Life

Japanese: 生命 - せいめい

Life is a fundamental attribute of all living things, including humans. However, it is quite difficult to scientifically define life. The current situation in which the definition of death, which is the negation of life, is also a topic of debate in the medical field shows how difficult it is to define life. Even if the cessation of brain activity is defined as the death of an individual, there are still organs and tissues that continue to function. If all the cells that make up an individual cease to function, it is complete biological death, but this also poses a difficult problem. This is because, in order to say that a cell has died, it must be defined that the cell is alive. This has not yet been completely defined. Under these circumstances, it is impossible to give a satisfactory definition to the question, "What is life?". Here, we will discuss how modern biology views life, and what separates living things from non-living things. Next, we will provide an overview of the historical changes in the view of life (the history of the theory of life or the view of life), and finally discuss the origin of life.

[Seiichiro Kawashima]

Life phenomena

The amount of biological knowledge gained about life has reached an enormous amount, and the characteristics of living organisms include their composition mainly of organic substances and their production of organic substances, metabolism, responsiveness to stimuli, ability to maintain homeostasis, self-replication and reproduction, heredity and mutation, etc. All of these are important biologically, but it is difficult to determine the necessary and sufficient conditions for "life."

[Seiichiro Kawashima]

metabolism

With the exception of viruses, the bodies of living organisms are made up of cells. Therefore, the material metabolism carried out by cells (simply called metabolism) is one of the important characteristics of life. Living organisms are constantly absorbing substances from the outside world and excreting them back to the outside world. This is the outward appearance of metabolism. Within cells, substances are constantly being replaced by those absorbed from the environment. This is essential for maintaining life, and the cessation of metabolism means the death of the organism. Even when metabolism is ongoing, there generally are no sudden changes in the morphology of cells or organisms. This means that metabolism is regulated purposefully.

If the substances that make up living organisms are divided down to the atomic level, they are the same as the atoms that make up the inanimate world. If metabolism is divided into elementary reactions (basic reactions that are the building blocks of various reactions), it is no different from chemical reactions that occur in the inanimate world. This means that metabolism, as a characteristic of life, is characterized by the way elementary reactions are combined. At the molecular level, characteristics characteristic of life are seen. In addition to water and inorganic salts, the substances that make up living organisms include organic substances such as proteins, nucleic acids, carbohydrates, and lipids. These organic substances are basically substances created by living organisms. Among them, proteins are important substances that give the shape of living organisms and perform enzymatic action. There are many types of proteins with different structures, which gives rise to specificity in proteins that perform enzymatic action. For example, enzymes that catalyze one reaction cannot catalyze other reactions, such as enzymes that break down lipids not breaking down sugars.

Although the types of metabolic patterns differ among organisms depending on the amounts and types of enzyme proteins they possess, the basic metabolism is the same for all organisms, from bacteria to humans. For example, the energy required for muscle contraction when animals move, the energy used by intestinal villi when absorbing nutrients, and the energy required for fireflies to emit light are all provided by the decomposition of high-energy phosphate compounds (such as ATP). There are various types of metabolism within living organisms, but each metabolism does not proceed at its own speed; rather, it is controlled as a whole so as not to impair the purpose of maintaining life. This control can be in two ways: (1) direct control of enzyme activity, and (2) because enzymes themselves are also metabolic reaction products, changing the amount of enzyme production, which in turn controls metabolism.

Living organisms are inseparably linked to their environment, and they adapt to certain changes in their environment. This property maintains the stability of their form and function. The basis for this is the control of metabolic reactions. In multicellular organisms, not only are enzyme reactions within the cells controlled, but there are also adjustments made between cells, between tissues, and between organs to maintain harmony within the organism as a whole.

[Seiichiro Kawashima]

Self-replication and inheritance

A universal characteristic of all living organisms is their ability to reproduce offspring that are very similar to themselves. This process of self-replication is called heredity and is considered a fundamental characteristic of life.

Genetics has been studied using higher plants and animals such as fruit flies and corn, but as bacteria and viruses began to be used as research materials, rapid progress was made and the nature of genes became clear. Based on this knowledge, progress is being made in elucidating the physical substance of genes in higher plants and animals.

The information that controls genetic traits is contained in DNA (deoxyribonucleic acid). In viruses, it can also be RNA (ribonucleic acid). When a bacteriophage, a virus that parasitizes bacteria, enters the bacterial body, only DNA enters the bacterial body, which revealed that of the proteins and nucleic acids that make up the bacteriophage, only nucleic acid is necessary for the proliferation of the bacteriophage. An enzyme called DNA polymerase works to replicate DNA. When the genetic information contained in nucleic acid is expressed, not all information is expressed equally. This is shown by the phenomenon in which a variety of tissues and organs with different properties and morphologies differentiate from a single fertilized egg. This is explained as the control of protein synthesis when genetic information is expressed. The main reason why synthesis does not occur even when there is information to synthesize a certain type of protein is that the transcription of the genetic code into messenger RNA does not occur. Information is expressed when the inhibition of the transcription process, which has been constantly suppressed, is released.

This process is explained as follows in the theory of the regulatory mechanism of protein synthesis (operon theory) proposed by F. Jacob and J. L. Monod (1961). Genes are divided into structural genes and regulatory genes, and these two have different functions in the genetic regulation of proteins. Structural genes determine the structure of proteins, while regulatory genes regulate the amount of protein produced by structural genes. A unit in which several structural genes are lined up is called an operon. Transcription of the code is controlled by operators that are located adjacent to the operon and specifically regulate the operon. Regulatory genes are genes that create regulatory substances such as repressors and apolipopressors. Repressors identify the operator of the system and bind to it to suppress the function of the gene linked to the operator, i.e., the operon (negative regulation). During negative regulation, transcription of the operon into messenger RNA does not occur. In fact, in addition to negative regulatory mechanisms, examples of positive regulation are also known. Regulation at the translation level as well as the transcription level has also been discovered.

Heredity is the process by which an organism produces offspring that resemble itself, and according to molecular genetics, it is ultimately a matter of self-replication of DNA within the cell nucleus. However, organisms have stable heredity as well as variability, which allows them to reproduce offspring that are slightly different from themselves. If reproduction through heredity were completely unchanging, organisms would not be able to evolve. The variation and evolution of organisms is a notable phenomenon of life. This characteristic of life is based on the fact that DNA is a stable molecule but not absolutely stable.

When radiation or certain mutagenic drugs are applied, changes occur in DNA or chromosomes, called mutations. Changes in the structure of DNA molecules include the deletion of certain nucleotides, their replacement with other nucleotides, and the addition or insertion of new nucleotides. In some cases, nucleotides are broken. When such changes occur in DNA, the sequence of proteins synthesized by ribosomes changes, and the primary structure of the protein changes. When a part of the DNA structure is changed by radiation or drugs, if the damage is minor, the cell has special enzymes to repair it. However, if the damage is major, it cannot be repaired and the organism cannot survive or a mutant different from the original organism is produced. It is generally believed that evolution occurs when mutants are subjected to natural selection and the fittest survive. Since the environment on Earth is not constant, the possibility of generating mutants increases the probability of leaving offspring that are better adapted to the new environment. In addition to the self-replication of DNA and the proliferation of individuals based on it, it is an indisputable fact that a certain instability of DNA molecules, as well as the aforementioned metabolism and its regulation, are important basic characteristics of life.

