左上から時計回りに:ナイルワニ、ヒマワリ、アメーバ・プロテウス、サルコスキュファ・コッキネア、ショウジョウバエ、大腸菌。

生物学は、生命と生物を科学的に研究する学問です。生命の構造、機能、成長、起源、進化、分布を説明する幅広い分野と統一原理を包含する、広範な自然科学です。生物学の中心となるのは、生命の基本単位としての細胞、遺伝の基盤としての遺伝子と遺伝、生物多様性の原動力としての進化、生命プロセスを維持するためのエネルギー変換、そして内部安定性（恒常性）の維持という5つの基本テーマです。[1] [2]

生物学は、分子や細胞から生物、個体群、生態系に至るまで、生命をさまざまな組織レベルで研究します。その分野には、分子生物学、生理学、生態学、進化生物学、発生生物学、系統分類学などがあります。これらの各分野では、観察、実験、数理モデリングなど、さまざまな手法を用いて生物学的現象を研究します。現代生物学は、チャールズ・ダーウィンによって初めて提唱された自然選択による進化論と、 DNAにコードされている遺伝子の分子レベルでの理解に基づいています。DNAの構造の発見と分子遺伝学の進歩は、生物学の多くの分野に変革をもたらし、医学、農業、バイオテクノロジー、環境科学への応用につながっています。

地球上の生命は37億年以上前に誕生したと考えられています。[3]今日、生命には単細胞の古細菌や細菌から複雑な多細胞植物、真菌、動物まで、多種多様な生物が含まれています。生物学者は、分類学と系統学の枠組みを用いて、共通の特徴と進化的関係に基づいて生物を分類します。これらの生物は生態系の中で互いに、そして環境と相互作用し、エネルギーの流れや栄養循環において役割を果たしています。常に進化を続ける分野である生物学は、生命とそのプロセスへの理解を深める新たな発見や技術を取り入れるとともに、病気、気候変動、生物多様性の喪失などの課題の解決にも貢献しています。

語源

ギリシャ語のβίος ( bíos ) 「生命」 (インド・ヨーロッパ祖語の語根 *gwei- から、生きるという意味) と λογία ( logia ) 「研究」から。この化合物は、1766 年に出版されたMichael Christoph HanowのPhilosophiae Naturalis sive physicae dogmaticae: Geologia, biologia, phytologia Generalis et Dendrologiaの第 3 巻のタイトルに登場します。現代の意味での生物学という用語は、Thomas Beddoes (1799 年)、[4] Karl Friedrich Burdach (in 1800年）、ゴットフリート・ラインホルト・トレヴィラヌス（自然哲学の生物学、1802年）、ジャン＝バティスト・ラマルク（水文学、1802年）。[5] [6] [7]

歴史

細胞理論の創始者の一人、テオドール・シュワンによる、現在シュワン細胞と呼ばれているものの図。

医学を含む科学の最も古いルーツは、紀元前3000年から1200年頃の古代エジプトとメソポタミアに遡ることができます。[8] [9]彼らの貢献が古代ギリシャの自然哲学を形作りました。[10] [8] [9] [11] [12]アリストテレス（紀元前384年–322年）などの古代ギリシャの哲学者は、生物学の知識の発展に大きく貢献しました。[13]彼は生物学的因果関係と生命の多様性を研究しました。彼の後継者であるテオプラストスは、植物の科学的研究を開始しました。[14]中世イスラム世界で生物学について著作を残した学者には、植物学について著作を残したアル・ジャーヒズ（781年–869年）、アル・ディーナワリー（828年–896年）、[15]解剖学と生理学について著作を残したラーゼス（865年–925年）がいます。医学はギリシャ哲学の伝統に則って活動するイスラムの学者によって特によく研究され、一方、自然史はアリストテレス思想に大きく影響を受けました。

生物学は、アントン・ファン・レーウェンフックによる顕微鏡の劇的な改良により急速に発展し始めた。学者たちが精子、細菌、感染体、そして多様な微生物を発見したのはこの時だった。ヤン・スワンメルダムによる調査は昆虫学への新たな関心を呼び、顕微鏡による解剖や染色の技術の発達を促した。[16]顕微鏡の進歩は生物学の考え方に大きな影響を与えた。19世紀初頭、生物学者たちは細胞の中心的重要性を指摘した。1838年、シュライデンとシュワンは、現在では普遍的な考えとなっている、(1)生物の基本単位は細胞であり、(2)個々の細胞は生命の特徴をすべて備えているという考えを広め始めたが、(3)すべての細胞は他の細胞の分裂によって生じ、自然発生を続けているという考えには反対した。しかし、ロバート・レマックとルドルフ・ヴィルヒョウは第三の信条を具体化することができ、1860年代までにほとんどの生物学者は細胞理論に統合された3つの信条すべてを受け入れました。[17] [18]

一方、分類学と分類は自然史学者の焦点となりました。カール・リンネは1735年に自然界の基本分類法を出版し、1750年代にはすべての種に学名を導入しました。 [19] ジョルジュ＝ルイ・ルクレール（ビュフォン伯爵）は、種を人為的なカテゴリーとして扱い、生物は変化しやすいものとして扱い、共通の起源の可能性さえ示唆しました。[20]

1842年、チャールズ・ダーウィンは『種の起源』の最初のスケッチを執筆した。[21]

本格的な進化論的思考は、一貫した進化論を提唱したジャン＝バティスト・ラマルクの著作に端を発する。 [22]イギリスの博物学者 チャールズ・ダーウィンは、フンボルトの生物地理学的アプローチ、ライエルの斉一論的地質学、マルサスの人口増加に関する著作、そして自身の形態学的専門知識と広範な自然観察を組み合わせ、自然選択に基づくより成功した進化論を作り上げ、同様の推論と証拠からアルフレッド・ラッセル・ウォレスも独立して同じ結論に達した。[23] [24]

現代遺伝学の基礎は、 1865 年のグレゴール メンデルの研究に始まった。[25]これは、生物学的遺伝の原理の概要を示した。[26]しかし、彼の研究の重要性が認識されたのは、現代総合によりダーウィンの進化論と古典遺伝学が調和し、進化論が統一理論となった 20 世紀初頭になってからであった。[27] 1940 年代から 1950 年代初頭にかけて、アルフレッド ハーシーとマーサ チェイスによる一連の実験により、 DNA が、遺伝子として知られるようになった形質伝達単位を保持する染色体の構成要素であることが示された。ウイルスや細菌などの新しい種類のモデル生物に焦点が当てられ、1953 年にジェームズ ワトソンとフランシス クリックが DNA の二重らせん構造を発見したことで、分子遺伝学の時代への移行が始まった。1950 年代以降、生物学は分子領域で大きく拡張された。 DNAにコドンが含まれていることが解明された後、ハー・ゴビンド・コラナ、ロバート・W・ホリー、マーシャル・ウォーレン・ニーレンバーグによって遺伝暗号が解読されました。ヒトゲノム計画は、ヒトゲノムの地図を作成するために1990年に開始されました。[28]

