序文

学問の厳密さについて

『 · · · その帝国では，地図づくりの技術が完璧と言えるほどに発達して，一つの州の地図は一つの町全体を占めるサイズになり，帝国の地図は一つの州全体を占めるサイズにまでなっていた。

やがて地図づくり職人たちは，それらの途方もない地図でも満足できなくなり，すべての点と点

を対応させた帝国サイズの帝国の地図を作るに至った。その後，何世代もたつと，人々は忍耐を

要する地図づくりの仕事に興味を持たなくなり，その巨大な地図を無用のものとして，夏の太陽

と冬の寒さによって荒れるにまかせて顧みることがなくなった。西の砂漠には今日でもまだ，ぼ

ろぼろになった地図の廃墟が残っており，動物や浮浪者のすみかとなっている。こうして，この

ほかには国中どこにも地理学の面影は残っていない（スアレス・ミランダ「賢人の旅」（レリダ，

1658年）の第 4部，第 45章より）』

ホルヘ・ルイス・ボルヘスとアドルフォ・ビオイ・カサレス1

科学的知識，特に生物科学分野の知識はますます速いペースで蓄積されており，生命について

のわれわれの科学的理解は，ボルヘスが考えた無用に詳細な地図のようになってしまうかもしれ

ない。このような時代の教科書の主な役割とは，分野全体の膨大な蓄積の中から有用な概念を理

解するための情報を選び，それらをまとめる努力をすることであろう。実際，細胞および分子生

物学についてのわかりやすい概説をまとめようと大きな努力が払われ，多くの優れた教科書が書

かれてきた。本書もまた，当然のことながら，そうした教科書といくらか同じ内容を含んでいる。

ただし，本書では，これまでの教科書とは根本的に違った書き方が採用されている。そもそも，

細胞および分子生物学のような広大で複雑な分野を概念的に簡単化して紹介する仕方に，唯一の

正しい方法があるわけではない。つまり，たいていの現代生物学の教科書はアイデア，事実，実

験データを，生物の機能に照らして概念的に近い順番に並べて配置する構成をとっているが，そ

れに対してこの本では，同じ内容を「物理生物学」の見方から配置しているのである。すなわち，

細胞生物学の見方からではなく，物理生物学の見方から考えて近い順にトピックスが紹介されて

いる。

この本は，読者が事前に専門知識を持っていることを想定しておらず，学部または大学院にお

ける物理生物学あるいは生物物理学の最初のコースの教科書として用いるように書かれている。

1. 【訳注】Jorge Luis Borges（1899～ 1986）と Adolfo Bioy Casares（1914～ 1999）は，アルゼンチン出身の作家であ

