生物学 第2版 — 第1章 生命の研究 —
Japanese translation of “Biology 2e”
OpenStax のサイトで公開されている教科書“ Biology 2e”の翻訳です。こちらのページから各章へ移動できます。
1 | 生命の研究
この章の概要
1.1:生物学の科学
1.2:生物学のテーマと概念
はじめに
宇宙から見ると、地球は、そこに存在する多様な生命の形態についての手がかりを提供しません。科学者たちは、地球上の最初の生命の形態は、植物や動物が出現する前に数十億年にわたって海洋に存在していた微生物だと考えています。私たちに馴染みのある哺乳類、鳥、花は、比較的新しいもので、1億3000万年～2億5000万年前に生じました。私たちが属しているホモ属の最初のものは、この惑星の最後の250万年にしか居住しておらず、人間が現在の私たちのような姿を現し始めたのはここ30万年のことにすぎません。
1.1 | 生物学の科学
この節が終わるまでに、あなたは次のことができるようになります:
•自然科学の共通の特徴を特定する
•科学的方法のステップを要約する
•帰納的推論と演繹的推論を比較する
•基礎科学と応用科学の目標を記述する
生物学とは何でしょうか?簡単に言えば、生物学とは、生きている生物、それらのお互いの相互作用、そしてそれらと環境との相互作用を研究することです。これは非常に広い定義です。なぜなら、生物学の範囲が広大であるためです。生物学者は、顕微鏡的な、あるいは顕微鏡でも見えないほど微小な細胞の観察から、生態系および生きている惑星全体に至るまで、あらゆるものを研究することができます(図1.2)。日々のニュースをリストアップすれば、あなたはすぐに、私たちが毎日どれほど多くの生物学の側面を話し合っているかに気づくでしょう。たとえば、最近のニュースでは、ホウレンソウでの大腸菌(図1.3)の繁殖や、ピーナッツバターのサルモネラ菌による汚染が挙げられます。その他の主題には、エイズ、アルツハイマー病、およびがんの治療法を見つける努力が含まれます。グローバルな規模では、多くの研究者が地球を保護し、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全力を尽くしています。これらの多様な取り組みはすべて、生物学の学問分野のさまざまな面に関連しています。
図1.2 | 以前は青緑色の藻類と呼ばれてたこれらの(a)シアノバクテリアは、光学顕微鏡下で300倍に拡大されたものであり、地球最古の生命形態の1つです。西オーストラリアのテティス湖沿岸のこれらの(b)ストロマトライトは、浅い水域でシアノバクテリアを層状に重ねることによって形成された古代の構造物です。(credit a: modification of work by NASA; credit b: modification of work by Ruth Ellison; scale-bar data from Matt Russell)
科学のプロセス
生物学は科学ですが、科学とは正確には何でしょうか?生物学の研究は、他の科学の学問分野と何を共有しているのでしょうか?私たちは、科学(「知識」を意味するラテン語のスキエンティア(scientia)から来ています)のことを、特に科学的方法で取得されテストされたときの、一般的な真実や一般法則の働きを扱う知識として定義することができます。この定義からは、科学的方法を適用することが科学において大きな役割を果たすことが明らかになります。科学的方法とは、実験と慎重な観察を含むいくつかの定義されたステップを伴う研究方法です。
私たちは科学的方法のステップを後で詳しく検討しますが、この方法の最も重要な側面の1つは、再現可能な実験の手段による仮説のテストです。仮説とは、ある事象のための提案された説明であって、人がテストすることのできるものです。科学的方法を使用することは科学に固有のものですが、科学が何であるかを判断するには不十分です。なぜなら、物理学や化学などの学問分野に科学的方法を適用することは比較的容易である一方で、考古学、心理学、地質学のような学問分野については、再現実験がより難しいために科学的方法が適用しにくくなるためです。
しかしながら、これらの学問分野もまた依然として科学です。考古学を考えてみましょう。人は再現可能な実験を行うことができないかもしれませんが、それでもまだ仮説は支持されるかもしれません。たとえば、考古学者は、陶器の破片の発見に基づいて古代の文化が存在すると仮説を立てることができます。彼または彼女は、この文化のさまざまな特徴についてのさらなる仮説を立てることもできるでしょう。それは、他の発見からの継続的な支持または矛盾によって正しいものになるかもしれませんし、虚偽になるかもしれません。ある仮説は検証された理論になるかもしれません。理論とは、さまざまな観測や現象についての、テストされ立証された説明です。したがって、私たちは科学のことを、森羅万象の本質を理解しようと試みる研究の分野として定義する方が良いかもしれません。
自然科学
私たちは、自然科学の博物館で何を目にすることを期待しますか?カエル?植物?恐竜の骨格?脳がどのように機能するかについての展示?プラネタリウム?宝石と鉱物?もしかしたら上記のすべて?科学には、天文学、生物学、コンピュータサイエンス、地質学、論理学、物理学、化学、数学などの多様な分野が含まれます(図1.4)。しかしながら、科学者たちは、物理世界とその現象やプロセスに関連するこれらの科学の分野を自然科学と考えています。したがって、自然科学の博物館には、上記の項目のどれもが含まれている可能性があります。
しかしながら、自然科学に何が含まれているかを定義することについては、完全な合意はありません。一部の専門家にとっては、自然科学とは天文学、生物学、化学、地球科学、物理学です。他の学者は、自然科学を、生命科学(生きているものを研究し、生物学を含みます)と、物理科学(生命のない物質を研究し、天文学、地質学、物理学、化学を含みます)とに分けることを選択します。生物物理学や生物化学のようないくつかの学問分野は、生命科学と物理科学の両方を基礎とし、学際的です。またある人は、自然科学のことを、量的データの使用に依拠しているために「ハードサイエンス」と呼びます。社会や人間の行動を研究する社会科学は、調査や発見を促進するために質的評価を利用する可能性が高いです。
驚くべきことではありませんが、生物学の自然科学には多くの部門や専門分野があります。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べます。また、生理学を研究する生物学者は、生物の内部機能に焦点を当てています。生物学のいくつかの領域では、特定のタイプの生物だけに焦点を当てています。たとえば、植物学者は植物を探索し、動物学者は動物を専門とします。
科学的推論
あらゆる形態の科学に共通する1つのことがあります:「知る」という最終的な目標です。好奇心と探究は、科学の発展の原動力です。科学者たちは、世界と世界が動作する方法を理解しようとしています。これを行うために、彼らは帰納的推論と演繹的推論という2つの論理的思考の方法を使用します。
帰納的推論は、一般的な結論に到達するために関連するいくつもの観察を使用する論理的思考の一形態です。このタイプの推論は、記述的な科学では一般的です。生物学者などの生命科学者は観察を行いそれらを記録します。これらのデータは定性的であることも定量的であることもあり、素描、図面、写真、またはビデオで生データを補うこともできます。多くの観察から、科学者は証拠に基づいて結論を推論(帰納)することができます。帰納的推論には、慎重な観察から推論された一般化を定式化することと、大量のデータを分析することが含まれます。脳の研究が1つの例を提供してくれます。このタイプの研究では科学者は、人々が食べ物の画像を見るなど特定の活動に従事している際の、多くの生きている脳を観察します。科学者は、この活動中に「点灯」する脳の部分のことを、選択された刺激(この場合、食べ物の画像)への反応を制御する部分であると予測します。脳の活性領域は放射性の糖の誘導体を過剰吸収して、さまざまな領域を「点灯」させます。科学者はスキャナを使用して放射線の増加を観察します。それにより研究者は、脳のその部分を刺激して同様の反応が起こるかどうかを調べることができます。
