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生命を分子の物理法則から理解~CGで再現

高校1年生 生物と物理が深く関わっているということにとても衝撃を受けました。普段習っている数学の学問への活かされ方がわかりました。
高校2年生 生物を物理が結びつくのはなんだかわくわくした。
高校1年生 モデルをつくることの利点、楽しさ(?)がわかりました。難しそうなお話でしたが、わかりやすかったです。ありがとうございました。
高校1年生 難しい内容も多かったがCGを使った部分など理解できる部分もあり大変興味深かった。今回の内容についてもう少しわかりやすく知りたかった。
高校1年生 前々から人体などを計算して予測してみたいと思っていて、ひかれました。すっごい楽しかったです!
高校2年生 病源体なども細胞からできており、CGで詳しく見ることができ、最新の技術はすごいと思った。
高校1年生 物理はとても難しかったです。しかし理解が深まれば楽しいなと思いました。
高校1年生 スライドを使って説明しているのがとてもわかりやすかったです。映像でも見れ、理解がしやすいように見れました。
高校1年生 まだ微積分を習っていなかったので、微積分使わないで教えて下さったのは有り難かった。
高校1年生 まだ習っていない内容がほとんどで全然わからなかったのですが、ウイルスまで細かく見られることに興味をもちました。
高校1年生 生物を普段とは違った視点でみることで、今までとは違ったみかたができました。
高校1年生 分子の動きも動画でみるのがおもしろかったです。途中の物理の計算はわかりませんでしたが、もっと知りたいと思いました。
高校1年生 動画がすごいと思いました。分子単位の細かい所まで知ることができ、よかったです。
高校1年生 これは物理でもあり化学でもあるということがわかりました。原子が大量にあることもわかりました。
高校2年生 とても興味深い講義をありがとうございました。
高校1年生 生物や物理は興味があったのでとても面白かった。
その他 3D視がいかに理科系の学問にかかわっているのかが、わかった。
高校1年生 スパコンによるシミュレーションの有用性がよく分かった。生物学においても化学・物理学の必要性を感じた。
高校2年生 CGの映像はなかなかすごかったです。
高校2年生 数学や、物理、生物は密接に関わっている事が分かりおもしろいなと思いました。
高校2年生 物理の難しい話はよく分からなかったけれど、ウイルスの京コンピューターの映像は迫力がありすごかったです。
高校1年生 たくさんの丸が輝いていて面白かったです。苦手な物理をすこしがんばろうと思いました。
高校1年生 複雑な計算などが出てきたり、CGを使った解説がとても興味深かったです。
高校2年生 ムービーがおもしろかった。難しいと思った。
高校1年生 ウイルスを分子で見るというのがすごく面白かったです。
高校1年生 物理と生物が近い関係にあることを実感しました。映像もあり、理解しやすかったです。ありがとうございました。
高校1年生 おもしろかったです。
高校2年生 物理の公式などが出てきてクラッとしましたが、スーパーコンピューターはこんなことできるのかとびっくりしました。
高校1年生 3D映像感動しました…!前半のは難しかったのですが、きけてよかったです!
高校2年生 少し難しいこともありましたが物化系の自分としては、前半のニュートンの所からが面白かった。
高校1年生 ○話がとても難しかったです。最後に見た動画がとても印象に残りました。
高校1年生 立体視の技術の大切さがよく分かりました。
高校2年生 未だ習らってない所や生物のみだけでなく物理とも深く関わっていることに関心をもった。
高校1年生 「生命を分子の物理法則から理解~CGで再現」物理系は好きだったので、とても面白かったです。
高校2年生 映像がとても面白かったです!物理選択なので、とても興味が高まりました!ありがとうございました!
高校2年生 よかった。この学部も学びたいと思った。
高校2年生 物理学の基礎が生物学と関連していて、とても面白かったです。
高校2年生 学校の授業では、化学・物理・生物を実際は根本的につながっていることを実感した。
高校1年生 自分で作ったシステムでウィルスを再現した。
高校1年生 理系に対する数学の重要性が今回でよくわかった。科学反応式はかなりの行程を省略していることが分かった。
高校1年生 分子の動きについて学べておもしろかった。
高校2年生 生物を物理方則にあてはめる考えがおもしろい。
高校1年生 タンパク質にもたくさんの種があるんだとわかりました。高校1年で知らない内容も多くあったので、少しかんたんにしてほしかったです。
高校1年生 京コンピュータのことや分子と生命のつながりついて教えていただいた。少し難しすぎた気がする。
高校1年生 少し難しくて後半はついていけませんでしたが、水分子が不きそくで動くのに、ほぼ均等に場所を通るはおもしろいと思った。
高校1年生 内容が難しく、もう少しこの分野にくわしくなってから聞きたいと思いました。
高校1年生 立体のこうぞうがキレイだった。もう少し化学をきわめればわかったかも…。
高校1年生 話がむずかしくてよくわからなかったが、立体視で見ることが大切なのは理解できた。最後に見た映像はすばらしかった。ありがとうございました。

