高等学校生物 > 生物I > 細胞 
地球にいる生物の種類は、名前の付けられている種が175万種ほどである。
その全ての生物は細胞(さいぼう)から成り立っており、
細胞は生物の機能上・構造上の基本単位である。
例えばヒトの体は200種類以上60兆個の細胞からできているといわれている。
その細胞は消化管なら食べ物の消化吸収をする細胞があり、
骨なら骨を作り出す細胞がある。
このページでは、
細胞の基本的な機能と構造、
細胞が体細胞分裂(somatic mitosis)によって分化していくこと、
細胞が個体を作っていること、
などを扱う。
細胞の大きさはそのほとんどが肉眼では見えないほど小さい。
顕微鏡の発達によって観察できる分解能が高まり、
細胞の内部構造が徐々に明らかになっていった。
細胞は生物の種類やからだの部位によってさまざまな大きさで存在している。
以下に顕微鏡の分解能と細胞などの大きさを挙げる。
※分解能(接近した2点を見分けることのできる最小距離)
細胞の見た目や働きはさまざまに異なるが、基本的な機能や構造は同じである。
細胞は核(かく、nucleus)と細胞質(さいぼうしつ、cytoplasm)、それらを囲む細胞膜(さいぼうまく、cell membrane)からなる。細胞膜に包まれた内部の物質のうちから核を除いた部分のことを細胞質という。
また、核と細胞質を合わせて原形質(げんけいしつ、protoplasm)とも呼ぶ。つまり、細胞膜に包まれた内部の物質のことを原形質という。
細胞質には、核を始めとして、ミトコンドリアなど、さまざまな機能と構造をもつ小さな器官があり、これらを細胞小器官(さいぼうしょうきかん、organelle)と呼ぶ。
細胞小器官どうしの間は、水・タンパク質などで満たされており、これを細胞質基質(さいぼうしつ きしつ、cytoplasmic matrix)と呼ぶ。この細胞質基質には、酵素などのタンパク質やアミノ酸、グルコースなどが含まれている。
核は、1つの細胞がふつう1つもっており、内部に染色体(chromosome)がある。
染色体は、DNAとタンパク質からなる。
DNAが遺伝子の情報を持っている。
細胞分裂(cell division)の際にDNAは複製され、新しい細胞に分配される。
顕微鏡で核を観察する場合は、酢酸カーミンや酢酸オルセイン液などの色素で、染色体を赤色に染色できる。
そもそも、この染色現象こそが「染色体」という名前の由来である。
核は、1~数個の核小体(nucleolus)を含み、その間を核液(nuclear sap)が満たしている。
核の表面には核膜(かくまく、nuclear membrane)がある。
核膜は、二重の薄い膜でできており、核膜孔(かくまくこう、nuclear pore)と呼ばれる多数の孔があり、核への物質の出入りに関わっている。
DNAが遺伝子の本体であるが、染色体はDNAを含んでおり、核が染色体を含んでいるため、核が遺伝に深く関わっているのである。
基本的には1つの細胞が1つの核をもつが、
例外として、たとえばヒトの赤血球のように核をもたない細胞もあり、
またヒトの骨格筋の筋細胞のように1つの細胞が複数の核をもつものもある。
核は細胞小器官の働きを制御しており、そのため細胞の生存や増殖に必要なものである。
なので、赤血球のように核を失った細胞は長く生き続けることはできず、分裂することができない。
核の中にあるDNAが、このような、細胞小器官の制御を行っている。
アメーバをガラス板で核がある片(へん)と、核がない片とに切断すると、核がある片は増殖でき、核がない片は死ぬ。(アメーバの切断実験1)
アメーバの核をガラス管で吸い取り、核と細胞質とに分けると、両方とも死ぬ。(アメーバの切断実験2)
このように核は細胞の生存や増殖に必要である。

生物の細胞には、核をもたない原核細胞と、核をもつ真核細胞とがある。
大腸菌などの細菌類や、ユレモなどのシアノバクテリア(ラン藻類)の細胞は、核を持たない。
これらの生物の細胞も染色体とそれに含まれるDNAはもっているが、それを包む核膜をもっていないので、核がない。
