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ポール・ナース - 生命
- 1講 生命の原子、細胞
- 2講 生命は化学だ！
- 3講 生命は情報装置だ
- 4講 進化のメカニズム、自然選択
- 5講 生命とは何か
1講 生命の原子、細胞#
1講「生命の原子、細胞」生命の5つの核心的アイデアの中で、ポール・ナースがまず紹介する2つの概念は細胞と遺伝子だ。まず細胞は生命の原子であり、構造的・機能的な基本単位だ。私たちが皆かつては受精卵のような単細胞だった時があったように、細胞はそれ自体が生命の特徴を持ち、全ての生命体を構成する基盤だ。したがって、細胞を理解することは生命を理解する出発点となる。次に紹介するのは遺伝子だ。全ての生命における遺伝の基盤となる遺伝子はどのように発見されたのか？150年余り前に遺伝学の始まりを告げたメンデルの研究からDNA二重らせん構造を明らかにしたポール・ナースの同僚科学者たちの業績まで、遺伝子の全てを探る。
ポール・ナースと申します。遺伝学者であり細胞学者です。ヨーロッパ最大規模の生体医学研究所であるロンドンのフランシス・クリック研究所の所長も務めています。
生命とは何でしょうか？質問はとても単純ですが、答えるのは簡単ではありません。
地球には本当に多様な生命体が住んでいます。地球上の生命体は物理的独立体です。
自ら生命を維持し、成長し、自己組織化し、繁殖します。
この多様な生命体の共通点は何でしょうか？
全ての生命体は動き、感じ、反応し、自分の目的にとても忠実に見えます。
「生きているとは一体どういう意味なのか？」「生命とは何なのか？」
この問いに答えるため、生物学の5つの核心概念と生命の根本原理まで考えてみましょう。
最初に説明する概念は細胞です。細胞は構造的かつ機能的な生命の基本単位です。生命の原子です。
全ての生命体は単細胞または多細胞で構成されています。こうして科学は細胞が生命体の基本構造単位であるという
明確な結論に至りました。そして全ての細胞がそれ自体で一つの生命体であるという事実に気づき、細胞への理解はさらに深まりました。
細胞は生命体の特性を示す最も単純な物理的独立体です。半透過性の脂質膜に囲まれ、環境から自身を分離しながら同時にその環境と通信できます。この分離によって細胞内部には秩序が確立されます。
ブルノ修道院の院長だったグレゴール・メンデルが1865年に発表した研究があります。様々な形質を持つエンドウを交配して何千もの結果物を得ました。その結果物を通じて遺伝の原理が何かを突き止めました。
数多くのエンドウは背丈、花の色、種子の形など多くのものが異なっていました。特定の形質があるかないかのエンドウが交配されることで、親が持つ形質を数学的比率で持ちうることが分かりました。
2つ目は遺伝子です。遺伝現象は遺伝子を通じて行われます。メンデルの法則によれば、遺伝される形質は対になって存在するある粒子によって決定されます。全ての遺伝子は対で存在します。生物学的な両親からそれぞれ一つずつ受け取ります。精子と卵子が合わさる受精過程を通じて遺伝子が私たちに伝達されます。
DNAはアデニンとチミン、シトシンとグアニンが互いに対を成して塩基対を形成しています。
1講 講義まとめ#
生命の核心5つの概念：細胞、遺伝子、化学、情報、進化
細胞
- 生命の構造的・機能的基本単位 -> 生命の原子
- 全ての細胞はそれ自体で一つの生命体
- 全ての生命体は細胞分裂を通じて連結
- 生命体の中で最も単純な独立体
- 細胞の理解がすなわち生命の理解
- 周囲環境と分離した物理的独立体（細胞内部は秩序、外部は無秩序）
遺伝子
- 全ての生命の遺伝の基盤
- メンデルの法則 -> 遺伝学の基礎確立
- メンデルが推定した粒子形態の元素 -> 遺伝子
- 遺伝される化学物質 -> DNA
- 遺伝される形質は対で存在する粒子によって決定
- 全ての生命体は生殖過程を通じて遺伝子を伝達
遺伝子発見の歴史
1865年：メンデル - 遺伝の原理を初めて発見
1900年：ド・フリース、コレンス、チェルマク - メンデルの法則を発見
1945年：エイブリー - DNAを発見
1951年：フランクリン、ゴスリング - DNAのX線回折写真を撮影
1953年：クリック、ワトソン - DNA二重らせん構造で遺伝の原理を説明
2講 生命は化学だ！#
