| 進化分野、特にエボ・デボ分野の発展はすさまじいものがある．数年前の内容はあっという間に古くなる． 目の進化も著しい進展がある．進化生態学の項目は別に作成した．（池田，2010年3月） |
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進化を『生物I』でどう教えるか by 池田博明 作成・配信 2002年8月4日20時  第４回 日本進化学会大会では，矢原徹一・石川統の企画で18：30よりワークショップ19｢進化をどう教えるか｣が企画された。演者と演題は以下のとおりであった。なお同様の趣旨のシンポジウムが11月3日に、日本動物行動学会でもあった。世話人：石川統（放送大学）、矢原徹一（九州大学理学研究院） 企画意図  ＝講師と演題＝ ・嶋田 正和（東京大学総合文化研究科・広域システム） 中学・高校での生物進化の教え方：学習指導要領をもとに ・池田 博明（神奈川県立足柄高等学校） 進化を「生物Ｉ」でどう教えるか 要旨 ・矢島 道子（東京成徳学園） もっと気楽に進化を授業しよう 要旨 ・狩野 賢司（東京学芸大学生物学科） 進化は誰が，どのように教えるか ・佐倉 統（東京大学大学院情報学環） 進化の重要性はどうやったら普及できるか？要旨 ・長谷川 眞理子（早稲田大学政治経済学部）：教科書検定によって生物の教科書はどのように修正されたか 第２話 進化を『生物I』でどう教えるか 池田博明 2001年8月に新課程の白表紙本の『生物Ｉ』教科書検定の結果が出た。多少とも進化的な記述は、全て｢削除せよ｣という修正指示が出た。削除命令の理由は進化の単元は『生物Ⅱ』、または『理科基礎』『理科総合Ｂ』の内容だからである。 同時に、中学の学習指導要領からは｢花の咲かない植物｣や｢無セキツイ動物｣が削除されたことを考えあわせると、生徒が進化を学ぶ機会はかなり少なくなったといえよう。 演者が教科書に関係した単元での削除例としては、原核生物と真核生物、目の位置と立体視の関係の図や説明、比較解剖学的な観点の図（つまり脳の構造や心臓の構造を比較すること）等がある。 しかし、このような進化の単元の軽視を演者は容認することが出来ない。 コスタリカに旅行したとき、ネイチュア・ツアー・ガイドの解説は必ず進化的観点から行われたことが、強く印象に残っている。例えばオオハシの嘴が果実食に対する適応であり、ハチドリがヘリコニアの花と共進化したこと等々。このような進化的な自然解説は、日本ではまったく行われていない視点だった。中南米では、ツアー・ガイドは生物学科の卒業生の良い職業だった。 1986年にDO LIFE GUIDE 118として『自然観察テクニック』（日本交通公社）が出版された。著者は牧林功・新井一政。自然観察に進化的視点を加味した画期的な内容だった。残念ながら、現在は絶版である。 形態や生理上の｢適応｣の例示をした時に、 ｢なぜ？｣という疑問に答える場合、ふたつの答え方がある。至近要因と究極要因のどちらを答えるかで、かなり異なった答えになるのである。 例えば、“なぜヒトは痛みを感じるのですか”。 至近要因としての答えは｢体には痛覚器官があるからです。神経系が支配しています｣。 それが究極要因の答えでは、｢痛みは危険の信号として進化してきた｣。 このような進化的な要因は、従来の教科書では合目的な説明として、忌み嫌われてきた。しかし、重要な問題提起の視点であった。 生物学が暗記ものでないこと、生物どうしの連環（ring）と関連（link）を学習する可能性を進化的観点を重視することで構想し始めたと言えよう。 私が意図して『生物Ｉ』（2002年時には『生物IB』)の内容で、｢進化｣学習とリンクさせている単元と、その視点をあげてみよう。できるだけ、たくさんの｢なぜ・・・なのか｣という質問を出し、それに答える努力をしてみている。それぞれの内容の具体的な展開は、リンク先を見て欲しい。
