルギー処理
すべての生物は、その代謝活動にエネルギー源を利用しています。ある生物は、太陽からエネルギーを受け取り、それを食物の中で化学エネルギーに変換します。また、食物として取り込んだ分子の化学エネルギーを利用する生物もいます（図1.14）。
進化
地球上の生物の多様性は、突然変異（遺伝物質のランダムな変化）の結果といえます。この突然変異は、生物が環境の変化に適応する可能性をもたらします。環境に適した特性を持つ生物は、自然選択の力を受けて、繁殖においてより大きな成功を収めることができるのです。
生物の組織化の階層
生物は高度に組織化された構造を持っており、小さなものから大きなものへと階層化されています。原子は、元素としての性質を持った最小かつ最も基本的な物質の単位です。原子は、原子核を電子が取り囲んで構成されています。原子は分子を形成します。分子とは、少なくとも2つの原子が1つ以上の化学結合によって結合された化学構造のことをいいます。生物学的に重要な分子の多くは高分子であり、通常、重合によって形成される大きな分子です（重合体とは、単量体と呼ばれる小さな単位が結合してできた大きな分子であり、高分子よりも単純）。高分子の例としては、デオキシリボ核酸（DNA）（図1.15）があります。デオキシリボ核酸には、すべての生物の構造と機能を決定する命令が含まれています。
学習へのリンク
図1.15のDNA分子の3次元構造をアニメーションで表現した動画をご覧ください
細胞の中には、膜に囲まれた高分子の集合体があります。これを細胞小器官と呼びます。細胞小器官は、細胞内に存在する小さな構造物です。ミトコンドリアは細胞を動かすためのエネルギーを生産し、葉緑体は緑の植物が太陽光のエネルギーを利用して糖を作るなど、必要不可欠な機能を担っているのが細胞小器官です。
生き物はすべて細胞でできています。細胞は、生物の構造と機能の最小基本単位です。（この条件があるために、ウイルスは生物ではないとされます。新しいウイルスを作るためには、生きている細胞に侵入し、その生殖機構を乗っ取らなければなりません。そうして初めて増殖に必要な材料を手に入れることができるのです。)
生物には、単一の細胞で構成されているものと、多細胞で構成されているものがあります。科学者は細胞を原核生物と真核生物に分類します。原核生物は、膜で覆われた核を持たない単細胞またはコロニー状の生物です。一方、真核生物の細胞は、膜で覆われた小器官と膜で覆われた核を持ちます。
大きな生物では、細胞が結合して組織を作ります。組織とは、似たような細胞の集まりで、似たような、あるいは関連した機能を果たしています。器官は、共通の機能を果たすために集まった組織の集合体です。器官は動物だけでなく、植物にも存在します。器官系とは、機能的に関連した器官からなる、より高いレベルの機構です。哺乳類には多くの器官系が存在します。例えば、循環器系は、血液を体中に運び、肺との間を往復させます。循環系には、心臓や血管などの器官が含まれます。
生物は個々の生命体です。例えば、森の中の木は一つ一つが生物です。単細胞の原核生物や単細胞の真核生物も生物であり、生物学者は通常、微生物と呼んでいます。
生物学者は、ある特定の地域に生息する、ある種のすべての個体を総称して「集団（個体群）」と呼びます。例えば、ある森にはたくさんの松の木があれば、それがこの森の松の木の集団を表していると言えます。同じ地域に異なる集団が生息している場合もあります。例えば、松の木がある森の中には、花を咲かせる植物の集団、昆虫の集団、微生物の集団などが存在します。
群集とは、ある特定のエリアに生息する個体群の総体です。例えば、森の中にある木や花、昆虫などの個体群が、その森の群集を形成しています。森そのものは生態系です。生態系とは、特定の地域に生息するすべての生物と、土壌中の窒素や雨水などの非生物からなります。階層（図1.16）の最も高いレベルである生物圏は、すべての生態系の集合体であり、地球上の生命の領域を表しています。生物圏には、陸地、水、そしてある程度の大気も含まれます。
ビジュアルコネクション
問題
次の記述のうち、誤っているものはどれですか？
- 組織は、器官系の中に存在する器官の中に存在する。
- 生態系の中に存在する集団の中に群集が存在する。
- 細胞の中には細胞小器官があり、組織の中に存在する。
- 生物圏に存在する生態系には、群集が存在する。
生命の多様性
生物学がこのように広い範囲をカバーしているのは、地球上の生命の多様性が非常に大きいことと関係しています。この多様性の源は、時間をかけて集団や種が徐々に変化していく過程である進化にあります。進化生物学者は、ミクロの世界から生態系に至るまで、生物の進化を研究しています。
