１.２　生物学のテーマと概念

1.2 生物学のテーマと概念

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。

• 生命の特性を挙げ、説明できる。
• 生物の組織化のレベルを説明できる。
• 系統樹を認識し、解釈できる。
• 生物学における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科学ですが、生命 (life) とは一体何なのでしょう？これは当たり前の答えがある簡単な質問のように聞こえるかもしれませんが、生命を定義することは必ずしも容易ではありません。たとえば、ウイルス学と呼ばれる生物学の一分野はウイルスを研究します。ウイルス (virus) は生物の特性の一部を示しますが、他の特性を欠いています。ウイルスは生物を攻撃し、病気を引き起こし、さらには複製することさえできますが、生物学者が生命を定義するために使用する基準を満たしていません。したがって、厳密に言えば、ウイルス学者は生物学者ではありません。同様に、一部の生物学者は、生命を生み出した初期の分子進化 (molecular evolution) を研究しています。生命に先行する出来事は生物学的な出来事ではないため、これらの科学者も厳密な意味での生物学からは除外されます。

その始まりから、生物学は三つの問いに向き合ってきました。何かを「生きている」ものとする共通の特性は何でしょうか？何かが生きているとわかったら、その構造の中に意味のある組織化のレベルをどのように見出すのでしょうか？そして、生命の驚くべき多様性に直面したとき、それらをよりよく理解できるように、さまざまな種類の生物をどのように整理するのでしょうか？科学者が毎日新しい生物を発見する中で、生物学者はこれらや他の問いへの答えを探し続けています。

生命の特性

すべての生物は、いくつかの重要な特性や機能を共有しています。それは、秩序 (order)、刺激に対する感受性または応答 (sensitivity or response to stimuli)、生殖 (reproduction)、適応 (adaptation)、成長と発生 (growth and development)、調節/恒常性 (regulation/homeostasis)、エネルギー処理 (energy processing)、そして進化 (evolution) です。これら8つの特性を合わせて考えると、生命を定義する助けとなります。

秩序

生物は、一つまたは複数の細胞からなる、高度に組織化され、調整された構造です。非常に単純な単細胞生物でさえ、驚くほど複雑です。各細胞の中では、原子が集まって分子を作っています。そして、それらの分子が細胞小器官 (organelle) や他の細胞内の構造物を構成しているのです。多細胞生物（図1.10）では、似たような細胞が集まって組織を形成します。組織はさらに協力して器官（特定の機能を持つ体の構造）を作り上げます。そして、器官が連携して器官系を形成するのです。

刺激に対する感受性または応答

生物はさまざまな刺激に反応します。たとえば、植物は光の方向へ曲がったり、フェンスや壁をよじ登ったり、触れられると反応したりします（図1.11）。とても小さな細菌でさえ、化学物質（化学走性 (chemotaxis)）や光（光走性 (phototaxis)）に向かって移動したり、遠ざかったりすることができます。刺激に向かう動きは正の応答、刺激から離れる動きは負の応答と呼ばれます。

生殖

単細胞生物は、まず自身のDNAを複製し、その後、細胞が二つに分裂する準備をする際に、そのDNAを均等に分配することで増殖します。多細胞生物は、しばしば特殊な生殖細胞系列の細胞、配偶子、卵母細胞、精子細胞を作り出します。受精（卵母細胞と精子細胞の融合）の後、新しい個体が発育します。生殖が行われると、遺伝子を含むDNA (deoxyribonucleic acid) が生物の子孫へと受け継がれます。これらの遺伝子は、子孫が同じ種に属し、大きさや形といった類似の特性を持つことを保証します。

適応

すべての生物は、その環境への「適合性」を示します。生物学者はこの適合性を適応と呼び、これは再現可能なすべての生物の系統で働く自然選択による進化の結果です。適応の例は多様でユニークであり、沸騰する温泉に生息する耐熱性の古細菌 (Archaea) から、餌とする花の大きさに合った蜜を吸う蛾の舌の長さまで様々です。すべての適応は、それを示す個体の生殖能力を高め、それには繁殖するために生き残る能力も含まれます。適応は一定ではありません。環境が変化すると、自然選択は個体群内の個体の特性をそれらの変化に追随させます。

成長と発生

生物は、細胞の成長と発生を導く特定の指示を提供する遺伝子の働きによって成長し、発生します。これにより、ある種の若い個体（図1.12）は、その親と同じ特性の多くを示しながら成長することが保証されます。