る。邦訳はアンドリュー・ハーレイによる英語版（Andrew Hurley, COLLECTED FICTIONS, Penguin Putnam

Inc., 1998）から訳出した。スアレス・ミランダはボルヘスらが創造した架空の著者である。

iv 序文

また，物理学の基礎原理とモデル化の方法を生物の研究のために用いようとする科学者にとって

役立つように企図されており，さらに，扱う題材にすでに親しんでいる専門家にも，新しい見方

を提供するように考えられている。この本を通して，アイデアやデータを物理生物学の見方での

順番に並べて配置したため，細胞生物学の見方からはまったく近くないトピックスが続いて紹介

されることもある。例えば，真核生物の核内での DNAのヌクレオソームへの巻き付きと，細菌

の遺伝子制御における転写抑制因子であるリプレッサーが結合することによる DNAのループ形

成，キャプシドと呼ばれるバクテリオファージの小さい頭部への DNAのパッキングという題材

が，すべて同じ章に紹介されている。というのも，これらの題材はすべて，DNAの曲がり方を

決める数学的な規則に関係しているからである。これに続いて，DNAの曲がりを調べるために

本書で導いた物理学的・数学的な扱いが，細胞骨格におけるフィラメントなど，他の細長い材料

に対して直接適用されている。こうした構成の方針が本書の中心テーマを物語っているはずであ

る。すなわち，比較的少ない種類の基本的な物理モデルを適切に応用することが，生物について

本質を捉えた定量的な理解の基礎となり，広範囲にわたる明らかに別々の生物学的問題を統一的

に扱うために有用であるということである。

もちろん，一握りの簡単な物理モデルによって，複雑な生物学的過程について皮相的でない深

い理解が得られるというような，明らかに素朴すぎる主張をここでしたいわけではない。しかし，

生物学の研究文献を探れば，そうしたモデルを適用することで，興味の焦点となっている問題に

ついて重要な定量的洞察が得られたという例を，枚挙に暇がないほどに多く見いだすことができ

るのである。本書のどの章でも，簡単で基礎的な物理的考え方に依拠することによって，生物シ

ステムの定量的測定結果の理解が大きく進んだ例を，古典的な論文あるいは最新の研究論文から

紹介している。また，もしできる限り単純にした物理モデルが測定データを説明できないときに

は，その定量的な不一致の原因がどこにあるのかを探ることによって，検証可能な新しい生物学

的な仮説を得ることができるのである。例えば，脊髄を通る運動ニューロン（運動神経細胞）の

細胞体で作られた新しいタンパク質が，足にあるそのニューロンのシナプスまで拡散によって運

ばれる時間がどれくらいか簡単な見積もりをしてみれば，拡散では遅すぎて必要な仕事をするの

にまったく間に合わない，つまり，能動的な輸送が必要であることが理解できるであろう。もっ

とも，生物システムについて実験をしている研究者なら誰しも，物理モデルを具体的に意識して，

あるいは，具体的でなくても直観的に用いることによって，例えば，ある特定の遺伝子の転写開

始の速さの変化が細胞における遺伝子産物の全体量をどのように変えるか，また，シグナル伝達

を担う分子が細胞内の空間を動くことによってどのように標的分子と出会うか，胚発生の過程で

細胞が動くことによってどのように器官や手足の 3次元構造が決まるのか，などを想像している

ものである。生物の問題を深く考えてきた人たちが，こうした定量的だが直観的な方法をより意

識的に使えるように，この本では物理学的あるいは数学的な道具立てを提供することを目指して

いる。またこの本では，物理学や数学の経験を持った人たちが，こうした定量的分析にふさわし

い生物学の問題を見つけようとするときに示唆となるような，生物学的な見方を提示したいと考

えている。

本書では四つのステップを通して問題を解説したい。まず，第一のステップで生物の現象を紹

介する。2番目には，その現象に現れる「数の感覚」をつかむために，オーダーの見積もりを簡

序文 v

単な方法で行う。3番目には，非常に簡単化された最初のレベルのモデルを適用してみる。そし

て最後のステップでは，生物学的な現実をより良く表現するために，できることならば，過度に

単純化されたモデルを洗練することを試みようと思う。著者らの目標は，観測された現象の複雑

さを解明するために，簡単なモデルをどこまでうまく考え出せるか，そうしたアイデアを見つけ

るときの喜びを読者と分かち合うことである。例として，本書では，われわれの想像力をかき立

て，扱う概念を浮き彫りにすると思われる生物学的な現象を選んで説明している。しばしばそれ

らは，非常に興味深い定量的データが得られるようにうまく考えられた，特別にエレガントで賢

い実験方法で研究された現象である。こうした実験事実を紹介するうちにも，そして簡単化され

たモデルを作る際にも，間違った説明をしてしまうことがあるであろうことは，著者として十分

自覚しているつもりである。そうした間違いは著者らの知識の不足から生じうるし，そしてまた

多くの場合に当てはまることであるが，新しい発見がわれわれの調べている特定の事柄の理解を

変えてしまうことがあるためでもある（間違いと訂正のリストは本書のウェブサイトに掲載され

る予定である2）。しかし，本書の目標は複雑なシステムに簡単なモデルを適用することの威力を

示すことであったから，細部がいくらか間違っていたり欠けていたりしていても，少しの間違い

で全体のメッセージがあいまいになったりしないであろうと期待している。そもそも本書では，

まだ十分な物理モデルが発見されていないような現象について解説することが多いのである。む

しろ，現状の物理生物学において穴や間違いがどこにあるかを捉え，それらを挑戦として，すな

わち新しいエキサイティングな研究を開始するきっかけとして捉えていただければありがたい。

この本が完成に至るまでの 8年の間に，データ，アイデア，考え方について寛大にも教示をい

ただいた何百人という科学者たちの親切と熱意に，本書は計り知れない多くを負っている。本当

のところ，いろいろな点から見て，この本は広い分野にわたるさまざまな科学者との非常に多く

のインタビューに基づいた「定量的なジャーナリズム」とでも呼ぶべきものである。著者らはこ

の本を最前線からのレポートとするつもりである。生物学と物理科学のつながりについて，深く

そして広く考えたいと願っているすべての人々とともに，著者らが同僚研究者から学んだ最も興

味深い事柄を分かち合いたいのである。本書で想定している読者としては，機械工学を医学に応

