みちのわくわくページ

本 本 生物・科学・数学など

<著者姓あいうえお順>
天気と気象についてわかっていることいないこと(筆保弘徳、芳村圭編著)、
元素111の新知識 第二版(桜井弘)、 「量子論」を楽しむ本(佐藤勝彦監修)、
植物はすごい(田中修)、 無限の話(ジョン・D・バロウ)、 生物と無生物の間(福岡伸一)、
宇宙への秘密の扉(ルー シー&スティーヴン・ホーキング)、
宇宙は何でできているのか(村上斉)、
タイムマシンの作り方(矢沢サイエンスオフィス)、 iPS細胞(八代嘉美)

天気と気象についてわかっていることいないこと
筆保弘徳、芳村圭編著
稲津將、吉野純、加藤輝之、茂木耕作、三好健正著
2013年 ベレ出版
第1章 温帯低気圧の研究 稲津將
第2章 台風の研究 筆保弘徳
第3章 竜巻の研究 吉野純
第4章 集中豪雨の研究 加藤輝之
第5章 梅雨の研究 茂木耕作
第6章 水循環の研究 芳村圭
第7章 天気予報の研究 三好健正
それぞれの章を専門家が書いていて、導入から始まって最新の研究についての報告までわかりやすく説明してくれているのだが、それでも途中からなんかよくわからなくなる私は、ほんとに理系の頭を持ち合わせていないなと思うのだった。しっかりと理解していないので、個々の内容についての感想などとても書けないのだが、台風も竜巻も集中豪雨も水循環の話もたいへん興味深いので、繰り返し読んでみようと思う。また、コラムで、それぞれの著者がいかにして気象学者になったか、どんな研究をしているかといったことが取り上げられていて、おもしろかった。
地面や海面が暖まることによって水が蒸発して水蒸気になって、水蒸気が上昇して上空の冷たい空気が下降して対流ができて、この対流が積乱雲で、積乱雲が集中豪雨や台風や竜巻を起こすらしいということはわかった。
太平洋という巨大な水の固まりが、日本の気象に多大な影響を与えていることもわかった。
とにかく、地球上の水の循環が全ての気象を引き起こしているというのは、スケールがでかくて読んでいて気持ちがいいのだった。
タイムリーなことを言えば、竜巻の研究について。
先日、埼玉・千葉を襲った竜巻のニュースで、藤田スケールという竜巻の強さを表す指標により今回の竜巻はF2の強さであると報道された。9月4日の朝日新聞朝刊の「ニュースがわからん」というコラムでこの藤田スケールについて説明していたが、発案者がミスター・トルネード(みんなが思うことだが、「野茂でない」と本書にも記されている)と呼ばれる日本人の気象学者藤田哲也博士であり、博士は気象学の世界にノーベル賞があれば間違いなく受賞していたと言われると書いてあった。が、それは本書に書いてあることそのままの内容だった。新聞に書いてなかったことを言えば、博士は、ダウンバーストという、積乱雲による冷気が下降現象となり地面にぶつかって放射状に広がる現象を発見したそうだ。それまで竜巻によるものだと思われていたこの現象を違うものだと判断したのは、博士が長崎と広島の原爆被害を調査した経験から爆心地から放射状に樹木が倒れていた光景とアメリカの被害地の光景がひどく似ていたからだという。あと「吸い込み渦」の発見もしたそうだ(説明は難しいので省略)。(2013.9)

元素111の新知識 第二版
桜井弘著(2009年)講談社ブルーバックス
元素の事典。
元素番号1の水素から、111番目のレントゲニウムまで、発見者、名前の由来、一般的性質、暮らしの中での利用、特殊な用途、生体における役割、医薬品としての利用、毒物としての性質など、いろいろなことが説明されている。人気?の元素ほどページ数が多い。(2012.10)