化学的根拠

原子と分子

すべての生物は化学元素で構成されています。[29] 酸素、炭素、水素、窒素はすべての生物の質量の大部分（96%）を占め、カルシウム、リン、硫黄、ナトリウム、塩素、マグネシウムが残りのほぼすべてを構成しています。異なる元素が結合して、生命の基盤となる水などの化合物を形成することがあります。 [29] 生化学は、生物内および生物に関連する化学プロセスを研究する学問です。分子生物学は、分子の合成、修飾、メカニズム、相互作用など、細胞内および細胞間の生物学的活動の分子的基盤を理解しようとする生物学の一分野です。

水

水分子間の水素結合モデル（1）

生命は、約 38 億年前に形成された地球上の最初の海から誕生しました。[30]それ以来、水はあらゆる生物の中で最も豊富な分子であり続けています。水は、ナトリウムイオンや塩化物イオンなどの溶質やその他の小分子を溶解して水溶液を形成できる効果的な溶媒であるため、生命にとって重要です。水に溶解すると、これらの溶質は互いに接触しやすくなり、生命を維持する化学反応に参加します。 [30]分子構造の点では、水は、 2 つの水素 (H) 原子と 1 つの酸素 (O) 原子の極性共有結合 (H 2 O)によって形成された、曲がった形をした小さな極性分子です。 [30] O–H 結合は極性があるため、酸素原子はわずかに負に帯電し、2 つの水素原子はわずかに正に帯電します。[30]水のこの極性特性により、水は水素結合を介して他の水分子を引き付けることができ、これが水を凝集させます。[30]表面張力は、液体の表面における分子間の引力による凝集力から生じます。[30]水はまた、極性または荷電した非水分子の表面に付着することができるため、粘着性があります。 [30]水は、固体（または氷）のときよりも液体のときの方が密度が高くなります。 [30]この水のユニークな性質により、氷は池、湖、海などの液体の水の上に浮かび、その下の液体を上の冷たい空気から遮断することができます。 [30]水はエネルギーを吸収する能力があり、エタノールなどの他の溶媒よりも高い比熱容量をもたらします。[30]そのため、液体の水を水蒸気に変換するには、水分子間の水素結合を切断するために大量のエネルギーが必要です。[30]分子としての水は完全に安定しているわけではなく、各水分子は継続的に水素イオンと水酸化物イオンに解離してから再び水分子になります。[30]純水では、水素イオンの数は水酸化イオンの数とバランス（または等しくなる）しており、pHは中性になります。

有機化合物

グルコースなどの有機化合物は生物にとって不可欠です。

有機化合物は、水素などの他の元素に結合した炭素を含む分子です。[30]水を除いて、各生物を構成するほぼすべての分子は炭素を含みます。[30] [31]炭素は最大4つの他の原子と共有結合を形成できるため、多様で大きく複雑な分子を形成することができます。[30] [31]たとえば、1つの炭素原子は、メタンの場合は4つの単共有結合、二酸化炭素（CO 2 ）の場合は2つの二重共有結合、一酸化炭素（ CO）の場合は3つの共有結合を形成できます。 さらに、炭素は、オクタンのように相互接続された炭素-炭素結合の非常に長い鎖や、グルコースのような環状構造を形成できます。

有機分子の最も単純な形は炭化水素で、これは炭素原子の鎖に結合した水素原子で構成される有機化合物の大きなファミリーです。炭化水素骨格は、酸素 (O)、水素 (H)、リン (P)、硫黄 (S) などの他の元素で置換することができ、それによってその化合物の化学的挙動が変わります。[30]これらの元素 (O-、H-、P-、および S-) を含み、中心の炭素原子または骨格に結合した原子団は官能基と呼ばれます。[30]生物には、アミノ基、カルボキシル基、カルボニル基、ヒドロキシル基、リン酸基、およびスルフィドリル基の 6 つの主要な官能基があります。 [ 30]

1953年、ミラー・ユーリーの実験により、初期地球の環境を模倣した閉鎖系内で有機化合物が非生物的に合成できることが示され、複雑な有機分子が初期地球で自然発生的に発生した可能性があることが示唆されました（アビオジェネシスを参照）。[32] [30]

高分子

ヘモグロビンタンパク質の（a）一次構造、（b）二次構造、（c）三次構造、（d）四次構造

高分子は、より小さなサブユニットまたはモノマーから構成される大きな分子である。[33]モノマーには、糖、アミノ酸、ヌクレオチドが含まれる。[34] 炭水化物には、糖のモノマーとポリマーが含まれる。[35] 脂質は、ポリマーで構成されていない唯一の高分子クラスである。脂質には、ステロイド、リン脂質、脂肪が含まれ、[34]大部分が非極性で疎水性（水をはじく）物質である。[36] タンパク質は、高分子の中で最も多様性に富んでいる。タンパク質には、酵素、輸送タンパク質、大きなシグナル伝達分子、抗体、構造タンパク質が含まれる。タンパク質の基本単位（またはモノマー）はアミノ酸である。[33]タンパク質には20種類のアミノ酸が使用される。[33] 核酸はヌクレオチドのポリマーである。[37]核酸の機能は、遺伝情報を保存、伝達、および表現することです。[34]

細胞

細胞説によれば、細胞は生命の基本単位であり、すべての生物は1つまたは複数の細胞で構成され、すべての細胞は細胞分裂によって既存の細胞から発生します。[38]ほとんどの細胞は非常に小さく、直径が1〜100 マイクロメートルであるため、光学顕微鏡または電子顕微鏡でのみ見ることができます。[39]一般的に、細胞には核を含む真核細胞と核を持たない原核細胞の2種類があります。原核生物は細菌などの単細胞生物ですが、真核生物は単細胞または多細胞です。多細胞生物では、生物の体内のすべての細胞は、最終的には受精卵内の1つの細胞に由来します。

細胞構造

様々な細胞小器官を描いた動物細胞の構造

すべての細胞は細胞膜に囲まれており、細胞膜は細胞質と細胞外空間を隔てています。[40]細胞膜は脂質二重層で構成され、コレステロールはリン脂質の間に位置し、様々な温度で流動性を維持します。細胞膜は半透性であり、酸素、二酸化炭素、水などの小さな分子は通過できますが、より大きな分子やイオンなどの荷電粒子の動きは制限されます。[41]細胞膜には膜タンパク質も含まれており、膜を横切って膜輸送体として機能する内在性膜タンパク質や、細胞膜の外側に緩く付着して細胞を形成する酵素として機能する表層タンパク質があります。 [42]細胞膜は、細胞接着、電気エネルギーの貯蔵、細胞シグナル伝達などのさまざまな細胞プロセスに関与しており、細胞壁、グリコカリックス、細胞骨格などのいくつかの細胞外構造の付着面として機能します。