演繹的推論または演繹は、仮説に基づいた科学で用いられる論理のタイプです。演繹的な推論では、思考のパターンは、帰納的推論と比べて反対方向に動きます。演繹的な推論は、一般的な原則または法則を使用して特定の結果を予測する論理的思考の一形態です。これらの一般的な原則から、科学者は、その一般的な原則が有効である限り有効となるような具体的な結果を推定して予測することができます。気候変動に関する研究が、このタイプの推論を説明することができます。たとえば、もし特定の地域で気候が暖かくなると、植物や動物の分布が変化すると科学者は予測するかもしれません。
2つのタイプの論理的思考はどちらも、科学的研究の2つの主な経路、すなわち記述的科学と仮説に基づく科学に関連しています。記述的(または発見的)な科学は、通常は帰納的であり、観察、探索、発見を目指しています。一方で、仮説に基づく科学は、通常は演繹的であり、具体的な質問や問題と、テストすることができるような潜在的な解答や解決策から始まります。これら2つの形式の研究の境界線はしばしば曖昧であり、ほとんどの科学的努力は両方のアプローチを組み合わせています。観察がどれほど簡単に特定の質問につながるかを考えるときに、このぼやけた境界線のことがよくわかります。たとえば、1940年代にある男性が、彼の服や飼い犬の毛についたオナモミの種には小さなフック構造があることを観察しました。より詳細な調査で、彼は、オナモミの把持機構がジッパーよりも信頼性が高いことを発見しました。最後に彼は、同様に作用する最高の素材を見つけるために実験を行い、今日ベルクロ(Velcro)として一般に知られているフックとループ式の面ファスナーを製作しました。記述的科学と仮説に基づく科学は、継続的な対話の中に存在します。
科学的方法
生物学者は生きている世界について質問をし、科学に基づいた反応を求めることによってその世界を研究します。科学的方法として知られているこのアプローチは、他の科学にも共通しています。この科学的方法は古代の時代でさえも使われていましたが、イングランドのサー・フランシス・ベーコン(1561–1626)が最初に文書化しました(図1.5)。彼は科学的調査のための帰納的方法を確立しました。科学的方法は生物学者だけが使用するものではありません。ほぼ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方法としてそれを適用することができます。
科学的プロセスは、通常は、質問につながる観察(しばしば解決すべき問題)から始まります。ある観察から始まる単純な問題について考えて、その問題を解決するために科学的方法を適用してみましょう。月曜日の朝、ある学生が授業に出席してすぐに、教室があまりにも暑いことに気づきます。これは、問題(教室がとても暑い)を記述する観察でもあります。この学生は次に「なぜこの教室はこんなにも暑いのか?」という質問をします。
仮説を提示する
仮説とは、提案された説明であって、人がテストすることのできるものであるということを思い出してください。問題を解決するために、人はいくつかの仮説を提案することができます。たとえば、ある仮説は、「誰もエアコンをつけていないから、教室が暑いのだ」というものかもしれません。しかしながら、この質問には他の回答がある可能性があります。したがって、ある人は別の仮説を提案するかもしれません。第2の仮説は、「停電のためにエアコンが機能していないから、教室が暑いのだ」というものかもしれません。
ひとたび仮説を選択すると、この学生は予測を行うことができます。予測は仮説と似ていますが、それは一般的には「もし … ならば …」という形式を持っています。たとえば、最初の仮説からの予測は、「もしこの学生がエアコンをつけるならば、教室があまりにも暑いことはなくなるだろう」となるでしょう。
仮説をテストする
有効な仮説は、テスト可能でなければなりません。それはまた、反証可能でもなければなりません。これは、実験結果によってそれが誤りであることを証明することができることを意味します。重要なのは、科学は何かを「証明する」とは主張していないことです。なぜなら、科学的理解は常にさらなる情報によって変更の対象となるためです。このステップ — 考え方を反証することへの開放性 — は、科学と非科学とを区別するものです。たとえば、超自然的な存在は、テスト可能でもなければ、反証可能でもありません。ある仮説をテストするためには、研究者は、1つかそれ以上の仮説を排除するように設計された1つかそれ以上の実験を行うことになります。それぞれの実験には、1つかそれ以上の変数と1つかそれ以上の統制群があります。変数は、実験中に変化したり変更したりすることのできる実験の部分です。統制群には、研究者が仮説を立てた操作が与えられないことを除いて、実験群のすべての特徴が含まれています。したがって、もし実験群の結果が統制群とは異なる場合には、その差は、何らかの外的要因ではなく仮説化された操作によるものでなければなりません。以下の例で変数と統制群を見てみましょう。最初の仮説を検証するために、この学生はエアコンがついているかどうかを調べるでしょう。もしエアコンがつけられているが機能していないならば、何か別の理由があるはずであり、学生はこの仮説を拒絶するべきです。2番目の仮説を検証するために、この学生は教室の照明灯が機能しているかどうかを確認することができます。もし機能していれば、停電はおきておらず、学生はこの仮説を拒絶するべきです。この学生は適切な実験をしてそれぞれの仮説をテストするべきです。ある仮説を棄却しても、別の仮説を受け入れることができるかどうかは決まらないことに注意してください。それは単に有効でない1つの仮説を排除するだけのことです(図1.6)。この学生は、科学的方法を用いて、実験データと矛盾する仮説を拒否します。
この「暑い教室」の例は観察結果に基づいていますが、他の仮説や実験ではより明確な制御が可能であるかもしれません。たとえば、ある学生が月曜日に授業に出席したところ、講義に集中するのが難しいと気付いたとしましょう。この出来事を説明する1つの観察は、「私は授業の前に朝食を食べると、より集中することができる」というものかもしれません。この学生はこの仮説をテストするために統制群を使った実験をデザインすることができるでしょう。
仮説に基づく科学では、研究者は一般的な前提からの特定の結果を予測します。私たちは、このタイプの推論を演繹的推論と呼びます。演繹的推論は、一般的なものから特定のものへと進みます。しかしながら、このプロセスの逆もまた可能です。時には、科学者はいくつかの特定の観察から一般的な結論に達することがあります。私たちは、このタイプの推論を帰納的推論と呼びます。帰納的推論は、特定のものから一般的なものへと進みます。研究者は、科学的知識を向上させるために、しばしば帰納的・演繹的推論を併用します(図1.7)。
ビジュアルコネクション
以下の例では、日常的な問題を解決するために科学的方法が使用されています。科学的方法のステップ(数字が付されたもの)と、日常的な問題を解決するプロセス(アルファベットが付されたもの)とを結び付けてください。実験の結果に基づくと、その仮説は正しいでしょうか?もしそれが間違っている場合には、いくつかの代替的な仮説を提案してください。
1.観察
2.質問
3.仮説(回答)
4.予測
5.実験
6.結果
a.電源コンセントに何か問題がある。
b.もしコンセントに何か問題がある場合、そこにコーヒーメーカーを差し込んだとしても動作しないだろう。
c.トースターがパンを焼かない。
d.コーヒーメーカーをコンセントに差し込む。
e.コーヒーメーカーが動作する。
f.なぜトースターが動作しないのだろうか?