[Seiichiro Kawashima]

Living and non-living things

One way to get closer to the answer to the question "What is life?" is to examine the simplest organisms that possess life phenomena. As mentioned above, bacteriophages are viruses that multiply using bacteria as hosts, and therefore have the common attribute of all living organisms, that of making copies of themselves. By the time a child born from a parent becomes a parent again, the living organism, as a material system open to the environment, must have an automatically regulated metabolic system to maintain the identity of its form and function while continuing its vital activities by constantly consuming energy. If we accept these two elements of self-replication and metabolism as common denominators of life, this definition applies perfectly to everything from bacteria to amoebas and humans. So what about the metabolism of viruses?

With the advances being made in protein chemistry at the time, W.M. Stanley crystallized the tobacco mosaic virus (1935). The nucleoprotein molecule with a huge molecular weight of about 40 million is none other than the tobacco mosaic virus. The purification method he used was too rough to be applied to the isolation of many other viruses. However, with the development of the ultracentrifuge, influenza, polio, cowpox and other animal viruses were purified. Some animal viruses have RNA, some have DNA, and are composed of proteins, and some contain considerable amounts of lipids and polysaccharides. With a few exceptions, viruses completely lack the respiratory enzyme system that is considered essential for living organisms and that contributes to the production of energy. Due to the lack of this enzyme system, virus particles cannot grow in non-living media. This problem was first solved by bacteriophages. Bacteriophages were discovered independently by FH d'Hérelle in 1917 and FW Twort in 1915, and were named by d'Hérelle, meaning "organisms that eat bacteria." Their research consisted of the observation that viruses were able to dissolve dysentery bacteria in the filtrate obtained by filtering the intestinal contents of dysentery patients to remove microorganisms, and that they could be reproduced. In other words, viruses are not independent living organisms, but they are organisms that can perform functions that are only found in the living world. Viruses cannot reveal their full potential unless other living organisms exist. Thus, since viruses do not have the structure or integrity of a living organism, people have different opinions on whether they should be considered living or non-living. However, if we expand the issue, there are many examples of organisms that do not have all of the attributes that are considered to be living organisms.

How did viruses originate? Since all currently existing viruses cannot survive without host cells, it seems logical to assume that they originated after the appearance of cells. Even if we assume that the prototype of life has nucleic acids and enzyme proteins with the ability to obtain energy, there is no contradiction in thinking of viruses as beings that have lost the latter ability. It is thought that viruses are either (1) genes that were originally present in cells that escaped, or (2) parasitic microorganisms that have continued to live a dependent life within the host body for generations have undergone biochemical degeneration, as shown in the intermediate stages of rickettsia and psittacosis group pathogens (similar to rickettsia with DNA and RNA), and further degeneration of the energy acquisition system, ultimately resulting in the complete loss of metabolic function. In either case, in the history of life, viruses are, so to speak, events that occurred after the appearance of cells, in the prehistoric period. Unlike inanimate objects such as stones, viruses have the characteristic of life, that of self-replication. However, the properties of modern viruses do not prove that life before the appearance of cells was like a virus.

[Seiichiro Kawashima]

Changing outlook on life

Ancient view of life

In ancient times, spirits were thought to be the source of life and were believed to lurk everywhere, such as underground, underwater, and in the air. However, the Greek physician Hippocrates did not attribute the cause of illness to the disorder of spirits or divine acts, but instead insisted that it was due to natural causes. This is the basis of the scientific view of all life phenomena. His theory of humors, which states that the body has four types of humors and that disharmony of these humors causes illness, has long dominated medicine, even to modern pathology. Aristotle, who studied under Plato, is the father of zoology. He believed that the living world, which combines the animal and plant kingdoms, is arranged in a series through the transition of systems, and said that "nature is in a continuous transition from inanimate matter through living but non-animal things to animals" (zoology). However, he was a teleologist who believed that each organ has its own distinctive soul and that nature exists for its own purpose. The knowledge of natural history pioneered by Aristotle expanded to the world of microorganisms with the invention of the microscope. The theory of the Roman physician Galen is as follows. Food digested in the intestines is transported through the portal vein to the liver, where blood is produced from the food. The blood is transported to the heart, and some of it is sent to the lungs. When vital energy (pneuma) is taken from the lungs into the left ventricle, it becomes bright red blood, which is then sent to the entire body through the arteries. The liver, heart, and brain are considered to be the three main organs of the body, and the veins, arteries, and nerves are considered to be the three types of blood vessels, each of which corresponds to one of three types of vital energy. The vital energy taken in from the outside world becomes the principle of growth in the liver, becomes the principle of movement in the heart, and part of the arteries reaches the brain and becomes the mental vital energy. In other words, the division of the main life functions of growth, movement, and thinking is linked to Aristotle's theory of three types of souls. Ancient life theory believed that a superhuman vital energy ruled, and if life theory is divided into vitalism and mechanism, it is a type of vitalism.

[Seiichiro Kawashima]

Early Modern View of Life

It is said that the source of modern science is in the studios of artists of the Renaissance, because the realistic spirit of the artists encouraged the scientific exploration of nature. Leonardo da Vinci dissected animals and humans. Vesalius published "Fabrica" in 1543. Harvey clarified the blood circulation route in his work "Anatomic Studies on the Movement of the Heart and Blood in Animals" (1628). He also confirmed his hypothesis through simple experiments. These broke down the old blind faith. Instead of Aristotle's teleology, Descartes's theory of the mechanism of life, which emphasized causality, respected the rationality of thought, and a clear view of life that left no doubt was pursued. During this period, scientific chemistry left the alchemist's workshop and the system of modern mechanics was established. It permeated the view of nature as a basic principle and was applied to living beings. Mechanism of life rejects the intervention of supernatural principles in the phenomenon of life and considers life to be a material phenomenon. Descartes excluded humans from his mechanistic view of life, but La Mettrie extended it to include humans. As scientific research into the phenomenon of life progresses, mechanism spreads, but the content of mechanism changes and becomes new. On the other hand, the vitalistic view of life also remains alive, and new forms have appeared over time. The concepts of irritability of muscle fibers and excitability of nerves are important in the history of the view of life. Although A. von Haller considered this issue within the framework of mechanism, the concepts of irritability and excitability impressed upon the viewer the existence of a vital principle that cannot be explained by mechanics. For this reason, the tendency toward a vitalistic view of life became stronger again from the middle of the 18th century.

