高校生物

第1章 生命とは何か

1-1. 生命の特徴

皆さんは、身の回りの様々なものを見て、それが生きているのか、それとも死んでいるのかを判断できますよね。では、一体何が「生きている」と言えるのでしょうか？

生命には、自己複製、代謝、反応といった特徴があります。

• 自己複製：自分と同じものを作り出す能力です。生物は子孫を残し、種を繋いでいきます。例えば、植物は種をまいて新しい植物を生み出し、動物は子供を産みます。
• 代謝：エネルギーを取り入れ、それを利用して活動し、成長します。人間はご飯を食べてエネルギーを得て、植物は光合成でエネルギーを作ります。
• 反応：環境の変化に対して、適応したり、反応したりする能力です。寒い冬には暖かい場所に移動したり、危険を察知して逃げたりするなど、生物は環境の変化に対応します。

1-2. 生物と非生物の違い

生物と非生物は何が違うのでしょうか？

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例えば、犬は細胞からできていて成長し、子犬を産みます。一方、石は細胞を持たず、成長もせず、子孫も残しません。

1-3. 生命の多様性

地球上には、実に様々な生物がいます。バクテリアのような小さなものから、クジラのような大きなものまで、その種類は数えきれません。これら全ての生物は、共通の祖先から進化してきたと考えられています。

なぜこんなにたくさんの種類の生物がいるのでしょうか？

それは、生物が環境に適応して進化してきたからです。例えば、寒い地域に住む動物は、暖かい地域に住む動物とは体のつくりが異なります。これは、寒い環境で生き抜くために、長い年月をかけて体が変化してきたからです。

まとめ

• 生命は、自己複製、代謝、反応といった特徴を持つ。
• 生物と非生物は、細胞の有無、成長、繁殖、代謝といった点で異なる。
• 地球上には、様々な種類の生物が存在し、それらは共通の祖先から進化してきた。

深掘り：ウイルスは生物？

ウイルスは、非常に小さなもので、生物と非生物の境目のような存在です。ウイルスは、自分自身で増殖することができませんが、他の生物の細胞の中に入り込み、その細胞を使って増殖します。

ウイルスは、生物の特徴の一部を持っているため、生物と考える人もいます。しかし、ウイルスは細胞を持たず、代謝もできないため、生物ではないと考える人もいます。

ウイルスは生物か非生物か、という問いは、生物の定義をどのように考えるかによって答えが異なります。

考えてみよう

• あなたは、ウイルスを生物だと思いますか？それとも非生物だと思いますか？
• 新しい種類の生物を発見したら、どのように分類すると思いますか？
• 地球以外の星に生命が存在するとしたら、どんな姿をしていると思いますか？

次に学ぶこと

次の章では、生物の最小単位である細胞について詳しく学びます。細胞の構造や働き、細胞分裂など、生命の神秘に迫っていきます。

第2章 細胞：生命の単位

2-1. 細胞の構造と機能

皆さんは、レゴブロックで様々なものを組み立てたことがあるでしょうか？生物も、小さなブロックのような「細胞」というパーツを組み合わせて作られています。全ての生物は、この細胞からできています。

細胞の構造

細胞の中には、それぞれ役割を持った様々な部分があります。

• 細胞膜: 細胞の外側を覆っている膜で、細胞の中身を守り、外との物質のやり取りを調節しています。
• 細胞質: 細胞膜の内側にある、ゼリー状の部分です。様々な細胞小器官が含まれており、ここで様々な化学反応が行われます。
• 核: 細胞の中心にある、丸い部分です。遺伝情報（DNA）が含まれており、細胞の設計図のようなものです。
• ミトコンドリア: 細胞のエネルギー工場です。食物から得たエネルギーをATPというエネルギー通貨に変換しています。
• 葉緑体: 植物細胞にしかない細胞小器官で、光合成を行い、光エネルギーを化学エネルギーに変換します。

細胞の機能

細胞は、それぞれの役割を果たすことで、生物を生きています。

• 物質の輸送: 細胞膜を通して、細胞内外で物質のやり取りが行われます。
• エネルギー生産: ミトコンドリアでATPが生産され、細胞の活動に必要なエネルギーが供給されます。
• タンパク質合成: 核に含まれる遺伝情報に基づいて、タンパク質が合成されます。タンパク質は、酵素や構造タンパク質など、様々な役割を果たします。
• 細胞分裂: 細胞は分裂を繰り返すことで増殖します。

2-2. 細胞分裂

細胞は、大きくなると分裂して数を増やします。この細胞の増殖は、生物の成長や再生に不可欠です。

細胞分裂の種類

• 体細胞分裂: 体を構成する細胞が増えるときに起こる分裂です。
• 生殖細胞分裂: 生殖細胞（精子や卵子）を作るための分裂です。

細胞分裂の過程

細胞分裂は、DNAの複製、染色体の分配、細胞質の分割など、いくつかの段階を経て行われます。

2-3. 細胞のエネルギー代謝

細胞は、生きていくためにエネルギーが必要です。このエネルギーは、主にATPという物質の形で貯えられ、利用されます。

ATPの合成

• 呼吸: 細胞が有機物を分解し、そのエネルギーを使ってATPを合成する過程です。
• 光合成: 植物が光エネルギーを利用して、二酸化炭素と水から有機物を合成し、その過程でATPを合成します。

ATPの利用

• 物質の合成: タンパク質や核酸などの合成に利用されます。
• 物質の輸送: 細胞膜を通した物質の輸送に利用されます。
• 運動: 筋肉の収縮など、細胞の運動に利用されます。

まとめ

• 細胞は、生物の最小単位であり、様々な構造と機能を持っています。
• 細胞分裂によって、生物は成長し、増殖します。
• 細胞は、ATPというエネルギーを使って様々な活動を行っています。

ポイント

• 細胞は、レゴブロックのように、様々なパーツが組み合わさってできています。
• 細胞の構造と機能は、生物の種類によって異なります。
• 細胞分裂は、生物の成長と繁殖に不可欠です。