いくつか例を示す。動物細胞と植物細胞の比較は教科書の最初に出てくる項目であるが、そこにはなぜこのような共通性と差異があるかは記述されていない。しかし、細胞共生説で説明すれば一目瞭然である。中心体が動物細胞と下等な植物の細胞にだけ見られるという理由も進化的にある程度説明できるし、ミトコンドリアや葉緑体の増殖能力やDNAの存在も納得のいく形で説明できる。(検定では共生説にふれたら削除命令が出た）。  核のはたらきを示すのに、授業では、アメーバの分離実験だけではなく、赤血球を例にして話している。なぜ赤血球は無核なのだろうか。これも進化的に説明できる。無核の赤血球は哺乳類の特徴である。温血動物で酸素運搬機能に特殊化した結果なのだ。哺乳類の赤血球は他の動物の血球に比べて小さいし、それ自身の代謝活性が低く、エネルギーをあまり消費しない。細い毛細血管を通して体のすみずみにまで、酸素を運ぶことが可能なのである。
｢植物の器官｣は軽く扱われているが、実物を示しながら、進化を教えることのできる単元である。 花の構造や葉と花弁の共通性、葉序や花序の物語、めしべの心皮数、花と虫との共進化など、身近で面白い話題が満載である。 ｢耳小骨の進化｣も面白い。ウシの頭骨から取った耳小骨や内耳標本も所持しているので、これらを見せながら物語を話すことができる。標本の作成法は別ページに示した（ブタ頭骨でも可能）。 適応や進化を教えるのに最適の材料は、脊椎動物の歯や顎の特徴であろう。動物は食物に適応した歯と顎を持つ。例えば、無顎魚類、プランクトン食の魚、肉食の魚の比較。植食の鳥、果実食の鳥、昆虫食の鳥、肉食の鳥の嘴のちがい。植食の哺乳類、肉食の哺乳類の違いなど。グールドが監修した優れた進化の図版本｢The Book of Life｣の翻訳が待たれる。ただし、現在の『生物I』では顎や歯を扱う適当な単元がない。 進化説をきちんと教えるのに、最近は眼を例にしている。 学習内容は、視野と立体視、視細胞：かん体（棒）細胞と錐体（円錐）細胞、色覚と三種の色覚オプシン、ロドプシン（視紅）の反応、ホタテ眼・イカ眼・ブタ眼の観察、分子進化などが中心となる。 眼はすぐれた適応の例である。いろいろな動物で形態を比較しながら適応を紹介した後で、進化説に入ろうというプログラムである。導入は眼の位置と視野及び立体視の話題から。
イカの眼とヒトの眼は同じカメラ眼とはいいながら相同ではなく、相似器官である。 網膜の構造も違い、イカの網膜は視細胞が前を向いており、盲点がない。ヒトの視細胞が反転している理由は脳の発生と関連している。 無脊椎動物の網膜は外胚葉の表面の視葉の外側に眼のレンズが出来ているのだが、脊椎動物では外胚葉が反転したところで視葉が出来ているからである。（図はタイム・ライフ・ブックス｢光と視覚｣より）
盲点（斑）確認実験や盲点投影実験は簡単な方法で行える。 すぐれた眼を持っているのはイカやヒトだけではない。プラナリアの杯状眼もあれば、昆虫の複眼、軟体動物のレンズを持つ眼もある。実際に手軽に入手して見せることの出きる材料として、ホタテガイの眼がある。スチームホタテとして40個で200円程度で売っているホタテガイの、外套膜にある茶褐色の点が、レンズを持った眼である。百個近い眼がある。この点からは先細ピンセットで簡単にレンズが取り出せる。ただし、ホタテのレンズは小さいので、観察には実体顕微鏡かルーペが必要である。（→ホタテガイの目の観察）。マグロの眼もたまに食材として売られている。 イカの眼も良い観察材料である。本校（足柄高校）では一年生時にブタの眼の解剖を行っている。ブタの眼は肉屋から購入するが、安価で（一個20円程度）、たくさん用意できる。ウシの眼と異なり、小さく、虹色の反射層がないが実験観察には問題がない。大きさもヒトの眼程度なので、生徒の心理的抵抗も少ない。