[Seiichiro Kawashima]

19th Century View of Life

The term "biology" was coined at the beginning of the 19th century. This indicates the momentum for the establishment of a unified scientific study of life. The establishment of the cell theory in the late 1830s was important as the basis for deepening the understanding that animals and plants are a common existence. According to Schleiden, a cell is an individual with an independent life in itself, and is a structural and functional unit. Schwann also thought the same way. Research on the constituent substances of living organisms developed into biochemistry, morphology and embryology, which were at the descriptive stage, progressed to experimental science, and experimental research on genetics came to the forefront as an important issue in biology. The following are representative examples of 19th century theories of life. (1) Vulgar materialism K. Vogt, F. K. C. L. Büchner, and J. Morescott. Vogt said that the relationship of thought to the brain is the same as that of bile to the liver and urine to the kidneys. This argument is called vulgar materialism because it is too simple. (2) Engels' Theory of Life This theory of life is based on dialectical materialism in the late 19th century, and refers to the arguments made by Engels in Anti-Duhring and Dialectics of Nature. His definition that life is the mode of existence of proteins became famous beyond the bounds of philosophy. Proteins do not simply exist, but function in relation to other biological substances. He argues that this is life. (3) Driesch's Theory of Life H. Driesch's experimental embryology was a challenge to preformationism. When the two-cell and four-cell stage blastomeres of sea urchin embryos were separated, small but complete pluteus larvae were generated from each blastomere. This result is epigenetic, and shows that each blastomere has the regulatory ability to produce more parts than it would form in normal development. With regard to embryos that have this regulatory ability and in which the developmental fate of each blastomere is thought to be determined by the relationship of its parts to the whole, he established the concept of a harmonious equipotent system. He proposed the supernatural idea of entelechie (the theory that each living part has entelechie as an autonomous factor that contains within itself the purpose in advance when it comes to determining its developmental fate) by adapting the entelecheia used by Aristotle as the principle for establishing a harmonious and equipotent system. For this reason, Driesch's view of life is called neovitalism. In the history of embryology, Spemann's great work of induction of organizer was accomplished. Many types of proteins were reported as inducers in organizer, and the chemical elucidation of life phenomena began to progress.

[Seiichiro Kawashima]

View of life in the first half of the 20th century

With the rapid development of experimental biology, it became common to consider life phenomena as material phenomena, but in reality, not all researchers adopted this position. Driesch's concept of a harmonious and equipotent system is connected to the concept of wholeness in life phenomena, and there have been various different holisms. The concepts of homeostasis (the quality of organisms maintaining a stable morphology and physiological state) and integration (the function of the central nervous system that ensures the stability and unity of biological activity) in physiology, as well as the position that recognizes that the environment and the organism are inseparable, make it easy to approach the concept of wholeness. The Austrian Bertalanffy started from a consideration of developmental phenomena and advocated organismism (also called organismism). He was conscious of going beyond the simplicity of mechanism without falling into vitalism, and argued that the essence of life is the gradual development (hierarchy) of life phenomena and the fact that organisms are open systems and therefore have a fluid equilibrium (dynamic equilibrium).

[Seiichiro Kawashima]

The rise of molecular biology and the view of life

At the end of World War II, biology was underdeveloped compared to the level of physics. As physicists turned to solving problems in biology, biophysics flourished. Molecular biology originated mainly in the United States, the United Kingdom, and France, and aimed to unify understanding of biological phenomena centered on the structure and function of biological polymeric substances, especially nucleic acids and proteins. In the early days, molecular biology was synonymous with molecular genetics, but the subject of molecular biology later expanded to physiology, development, and ecology, including the brain. Information theory and systems theory, which contributed to the establishment of molecular genetics, also have a range of application that extends to many fields of biology. In other words, the establishment of molecular biology has exposed all of biology in a new light. Among the subjects of molecular biology, those that require advanced physical concepts and techniques become the subject of biophysics. In the end, the following subjects are common to biology, molecular biology, and biophysics: exercise physiology, energy metabolism, radiation biology, mechanisms of cell differentiation and proliferation control, antibody production in the immune system, physiology of the brain and nerves, genetics, and mechanisms of molecular evolution. The life sciences that seek to understand the essence of life in this way, beyond the boundaries of traditional scientific fields, are called life sciences.

Most of the early research in molecular biology was done on viruses and bacteria. The general idea at the time was that what was applicable to these materials would also be applicable to higher organisms. Biochemical experiments on heredity were widely studied on bacteriophages and bacteria in the 20th century, and solid evidence was obtained that DNA is the genetic material. The joint work of J. D. Watson and F. H. Crick, who proposed the double helix model hypothesis for the structure of DNA, was a revolution in biology. Based on X-ray diffraction patterns, they inferred that DNA is two long chains with a certain width, and this hypothesis explained how DNA can be replicated stably, while also explaining how the genetic information carried by DNA is transcribed into RNA and then translated into proteins.

Atomic physicist Gamow proposed a theory on how DNA genetic information, that is, the code written in DNA, is deciphered, in which three consecutive nucleotides specify one amino acid. The first discovery was that UUU in RNA (AAA in DNA) specifies phenylalanine. This became the clue to unraveling all other genetic codes (codons) that specify amino acids. By 1966, all the codes had been deciphered. Now that the nature of DNA and RNA was understood, it became possible to artificially create genes and inject them into cells to make them work, or to recombine genes between different species of organisms. Experimental guidelines were also created in each country to avoid the dangers that may occur during gene recombination experiments. Following these guidelines, it became common to commercialize things like inserting the human insulin gene into E. coli to make insulin. This is called genetic engineering or biotechnology. The rapid advancement of life manipulation, such as organ transplants, cloning organisms, gene recombination, and test-tube babies, will inevitably have a major impact not only on the scientific view of life, but also on the philosophical view of life.

The basic view of life in modern biology is to view living organisms as automatic control systems. This view, which can be broadly categorized as mechanistic, began in 1948 with the science of cybernetics, which was given the name by American N. Wiener and defined as "theory of control and communication in animals and machines." If we divide the development of biomechanism into major stages, we can say that the first stage was the Cartesian-La Métrian mechanism of the 17th and 18th centuries, the second stage was reductionist mechanism of the 19th and 20th centuries, and the third stage is modern mechanism, which is based on the view of living organisms as automatic control systems and builds on these stages.

[Seiichiro Kawashima]

Origin of life

When and how did life appear on Earth? This question has also been a topic of philosophy and theology, but biological hypotheses can be divided into three types: (1) Life can easily arise spontaneously from non-living matter even today. (2) Life has existed in the universe since the distant past, and fell to Earth shortly after its formation. (3) At some point in the Earth's history, a series of chemical reactions accumulated to synthesize non-living organic matter. The subsequent evolution of matter led to the formation of organisms that could be called life.

[Seiichiro Kawashima]

Issues surrounding spontaneous generation

The idea of spontaneous generation of organisms has been widely accepted since ancient times, but doubts began to be cast on it in the 17th century, due to the increased observation of generation. In the latter half of the 17th century, the Italian Redi observed that maggots were not visible when raw meat was placed in a jar and covered with gauze, but emerged when the meat was left uncovered, and revealed that maggots originate from fly eggs. However, he did not go so far as to generally deny the spontaneous generation of organisms, and believed that human parasites and the like do arise spontaneously. Subsequent research made it impossible to imagine the spontaneous generation of organisms with structures that are macroscopically complex, including parasites, by the 18th century. From the latter half of the 18th century onwards, the spontaneous generation of microscopic organisms became a topic of controversy. Pasteur, whose research included a dispute with fellow Frenchman FA Pouchet over the putrefaction of meat juice and the fermentation of grape juice, succeeded in denying spontaneous generation. He proved through ingenious experiments that "spontaneous generation" would not occur even if liquids containing organic matter, such as meat juice, were sterilized and then exposed to air, as long as the airborne microorganisms and spores were removed in an appropriate manner. His most famous experiment was the one using the "Swan-neck flask," which became the key to resolving the controversy. His "An Inquiry into the Theory of Spontaneous Generation" was written in 1861.

[Seiichiro Kawashima]

The cosmic origin of life

になったんです。 English: The first thing you can do is to find the best one to do. Although this theory is currently being rejected, the main reason for this is that no life forms can withstand the various high energy radiations present in outer space. It must be noted that the cosmic origin theory is that the problem of the origin of life on Earth has been transferred to the problem of the origin of life in other celestial bodies, even if the theory is correct, it is not a true solution.

