第1章生命の探究

The Diversity of Life生命の多様性

The fact that biology, as a science, has such a broad scope has to do with the tremendous diversity of life on earth. The source of this diversity is evolution, the process of gradual change in a population or species over time. Evolutionary biologists study the evolution of living things in everything from the microscopic world to ecosystems.

英語のヒント

科学としての生物学の範囲がこれほど広いのは、地球上の生命のきわめて大きな多様性と関係がある。この多様性の源は進化、すなわち個体群や種が時間とともに徐々に変化する過程である。進化生物学者は、微視的な世界から生態系に至るあらゆる対象で、生物の進化を研究する。

A phylogenetic tree (Figure 1.17) can summarize the evolution of various life forms on Earth. It is a diagram showing the evolutionary relationships among biological species based on similarities and differences in genetic or physical traits or both. Nodes and branches comprise a phylogenetic tree. The internal nodes represent ancestors and are points in evolution when, based on scientific evidence, researchers believe an ancestor has diverged to form two new species. In some phylogenetic trees, the length of each branch might be proportional to the time elapsed since the split.

英語のヒント

系統樹（図1.17）は、地球上のさまざまな生命の進化をまとめて表せる。遺伝的な特徴、形態的な特徴、またはその両方の類似点と相違点に基づいて、生物種の進化的な関係を示す図である。系統樹は節と枝からなる。内部の節は祖先を表し、科学的証拠に基づいて研究者が、一つの祖先から二つの新しい種へ分岐したと考える、進化上の時点である。系統樹によっては、各枝の長さが、分岐してから経過した時間に比例する場合もある。

細菌、古細菌、真核生物という生命の三つのドメインが、すべて共通の祖先から生じたことを示す系統樹。 — Figure 1.17図 1.17
Microbiologist Carl Woese constructed this phylogenetic tree using data that he obtained from sequencing ribosomal RNA genes. The tree shows the separation of living organisms into three domains: Bacteria, Archaea, and Eukarya. Bacteria and Archaea are prokaryotes, single-celled organisms lacking intracellular organelles. (credit: Eric Gaba; NASA Astrobiology Institute)
英語のヒント
微生物学者カール・ウーズは、リボソームRNA遺伝子の配列決定によって得たデータから、この系統樹を構築した。生物が、細菌、古細菌、真核生物という三つのドメインに分かれることを示している。細菌と古細菌は、細胞内の細胞小器官を欠く単細胞生物である原核生物である。（出典：Eric Gaba、NASA Astrobiology Institute）

Carl Woese and the Phylogenetic Treeカール・ウーズと系統樹

In the past, biologists grouped living organisms into six kingdoms—animalia, plantae, fungi, protista, archea, and bacteria. They based the organizational scheme mainly on physical features, as opposed to physiology, biochemistry, or molecular biology, all of which modern systematics use. American microbiologist Carl Woese's pioneering work in the early 1970s has shown, however, that life on Earth has evolved along three lineages, now called domains—Bacteria, Archaea, and Eukarya. The first two are prokaryotic cells with microbes that lack membrane-enclosed nuclei and organelles. The third domain contains the eukaryotes and includes unicellular and multicellular microorganisms (protists), together with the three remaining kingdoms (fungi, plants, and animals). Woese defined Archaea as a new domain, and this resulted in a new taxonomic tree (Figure 1.17). Many organisms belonging to the Archaea domain live under extreme conditions and are called extremophiles. To construct his tree, Woese used genetic relationships rather than similarities based on morphology (shape).

英語のヒント

かつて生物学者は、生物を動物界、植物界、菌界、原生生物界、古細菌界、細菌界の六つの界に分けていた。その分類の仕組みは、主に形態的な特徴に基づいており、現代の系統分類学がいずれも利用する生理学、生化学、分子生物学には基づいていなかった。しかし、アメリカの微生物学者カール・ウーズによる1970年代初めの先駆的な研究は、地球上の生命が、現在ドメインと呼ばれる細菌、古細菌、真核生物という三つの系統に沿って進化してきたことを示した。最初の二つは原核細胞からなる微生物で、膜に囲まれた核と細胞小器官を欠く。三つ目のドメインは真核生物を含み、単細胞および多細胞の微生物（原生生物）と、残りの三つの界（菌類、植物、動物）からなる。ウーズは古細菌を新たなドメインとして定義し、新しい分類の系統樹を生み出した（図1.17）。古細菌ドメインの生物の多くは極端な条件で生活し、極限環境生物と呼ばれる。ウーズは系統樹を構築する際、形態（形）に基づく類似性ではなく、遺伝的な関係を用いた。

