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Subjects · ⁨科目⁩

AP Biology · ⁨AP生物学⁩

Tips · ⁨ヒント⁩

AP Biology is built on four big ideas: evolution, energetics, information storage and transmission, and systems interactions. Its content is huge, but the exam does not test recall of it. It tests whether you can use biology on an unfamiliar case — a species you have never met, an experiment you have never seen.

The science practices are the real syllabus: reading a graph, designing an experiment, identifying the control, and justifying a claim with evidence. These are exactly what the free-response section asks for.

Statistics is examinable. Chi-square, standard error and error bars appear regularly, and they carry marks that pure content revision never reaches.

Notes run through all eight units, with diagrams for the processes that are easier seen than read. The library holds released free-response questions; the biology rubric pays for linking structure to function and for handling data correctly, so the worked answers are built that way.

  • 1

    Chemistry of Life · ⁨生命の化学⁩

    Watch lesson · ⁨レッスンを視聴⁩
    1.1

    Structure of Water and Hydrogen Bonding

    Syllabus · ⁨シラバス⁩
    English

    Big Idea 4 — Systems Interactions: Biological systems interact, and these systems and their interactions exhibit complex properties.

    Learning Objective 1.1.A: Explain how the properties of water that result from its polarity and hydrogen bonding affect its biological function.

    • 1.1.A.1 Living systems depend on the properties of water to sustain life.
      • 1.1.A.1.i Water has polarity, because of the formation of polar covalent bonds between hydrogen and oxygen within water molecules. This polarity contributes to hydrogen bonding between and within biological molecules.
      • 1.1.A.1.ii Water has a high specific heat capacity, which allows for the maintenance of homeostatic body temperature within living organisms.
      • 1.1.A.1.iii Water has a high heat of vaporization, which allows for the evaporative cooling of the surrounding environment. In living organisms, this property allows for body temperature to be maintained.
    • 1.1.A.2 The hydrogen bonds between adjacent polar water molecules result in cohesion, adhesion, and surface tension.
    日本語

    Big Idea 4 — システムの相互作用: 生物系は相互作用し、これらのシステムとその相互作用は複雑な性質を示す。

    学習目標 1.1.A: 水の極性と水素結合によって生じる性質が、その生物学的機能にどう影響するかを説明する。

    • 1.1.A.1 生命体は、生命を維持するために水の性質に依存している。
      • 1.1.A.1.i 水は極性を持つ。これは、水分子内の水素と酸素の間に形成される極性共有結合によるものである。この極性は、生物体内および生物間の水素結合に寄与する。
      • 1.1.A.1.ii 水は比熱容量が高く、これにより生物体内での恒常的な体温の維持が可能となる。
      • 1.1.A.1.iii 水は気化熱が高く、これにより周囲環境の蒸発冷却が可能となる。生物体内では、この性質により体温が維持される。
    • 1.1.A.2 隣接する極性水分子間の水素結合により、凝集力、付着力、表面張力が生じる。

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨出典: College Board AP コースおよび試験説明書⁩

    English

    Water is polar 极性: its oxygen pulls electrons more strongly than its hydrogens, giving a slightly negative O and slightly positive H. This lets water molecules form hydrogen bonds 氢键 with each other, which explains water's life-supporting properties:

    • Cohesion 内聚力 and adhesion 附着力 (surface tension, capillary action, water rising in plants),
    • high specific heat 比热容 (resists temperature change, stabilizing organisms),
    • high heat of vaporization (evaporative cooling),
    • ice floating (less dense solid), and being a great solvent for polar and ionic substances.
    日本語
    Ice floats on water because hydrogen bonding makes solid water less dense than liquid water
    Ice floats on water because hydrogen bonding makes solid water less dense than liquid water

    Water is polar 极性: its oxygen pulls electrons more strongly than its hydrogens, giving a slightly negative O and slightly positive H. This lets water molecules form hydrogen bonds 氢键 with each other, which explains water's life-supporting properties:

    • Cohesion 内聚力 and adhesion 附着力 (surface tension, capillary action, water rising in plants),
    • high specific heat 比热容 (resists temperature change, stabilizing organisms),
    • high heat of vaporization (evaporative cooling),
    • ice floating (less dense solid), and being a great solvent for polar and ionic substances.
    A hydrogen bond between two polar water molecules
    A hydrogen bond between two polar water molecules
    Explore · ⁨探索⁩

    Explore how a covalent bond shares electrons

    Step through two atoms overlapping to share a pair of electrons so each reaches a full shell. In $\text{H}_2$ the two atoms pull equally, so the bond is non-polar — the contrast that makes water's unequal sharing (and its $\delta^+/\delta^-$ dipole) so important. · ⁨二つの原子が重なり合い、電子対を共有して各々が完全な電子殻に達するようにします。$\text{H}_2$では二つの原子が等しく引き合うため、結合は非極性となります。この対比こそが、水における不均等な共有(およびその$\delta^+/\delta^-$双極子)の重要性を生み出しています。⁩

    Vocabulary · ⁨語彙⁩ Train · ⁨練習する⁩
    English 日本語
    polar/ˈpəʊlə/ 極性
    hydrogen bonds/ˈhaɪdrədʒn bɒndz/ 水素結合
    Cohesion/kəʊˈhiːʒn/ 凝集
    adhesion/ədˈhiːʒn/ 吸着
    specific heat/spəˈsɪfɪk hiːt/ 比熱
    1.2

    Elements of Life

    Syllabus · ⁨シラバス⁩
    English

    Big Idea 2 — Energetics: Biological systems use energy and molecular building blocks to grow, reproduce, and maintain dynamic homeostasis.

    Learning Objective 1.2.A: Describe the composition of macromolecules required by living organisms.

    • 1.2.A.1 Atoms and molecules from the environment are necessary to build new molecules. Carbon, hydrogen, and oxygen are the most prevalent elements used to build biological molecules such as carbohydrates, proteins, lipids, and nucleic acids. Additionally:
      • 1.2.A.1.i Sulfur is used in the building of proteins.
      • 1.2.A.1.ii Phosphorus is used in the building of phospholipids (a type of lipid) and nucleic acids.
      • 1.2.A.1.iii Nitrogen is used in the building of nucleic acids.
    日本語

    Big Idea 2 — エネルギー学: 生物系はエネルギーと分子の構成要素を用いて成長し、繁殖し、動的な恒常性を維持する。

    学習目標 1.2.A: 生命体が必要とする高分子の組成を説明する。

    • 1.2.A.1 環境由来の原子や分子は、新しい分子を合成するために不可欠である。炭素、水素、酸素は、炭水化物、タンパク質、脂質、核酸のような生物学的分子を構成する際に最も多用される元素である。さらに:
      • 1.2.A.1.i タンパク質の合成には硫黄が使われる。
      • 1.2.A.1.ii リポソーム(脂質の一種)および核酸の合成にはリンが使われる。
      • 1.2.A.1.iii 核酸の合成には窒素が使われる。

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨出典: College Board AP コースおよび試験説明書⁩

    English

    Living matter is built mostly from a few elements – carbon, hydrogen, oxygen, nitrogen, phosphorus, and sulfur. Carbon 碳 is central because it forms four stable covalent bonds, building long chains, branches, and rings – the skeletons of all biological molecules.

    日本語

    Living matter is built mostly from a few elements – carbon, hydrogen, oxygen, nitrogen, phosphorus, and sulfur. Carbon 碳 is central because it forms four stable covalent bonds, building long chains, branches, and rings – the skeletons of all biological molecules.

    Carbohydrates and fats contain carbon, hydrogen, and oxygen; proteins also contain nitrogen
    Carbohydrates and fats contain carbon, hydrogen, and oxygen; proteins also contain nitrogen
    Vocabulary · ⁨語彙⁩ Train · ⁨練習する⁩
    English 日本語
    Carbon/ˈkɑːbən/ 炭素
    1.3

    Introduction to Macromolecules

    Syllabus · ⁨シラバス⁩
    English

    Big Idea 4 — Systems Interactions: Biological systems interact, and these systems and their interactions exhibit complex properties.

    Learning Objective 1.3.A: Describe the chemical reactions that build and break biological macromolecules.

    • 1.3.A.1 Hydrolysis is a chemical reaction involving the cleaving of covalent bonds. This type of reaction breaks down molecules into smaller molecules. When water is added to the bond between monomers in a polymer, the bond is broken. The hydrogen ion from a water molecule is added to one monomer and the hydroxyl group of the water molecule is added to the other monomer, completing the reaction.
    • 1.3.A.2 Dehydration synthesis occurs when two smaller molecules are joined together through covalent bonding. A hydrogen ion is removed from one monomer and a hydroxyl group is removed from the other. This causes the loss of the equivalent of a water molecule from the reactants and the connection of the two remaining monomers. The connection of many monomers is known as polymerization.
    日本語

    Big Idea 4 — システムの相互作用: 生物系は相互作用し、これらのシステムとその相互作用は複雑な性質を示す。

    学習目標 1.3.A: 生物学的高分子を合成・分解する化学反応を説明する。

    • 1.3.A.1 加水分解とは、共有結合を切断伴随する化学反応である。この反応により、分子はより小さな分子に分解される。ポリマー内のモノマー間の結合に水が加わると、結合が切断される。水分子からの水素イオンが一つのモノマーに加えられ、水分子のヒドロキシル基がもう一つのモノマーに加えられ、反応が完了する。
    • 1.3.A.2 脱水縮合とは、2つの小さな分子が共有結合によって結びつくとき起こる。一つのモノマーから水素イオンが除去され、もう一つのモノマーからヒドロキシル基が除去される。これにより、反応物から水分子に相当する分が失われ、残りの2つのモノマーが接続される。多くのモノマーが接続されることを重合という。

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨出典: College Board AP コースおよび試験説明書⁩

    English

    Large biological molecules – macromolecules 大分子 – are polymers 聚合物 built from repeating monomers 单体. Cells join monomers by dehydration synthesis 脱水缩合 (removing water to form a bond) and break polymers by hydrolysis 水解 (adding water). Four classes: carbohydrates, lipids, nucleic acids, and proteins.

    日本語

    Large biological molecules – macromolecules 大分子 – are polymers 聚合物 built from repeating monomers 单体. Cells join monomers by dehydration synthesis 脱水缩合 (removing water to form a bond) and break polymers by hydrolysis 水解 (adding water). Four classes: carbohydrates, lipids, nucleic acids, and proteins.

    Dehydration synthesis builds polymers and releases water; hydrolysis reverses it
    Dehydration synthesis builds polymers and releases water; hydrolysis reverses it
    Explore · ⁨探索⁩

    Explore the four classes of macromolecule by their monomer · ⁨単量体に基づいて4つの巨大分子のクラスを探索する⁩

    Sort each clue into the right macromolecule class by matching the monomer that builds it — sugars, nucleotides or amino acids — and notice that lipids are the odd one out that are not true polymers. · ⁨単量体(糖、ヌクレオチド、アミノ酸)に照らして各ヒントを正しい巨大分子のクラスに分類し、脂質が真のポリマーではない例外であることを確認する。⁩

    Vocabulary · ⁨語彙⁩ Train · ⁨練習する⁩
    English 日本語
    macromolecules/ˈmækrəmɒlɪkjuːlz/ 高分子
    polymers/ˈpɒlɪməz/ ポリマー
    monomers/ˈmɒnəʊməz/ 単量体
    dehydration synthesis/ˌdiːhaɪˈdreɪʃn ˈsɪnθəsɪs/ 脱水縮合
    hydrolysis/haɪˈdrɒləsɪs/ 加水分解反応
    1.4

    Carbohydrates

    Syllabus · ⁨シラバス⁩
    English

    Big Idea 4 — Systems Interactions: Biological systems interact, and these systems and their interactions exhibit complex properties.

    Learning Objective 1.4.A: Describe the structure and function of carbohydrates.

    • 1.4.A.1 Monosaccharides (simple sugars) are the monomers for polysaccharides (complex carbohydrates). These monomers are connected by covalent bonds to form polymers such as complex carbohydrates, which may be linear or branched.
      • Illustrative examples for 1.4.A.1:
        • Cellulose
        • Starch
        • Glycogen
      • Exclusion statement: The molecular structure of specific carbohydrate polymers is beyond the scope of the AP Exam.
    日本語

    Big Idea 4 — システムの相互作用: 生物系は相互作用し、これらのシステムとその相互作用は複雑な性質を示す。

    学習目標 1.4.A: 炭水化物の構造と機能について説明する。

    • 1.4.A.1 単糖(単純糖)は、多糖(複雑炭水化物)のモノマーである。これらのモノマーは共有結合によって連結され、直鎖状または分岐状となる複合炭水化物などのポリマーを形成する。
      • 1.4.A.1 の具体例:
        • セルロース
        • ストarch
        • グリコーゲン
      • 除外事項: 特定の炭水化物ポリマーの分子構造はAP試験の範囲外である。

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨出典: College Board AP コースおよび試験説明書⁩

    English

    Carbohydrates 碳水化合物 are made of sugar monomers (monosaccharides 单糖 like glucose). They store energy (starch, glycogen) and provide structure (cellulose 纤维素 in plant walls). Their many hydroxyl groups make them polar and water-soluble.

    日本語

    Carbohydrates 碳水化合物 are made of sugar monomers (monosaccharides 单糖 like glucose). They store energy (starch, glycogen) and provide structure (cellulose 纤维素 in plant walls). Their many hydroxyl groups make them polar and water-soluble.

    The shapes of storage polysaccharides (starch, glycogen) and structural cellulose
    The shapes of storage polysaccharides (starch, glycogen) and structural cellulose
    Vocabulary · ⁨語彙⁩ Train · ⁨練習する⁩
    English 日本語
    Carbohydrates/ˌkɑːbəʊˈhaɪdreɪts/ 炭水化物
    monosaccharides/ˈmɒnəʊsækɑːraɪdz/ 単糖
    cellulose/ˈseljuːləʊs/ セルロース
    1.5

    Lipids

    Syllabus · ⁨シラバス⁩
    English

    Big Idea 4 — Systems Interactions: Biological systems interact, and these systems and their interactions exhibit complex properties.

    Learning Objective 1.5.A: Describe the structure and function of lipids.

    • 1.5.A.1 Lipids are typically nonpolar, hydrophobic molecules whose structure and function are derived from the way their subcomponents are assembled. Fatty acids can be described as either saturated or unsaturated.
      • 1.5.A.1.i Saturated fatty acids contain only single bonds between carbon atoms.
      • 1.5.A.1.ii Unsaturated fatty acids contain at least one double bond between carbon atoms, which causes the carbon chain to kink.
      • 1.5.A.1.iii The more double bonds in a fatty acid tail, the more unsaturated the lipid becomes.
      • 1.5.A.1.iv The more unsaturated a lipid is, the more liquid it is at room temperature.
    • 1.5.A.2 Lipids provide a variety of functions for living organisms. Some examples of lipids are fats, steroids including cholesterol, and phospholipids.
      • 1.5.A.2.i Fats provide energy storage and support cell function. In some cases, they can also provide insulation to help keep mammals warm.
      • 1.5.A.2.ii Steroids are hormones that support physiological functions including growth and development, energy metabolism, and homeostasis.
      • 1.5.A.2.iii Cholesterol provides essential structural stability to animal cell membranes.
      • 1.5.A.2.iv Phospholipids group together to form the lipid bilayers found in plasma and cell membranes.
      • Exclusion statement: The molecular structure of specific lipids is beyond the scope of the AP Exam.
    日本語

    Big Idea 4 — システムの相互作用: 生物系は相互作用し、これらのシステムとその相互作用は複雑な性質を示す。

    学習目標 1.5.A: リピッドの構造と機能について説明する。

    • 1.5.A.1 リピッドは一般的に非極性かつ親水性のない分子であり、その構造と機能は構成要素が組み合わさる方法に基づいている。脂肪酸は飽和または不飽和のいずれかに分類される。
      • 1.5.A.1.i 飽和脂肪酸は、炭素原子間の結合がすべて単結合のみである。
      • 1.5.A.1.ii 不飽和脂肪酸は、炭素原子間に少なくとも1つの二重結合を含み、これにより炭素鎖がくしれ曲がる。
      • 1.5.A.1.iii 脂肪酸尾の二重結合の数が多いほど、脂質は不飽和度が高くなる。
      • 1.5.A.1.iv 脂質の不飽和度が高いほど、室温では液体となりやすい。
    • 1.5.A.2 リピッドは生物にとって多様な機能を提供する。脂質の例として、脂肪、ステロイド(コレステロールを含む)、ホスホリPIDが含まれる。
      • 1.5.A.2.i 脂肪はエネルギー貯蔵と細胞機能の維持に寄与する。また、哺乳類の体温保持のための断熱材としても機能することがある。
      • 1.5.A.2.ii ステロイドは、成長・発育、エネルギー代謝、恒常性の維持など、生理学的機能を支援するホルモンである。
      • 1.5.A.2.iii コレステロールは動物細胞膜に不可欠な構造的安定性を提供する。
      • 1.5.A.2.iv ホスホリPIDは集合して、細胞膜や血浆膜に見られる脂質二重層を形成する。
      • 除外事項: 特定の脂質の分子構造はAP試験の範囲外である。

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨出典: College Board AP コースおよび試験説明書⁩

    English

    Lipids 脂质 are nonpolar and do not mix with water (hydrophobic 疏水). They include fats (long-term energy storage), phospholipids 磷脂 (which build membranes), and steroids. A phospholipid has a polar "head" and nonpolar "tails," the key to the cell membrane.

    日本語

    Lipids 脂质 are nonpolar and do not mix with water (hydrophobic 疏水). They include fats (long-term energy storage), phospholipids 磷脂 (which build membranes), and steroids. A phospholipid has a polar "head" and nonpolar "tails," the key to the cell membrane.

    A phospholipid has a polar head and two nonpolar tails, so phospholipids form a bilayer
    A phospholipid has a polar head and two nonpolar tails, so phospholipids form a bilayer
    A triglyceride: glycerol joined to three fatty acids
    A triglyceride: glycerol joined to three fatty acids
    Vocabulary · ⁨語彙⁩ Train · ⁨練習する⁩
    English 日本語
    Lipids/ˈlɪpɪdz/ 脂質
    hydrophobic/ˌhaɪdrəˈfəʊbɪk/ 親水性
    phospholipids/ˈfɒsfəlɪpɪdz/ リン脂質
    1.6

    Nucleic Acids

    Syllabus · ⁨シラバス⁩
    English

    Big Idea 3 — Information Storage and Transmission: Living systems store, retrieve, transmit, and respond to information essential to life processes.

    Learning Objective 1.6.A: Describe the structure and function of DNA and RNA.

    • 1.6.A.1 In nucleic acids (DNA and RNA), biological information is encoded in sequences of nucleotide monomers. Each nucleotide has the following structural components: a five-carbon sugar (deoxyribose or ribose), a phosphate, and a nitrogenous base (adenine, thymine, guanine, cytosine, or uracil).
    • 1.6.A.2 Nucleic acids have a linear sequence of nucleotides that have ends, defined by the 3' (three prime) hydroxyl and 5' (five prime) phosphates of the sugar in the nucleotide. During nucleic acid synthesis, nucleotides are added to the 3' end of the growing strand, resulting in the formation of covalent bonds between nucleotides.
      • Exclusion statement: The molecular structure of specific nucleotides is beyond the scope of the AP Exam.
    • 1.6.A.3 DNA is structured as an antiparallel double helix, with two strands of nucleotides running in opposite 5' to 3' orientation. In DNA, adenine nucleotides pair with thymine nucleotides via hydrogen bonds (A-T), and cytosine nucleotides pair with guanine nucleotides via hydrogen bonds (C-G). In RNA, adenine pairs with uracil (A-U).
    • 1.6.A.4 Structural differences between DNA and RNA include:
      • 1.6.A.4.i DNA contains the sugar deoxyribose, and RNA contains the sugar ribose.
      • 1.6.A.4.ii DNA contains the nitrogenous base thymine, and RNA contains the nitrogenous base uracil.
      • 1.6.A.4.iii DNA is typically double stranded, while RNA is typically single stranded.
    日本語

    Big Idea 3 — 情報の保存と伝達: 生命システムは、生命過程に不可欠な情報を保存し、検索し、伝達し、応答する。

    学習目標 1.6.A: DNAおよびRNAの構造と機能について説明する。

    • 1.6.A.1 核酸(DNAおよびRNA)において、生物学的情報はヌクレオチドモノマーの配列として符号化されている。各ヌクレオチドには以下の構造成分が含まれる:5炭素糖(デオキシリボースまたはリボース)、リン酸基、および窒素塩基(アデニン、チミン、グアニン、シトシン、ウラシル)。
    • 1.6.A.2 核酸は、ヌクレオチドの線形配列を持ち、末端を持つ。末端は、ヌクレオチド内の糖における3'(スリープライム)水酸基と5'(ファイブプライム)リン酸基によって定義される。核酸合成中、ヌクレオチドは伸長中の鎖の3'末端に付加され、ヌクレオチド間の共有結合が形成される。
      • 除外事項: 特定のヌクレオチドの分子構造はAP試験の範囲外である。
    • 1.6.A.3 DNAは、2本のヌクレオチド鎖が互いに反対方向の5'から3'の配向で走っている、反平行な二重らせん構造をとる。DNAでは、アデニンのヌクレオチドが水素結合によってチミンのヌクレオチドと対をなし(A-T)、シトシンのヌクレオチドが水素結合によってグアニンのヌクレオチドと対をなす(C-G)。RNAでは、アデニンはウラシルと対をなす(A-U)。
    • 1.6.A.4 DNAとRNAの構造的相違点には以下が含まれる:
      • 1.6.A.4.i DNAには糖としてデオキシリボースが含まれ、RNAには糖としてリボースが含まれる。
      • 1.6.A.4.ii DNAには窒素塩基としてチミンが含まれ、RNAには窒素塩基としてウラシルが含まれる。
      • 1.6.A.4.iii DNAは通常二本鎖であるのに対し、RNAは通常一本鎖である。

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨出典: College Board AP コースおよび試験説明書⁩

    English

    Nucleic acids 核酸 (DNA and RNA) store and carry genetic information. Their monomers are nucleotides 核苷酸, each a sugar, a phosphate, and a nitrogen base. The base sequence encodes instructions; DNA is double-stranded, RNA single-stranded.

    日本語
    Space-filling model of the DNA double helix (NHGRI)
    Space-filling model of the DNA double helix (NHGRI)

    Nucleic acids 核酸 (DNA and RNA) store and carry genetic information. Their monomers are nucleotides 核苷酸, each a sugar, a phosphate, and a nitrogen base. The base sequence encodes instructions; DNA is double-stranded, RNA single-stranded.

    Complementary base pairing holds the two antiparallel strands of DNA together
    Complementary base pairing holds the two antiparallel strands of DNA together
    Explore · ⁨探索⁩

    Explore complementary base pairing · ⁨相補的塩基対合を探索する⁩

    Step along a DNA template and watch each base pair to its partner by complementary base pairing ($A$ with $T$, $G$ with $C$) — the rule that lets either strand act as a template to rebuild the other. · ⁨DNAテンプレートに沿って進み、各塩基がパートナーと相補的塩基対合($A$と$T$、$G$と$C$)によって対応することを観察する——どちらの鎖もテンプレートとしてもう一方を再構築できる法则である。⁩

    Vocabulary · ⁨語彙⁩ Train · ⁨練習する⁩
    English 日本語
    Nucleic acids/njuːˈklɪɪk ˈæsɪdz/ 核酸
    nucleotides/ˈnjuːklɪɒtaɪdz/ ヌクレオチド
    1.7

    Proteins

    Syllabus · ⁨シラバス⁩
    English

    Big Idea 3 — Information Storage and Transmission: Living systems store, retrieve, transmit, and respond to information essential to life processes.

    Learning Objective 1.7.A: Describe the structure and function of proteins.

    • 1.7.A.1 Proteins comprise linear chains of amino acids connected by the formation of covalent (peptide) bonds that form between a carboxyl group ($-\text{COOH}$) of one amino acid and an amine group ($-\text{NH}_2$) of the next amino acid, resulting in a growing peptide chain.
    • 1.7.A.2 Amino acids are composed of a central carbon atom with a hydrogen atom, a carboxyl group, an amine group, and a variable R group covalently bound to it. The R group of an amino acid can be categorized by three possible chemical properties: hydrophobic/nonpolar, hydrophilic/polar, or ionic. The interactions of these R groups determine the structure and function of that region of the protein.
    • 1.7.A.3 The specific sequence of amino acids in proteins determines the primary structure of a polypeptide as well as the overall shape of the protein.
      • Exclusion statement: The molecular structure of amino acids is beyond the scope of the AP Exam.
    • 1.7.A.4 Secondary structures of proteins are made through the local folding that forms from interactions between atoms of the polypeptide backbone of the amino acid chain. Hydrogen bonding forms shapes such as alpha-helices and beta-pleated sheets.
    • 1.7.A.5 The three-dimensional shape of the tertiary structure of a protein results from the formation of hydrogen bonds, hydrophobic interactions, ionic interactions, or disulfide bridges.
    • 1.7.A.6 The quaternary structure arises from interactions between multiple polypeptides. All four levels of a protein structure determine the function of a protein.
    日本語

    Big Idea 3 — 情報の保存と伝達: 生命システムは、生命過程に不可欠な情報を保存し、検索し、伝達し、応答する。

    学習目標 1.7.A: タンパク質の構造と機能について説明する。

    • 1.7.A.1 タンパク質は、あるアミノ酸のカルボキシル基($-\text{COOH}$)と次のアミノ酸のアミノ基($-\text{NH}_2$)との間で共有結合(ペプチド結合)が形成されることで連結された、アミノ酸の直鎖状連鎖からなる。この結果、ペプチド鎖が伸長する。
    • 1.7.A.2 アミノ酸は、中央の炭素原子に水素原子、カルボキシル基、アミノ基、そして変異R基が共有結合している構造を持つ。アミノ酸のR基は、3つの化学的性質のいずれかに分類される:疎水性/非極性、親水性/極性、イオン性。これらのR基の相互作用が、タンパク質のその領域の構造と機能を決定する。
    • 1.7.A.3 タンパク質におけるアミノ酸の特定の配列は、ポリペプチドの一次構造およびタンパク質全体の形状を決定する。
      • 除外事項: アミノ酸の分子構造はAP試験の範囲外である。
    • 1.7.A.4 タンパク質の二次構造は、アミノ酸鎖のポリペプチド骨格の原子間の相互作用によって生じる局所的な折りたたみによって形成される。水素結合により、αヘリックスやβ pleated sheets(β PURATED シート)のような形状が形成される。
    • 1.7.A.5 タンパク質の三次構造の立体的形状は、水素結合、疎水性相互作用、イオン相互作用、またはジスルフィド結合の形成によって生じる。
    • 1.7.A.6 四次構造は、複数のポリペプチド間の相互作用によって生じる。タンパク質の構造のすべての4段階が、タンパク質の機能を決定する。

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨出典: College Board AP コースおよび試験説明書⁩

    English

    Proteins 蛋白质 are polymers of amino acids 氨基酸 joined by peptide bonds 肽键. Their sequence folds into a specific 3-D shape at four levels (primary, secondary, tertiary, quaternary), and shape determines function – as enzymes, transporters, receptors, and structural parts. Changing the environment (heat, pH) can denature 变性 a protein, unfolding it and stopping its function.

