家庭教師ファースト教育コラム理科・科学の雑学
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中学や高校で習う理科という科目は一般的に大きく分けて４つの物理、化学、生物、地学で構成されています。その中でも生物という教科は、私は非常に身近な科目だと思います。なぜなら、私たち自身もヒトという生物ですし、ペットを飼っている人がいればその動物も生物で、さらには目には見えていないだけで空気中にはたくさんの細菌という微生物が存在しているのです。
身近であるということはこの科目は学べば学ぶほど身の回りの謎が解けて楽しくなってくるでしょう。さて、今回はそんな生物学に関する身近にあるようで知らない話を紹介しようと思います。
それでは、まず身近な疑問について考えてみましょう。当たり前のことですが、私たちは毎日のように食物を食べています。
ではなぜ、食物を食べるのでしょうか？
実際普段生活している分にはこれに対する答えは食物を食べなければお腹がすくからでいいかもしれません。しかし、ではなぜ食物を食べなければお腹がすくのか？と聞かれると少し哲学的な話になってしまいそうですよね。
結論からいうと、お腹がすく理由は単純明快で、食物を食べなければ困るから、私たちが本能的に食物を食べたくなるようにお腹がすく身体になっているのです。
では、なぜ食物は私たちの身体に必要なのでしょうか？
それは、食物は私たちが生きていく上で必要なエネルギーを生むものだからです。
食物は主にタンパク質や脂肪、炭水化物でできています。俗に言う三大栄養素のことです。これらのものは消化器官で分解され、もっと小さな物質になってから身体に吸収されていきます。
この分解された小さな物質は、複数の化学反応を経由してさらに少しずつ分解されていくのですが、最終的には大まかに二酸化炭素と水素イオン、電子に分解されます。実はこの水素イオンと電子がエネルギーを生む鍵となっています。
ミトコンドリアという言葉を聞いたことがあるでしょうか？
これは細胞の中にある小器官なのですが、このミトコンドリアには内膜と外膜という２つの膜が存在しています。もともと、この水素イオンや電子は内膜でかこわれた領域のマトリクスというところに集められます。実は内膜というのは非常によくできた構造をしており、電子が結合することで水素イオンを外膜と内膜の間の膜間腔（まくかんくう）というところに汲み出すことができます。
すると、内膜を挟んで膜間腔側は水素イオンの濃度がどんどん高くなってきます。その際、水素イオンは濃度の高い膜間腔から濃度の低いマトリクスに移動しようとし、水素イオンの移動のエネルギーが、ATPという大きなエネルギーを持つ物質に変えられます。それが私たちのエネルギーの源になっているのです。
このように、私たちはなんとなく食事をしているだけであっても、身体の中では大変複雑な化学反応を経由して、原子レベルにまで分解されることにより、食物をエネルギーに変換しているのです。
2020年頃からの新型コロナウイルスのこともあり、最近ではウイルスという言葉をよく耳にすると思います。しかし、「ウイルスについて説明してください」といわれても、実際にはよくわかっていない人も多いと思います。
現にウイルスというのはそもそも細胞ですらできず、いってみれば、ただの物質のかたまりです。ですので、自分で子孫を増やすことは一切できません。そこで他の動物に増殖の手助けをしてもらうのです。
これが俗に言う「感染」です。
つまり、新型コロナウイルスも自分では増殖することができないので、私たちの細胞に侵入してその細胞を利用して増殖するのです。
この新型コロナウイルスの騒動でよく変異ウイルスと言う言葉を耳にすると思います。
「ニュースを見てまた変異したの？」と思っている人も多いと思います。どうしてこんなにすぐに変異を起こしてしまうのでしょう。
それは、ある意味でウイルスは生物として欠陥があるからです。通常細胞で構成されている生物は、そうそう簡単に変異しません。なぜなら、変異によって生物が有利になることは稀だからです。
失敗は成功のもとということわざがありますが、、日常生活では失敗することの方が多いことも事実です。成功につながるのはごく一部の失敗です。失敗が成功につながることは少ないので、一般的には生物の世界では「変異」という失敗を起こすことは打算的ではありません。それゆえ、通常は滅多に失敗しないような修復の系統が存在しています。
しかしウイルスの場合、途方もない速度で増殖します。失敗を数でカバーすることができます。それにより、絶えず欠陥のあるウイルスが生産されていても、通常のようにそのまま絶滅してしまうことはないので失敗を恐れる必要はありません。