2講「生命は化学だ！」「化学反応」は細胞が生命という一つの表現だ。体内の代謝作用を助け、筋肉細胞数百万個を動かし、DNAからタンパク質を生産し、生命のエネルギー源を得る全ての活動が化学反応に由来する。これにより小さな細胞の中で同時に緊密に起こる化学反応だけでも数千種類に達する。細胞はどのようにしてこの全ての化学反応を整然と調節するのか？鍵は「区画化」だ。都市が機能によって分離されているように、細胞の中の全ての化学反応が機能別に分離されて起きているということだ。驚くほど複雑だが結局は理解できる「化学的・物理的機械」という生命、その原理を一緒に覗いてみよう。
生命体の機能は化学反応に基づいています。この概念はフランスの化学者たちが考え出しました。アルコール業者の依頼でルイ・パスツールがフランス北部でテンサイの発酵実験を行いました。
時々発酵がうまくいかず酸ができる問題がありました。酵母の代わりに細菌が作用すると発酵過程で酸が作られることが分かりました。発酵が細胞のための生成物を作り出す生理学的作用であり、結論として化学反応は細胞が行う生命活動の一つの表現であるということです。
酵素は化学反応を促進し加速する触媒です。ほとんどの酵素は長い鎖状の重合体であるタンパク質で作られています。重合体は脂質、炭水化物、DNAやRNAのような核酸など生命体で見られる全ての物質の根本を成しています。そして炭素は生命体で発見される重合体や他の化学的重合体の形成に重要な役割を果たしています。
生命体はタンパク質を作るのに20種類のアミノ酸を使います。各アミノ酸は主鎖の側鎖に異なる分子を持っており、これによって独特な化学的特性を示します。あるアミノ酸は正電荷または負電荷を帯び、あるアミノ酸は水を引き寄せたり押し返し、あるアミノ酸は他の分子と結合しやすいです。
異なる全ての化学反応は細胞内で非常に近接して起こらなければなりませんが、互いを妨害してはいけません。これを可能にするのが区画化です。区画化があらゆる種類の複雑な体系をうまく機能させます。異なる化学的微小環境が物理的空間としても、時間的にも互いに分離されなければなりません。生命体もこれが可能になるよう相互作用する形の区画システムを構築します。
細胞内で最も小さな化学的区画は酵素分子の表面です。各酵素タンパク質分子は特定の分子がはまるようカスタマイズされた結合部位を持っています。特定の分子とかみ合ってうまく機能するようぴったりの形を備えています。酵素と基質は互いにぴったり合います。
細胞が働くためにはエネルギーが必要で、細胞呼吸という化学プロセスを通じてエネルギーを作り出します。この反応の最終段階はもう一つの細胞小器官であるミトコンドリアで行われます。細胞呼吸中にエネルギーを確保する核心段階は陽子の動きによって起こります。陽子とは、電子一つが離れて正電荷を帯びた水素原子を指します。
私たちはデータの海で溺れながら知識に渇いている。
— ノーベル賞受賞者 シドニー・ブレナー
彼は多くの生物学者が生命の化学反応を総合的に理解できないまま、その複雑さを細かく記録し描写することだけに多くの時間を費やしていることを懸念しました。これら全てのデータを有用な知識に転換する鍵は、生物の情報処理方式を理解することです。
2講 講義まとめ#
化学反応
- 細胞内で数千種類の化学反応が生成
- 化学反応は細胞の生命の一つの表現
- 化学的環境の分離が必要な細胞
酵素の正確な化学反応は最適な化学条件で進行
- 染色体分離、細胞分裂など多様な物理的作業に関与
- 化学反応を促進する触媒
- 重合体であるタンパク質で構成
- 生命活動に必要な化学物質を生成
- 生命体を構成するより複雑な分子を合成
炭素：重合体形成に重要な役割
重合体：脂質、炭水化物、核酸など生命体を構成する核心
タンパク質：アミノ酸分子が結合。炭素基盤の重合体
- 酵素タンパク質：特定の分子とかみ合って化学反応を実行
- 酵素と基質：酵素と作用する化学物質
- 代謝経路：一つの反応の生成物が次の反応の基質となる連続した化学反応
- モータータンパク質：化学反応のエネルギーで物理的作業を行う酵素
- 全ての動きはタンパク質が協力して作り出した結果
- 個々の酵素やモータータンパク質より大きなタンパク質集団の化学プロセス
- リボソーム：タンパク質を合成するタンパク質＋RNA複合体
DNAとRNAの1次元構造 -> 翻訳 タンパク質の3次元構造
- 区画化を通じて数多くの化学反応を行う細胞。細胞は複雑だが理解できる化学的・物理的機械
3講 生命は情報装置だ#