深掘り

• 細胞の中には、ミトコンドリア以外にも、ゴルジ体、小胞体など、様々な細胞小器官が存在します。
• 細胞分裂には、がん細胞の増殖との関連も深い。
• 細胞のエネルギー代謝は、生物の進化と深く関わっている。

次の章では、遺伝子について学びます。

第3章 遺伝：生命の設計図

3-1. 遺伝子の構造と働き

皆さんは、家族の誰かに似ているところがあると感じることはありませんか？目の色や髪の毛の色、身長など、私たちは両親から遺伝子を受け継ぎ、その特徴を備えています。この遺伝子こそが、私たち生命の設計図なのです。

遺伝子とは？

遺伝子は、DNAと呼ばれる物質の一部です。DNAは、まるでねじれたはしごのような形をしていて、このはしごの段々部分に遺伝情報が書き込まれています。この遺伝情報が、私たちの体の作りや働きを決定しているのです。

遺伝子の働き

遺伝子は、タンパク質を作るための設計図のようなものです。タンパク質は、私たちの体の様々な部分を作ったり、生命活動に必要な働きをしたりしています。例えば、筋肉を動かすタンパク質、酵素と呼ばれる化学反応を促すタンパク質など、様々な種類のタンパク質があります。

3-2. 遺伝の法則

遺伝の法則とは、親から子へ遺伝子がどのように伝わるのかを説明する法則です。メンデルという科学者が、エンドウ豆の実験を通して見つけた法則が有名です。

メンデルの法則

• 優性の法則: ある形質（例えば、エンドウ豆の色）を決める遺伝子には、優性と劣性の2種類がある。優性の遺伝子を持つと、その形質が現れる。
• 分離の法則: 生殖細胞を作る際、対になった遺伝子は分離し、それぞれの生殖細胞に1つずつだけ含まれる。
• 独立の法則: 異なる形質を決める遺伝子は、互いに独立して遺伝する。

3-3. DNAと遺伝子

DNAの構造

DNAは、4種類の塩基と呼ばれる物質（A, T, G, C）が組み合わさってできています。この塩基の並び方が、遺伝情報を表しています。

DNAの複製

細胞分裂の際には、DNAは正確に複製され、新しい細胞に伝えられます。この複製によって、遺伝情報が子孫に受け継がれます。

遺伝子とタンパク質の関係

DNAの特定の配列が一つの遺伝子を構成します。遺伝子の情報は、まずメッセンジャーRNA（mRNA）に転写され、その後、リボソームという細胞小器官でタンパク質に翻訳されます。

まとめ

• 遺伝子は、DNAの一部であり、生物の設計図である。
• 遺伝子は、タンパク質の合成を指示することで、生物の体の作りや働きを決定する。
• メンデルの法則は、遺伝の基礎的な法則である。
• DNAは、細胞分裂の際に複製され、子孫に遺伝情報が伝えられる。

深掘り

• 遺伝子変異: 遺伝子に変化が起こることを遺伝子変異といいます。遺伝子変異は、新しい生物の誕生や病気の原因となることがあります。
• 遺伝子工学: 人工的に遺伝子を操作する技術です。遺伝子組み換え食品や遺伝子治療など、様々な分野で応用されています。

考えてみよう

• あなたの家族には、あなたによく似た人がいますか？それはなぜだと思いますか？
• 一卵性双生児と二卵性双生児では、遺伝子がどのように違うのでしょうか？
• 遺伝子操作は、私たちの生活をどのように変える可能性があるでしょうか？

次に学ぶこと

次の章では、生物の多様性と進化について学びます。

第4章 生物多様性と進化

4-1. 生物分類

地球上には、数えきれないほどの種類の生物が生息しています。これらの生物を、特徴に基づいてグループ分けすることを生物分類といいます。

なぜ生物を分類するのか？

生物を分類することで、生物同士の関係性を理解しやすくなります。例えば、人間は哺乳類に分類されますが、これは人間が他の哺乳類と共通の祖先を持ち、似たような特徴を持っていることを意味します。

生物分類の単位

生物は、大きなグループから小さなグループへと、次のように分類されます。

• 界：生物を大きく分ける単位です。動物界、植物界、菌界などがあります。
• 門：界をさらに細かく分けた単位です。脊椎動物門、軟体動物門などがあります。
• 綱：門をさらに細かく分けた単位です。哺乳綱、鳥綱などがあります。
• 目：綱をさらに細かく分けた単位です。ネコ目、霊長目などがあります。
• 科：目をさらに細かく分けた単位です。ネコ科、犬科などがあります。
• 属：科をさらに細かく分けた単位です。ネコ属、イヌ属などがあります。
• 種：生物を分類する最も基本的な単位です。

4-2. 進化の証拠

生物は、長い年月をかけて少しずつ変化し、新しい種類へと進化してきました。この進化を裏付ける証拠には、以下のようなものがあります。

化石

過去の生物の遺骸や痕跡が、地層の中に保存されたものです。化石を調べることで、過去の生物の姿や、生物がどのように変化してきたかを推測することができます。

比較解剖学

異なる種類の生物の体の構造を比較することで、共通の祖先を持つ生物同士は、基本的な体の構造が似ていることが分かります。例えば、人間の腕とクジラのひれは、骨の数が同じで、基本的な構造が似ています。これは、人間とクジラが共通の祖先を持つことを示唆しています。

分子生物学

DNAの塩基配列を比較することで、生物同士の遺伝的な近さを調べることができます。DNAの配列が似ている生物ほど、近い祖先を持つと考えられます。

4-3. 自然選択説

自然選択とは、環境に適応した形質を持つ個体がより多くの子孫を残し、その結果、集団全体の形質が変化していくという考え方です。

自然選択の仕組み

1. 個体変異: 同じ種の個体でも、少しずつの違いがあります。
2. 生存競争: 生物は、限られた資源を求めて競争します。
3. 適者生存: 環境に適応した形質を持つ個体が、より多くの子孫を残します。
4. 遺伝: 適応した形質は、子孫に遺伝し、集団全体に広がっていきます。

自然選択の例

例えば、ある島に生息する昆虫が、ある色の花しか食べないとします。この昆虫の中で、その花の色と同じ色の体を持つ個体の方が、他の色の個体よりも目立たずに捕食されにくく、多くの子孫を残すことができます。結果として、その島の昆虫は、その花の色と同じ色に変化していく可能性があります。