ビジュアルコネクション
以下のそれぞれが、帰納的推論または演繹的推論の例であるかどうかを判断してください。
1.すべての空を飛ぶ鳥類や昆虫には羽がある。鳥類や昆虫は空中を移動するときに羽ばたく。したがって、翼は飛行を可能にする。
2.昆虫は一般的に厳しい冬よりも穏やかな冬のほうが生き残る。したがって、害虫は、地球の気温が上昇すればさらに問題になる。
3.DNAの運び手である染色体は、細胞分裂中に娘細胞間で均等に分配される。したがって、それぞれの娘細胞は、母細胞と同じ染色体セットを有することになる。
4.人間、昆虫、オオカミなどの多様な動物は、すべて社会的行動を示す。したがって、社会的行動は進化的利点を持っていなければならない。
科学的方法はあまりにも硬直的・構造的に見えるかもしれません。科学者はたいていの場合この手順に従いますが、そこには柔軟性もあることに留意しておくことが重要です。時に実験は、アプローチを変化させたほうがよいという結論につながることがあります。しばしば、実験は全く新しい科学的な質問を難問へとしてしまいます。多くの場合、科学は線形に動作しません。その代わりに、科学者は、彼らの研究を進めるにつれて、絶えず推論を引き出し、一般化して、パターンを見つけます。科学的推論は、科学的方法のみが示唆するよりも複雑なものです。私たちは本質的に必ずしも科学的ではない問題を解決するために科学的方法を適用することができることにも注意しておいてください。
2つのタイプの科学:基礎科学と応用科学
科学界は過去数十年間、さまざまなタイプの科学の価値について議論してきました。単純に知識を得るため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、特定の問題を解決するために、あるいは私たちの生活を改善するためにそれを適用することができる時にのみ価値があるのでしょうか?この質問は、基礎科学と応用科学という2つのタイプの科学の違いに焦点を当てています。
基礎科学、あるいは「純粋」科学は、その知識の短期的な応用にかかわらず、知識を拡大しようとしています。それは、即時の公的または商業的価値のある製品やサービスの開発に焦点を当てていません。基礎科学が最後まで実際的な応用に結実しないという意味ではありませんが、基礎科学の直近の目標は知識のための知識です。
対照的に、応用科学、あるいは「技術」は、科学を使って現実世界の問題を解決することを目指しており、たとえば、作物収量を改善したり、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、研究者のために定義されます。
一部の人々は、応用科学を「役に立つ」、基礎科学を「役に立たない」と認識しているかもしれません。これらの人々が知識の獲得を主張する科学者に対して提起する疑問とは、「何のために?」でしょう。しかしながら、科学の歴史を注意深く見てみれば、基礎的な知識が、大きな価値のある多くの素晴らしい応用をもたらしたことが明らかになります。多くの科学者は、研究者が応用を開発する前には科学の基本的な理解が必要であり、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結果に依存していると考えています。他の科学者たちは、実際の問題に対する解決策を見つけるために基礎科学から移りだす時だと考えています。どちらのアプローチも有効です。即刻の注意を必要とする問題があることは事実です。しかしながら、科学者は、基礎科学が生み出す幅広い知識の基盤の助けがなければ、ほとんど解決策を見出すことができないでしょう。
実際の問題を解決するために基礎科学と応用科学がどのように一緒に働くかの一例は、DNA構造の発見がDNA複製をつかさどる分子メカニズムの理解につながった後に起こりました。すべての人間に固有のDNA鎖は私たちの細胞の中にあり、そこでそれらは生命に必要な指示を与えます。DNAが複製する際には、それは細胞分裂の直前に自身の新しいコピーを生成します。科学者は、DNA複製メカニズムを理解することによって、現在研究者が遺伝病の同定、犯罪現場にいた個人の特定、父親の決定に使用している研究室の技術を開発することができました。基礎科学がなければ、応用科学が存在する可能性は低いでしょう。
基礎研究と応用研究との間のつながりの別の例は、ヒトゲノムプロジェクトです。これは、研究者がヒト染色体のそれぞれを解析してマッピングし、DNAサブユニットの正確な配列および各遺伝子の正確な位置を決定する研究です。(遺伝子は遺伝の基本単位です。ある個体の完全な遺伝子の集合が、彼または彼女のゲノムです。)研究者は、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他のさほど複雑でない生物も研究しています。ヒトゲノムプロジェクト(図1.9)は、単純な生物とその後のヒトゲノムについての基礎研究に頼っていました。重要な最終目標は、遺伝に関連する疾患の治癒および早期診断を目指すような、最終的な応用研究のためにデータを使用することになりました。
科学者は通常、基礎科学と応用科学の両方で研究活動を慎重に計画していますが、セレンディピティー、つまり幸運な偶然やラッキーな驚きによって発見がなされることもあることに注意してください。スコットランド人の生物学者アレクサンダー・フレミングは、ブドウ球菌のペトリ皿をたまたま開いたままにしていた時にペニシリンを発見しました。不必要なカビが皿上で増殖し、細菌を殺しました。細菌の死の背後にある理由を調べようというフレミングの好奇心と、その後の彼の実験によって、抗生物質のペニシリンが発見されました。ペニシリンはカビのペニシリウムによって産生されます。高度に組織化された科学の世界でさえ、運は — 鋭い観察や好奇心と結びついて — 予期しなかった突破口につながる可能性があります。
科学的な仕事の報告
科学者は、科学研究が基礎科学か応用科学かにかかわらず、他の研究者が彼らの発見を拡大したりその上に積み上げたりするために、その発見を共有しなければなりません。他の科学者との共同作業(計画し、実施し、結果を分析するとき)は、科学研究にとってとても重要です。この理由から、科学者の仕事の重要な側面は、同業者とのコミュニケーションをとることと結果を同業者に広めることです。科学者は科学的な集会や会議で発表することで結果を共有することもできますが、このアプローチはそこに出席した限られた少数の人にしか到達しません。その代わりに、大部分の科学者は、科学的な学術雑誌に掲載される査読(ピアレビュー)済みの文章でその結果を発表します。査読済みの文章とは、科学者の同僚または同業者がレビューする科学論文のことです。これらの同僚は、科学者の仕事が出版に適しているかどうかを判断する資格のある個人、多くの場合、同一の研究分野の専門家です。査読のプロセスは、科学論文や助成金申請の研究が、オリジナルで、重要で、論理的で、徹底的なものであることを確実にするのに役立ちます。研究資金の要請である助成金の申請も査読の対象となります。科学者は、他の科学者が同様の状況下で、または結果を広げるために異なる状況下で実験を再現することができるように、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貫性のあるものでなければなりません。