3講「生命は情報装置だ」細胞をはじめとする生命体は非常に複雑なシステムで制御と調整が必要だ。もし制御と調整がなければ生命体の複雑なシステムは滅茶苦茶になってしまうだろう。制御と調整を可能にするのはまさに生命の情報処理能力！情報の観点から生命を理解すれば、これほど複雑な生命体がどのように全体として機能できるのか理解できるだろう。ではコンピューターでも機械でもない生命はどのようにして自ら情報を処理するのか？DNAの4文字を利用して遺伝子が情報を保存し処理する方式から遺伝子の調節機構まで、生命の情報処理過程の様々な例を探る。また一つの卵細胞から生物の3次元構造物が作られる方式も情報処理の観点から理解してみる。
生命とは複雑なシステムです。こうした考えを最初に提示したのは哲学者イマヌエル・カントです。
細胞も非常に複雑な体系を持ち、制御と調整が必要です。各細胞では数多くの化学反応と物理作用が発生しています。
細胞が全体として機能する化学的・物理的機械であることを知っておく必要があります。数多くの化学反応が互いに通信し、緊密に協力しなければなりません。外部環境と内部状態が変わる時、細胞は変化を感知しそれに合わせて適応できるのです。それによって全体システムの機能を可能な限り最適な状態に維持するのです。細胞は自分の内外の化学的・物理的環境を絶えず測定しながら、その情報を使って自分の状態を調節できるようになります。
情報処理過程を通じて私たちの体はホメオスタシスを持つようになります。体温と血液量、血糖が一定に維持されるのです。情報処理は生命の全ての領域に浸透しています。
細胞の複雑な構成要素と多様なプロセスを見ていきましょう。1つ目はDNAとその分子構造が遺伝を説明する方式です。DNAに関する重要な事実は、各遺伝子が一行で書かれた情報であるということです。DNAの4種類の塩基を使って書かれています。
細胞でDNAコードがRNAを経てタンパク質に翻訳される時、細胞は遺伝的情報を物理的行為に変換します。このプロセスを中心原理の概念で説明できます。DNAがタンパク質構造を暗号化する方式です。中心原理は遺伝子を構成する塩基配列がどのようにDNAからRNAに転写されるかを説明します。
RNAは染色体がある細胞核内のDNAとタンパク質が作られる細胞質の間で伝達者の役割を担います。伝達者RNAの配列はタンパク質構造を決定し、この時各タンパク質は情報コードを暗号化する一つの遺伝子から作られます。
DNAの線形重合体はコード化された塩基配列をらせん形の内側に位置させ、情報が変形されないよう保護します。この情報がタンパク質の化学作用に変換されるのです。DNAのもう一つの重要な機能である自分自身を正確に複製する能力もこのDNA分子構造に由来します。DNA分子に保存された遺伝情報が複製される時、塩基対AとT、CとGの間に存在する分子引力はDNAが非常に正確で信頼度の高い複製物を作れるようにしてくれます。
2つ目は細胞の化学反応調節の適用です。別の糖が提供されると細菌は抑制されていた遺伝子を素早く活性化してその糖を消化する負のフィードバックループという情報処理モジュールと、一度オンになると消えない不可逆的なスイッチを形成する正のフィードバックループモジュールがあります。この情報モジュールは緊密に連結され、情報を処理するのにより精巧なルーチンを形成します。
細胞は様々な構成要素を連結するために湿式化学作用を起こします。細胞と生物の配線は流動的でダイナミックです。細胞の化学物質が水を通じて拡散し、細胞の構成要素と区画の間を移動するからです。そして外部環境との間で効率的な情報交換が行われなければなりません。情報交換のために細胞内部と細胞間に、様々な組織と器官の間にシグナル伝達経路が存在するようになります。
情報を通じて生物の化学反応を制御することは、複雑な体系が一つの目的に向かう完全体として行動するようにします。
3講 講義まとめ#
情報処理
- 細胞は一つの巨大な化学的・物理的機械
- 多様な化学反応と物理作用が複雑に発生する細胞
- 細胞は化学的・物理的環境を情報として処理して自己調節
- 複雑な生命活動に秩序を付与する方法：情報処理
- 調節過程がなければ混乱する細胞のシステム
- 情報処理を通じて生命の究極的目的を達成
- 生命は情報処理を通じてホメオスタシス（体温、血液量、血糖の維持）を得る
生命の情報処理
- DNAと遺伝原理
- DNAがタンパク質構造を暗号化する方式
- 二重らせん構造を通じて遺伝情報を保護
- 塩基対の遺伝情報を正確に複製
- DNA遺伝情報 -RNA翻訳-> タンパク質の物理的行為
- 細胞の化学反応調節（遺伝子調節）
- 負のフィードバックループ（Negative feedback loop）
- 正のフィードバックループ（Positive feedback loop）