まとめ

• 生物は、様々な種類に分かれており、それらは分類によって整理される。
• 生物は、長い年月をかけて進化してきた。
• 進化の証拠には、化石、比較解剖学、分子生物学などがある。
• 自然選択は、進化の原動力の一つである。

深掘り

• 適応放散: 共通の祖先から、異なる環境に適応して様々な種類に分かれることを適応放散といいます。
• 収斂進化: 異なる祖先を持つ生物が、似たような環境に適応して、似たような形質を獲得することを収斂進化といいます。
• 進化の速度: 進化の速度は、環境の変化や生物の種類によって異なります。

考えてみよう

• あなたの身の回りにある生物を、いくつかのグループに分類してみてください。
• 化石から、どんなことがわかると思いますか？
• 自然選択は、全ての進化のメカニズムを説明できるでしょうか？

次に学ぶこと

次の章では、微生物について学びます。

第5章 植物の生活

5-1. 植物の体のつくり

植物は、私たち人間とは異なる体のつくりをしています。でも、それぞれの部分がそれぞれ大切な役割を果たしているのです。

根

植物の根は、土の中に伸びて、植物を支え、水や養分を吸収する役割をしています。根の先には、根毛と呼ばれる小さな毛がたくさん生えていて、これが水の吸収を助けています。

茎

茎は、根から吸収した水や養分を葉へ運び、葉で作られた養分を植物の体のすみずみへ運ぶ役割をしています。また、茎は植物を支え、葉を太陽の光の方へ向ける役割もしています。

葉

葉は、植物の工場です。葉緑体と呼ばれる小さな粒がたくさん含まれていて、ここで光合成が行われます。光合成とは、太陽の光エネルギーを使って、二酸化炭素と水から、植物の栄養となるデンプンを作り出すはたらきです。

5-2. 光合成

光合成は、地球上の生命を支えるとても重要なはたらきです。植物は、光合成によって自分自身で栄養を作り出すことができるため、他の生物の食料源となります。

光合成に必要なもの

• 二酸化炭素: 空気中から葉の気孔を通して取り込まれます。
• 水: 根から吸収されます。
• 光: 太陽の光エネルギーが利用されます。
• 葉緑体: 葉緑体の中で光合成が行われます。

光合成の式

二酸化炭素 + 水 + 光エネルギー → デンプン + 酸素

5-3. 植物の生殖

植物は、種子や胞子を作って子孫を増やします。

種子

種子は、新しい植物の赤ちゃんのようなものです。種子の中には、小さな芽と養分が蓄えられています。種子は、風や水、動物などによって運ばれ、新しい場所で芽を出します。

胞子

胞子は、種子よりも小さなもので、コケ植物やシダ植物などに見られます。胞子は、風に乗って遠くまで運ばれ、新しい場所で発芽します。

花

多くの植物は、花を咲かせます。花は、植物の生殖器官です。花の中には、おしべとめしべがあり、おしべの花粉がめしべにつくことで受粉が行われます。受粉後、めしべの中の胚珠が種子に発達し、子房が果実に発達します。

まとめ

植物は、根、茎、葉といった器官を持ち、それぞれが重要な役割を果たしています。光合成によって、植物は自ら栄養を作り出し、地球上の生態系を支えています。また、種子や胞子によって子孫を増やし、種を繋いでいきます。

深掘り

• 維管束植物: 根、茎、葉に維管束（道管と師管）を持つ植物です。
• 裸子植物: 種子植物の一種で、種子がむき出しになっている植物です。（例：マツ、スギ）
• 被子植物: 種子植物の一種で、種子が果実の中に包まれている植物です。（例：バラ、リンゴ）
• 植物ホルモン: 植物の生長を調節する物質です。

考えてみよう

• 植物の葉はなぜ緑色をしているのでしょうか？
• 光合成ができない場所で育つ植物はいるのでしょうか？
• 植物はどのようにして水を吸収するのでしょうか？

次に学ぶこと

次の章では、動物の体のつくりや、動物の行動について学びます。

第6章 動物の生活

6-1. 動物の体のつくり

動物は、様々な環境に適応するために、それぞれ特徴的な体を持っています。

動物の体の基本構造

多くの動物の体は、頭、胴、四肢の３つの部分から構成されています。

• 頭: 脳や感覚器が集まっており、外界の情報を受け取り、体の動きをコントロールする中心的な役割を果たします。
• 胴: 消化器官、循環器、呼吸器など、生命維持に必要な器官が集まっています。
• 四肢: 移動するための器官です。歩く、走る、飛ぶ、泳ぐなど、動物の種類によって様々な動きに対応しています。

動物の体の特徴

動物の種類によって、体の特徴は大きく異なります。

• 魚類: ひれを使って水中を泳ぎ、エラで呼吸します。
• 両生類: 幼生期は水中、成体期は陸上と水中両方の生活を送ります。
• 爬虫類: 乾燥した環境に適応し、硬い鱗で体を覆っています。
• 鳥類: 前肢が翼に進化し、空を飛ぶことができます。
• 哺乳類: 体毛で体を覆い、恒温動物で、子供に乳を飲ませます。

6-2. 動物の行動

動物は、様々な行動を行います。これらの行動は、生存や繁殖のために必要不可欠です。

行動の種類

• 摂食行動: 食べ物を探し、食べる行動です。
• 防衛行動: 敵から身を守るための行動です。
• 繁殖行動: 子孫を残すための行動です。
• 社会行動: 他の個体と協力したり、競争したりする行動です。

行動の仕組み

動物の行動は、刺激と反応によって起こります。例えば、犬がエサの匂いを嗅ぎつけると、それが刺激となり、エサに向かって走るという反応を示します。

6-3. 動物の生殖

動物は、様々な方法で子孫を残します。

生殖の方法

• 卵生: 卵を産んで繁殖する方法です。鳥類や爬虫類などが代表的です。
• 胎生: 母親の体内で胎児が育ち、出産によって生まれる方法です。哺乳類が代表的です。
• 卵胎生: 卵を体内で孵化させ、幼体を産む方法です。一部の魚類や爬虫類に見られます。

