科学と人間生活　生物・微生物分野　合格のレシピ

微生物の発見

微生物を発見したのはレーウェンフック。1674年、顕微鏡を自分でつくって観察し、自然界には極めて微小な生物が存在することがを明らかにした。その後、顕微鏡の技術の進歩とともに、より小さな微生物も発見され、20世紀には電子顕微鏡によって、ウイルスなども発見されるようになった。

古くから、人々は、生物は親がいなくても自然に発生するという「自然発生説」を信じていた。しかし、パスツールは、S字状の首を持つ白鳥の首フラスコの中に肉汁を入れ、空気中の微生物が入らなければ、何年にもわたって肉汁の腐敗は起こらないことを確認し、微生物は自然に発生するものではないことを証明した。

※微生物はヒトの皮膚や体の中に無数に存在し、重要な働きをしている。口の中にいる微生物は500種類以上、皮膚にいる微生物は200種類以上、お腹の中にいる微生物は1000種類以上にもなるといわれている。ヒトの体にいる微生物は、その数や種類のバランスがほど良く保たれることで、私たちの健康を支えている。

さまざまな微生物

細胞には、核が膜（核膜）に包まれている「真核細胞」と、膜に包まれていない「原核細胞」の２つのタイプがある。真核細胞からつくられている生物を「真核生物」とよび、原核細胞からつくられている生物を「原核生物」とよぶ。

原生生物（真核生物）

「ゾウリムシ」、「アメーバ」などの「原生動物」や「ケイ藻」などの「藻類」、など。

菌類（真核生物）

「アオカビ」や「酵母菌」、「シイタケ」など。 光合成は行わず、養分（有機物）を体の表面から取り入れている。マツタケやシイタケなどの食用部分は、菌糸とよばれる糸状の構造が多数集合し、目に見える大きさになったもの。

細菌（原核生物）

食品に利用される「乳酸菌」、「枯草菌（納豆菌）」。また、病原体となる細菌「結核菌」、「コレラ菌」、「ピロリ菌」、ヒトの体の中にすむ「大腸菌」などがある。さらに自然界には、光合成を行う「シアノバクテリア」や、空気中の窒素を利用する「窒素固定細菌」などが存在している。ダイズなどのマメ科植物では、窒素固定細菌の一種の「根粒菌」が共生することで、大気中の窒素を利用することができる。

ウイルス

ウイルスは、ほかの微生物とは異なり、細胞構造をもたないため「生物と無生物の中間的存在」とされている。ウイルスは殻と遺伝物質からできており、他の生物の細胞に入り込まないと増殖できない。また、他の微生物と比べて、非常に小さいため、電子顕微鏡でないと確認できない。

※微生物の大きさを比較すると「原生生物 ＞ 菌類 ＞ 細菌類 ＞ ウイルス」となる。

病原性微生物

微生物の中には人の体内に侵入し、病気を引き起こす「病原性微生物」がいる。これまで人類は、スペイン風邪やペストといった微生物の起こす感染症により多くの人たちの命が奪われ、甚大な被害を受けてきた。

突然の高熱など風邪のような症状を引き起こすインフルエンザウイルスやデングウィルス、冬期に胃腸炎を引き起こすノロウイルス。現在も人類は治療法の開発など医学を進歩させることによって、感染症と闘っている。

※世界にはたくさんの病原性微生物がいる。そして、たった一種類の微生物が、多くの人の命を奪った歴史もある。14世紀、ヨーロッパではペストが大流行した。当時は微生物の存在が知られていなかったため、恐ろしい悪魔の仕業だと信じられていた。また、現在は根絶されている天然痘は、15世紀にアメリカを中心に大流行した。わずか50年の間に7000万人が犠牲になったといわれている。そして「スペイン風邪」ともいわれているインフルエンザは、1918年に世界中で大流行し、2000万人以上の人の命が奪われた。

感染症対策に関する医療の歴史

抗生物質

1929 年にイギリスのフレミングが「アオカビ」から、感染症治療に劇的な効果がある「ペニシリン」を発見した。1944 年にアメリカのワクスマンは、土の中の放線菌から「ストレプトマイシン」が作り出されることを発見した。ペニシリンやストレプトマイシンは「抗生物質」と呼ばれ、病原菌などの発育・繁殖をおさえるはたらきがあるため、医薬品として用いられるようになった。特にストレプトマイシンは、それまで不治の病とされていた「結核」の画期的な治療薬となった。

予防接種とワクチン

病原性微生物のはたらきを弱めたものや、弱毒化した毒素をからだに接種しておくことで、病気に感染することを防ぐ「予防接種」が行われ、感染した場合に症状を和らげることができるようになった。このとき接種するものを「ワクチン」という。はしかの予防接種などがその例である。