「量子論」をたのしむ本
佐藤勝彦監修 (2000年)
PHP文庫
完全に文系の頭でありながら、「タイムライン」の「量子論」に誘われてつい読んでしまった。
数式はあまり出てこなくてかなり噛み砕いて説明してくれているので、素人にも読みやすい。
小中高の理科で「量子論」が出てこないのは、「量子のふるまい」がまだまだ謎に包まれているからみたいだ。量子力学は、量子の不可思議な現象を利用して科 学技術の発達に大いに役だっているらしいが、どうしてそうなるかは実はまだわかっていない。粒であり波でもある量子は、人が見ていないところでは「重ね合 わせ」の状態で拡散しているが、ひとたび観察されるやいなや「収縮」して確定した状態になる。
「神はサイコロ遊びを好まない」という有名な言葉とともにアインシュタインは量子の不確定性から導き出される「確率解釈」を否定したらしいが、彼の知能を 持ってしても謎は解明されなかったという。
結局なんとなくわかったようなわからないような、くらいの感想しか出てこないのだが、これを読んでから「タイムライン」を読むと、スリットを使った実験が ごく基本であることや、「多世界解釈」という一見途方もない理論がどうして出てくるのかはわかってくる。ような気がする。
「シュレーディンガーの猫」というキーワードは一般教養として覚えておくとなんだかちょっと賢くなったような気になれます。(2004.2)


植物はすごい 生き残りをかけたしくみと工夫
田中修著(2012年) 中公新書
自分の身を守るため、子孫を残すために、動けない植物の身体に備わっている様々なすごいしくみを紹介。
 トゲ、渋み、辛み、苦み、酸味、ネバネバの液、かさぶた、香り、毒、擬態、色素など、個々の例を挙げて説明していて、わかりやすい。(2016.4)

無限の話 The Infinite Book
ジョン・D・バロウ著(2005年)
松浦俊輔訳 青土社
数理物理学者であり宇宙物理学者であるイギリスのサイエンスライターが、数の無限、空間の無限、時間の無限、心の無限など様々な無限について語る。
大きい無限と小さい無限。小さい無限については、有名なゼノンのパラドックスを取り上げて解説している。無限大にも、大きい無限大と小さい無限大があると いう、ホテル無限大の話はなかなかおもしろかった。
無限の探求者として、19世紀の数学者ゲオルク・カントールを紹介。彼は、神の心にある「絶対無限」、人の心にある「数学的無限」、物理的世界にある「物 理的無限」という3つの無限を提示した。
物理的無限には、宇宙空間がどこまで広がっているかという宇宙物理学における無限と、物質はどこまで小さく分けられるかという素粒子物理学における無限が ある。
宇宙は無限かという話から、宇宙誕生のビッグバンや、ブラックホール、永劫回帰や多世界宇宙の話も出てくる。
有限の時間で無限の計算をするコンピュータ(無限マシン)の話(このへんはついていけない)。
最後は、時間は永遠に続くかというテーマから、タイムトラベルの話になり、過去へ遡ることによって生じるパラドックスについて考察している。 (2009.5)


生物と無生物の間
福岡伸一著(2007年)
講談社現代新書
冒頭、日本では知られていないアメリカでの野口英世の評判から、細菌研究、ウィルス発見の過程を経て、生物と無生物を分けるものは何かという本書のテーマが提示される。
著者は、自己複製能力はあるが、栄養摂取や呼吸といった代謝を一切せず、結晶化するウィルスを生物とは定義しない。「生命とは自己複製するシステムである」という定義を不十分とし、「生命の律動」を探っていく。
著者自身の経験を交えて研究現場の実態を伝えつつ、生物の身体のしくみとそれらを解明するに至った実験の過程やあまり知られていない研究者たちの功績について、素人にもわかりやすく紹介している。Amazonのトップページに新刊のお知らせで載っているのを見て、衝動買いしてしまったのだが、読み始めたら、おもしろくて止まらなくなった。おもな話題は、DNAとタンパク質である。
まずは、DNA。
遺伝子の本体がDNAであることを証明するため地道な研究を続けたオズワルド・エイブリーについての記述のあと、有名なワトソンとクリークによる二重らせん構造の発見が出てくるが、彼らの影でその発見のきっかけとなるX線写真を撮ったロザリンド・フランクリンについて多く語っている。ワトソン、クリック、ウィルキンズといった関係者3人の著書からそれぞれの言い分を取り上げて検証しているのが興味深い。
DNAの二重らせんについては、それが生物の自己複製においていかに優れた構造であるかが、丁寧に説明されている。DNAの構成単位はヌクレオチドと呼ばれ、頭文字がA、C、G、Tのたった4種類しかない。しかも、AとT、CとGは常に対になる。このことが実に大事なのだ。鎖が外れて自己複製を行うしくみの見事さに、うっとりしてしまう。
そして、筆者が「動的平衡」と呼ぶ、生物の生体維持のしくみの巧緻さ。
タンパク質に重窒素を混ぜてその行方を追うルドルフ・シェーンハイマーの実験が紹介されるが、ここで、普段なにげなく使っている「新陳代謝」という言葉の意味を再認識させられるとともにまたもそのしくみの見事さに驚かされる。
放っておけば無秩序へ向かう自然の法則(「エントロピー(=乱雑さ)増大の法則」)のなかにあって、ひたすら秩序を維持しようとする生命体が試みるのは、 壊される前に先回りして自ら破壊し廃棄し新たに取り込み再構築する、という流れをひっきりなしに続けることである。半年、あるいは一年たてば私たちの身体の分子は全て入れ替わっているのだ。
続いて、こうした絶え間のない流れの中で動的な平衡状態を保つために重要なタンパク質の相補性(自分が結合するべき場所があらかじめ決められているので、欠落してもすぐ埋められる)、細胞膜内の物質(タンパク質)が細胞外に分泌されるしくみなどが説明される。
最後の、タンパク質の働きを調べるためのノック・アウト・マウスを使った実験にも驚かされる。 (2007.12)


