2006年09月06日

中学理科(生物学)

生物学(せいぶつがく、英語: Biology)は生物や生命現象を研究する自然科学の一分野。広義には医学や農学など応用科学・総合科学も含み、狭義には基礎科学(理学)の部分を指す。一般的には後者の意味で用いられることが多い。類義語として生命科学や生物科学がある(本稿の#「生物学」と「生命科学」参照)。

生物の多様性と生命現象の普遍性を理解することが生物学・生命科学の目的である。扱う対象の大きさは、一分子細胞生物学における「細胞内の一分子の挙動」から、生態学における「生物圏レベルの現象」まで幅広い。

我々ヒトは生物であり、他の生物に囲まれ依存しながら生きてきた。生物は何故生きているのか、生物はどのような道のりを歩んできたのか、ヒトと他の生物は何が異なり何が同じであるのか ― このように、生物・生命を理解しようと試みる生物学は、人間の本質的な欲求の一つであると言えよう。生物学の萌芽は古代ギリシアに見られる。しかし、古代ギリシアの生物学は生気論・目的論的であり、そのような視点は現代の自然科学では基本的に否定されている。現代生物学の系譜は、17世紀の科学革命を経て自然科学が成立した近世以降に、博物学の一領域として始まったとされる。

現代の生物学者は、機械論の立場を取り、生物は有機化合物などの物質から構成された複雑な機械であると考える。理論的には生命現象はすべて物理学の言葉で説明できるとされている。一つ一つの要素を解明していく還元主義の有効性は失われていないが、還元主義だけで複雑な生命現象を理解する試みには限界が見えはじめたため、生物を複雑系として扱う考えかたも発展してきている。

生物学では、ヒトを特別な生物種としては扱わない。しかし、我々自身がヒトであり、その研究は医療や産業などと関連しているため、生物学の中でヒト研究は重要であり関心も高い。「生命科学」はヒトの理解を中心とすると定義されている。生物学研究の成果は医療や農業における基礎を提供し、応用面で人類に大きな利益をもたらしている。生物学に関連する産業はバイオ産業と呼ばれ、IT産業と並び発展性のある大きな市場を形成し、経済的にも重要な位置にある。生物学の知見や技術は生命の根幹に大きく関わるようになり、倫理的・社会的な影響も注目されている。

生物学研究の概要

ドイツの植物学者オットー・ウィルヘルムによるシダ植物の記載(1885年)生物学では、他の自然科学分野と同様に、記載・実験・理論といった科学的方法によって研究が行われる(ここでの「理論」は方法論としての理論を指す)。これらは独立したものではなく、それぞれが関連し合って一連の研究を形作る。

記載
詳細な観察に基づいて基礎となる事象を明らかにすることである。研究において最初におこなわれる。生物種を同定するための形態学的観察を始め、実験操作を加えない状態での発生現象や細胞構造の観察、生理条件下での生理活性物質の測定、ひいてはゲノムの解読も、記載である。
実験
人為的に制御された条件を作り出し、その後の変化を観察・観測することで、生物に備わっている機構を解明しようとする実証主義的な試みである。突然変異の誘発や、遺伝子導入、移植実験などさまざまな手法を使う。現代生物学は実験生物学の性質が強くなっている。実験操作は科学的方法に基づかなければならない。つまり、対照実験や再現性の確認などにより、実験者の主観を除かなければならない。

三葉虫の化石: 化石は生物進化を探る手がかりである理論
一方、進化や生物圏レベルの生態学研究のように実験による証明が難しいばあいは、さまざまな観測データや古生物の化石などを使い、比較や構造化など理論による説明を試みる。また、バイオインフォマティックスのように膨大なデータを統合して理解しようとするばあいも、理論によるアプローチに重点が置かれる。実験の前に仮説を立てて結果を予想したり、実験結果を解釈して抽象化や普遍化させて法則や規則性を見いだしたりすることも理論の一部である。このような理論面に重点を置いた分野を理論生物学、数理モデルを用いる分野を数理生物学とよぶ。これらの分野は対象を高度に抽象化するため、対象の生物学的階層には捕われにくい。
新たな方法論として、蓄積したデータに基づいてコンピュータ上に仮想システムを構築することで構造を理解したり、そのパラメータを変化させるシミュレーションにより実験の代わりとするシステム生物学も登場している。