このような、核のない細胞のことを原核細胞(prokaryotic cell)と呼ぶ。
また、原核細胞でできた生物を原核生物(prokaryote)と呼ぶ。
原核細胞の染色体とそれに含まれるDNAは細胞質基質の中にある。
原核細胞は、ミトコンドリアや葉緑体などを持たない。
原核細胞は、真核細胞よりも小さく内部構造も単純である。
シアノバクテリアは、ミトコンドリアと葉緑体を持たない原核生物であるが、光合成を行う。
これに対して、染色体が核膜に包まれている細胞を真核細胞(eukaryotic cell)と呼ぶ。
また、真核細胞でできた生物を真核生物(eukaryote)と呼ぶ。
ほぼすべての真核生物では真核細胞にミトコンドリアが見られる。
また、植物の場合、真核細胞に葉緑体も見られる。
ミトコンドリアおよび葉緑体は、独自のDNAを持ち、それを含む細胞の核のDNAとは遺伝情報が異なる。
このため、おそらくミトコンドリアおよび葉緑体は、
実はもともと、その受け入れ先の細胞とは別の生物だったが、
受け入れ先の細胞に入り込み共生するようになったのだろう、と思われている。
そして、ミトコンドリアまたは葉緑体を取り込んだ結果、生物界に真核細胞が出てきたものだと思われてる。
細胞がミトコンドリアまたは葉緑体を取り込む前は、その細胞は原核細胞だったのだろうと思われている。このような説を、細胞内共生説または単に共生説という。
ミトコンドリア(mitochondria)は動物と植物の細胞に存在し、
長さ1μm~数μm、幅0.5μm程度の粒状の細胞小器官であり
化学反応によって酸素を消費して有機物を分解しエネルギーを得る呼吸(respiration)を行う。
ミトコンドリアの形は球形または円筒形の構造体で、
外側にある外膜と内側にあるひだ状の内膜との2重膜をもつ。
内膜がひだ状になった部分をクリステ(cristae)、内膜に囲まれた空間を満たす液体をマトリックス(matrix)と呼ぶ。
呼吸に関わる酵素がクリステとマトリックスにふくまれており、この酵素で有機物を分解する。
ミトコンドリアの内膜でATPという物質を合成する。
原核生物も呼吸を行うが、しかし原核細胞の呼吸は、けっしてミトコンドリアによるものではない。
(※ 教科書の範囲外:)観察時のミトコンドリアの染色は、ヤヌスグリーンによって緑色に染色できる。
葉緑体(chloroplast)は植物の細胞に存在し、直径5~10μm、厚さ2~3μmの凸レンズ形の器官であり、
光エネルギーを使って水と二酸化炭素から炭水化物を合成する光合成(photosynthesis)を行う。
葉緑体にはチラコイド(thylakoid)と呼ばれる扁平(へんぺい)な袋状の構造体があり、
チラコイドが積み重なってグラナ(grana)と呼ばれるまとまりを作っており、
一部の細長く延びたチラコイドが複数のグラナ間を結んでいる。
その間をストロマ(stroma)と呼ばれる液体が満たしている。
さらに、その周りを内膜と外膜の2重膜が囲んでいる。
また、葉緑体はクロロフィル(chlorophyll)という緑色の色素をふくんでいる。
正確に言うと、クロロフィルは緑色の光を反射して、ほかの色の光を吸収する色素である。
このクロロフィルの反射特性のため、植物は緑色に見える。
チラコイドの膜が、クロロフィルなどの色素をふくんでおり、これによって光エネルギーを吸収している。
そして、ストロマにある酵素の働きによって、光合成の有機物合成を行っている。
葉緑体は、ストロマに独自のDNAを持っている。

液胞(えきほう、vacuole)は主に植物細胞にみられ、物質を貯蔵したり浸透圧を調節したりする。
一重の液胞膜で包まれ、内部を細胞液(cell sap)が満たしている。
一部の植物細胞はアントシアン(anthocyan)と呼ばれる赤・青・紫色の色素を含む。
細胞膜は細胞質の外側にある厚さ5nm~10nm程度の薄い膜である。主にリン脂質とタンパク質で構成される典型的な生体膜であり、細胞への物質の出入りの調節を行う。リン脂質には水に溶けやすい親水性の部分と、水に溶けにくい疎水性の部分があり、疎水性の部分を内側に向かい合った、二重膜(にじゅうまく、bilayer)になっている。
