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復習 生物＝細胞は小さな太陽だ！ 重さあたりで比べると ヒトの発熱は太陽の10,000倍 大腸菌はさらにヒトの100倍 サイズが小さいほど表面積／体積比が大きく 熱を貯めにくい 前回配布のプリントより 貯蔵脂肪の量が圧倒的 貯蔵エネルギー：利用の順序 1. 血糖←肝臓のグリコーゲン そのまますぐに燃やせる 詳細は第5回以降 糖質が尽きてくると（一晩） 2. 脂肪、3. タンパク質（筋肉が主）が動員される それぞれ遊離脂肪酸／アミノ酸となって放出 一部の組織・細胞はそのままで利用できるが 脳など糖のみを使う組織では、肝臓が脂肪酸・ア ミノ酸を糖に変換したものを利用する 消化中 確かに血糖値が下が ると頭の働きが鈍る! 食間 脳は脂肪酸 を使えない！ インスリン グルコース ↑ FFA 「ヒューマン・バイオケ ミストリー」 動物は脂肪から 糖を作ることは できない！ 満腹物質（グルコース）と空腹物質（遊離脂肪酸:FFA） おなかがすいたと感じたら脂肪酸を燃やしている！ 睡眠中・朝 肝臓以外 では、アミ ノ酸から 糖を作れ ない 脳は糖を要求 する タンパク質分解 が必要になる 長期の断食 脳の変化 KB=ケトン体を利用 するようになると脳 の働きが変わ る！？悟り！ ＝水溶性の脂肪、満腹中枢を刺激するが、空 腹中枢を刺激しない。空腹感が無くなる！ 脂肪酸・一部のアミノ酸から作られる おなかがすきすぎると空腹感を忘れる！朝あまり空腹感を感じないのもこのせい？ 絶食時の代謝 http://hobab.fc2web.com/sub4-zesshoku.htm ケトン体 Ketone body 酢酸（活性酢酸）から脂肪 酸が合成される経路の初 期産物由来 肝臓で脂肪酸分解が亢進 すると作られる b-ヒドロキシ酪酸 アセト酢酸 アセトン エネルギー源にはならない！ 飢えた人に肉を食べさせてはいけ ない！ • アミノ酸がエネルギー源になる際に、アミノ 基(NH2-)はアンモニアとなる(NH3)。これは 毒なので、尿素や尿酸にして排出される。 ただでさえ、エネルギー源の炭素が足らな いので、これに割く炭素がない！→尿毒症 尿毒症 （ウィキペディアより） • 拒食症と活力の低下、遅発性症状として知力減少 と昏睡 主な原因 以下の理由による肝臓中の尿素生産の増加: • 高蛋白食 • タンパク質分解の増加（手術、伝染、外傷、癌） • 消化管出血 • 薬物（例えばテトラサイクリン、副腎皮質ステロイド） • 腎臓障害 アミノ酸 • アミノ酸は20種類、セレノシステインを入れる と21種類。 • 必須なアミノ酸８＋２(乳児)＋２(準＝不足し やすい) • 必須アミノ酸が不足すると、すぐにはっきりと した症状がでるわけではないが（既存のタン パク質を分解して、再利用するので）、成長不 良、体力低下、思考力・記憶力の低下、皮膚 症状、免疫力低下など。アミノ酸をバランスよ く摂ることが大切。アミノ酸バランスでは、動 物の肉はいいのだが、脂肪が問題。 必須栄養素－アミノ酸・脂肪酸 • もともとの祖先では、すべて合成できた？ • 特定の合成遺伝子が失われてしまった • しかし、食物から摂取できるので生存には 支障が無い • その生物系統では、必須栄養素であり続 ける Branched chain amino acids バリン、ロイシン、イソロイシン • BCAAが特に注目されるのは、1. 量が比 較的多い、2. アミノ酸の中でも燃やされや すいものだから。 • 第５週以降で説明するTCA回路の中間体 に変換されやすく、すぐにエネルギー源に なる。 • 血中のアミノ酸濃度が高まると、細胞のタ ンパク質分解を押さえる。勿論、タンパク質 合成にも使われやすい。 