    Worked example. Building a polymer from 10 monomers by dehydration synthesis forms 9 bonds and releases 9 water molecules — one per bond, so $N$ monomers release $N-1$ waters. Hydrolysis reverses this exactly: adding those 9 waters breaks the polymer back into 10 monomers. This is why biosynthesis (dehydration) and digestion (hydrolysis) are chemical opposites.

    日本語
    Haemoglobin quaternary structure: four folded polypeptide chains, each holding a haem group
    Haemoglobin quaternary structure: four folded polypeptide chains, each holding a haem group

    Proteins 蛋白质 are polymers of amino acids 氨基酸 joined by peptide bonds 肽键. Their sequence folds into a specific 3-D shape at four levels (primary, secondary, tertiary, quaternary), and shape determines function – as enzymes, transporters, receptors, and structural parts. Changing the environment (heat, pH) can denature 变性 a protein, unfolding it and stopping its function.

    An amino acid, and the peptide bond formed by condensation
    An amino acid, and the peptide bond formed by condensation
    The four levels of protein structure
    The four levels of protein structure

    Worked example. Building a polymer from 10 monomers by dehydration synthesis forms 9 bonds and releases 9 water molecules — one per bond, so $N$ monomers release $N-1$ waters. Hydrolysis reverses this exactly: adding those 9 waters breaks the polymer back into 10 monomers. This is why biosynthesis (dehydration) and digestion (hydrolysis) are chemical opposites.

    Vocabulary · ⁨語彙⁩ Train · ⁨練習する⁩
    English 日本語
    Proteins/ˈprəʊtiːnz/ タンパク質
    amino acids/əˈmiːnəʊ ˈæsɪdz/ アミノ酸
    peptide bonds/ˈpeptaɪd bɒndz/ ペプチド結合
    denature/ˈdenətʃə/ 変性
    1.7

    Exam tips

    • Trace every property of water back to its polarity and hydrogen bonding (cohesion, high specific heat, solvent power).
    • Know the four macromolecule classes and their monomers; polymers are built by dehydration synthesis and broken by hydrolysis.
    • For proteins, structure (shape) determines function — heat or a pH change denatures them and stops them working.
    • In DNA the bases pair A–T and C–G on antiparallel strands; RNA is single-stranded and uses U.
    • Link each molecule to its role (carbohydrates: energy/structure; lipids: membranes/storage; nucleic acids: information).
  • 2

    Cell Structure and Function · ⁨細胞の構造と機能⁩

    Watch lesson · ⁨レッスンを視聴⁩
    2.1

    Organelles and the Endomembrane System · ⁨小器官と内膜系⁩

    Syllabus · ⁨シラバス⁩
    English

    Big Idea 4 — Systems Interactions (SYI): Biological systems interact, and these systems and their interactions exhibit complex properties.

    Learning Objective 2.1.A: Explain how the structure and function of subcellular components and organelles contribute to the function of cells.

    • 2.1.A.1 Ribosomes are comprised of ribosomal RNA (rRNA) and protein. These non-membrane, subcellular structures are found in cells in all forms of life and reflect the common ancestry in all known life. Ribosomes synthesize proteins according to messenger RNA (mRNA) sequences.
    • 2.1.A.2 The endomembrane system consists of a group of membrane-bound organelles and subcellular components (endoplasmic reticulum (ER), Golgi complex, lysosomes, vacuoles and transport vesicles, the nuclear envelope, and the plasma membrane) that work together to modify, package, and transport polysaccharides, lipids, and proteins intercellularly.
    • 2.1.A.3 Endoplasmic reticulum provides mechanical support by helping cells maintain shape and plays a role in intracellular transport.
      • i. Rough ER is associated with membrane-bound ribosomes, allows for the compartmentalization of cells, and helps carry out protein synthesis.
      • ii. Smooth ER functions include the detoxification of cells and lipid synthesis.
      • Exclusion statement: Knowledge of the specific functions of smooth ER in specialized cells is beyond the scope of the AP Exam.
    • 2.1.A.4 The Golgi complex is a membrane-bound structure that consists of a series of flattened membrane sacs. Functions of the Golgi include:
      • i. Correctly folding and chemically modifying newly synthesized cellular products
      • ii. Packaging proteins for trafficking
      • Exclusion statement: Knowledge of the role of Golgi in the synthesis of specific phospholipids and packaging of specific enzymes for lysosomes, peroxisomes, and secretory vesicles is beyond the scope of the AP Exam.
      • Illustrative examples for 2.1.A.4:
        • Glycosylation and other chemical modifications of proteins that take place within the Golgi and determine protein function or targeting
    • 2.1.A.5 Mitochondria have a double membrane that provides compartments for different metabolic reactions involved in aerobic cellular respiration. The outer membrane is smooth, while the inner membrane is highly convoluted, forming folds that enable ATP to be synthesized more efficiently.
    • 2.1.A.6 Lysosomes are membrane-enclosed sacs that contain hydrolytic enzymes that digest material. Lysosomes also play a role in programmed cell death (apoptosis).
    • 2.1.A.7 Vacuoles are membrane-bound sacs that play many different roles.
      • i. In plant cells, a specialized large vacuole maintains turgor pressure through nutrient and water storage.
      • ii. In animal cells, vacuoles are smaller in size, are more plentiful than in plant cells, and store cellular materials.
    • 2.1.A.8 Chloroplasts are specialized organelles that are found in plants and photosynthetic algae. Chloroplasts contain a double membrane and serve as the location for photosynthesis.
    日本語

    Big Idea 4 — システム間相互作用 (SYI): 生物学的システムは相互作用し、それらのシステムおよび相互作用は複雑な性質を示す。

    学習目標 2.1.A: 細胞小器官の構造と機能、およびサブセルラーコンポーネントが細胞の機能にどのように寄与するかを説明する。

    • 2.1.A.1 リボソームはリボソームRNA (rRNA) とタンパク質で構成されている。これらの膜を持たないサブセルラー構造物は、あらゆる生命体の細胞に存在し、既知の全生命体の共通の系統性を反映している。リボソームはメッセンジャーRNA (mRNA) の配列に従ってタンパク質を合成する。
    • 2.1.A.2 内膜系は、膜に囲まれた小器官およびサブセルラーコンポーネント(内質網 (ER)、ゴルジ装置、ライソソーム、液胞、輸送小胞体、核膜、細胞膜)のグループからなり、これらは協調して多糖類、脂質、タンパク質を細胞間で修飾、包装、輸送する役割を果たす。
    • 2.1.A.3 内質網は、細胞が形を維持するのを助けることで機械的支援を提供し、細胞内輸送にも関与する。
      • i. 粗面内質網は膜付着リボソームに関係しており、細胞の区画化を可能にし、タンパク質合成の実行を助ける。
      • ii. 滑面内質網の機能には、細胞の解毒作用と脂質の合成が含まれる。
      • 除外事項: 特化した細胞における滑面内質網の特定の機能に関する知識はAP試験の範囲外である。
    • 2.1.A.4 ゴルジ装置は、一連の扁平な膜嚢からなる膜に囲まれた構造物である。ゴルジの機能には以下が含まれる:
      • i. 新しく合成された細胞産物の正しい折りたたみと化学的修飾
      • ii. 輸送用タンパク質の包装
      • 除外事項: 特定のホスホリピッドの合成や、ライソソーム、ペルオキシソーム、分泌小胞体への特定の酵素の包装におけるゴルジの役割に関する知識はAP試験の範囲外である。
      • 2.1.A.4の例示:
        • ゴルジ内で起こるタンパク質のグリコシル化や他の化学的修飾であり、これらがタンパク質の機能や標的決定に寄与する
    • 2.1.A.5 ミトコンドリアは二重膜を持ち、好気性細胞呼吸に関わる異なる代謝反応のための区画を提供する。外膜は滑らかであるのに対し、内膜は極めて湾曲しており、ATPをより効率的に合成できるような褶(しわ)を形成している。
    • 2.1.A.6 ライソソームは加水分解酵素を含み、物質を消化する膜に囲まれた嚢である。ライソソームはプログラム細胞死(アポトーシス)にも関与する。
    • 2.1.A.7 液胞は膜に囲まれた嚢であり、多様な役割を果たす。
      • i. 植物細胞では、特殊化した大型の液胞が栄養素と水の貯蔵を通じて膨圧を維持する。
      • ii. 動物細胞では、液胞はサイズが小さく、植物細胞よりも豊富に存在し、細胞内の物質を貯蔵する。
    • 2.1.A.8 クロロプラストは、植物と光合成藻類に存在する特殊化した小器官である。クロロプラストは二重膜を持ち、光合成が行われる場所として機能する。

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨出典: College Board AP コースおよび試験説明書⁩

    English

    A eukaryotic cell divides its work among organelles 细胞器. The endomembrane system 内膜系统 is a connected set that makes, modifies, and ships molecules: the nucleus 细胞核 (holds DNA), rough and smooth endoplasmic reticulum 内质网 (protein and lipid synthesis), the Golgi 高尔基体 (modifies and packages), lysosomes 溶酶体 (digestion), and vesicles that carry material between them. Mitochondria 线粒体 (respiration) and chloroplasts 叶绿体 (photosynthesis) have their own membranes.

    What each organelle actually does

    The exam asks you to name a structure and say what it does, so learn them as pairs.

    Ribosomes 核糖体 are made of ribosomal RNA 核糖体核糖核酸 (rRNA) and protein. They have no membrane, and they are found in every form of life — bacteria, archaea and eukaryotes alike. That shared presence is evidence of common ancestry: a structure this central was already present in the last common ancestor of all living things. A ribosome reads messenger RNA 信使核糖核酸 (mRNA) and builds the protein it codes for. Free ribosomes make proteins for use inside the cell; ribosomes bound to the rough endoplasmic reticulum make proteins for export or for the membrane.

    The Golgi complex 高尔基复合体 is a series of flattened, membrane-bound sacs. A protein arriving from the endoplasmic reticulum is passed through them, and three things happen to it:

    • it is folded correctly and chemically modified — most often by glycosylation 糖基化, the attachment of short sugar chains;
    • it is sorted and targeted, so the modified sugar or phosphate tag decides which compartment the protein is sent to;
    • it is packaged into a vesicle for transport.

    So the Golgi is not storage: it is the cell's finishing and dispatch department, and its modifications determine what a protein does and where it ends up.

    Lysosomes are membrane-enclosed sacs of hydrolytic enzymes 水解酶 that digest material — worn-out organelles, engulfed bacteria, and food particles taken in by the cell. Their enzymes work best at a low pH, which the lysosome maintains inside itself; keeping them enclosed protects the rest of the cell. Lysosomes also take part in apoptosis 细胞凋亡, programmed cell death, in which a cell is dismantled deliberately, for example to sculpt fingers from a webbed embryonic hand.

    Vacuoles 液泡 are membrane-bound sacs with many different roles: storing water, ions, nutrients or waste, and in a plant cell the large central vacuole also presses outwards on the cell wall to keep the cell firm.

    Mitochondria and chloroplasts each have a double membrane and their own circular DNA and ribosomes — the evidence behind endosymbiotic theory below.

    日本語
    緑色の葉緑体で満たされたエロデア葉細胞(光学顕微鏡写真)
    緑色のクロロプラストに満たされたエロデア葉の細胞(光顕微鏡写真)
    光顕微鏡下での玉ねぎ表皮細胞 — 細胞壁と核がはっきり見える
    光顕微鏡下での玉ねぎ表皮細胞 — 細胞壁と核がはっきり見える

    真核細胞は、小器官(オルガネラ) に仕事を分担している。内膜系は、分子を合成・修飾・輸送する相互に接続したシステムであり、核(DNAを保持)、粗面小胞体および滑面小胞体(タンパク質および脂質の合成)、ゴルジ装置(修飾および包装)、リソソーム(消化)、そしてそれら間で物質を運ぶ小胞を含む。ミトコンドリア(呼吸)とクロロプラスト(光合成)は独自の膜を持つ。

    植物細胞には細胞壁、大きな液胞、クロロプラストもある
    植物細胞には細胞壁、大きな液胞、クロロプラストもある
    一般的な動物細胞とその小器官
    一般的な動物細胞とその小器官

    各小器官の実際の機能

    試験では構造名とその機能を答える必要があるため、ペアとして覚えること。

    リボソームはリボソームRNA(rRNA)とタンパク質からなる。膜を持たず、すべての生命形態に存在する — 細菌、古細菌、真核生物 alike。この共通する存在は共通祖先の証拠である:これほど中心的な構造は、あらゆる生物の最終共通祖先においてすでに存在していた。リボソームはメッセンジャーRNA(mRNA)を読み取り、そのコードするタンパク質を合成する。遊離リボソームは細胞内で使われるタンパク質を製造し、粗面小胞体に結合したリボソームは輸出用または膜用タンパク質を製造する。

    ゴルジ複合体は、扁平で膜に包まれた嚢の連なりである。小胞体から届いたタンパク質通过这些 them,以下3つのことが起こる:

    • 正しく折りたたまれ、化学的に修飾される — 最も一般的には糖鎖付加(短い糖鎖の結合)により;
    • 選別され標的付けられ、修飾された糖やリン酸タグがタンパク質を送る区画を決定する;
    • 輸送用の小胞にパッケージされる。

    したがってゴルジは貯蔵ではなく、細胞の仕上げおよび発送部門であり、その修飾がタンパク質の機能と最終的な場所を決定する。

    リソソームは加水分解酵素に満たされた膜に包まれた嚢であり、物質を消化する — 使い古された小器官、捕食された細菌、細胞によって摂取された食物粒子。これらの酵素は低いpHで最も良く機能するため、リソソームは内部を低pHに保っている;これらを膜に包むことで他の細胞成分を保護している。リソソームはアポトーシス(プログラム細胞死)にも関与しており、これは意図的に解体されるプロセスであり、例えば指を形成するために-webbed embryonic hand を造形する場合などがある。

    液胞は膜に包まれた嚢であり、多様な役割を持つ:水、イオン、栄養素、廃棄物の貯蔵、植物細胞では中央の大きな液胞が細胞壁 outward に押し付けて細胞を硬く保つ。

    ミトコンドリアとクロロプラストはそれぞれ二重膜を持ち、自身の環状DNAとリボソームを持っている — これらは後述の内共生説の根拠である。

    2.2

    Why Cells Stay Small · ⁨細胞が小さい理由⁩

    Syllabus · ⁨シラバス⁩
    English

    Big Idea 2 — Energetics (ENE): Biological systems use energy and molecular building blocks to grow, reproduce, and maintain dynamic homeostasis.

    Learning Objective 2.2.A: Explain the effect of surface area-to-volume ratios on the exchange of materials between cells or organisms and the environment.

    • 2.2.A.1 Surface area-to-volume ratios affect the ability of a biological system to obtain necessary nutrients, eliminate waste products, acquire or dissipate thermal energy, and otherwise exchange chemicals and energy with the environment.
      • Relevant equations:
        • Volume of a Sphere: $V = \dfrac{4}{3}\pi r^3$
        • Volume of a Cube: $V = s^3$
        • Volume of a Rectangular Solid: $V = lwh$
        • Volume of a Cylinder: $V = \pi r^2 h$
        • Surface Area of a Sphere: $SA = 4\pi r^2$
        • Surface Area of a Cube: $SA = 6s^2$
        • Surface Area of a Rectangular Solid: $SA = 2lh + 2lw + 2wh$
        • Surface Area of a Cylinder: $SA = 2\pi rh + 2\pi r^2$
        • $r$ = radius
        • $l$ = length
        • $h$ = height
        • $w$ = width
        • $s$ = length of one side of a cube
      • Illustrative examples for 2.2.A.1:
        • SA/V Ratios and Exchanges
          • Root hairs
          • Guard cells
          • Gut epithelial cells
        • Cilia
        • Stomata
    • 2.2.A.2 The surface area of the plasma membrane must be large enough to adequately exchange materials.
      • i. The surface area-to-volume ratio can restrict cell size and shape. Smaller cells typically have a higher surface area-to-volume ratio as well as a more efficient exchange of materials with the environment than do larger cells.
      • ii. As cells increase in volume, the surface area-to-volume ratio decreases and the demand for internal resources increases.
      • iii. More complex cellular structures (e.g., membrane folds) are necessary to adequately exchange materials with the environment.
      • iv. As organisms increase in size, their surface area-to-volume ratio decreases, affecting properties like rate of heat exchange with the environment. Smaller amounts of mass exchange proportionally more heat with the ambient environment than do larger masses. As mass increases, both the surface area-to-volume ratio and the rate of heat exchange decrease.
      • v. There is a relationship between metabolic rate per unit body mass and the size of multicellular organisms; typically, the smaller the organism, the higher the metabolic rate per unit body mass.
    日本語

    Big Idea 2 — エネルギー学 (ENE): 生物系はエネルギーおよび分子構築材料を用いて、成長、繁殖、動的恒常性の維持を行う。

    学習目標 2.2.A: 表面積対体積比が、細胞または生物体と環境との間の物質交換に及ぼす影響を説明する。

    • 2.2.A.1 表面積対体積比は、生物系が必要とする栄養素を得たり、廃棄物を排除したり、熱エネルギーを取得または散逸させたり、その他環境との化学物質およびエネルギーの交換を行う能力に影響を与える。
      • 関連式:
        • 球の体積: $V = \dfrac{4}{3}\pi r^3$
        • 立方体の体積: $V = s^3$
        • 直方体の体積: $V = lwh$
        • 円柱の体積: $V = \pi r^2 h$
        • 球の表面積: $SA = 4\pi r^2$
        • 立方体の表面積: $SA = 6s^2$
        • 直方体の表面積: $SA = 2lh + 2lw + 2wh$
        • 円柱の表面積: $SA = 2\pi rh + 2\pi r^2$
        • $r$ = 半径
        • $l$ = 長さ
        • $h$ = 高さ
        • $w$ = 幅
        • $s$ = 立方体の1辺の長さ
      • 2.2.A.1の例示:
        • SA/V比と交換
          • 根毛
          • 保衛細胞
          • 腸上皮細胞
        • 繊毛
        • 気孔
    • 2.2.A.2 細胞膜の表面積は、物質を適切に交換するために十分な大きさである必要がある。
      • i. 表面積対体積比は細胞サイズと形状を制限することがある。小さい細胞は通常、大きい細胞よりも高い表面積対体積比を持ち、環境との物質交換もより効率的である。
      • ii. 細胞の体積が増加すると、表面積対体積比は減少し、内部資源への需要が増加する。
      • iii. 環境との物質交換を適切に行うためには、複雑な細胞構造(例:膜の折り目など)が必要である。
      • iv. 生物のサイズが増大すると、表面積と体積の比が減少し、環境との熱交換速度などの性質に影響を与える。大きな質量よりも、小さな質量の方が相対的に環境との熱交換量が多い。質量が増加すると、表面積と体積の比および熱交換速度の両方が減少する。
      • v. 単位体重あたりの代謝率と多細胞生物のサイズの間には関係があり、一般的に、生物が小さいほど単位体重あたりの代謝率は高い。

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨出典: College Board AP コースおよび試験説明書⁩

    English

    Cells stay small because of the surface-area-to-volume ratio 表面积与体积比. As a cell grows, its volume rises faster than its surface area, so its membrane cannot exchange materials fast enough for the interior. Staying small (or being flat or folded) keeps enough surface to serve the volume.

    Worked example. A cube-shaped cell $2\ \mu\text{m}$ on a side has surface area $6\times2^2=24\ \mu\text{m}^2$ and volume $2^3=8\ \mu\text{m}^3$, so its surface-area-to-volume ratio is $\tfrac{24}{8}=3$. Double the side to $4\ \mu\text{m}$: surface area $=6\times4^2=96$, volume $=4^3=64$, ratio $=\tfrac{96}{64}=1.5$. Doubling the size halved the ratio – the larger cell has far less membrane per unit of interior, which is why cells stay small.

    日本語
    赤血球の走査型電子顕微鏡写真 — 核なし、ガス交換のための高い表面積
    赤血球の走査型電子顕微鏡写真 — 核なし、ガス交換のための高い表面積

    細胞が小さいのは表面積対体積比のためである。細胞が大きくなると体積は表面積よりも速く増加するため、膜は内部に対して十分な速度で物質を交換できない。小さく保つ(あるいは平らにする、折りたたむ)ことで、体積に対応する十分な表面積を維持できる。

    細胞が大きくなるにつれて表面積対体積比は低下する
    細胞が大きくなるにつれて表面積対体積比は低下する

    計算例。 一辺が$2\ \mu\text{m}$の立方体の細胞は、表面積が$6\times2^2=24\ \mu\text{m}^2$、体積が$2^3=8\ \mu\text{m}^3$であるため、表面積対体積比は$\tfrac{24}{8}=3$となる。一辺を$4\ \mu\text{m}$に倍増させると、表面積は$=6\times4^2=96$、体積は$=4^3=64$、比は$=\tfrac{96}{64}=1.5$となる。サイズを倍増させたことで比は半分になった——より大きな細胞は内部単位あたりの膜がはるかに少ないため、細胞は小さく保たれる。

    Explore · ⁨探索⁩

    See surface area vs volume as a cube grows · ⁨立方体が成長するにつれて表面積と体積の関係を見る⁩

    As a cell grows, volume rises faster than surface area, so the surface-area-to-volume ratio falls. A small cell keeps enough membrane to exchange materials fast enough. · ⁨細胞が成長すると、体積は表面積よりも速く増加するため、表面積対体積比は低下する。小さな細胞は十分な膜を持ち、物質交換を十分に速く行える。⁩

    2.3

    The Fluid Mosaic Model of the Membrane · ⁨膜の流動モザイクモデル⁩

    Syllabus · ⁨シラバス⁩
    English

    Big Idea 2 — Energetics (ENE): Biological systems use energy and molecular building blocks to grow, reproduce, and maintain dynamic homeostasis.

    Learning Objective 2.3.A: Describe the roles of each of the components of the cell membrane in maintaining the internal environment of the cell.

    • 2.3.A.1 Phospholipids have both hydrophilic and hydrophobic regions. The polar hydrophilic phosphate regions of the phospholipids are oriented toward the aqueous external or internal environment, while the nonpolar hydrophobic fatty acid regions face each other within the interior of the membrane.
    • 2.3.A.2 Embedded proteins can be hydrophilic (with charged and polar side groups), hydrophobic (with nonpolar side groups), or both.
      • i. Hydrophilic regions of the proteins are either inside the interior of the protein or exposed to the cytosol (cytoplasm).
      • ii. Hydrophobic regions of proteins make up the protein surface that interacts with the fatty acids in the interior membrane.

    Learning Objective 2.3.B: Describe the fluid mosaic model of cell membranes.

    • 2.3.B.1 Plasma membranes consist of a structural framework of phospholipid molecules embedded with proteins, steroids (such as cholesterol in vertebrate animals), glycoproteins, and glycolipids. All of these can move around the surface of the cell within the membrane, as illustrated by the fluid mosaic model.
    日本語

    Big Idea 2 — エネルギー学 (ENE): 生物系はエネルギーおよび分子構築材料を用いて、成長、繁殖、動的恒常性の維持を行う。

    学習目標 2.3.A: 細胞膜を構成する各成分が、細胞内部環境を維持する上で果たす役割を説明すること。

    • 2.3.A.1 リポイドには親水性部分と疎水性部分の両方がある。リポイドの極性のある親水性リン酸部分は、水溶液である外部または内部環境に向き合っている。一方、非極性のある疎水性脂肪酸部分は、膜の内部で互いに向き合っている。
    • 2.3.A.2 埋め込まれたタンパク質は、親水性(電荷を持つ極性側基を含む)、疎水性(非極性側基を含む)、あるいはその両方の特性を持つことがある。
      • i. タンパク質の親水性部分は、タンパク質の内部にあるか、細胞質(シトゾール)に露出している。
      • ii. タンパク質の疎水性部分は、膜の内部にある脂肪酸と相互作用するタンパク質の表面を形成する。

    学習目標 2.3.B: 細胞膜の流動モザイクモデルを説明すること。

    • 2.3.B.1 プラズマ膜は、脂質二重層を骨格とし、タンパク質、ステロイド(脊椎動物ではコレステロールなど)、グリコプロテイン、グリコリピッドが埋め込まれた構造から成る。これらの成分はすべて、流動モザイクモデルに示されるように、膜内で細胞表面を移動することができる。

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨出典: College Board AP コースおよび試験説明書⁩

    English

    The cell membrane is a phospholipid bilayer 磷脂双分子层 – polar heads facing the water, nonpolar tails inside – studded with proteins. The fluid mosaic model 流动镶嵌模型 pictures it as a fluid sheet in which lipids and proteins drift. Cholesterol and the degree of unsaturation tune its fluidity.

    日本語

    細胞膜はホスファチジバイレイヤー — 親水性頭部が水に向かい、疎水性尾部が内側にある — タンパク質で埋め込まれている。流動モザイクモデルは、脂質とタンパク質が漂う流体シートとして描く。コレステロールと不飽和度の度合いが流動性を調整する。

    細胞膜の流動モザイクモデル
    細胞膜の流動モザイクモデル
    2.4

    What Can Cross the Membrane · ⁨膜を通過できるもの⁩

    Syllabus · ⁨シラバス⁩
    English

    Big Idea 2 — Energetics (ENE): Biological systems use energy and molecular building blocks to grow, reproduce, and maintain dynamic homeostasis.

    Learning Objective 2.4.A: Explain how the structure of biological membranes influences selective permeability.

    • 2.4.A.1 Plasma membranes separate the internal environment of the cell from the external environment. Selective permeability is the result of the plasma membrane having a hydrophobic interior.
    • 2.4.A.2 Small nonpolar molecules, including $\mathrm{N_2}$, $\mathrm{O_2}$, and $\mathrm{CO_2}$, freely pass across the membrane. Hydrophilic substances, such as large polar molecules and ions, move across the membrane through embedded channels and transport proteins.
    • 2.4.A.3 The nonpolar hydrocarbon tails of phospholipids prevent the movement of ions and polar molecules across the membrane. Small polar, uncharged molecules, like $\mathrm{H_2O}$ or $\mathrm{NH_3}$ (ammonia), pass through the membrane in small amounts.

    Learning Objective 2.4.B: Describe the role of the cell wall in maintaining cell structure and function.

    • 2.4.B.1 Cell walls of Bacteria, Archaea, Fungi, and plants provide a structural boundary as well as a permeability barrier for some substances to the internal or external cellular environments and protection from osmotic lysis.
    日本語

    Big Idea 2 — エネルギー学 (ENE): 生物系はエネルギーおよび分子構築材料を用いて、成長、繁殖、動的恒常性の維持を行う。

    学習目標 2.4.A: 生物膜の構造が選択的透過性に与える影響について説明すること。

    • 2.4.A.1 プラズマ膜は細胞の内部環境と外部環境を分離している。選択的透過性は、プラズマ膜が疎水性の内部を持っていることに起因する。
    • 2.4.A.2 小さな非極性分子である $\mathrm{N_2}$、$\mathrm{O_2}$、$\mathrm{CO_2}$ は膜を自由に通過する。親水性物質(大きな極性分子やイオンなど)は、埋め込まれたチャネルや輸送タンパク質を通じて膜を移動する。
    • 2.4.A.3 リポイドの非極性炭化水素鎖は、イオンや極性分子の膜透過を妨げる。小さな極性かつ電荷を持たない分子($\mathrm{H_2O}$ や $\mathrm{NH_3}$(アンモニア)など)は、少量ながら膜を通過する。

    学習目標 2.4.B: 細胞壁が細胞の構造と機能の維持に果たす役割を説明すること。

    • 2.4.B.1 細菌、古菌、真菌、植物の細胞壁は、構造的境界として機能するとともに、特定の物質に対する透過性バリアとなり、細胞内外の環境への保護や浸透圧による破裂(オスモリス)からの防御を提供する。

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨出典: College Board AP コースおよび試験説明書⁩

    English

    The membrane is selectively permeable 选择透过性. Small nonpolar molecules ($\text{O}_2$, $\text{CO}_2$) and water cross easily; large or charged/polar particles (ions, glucose) cannot pass the nonpolar core without help. This selectivity lets the cell control its internal environment.

