生物とは何か? 自分と同じ形の子孫を生み出す ( 自己再生系 ) ドラえもんや自動車は... 設計図を内部に備えている ウイルス? 道具も内部に備えている 他の生物の手助けなしに 自己再生する 寄生種は? 無理がある? 生物とは何か? 細胞からなる自己再生系 代謝によって個体を維持する 親と似た子供が再生産される 他の生物の助けなしに 細胞からなる 外と区切られている 孤立した系では 何も起きない エネルギーは 差から取り出す 1. 約 135 億年前宇宙ができる 2. 約 46 億年前太陽系 ( 地球 ) ができる 生物の歴史 3. 化学進化の時代 ( 右手 左手問題 ) 有機化合物 自己再生系 ( 情報と機能の統一 )RNA ワールド? 4. 約 38 億年前細胞 ( 生物 ) 生命誕生? 炭素の同位対比から 化石なら約 34 億年前 5. 約 27 億年前 水素 ( 電子 ) 源に水を使う光合成開始 6. 約 21 億年前 真核生物誕生 7. 約 10 億年前 多細胞生物誕生 色々やってみた 8. 約 5.5 億年前堅い部分のある生物誕生 現代の生物の基本形がほぼできる 細胞の発見 レーベンフック フックの観察 シュワンとシュライデンの細胞説 1
レーベンフックの観察 Antonie van Leeuwenhoek(1632-1723) 1674に微生物を発見 Wikipedia R. フックの観察 Robert Hooke(1635-1703) コルクの空室 (cell) の観察? 肖像画 シュワンとシュライデン 細胞 生きている細胞の観察 細胞膜に取り囲まれたもの 核のない小さい細胞 原核生物 ( バクテリア : 真正細菌 古細菌 ) 核のある大きな細胞 真核生物 ( 動物 植物 菌類 原生動物 ) シュライデン 1838 植物の細胞説 シュワン 1839 動物の細胞説図は 2
自然発生説の否定 小さな生命は 自然発生する アリストテレス ファン ヘルモント 生命は生命から フラスコに入れたスープを加熱殺菌 (1765) 自然発生説の検討 (1861) アリストテレスラファエロ アテネの学堂 より L. Spallanzani Jan Baptista van Helmo Louis Pasteur 生命の起源 生命エネルギーは特別? 怪しい説が色々... 旋光性 有機物質と無機物質の差? 尿素の合成 (1828) Louis Pasteur Friedrich Wöhler 生命の起源 ユーリー & ミラーの実験 (1953): 原始大気 ( 還元型大気 ) に放電すると有機物質ができた 彗星に有機物が... 生命誕生の頃の大気は, 酸化的だったらしいので... Stanley L. Miller Fe の化学反応 環境 ( 状態 ) が大事 酸素が多い世界 ( 酸化的大気 ) では, 単体の Fe は存在しにくい 4Fe + 3O 2 2Fe 2 O 3 酸素が少ない or 水素が多い世界 ( 還元的大気 ) では, 単体の Fe は存在しやすい Fe 2 O 3 + 3H 2 2Fe + 3H 2 O Fe 2 O 3 + 3CO 2Fe + 3CO 2 炭素や窒素でも同じ. 有機物ができるか, 単なる酸化物ができるかは条件次第 3
自然に起きる化学反応 化学反応は, 開始と終了の状態によって起きやすい方向が決まる エネルギーが, 高い状態から低い状態へ エネルギーがあるなら使ってしまいたい が, 小さい状態から大きい状態へ 集まっているより, ばらばらになりたい ( 逆も, 過飽和溶液より沈殿 ) 化学進化 水中に存在する物質同士で化学反応が勝手に進む ( 進みやすい方向へ ) エネルギーは減少 は増大する 酸化的世界では, 何らかのエネルギーを使って, 複雑な有機物ができた エネルギーが増大 が減少する 化学反応の共役 何かが酸化されると, 別の何かが還元される 閉じ込められた環境が必要 ( 系が大事 ) 熱水噴出口生物群の発見還元力の豊富な世界での生命 太陽光に依存しない生命群の発見 BBC EARTH2010 Life 深海 問題点は 高温なので生命誕生に向かない 化学進化生命誕生に必要な原料の由来 化学物質が自己再生する 他の物質を材料に自分と同じものを作る 様々な説 タンパク質 ( 酵素活性 ) とDNA( 情報の保存 複製 ) の協同 RNAワールド( リボザイム ) 情報の保存 複製と酵素活性 ( 機能 ) を併せ持つRNA 分子 4