EPA, DHA EPA, DHAが魚肉に多いわけ：それを大量に 作る海の植物性プランクトンを食べるから。 脳に大量に存在するので、これらから作られる エイコサノイド（ホルモン様の分子）などが脳の 機能に大きく関係していると思われる。赤ちゃ んのミルクには確かに添加されているので、確 かめてみよう。 例：100 gあたり、リノール酸3.6 g、アラキドン酸26 mg、リノ レン酸0.43 g, DHA 100 mg 必須脂肪酸 • 必須脂肪酸が不足すると、エイコサノイドの不足で、 皮膚症状、頭痛、疲れやすさ、体力不足、頭の働き の変調、すぐに炎症や出血が起き関節がむくむこと、 不妊、流産、腎臓のトラブルなど。 • オレイン酸（C18:1）からn-3, n-6脂肪酸を自分で作れ ないのはなぜ？不飽和結合を作る酵素がないから。 哺乳動物はえさから摂っている。昆虫・線虫などは作 れる! 飽和脂肪酸の害 • 肉料理を食べると赤血球が固まるのは、血中中 性脂肪（キロミクロン）が増加し、血液の表面に 脂肪がべたべたくっつき、血球をお互いにくっつ ける。 • なぜ、飽和脂肪酸はよくないか？具体的には、 飽和脂肪酸を含むリン脂質は膜を固くするので、 飽和脂肪酸は膜には入りにくく、細胞内に蓄積さ れやすい。不飽和脂肪酸の良い効果を押さえる という意味でもよくない。 血液中の中性脂 肪が増えると 脂肪酸の摂取 • 中鎖脂肪酸は飽和脂肪酸だが、こちらは燃 やされやすい！ • リノール酸（代表的なn-6脂肪酸，同様にア ラキドン酸もn-6）は少し前は健康にいいとい うことで宣伝されていた。しかし、悪いコレス テロールを減らすが、よいコレステロールも 減らすこと、実際に心血管障害を増やすと いう結果が出て、下火になった。 • n-3脂肪酸（リノレン酸、EPA, DHA）を増や すことが重要。n-6対n-3を4以下にすること が推奨されている。 マーガリン 植物性油の多不飽和脂肪酸を還元して 飽和結合を減らす 固形に！ 化学 66: 56 (2011) 「トランス脂肪酸は体に悪い」は本当か？ 運動時のBCAA • 燃焼されやすいので（血糖に次ぐ）エネル ギー源に • タンパク質分解産物なので、タンパク質分 解を抑える • 運動後のタンパク質合成を盛んにする マーガリン・ショートニングのトラン ス脂肪酸の害 • まだ医学的に確定していませんが、害があると いうネガティブな報告と、たとえば癌に対して効 果があるというポジティブな報告の両方がありま す。どちらかというと、前者の方が優勢かと見え ます。 • 害と言っても、大量に摂った場合の話なので、普 通に食事で摂る程度であれば、気にする必要は ありません。 • バターが飽和脂肪酸が多いからと言って、マー ガリンにするのはいいのですが、大量に摂った 場合はいずれにせよ害があるかもしれない。 詳しくは • 米国の科学アカデミーは、トランス脂肪酸の摂取をできる限り 少なくするように勧めています。 • 世界保健機構WHOは摂取全カロリーの1%以下にすること を推奨しています。 • 主な害：良いコレステロールHDLを下げ、悪いコレステロール LDLを上げるので、心臓血管障害になりやすい。 • カロリーベースで2%分のトランス脂肪酸を減らして多不飽和 脂肪酸にすることで、心臓血管障害による死を半分以下にで きると言われています。 （アメリカのようにtrans脂肪酸の摂取量の多い国の場合） リノール酸を 一緒に摂る と効果が打 ち消される エネルギー比2%以上(>40 kcal, >4 g)は危険とされている が、日本人ではそれほど多くない。 体脂肪 • 体脂肪率：女性アスリートの場合、10%以下で は全員に月経異常。男性は、イチロー、室伏、 その他野球選手など10%以下はざらですが、 さすがに2%以下では不都合らしい。