    日本語

    膜は選択透過性を持つ。小さな非極性分子($\text{O}_2$, $\text{CO}_2$)と水は容易に通過する;大きな粒子や電荷/極性を持つ粒子(イオン、ブドウ糖)は、非極性コアを通過できない(助けが必要)。この選択性が細胞に内部環境を制御させる。

    物質が膜を通過する3つの方法
    物質が膜を通過する3つの方法
    2.5

    Passive and Active Transport · ⁨受動輸送と能動輸送⁩

    Syllabus · ⁨シラバス⁩
    English

    Big Idea 2 — Energetics (ENE): Biological systems use energy and molecular building blocks to grow, reproduce, and maintain dynamic homeostasis.

    Learning Objective 2.5.A: Describe the mechanisms that organisms use to maintain solute and water balance.

    • 2.5.A.1 The selective permeability of membranes allows for the formation of concentration gradients of solutes across the membrane.
    • 2.5.A.2 Passive transport is the net movement of molecules from regions of high concentration to regions of low concentration without the direct input of metabolic energy.
    • 2.5.A.3 Active transport requires the direct input of energy to move molecules. In some cases, active transport is utilized to move molecules from regions of low concentration to regions of high concentration.

    Learning Objective 2.5.B: Describe the mechanisms that organisms use to transport large molecules across the plasma membrane.

    • 2.5.B.1 The processes of endocytosis and exocytosis require energy to move large substances or large amounts of substances into and out of cells.
      • i. In endocytosis, the cell takes in large molecules and particulate matter by folding the plasma membrane in on itself and forming new (small) vesicles that engulf material from the external environment.
      • ii. In exocytosis, internal vesicles release material from cells by fusing with the plasma membrane and secreting large molecules from the cell.
    日本語

    Big Idea 2 — エネルギー学 (ENE): 生物系はエネルギーおよび分子構築材料を用いて、成長、繁殖、動的恒常性の維持を行う。

    学習目標 2.5.A: 生物が溶質と水のバランスを維持するために用いるメカニズムを説明すること。

    • 2.5.A.1 膜の選択的透過性により、溶質の濃度勾配が膜の両側に形成される。
    • 2.5.A.2 受動輸送とは、代謝エネルギーの直接的な投入なしに、高濃度領域から低濃度領域へ分子が正味で移動するプロセスである。
    • 2.5.A.3 能動輸送は、分子を移動させるためにエネルギーの直接的な投入を必要とする。場合によっては、能動輸送によって低濃度領域から高濃度領域へ分子を移動させることもある。

    学習目標 2.5.B: 生物が大きな分子をプラズマ膜を越えて輸送するために用いるメカニズムを説明すること。

    • 2.5.B.1 エンドサイトーシスとエキソサイトーシスのプロセスには、大きな物質や大量の物質を細胞内・外へ出入りさせるためにエネルギーが必要である。
      • i. エンドサイトーシスでは、細胞はプラズマ膜を自身の方へ折り曲げて新しい(小さな)小胞を形成し、外部環境からの物質を取り込む。
      • ii. エキソサイトーシスでは、細胞内の小胞がプラズマ膜と融合して、大きな分子を細胞外へ分泌する。

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨出典: College Board AP コースおよび試験説明書⁩

    English
    • Passive transport 被动运输 moves substances down their concentration gradient (high → low) with no energy – diffusion 扩散.
    • Active transport 主动运输 moves substances against the gradient (low → high), requiring energy (ATP), via protein pumps like the sodium–potassium pump.
    日本語
    • 受動輸送は物質を濃度勾配 沿い (高 → 低)に移動させ、エネルギーを要しない — 拡散。
    • 能動輸送は物質を勾配 逆 (低 → 高)に移動させ、エネルギー(ATP)を必要とし、ナトリウム-カリウムポンプなどのタンパク質ポンプを介して行われる。
    能動輸送は粒子を勾配逆へ移動させ、ATPとキャリアタンパク質を使用する
    能動輸送は粒子を勾配逆へ移動させ、ATPとキャリアタンパク質を使用する
    Explore · ⁨探索⁩

    Pump a solute against its gradient · ⁨濃度勾配に逆らって溶質をポンプする⁩

    Passive transport moves solutes down their gradient for free; active transport uses ATP to pump them the other way, from low to high concentration. · ⁨受動輸送は溶質を勾配に従って無費で移動させ、能動輸送はATPを使ってそれらを低濃度から高濃度へ逆向きにポンプする。⁩

    Vocabulary · ⁨語彙⁩ Train · ⁨練習する⁩
    English 日本語
    Active transport/ˈæktɪv ˈtrænspɔːt/ 能動的輸送
    Facilitated diffusion/fəˈsɪlɪteɪtɪd dɪˈfjuːʒn/ 促進拡散
    carrier/ˈkærɪə/ キャリア
    Osmosis/ɒzˈməʊsɪs/ 浸透
    Tonicity/təˈnɪsɪti/ 浸透圧
    hypotonic/ˌhaɪpəʊˈtɒnɪk/ 低張性
    hypertonic/ˌhaɪpəˈtɒnɪk/ 高張性
    isotonic/ˌaɪsəˈtɒnɪk/ 等張
    Water potential/ˈwɔːtə pəˈtenʃl/ 水分ポテンシャル
    Osmoregulation/ˌɒzmɔːɡjʊˈleɪʃn/ 浸透圧調節
    endocytosis/ˌendəʊsɪˈtəʊsɪs/ 食胞作用
    2.6

    Facilitated Diffusion · ⁨促進拡散⁩

    Syllabus · ⁨シラバス⁩
    English

    Big Idea 2 — Energetics (ENE): Biological systems use energy and molecular building blocks to grow, reproduce, and maintain dynamic homeostasis.

    Learning Objective 2.6.A: Explain how the structure of a molecule affects its ability to pass through the plasma membrane.

    • 2.6.A.1 Facilitated diffusion requires transport or channel proteins to enable the movement of charged ions across the membrane.
      • i. Membranes may become polarized by the movement of ions across the membrane.
      • ii. Charged ions, including $\mathrm{Na^+}$ (sodium) and $\mathrm{K^+}$ (potassium), require channel proteins to move through the membrane.
    • 2.6.A.2 Facilitated diffusion enables the movement of large polar molecules through membranes with no energy input. In this type of diffusion, substances move down the concentration gradient.
    • 2.6.A.3 Aquaporins transport large quantities of water across membranes.
    日本語

    Big Idea 2 — エネルギー学 (ENE): 生物系はエネルギーおよび分子構築材料を用いて、成長、繁殖、動的恒常性の維持を行う。

    学習目標 2.6.A: 分子の構造がプラズマ膜を通過する能力に与える影響について説明すること。

    • 2.6.A.1 促進拡散には、電荷を持つイオンの膜透過を可能にするための輸送タンパク質またはチャネルタンパク質が必要である。
      • i. イオンの膜透過によって、膜が分極することがある。
      • ii. 電荷を持つイオン($\mathrm{Na^+}$(ナトリウム)や $\mathrm{K^+}$(カリウム)など)は、膜を通過するためにチャネルタンパク質を必要とする。
    • 2.6.A.2 促進拡散は、エネルギー投入なしに大きな極性分子を膜を通過させることを可能にする。この種の拡散において、物質は濃度勾配に沿って移動する。
    • 2.6.A.3 アクアポーリンは、膜を越えて大量の水を輸送する。

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨出典: College Board AP コースおよび試験説明書⁩

    English

    Facilitated diffusion 易化扩散 is passive transport through a membrane protein – a channel or carrier 载体 – for particles that cannot cross the lipid alone. It still goes down the gradient and needs no energy, but its rate can saturate when all the proteins are busy.

    日本語

    促進拡散は、膜タンパク質(チャネルまたはキャリア)を介した受動輸送であり、脂質二重層のみでは通過できない粒子に対して機能します。濃度勾配に従って移動するためエネルギーは必要ありませんが、すべてのタンパク質が飽和状態になると速度は頭打ちになります。

    拡散:粒子は濃度の高い場所から低い場所へ、勾配に沿って広がる
    拡散:粒子は濃度の高い場所から低い場所へ、勾配に沿って広がる
    Vocabulary · ⁨語彙⁩ Train · ⁨練習する⁩
    English 日本語
    organelles/ˌɔːɡəˈnelz/ 小器官
    endomembrane system/ˈendəʊmembreɪn ˈsɪstəm/ 内膜系
    nucleus/ˈnjuːklɪəs/ 核
    endoplasmic reticulum/ˌendəʊˈplæzmɪk reˈtɪkjʊləm/ 小胞体
    Golgi/ˈɡɒlɡɪ/ ゴルジ
    lysosomes/ˈlaɪsəsəʊmz/ ライソソーム
    Mitochondria/ˌmaɪtəˈkɒndrɪə/ ミトコンドリア
    chloroplasts/ˈklɔːrəʊplæsts/ 葉緑体
    Ribosomes/ˈrɪbəsəʊmz/ リボソーム
    ribosomal RNA/ˈrɪbəsɒml ˌɑː en ˈeɪ/ リボソームRNA
    messenger RNA/ˈmesɪndʒə ˌɑː en ˈeɪ/ メッセンジャーRNA
    The Golgi complex/ðə ˈɡɒlɡɪ ˈkɒmpleks/ ゴルジ装置
    glycosylation/ˌɡlaɪkəsɪˈleɪʃn/ 糖鎖付加
    hydrolytic enzymes/ˌhaɪdrəˈlɪtɪk ˈenzaɪmz/ 加水分解酵素
    apoptosis/əpəpˈtəʊsɪs/ アポトーシス
    Vacuoles/ˈvækjuːəʊlz/ 液胞
    surface-area-to-volume ratio/ˈsɜːfɪs ˈeərɪə tə ˈvɒljuːm ˈreɪʃɪəʊ/ 表面積対体積比
    phospholipid bilayer/ˈfɒsfəlɪpɪd ˈbɪleɪə/ ホスホリピッド二重層
    fluid mosaic model/ˈfluːɪd məˈseɪɪk ˈmɒdl/ 流動モザイクモデル
    selectively permeable/sɪˈlektɪvli ˈpɜːməbl/ 選択透過性
    Passive transport/ˈpæsɪv ˈtrænspɔːt/ 受動輸送
    diffusion/dɪˈfjuːʒn/ 拡散
    2.7

    Tonicity, Water Potential, and Osmoregulation · ⁨浸透圧、ポテンシャル水位、および浸透調節⁩

    Syllabus · ⁨シラバス⁩
    English

    Big Idea 2 — Energetics (ENE): Biological systems use energy and molecular building blocks to grow, reproduce, and maintain dynamic homeostasis.

    Learning Objective 2.7.A: Explain how concentration gradients affect the movement of molecules across membranes.

    • 2.7.A.1 External environments can be hypotonic, hypertonic, or isotonic to internal environments of cells. Movement of water can also be described as moving from hypotonic to hypertonic regions. Water moves by osmosis from regions of high water potential to regions of low water potential.
      • Equation (Water Potential): $\psi = \psi_p + \psi_s$
        • where:
        • $\psi_p$ = pressure potential
        • $\psi_s$ = solute potential
      • Illustrative examples for 2.7.A.1:
        • Contractile vacuole in protists
        • Central vacuole in plant cells

    Learning Objective 2.7.B: Explain how osmoregulatory mechanisms contribute to the health and survival of organisms.

    • 2.7.B.1 Growth and homeostasis are maintained by the constant movement of molecules across membranes.
    • 2.7.B.2 Osmoregulation maintains water balance and allows organisms to control their internal solute composition and water potential. Water moves from regions of low osmolarity or solute concentration to regions of high osmolarity or solute concentration.
      • Equation (Solute Potential of a Solution): $\psi_s = -iCRT$
        • where:
        • $i$ = ionization constant
        • $C$ = molar concentration
        • $R$ = pressure constant $\left(R = 0.0831 \dfrac{L \cdot bars}{mol \cdot K}\right)$
        • $T$ = temperature in Kelvin (°C + 273)
    日本語

    Big Idea 2 — エネルギー学 (ENE): 生物系はエネルギーおよび分子構築材料を用いて、成長、繁殖、動的恒常性の維持を行う。

    学習目標 2.7.A: 濃度勾配が膜を越えた分子の移動に与える影響について説明すること。

    • 2.7.A.1 外部環境は、細胞の内部環境に対して低張性、高張性、または等張性であることができる。水の移動もまた、低張性領域から高張性領域へ向かうものと記述できる。水は浸透によって高い水ポテンシャルの領域から低い水ポテンシャルの領域へ移動する。
      • 式(水ポテンシャル): $\psi = \psi_p + \psi_s$
        • ここで:
        • $\psi_p$ = 圧力ポテンシャル
        • $\psi_s$ = 溶質ポテンシャル
      • 例: 2.7.A.1:
        • 原生生物の収縮液胞
        • 植物細胞の中心液胞

    学習目標 2.7.B: 浸透調節メカニズムが生物の健康と生存にどのように寄与するかを説明する。

    • 2.7.B.1 成長とホメオスタシスは、分子が膜を通過する持続的な移動によって維持される。
    • 2.7.B.2 浸透調節は水分バランスを維持し、生物が内部の溶質組成とポテンシャルを制御できるようにする。水は低浸透圧または低溶質濃度から高浸透圧または高溶質濃度の領域へ移動する。
      • 数式(溶液の溶質ポテンシャル): $\psi_s = -iCRT$
        • ここで:
        • $i$ = 電離定数
        • $C$ = モル濃度
        • $R$ = 圧力が一定 $\left(R = 0.0831 \dfrac{L \cdot bars}{mol \cdot K}\right)$
        • $T$ = ケルビン温度 (°C + 273)

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨出典: College Board AP コースおよび試験説明書⁩

    English

    Osmosis 渗透 is the diffusion of water across a membrane. Tonicity 张力 compares solute concentrations: in a hypotonic 低渗 solution a cell gains water (may burst); in a hypertonic 高渗 one it loses water (shrinks); in an isotonic 等渗 one there is no net change. Water potential 水势 predicts the direction of water movement (water moves to lower water potential), and is the sum of a pressure term and a solute term: $\Psi=\Psi_p+\Psi_s$, where the solute potential $\Psi_s=-iCRT$. Osmoregulation 渗透调节 is how organisms control this balance.

    Worked example. For a $0.1\,\text{M}$ sucrose solution ($i=1$) in an open beaker (so pressure potential $\Psi_p=0$) at $25\,°\text{C}$ ($T=298\,\text{K}$, $R=0.0831\ \text{L}\cdot\text{bar/mol}\cdot\text{K}$): $\Psi_s=-iCRT=-(1)(0.1)(0.0831)(298)\approx-2.48\ \text{bar}$, so $\Psi\approx-2.48\ \text{bar}$. A plant cell whose interior is $\Psi=-1.0\ \text{bar}$ sits in this solution: since the solution is more negative, water moves out of the cell into the solution, and the cell loses turgor.

    日本語
    高張溶液における赤玉ねぎ細胞:膜が壁から引き離される(塑性分離)
    高張溶液における赤玉ねぎ細胞:膜が壁から引き離される(塑性分離)

    浸透とは、水分子が膜を通過して拡散する現象です。浸透圧は溶質濃度を比較する指標です:低張溶液中では細胞は水分を吸収し(破裂する可能性があります)、高張溶液中では水分を失い(収縮する)、等張溶液中では正味の変化はありません。ポテンシャル水位は水の移動方向を予測します(水は低いポテンシャル水位の方向へ移動)。これは圧力項と溶質項の和として表され、式 $\Psi=\Psi_p+\Psi_s$ で示されます。ここで溶質ポテンシャル $\Psi_s=-iCRT$ です。浸透調節とは、生物がこのバランスを制御する方法を指します。

    異なる水ポテンシャルの溶液に対する植物細胞と動物細胞の反応
    異なる水ポテンシャルの溶液に対する植物細胞と動物細胞の反応

    ** worked example.** $0.1\,\text{M}$ のスクロース溶液($i=1$)が開いたビーカー内(圧力ポテンシャル $\Psi_p=0$)で、温度 $25\,°\text{C}$ ($T=298\,\text{K}$, $R=0.0831\ \text{L}\cdot\text{bar/mol}\cdot\text{K}$)にある場合:$\Psi_s=-iCRT=-(1)(0.1)(0.0831)(298)\approx-2.48\ \text{bar}$ となるため、$\Psi\approx-2.48\ \text{bar}$ となります。内部が $\Psi=-1.0\ \text{bar}$ の植物細胞がこの溶液に置かれると、溶液の方がより負の値であるため、水は細胞から排出されて溶液側へ移動し、細胞は膨圧を失います。

    Explore · ⁨探索⁩

    Watch water move by osmosis · ⁨浸透による水の移動を見る⁩

    Water moves across the membrane from high water potential to low, toward the more concentrated (hypertonic) side. Set the concentrations and watch which way the cell swells or shrinks. · ⁨水は膜を高い水ポテンシャルから低い方へ、より濃度が高い(高張)側へ移動する。濃度を設定して、細胞が膨張するか収縮するかを見る。⁩

    2.8

    Mechanisms of Membrane Transport · ⁨膜輸送のメカニズム⁩

    Syllabus · ⁨シラバス⁩
    English

    Big Idea 2 — Energetics (ENE): Biological systems use energy and molecular building blocks to grow, reproduce, and maintain dynamic homeostasis.

    Learning Objective 2.8.A: Describe the processes that allow ions and other molecules to move across membranes.

    • 2.8.A.1 Metabolic energy (such as that from ATP) is required for active transport of molecules across the membrane and to establish and maintain electrochemical gradients.
      • i. Membrane proteins are necessary for active transport.
      • ii. The $\mathrm{Na^+}/\mathrm{K^+}$ pump and ATPase contribute to the maintenance of the membrane potential.
    日本語

    Big Idea 2 — エネルギー学 (ENE): 生物系はエネルギーおよび分子構築材料を用いて、成長、繁殖、動的恒常性の維持を行う。

    学習目標 2.8.A: イオンやその他の分子が膜を通過して移動するプロセスを説明する。

    • 2.8.A.1 分子の能動輸送および電気化学勾配の形成・維持には、代謝エネルギー(ATP由来など)が必要である。
      • i. 能動輸送には膜タンパク質が必要である。
      • ii. $\mathrm{Na^+}/\mathrm{K^+}$ポンプとATPアーゼは膜電位の維持に寄与する。

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨出典: College Board AP コースおよび試験説明書⁩

    English

    Large materials move in bulk by vesicles: endocytosis 内吞 brings material in (the membrane engulfs it), and exocytosis 外排 sends material out (a vesicle fuses with the membrane). Both require energy and let cells import and secrete large molecules.

    日本語

    大きな物質は小胞体による塊での移動(bulk transport)によって運ばれます:エンドサイトーシスは物質を取り込む過程(膜が物質を包み込みます)、エキソサイトーシスは物質を放出する過程(小胞体が膜と融合します)です。どちらもエネルギーを必要とし、細胞が巨大な分子を取り込み・分泌することを可能にします。

    エンドサイトーシスは物質を取り込み、エキソサイトーシスは外部へ放出する
    エンドサイトーシスは物質を取り込み、エキソサイトーシスは外部へ放出する
    Vocabulary · ⁨語彙⁩ Train · ⁨練習する⁩
    English 日本語
    exocytosis/eɡˌzɒsɪˈtəʊsɪs/ 分泌作用
    compartments/kəmˈpɑːtmənts/ 区画
    endosymbiotic theory/ˌendəʊˌsɪmbaɪˈɒtɪk ˈθɪəri/ 内共生説
    ribosomal RNA (rRNA)/ˈrɪbəsɒml ˌɑː en ˈeɪ/ リボソームRNA (rRNA)
    2.9

    Compartmentalization Inside the Cell · ⁨細胞内の区画化⁩

    Syllabus · ⁨シラバス⁩
    English

    Big Idea 2 — Energetics (ENE): Biological systems use energy and molecular building blocks to grow, reproduce, and maintain dynamic homeostasis.

    Learning Objective 2.9.A: Describe the membrane-bound structures of the eukaryotic cell.

    • 2.9.A.1 Membranes and membrane-bound organelles in eukaryotic cells compartmentalize intracellular metabolic processes and specific enzymatic reactions.

    Learning Objective 2.9.B: Explain how internal membranes and membrane-bound organelles contribute to compartmentalization of eukaryotic cell functions.

    • 2.9.B.1 Internal membranes facilitate cellular processes by minimizing competing interactions and by increasing the surface area where reactions can occur.
    日本語

    Big Idea 2 — エネルギー学 (ENE): 生物系はエネルギーおよび分子構築材料を用いて、成長、繁殖、動的恒常性の維持を行う。

    学習目標 2.9.A: 真核細胞の膜結合構造を説明する。

    • 2.9.A.1 真核細胞における膜および膜結合小器官は、細胞内代謝プロセスや特定の酵素反応を区画化する。

    学習目標 2.9.B: 内部膜および膜結合小器官が真核細胞の機能の区画化にどのように寄与するかを説明する。

    • 2.9.B.1 内部膜は競合する相互作用を最小限に抑え、反応が起こる表面積を増やすことで、細胞プロセスを促進する。

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨出典: College Board AP コースおよび試験説明書⁩

    English

    Membranes create separate compartments 区室 so incompatible reactions can run at once and conditions (pH, ion levels) can be tuned locally. This organization boosts efficiency – the internal membranes also add surface area for reactions.

    日本語

    膜は互いに干渉しない反応を同時に進行させ、条件(pHやイオン濃度など)を局所的に調整できる独立した区画を形成しています。この組織化により効率が向上し、内部膜は反応のための表面積も増やします。

    2.10

    The Origins of Cell Compartmentalization · ⁨細胞区画化の起源⁩

    Syllabus · ⁨シラバス⁩
    English

    Big Idea 1 — Evolution (EVO): The process of evolution drives the diversity and unity of life.

    Learning Objective 2.10.A: Describe similarities and/or differences in compartmentalization between prokaryotic and eukaryotic cells.

    • 2.10.A.1 Membrane-bound organelles such as mitochondria and chloroplasts evolved from once free-living prokaryotic cells via endosymbiosis.
    • 2.10.A.2 Prokaryotes typically lack internal membrane-bound organelles but have internal regions with specialized structures and functions.
    • 2.10.A.3 Eukaryotic cells maintain internal membranes that partition the cell into specialized regions.
    日本語

    Big Idea 1 — 進化 (EVO): 進化のプロセスが生命の多様性と統一性を駆動する。

    学習目標 2.10.A: 原核細胞と真核細胞の間の区画化の類似点および/または相違点を記述する。

    • 2.10.A.1 ミトコンドリアやクロロプラストなどの膜付着小器官は、内生共生によってかつて自由生活していた原核細胞から進化した。
    • 2.10.A.2 原核生物は通常、内部の膜付着小器官を持たないが、特殊な構造と機能を持つ内部領域を持っている。
    • 2.10.A.3 真核細胞は、細胞を特殊化した領域に区画化する内部膜を維持している。

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨出典: College Board AP コースおよび試験説明書⁩

    English

    The endosymbiotic theory 内共生学说 explains mitochondria and chloroplasts: they arose when a larger cell engulfed free-living prokaryotes that then lived inside it. The evidence – their own circular DNA, their own ribosomes, and double membranes – supports this shared evolutionary origin.

    日本語

    共生説はミトコンドリアと葉緑体の起源を説明しており、これらは大型細胞が自由生活する原核生物を取り込み、その内部に定着した結果生じたと考えられています。独自の環状DNA、独自のリボソーム、二重膜という証拠は、これらの共通の進化的起源を裏付けています。

    2.10

    Exam tips · ⁨試験対策⁩

    English
    • Use the two AP-formula skills: surface-area-to-volume ratio (why cells stay small) and water potential $\Psi=\Psi_p+\Psi_s$ ($\Psi_s=-iCRT$).
    • Water moves toward the lower (more negative) water potential; predict swelling or shrinking from tonicity (hypo/hyper/isotonic).
    • Passive transport and osmosis need no energy (down the gradient); active transport needs ATP (against the gradient).
    • Distinguish diffusion, facilitated diffusion (a channel/carrier protein), and active transport.
    • Explain membrane selectivity from the phospholipid bilayer — small non-polar molecules cross, large/charged ones need help.
    日本語
    • AP試験形式の2つのスキルを用いること:表面積対体積比(細胞が小型である理由)とポテンシャル水位 $\Psi=\Psi_p+\Psi_s$ ($\Psi_s=-iCRT$)。
    • 水は低い(より負の)ポテンシャル水位の方向へ移動します。浸透圧(低張・高張・等張)に基づいて膨潤または収縮を予測すること。
    • 受動輸送と浸透はエネルギーを要せず(濃度勾配に従う)、能動輸送はATPを必要とする(濃度勾配に逆らう)。
    • 拡散、促進拡散(チャネル/キャリアタンパク質を伴う)、能動輸送を区別すること。
    • ホスホリピド二重層からの膜の選択的透過性を説明すること。小さな非極性分子は通過できるが、大きい分子や電荷を持つ分子は補助が必要である。
  • 3

    Cellular Energetics · ⁨細胞エネルギー代謝⁩

    Watch lesson · ⁨レッスンを視聴⁩
    3.1

    Enzymes as Biological Catalysts

    Syllabus · ⁨シラバス⁩
    English

    Big Idea 2 — Energetics: Biological systems use energy and molecular building blocks to grow, reproduce, and maintain dynamic homeostasis.

    Learning Objective 3.1.A: Explain how enzymes affect the rate of biological reactions.

    • 3.1.A.1 The structure and function of enzymes contribute to the regulation of biological processes. Enzymes are proteins that are biological catalysts that facilitate chemical reactions in cells by lowering the activation energy.
    • 3.1.A.2 For an enzyme-mediated chemical reaction to occur, the shape and charge of the substrate must be compatible with the active site of the enzyme. This is illustrated by the enzyme-substrate complex model.
    日本語

    Big Idea 2 — エネルギー学: 生物系はエネルギーと分子の構成要素を用いて成長し、繁殖し、動的な恒常性を維持する。

    学習目標 3.1.A: 酵素が生物反応の速度にどう影響するかを説明する。

    • 3.1.A.1 酵素の構造と機能は生物プロセスの調節に寄与する。酵素は活性化エネルギーを低下させることで細胞内の化学反応を促進する生体触媒であるタンパク質である。
    • 3.1.A.2 酵素を介した化学反応が起こるためには、基質の形状と電荷が酵素の活性部位と互換性でなければならない。これは酵素-基質複合体モデルによって示される。

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨出典: College Board AP コースおよび試験説明書⁩

    English

    An enzyme 酶 is a protein catalyst 催化剂 that speeds a reaction by lowering its activation energy 活化能, without being used up. Each enzyme has an active site 活性位点 that binds a specific substrate 底物 (the "lock and key" or induced fit), so enzymes are highly specific. They do not change whether a reaction is favorable – only how fast it goes.