系統樹（図1.17）は、地球上のさまざまな生命体の進化をまとめたものです。これは、遺伝的形質や物理的形質の類似点と相違点、またはその両方に基づいて、生物種間の進化の関係を示しています。系統樹は、節と枝で構成されています。内部の節は、祖先を表し、科学的証拠に基づいて研究者が進化において祖先が分岐して2つの新しい種を形成したと考える地点です。各枝の長さは、分岐からの経過時間に比例します。
進化とのつながり：カール・ウーズと系統樹
かつて生物学者は、生物を「動物」「植物」「菌類」「原生生物」「細菌」の5つの界に分類していました。この分類は、現代の分類学が用いている生理学、生化学、分子生物学ではなく、主に身体的特徴に基づいて行われました。しかし、アメリカの微生物学者カール・ウーズが1970年代初頭に行った先駆的な研究により、地球上の生命は、現在「ドメイン」と呼ばれる3つの系統（細菌、古細菌、真核生物）に沿って進化してきたことが明らかになりました。最初の2つは原核細胞で、膜で囲まれた核や細胞小器官を持たない微生物です。3つ目のドメインは真核生物を含み、単細胞の微生物（原生生物）と残りの3つの界（菌類、植物、動物）を含みます。ウーズは古細菌を新たなドメインとして定義し、これにより新たな分類学上の系統樹が生まれました（図1.17）。古細菌に属する生物の多くは、極端な環境下で生きており、極限環境微生物と呼ばれています。ウーズは、形態的な類似性ではなく、遺伝的な関係を用いて系統樹を作成しました。
ウーズは、すべての生物に存在し、保存されている（進化の過程で基本的に変化していない）普遍的な比較遺伝子の配列から系統樹を構築しました。原核生物は、生化学的な多様性や遺伝子の多様性が非常に大きいにもかかわらず、物理的な特徴を比較するだけでは、かなり似通っているように見えるため、ウーズのアプローチは画期的でした（図1.18）。rRNAの配列を比較することで、原核生物の多様性を明らかにし、原核生物をバクテリアとアーキアの2つのドメインに分けることを正当化したのです。
生物学の研究分野
生物学の範囲は広く、それゆえに多くの分野や下位区分があります。生物学者は、これらの下位分野の1つを追求し、よりフォーカスした分野で働くことができます。例えば、分子生物学や生化学では、DNA、RNA、タンパク質などの分子間の相互作用やその制御方法など、分子・化学レベルでの生物学的プロセスを研究します。微生物学は、単細胞生物の構造と機能を研究する学問です。それ自体がかなり幅広い分野であり、研究対象によっては、微生物の生理学者、生態学者、遺伝学者などもいます。
キャリアとのつながり：法科学者
法科学は、法律に関する疑問に答えるための科学の応用です。生物学者だけでなく、化学者や生化学者も法科学者になれます。法科学者は、法廷で使用するための科学的証拠を提供し、その仕事には犯罪に関連する微量物質の検査が含まれます。ここ数年、法科学への関心が高まっているのは、法科学者が活躍するテレビ番組が人気を博しているからでしょう。また、分子技術の発達やDNAデータベースの構築により、法科学者の仕事の幅が広がっています。法科学者の仕事は、主に殺人、強姦、暴行などの人を対象とした犯罪に関わるものです。毛髪、血液、体液などのサンプルを分析したり、さまざまな環境や物質に含まれるDNA（図1.19）を処理したりします。また、法科学者は、犯罪現場に残された昆虫の幼虫や花粉などの生物学的証拠も分析します。法科学の仕事に就きたい学生は、化学と生物学のコースに加えて、数学の集中講義を履修しなければならないことがほとんどです。
生物学のもう一つの分野である神経生物学は、神経系の生物学を研究するもので、生物学の一分野ではありますが、神経科学として知られる学際的な研究分野でもあります。その学際的な性質から、この分野では、分子、細胞、発生、医学、計算機などのアプローチを用いて、さまざまな神経系の機能を研究しています。
生物学の一分野である古生物学は、化石を使って生命の歴史を研究します（図1.20）。動物学と植物学は、それぞれ動物と植物を研究する学問です。生物学者には、バイオテクノロジー、生態学、生理学などの専門分野があげられます。これは、生物学者が追求できる多くの分野のほんの一例に過ぎません。
生物学は、自然科学の創成期から今日までの成果の集大成です。また、脳活動の生物学、カスタム生物の遺伝子工学、分子生物学の実験ツールを使って地球上の生命の初期段階を辿る進化の生物学など、新たな科学の発祥地でもあります。予防接種、新種の発見、スポーツドーピング、遺伝子組み換え食品など、ニュースの見出しを見れば、生物学が私たちの日常世界で活躍し、重要な役割を果たしていることがわかります。
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