なぜすぐれた眼があるのか？ 19世紀までは、神の｢創造説｣で説明していた。つまりすぐれた眼は｢神のデザインであり｣、｢種は不変である｣。化石は天変地異による滅亡した生物である、と。 これに対して、19世紀以降の｢進化説｣では｢種は変化する｣と考える。ダーウィンは ｢種の起源｣（1859）を著し、集団内に変異があることに注目した。自然環境による選択が、適者を生存させると考えた（自然選択説）。20世紀に突然変異による変異が重視されて、遺伝学と結びつき、進化説は、かなり明確なものとなった。 ダーウィンは痕跡器官に注目し、人為選択に注目した。盲点は痕跡器官のように役に立たない器官であるが、このようなものが眼のなかに残っていることは神のデザイン説では考えにくい。 （註：神の創造説など教える必要は無いという方もいると思いますが、私はそうは判断していません。最近の生徒は自然科学を前提なしに信じるほど単純ではありません。科学に対して不信感を持っています。マスコミがそのような情報操作をすることも原因のひとつです。したがって、たやすく科学不信の知識にとりこまれ、洗脳されてしまいます。宗教化しやすいともいえます。原理や学説も、比較して対立させながら教えることが必要なのです）。 突然変異による進化を説明するのに適当なものに、ロドプシン・グループがある。ロドプシンは発色団とオプシン蛋白質が結合した色素蛋白質である。 脊椎動物の錐体細胞には三種類あり、それぞれ青色オプシン、緑色オプシン、赤色オプシンが含まれている。これら三種の細胞が光を吸収した結果、脳の視覚野で色を識別している。色覚の理論では、現在は三原色説が支持されている。
補色残像の実験がある。赤色の図形を30秒くらい見せてから、急に取り去ると白壁上には緑色の残像が見えるという現象である。これは網膜の神経細胞の側抑制により赤色錐体に慣れが起こり、白壁が反射した白色光に反応できなくなって、緑色錐体が反応してしまった結果と説明される。 手術着が白色でなく、緑色である理由は血の色の赤を長く見つめる医師が緑色の残像を見てしまって、手術の邪魔になってしまうのを防ぐためである。 魚類、両生類、鳥類、爬虫類、哺乳類と色覚オプシンを並べてみると、夜行性の哺乳類は色覚を失っている。オプシン部分の蛋白質のアミノ酸配列を比較してみても、哺乳類はいったん色覚を失ったことが証明できる。 そして、色覚はサルで復活する。新世界ザルは色覚オプシンを二種類しか持っておらず、不十分である。しかし、ヒトになると、三種の色覚オプシンを持つようになる。それほど簡単にオプシンが復活したりするものだろうか。 分子の差異を調べてみると、オプシン蛋白質のアミノ酸がたった１個置換することで、緑色オプシンは赤色オプシンになることが分かった（122番目をグルタミンからイソロイシンへ置換）。また、同様に122番目をグルタミン酸に置換するとロドプシンに変わる。 アミノ酸の相違度はヒトとニワトリで11.9％、ニワトリとキンギョで18.4％、ヒトとキンギョで19.5％であった（七田芳則，2001）。 しかし、生徒に解説するときには、まずは相同の度合の方で説明する方が理解が良かった。つまり，ヒトとニワトリでは88.1％が同じである、ヒトとキンギョでは80.5％が同じである、と。 相同および相違度のデータをもとに分岐図を作成することができる。 【発表のときは生徒にはまだ不十分な説明しかしていませんでしたが、発表の直後に再度解説しなおしました。次の枠の中がそれです】