- 単純なタンパク質の勾配で複雑な生命体の構造形成
- 均一な細胞集団 -情報、化学的勾配-> 複雑な構造
4講 進化のメカニズム、自然選択#
4講「進化のメカニズム、自然選択」世界は驚くほど多様な生命体で満ちている。この複雑な生命はどのように始まったのか？数千年間多くの人々は生命を神聖な創造主が作ったものだと信じてきた。しかしチャールズ・ダーウィンは「自然選択」という偉大なアイデアでこの信仰にそれていく。生物種は人間の設計者や創造者なしに自然選択によって自ら進化してきたということだ。ポール・ナースはダーウィンの進化論を生命の「相互連結性」を説明する生物学の最も美しい基本概念だと紹介する。これほど美しい概念である進化が可能になるには生命体はどんな特徴を持たなければならないのか？本当に地球上の全ての生命体は一つの血統でつながっているのか？
今回の講義で話す主題は自然選択による進化です。生命の多様性は圧倒的に感じることもあります。私たちは数え切れないほど多くの動物や植物、菌類、微生物と共に暮らしています。これらの生命体はそれぞれの生活様式と環境によく適応しています。
自然選択は変異が発生した生物個体が生物集団に存在するという事実に基づいています。もし変異の原因が遺伝的変化によるものであれば、この変異は次の世代に遺伝されます。そのうち一部が生存に有利な形質として作用すれば、特定の個体の生存率が高まります。その結果、より多くの子孫を残せるようになります。
自然選択を通じて環境に適した種は生き残り、競争力が劣る個体は排除されます。特定の遺伝的変異を持つ個体が集団内に多くなります。その結果、生きている種で形態と機能が完全に変わった形質が現れるようになります。
自然選択による進化が起こるには、生命体は重要な特徴を3つ備えていなければなりません。
第一に、繁殖できなければなりません。
第二に、遺伝体系がなければなりません。そうすることで生物の形質を決定する情報が複製されて子孫に受け継がれます。
第三に、遺伝体系で多様性が発現しなければならず、この多様性が繁殖過程を通じて受け継がれなければなりません。
自然選択は進化の過程だけで起こるのではありません。私たちの体の細胞レベルでも自然選択は発生します。私たちの体には細胞の成長と分裂を制御する重要な遺伝子がありますが、これが損傷したり再配列されると細胞が勝手に分裂してがんが発生します。
この惑星が固定された重力の法則に従って回り続ける間、これほど単純な始まりからとても美しく驚異的な形態が数えきれないほど進化してきたし、今も進化している。
— チャールズ・ダーウィン
4講 講義まとめ#
自然選択
- ダーウィンが提示した進化のメカニズム
- 生命の複雑性 -> 自然選択による進化の結果
- 遺伝的変異 -> 自然選択理論の基礎
自然選択 -> 適者生存 -> 生存に有利な形質の変異種が増加
自然選択による進化の条件
- 繁殖可能
- 遺伝体系の存在
- 多様性（変異）の発現
ダーウィン進化論 -> 全ての生命は血統を通じて連結（類縁関係）
- 地球上の全ての生命体は私たちの親戚
- 自然選択による進化 -> 生命に複雑性と目的性を付与
- 進化は生物学の根本法則であり偶然（変異）と必要（適者生存）の結果
- 人類が生物圏を保障すべき理由
5講 生命とは何か#
5講「生命とは何か」生命の5つの核心的アイデア〈細胞〉と〈遺伝子〉、〈化学反応〉、〈情報処理〉、〈自然選択〉の概念を統合して生命の根本原則を立ててみる。一体生命とは何だろうか？ポール・ナースは自然選択に従って進化できる自己指向的な物理的実体は全て生きていると定義する。生命の根本原則に加え、地球上の生命体を動かす土台である生命の化学作用について説明する。これを通じて全ての生命体の作動原理が同一であることを導き出すポール・ナースは、自然と生命体の深い相互関連性へと話を移す。つまり地球上で一度だけ始まったであろう生命の起源から連なる生命は全て生きているということだ。ポール・ナースは最後の講義で全ての生命体の連結を強調し、特に人類にはより特別な責任があることを強調する。
生命が何かという問いは答えるのが簡単ではありません。生命を定義するのに必要な核心原理を確立してみましょう。この原理は生命がどう作用するか、どう始まったか、地球の全ての生命の間の関係がどうかについてより深く理解させてくれるでしょう。ただし生命を明快に定義することはできないと先にお伝えしておきます。