    日本語
    Biological washing powder uses enzymes that work at moderate temperature and pH
    Biological washing powder uses enzymes that work at moderate temperature and pH

    An enzyme 酶 is a protein catalyst 催化剂 that speeds a reaction by lowering its activation energy 活化能, without being used up. Each enzyme has an active site 活性位点 that binds a specific substrate 底物 (the "lock and key" or induced fit), so enzymes are highly specific. They do not change whether a reaction is favorable – only how fast it goes.

    An enzyme lowers the activation energy of a reaction
    An enzyme lowers the activation energy of a reaction
    The lock-and-key and induced-fit models of enzyme action
    The lock-and-key and induced-fit models of enzyme action
    Explore · ⁨探索⁩

    Raise substrate and watch the rate saturate · ⁨基質を増やして反応速度の飽和を見る⁩

    An enzyme speeds a reaction by lowering activation energy. As substrate rises the rate climbs, then levels off once every active site is busy (saturation). · ⁨酵素は活性化エネルギーを下げることで反応を加速させる。基質が増加すると速度は上昇するが、すべての活性部位が使われ饱和すると水平になる。⁩

    Vocabulary · ⁨語彙⁩ Train · ⁨練習する⁩
    English 日本語
    enzyme/ˈenzaɪm/ 酵素
    catalyst/ˈkætəlɪst/ 触媒
    activation energy/ˌæktɪˈveɪʃn ˈenədʒi/ 活性化エネルギー
    active site/ˈæktɪv saɪt/ active site(活性部位)
    substrate/ˈsʌbstreɪt/ substrate(基質)
    3.2

    Environmental Impacts on Enzyme Function

    Syllabus · ⁨シラバス⁩
    English

    Big Idea 2 — Energetics: Biological systems use energy and molecular building blocks to grow, reproduce, and maintain dynamic homeostasis.

    Learning Objective 3.2.A: Explain how changes to the structure of an enzyme may affect its function.

    • 3.2.A.1 Change to the molecular structure of a component in an enzymatic system may result in a change to its function or efficiency.
      • i. Denaturation of proteins, such as enzymes, occurs when the protein structure is disrupted by a change in temperature, pH, or chemical environment, eliminating the ability to catalyze reactions.
      • ii. Environmental temperatures and pH outside the optimal range for a given enzyme will cause changes to its structure (by disrupting the hydrogen bonds), altering the efficiency with which it catalyzes reactions.
    • 3.2.A.2 In some cases, enzyme denaturation is reversible, allowing the enzyme to regain activity.

    Learning Objective 3.2.B: Explain how the cellular environment affects enzyme activity.

    • 3.2.B.1 The relative concentrations of substrates and products determine how efficiently an enzymatic reaction proceeds.
    日本語

    Big Idea 2 — エネルギー学: 生物系はエネルギーと分子の構成要素を用いて成長し、繁殖し、動的な恒常性を維持する。

    学習目標 3.2.A: 酵素の構造の変化がその機能にどう影響するかを説明する。

    • 3.2.A.1 酵素系構成要素の分子構造の変化は、その機能や効率の変化をもたらすことがある。
      • i. 温度、pH、または化学環境の変化によりタンパク質構造が破壊され、反応触媒能力が失われるとき、酵素などのタンパク質の変性が起こる。
      • ii. 特定の酵素にとって最適範囲外の環境温度やpHは、水素結合の破壊によりその構造を変化させ、反応触媒効率を変える。
    • 3.2.A.2 場合によっては酵素の変性が可逆であり、酵素が活性を取り戻すことができる。

    学習目標 3.2.B: 細胞環境が酵素活性にどう影響するかを説明する。

    • 3.2.B.1 基質と生成物の相対濃度は、酵素反応がどれだけ効率的に進むかを決定する。

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨出典: College Board AP コースおよび試験説明書⁩

    English

    Enzyme activity depends on conditions. Each enzyme has an optimal temperature and pH; beyond it, the protein denatures 变性 (loses shape) and stops working. Substrate concentration raises the rate until the enzyme saturates. Inhibitors 抑制剂 slow enzymes – competitive ones block the active site, noncompetitive ones bind elsewhere and change the shape.

    日本語

    Enzyme activity depends on conditions. Each enzyme has an optimal temperature and pH; beyond it, the protein denatures 变性 (loses shape) and stops working. Substrate concentration raises the rate until the enzyme saturates. Inhibitors 抑制剂 slow enzymes – competitive ones block the active site, noncompetitive ones bind elsewhere and change the shape.

    Each enzyme has an optimum pH
    Each enzyme has an optimum pH
    Rate rises to an optimum temperature, then falls as the enzyme denatures
    Rate rises to an optimum temperature, then falls as the enzyme denatures
    Explore · ⁨探索⁩

    Change temperature and watch enzyme activity · ⁨温度を変化させて酵素活性を見る⁩

    Each enzyme has an optimum temperature and pH. Too cold is slow; too hot denatures the enzyme so its active site loses shape and activity crashes. · ⁨各酵素には最適温度とpHがある。寒すぎると遅くなり、暑すぎると酵素が変性して活性部位の形状を失い、活性は急落する。⁩

    Vocabulary · ⁨語彙⁩ Train · ⁨練習する⁩
    English 日本語
    denatures/ˈdenətʃəz/ 変性する
    Inhibitors/ɪnˈhɪbɪtəz/ 阻害剤
    3.3

    Cellular Energy and ATP

    Syllabus · ⁨シラバス⁩
    English

    Big Idea 2 — Energetics: Biological systems use energy and molecular building blocks to grow, reproduce, and maintain dynamic homeostasis.

    Learning Objective 3.3.A: Describe the role of energy in living organisms.

    • 3.3.A.1 All living systems require an input of energy.
    • 3.3.A.2 Life requires a highly ordered system and does not violate the first and second laws of thermodynamics.
      • i. Energy input must exceed energy loss to maintain order and to power cellular processes.
      • ii. Cellular processes that release energy may be coupled with cellular processes that require energy.
      • iii. Significant loss of order or energy flow results in death.
      • Exclusion statement: Students will need to understand the concept of energy, but the equation for Gibbs free energy is beyond the scope of the AP Exam.
    • 3.3.A.3 Energy-related pathways in biological systems are sequential to allow for a more controlled transfer of energy. A product of a reaction in a metabolic pathway is typically the reactant for the subsequent step in the pathway.

    Learning Objective 3.3.B: Explain how shared, conserved, and fundamental processes and features support the concept of common ancestry for all organisms.

    • 3.3.B.1 Core metabolic pathways (e.g., glycolysis, oxidative phosphorylation) are conserved across all currently recognized domains (Archaea, Bacteria, and Eukarya).
    日本語

    Big Idea 2 — エネルギー学: 生物系はエネルギーと分子の構成要素を用いて成長し、繁殖し、動的な恒常性を維持する。

    学習目標 3.3.A: 生命体におけるエネルギーの役割を説明する。

    • 3.3.A.1 全ての生命系にはエネルギーの投入が必要である。
    • 3.3.A.2 生命は高度に秩序立ったシステムを必要とし、熱力学第一法則および第二法則を違反しない。
      • i. 秩序を維持し細胞プロセスを駆動するためには、エネルギー投入がエネルギー損失を上回っている必要がある。
      • ii. エネルギーを放出する細胞プロセスは、エネルギーを必要とする細胞プロセスと連動することがある。
      • iii. 秩序やエネルギー流の著しい喪失は死につながる。
      • 除外事項: 学生はエネルギーの概念を理解する必要があるが、ギブズ自由エネルギーの数式はAP試験の範囲外である。
    • 3.3.A.3 生物系におけるエネルギー関連経路は順列であるため、より統制的なエネルギー転移が可能である。代謝経路内の反応の生成物は通常、経路の次のステップの反応物となる。

    学習目標 3.3.B: 共有され、保存され、基礎的なプロセスや特徴が、全ての生物の共通祖先という概念をどう支えているかを説明する。

    • 3.3.B.1 核心的な代謝経路(例:解糖系、酸化的リン酸化)は、現在認められているすべてのドメイン(古細菌、細菌、真核生物)にわたって保存されている。

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨出典: College Board AP コースおよび試験説明書⁩

    English

    ATP (adenosine triphosphate) is the cell's energy currency. Energy is stored in its phosphate bonds; breaking off a phosphate (ATP → ADP) releases energy to power cellular work, and reattaching one stores energy. Cells constantly recycle ATP, coupling energy-releasing reactions to energy-requiring ones.

    Life and the laws of thermodynamics

    A living cell is highly ordered, and that order is often mistaken for a violation of physics. It is not.

    • The first law 热力学第一定律 says energy is conserved: it changes form but is never created or destroyed. A cell does not make energy — it transforms the chemical energy of glucose, or the light energy of the Sun, into the chemical energy of ATP.
    • The second law 热力学第二定律 says that in any energy transfer, some energy is lost as heat and the entropy 熵 of the universe increases. A cell builds order inside itself, but only by releasing more disorder to its surroundings, mostly as heat.

    So life requires a constant input of free energy 自由能 from outside. This is why an organism cut off from its energy source dies: maintaining order is not free, and the moment the input stops, the ordered system runs down.

    日本語

    ATP (adenosine triphosphate) is the cell's energy currency. Energy is stored in its phosphate bonds; breaking off a phosphate (ATP → ADP) releases energy to power cellular work, and reattaching one stores energy. Cells constantly recycle ATP, coupling energy-releasing reactions to energy-requiring ones.

    The ATP-ADP cycle stores and releases energy
    The ATP-ADP cycle stores and releases energy

    Life and the laws of thermodynamics

    A living cell is highly ordered, and that order is often mistaken for a violation of physics. It is not.

    • The first law 热力学第一定律 says energy is conserved: it changes form but is never created or destroyed. A cell does not make energy — it transforms the chemical energy of glucose, or the light energy of the Sun, into the chemical energy of ATP.
    • The second law 热力学第二定律 says that in any energy transfer, some energy is lost as heat and the entropy 熵 of the universe increases. A cell builds order inside itself, but only by releasing more disorder to its surroundings, mostly as heat.

    So life requires a constant input of free energy 自由能 from outside. This is why an organism cut off from its energy source dies: maintaining order is not free, and the moment the input stops, the ordered system runs down.

    Vocabulary · ⁨語彙⁩ Train · ⁨練習する⁩
    English 日本語
    The first law/ðə fɜːst lɔː/ 第一法則
    The second law/ðə ˈsekənd lɔː/ 第二法則
    entropy/ˈentrəpi/ エントロピー
    constant input of free energy/ˈkɒnstənt ˈɪnpʊt ɒv friː ˈenədʒi/ 自由エネルギーの一定供給
    3.4

    Photosynthesis

    Syllabus · ⁨シラバス⁩
    English

    Big Idea 2 — Energetics: Biological systems use energy and molecular building blocks to grow, reproduce, and maintain dynamic homeostasis.

    Learning Objective 3.4.A: Describe the photosynthetic processes and structural features of the chloroplast that allow organisms to capture and store energy.

    • 3.4.A.1 Photosynthesis is the series of reactions that use carbon dioxide $(\mathrm{CO_2})$, water $(\mathrm{H_2O})$, and light energy to make carbohydrates and oxygen $(\mathrm{O_2})$.
      • i. Photosynthetic organisms capture energy from the sun and produce sugars that can be used in biological processes or stored.
      • ii. Photosynthesis first evolved in prokaryotic organisms.
      • iii. Scientific evidence supports the claim that prokaryotic (cyanobacterial) photosynthesis was responsible for the production of an oxygenated atmosphere.
      • iv. Prokaryotic photosynthetic pathways were the foundation of eukaryotic photosynthesis.
      • Exclusion statement: Memorization of the steps in the Calvin cycle, the structure of the molecules, and the names of the enzymes involved, with the exception of ATP synthase, is beyond the scope of the AP Exam.
    • 3.4.A.2 Stroma and thylakoids are found within the chloroplast.
      • i. The stroma is the fluid within the inner chloroplast membrane and outside the thylakoid. The carbon fixation (Calvin cycle) reactions of photosynthesis occur in the stroma.
      • ii. The thylakoid membranes contain chlorophyll pigments organized into two photosystems, as well as electron transport proteins.
      • iii. Thylakoids are organized in stacks called grana. The light reactions of photosynthesis occur in the grana.
    • 3.4.A.3 The light reactions of photosynthesis in eukaryotes involve a series of coordinated reaction pathways that capture energy present in light to yield ATP and NADPH, which power the production of organic molecules in the Calvin cycle. This provides energy for metabolic processes.

    Learning Objective 3.4.B: Explain how cells capture energy from light and transfer it to biological molecules for storage and use.

    • 3.4.B.1 Electron transport chain (ETC) reactions occur in chloroplasts, in mitochondria, and across prokaryotic plasma membranes. In photosynthesis, electrons that pass through the thylakoid membrane are picked up and ultimately transferred to $\mathrm{NADP^+}$ reducing it to NADPH in photosystem I.
      • Exclusion statement: The full names of the specific electron carriers in the electron transport chain are beyond the scope of the AP Exam.
      • Exclusion statement: Specific steps, names of enzymes, and intermediates of the pathways for these processes are beyond the scope of this course and the AP Exam.
    • 3.4.B.2 During photosynthesis, chlorophylls absorb energy from light, boosting electrons to a higher energy level in photosystems I and II. Water then splits, supplying electrons to replace those lost from photosystem II.
    • 3.4.B.3 Photosystems I and II are embedded in the thylakoid membranes of chloroplasts and are connected by the transfer of electrons through an ETC.
    • 3.4.B.4 When electrons are transferred between molecules in a series of oxidation/reduction reactions as they pass through the ETC, an electrochemical gradient of protons (hydrogen ions) is established across the thylakoid membrane. The membrane separates a region of low proton concentration outside the thylakoid membrane from a region of high proton concentration inside the thylakoid membrane.
    • 3.4.B.5 The formation of the proton gradient is linked to the synthesis of ATP from ADP and inorganic phosphate via ATP synthase. The flow of protons back through membrane-bound ATP synthase by chemiosmosis drives the formation of ATP from ADP and inorganic phosphate; this is known as photophosphorylation.
    • 3.4.B.6 The energy captured in the light reactions and transferred to ATP and NADPH powers the production of carbohydrates from carbon dioxide in the Calvin cycle. This occurs in the stroma of the chloroplast.
    日本語

    Big Idea 2 — エネルギー学: 生物系はエネルギーと分子の構成要素を用いて成長し、繁殖し、動的な恒常性を維持する。

    学習目標 3.4.A: 生物がエネルギーを捕獲・貯留できる光合成のプロセスおよび葉緑体の構造的特徴を説明する。

    • 3.4.A.1 光合成は、炭酸ガス $(\mathrm{CO_2})$、水 $(\mathrm{H_2O})$、および光エネルギーを用いて炭水化物と酸素 $(\mathrm{O_2})$を生成する一連の反応である。
      • i. 光合成生物は太陽からのエネルギーを捕獲し、生物プロセスで使用したり貯蓄したりできる糖を産生する。
      • ii. 光合成は最初に原核生物において進化した。
      • iii. 原核生物(シアノバクテリア)の光合成が酸素を含む大気の形成をもたらしたという主張は、科学的証拠によって支持されている。
      • iv. 原核生物の光合成経路は、真核生物の光合成の基盤となった。
      • 除外事項: カルビン回路のプロセス、分子の構造、関連酵素の名前の暗記はAP試験の範囲外である(ATP合成酵素を除く)。
    • 3.4.A.2 ストロマとチラコイドは、葉緑体内部に存在する。
      • i. ストロマとは、葉緑体の内膜の内側かつチラコイドの外側にある液状部分である。光合成の炭素固定(カルビン回路)反応はストロマ内で起こる。
      • ii. チラコイド膜には、2つの光系に組織化されたクロロフィル色素および電子輸送タンパク質が含まれる。
      • iii. チラコイドはグラナと呼ばれる層状構造を形成している。光合成の光反応はグラナで起こる。
    • 3.4.A.3 真核生物の光合成における光反応は、光に含まれるエネルギーを捕獲してATPとNADPHを生成し、これらがカルビン回路での有機物産生を駆動する、一連の調整された反応経路を伴う。これにより代謝プロセスに必要なエネルギーが供給される。

    学習目標 3.4.B: 細胞が光からエネルギーを捕獲し、それを保存・利用するための生物学的分子へ転送する方法を説明せよ。

    • 3.4.B.1 電子伝達系(ETC)反応は、葉緑体、ミトコンドリア、および原核生物の細胞質膜において起こる。光合成において、チラコイド膜を通過する電子は捕獲され、最終的に $\mathrm{NADP^+}$ に受け渡されて還元され、光系IでNADPHとなる。
      • 除外事項: 電子伝達鎖における特定の電子キャリアの完全な名称はAP試験の範囲外である。
      • 除外事項: これらのプロセスに関する経路の具体的な段階、酵素名、中間体については、本コースおよびAP試験の範囲外である。
    • 3.4.B.2 光合成中、クロロフィルは光からのエネルギーを吸収し、光系IおよびII内で電子を高エネルギー準位に励起させる。その後、水が分解され、光系IIから失われた電子を補給するために電子が供給される。
    • 3.4.B.3 光系IおよびIIは、葉緑体のチラコイド膜に埋め込まれており、ETCを介した電子の移動によって接続されている。
    • 3.4.B.4 ETCを通過する際に、酸化還元反応の一連の中で分子間で電子が移動すると、チラコイド膜を挟んでプロトン(水素イオン)の電気化学的勾配が形成される。この膜は、チラコイド膜の外側の低プロトン濃度領域と、チラコイド膜の内側の高プロトン濃度領域を分離している。
    • 3.4.B.5 プロトン勾配の形成は、ATP合成酵素を介してADPおよび無機リン酸からATPが合成されることと連結されている。化学浸透によって膜結合型ATP合成酵素を介してプロトンが流れ戻り、ADPおよび無機リン酸からATPが生成される。これを光燻化と呼ぶ。
    • 3.4.B.6 光反応で捕獲されATPおよびNADPHへ転送されたエネルギーは、カルビン回路における炭酸ガスからの炭水化物産生を駆動する。これは葉緑体のストロマで起こる。

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨出典: College Board AP コースおよび試験説明書⁩

    English

    Photosynthesis 光合作用 captures light energy to build sugar from $\text{CO}_2$ and water, releasing $\text{O}_2$. It has two stages:

    • The light reactions (in the thylakoid membranes) use light to make ATP and NADPH and split water, releasing oxygen.
    • The Calvin cycle 卡尔文循环 (in the stroma) uses that ATP and NADPH to fix $\text{CO}_2$ into sugar.

    So light energy becomes chemical energy stored in glucose.

    Where the oxygen in the air came from

    Photosynthesis did not only feed the first organisms; it changed the planet. Scientific evidence supports the claim that photosynthesis by prokaryotes 原核生物 — specifically cyanobacteria 蓝细菌 — produced the oxygen that built Earth's oxygenated atmosphere 含氧大气.

    The evidence is physical: banded iron formations 条带状铁建造 in rocks about 2.4 billion years old record iron dissolved in the ocean being oxidised and precipitating out, which needs free oxygen. Before that event, called the Great Oxidation Event, the atmosphere held almost none.

    Two consequences matter for the rest of the course. Free oxygen made aerobic respiration possible, which releases far more ATP per glucose than anaerobic pathways do. And it was lethal to much of the anaerobic life already present, so it counts as one of the largest extinction events in Earth's history — an early example of organisms changing their own environment.

    日本語
    Chloroplasts fill plant mesophyll cells — the organelles of photosynthesis
    Chloroplasts fill plant mesophyll cells — the organelles of photosynthesis

    Photosynthesis 光合作用 captures light energy to build sugar from $\text{CO}_2$ and water, releasing $\text{O}_2$. It has two stages:

    The two stages of photosynthesis are linked by ATP and NADPH
    The two stages of photosynthesis are linked by ATP and NADPH
    • The light reactions (in the thylakoid membranes) use light to make ATP and NADPH and split water, releasing oxygen.
    • The Calvin cycle 卡尔文循环 (in the stroma) uses that ATP and NADPH to fix $\text{CO}_2$ into sugar.

    So light energy becomes chemical energy stored in glucose.

    Where the oxygen in the air came from

    Photosynthesis did not only feed the first organisms; it changed the planet. Scientific evidence supports the claim that photosynthesis by prokaryotes 原核生物 — specifically cyanobacteria 蓝细菌 — produced the oxygen that built Earth's oxygenated atmosphere 含氧大气.

    The evidence is physical: banded iron formations 条带状铁建造 in rocks about 2.4 billion years old record iron dissolved in the ocean being oxidised and precipitating out, which needs free oxygen. Before that event, called the Great Oxidation Event, the atmosphere held almost none.

    Two consequences matter for the rest of the course. Free oxygen made aerobic respiration possible, which releases far more ATP per glucose than anaerobic pathways do. And it was lethal to much of the anaerobic life already present, so it counts as one of the largest extinction events in Earth's history — an early example of organisms changing their own environment.

    Vocabulary · ⁨語彙⁩ Train · ⁨練習する⁩
    English 日本語
    Photosynthesis/ˌfəʊtəʊˈsɪnθəsɪs/ 光合成
    Calvin cycle/ˈkælvɪn ˈsaɪkl/ カルビン回路
    prokaryotes/ˈprɒkərɪəʊts/ 原核生物
    cyanobacteria/ˌsaɪəˌnɒbəkˈtɪərɪə/ シアノバクテリア
    oxygenated atmosphere/ˈɒksɪdʒeneɪtɪd ˈætməsfɪə/ 酸素大気
    banded iron formations/ˈbændɪd ˈaɪən fɔːˈmeɪʃnz/ 層状鉄鉱床
    3.5

    Cellular Respiration

    Syllabus · ⁨シラバス⁩
    English

    Big Idea 2 — Energetics: Biological systems use energy and molecular building blocks to grow, reproduce, and maintain dynamic homeostasis.

    Learning Objective 3.5.A: Describe the processes and structural features of mitochondria that allow organisms to use energy stored in biological macromolecules.

    • 3.5.A.1 Cellular respiration uses energy from biological macromolecules to synthesize ATP. Respiration and fermentation are characteristic of all forms of life.
    • 3.5.A.2 Aerobic cellular respiration in eukaryotes involves a series of coordinated enzyme-catalyzed reactions that capture energy from biological macromolecules.
    • 3.5.A.3 The ETC transfers electrons in a series of oxidation-reduction reactions that establish an electrochemical gradient across membranes.
      • i. In cellular respiration, electrons delivered by NADH and $\mathrm{FADH_2}$ are passed to a series of electron acceptors as they move toward the terminal electron acceptor, oxygen. Aerobic prokaryotes use oxygen as a terminal electron acceptor, while anaerobic prokaryotes use other molecules.
      • ii. The transfer of electrons, through the ETC, is accompanied by the formation of a proton gradient across the inner mitochondrial membrane, with the membrane(s) separating a region of high proton concentration outside the membrane from a region of low proton concentration inside the membrane. The folding of the inner membrane increases the surface area, which allows for more ATP to be synthesized. In prokaryotes, the passage of electrons is accompanied by the movement of protons across the plasma membrane.
      • iii. The flow of protons back through membrane-bound ATP synthase by chemiosmosis drives the formation of ATP from ADP and inorganic phosphate. This is known as oxidative phosphorylation in aerobic cellular respiration.
      • iv. In aerobic cellular respiration, decoupling oxidative phosphorylation from electron transport generates heat. This heat can be used by endothermic organisms to regulate body temperature.
      • Exclusion statement: The full names of the specific electron carriers in the electron transport chain are beyond the scope of the AP Exam.
      • Exclusion statement: Specific steps, names of enzymes, and intermediates of the pathways for these processes are beyond the scope of this course and the AP Exam.

    Learning Objective 3.5.B: Explain how cells obtain energy from biological macromolecules in order to power cellular functions.

    • 3.5.B.1 Glycolysis is a biochemical pathway that releases the energy in glucose molecules to form ATP (from ADP and inorganic phosphate), NADH (from $\mathrm{NAD^+}$), and pyruvate.
    • 3.5.B.2 Pyruvate is transported from the cytosol to the mitochondrion where oxidation occurs. This process releases electrons during the Krebs (citric acid) cycle, reducing $\mathrm{NAD^+}$ to NADH and FAD to $\mathrm{FADH_2}$, and releasing $\mathrm{CO_2}$.
    • 3.5.B.3 The Krebs cycle takes place in the mitochondrial matrix. During the Krebs cycle, carbon dioxide is released from organic intermediates, ATP is synthesized from ADP and inorganic phosphate, and electrons are transferred by the coenzymes $\mathrm{NAD^+}$ and FAD.
    • 3.5.B.4 Electrons extracted in glycolysis and Krebs cycle reactions are transferred by NADH and $\mathrm{FADH_2}$ to the ETC in the inner mitochondrial membrane.
    • 3.5.B.5 When electrons are transferred between molecules in a sequence of reactions as they pass through the ETC, an electrochemical gradient of protons (hydrogen ions) across the inner mitochondrial membrane is established. The pH inside the mitochondrial matrix is higher than in the intermembrane space.
    • 3.5.B.6 Fermentation allows glycolysis to proceed in the absence of oxygen and produces organic molecules such as alcohol and lactic acid.
      • Exclusion statement: Memorization of the steps in glycolysis and the Krebs cycle, and of the structures of the molecules and the names of the enzymes involved, is beyond the scope of this course and the AP Exam.
    日本語

    Big Idea 2 — エネルギー学: 生物系はエネルギーと分子の構成要素を用いて成長し、繁殖し、動的な恒常性を維持する。

    学習目標 3.5.A: 生物が生物学的マクロ分子に蓄えられたエネルギーを利用できるようにするミトコンドリアのプロセスおよび構造的特徴を記述せよ。

    • 3.5.A.1 細胞呼吸は、生物学的マクロ分子由来のエネルギーを用いてATPを合成する。呼吸および発酵は、すべての生命形式に共通する特性である。
    • 3.5.A.2 真核生物の好気性細胞呼吸は、生物学的マクロ分子からのエネルギーを捕獲する一連の酵素触媒反応を伴う。
    • 3.5.A.3 ETCは、酸化還元反応の一連を通じて電子を移動させ、膜を挟んで電気化学的勾配を形成する。
      • i. 細胞呼吸において、NADHおよび $\mathrm{FADH_2}$ が運搬する電子は、最終電子受容体である酸素に向かって移動する一連の電子受容体に受け渡される。好気性原核生物は酸素を最終電子受容体として用い、嫌気性原核生物は他の分子を用いる。
      • ii. 電子の移動(ETCを介して)は、膜の外側の高プロトン濃度領域と膜の内側の低プロトン濃度領域を分離する膜を挟んでプロトン勾配が形成されることに伴う。内膜の折り曲げは表面積を増加させ、より多くのATPを合成することを可能にする。原核生物では、電子の通過に伴ってプロトンが細胞質膜を越えて移動する。
      • iii. 化学浸透によって膜結合型ATP合成酵素を介してプロトンが流れ戻り、ADPおよび無機リン酸からATPが生成される。これを好気性細胞呼吸における酸化燻化と呼ぶ。
      • iv. 好気性細胞呼吸において、酸化燫化と電子伝達を解離させると熱が発生する。この熱は温血動物が体温を調節するために使用されることがある。
      • 除外事項: 電子伝達鎖における特定の電子キャリアの完全な名称はAP試験の範囲外である。
      • 除外事項: これらのプロセスに関する経路の具体的な段階、酵素名、中間体については、本コースおよびAP試験の範囲外である。

    学習目標 3.5.B: 細胞が細胞機能を駆動するために生物学的マクロ分子からエネルギーを得る方法を説明せよ。

    • 3.5.B.1 グリコlysysis(糖解)は、グルコース分子中のエネルギーを放出してATP(ADPおよび無機リン酸から)、NADH($\mathrm{NAD^+}$ から)、およびピルビン酸を生成する生化学的経路である。
    • 3.5.B.2 ピルビン酸は細胞質からミトコンドリアへ輸送され、そこで酸化が行われる。このプロセスではクレブス(クエン酸)回路中に電子が放出され、$\mathrm{NAD^+}$がNADHに、FADが$\mathrm{FADH_2}$に還元され、$\mathrm{CO_2}$が放出される。
    • 3.5.B.3 クレブス回路はミトコンドリア基质で起こる。クレブス回路中、有機中間体から二酸化炭素が放出され、ADPと無機リン酸からATPが合成され、共酵素である$\mathrm{NAD^+}$およびFADによって電子が移動する。
    • 3.5.B.4 糖解系およびクレブス回路の反応で抽出された電子は、NADHおよび$\mathrm{FADH_2}$によってミトコンドリア内膜上のETCへ伝達される。
    • 3.5.B.5 電子がETCを通過しながら一連の反応内で分子間で移動すると、ミトコンドリア内膜を挟んでプロトン(水素イオン)の電気化学勾配が形成される。ミトコンドリア基质内のpHは、膜間空間よりも高い。
    • 3.5.B.6 発酵は酸素がない状態でも糖解系を進行させ、アルコールや乳酸のような有機分子を生産する。
      • 除外事項: 糖解系およびクレブス回路の各段階、関連する分子の構造、および関与する酵素の名前の暗記は、本コースおよびAP試験の対象外である。

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨出典: College Board AP コースおよび試験説明書⁩

    English

    Cellular respiration 细胞呼吸 releases the energy in glucose to make ATP, mostly using oxygen. Its stages:

    • Glycolysis 糖酵解 (in the cytoplasm) splits glucose, making a little ATP.
    • The Krebs cycle 克雷布斯循环 (mitochondrial matrix) releases $\text{CO}_2$ and loads electron carriers.
    • The electron transport chain 电子传递链 (inner membrane) uses those electrons to pump protons and make most of the ATP, with oxygen as the final electron acceptor.