それどころか、稀に起こった有利に変異したウイルスはその増殖力を武器に、今回の新型コロナウイルスの変異株のように圧倒的なスピードで増えていきます。ですから、ウイルスは現在に至るまで地球上で繁栄し続けているのです。
冒頭のところでも述べましたが、この空気中にはおびただしい数の微生物やウイルスがいます。目には見えませんが、実際身体の中に入ると悪さをします。
例えば、ウイルスは私たちの細胞の力を借りて増殖していると先ほど述べましたが、実は彼らは細胞の中で増殖するとそのまま細胞を突き破って外に出てしまいます。つまり、体内で増殖が広がれば広がるほど、私たちの身体の細胞は破壊されていくということです。もちろん、それを黙ってみているわけにはいきません。
そもそも病原体を身体の中に入れないということが重要です。そのために様々な工夫が私たちの身体には備わっています。
第一に皮膚は最も重要な防御システムといっても過言ではないでしょう。皮膚はとても頑丈なため、病原体を通しません。論より証拠に、皮膚が一部傷ついてしまうと、つまり怪我をしてしまうと、その部分にうみが出てきたりすることがあります。これは、病原体が身体に入った証拠です。このことからわかるように、私たちの身体は皮膚によって守られているのです。
次に、私たちの鼻や喉にある「粘膜」も物理的に病原体の侵入に役立っています。粘膜ではその名の通りネバネバした粘液で侵入者をからめとります。さらに、粘膜中にはせん毛と呼ばれる毛がいっぱい生えており、粘液に引っかかった病原体はせん毛によって身体の外に追い返されてしまいます。
この物理的な仕組みはある程度は役に立ちますが、完璧に防げるものではありません。その際に体内では免疫というシステムが作動し、病原体をやっつけようとします。大きく分けて、この免疫というのは自然免疫と獲得免疫に分けられます。
自然免疫はあらゆる種類の侵入者に対応しており、免疫に関わる細胞が侵入者に遭遇した際にその侵入者をやっつけるという仕組みです。いわゆる、パトロール部隊です。
一方で、獲得免疫というのは特定の侵入者に対してしか働かない仕組みになっています。この免疫は自然免疫で排除できなかった厄介な侵入者を身体が認識すると、身体中に手配状を出します。それを手にした特殊部隊のような細胞が一気に増殖して手配された侵入者を狙い撃ちにしてやっつけるといった仕組みです。
新型コロナウイルスのワクチンについてニュースなどでよく耳にするようになりましたが、そのワクチンは獲得免疫を助ける働きがあります。つまり、新型コロナウイルスを例にとると、ワクチンを摂取することによって身体は前もって新型コロナウイルスの手配状を用意することができるのです。新型コロナウイルスが身体に入ってから手配状を作成するのに比べて、より早期に特殊部隊の編成が可能となるのです。
私たち人間は目の前の景色を当然のようにカラーで認識し、綺麗な景色を見て感動することができています。しかし、人間以外の哺乳類には実はあまりカラフルに景色が見えていない動物が結構います。もしかしたら、そのような話を聞いたことがある人もいるかもしれません。
なぜ私たちはこれほどカラフルな視覚情報を得ることができているのでしょうか？実は、私たちの目は結構よくできた仕組みになっています。まず、外からの景色は「光の刺激という情報」として目の中に入ってきます。論より証拠に、真っ暗な光のない空間では何も見えません。色というのは光が物体の表面で反射して目に入ることでとらえられているのです。
目に入った光は、目の内部を占める透明な組織である硝子体（しょうしたい）というところを通過して、目の一番奥の部分にある網膜というところで受容されます。実はここに色彩をとらえるための鍵となる細胞が存在しています。この細胞のことをその形から「錐体細胞」（すいたいさいぼう）といいます。
この錐体細胞には３種類あります。１つは赤色の光を受容する細胞、もう一つは青色の光を受容する細胞、さらにもう一つは緑色の光を受容する細胞です。つまり、身近なところでいうと、それぞれの錐体細胞は光の三原色を受容することができるのです。私たちの視覚というのはこの３つの細胞の反応の組み合わせで色を感じることができます。
原理で言うとテレビや、スマートフォンなどの液晶と似たような仕組みです。これらも、細かく分解すると赤・青・緑の光の組み合わせで、人の顔や風景などの細かい色を表現しています。液晶に水滴などが付着した時にその部分だけ赤・青・緑色しか見えないという経験をした人も少なくないと思います。
実は私たちの目の網膜には錐体細胞が一切存在しない領域があります。その領域のことを「盲斑」（もうはん）といいます。この場所からは視神経という色覚情報を脳に伝える神経が出ているので、視細胞が存在するだけのスペースがないのです。