還元主義と複雑系

共生関係にあるクマノミとイソギンチャク: 生物と環境が作り出す生態系は複雑である還元主義
これまで、生命科学・分子生物学周辺の分野では、1つの遺伝子・タンパク質の機能に注目する還元主義的なアプローチが主体だった。この手法は強力で、さまざまな生命現象を解き明かしてきた。
複雑系
分子レベルで明らかにしたことを組み合わせても脳の活動や行動など複雑な現象は理解しがたいなど、還元主義には適用の限界が指摘されはじめている。そこで近年では、生物を複雑な系としてそのままあつかうアプローチも始まっている。
一方、生物多様性をあつかう伝統的な生物学や生態学では、生物の作りだす系が複雑であることは自明だったため、複雑系のような全体論は目新しいものではない。生物の多様性と普遍性は生物学の両輪である。ゲノムプロジェクトは、この2つを結びつけつつある。

大きなパラダイムシフト
生物学のパラダイムを大きく変えたものには細胞の発見、進化の提唱、遺伝子の示唆、DNA の構造決定、ゲノムプロジェクトの実現などがある。細胞やゲノムプロジェクトは主に技術の進歩によってもたらされ、進化や遺伝子は個人の深い洞察によるところが大きい。


ボツリヌス菌: 顕微鏡は、微生物や細胞を見る「目」となった細胞
顕微鏡の発明による細胞の発見は、微生物の発見をはじめとして、動物と植物がいずれも同じ構造単位から成っていることを認識させ、動物学と植物学の上位分野として生物学を誕生させることになった。また自然発生説の否定によって、いかなる細胞も既存の細胞から生じることが示され、生命の起源という現在も未解明の大きな問題の提示につながっている。
進化論
進化という概念は、チャールズ・ダーウィンをはじめとする数人の博物学者によって提唱された。それまでは経験的にも宗教的にも、生物の種は固定したものだということが疑われることはまずなかった。進化は現在でも仮説の域を出ないものであるが、自然科学ではほぼ間違いのないこととして受け入れられており、進化を前提にしてさまざまな研究がされている。また単純な生物から多様化することで現在のような生物が存在すると考えることが可能になり、生命の起源を研究可能なテーマとすることができるようになった。社会や思想にも大きな影響を与え、近代で最も大きなパラダイムシフトの1つだった。なお、俗に進化は進歩とよく混同されるが、進化の本質は多様化であり、より高等・複雑な状態への変化はその一面にすぎない。

複製されるDNA: 二重らせんがほどけて複製されることは、遺伝の最も根源にある物理的現象である遺伝子
遺伝自体は古くから経験的に知られていた現象である。しかし、メンデルは交雑実験から遺伝の法則を発見し、分離可能な遺伝子の存在を証明した。遺伝学の誕生である。さらに染色体が発見されることで遺伝の法則が確証づけられ、その後の分子生物学にもつながった。
ワトソン・クリック構造(DNAの2重らせん構造)
ジェームズ・ワトソン、フランシス・クリックらが、X線回折の結果から、立体模型を用いた推論により遺伝物質 DNA の2重らせん構造を明らかにした。DNA構造の解明は、分子生物学の構造学派にとって最大の成功である。相補的な2本の分子鎖が逆向きにらせん状構造をとっているというモデルは、染色体分配による遺伝のメカニズムを見事に説明しており、その後の分子生物学を爆発的に発展させた。
ゲノム
ゲノムという概念は、ある生物種における遺伝情報の総和として提唱された。技術発展によりゲノムプロジェクトが可能になり、ゲノム研究は、生物学における還元論と全体論、普遍性と多様性を結びつける役割をもつようになった。生物種間でゲノムの比較すれば普遍性と多様性理解への糸口が得られ、還元的な研究に因子の有限性を与えることで、個々の研究を全体論の中で語ることを可能にした。

生物学の今後
生物学が自然史学の一部だった時代には、記載生物学が主体だった。現代生物学は、実験が主体になっている。さらに将来は、ゲノムやプロテオーム研究などで蓄積された膨大なデータをコンピュータで処理し、そこから生命の原理に迫る理論生物学が主体になるかもしれない。同時に、実験や観察技術、コンピュータの高速化など技術発展も進むだろう。

純粋生物学に残された大きなテーマには生命の起源、ヒトの精神や心理、地球外生命体などがある。すでに起きてしまった生命の起源や進化は、実験で再現できない。しかし、生物物理学的・生化学的に生命(細胞)の誕生を再現する試みがされていてる。いずれ人工生命が誕生し、生命誕生を解明する手がかりとなるだろう。

ヒトの精神や心理は、複雑すぎて生物学の範囲を超えている。しかし、脳科学研究などが進めば、いずれは精神も物理法則で説明できるようになり、心理学・精神医学と生物学は、現在よりも密接な関係になるかもしれない。

