大人的生物教室：透過85堂課理解生命的起源與存在

1－1
生命來自何方？
――生於地球？抑或來自宇宙？

「我們的祖先是從哪裡來的」，如果不停追溯這個問題，最後就會出現「生命來自何方」的疑問。關於生命的起源，有地球誕生說和宇宙發生論。目前科學家們正透過各種知識、證據，以及經驗和實驗等，努力了解真相。
關於生命的起源，大致可分為三種理論。第一是神造論；第二是地球上的簡單化學物質經過長時間變化為複雜的物質後，才產生了生命；第三則是來自地球之外。第一種理論已經超出了科學的範圍，所以這裡不進行討論，只會介紹第二和第三種理論。
生物主要是由含有碳、氧、氫、氮等元素的化合物所組成。由於這些元素原本就存在於空氣和水中，因此有一派科學家認為這些物質經過了複雜的過程後，誕生出了生命。18世紀時，生物學家認為生物體內的物質是只能由生物自行合成的特殊物質，為了與礦物做出區別，因而將前者稱為有機物，後者稱為無機物。然而後來，人們發現諸如胺基酸之類的簡單有機物就算沒有生物參與也能合成後，便不再把有機物當成特殊的物質。現在，有機物泛指含有碳元素的化合物中，除了二氧化碳和碳酸鈉這種簡單物質以外的物質。
因為這樣，有些科學家開始思考，既然有機物可以透過人工合成，那麼自然界應該也能合成簡單的有機物。曾得過諾貝爾獎的美國化學家哈羅德．尤里（Harold Clayton Urey）認為，「原始地球的大氣，是含有水、甲烷、氨、氫的還原（幾乎不存在分子狀態的氧）環境」。1953年，當時還是芝加哥大學研究生的史丹利．米勒（Stanley Lloyd Miller），在尤里的指導下進行了一個實驗，證明了簡單的有機化合物實際上可經由人工合成。這個實驗是在燒瓶內放入上述氣體和水，然後從下方加熱使水分蒸發。接著在相連的另一個燒瓶內放電模仿落雷，讓氣體在導管內冷卻後送回燒瓶。連續重複此過程一星期左右，燒瓶內的溶液逐漸變成褐色。米勒分析溶液內的成分後，在裡面找到了組成蛋白質的多種胺基酸。後來，在其他類似的實驗中，除了胺基酸之外，又發現了構成核酸的嘌呤和嘧啶、ATP（三磷酸腺苷，參照本書3－7）的構成要素腺嘌呤。
之後，隨著地球物理學的進步，科學家發現原始地球的大氣中，還存在著米勒模擬的還原環境中，所不存在的含有大量二氧化碳的氧化環境。然而，科學家已經知道，現在在深海的海底熱泉仍存在與米勒的實驗中相似的環境，同時也有可能存在合成有機物。米勒的實驗，發現了對生命十分重要的有機化合物，即使不借助生物的力量也有辦法合成，這大大改變了後來生物學家的研究方向。
另一方面，由於科學家在來自宇宙的隕石中，也發現了胺基酸等有機化合物，因此也有一派學者認為生命的起源來自宇宙。
實際上，在1969年墜落於澳洲的默奇森隕石內部，便發現了多種胺基酸。各種分析結果都證明了這些胺基酸並非來自地球的生物，而是來自宇宙。之後，科學家又陸續從其他含有碳元素的隕石中檢出了胺基酸，證明了像胺基酸這種簡單的有機化合物，有可能是在地球誕生，也有可能是來自宇宙。