科学論文は創造的な文章とは非常に異なっています。実験を設計するには創造性が必要ですが、科学的な結果を発表することについては一定のガイドラインがあります。第1に、科学的な文章は短く、簡潔で、正確でなければなりません。科学論文は簡明である必要がありますが、同業者が実験を再現するのに十分なほど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(導入(イントロダクション)、材料と方法(マテリアルとメソッド)、結果(リザルト)、および議論(ディスカッション))で構成されています。この構造は、「IMRaD」形式と呼ばれることがあります。また通常は、謝辞のセクションと参照文献セクションに加えて、論文の冒頭に要旨(簡潔な要約)があります。論文のタイプとそれが掲載される学術誌に応じて、追加のセクションがあるかもしれません。たとえば、一部のレビュー論文は概要を必要とします。
導入は、その分野で知られていることについての簡単で幅広い背景情報から始めます。良い導入はその研究の理由付けも与えます。それは実施された仕事を正当化し、また論文の目的にも簡単に言及します。そこでは、研究を推進することになった仮説または研究についての質問を研究者が提示します。導入は、他者の公表された科学的研究を参照し、したがって、学術誌のスタイルに従った引用情報を必要とします。適切な引用なしに他人の仕事や考え方を使用することは剽窃となります。
材料と方法のセクションには、研究者が使用する物質の完全かつ正確な記述、および彼らがデータ収集に使用する方法と手法が含まれています。この説明は、他の研究者が実験を繰り返して同様の結果を得るのに十分なほど徹底的であるべきですが、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のかや、彼らが生データを調べるために使用した計算や統計分析のタイプに関する情報も含まれるでしょう。材料と方法のセクションは実験の正確な説明を与えますが、そこではそれらについて議論はしません。
いくつかの学術誌では結果のセクションとそれに続く議論のセクションが必要ですが、両方を組み合わせるのが一般的です。もし学術誌が両方のセクションを組み合わせることを認めていない場合、結果のセクションでは、何らの解釈もすることなく単に結果を説明します。研究者は表やグラフで結果を提示しますが、重複した情報は提示しません。議論のセクションでは、研究者は結果を解釈し、変数がどのように関連しているかを記述し、観察を説明しようと試みます。以前に公表された科学研究の文脈の中に結果を置くためには、広範な文献の探索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情報を含めます。
最後に、結論のセクションは実験結果の重要性を要約します。研究論文はほぼ確実に、研究者が述べた1つかそれ以上の科学的な質問に答えますが、良い研究ではより多くの疑問が生じるはずです。したがって、うまく成し遂げられた科学論文は、その研究者や他の者が研究結果を継続し、拡大することを可能にします。
レビュー論文は、オリジナルな科学的知見や一次文献を提示するものではないため、IMRAD形式には従いません。その代わりにそれらは、一次文献として出版されたものの知見を要約してコメントし、典型的には広範な参照文献のセクションを含みます。
1.2 | 生物学のテーマと概念
この節が終わるまでに、あなたは次のことができるようになります:
•生命の性質を特定し、記述する
•生物の組織化のレベルを記述する
•系統樹を認識し、解釈する
•生物学におけるさまざまな下位区分の例を挙げる
生物学は生命を学ぶ科学ですが、生命とは正確には何でしょうか?これは明確な返答を持つ愚か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、生命体の特徴のいくつかを示しているが、他のものは欠いているウイルスを研究する、ウイルス学と呼ばれる生物学の部門があります。ウイルスは生きている生物を攻撃し、病気を引き起こし、繁殖することさえできますが、それらは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。その結果、ウイルス学者は厳密に言えば生物学者ではありません。同様に、一部の生物学者は、生命の誕生につながる早期の分子進化を研究しています。生命に先行する事象は生物学的事象ではないので、これらの科学者も言葉の厳密な意味では生物学からは除外されます。
生物学は最初期の始まりから、次の3つの質問に取り組んできました:何かを「生きる」ようにさせる共通の特性とは何でしょうか?ひとたび私たちが何かが生きていることがわかれば、私たちはどのようにしてその構造の中にある、意味のある組織化のレベルを見つけ出すでしょうか?最後に、生命の顕著な多様性に直面したとき、私たちがそれらをより良く理解するためには、私たちはどのようにすればさまざまな種類の生物を体系化できるでしょうか?科学者が日々新しい生物を発見することに伴い、生物学者はこれらの質問や他の質問への答えを求め続けています。
生命の性質
すべての生物は、階層、感受性あるいは環境への反応、生殖、適応、成長と発達、調節性、恒常性、エネルギー処理、進化といったいくつかの重要な特徴や機能を共有しています。これらの9つの特性は、一緒に見ると、生命を定義する役割を果たします。
階層
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構造です。非常に単純な単細胞生物でさえも驚くほど複雑です。それぞれの細胞の内側には分子があり、それは原子からなります。今度はそれらが、細胞小器官および他の細胞封入体を含みます。多細胞生物(図1.10)では、同様の細胞が組織を形成します。次に、組織は、器官(別個の機能を有する身体構造)を作り出すために協調します。器官は器官系を形成するために一緒に働きます。
感受性または刺激に対する反応
生物は多様な刺激に反応します。たとえば、植物は光の源に向かって曲がったり、フェンスや壁をつたって登ったり、接触に対して反応することができます(図1.11)。たとえ小さな細菌であっても、化学物質に向かっていったり離れたりし(走化性と呼ばれる過程)、あるいは光に向かっていったり離れたりする(走光性)ことができます。刺激に向かう動きは正の反応であり、刺激から離れる動きは負の反応です。