地球以外に生命は存在するかという問題は、まだ生物学のテーマではないと、現在の多くの生物学者は考えている。しかし、火星やその他の惑星、衛星の探索が進み、生命やその痕跡が発見されれば、重要なテーマの一つとなるだろう。宇宙生物学も参照。

また、医学や農学などへの応用の重要性は今後も増加していくだろう。

生物学の諸分野
生物学の諸分野は、各論・方法論・理論の視点から分類できる。各論は研究対象によって、方法論は手法によって、理論は普遍化された学説によって分野名がつけられる。ただしいずれの分野も、程度の差はあれ3つすべての性質をあわせもっているため、分類は便宜的なものになる。

各論
生物学の各論には、生物の系統分類と生物学的階層性という大きな2つの軸がある。

系統分類
代表的な分野は、動物学、植物学、微生物学の3つである。それぞれは系統分類にしたがってさらに細分化できる。たとえば、動物学の下位には昆虫学や魚類学などがある。これらの分野では、生物の特異性・多様性を重視する流れがある。
生物学的階層性

生物学的階層性と分野の範囲: 分野は代表的なものを示した。対象の大きさである。代表的な分野は、分子生物学・生化学、細胞生物学、発生生物学、動物行動学、生態学などがある(図)。生態学は、生物群の大きさでは個体群生態学、群集生態学などに、対象とする場所では森林生態学や海洋生態学、極地生態学などに分けられる。生物学的階層性は生物の分類に対して横断的であり、生物の普遍性が注目される。この軸では個体レベルを境として大きく2つに分けることができる。この視点から諸分野を見ると、個体レベル以下をあつかう分野は分子生物学の影響が強く還元主義的な傾向があり、個体レベル以上をあつかう分野は全体論的な傾向がある。動物発生学や植物細胞学などの分野は、この2軸を考えるとその領域が把握しやすい。

方法論と理論
方法論は各論分野に必要に応じて導入され、実際の研究を発展させるために必須なものである。理論は抽象化により総合的・普遍的な視点を各論に提供する。

方法論
生物の分類をあつかう分類学は、最古の方法論の一つである。分類は生物学の基礎であり、進化研究の手がかりにもなる。伝統的には形態に注目して分類されていたが、近年では分子生物学の手法を取り入れた分子系統分類がさかんである。生化学は化学的手法、分子生物学は DNA 操作を使う方法論でもある。分子遺伝学や逆遺伝学から発展したゲノムプロジェクトやバイオインフォマティックスは、新たな方法論として脚光を浴びている。
理論
遺伝学や進化論が、生物学の代表的な理論である。遺伝学は、遺伝子の機能を間接的に観察するという方法論でもある。遺伝や進化の理論は、具体的なレベルでは未だ議論があるが、総論としては生物学に必要不可欠な基盤となっている。

あいまいになる諸分野の境界
20世紀に入るまで、各分野はそれぞれ独自の手法や観点で異なる対象を研究し、内容の重複はわずかだった。しかし、20世紀後半の分子生物学の爆発的な発展や顕微鏡などの技術発展により、研究分野はさらに細分化されつつも、それらの境界はあいまいになり、分野の名称は便宜的・主観的なものになってきている。例えば、イモリの足の再生を研究し「再生生物学」という名称を使ったとしても、再生にかかわる遺伝子は遺伝学や分子生物学、その遺伝子が作る化学物質の性質は生化学、再生する細胞の挙動は細胞生物学、組織が正確に再生する仕組みは発生生物学、などさまざまな分野が関連する。ただし、生物のドメインや界という上位分類ごとの差は大きく、研究の特徴も違うため、伝統的な諸分野の名称は今後も用いられるだろう。ただしこのような経緯から、「〜学」という古典的な名称を、「〜生物学」や「〜科学」に変えることも多い。