    Without oxygen, cells use fermentation 发酵 to keep glycolysis running, making far less ATP. Photosynthesis and respiration are complementary – the products of one are the reactants of the other.

    Worked example. Aerobic respiration of one glucose nets about 2 ATP from glycolysis, 2 ATP from the Krebs cycle, and about 28 ATP from oxidative phosphorylation, for $\approx$ 32 ATP total. With no oxygen only glycolysis runs, so fermentation nets just 2 ATP per glucose — roughly 16 times less energy, which is why aerobic pathways dominate in oxygen-rich cells.

    日本語
    TEM of a mitochondrion: folded inner membrane (cristae) multiplies surface for respiration
    TEM of a mitochondrion: folded inner membrane (cristae) multiplies surface for respiration

    Cellular respiration 细胞呼吸 releases the energy in glucose to make ATP, mostly using oxygen. Its stages:

    The stages of aerobic respiration and where in the cell they happen
    The stages of aerobic respiration and where in the cell they happen
    • Glycolysis 糖酵解 (in the cytoplasm) splits glucose, making a little ATP.
    • The Krebs cycle 克雷布斯循环 (mitochondrial matrix) releases $\text{CO}_2$ and loads electron carriers.
    • The electron transport chain 电子传递链 (inner membrane) uses those electrons to pump protons and make most of the ATP, with oxygen as the final electron acceptor.

    Without oxygen, cells use fermentation 发酵 to keep glycolysis running, making far less ATP. Photosynthesis and respiration are complementary – the products of one are the reactants of the other.

    Worked example. Aerobic respiration of one glucose nets about 2 ATP from glycolysis, 2 ATP from the Krebs cycle, and about 28 ATP from oxidative phosphorylation, for $\approx$ 32 ATP total. With no oxygen only glycolysis runs, so fermentation nets just 2 ATP per glucose — roughly 16 times less energy, which is why aerobic pathways dominate in oxygen-rich cells.

    Vocabulary · ⁨語彙⁩ Train · ⁨練習する⁩
    English 日本語
    Cellular respiration/ˈseljʊlə ˌrespɪˈreɪʃn/ 細胞呼吸
    Glycolysis/ɡlaɪˈkɒləsɪs/ 糖解系
    Krebs cycle/krebz ˈsaɪkl/ クレブス回路
    electron transport chain/ɪˈlektrɒn ˈtrænspɔːt tʃeɪn/ 電子伝達系
    fermentation/fɜːmənˈteɪʃn/ 発酵
    3.5

    Exam tips

    • An enzyme lowers the activation energy and is not used up; its active site is specific to one substrate (lock and key).
    • Rate rises with temperature only up to the optimum — beyond it the enzyme denatures and the rate falls (unlike an ordinary reaction).
    • Know the ATP↔ADP cycle: breaking a phosphate releases energy to power the cell.
    • Write the overall equations: photosynthesis stores energy (builds glucose); respiration releases it (breaks glucose down) — they are opposites.
    • Match each stage to its location and whether it needs oxygen.
  • 4

    Cell Communication and Cell Cycle · ⁨細胞間通信と細胞周期⁩

    Watch lesson · ⁨レッスンを視聴⁩
    4.1

    Cell Communication

    Syllabus · ⁨シラバス⁩
    English

    Big Idea 3 — Information Storage and Transmission: Living systems store, retrieve, transmit, and respond to information essential to life processes.

    Learning Objective 4.1.A: Describe the ways that cells can communicate with one another.

    • 4.1.A.1 Cells communicate with one another through direct contact with other cells or from a distance via chemical signaling.
      • Illustrative examples for 4.1.A.1:
        • Immune cells interact through cell-to-cell contact, antigen-presenting cells (APCs), helper T-cells, and killer T-cells.

    Learning Objective 4.1.B: Explain how cells communicate with one another over short and long distances.

    • 4.1.B.1 Cells communicate over short distances by using local regulators that target cells in the vicinity of the signal-emitting cell.
      • Illustrative examples for 4.1.B.1:
        • Neurotransmitters
        • Plant immune response
        • Quorum sensing in bacteria
        • Morphogens in embryonic development
    • 4.1.B.2 Signals released by one cell type can travel long distances to target cells of another type.
      • Illustrative examples for 4.1.B.2:
        • Insulin
        • Human growth hormone
        • Thyroid hormones
        • Testosterone
        • Estrogen
    日本語

    Big Idea 3 — 情報の保存と伝達: 生命システムは、生命過程に不可欠な情報を保存し、検索し、伝達し、応答する。

    学習目標 4.1.A: 細胞同士が相互に通信する方法を説明せよ。

    • 4.1.A.1 細胞は、他の細胞との直接接触或通过化学シグナルによる遠隔通信によって相互に信号を送る。
      • 4.1.A.1 の例示:
        • 免疫細胞は細胞間接触により相互作用し、抗原提示細胞(APCs)、ヘルパーT細胞、キラーT細胞が含まれる。

    学習目標 4.1.B: 細胞が短距離および長距離で相互に通信する方法を説明せよ。

    • 4.1.B.1 細胞は、シグナルを発信する細胞の周辺にある標的細胞に作用する局所調節因子を用いて短距離通信を行う。
      • 4.1.B.1 の例示:
        • 神経伝達物質
        • 植物の免疫応答
        • バクテリアのクオラムセンシング
        • 胚発生におけるモルフォゲン
    • 4.1.B.2 ある種類の細胞から放出されたシグナルは、異なる種類の標的細胞まで長距離を移動する。
      • 4.1.B.2 の例示:
        • インスリン
        • ヒト成長ホルモン
        • 甲状腺ホルモン
        • テストステロン
        • エストロゲン

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨出典: College Board AP コースおよび試験説明書⁩

    English

    Cells coordinate by sending and receiving chemical signals 信号. A signaling cell releases a ligand 配体 that binds a receptor 受体 on a target cell. Signals travel over different ranges: direct contact (cell junctions), local signaling (nearby cells, like neurotransmitters), and long-distance signaling (hormones 激素 through the blood).

    日本語

    Cells coordinate by sending and receiving chemical signals 信号. A signaling cell releases a ligand 配体 that binds a receptor 受体 on a target cell. Signals travel over different ranges: direct contact (cell junctions), local signaling (nearby cells, like neurotransmitters), and long-distance signaling (hormones 激素 through the blood).

    A signal molecule (ligand) binds a matching receptor on the target cell
    A signal molecule (ligand) binds a matching receptor on the target cell
    Vocabulary · ⁨語彙⁩ Train · ⁨練習する⁩
    English 日本語
    signals/ˈsɪɡnlz/ 信号
    ligand/ˈlɪɡænd/ 配位子
    receptor/rɪˈseptə/ レセプター
    hormones/ˈhɔːməʊnz/ ホルモン
    4.2

    Introduction to Signal Transduction

    Syllabus · ⁨シラバス⁩
    English

    Big Idea 3 — Information Storage and Transmission: Living systems store, retrieve, transmit, and respond to information essential to life processes.

    Learning Objective 4.2.A: Describe the components of a signal transduction pathway.

    • 4.2.A.1 Signal transduction pathways link signal receptions with cellular responses.
    • 4.2.A.2 Many signal transduction pathways include protein modifications and involve phosphorylation cascades.

    Learning Objective 4.2.B: Describe the role of components of a signal transduction pathway in producing a cellular response.

    • 4.2.B.1 Signaling begins with the recognition of a chemical messenger—a ligand—by a receptor protein in a target cell.
      • i. The ligand-binding domain of a receptor recognizes a specific chemical messenger, which can be a peptide (protein) or a small molecule.
      • ii. G protein-coupled receptors are an example of a receptor protein in eukaryotes.
      • iii. Receptors may be located on the surface of a target cell or in the cytoplasm or nucleus of the target cell.
    • 4.2.B.2 Signaling cascades relay signals from receptors to cell targets, often amplifying the incoming signals, resulting in the appropriate responses by the cell. Responses could include cell growth, secretion of molecules, or gene expression.
      • i. After the ligand binds, the intracellular domain of a receptor protein changes shape, initiating transduction of the signal.
      • ii. Enzymes and second messengers such as cyclic AMP (cAMP) relay and amplify the intracellular signal.
      • iii. Hormones are an example of a signaling messenger that can travel long distances in the bloodstream.
      • iv. The binding of ligands to ligand-gated channels can cause the channel to open or close.
    日本語

    Big Idea 3 — 情報の保存と伝達: 生命システムは、生命過程に不可欠な情報を保存し、検索し、伝達し、応答する。

    学習目標 4.2.A: シグナル伝達経路の構成要素を説明せよ。

    • 4.2.A.1 シグナル伝達経路は、シグナル受容と細胞応答を結びつける。
    • 4.2.A.2 多くのシグナル伝達経路にはタンパク質修飾が含まれ、リン酸化カスケードに関与する。

    学習目標 4.2.B: シグナル伝達経路の構成要素が細胞応答を生み出す役割を説明せよ。

    • 4.2.B.1 シグナル伝達は、標的細胞内の受容体タンパク質によって化学メッセンジャー(リガンド)が認識されることから始まる。
      • i. 受容体のリガンド結合ドメインは特定の化学メッセンジャーを認識し、これはペプチド(タンパク質)または小分子であることがある。
      • ii. Gタンパク質結合性受容体は真核生物における受容体タンパク質の一例である。
      • iii. 受容体は、標的細胞の表面、または細胞質や核内に位置することがある。
    • 4.2.B.2 シグナルカスケードは受容体から細胞標的へシグナルを伝達し、流入したシグナルを増幅して、適切な細胞応答をもたらす。応答には、細胞増殖、分子の分泌、あるいは遺伝子発現が含まれる。
      • i. リガンドが結合した後、受容体タンパク質の細胞内ドメインの形状が変化し、シグナルの伝達が開始される。
      • ii. 酵素および第二 metavar(cAMPなどの環状AMP)は、細胞内シグナルを伝達・増幅する。
      • iii. ホルモンは、血流中を長距離を移動できるシグナルメッセンジャーの一例である。
      • iv. リガンドの結合により、リガンド依存性チャネルが開くか閉じたりする。

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨出典: College Board AP コースおよび試験説明書⁩

    English

    Signal transduction 信号转导 converts an outside signal into a cellular response in three stages: reception (ligand binds receptor), transduction (a relay of molecules inside the cell), and response (a change in the cell's activity, such as switching on a gene). Receptors are specific, so a cell only responds to signals it can receive.

    日本語

    Signal transduction 信号转导 converts an outside signal into a cellular response in three stages: reception (ligand binds receptor), transduction (a relay of molecules inside the cell), and response (a change in the cell's activity, such as switching on a gene). Receptors are specific, so a cell only responds to signals it can receive.

    A chemical synapse: signal transduction passes a message across a gap with a ligand and receptor
    A chemical synapse: signal transduction passes a message across a gap with a ligand and receptor
    Vocabulary · ⁨語彙⁩ Train · ⁨練習する⁩
    English 日本語
    Signal transduction/ˈsɪɡnl trænsˈdʌkʃn/ シグナル転送
    4.3

    Signal Transduction Pathways

    Syllabus · ⁨シラバス⁩
    English

    Big Idea 3 — Information Storage and Transmission: Living systems store, retrieve, transmit, and respond to information essential to life processes.

    Learning Objective 4.3.A: Describe the different types of cellular responses elicited by a signal transduction pathway.

    • 4.3.A.1 Signal transduction may result in changes in gene expressions and cell function, which may alter phenotype or result in programmed cell death (apoptosis).
      • Illustrative examples for 4.3.A.1:
        • Use of chemical messengers by microbes to communicate with other nearby cells and to regulate specific pathways in response to population density (quorum sensing)
        • Epinephrine stimulation of glycogen breakdown in mammals

    Learning Objective 4.3.B: Explain how a change in the structure of any signaling molecule affects the activity of the signaling pathway.

    • 4.3.B.1 Changes in signal transduction pathways can alter cellular responses. Mutations in any domain of the receptor protein or in any component of the signaling pathway may affect the downstream components by altering the subsequent transduction of the signal.
      • Illustrative examples for 4.3.B.1:
        • Cytokines regulate gene expression to allow for cell replication and division.
        • Mating pheromones in yeast trigger mating gene expression.
        • Ethylene levels cause changes in the production of different enzymes allowing fruits to ripen.
        • HOX genes regulate animal body plans during embryonic development.
    • 4.3.B.2 Chemicals that interact with any component of the signaling pathway may activate or inhibit the pathway.
    日本語

    Big Idea 3 — 情報の保存と伝達: 生命システムは、生命過程に不可欠な情報を保存し、検索し、伝達し、応答する。

    学習目標 4.3.A: シグナル伝達経路によって引き起こされる異なる種類の細胞応答を説明せよ。

    • 4.3.A.1 シグナル伝達は、遺伝子発現や細胞機能の変化をもたらすことがあり、これにより表現型が変化したり、 programmed cell death(アポトーシス)が起こったりする。
      • 4.3.A.1 の例示:
        • 微生物が化学メッセンジャーを用いて近隣の他の細胞と通信し、集団密度に応じた特定の経路を調節する(クオラムセンシング)。
        • 哺乳類におけるグリコゲン分解に対するエピネフリン刺激。

    学習目標 4.3.B: どの signaling molecule の構造の変化が、signaling pathway の活性に影響を与えるかを説明せよ。

    • 4.3.B.1 シグナル伝達経路の変化は細胞応答を変化させることができる。受容体タンパク質のどのドメイン、あるいはシグナル伝達経路のどの構成要素にも生じる突然変異は、後続のシグナル伝達を変化させることで、下流の構成要素に影響を与える可能性がある。
      • 4.3.B.1 の例示:
        • サイトカインは遺伝子発現を調節し、細胞の複製および分裂を可能にする。
        • 酵母の交尾フェロモンは、交尾関連遺伝子の発現を引き起こす。
        • エチレン濃度の変化は、異なる酵素の生産量を変化させ、果実の成熟を促す。
        • HOX遺伝子は、胚発生中に動物の体計画を調節する。
    • 4.3.B.2 シグナル伝達経路のいずれかの構成要素と相互作用する化学物質は、その経路を活性化または阻害することがある。

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨出典: College Board AP コースおよび試験説明書⁩

    In the transduction stage, the signal passes through a pathway – often a cascade of proteins that activate one another, frequently amplifying the signal so a few ligands trigger a large response. Second messengers (like cyclic AMP or calcium ions) spread the signal quickly through the cell. A change in one step can alter the whole outcome.

    A signalling cascade amplifies the message inside the cell
    A signalling cascade amplifies the message inside the cell
    4.4

    Feedback

    Syllabus · ⁨シラバス⁩
    English

    Big Idea 2 — Energetics: Biological systems use energy and molecular building blocks to grow, reproduce, and maintain dynamic homeostasis.

    Learning Objective 4.4.A: Explain how positive and negative feedback helps maintain homeostasis.

    • 4.4.A.1 Organisms use feedback mechanisms to maintain their internal environments in response to internal and external changes.
      • i. Negative feedback mechanisms maintain homeostasis by reducing the initial stimulus to regulate physiological processes. If a system is perturbed or disrupted, negative feedback mechanisms return the system back to its target set point. These processes operate at the molecular, cellular, and organismal levels.
        • Illustrative examples for 4.4.A.1.i:
          • Blood sugar regulation by insulin/glucagon
      • ii. Positive feedback mechanisms amplify responses and processes in biological organisms. The variable initiating the response is moved further away from the initial set point. Amplification occurs when the stimulus is further intensified, which, in turn, initiates an additional response that produces system change.
        • Illustrative examples for 4.4.A.1.ii:
          • Lactation in mammals
          • Onset of labor in childbirth
          • Ripening of fruit
    日本語

    Big Idea 2 — エネルギー学: 生物系はエネルギーと分子の構成要素を用いて成長し、繁殖し、動的な恒常性を維持する。

    学習目標 4.4.A: 正のフィードバックおよび負のフィードバックがホメオスタシス(恒常性)の維持にどのように寄与するかを説明せよ。

    • 4.4.A.1 生物体は、内部・外部の変化に対応して体内環境を維持するために、フィードバック機構を用いる。
      • i. 負のフィードバック機構は、生理学的プロセスを調節するために初期刺激を低減することにより、ホメオスタシスを維持する。あるシステムが攪乱された場合、負のフィードバック機構はそのシステムを目標設定値に戻す。これらのプロセスは、分子レベル、細胞レベル、個体レベルで機能する。
        • 4.4.A.1.i に関する例:
          • インスリン/グルカゴンによる血糖値の調節
      • ii. 正のフィードバック機構は、生物体内的の反応やプロセスを増幅させる。反応を引き起こす変数は、初期設定値からさらに遠ざかる。刺激がさらに強化されることで増幅が起こり、それに応じて追加の反応が生じ、システムの変化がもたらされる。
        • 4.4.A.1.ii に関する例:
          • 哺乳類の授乳
          • 分娩時の陣痛の始動
          • 果実の熟成

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨出典: College Board AP コースおよび試験説明書⁩

    English

    Feedback 反馈 keeps systems balanced:

    • Negative feedback 负反馈 counteracts a change to restore a set point (like a thermostat) – it maintains homeostasis 稳态.
    • Positive feedback 正反馈 amplifies a change to push a process to completion (like childbirth contractions or blood clotting).
    日本語

    Feedback 反馈 keeps systems balanced:

    Negative feedback detects and corrects a change
    Negative feedback detects and corrects a change
    • Negative feedback 负反馈 counteracts a change to restore a set point (like a thermostat) – it maintains homeostasis 稳态.
    • Positive feedback 正反馈 amplifies a change to push a process to completion (like childbirth contractions or blood clotting).
    Explore · ⁨探索⁩

    Negative feedback keeps things steady · ⁨負のフィードバックは安定性を保つ⁩

    Negative feedback senses a change and reverses it, holding a variable (like blood glucose) near a set point. Push it away and watch the system correct. · ⁨負のフィードバックは変化を検知してそれを逆転させ、変数(血中ブドウ糖など)を一定点付近に維持する。外に押し出すとシステムが修正される様子を見る。⁩

    Vocabulary · ⁨語彙⁩ Train · ⁨練習する⁩
    English 日本語
    Feedback/ˈfiːdbæk/ フィードバック
    Negative feedback/ˈneɡətɪv ˈfiːdbæk/ ネガティブフィードバック
    homeostasis/ˌhəʊmiːəˈstɑːsiz/ ホメオスタシー
    Positive feedback/ˈpɒzɪtɪv ˈfiːdbæk/ 正のフィードバック
    4.5

    Cell Cycle

    Syllabus · ⁨シラバス⁩
    English

    Big Idea 3 — Information Storage and Transmission: Living systems store, retrieve, transmit, and respond to information essential to life processes.

    Learning Objective 4.5.A: Describe the events that occur in the cell cycle.

    • 4.5.A.1 The cell cycle is a highly regulated series of events that controls the growth and reproduction of eukaryotic cells.
      • i. The cell cycle consists of sequential stages of interphase (G1, S, G2), mitosis, and cytokinesis.
      • ii. G1 phase: The cell is metabolically active, duplicating organelles and cytosolic components.
      • iii. S phase: DNA is in the form of chromatin and replicates to form two sister chromatids connected at a centromere.
      • iv. G2 phase: Protein synthesis occurs, ATP is produced in large quantities, and centrosomes replicate.
      • v. A cell can enter a stage (G0) in which it no longer divides, but it can reenter the cell cycle in response to appropriate cues.
      • vi. Nondividing cells may exit the cell cycle or be held at a particular stage in the cell cycle.

    Learning Objective 4.5.B: Explain how mitosis results in the transmission of chromosomes from one generation of cells to the next.

    • 4.5.B.1 Mitosis is a process that ensures the transfer of a complete genome from a parent cell to two genetically identical daughter cells in eukaryotes.
      • i. Mitosis plays a role in growth, tissue repair, and asexual reproduction.
      • ii. Mitosis occurs in sequential steps (prophase, metaphase, anaphase, telophase) and alternates with interphase in the cell cycle.
      • iii. Prophase: Sister chromatids condense, mitotic spindle begins to form, and centrosomes move to opposite poles of the cell.
      • iv. Metaphase: Spindle fibers align chromosomes along the equator of the cell.
      • v. Anaphase: Paired sister chromatids separate as spindle fibers pull chromatids toward poles.
      • vi. Telophase: Mitotic spindle breaks down, a new nuclear envelope develops, and then the cytoplasm divides.
      • vii. Cytokinesis: A cleavage furrow forms in animal cells or a cell plate forms in plant cells, resulting in two new daughter cells.
    日本語

    Big Idea 3 — 情報の保存と伝達: 生命システムは、生命過程に不可欠な情報を保存し、検索し、伝達し、応答する。

    学習目標 4.5.A: 細胞周期で起こる一連の出来事を説明せよ。

    • 4.5.A.1 細胞周期とは、真核細胞の増殖と生殖を制御する、厳密に調節された一連の出来事である。
      • i. 細胞周期は、間期(G1, S, G2)、有糸分裂、胞質分裂という連続した段階からなる。
      • ii. G1相:細胞は代謝的に活発であり、小器官および細胞質成分を複製している。
      • iii. S相:DNAはクロマチンの形をとっており、相同な2本の姉妹染色分体が一次着丝点で連結されるように複製される。
      • iv. G2相:タンパク質合成が行われ、大量のATPが産生され、中心小体が増殖する。
      • v. 細胞は分裂を停止する段階(G0)に入ることがあるが、適切なシグナルに応答して細胞周期に再び入ることができる。
      • vi. 分裂しない細胞は、細胞周期から外れるか、あるいは特定の段階で停滞することがある。

    学習目標 4.5.B: 有糸分裂が染色体を親世代の細胞から娘世代の細胞へ如何に継承するかを説明せよ。

    • 4.5.B.1 有糸分裂は、真核生物において、親細胞から遺伝的に同一な2つの娘細胞への完全なゲノムの移行を保証するプロセスである。
      • i. 有糸分裂は、成長、組織修復、無性生殖に関与する。
      • ii. 有糸分裂は、前中期、中期、後期、末期という連続したステップで行われ、細胞周期内で間期と交互に現れる。
      • iii. 前中期:姉妹染色分体が凝縮し、有糸分裂紡錘体の形成が始まり、中心小体が細胞の反対極へ移動する。
      • iv. 中期:紡錘糸が赤道板上で染色体を配列させる。
      • v. 後期:姉妹染色分体のペアが分離し、紡錘糸が染色分体を極へ引っ張る。
      • vi. 末期:有糸分裂紡錘体が分解し、新しい核膜が形成され、その後胞質分裂が行われる。
      • vii. 胞質分裂:動物細胞では分裂溝が形成され、植物細胞では細胞板が形成され、2つの新たな娘細胞が生まれる。

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨出典: College Board AP コースおよび試験説明書⁩

    English

    The cell cycle 细胞周期 is the life of a cell from one division to the next: interphase 间期 (G1 growth, S DNA replication, G2 preparation) followed by mitosis 有丝分裂 (M) and cytokinesis, which produce two identical daughter cells. Interphase takes most of the time; DNA is copied only in S phase.

    日本語
    Onion root-tip cells at different stages of mitosis (light micrograph)
    Onion root-tip cells at different stages of mitosis (light micrograph)

    The cell cycle 细胞周期 is the life of a cell from one division to the next: interphase 间期 (G1 growth, S DNA replication, G2 preparation) followed by mitosis 有丝分裂 (M) and cytokinesis, which produce two identical daughter cells. Interphase takes most of the time; DNA is copied only in S phase.

    The cell cycle: interphase, then mitosis and cytokinesis
    The cell cycle: interphase, then mitosis and cytokinesis
    A fibroblast dividing: cytokinesis splits one cell into two after mitosis finishes
    A fibroblast dividing: cytokinesis splits one cell into two after mitosis finishes
    Onion root tip at metaphase: chromosomes line up before sister chromatids separate
    Onion root tip at metaphase: chromosomes line up before sister chromatids separate
    Explore · ⁨探索⁩

    Step through the cell cycle · ⁨細胞周期を段階ごとに進む⁩

    The cell cycle copies the DNA (S phase) then splits it evenly in mitosis, producing two identical cells. Step through the stages. · ⁨細胞周期はDNAを複製(S期)し、その後有糸分裂で均等に分割して2つの同一細胞を生じる。段階を進める。⁩

    Vocabulary · ⁨語彙⁩ Train · ⁨練習する⁩
    English 日本語
    cell cycle/sel ˈsaɪkl/ 細胞周期
    interphase/ˌɪntəˈfeɪz/ 間期
    mitosis/maɪˈtəʊsɪs/ 有糸分裂
    4.6

    Regulation of Cell Cycle

    Syllabus · ⁨シラバス⁩
    English

    Big Idea 3 — Information Storage and Transmission: Living systems store, retrieve, transmit, and respond to information essential to life processes.