宇宙は何でできているのか 素粒子物理学で解く宇宙の謎
村上斉著(2010年) 幻冬舎新書
著者は、東京大学数物連携宇宙研究機構(IPMU、イプムー)の初代機構長を務める素粒子物理学博士。
私がこの本を手にとったのは、量子論絡みのSFに「クォーク」とか「素粒子」とかといった言葉がよく出てくることと、2002年に小柴博士がノーベル賞を取ったときに知ったスーパーカミオカンデという、あのような巨大な装置(加速器)がなぜ必要なのかずっと疑問に思っていたからである。
本書は、「物質は何でできているのか」「物質を支配する基本法則はいかなるものか」という素粒子と宇宙の研究における大きな2つのテーマについて、難しい数式を使わずに、素人にもわかるように極力かみ砕いて、解説してくれている本である。

前半は、2つのテーマのうちの1つめ、「物質は何でできているか」について説明している。
他の本などでも見たことのある、ビッグバンや宇宙の膨張の話や、宇宙がいかにでっかいか、素粒子がいかに小さいか、物質は、分子→原子→電子と原子核、原子核→陽子と中性子、陽子→クォーク3つ(アップ2つとダウン1つ、電荷はプラス)、中性子→クォーク3つ(ダウン2つとアップ1つ、電荷は中性)と細分化されていって、一番小さいのがクオークという素粒子だということが書いてある。
スーパーカミオカンデは、3000トンの水と1000本の光電子増倍管からなる装置であり、宇宙から降り注ぐ小さな小さな素粒子ニュートリノを見つけるためには、これだけのものを使って電子を高速で加速しないとならないらしい。
そして、本書のタイトルにもなっている宇宙の構成要素について、びっくりすることが書いてある。
宇宙において、星が占める割合は0.5%、ニュートリノが0.1〜1.5%で、宇宙に漂うガスなどの原子を合わせても、いわゆる物質(原子)が占める割合は、宇宙の全エネルギーのわずか4.4%程度にしかならないという。残り23%は暗黒物質(ダークマター)と呼ばれる謎の物質、さらにその残り73%は暗黒エネルギー(ダークエネルギー)と呼ばれる謎のエネルギーが占める。暗黒エネルギーは宇宙全体が膨張しても薄まらないという不気味な性質を持っている。
素粒子は、第三世代までが発見されている。それを示す「標準模型」は「20世紀物理学の金字塔」とも言える大きな成果だという。