植物細胞の構造

細胞の細胞質内には、タンパク質や核酸などの多くの生体分子が存在します。[43]生体分子に加えて、真核細胞は、独自の脂質二重層を持つか、空間的に単位となっている、細胞器官と呼ばれる特殊な構造を持っています。 [44]これらの細胞器官には、細胞のDNAの大部分を含む細胞核や、細胞プロセスにエネルギーを与えるアデノシン三リン酸（ATP）を生成するミトコンドリアが含まれます。小胞体やゴルジ体などの他の細胞器官は、それぞれタンパク質の合成とパッケージングに役割を果たしています。タンパク質などの生体分子は、別の特殊な細胞器官であるリソソームに取り込まれることがあります。植物細胞には、動物細胞とは異なる細胞器官がさらに存在し、植物細胞を支える細胞壁、太陽光エネルギーを収穫して糖を生成する葉緑体、貯蔵や構造的支持を提供するとともに植物の種子の再生や分解にも関与している液胞などがある。[ 44]真核細胞にも細胞骨格があり、これは微小管、中間径フィラメント、マイクロフィラメントから構成され、これらはすべて細胞を支え、細胞や細胞器官の移動に関与している。[44]構造上、微小管はチューブリン（α-チューブリンやβ-チューブリンなど）から構成され、中間径フィラメントは繊維状タンパク質から構成されている。[44]マイクロフィラメントは、他のタンパク質鎖と相互作用するアクチン分子から構成されている。 [44]

代謝

酵素触媒による発熱反応の例

すべての細胞は、細胞プロセスを維持するためにエネルギーを必要とします。代謝は、生物体内で起こる一連の化学反応です。 代謝の 3 つの主な目的は、細胞プロセスを実行するためのエネルギーへの食物の変換、食物/燃料のモノマー構成要素への変換、および代謝老廃物の除去です。 これらの酵素触媒反応により、生物は成長し、繁殖し、その構造を維持し、環境に対応することができます。 代謝反応は、異化反応 (化合物の分解 (たとえば、細胞呼吸によるグルコースからピルビン酸への分解)) と同化反応 (化合物の構築 (合成) (タンパク質、炭水化物、脂質、核酸など)) に分類できます。通常、異化反応ではエネルギーが放出され、同化反応ではエネルギーが消費されます。 代謝の化学反応は、代謝経路にまとめられており、その中で 1 つの化学物質が一連のステップを経て別の化学物質に変換され、各ステップは特定の酵素によって促進されます。酵素は代謝に極めて重要です。なぜなら、酵素は、エネルギーを放出する自発的な反応と結合させることで、生物が単独では起こらないエネルギーを必要とする望ましい反応を促進できるようにするからです。酵素は触媒として作用し、反応物を生成物に変換するために必要な活性化エネルギーを低減することで、反応を消費されることなくより速く進行させます。また、酵素は、例えば細胞環境の変化や他の細胞からのシグナルに応じて、代謝反応の速度を調節する役割も担います。

細胞呼吸

真核細胞における呼吸

細胞呼吸は、細胞内で起こる一連の代謝反応とプロセスであり、栄養素からの化学エネルギーをアデノシン三リン酸（ATP）に変換し、老廃物を放出します。[45]呼吸に関与する反応は異化反応であり、大きな分子を小さな分子に分解してエネルギーを放出します。呼吸は、細胞が化学エネルギーを放出して細胞活動の燃料とする主要な方法の1つです。全体的な反応は一連の生化学的段階で起こり、その一部は酸化還元反応です。細胞呼吸は技術的には燃焼反応ですが、細胞内で起こる場合、一連の反応からのエネルギーがゆっくりと制御されて放出されるため、明らかに燃焼反応とは似ていません。

グルコースの形の糖は、動物や植物の細胞が呼吸に使用する主な栄養素です。酸素が関与する細胞呼吸は好気呼吸と呼ばれ、解糖、クエン酸回路（またはクレブス回路）、電子伝達系、酸化的リン酸化の4つの段階があります。[46]解糖は細胞質で起こる代謝プロセスで、グルコースが2つのピルビン酸に変換され、同時に正味2分子のATPが生産されます。[46]次に各ピルビン酸はピルビン酸脱水素酵素複合体によってアセチルCoAに酸化され、NADHと二酸化炭素も生成します。アセチルCoAは、ミトコンドリアマトリックス内で行われるクエン酸回路に入ります。回路の最後に、グルコース1個（またはピルビン酸2個）から生成される総量は、NADH 6個、FADH 2 2個、およびATP 2分子です。最後に、次の段階は酸化的リン酸化であり、これは真核生物ではミトコンドリアクリステで起こる。酸化的リン酸化は電子伝達系から構成され、これは4つのタンパク質複合体から成り、複合体間で電子を伝達することでNADHとFADH2からエネルギーが放出され、ミトコンドリア内膜を介したプロトン（水素イオン）の汲み出し（化学浸透）と連動してプロトン駆動力が発生する。[46]このプロトン駆動力のエネルギーによってATP合成酵素がADPをリン酸化することでより多くのATPを合成する。電子伝達は分子状酸素が最終的な電子受容体となって終了する。

酸素が存在しなければ、ピルビン酸は細胞呼吸によって代謝されずに発酵過程を経る。ピルビン酸はミトコンドリアに輸送されずに細胞質に留まり、そこで細胞から除去可能な廃棄物に変換される。これは、電子キャリアを酸化して再び解糖系を行えるようにし、余分なピルビン酸を除去する目的を果たす。発酵はNADHをNAD +に酸化して解糖系で再利用できるようにする。酸素がない場合、発酵は細胞質におけるNADHの蓄積を防ぎ、解糖系にNAD +を提供する。この廃棄物は生物によって異なる。骨格筋では、廃棄物は乳酸である。このタイプの発酵は乳酸発酵と呼ばれる。激しい運動では、エネルギー需要がエネルギー供給を上回ると、呼吸鎖はNADHが結合した水素原子を処理できない。嫌気性解糖系では、水素原子がピルビン酸と結合して乳酸が生成し、NAD +が再生されます。乳酸の生成は、乳酸脱水素酵素によって可逆的な反応で触媒されます。乳酸は肝臓グリコーゲンの間接的な前駆物質としても利用できます。回復期には酸素が利用可能になり、NAD +は乳酸から水素原子に結合してATPを生成します。酵母では、老廃物はエタノールと二酸化炭素です。このタイプの発酵は、アルコール発酵またはエタノール発酵として知られています。この過程で生成されるATPは、酸素を必要としない 基質レベルのリン酸化によって生成されます。