第３の眼がある。ヒトでは脳内にある松果体がそれに相当する。 トカゲの頭頂眼は第３の眼として知られている。カエルでは第３番目の眼は頭皮に隠れており、ヒトでは脳内の松果体となって眼で受け取った光に反応する役割をしている。松果体は概日リズムを作り出しているが、哺乳類の松果体はメラトニンを分泌する能力しか持っていない。哺乳類以外の脊椎動物（鳥類・爬虫類・両生類・魚類）の松果体は外界の光を感じる光受容体としても働くことができる。 ニワトリ松果体からはロドプシン類似の構造の光受容タンパク質が発見され、ピノプシン（吸収のピークは468nm）と命名された（1994）。つまり、松果体の光受容蛋白質もロドプシン・グループである。 手塚治虫のマンガ『三つ目が通る』の額に第３の眼を持つ写楽くんも有り得ないことではなかった？ちなみに、写楽くんのパートナー、｢和登さん｣はホームズ物語のワトソンのもじり。 カエル体表の黒色色素細胞が、光受容タンパク質（メラノプシン）を持つことも発見された。メラノプシンはイカなどの無脊椎動物型オプシンであった。カエルの眼には脊椎動物型のロドプシンがあるから、カエルはいわば脊椎動物と無脊椎動物のモザイクであると表現することもできよう（光受容色素から見ればという条件で）。 さらに最近は、レンズのクリスタリン蛋白質についても、興味深いことが分かっている。クリスタリン蛋白質にはα、β、γという共通の物質があるが、その他に種特異的なクリスタリンがある。アヒル・クリスタリンを調査したところ、なんと乳酸脱水素酵素とまったく同じであった。酵素のような機能蛋白質と、クリスタリンのような構造蛋白質が同種であるというのは驚くべきことであった。しかし、これは一例ではない。他にも酵素と同じクリスタリンが発見されている（宮田，1998）。 このような事実は遺伝子が重複によって進化したこと、そして、なんらかの前適応があったことを示している。 今後は、高校一年生の早い時期に、現在の中学生が学習しているような動植物の代表的な分類群の学習と、進化的な考えかたを教えることが必要となろう。 参考文献 宮田隆『眼が語る生物の進化』（1996年，岩波書店） 宮田隆『ＤＮＡからみた生物の爆発的進化』（1998年，岩波書店） 津田基之（編）『生物のスーパーセンサー』（1997年，共立出版） 大石正・小野高明（編）『光環境と生物の進化』（2000年，共立出版） 日本動物学会関東支部（編）『生き物はどのように世界を見ているか』（2001年，学会出版センター） 進化学会での質問より ▼佐倉統より：進化の内容にこだわって教える理由は何でしょうか？ 池田｢生徒のなぜという疑問に答えようとすると、究極要因、進化的要因しかないと思うし、暗記ものでない生物学は進化的観点からしか構想できないと思うからです｣ ▼長谷川眞理子より：これだけ説明していて、生物Iの全範囲を終わるのでしょうか？ 池田｢終わりません。しかし、本校では、受験に必要な生徒は、３年生でもう一度履修できるカリキュラムになっています。そのときに全部カバーできますので、一年生全員に対してはむしろ一番大切なことを、教えていくというつもりで、やっています｣ 関東大会での発表後のウェッブ上での質問より ▼山賀進（麻布中学・高等学校/地学）より：「進化」そのものについて、生命の発生から今日の生物に至るまでの具体的進化、そのトータルな道筋はいかに教えているのですか。［池田：トピック的にあちこちで紹介する程度です］ 上記のページの視葉の図ですが、無脊椎動物の視神経はきれいに左右に分かれているのではなく、右目（左目）の視神経の一部が枝分かれして右脳（左脳）にきているようです。これはどういう意味を持っているのでしょう。つまり、脊椎動物の視神経みたいにきれいに右目（左目）の神経は全部が左脳（右脳）に分かれていることに対するメリット・デメリットは何かです。