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関心ワード
  • 生体高分子 、
  • 脳 、
  • 神経細胞(ニューロン) 、
  • タンパク質 、
  • 薬・医薬品 、
  • 医療 、
  • 認知症 、
  • 生物物理学 、
  • アルツハイマー病

講義No.g001167

病気治癒への可能性が出てきた生物物理学

アルツハイマー病が起こる原因

 アルツハイマー病では、脳にタンパク質がアミロイドという針状になって沈殿し、それと同時に神経細胞が破壊され脳機能が低下します。アミロイド化がなぜ起こるかはよくわかっていません。アルツハイマー病と似た原因の病気として、BSE(牛海綿状脳症)があります。この病気も正常なタンパク質が立体構造の異なる異常なタンパク質に変質することで起こると言われています。
 病気の原因には、寄生虫のような生物学的な原因、毒物のような化学的な原因がありますが、アルツハイマー病やBSEはそれらとは違い、タンパク質の立体構造の変化という物理学的な原因で起こる病気だと考えられています。ですから、病気を治すには、生物学的や化学的な知識とともに、物理学的なアプローチが必要になります。

病気を治すヒントを与える生物物理学

 そのようなアプローチを実際に行っているのが、生物物理学です。この学問では、生物を形作る生体高分子に注目します。タンパク質や核酸も生体高分子のひとつです。生物の体の成分のほとんどは水ですから、これらの高分子が水の中でどのような物理学的な性質を示すかを明らかにすることが、この学問の研究内容のひとつの目標になります。アルツハイマー病で言えば、どんな条件でタンパク質が針状になるかを研究します。
 この学問は生命とは何かを物理学的なアプローチで解明することが大きな目的です。もともと、医療分野での直接の応用は考えられていませんでしたが、アルツハイマー病のような物理学的な理由で起こる病気に出会うことで、その可能性が出てきました。最近、はっきりした原因が解明されていないながらも、アルツハイマー病では針状になったタンパク質を水に溶かす薬が特効薬として開発され、治癒の可能性が出てきました。しかし、物理的な理由は明らかになっていません。そこが明らかになれば、同種の病気に対しても薬を開発できる可能性が出てくるでしょう。

関心ワード
  • 機能 、
  • 生物 、
  • 結晶 、
  • 水 、
  • 筋肉 、
  • 細胞 、
  • 分子 、
  • 生物物理学

講義No.g001168

生物物理学は、いかにして生物が生きているかを明らかにする

水には神秘性がある?

 学問としても「水」には理論的な取り扱いが難しいという意味では神秘性があります。一方困った考え方として、以前、水の結晶をつくる時に「ありがとう」など「よい言葉」をかけると美しい結晶ができるという話がありました。驚くことに、この嘘を多くの人が信じました。このような「ニセ科学」が広まってしまうのは、水の理論的取り扱いの難しさが取り違えられたこともあるのでしょう。
 実は、生物の細胞を考える場合も、これまでの研究では、「細胞は水のなかにある」で終わりです。まるで、水の部分は何もない白紙のように思われています。例えば水が小さなパチンコ玉の集まりと想像してください。細胞が安定した形を保つことができるのは、細胞膜の内外にパチンコ玉がつまって壁に力を加えているからです。細胞膜と水の間には、力学的な関係もあるのです。
 それだけではありません。水は、複数の分子の立体構造を変形させます。生物の水には塩分が含まれて、ある濃度になると、アクチンという細胞を構成するタンパク質が螺旋状にならびます。これは共有結合といった化学的な作用ではなく、水がある程度乱雑になりたいという性質(エントロピーの増加)から、物理的に安定な状態になるからです。