用することに興味を持ち始めた 18歳の学部生から，数学と物理学の才能を生物の研究に活かし

たいと思っている 40歳のストリング理論の研究者，自分が研究してきた生物システムへの洞察

を数学的扱いによってより深められないかと考えている 70歳の名声ある生物学者まで，幅広い

層を対象にしている。

本書は 4部に分かれている。第 I部「生命とは？」は，主に生物の現象を紹介することにあて

られている。生物学出身の読者にはこの部分の記述はすでに馴染み深いものであろうが，定量的

に話を進めている本書のスタイルが，そうした読者にとっても啓発的であることを願っている。

物理学出身の読者にとっては，この部分の目的は，生物システムそのものへの感覚を得ることで

ある。第 II部「平衡状態としての生命」は，陽に時間を考えなくても定量的モデルを使って攻略

できる生物学の問題を探っている。第 III部「非平衡状態としての生命」は，ダイナミックな振る

舞いを示す，時間に依存したシステムの複雑さを正面から取り上げる部分である。第 IV部「生

2. 【訳注】著者のウェブサイト，http://www.rpgroup.caltech.edu/publications/ に掲載されている。

vi 序文

命の意味」では，生物システムによるさまざまな情報処理について説明する。

著者らは読者が多様な背景と多様な興味を持って本書を読まれるであろうと期待しているの

で，本書で利用する観測事実と原理については，できるだけその根拠を本書の中で紹介しようと

試みている。生物学的な「事実」や物理学的な「結果」について，単にそういうことがあるとだけ

主張するのは気が進まなかったのである。もし，そうした主張が本書の中にあるとしても，どう

か読者は，それを鵜呑みにしないようにしていただきたい。というわけで，最新のエキサイティ

ングな結果のみならず，何世紀にもわたって生物学者に調べられてきた古典的な観測結果につい

ても説明することによって，複雑な生物学的問題についての現代的な考え方が，観測と洞察の進

歩によってどのように形作られてきたかを示したい。こうした議論を詳しく紹介するときには，

本文とは別に，「事実の背景にある実験」と称した解説コーナーを設けて述べることにする。それ

と同時に，数学的な式の導出が必要と思われるときは，その導出を一歩一歩進めることにして，

ある式から次の式がどうやって導かれるかを説明し，数学にあまり慣れていない読者でも論理の

すべてのステップを追うことができるように，わからないまま結論を認めないといけないような

はめに陥らないように配慮した。「モデルの背景にある数学」と「数学の背景にあるテクニック」

という二つの解説コーナーを設けて，本書の中で繰り返し使われる数学的なテクニックをまとめ

て説明する。物理学の教育を受けた読者の多くにとっては，これらの解説コーナーに書かれてい

ることはすでにお馴染みのことと思うが，生物学者にとっては，こうした解説や補習から得るも

のがあると思われる。そのほかにも，特に興味のある問題については，「数の感覚」をつかむ手助

けのために，「見積もり」という解説コーナーを設けることにした。

本書では，それぞれのトピックスの説明に必要な基本情報がまとめられていて，それらを利用

すれば，生物学，物理学，化学，数学の各分野のうち，読者が馴染みの薄い分野について詳しく

知ろうとするときの教科書あるいは参考書として役に立つことと思う。こうした分野の文献のう

ち，著者が好むものを選んで各章末に挙げておくこととした。本書で挙げた参考文献は 2種類に

分かれている。「さらに勉強するために」で挙げているのは，著者自身の好みを反映した文献であ

る。ここにあるものは，題材の提示の仕方や視点のユニークさという点から選ばれていることも

多く，文献の完璧さを目指したものではない。二つ目の「参考文献」に含まれるのは，それぞれ

の章の内容に明らかに関連していて，章の中で用いられたモデルを提案し，図を提供し，あるい

は議論を組み立てたもとになる研究についての文献である。

各章の終わりには，一連の問題を付している。これらの問題は，各章で扱った題材をさらに広

げて論じるために，そして各章で扱ったのとは別のケースに対してモデルづくりの考え方を適用

するチャンスとするために用いていただきたい。これらの問題は教室で使ってもよいし，個人的

に利用してもよい。教師は，本書のすべての問題についての解法の手引きを利用することができ

る。いくつかの異なるタイプの問題があり，その一部は，簡単な算数で「数の感覚」をつかむよ

うにするためのものである。これはオーダーを見積もる生物学というものを育てることを目論ん

でのことである。ほかには，本文で紹介しきれなかったやや難しい数学的な導出に関する問題が

ある。また，著者らのお気に入りの問題として，原論文に載っている刺激的な実験データに対し

て定量的なモデルを作って適用するといった，読者を誘惑する目的の問題がある。なお，本書の

ウェブページ（http://www.garlandscience.com/product/isbn/0815341636）には，やや難しい問題

序文 vii

についてのヒントが掲載されている。

本書で用いられている図と，各章末のさまざまな問題は，どちらも原著論文のデータに多くを

負っている。興味のある読者がこれらのデータを容易に利用できるように，本書のウェブページ

には，図を作成するときに用いたもともとの実験データが掲載されている。同様に，章末の問題

に関するデータもウェブページから入手可能である。本書で紹介されている多くのモデルを用い

て自分で計算して得られた結果を，もともとのデータと比較するために使ったり，さらに，読者

の皆さん自身のオリジナルな研究で改良したモデルを作るために，皆さんがこれらのデータを利

用することができればと願う次第である。

学生と教師のための素材

次の付録が学生と教師のために用意されている。

• 図とグラフを載せた PowerPoint3のスライド

• いくらかの難しい問題についての読者へのヒント• 付録データ• 付録ビデオ• すべての問題についての解法の手引き

解法の手引きを除く素材は本書のウェブページ（英語）から入手可能である。本書のウェブペー

ジは www.garlandscience.com からたどることができる。解法の手引きは，資格の認められた教

師にだけ提供されるので，science@garland.com へメール（英語）を送り問い合わせていただき

たい。

著　者　

3. PowerPointはマイクロソフト社の登録商標である。