光合成

光合成は太陽光を化学エネルギーに変換し、水を分解して O 2を放出し、 CO 2を糖に固定します。

光合成は、植物やその他の生物が光エネルギーを化学エネルギーに変換する プロセスであり、このエネルギーは後に細胞呼吸を通じて生物の代謝活動の燃料として放出されます。この化学エネルギーは、二酸化炭素と水から合成される糖などの炭水化物分子に蓄えられます。[47] [48] [49]ほとんどの場合、酸素は廃棄物として放出されます。ほとんどの植物、藻類、シアノバクテリアは光合成を行っており、地球の大気中の酸素含有量の生成と維持に大きく関与しており、地球上の生命に必要なエネルギーの大部分を供給しています。[50]

光合成には、光吸収、電子伝達、ATP合成、および炭素固定の4つの段階があります。[46]光吸収は光合成の最初のステップであり、これによって光エネルギーがチラコイド膜のタンパク質に結合したクロロフィル色素によって吸収されます。吸収された光エネルギーは、供与体（水）から一次電子受容体であるQで示されるキノンへの電子の移動に使用されます。第2段階では、電子はキノン一次電子受容体から一連の電子キャリアを通って移動し、最終電子受容体（通常はNADP +の酸化型）に到達します。最終電子受容体はNADPHに還元され、このプロセスは光化学系I（PSI）と呼ばれるタンパク質複合体で行われます。電子の輸送は、ストロマからチラコイド膜へのプロトン（または水素）の移動と連動しており、これにより、水素がストロマよりもルーメンで濃縮されるため、膜を横切るpH勾配が形成されます。これは好気呼吸においてミトコンドリア内膜を介して生成されるプロトン駆動力に類似している。[46]

光合成の第3段階では、チラコイド腔からストロマへのATP合成酵素を介したプロトンの濃度勾配による移動が、同じATP合成酵素によるATPの合成と連動している。 [46]第2段階と第3段階の光依存反応でそれぞれ生成されたNADPHとATPは、カルビン回路と呼ばれる一連の光非依存（または暗）反応において、大気中の二酸化炭素をリブロース二リン酸（RuBP）などの既存の有機炭素化合物に固定することにより、グルコースの合成を促進するためのエネルギーと電子を提供する。[51]

細胞シグナル伝達

細胞シグナル伝達（または細胞コミュニケーション）とは、細胞が環境や自身からシグナルを受信、処理、伝達する能力のことである。[52] [53]シグナルには、光、電気インパルス、熱などの非化学的なもの、または別の細胞の細胞膜に埋め込まれているか細胞内の奥深くにある受容体と相互作用する化学シグナル（またはリガンド）がある。 [54] [53]化学シグナルには一般に、オートクリン、パラクリン、ジャクスタクリン、ホルモンの4種類がある。 [ 54]オートクリンシグナル伝達では、リガンドはそれを放出した細胞自体に影響を及ぼします。たとえば、腫瘍細胞は、自身の自己分裂を開始するシグナルを放出するため、制御不能に増殖する可能性があります。パラクリンシグナル伝達では、リガンドは近くの細胞に拡散して影響を与えます。たとえば、ニューロンと呼ばれる脳細胞は神経伝達物質と呼ばれるリガンドを放出し、これがシナプス間隙を越えて拡散し、別のニューロンや筋細胞などの隣接細胞の受容体と結合します。ジャクスタクリンシグナル伝達では、シグナル伝達細胞と応答細胞が直接接触します。最後に、ホルモンは、動物の循環器系または植物の維管束系を通って標的細胞に到達するリガンドです。リガンドが受容体に結合すると、受容体の種類に応じて、別の細胞の行動に影響を与えることができます。たとえば、変力作用受容体に結合する神経伝達物質は、標的細胞の興奮性を変化させることができます。他の種類の受容体には、タンパク質キナーゼ受容体（たとえば、ホルモンであるインスリンの受容体）やGタンパク質共役受容体があります。Gタンパク質共役受容体が活性化されると、セカンドメッセンジャーカスケードが開始されます。化学的または物理的シグナルが一連の分子イベントとして細胞を介して伝達されるプロセスは、シグナル伝達と呼ばれます。

細胞周期

有糸分裂期の図
有糸分裂期の図

細胞周期は、細胞内で起こる一連のイベントであり、細胞を2つの娘細胞に分裂させます。これらのイベントには、DNAといくつかの細胞器官の複製、それに続く細胞分裂と呼ばれるプロセスでの細胞質の2つの娘細胞への分割が含まれます。[55]真核生物（動物、植物、真菌、原生生物の細胞）では、有糸分裂と減数分裂という2つの異なる種類の細胞分裂があります。[56]有糸分裂は細胞周期の一部であり、複製された染色体が2つの新しい核に分けられます。細胞分裂により、染色体の総数が維持された遺伝的に同一の細胞が生成されます。一般的に、有糸分裂（核の分裂）の前には間期のS期（DNAが複製される）があり、その後に終期と細胞質分裂が続くことがよくあります。これは、1 つの細胞の細胞質、細胞小器官、細胞膜を、これらの細胞成分をほぼ均等に含む2 つの新しい細胞に分割するものです。有糸分裂のさまざまな段階によって、動物の細胞周期の有糸分裂期、つまり母細胞が遺伝的に同一の 2 つの娘細胞に分裂する段階が定義されます。 [57]細胞周期は、単細胞の受精卵が成熟した生物に発育するための重要なプロセスであると同時に、髪、皮膚、血液細胞、および一部の内臓が更新されるプロセスでもあります。細胞分裂後、それぞれの娘細胞は新しい周期の間期を開始します。有糸分裂とは対照的に、減数分裂では 1 回の DNA 複製とそれに続く 2 回の分裂を経て 4 つの半数体娘細胞が生成されます。[58] 相同染色体は最初の分裂 (減数分裂 I ) で分離され、姉妹染色分体は 2 番目の分裂 (減数分裂 II )で分離されます。これらの細胞分裂周期は両方とも、ライフサイクルのある時点で有性生殖のプロセスで使用されます。両方とも、真核生物の最後の共通祖先に存在していたと考えられています。