この盲斑は簡単に確認することができます。
用意するものは紙と黒のペンです。
まず、紙に×じるしとその右に１０センチほど空けて黒い点を書いてください。
そして、右目の正面に×じるしがくるように紙を置いて×じるしを注視し、左目をきっちり閉じてください。
そのまま、紙を遠ざけたり近づけたりするとある場所で黒い点が見えなくなるはずです。
その場所が右目の盲斑によって認識できない領域です。
私たち人間は多くの細胞で構成された多細胞生物と呼ばれています。しかし、祖先をたどれば実は１つの細胞でしか構成されていない、単細胞生物と呼ばれる生物だったといわれています。そのようなことを実感するのはほぼ不可能だと思います。どうしてそんな小さな生物が、私たちのような文字を使い、会話をする生物になりうるのかと疑問をいだくと思います。
「進化」という言葉を聞いたことがあるでしょうか？これは、生物が世代を経るにつれて、異なる生物に姿を変えることをいいます。もしかすると、ダーウィンの進化論の話は聞いたことがあるかもしれません。この微生物が私たちのような動物になるのはこの進化の積み重ねによるものだと考えられています。
では、どのようにして進化は起こるのでしょうか？
ウイルスの章でウイルスは変異を起こしやすいという話をしましたが、私たちもウイルスほどの速度ではないとはいえ、ごく稀に変異を起こします。この際、ほとんどの場合は生存に不利な子供ができてしまいますが、ごく稀に生存に有利な子供ができることがあります。（こちらもウイルスの章で話したのと同じことです。）この生存に有利な個体というのは他の個体に比べて強いので、生き残りで勝ち抜くことができます。そうすると、その強い個体はどんどん勢力を伸ばしていきます。
実は、進化というのはこの繰り返しが行われることなのです。
キリンを例に考えてみましょう。
大昔、キリンの先祖は実は「首はそれほど長くなかった」といわれています。では、そこからどのようにして首の長いキリンが誕生したのでしょうか？まずはじめに、変異によって首が少しだけ長い個体ができたとします。首の長い個体は低いところの葉っぱも高いところの葉っぱも食べることができますが、首の短い個体は高いところの葉っぱを食べることはできず、低いところの葉っぱをもっぱら食べます。すると、低いところの葉っぱがどんどんなくなってきますので、首の短い個体は餌不足におちいってしまいます。一方、首の長い個体はそんなことはつゆ知らず、高いところの葉っぱを食べ続けるので生き残ることができます。
これを何世代も繰り返していくと背の高い個体がどんどん繁栄していくため、最終的には、今のようにとても首の長いキリンのみが生き残ったというわけです。このプロセスのことを「自然選択」といいます。この自然選択はキリンに限った話ではなく、単細胞生物が多細胞生物に進化したことや、サルがヒトに進化したことにも同じことがいえます。
実は性別も前章で紹介した進化によって形作られたものなのです。「有性生殖」「無性生殖」という言葉を聞いたことがあるでしょうか？有性生殖は私たちのようにオスとメスの生殖細胞からその子供ができるというもの、無性生殖は分裂などによってコピーを作ることで子孫を増やすもののことをいいます。
性別が進化によってできたものであるとすると、この有性生殖は無性生殖に比べて有利なものであるということになります。本当にそうなのでしょうか？
実際、性別を持つことにはデメリットが多いように思います。例えば、性別を持つことで、子供を作れるのはメスだけになってしまうので、実質子供の数が半減してしまうような気もします。また、メスはオスと出会わなければ子供を作ることができないので、繁殖機会も無性生殖に比べると明らかに低いような気がします。
確かに、それは事実です。
しかし、有性生殖にはそのデメリットを上回るメリットが存在しています。
それは遺伝的に多様であるということです。
まず、無性生殖というのは基本的にはコピーの子供しかできません。つまり、１つの生物が分裂して２つ、さらに分裂して、４つ、８つとなって増えていってもすべて全く同じ性質を持つ生物になっています。つまり、彼らの遺伝子は「全く一緒」です。
一方、有性生殖では母と父の間をとったような子供ができますから、子供は親のコピーではありません。つまり、孫は２人のおばあちゃんと２人のおじいちゃんの間をとったような性質になり、ひ孫は４人のひいおばあちゃんと４人のひいおじいちゃんの間をとったような性質になります。すなわち、有性生殖では代を経るほどいろいろな遺伝的な性質を持った子供ができ、全く同じ遺伝子の個体はほとんどできることはありません。