1－11
恐龍仍然活著？
――鳥類就是恐龍的遺孤

一般認為，恐龍在中生代白堊紀末期已經滅絕，但如果我說恐龍的後代至今依然存在於世上，大家會不會很驚訝呢？英國尼斯湖中的尼斯湖水怪，身為20世紀最大的謎團而為人所知；但我說的並不是尼斯湖水怪，而是隨處可見的鳥類。恐龍和鳥類因為在骨骼結構上十分相似，因此一直都有人主張兩者具有親緣關係，而最近的研究更發現了許多證據，證明鳥類正是恐龍的直系子孫。
科學家認為鳥類和恐龍有相似之處，是從在德國巴伐利亞州的索倫霍芬約1億5000萬年前的中生代侏羅紀地層中發現「始祖鳥」的化石開始。這個化石擁有鳥喙和牙齒，同時具有鳥類和恐龍的特徵，而且化石上有明顯的羽毛痕跡，起初被認定是鳥類的祖先。然而，始祖鳥身上卻沒有所有鳥類都有的鎖骨，因此有些人始終對始祖鳥是鳥類的祖先這點感到懷疑。
直到1973年，美國古生物學家約翰．奧斯特倫姆（John Ostrom）發現獸腳類恐龍中的馳龍屬擁有鎖骨；後來，中國又陸續挖出許多長有羽毛的恐龍化石，人們才終於確定鳥類是恐龍的直系後代。
以前的恐龍復原想像圖，常常把恐龍的外皮畫成像大象一樣的灰色或褐色；但最近的復原想像圖中，色彩鮮豔的恐則大幅增加。很多人可能會以為恐龍只有化石，不可能得知牠們生前是什麼顏色，但把恐龍塗成五顏六色其實是有根據的。2010年，美國的研究團隊用電子顯微鏡仔細觀察羽毛恐龍之一的近鳥龍化石的羽毛痕跡後，發現含有黑色素的細胞胞器（黑色素體），在身體不同部位的形狀竟然不一樣。換句話說，檢測到球狀的黑褐色素的頭部羽毛應該是紅色，而檢測到棒狀的真黑色素的後腳羽毛應該是黑色。
而且如果鳥類是恐龍的直系後代，那麼恐龍應該也看得見顏色。過去經常把恐龍當成鱷魚的親戚，所以在復原時往往使用不起眼的顏色；但鳥類擁有可以分辨顏色的視覺細胞，所以恐龍應該也能分辨顏色，因此科學家推論雄性恐龍為了吸引雌性恐龍，可能會演化出鮮豔的顏色。

1－1
生命來自何方？
――生於地球？抑或來自宇宙？

「我們的祖先是從哪裡來的」，如果不停追溯這個問題，最後就會出現「生命來自何方」的疑問。關於生命的起源，有地球誕生說和宇宙發生論。目前科學家們正透過各種知識、證據，以及經驗和實驗等，努力了解真相。
關於生命的起源，大致可分為三種理論。第一是神造論；第二是地球上的簡單化學物質經過長時間變化為複雜的物質後，才產生了生命；第三則是來自地球之外。第一種理論已經超出了科學的範圍，所以這裡不進行討論，只會介紹第二和第三種理論。
生物主要是由含有碳、氧、氫、氮...

前言

生物學的發展十分快速，日本高中的生物課綱，近年有了大幅度的改訂。過去提到生物，一般都是從海膽或青蛙的誕生開始講起，而遺傳學的部分則是從孟德爾定律開始教起；但現在的教材，卻是直接從「構成生物體的基因」和「基因改造」等題材切入。過去人們對於生物學的印象，都是從仔細觀察動植物入門，等到對生物相當熟悉之後，才開始深入研究果蠅或黏菌等特定的生物。然而現代對生物學的印象，則是身穿白衣自由剪接基因的分子生物學家。另外，在以生物學為志業的人當中，抱有崇高目標、期望未來透過基因改造解決人類糧食危機的人，以及透過基因治療在醫學領域有所貢獻的人也愈來愈多。

隨著生物學的相關知識飛躍性地增加，新的資訊也在網路上充斥氾濫。然而，由於內容的專門性極高，大部分的人似乎還是有看沒有懂。不僅如此，除了專家之外，一般民眾也可以在網路上分享資訊，使得各種正確和錯誤的生物學知識交織混雜，又沒有人替這些資訊把關，因此有時根本分不出究竟哪些是真、哪些是假。

以前學過生物的人，如果看到現在的高中教科書，肯定會對今昔的差異感到訝異吧。直到不久前，教科書上都還把生態系的角色分為生產者、消費者，以及分解者三個大群；但現在高中新版的教科書，卻不再使用分解者這個名詞，把分解者重新歸類到消費者內。還有，在遺傳學的部分，日本以前習慣說的「優性」、「劣性」這種表現，也在日本遺傳學會的建議下，改用「顯性」和「隱性」來取代。

筆者在大學是教生物學的，有時會在課堂上要求學生「請上網調查一下○○的資料」，讓學生自己用關鍵字查詢。然而，看到學生們查詢跳出的頁面，有時卻是跟我期望的完全不同的網頁。每當這種時候，我都會心想「如果學生具有生物學的基礎知識，就不會錯得這麼離譜了」，同時在內心感慨「如果有一本可以清楚傳達生物學基礎知識的書就好了」，因此才編寫了這本書。

我想大家應該都曾純粹出於好奇心，思考過「生命的起源是什麼？」、「我的祖先是從哪裡來的？」、「我的身體是怎麼構成的？」這些跟自己的存在有關的問題。不論你是文科、理科，如果你的心中也抱有這類基本的疑惑，相信本書一定能對你有所幫助。

本書為了讓任何人都能輕鬆理解生物的基礎知識，舉了許多教科書上很少用的「譬例」，讓讀者可以用日常生活中的事物來理解。另外，關於本書中經常出現的「基因組」一詞，我們將不會集中放在一個章節來講解，而是每次在與此相關的主題出現時重新說明一遍，因為重要的內容多說明幾次會更好。光看文章難以理解的部分，本書也會盡量用可以只看圖就理解的方式呈現。