「水と油」という言葉が、仲の悪いことの表現として用いられるように、水と油は溶け合わない。
このように細胞膜が外部に対して疎水性(そすいせい)の部分だけを出してるため、細胞膜は疎水的(そすいてき)である。そのため、細胞膜は、水に溶けない。このため、細胞膜によって、細胞がまわりから仕切られ、それぞれの細胞が溶け合わないようになっている。
細胞膜のところどころにタンパク質が分布しており、この(細胞膜にある)タンパク質が、細胞への物質の出入りの調節に関わっている。細胞膜は、特定の物質のみを透過という性質があり、この性質のことを選択的透過性(せんたくてき とうかせい)という。(啓林、数研の専門「生物」に『選択的透過性』の用語あり。)
スクロース溶液などに対しては、細胞膜は半透性 (※「細胞への物質の出入り」を参照) に近い性質を示す。
細胞膜には、ところどころにイオンチャネル(ion channel)があり、ナトリウムNa+、カリウムK+など特定のイオンのみを選択的に通過させる。(※ 生物IIでイオンチャネルを習うので、ついでに太字。)
また、細胞のところどころには受容体(じゅようたい、receptor)があり、特定の物質からの刺激を受け取る。受容体の種類ごとに受け取れる物質の種類が違い、そのため受け取れる刺激の種類がちがう。受容体の材質はタンパク質である。
また、細胞膜上のタンパク質に、オリゴ糖などの多糖類で出来ている糖鎖(とうさ、sugar chain)が付いている場合もあり、細胞どうしの識別(しきべつ)などの情報交換や、細胞どうしの結合などに役立っている。なお、ヒトのABO式血液型の違いは、赤血球の細胞膜の糖鎖の違いによるものである。
細胞が異物を消化吸収する食作用(しょくさよう)の際にも、細胞膜が関わっており、異物に細胞膜が取り付くことで、異物を包んで取り込む。食作用のことを飲食作用とも言ったり、エンドサイトーシスともいう。マクロファージやアメーバなどの食作用は、このような細胞膜の働きによるものである。
細胞壁(さいぼうへき、cell wall)は植物細胞や菌類や原核生物に見られ、細胞膜の外側で細胞を守る固い膜であり、形を保つ働きを持つ。動物細胞には見られない。
細胞壁は、セルロースを主成分としており、セルロースとペクチンなどの炭水化物によってなりたつ全透性 (※「細胞への物質の出入り」を参照) の構造である。
細胞は、1665年、イギリスのロバート・フックによって発見された。
彼は、自作の顕微鏡を用いて、軽くて弾力のあるコルクの薄片を観察したところ、
多数の中空の構造があることを知った。それを修道院の小部屋(cell、セル)にみたて、細胞(cell)と呼んだ。
彼が観察したのは、死んだ植物細胞の細胞壁(さいぼうへき、cell wall)であったが、
その後、1674年、オランダのレーウェンフックによりはじめて生きた細菌の細胞が観察された。
19世紀に入ると、細胞と生命活動の関連性が気付かれたはじめた。
まず1838年、ドイツのシュライデンが植物について、
翌1839年、ドイツのシュワンが動物について、
「全ての生物は細胞から成り立つ」という細胞説(cell theory)を提唱した。
さらに後、ドイツのウィルヒョーの「全ての細胞は他の細胞に由来する」という考えにより、細胞説は浸透していった。

レーウェンフックが細胞を発見しても、当時の生物学の業界では、しばらく、微生物の発生については、親なしに無生物から自然に微生物が発生するだろうという自然発生説が信じられていた。
しかし19世紀にフランスの生化学者パスツールが、図のようなS字状に口の曲ったフラスコ(一般に「白鳥の首フラスコ」という)を使った実験で自然発生説が間違っている事を証明した。
たとえば、
つまり、仮説「密閉したガラス容器内に、密閉の直前までに煮沸した栄養物を、密閉後に数日も放置しても、虫は発生しない」という仮説を検証するには、比較のためには、たとえば下記の仮説
このような、否定されるべき仮説を簡単に否定するための実験方法のひとつとして対照実験があり、たとえば、下記のような、もとの実験から条件を1つか2つなど、ごく少数だけ条件を変えてみて、実験をすればいい。