学習へのリンク
このビデオ(http://openstaxcollege.org/l/movement_plants)を見て、植物が刺激にどのように反応するか — 光に向かって開くことや、巻きひげを枝の周りに巻きつけることや、獲物を捕らえるところ — を観察してください。
生殖
単細胞生物は、細胞が2つの新しい細胞を形成するために分裂する準備をするのと同じように、まずそれらのDNAを複製し、次にそれを均等に分割することによって繁殖します。多細胞生物は、しばしば、特殊な生殖細胞系列、配偶子、卵母細胞、および精子細胞を産生します。受精(卵母細胞と精子細胞の融合)の後、新しい個体が発生します。生殖が起こると、遺伝子を含むDNAが、ある生物の子孫に受け継がれます。これらの遺伝子は、子孫が同じ種に属し、大きさや形などの類似の特性を有することを確実にします。
成長と発達
生物は、細胞の成長と発達を導くような特定の指示を与える遺伝子の結果として成長し、発達します。これにより、その種の子供(図1.12)は確実に、その親と同じ特徴の多くを呈するように成長します。
調節性
もっとも小さな生物でさえ複雑であり、内部機能を調整し、刺激に反応し、環境ストレスに対処するために複数の調節機構を必要とします。生物の中で調節される内部機能の2つの例は、栄養素輸送と血流です。種々の器官(一緒に働く組織のグループ)は、体全体に酸素を運び、廃棄物を取り除き、すべての細胞に栄養を供給し、体を冷やすなどの特定の機能を果たします。
恒常性
細胞は、適切に機能するためには、好適な温度、pH、および多様な化学物質の適切な濃度などの適切な条件を必要とします。しかしながら、これらの条件はある瞬間から次の瞬間でどんどん変わっていきます。生物は、環境の変化にもかかわらず、恒常性(文字通りの意味では、「定常状態」)を介して、内部状態をほとんど常に狭い範囲の中に維持することができます。たとえば、ある生物は体温調節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)などの寒冷気候に住む生物は、低温に耐え、体の熱を保存するのに役立つ身体構造を持っています。このタイプの断熱を助ける構造には、毛皮、羽毛、脂身、脂肪があります。暑い気候では、生物は過剰な体熱を放出するのに役立つ方法(人間の発汗や犬の喘ぎなど)を持っています。
エネルギー処理
すべての生物は、代謝活動のためにエネルギー源を使います。いくつかの生物は、太陽からのエネルギーを取り込み、食物中の化学エネルギーへと変換します。他の生物は、食物として取り入れる分子の中の化学エネルギーを使用しています(図1.14)。
生命の組織化のレベル
生物は高度に組織化され構造化されており、私たちが小さなスケールから大きなスケールまで調べることができるような階層構造に従っています。原子は、物質の最小で最も基本的な単位です。それは電子によって囲まれた核からなります。原子は分子を形成します。分子は、1つかそれ以上の化学結合によって一緒にまとまった少なくとも2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であり、これは典型的には重合によって形成される大きな分子です(ポリマーとは、高分子よりも単純なモノマー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)。高分子の例はデオキシリボ核酸(DNA)であり(図1.15)、これにはすべての生物の構造と機能の指示が含まれています。
学習へのリンク
図1.15のDNA分子の三次元構造をアニメーション化したこのビデオ(http://openstaxcollege.org/l/rotating_DNA)をご覧ください。
いくつかの細胞は、膜で囲まれた高分子の凝集体を含みます。私たちはこれらを細胞小器官と呼んでいます。細胞小器官は、細胞内に存在する小さな構造物です。細胞小器官の例には、ミトコンドリアおよび葉緑体があり、それらは非常に重要な機能を果たします。ミトコンドリアは細胞に力を与えるようなエネルギーを作り出し、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。すべての生き物は細胞で作られています。細胞自体は、生きている生物の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ているとみなさない理由です。それらは細胞からできていません。それらが新しいウイルスを作るためには、生きている細胞の繁殖メカニズムに侵入して乗っ取らなければならりません。そのときにだけ、ウイルスは繁殖に必要な材料を得ることができます。)いくつかの生物は単一の細胞からなり、他の生物は多細胞です。科学者は、細胞を原核細胞または真核細胞として分類します。原核生物は、膜に包まれた核を持たない単細胞生物または群体の生物です。対照的に、真核生物の細胞は、膜によって包まれた細胞小器官と膜によって包まれた核を有します。
より大きい生物では、細胞が組み合わされて組織をつくりだします。組織とは、同様のまたは関連する機能を実行する同様の細胞のグループです。器官とは、共通の機能を果たして一緒にグループ化され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、機能的に関連する器官からなる組織化の上位レベルです。哺乳動物には多くの器官系があります。たとえば、循環器系は、血液を体内を通じて肺に運びます。それには、心臓や血管などの器官が含まれます。生物は個々に生きている存在です。たとえば、森林の中のそれぞれ樹木は生物です。単細胞の原核生物および単細胞の真核生物もまた生物であり、それらのことを生物学者は典型的には微生物と呼んでいます。
生物学者は、特定の地域に住むある種のすべての個体のことを、集合的に個体群と呼びます。たとえば、森林には、多くの松の木が含まれているかもしれません。それらの松の木は、この森林の中の松の木の個体群を表しています。異なる個体群が同じ特定の地域に住んでいるかもしれません。たとえば、松の木のある森林には、顕花植物、昆虫、および微生物の個体群が含まれます。生物群集とは、特定の地域に住む個体群の合計です。たとえば、森の中のすべての樹木、花、昆虫、およびその他の個体群が、森林の生物群集を形成します。森林自体は生態系です。生態系とは、特定の地域のすべての生き物と、土壌や雨水中の窒素など、その環境の非生物的な(つまり生きていない)部分とで構成されています。組織化の最も高いレベル(図1.16)では、生物圏がすべての生態系の集合体であり、それは地球上の生命の領域を表しています。それには土地、水、さらにはある程度の大気ですら含まれます。
ビジュアルコネクション
次の記述のうち、間違っているものはどれですか?