如果你是看不懂高中生物課本的人、想一窺生物世界奧妙的人，又或是想認識自己的存在的人，只要讀完本書，相信你一定能為過去覺得不可思議的生物之謎找到答案。

2018年5月吉日
大石正道

前言

生物學的發展十分快速，日本高中的生物課綱，近年有了大幅度的改訂。過去提到生物，一般都是從海膽或青蛙的誕生開始講起，而遺傳學的部分則是從孟德爾定律開始教起；但現在的教材，卻是直接從「構成生物體的基因」和「基因改造」等題材切入。過去人們對於生物學的印象，都是從仔細觀察動植物入門，等到對生物相當熟悉之後，才開始深入研究果蠅或黏菌等特定的生物。然而現代對生物學的印象，則是身穿白衣自由剪接基因的分子生物學家。另外，在以生物學為志業的人當中，抱有崇高目標、期望未來透過基因改造解決人類糧食危機的人，以...

前言 3

第1章　從生命誕生到人類出現
1－1　生命來自何方？
――生於地球？抑或來自宇宙？
1－2　最初的生命是什麼樣子？
――分隔外界和內部就是生命的開始
1－3　把劇毒氧氣變成良藥的生物生存戰略
――嗜氧菌與粒線體的故事
1－4　古細菌其實很新？
――古細菌與真核生物的故事
1－5　多細胞生物登場
――埃迪卡拉生物群的故事
1－6　單細胞生物並不單純
――單細胞與多細胞的不同
1－7　何謂寒武紀大爆發
――動物發育機制的故事
1－8　生物曾幾度經歷大滅絕危機
――古生代、中生代、新生代的交界
1－9　生物真的會進化嗎
――以病毒和微生物的抗藥性為例
1－10　脊椎動物的演化
――最新基因組研究的發現
1－11　恐龍仍然活著？
――鳥類就是恐龍的遺孤
1－12　人類是在哪裡誕生的？
――在非洲發現的人類化石

第2章　從細胞的構造到個體的形成
2－1　所有的生物都是由細胞構成
――細胞的構造與功能
2－2　細胞有兩種
――原核細胞與真核細胞的不同
2－3　保管細胞設計圖的圖書館
――細胞核的故事
2－4　細胞內的發電廠
――粒線體的故事
2－5　細胞內的物質通道（內質網與高基氏體）
――蛋白質的修飾（化妝）
2－6　細胞內也有骨頭？
――細胞骨架的功用
2－7　細胞是如何分裂成2個一模一樣的細胞？
――細胞分裂的故事
2－8　近年揭開面紗的染色體結構
――大型同步輻射設施Spring8的研究成果
2－9　細胞聚在一起就成為組織
――動物和植物組織的不同
2－10　從器官到器官系統
――為什麼植物沒有器官系統？
2－11　心臟為什麼在左邊？
――左撇子基因的作用
生物之窗　動物學vs植物學，素描習慣的差異

第3章　構成生物體的物質
3－1　為什麼含矽元素的物種很少見？
――構成生物體的原子特徵
3－2　生命活動的能源
――碳水化合物的故事
3－3　進行生命活動的主角
――胺基酸與蛋白質的故事
3－4　生命藍圖及其之複製
――DNA與RNA的故事
3－5　生物體內的油脂究竟有什麼用？
――構成細胞膜的脂質的故事
3－6　為什麼我們的身體需要金屬元素？
――生物體的微量元素的故事
3－7　被譽為能量貨幣的物質
――ATP的故事
3－8　荷爾蒙是什麼？
――細胞間的溝通
3－9　植物也有荷爾蒙？
――植物性荷爾蒙：生長素和吉貝素、開花素的故事
生物之窗　快樂物質是什麼樣的東西？

第4章　揭開基因和DNA的面紗
4－1　父母會把什麼傳給孩子？
――孟德爾發現的基因是什麼？
4－2　基因的實體是什麼？
――DNA就是基因本體的證據
4－3　研究果蠅有助於研究人類
――構成人體的同源異形基因的發現
4－4　剪接基因的方法
――基因改造的基礎知識
4－5　基因改造作物的現況
――GMO的優點和缺點
4－6　新的基因改造技術
――基因編輯
4－7　在短時間內大量增加基因的方法
――PCR法的原理
4－8　基因的鹼基序列確定法
――DNA定序
4－9　什麼是人類基因組計畫？
――人類基因組計畫帶來的恩惠
4－10　日本人來自哪裡？
――從基因一探祖先走過的路
4－11　日本人大多易醉的原因
――關於乙醛脫氫酶2（ALDH2）的遺傳多型性

