生物学入門目標１ .自分の力で調べ考える姿勢を身につけ、同時に、これを通じて論理的思考力を養成する。

２ .細胞、つまり『生命の基本単位』の構造と機能を理解し、生物学全般を細胞レベルで理解する視点を養う。

３ .生物の共通性と多様性を理解する。

科目前半は筆記試験、後半はノート提出（後半の内容のみ )により採点する。

前半のテーマ（後藤担当分）1.生命界　エネルギー流概観2.水と生体分子3.細胞　生命の基本単位4.第二法則と酵素5.蛋白質と生体膜（１）6.蛋白質と生体膜（２）7.定期試験（６月７日）

主な参考書としてエッセンシャル細胞生物学 (南江堂、 8600 円 )を使う。①高価なこと、本科目が必須科目であることを考慮し、教科書としては指定しない②ただし、二年次の科目『細胞生物学』では教科書指定する③全 18章のうち、第 1～ 5章、第 11～ 13 章の内容 (8章分 )をカバーする予定。ただし、取扱いの『濃淡』は章毎に異なるし、本書に 100 ％準拠するわけではない（準拠率 50％程度か )。④本書から図を引用する場合には『 ECB より』と記載する。　　 ECB ： Essential Cell Biology ( 本書の英語版の略）⑤東京医科歯科大の和田勝教授は本書に依拠した生物学講義内容を⇒ http://www.tmd.ac.jp/artsci/biol/textbook/celltop.htm のサイトで公開している。本書の図版も多く引用されている。大いに参考にして欲しい。⑥福岡大学の機能生物化学研究室では生化学に関する膨大な講義資料を公開しており、大変参考になる⇒http://133.100.212.50/~bc1/index.htm 　

推奨 Web( 日本語 )①東京医歯大　和田勝教授の細胞生物学⇒ http://www.tmd.ac.jp/artsci/biol/textbook/celltop.htm②福岡大　機能生物化学研究室　『生化学の基礎』『代謝マップ』『核酸の化学』⇒http://133.100.212.50/~bc1/index.htm 　

推奨 Web( 英語 )①Dr. M. Farabee (Estrella Mountain Community College )Online Biology Book ⇒http://www.emc.maricopa.edu/faculty/farabee/BIOBK/BioBookTOC.html

1.生命界　エネルギー概観2.水と生体分子3.細胞　生命の基本単位4.第二法則と酵素5.蛋白質と生体膜（１）6.蛋白質と生体膜（２）7.定期試験（ 6月 7日）・生命界のエネルギー的基礎：太陽と光合成・生態系＝食物網からなるエネルギー変換系（動的秩序）・生物学における物理・化学・数学の一部入門　　・対数の計算ができるか　　・モル濃度の計算ができるか　　・光の波長とエネルギーの関係を理解する　　・光を吸収するとは、どういうことか

Ⅰ　生物学における物理・化学的諸量Ⅱ　エネルギー代謝の初歩 (生命と生態系 )Ⅲ　地球生態系　生産力の海陸比較

生命界　エネルギー流概観

生物学における物理・化学的諸量（１）アヴォガドロ数とモル量

①水１Ｌ（㍑）＝ 10 － 3 ｍ 3 に含まれる水分子の数は？　　水 1Ｌは 1000ｇ　　水 1mol（モル）　　　　⇒ 6.02×1023 （アヴォガドロ数）個の水分子　　　　⇒ 18gの水　（１ molの炭素原子＝ 12g）　　　　　　 C＝１２、 H2O=18　　∴水 1L＝ 1000/18mol＝ 56mol＝ 3.3×1025 分子

生物学における物理・化学的諸量（ 2）モル濃度　 M（ mol/L; molar; モル溶液）

①細胞体積を 2pL、水分含量を 70％とする。細胞内 Ca2+ 濃度は 200ｎ M、 K ＋濃度は 300mM、各々のイオンの個数を求めよ。Ca2+ 　 (200x10-9mol/L)x(2x10-