生殖のサイクル

多くの動物は、一定の周期で生殖行動を行います。この周期を繁殖期といいます。繁殖期には、ホルモンの分泌が活発になり、求愛行動や巣作りなどの行動が見られます。

まとめ

動物は、それぞれの環境に適応した体の構造を持ち、様々な行動を行います。これらの行動は、生存や繁殖のために必要不可欠です。

深掘り

• 動物の感覚: 動物は、五感だけでなく、様々な感覚を使って外界の情報を得ています。
• 動物の学習: 動物は、経験を通して学習し、行動を変化させることができます。
• 動物の社会: 群れを作って生活する動物もいれば、単独で生活する動物もいます。

考えてみよう

• あなたの好きな動物は、どんな特徴を持っていますか？
• 動物の行動には、どのような意味があるのでしょうか？
• ペットを飼っている人は、ペットの行動を観察してみてください。

次に学ぶこと

次の章では、微生物について学びます。

第1章 生態系

1-1. 生態系の構造

生態系とは、ある一定の地域に生息する全ての生物と、それらが生活する環境との関係を指します。例えば、森、湖、草原などが生態系の例です。

生態系は、大きく分けて生物的な要素と非生物的な要素から構成されています。

• 生物的な要素: 植物、動物、微生物など、生きている全ての生物です。
• 非生物的な要素: 太陽光、水、土壌、温度、湿度など、生物が生活する環境を構成する非生物的な要素です。

これらの要素が相互に影響し合い、一つのまとまったシステムとして機能しています。

生態系の構成要素

• 生産者: 植物のように、光合成によって有機物を作り出す生物です。生態系のエネルギーの源です。
• 消費者: 植物を食べる草食動物や、他の動物を食べる肉食動物など、生産者や他の消費者を食べ、エネルギーを得る生物です。
• 分解者: バクテリアや菌類など、死んだ生物の遺体を分解し、無機物に戻す生物です。

1-2. 生態系の物質循環とエネルギーの流れ

生態系の中では、物質とエネルギーが絶えず循環しています。

• 物質循環: 生態系内の物質は、生物と環境の間を循環しています。例えば、植物が光合成で取り込んだ二酸化炭素は、動物が呼吸によって排出したり、死んで分解されることで土壌に戻ったりします。
• エネルギーの流れ: 生態系のエネルギーは、太陽光から始まり、生産者、消費者、分解者へと一方的に流れていきます。エネルギーは、生物の活動によって熱エネルギーに変換され、宇宙空間に失われていくため、再利用されることはありません。

食物連鎖と食物網

生態系における生物間の食べる・食べられるの関係を食物連鎖といいます。食物連鎖は、生産者から一次消費者、二次消費者、三次消費者へとつながっていきます。 複数の食物連鎖が複雑に絡み合ったものを食物網といいます。

1-3. 生態系のバランス

生態系は、長い年月をかけてバランスを保ってきました。しかし、人間の活動などによって、このバランスが崩れることがあります。

生態系のバランスが崩れる原因

• 森林伐採: 生息地の破壊により、多くの生物が絶滅の危機に瀕しています。
• 水質汚染: 水質が悪化することで、水中の生物が死に絶え、生態系が破壊されます。
• 外来種の侵入: 外来種が新たな環境に定着し、在来種を駆逐してしまうことがあります。

生態系のバランスを保つために

• 自然保護: 自然環境を保護し、生物の多様性を保つことが重要です。
• リサイクル: ゴミを減らし、資源を循環させることで、環境負荷を軽減できます。
• 環境教育: 環境問題について学び、一人ひとりが環境保護に取り組むことが大切です。

まとめ

生態系は、生物と環境が相互に作用し合い、一つのまとまったシステムとして機能しています。生態系のバランスは、地球上の全ての生命にとって非常に重要です。

深掘り

• 生態系の安定性: 生態系は、外からの影響を受けても、ある程度の安定性を保とうとする働きを持っています。
• 生態系の回復力: 生態系は、ある程度のダメージを受けても、元の状態に戻ろうとする能力を持っています。
• キーストーン種: 生態系の中で、他の多くの生物の生存に大きな影響を与える種をキーストーン種といいます。

考えてみよう

• あなたの家の周りには、どんな生態系がありますか？
• 生態系のバランスが崩れると、私たち人間にどのような影響があるでしょうか？
• あなたは、生態系の保全のために、どのようなことができるでしょうか？

次に学ぶこと

次の章では、遺伝子について学びます。

第2章 遺伝子と遺伝情報

2-1. 遺伝子の発現

遺伝子は、単に体の中に存在しているだけではなく、実際に働いて私たちの体を形作ったり、様々な機能を働かせたりしています。この遺伝子が働くことを、遺伝子の発現といいます。

遺伝子の発現の仕組み

遺伝子は、DNAという物質でできています。DNAの特定の配列が、一つの遺伝子に対応しています。遺伝子の情報は、まずメッセンジャーRNA（mRNA）と呼ばれる分子に写し取られます。これを転写といいます。次に、このmRNAの情報を元に、リボソームという細胞小器官でタンパク質が合成されます。これを翻訳といいます。

タンパク質の役割

タンパク質は、私たちの体の構造を支えたり、酵素として化学反応を促進したり、ホルモンとして情報を伝達したりと、様々な役割を果たしています。

2-2. 遺伝子の突然変異

遺伝子は、様々な要因によって変化することがあります。この変化を遺伝子の突然変異といいます。

突然変異の原因

• 複製エラー: DNAが複製される際に、まれに誤りが起こることがあります。
• 放射線: X線や紫外線などの放射線によって、DNAが損傷することがあります。
• 化学物質: 発がん性物質など、特定の化学物質がDNAを傷つけることがあります。

突然変異の影響

突然変異は、必ずしも悪い影響をもたらすわけではありません。

• 有害な突然変異: 遺伝子の機能が失われたり、異常なタンパク質が作られたりして、病気の原因となることがあります。
• 中立的な突然変異: 表現型に変化が現れない、あるいは、生存や繁殖に影響を与えない突然変異です。
• 有利な突然変異: 環境の変化に対応できるような新しい形質をもたらし、進化の原動力となることがあります。