遺伝子操 作、遺伝病などで、脂肪組織のほとんど出来 ない動物は、糖尿病になる。 • 脂肪細胞の増える特定の時期に脂肪細胞を 増やしてしまうと、その後一生太りやすいから だになる。子育て（妊娠中・赤ちゃん・思春期） の時には注意！脂肪は控えめに！ ダイエット 摂取カロリーを消費カロリー以下に 詳細は第5回に （脂肪・タンパク質が燃やされる） ＋運動（特にエアロビクス[有酸素]運動） （筋肉＝タンパク質は維持され、脂肪が燃や される） Runners’ High 運動自体は、やり出すと楽しくなるが、ビー ル・食事を摂りすぎては役にたたない。 • 過剰な糖質は脂質に回る • 勿論過剰の脂質も直接貯蔵される • 言うは易くだが • 適度の糖質と満腹感をもたらす繊維質＝ 野菜・果物 運動時のエネルギー • 最初は筋肉内のグリコーゲン • 血液の循環が良くなってくると（15-20分ウォ ームアップ）、脂肪酸を燃やすようになる • 無酸素運動・有酸素運動・ミトコンドリアの機 能の詳しい仕組みについては第5回！ サキコ理論 Sports http://www6.plala.or.jp/yamaski/sakiko/sport.htm さて本題 • 生命の進化と地球環境 • 人類の課題 人類の課題 多数のことを同時にする必要がある 0. 戦争・紛争をしないのは当然として 何より温暖化対策 1. 食糧増産 2. 石油を節約－代替エネルギー 3. 二酸化炭素放出を減らす 4. 環境を守る（放射性物質！） 5. 内部被曝（食品）も可能な限り低く！ 6. 何とかして、人口増を抑える 自分がどこへ行くかを知るためには、 自分が今いるところを知らなければな らない そのためには、自分がどこから来たか を知らなければならない フィリピンに残るオセアニアのことわざ Stephen Oppenheimer (仲村明子訳)「人類の足跡10万 年全史」草思社 何よりの根本問題は • １万年前の農耕開始（こちらは後で！） で、人類が増えすぎた。それをさらに加速す る技術革新とエネルギー大量消費 • １８世紀後半からの産業革命 • ２０世紀後半(?)からの化石燃料浪費(!) http://www.tsukuba-sogotokku.jp/wp/wp-content/uploads/2013/05/bio_pamph_front.pdf 生命が発生し光合成生物が進化した結果 (http://www.tsukuba-sogotokku.jp//project/project3/) つくば国際戦略総合特区：藻類バイオマスエネルギーの実用化 1. 酸素が蓄積（シアノバクテリアの光合成） 2. 鉄鉱石が沈殿（鉄イオンが酸化沈殿） 3. 化石燃料（陸上・海中の光合成生物） 海洋のプランクトンが石油に 白亜紀当時の石油生成速度：最大で1000 トン/年 現在人間が消費している石油は、主に中生代に作られた 石炭 紀 青は氷河期 埋蔵量：11,886 億バレル 生産量：8024万 バレル/日=293億 バレル/年 単純計算で 15,000日＝40 年しかもたない 1バレル＝159リットル 白亜紀の石油生産:100万年で109 m3 （現在の石油生産＝採掘・消費） 293億バレル/年 現在の消費速度：4.7x 109 m3 /年 概算：1 m3 = 1キロリットル 1バレル＝ 159 L ≒ 1/6 kL 300億×1/6 = 50億 作られた速度の500万倍で消費 1億年分を20年で 同時に温暖化 新たな化石燃料資源 • シェールオイル／ガス • 海底油田 • メタンハイドレート これらを使い尽くすまでに、新エネルギーを何とか しないといけない Renewable energy source/Sustainable system 使ってもなくならない 再生可能・持続可能 