続いて後半は、それら素粒子をつなぐ規則(力)についての話、つまり2つ目のテーマである「物質を支配する基本法則はいかなるものか」の基本法則についての説明となる。
「重力」「電磁気力」「強い力」「弱い力」の4つの力については耳にしたことがあり、この4つの力の「大統一理論」が物理学者たちの究極の目標だとされているということも聞いているが、このへんは内容が俄然難しくなってくる。「強い力」「弱い力」は、クオークをつなぎ止めているもので、ノリの役目をする素粒子があるというのだが、素粒子の名前やグループ名が次々に登場してきて混乱するし、「パリティ」という属性や「対称性の破れ」という言葉が出てくると、どうにもついていけない。
最後は、まだわかってないことがこんなにあるという話に戻る。
素粒子が通常イメージされるような丸い形じゃなくて、ヒモのような形をしていて常に振動しているという「超ひも論」は聞いたことがあった。
それとずっと疑問に思ってた「反物質」。どんな物質も対になる「反物質」があるといわれるが、一体どこにあるんだとずっと思っていた。実は、ビッグバン直後初期の宇宙には反物質がたくさんあったが、宇宙が冷えるに連れて、反物質と物質が出会って消滅したため、今の宇宙には反物質は存在しないらしい。(ちなみには、反物質は物質に触れた瞬間に消滅するが、その際に質量は莫大なエネルギーを生む。映画「天使と悪魔」で、反物質が原爆なみの破壊をもたらす危険物質として扱われていたのはそのためだそうだ。)なぜか100億分の2だけ物質の方が多くて、その残ったおつりみたいな物質が今この宇宙にある物質だという。つまりその100億分の2のお陰で、私たちは存在するらしいのだ。なぜ、物質だけがちょっとだけ残ったのかは謎で、これを「消えた反物質の謎」というそうだ。
とりあえず、繰り返し読めば言葉や桁違いの数字には若干慣れてはくるし、その圧倒的なスケールの大きさ及び小ささには宇宙に生きる者として深い感動を覚える。
が、たとえば、スーパーカミオカンデについて、「ニュートリノは宇宙から大量に降り注いでいて、私たちは1秒間に何十兆個もニュートリノを浴びているが、あまりに小さいので私たちの体をスルスルとすり抜けてしまい、見つけるのは至難の業である、だが、そのニュートリノを水中で電子と衝突させることで検出することができるのだ」と言われても、どうにもイメージが湧きにくく、漠然となんとなくそんなものなのかという感じでしか受け止められないのだった。(2011.5)


タイムマシンの作り方タイムマシンの作り方
矢沢サイエンスオフィス著 2005年 学習研究社
時空の不思議とタイムマシンをつくるのは可能かというテーマによる科学本。
第2章の「宇宙論的タイムマシンの作り方」は、ブラックホールのように時空がゆがんだ場所では時間旅行が可能なはずという考え方によるもの。巨大な円筒型タイムマシン、ワームホール、宇宙ひもの話など。いずれにしろ、スケールが大きすぎて実用化はほぼ不可能。
第3章「量子論的タイムマシンの作り方」は、量子のかさねあわせ現象を利用すればタイムマシンができるかもという話。架空の粒子タキオンや量子テレポーテーション、時間をさかのぼるというよりは、違う次元の世界に行くという意味でのタイムトラベルの話など。いずれにしても量子の性質がまだはっきりわかっていないので、具体的なものではない。
第4章「タイムパラドックス」は、あまりに有名な先祖殺しのパラドックスから、量子論が導き出す平行宇宙の考え方によるタイムパラドックスの解消を説明。因果律を守る「宇宙検閲仮説」を紹介。
いずれにしろ、SF小説に出てくるような過去と未来を自由自在に行き来できるタイムマシンをつくるのは、現段階ではとても無理らしい、ということがわかった。(2006.10)