    Learning Objective 4.6.A: Describe the role of checkpoints in regulating the cell cycle.

    • 4.6.A.1 A number of internal controls or checkpoints regulate progression through the cell cycle.
    • 4.6.A.2 Interactions between cyclins and cyclin-dependent kinases control the cell cycle.
      • Exclusion statement: Knowledge of specific cyclin-CdK pairs or growth factors is beyond the scope of the AP Exam.

    Learning Objective 4.6.B: Describe the effects of disruptions to the cell cycle on the cell or organism.

    • 4.6.B.1 Disruptions to the cell cycle may result in cancer or apoptosis (programmed cell death).
    日本語

    Big Idea 3 — 情報の保存と伝達: 生命システムは、生命過程に不可欠な情報を保存し、検索し、伝達し、応答する。

    学習目標 4.6.A: チェックポイントが細胞周期の調節に果たす役割を説明せよ。

    • 4.6.A.1 細胞周期の進行を調節するための多数の内部コントロール、すなわちチェックポイントが存在する。
    • 4.6.A.2 シクリンとシクリン依存性キナーゼとの相互作用が細胞周期を制御する。
      • 除外事項: 特定のシクリン-CdKペアや成長因子に関する知識はAP試験の範囲外である。

    学習目標 4.6.B: 細胞周期への撹乱が細胞や生物体に与える影響を説明せよ。

    • 4.6.B.1 細胞周期への撹乱は、がんやアポトーシス(プログラム細胞死)の原因となることがある。

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨出典: College Board AP コースおよび試験説明書⁩

    English

    The cycle is controlled at checkpoints 检查点 that verify conditions before proceeding (Is the DNA intact? Are chromosomes attached?). Internal signals (cyclins and their kinases) and external signals drive the cycle forward. When this control fails – for example, a mutation that ignores a checkpoint – cells divide uncontrollably, which underlies cancer 癌症.

    Worked example. Signal amplification in a cascade: one hormone activates one receptor, which switches on about 100 relay proteins, and each of those makes about 1,000 second-messenger molecules — so a single signal produces roughly $100 \times 1000 = 10^{5}$ product molecules. This is why a hormone concentration as low as $10^{-9}\,\text{M}$ can trigger a large cellular response.

    日本語

    The cycle is controlled at checkpoints 检查点 that verify conditions before proceeding (Is the DNA intact? Are chromosomes attached?). Internal signals (cyclins and their kinases) and external signals drive the cycle forward. When this control fails – for example, a mutation that ignores a checkpoint – cells divide uncontrollably, which underlies cancer 癌症.

    Uncontrolled division from failed checkpoints forms a tumour
    Uncontrolled division from failed checkpoints forms a tumour

    Worked example. Signal amplification in a cascade: one hormone activates one receptor, which switches on about 100 relay proteins, and each of those makes about 1,000 second-messenger molecules — so a single signal produces roughly $100 \times 1000 = 10^{5}$ product molecules. This is why a hormone concentration as low as $10^{-9}\,\text{M}$ can trigger a large cellular response.

    Vocabulary · ⁨語彙⁩ Train · ⁨練習する⁩
    English 日本語
    checkpoints/ˈtʃekpɔɪnts/ チェックポイント
    cancer/ˈkænsə/ 癌
    4.6

    Exam tips

    • In signal transduction name the three stages: reception → transduction → response.
    • Negative feedback reverses a change to keep conditions steady (homeostasis); positive feedback amplifies a change to completion (childbirth, clotting).
    • Order the cell cycle: interphase (grow, copy DNA in S phase) then mitosis → two identical daughter cells.
    • The DNA is copied once, in S phase, so each daughter gets a full copy.
    • Failed checkpoints allow uncontrolled division → cancer.
  • 5

    Heredity · ⁨遺伝⁩

    Watch lesson · ⁨レッスンを視聴⁩
    5.1

    Meiosis

    Syllabus · ⁨シラバス⁩
    English

    Enduring Understanding (BIG IDEA 3 — Information Storage and Transmission): Living systems store, retrieve, transmit, and respond to information essential to life processes.

    Learning Objective 5.1.A: Explain how meiosis results in the transmission of chromosomes from one generation to the next.

    • 5.1.A.1 Meiosis is a process that ensures the formation of haploid gamete cells, sometimes referred to as daughter cells, in sexually reproducing diploid organisms.
    • 5.1.A.2 Meiosis I involves the following steps:
      • i. Prophase I: Homologous chromosomes pair up and condense, synapsis occurs and then chiasmata may form, meiotic spindle begins to form, centrosomes move to opposite poles of the cell, and the nuclear envelope breaks down.
      • ii. Metaphase I: Meiotic spindle fibers align homologous pairs of chromosomes along the equator of the cell at the metaphase plate.
      • iii. Anaphase I: Homologous chromosomes separate, while sister chromatids remain attached, as meiotic spindle fibers pull chromosomes toward poles.
      • iv. Telophase I: Meiotic spindle breaks down, a new nuclear envelope develops, a cleavage furrow (animal cell) or cell plate (plant cell) forms, and cytokinesis occurs. Two haploid daughter cells are formed (at the end of meiosis I).
    • 5.1.A.3 Meiosis II involves the following steps:
      • i. Prophase II: Meiotic spindle forms; sister chromatids connected at the centromere attach to meiotic spindle.
      • ii. Metaphase II: Chromosomes align along the metaphase plate; the kinetochore of each chromatid is attached to a microtubule extending from the poles.
      • iii. Anaphase II: Proteins at the centromeres break down, and sister chromatids are pulled apart and toward opposite poles in the cell.
      • iv. Telophase II: Meiotic spindle breaks down, a new nuclear envelope develops, a cleavage furrow (animal cell) or a cell plate (plant cell) forms, chromatids begin to decondense, and cytokinesis occurs. Four haploid daughter cells are formed, each with an unduplicated chromatid.

    Learning Objective 5.1.B: Describe similarities and differences between the phases and outcomes of mitosis and meiosis.

    • 5.1.B.1 Mitosis and meiosis are similar in the use of a spindle apparatus to move chromosomes but differ in the number of cells produced and the genetic content of the daughter cells.
    日本語

    永続的理解(BIG IDEA 3 — 情報の保存と伝達): 生命系は、生命過程に不可欠な情報を保存し、検索し、伝達し、応答する。

    学習目標 5.1.A: 減数分裂が染色体を親世代から子世代へ如何に継承するかを説明せよ。

    • 5.1.A.1 減数分裂は、有性生殖を行う二倍体生物において、単倍体の配偶子細胞(娘細胞とも呼ばれる sometimes referred to as daughter cells)の形成を保証するプロセスである。
    • 5.1.A.2 減数分裂Iには以下のステップが含まれる:
      • i. 前中期I:相同染色体が対をなし凝縮し、結合(シナプシス)が起こり、 subsequently chiasmata(キアズマ)が形成される。減数分裂紡錘体の形成が始まり、中心小体が細胞の反対極へ移動し、核膜が崩壊する。
      • ii. 中期I:減数分裂紡錘糸が、中期板上で相同染色体のペアを赤道板上に配列させる。
      • iii. 後期I:減数分裂紡錘糸が染色体を極へ引っ張るため、相同染色体は分離するが、姉妹染色分体は依然として連結したままとなる。
      • iv. 末期I:減数分裂紡錘体が分解し、新しい核膜が形成され、分裂溝(動物細胞)または細胞板(植物細胞)が形成され、胞質分裂が行われる。2つの単倍体の娘細胞が形成される(減数分裂Iの終了時)。
    • 5.1.A.3 減数分裂IIには以下のステップが含まれる:
      • i. 前中期II:減数分裂紡錘体が形成され、一次着丝点で連結された姉妹染色分体が減数分裂紡錘体に付着する。
      • ii. 後期II: 染色体が後期板に沿って配列し、各分染色体の動点体は極から伸びる紡錘小管に結合している。
      • iii. 後期II: 着丝点のタンパク質が分解され、姉妹分染色体が引き離されて細胞内の反対側の極へ向かって移動する。
      • iv. 末期II: 減数分裂用紡錘体が崩壊し、新しい核膜が発達し、分裂溝(動物細胞)または細胞板(植物細胞)が形成され、分染色体の凝縮が解除され始め、細胞質分裂が起こる。未複製分染色体を含む4個の単倍体娘細胞が生成される。

    学習目標 5.1.B: 有糸分裂と減数分裂の各相と結果の類似点および相違点を説明する。

    • 5.1.B.1 有糸分裂と減数分裂は、紡錘装置を用いて染色体を移動させる点で類似しているが、生成される細胞の数や娘細胞の遺伝的内容では異なる。

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨出典: College Board AP コースおよび試験説明書⁩

    English

    Meiosis 减数分裂 makes gametes 配子 (eggs and sperm) with half the chromosome number, so fertilization restores the full set. One diploid cell divides twice to give four haploid cells. Meiosis I separates homologous chromosomes 同源染色体 (reducing the number); meiosis II separates sister chromatids (like mitosis).

    日本語
    A human karyotype: 22 pairs of autosomes plus the sex chromosomes
    A human karyotype: 22 pairs of autosomes plus the sex chromosomes

    Meiosis 减数分裂 makes gametes 配子 (eggs and sperm) with half the chromosome number, so fertilization restores the full set. One diploid cell divides twice to give four haploid cells. Meiosis I separates homologous chromosomes 同源染色体 (reducing the number); meiosis II separates sister chromatids (like mitosis).

    Meiosis halves the chromosome number in two divisions
    Meiosis halves the chromosome number in two divisions
    Explore · ⁨探索⁩

    Divide a cell's chromosomes · ⁨細胞の染色体を分割する⁩

    Meiosis halves the chromosome number and shuffles genes, making four genetically varied gametes. Step through to see the divisions. · ⁨減数分裂は染色体数を半分にし、遺伝子をシャッフルして4つの遺伝的に多様な配偶子を作る。分割を見るために進む。⁩

    Vocabulary · ⁨語彙⁩ Train · ⁨練習する⁩
    English 日本語
    Meiosis/meɪˈəʊsɪs/ 減数分裂
    gametes/ˈɡæmiːts/ 生殖胞(ガメート)
    homologous chromosomes/həˈmɒləɡəs ˈkrəʊməsəʊmz/ 相同染色体
    5.2

    Meiosis and Genetic Diversity

    Syllabus · ⁨シラバス⁩
    English

    Enduring Understanding (BIG IDEA 3 — Information Storage and Transmission): Living systems store, retrieve, transmit, and respond to information essential to life processes.

    Learning Objective 5.2.A: Explain how the process of meiosis generates genetic diversity.

    • 5.2.A.1 Correct separation of the homologous chromosomes in meiosis I and sister chromatids in meiosis II ensures that each gamete receives a haploid (1n) set of chromosomes that comprises an assortment of both maternal and paternal chromosomes. When incorrect separation occurs (nondisjunction), gametes are no longer haploid.
    • 5.2.A.2 During prophase I of meiosis, non-sister chromatids exchange genetic material via a process called crossing over (recombination), which increases genetic diversity among the resultant gametes.
    • 5.2.A.3 Sexual reproduction in eukaryotes increases genetic variation, including crossing over, random assortment of chromosomes during meiosis, and subsequent fertilization of gametes.
      • Exclusion statement: Knowledge of the details of sexual reproduction cycles in various plants and animals is beyond the scope of the AP Exam.
    日本語

    永続的理解(BIG IDEA 3 — 情報の保存と伝達): 生命系は、生命過程に不可欠な情報を保存し、検索し、伝達し、応答する。

    学習目標 5.2.A: 減数分裂のプロセスが遺伝的多様性をどのように生み出すかを説明する。

    • 5.2.A.1 減数分裂Iにおける相同染色体の正確な分離と、減数分裂IIにおける姉妹染色分体の正確な分離により、各生殖細胞は母方由来と父方由来の染色体が混在した単倍体(1n)の染色体セットを受け取る。誤った分離(非分離)が起こると、生殖細胞は単倍体ではなくなる。
    • 5.2.A.2 減数分裂前期I中、非姉妹染色分体は交叉(組換え)と呼ばれるプロセスを通じて遺伝物質を交換し、結果として得られる生殖細胞間の遺伝的多様性が増加する。
    • 5.2.A.3 真核生物の有性生殖は、交叉、減数分裂中の染色体のランダムな配分、およびその後の生殖細胞の受精を含め、遺伝的変異を増加させる。
      • 除外文: 様々な植物や動物の有性生殖サイクルの詳細に関する知識はAP試験の範囲外である。

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨出典: College Board AP コースおよび試験説明書⁩

    English

    Meiosis shuffles genes three ways, so offspring differ from parents and each other:

    • Crossing over 交叉互换: homologous chromosomes swap segments in meiosis I.
    • Independent assortment 自由组合: each homologous pair lines up and separates randomly.
    • Random fertilization: any sperm can meet any egg.

    Together these create enormous variation – the raw material for evolution.

    日本語

    Meiosis shuffles genes three ways, so offspring differ from parents and each other:

    Independent assortment produces many gamete combinations
    Independent assortment produces many gamete combinations
    Crossing over swaps segments between homologous chromosomes
    Crossing over swaps segments between homologous chromosomes
    • Crossing over 交叉互换: homologous chromosomes swap segments in meiosis I.
    • Independent assortment 自由组合: each homologous pair lines up and separates randomly.
    • Random fertilization: any sperm can meet any egg.

    Together these create enormous variation – the raw material for evolution.

    Vocabulary · ⁨語彙⁩ Train · ⁨練習する⁩
    English 日本語
    Crossing over/ˈkrɒsɪŋ ˈəʊvə/ 交差(クロッシングオーバー)
    Independent assortment/ˌɪndɪˈpendənt əˈsɔːtmənt/ 独立の配列
    5.3

    Mendelian Genetics

    Syllabus · ⁨シラバス⁩
    English

    Enduring Understanding (BIG IDEA 1 — Evolution): The process of evolution drives the diversity and unity of life.

    Enduring Understanding (BIG IDEA 3 — Information Storage and Transmission): Living systems store, retrieve, transmit, and respond to information essential to life processes.

    Learning Objective 5.3.A: Explain the inheritance of genes and traits as described by Mendel's laws.

    • 5.3.A.1 Mendel's laws of segregation and independent assortment can be applied to genes that are on different chromosomes.
    • 5.3.A.2 In most cases, fertilization involves the fusion of two haploid gametes, restoring the diploid number of chromosomes and increasing genetic variation in populations by creating new combinations of alleles in the zygote.
      • i. Rules of probability can be applied to analyze the passing of single-gene traits from parent to offspring.
      • ii. Monohybrid, dihybrid, and test crosses can be used to determine whether alleles are dominant or recessive.
      • iii. An organism's genotype is the set of alleles inherited for one or more genes by an individual organism. An organism's genotype can be homozygous or heterozygous for each gene.
      • iv. An organism's phenotype is the observable expression of the inherited traits.
      • v. Patterns of inheritance (autosomal, genetically linked, sex-linked) and whether an allele is dominant or recessive can often be predicted from data, including pedigrees. Punnett squares can be used to predict the genotypes and phenotypes of parents and offspring.
      • Equation (Laws of Probability): If $A$ and $B$ are mutually exclusive, then: $P(A \text{ or } B) = P(A) + P(B)$
      • Equation (Laws of Probability): If $A$ and $B$ are independent, then: $P(A \text{ and } B) = P(A) \times P(B)$
    日本語

    持続的理解(BIG IDEA 1 — 進化): 進化のプロセスは生命の多様性と統一性を駆動する。

    永続的理解(BIG IDEA 3 — 情報の保存と伝達): 生命系は、生命過程に不可欠な情報を保存し、検索し、伝達し、応答する。

    学習目標 5.3.A: メンデルの法則によって記述される遺伝子と形質の継承を説明する。

    • 5.3.A.1 メンデルの分離の法則と独立の法則は、異なる染色体上の遺伝子にも適用できる。
    • 5.3.A.2 ほとんどの場合、受精は2つの単倍体生殖細胞の融合を伴い、二倍体の染色体数を回復させ、合子内で新たな対立遺伝子の組み合わせを作成することで集団の遺伝的多様性を高める。
      • i. 確率の法則を用いて、単一遺伝子形質の親から子への伝わり方を分析することができる。
      • ii. 単交配、複交配、およびテスト交配を用いて、対立遺伝子が優性か劣性かを決定することができる。
      • iii. 生物型の遺伝子型とは、ある個体において1つ以上の遺伝子について受け継いだ対立遺伝子のセットのことである。生物型の遺伝子型は、各遺伝子についてホモ接合体またはヘテロ接合体可以是也可以是。
      • iv. 生物型の表現型とは、受け継いだ形質の観察可能な発現のことである。
      • v. 継承のパターン(常染色体、遺伝子連鎖、性染色体連関)や対立遺伝子が優性か劣性かは、系図表を含むデータからしばしば予測可能である。ポンネット四角表を用いて、親および子の遺伝子型や表現型を予測することができる。
      • 式(確率の法則): $A$ と $B$ が互いに排他的である場合、以下の式が成り立つ: $P(A \text{ or } B) = P(A) + P(B)$
      • 数式(確率の法則): $A$ と $B$ が独立である場合、次式が成り立つ: $P(A \text{ and } B) = P(A) \times P(B)$

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨出典: College Board AP コースおよび試験説明書⁩

    English

    A gene's alternative versions are alleles 等位基因. An organism's genotype 基因型 (its alleles) produces its phenotype 表型 (its traits). Mendel's rules: a dominant 显性 allele masks a recessive 隐性 one; the two alleles segregate into different gametes (law of segregation); genes for different traits assort independently. A Punnett square 庞纳特方格 predicts offspring ratios (a heterozygous cross gives 3:1). Homozygous 纯合 means two identical alleles; heterozygous 杂合 means two different.

    Worked example. For a dihybrid cross of two independent genes, $AaBb\times AaBb$, use the multiplication rule instead of a $16$-box square. Each gene alone gives $\tfrac34$ dominant, so the chance an offspring shows both dominant traits is $\tfrac34\times\tfrac34=\tfrac{9}{16}$, and the chance of the fully recessive $aabb$ is $\tfrac14\times\tfrac14=\tfrac{1}{16}$. Multiplying two independent $3{:}1$ ratios is what produces the classic $9{:}3{:}3{:}1$ pattern.

    日本語
    Natural variation in snail shell banding — heritable differences selection can act on
    Natural variation in snail shell banding — heritable differences selection can act on

    A gene's alternative versions are alleles 等位基因. An organism's genotype 基因型 (its alleles) produces its phenotype 表型 (its traits). Mendel's rules: a dominant 显性 allele masks a recessive 隐性 one; the two alleles segregate into different gametes (law of segregation); genes for different traits assort independently. A Punnett square 庞纳特方格 predicts offspring ratios (a heterozygous cross gives 3:1). Homozygous 纯合 means two identical alleles; heterozygous 杂合 means two different.

    A monohybrid Punnett square giving a 3:1 ratio
    A monohybrid Punnett square giving a 3:1 ratio

    Worked example. For a dihybrid cross of two independent genes, $AaBb\times AaBb$, use the multiplication rule instead of a $16$-box square. Each gene alone gives $\tfrac34$ dominant, so the chance an offspring shows both dominant traits is $\tfrac34\times\tfrac34=\tfrac{9}{16}$, and the chance of the fully recessive $aabb$ is $\tfrac14\times\tfrac14=\tfrac{1}{16}$. Multiplying two independent $3{:}1$ ratios is what produces the classic $9{:}3{:}3{:}1$ pattern.

    Explore · ⁨探索⁩

    Cross two parents · ⁨2つの親を交配する⁩

    A Punnett square combines each parent's alleles to predict the offspring ratios. Set the parent genotypes and read off the expected proportions. · ⁨ペンネット正方形は各親のアレルを組み合わせ、子孫の比率を予測する。親の遺伝子型を設定して期待される割合を読む。⁩

    Vocabulary · ⁨語彙⁩ Train · ⁨練習する⁩
    English 日本語
    alleles/əˈliːlz/ アレル
    genotype/ˈdʒenətaɪp/ 遺伝子型
    phenotype/ˈfenətaɪp/ 表現型
    dominant/ˈdɒmɪnənt/ 優位な
    recessive/rɪˈsesɪv/ 劣性
    Punnett square/ˈpʌnɪt skweə/ ペンネット表
    Homozygous/ˌhɒməˈzɪɡəs/ ホモ接合
    heterozygous/ˌhetrəˈzɪɡəs/ 複合体
    5.4

    Non-Mendelian Genetics

    Syllabus · ⁨シラバス⁩
    English

    Enduring Understanding (BIG IDEA 3 — Information Storage and Transmission): Living systems store, retrieve, transmit, and respond to information essential to life processes.

    Learning Objective 5.4.A: Explain deviations from Mendel's model of the inheritance of traits.

    • 5.4.A.1 Patterns of inheritance of many traits do not follow the ratios predicted by Mendel's laws and can be identified by quantitative analysis, when the observed phenotypic ratios statistically differ from the predicted ratios.
      • i. Genes located on the same chromosome are referred to as being genetically linked. The probability that these linked genes segregate together during meiosis can be used to calculate the map distance (or map units) between them on a chromosome. This calculation is called gene or genetic mapping.
      • ii. Codominance occurs when the phenotype from both alleles is expressed such that the heterozygote would have a different phenotype than either homozygote.
      • iii. Incomplete dominance occurs when neither allele of a gene can mask the other, so the phenotype of the heterozygote is a blended version of the dominant and recessive phenotypes.
    • 5.4.A.2 Some traits, known as sex-linked traits (X- or Y-linked), are determined by genes on sex chromosomes. The pattern of inheritance of sex-linked traits can often be predicted from data, including pedigrees, indicating the genotypes and phenotypes of both parents and offspring.
      • Illustrative examples for EK 5.4.A.2:
        • Sex-linked traits (X- or Y-linked) reside on sex chromosomes.
        • Sex-linked traits (X- or Y-linked) are inherited at higher rates in XY individuals than they are in XX individuals.
        • In certain species, the chromosomal basis of sex determination is not based on X and Y chromosomes (e.g., ZW in birds, haplodiploidy in bees).
    • 5.4.A.3 Pleiotropy is a phenomenon in which the expression of a single gene results in multiple traits or effects; these traits therefore do not segregate independently.
    • 5.4.A.4 Some traits result from non-nuclear inheritance.
      • i. Chloroplasts and mitochondria are randomly assorted to gametes and daughter cells; thus, traits determined by chloroplast and mitochondrial DNA do not follow simple Mendelian rules.
      • ii. In animals, mitochondria are usually transmitted by the egg and not by sperm; thus, traits determined by the mitochondrial DNA are typically maternally inherited.
      • iii. In plants, mitochondria and chloroplasts are transmitted in the ovule and not in the pollen; as such, mitochondria-determined and chloroplast-determined traits are typically maternally inherited.
    日本語

    永続的理解(BIG IDEA 3 — 情報の保存と伝達): 生命系は、生命過程に不可欠な情報を保存し、検索し、伝達し、応答する。

    学習目標 5.4.A: メンデルによる形質継承モデルからの逸脱を説明する。

    • 5.4.A.1 多くの形質の継承パターンはメンデルの法則が予測する比率に従わず、観察された表現型の比率が予測される比率と統計的に異なる場合に定量的分析によって識別できる。
      • i. 同じ染色体上にある遺伝子は遺伝子連鎖にあると言われる。これらの連鎖遺伝子が減数分裂中に一緒に分離する確率を用いて、染色体上でのそれらの間のマップ距離(またはマップ単位)を計算できる。この計算は遺伝子マッピングまたは遺伝学的マッピングと呼ばれる。
      • ii. 共優性とは、両方の対立遺伝子由来の表現型が同時に発現し、ヘテロ接合体がどちらのホモ接合体とも異なる表現型を示す現象である。
      • iii. 不完全優性とは、ある遺伝子の対立遺伝子のどちらも他方を覆い隠せず、ヘテロ接合体の表現型が優性と劣性の表現型の中間的な混合版となる現象である。
    • 5.4.A.2 性染色体連関形質(X-またはY-連関)と呼ばれる一部の形質は、性染色体上の遺伝子によって決定される。性染色体連関形質の継承パターンは、系図表を含むデータからしばしば予測可能であり、親および子の遺伝子型と表現型を示す。
      • EK 5.4.A.2 のための例示:
        • 性染色体連関形質(X-またはY-連関)は性染色体上に位置する。
        • 性染色体連関形質(X-またはY-連関)は、XX個体よりもXY個体の方で高い頻度で継承される。
        • 特定の種では、性決定の染色体基盤がXとY染色体に基づくものではない(例:鳥類のZW、ミツバチのハプロジプロイディ)。
    • 5.4.A.3 多効果とは、単一の遺伝子の発現が複数の形質や効果をもたらす現象であり、これらの形質はしたがって独立に分離しない。
    • 5.4.A.4 一部の形質は非核遺伝によって生じる。
      • i. クロロプラストとミトコンドリアは生殖細胞および娘細胞にランダムに分配されるため、クロロプラストDNAおよびミトコンドリアDNAによって決定される形質は単純なメンデル的法則に従わない。
      • ii. 動物では、ミトコンドリアは通常卵によって遺伝され、精子ではなく遺伝されるため、ミトコンドリアDNAによって決定される形質は一般的に母性遺伝を示す。
      • iii. 植物では、ミトコンドリアと葉緑体は花粉ではなく胚珠によって遺伝されるため、ミトコンドリアや葉緑体によって決定される形質は一般的に母性遺伝を示す。

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨出典: College Board AP コースおよび試験説明書⁩

    English

    Many traits do not follow simple dominance:

    • Incomplete dominance 不完全显性: heterozygotes are a blend (red × white → pink).
    • Codominance 共显性: both alleles show fully (AB blood type).
    • Multiple alleles, polygenic 多基因 traits (many genes, like height), pleiotropy (one gene, many effects), and sex-linked 伴性 genes (on the X chromosome) all give more complex ratios.

    Worked example (chi-square test). To check whether real data fit a predicted ratio, use $\chi^2=\sum\dfrac{(o-e)^2}{e}$. A monohybrid cross predicts $3{:}1$, so of $80$ offspring you expect $60$ dominant and $20$ recessive, but you observe $55$ and $25$. Then $\chi^2=\dfrac{(55-60)^2}{60}+\dfrac{(25-20)^2}{20}=\dfrac{25}{60}+\dfrac{25}{20}=0.42+1.25=1.67$. With $1$ degree of freedom the critical value at $p=0.05$ is $3.84$; since $1.67<3.84$, we fail to reject the null hypothesis – the deviation is within chance.

    日本語

    Many traits do not follow simple dominance:

    Sex linkage gives different results for sons and daughters
    Sex linkage gives different results for sons and daughters
    • Incomplete dominance 不完全显性: heterozygotes are a blend (red × white → pink).
    • Codominance 共显性: both alleles show fully (AB blood type).
    • Multiple alleles, polygenic 多基因 traits (many genes, like height), pleiotropy (one gene, many effects), and sex-linked 伴性 genes (on the X chromosome) all give more complex ratios.