[Seiichiro Kawashima]

Life as a consequence of material evolution

Instead of the theory that life is naturally occurring and the origin of the universe, it is now common belief that life on Earth was the result of the evolution of organic matter on Earth. The Soviet biochemist Opalin and the British J.B.S. Holden gathered a wide range of materials such as astronomy and geochemistry to assume the state of the primitive Earth, and came up with the theory of origin of life (1922). In his book Opalin, Opalin focused on the production of proteins (1936), but later placed importance on the perspective that it was produced as a system of nucleic acids and proteins.

Miller, an American Miller, proved that organic matter can be synthesized by model experiments that mimic the physical and chemical environment of the primitive earth as envisioned by Opalin and Holden. The Earth was formed 4.6 billion years ago, and eventually the primitive ocean and the primitive atmosphere were formed. It is believed that the primitive atmosphere was reduced without free nitrogen. Therefore, Miller enclosed a mixture of methane, ammonia, water, and hydrogen, which are the hypothetical components of the primitive atmosphere, in a glass tube containing an electrode. After several weeks of discharge in the tube, various simple organic molecules separated from the gas phase and accumulated at the bottom of the glass tube. This contained several types of amino acids.

A considerable number of these products have been detected in lunar stones and meteorites. This supports the hypothesis that, although indirectly, components necessary for the birth of life were produced inanimately on the primitive Earth. The organic matter produced accumulates on the primitive seabed, and eventually a cell structure with the ability to metabolism and self-renewal, that is, life, was born. However, although the pathway for organic matter to primitive life is a commonly believed idea, there is no experimental proof. Opalin has reported an experiment using colloidal coacervate (droplets) as a model of primitive life, encapsulating enzymes into this, and carrying out a cell-like metabolic reaction.

になったんです。 English: The first thing you can do is to find the best one to do. We believe that the transition of primitive genes, clay crystals, to genetic domination by organic polymers (such as nucleic acids) produced according to the pattern of clay crystals, is an important stage involved in the origin of life. However, even if DNA molecules exist, self-replication does not occur in today's organisms without the energy supply system from enzyme DNA polymerase and ATP. There is no experimental evidence for this process, but it would be a reasonable logical consequence to assume that the initial self-replicating body that first appeared contained DNA (or RNA).

English, EJ Anbrose, argued that if there were primitive forms of life, it would not be possible that only certain ones remained the result of natural selection (1982). Because primitive forms of life were not exposed to biological environments that competed for the material they needed, because the surface of the earth is wide. They also state that the probability of arranging bases in DNA by randomness is very small, and it is hard to imagine that many types of primitive life would have been a single event.

[Seiichiro Kawashima]

The evolution of the environment and primitive life

Before the Earth's biogenesis, free oxygen was not present, so the first organism that appeared was a fermented microorganism that anonalyzed organic matter and gained energy. When carbon dioxide increases due to fermentation, plants that can synthesize organic matter (photosynthesis) using this carbon dioxide will then appear. This is where oxygen will first occur. It is thought that animals, which use oxygen as the means of energy acquisition, have been generated. In other words, changes in the environment change living things, and conversely, living things change the environment (environmentalization), which is a close interaction between the two. The organisms and the outer nature are called ecosystems, but living things can only survive within this structure. Also, with the development of this structure, organisms evolved into higher-order organisms.

When the molecular level of elucidation of life phenomena is further advanced and problems relating to the origin of life are resolved through contributions such as through astrobiology and model experiments, the definition of life must be reexamined.

[Seiichiro Kawashima]

"Smith, translated by Yasugi Ryuichi, "The History of Life" (1981, Iwanami Shoten) " ▽ "The History of Biology" (1984, Nippon Broadcasting Publishing Association)" ▽ "Ambros, translated by Ishikawa Toshi, "The Symphony of Life" (1984, Kinokuniya Shoten)" ▽ "Sakata Shoichi and Kondo Hiroitsu, "Iwanami Lectures: Philosophy VI: The Philosophy of Nature" (1971, Iwanami Shoten)" ▽ "Kimura Shigeo and Kondo Sohei, "Iwanami Lectures: Contemporary Biological Sciences 7: The Origins and Molecular Evolution" (1976, Iwanami Shoten)" ▽ "Banard, translated by Yamaguchi Seizaburo and Chinme Kyoo" ▽ "The Origin of Life" (Iwanami Shinsho)" ▽ "Schrodinger, translated by Oka Koten and Chinme Kyoo" ▽ "What is Life? (Iwanami Shinsho)" ▽ "Operin, edited by Egami Fujio, "The Origins of Life and Biochemistry" (Iwanami Shinsho)" ▽ "Pasture, "Explanation of the Theory of Natural Origins" (Iwanami Bunko)" by Pasture, translated by Yamaguchi Seizaburo (Iwanami Bunko)"

Schematic diagrams and products of the Miller's experimental equipment
©Shogakukan ">

Schematic diagrams and products of the Miller's experimental equipment

Source: Shogakukan Encyclopedia Nipponica About Encyclopedia Nipponica Information | Legend

Japanese:

生命とは人間を含めた生物一般の基本的な属性である。しかし生命を科学的に規定することはなかなかむずかしい。生の否定である死の定義が医療の現場の問題としても議論の的である現状からも、生命の定義のむずかしさがうかがえる。かりに脳の活動停止を個体死と規定しても、機能を維持している器官や組織が存在している。個体をつくっているすべての細胞が活動を停止すれば、生物学的には完全に死であるが、これも難問を含んでいる。なぜなら、細胞が死んだというためには、「細胞が生きている」ということが規定されていなければならない。その完全な規定はまだなされていないのである。このような現状のもとで、「生命とは何か」という問いに対してすべてを満足させる定義を与えることはできないといえよう。では現代の生物学は生命をどのようにみているか、また、生物と無生物を隔てるものは何か、について述べる。次に生命に対する見方が歴史的にどのような変遷を経てきたか（生命論または生命観の歴史）の概略を記し、最後に生命の起源について述べる。

［川島誠一郎］

生命現象

生命について得られた生物学上の知見は莫大(ばくだい)な量に達しており、生物の特性としてあげられてきたものには、生物体の有機物質を主とした構成と有機物質の生産、代謝、刺激反応性、ホメオスタシス維持の能力、自己複製と生殖、遺伝と変異などいろいろある。いずれも生物学的に重要なものであるが、「生命」の必要十分条件を規定するのはむずかしい。

［川島誠一郎］

代謝

ウイルスを例外として、生物の体は細胞からなっている。したがって細胞が営む物質代謝（簡単に代謝とよぶ）は生命の重要な特性の一つである。生物は絶えず外界から物質を吸収し、また外界へ排出している。これが代謝の外見である。細胞内では環境から吸収した物質によって絶えず物質の更新が行われている。これは生命維持に不可欠で、代謝の停止は生物の死を意味する。代謝が進行していても、一般的には細胞や生物体の形態の急激な変化はおこらない。これは代謝が合目的的に調節されていることを意味している。