12x0.7L)x(6x1023) =2x105

K+ (2x105)x(300/200)x(10-3/10-

9)=3x1011

　なお、水 1L＝ 56mol＝ 3.3×1025 分子　上記細胞における水分子 ＝（ 1.4x10-12 ） x　 (3.3x1025)=5x1013 　m（ミリ） 10-3 、 μ（マイクロ） 10-6 、 n（ナノ） 10-9 、

p（ピコ） 10-12 、 f（フェムト） 10-15

生物学における物理・化学的諸量（３）モル濃度　 M（ mol/L; molar; モル溶液）②バクテリアの細胞体積は、動物細胞のほぼ千分の一である。他の条件は同じとして、 Ca2+ と K ＋の細胞内における個数を求めよ。動物細胞の Ca2+ は 2x105 個であるから、Ca2+ 　 2x105x10-3=200動物細胞の K+ は 3x1011 個であるから、K+ 3x1011x10-3=3x108 　

m（ミリ） 10-3 、 μ（マイクロ） 10-6 、 n（ナノ） 10-9 、p（ピコ） 10-12 、 f（フェムト） 10-15

補足　細胞の大きさと数１ ml（ 1cm四方；角砂糖の大きさ）の容器の中に隙間なく細胞を詰め込むことができたとすると、動物細胞やバクテリアの細胞は各々何個詰め込まれるか。各々の体積を 2pl、 2flとする。

動物細胞　　 1x10-3/(2x10-12)=5x108

バクテリア　 5x108x103=5x1011 　

m（ミリ） 10-3 、 μ（マイクロ） 10-6 、 n（ナノ） 10-9 、p（ピコ） 10-12 、 f（フェムト） 10-15

生物学における物理・化学的諸量（４）光の速さ　 3.0×105 km/s

『光』は東京⇔静岡を 1ms（㍉秒）で往復、 1秒間に千回往復

20

㍉秒以内の出来事は同

時として感じる（融合

閾）

生物学における物理・化学的諸量（５）光速（ｃ =3.0×10 ８ m/s ） =波長（）×振動数（）　波長（）　　一振動で進む距離（山と山の間の距離）　振動数（）　一秒間に振動する回数（ヘルツ、 Hz）　波の速さ（ c）一秒間に進む距離　周期（ ) 　　 一振動する時間　　 =1

電波（ =1m～ 100km） VHF　 30MHz～ 300MHz 3×108=(30～ 300)×106

=10～ 1mマイクロ波（ =1mm～ 1m)　電子レンジ（ microwave oven)　 =12.2cm　　 　 3×108=12.2×10-2×2.45×109Hz=2.45GHz

K（キロ） 103 、 M（メガ） 106 、G（ギガ） 109 、 T（テラ） 1012 、 P（ペタ） 1015

生物学における物理・化学的諸量（６）波長 (nm) の光子 1モルのエネルギー　波長が短いほど（振動数が大きいほど）大きなエネルギー

可視光線（ 400～ 700nm）　 400nm（紫）～ 700nm（赤）

1cal=4.24J（ジュール）1W（㍗） = 1J/s10Å(オングストローム） = 1nm

nmmolkcal

nmmolkJ

//109.2

//102.1

4

5

400nm（紫）の 1モル =73kcal700nm（赤）の 1モル =41kcal

基底状態 励起状態

物質が光を吸収するとは、物質が励起されることである

光の吸収

れいき

エネルギー準位が低い状態反応性が低い状態

エネルギー準位が高い状態反応性が高い状態

生物学における物理・化学的諸量（７）

254nm (UV) の 1モル = 114kcal400nm（紫）の 1モル = 73kcal700nm（赤）の 1モル = 41kcal分子 1モルの熱運動 =約１ kcal

ECBより

Chl

水の吸収スペクトル

両軸とも対数目盛であることに注意（両対数グラフという）log0.01=-2, log0.1=-1, log1=0, log10=1, log100=2, log103=3, log104=4基本演算⇒　 log(a×b) = log a + log bpH=-log(H+); 中性では H+=10-7 M だから pH=7 対数演算は高校数学の常識であり、かつ生物学の理解には必須である。

ATP

Pigment Chl a Chl b BChl a BChl b BChl c BChl d BChl e

black red magenta orange cyan blue green

max(nm) 430, 663

463, 648

364, 770373, 795

434,666

427,655

469, 654

クロロフィル (葉緑素 )の吸収スペクトル

紫外光 近赤外光

Adapted from the web at http://www.personal.psu.edu/faculty/n/x/nxf10/scitab/chlabs/