減数分裂では、染色体が複製され、相同染色体は減数分裂 I 中に遺伝情報を交換します。娘細胞は減数分裂 II で再び分裂して半数体配偶子を形成します。

原核生物（すなわち、古細菌および細菌）も細胞分裂（二分裂）を起こすことができる。真核生物の有糸分裂および減数分裂とは異なり、原核生物における二分裂は細胞上に紡錘体を形成することなく起こる。二分裂前、細菌中のDNAはしっかりとコイル状に巻かれている。それが解けて複製された後、分裂の準備としてサイズが大きくなるにつれて、細菌の別々の極に引き寄せられる。新しい細胞壁の成長が始まり、細菌は分離する（FtsZの重合と「Zリング」の形成によって引き起こされる）。[59]新しい細胞壁（隔壁）が完全に発達し、細菌は完全に分裂する。新しい娘細胞は、しっかりとコイル状に巻かれたDNAロッド、リボソーム、およびプラスミドを持つ。

有性生殖と減数分裂

減数分裂は真核生物の有性生殖の中心的な特徴であり、その最も基本的な機能は、親から子孫に受け継がれるゲノムの完全性を維持することであると考えられる。 [60] [61]有性生殖の2つの側面である減数分裂組換えと異系交配は、それぞれゲノムDNA損傷の組換え修復と有害な劣性変異の発現をマスクする遺伝的補完の適応的利点によって維持されていると考えられる。[62]

他殖（交雑受精）によってもたらされる遺伝的補完の有益な効果は、雑種強勢（ハーモニー・ヴィゴー）または雑種強勢（ヘテロシス）とも呼ばれます。チャールズ・ダーウィンは1878年に著した『植物界における交雑受精と自殖受精の影響』[63]の第12章の冒頭で、「本書で得られた観察から導き出される最初の、そして最も重要な結論は、少なくとも私が実験した植物においては、一般的に交雑受精は有益であり、自殖受精はしばしば有害であるということである」と述べています。遺伝的変異は、しばしば有性生殖の副産物として生じ、他殖を行う有性系統に長期的な利点をもたらす可能性があります。[62]

遺伝学

継承

紫色（B）と白色（b）の花をヘテロ接合性に持つ2つのエンドウ豆の交配種を表すパンネット方眼図

遺伝学は遺伝を科学的に研究する学問である。[64] [65] [66] メンデル遺伝は、具体的には、遺伝子と形質が親から子へ受け継がれる過程である。[26]これにはいくつかの原則がある。第一に、遺伝的特徴である対立遺伝子は別個で、交互の形（紫と白、背の高いと低いなど）を持ち、それぞれが2人の親のどちらかから受け継がれるというものである。一部の対立遺伝子は優性で、その他は劣性であるとする優性均一性の法則に基づき、少なくとも1つの優性対立遺伝子を持つ生物はその優性対立遺伝子の表現型を示す。配偶子形成中に、各遺伝子の対立遺伝子は分離し、各配偶子は各遺伝子に対して1つの対立遺伝子のみを持つ。ヘテロ接合性の個体は、2つの対立遺伝子が等頻度で配偶子を作り出す。最後に、独立組み合わせの法則は、異なる形質の遺伝子は配偶子の形成中に独立して分離できる、つまり遺伝子は連鎖していないことを述べています。この規則の例外として、伴性形質が挙げられます。優性表現型を持つ生物の根底にある遺伝子型を実験的に決定するために、検定交配を行うことができます。 [67]パネット方形は、検定交配の結果を予測するために使用できます。遺伝子は染色体上に存在するとする染色体遺伝説は、ショウジョウバエを用いたトーマス・モーガンズの実験によって裏付けられ、この実験では、これらの昆虫の目の色と性別の間に連鎖関係があることが証明されました。[68]

遺伝子とDNA

塩基は2本のらせん状のDNA鎖の間にあります。

遺伝子は遺伝の単位で、生物の形や機能を制御する遺伝情報を運ぶデオキシリボ核酸 (DNA) の領域に対応しています。 DNA は、互いに巻きついて二重らせんを形成する 2 つのポリヌクレオチド鎖で構成されています。[69] DNA は、真核生物では線状染色体として、原核生物では環状染色体として存在します。細胞内の染色体のセットは、まとめてゲノムと呼ばれています。真核生物では、DNA は主に細胞核にあります。[70]原核生物では、DNA は核様体内に保持されています。[71]遺伝情報は遺伝子内に保持されており、生物内の完全な集合体は遺伝子型と呼ばれています。[72] DNA 複製は半保存的プロセスであり、各鎖が新しい DNA 鎖のテンプレートとして機能します。[69]突然変異は DNA の遺伝性変化です。[69]突然変異は、校正によって修正されなかった複製エラーの結果として自然発生的に発生することもあれば、化学物質（亜硝酸、ベンゾピレンなど）や放射線（X線、ガンマ線、紫外線、不安定同位体から放出される粒子など）などの環境変異原によって誘発されることもある。[69]突然変異は、機能喪失、機能獲得、条件付き突然変異などの表現型への影響をもたらすことがある。[69]突然変異の中には、進化のための遺伝的変異 の源となるため有益なものがある。[69]突然変異の中には、生存に必要な遺伝子の機能喪失につながる場合、有害なものがある。[69]

遺伝子発現

分子生物学の拡張セントラルドグマには、遺伝情報の流れに関わるすべてのプロセスが含まれます。

遺伝子発現とは、DNAにコードされた遺伝子型が、生物の体内のタンパク質において観察可能な表現型を生じる分子プロセスである。このプロセスは、 1958年にフランシス・クリックによって提唱された分子生物学のセントラルドグマによって要約されている。 [73] [74] [75]セントラルドグマによれば、遺伝情報はDNAからRNAへ、そしてタンパク質へと流れる。遺伝子発現プロセスには、転写（DNAからRNAへ）と翻訳（RNAからタンパク質へ）の2つがある。[76]

遺伝子制御

環境因子や発生の様々な段階による遺伝子発現の調節は、転写、RNAスプライシング、翻訳、タンパク質の翻訳後修飾など、プロセスの各段階で起こる可能性がある。 [77]遺伝子発現は、転写因子と呼ばれる2種類の調節タンパク質のどちらがプロモーター付近のDNA配列に結合するかによって、正または負の調節の影響を受ける可能性がある。 [77]同じプロモーターを共有する遺伝子のクラスターはオペロンと呼ばれ、主に原核生物と一部の下等真核生物（例：線虫）に見られる。[77] [78]遺伝子発現の正の調節において、活性化因子はプロモーター付近の配列に結合すると転写を刺激する転写因子である。負の調節は、リプレッサーと呼ばれる別の転写因子がオペロンの一部であるオペレーターと呼ばれるDNA配列に結合して転写を防ぐときに起こる。リプレッサーは、誘導因子と呼ばれる化合物（例えば、アロラクトース）によって阻害され、それによって転写が起こることを可能にする。[77]誘導因子によって活性化される特定の遺伝子は、ほぼ常に活性である構成遺伝子とは対照的に、誘導遺伝子と呼ばれる。 [77]両方とは対照的に、構造遺伝子は遺伝子調節に関与しないタンパク質をコードしている。[77]プロモーターが関与する調節イベントに加えて、遺伝子発現は、真核細胞に見られるDNAとタンパク質の複合体であるクロマチンのエピジェネティックな変化によっても調節される。[77]