生物としての人間のCO2排出 2,000 kcal/day×365 days = 7.3×105 kcal/年 炭水化物（分子量180, 6C＝72）1 g → 4 kcal 7.3×105 kcal ÷ 4 kcal/g ≒1.8×105 g = 0.18 t 一日500 g炭水化物→730 g CO2 →370リットル (1分間260 ml) 炭水化物を炭素に換算 0.18 t × 72/180 = 0.07 t CO2では 0.07 t × 44/12 = 0.27 t ¼ t 動物ならこのレベル 実際にどれくら い化石燃料を 消費しているか というと 24.5 20.0 20.7 IAE 2009: Early Excerpt data of 2007 16.4 14.6 5.0 9.5 4.9 18.7 4.6 7.2 1.45 7.6 6.2 3.4 11.1 6.5 2.3 1.5 9.6 2010年速報値 The Carbon Dioxide Information Analysis Center (CDIAC)/DOE 米国エネル ギー省 地球全体で 335億トン ←生物として ¼t 人類の社会構造（インフラ Infrastructure）を維持すること自体 が、人が生きるのに必要なエネル ギー以上の大量のエネルギーを消 費する 人類の活動と地球の活動 比較 • 建築物の総量 年100億トン • 都市ゴミ 年50億トン さらに都市化が進めば200億トンにも • 地殻の形成／沈み込み 年200億トン • 堆積岩形成 年174億トン (http://www.ep.sci.hokudai.ac.jp/~keikei/chigaku1/arch2011/No09.pdf) 人類は地質学的な要因である！ 地質学会では完新世Holoceneを人新世Anthropocene と改名することを真剣に検討中 生命が発生し光合成生物が進化した結果 (http://www.tsukuba-sogotokku.jp//project/project3/) つくば国際戦略総合特区：藻類バイオマスエネルギーの実用化 1. 酸素が蓄積（シアノバクテリアの光合成） 2. 鉄鉱石が沈殿（鉄イオンが酸化沈殿） 3. 化石燃料（陸上・海中の光合成生物） 人類はこれを使い尽くす！ 光合成 • 光→電荷分離 色素→電子e －＋色素+ • 電子伝達＝酸化還元 ふんだんに存在する水を酸化分解電子を 取り出す 同時にATPを合成 2H2O→4H+＋O2＋4e－ • 還元力 4H+＋4e－→4[H] • CO2＋4[H]→CH2O＋H2O 炭酸固定 https://www.jstage.jst.go.jp/article/sjws/12/1/12_12002/_p df 光化学系II 陰極 e電荷分離 C+ 陽極 水酸化系 水から電 子を取る 水から電子 を奪う 水素のキャリヤー に電子を渡す 電子伝達系：Zscheme 光リン酸化系＝光合成電子伝達系＋ATP合成酵素 光化学系 II・I 太陽電池 もう少し実際に 相当 近い構造を示し た図 電子伝達系成分 とATP合成酵素 水酸化 水素イオンの濃度 勾配ΔpH ≒Δψ ミトコンドリアの 酸化的リン酸化 水酸化系の 中心 http://www.photosynthesis.jp/newres.html 水から電子を取り出し（酸化！） 電子伝達・ATP合成 最終的に[H]を利用し 二酸化炭素を還 元して有機物を作る この一部だけでも真似できれば 人類の将来は安泰 例えば 1. 太陽電池 発電 2. 水素ガス発生 →燃料電池に使用 もっと完全には 3. 有機物を作る →食料・エネルギー源 細胞は共通の祖先から自然選択に より進化してきた • DNAを遺伝分子とし、RNAを使って情報 発現。