筋肉の収縮と水との関係

 このように水について考えることで、例えば筋肉の収縮のメカニズムを説明できる可能性があります。筋肉の収縮で重要なのは、いかにして筋肉が動くのかを理解することです。そのためには、生物の組織を分子レベルで考え、分子間の力学的な関係を解明することが必要です。このような研究を行うことも「生物物理学」です。生物の構造や機能は明らかになってきましたが、それですべてがわかったとは言えません。問題はどのようにして機能が実行されるかです。生物物理学は、これらの問題を明らかにします。

関心ワード
  • 分子 、
  • シミュレーション 、
  • タンパク質 、
  • 水 、
  • 細胞 、
  • 命(いのち)・生命 、
  • 生物物理学

講義No.g001169

細胞の大半を占める水。その秘密はほとんど知られていない

生命を理解するうえでの「水」の重要性

 生命を解明するうえで、「水」は不遇な扱いを受けてきました。細胞の仕組みを考えると、それがよくわかります。細胞は細胞膜、染色体、細胞質、リボソームなどといった部品でできていますが、大部分を占めるのは水です。しかし、その働きはほかの分子ほど解明されていないのです。確かに化学的な理解では、水は化学反応の一要素にすぎません。しかし、細胞が常に水の中で活動していることを忘れてはいけません。もし細胞内外に水がなく真空だったら、細胞は生き続けることはできないでしょう。水の重要性の理論的解明が進めば、生命現象を理解するうえで大きな進展となるはずです。

生命現象を物理学的に理解する生物物理学

 このような問題を研究テーマにするのが、「生物物理学」です。生物学に物理学の考え方を持ち込むこの学問は、例えば、細胞を構成するタンパク質や核酸が水の中でどのような影響を受けるかを分子レベルで解明します。研究は、理論を構築し、コンピュータで計算シミュレーションを行い検証するという手法で行われます。上の例で言えば、コンピュータ上で分子を仮想的に動かすことで理論を検証していきます。これは、実際に細胞を用いるなどの実験を必要とする生物学的な研究とは大きな違いがあります。このことからわかるように、この学問は実証的研究というより分子レベルの理論から理詰めでさまざまな性質を導き出す研究を含むと言っていいでしょう。
 生命現象は、いろいろな研究によって解明が進んでいます。ただその多くは、「脳は情報処理を行う」というような機能の発見の集積です。それが分子レベルでいかに行われるのか、なぜ行われるかの解明はそれほど進んでいません。生物物理学は、この「いかに・なぜ」という部分での解明を進めます。その点では、より根源的な「生きている」ことに直接取りくんでいる研究と言えるでしょう。

この学問が向いているかも 情報工学部

九州工業大学
情報工学部 物理情報工学科 准教授
入佐 正幸 先生

メッセージ

 生命現象の解明に物理学を使うと言うと、よくわからないと思う人がいるかもしれません。しかし、世の中のすべての物質が分子でできていることを考えると、生物だけが物理法則から外れることはありません。生命を分子の物理法則から理解するという言い方もできます。突拍子もないことを言っているようですが、生物物理学を勉強すると自然に思えます。高校の授業で細胞の仕組みやその働きはわかったけど、それだけでは満足できないという方は、必ず興味を持てる学問分野だと思います。

先生の学問へのきっかけ

 中学生の時、アインシュタインの相対性理論の解説書を読み、「物理を学ぶことで世界の仕組みを知りたい」と思い始めました。また高校では「生物」の授業を選択していなかったのですが、生物の参考書を買って読んだところ、「分子機械が働いているとも言える生命現象の仕組み」に、宇宙の仕組みに匹敵する面白さを感じました。
 そして高校3年生の時には、生物物理の理論を研究している研究室に行きたいと思うようになり、行きたい研究室がある大学を選び、今に至るまでこの分野の研究をしてきました。

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入佐 正幸 先生がいらっしゃる
九州工業大学に関心を持ったら

 「情報工学」は、高度情報化社会の進展の中で、ますます必須知識・ 技術となっています。九州工業大学情報工学部は1986年 に創設された日本初、現在も国立大学法人で唯一の情報工学部で、2016年に創設30周年を迎えました。知能情報工学科、電子情報工学科、システム創成情報工学科、機械情報工学科、生命情報工学科の5学科があり、情報工学の学びを軸としつつ、各学科の応用分野に対する教育研究を進めています。特に、教育システムは、全学科がJABEEに認定され、世界的に通用するものであることが保証されています。