遺伝子、発達、進化

発生とは、多細胞生物（植物または動物）が単一の細胞から始まり、そのライフサイクルの特徴である様々な形態をとる一連の変化を経る過程である。 [79]発生の基盤となる主要な過程は、決定、分化、形態形成、および成長の4つである。決定は細胞の発生上の運命を決定し、発生中はより制限的になる。分化とは、幹細胞などのあまり特殊化されていない細胞から特殊な細胞が発生する過程である。[80] [81]幹細胞は未分化または部分的に分化した細胞であり、さまざまな種類の細胞に分化し、無限に増殖して同じ幹細胞をさらに生成することができる。[82]細胞分化は、細胞の大きさ、形状、膜電位、代謝活動、およびシグナルに対する応答性を劇的に変化させ、これは主に遺伝子発現とエピジェネティクスの高度に制御された変更による。いくつかの例外はあるものの、細胞分化によってDNA配列自体が変化することはほとんどない。[83]このように、異なる細胞は同じゲノムを持っていても、物理的特性が大きく異なることがあります。形態形成、つまり体の形の形成は、遺伝子発現の空間的な差異の結果です。[79]生物のゲノム中の遺伝子のうち、発生遺伝ツールキットと呼ばれるごく一部が、その生物の発生を制御します。これらのツールキット遺伝子は門間で高度に保存されており、これはつまり、古くから存在し、遠く離れた動物群間で非常に類似していることを意味します。ツールキット遺伝子の配置の違いは、体制や体の部分の数、性質、パターンに影響を与えます。最も重要なツールキット遺伝子の一つがHox遺伝子です。Hox遺伝子は、ヘビの多くの椎骨のような繰り返し部分が、発生中の胚や幼生のどこで成長するかを決定します。[84]

進化

進化のプロセス

より暗い特徴のための自然選択

進化は生物学における中心的な概念である。それは、集団の遺伝 形質が世代を超えて変化していく過程である。[85] [86]人為選択において、動物は特定の形質を選抜するために選択的に繁殖された。 [87]形質は遺伝し、集団は多様な形質の組み合わせを含み、生殖によってどの集団でも増加させることができることを踏まえ、ダーウィンは自然界において、特定の形質を選択する上で人間の役割を担うのは自然であると主張した。[87]ダーウィンは、環境に適応した遺伝形質を持つ個体は、他の個体よりも生存し、より多くの子孫を残す可能性が高いと推論した。[87]彼はさらに、これが世代を超えて好ましい形質の蓄積につながり、生物と環境の適合性を高めると推論した。[88] [89] [90] [87] [91]

種分化

種とは互いに交配する生物の集団であり、種分化とは、互いに独立して進化してきた結果、1つの系統が2つの系統に分裂する過程である。[92]種分化が起こるためには、生殖隔離が必要である。 [92 ]生殖隔離は、ベイトソン・ドブジャンスキー・ミュラーモデルで説明されているように、遺伝子間の不適合性によって生じる可能性がある。生殖隔離はまた、遺伝的分岐とともに増加する傾向がある。種分化は、祖先種を隔てる物理的な障壁がある場合に起こり、この過程は異所的種分化として知られる。[92]

系統発生

BacteriaArchaeaEukaryotaAquifexThermotogaBacteroides–CytophagaPlanctomyces"Cyanobacteria"ProteobacteriaSpirochetesGram-positivesChloroflexiThermoproteus–PyrodictiumThermococcus celerMethanococcusMethanobacteriumMethanosarcinaHaloarchaeaEntamoebaeSlime moldsAnimalsFungiPlantsCiliatesFlagellatesTrichomonadsMicrosporidiaDiplomonads
細菌、古細菌、真核生物のドメインを示す系統樹

系統発生とは、特定の生物群またはその遺伝子の進化の歴史である。[93]系統発生は、生物またはその遺伝子の系統を示す図である系統樹を使用して表すことができる。系統の木の時間軸上に描かれた各線は、特定の種または個体群の子孫の系統を表す。系統が2つに分かれる場合、系統樹上では分岐または分裂として表される。[93]系統樹は、異なる種を比較およびグループ化するための基礎である。 [ 93 ]共通の祖先から受け継いだ特徴を共有する異なる種は、相同特徴（またはシナポモルフィー）を持つと説明される。[94] [95] [93]系統発生は、生物学的分類の基礎を提供する。[93]この分類システムは順位に基づいており、最高順位はドメインで、次に界、門、綱、目、科、属、種が続く。[93]すべての生物は、古細菌（もともと古細菌）、細菌（もともと真正細菌）、または真核生物（真菌、植物、動物界を含む）の3つのドメインのいずれかに分類できます。[96]

生命の歴史

地球上の生命の歴史は、生命の最も古い出現から現在に至るまで、生物がどのように進化してきたかをたどる。地球は約 45 億年前に形成され、現生および絶滅したすべての地球上の生命は、約35 億年前に生きていた最後の普遍的な共通祖先から派生した。[97] [98]地質学者は、地球の歴史を 4 つの紀 (冥王代、始生代、原生代、顕生代) に分ける地質学的時間尺度を開発した。最初の 3 つは総称して先カンブリア代と呼ばれ、約 40 億年続いた。[99]各紀はさらに紀に分けられ、5 億 3900 万年前に始まった顕生代[100]は古生代、中生代、新生代にさらに分けられる。[99]これら3つの時代を合わせると11の時代（カンブリア紀、オルドビス紀、シルル紀、デボン紀、石炭紀、ペルム紀、三畳紀、ジュラ紀、白亜紀、第三紀、第四紀）を構成する。[99]

現存するすべての種に見られる類似性は、それらが進化の過程で共通の祖先から分岐してきたことを示している。[101]生物学者は、遺伝コードの遍在性を、すべての細菌、古細菌、真核生物が普遍的に共通の起源を持っていることの証拠とみなしている。[102] [3] [103] [104]細菌と古細菌が共存する微生物マットは、始生代初期に支配的な生命体であり、初期進化の主要なステップの多くはこの環境で起こったと考えられている。[105]真核生物の最古の証拠は18億5000万年前に遡り、[106] [107]真核生物はそれ以前から存在していた可能性があるが、代謝に酸素を使い始めてからその多様化が加速した。その後、約17億年前には、分化した細胞が特殊な機能を果たす多細胞生物が出現し始めた。[108]

藻類のような多細胞陸上植物の起源は約10億年前に遡りますが[109] 、証拠によれば、少なくとも27億年前には微生物が最古の陸上生態系を形成していたことが示唆されています[110] 。微生物はオルドビス紀に陸上植物の誕生への道を開いたと考えられています。陸上植物は非常に繁栄したため、後期デボン紀の絶滅に寄与したと考えられています[111]。