［池田：わかりません］ 「頭頂眼」は私は「顱頂眼」として知っていた。現在でも「ネットで百科」 では「頭頂眼」の項では「『顱頂眼』を見よ」となっています。（2001/11/23） ▼渡辺 康一 (東北大学大学院農学研究科・資源生物科学専攻 /動物生産科学講座・機能形態学分野 ）より：ちょっと検索したら「Microscopy Research and Technique」という学術誌 の53巻１号（2001/04/01）で、鳥類の松果体について特集していました。まだ読んでいないのですが面白そうです。 URL http://www.interscience.wiley.com/jpages/1059-910X/ 一つの健康法として「朝起きたら朝日を見ると身体のリズムが保たれる」 というのがありますが，光受容機能を失った哺乳類の松果体には視覚から明暗周期を伝えないと正しい慨日リズムを保てないということなんでしょう。意外と理に適っています。（2001/11/24） 頭頂眼は松果体の細胞が特殊に分化した器官であり，松果体と頭頂眼の２つを併せて松果体複合体と呼ぶのが正しい。頭頂眼は構造状，眼と相似であり，網膜（様構造）を持つ。 魚類，両生類では松果体自体が皮膚直下まで伸び出している（従って，頭頂眼はないが，松果体が眼の様な組織構造をなす）。 爬虫類ではトカゲ類が光受容機能に特殊化した頭頂眼と内分泌機能に特殊化した松果体を持つ（カメには頭頂眼が無い，ワニには頭頂眼も松果体も無い）。 鳥類では頭頂眼はないが，松果体が脳表面に露出する。松果体細胞の光受容構造・外節は退化して線毛状であるが，光受容機能を有する。 哺乳類の松果体は脳の深部に位置し（齧歯類は一部が脳表面に達する）， 光受容機能はない。 つまり，松果体は光受容性内分泌器官であり，その一部が光受容機能 に特殊化したものが頭頂眼である。広義の頭頂眼（松果体複合体）と狭義の頭頂眼は違う，といったところでしょうか。 松果体および頭頂眼は第三脳室の膨らみが起源なので，そもそも内腔を持った構造であり，松果体細胞は内腔に向けて光受容機能を持った突起を出しているとのこと。 頭頂眼でも細胞の光受容部は側眼（普通の眼）と同じ様に内向きでした。しかし，側眼では外胚葉の陥入がレンズとなり，眼胞が杯状にへこんで網膜となるのに対し，頭頂眼では袋状になった膨大部の外側に面した壁がレンズとなり，内側に面した壁が網膜となります。 イカやタコの眼と似ていると云ったのは，光受容器が光の来る方向に向いているということなのだが，細胞は松果体の内腔に向いているので， やっぱり内向き。外向きではない。 以前に渡辺｢頭頂眼が「見える」眼であったら私も面白いと思うのですが，どうもそういう証拠はないようなのです｣と断定的に云いましたが，頭頂眼から伸びる頭頂眼神経の投射域が脳の中で側眼の神経投射域と重複しているという報告があるそうです。ひょっ として過去にはある程度「見える」頭頂眼を持った爬虫類がいたかも知 れない？と，まぁ，ロマンを残す余地がありました。 （2001/11/26） ワークショップの企画意図（矢原・石川） 生物学は、セントラルドグマに代表される生命の一般原理をすでに解明 しました。現代生物学は、生命の一般原理の理解のうえに、遺伝子・細胞・組織・個体・集団・生態系などのさまざまなレベルで見られる、著しい多様性を研究しています。この著しい多様性はすべて、進化を通じて生み出されたものです。そのため、現代生物学においては、遺伝子を扱う技術とともに、進化的な比較を行うための方法論が、急速に発展しています。今や、医学においても、生態系保全の研究においても、 「進化的な考え方」が重視される時代になっています。 