　生物体を構成している物質を原子のレベルにまで分けると、無生物の世界を構成している原子と同じである。代謝も素反応（種々の反応の構成要素となる基本的反応）に分けると、無生物界でおこっている化学反応と違いはない。このことから、生命の特性としての代謝は素反応の組合せ方に特徴があるということになる。分子のレベルにおいては生命に特徴的な性質がみられる。生物体を構成する物質には、水と無機塩類のほかに、有機物質であるタンパク質、核酸、炭水化物、脂質などがある。これら有機物質は、基本的には生物のつくりだす物質である。なかでもタンパク質はたいせつな物質で、生物体の形をつくり、酵素作用を営む。タンパク質には構造の異なる多数の種類があり、このために酵素作用を営むタンパク質に特異性が生じる。たとえば脂質を分解する酵素が糖を分解しないというように、ある反応を触媒する酵素は他の反応を触媒できない。

　どの種類の酵素タンパク質をどのくらいもっているかによって、生物の種による代謝の型の違いを生じるが、基本的な代謝はバクテリアから人間に至るまで共通性がある。たとえば動物が運動する際の筋収縮のエネルギーも、養分を吸収する際の腸絨毛(じゅうもう)の用いるエネルギーも、ホタルの発光のエネルギーも、すべて高エネルギーリン酸化合物（ATPなど）の分解によってまかなわれている。生体内にはさまざまな代謝があるが、各個の代謝はかってな速度で進行しているのではなく、全体として、生命維持の目的を損なわないように制御されている。この制御は、(1)酵素活性に対する直接的制御、(2)酵素自体も代謝の反応生成物であるから、酵素生成量を変え、その結果として代謝を制御する、の二通りがある。

　生物と環境とは不可分の関係にあり、環境のある程度の変化に対して生物は適応する。この性質によって、形態や機能の安定が保たれている。その基盤に代謝各反応の制御がある。多細胞生物では、細胞内の酵素反応の制御だけでなく、細胞と細胞の間、各組織間、各器官間に個体全体として調和を保つような調節がなされている。

［川島誠一郎］

自己複製と遺伝

すべての生物に普遍的な特性は、自らときわめてよく似た子孫を再生産する能力をもっていることである。この自己複製の過程は遺伝とよばれ、生命の基本的特性としてあげられる。

　遺伝学はショウジョウバエやトウモロコシなどの高等動植物を用いて研究が行われてきたが、その後バクテリアやウイルスなどが研究材料として利用され始めるに及んで、急速な進歩を遂げ、遺伝子の実体も明らかになってきた。その知見をもとに高等動植物の遺伝子の物質的実体の解明も進んでいる。

　遺伝形質を支配する情報はDNA（デオキシリボ核酸）に含まれている。ウイルスではRNA（リボ核酸）のこともある。バクテリアに寄生するウイルスのバクテリオファージが菌体に寄生するとき、菌体内に入るのはDNAだけであることから、バクテリオファージの増殖に必要なのは、それを構成するタンパク質と核酸のうち、核酸であることが明らかとなった。DNAの複製にはDNAポリメラーゼという酵素が働く。核酸のもっている遺伝情報が発現する際、すべての情報が等しく発現するのではない。このことは、1個の受精卵から性質や形態の異なる多様な組織や器官が分化してくる現象が示している。これは、遺伝情報が発現するときのタンパク質合成の制御として説明される。ある種のタンパク質を合成する情報があってもその合成がおこらないのは、伝令（メッセンジャー）RNAへの遺伝情報の暗号の転写がおこらないのがおもな理由である。情報が発現するのは、常時抑制されていた転写過程の抑制が解除されることによる。

　この過程は、F・ジャコブとJ・L・モノーが提出した（1961）タンパク質合成の調節機構に関する学説（オペロン説）では次のように説明される。遺伝子は構造遺伝子と調節遺伝子の二者に分けられ、タンパク質の遺伝的調節にはこの二者が異なる機能を発揮している。構造遺伝子はタンパク質の構造を決定し、調節遺伝子は構造遺伝子によるタンパク質の生産量を調節する。数個の構造遺伝子の並んだ一単位をオペロンとよぶ。これと隣接する位置にありオペロンを特異的に調節するオペレーターにより、暗号の転写が制御されている。調節遺伝子はリプレッサー、アポリプレッサーなどの調節物質をつくる遺伝子である。リプレッサーはその系のオペレーターを識別し、それと結合することでオペレーターへ連なる遺伝子、すなわちオペロンの働きを抑制する（負の調節）。負の調節が行われている間は、オペロンの伝令RNAへの転写はおこらない。実際には負の調節機構だけでなく、正の調節の例も知られている。また、転写レベルだけでなく翻訳レベルでの調節も発見されている。

　遺伝は、生物が自己と似た子孫をつくることであり、分子遺伝学によれば究極的には細胞核内のDNAの自己複製の問題であるが、生物は安定した遺伝性とともに、自己とすこし異なる子孫を再生産する変異性をもつ。もし遺伝による再生産がまったく変化しないものであれば生物の進化はおこりえない。生物の変異と進化は生命現象として特筆に値することである。生命のこの特性は、DNAは安定した分子ではあるが絶対的な安定性はもっていないことに基づいている。

　放射線や変異原性をもったある種の薬品を作用させると、突然変異といってDNAまたは染色体に変化がおこる。DNA分子構造の変化としては、あるヌクレオチドの欠損や他のヌクレオチドによる置換、新たなヌクレオチドの付加や挿入などがある。場合によってはヌクレオチドの切断がおこる。こうした変化がDNAにおこると、リボゾームで合成されるタンパク質の配列に変化が生じ、タンパク質の一次構造が変わる。放射線や薬品によってDNAの構造の一部に変化が生じた場合、その障害がわずかであれば、細胞はこれを修復する特殊な酵素をもっている。しかし障害が大きければ修復できずに、その生物は生存できないか、元の生物と異なる突然変異体を生じる。突然変異体は自然選択を受け、適者が生存することによって進化がおこる、と一般的に考えられている。地球上の環境は一定不変ではないのであるから、変異体を生じる可能性は、新しい環境によりよく適合する子孫を残す確率を高めることに通じる。DNAの自己複製とそれに基づく個体の増殖に加えて、DNA分子の一定の不安定性、および先に述べた物質代謝とその調節は、生命の重要な基本的特性であることは、揺るぎのない事実である。

［川島誠一郎］

生物と無生物

「生命とは何か」の解答に接近する方法の一つは、生命現象をもったもっとも単純な有機体を調べることである。前述したように、バクテリオファージはバクテリアを宿主として増殖するウイルスであるから、自己の写しをつくるという生物共通の属性を備えている。親から生まれた子がふたたび親になるまでには、環境に向かって開放された物質系としての生体が、絶えずエネルギーを消費しながら生命活動を続けながらも、その形態と機能の同一性を維持するために自動的に調節された代謝系がなければならない。この自己増殖と代謝の二つを生命の共通項として認めた場合、バクテリアからアメーバ、ヒトに至るまでこの規定は完全に通用する。それではウイルスでは代謝はどうなっているのであろうか。