a.組織は器官の中に存在し、器官は器官系の中に存在する。
b.生物群集は個体群の中に存在し、個体群は生態系の中に存在する。
c.細胞小器官は細胞の中に存在し、細胞は組織の中に存在する。
d.生物群集は生態系の中に存在し、生態系は生物圏の中に存在する。
生命の多様性
科学としての生物学がこのような広い範囲を持っているという事実は、地球上の生命の驚異的な多様性と関係があります。この多様性の源泉は、進化です。進化とは漸進的な変化のプロセスであり、その間に新しい種が古い種から生じます。進化生物学者は、微視的な世界から生態系に至るまで、あらゆるものの中に含まれる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要約することができます。それは、遺伝的形質または物理的形質、あるいはその両方の類似点と相違点に基づいて生物種の間の進化的関係を示す図です。系統樹は結節点(ノード)と枝(ブランチ)から構成されます。内側の結節点は祖先を表し、研究者が科学的証拠に基づいて、祖先が2つの新しい種を形成するために分岐したと信じている場合には、進化のポイントになります。それぞれの枝の長さは、分岐後の経過時間に比例します。
進化へのつながり
カール・ウーズと系統樹
過去には、生物学者は生きている生物を動物、植物、菌類、原生生物、細菌の5つの界に分類していました。それらは、現代的な系統分類学が使用している生理学、生化学、または分子生物学とは対照的に、主として物理的な特徴に基づく組織化についてのスキームに基づいていました。しかしながら、1970年代初めのアメリカの微生物学者カール・ウーズの先駆的研究は、地球上の生命が3つの系統に沿って進化してきたことを示しています。それらは今では、細菌、古細菌、真核生物という領域(ドメイン)と呼ばれています。最初の2つは、膜に囲まれた核および細胞小器官がない微生物を伴う原核細胞です。3つめのドメインは真核生物を含み、単細胞微生物(原生生物)と残りの3つの界(菌、植物、および動物)を含みます。ウーズは古細菌を新しいドメインと定義し、これにより新しい分類学的な樹が生まれました(図1.17)。古細菌ドメインに属する多くの生物は極限条件下で生息しており、好極限性生物と呼ばれています。ウーズは、彼の樹を構築するために、形態学(形状)に基づく類似性ではなく、遺伝的関係を使用しました。
ウーズは、普遍的に分布した比較遺伝子の配列から彼の樹を構築しました。この遺伝子配列は、すべての生物に存在し、保存された(つまり、これらの遺伝子は進化を通じて本質的に変化しないままであることを意味します)ものです。ウーズのアプローチは革命的でした。なぜなら、物理的特徴を比較することは、その驚異的な生化学的多様性と遺伝的変動性にもかかわらず見た目上はかなり類似している原核生物を区別するには不十分であるからです(図1.18)。相同なDNA配列とRNA配列を比較することは、ウーズに対して、原核生物の広範な変動性を明らかにし、原核生物を細菌と古細菌の2つのドメインに分離することを正当化するような精度の高い手法を与えました。
生物学研究のさまざまな部門
生物学の範囲は幅広いので、多くの部門と下位分野が含まれています。生物学者は、これらの下位分野の1つを追求し、より焦点を絞った分野で働くことになるでしょう。たとえば、分子生物学および生化学は、DNA、RNA、およびタンパク質などの分子間の相互作用ならびにそれらが調節される方法を含む分子レベルおよび化学的なレベルでの生物学的プロセスを研究します。微生物学は微生物の研究であり、単細胞生物の構造と機能の研究です。微生物学はそれ自体でかなり広い部門であり、研究の主題に応じて、微生物生理学者、微生物生態学者、微生物遺伝学者などもいます。
キャリアへのつながり
法医学者
法医学とは、法律に関連する質問に答える科学の応用です。生物学者だけでなく、化学者や生化学者もまた法医学者になることができます。法医学者は裁判所で使用するための科学的証拠を提供しており、彼らの仕事には犯罪に関連する痕跡物質の調査が含まれます。おそらくは法医学の科学者が仕事をしているところを特色にした人気テレビ番組のために、法医学への関心はここ数年で増加しています。また、分子技術の開発とDNAデータベースの確立は、法医学者が行うことができる仕事の種類を拡大してきました。彼らの職業上の活動は、主に、殺人、強姦、暴行などといった人に対する犯罪に関連しています。彼らの仕事には、毛髪、血液、その他の体液などのサンプルの分析や、さまざまな環境や物質の中で見つかるDNAの処理(図1.19)が含まれます。法医学者はまた、昆虫の幼虫や花粉粒などの犯行現場に残った他の生物学的証拠も分析します。法医学でのキャリアを追求したい学生は、化学および生物学コースだけでなく、いくつかの集中的な数学コースを取らなければならないでしょう。
生物学研究のもう1つの分野である神経生物学は、神経系の生物学を研究します。それは生物学の1つの部門ではありますが、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。その学際的性質のために、この下位分野は、分子、細胞、発達、医療、およびコンピュータによるアプローチを用いてさまざまな神経系機能を研究します。
生物学のまた別の部門である古生物学は、生命の歴史を研究するために化石を使用しています(図1.20)。動物学と植物学はそれぞれ動物と植物の研究です。生物学者はまた、(ほんのいくつかの領域を挙げるなら)生物工学学者、生態学者、または生理学者として、特化することができます。これは、生物学者が目指すことができる多くの分野のほんの小さなサンプルです。
生物学は、自然科学が始められてから今日に至るまでの成果の頂点に位置しています。刺激的なことに、生物学は、脳の活動の生物学、特別に作り出された生物の遺伝子工学、地球上での最も初期の生物の段階を再現するために分子生物学の実験ツールを使う進化の生物学などのような、新興の科学の発祥の地です。予防接種、新たに発見された種、スポーツドーピング、遺伝子組換え食品の報道など、ニュースの見出しをざっと眺めるだけで、私たちの日常の世界の中で生物学が活発かつ重要である様子が実証されます。
重要用語
要旨:研究と結論を要約した科学論文の開始部分のセクション
応用科学:現実世界の問題を解決することを目的とした科学の形態
原子:物質の最小単位であり、最も基本的な単位
基礎科学:その知識の短期的な応用に関係なく、知識と理解を拡大しようとする科学
生化学:生物学的な生き物の化学の研究
生物学:生きている生物、それらのお互いの相互作用、そしてそれらと環境との相互作用の研究
生物圏:地球上のすべての生態系の集合体
植物学:植物の研究