のように、追加の実験をする必要がある。
こういう実験の手法が対象実験である。
このパスツールの実験がよく、対照実験の例として啓蒙書などで紹介されるが、しかし対照実験とは、なにもこの実験だけに限ったことではない。

「対照実験」。
細胞質基質には、一見すると液体以外に何も無いように見えるが、実は繊維状の構造がある。この細胞質基質に存在している繊維状の構造を細胞骨格(さいぼう こっかく、cytoskeleton)という。
細胞骨格には、微小管(びしょうかん、microtubule)、中間径フィラメント(intermadiate filament)、アクチンフィラメント(actin filament)の3種類がある。
この細胞骨格によって、細胞小器官は固定されている。
また、細胞小器官や液胞などが細胞内で運動して原形質が流動しているように見える理由は、細胞骨格が動いて細胞小器官などを運んでいるためであることが近年に分かった。
(※ 以降、生物II、専門生物の範囲:)
微小管は、チューブリンという球状のタンパク質から出来ており、微小管全体としては管状になっており中空の管であり、微小管の直径は約 25nm ほどである。なお、微小管のチューブリンは2種類から構成されており、αチューブリンとβチューブリンからなる。図のように一般にαチューブリンとβチューブリンは、となりあっている。
アクチンフィラメントは、直径が約7nmの繊維であり、アクチンという球状のタンパク質がつらなって構成されている。特に筋肉に、アクチンフィラメントが多く含まれている。筋肉以外の一般の細胞にもアクチンフィラメントは含まれている。
アクチンフィラメントによって細胞の動く仕組みは、筋繊維が動く仕組みと、ほぼ同じである。
アクチンフィラメントは別名で「マイクロフィラメント」とも言う(※ 数研出版)。
アクチンに結合しやすいタンパク質としてミオシンがあり、筋組織ではミオシンも多く見られる。
だが、動物の筋肉だけでなく、(植物細胞などの)原形質流動でも、特殊な観察法によって、アクチンとミオシンが観察される。(※ 啓林館の専門『生物』、15ページ。第一学習社、専門『生物』、53ページ)原形質流動の際、細胞小器官に結合したミオシンがアクチンフィラメントに沿って動く事が分かっている。
また、そのミオシンの動くエネルギー源はATPである。
このため、ミオシンが「モータータンパク質」というものに分類されている。
(※ 筋肉については、くわしくは、生物IIで勉強する。)
微小管の上を移動するダイニンとキネシンというタンパク質も、それぞれ、モータータンパク質として分類される。つまり、ダイニンはモータータンパク質である。キネシンはモータータンパク質である。微生物の鞭毛(べんもう)や精子の鞭毛など、鞭毛の屈曲を起こしているのが、このダイニンとキネシンによる働きである(※ 東京書籍、数研)。ダイニンとキネシンも、ATPのエネルギーを利用することで、モータータンパク質として働いている。

細胞小器官において、小さすぎて光学顕微鏡では見られないが、電子顕微鏡でなら見られる構造が、いくつか存在している。
ゴルジ体や中心体は、小さすぎるため、光学顕微鏡では見られないが、電子顕微鏡で見ることができる。
ゴルジ体(Golgi body)は酵素やホルモンなどの分泌に関与するほか、細胞内で利用されるタンパク質の修飾を行う。
一重膜の平らな袋状の層がいくつか重なった構造をしている。
中心体(centrosome)は主に動物細胞にみられ、べん毛や繊毛を形成したり、細胞分裂の際の紡錘体形成の起点となる。
微小管という管状の構造体が3つ集まり、それが環状に9つ集まり中心小体を作り、
その中心小体が2つL字直交して中心体を作る。
インフルエンザなどのような「ウイルス」という種類の物が存在する。ウイルスは生物と非生物との中間的な存在である。ほとんどのウイルスは0.3μm以下の大きさであり、大腸菌 (約3μm)などの細菌の大きさと比べて、とても小さい。ウイルスは、タンパク質の殻と、その殻につつまれた核酸をもつ構造で、細胞を持っていない。ウイルスは遺伝物質として核酸をもち、単独では増殖できない。ウイルスの増殖は、他の生物の生きた細胞の中に侵入して、その細胞の中にある物質を利用して行う。死んだ細胞(例:加熱処理などした細胞)の中では、ウイルスは増殖できない。