エディアカラ生物群はエディアカラ紀に出現し、[112]脊椎動物は、他のほとんどの現代の門とともに、約5億2500万年前のカンブリア爆発の間に発生しました。[113]ペルム紀には、哺乳類の祖先を含む単弓類が陸上を支配していましたが、[114]このグループのほとんどは2億5200万年前のペルム紀-三畳紀絶滅イベントで絶滅しました。 [115]この大惨事からの回復中に、主竜類が最も豊富な陸上脊椎動物になりました。[116]主竜類の1つのグループである恐竜は、ジュラ紀と白亜紀を支配しました。[117] 6600万年前の白亜紀-古第三紀絶滅イベントで非鳥類恐竜が絶滅した後、 [118]哺乳類は急速にサイズと多様性が増加しました。[119]このような大量絶滅は、新たな生物群が多様化する機会を提供することで進化を加速させた可能性がある。[120]

多様性

細菌と古細菌

細菌は、原核微生物の大きな領域を構成する細胞の一種です。通常、細菌の長さは数マイクロメートルで、球形から桿体、らせん形まで、様々な形状をしています。細菌は地球上に出現した最初の生命体の一つであり、地球上のほとんどの生息地に存在しています。細菌は土壌、水、酸性温泉、放射性廃棄物[121]、そして地殻深部の生物圏に生息しています。また、細菌は植物や動物と共生・寄生関係にあります。ほとんどの細菌は特性が解明されておらず、実験室で培養できる種を持つ細菌門は約27%に過ぎません[122] 。

古細菌は原核細胞のもう一方のドメインを構成し、最初は細菌として分類され、古細菌界のアーキバクテリアという名前が付けられたが、この用語は現在では使われていない。[123]古細菌細胞は、細菌や真核生物という他の２つのドメインとは異なる独自の特性を持っている。古細菌はさらに複数の門に分けられる。古細菌と細菌は一般に大きさや形が似ているが、Haloquadratum walsbyiの扁平で四角い細胞のように形が大きく異なる古細菌もいくつかある。[124]細菌とのこの形態的類似性にもかかわらず、古細菌は、特に転写や翻訳に関与する酵素に関しては、真核生物のものとより密接に関連した遺伝子やいくつかの代謝経路を持っている。古細菌の生化学の他の側面は、細胞膜のエーテル脂質に依存するなど独特であり、[125]古細菌もその１つである。古細菌は真核生物よりも多くのエネルギー源を利用します。その範囲は、糖などの有機化合物から、アンモニア、金属イオン、さらには水素ガスまで多岐にわたります。耐塩性古細菌（ハロアーキア）は太陽光をエネルギー源として利用し、他の種は炭素を固定しますが、植物やシアノバクテリアとは異なり、両方を行う古細菌は知られていません。古細菌は二分裂、断片化、または出芽によって無性生殖します。細菌とは異なり、胞子を形成する古細菌は知られていません。

最初に観察された古細菌は極限環境生物であり、温泉や塩湖など、他の生物が生息しない極限環境に生息していました。分子検出ツールの改良により、土壌、海洋、湿地など、ほぼあらゆる生息地で古細菌が発見されるようになりました。古細菌は特に海洋に多く存在し、プランクトン中の古細菌は地球上で最も豊富な生物群の一つであると考えられます。

古細菌は地球上の生命の主要な部分を占めています。あらゆる生物の微生物叢の一部です。ヒトのマイクロバイオームにおいては、腸内、口腔、皮膚において重要な役割を果たしています。[126]形態学的、代謝学的、地理的多様性により、古細菌は炭素固定、窒素循環、有機化合物の代謝回転、微生物共生・共生群集の維持など、多様な生態学的役割を果たしています。[127]

真核生物

ユーグレナは移動と光合成ができる単細胞真核生物である。

真核生物は古細菌から分岐し、その後細菌と共生（または共生）してミトコンドリアと葉緑体が生じ、どちらも現代の真核細胞の一部となっていると考えられています。[128]真核生物の主な系統は、約15億年前の先カンブリア代に多様化し、8つの主要な分岐群に分類できます。蜂巣虫、掘削虫、ストラメノパイル、植物、リザリア、アメーボゾア、菌類、および動物です。[128]これらの分岐群のうち5つは総称して原生生物と呼ばれ、ほとんどが植物、菌類、動物ではない微視的な真核生物です。 [128]原生生物は共通祖先（真核生物の最後の共通祖先）を共有している可能性が高いものの、 [129]原生生物の中には、他の原生生物よりも植物、菌類、動物に近いものもあるため、原生生物単独では別個の系統群を構成するものではありません。藻類、無脊椎動物、原生動物などの分類と同様に、原生生物の分類は正式な分類群ではなく、便宜上用いられています。[128] [130]ほとんどの原生生物は単細胞であり、これらは微生物真核生物と呼ばれます。[128]

植物は主に多細胞生物で、主に植物界に属する光合成真核生物ですが、菌類や一部の藻類は除かれます。植物細胞は、約10億年前にシアノバクテリアが初期の真核生物に共生して葉緑体を発生させたことで発生しました。 [131]一次共生の後に出現した最初のいくつかの系統群は水生で、水生光合成真核生物のほとんどはまとめて藻類と呼ばれていますが、これはすべての藻類が近縁というわけではないので便宜上の用語です。[131]藻類は、淡水に生息する微細藻類である灰色藻類など、いくつかの異なる系統群で構成されており、形状は植物界の初期の単細胞の祖先に似ている可能性があります。[131]灰色藻類とは異なり、紅藻や緑藻など他の藻類系統群は多細胞です。緑藻類は、クロロフィタ、コレオカエトフィタ、ストーンワートの3つの主要な系統から構成されています。[131]

真菌は体外で食物を消化する真核生物であり、[132]消化酵素を分泌して大きな食物分子を分解し、細胞膜を通して吸収します。多くの真菌は腐生生物でもあり、死んだ有機物を餌とするため、生態系において重要な分解者となっています。 [132]

動物は多細胞真核生物です。例外はごくわずかですが、動物は有機物を摂取し、酸素を呼吸し、移動し、有性生殖を行い、胚発生期には胞胚と呼ばれる中空の細胞球から成長します。150万種以上の現生動物種が記載されており、そのうち約100万種は昆虫ですが、動物種の総数は700万種以上と推定されています。動物は互いに、そして環境と複雑な相互作用を持ち、複雑な食物網を形成しています。[133]