細胞:生物における構造と機能の最小の基本単位
生物群集:特定の地域に居住する個体群の集まり
結論:実験結果の重要性を要約する科学論文のセクション
統制群:実験中に変化しない実験の一部分
演繹的推論:一般的な包括的な記述を用いて特定の結果を予測する論理的思考の形式
記述的な科学(または、発見的な科学):観察、探索、調査を目的とした科学の形式
議論:著者が実験結果を解釈し、変数がどのように関連しているかを説明し、問題となっている現象を説明しようとする科学論文のセクション
生態系:特定の地域のすべての生き物とその環境の非生物的な(つまり生きていない)部分
真核生物:核および膜によって包まれた細胞小器官を有する細胞を持つ生物
進化:新しい種が古い種から生じ、いくつかの種が絶滅する漸進的な変化のプロセス
反証可能:実験結果によって反証することが可能なもの
恒常性:一定の内部状態を維持する生物の能力
仮説:人がテストすることができるような、ある観察の示唆された説明
仮説に基づいた科学:特定の質問とテスト可能な潜在的な解答で始まる科学の形式
帰納的推論:一般的な結論に到達するために関連する観察を使用する論理的思考の形式
導入:論文で報告される研究よりも前にその分野で知られていたことについての背景情報を提供する科学論文の開始部分のセクション
生命科学:生命を研究する生物学のような科学の分野
高分子:大きな分子、典型的にはより小さい分子の結合によって形成される
材料と方法:研究者がデータを収集するために使用した物質、方法、手法の完全な記述を含む科学論文のセクション
微生物学:微生物の構造と機能の研究
分子生物学:DNA、RNA、タンパク質などの分子間の相互作用を含む、分子レベルでの生物学的プロセスとその調節の研究
分子:1つかそれ以上の化学結合によって一緒にまとまった少なくとも2つの原子からなる化学構造
自然科学:物理世界とその現象やプロセスに関連する科学分野
神経生物学:神経系の生物学の研究
器官:共通の機能を果たし、一緒にグループ化された関連する組織の集まり
器官系:機能的に関連し相互作用する複数の器官からなる組織化のレベル
細胞小器官:細胞内に存在し、細胞機能を果たす小さな構造
生物:個別の生きている存在
古生物学:化石による生命の歴史の研究
査読された文章:その研究分野の専門家である科学者の同僚がレビューする科学論文
系統樹:遺伝的形質または物理的形質、あるいはその両方の類似点と相違点に基づいて、さまざまな生物種の間の進化的関係を示す図。本質的には、進化的つながりに関する仮説
物理科学:地質学、天文学、物理学、化学などの科学分野で、生命のない物質を研究する
剽窃:適切な引用なしに他の人の仕事や考え方を使用し、それらが著者のオリジナルの考え方であるという誤った印象を作り出すこと
個体群:特定の地域に住むある種のすべての個体
原核生物:細胞小器官がなく、核膜に囲まれた核を持たない単細胞生物
結果:著者が何の解釈もせずに実験結果を述べ、関連する図、写真、略図、グラフ、および表を提示する科学論文のセクション
レビュー論文:一次文献として出版された知見を要約し、コメントする論文
科学:一般的な真実や一般法則の働きをカバーする知識、特に科学的方法によって取得されテストされた知識
科学的方法:観察、仮説の定式化、テスト、および仮説の確認や反証を含む定義されたステップによる研究方法
セレンディピティー:幸運な偶然やラッキーな驚き
理論:観察または現象についての、テストされ確証された説明
組織:関連する機能を果たす同様の細胞のグループ
変数:実験者が変化したり変更したりすることのできる実験の一部分
動物学:動物の研究
この章のまとめ
1.1 | 生物学の科学
生物学とは、生きている生物、それらのお互いの相互作用、そしてそれらと環境との相互作用を研究する科学です。科学は、合理的な手段によって宇宙の性質の全体またはその一部を記述し、理解しようと試みます。科学には多くの分野があります。それらのうち、物理世界とその現象に関連する分野が自然科学です。
科学は基礎科学であることも応用科学であることもあります。基礎科学の主な目的は、その知識の短期的・実用的な応用への期待を持たずに、知識を拡大することです。しかしながら、応用研究の主たる目的は、実用的な問題を解決することです。
科学は2つのタイプの論理的な推論を使用します。帰納的推論は、特定の結果を使用して一般的な科学的原則を生み出します。演繹的推論は、一般的な原則を適用することによって結果を予測する論理的思考の一形態です。科学的な研究を貫く共通の筋は、観察を行い、問題を定義し、仮説を立て、これらの仮説を検証し、1つかそれ以上の結論を導くことからなるステップを基にしたプロセスである科学的手法を使用することです。テストは適切な統制群を使用します。科学者は科学的な学術誌に掲載される査読済みの科学論文によってその結果を発表します。科学的な研究論文は、いくつかの明確に定義されたセクションで構成されています:導入、材料と方法、結果、そして最後に、結論となる議論。レビュー論文は、特定の分野において一定の期間に実施された研究を要約したものです。
1.2 | 生物学のテーマと概念
生物学は生命の科学です。すべての生物は、階層、感受性あるいは刺激への反応、生殖、成長と発達、調節性、恒常性、エネルギー処理といったいくつかの重要な特徴を共有しています。生物は、原子、分子、細胞小器官、細胞、組織、器官、器官系を含む階層構造の高度に組織化された部分です。次に、生物学者は、生物を個体群、生物群集、生態系、および生物圏としてグループ化します。今日の生命の素晴らしい多様性は、多様性の低かった祖先の生物から数十億年にわたって進化してきたものです。私たちは系統樹を使って生物間の進化的関係を示すことができます。
生物学は非常に幅広く、多くの部門と下位分野を含んでいます。例としては、分子生物学、微生物学、神経生物学、動物学、植物学などがあります。
ビジュアルコネクション問題
1.図1.6 | 以下の例では、日常的な問題を解決するために科学的方法が使用されています。科学的方法のステップ(数字が付されたもの)と、日常的な問題を解決するプロセス(アルファベットが付されたもの)とを結び付けてください。実験の結果に基づくと、その仮説は正しいでしょうか?もしそれが間違っている場合には、いくつかの代替的な仮説を提案してください。
1.観察
2.質問
3.仮説(回答)
4.予測
5.実験
6.結果
a.電源コンセントに何か問題がある。
b.もしコンセントに何か問題がある場合、そこにコーヒーメーカーを差し込んだとしても動作しないだろう。
c.トースターがパンを焼かない。
d.コーヒーメーカーをコンセントに差し込む。
e.コーヒーメーカーが動作する。
f.なぜトースターが動作しないのだろうか?