遺伝子組換え

近年、遺伝子の研究が進むことにより、微生物の細胞に他の細胞から取り出した遺伝子を導入して、有用な物質を合成させることができるようになってきた。このように、ある生物の遺伝子に他の遺伝子を組み込むことを「遺伝子組換え」という。この遺伝子組換えの技術を利用して、医薬品などの有用物質を微生物に作らせることができる。例えば、大腸菌を利用して、ヒトのインスリンを多量に合成する技術が実用化されている。

※インスリンは、すい臓から体内に分泌され、血糖値を下げるため、糖尿病の治療に使われている。

発酵食品

人々は昔から微生物の存在を知り、長い間の経験を通して、微生物を上手に利用してきた。その代表的なものが、長期間保存でき、風味や味を豊かにする「発酵食品」である。「発酵」というのは、微生物の力で、人間にとって有用な物質を生産する手段のこと。発酵させるために利用する微生物は、主に３種類。酵母菌、カビ、細菌類である。

日本酒、味噌、しょうゆといった日本の伝統的な発酵食品をつくるには、「コウジカビ」が欠かせない。

アルコール発酵

酵母菌などの微生物には、「糖をエタノールと二酸化炭素に分解する」はたらきがある。このような発酵をアルコール発酵という。

　

※酵母菌が発酵のはたらきをするのは、あくまでも「糖」に対してである。そのため、日本酒やビールの製造では、米や大麦を「糖」に変えた上で、酵母菌を加える。

日本酒の製造

蒸した米にコウジカビ（米麹）を加えると、コウジカビのはたらきで、米のデンプンがグルコース（ブドウ糖）などの糖に変えられる。これを「糖化」という。できた糖を日本酒用の酵母菌によって発酵させ、エタノールに分解する。

ビールの製造

大麦を発芽させた麦芽で、大麦の胚乳のデンプンを糖化し、できた糖をビール用の酵母菌によって発酵させ、エタノールに分解する。そして、ホップを使ってビール独特の香りと苦みをつける。

ワイン

ワインの製造は、ブドウの果実に含まれる糖を、ワイン用の酵母菌によって発酵させ、エタノールに分解する。

パン

パン用の酵母菌によりアルコール発酵させると二酸化炭素が発生し、生地が膨らむ。パンの断面に見られる多数の小さな穴は、二酸化炭素が放出されるときにできた跡である。

乳酸発酵

　

ヨーグルトやチーズも、微生物の発酵を利用してつくっている。ヨーグルトは、動物の乳に乳酸菌を混ぜ、乳中の糖を発酵させた食品で、発酵乳と呼ばれる。糖が分解されて乳酸ができる発酵を乳酸発酵という。

乳中に乳酸が増えると、酸味が出ると同時に乳酸によってタンパク質が凝固し、ヨーグルトができる。

漬け物の多くも、乳酸発酵を利用してつくられた食品である。日本の伝統食品である糠（ぬか）漬けは、米糠に食塩を混ぜるなどした糠床（ぬかどこ）に、野菜を漬け込んでつくる。野菜に付着している乳酸菌が糠床で発酵を進め、酸味のある漬けものなる。

また、キムチやチーズも、乳酸発酵を利用した食品である。 そのほかにも、乳酸発酵は、味噌、しょうゆなどの製造に役立っている。

発酵と腐敗

発酵と腐敗は、どちらも微生物が有機物を分解して、生きるためのエネルギーを得ているという点では同じ。ただ、「発酵」はヒトに有用な物質を生み出すことを指し、「腐敗」はヒトに有用ではない物質を生み出すことを指している。人間の都合でよび方が異なるだけなのだ。

生態系と微生物

環境や、そこに住む生物をまとめて「生態系」という。生産者は、光合成をして有機物を作る植物たちのことを指す。一方、消費者は、植物が作った有機物を食べる動物たちのことを指す。分解者は、生産者や消費者の遺体・排泄物を無機物に分解する生き物で、その多くが微生物である。

もし微生物がいなくなると、生態系のバランスは大きく崩れ、地球は腐らない動物の遺体や、腐らない落ち葉などであふれかえってしまう。また、生産者の植物が育つ土に十分な栄養が与えられなくなるため、生態系のバランスが崩れてしまう。肉眼では見えない微生物だが、生態系においても重要な働きをしている。

〔参考文献等〕
第一学習社「高等学校 科学と人間生活」／東京書籍「科学と人間生活」／NHK「高校講座 科学と人間生活」／高等学校卒業程度認定試験