ウイルス

細菌細胞壁に付着したバクテリオファージ

ウイルスは生物の細胞内で複製される超顕微鏡的感染性因子である。[134]ウイルスは動物や植物から細菌や古細菌を含む微生物まで、あらゆる種類の生命体に感染する。[135] [136] 6,000種以上のウイルスが詳細に記述されている。[137]ウイルスは地球上のほぼすべての生態系に存在し、最も数が多い生物である。[138] [139]

生命の進化史におけるウイルスの起源は不明瞭です。細胞間を移動できるDNA断片であるプラスミドから進化したウイルスもあれば、細菌から進化したウイルスもあります。進化において、ウイルスは遺伝子水平伝播の重要な手段であり、有性生殖に類似した方法で遺伝的多様性を増加させます。[140]ウイルスは生命の特徴の一部を備えているものの、すべてを備えているわけではないため、「生命の瀬戸際にある生物」[141]や自己複製生物[142]と表現されてきました。

生態学

生態学は、生命の分布と豊かさ、生物と環境の相互作用を研究する学問です。[143]

生態系

生きている（生物的）生物群集とその環境の非生物的（非生物的）構成要素（水、光、放射線、温度、湿度、大気、酸性度、土壌など）の組み合わせは、生態系と呼ばれます。[144] [145] [146]これらの生物的および非生物的構成要素は、栄養循環とエネルギーの流れによって結びついています。 [147]太陽からのエネルギーは光合成によってシステムに入り、植物組織に取り込まれます。動物は植物や他の動物を食べることで、システムを通じて物質とエネルギーを移動させます。彼らはまた、存在する植物および微生物バイオマスの量に影響を与えます。分解者は死んだ有機物を分解することで炭素を大気中に放出し、死んだバイオマスに蓄えられた栄養素を植物や他の微生物が容易に利用できる形に変換することで栄養循環を促進します。 [148]

人口

ロジスティック成長曲線を通じて収容力に到達する

個体群とは、ある地域を占有し、世代から世代へと繁殖する同種の生物の集団である。 [149] [150] [151] [152] [153]個体群の大きさは、個体群密度に面積または体積を掛けることで推定できる。環境の収容力とは、利用可能な食料、生息地、水、その他の資源を前提とした場合、その特定の環境で維持できる種の最大の個体群の大きさである。[154]個体群の収容力は、資源の入手可能性やその維持コストの変化など、環境条件の変化によって影響を受ける可能性がある。人間の個体群においては、緑の革命などの新技術が、地球上の人類の収容力を徐々に高めるのに役立っており、 18世紀のトーマス・マルサスによる最も有名な予測に代表される、差し迫った人口減少の予測を阻んできた。 [149]

コミュニティ

(a) 栄養段階ピラミッドと (b) 簡略化された食物網。栄養段階ピラミッドは各段階における生物量を表す。[155]

群集とは、同時に同じ地理的領域を占める種の個体群のグループです。[156]生物学的相互作用とは、群集で一緒に暮らす一組の生物がお互いに及ぼす影響です。それらは、同じ種（種内相互作用）の場合もあれば、異なる種（種間相互作用）の場合もあります。これらの影響は、受粉や捕食のように短期的なものである場合もあれば、長期的な場合もあります。どちらも、関与する種の進化に強く影響を及ぼします。長期的な相互作用は共生と呼ばれます。共生は、両方のパートナーに有益な相利共生から、両方のパートナーに有害な競争までの範囲にわたります。[157]すべての種は、消費者、資源、またはその両方として、食物連鎖または食物網の中核をなす消費者・資源相互作用に参加しています。[158]食物網にはさまざまな栄養段階があり、最下層は植物や藻類などの一次生産者（または独立栄養生物）で、エネルギーと無機物を有機化合物に変換し、その有機化合物はコミュニティの残りの部分が利用します。[50] [159] [160]次のレベルは従属栄養生物で、他の生物から有機化合物を分解してエネルギーを得る種です。[158]植物を消費する従属栄養生物は一次消費者（または草食動物）であり、草食動物を消費する従属栄養生物は二次消費者（または肉食動物）です。そして、二次消費者を食べる従属栄養生物は三次消費者などです。雑食性の従属栄養生物は複数のレベルで消費することができます。最後に、生物の廃棄物や死骸を食べる分解者がいます。 [158]平均して、ある栄養段階の生物量 に単位時間あたりに取り込まれるエネルギーの総量は、その栄養段階が消費するエネルギーの約10分の1です。分解者によって利用される廃棄物や死骸、そして代謝から失われる熱が、次の栄養段階によって消費されないエネルギーの残りの90%を占めます。[161]

生物圏

速い炭素循環は、陸地、大気、海洋間の炭素の移動を年間数十億トン単位で示しています。黄色の数字は自然フラックス、赤は人為的要因、白は蓄積された炭素です。火山活動や地殻変動などの遅い炭素循環の影響は含まれていません。 [162]

地球規模の生態系、すなわち生物圏では、物質は相互作用する異なる区画として存在し、その形態や位置に応じて、生物的または非生物的、またアクセス可能またはアクセス不可能である。[163]例えば、陸生独立栄養生物由来の物質は生物的であり、他の生物がアクセスできるが、岩石や鉱物に含まれる物質は非生物的でありアクセス不可能である。生物地球化学循環とは、物質の特定の要素が地球の生物的（生物圏）および非生物的（岩石圏、大気圏、水圏）区画を通じて循環または移動される経路である。窒素、炭素、および水の生物地球化学循環がある。

保全

保全生物学は、地球の生物多様性の保全を研究する学問であり、種、その生息地、生態系を過度の絶滅率や生物間相互作用の侵食から保護することを目的とします。 [164] [165] [166]保全生物学は、生物多様性の維持、損失、回復に影響を与える要因と、遺伝的多様性、個体群多様性、種多様性、生態系多様性を生み出す進化のプロセスを持続させる科学を扱っています。[167] [168] [169] [170]この懸念は、今後50年以内に地球上の種の最大50%が消滅するという推定に起因しており、[171]これは貧困や飢餓の一因となり、この惑星の進化の過程をリセットすることになります。[172] [173] 生物多様性は、人々が依存するさまざまなサービスを提供する生態系の機能に影響を及ぼします。保全生物学者は、生物多様性の喪失、種の絶滅、そしてこれらが人間社会の幸福を維持する能力に及ぼす悪影響の傾向について研究と教育を行っています。組織や市民は、地域から地球規模まで様々な規模の懸念事項に取り組む研究、モニタリング、教育プログラムを統括する保全行動計画を通じて、現在の生物多様性危機に対応しています。[174] [167] [168] [169]

参照

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さらに読む

  • OSUのPhylocode
  • 生物学オンライン – Wiki辞書
  • MIT生物学ビデオ講義シリーズ
  • OneZoom 生命の樹
  • 生物学史ジャーナル（springer.com）

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