化学反応から生命 ( 細胞 ) へ 独立した自己再生系に必要なもの 化学反応の組織化 ( 複雑に絡み合った共役系 ) 情報と機能の分離 エネルギーの獲得方法の確立 還元的な環境から ( 水素の利用 ) 有機物の分解から ( 酸化 ) 光合成 生命の起源 コアセルベート説 オパーリン (1894-1980) 有機物が集まるとコロイド ( ミセル ) ができ 内部と外部が区別される 外部から物質を取り込んで成長 分裂 A. I.Oparin 細胞膜 脂質二分子膜 水溶液中では 二分子膜構造が安定 乱雑さの程度を表す量 普通は増大する 普通に起きる現象 小 起きない現象 大 5
小 大 小 大 大 生物の成長は の減少 小 普通は 増大する方向に変化する 6
エネルギーで を減少させる 細胞膜の起源の仮説 冷たい還元的環境と鉱物表面のくぼみから 2 つの状の態変化から共役で仕事をさせる 細胞の構造 複雑な細胞マーグリスの細胞内共生説 Lynn Margulis(1938-2011) 原核生物に別の原核生物が共生して真核生物となった 嫌気性細菌 ( 古細菌 ) 細胞全体 好気性細菌 ミトコンドリア スピロヘーター 鞭毛と中心体 Structure and function of cells CR Hopkins アメリカ版大学生物学の教科書 講談社 BB より 藍藻 葉緑体? ( ペルオキシソーム ) 7
単細胞生物と多細胞生物様々な多細胞化のレベル 単細胞生物の集合 ネンジュモ (Anabaena. flos aquae) 藍藻 オオヒゲマワリ (Volvox Linnaeus ) 緑藻 タマホコリカビ (Dictyostelium) 細胞性粘菌 カツオノエボシ (Physalia physalis) クダクラゲ ( ヒド図はWikipediaよりロ虫 ) 多細胞生物と機能分化 卵から個体はできるが... 全ての機能が 卵並では無いかも? 植物は挿し木できるが 大きな動物は...( 植物は例外?) 切り傷はほっといても元通り 一方 臓器がダメになったら 移植が必要 プラナリアはどう切っても 破片が再生する イモリは切り方による イモリの足は再生するが ヤモリの足は再生しない 特殊化すると 戻れない? 機能分化 細胞は分裂し同じものが増える http://green.ap.teacup.com/ nema/42.html 細胞は 異なる種類 ( 形態 機能 ) のものになる ( 分化 : 特殊化 ) 分裂 分化 分化は何に由来するのか? 遺伝情報を捨てる? 遺伝情報の発現を調整する? 機能分化 細胞は分裂によって増え 機能分化して仕事に合った特殊化する ( 遺伝情報の発現を調整する ) 特殊化した細胞は 分裂しない 幹細胞? 分裂 脱分化? リプログラミング 分化 8
分化と機能 分化 (differentiation) 細胞が 形態的 機能的に特殊化し, 特異性が確立されること 全てのタイプの細胞に分化できる万能性 (totipotency) がある 卵 大抵のタイプの細胞に分化できる多能性 (pluripotency) がある 胚 幹細胞 (stem cell) 特定範囲に分化できる複能性 (multipotency) がある ( 生殖細胞 血液...) 脱分化の証拠 ガリレオ X イモリはなぜ再生できるの? 多細胞生物の細胞増殖と分化 接触が増殖 移動を抑えるカドヘリンの例 多細胞で個体 ( ヒト約 40 兆の細胞 ) 分化 ( ヒトでは 200-300 種類 ) 特定の機能を持ったものは 決まった場所に存在する 誘導物質? 形態 機能の維持 単独の細胞は 増殖し続ける 隣に同種の細胞があると増殖が止まる 平成科学財団 楽しむ科学教室 体を組み立てる 理研 竹市雅俊 より 9
メカノリセプション インテグリン 分化の誘導物質 物質の濃淡が向きを決める イモリの卵の移植実験 ( オーガナイザーの提案 ) 圧力が弱まる 日経サイエンス 2015.7 改変 サイエンスジャーナル (http://sciencejournal.livedoor.biz/archives/3979477.html) より 鳥の指の順番 分化の誘導物質 ビタミン A 誘導体 ( レチノイン酸 ) 分化する場所 細胞の移動 生命科学 (http://d.hatena. ne.jp/pilot_doctor 2/20110303/129915 0447) より 10