生物
生物とは、自己複製・代謝・情報処理・進化を営む動的システムである。個体は細胞を最小単位とし、分子・細胞・個体・集団・生態系へ階層化される。物質とエネルギーの流れは熱力学に従い、反応速度は化学動力学で表せる。DNAとRNAは遺伝情報を担い、タンパク質は触媒と構造の主役である。膜は恒常性を支え、刺激はシグナル伝達網に変換される。計測とモデル化により生物は設計・制御の対象となる。
基本特性
生物の基本特性は、膜による内外の区別、代謝による自由エネルギー変換、自己複製と遺伝、変異と選択による進化である。恒常性はフィードバック制御で維持され、感覚・情報処理・応答が閉ループを成す。ロバスト性と可塑性が工学的に重要である。
分子基盤
主要分子はタンパク質、核酸、脂質、多糖である。ATP加水分解は反応の駆動力となり、ΔGの負化で反応が進行する。酵素は活性化エネルギーを下げ、特異性と速度論的制御を与える。核酸は塩基対で情報を保存し、転写・翻訳で機能へ写像される。
細胞構造と膜輸送
細胞は原核と真核に大別され、後者は核とオルガネラをもつ。膜輸送は拡散、能動輸送、共輸送、チャネル透過に分類できる。イオン勾配はポンプにより維持され、膜電位は興奮性細胞の信号を担う。細胞骨格は剛性と輸送路を与える。
遺伝と進化
遺伝子はDNA上の離散単位であり、複製誤りや組換えで多様性が生じる。表現型は遺伝子型と環境の相互作用で決まり、選択圧の下で適応が進む。中立進化は分子時計を与え、系統樹は最尤法で推定される。
生態系と物質循環
生物群集は非平衡系であり、一次生産・捕食・分解が物質循環を形成する。エネルギーは太陽光や化学合成で流入し、栄養段階で散逸する。炭素・窒素・リンの循環は地球化学と連関し、人為起源の負荷は閾値の観点から評価される。
バイオエンジニアリング
合成生物学は回路設計の概念を導入し、プロモータやRBSなどを部品化する。バイオリアクタは流体・熱・質量移動の最適化問題となり、培養制御はPIDやモデル予測制御が有効である。バイオマテリアルは適合性、機械特性、分解性の設計空間で評価される。
解析手法
- 実験：PCR、シーケンサー、フローサイトメトリー、質量分析
- 観察：光学・電子顕微鏡、ライブイメージング
- 計算：微分方程式、ベイズ推定、機械学習
- 規格：JISやISO試験法・データ交換標準
熱力学と速度論
生体反応は平衡ではなく定常に保たれる。ΔG=ΔH−TΔSが駆動力であり、ATP結合により非自発反応が進む。速度論ではミカエリス・メンテン式や拡散律速が重要である。多段階反応では律速段階と制御係数の解析が設計の要である。
バイオメカニクス
組織は弾性・粘弾性・塑性を示し、応力−ひずみ関係で特性化される。血流はレイノルズ数と剪断応力で議論でき、毛細管では低レイノルズ・非ニュートン性が支配的である。骨は多孔質複合材として解析され、再構築は力学刺激への応答とみなせる。
分類学と命名
分類は二名法を基礎とし、分子系統に基づきドメイン・界・門・綱・目・科・属・種の階層で整理される。三ドメイン説は大枠を説明し、ホロタイプ指定や規約が安定した命名を保証する。