ウイルス自体は歴史的には、次のように発見された。(科目『科学と人間生活』の範囲)
まず素焼きの陶器の板を使って水を濾過すると、この陶板には細菌よりも微笑な穴が空いているので、細菌のふくまれた水を流すと、細菌を除いて水だけを通過させて濾過できる発見をした。この濾過器により、赤痢菌などの病原菌も濾過できる事が発見された。しかし、タバコモザイク病の病原体は、水といっしょにこの陶板を通過する事がロシアの科学者イワノフスキーにより1980年代に発見された。
この事から、細菌よりも微小な存在が信じられるようになった。
その後、1930年代にドイツの科学者ルスカなどによって発明された電子顕微鏡の発達により、細菌を映像的に観察できるようになった。
また、1930年代、アメリカの科学者スタンレーがタバコモザイクウイルスの結晶化に成功している。
細胞質基質は、細胞小器官の間を満たし、水・タンパク質などが含まれ、様々な化学反応が行われている。
オオカナダモの葉の細胞を観察すると、細胞質基質の中を顆粒が流動しており、これを原形質流動(げんけいしつりゅうどう、protoplasmic streaming、細胞質流動)と呼ぶ。原形質流動は生きている細胞でのみ見られる。
細胞は、その中に水や栄養分を取り入れ使わないと生きていけない。
以下では細胞への物質の出入りについて扱う。
台所で野菜を刻んで塩をかけると、水が出てきて野菜がしんなりする。また、ナメクジに塩をかけると縮んでゆくという話を聞いたり、実際に見たこともあるだろう。実は、この二つは同じ現象である。
一定以下の大きさの分子のみを透過させる性質を半透性(はんとうせい、semipermeability)と呼ぶ。
また、半透性を示す膜を半透膜(はんとうまく、semipermeable membrane)と呼ぶ。溶質であっても、一定以上の大きさなら、半透膜は通さない。細胞膜は半透膜の性質をもっている。セロハン膜も半透膜である。溶媒が水の場合は、半透膜は水分子を通す。一般に、ショ糖は細胞膜を通らないのが普通である。尿素やグリセリンは細胞膜を通るのが普通。
それに対して、分子の大小によらず全て透過させる性質を全透性(ぜんとうせい、non-selective permeability)と呼ぶ。
また、全透性を示す膜を'全透膜(ぜんとうまく、permiable membrane)と呼ぶ。ろ紙は全透膜である。植物の細胞壁は全透膜である。細胞膜と細胞壁を間違えないように。細胞膜は動物・植物の両方にあり、半透膜である。細胞壁は植物にしかない。
濃度の異なる水溶液をあわせると、物質が高い濃度から低い濃度の溶液へ移動し、濃度が均一になる現象を拡散(かくさん、diffusion)と呼ぶ。
半透膜をはさんで濃度の低い溶液と濃度の高い溶液を接触させると、拡散によって、溶媒の水は移動し、半透膜を通って濃度の低い方から高い方へと水は移動する。この現象を浸透(しんとう、osmosis)と呼ぶ。両液の濃度が同じになるまで、溶媒の水が膜を通って移動する。大きさの大きい溶質は半透膜を通れないので、かわりに大きさの小さい分子である水分子が移動するのである。
説明の簡単化のため、溶質分子は大きく、半透膜を通れない場合であるとした。
浸透のさい、濃度の低い溶液から濃度の高い溶液へ溶媒を移動させるように働く圧力を浸透圧(しんとうあつ、osmotic pressure)と呼ぶ。溶液の濃度の差が大きいほど、浸透圧は大きい。
浸透圧を式で表せば、浸透圧をP(単位[Pa]パスカルなど)、濃度差をC(単位[mol/L]など)とすると(「mol」とは「モル」で分子数の単位で、6.02×1023個)、式は
である。
※ 生物Iの範囲を超えるが、より詳しくは、温度をT〔K〕として(「K」とはケルビンという、温度の単位)、気体定数(きたいていすう)という比例係数をRとして、
(「ファントホッフの式」という。