Woese constructed his tree from universally distributed comparative gene sequencing that are present in every organism, and conserved (meaning that these genes have remained essentially unchanged throughout evolution). Woese’s approach was revolutionary because comparing physical features are insufficient to differentiate between the prokaryotes that appear fairly similar in spite of their tremendous biochemical diversity and genetic variability (Figure 1.18). Comparing rRNA sequences provided Woese with a sensitive device that revealed the extensive variability of prokaryotes, and which justified separating the prokaryotes into two domains: bacteria and archaea.

英語のヒント

ウーズは、あらゆる生物に存在し、広く分布している保存的な遺伝子の配列を比較して、系統樹を構築した。保存的とは、進化を通して、それらの遺伝子が基本的に変わらずに保たれてきたという意味である。ウーズの方法は画期的だった。原核生物は、生化学的にも遺伝的にも非常に多様でありながら、見かけはかなり似ているため、形態的な特徴の比較だけでは区別するのに不十分だからである（図1.18）。rRNA配列の比較は、原核生物の幅広い変異を明らかにする鋭敏な手段をウーズに与え、原核生物を細菌と古細菌の二つのドメインに分ける根拠となった。

OpenStax, Rice University; Biology 2e. (credit a: modification of work by Drew March; credit b: modification of work by Steve Jurvetson; credit c: modification of work by Michael Arrighi; credit d: modification of work by Leszek Leszcynski) · CC BY 4.0 · Source出典

Figure 1.18図 1.18

These images represent different domains. The (a) bacteria in this micrograph belong to Domain Bacteria, while the (b) extremophiles (not visible) living in this hot vent belong to Domain Archaea. Both the (c) sunflower and (d) lion are part of Domain Eukarya. (credit a: modification of work by Drew March; credit b: modification of work by Steve Jurvetson; credit c: modification of work by Michael Arrighi; credit d: modification of work by Leszek Leszcynski)

英語のヒント

これらの画像は、異なるドメインを表している。（a）の顕微鏡写真の細菌は細菌ドメインに属し、（b）の熱水噴出孔にすむ極限環境生物（画像では見えない）は古細菌ドメインに属する。（c）のヒマワリと（d）のライオンは、どちらも真核生物ドメインに属する。（出典a：Drew Marchの作品を改変、b：Steve Jurvetsonの作品を改変、c：Michael Arrighiの作品を改変、d：Leszek Leszcynskiの作品を改変）

Branches of Biological Study生物学の研究分野

The scope of biology is broad and therefore contains many branches and subdisciplines. Biologists may pursue one of those subdisciplines and work in a more focused field. For instance, molecular biology and biochemistry study biological processes at the molecular and chemical level, including interactions among molecules such as DNA, RNA, and proteins, as well as the way they are regulated. Microbiology, the study of microorganisms, is the study of the structure and function of single-celled organisms. It is quite a broad branch itself, and depending on the subject of study, there are also microbial physiologists, ecologists, and geneticists, among others.

英語のヒント

生物学の範囲は広く、多くの部門や下位分野を含む。生物学者は、その一つを追究し、より対象を絞った分野で研究することがある。例えば、分子生物学と生化学は、DNA、RNA、タンパク質などの分子同士の相互作用と、その調節のされ方を含め、生物学的な過程を分子・化学の水準で研究する。微生物を研究する微生物学は、単細胞生物の構造と機能を研究する学問である。これ自体がかなり広い分野であり、研究対象に応じて、微生物の生理学者、生態学者、遺伝学者などに分かれる。

Forensic Scientist科学捜査の専門家

Forensic science is the application of science to answer questions related to the law. Biologists as well as chemists and biochemists can be forensic scientists. Forensic scientists provide scientific evidence for use in courts, and their job involves examining trace materials associated with crimes. Interest in forensic science has increased in the last few years, possibly because of popular television shows that feature forensic scientists on the job. Also, developing molecular techniques and establishing DNA databases have expanded the types of work that forensic scientists can do. Their job activities are primarily related to crimes against people such as murder, rape, and assault. Their work involves analyzing samples such as hair, blood, and other body fluids and also processing DNA (Figure 1.19) found in many different environments and materials. Forensic scientists also analyze other biological evidence left at crime scenes, such as insect larvae or pollen grains. Students who want to pursue careers in forensic science will most likely have to take chemistry and biology courses as well as some intensive math courses.