ところが、2003年度から実施される新学習指導要領では、中学の「理科」、高校の「生物Ｉ」の教科書から「進化」に関連する内容が除かれます。これは、生物学教育の危機と言っても過言ではないでしょう。 新学習指導要領自体はすでに決定されています。このワークショップでは、新学習指導要領をいたずらに批判するのではなく、どうすればよりよい生物学教育が実現するかを、建設的に議論したいと思います。新学習指導要領の下でできることは何か、 新学習指導要領改訂に向けて、どのような提案をしていくべきかを話し合いたいと思います。 池田博明 要旨：生物進化の事実と現代的な進化学説を、生物Ｉの枠組みで教えることは困難ではない。生物学のあらゆる分野に進化は関連しているし、高校生の｢なぜ｣という疑問に答えようとすれば、｢至近要因｣だけではなく、｢究極要因｣の説明も必要だからである。｢細胞学｣｢組織学｣｢器官学｣｢生殖学｣｢発生学｣｢遺伝学｣｢生理学｣｢生態学｣など、生物Ｉの各単元で、実験や観察も併用しながら、授業時間内で｢進化｣概念を教える試みを続けている。例えば、動物細胞と植物細胞の差異を共生説で、哺乳類の赤血球のサイズを酸素運搬機能に対する適応で、植物器官の形態を繁殖戦略と昆虫との共進化で、花への変容を遺伝子突然変異で、光合成色素の構成差を系統で、動物による目の形態と視物質の差異を分子進化で解説している。これら｢面白い話｣＝仮説は、生徒にとって暗記ものでない｢生物学｣を印象付ける結果となる。今後は進化学説での説明例を徹底して枚挙することが重要であろう。 矢島道子 要旨：全国のどの高校でも、ほとんど進化についての授業はなされていないと思う。理由はさまざまであろう。進化は大学入試に関係ない。生物IBに出てこない （来年からの新指導要領では生物IIで進化を取り扱う）。教えるのがむずかしい。どうやって教えたらいいのかわからない。実験が出来ない等々。 生物を教えている教師のみなさん、ちょっと落ち着いた時間をみつけて、生物を教える目的を考えてみてほしい。何がおもしろくて生物の教師になったのかも考えてほ しい。小さい頃は恐竜少年やら、虫愛ずる姫君だったのではないだろうか。ご自分が 面白いと思っていることを生徒に少しでも伝えていったら、生徒は生物が大好きになるはずだ。生徒は、教師が好きなものは好きになるのだから。生物を生き物としてま とめていくと、時間軸と空間軸を入れたならば、どうしても進化としてまとめる以外、方法はない。だから、もっと気楽に進化を授業しようではないか。 佐倉統 要旨：進化教育の問題を考えるさいに、制度、理念、教育方法の３つに分けると、現状把握 と対応策の考察がしやすいと思う。ここでは、制度と理念について整理する。制度については、指導要領の決定プロセスや教科書検定制度の改善が必要だが、そのためには実際の仕組みを十分に把握しておく必要がある。だが、これらの実態に関するデー タは決して多くない。教育行政学や教育社会学の専門家との連携が必要だろう。理念については、進化を教えることの重要性を学校現場はもとより、広く社会に共有してもらう必要がある。しかしゲノムや脳の研究に比べると、進化研究は実利的側面が小さいため、その重要性を社会に分かりやすい形でアピールするのは難しいと思われる。中学高校教師だけでなく、科学ジャーナリズムや自然史博物館、科学館などとの連携をとり、繰り返し世論を喚起していく作業が必要である。幸い、新指導要領に対する批判は、相当根強いものがある。この世論を維持し、より大きくしていくために、他分野との連携を構築していく作業が重要だと思う。
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▲一見、ネコの頭骨に見えますね。目が前の方についていますし、裂肉歯も付いていることが分かります