調節/恒常性

どんなに小さな生物でも複雑であり、内部の機能を調整し、刺激に反応し、環境のストレスに対処するためには、複数の調節メカニズムが必要です。生物内で調節される内部機能の二つの例は、栄養素の輸送と血流です。器官（協力して働く組織のグループ）は、体中に酸素を運んだり、老廃物を除去したり、すべての細胞に栄養素を届けたり、体を冷やしたりといった特定の機能を果たします。

細胞が適切に機能するためには、適切な温度、pH、さまざまな化学物質の適切な濃度といった条件が必要です。しかし、これらの条件は刻々と変化する可能性があります。生物は、恒常性 (homeostasis)（文字通りには「安定した状態」）と呼ばれる仕組みを通じて、環境の変化にもかかわらず、内部の条件をほぼ一定の狭い範囲内に保つことができます。例えば、生物は体温調節 (thermoregulation) プロセスを通じ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）のような寒い気候に生息する生物は、低温に耐え、体熱を保持するのに役立つ体の構造を持っています。このような断熱を助ける構造には、毛皮、羽、脂肪（皮下脂肪）、脂肪組織などがあります。暑い気候では、生物は過剰な体熱を発散させるための方法（人間の発汗や犬のあえぎなど）を持っています。

エネルギー処理

すべての生物は、その代謝活動のためにエネルギー源を利用します。一部の生物は太陽からのエネルギーを捉え、それを食物の中の化学エネルギーに変換します。他の生物は、食物として取り込む分子の中にある化学エネルギーを利用します（図1.14）。

進化

地球上の生命の多様性は、突然変異 (mutation)、つまり遺伝物質におけるランダムな変化が時間とともに起こった結果です。これらの突然変異は、生物が変化する環境に適応する可能性をもたらします。環境に適した特性を進化させた生物は、自然選択 (natural selection) の力にさらされ、より大きな生殖成功を収めることになります。

生物の組織化のレベル

生物は高度に組織化され、構造化されており、小さいものから大きいものへと調べることができる階層構造に従っています。原子 (atom) は物質の最小かつ最も基本的な単位です。それは電子に囲まれた原子核で構成されています。原子は分子 (molecule) を形成します。分子は、一つ以上の化学結合によって結合された少なくとも二つの原子からなる化学構造です。生物学的に重要な多くの分子は高分子 (macromolecule) であり、通常は重合 (polymerization)（ポリマー化）によって形成される大きな分子です（ポリマー (polymer) は、高分子よりも単純なモノマー (monomer) と呼ばれる小さな単位を組み合わせることによって作られる大きな分子です）。高分子の一例はデオキシリボ核酸 (DNA; deoxyribonucleic acid)（図1.15）であり、これにはすべての生物の構造と機能に関する指示が含まれています。

一部の細胞には、膜に囲まれた高分子の集合体が含まれています。私たちはこれらを細胞小器官 (organelle) と呼びます。細胞小器官は細胞内に存在する小さな構造です。細胞小器官の例としては、ミトコンドリア (mitochondria) と葉緑体 (chloroplast) があり、これらは不可欠な機能を果たします。ミトコンドリアは細胞を動かすエネルギーを生成し、葉緑体は緑色植物が太陽光のエネルギーを利用して糖を作ることを可能にします。すべての生物は細胞 (cell) で構成されています。細胞自体は、生物における構造と機能の最小の基本単位です。（この要件が、科学者がウイルスを生きたものと見なさない理由です。ウイルスは細胞で構成されていません。新しいウイルスを作るためには、生きた細胞の生殖メカニズムに侵入して乗っ取らなければなりません。その場合にのみ、複製に必要な材料を得ることができます。）一部の生物は単一の細胞で構成され、他の生物は多細胞です。科学者は細胞を原核細胞 (prokaryotic cell) または真核細胞 (eukaryotic cell) に分類します。原核生物 (prokaryote) は、膜で囲まれた核を持たない単細胞または群体性の生物です。対照的に、真核生物 (eukaryote) の細胞は、膜で囲まれた細胞小器官と膜で囲まれた核を持っています。