英語のヒント

法科学は、法律に関係する問いに答えるために科学を応用する学問である。化学者や生化学者だけでなく、生物学者も法科学の専門家になれる。法科学者は、裁判で用いる科学的証拠を提供し、犯罪に関連する微細な物質を調べる。近年、法科学への関心が高まっているのは、おそらく法科学者の仕事を取り上げる人気のテレビ番組の影響もある。分子技術の発展とDNAデータベースの整備によって、法科学者ができる仕事の種類も広がっている。仕事内容は主に、殺人、強姦、暴行など、人に対する犯罪に関わる。毛髪、血液、その他の体液などの試料を分析するとともに、さまざまな環境や物質から見つかったDNA（図1.19）を処理する。犯罪現場に残された昆虫の幼虫や花粉など、ほかの生物学的な証拠も分析する。法科学の仕事を目指す学生は、化学と生物学の授業に加え、数学の集中的な授業も履修する必要があるだろう。

OpenStax, Rice University; Biology 2e. (credit: United States Army CID Command Public Affairs) · CC BY 4.0 · Source出典

Figure 1.19図 1.19

This forensic scientist works in a DNA extraction room at the U.S. Army Criminal Investigation Laboratory at Fort Gillem, GA. (credit: United States Army CID Command Public Affairs)

英語のヒント

この法科学者は、ジョージア州フォート・ギレムの米陸軍犯罪捜査研究所のDNA抽出室で働いている。（出典：United States Army CID Command Public Affairs）

Another field of biological study, neurobiology, studies the biology of the nervous system, and although it is a branch of biology, it is also an interdisciplinary field of study known as neuroscience. Because of its interdisciplinary nature, this subdiscipline studies different nervous system functions using molecular, cellular, developmental, medical, and computational approaches.

英語のヒント

生物学の別の分野である神経生物学は、神経系の生物学を研究する。これは生物学の一分野であると同時に、神経科学として知られる学際的な研究分野でもある。その学際的な性質から、分子、細胞、発生、医学、計算の各手法を用いて、神経系のさまざまな機能を研究する。

地面から化石を掘り出す科学者の写真。 — Figure 1.20図 1.20
Researchers work on excavating dinosaur fossils at a site in Castellón, Spain. (credit: Mario Modesto)
英語のヒント
スペインのカステリョンの発掘現場で、研究者が恐竜の化石を掘り出している。（出典：Mario Modesto）

Paleontology, another branch of biology, uses fossils to study life’s history (Figure 1.20). Zoology and botany are the study of animals and plants, respectively. Biologists can also specialize as biotechnologists, ecologists, or physiologists, to name just a few areas. This is just a small sample of the many fields that biologists can pursue.

英語のヒント

生物学の一分野である古生物学は、化石を使って生命の歴史を研究する（図1.20）。動物学と植物学は、それぞれ動物と植物を研究する。生物学者は、ほんの数例を挙げるだけでも、バイオテクノロジー、生態学、生理学などを専門にできる。これらは、生物学者が追究できる数多くの分野の、ごく一部にすぎない。

Biology is the culmination of the achievements of the natural sciences from their inception to today. Excitingly, it is the cradle of emerging sciences, such as the biology of brain activity, genetic engineering of custom organisms, and the biology of evolution that uses the laboratory tools of molecular biology to retrace the earliest stages of life on Earth. A scan of news headlines—whether reporting on immunizations, a newly discovered species, sports doping, or a genetically-modified food—demonstrates the way biology is active in and important to our everyday world.

英語のヒント

生物学は、自然科学の始まりから今日までの成果の集大成である。さらに、脳活動の生物学、目的に合わせた生物をつくる遺伝子工学、分子生物学の実験手段で地球上の生命の最初期をたどる進化の生物学など、新たな科学が生まれる場でもあり、期待をかき立てる。予防接種、新種の発見、スポーツのドーピング、遺伝子組換え食品などを報じるニュースの見出しに目を通せば、生物学が私たちの日常世界でどのように働き、重要であるかが分かる。