これが、遺伝的に多様であるということです。
では、なぜこのことが有利に働くのでしょう。周囲の環境が大きく変わった時のことを考えてみてください。例えば、地球の温度が急に暑くなったとして、無性生殖の場合、子供は全て親のコピーだと話しました。もし、熱に弱い親が子供を作ったとすると、子供ももちろん熱に弱いはずです。すると、この環境の変化でこの親の子供は全滅してしまう可能性があります。
一方、有性生殖の場合は、子供は親のコピーではありません。ですので、もし母親が熱に弱かったにしても、父親が熱に強ければ、その子供はこの環境の変化で生き残ることができるかもしれません。すると、この母親の子孫が丸ごと全滅してしまうということはおそらくないでしょう。つまり、遺伝的に多様であるということは環境の変化にも対応しやすいということなのです。
この大きなメリットがあるため、先ほど述べたデメリットを含みつつも、性別を持った個体が概して有利になり繁栄していったのです。
生物学では個体、細胞内での生理的な現象や、進化の過程以外にも、ある環境内での生物同士の関わり方について考察した生態学といわれる分野が存在します。最後は、そんな生態学についてのお話をしたいと思います。
早速ですが、あなたは肉食動物がいなくなると草食動物は増えると思うでしょうか？そんなの増えるに決まっているじゃないかと思った人もいれば、案外そんなこともないかもしれないと思った人もいると思います。
まず、肉食動物がいなくなるともちろん天敵がいなくなるわけですから、最初は草食動物の数は急増します。
しかし、問題はここからです。
数が増えた草食動物は当然その地域の植物を摂取して生きてきたわけですから、そのまま植物を食べ尽くしてしまいます。すると、動物のわりに植物が少ないという状況におちいってしまいますよね。
さらに、草食動物が生育する土地の面積にも限りがありますから、草食動物の密度はかなり高い状態になってしまいます。その結果、縄張り争いなどが激化し、さらには、動物がひしめいている状態です。単位面積当たりの排泄物の量も多くなり衛生環境も劣悪なものになっていくことでしょう。
これらの原因により、数の増えた草食動物は飢餓、縄張り争いによる怪我、さらには劣悪な衛生環境がうんだ感染症などで数が減ってしまうでしょう。結果的に、肉食動物がいないからといって「草食動物が大繁栄するわけではない」と考えられます。
また、周囲の環境のことも考えてみましょう。
草食動物が木の根をかじれば、木は枯れてしまいます。その木にはもともと鳥が巣を作っていたり、昆虫が卵を産んでいたりと、他の動物も木に依存していたかもしれません。その際、草食動物の大増殖によって木が枯れてしまうと、当事者の草食動物以外の動物も数を減らしてしまいかねません。
つまり、肉食動物がいなくなっただけで草食動物はおろか、周囲の環境すべて生態系そのものに影響を与えてしまう可能性があるのです。肉食動物は一見、草食動物の数を減らしてしまっているようにみえて、実は生態系全体のバランスを管理していたのです。
このように、生態系のバランスというのは自然の摂理に基づいて絶妙に保たれています。ですので、ヒトの手が自然に加わるとそのバランスを崩してしまいかねません。最近では、外来種の持ち込みなどが問題になることが多いですが、これも本来いなかった外来種の捕食者が周囲の動物を食い荒らしてしまったり、在来種の捕食者が競争で外来種に負けて数を減らしてしまったりと環境に対する影響は計り知れません。
また、動物の持ち込みや狩猟などだけではなく、オゾン層の破壊や二酸化炭素濃度の上昇など環境に対する変化によっても同じです。特定の生物が有利になったり不利になったりしてしまうので、生態系のバランスが壊れてしまうと問題視されているのです。私たちは、きちんと環境に配慮して生活を営むことが生態系を守るためには大切なのです。
いかがだったでしょうか？
案外、考えたことはなかったけどいわれてみればそうなのか、というような話があったかもしれません。今回は幅広く生物学についての疑問点についてお話ししましたが、これは生物学のほんの一部の話です。本格的に生物学を勉強するともっと多くの疑問点が解消されることかと思います。
この文章を読んで、少しでも生物学という科目に興味を持ったという方がいるとうれしいです。
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現役医学部生ライター I
家庭教師ファースト登録家庭教師。京都大学医学部医学科在籍。中学受験と大学受験を経験。
家庭教師ファースト/株式会社エムズグラント
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