より大きな生物では、細胞が組み合わさって組織 (tissue) を作ります。組織は、類似した機能または関連する機能を実行する類似した細胞のグループです。器官 (organ) は、共通の機能を実行するために一緒にグループ化された組織の集まりです。器官は動物だけでなく植物にも存在します。器官系 (organ system) は、機能的に関連する器官で構成されるより高いレベルの組織です。哺乳類には多くの器官系があります。たとえば、循環器系は血液を体全体および肺との間で輸送します。それには心臓や血管などの器官が含まれます。個体 (organism) は個々の生物です。たとえば、森の中の各木は個体です。単細胞の原核生物および単細胞の真核生物も個体であり、生物学者は通常、それらを微生物 (microorganism) と呼びます。

生物学者は、特定の地域内に生息するある種のすべての個体をまとめて個体群 (population) と呼びます。たとえば、ある森には多くの松の木が含まれている可能性があり、これはこの森の松の木の個体群を表します。異なる個体群が同じ特定の地域に生息している可能性もあります。たとえば、松の木がある森には、花を咲かせる植物、昆虫、微生物の個体群が含まれます。生物群集 (community) は、特定の地域に生息する個体群の総体です。たとえば、森の中のすべての木、花、昆虫、その他の個体群が森の生物群集を形成します。森自体は生態系 (ecosystem) です。生態系は、特定の地域のすべての生物と、土壌中の窒素や雨水などのその環境の非生物的 (abiotic) な、生きていない部分とで構成されています。最も高い組織レベル（図1.16）では、生物圏 (biosphere) はすべての生態系の集合であり、地球上の生命が存在する領域を表します。それには陸地、水、そしてある程度は大気さえも含まれます。

生命の多様性

科学としての生物学がこれほど広い範囲を持っているという事実は、地球上の生命の驚くべき多様性と関係があります。この多様性の源は進化 (evolution) であり、時間とともに個体群または種における段階的な変化のプロセスです。進化生物学者は、微視的な世界から生態系まで、あらゆるものにおける生物の進化を研究しています。

系統樹 (phylogenetic tree)（図1.17）は、地球上のさまざまな生命形態の進化を要約することができます。それは、遺伝的または物理的な形質またはその両方の類似性と相違点に基づいて、生物種間の進化関係を示す図です。ノード (node) とブランチ (branch) が系統樹を構成します。内部ノードは祖先を表し、科学的証拠に基づいて、研究者が祖先が分岐して2つの新しい種を形成したと信じている進化のポイントです。各ブランチの長さは、分岐以来経過した時間に比例します。

生物学の研究分野

生物学の範囲は広く、そのため多くの部門や下位分野を含んでいます。生物学者はこれらの下位分野のいずれかを追求し、より焦点を絞った分野で働くことができます。たとえば、分子生物学 (molecular biology) と生化学 (biochemistry) は、DNA、RNA、タンパク質などの分子間の相互作用、およびそれらが調節される方法を含む、分子および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 (microbiology)（微生物の研究）は、単細胞生物の構造と機能の研究です。それはそれ自体かなり広い部門であり、研究対象によっては、微生物生理学者、生態学者、遺伝学者などもいます。

別の生物学の研究分野である神経生物学 (neurobiology) は、神経系の生物学を研究しており、生物学の一部門ですが、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。その学際的な性質のため、この下位分野は、分子、細胞、発生、医学、計算論的アプローチを使用して、さまざまな神経系の機能を研究します。

生物学の別の部門である古生物学 (paleontology) は、化石 (fossil) を使用して生命の歴史を研究します（図1.20）。動物学 (zoology) と植物学 (botany) は、それぞれ動物と植物の研究です。生物学者は、バイオテクノロジスト (biotechnologist)、生態学者 (ecologist)、または生理学者 (physiologist) としても専門化することができ、ほんの数例を挙げると、これらは生物学者が追求できる多くの分野のほんの一部です。

生物学は、その始まりから今日までの自然科学の成果の集大成です。そして刺激的なことに、脳活動の生物学、特定の機能を持つ生物を作り出す遺伝子工学、地球上の生命の最も初期の段階を分子生物学の実験ツールを使ってたどる進化の生物学のような、新しい科学分野が生まれる土壌ともなっています。ニュースの見出しをざっと見てみても、それが予防接種、新発見の種、スポーツにおけるドーピング、遺伝子組み換え食品のいずれに関するものであれ、生物学が私たちの日常生活の中でいかに活発であり、重要であるかを示しています。

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1.2 節末の演習解答

図を見て考えよう 1.16 解答

記述 b が誤っています。個体群は生物群集を構成要素とし、生物群集は生態系の一部です。したがって、「生物群集は個体群内に存在する」という記述は階層関係が逆になっています。

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