使用するアミノ酸もそれに対応する 遺伝コードも共通。 • 子孫に正確に伝わる遺伝情報、しかし同 時に、ごくまれにランダムな変異が入る • 生存と繁殖に有利な遺伝情報をもつもの が選択される：自然選択 細胞は細胞から生まれる（作られる） • 一番最初の細胞は？？今日の課題 • その前に宇宙から見た地球 地球は水と酸素の 惑星 もう少し近寄って見ると 光合成色素＝クロロフィル 地球は緑の惑星 海 陸 太陽光が地球生態系のエネルギー源 • 陸：樹木・草 • 海：単細胞藻類、光合成細菌・ラン藻 消費者 食物連鎖 Food Web 分解者 生産者 呼吸と光合成 消 費 者 と 生 産 者 正しくは Producers/Consumers に加えて分解者Decomposers 菌類・多くの細菌類 ＝見えざる多数者 有機物を無機化 分解者がいない世界は 累々たる死骸・糞のみ 植物の養分がない！ 土を作る！ ほとんどが無 機イオン 東北電力「不思議な理科室」 太陽光が地球生態系のエネルギー源 • 陸：樹木・草 • 海：単細胞藻類、光合成細菌・ラン藻 消費者 食物連鎖 Food Web 分解者 生産者 地球を他の惑星と比べると どこが違う？ 太陽系では地球だけが，生命を はぐくんだ 土星軌道付近のVoyager 1号から ET＝地球外の知 的生命体がやっ てきて見る光景 Pale Blue Dot! 宇宙人から見た 金星、地球、 火星の違い 大気による赤外領域の吸収 水と酸素 （ここではオゾン） 最初は同じだったが、二酸化炭素は海水に溶 け沈殿し、主に地殻へ 暗い太陽のパラドックス 高濃度の二酸化炭素（＋メタン）による温室効果で 温度が保たれていた より大きな温室効果 CO2, CH4 温室効果 地表による反射のことをAlbedoアルベドという 地球は宇宙でも珍しい(?) 液体の水と 酸素の惑星 二酸化炭素が減ったのは海のせい 酸素は生物が作った （最初は酸素が無かった！） • 太陽からの距離が適当であったので 水が液体であり得た • 生物が発生し、さらに光合成生物が生まれ たので ふんだんにある水を利用して、廃棄物の酸素 ガスを多量に発生させた 地球大気の変遷 温度が下がる →海→CO2が 水に溶け込む 生物による発生 生物による固定 太古には酸素が無かった！光合成生物の排気ガス 光酸 最 光 合素 初 合 成発 の成 生 生 型 命 真 核 細 胞 確からしい最初 のラン藻の化石 植 物 多 の 様 上 な 陸 動 物 酸素発生の張本人はラン藻 細菌の一種 現在のラン藻の一種↑ 化石→ 生命が生まれる条件 • 太陽が大きすぎなかったこと 大きすぎると寿命が 短くすぐ赤色巨星に（恒星の寿命はその質量の3～4乗に反比例する） • 地球－太陽の距離が適当であったこと→液体の水 が存在可能 • 木星土星という巨大惑星が二つあったこと：それ以 上では惑星系が不安定 月がなかったら→自転周期が短い→短い一日と強 風！ 松井孝典監修・眞淳平著「人類が生まれるための12の偶 然」岩波ジュニア新書 太陽のサイズも丁度良かった 大きすぎては寿命が短く、すぐに赤色巨星に 太陽サイズ だと100億 年以上 赤 色 巨 星 恒星の 明るさ （＝放出 する熱） 地球が出来て から現在まで 50-64億年後 太陽は赤色巨星に 77億年後 惑星は飲み込まれる そのもっと前に地球は干からびてしまう！ 続き • 地球が適当な大きさであった 小さすぎると大 気を保持できない • 豊富な水が星間物質・彗星からもたらされ た • 二酸化炭素を制御できる仕組みを得た プ レートテクトニクス（プリント図） • 地磁気の存在 液体である核（外核）の対流による 磁石形成（宇宙線を防ぐ） 生命が浅海に進出→光合成生 物 • 紫外線を遮るオゾン層を持った による（生命）→古生代の生物上陸 酸素の蓄積