    Worked example (chi-square test). To check whether real data fit a predicted ratio, use $\chi^2=\sum\dfrac{(o-e)^2}{e}$. A monohybrid cross predicts $3{:}1$, so of $80$ offspring you expect $60$ dominant and $20$ recessive, but you observe $55$ and $25$. Then $\chi^2=\dfrac{(55-60)^2}{60}+\dfrac{(25-20)^2}{20}=\dfrac{25}{60}+\dfrac{25}{20}=0.42+1.25=1.67$. With $1$ degree of freedom the critical value at $p=0.05$ is $3.84$; since $1.67<3.84$, we fail to reject the null hypothesis – the deviation is within chance.

    Vocabulary · ⁨語彙⁩ Train · ⁨練習する⁩
    English 日本語
    Incomplete dominance/ɪŋkəmˈpliːt ˈdɒmɪnəns/ 不完全優性
    Codominance/ˈkəʊdəmɪnəns/ 共優性
    polygenic/ˌpɒlɪˈdʒenɪk/ 多因子形質
    sex-linked/seks lɪŋkt/ 性染色体連座
    5.5

    Environmental Effects on Phenotype

    Syllabus · ⁨シラバス⁩
    English

    Enduring Understanding (BIG IDEA 4 — Systems Interactions): Biological systems interact, and these systems and their interactions exhibit complex properties.

    Learning Objective 5.5.A: Explain how the same genotype can result in multiple phenotypes under different environmental conditions.

    • 5.5.A.1 Environmental conditions influence gene expression and can lead to phenotypic plasticity (e.g., the ability of individual genotypes to produce different phenotypes).
      • Illustrative examples for EK 5.5.A.1:
        • Height and weight in humans
        • Flower color based on soil pH
        • Seasonal fur color in arctic animals
        • Sex determination in reptiles
        • Effect of increased UV on melanin production in animals
        • Presence of the opposite mating type on pheromone production in yeast and other fungi
    日本語

    持続的理解(BIG IDEA 4 — システムの相互作用): 生物システムは互いに相互作用し、これらのシステムおよびその相互作用は複雑な性質を示す。

    学習目標 5.5.A: 異なる環境条件下において、同じゲノタイプが複数の表現型をもたらす理由を説明する。

    • 5.5.A.1 環境条件は遺伝子発現に影響を与え、表現型可塑性(個々のゲノタイプが異なる表現型を生み出す能力など)を引き起こすことがある。
      • EK 5.5.A.1 の例示:
        • 人間の身長と体重
        • 土壌pHに基づく花の色
        • 極域動物の季節による毛色の変化
        • 爬虫類の性決定
        • UV照射の増加が動物のメラニン産生に与える影響
        • 酵母および他の真菌におけるフェロモン産生に対する相反する交尾型の存在

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨出典: College Board AP コースおよび試験説明書⁩

    Phenotype is not set by genes alone – the environment also matters. Temperature, nutrition, and other factors can change how genes are expressed (a Himalayan rabbit's dark fur where it is cold, a plant's height with more sunlight). So identical genotypes can give different phenotypes in different conditions.

    5.5

    Exam tips

    • Contrast mitosis (2 identical, full chromosome number) with meiosis (4 non-identical gametes, half the number).
    • Explain variation from crossing over, independent assortment, and random fertilisation.
    • Use the multiplication rule for dihybrid crosses (each gene's $3{:}1$ multiplied), and a chi-square test ($\chi^2=\sum\frac{(o-e)^2}{e}$) to judge observed vs expected ratios.
    • Keep genotype (the alleles) separate from phenotype (what you see) — $AA$ and $Aa$ can look the same.
    • Recognise non-Mendelian patterns: incomplete dominance, codominance, and sex linkage.
  • 6

    Gene Expression and Regulation · ⁨遺伝子発現と調節⁩

    Watch lesson · ⁨レッスンを視聴⁩
    6.1

    DNA and RNA Structure · ⁨DNAとRNAの構造⁩

    Syllabus · ⁨シラバス⁩
    English

    Enduring Understanding (BIG IDEA 3 — Information Storage and Transmission): Living systems store, retrieve, transmit, and respond to information essential to life processes.

    Learning Objective 6.1.A: Describe the structures involved in passing hereditary information from one generation to the next.

    • 6.1.A.1 Genetic information is stored in and passed to subsequent generations through DNA molecules and, in some cases, RNA molecules.
      • 6.1.A.1.i Prokaryotic organisms typically have circular chromosomes.
      • 6.1.A.1.ii Eukaryotic organisms typically have multiple linear chromosomes that are comprised of DNA. These chromosomes are condensed using histones and associated proteins.
    • 6.1.A.2 Prokaryotes and eukaryotes can contain plasmids, which are extra-chromosomal circular molecules of DNA.

    Learning Objective 6.1.B: Describe the characteristics of DNA that allow it to be used as hereditary material.

    • 6.1.B.1 Nucleic acids exhibit specific nucleotide base pairing that is conserved through evolution.
      • 6.1.B.1.i Purines (guanine and adenine) have a double ring structure.
      • 6.1.B.1.ii Pyrimidines (cytosine, thymine, and uracil) have a single ring structure.
      • 6.1.B.1.iii Purines pair with pyrimidines: adenine with thymine (or uracil in RNA) and guanine with cytosine.
    日本語

    永続的理解(BIG IDEA 3 — 情報の保存と伝達): 生命系は、生命過程に不可欠な情報を保存し、検索し、伝達し、応答する。

    学習目標 6.1.A: 親世代から次世代へ遺伝情報を伝える際に関与する構造を記述する。

    • 6.1.A.1 遺伝情報はDNA分子に蓄積され、後世代へ受け継がれる。また、場合によってはRNA分子によっても行われる。
      • 6.1.A.1.i 原核生物は通常、環状染色体を持つ。
      • 6.1.A.1.ii 真核生物は通常、複数の直線状染色体を持ち、これらはDNAで構成されている。これらの染色体はヒストンおよび関連タンパク質によって凝縮される。
    • 6.1.A.2 原核生物と真核生物は、染色体外の環状DNA分子であるプラシドを含むことができる。

    学習目標 6.1.B: 遺伝物質としてDNAが使われることを可能にするDNAの特性を記述する。

    • 6.1.B.1 核酸は、進化を通じて保存された特定のヌクレオチド塩基対形成を示す。
      • 6.1.B.1.i プリン(グアニンおよびアデニン)は二重環構造を持つ。
      • 6.1.B.1.ii ピリミジン(シトシン、チミン、ウラシル)は単一環構造を持つ。
      • 6.1.B.1.iii プリンはピリミジンと対をなす:アデニンはチミン(またはRNAではウラシル)と、グアニンはシトシンと対をなす。

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨出典: College Board AP コースおよび試験説明書⁩

    English

    DNA carries genetic information as a double helix 双螺旋 of two strands. Its nucleotides 核苷酸 pair by rule – A with T, G with C (complementary base pairing 互补配对) – so one strand specifies the other. The strands run antiparallel 反平行. RNA is single-stranded, uses uracil (U) instead of thymine, and has ribose sugar.

    How the DNA is packaged differs between the domains, and the CED asks for both.

    • Prokaryotic organisms typically have a single circular chromosome 环状染色体 in the cytoplasm, often with extra small circles called plasmids.
    • Eukaryotic organisms typically have multiple linear chromosomes 线性染色体, and each is condensed by wrapping around proteins called histones 组蛋白. That packing is what fits two metres of DNA into a nucleus a few micrometres across — and because a tightly wound region is hard for the transcription machinery to reach, the packing is itself a level of gene regulation.
    日本語
    細胞抽出液からの沈殿DNAの巻き取り — DNAは実際に可視化できる分子である
    細胞抽出液からの沈殿DNAの巻き取り — DNAは実際に可視化できる分子である

    DNA は二本鎖の二重らせんとして遺伝情報を持ちます。ヌクレオチドは特定のルールでペアリングし、AはTと、GはCと対応します(相補的塩基対合)。これにより一本の鎖がもう一本の鎖を決定します。両方の鎖は反平行に走ります。RNA は一本鎖であり、チミンの代わりにウラシル(U)を使用し、リボース糖を含みます。

    相補的塩基対によって保持された二本の反平行なDNA鎖
    相補的塩基対によって保持された二本の反平行なDNA鎖

    DNAのパッケージング方法はドメインによって異なり、CEDでは両方を問うている。

    • 原核生物は通常、細胞質内に単一の環状染色体を持ち、追加の小さな輪(プラスミド)を持つことが多い。
    • 真核生物は通常、複数の直線状染色体を持ち、それぞれがヒストンと呼ばれるタンパク質に巻き取られることで凝縮されている。この詰まり方が、数マイクロメートルの核内に2メートルものDNAを収めることを可能にしている——また、巻きの密な領域は転写装置がアクセスしにくいため、パッケージング自体が遺伝子発現調節の一レベルとなっている。
    6.2

    DNA Replication · ⁨DNA複製⁩

    Syllabus · ⁨シラバス⁩
    English

    Enduring Understanding (BIG IDEA 3 — Information Storage and Transmission): Living systems store, retrieve, transmit, and respond to information essential to life processes.

    Learning Objective 6.2.A: Describe the mechanisms by which genetic information is copied for transmission between generations.

    • 6.2.A.1 DNA replication ensures continuity of hereditary information.
      • 6.2.A.1.i DNA is synthesized in the 5' to 3' direction.
      • 6.2.A.1.ii Replication is a semiconservative process, meaning one strand of DNA serves as the template for a new strand of complementary DNA.
      • 6.2.A.1.iii Helicase unwinds the DNA strands.
      • 6.2.A.1.iv Topoisomerase relaxes supercoiling in front of the replication fork.
      • 6.2.A.1.v DNA polymerase requires RNA primers to initiate DNA synthesis.
      • 6.2.A.1.vi DNA polymerase synthesizes new strands of DNA continuously on the leading strand and discontinuously on the lagging strand.
      • 6.2.A.1.vii Ligase joins the fragments on the lagging strand.
      • Exclusion statement: The names of the steps and particular enzymes involved, excluding DNA polymerase, ligase, RNA polymerase, helicase, and topoisomerase, are beyond the scope of the AP Exam.
    日本語

    永続的理解(BIG IDEA 3 — 情報の保存と伝達): 生命系は、生命過程に不可欠な情報を保存し、検索し、伝達し、応答する。

    学習目標 6.2.A: 世代間の伝達のために遺伝情報がコピーされるメカニズムを記述する。

    • 6.2.A.1 DNA複製は、遺伝情報の連続性を保証する。
      • 6.2.A.1.i DNAは5'から3'方向に合成される。
      • 6.2.A.1.ii 複製は半保存的プロセスであり、DNAの一本鎖が新しい相補的なDNA鎖のためのテンプレートとなることを意味する。
      • 6.2.A.1.iii ヘリカーゼがDNA鎖を解く。
      • 6.2.A.1.iv トポイソメラーゼが複製フォークの前にある超らせん構造を緩める。
      • 6.2.A.1.v DNAポリメラーゼは、DNA合成を開始するためにRNAプライマーを必要とする。
      • 6.2.A.1.vi DNAポリメラーゼは、リードストランド上では新しいDNA鎖を連続的に、ラグgingストランド上では不連続的に合成する。
      • 6.2.A.1.vii リガーゼはラグgingストランド上の断片をつなぐ。
      • 除外事項: ステップの名前およびDNAポリメラーゼ、リガーゼ、RNAポリメラーゼ、ヘリカーゼ、トポイソメラーゼ以外の特定の酵素に関する名称は、AP試験の対象外である。

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨出典: College Board AP コースおよび試験説明書⁩

    English

    Before a cell divides, DNA is copied semiconservatively 半保留复制: the helix unwinds and each old strand templates a new one, so each daughter helix has one old and one new strand. DNA polymerase 聚合酶 adds nucleotides following base-pairing rules, building the new strand and proofreading as it goes.

    日本語

    細胞分裂の前に、DNAは半保存的にコピーされます。らせんが解け、古い各鎖が新しい鎖の鋳型となり、娘らせんはそれぞれ1本の古い鎖と1本の新しい鎖を持ちます。DNAポリメラーゼは塩基対合ルールに従ってヌクレオチドを追加し、新しい鎖を合成しながら校对(校正)を行います。

    複製フォークにおける半保存的DNA複製
    複製フォークにおける半保存的DNA複製
    6.3

    Transcription and RNA Processing · ⁨転写とRNA処理⁩

    Syllabus · ⁨シラバス⁩
    Big IdeaLearning ObjectiveEssential Knowledge

    Big Idea 3 — Information Storage and Transmission
    Living systems store, retrieve, transmit, and respond to information essential to life processes.

    6.3.A
    Describe the mechanisms by which genetic information flows from DNA to RNA to protein.

    • 6.3.A.1 The sequence of the RNA bases, together with the structure of the RNA molecule, determines RNA function.
      • 6.3.A.1.i Messenger RNA (mRNA) molecules carry information from DNA in the nucleus to the ribosome in the cytoplasm.
      • 6.3.A.1.ii Distinct transfer RNA (tRNA) molecules bind specific amino acids and have anticodon sequences that base pair with the codons of mRNA. tRNA is recruited to the ribosome during translation to generate the primary peptide sequence based on the mRNA sequence.
      • 6.3.A.1.iii Ribosomal RNA (rRNA) molecules are functional building blocks of ribosomes.
    • 6.3.A.2 RNA polymerases use a single template strand of DNA to direct the inclusion of bases in the newly formed RNA molecule. This process is known as transcription.
    • 6.3.A.3 The enzyme RNA polymerase synthesizes mRNA molecules in the 5' to 3' direction by reading the template DNA strand in the 3' to 5' direction.
    • 6.3.A.4 In eukaryotic cells the mRNA transcript undergoes a series of enzyme-mediated modifications.
      • 6.3.A.4.i The addition of a poly-A tail makes mRNA more stable.
      • 6.3.A.4.ii The addition of a GTP cap helps with ribosomal recognition.
      • 6.3.A.4.iii The excision of introns, along with the splicing and retention of exons, generates different versions of the resulting mature mRNA molecule. This process is known as alternative splicing.

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨出典: College Board AP コースおよび試験説明書⁩

    English

    Transcription 转录 copies a gene's DNA into messenger RNA 信使RNA (mRNA). RNA polymerase reads the template strand and builds a complementary RNA. In eukaryotes the mRNA is then processed: a cap and tail are added, and introns 内含子 (non-coding parts) are spliced out, leaving the exons 外显子.

    The 5′ cap added during processing is a modified guanine nucleotide — a GTP cap — and its job is recognition: it helps the ribosome recognise and bind the mRNA, as well as protecting the transcript from degradation as it leaves the nucleus.

    日本語

    転写では、遺伝子のDNAがmRNA(メッセンジャーRNA)にコピーされます。RNAポリメラーゼが鋳型鎖を読み取り、相補的なRNAを合成します。真核生物では、その後mRNAは処理され、キャップとテールが追加され、イントロン(非コード領域)がスプライシングされて除去され、エクソンが残ります。

    イントロンが除去され、エクソンが連結されて成熟したmRNAとなる
    イントロンが除去され、エクソンが連結されて成熟したmRNAとなる

    処理中に追加される5′キャップは、修飾されたグアニンヌクレオチド——GTPキャップ——であり、その機能は認識です。これはリボソームがmRNAを認識して結合するのを助け、同時に転写物が核から出る際に分解されるのを保護します。

    Explore · ⁨探索⁩

    Transcribe DNA into messenger RNA · ⁨DNAをmRNAに転写する⁩

    Transcription copies a DNA template into mRNA, pairing A→U, T→A, C→G, G→C. Step through to build the RNA strand base by base. · ⁨転写ではDNAテンプレートをmRNAにコピーし、A→U、T→A、C→G、G→Cと対合する。進んでRNA鎖を塩基ごとに構築する。⁩

    6.4

    Translation · ⁨翻訳⁩

    Syllabus · ⁨シラバス⁩
    English

    Enduring Understanding (BIG IDEA 3 — Information Storage and Transmission): Living systems store, retrieve, transmit, and respond to information essential to life processes.

    Learning Objective 6.4.A: Explain how the phenotype of an organism is determined by its genotype.

    • 6.4.A.1 Translation of the mRNA to generate a polypeptide occurs on ribosomes that are present in the cytoplasm of both prokaryotic and eukaryotic cells, as well as the cytoplasmic surface of the rough ER of eukaryotic cells.
    • 6.4.A.2 In prokaryotic organisms, translation of the mRNA molecule occurs while it is being transcribed.
    • 6.4.A.3 Translation involves many sequential steps, including initiation, elongation, and termination. The salient features of translation include:
      • 6.4.A.3.i Translation is initiated when the rRNA in the ribosome interacts with the mRNA at the start codon (AUG, coding for the amino acid methionine).
      • 6.4.A.3.ii The sequence of nucleotides on the mRNA is read in triplets, called codons.
      • 6.4.A.3.iii Each codon encodes a specific amino acid, which can be deduced by using a genetic code chart. Many amino acids are encoded by more than one codon.
      • 6.4.A.3.iv Nearly all living organisms use the same genetic code, which is evidence for the common ancestry of all living organisms.
      • 6.4.A.3.v tRNA brings the correct amino acid to the place specified by the codon on the mRNA.
      • 6.4.A.3.vi The amino acid is transferred to the growing polypeptide chain.
      • 6.4.A.3.vii The process continues along the mRNA until a stop codon is reached.
      • 6.4.A.3.viii Translation terminates with the release of the newly synthesized protein.
      • Exclusion statement: The details and names of the enzymes and factors involved in each of these steps are beyond the scope of the AP Exam.
      • Exclusion statement: Memorization of the genetic code, with the exception of the start codon AUG, is beyond the scope of the AP Exam.
    • 6.4.A.4 Genetic information in retroviruses is a special case and has an alternate flow of information: from RNA to DNA, made possible by reverse transcriptase, an enzyme that copies the viral RNA genome into DNA. This DNA integrates into the host genome and is transcribed and translated for the assembly of new viral progeny.
    日本語

    永続的理解(BIG IDEA 3 — 情報の保存と伝達): 生命系は、生命過程に不可欠な情報を保存し、検索し、伝達し、応答する。

    学習目標 6.4.A: 生物体の表現型がゲノタイプによってどのように決定されるかを説明する。

    • 6.4.A.1 mRNAの翻訳によるポリピプチド生成は、原核生物および真核生物の両方の細胞質、ならびに真核生物の粗面小胞体細胞質表面にあるリボソーム上で行われる。
    • 6.4.A.2 原核生物において、mRNA分子の翻訳はその転写中に行われる。
    • 6.4.A.3翻訳は、開始、伸長、終結を含む多くの連続したステップを伴います。翻訳の主な特徴は以下の通りです:
      • 6.4.A.3.i リボソーム内のrRNAが起始コドン(AUG、アミノ酸メチオニンをコード)におけるmRNAと相互作用することで、翻訳は開始されます。
      • 6.4.A.3.ii mRNA上のヌクレオチド配列は三重体として読み取られ、これらをコドンと呼びます。
      • 6.4.A.3.iii 各コドンは特定のアミノ酸をコードしており、遺伝子暗号表を用いることでその対応を導き出すことができます。多くのアミノ酸は複数のコドンによってコードされています。
      • 6.4.A.3.iv ほぼすべての生物が同じ遺伝子暗号を使用しており、これはあらゆる生物が共通の祖先を持つことの証拠となっています。
      • 6.4.A.3.v tRNAは、mRNA上のコドンによって指定された場所に正しいアミノ酸を持ち込みます。
      • 6.4.A.3.vi アミノ酸は伸長中のポリペプチド鎖に転移されます。
      • 6.4.A.3.vii このプロセスはmRNAに沿って進行し、停止コドンに到達するまで続きます。
      • 6.4.A.3.viii 翻訳は、新しく合成されたタンパク質が遊離されることで終了します。
      • 除外事項: これらの各ステップに関与する酵素や因子の詳細および名称は、AP試験の範囲外です。
      • 除外事項: 起始コドンAUGを除く、遺伝子暗号の暗記はAP試験の範囲外です。
    • 6.4.A.4 レトロウイルスの遺伝情報は特別なケースであり、逆転写酵素という酵素によってウイルスRNAゲノムがDNAにコピーされることにより可能となる、RNAからDNAへの代替的な情報流があります。このDNAは宿主ゲノムに組み込まれ、新しいウイルス子孫の組立のために転写・翻訳されます。

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨出典: College Board AP コースおよび試験説明書⁩

    English

    Translation 翻译 builds a protein from the mRNA at the ribosome 核糖体. The mRNA is read in three-base codons 密码子, each specifying one amino acid (the genetic code). Transfer RNA 转运RNA brings the matching amino acid, and the ribosome links them into a polypeptide until a stop codon ends it. This is the "central dogma": DNA → RNA → protein.

    日本語

    翻訳では、mRNAに基づいてタンパク質がリボソームで合成されます。mRNAは3塩基ごとのコドンとして読み取られ、それぞれが1つのアミノ酸を指定します(遺伝暗号)。tRNA(転送RNA)が対応するアミノ酸を運び、リボソームはそれらをペプチド結合でつないでポリピペプチドを形成し、ストップコドンで終了します。これが「中心原理」です:DNA → RNA → タンパク質。

    リボソームがmRNAを読み取ってアミノ酸からタンパク質を合成する様子
    リボソームがmRNAを読み取ってアミノ酸からタンパク質を合成する様子
    6.5

    Regulation of Gene Expression · ⁨遺伝子発現の調節⁩

    Syllabus · ⁨シラバス⁩
    English

    Enduring Understanding (BIG IDEA 3 — Information Storage and Transmission): Living systems store, retrieve, transmit, and respond to information essential to life processes.

    Learning Objective 6.5.A: Describe the types of interactions that regulate gene expression.

    • 6.5.A.1 Regulatory sequences are stretches of DNA that interact with regulatory proteins to control transcription. Some genes are constitutively expressed, and others are inducible.
    • 6.5.A.2 Epigenetic changes can affect gene expression through reversible modifications of DNA or histones.
    • 6.5.A.3 The phenotype of a cell or an organism is determined by the combination of genes that are expressed and the levels at which they are expressed.
      • 6.5.A.3.i Observable cell differentiation results from the expression of genes for tissue-specific proteins.
      • 6.5.A.3.ii Induction of transcription factors during development results in sequential gene expression.
      • 6.5.A.3.iii The function and amount of gene products determine the phenotype of organisms.

    Learning Objective 6.5.B: Explain how the location of regulatory sequences relates to their function.

    • 6.5.B.1 Both prokaryotes and eukaryotes have groups of genes that are coordinately regulated.
      • 6.5.B.1.i Prokaryotes regulate operons in an inducible or repressible system.
      • 6.5.B.1.ii In eukaryotes, groups of genes may be influenced by the same transcription factors to coordinately regulate expression.
    日本語

    永続的理解(BIG IDEA 3 — 情報の保存と伝達): 生命系は、生命過程に不可欠な情報を保存し、検索し、伝達し、応答する。

    学習目標 6.5.A: 遺伝子発現を調節する相互作用の種類を説明すること。

    • 6.5.A.1 調節配列とは、調節タンパク質と相互作用して転写を制御するDNAの領域です。一部の遺伝子は恒常的に発現し、他の遺伝子は誘導性です。
    • 6.5.A.2 エピジェネティック変化は、DNAやヒストンの可逆的な修飾を通じて遺伝子発現に影響を与えることがあります。
    • 6.5.A.3 細胞や個体の表現型は、発現している遺伝子の組み合わせと、それらが発現するレベルによって決定されます。
      • 6.5.A.3.i 観察可能な細胞分化は、組織特異的タンパク質の遺伝子の発現によって生じます。
      • 6.5.A.3.ii 発生過程での転写因子の誘導は、順次的な遺伝子発現をもたらします。
      • 6.5.A.3.iii 遺伝子産物の機能と量が発現型を決定します。

    学習目標 6.5.B: 調節配列の位置がその機能とどのように関連しているかを説明すること。

    • 6.5.B.1 原核生物も真核生物も、協調的に調節される遺伝子のグループを持っています。
      • 6.5.B.1.i 原核生物は、誘導性または阻害性システムにおいてオペロンを調節します。
      • 6.5.B.1.ii 真核生物では、同じ転写因子の影響を受けることで、遺伝子のグループが協調的に発現を調節されることがあります。

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨出典: College Board AP コースおよび試験説明書⁩

    English

    Cells control which genes are expressed and when. In prokaryotes, operons 操纵子 switch groups of genes on or off. In eukaryotes, regulation happens at many levels – which genes are transcribed (transcription factors, promoters, enhancers), RNA processing, and after translation. This lets a cell respond to its environment without changing its DNA.

    日本語

    細胞はどの遺伝子が発現し、いつ発現するかを制御します。原核生物では、オペロンが遺伝子群のオン・オフを切り替えます。真核生物では、調節は多くのレベルで行われます——どの遺伝子が転写されるか(転写因子、プロモーター、エンハンサー)、RNA処理、翻訳後など。これにより、細胞はDNAを変更することなく環境に応答できます。

    ラックオペロンはラクトースが存在する場合のみ遺伝子をオンにする
    ラックオペロンはラクトースが存在する場合のみ遺伝子をオンにする
    6.6

    Gene Expression and Cell Specialization · ⁨遺伝子発現と細胞特分化⁩

    Syllabus · ⁨シラバス⁩
    English

    Enduring Understanding (BIG IDEA 3 — Information Storage and Transmission): Living systems store, retrieve, transmit, and respond to information essential to life processes.

    Learning Objective 6.6.A: Explain how the binding of transcription factors to promoter regions affects gene expression and the phenotype of the organism.

    • 6.6.A.1 RNA polymerase and transcription factors bind to promoter or enhancer DNA sequences to initiate transcription. These sequences can be upstream or downstream of the transcription start site.
    • 6.6.A.2 Negative regulatory molecules inhibit gene expression by binding to DNA and blocking transcription.

    Learning Objective 6.6.B: Explain the connection between the regulation of gene expression and phenotypic differences in cells and organisms.

    • 6.6.B.1 Gene regulation results in differential gene expression and influences cell products and functions.
    • 6.6.B.2 Certain small RNA molecules have roles in regulating gene expression.
    日本語

    永続的理解(BIG IDEA 3 — 情報の保存と伝達): 生命系は、生命過程に不可欠な情報を保存し、検索し、伝達し、応答する。

    学習目標 6.6.A: 転写因子のプロモーター領域への結合が遺伝子発現および個体の表現型に与える影響を説明すること。

    • 6.6.A.1 RNAポリメラーゼと転写因子は、転写を開始するためにプロモーターまたはエンハンサーのDNA配列に結合します。これらの配列は転写開始部位の上流または下流にあることがあります。
    • 6.6.A.2 負の調節分子は、DNAに結合して転写をブロックすることで、遺伝子発現を抑制します。

    学習目標 6.6.B: 遺伝子発現の調節と細胞・個体の表現型の違いとの関連性を説明すること。

    • 6.6.B.1 遺伝子調節は、遺伝子発現の差を生じさせ、細胞産物および機能に影響を与えます。
    • 6.6.B.2 特定の小さなRNA分子は、遺伝子発現の調節に役割を果たします。

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨出典: College Board AP コースおよび試験説明書⁩

    English

    Every cell in a body has the same DNA, yet cells differ because they express different genes – differential gene expression 差异表达. This is how one fertilized egg produces many specialized cell types (muscle, nerve, skin); signals during development turn specific genes on and off.