生物学と関連する分野
生物学は、さまざまな形で他の学問分野と関係している。

自然科学
生物学に先行して発展た物理学と化学が、概念・理論・研究手法などの面で生物学に影響を与えている。特に、分子生物学以降は物理学の影響が強い。生化学や生物物理学などはこれらの境界領域の分野である。
応用科学
医学における生化学・生理学・解剖学は動物学や発生学と関連し、農学における育種学は遺伝学の誕生に寄与している。また、数学は自然科学の基礎として生物学に影響を与えているほか、特に数理生物学や集団遺伝学などでは高度に数学的な概念、分析手法が用いられる。
近年、ゲノムやプロテオームの解析で膨大なデータを処理する必要があるため、バイオインフォマティックス(生物情報学)と呼ばれる分野では情報学の方法論が取り入れられ、ゲノミクスやプロテオミクスで用いられている。また、生命現象をシステムとして理解することを目的とするシステム生物学が誕生しつつある。
生物学と相互に影響しあっている分野も数多い。生態学は理論面で経済学と強い関連があり、地球科学と観測技術を共有している。これらの影響は、一方通行ではなく相互的である。同様に、医学・農学・薬学とは、研究対象・研究成果を大きく共有しており、今後も密接に関連しながら発展していくだろう。
人文科学
人文科学系の分野の中では、自然哲学の一分野である生物哲学、方法論としては科学哲学、倫理面を研究する生命倫理学などが生物学と対象を共有している。科学史の一分野である生物学史は、生物学の歴史が研究対象である。
生物学から多くの影響を受けた分野に、理論社会学や社会思想がある。ダーウィンと同時代に生き、適者生存などの語の発案者でもあるハーバート・スペンサーや、エミール・デュルケームは、社会の変化、特に分業の発達と構成要素の多様化を生物進化になぞらえて考察する理論を打ちたてた。彼らの学問は社会学の中でも多く知られているが、スペンサーを除けば、生物学から影響を受ける量が多く、生物学への影響は限られている。また、生物をメタファーとして社会を説明する理論にはほかに、マーシャル・マクルーハンによるメディア論や梅棹忠夫による情報産業論など、数多くが広まっている。
システム理論やサイバネティックスは、生物学による生命体の理解を手がかりに、秩序や変化についての一般理論を構築している。これは社会学にも社会システム論として影響を与えている。


生物学の応用と問題
生物学の知見と技術を応用に用いる分野は、バイオテクノロジーまたは生物工学と呼ばれる。遺伝子操作に重点が置かれる場合は遺伝子工学、発生過程に重点が置かれる場合は発生工学ともいう。生物学の成果を実業に活用する産業はバイオ産業と呼ばれ、ITとならんで勢いのある市場であり、ベンチャー企業が次々と誕生している。アメリカでは大学の研究者が起業することも多い。遺伝子治療、幹細胞を用いた再生医学、一塩基多型 (SNPs) を用いたオーダメイド医療やゲノム創薬などが注目されている。農業や畜産関連でもバイオテクノロジーが生かされており、これらを支える基礎研究は重要である。政府や企業は多大な資金を提供し、その発展を促している。

応用分野に輝かしい貢献をすると同時に、現代生物学はさまざまな倫理的問題を抱えている。それらはゲノム情報、遺伝子操作、クローン技術など、生命の根幹に関わる技術や情報によりもたらされた。これらは、臨床医療においては恩恵をもたらす一方で、差別や生命の軽視など深刻な社会問題を引き起こしつつある。このような課題は生命倫理学があつかう。

マクロのレベルでは、遺伝子操作によってられた遺伝子組み換え (GM) 作物 の環境への影響(遺伝子汚染)や、環境破壊によって生物多様性が急速に失われて行く環境問題が深刻であり、これらへの取り組みも必要である。

現代生物学およびそれに携わる人々は、純粋な科学的研究成果のみならず、このような倫理的側面に対しても熟考し議論を深め、社会的責任を果たすことが求められている。

「生物学」と「生命科学」
生物学
Biology という語、は「生命」を意味するギリシャ語の βίος (bios) と「言葉・論」を意味する λόγος (logos) から造られた。K. F. ブルダッハ(1800年)、G. R. トレヴィラヌス(1802年)、ジャン=バティスト・ラマルク(1802年)らによって独立に用いられた。生物学が様々な生物を分類記載する博物学から発展したことからもわかるように、生物学には生物の多様性を理解しようとする伝統がある。
生命科学
一方、生命科学 (Life science) や生物科学 (Bioscience, Biological science) という語は、分子生物学が誕生してから新しく作られたものである。全ての生物に共通する「言葉」であるDNAを分子生物学が提供したことで、分野ごとに断片化していた生物学が統合されつつある。そこで新たに生命科学という言葉が用いられるようになった。生命科学では生命現象の普遍性を重視し、心理学や人間科学までも含み自然科学の範疇を越え、ヒト研究を中心とした総合科学を目指すとされる。
ただし、生物学も生命科学も広義に解釈すると範囲は広く重なり、実際の生物研究をどちらかにわけることは難しいことがある。また「生物学」の意味も時代とともに変化しており、しばしば「生物科学」や「生命科学」と同じ意味に使われる。

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posted by 塾長 at 02:59 | 日記
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