2-3. 遺伝子操作

遺伝子操作とは、人工的に遺伝子を改変する技術です。

遺伝子操作の手法

• 遺伝子の切り貼り: 特定の遺伝子を他の生物の遺伝子に組み込むことで、新しい性質を持った生物を作ることができます。
• 遺伝子の破壊: 特定の遺伝子を壊すことで、その遺伝子の働きを調べたり、新しい品種を作出したりすることができます。

遺伝子操作の応用

• 医薬品生産: インスリンや成長ホルモンなどの医薬品を、遺伝子組み換え技術を用いて大腸菌などの微生物に作らせることができます。
• 農作物の改良: 病害虫に強く、収穫量の多い作物を作り出すことができます。
• 遺伝子治療: 遺伝子の異常によって引き起こされる病気の治療に利用される可能性があります。

まとめ

遺伝子は、生物の設計図であり、その発現によって生物の様々な形質が決定されます。遺伝子には突然変異が起こることがあり、それが進化の原動力となることもあります。遺伝子操作は、医療や農業など、様々な分野で応用されています。

深掘り

• 遺伝子と環境: 遺伝子は、生物の性質を決定する上で重要な役割を果たしますが、環境もまた、生物の表現型に大きな影響を与えます。
• エピジェネティクス: DNAの塩基配列の変化を伴わずに、遺伝子の発現が変化する現象です。
• ゲノム編集: CRISPR-Cas9などの技術を用いて、DNAの特定の部位を正確に改変する技術です。

考えてみよう

• クローン技術とは何ですか？
• 遺伝子組み換え食品は、安全なのでしょうか？
• 将来的に、遺伝子操作技術はどのように発展していくと考えられますか？

次に学ぶこと

次の章では、生物の多様性と進化について学びます。

第3章 生物の発生

3-1. 受精と発生

受精とは？

受精とは、精子と卵子が結合し、新しい生命が誕生する瞬間のことです。精子と卵子、それぞれに半分ずつ含まれていた遺伝子が組み合わされることで、全く新しい遺伝子を持った個体が誕生します。

発生とは？

受精卵が成長し、親と同じような形をした個体になるまでの過程を発生といいます。受精卵は、分裂を繰り返し、細胞の数が増えていきます。そして、それぞれの細胞が特定の役割を持つようになり、様々な器官が形成されていきます。

3-2. 発生の過程

卵割

受精卵は、何度も分裂を繰り返して細胞の数を増やしていきます。この細胞分裂を卵割といいます。卵割によってできた細胞を胚細胞といいます。

胞胚期

卵割が進むと、細胞が球状に集まり、中空の球状の構造になります。この段階を胞胚期といいます。

胚葉形成

胞胚期が終わると、胚細胞は移動し、異なる種類の細胞に分化し始めます。この過程を胚葉形成といいます。主に、外胚葉、中胚葉、内胚葉の3つの胚葉に分化します。

• 外胚葉: 表皮、神経系などに分化します。
• 中胚葉: 筋肉、骨、血液などに分化します。
• 内胚葉: 消化管、呼吸器などに分化します。

器官形成

各胚葉の細胞は、さらに分化を繰り返して、それぞれの器官を形成していきます。

変態

一部の動物では、幼生と成体で姿が大きく異なる場合があります。この変化を変態といいます。例えば、カエルのオタマジャクシがカエルになる過程が変態の代表的な例です。

3-3. 発生の調節

発生は、遺伝子の働きによって厳密に制御されています。

遺伝子の働き

それぞれの細胞に含まれる遺伝子の働きによって、細胞は特定の種類に分化し、特定の器官を形成します。

形態形成場

発生において、周囲の細胞の分化を誘導する働きを持つ領域を形態形成場といいます。例えば、カエルの発生において、原口背唇部という部分が形態形成場として働き、神経系の形成を誘導します。

まとめ

発生は、受精卵から個体が形成されるまでの複雑な過程です。遺伝子の働きや、細胞間の相互作用によって、一つの細胞から多様な器官を持つ個体が作られます。

深掘り

• 幹細胞: 様々な種類の細胞に分化できる能力を持つ細胞です。
• 再生医療: 幹細胞を用いて、損傷した組織や器官を再生させる医療です。
• 発生異常: 発生の過程で異常が起こると、先天性の病気の原因となることがあります。

考えてみよう

• 一卵性双生児と二卵性双生児の違いは何ですか？
• クローン技術とは何ですか？
• 発生の過程で、遺伝子がどのようにして体の設計図を読み解いているのでしょうか？

次に学ぶこと

次の章では、微生物について学びます。

第4章 動物の生理

4-1. 呼吸

動物は生きていくために、酸素を体内に取り込み、二酸化炭素を排出する必要があります。この一連の活動を呼吸といいます。

呼吸の仕組み

• 肺呼吸: 人や哺乳類のように、肺を使って呼吸する動物がいます。肺は、肺胞と呼ばれる小さな袋がたくさん集まってできており、ここで酸素と二酸化炭素の交換が行われます。
• 鰓呼吸: 魚のように、エラを使って呼吸する動物がいます。エラには、たくさんの毛細血管が走り、水中の溶け込んだ酸素を吸収し、二酸化炭素を排出します。
• 気管呼吸: 昆虫のように、気管と呼ばれる管を使って呼吸する動物がいます。気管は体の各組織にまで張り巡らされ、空気中の酸素を直接細胞に届けます。

呼吸の過程

1. 空気を肺に取り込む（吸気）
2. 肺胞で酸素と二酸化炭素の交換が行われる
3. 二酸化炭素を肺から排出する（呼気）

4-2. 循環

体内に取り込まれた酸素や栄養分は、体中の細胞に運ばれなければなりません。また、細胞で発生した老廃物は、体外に排出する必要があります。この物質の輸送を担っているのが循環器系です。

循環器系の主な器官

• 心臓: 血液を全身に送り出すポンプの役割を果たします。
• 血管: 血液が流れる管です。動脈、静脈、毛細血管の3種類があります。
• 血液: 酸素や栄養分、老廃物を運ぶ液体です。