　W・M・スタンリーは当時のタンパク質化学の進歩を背景にタバコモザイク病のウイルスを結晶化した（1935）。約4000万という巨大な分子量をもった核タンパク分子がタバコモザイクウイルスにほかならない。彼の用いた純化の方法は他の多くのウイルスの分離には応用できない手荒な方法であった。しかし超遠心機ができ、インフルエンザ、ポリオ、牛痘その他の動物ウイルスの純化がなされた。動物ウイルスのあるものはRNA、あるものはDNAをもち、それとタンパク質とで構成されていて、ものによってはかなりの量の脂質や多糖類を含んでいる。わずかの例外を除くとウイルスには、生物に不可欠と考えられエネルギー調達にあずかる呼吸酵素系をまったく欠いている。この酵素系がないため、ウイルス粒子は無生物的培地では増殖できない。この問題はまずバクテリオファージで解決された。バクテリオファージは、デレルF. H. d'Hérelleが1917年、トウォートF. W. Twortが1915年に独立に発見し、デレルにより「バクテリアを食う生物」という意味で命名された。彼らの研究は、赤痢患者の腸内容を濾過(ろか)して微生物を除去した濾液中に赤痢菌を溶かす働きが証明され、そのうえ、代を重ねることができた、という観察からなっている。つまり、ウイルスは自立した生物ではないが、生物界だけにしか認められない働きをすることのできる有機体である。ウイルスは他の生物体が存在しなければその全貌(ぜんぼう)を現すことがない。このように、ウイルスは生物としての体制または全一性をもっていないことから、それを生物とみるか無生物とみなすかは人により見解を異にする。しかし問題を広げると、生物の属性と考えられるすべてを備えていない生物の例はいくらもある。

　ウイルスはどのように発生したのであろうか。現存するウイルスはすべて、宿主の細胞なしでは生存できない存在であるから、その起源は細胞の出現以後だと考えるのが論理的であろう。生命の原型として核酸とエネルギー調達能力のある酵素タンパク質とをもつもの、と仮定しても、ウイルスは後者の能力を失った存在と考えれば矛盾はないと思われる。ウイルスは(1)元来細胞の中にあった遺伝子が抜け出したものか、または(2)寄生性の微生物が宿主体内での甘えた生活を代々続けている間に、リケッチアやオウム病群病原体（DNAとRNAをもつリケッチアに近いもの）にその中間段階が示されているような生化学的退化、さらにエネルギー調達系の退化を続けて最終的には代謝機能をまったく喪失するに至ったものか、どちらかであろうと考えられているが、いずれにしても生命の歴史のうえでは細胞出現以降のいわば有史時代のできごとであろう。ウイルスは石ころのような無生物とは違い、自己増殖という生命の特性をりっぱに備えている。しかし、現生ウイルスの諸性質は、細胞出現以前の生命がウイルスのような存在であったことを証明するものではない。

［川島誠一郎］

生命観の変遷

古代の生命観

古代において生命の源と考えられた精霊は、地中、水中、大気中など至る所に潜んでいるとされた。しかしギリシアの医学者ヒポクラテスは病気の原因を精霊の乱れや神業に帰することなく、自然的原因によるものであることを主張した。これはひいては全生命現象への科学的見方の基本である。彼の唱えた、体には4種類の体液があり、その不調和が病気をもたらすという体液説は、近代の病理学に至るまで長く医学を支配してきた。プラトンに学んだアリストテレスは動物学の父であり、彼は、動物界と植物界をあわせた生物界が体制の移り変わりによって系列的に配置されると考え、「自然は、無生物から生物ではあるが動物ではないものを経て動物に至るまで、連続的に移り変わっている」（動物部分論）と述べた。しかし各器官はそれぞれ特徴的な霊魂をもち、自然はその目的のためにあるとする目的論者であった。アリストテレスが開拓した博物学の知識は、顕微鏡の発明により、微小生物の世界へと拡大していった。ローマの医学者ガレノスの説は次のようである。腸で消化された食物が門脈を通って肝臓に運ばれ、そこで食物から血液がつくられる。血液は心臓に運ばれ、一部は肺に送られる。肺から左心室に精気（プネウマ）を取り込むと鮮紅色の血液となり、動脈で全身に送られる。肝臓、心臓、脳を体の3個の主要器官とし、静脈、動脈、神経を脈管三型として、3種類の精気をそれぞれに対応させた。外界から取り入れた精気は肝臓で成長の原理となり、心臓では生命精気となり運動の原理に、動脈の一部は脳に達し精神精気となる。つまり成長、運動、思考という主要な生命作用の区分はアリストテレスの唱えた3種類の霊魂の説に結合している。古代における生命論は超人間的な生気が支配すると考えるもので、生命論を生気論と機械論に分けるなら生気論の一種である。

［川島誠一郎］

近世の生命観

ルネサンスの芸術家のアトリエに近代科学の源泉がある、といわれるのは、芸術家の写実的精神が自然の科学的探究を促したからである。レオナルド・ダ・ビンチは動物体と人体の解剖を行った。ベサリウスは1543年に『人体の構造について（ファブリカ）』を刊行した。ハーベーは著作『動物の心臓ならびに血液の運動に関する解剖学的研究』（1628）で、血液循環の経路を明らかにした。また簡単ながら実験によって仮説を確かめた。これらにより旧来の盲信が打破された。アリストテレスの目的論にかわり、因果関係を重要視したデカルトの生命機械論により、思考の合理性が尊重され、疑いの残らない明快な生命観が追究されるようになってきた。この時代には科学的化学が錬金術師の作業場から脱し、近代力学の体系が成立した。それは自然観の基本理念として浸透し、生命をもつ存在にも及ぼされた。生命現象に超自然的な原理が介入することを拒否し、生命を物質的現象と考えるのが生命機械論である。デカルトは生命機械論から人間を除外したが、ラ・メトリは機械論を人間にまで拡大した。生命現象の科学的研究が進むにつれて機械論は広まるが、機械論の内容に変化がおこり、新しいものになっていく。一方で生気論的生命観も命脈を保ち、時代とともに新しい形態のものが現れている。筋繊維の被刺激性と神経の興奮性の概念は、生命観の歴史で重要である。A・von・ハラーはこの問題を機械論の枠組みのなかで考えたのであるが、被刺激性、興奮性の概念が力学では説明しきれない生命原理の存在を印象づけた。このため、生気論的生命観の傾向が18世紀なかばからまた濃くなってきた。

［川島誠一郎］

19世紀の生命観

19世紀の初めに「生物学」という用語ができた。これは統一的な生命の科学的研究が成立していく気運を示す。1830年代末の細胞説の確立は、動物と植物が共通した存在であるという認識を深める基盤として重要であった。シュライデンによれば、細胞はそれ自身が独立の生命を有する個体で、構造的・機能的単位である。シュワンも同様に考えた。生体の構成物質に関する研究が生化学へと成長し、記載的段階にあった形態学、発生学が実験的科学へと進み、遺伝の実験的研究が生物学の重要課題として前面に押し出されてきた。次に19世紀の生命論の代表的な例をあげる。(1)俗流唯物論　K・フォークト、F・K・C・L・ビュヒナー、J・モレスコットによる。フォークトは、思想の脳に対する関係は、胆汁の肝臓に対する、尿の腎臓(じんぞう)に対する関係と同じであるという。議論が単純すぎるために俗流唯物論とよばれる。(2)エンゲルスの生命論　19世紀後半の弁証法的唯物論の立場からの生命論で、エンゲルスの『反デューリング論』と『自然弁証法』での議論をさす。生命はタンパク質の存在様式であるとした規定は、その哲学の枠を超えて有名となった。タンパク質は単に存在するだけでなく、他の生体物質との関連で機能している。それが生命であると説いている。(3)ドリーシュの生命論　H・ドリーシュの実験発生学は前成説への挑戦であった。ウニ胚(はい)の二細胞期や四細胞期の割球をばらばらに分離すると、各割球から小形ながら完全なプルテウス幼生が発生した。この結果は後成説的であり、各割球は正常発生において形成するよりも多くの部分をつくる調節能力をもっていることを示す。このような調節能力をもち、個々の割球の発生運命はその部分の全体に対する関係によって決定されると考えられる胚に関して、調和等能系という概念をたてた。彼は調和等能系を成立させる原理として、アリストテレスが用いたエンテレケイアentelecheiaを転用してエンテレヒーentelechie説という超自然的な考え方（個々の生体部分が、発生運命の決定に関して、あらかじめ目的を自らのなかに含む自律的因子としてエンテレヒーをもつという説）を提唱した。このため、ドリーシュの生命観は新生気論とよばれる。発生学の歴史では、シュペーマンの形成体の誘導作用という大仕事が成し遂げられた。形成体中の誘導物質として多くの種類のタンパク質が報告され、生命現象の化学的解明が推し進められるようになった。

