生物学的組織
生物学的組織とは、還元主義的なアプローチを用いて生命を定義する複雑な 生物学的 構造とシステムの組織化である。[1]以下に詳述するように、伝統的な階層構造は原子から生物圏にまで及ぶ。この体系の上位レベルは、しばしば生態学的組織概念、あるいは階層的生態学という分野と呼ばれる。
階層構造の各レベルは組織の複雑さの増加を表し、各「オブジェクト」は主に前のレベルの基本単位で構成されています。[2]組織の背後にある基本原則は、創発の概念です。つまり、階層構造にある特性や機能は、下位レベルには存在せず、無関係であるということです。
生命の生物学的組織は、数多くの科学 研究分野、特に医学研究における基本的な前提となっている。この必要な程度の組織化がなければ、さまざまな物理的・化学的現象の影響に関する研究を病気や生理学（身体機能）に応用することははるかに困難であり、おそらく不可能であろう。例えば、脳が特定の種類の細胞で構成されていなければ、認知神経科学や行動神経科学などの分野は存在し得ず、細胞レベルの変化が生物全体に影響を及ぼすことが知られていなければ、薬理学の基本概念は存在し得ない。これらの応用は生態学的レベルにも及んでいる。例えば、DDTの直接的な殺虫効果は細胞内レベルで起こるが、複数の生態系を含むより高いレベルにまで影響を及ぼす。理論的には、1 つの原子の変化が生物圏全体を変える可能性がある。
レベル
生物学的組織の標準的な図は、最下層から最上層まで、以下の通りである。[1]
| 原子より小さいレベルについては、 素粒子を参照してください。 | ||
| 無細胞レベル と 前細胞レベル | 原子 | |
| 分子 | 原子のグループ | |
| 生体分子複合体 | （生体）分子のグループ | |
| 細胞レベル | オルガネラ | 生体分子の官能基、生化学反応および相互作用 |
| 細胞レベル | 細胞 | すべての生命の基本単位と細胞小器官の集合 |
| 超細胞レベル （多細胞レベル） | 組織 | 細胞の機能グループ |
| 器官 | 組織の機能グループ | |
| 器官系 | 臓器の機能グループ | |
| 生態学的レベル | 生物 | 基本的な生体システム、少なくとも1つの細胞を含む下位レベルの構成要素の機能的グループ |
| 人口 | 同じ種の生物の集団 | |
| ギルド | 同じ生態学的機能を果たす生物の種間グループ（つまり、草食動物）。 | |
| 群集 （または生物群系） | すべての生物学的ドメインからのギルドと、特定の場所におけるそれらの相互作用。 | |
| エコシステム | 物理的（非生物的）環境と結びついた生物のグループ。 | |
| バイオーム | 大陸規模（気候的および地理的に隣接し、気候条件が類似した地域）の生態系のグループ化。 | |
| 生物圏または 生態圏 | 地球上のすべての生命、またはすべての生命と物理的（非生物的）環境[3] | |
| 生物圏や生態圏よりも大きなレベルについては、宇宙における地球の位置を参照してください。 | ||
より複雑な体系では、より多くのレベルが組み込まれます。例えば、分子は元素の集合体と見なすことができ、原子はさらに亜原子粒子に細分化できます（これらのレベルは生物学的組織の範囲外です）。各レベルは独自の階層に細分化することもでき、これらの生物学的対象物の特定のタイプは独自の階層体系を持つことができます。例えば、ゲノムはさらに遺伝子の階層に細分化できます。[4]
階層構造の各レベルは、その下位レベルによって記述することができます。例えば、生物は、原子、分子、細胞、組織学的（組織）、器官、器官系といった構成要素のどのレベルでも記述できます。さらに、階層構造の各レベルにおいて、生命の制御に必要な新たな機能が出現します。これらの新たな役割は、下位レベルの構成要素では実現できない機能であり、そのため「創発特性」と呼ばれます。
すべての生物は組織化されていますが、その程度は必ずしも同じではありません。[5]そもそも生物が組織で構成されていない場合、組織学的（組織）レベルで組織化することはできません。 [6]
生物組織の出現
生物組織は、RNA鎖がダーウィンの構想した自然選択の作用に必要な基本条件（遺伝率、型の変異、限られた資源をめぐる競争）を発現し始めた初期のRNAワールドで出現したと考えられています。RNA複製子の適応度（個体あたりの増加率）は、おそらく、ヌクレオチド配列によって決定されるという意味で固有の適応能力と資源の利用可能性の関数であったと考えられます。[7] [8]主要な3つの適応能力は以下の通りでした。
（１）中程度の忠実度で複製する能力（遺伝性と型の変異の両方を生じる）。
（２）腐敗を防ぐ能力
（３）資源を獲得し、処理する能力。[7] [8]
これらの能力は、当初はRNAレプリケーター（「リボザイム」参照）の折り畳み構造によって決定され、その折り畳み構造は個々のヌクレオチド配列にコードされていたと考えられる。異なるRNAレプリケーター間の競争上の成功は、これらの適応能力の相対的な値に依存していたと考えられる。その後、より近代的な生物においては、生物学的組織の段階における競争上の成功は、広い意味で、これらの適応能力の相対的な値に依存し続けたと考えられる。
基礎
経験的に、自然界で観察される（複雑な）生物システムの大部分は階層構造を示す。理論的根拠によれば、複雑系は単純性から複雑性が進化する世界において階層構造を持つと予想される。1950年代に行われたシステム階層分析[9] [10]は、1980年代以降に階層生態学と呼ばれる分野の基礎を実証的に築いた。[11] [12] [13] [14] [15]
理論的基礎は熱力学によって要約される。生物系を物理系としてモデル化すると、最も一般的な抽象化においては、自己組織化挙動を示す熱力学的開放系となり、[16]散逸構造間の集合／部分集合関係は階層的に特徴付けることができる。
「生命の階層的組織」の原理を説明するより単純で直接的な方法が、オダムらによって『生態学』の中で「サイモンの階層原理」として導入された。[17]サイモン[18]は、階層構造は「階層構造が安定しているという単純な理由から、さまざまな進化のプロセスを通じてほぼ必然的に出現する」ことを強調した。