iPS細胞 世紀の発見が医療を変える
八代嘉美著(2008年)
平凡社新書
東大大学院医学系研究科博士課程に在籍中の生物科学研究者による万能細胞の解説。
「生物と無生物のあいだ」にちらと出てきたES細胞。身体のどの部分の細胞にもなりうるというES細胞の存在は気になるところであったのだが、本書は、このES細胞と、最近世間で話題になった京大の山中教授らによるiPS細胞について噛み砕いて説明している。また、生物の身体の内部で起こっている再生活動のしくみにも言及していて、興味深い。iPS細胞とは、"induced pluripotent stem cells"、「人工多能性幹細胞」と訳される。
2007年11月のニュースで世の中に知れ渡ったiPS細胞。人の皮膚からどのような種類の細胞も作り出せる万能細胞ができるという、再生医療に大きな可能性を示唆する内容のニュースだった。
著者はまず、人の「発生」、受精卵の細胞分裂から話を始める。一つの細胞だった受精卵は分裂を繰り返し、3日目に桑実胚と呼ばれる桑の実状のものとなり、5日目には胚盤胞と呼ばれ、シュークリームの皮のような栄養外胚葉と、中身のカスタードのような内部細胞塊に分かれる。
内部細胞塊の細胞は、やがて3種類の胚葉という細胞に変化し、外胚葉は皮膚や神経に、中胚葉は血管や骨や筋肉に、内胚葉は肝臓などの臓器に、というように胎児の中で形作るべき組織、細胞がおおまかに決まっていく。それまでなんにでもなれた筈の細胞が胚葉に分かれると、もはや別の胚葉からつくられる細胞になることはできない。これを分化という。
分化の途中では、身体のそれぞれの部分に不必要な遺伝子に鍵をかけるタンパク質(メチル基)が働き、「メチル化」されていく。分化が進むほどメチル化はすすみ、逆戻りはできない。唯一、逆戻り(初期化)できる方法は、分化した細胞の核を卵子に移植するというものだが、これはクローンの作製技術である。
この発生の、途中段階に登場する胚盤胞の内部細胞塊、これからなんにでもなれるはずの細胞塊を取り出し、培養したものをES細胞と呼ぶ。ES細胞は、培養皿の中で、あらゆる細胞を作り出す能力を維持したまま(つまり未分化のまま)、放っておくと半永久的に分裂し増え続けるという。(この未分化性を維持させているのは、Nanogと呼ばれる遺伝子の働きによるものらしい。)正式には、Embryonic Stem Cell、胚性幹細胞と言われ、この名称に「胚性」と「幹」という二つの性質が示されている。

「幹細胞」とは、@分化する能力を持っていて自分とは異なる形態や機能を持つ細胞を作り出す、A分化する能力を維持したままで分裂し自分と同じ性質を持った細胞を増やす、という二つのことができる細胞である。神経幹細胞、肝幹細胞、造血幹細胞などがある。例えば、造血幹細胞は、赤血球(寿命約120日)、白血球(寿命数時間から数日)、血小板(寿命約10日)を常に補充する。1日に約2000億個の赤血球と血小板、約700億個の好中球(白血球の約6割を占める白血球の一つ。体内に侵入した細菌を飲み込んで殺菌を行い、感染を防ぐ)を産出、1秒に約200万個の細胞を作り出す。また、小腸幹細胞は、小腸の細胞を絶えず供給している。小腸は、酸性度の高い消化液やスパイスなどの刺激物など様々なストレスにさらされているため、細胞の入れ替えが激しい。(ちなみに大便に含まれるものの6割は水だが、2番目に多いのは死んだ胃や腸の細胞の死骸、次が食物の消化吸収を助ける大腸内細菌の死骸、食べ物のカスは最も少ないのだという。)
幹細胞の分裂は、細胞に情報を与える伝達物質サイトカインによって調整される。サイトカインは、幹細胞による増殖や分化のバランスをとり、この働きによって幹細胞は動きをとめて冬眠したり目覚めたりを繰り返す。幹細胞は数が非常に少なく、見つけるのが困難な細胞である。

ES細胞を再生医療に利用するには、いくつかの障害があった。胚をこわすということで人道上の問題があり、また、他者の卵細胞からの移植は拒絶反応を起こす。これを解消するためにはクローン胚をつくればいいのだが、人道上から、またこれまでの経験から原因は不明だがクローン胚から健康体の子どもが生まれてくる確率が低い、といった問題がある。
山中教授らが成功させたヒトiPS細胞は、ヒトの皮膚などの細胞からでき、しかも自分の細胞を使えば拒絶反応もない、という特長をを持つものである。
山中教授らは、ES細胞の、未分化な状態をたもちながら増殖するという特有の性質は、ES細胞だけが持っているタンパク質の働きによって起こると考えた。かれらは、ES細胞で特異的につくられている多数の遺伝子をリストアップし、増殖能力や未分化維持に関わる遺伝子を絞り込んでいった。やがて最終的に残った4つの遺伝子を取り込むことによって、例えば皮膚の細胞がiPS細胞になる。この特別な能力を持つ遺伝子は、発見者の山中教授の名をとって山中ファクターと呼ばれる。ただし、ウィルスを使った遺伝子の入れ込み操作や、導入する遺伝子自体の問題など、人間の治療に応用するには、解決しなければならないことがまだまだたくさんあるとのことだ。(2008.9)

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