［川島誠一郎］

20世紀前半の生命観

実験生物学の急速な発展に伴い生命現象を物質現象と考えることが普及したが、実際にはあらゆる研究者がこの立場にたったのではない。ドリーシュの調和等能系の概念は、生命現象における全体性の概念につながるものであり、さまざまに異なる全体論があった。生理学でのホメオスタシス（恒常性。生物体などが安定な形態・生理的状態を保つ性質）や統合（生体活動の安定性や統一性を保証する中枢神経系の機能）の概念や、環境と生体とを切り離せないものと認識する立場は、全体性の概念へ接近しやすいものである。オーストリアのベルタランフィは、発生現象の考察から出発し、有機体論（生体論ともいう）を唱えた。生気論に陥らずに機械論の単純さを超えることが意識されており、生命現象の段階的発展（階層性）と、生物体は開放系であるから流動平衡（動的平衡）をもつこととが生命の本質であると説いている。

［川島誠一郎］

分子生物学の台頭と生命観

第二次世界大戦の終了時、物理学の到達度と比較し生物学は未開拓であった。物理学者が生物学の問題解明に向かうことにより、生物物理学が興隆してきた。分子生物学はアメリカ合衆国、イギリス、フランスを中心におこり、生体高分子物質、とくに核酸およびタンパク質の構造と機能、それらを中心に据えた生命現象の統一的理解を目的とした。分子生物学は初期において分子遺伝学と同義語であったが、その後、分子生物学の対象は、脳を含めての生理学、発生学、生態学にまで拡大した。分子遺伝学の成立に寄与した情報理論またはシステム論も、その適用範囲は生物学の多くの分野に及んでいる。つまり分子生物学の成立で全生物学が新しい光のもとにさらされたといえる。分子生物学の対象のなかで、高度の物理学的概念や技術を必要とするものは生物物理学の課題となる。結局、次のような課題は生物学、分子生物学、生物物理学に共通のものになっている。すなわち、運動生理、エネルギー代謝、放射線生物学、細胞の分化と増殖の制御機構、免疫における抗体産生、脳と神経の生理、遺伝、分子進化の機構などである。このように生命の本質を、従来の諸科学分野の枠を乗り越えて理解しようとする生命科学をライフサイエンスとよぶ。

　分子生物学の初期の研究はほとんどがウイルスとバクテリアを材料とした。これらの材料で通用することは高等生物にも通用するというのが、その際の一般的観念であった。遺伝の生化学的実験がバクテリオファージとバクテリアについて、20世紀に入って広く研究された。そしてDNAが遺伝物質である確かな証拠が得られた。J・D・ワトソンとF・H・C・クリックが共同研究によってDNAの構造について二重螺旋(らせん)モデルの仮説を提唱した業績は、生物学の革命であった。X線回折像に基づき、DNAは一定の幅をもった2本の長い鎖であることを推定し、それが安定を保って複製すること、一方ではDNAが担う遺伝情報がいかにしてRNAに転写され、さらにタンパク質に翻訳されるかが、この仮説で説明された。

　原子物理学者のガモフは、DNAの遺伝情報、つまりDNAに書かれた暗号がいかに解読されるかについて、連続する3個のヌクレオチドで1個のアミノ酸が指定されるという説をたてた。最初につきとめられたのは、RNAのUUU（DNAではAAA）がフェニルアラニンを指定するという発見であった。これがアミノ酸を指定する他のすべての遺伝暗号（コドン）を解明する手掛りとなった。そして1966年までに、すべての暗号が解読された。DNAとRNAの実体がわかったため、人工的に遺伝子をつくり、それを細胞内に注入して働かせたり、異種生物間で遺伝子を組み換える可能性などが考えられるようになった。遺伝子組換え実験の過程でおこるかもしれない危険を避けるための実験指針も各国でつくられた。この指針に沿って、大腸菌にヒトのインスリン遺伝子を入れインスリンをつくらせるなどのことが広く企業化され始めた。これを遺伝子工学とかバイオテクノロジーとよぶ。臓器移植、クローン生物、遺伝子組換え、試験管ベビーなどの生命操作が急激に進んでいくことは、科学的生命観だけでなく、哲学的生命観に大きな影響を与えずにはおかないであろう。

　現代生物学における生命観の基本は、生体を自動制御系としてみていくことであるといえる。生命観の大きな種別でいうと機械論であるこの見方は、1948年アメリカのN・ウィーナーによりサイバネティックスの名を与えられ「動物と機械における制御と通信の理論」と定義された科学に出発点がある。生命機械論の発展を大きく段階づけると、17～18世紀のデカルト‐ラ・メトリ的機械論が第一段階、19世紀から20世紀にかけての還元論的機械論が第二段階、これらの段階を踏まえた自動制御系としての生体という見方を中心にした現代の機械論を第三段階とすることができる。

［川島誠一郎］

生命の起源

生命はいつどのように地球に出現したか。この問題は哲学や神学の課題ともなっているが、生物学上の仮説は次の三型に分けられる。(1)生命は現在でも無生物から容易に自然発生する。(2)生命は遠い過去から宇宙に存在するもので、地球の誕生直後に落下した。(3)地球の歴史のある時期に、一連の化学反応が積み重ねられ、無生物的な有機物質が合成された。その後の物質の進化の過程で生命とよぶにふさわしい有機体が形成された。

［川島誠一郎］

自然発生をめぐる問題

生物の自然発生は古代から広く普及していた観念であるが、17世紀になって疑問が抱かれるようになったのは、発生の観察が盛んになったことに原因がある。17世紀後半にイタリア人のレーディは、生肉を瓶に入れ、それをガーゼで覆っておくとウジがわかず、覆わないでおくとウジが発生するという観察から、ウジはハエの卵から発生することを明らかにした。しかし、生物の自然発生の一般的否定までに至らず、ヒトの寄生虫などは自然発生すると考えた。その後の研究によって、寄生虫も含め、肉眼的に複雑な構造をもつ生物の自然発生は、18世紀までに考えられなくなった。18世紀後半以降論争の的になったのは微小な生物の自然発生であった。肉汁の腐敗やブドウ汁の発酵をめぐって、同じフランスのプーシェF. A. Pouchetとの論争を含んで研究を進めたパスツールは自然発生の否定に成功した。彼は、肉汁のような有機物を含む液を滅菌してから空気に触れさせても、空気中の微生物や胞子を適当な方法で除けば「自然発生」はおこらないことを巧みな実験で証明した。なかでも「スワン首のフラスコ」を用いた実験は有名で、論争解決の鍵(かぎ)となった。彼の『自然発生説の検討』は1861年に書かれた。