生命体は境界を持つ物理的独立体です。自分の環境と分離されていますが、同時にその環境と通信します。生命体は化学的代謝活動を組織して自らを維持し成長させ繁殖します。これら全ての作用を統合するには情報管理が必要です。
タンパク質も炭素基盤の重合体ですが、DNAとは異なり複雑で可変的な3次元構造になっています。タンパク質で化学的に活性化された部位はほとんど重合体分子の外側に位置しています。こうした特徴によりタンパク質が生命維持に必要な様々な機能を遂行し、化学反応を維持・再生産できるのです。またDNAと異なり、タンパク質が損傷したり破壊されても新しく作られたタンパク質で容易に置き換えることができます。
線形炭素重合体の多様な配列は、化学的に安定した情報保存装置の役割も果たし、高度に多様な化学的活動も生み出します。
こうした生命の化学作用は極めてシンプルでありながら本当に神秘的だと思います。生命が線形重合体に保存された情報を複雑な重合体の化学作用と連結する方式はあまりにも圧倒的で、この原理が地球の生命の核心であるだけでなく、宇宙の他の生命にも重要に適用されるだろうと推測しています。私たちを含む全ての既知の生命体は炭素重合体に依存していますが、地球で接する生命の化学反応だけを念頭に置いてはいけません。宇宙のどこかに存在する他の生命は炭素を別の方法で活用したり、炭素の代わりにシリコンのような他の原子を基盤にしているかもしれません。
地球の全ての生命は互いに広くつながって一つの巨大な生態系を形成しています。この根本的な連結性は生物の深い相互依存性だけでなく、全ての生命が共通の進化的ルーツを通じて遺伝的に互いに関連しています。
生命は多様性よりもはるかに大きな類似性があります。化学的・物理的・情報的機械としての生物の基本作動方式は同一です。生命の化学的土台にあるこうした深い共通点は驚くべき結論に導きます。現在地球にある生命はたった一度だけ発生したということです。
では生命はどう始まったのでしょうか？DNAやタンパク質ではなくRNAを通じて生命が始まったであろうということを最も有力な解答と考えています。
DNAのようにRNA分子も情報を保存できます。RNA分子は複製されることもできます。その過程でエラーが起き、多様性も生成されます。つまりRNAが進化できる遺伝分子の役割を果たせるということです。しかしRNA分子のもう一つの重要な特徴は、複雑な3次元立体構造に折りたたまれて酵素としても機能できるという点です。RNA基盤の酵素は複雑性や多様性の面でタンパク質酵素には及びませんが、特定の化学反応を促進できます。したがってRNA分子は遺伝子であると同時に酵素として作用できるのです。遺伝体系と原始的な代謝が一つのパッケージにあるわけです。こうした特徴により自立可能なRNA基盤の生命体が生まれ得るのです。
生命が何かをより深く理解するほど、人類の生活が発展する可能性も大きくなるでしょう。生物学を通じて私たちが知っている全ての生物が緊密に相互作用するということも教えてくれます。私たちは深い連結を通じて他の全ての生命と絡み合っています。地球の生命を思いやり大切にしなければなりません。そのためにはまず生命を理解しなければなりません。その点で講義がお役に立てたなら幸いです。
5講 講義まとめ#
生命の原理
- 生命体は境界を持つ物理的独立体
- 生命体は自然選択を通じて進化
- 生命体は化学的・物理的・情報的機械
生命の核心作動原理 -> 炭素重合体中心の生命科学
代表的な炭素重合体 -> 情報保存装置、DNA -> 化学的・物理的機械、タンパク質
「情報保存と化学活動の両方を可能にする炭素重合体」
炭素重合体、DNA
- 長期遺伝情報の保存庫の役割
- DNA遺伝情報は生命活動のために活性化が必要
炭素重合体、タンパク質
- 生命活動に必須の化学反応を遂行
- 複雑で可変的な3次元構造で化学活動を活性化
- 損傷または破壊されても容易に代替可能
ウイルス（生命と非生命の中間的存在）
- ゲノムを持つ化学的実体（生命）
- 自然選択による進化が可能（生命）
- 自ら繁殖することはできない（非生命）
生命とは何か
- 進化可能な自己指向的な物理的実体
- 全ての生命は互いにつながった一つの生態系
- 相互依存的であるだけでなく遺伝的につながっている（生命の連結性）
- 人類は生命の連結性を理解できる唯一の生命体
- 生命への理解は人類の生活を改善
Irrigators channel waters; fletchers straighten arrows; carpenters bend wood; the wise master themselves.
— The Buddha