第5章　動物誕生的機制
5－1　先成論與後成論的爭論
――在基因被發現之前
5－2　什麼是細胞的全能性？
――重置已喪失之全能性的技術
5－3　從受精卵到胚胎成形
――海膽和青蛙的形成
5－4　為什麼心臟全由心臟細胞組成，肝臟全由肝臟細胞組成？
――鈣黏蛋白的故事
5－5　細胞的命運是如何決定的？
――組織者的故事
5－6　前面和後面、肚子和背部的方向性是如何決定的？
――決定前後軸、腹背軸的基因
5－7　創造體節結構的基因
――果蠅和人類共通的體節結構形成基因的故事
5－8　手腳是如何形成的？
――肢芽細胞是如何知道自己應該在哪裡的？
5－9　複製羊「桃莉」的誕生與複製人
――體細胞複製的做法
生物之窗　iPS細胞的誕生――在體細胞內人工植入基因的粗暴技術

第6章　維繫生命的機制――代謝、發酵、光合作用
6－1　什麼是代謝？
――生物體內的物質代謝與能量代謝
6－2　什麼是酵素？
――酵素為什麼被稱為生物觸媒？
6－3　呼吸有2種？
――外呼吸和內呼吸的不同
6－4　什麼是發酵？
――不使用酵素的異化代謝系統
6－5　螢火魷是如何發光的？
――生物發光的原理
6－6　植物是如何獲得養分的？
――光合作用的原理
6－7　生物將空氣中的氮攝入體內的原理
――固氮作用的故事
生物之窗　沒有光也能合成有機物的生物的故事――化學合成的故事

第7章　生物反應與調整的機制
7－1　肌肉是如何收縮的？
――肌肉的構造與肌肉收縮的原理
7－2　神經是如何快速傳遞興奮的？
――神經興奮與跳躍式傳導的故事
7－3　聲音的刺激是如何傳到腦部的？
――人耳聽到聲音的原理
7－4　光的刺激是如何傳到腦部的？
――視覺原理
7－5 　感受氣味的原理
――嗅覺的原理
7－6　感受味道的原理
――舌頭的構造與味覺的故事
7－7　感受磁力的原理
――趨磁細菌與候鳥的故事
7－8　研究大腦的2種途徑
――神經網絡研究與大腦圖像解析
7－9　藍光會打亂生物時鐘
――生物時鐘的原理
生物之窗　動物有第六感嗎？――鯊魚的勞倫氏壺腹和蛇的窩器

第8章　生物多樣性和瀕危物種
8－1　為什麼世上有這麼多物種？
――生物的多樣性
8－2　為什麼日本的生物學界用片假名來寫「人」字？
――學名和俗名的故事
8－3　生物的世界除了動物和植物還有第三種生物
――真菌的故事
8－4　不遠的未來，我們將再也吃不到鰻魚？
――什麼是瀕危物種？
8－5　什麼是華盛頓公約？
――為了不讓瀕危物種滅絕
8－6　罰金最高可達1億日圓？
――瀕危物種保護法的罰則強化
8－7　來自外國的危險生物
――外來種的故事
生物之窗　最危險的外來種紅火蟻侵入日本
8－8　增加瀕危野生生物的祕策
――光把雄猩猩和母猩猩放在一起是不會繁殖的
8－9　保護生物多樣性的祕策
――北極圈的種子儲藏庫
生物之窗　當紅物種――世界最小的變色龍等

第9章　生物如何在環境中生存
9－1　組成生態系的生產者和消費者
――什麼是生態系？
9－2　什麼是棲息地和生態位？
――解讀艱澀的生態學用語
9－3　植物的耐性比動物更強
――最新基因組研究發現的植物生存戰略
9－4　生態系有金字塔？
――生產者與消費者的關係
9－5　生活環境的良劣決定生物的命運
――最適密度的故事
9－6　為什麼生物學家能知道在深海活動的海豹的行為模式？
――生物信標追蹤的故事
9－7　汙染物質的生物累積 2
――什麼是環境荷爾蒙？
9－8　如何恢復崩壞的生態系？
――理想群落生境的故事

索引

前言 3

第1章　從生命誕生到人類出現
1－1　生命來自何方？
――生於地球？抑或來自宇宙？
1－2　最初的生命是什麼樣子？
――分隔外界和內部就是生命的開始
1－3　把劇毒氧氣變成良藥的生物生存戰略
――嗜氧菌與粒線體的故事
1－4　古細菌其實很新？
――古細菌與真核生物的故事
1－5　多細胞生物登場
――埃迪卡拉生物群的故事
1－6　單細胞生物並不單純
――單細胞與多細胞的不同
1－7　何謂寒武紀大爆發
――動物發育機制的故事
1－8　生物曾幾度經歷大滅絕危機
――古生代、中生代、新生代的交界
1－9　生物真的會進化嗎
――...