生物学

'''生物学'''（せいぶつがく）は[[生物]]や[[生命|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（後述の[[#「生物学」と「生命科学」]]参照）。 [[画像:Stylonychia.jpg|thumb|120px|[[繊毛虫]]の一種 ''Stylonychia'': 生物学では全ての生物が対象となる]] == 概要 == [[画像:Vitruvian.jpg|thumb|120px|人体: ヒトは「万物の長」ではないが、ヒト研究は現代の生物学において重要な位置を占める]] [[生物多様性|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。 生物学の萌芽は[[古代ギリシア]]に見られ、[[アリストテレス]]が生物の分類法を提示しするなどしていた。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]]であると見なす。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[[種 (生物)|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、[[情報技術|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とされる。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、[[倫理学|倫理]]的・[[社会]]的な影響も注目されている。 [[Portal:生物学]]、[[生物学に関する記事の一覧]]、[[:Category:生物学]]、[[生物学史]]も参照せよ。 == 生物学研究の概要 == [[画像:Illustration_Cheilanthes_marantae0.jpg|thumb|120px|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。 記載とは、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り、研究において最も始めに行われる。[[種 (生物)|生物種]]を[[同定]]するための形態学的観察をはじめとして、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[[ゲノムプロジェクト|ゲノムの解読]]も記載と言える。 実験は人為的に操作を加えることにより通常と異なる条件を作り出し、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]]に基づき、[[対照実験]]や[[再現性]]の確認などにより、実験者の主観が除かれる必要がある。 [[画像:Trilobite_southern_France_001.jpg|thumb|120px|left|[[三葉虫]]の[[化石]]: 化石は生物進化を探る手がかりである]] 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困難である場合は、様々な[[観測]]データや[[古生物]]の[[化石]]などを用い、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場合も、理論によるアプローチに重点が置かれる。実験を行う前に[[仮説]]を立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。これらの分野は高度に抽象化するため、対象の生物学的階層には捕われない性質がある。 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 === [[画像:Common_clownfish.jpg|thumb|right|[[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]] これまで、生命科学・分子生物学周辺の分野では、一つの遺伝子・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。しかし、分子レベルで明らかにしたことを組み合わせるだけでは、脳の活動や行動など複雑な現象は理解しがたく、還元主義のみでは限界があることもわかってきた。このことへの反省もあり、物理学的還元主義への傾倒から抜け出し、近年は生物を[[複雑系|複雑な系]]としてそのままあつかうアプローチもとられはじめている。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。生物学の両輪である、生物の多様性と普遍性に関する知見は、[[ゲノム]]解析によって結びつけられつつある。 === 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、[[二重らせん|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。 [[画像:Clostridium_botulinum.jpg|thumb|right|120px|[[ボツリヌス菌]]: 顕微鏡は、微生物や細胞を見る「目」となった]] [[17世紀]]に発明された[[顕微鏡]]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[[19世紀]]に提唱された概念である。それまでは経験的にも[[宗教]]的にも、生物種は固定したものとされていたが、現在では、同じ種の中でも形質に多様性があり、生物の形質は変化するものとされ、種の区別が困難なものもあるという指摘がされている。単純な生物から多様化することで現在のような多様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。進化論は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。 [[画像:Dna-split.png|thumb|120px|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]]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、19世紀後半、[[グレゴール・ヨハン・メンデル|メンデル]]は交雑実験から[[メンデルの法則|遺伝の法則]]を発見し、世代を経た後にも分離可能な因子、すなわち[[遺伝子]]が存在することを証明した。さらに[[染色体]]が発見され、20世紀前半の遺伝学・細胞学による研究から、染色体が遺伝子の担体であることが確証づけられた（[[染色体説]]参照）。この過程において古典的な[[遺伝学]]が発展し、その後の分子生物学の誕生にもつながった。 [[1953年]]、[[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 [[デオキシリボ核酸|DNA]] の[[二重らせん]]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]]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。ゲノム ''genome'' という語は遺伝子 ''gene'' と、総体を表す接尾語 ''-ome'' の合成語である。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。生物種間でのゲノムの比較により普遍性と多様性理解への糸口を与え、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。他にも様々な総体に対する研究が始まっている（[[オーミクス]]参照）。 === 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 === [[画像:biological_hierarchy.png|thumb|400px|right|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。]] 生物学の各論には、生物の[[生物の分類|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。前者によって分類する場合、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。 一方、対象の大きさ、つまり生物学的階層性を軸にすると、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によって個体群生態学、群集生態学などに分けられる他、対象とする場所を重視する場合は森林生態学や海洋生態学、極地生態学などの名称も用いられる。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、個体レベル以下を扱う分野は[[分子生物学]]の影響が強く還元主義的な傾向があり、個体レベル以上を扱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つの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。 最も古くからある方法論の一つは、生物の分類を扱う[[分類学]]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 [[デオキシリボ核酸|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クス]]は、新たな方法論として脚光を浴びている。 生物学の理論としては、[[遺伝学]]や[[進化論]]が代表的である。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 (生物学)|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 (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 (生物学)|ドメイン]]や[[界 (生物学)|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。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。概念、理論、研究手法などの面で生物学に影響を与えた自然科学の分野としては、先に発展していた[[物理学]]と[[化学]]が挙げられる。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と言える。応用科学では[[医学]]における生化学や[[生理学]]、[[解剖学]]は、[[動物学]]や[[発生生物学|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。 近年では、[[ゲノム]]や[[プロテオーム]]の解析から得られる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]]が発展しつつある。 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'''、[[科学的方法|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、広く知られたものが多くある。 [[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 (生物学)|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。[[アメリカ合衆国|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[[倫理学|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]]によって扱われる。 マクロのレベルでは、遺伝子操作によって作られた[[遺伝子組み換え作物]]（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」 == '''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[[生物多様性|生物の多様性]]を理解しようとする伝統がある。 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[[デオキシリボ核酸|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。 == 関連項目 == {{ウィキポータルリンク|生物学}} {{Sisterlinks |wiktionary=生物学 |wikibooks=生物学 |commons=Category:Biology }} * [[生物学に関する記事の一覧]]: 関連語句の一覧。 * [[生物学者の一覧]]: 著名な生物学者の一覧。 * [[ノーベル生理学・医学賞]]: ノーベル生理学・医学賞とその受賞者リスト。 * [[生物学上の未解決問題]] == 参考文献 == * [[ジョン・メイナード＝スミス|J. メイナード=スミス]] 『生物学のすすめ』 [[紀伊國屋書店]] 1990年05月10日出版 ISBN 431400536X * [[八杉竜一]] 『岩波生物学辞典』 [[岩波書店]] 1996年 ISBN 4000800876 {{jawp}} [[Category:生物学|*せいふつかく]] [[Category:自然科学|せいふつかく]] [[Category:理学|せいふつかく]]