2.3 細胞は生命の最小単位 - 環境生物学

生物は高度に組織化、構造化されており、小さいものから大きいものへとスケールの階層を辿っています（図1）。原子は、物質の最小かつ最も基本的な単位です。原子は、原子核の周りを電子が取り囲んで構成されています。原子は、少なくとも2つの原子が化学結合によって結合した化学構造体である分子を形成する。植物や動物をはじめとするさまざまな種類の生物では、分子が特定の方法で結合し、オルガネラと呼ばれる構造体を形成する。オルガネラは、細胞内に存在し、特殊な機能を果たす小さな構造体である。

フローチャートは、生物の階層を示しています。小さなものから大きなものまで、この階層には以下のようなものがあります。 1 陽子、中性子、電子を持つ原子。 2 リン脂質のように、原子からなる分子。 3 ゴルジ装置や核など、細胞内に存在する器官。 4 赤血球などの細胞。 5 ヒトの皮膚組織などの「組織」。 6器官系の一例であるヒトの消化器系を構成する胃や腸などの器官。 7 生物、個体群、共同体。公園では、一人一人の人が生物です。すべての人が集まって人口を構成しています。また、公園内のすべての植物や動物の種がコミュニティを構成する。 8 生態系。ニューヨークのセントラルパークの生態系には、生物とその生息環境が含まれる。 9 生物圏：地球上のすべての生態系を包含する。 — 図1. 原子から地球全体まで、生物学は生命のあらゆる側面を調べます。 (クレジット「分子」：Jane Whitneyによる改変、クレジット「オルガネラ」：Louisa Howardによる改変、クレジット「細胞」：Bruce Wetzel, Harry Schaefer, National Cancer Instituteによる改変、クレジット「組織」：”Kilbad”/Wikimedia Commonsによる改変、クレジット「臓器」：Mariana Ruiz Villareal, Joaquim Alves Gasparによる改変、クレジット「生物」：Peter Duttonによる改変。

ほとんどの多細胞生物では、細胞が結合して組織を作り、同じ機能を持つ同じような細胞の集まりである。臓器は、共通の機能に基づいてグループ化された組織の集まりです。臓器は動物だけでなく、植物にも存在する。臓器は動物だけでなく植物にも存在する。例えば、脊椎動物には多くの器官系が存在する。例えば、血液を全身と肺の間に運ぶ循環系には、心臓や血管などの器官が含まれる。器官とは、個々の生命体のことである。

特定の地域に生息するある種の個体をまとめて「集団」と呼びます。

特定の地域に生息する種の個体を総称して「集団」と呼びます。例えば、森の中にいる木や花、虫などの集団は、その森のコミュニティを形成しています。森そのものが生態系である。生態系とは、特定の地域に生息するすべての生物と、土壌中の窒素や雨水など、その環境を構成する非生物的な部分からなる。最も高いレベルの組織である生物圏は、すべての生態系の集合体であり、地球上の生命の領域を表しています。

細胞理論

目を閉じて、レンガの壁を思い浮かべてください。その壁の基本的な構成要素は何でしょうか？もちろん、一枚のレンガです。レンガの壁のように、あなたの体も基本的な構成要素で構成されており、体の構成要素は細胞です。あなたの体にはたくさんの種類の細胞があり、それぞれが特定の目的に特化しています。家がさまざまな建材でできているように、人間の体も多くの種類の細胞で構成されています。例えば、骨の細胞は体を支え、保護する役割を果たしています。免疫系の細胞は、侵入してきた細菌と戦います。また、赤血球は酸素を全身に運ぶ役割を担っています。これらの細胞はそれぞれ、体の成長、発達、日々の維持に重要な役割を果たしています。

現在私たちが使っている顕微鏡は、1600年代にオランダの商人でレンズ作りに長けていたアントニー・ファン・レーウェンフックが使っていたものよりはるかに複雑です。レーウェンフックは、当時のレンズでは限界があるにもかかわらず、単細胞生物や精子などの動きを観察し、それらを総称して「アニマルキュール」と呼んでいた。また、実験科学者のロバート・フックは、1665年に出版した『Micrographia』の中で、コルクの組織をレンズで覗いたときに見えた箱のような構造を「セル」（ラテン語で「小さな部屋」を意味するcellaに由来）と呼んだ。 1670年代には、レーウェンフックがバクテリアや原生動物を発見。

1830年代後半には、植物学者のマティアス・シュライデンと動物学者のテオドール・シュワンが組織を研究し、「すべての生物は1つ以上の細胞から構成されている」「細胞は生命の基本単位である」「すべての新しい細胞は既存の細胞から発生する」という統一細胞理論を提唱した。この原則は現在も受け継がれている。細胞にはさまざまな種類があり、原核細胞と真核細胞の2つに大別される。

すべての細胞には4つの共通点があります。

すべての細胞に共通しているのは、1）細胞内部と周囲の環境を隔てる外側の膜である「細胞膜」、2）他の細胞成分が存在する細胞内のゼリー状の領域である「細胞質」、3）細胞の遺伝物質である「DNA」、4）タンパク質を合成する粒子である「リボソーム」の4つである。

原核細胞の構成要素

原核細胞とは、核や膜に包まれた小器官を持たない単純な単細胞生物のことです。これが真核生物では大きく異なることはすぐにわかるだろう。

細菌は、古細菌や真核生物とは異なり、ペプチドグリカン（糖とアミノ酸からなる分子）からなる細胞壁を持ち、多くは多糖類のカプセルを持っています。細胞壁は、細胞を保護する役割を果たし、細胞の形状を維持し、脱水を防ぐ。カプセルは、細胞が環境中の表面に付着することを可能にする。原核生物の中には、鞭毛、ピリ、またはフィンブリアエを持つものがある。鞭毛は移動に使用される。繊毛は、共役と呼ばれる生殖の一種で、遺伝物質の交換に使われる。

真核細胞

真核細胞とは、膜で覆われた核と、その他の膜で覆われた小器官を持つ細胞のことです。オルガネラにはさまざまな種類があり、それぞれが高度に専門化された機能を持っています（図3参照）。真核生物」という言葉は、膜に包まれた核が存在するという意味で、「真の核」または「真性の核」を意味する。

細胞の大きさ

直径0.1〜5.0μmの原核細胞は、10〜100μmの真核細胞に比べて圧倒的に小さい（図3）。原核生物は、その小ささゆえに、細胞内に侵入したイオンや有機分子が速やかに細胞内の他の部分に拡散する。同様に、原核細胞内で発生した老廃物もすぐに外に出ることができる。しかし、大型の真核細胞は、細胞内の輸送を促進するために、さまざまな構造的適応を進化させてきた。実際、これらの適応がなければ、真核細胞の大きなサイズは実現できない。一般的に、細胞の大きさには限界があります。なぜなら、体積は細胞の表面積よりもはるかに速く増加するからです。