2.図1.7 | 以下のそれぞれが、帰納的推論または演繹的推論の例であるかどうかを判断してください。
1.すべての空を飛ぶ鳥類や昆虫には羽がある。鳥類や昆虫は空中を移動するときに羽ばたく。したがって、翼は飛行を可能にする。
2.昆虫は一般的に厳しい冬よりも穏やかな冬のほうが生き残る。したがって、害虫は、地球の気温が上昇すればさらに問題になる。
3.DNAの運び手である染色体は、細胞分裂中に娘細胞間で均等に分配される。したがって、それぞれの娘細胞は、母細胞と同じ染色体セットを有することになる。
4.人間、昆虫、オオカミなどの多様な動物は、すべて社会的行動を示す。したがって、社会的行動は進化的利点を持っていなければならない。
3.図1.16 | 次の記述のうち、間違っているものはどれですか?
a.組織は器官の中に存在し、器官は器官系の中に存在する。
b.生物群集は個体群の中に存在し、個体群は生態系の中に存在する。
c.細胞小器官は細胞の中に存在し、細胞は組織の中に存在する。
d.生物群集は生態系の中に存在し、生態系は生物圏の中に存在する。
レビュー問題
4.地球上の生命の最初の形態は________でした。
a.植物
b.微生物
c.鳥類
d.恐竜
5.ある事象のために示唆された、テスト可能な説明は、________と呼ばれます。
a.仮説
b.変数
c.理論
d.統制群
6.以下の科学のうち、自然科学とみなされないものはどれですか?
a.生物学
b.天文学
c.物理学
d.コンピュータサイエンス
7.一般的な結論に到達するために関連するいくつもの観察を使用する論理的思考のタイプを________と呼びます。
a.演繹的推論
b.科学的方法
c.仮説に基づく科学
d.帰納的推論
8.________のプロセスは、科学者の研究が、オリジナルで、重要で、論理的で、徹底的なものであることを確実にするのに役立ちます。
a.出版
b.演説
c.査読(ピアレビュー)
d.科学的方法
9.ある人が、定期的に音楽を聴かせている観葉植物は、音楽のない部屋のものに比べて速く成長しているようだということに気づきました。その結果として、彼女は、音楽を聴かせたときに植物はより良く成長すると判断します。この例は、どのタイプの推論に最もよく似ていますか?
a.帰納的推論
b.演繹的推論
c.どちらでもない。なぜなら仮説が立てられていないからである
d.帰納的推論と演繹的推論の両方
10.「生きる」という機能的要件を満たす生物学的構造の最小単位は________です。
a.器官
b.細胞小器官
c.細胞
d.高分子
11.ウイルスは________ため、生きているとはみなされません。
a.細胞によってできていない
b.細胞核がない
c.DNAまたはRNAを含まない
d.生殖できない
12.膜に囲まれた核の存在は、________の特徴です。
a.原核細胞
b.真核細胞
c.生物
d.細菌
13.同じ地域に住む同じ種の個体のグループを________と言います。
a.家族
b.生物群集
c.個体群
d.生態系
14.次の並びのうち、最も包括的なレベルから最も複雑でないレベルに至るまでの生物学的な組織化の階層を表しているものはどれですか?
a.細胞小器官、組織、生物圏、生態系、個体群
b.器官、生物、組織、細胞小器官、分子
c.生物、生物群集、生物圏、分子、組織、器官
d.生物圏、生態系、生物群集、個体群、生物
15.系統樹のどの部分で、もっとも最近進化した生物を見つけることが期待できますか?
a.根本で
b.枝(ブランチ)の中
c.結節点(ノード)で
d.枝(ブランチ)の先端で
クリティカルシンキング問題
16.科学的方法はほとんどの科学で用いられていますが、日常の状況にも適用することができます。自宅、学校、またはあなたの車で発生するかもしれない問題を考えて、それを解決するために科学的方法を適用してください。
17.応用科学があなたの日常生活にどのように直接的な影響を与えているかの例を挙げてください。
18.生物学者によって研究される可能性のある2つの話題と、生物学の領域外にあるであろう2つの科学研究領域を挙げてください。
19.がんの話題を考えたうえで、この話題に関心を持つ研究者が問うであろう基礎科学の質問と応用科学の質問を書いてください。
20.生物を「生きている」と考えるために、生物学者が同意するような必要な項目を2つ選んでください。それぞれの項目について、その項目以外は「生きている」という定義に適合しているものの、実際には生きていない物体の例を挙げてください。
21.生物学の世界の組織化のレベルを考慮し、以下の項目のそれぞれを、組織化の最小レベルからもっとも包括的なものまでの中に、順序に沿って整理してください:皮膚細胞、象、水分子、地球、熱帯雨林、水素原子、オオカミの群れ、肝臓。
22.あなたは暑い日に長い散歩に行きます。恒常性があなたの体を健康に保つ方法の例を挙げてください。
23.生物学が微視的なアプローチから世界全体のアプローチまでを用いてどのように研究されうるかを、例を用いて説明してください。
解答のヒント
第1章
1 図1.6 1⇔C、2⇔F、3⇔A、4⇔B、5⇔D、6⇔E。コンセントに差し込んだコーヒーメーカーが機能するため、元の仮説は間違っています。別の仮説には、トースターが壊れているか、トースターのスイッチがオンになっていないことなどが含まれます。3 図1.16 b.生物群集は個体群の中に存在し、個体群は生態系の中に存在する。4 B 6 D 8 C 10 C 12 B 14 D 16 解答はさまざまですが、科学的方法のステップを適用するべきです。1つの可能性は、車が始動しないというものかもしれません。その仮説は、バッテリーが死んでいるので車が始動しないということかもしれません。実験は、バッテリーを交換するか、バッテリーを充電してから車が始動するかどうかを確認することでしょう。もし車が動いたならば、問題はバッテリーによるものであり、その仮説は受け入れられます。18 解答はさまざまです。生物学研究の領域に入る話題には、病気が人体にどのように影響するか、汚染がある種の生息地にどのように影響するか、植物がその環境にどのように反応するかなどがあります。生物学(「生命の研究」)の外側にある話題には、変成岩がどのように形成されるかや、惑星軌道がどのように機能するかが含まれます。20 解答はさまざまです。堆積岩の層は階層を持っていますが、生きていません。技術は調節性を持つことができますが、それ自体では生きていません。22 あなたが歩いている間、あなたは発汗し始めるでしょう。それは、あなたの体を冷やして体内の温度を一定に保つのを助けます。あなたはまた、喉が渇いてくるため、冷たい飲み物を飲むために立ち止まるかもしれません。それは、発汗によって失われた水分を回復させるのに役立ちます。
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