4-3. 消化

食べ物を体内に取り込み、栄養分を吸収し、不要なものを排出する一連の過程を消化といいます。

消化器官

• 口腔: 食べ物を噛み砕き、唾液と混ぜ合わせる。
• 食道: 咽頭から胃へと食べ物を運ぶ。
• 胃: 食べ物を一時的に貯蔵し、胃液で消化する。
• 小腸: 栄養分の吸収が行われる。
• 大腸: 水分を吸収し、残った食物繊維などを排泄する。

消化の過程

1. 消化: 食べ物が消化酵素によって分解される。
2. 吸収: 分解された栄養分が、小腸から血液中に吸収される。
3. 排泄: 消化されなかった食物繊維や水分は、大腸から便として排出される。

4-4. 排泄

体内で生じた老廃物や余分な水分を体外に排出する過程を排泄といいます。

排泄器官

• 腎臓: 血液中の老廃物をろ過し、尿を生成する。
• 尿道: 尿を体外に排出する。
• 皮膚: 汗腺から汗を分泌し、水分や塩分を排出する。

4-5. 神経系と感覚器

神経系は、体の内外からの情報を感知し、それらの情報に基づいて身体を制御する役割を果たします。

神経系の構成

• 中枢神経系: 脳と脊髄からなり、体の司令塔の役割を果たします。
• 末梢神経系: 中枢神経系と体の各部分をつなぐ神経の集まりです。

感覚器

• 目: 光を感知し、視覚情報を脳に伝えます。
• 耳: 音を感知し、聴覚情報を脳に伝えます。
• 鼻: 匂いを感知し、嗅覚情報を脳に伝えます。
• 舌: 味を感知し、味覚情報を脳に伝えます。
• 皮膚: 触覚、温覚、冷覚などを感知します。

まとめ

動物は、呼吸、循環、消化、排泄といった生命維持活動を行い、神経系と感覚器によって外界と情報をやり取りしながら生きています。これらの生理機能は、動物の種類によって様々な特徴があります。

深掘り

• 内分泌系: ホルモンを分泌し、体の機能を調節する系です。
• 恒温動物と変温動物: 体温を一定に保つ恒温動物と、外界の温度に合わせて体温が変化する変温動物があります。
• 神経伝達物質: 神経細胞間の情報伝達を担う物質です。

考えてみよう

• なぜ、運動すると呼吸が速くなるのでしょうか？
• 腎臓が働かなくなると、どのようなことが起こるでしょうか？
• 感覚器がなければ、私たちはどのような生活を送ることになるでしょうか？

次に学ぶこと

次の章では、微生物について学びます。

第5章 植物の生理

植物は、動物とは異なり、自ら動き回ることができません。しかし、光に向かって葉を広げたり、根を土中に伸ばしたりと、環境に合わせて様々な活動をしています。これらの活動は、植物の体の中で様々な生理現象が起こっているからです。

5-1. 水の吸収と輸送

植物は、根から水を吸収し、茎や葉へと運んでいます。

水の吸収

• 根毛: 根の先端には、根毛と呼ばれる細かい毛がたくさん生えています。この根毛が、土壌中の水を吸収する役割を果たします。
• 浸透圧: 土壌中の水は、根の細胞よりも濃度が低いため、浸透圧によって根の細胞内に水が移動します。

水の輸送

• 導管: 根から吸収された水は、導管と呼ばれる管を通って、茎や葉へと運ばれます。導管は、植物体の中を縦に走る長い管で、水は毛細管現象によって上昇します。
• 蒸散: 葉の気孔から水が蒸発する現象を蒸散といいます。蒸散によって、植物体内の水が常に上に引き上げられ、根から水が吸収される力が生まれます。

5-2. 無機塩類の吸収

植物は、水とともに、土壌中の窒素、リン、カリウムなどの無機塩類も吸収します。これらの無機塩類は、植物の生長に必要不可欠な栄養素です。

無機塩類の吸収

• 能動輸送: 無機塩類は、濃度が低い土壌から、濃度の高い根の細胞内に輸送される必要があります。このとき、細胞はエネルギーを使って、積極的にイオンを吸収する能動輸送が行われます。

5-3. 植物ホルモン

植物の生長や発育を調節する物質を植物ホルモンといいます。

代表的な植物ホルモン

• オーキシン: 茎の伸長、根の伸長、果実の発育などを促進します。
• ジベレリン: 種子の発芽、茎の伸長を促進します。
• サイトカイニン: 細胞分裂を促進し、老化を遅らせます。
• エチレン: 果実の成熟を促進し、葉の老化を促進します。
• アブシジン酸: 生長を抑制し、休眠を誘導します。

植物ホルモンの働き

植物ホルモンは、非常に微量な物質ですが、植物の生長や発育に大きな影響を与えます。例えば、光の方向に向かって茎が伸びる屈光性は、オーキシンが不均一に分布することによって起こります。

まとめ

植物は、根から水を吸収し、茎や葉に運ぶことで、光合成に必要な水や無機塩類を得ています。また、植物ホルモンは、植物の生長や発育を調節する重要な役割を果たしています。

深掘り

• 蒸散作用: 蒸散は、植物の体温調節にも重要な役割を果たしています。
• 向性運動: 植物が外部からの刺激に応じて、特定の方向に成長する現象です。
• 植物の応答: 植物は、光、重力、温度などの環境変化に様々な方法で応答します。

考えてみよう

• 植物はなぜ水を必要とするのでしょうか？
• 植物はどのようにして光の方に向かって成長するのでしょうか？
• 植物ホルモンは、私たちの生活にどのように役立っているのでしょうか？

次に学ぶこと

次の章では、動物の生理について学びます。

第1章 微生物

1-1. 細菌、ウイルス、真菌

私たちの周りには、肉眼では見えない小さな生き物がたくさんいます。これらを総称して微生物と呼びます。微生物には、細菌、ウイルス、真菌など、様々な種類があります。

細菌

• 特徴: 単細胞の小さな生物で、細胞壁を持ちます。
• 種類: 大腸菌、乳酸菌、納豆菌など、様々な種類が存在します。
• 役割: 土壌中の有機物を分解したり、食品の発酵に関わったりします。