［川島誠一郎］

生命宇宙起源説

1860年前後の、生命観にかかわるもう一つの画期的な事件は、C・ダーウィンの『種の起原』の刊行（1859）であった。生物進化の過程を逆にたどれば、地球上におけるもっとも原始的な生物に行き着くことになる。ではこのもっとも原始的な生命体はどのようにして生じたのであろうか。生命には起源があるはずであるという論理的結論と、生物の自然発生はないという実験結果との間の矛盾を解決するため、生命の胚(はい)種が他の天体から地球にやってきて発展したのであるという説が現れた。ドイツのH・T・リヒターが1865年に、イギリスのW・T・ケルビンが1871年に、生命の胚種をつけた固形粒子が宇宙空間に飛び出したり、天体どうしの衝突で生物の付着している破片が宇宙空間に飛散して地球に落下したのであろうと述べた。スウェーデンの物理学者アレニウスは、原始生命は宇宙から光圧にのって到来したという可能性を理論的に示した（1903、1908）。現在この説は否定されているが、その最大の理由は、宇宙空間に存在する種々の高エネルギーの放射線に耐えられる生命体は考えられないからである。宇宙起源説は、地球における生命の起源の問題が他の天体における生命の起源の問題に転嫁されているので、たとえその説が正しいとしても真の解決とはならないことに注意しなければならない。

［川島誠一郎］

物質進化の帰結としての生命

生命の自然発生や宇宙起源説にかわり、現在では、地球上の生命は地球上における有機物の進化の結果として生じた、という考えが一般に信じられている。ソ連の生化学者オパーリンやイギリスのJ・B・S・ホールデンは、天文学や地球化学などの資料を広く集めて原始地球の状態を想定し、原始的生命体を構成する有機物がどのような過程で無機物から生じてきたかについて考え、生命起源説をたてた（1922）。オパーリンは著作『生命の起源』（1936）ではタンパク質の生成に重点を置いているが、のちに核酸とタンパク質とがまとまった系として生成するという観点を重要視した。

　アメリカのミラーS. L. Millerは、オパーリンやホールデンの想定した原始地球の物理学的・化学的環境を模倣した条件でのモデル実験によって、有機物の合成が可能なことを証明した。地球が形成されたのは46億年前で、やがて原始海と原始気圏ができた。原始気圏は遊離窒素を含まない還元性のものであったと考えられている。そこでミラーは、原始気圏の仮想的成分であるメタン、アンモニア、水、水素の混合気体を、電極を入れたガラス管内に封入した。この管の中で数週間にわたって放電したところ、さまざまの単純な有機分子が気体相から分離し、ガラス管の底にたまった。この中には数種類のアミノ酸が含まれていた。

　これらの生成物のかなりの種類が、月の石や隕石(いんせき)から検出されている。これは間接的ながら、生命誕生に必要な成分が無生物的に原始地球で生成されたとする仮説を支持するものである。生成された有機物は原始海底に蓄積し、やがて物質代謝や自己複製能力をもった細胞構造、すなわち生命が誕生した、と考えるのである。しかし、有機物から原始生命への発展の経路は一般に信じられている考えであるが、実験的証明はない。オパーリンは原始生命のモデルとして、コロイド状のコアセルベート（液滴）を用い、この中に酵素を封入し、細胞に似た代謝反応を行わせる実験を報告した。

　オパーリンやホールデンの仮説によっては、生成物は広大な水域中に拡散し、生命誕生に必要な濃度にまで達したとは考えにくい。これを解決する仮説をJ・D・バナールが提唱した（1967）。最初の生命は酸化白土性粘土粒の中に生じたという仮説で、詳しくは次のようである。淡水や海水中で細かい粘土の沈殿物に吸着された小さな有機分子はでたらめにじっとくっついているのではなく、粘土分子との間および相互間に一定の位置をとる。これは、吸着された分子が互いに作用しあうことができ、とくにエネルギーが光の形で供給されうる場合にはいっそう複雑な化合物を形成することができるような位置である。以上のようにバナールは有機高分子の出現における粘土の役割を述べている。この粘土をイギリスのカーンス‐スミスA. G. Cairns-Smithは原始遺伝子と考えた。その素材の濃縮促進作用のある原始遺伝子の担う情報解読は、現存の核酸パターンの解読より、さらに直接的な物理化学的反応である。原始遺伝子、つまり粘土結晶による支配が、粘土結晶のパターンに従って生成した有機高分子（たとえば核酸）による遺伝的支配に移行したのが、生命の起源にかかわる重要段階であると考えた。しかし、DNA分子が存在しても、酵素DNAポリメラーゼとATPからのエネルギー供給系がなければ、現在の生物では自己複製はおこらない。この過程の実験的証拠はないが、すべての既知の生物がDNA（またはRNA）を含んでいるという事実から、最初に出現した自己複製体がDNA（またはRNA）を含んでいたと考えるのは妥当な論理的帰結であろう。

　イギリスのアンブロースE. J. Anbroseは、種々の生命の原始形態があったとした場合、特定のものだけが自然選択の結果残ったとは考えられないと主張している（1982）。なぜなら、原始的な生命形態は、地球の表面は広いので、必要とする物質を求めて競争する生物的環境にさらされていなかった。また塩基をDNAの中に規則正しく、偶然に並べる確率は非常に小さく、分子のランダムな組合せから多くの種類の原始生命が同時に生じたとは考えられない、生命の起源はただ一度のできごとであったに違いない、と述べている。

［川島誠一郎］

環境と原始生命の進化

生物発生以前の地球には遊離の酸素は存在していなかったから、初めて出現した生物は無酸素的に有機物を分解しエネルギーを獲得する発酵型の微生物であったとされる。発酵により二酸化炭素が増加すると、次に、この二酸化炭素を利用し光のエネルギーで有機物を合成（光合成）することのできる「植物」が出現する。ここで初めて酸素が発生する。次に酸素による酸化をエネルギー獲得手段とする「動物」が発生した、と考えられている。いわば環境の変化が生物を変化させ、逆に生物が環境を変化させる（環境の生物化）という、両者の密接な相互作用がみられる。生物と外なる自然とをあわせて生態系というが、生物はこの構造のなかでのみ生存できる。また、この構造の発展とともに生物はより高次の生物に進化した。

　生命現象の分子レベルでの解明がさらに進み、生命の起源に関する問題点が宇宙生物学やモデル実験による寄与などにより解決されたとき、生命の定義は再検討されなければならない。

［川島誠一郎］

『スミス著、八杉龍一訳『生命観の歴史』全2冊（1981・岩波書店）』▽『八杉龍一著『生物学の歴史』全2冊（1984・日本放送出版協会）』▽『アンブロース著、石川統訳『生命のシンフォニー』（1984・紀伊國屋書店）』▽『坂田昌一・近藤洋逸編『岩波講座　哲学Ⅵ　自然の哲学』（1971・岩波書店）』▽『木村資生・近藤宗平編『岩波講座　現代生物科学7　生命の起源と分子進化』（1976・岩波書店）』▽『バナール著、山口清三郎・鎮目恭夫訳『生命の起原』（岩波新書）』▽『シュレーディンガー著、岡小天・鎮目恭夫訳『生命とは何か』（岩波新書）』▽『オパーリン著、江上不二夫編『生命の起原と生化学』（岩波新書）』▽『パストゥール著、山口清三郎訳『自然発生説の検討』（岩波文庫）』