Ⅰ　生物学における物理・化学的諸量Ⅱ　エネルギー代謝の初歩 (生命と生態系 )Ⅲ　地球生態系生産力の海陸比較

生命界　エネルギー流概観

大日本図書『生物Ⅰ B 』より

二つの栄養形態

大日本図書『生物Ⅰ B 』より

食物連鎖 　生産者⇒一次消費者⇒二次消費者⇒ ↓ 　　　　↓　　　　　↓

　　　　分解者（還元者）

食物網 food web は食物連鎖 food chain のネットワーク

啓林館『生物Ⅰ B』より

生態系：食物網によってエネルギー変換と物質循環を行う物質系

大日本図書『生物Ⅰ B 』より

光合成生物も呼吸する：見かけの光合成＝真の光合成－呼吸

生命のエネルギーは太陽光から

光合成と呼吸の詳細は

第６講で

光合成：光エネルギーを生物エネルギー（糖）へ呼吸　：糖をＡＴＰ（生体のエネルギー通貨）へ酸素は光合成の副産物光合成には酸素を発生しないタイプもあるが、特に断らない限り、酸素発生型光合成のことを光合成と呼ぶ

ECBより

光合成が停止すれば、動物は呼吸もできない

もちろん、食物（呼吸基質 )もない

ECBより

補足：ＡＴＰの化学構造

0.73nm ×0. 94nm × 1.84nm

ECBより

ＡＴＰ＋Ｈ２Ｏ⇔ＡＤＰ＋Ｐｉ＋エネルギー

補足：生体エネルギー通貨としてのＡＴＰ

ECBより

Ⅰ　生物学における物理・化学的諸量Ⅱ　エネルギー代謝の初歩 (生命と生態系 )Ⅲ　地球生態系生産力の海陸比較

生命界　エネルギー流概観

啓林館『生物Ⅰ B』より

純生産量＝総生産量－呼吸量

『～量』とあるが、すべて『速度』

啓林館『生物Ⅰ B』より

109×106g=1015g=1Pg

現存量biomass

地球生態系　生産力の海陸比較古いデータ

Adapted from the images presented in SeaDAS

Made from the images presented in SeaDAS

Global annual NPP (grams of C/m2/yr), calculated from the integrated CASA-VGPM model. Input data for ocean color from the CZCS sensor are averages from 1978 to 1983. The land vegetation index from the AVHRR sensors is the average from 1982 to 1990. Global NPP is 104.9 Pg of C year  1 (104.9 × 1015 g of C year  1), with 46.2% contributed by the oceans and 53.8% contributed by the land. Adapted from Field et al. Science 281: 237-240 (1998)

http://seawifs.gsfc.nasa.gov/SEAWIFS/IMAGES/IMAGES.html

Whittaker 1970 純一次生産量 現存量P g /乾量 年 P g C /量 年tera W P g乾量 P g C turnover

陸 115 52 66 1837 827 16 年海 55 25 31 3.9 2 29 日地球 170 77 97 1841 828 11 年

Schlesinger 1997陸 107 48 61 560 12 年海 113 51 64 1.8 13 日地球 220 99 125 562 6 年

B C D E F G

C=B*0.45D=B*18*1000/(365*24*3600)*1000G=F/C

地球生態系　生産力の海陸比較

Latitudinal distribution of the global NPP.

(A)The global total (land plus ocean) NPP (solid line), land total NPP (dotted line), and ocean total NPP (dashed line).

(B) Land NPP: April to June (solid line),

July to September (dotted line),

October to December (short dashed line), and January to March (long dashed line).

(C) Ocean NPP: The four seasonal periods are as in (B).

まとめ（１）Ⅰ　生物学における物理・化学的諸量　　　光の吸収と分子のエネルギーⅡ　エネルギー代謝の初歩 (生命と生態系 )　　　光合成と呼吸の関係　　　光合成：エネルギー変換と酸素発生Ⅲ　地球生態系　生産力の海陸比較　　　海と陸とでほぼ互角　　　海の生産者の現存量は地球の約３％

生命界　エネルギー流概観

・生命界のエネルギー的基礎：太陽と光合成・生態系＝食物網からなるエネルギー変換系（動的秩序）・生物学における物理・化学・数学の一部入門　　・対数の計算ができるか　　・モル濃度の計算ができるか　　・光の波長とエネルギーの関係を理解する　　・光を吸収するとは、どういうことか

生命界　エネルギー流概観まとめ（２）