ウイルス

• 特徴: 他の生物の細胞内に寄生し、その細胞を使って増殖する感染性の粒子です。
• 構造: 遺伝物質（DNAまたはRNA）とそれを包むたんぱく質の殻から構成されています。
• 種類: インフルエンザウイルス、HIVなど、様々な種類が存在します。

真菌

• 特徴: 細胞壁を持つ真核生物で、菌糸と呼ばれる糸状の細胞から体を構成しています。
• 種類: キノコ、カビ、酵母など、様々な種類が存在します。
• 役割: 土壌中の有機物を分解したり、食品の発酵に関わったりします。

1-2. 微生物の生態

微生物は、地球上のあらゆる環境に生息しています。土壌、水、空気、そして私たちの体の中にも、たくさんの微生物が住んでいます。

微生物の役割

• 物質の分解: 微生物は、死んだ生物や有機物を分解し、生態系内の物質循環に貢献しています。
• 生態系の中での役割: 土壌中の微生物は、植物の生長を助けるなど、生態系の中で重要な役割を果たしています。
• 共生: 人間の腸内には、腸内細菌と呼ばれる様々な種類の細菌が住んでおり、消化を助けたり、病原菌から体を守ったりする役割を果たしています。

1-3. 微生物の利用と制御

微生物は、私たちの生活に様々な形で利用されています。

微生物の利用

• 食品産業: ヨーグルト、チーズ、味噌などの発酵食品の製造に利用されます。
• 医薬品産業: 抗生物質やワクチンなどの製造に利用されます。
• 環境分野: 下水処理やごみ処理に利用されます。

微生物の制御

• 感染症の予防: 手洗い、消毒などによって、病原性のある微生物の感染を防ぎます。
• 食品の保存: 低温保存、加熱殺菌などによって、食品の腐敗を防ぎます。

まとめ

微生物は、私たちの目には見えない小さな生物ですが、地球上の生態系の中で重要な役割を果たしており、私たちの生活にも深く関わっています。

深掘り

• 極限環境微生物: 高温、低温、高塩分などの極限環境に生息する微生物。
• バイオテクノロジー: 微生物の遺伝子を操作し、有用な物質を生産する技術。
• 抗生物質耐性菌: 抗生物質が効きにくくなった細菌。

考えてみよう

• なぜ、ヨーグルトを作るときに乳酸菌を使うのでしょうか？
• 抗生物質をむやみに使用すると、どのような問題が起こる可能性がありますか？
• 将来的に、微生物はどのように私たちの生活を支えるようになるでしょうか？

次に学ぶこと

次の章では、植物の生理について学びます。

第2章 ヒトの生理

2-1. 内分泌系

私たちの体は、様々な器官が連携して働いています。この連携をスムーズに行うために、ホルモンと呼ばれる化学物質が重要な役割を果たしています。ホルモンは、内分泌腺という器官から分泌され、血液に乗って体の各部に運ばれ、特定の細胞に作用することで、様々な生理作用を調節しています。このホルモンを分泌する器官と、その働きを制御する仕組み全体を内分泌系といいます。

ホルモンの働き

• 成長ホルモン: 身長を伸ばしたり、筋肉を成長させたりします。
• 甲状腺ホルモン: 新陳代謝を活発にし、成長を促進します。
• インスリン: 血糖値を下げる働きをします。
• 性ホルモン: 生殖機能の発達や性差を決定します。

内分泌系の働き

内分泌系は、神経系と密接に連携して、体の恒常性を維持しています。例えば、血糖値が上昇すると、膵臓からインスリンが分泌され、血糖値が低下します。このように、内分泌系は、体の状態を常に監視し、必要に応じてホルモンを分泌することで、体の状態を一定に保とうとする働きをしています。

2-2. 免疫系

私たちの体は、常に細菌やウイルスなどの病原体から攻撃を受けています。これらの病原体から体を守る仕組みを免疫系といいます。

免疫系の働き

• 自然免疫: 生まれながら持っている免疫で、マクロファージや好中球などの白血球が、病原体を貪食したり、殺したりします。
• 獲得免疫: 感染やワクチン接種によって獲得する免疫で、B細胞やT細胞が抗体を作ったり、病原体を直接攻撃したりします。

免疫の仕組み

• 抗原: 体内に侵入した異物（ウイルスや細菌など）を抗原といいます。
• 抗体: B細胞が産生するタンパク質で、特定の抗原と結合し、無毒化したり、貪食細胞が処理しやすいように標識を付けたりします。

2-3. 生殖

ヒトの生殖は、精子と卵子が結合し、新しい生命が誕生するプロセスです。

男性の生殖器

• 精巣: 精子を作り出す器官です。
• 副睾丸: 精子を成熟させ、貯蔵する器官です。
• 輸精管: 精子を尿道へと運ぶ管です。

女性の生殖器

• 卵巣: 卵子を作り出す器官です。
• 子宮: 受精卵が着床し、胎児が成長する場所です。
• 膣: 精子が侵入する場所であり、出産の際に胎児が通過する通路です。

生殖の過程

1. 受精: 精子が卵子と結合し、受精卵が形成されます。
2. 着床: 受精卵は子宮内膜に着床し、胎児へと成長します。
3. 妊娠: 胎児が子宮内で約9ヶ月間成長し、出産を迎えます。

まとめ

ヒトの体は、内分泌系、免疫系、生殖器系など、様々な器官が複雑に連携することで、生命活動を維持しています。これらの仕組みを理解することは、健康な生活を送るためにとても大切です。

深掘り

• ホルモンの異常: ホルモンの分泌量が異常になると、様々な病気の原因となります。
• アレルギー: 免疫系が過剰に反応することで起こる病気です。
• 生殖補助医療: 体外受精など、生殖に関する医療技術の発展。