この深い考えを裏付けるために、彼は架空の時計職人についての「寓話」を披露しました。
時計職人のたとえ話 かつて、ホラとテンプスという二人の時計職人がいました。彼らは非常に優れた時計を作っていました。工房の電話はひっきりなしに鳴り響き、新しい顧客からの電話が絶えずかかってきました。しかし、ホラは繁栄する一方で、テンプスはますます貧しくなり、ついにテンプスは店を失いました。一体何が原因だったのでしょうか？
時計はそれぞれ約1000個の部品で構成されていました。テンプスが製作した時計は、組み立て途中の時計を（例えば電話に出るなど）置くとすぐにバラバラになり、基本部品から再び組み立て直さなければならないような設計になっていました。
ホーラは、それぞれ約10個の部品からなるサブアセンブリを組み立てられるように時計を設計しました。これらのサブアセンブリを10個組み合わせて、より大きなサブアセンブリを作り、最終的に、より大きなサブアセンブリを10個組み合わせて時計全体を構成しました。各サブアセンブリは、分解することなく置いておくことができました。
参照
注記
- ^ ソロモン、バーグ、マーティン 2002、9～10ページ
- ^ パヴェ 2006、40ページ
- ^ ハゲット 1999
- ^ パヴェ 2006、39ページ
- ^ Postlethwait & Hopson 2006、p. 7
- ^ Witzany, G (2014). 「生物学的自己組織化」.国際記号記号システムジャーナル. 3 (2): 1– 11. doi :10.4018/IJSSS.2014070101.
- ^ ab Bernstein, H; Byerly, HC; Hopf, FA; Michod, RA; Vemulapalli, GK (1983). 「ダーウィンのダイナミック」. Quarterly Review of Biology . 58 (2): 185– 207. doi :10.1086/413216. JSTOR 2828805. S2CID 83956410.
- ^ ab Michod RE. (2000) ダーウィンのダイナミクス：適応度と個体性における進化的変遷。プリンストン大学出版局、プリンストン、ニュージャージー州ISBN 0691050112
- ^ エヴァンス 1951
- ^ エヴァンス 1956
- ^ マルガレフ 1975
- ^ オニール 1986
- ^ ウィッケン＆ウラノヴィッツ 1988
- ^ プメイン 2006
- ^ ジョーダン＆ヨルゲンセン 2012
- ^ ポクロフスキー、ウラジミール (2020). 『複雑系の熱力学：原理と応用』 IOP Publishing, ブリストル, 英国.
- ^ サイモン 1969年、192～229ページ
- ^ Simonのテキストはdoi :10.1207/S15327809JLS1203_4、polaris.gseis.ucla.edu/pagre/simonに掲載されています。2015年7月5日アーカイブ、Wayback Machineでご覧いただけます。またはjohncarlosbaez/2011/08/29の転写は2015年5月31日アーカイブ、Wayback Machineでご覧いただけます。
参考文献
- エヴァンス、FC（1951）、「生態学と都市地域研究」、サイエンティフィック・マンスリー（73）
- エヴァンス、FC（1956）、「生態学における基本単位としての生態系」、サイエンス、123（3208）：1127–8、Bibcode：1956Sci...123.1127E、doi：10.1126/science.123.3208.1127、PMID 17793430
- ハゲット、RJ (1999). 「生態圏、生物圏、それともガイア？地球生態系を何と呼ぶべきか。生態学的考察」『地球生態学と生物地理学』8 (6): 425– 431. doi :10.1046/j.1365-2699.1999.00158.x. ISSN 1466-822X.
- Jordan, F.; Jørgensen, SE (2012) 『生態学的階層のモデル：分子から生態圏へ』Newnes, ISBN 9780444593962
- Margalef, R. (1975)、「外部要因と生態系の安定性」、Schweizerische Zeitschrift für Hydrology、37 (1): 102–117、Bibcode :1975AqSci..37..102M、doi :10.1007/BF02505181、hdl : 10261/337692、S2CID 20521602
- オニール、RV（1986）、生態系の階層的概念、ISBN 0691084378
- Pavé, Alain (2006)、「生物・生態システムの階層的組織」、Pumain, D. (ed.), Hierarchy in Natural and Social Sciences、ニューヨーク、ニューヨーク：Springer-Verlag、ISBN 978-1-4020-4126-6
- ポスルスウェイト、ジョン・H.; ホプソン、ジャネット・L. (2006)、『現代生物学』、ホルト、ライナーハート、ウィンストン、ISBN 0-03-065178-6
- Pumain, D. (2006),自然科学と社会科学における階層性、Springer、ISBN 978-1-4020-4127-3
- Simon, HA (1969)、「複雑性のアーキテクチャ」、The Sciences of the Artificial、ケンブリッジ、マサチューセッツ州：MIT Press
- ソロモン、エルドラ P.バーグ、リンダ R. Martin、Diana W. (2002)、生物学(第 6 版)、ブルックス/コール、ISBN 0-534-39175-3、LCCN 2001095366
- ウィッケン, JS; ウラノヴィッツ, RE (1988)「生態学における階層的つながりの定量化について」『社会生物システムジャーナル』11 (3): 369– 377, doi :10.1016/0140-1750(88)90066-8
外部リンク