考えてみよう

• ストレスが体に与える影響は？
• ワクチン接種はなぜ大切なの？
• 生殖補助医療のメリットとデメリットは？

次に学ぶこと

次の章では、微生物について学びます。

第3章 生物多様性と保全

3-1. 生物多様性の危機

地球には、数えきれないほどの種類の生き物が暮らしています。この様々な生き物のことを「生物多様性」といいます。しかし、近年、この生物多様性が危機に瀕しています。

なぜ生物多様性が失われるのか？

• 生息地の破壊: 森林伐採、都市化などにより、多くの生物の住む場所が失われています。
• 外来種の侵入: 外来種が新たな環境に定着し、在来種を駆逐してしまうことがあります。
• 過度の利用: 乱獲や密猟により、多くの生物が絶滅の危機に瀕しています。
• 環境汚染: 化学物質による汚染や海洋プラスチックごみなどが、生物の生存を脅かしています。
• 気候変動: 地球温暖化など、気候変動が生物の生息環境を変化させ、多くの種が適応できずに絶滅しています。

生物多様性が失われるとどうなるのか？

• 生態系のバランスが崩れる: 各生物種は、生態系の中でそれぞれ役割を果たしています。ある種の生物が絶滅すると、生態系のバランスが崩れ、他の生物にも影響が及びます。
• 食料や医薬品の供給が不安定になる: 多様な生物は、私たちに食料や医薬品を提供してくれます。生物多様性が失われると、これらの供給が不安定になる可能性があります。
• 自然災害の増加: 森林の減少は、土壌の流出や洪水を引き起こし、自然災害のリスクを高めます。

3-2. 生態系の保全

生物多様性の危機を食い止めるためには、生態系の保全が不可欠です。

生態系の保全の重要性

生態系は、私たち人間を含むすべての生物の生存基盤です。生態系が健全に保たれることで、私たちは食料や水、きれいな空気などを得ることができます。

生態系の保全の取り組み

• 保護地域の設置: 国立公園や自然公園など、生物多様性の豊かな地域を保護区として指定します。
• 外来種の駆除: 外来種による生態系への影響を最小限に抑えるために、駆除を行います。
• 絶滅危惧種の保護: 絶滅の危機に瀕している種を保護するための様々な取り組みが行われています。
• 環境教育: 人々に生物多様性の重要性を伝え、保全活動への参加を促します。

持続可能な社会の実現

生態系の保全は、私たち一人ひとりの行動が大切です。

• ゴミの減量: ゴミを減らすことで、自然環境への負荷を軽減できます。
• 省エネ: 省エネを心がけることで、地球温暖化防止に貢献できます。
• 地産地消: 地元の食材を消費することで、輸送による環境負荷を減らすことができます。

まとめ

生物多様性は、地球上の全ての生命にとって不可欠なものです。しかし、人間の活動によって、生物多様性は大きな脅威にさらされています。生態系の保全は、私たち人類の生存にとっても重要な課題です。

深掘り

• 生態系サービス: 生態系が私たちにもたらす様々な恩恵を、生態系サービスといいます。
• 生物多様性条約: 生物多様性の保全に関する国際的な条約です。
• 里山: 人と自然が共生してきた里山は、生物多様性の宝庫です。

考えてみよう

• あなたの住んでいる地域では、どんな生物多様性の問題がありますか？
• あなたは、生物多様性を守るために、どんなことができるでしょうか？
• 将来的に、生物多様性の危機を乗り越えるためには、どのような社会を作っていくべきでしょうか？

次に学ぶこと

次の章では、微生物について学びます。

第4章 現代生物学の最前線

4-1. ゲノム科学

ゲノムとは、生物が持つ全ての遺伝情報の総称です。ゲノム科学は、このゲノムを解読し、その情報を活用することで、生命の謎を解き明かそうとする研究分野です。

ゲノム解読

• ヒトゲノム計画: ヒトの全遺伝情報を解読する国際的なプロジェクトが完了し、ヒトゲノムの全貌が明らかになりました。
• 次世代シーケンサー: 高速かつ安価に大量の遺伝情報を解読できる装置が登場し、ゲノム研究が飛躍的に進みました。

ゲノム情報の活用

• 病気の診断と治療: 遺伝子レベルで病気の原因を特定し、より効果的な治療法の開発に繋がります。
• 新薬開発: 遺伝子の働きを解明することで、新しい薬の開発が可能になります。
• 生物の進化の解明: 異なる生物のゲノムを比較することで、生物の進化の過程を詳しく調べることができます。

4-2. 幹細胞

幹細胞は、様々な種類の細胞に分化できる能力を持つ細胞です。

幹細胞の種類

• ES細胞: 受精卵から作られる万能性を持つ幹細胞です。
• iPS細胞: 体細胞に特定の遺伝子を導入することで、ES細胞のような万能性を持たせた細胞です。

幹細胞の利用

• 再生医療: 損傷した組織や臓器を再生させる治療法として期待されています。
• 疾患のモデル動物: 疾患のメカニズムを解明するためのモデル動物として利用されます。
• 創薬: 新しい薬の開発のためのツールとして利用されます。

4-3. 進化の分子メカニズム

進化は、生物が長い年月をかけて変化していく過程です。近年、ゲノム解析技術の発展により、進化の分子メカニズムが明らかになりつつあります。

分子レベルでの進化

• 遺伝子の変異: 遺伝子に突然変異が起こることで、新しい形質が生み出されます。
• 遺伝子の重複: 遺伝子が重複することで、新しい機能を獲得することができます。
• 遺伝子の水平伝播: 異なる種の遺伝子が移動し、新しい形質を獲得する現象です。

まとめ

現代生物学は、ゲノム科学、幹細胞研究、進化の分子メカニズムなど、様々な分野で急速に進展しています。これらの研究成果は、医療、農業、環境問題など、私たちの生活に大きな影響を与えています。

深掘り

• CRISPR-Cas9: ゲノム編集技術として注目されている技術です。
• 合成生物学: 人工的に生命体を作り出す研究分野です。
• 進化の系統樹: 全ての生物の共通の祖先から、現在の生物種がどのように進化してきたのかを示す図です。

考えてみよう

• ゲノム編集技術は、どのような可能性と課題を抱えているでしょうか？
• 幹細胞を用いた治療は、倫理的な問題を含んでいます。
• 将来的に、生物学はどのように発展していくと考えられますか？

次に学ぶこと

次の章では、微生物について学びます。