    日本語

    体中のすべての細胞は同じDNAを持っていますが、異なる遺伝子来表达することで細胞は異なります——差別的遺伝子発現。これが1つの受精卵から多数の特殊化した細胞タイプ(筋、神経、皮膚など)が生み出される仕組みです。発生中のシグナルが特定の遺伝子のオン・オフを調整します。

    幹細胞が特殊化した細胞タイプへ分化する様子
    幹細胞が特殊化した細胞タイプへ分化する様子
    6.7

    Mutations · ⁨突然変異⁩

    Syllabus · ⁨シラバス⁩
    English

    Enduring Understanding (BIG IDEA 3 — Information Storage and Transmission): Living systems store, retrieve, transmit, and respond to information essential to life processes.

    Learning Objective 6.7.A: Describe the various types of mutation.

    • 6.7.A.1 Alterations in a DNA sequence are mutations that can cause changes in the type or amount of the protein produced and the consequent phenotype. DNA mutations can be beneficial, detrimental, or neutral based on the effect or the lack of effect they have on the resulting nucleic acid or protein and the phenotypes that are conferred by the protein.
      • 6.7.A.1.i Point mutations occur when one nucleotide has been substituted for a different nucleotide.
      • 6.7.A.1.ii Frameshift mutations occur when one or more nucleotides are inserted or deleted, causing the reading frame to be shifted.
      • 6.7.A.1.iii Nonsense mutations occur when there is a point mutation that causes a premature stop.
      • 6.7.A.1.iv Silent mutations occur when the change in the nucleotide sequence has no effect on the amino acid sequence.
      • Illustrative examples for 6.7.A.1:
        • Mutations in the CFTR gene disrupt ion transport and result in cystic fibrosis.
        • Mutations in the MC1R gene give adaptive melanism in pocket mice.
      • Exclusion statement: Knowledge of specific mutations and their effects is beyond the scope of the AP Exam.

    Learning Objective 6.7.B: Explain how changes in genotype may result in changes in phenotype.

    • 6.7.B.1 Errors in DNA replication or DNA repair mechanisms as well as external factors, including radiation and reactive chemicals, can cause random mutations in the DNA.
      • 6.7.B.1.i Whether a mutation is beneficial, detrimental, or neutral depends on the environmental context.
      • 6.7.B.1.ii Mutations are a source of genetic variation.
    • 6.7.B.2 Errors in mitosis or meiosis can result in changes in phenotype.
      • 6.7.B.2.i Changes in chromosome number resulting from nondisjunction often result in new phenotypes caused by triploidy (aneuploidy).
      • 6.7.B.2.ii Changes in chromosome number often result in disorders with developmental limitations.
      • 6.7.B.2.iii Alterations in chromosome structure lead to genetic disorders.
      • Exclusion statement: Knowledge of specific disorders related to changes in chromosome number is beyond the scope of the AP Exam.

    Learning Objective 6.7.C: Explain how alterations in DNA sequences contribute to variation that can be subject to natural selection.

    • 6.7.C.1 Changes in genotype may affect phenotypes that are subject to natural selection. Genetic changes that enhance survival and reproduction can be selected for by environmental conditions.
      • 6.7.C.1.i The horizontal acquisitions of genetic information in prokaryotes via transformation (uptake of DNA), transduction (viral transmission of genetic information), conjugation (cell-to-cell transfer of DNA), and transposition (movement of DNA segments within and between DNA molecules) increase genetic variation.
      • 6.7.C.1.ii Related viruses can recombine genetic information if they infect the same host cell.
      • 6.7.C.1.iii Reproductive processes that increase genetic variation are evolutionarily conserved and are shared by various organisms.
      • Illustrative examples for 6.7.C.1: Sickle cell anemia
    日本語

    永続的理解(BIG IDEA 3 — 情報の保存と伝達): 生命系は、生命過程に不可欠な情報を保存し、検索し、伝達し、応答する。

    学習目標 6.7.A: さまざまなタイプの変異を説明すること。

    • 6.7.A.1 DNA配列の変化は変異であり、生成されるタンパク質の種類や量の変化、およびそれに続く表現型の変化を引き起こすことがあります。DNA変異は、結果として生じる核酸やタンパク質、およびタンパク質がもたらす表現型に対する効果、あるいは効果がない点に基づいて、有益であるか、有害であるか、あるいは中立であることがあり得ます。
      • 6.7.A.1.i ポイント変異は、1つのヌクレオチードが異なるヌクレオチードに置換されることで発生します。
      • 6.7.A.1.ii フレームシフト変異は、1つ以上のヌクレオチードが挿入または欠失し、読み枠がずれることで発生します。
      • 6.7.A.1.iii ノンセンス変異は、ポイント変異が prematurely な停止を招くことで発生します。
      • 6.7.A.1.iv シ lent変異は、ヌクレオチード配列の変化がアミノ酸配列に影響を与えない場合に発生します。
      • 6.7.A.1のための例示:
        • CFTR遺伝子の変異はイオン輸送を乱し、嚢胞性線維症を引き起こします。
        • MC1R遺伝子の変異はポケットマウスの適応的メラニズムをもたらします。
      • 除外事項: 特定の変異とその効果に関する知識は、AP試験の範囲外です。

    学習目標 6.7.B: 遺伝子型の変化がなぜ表現型の変化につながるかを説明すること。

    • 6.7.B.1 DNA複製やDNA修復機構のエラー、ならびに放射線や反応性化学物質などの外部要因は、DNAのランダムな変異を引き起こすことがあります。
      • 6.7.B.1.i 変異が有益であるか、有害であるか、あるいは中立であるかは、環境的文脈に依存します。
      • 6.7.B.1.ii 変異は遺伝的変異の源である。
    • 6.7.B.2 有丝分裂または減数分裂におけるエラーが、表現型の変化をもたらすことがある。
      • 6.7.B.2.i 非分離による染色体数の変化は、三倍体(非整倍体)によって引き起こされる新しい表現型を伴うことが多い。
      • 6.7.B.2.ii 染色体数の変化は、発育上の制限を伴う疾患を引き起こすことがよくある。
      • 6.7.B.2.iii 染色体構造の変異は、遺伝性疾患を引き起こす。
      • 除外事項: 染色体数の変化に関連する特定の疾患に関する知識は、AP試験の範囲外である。

    学習目標 6.7.C: DNA配列の変異が自然選択の対象となる変異に寄与する仕組みを説明せよ。

    • 6.7.C.1 遺伝子型の変化は、自然選択の対象となる表現型に影響を与えることができる。生存と繁殖を促進する遺伝的変化は、環境条件によって選択されることがある。
      • 6.7.C.1.i 原核生物における水平遺伝子導入(DNAの取り込みである変換、ウイルスによる遺伝情報の伝達である転導、細胞間でのDNAの移動である接合、およびDNA分子内・分子間でのDNA断片の移動である転座)は、遺伝的変異を増加させる。
      • 6.7.C.1.ii 関連するウイルスが同じ宿主細胞に感染した場合、遺伝情報を組換えることができる。
      • 6.7.C.1.iii 遺伝的変異を増加させる生殖プロセスは、進化的に保存されており、多様な生物間で共有されている。
      • 6.7.C.1の例示: 鎌状赤血球貧血症

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨出典: College Board AP コースおよび試験説明書⁩

    English

    A mutation 突变 is a change in the DNA sequence. Point mutations change one base (silent, missense, or nonsense); insertions/deletions can cause a frameshift 移码 that garbles everything downstream. Mutations in gametes are heritable; they may be harmful, neutral, or beneficial – and beneficial ones supply the variation for natural selection.

    Whole-chromosome errors change the phenotype too. Mutation is not only a change of base: errors in mitosis or meiosis can result in changes in phenotype. If chromosomes fail to separate — nondisjunction 不分离 — a gamete receives an extra copy or none, and the resulting zygote has an abnormal chromosome number (aneuploidy 非整倍性). Trisomy 21 is the familiar example. Because a whole chromosome carries hundreds of genes, the phenotypic effect is far broader than a point mutation's.

    日本語

    突然変異はDNA配列の変化のことです。ポイント突变は1塩基の変化であり、無効突变(サイレント)、ミセンス突变、またはノンスンス突变です。挿入/欠失はフレームシフトを引き起こし、下流のすべてを誤った配列に変えます。生殖細胞での突然変異は遺伝され、有害、中立、あるいは有利になることがあります。有利な変異は自然選択のための多様性を供給します。

    置換、欠失、挿入変異
    置換、欠失、挿入変異

    染色体全体の誤差も表現型を変化させます。 変異は単なる塩基の変化ではありません:有糸分裂や減数分裂の誤差が表現型の変化をもたらすことがあります。染色体が分離しない(非分離)と、配偶体は追加された拷贝またはゼロを受け取り、結果として生じた受精卵は異常な染色体数(異数性)を持ちます。21番三体症候群はその有名な例です。染色体全体には数百の遺伝子が含まれているため、表現型への影響は点変異よりもはるかに広範です。

    Vocabulary · ⁨語彙⁩ Train · ⁨練習する⁩
    English 日本語
    double helix/ˈdʌbl ˈhiːlɪks/ 二重らせん
    nucleotides/ˈnjuːklɪɒtaɪdz/ ヌクレオチド
    complementary base pairing/ˌkɒmplɪˈmentəri beɪs ˈpeərɪŋ/ 塩基対
    antiparallel/ˌæntɪˈpærəlel/ 反平行
    single circular chromosome/ˈsɪŋɡl ˈsɜːkjʊlə ˈkrəʊməsəʊm/ 単一の環状染色体
    multiple linear chromosomes/ˈmʌltɪpl ˈlɪnɪə ˈkrəʊməsəʊmz/ 複数の線状染色体
    condensed by wrapping around proteins called histones/kənˈdenst baɪ ˈræpɪŋ əˈraʊnd ˈprəʊtiːnz kɔːld ˈhɪstəʊnz/ ヒストンと呼ばれるタンパク質に巻き付いて凝縮する
    semiconservatively/ˌsemɪkənˈsɜːvətɪvli/ 半保存的に
    DNA polymerase/ˌdiː en ˈeɪ ˌpɒlɪməˈreɪz/ DNAポリメラーゼ
    Transcription/trænˈskrɪpʃn/ 転写
    messenger RNA/ˈmesɪndʒə ˌɑː en ˈeɪ/ メッセンジャーRNA
    introns/ɪnˈtrɒnz/ インtron
    exons/eɡˈzɒnz/ エクソン
    Translation/trænˈsleɪʃn/ 翻訳
    ribosome/ˈriːbəʊsəʊm/ リボソーム
    codons/ˈkəʊdɒnz/ コドン
    Transfer RNA/ˈtrænsfɜː ˌɑː en ˈeɪ/ 転送RNA
    operons/ˈɒpərənz/ オペロン
    differential gene expression/ˌdɪfəˈrenʃl dʒiːn ekˈspreʃn/ 遺伝子の発現制御
    mutation/mjuːˈteɪʃn/ 突然変異
    frameshift/ˈfreɪmʃɪft/ フレームシフト
    nondisjunction/ˌnɒndɪsˈdʒʌŋkʃn/ 非分離
    aneuploidy/ˈeɪnəplɔɪdi/ 非整倍体
    Biotechnology/ˌbaɪəʊtekˈnɒlədʒi/ バイオテクノロジー
    6.8

    Biotechnology · ⁨バイオテクノロジー⁩

    Syllabus · ⁨シラバス⁩
    English

    Enduring Understanding (BIG IDEA 3 — Information Storage and Transmission): Living systems store, retrieve, transmit, and respond to information essential to life processes.

    Learning Objective 6.8.A: Explain the use of genetic engineering techniques in analyzing or manipulating DNA.

    • 6.8.A.1 Genetic engineering techniques can be used to analyze and manipulate DNA and RNA.
      • 6.8.A.1.i Gel electrophoresis is a process that separates DNA fragments by size and charge.
      • 6.8.A.1.ii During polymerase chain reaction (PCR), DNA fragments are amplified by denaturing DNA, annealing primers to the original strand, and extending the new DNA molecule.
      • 6.8.A.1.iii Bacterial transformation introduces foreign DNA into bacterial cells.
      • 6.8.A.1.iv DNA sequencing technology determines the order of nucleotides in a DNA molecule. Typically, these techniques result in a DNA fingerprint that allows for the comparison of DNA sequences from various samples.
      • Illustrative examples for 6.8.A.1:
        • Amplified DNA fragments can be used to identify organisms and perform phylogenetic analysis.
        • Analysis of DNA can be used for forensic identification.
        • Genetically modified organisms include transgenic animals.
        • Gene cloning allows propagation of DNA fragments.
      • Exclusion statement: Knowledge of the details of each of these genetic engineering techniques is beyond the scope of the AP Exam.
    日本語

    永続的理解(BIG IDEA 3 — 情報の保存と伝達): 生命系は、生命過程に不可欠な情報を保存し、検索し、伝達し、応答する。

    学習目標 6.8.A: DNAの解析や操作における遺伝子工学的技術の利用について説明せよ。

    • 6.8.A.1 遺伝子工学的技術は、DNAおよびRNAの解析や操作に用いられることができる。
      • 6.8.A.1.i ゲル電気泳動は、サイズと電荷に基づいてDNA断片を分離するプロセスである。
      • 6.8.A.1.ii ポリメラー鎖反応(PCR)では、DNAの変性、プライマーの元の鎖へのannealing、および新しいDNA分子の伸長により、DNA断片が増幅される。
      • 6.8.A.1.iii 細菌への変換は、外来DNAを細菌細胞内に導入する。
      • 6.8.A.1.iv DNAシーケンシング技術は、DNA分子内の塩基配列の順序を決定する。通常、これらの技術は、異なるサンプルからのDNA配列を比較できるDNAフィンガープリントを生じる。
      • 6.8.A.1の例示:
        • 増幅されたDNA断片は、生物の同定および系統解析に用いられることがある。
        • DNAの解析は、法医学的識別に用いられることがある。
        • 遺伝子組み換え生物には、トランスジェニック動物が含まれる。
        • ゲノムクローニングは、DNA断片の増殖を可能にする。
      • 除外事項: これらの各遺伝子工学的技術の詳細に関する知識は、AP試験の範囲外である。

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨出典: College Board AP コースおよび試験説明書⁩

    English

    Biotechnology 生物技术 tools manipulate genetic material: PCR 聚合酶链反应 copies DNA, gel electrophoresis 凝胶电泳 separates DNA fragments by size, restriction enzymes and cloning move genes between organisms, and CRISPR edits sequences. These techniques enable genetic testing, engineered organisms, and medical treatments.

    Worked example. A template DNA strand 3'-TAC GGA TTC-5' is transcribed into mRNA 5'-AUG CCU AAG-3'. A ribosome reads three codons: AUG = Met (start), CCU = Pro, AAG = Lys — coding for Met–Pro–Lys. Changing the third base of a codon often gives the same amino acid, because the genetic code is degenerate, which softens the effect of many mutations.

    Reading DNA identifies individuals. Because the number of repeats at certain non-coding loci varies from person to person, analysis of DNA can be used for forensic identification: amplify those regions by PCR, separate the fragments by gel electrophoresis, and compare the pattern of band positions with a reference sample. A match is a statement about probability rather than certainty, which is why several loci are tested rather than one.

    日本語
    サーマルサイクラーはDNAを増幅するために(PCR)サンプルを繰り返し加熱・冷却する
    サーモサイクラーが試料を繰り返し加熱・冷却してDNAを増幅する(PCR)
    UV光下でのアガロースゲル:DNA断片がサイズ別に分かれ、明るい帯として可視化されている
    UV光下のアガロースゲル:DNA断片がサイズ別に分かれて明るいバンドとして見える

    バイオテクノロジーのツールは遺伝物質を操作します:PCRでDNAをコピーし、ゲル電気泳動でサイズ別にDNA断片を分離し、制限酵素やクローニングで遺伝子を生物間で移動させ、CRISPRで配列を編集します。これらの技術により、遺伝子検査、組み換え生物、および医療治療が可能になります。

    ゲル電気泳動により、DNA断片が長さによって分離される
    ゲル電気泳動は長さに基づいてDNA断片を分離します
    ポリメラーゼ鎖反応(PCR)では、各サイクルでDNA量が倍増する
    ポリメラーゼ鎖反応は各サイクルでDNAを倍増させます

    演習例。 鋳型DNA鎖 3'-TAC GGA TTC-5' が転写されてmRNA 5'-AUG CCU AAG-3' となります。リボソームは3つのコドンを読み取ります:AUG = メチオニン(開始)、CCU = プロリン、AAG = リシン — これにより Met–Pro–Lys をコードします。コドンの第三塩基を変えることはしばしば同じアミノ酸をもたらしますが、これは遺伝子が重複性を持っているため、多くの突然変異の影響が和らぐからです。

    ** DNAの読み取りは個人を識別します。** 特定の非コーディング座標における反復回数が人によって異なるため、DNA解析は法医学的識別に使用できます:PCRでその領域を増幅し、ゲル電気泳動で断片を分離し、バンド位置のパターンを参照サンプルと比較します。一致は確実性ではなく確率に関する声明であるため、1つの座標ではなく複数の座標がテストされます。

    Vocabulary · ⁨語彙⁩ Train · ⁨練習する⁩
    English 日本語
    PCR/ˌpiː siː ˈɑː/ PCR
    gel electrophoresis/dʒel ɪˌlektrəʊfɔːˈriːsɪs/ ゲル電気泳動
    6.8

    Exam tips · ⁨試験対策⁩

    English
    • Know the central dogma DNA → RNA → protein: transcription makes mRNA, translation reads it in three-base codons at the ribosome.
    • Remember RNA is single-stranded and uses U instead of T; replication is semiconservative.
    • Every cell has the same DNA — cells differ because they express different genes (differential gene expression).
    • A mutation is a change in the DNA sequence and may be harmful, neutral, or beneficial (the raw material for selection).
    • Link biotech tools to their jobs: PCR copies DNA; gel electrophoresis separates fragments by size.
    日本語
    • 中心説 DNA → RNA → タンパク質を知っていること:転写はmRNAを作り、翻訳はリボソームで3塩基ごとのコドンとしてそれを読みます。
    • RNAは一本鎖で、Tの代わりにUを使用すること、複製が半保存的であることを覚えていること。
    • 全ての細胞は同じDNAを持っています — 細胞は異なる遺伝子発現(遺伝子発現の差)するため異なります。
    • 変異はDNA配列の変化であり、有害、中性、あるいは有利になる可能性があります(自然選択のための原材料)。
    • バイオテクノロジーのツールとその役割を結びつけること:PCRはDNAをコピーし、ゲル電気泳動はサイズに基づいて断片を分離する。
  • 7

    Natural Selection · ⁨自然選択⁩

    Watch lesson · ⁨レッスンを視聴⁩
    7.1

    Introduction to Natural Selection · ⁨自然選択の導入⁩

    Syllabus · ⁨シラバス⁩
    English

    Enduring Understanding (BIG IDEA 1 — Evolution): The process of evolution drives the diversity and unity of life.

    Learning Objective 7.1.A: Describe the causes of natural selection.

    • 7.1.A.1 Natural selection is a major mechanism of evolution.
    • 7.1.A.2 According to Darwin's theory of natural selection, competition for limited resources results in differential survival. Individuals with more favorable phenotypes are more likely to survive and produce more offspring, thus passing on those favorable traits to subsequent generations.

    Learning Objective 7.1.B: Explain how natural selection affects populations.

    • 7.1.B.1 Evolutionary fitness is measured by reproductive success.
    • 7.1.B.2 Biotic and abiotic environments can fluctuate, affecting the rate and direction of evolution. Different genetic variations can be selected in each generation.
    日本語

    持続的理解(BIG IDEA 1 — 進化): 進化のプロセスは生命の多様性と統一性を駆動する。

    学習目標 7.1.A: 自然選択の原因について記述せよ。

    • 7.1.A.1 自然選択は、進化の主要なメカニズムである。
    • 7.1.A.2 ダーウィンの自然選択理論によれば、限られた資源に対する競争は、生存率の差をもたらす。より有利な表現型を持つ個体は、生存し、より多くの子を残す可能性が高く、その有利な形質を後世代に伝えることになる。

    学習目標 7.1.B: 自然選択が集団に与える影響について説明せよ。

    • 7.1.B.1 進化的適性は、繁殖的成功によって測定される。
    • 7.1.B.2 生物的要因および非生物的要因の環境は変動することがあり、進化の速度および方向に影響を与える。異なる遺伝的変異が各世代で選択されることがある。

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨出典: College Board AP コースおよび試験説明書⁩

    English

    Evolution 进化 is a change in the heritable traits of a population over generations. Natural selection 自然选择 is its main driver: individuals vary, some variations are heritable, more offspring are produced than survive, and those with traits better suited to the environment survive and reproduce more. Over time, helpful traits become more common.

    日本語

    進化とは、世代を経て集団が持つ継承可能な形質が変化することです。自然選択はその主な駆動力です:個体にはばらつきがあり、一部の形質は継承可能であり、生存できるより多くの子供が生み出され、環境に適した形質を持つ個体がより多く生存して繁殖します。時間が経つと、有益な形質が一般的になっていきます。

    自然選択:最も適応した個体が生存し、繁殖し、そのアルレールを後世に伝える
    自然選択:最も適応した個体が生存・繁殖し、その対立遺伝子を後世に伝える
    Vocabulary · ⁨語彙⁩ Train · ⁨練習する⁩
    English 日本語
    Evolution/ɪvəˈluːʃn/ 進化
    Natural selection/ˈnætʃərəl sɪˈlekʃn/ 自然選択
    7.2

    Natural Selection · ⁨自然選択⁩

    Syllabus · ⁨シラバス⁩
    English

    Enduring Understanding (BIG IDEA 1 — Evolution): The process of evolution drives the diversity and unity of life.

    Learning Objective 7.2.A: Describe the importance of phenotypic variation in a population.

    • 7.2.A.1 Natural selection acts on phenotypic variations in populations.
    • 7.2.A.2 Environments change and apply selective pressures to populations.
      • Illustrative examples for 7.2.A.2: Flowering time in relation to global climate change
    • 7.2.A.3 Some phenotypic variations can increase or decrease the fitness of an organism in particular environments.
      • Illustrative examples for 7.2.A.3: Sickle cell anemia; DDT resistance in insects

    Learning Objective 7.2.B: Explain how variation in molecules within cells connects to the fitness of an organism.

    • 7.2.B.1 Variation in the number and types of molecules within cells can provide populations a greater ability to survive and reproduce in different environments.
    日本語

    持続的理解(BIG IDEA 1 — 進化): 進化のプロセスは生命の多様性と統一性を駆動する。

    学習目標 7.2.A: 個体群内の表現型の変異の重要性を説明せよ。

    • 7.2.A.1 自然選択は、個体群内の表現型の変異に対して作用する。
    • 7.2.A.2 環境は変化し、個体群に選択圧をかける。
      • 7.2.A.2 の例: 全球温暖化と開花時期
    • 7.2.A.3 特定の表現型の変異は、ある環境下での生物の適応度を高めたり低下させたりすることがある。
      • 7.2.A.3 の例: 鎌状細胞貧血症; 昆虫のDDT耐性

    学習目標 7.2.B: 細胞内の分子の変異が生物の適応度とどのように関連するかを説明せよ。

    • 7.2.B.1 細胞内の分子の数や種類の変異は、異なる環境下での生存と繁殖の能力を個体群に高めることができる。

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨出典: College Board AP コースおよび試験説明書⁩

    English

    Selection acts on variation 变异. Fitness 适合度 means reproductive success, not strength. Selection comes in modes: directional (favors one extreme), stabilizing (favors the average), and disruptive (favors both extremes). The environment does the "selecting," so a trait that helps in one setting may not in another. Well-suited traits are adaptations 适应.

    日本語
     Peppered moth の黒色型(carbonaria)— 工業 melanism は自然選択の古典的なケーススタディである
    ハダカガラガスの黒色型(carbonaria)— 産業 melanism は自然選択の古典的な事例研究です

    選択は変異に対して作用します。適応度とは強さではなく、繁殖成功を意味します。選択には几种類があります:方向性選択(片方の極端を好む)、安定化選択(平均を好む)、および破壊的選択(両方の極端を好む)。環境が「選択」を行うため、ある環境では役立つ形質が別の環境では役立たないこともあります。適切に適合した形質は適応と呼ばれます。

    安定化選択、方向性選択、破壊的選択
    安定化選択、方向性選択、破壊的選択
    Explore · ⁨探索⁩

    Watch selection shift a population · ⁨自然選択が集団を変える様子を見る⁩

    Natural selection: individuals better suited to the environment survive and reproduce more, so helpful traits spread. Change the environment and watch the population adapt. · ⁨自然選択: 環境に適応した個体は生存・繁殖し、有益な形質が広がる。環境を変化させて集団が適応する様子を見る。⁩

    7.3

    Artificial Selection · ⁨人工選択⁩

    Syllabus · ⁨シラバス⁩
    English

    Enduring Understanding (BIG IDEA 1 — Evolution): The process of evolution drives the diversity and unity of life.

    Learning Objective 7.3.A: Explain how humans can affect diversity within a population.

    • 7.3.A.1 Through artificial selection, humans affect variation in other species.
    日本語

    持続的理解(BIG IDEA 1 — 進化): 進化のプロセスは生命の多様性と統一性を駆動する。

    学習目標 7.3.A: 人間が個体群内の多様性に与える影響を説明せよ。

    • 7.3.A.1 人工選択を通じて、人間は他の種の変異に影響を与える。

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨出典: College Board AP コースおよび試験説明書⁩

    English

    In artificial selection 人工选择, humans – not nature – choose which individuals breed, selecting for desired traits (crops, livestock, dogs). It works the same way as natural selection and, being fast and visible, is strong evidence that selection can reshape populations.

    日本語

    人工選択では、自然ではなく人間がどの個体が繁殖するかを選び、望ましい形質(作物、家畜、犬)を選択します。これは自然選択と同じ仕組みで働きますが、速く目に見えるため、選択が集団を再構成できることの強力な証拠となっています。

    選択的育種では、望ましい形質が世代を重ねるごとに頻度が増加する
    選抜交配は世代を通じて目的の形質を一般的にします
    7.4

    Population Genetics · ⁨集団遺伝学⁩

    Syllabus · ⁨シラバス⁩
    English

    Enduring Understanding (BIG IDEA 1 — Evolution): The process of evolution drives the diversity and unity of life.

    Learning Objective 7.4.A: Explain how random occurrences affect the genetic makeup of a population.

    • 7.4.A.1 Evolution is also driven by random occurrences.
      • i. Mutation is a random process that adds new genetic variation to a population.
      • ii. Genetic drift is a change in allele frequencies attributable to a nonselective process occurring in small populations.
      • iii. The bottleneck effect is a type of genetic drift that occurs when a population size is reduced to a small number of individuals for at least one generation.
      • iv. The founder effect is a type of genetic drift that occurs when a population is separated from other members of the population. The frequency of genes and traits will shift based on the genes in this new founder population.
      • v. Migration can result in gene flow (the addition or removal of alleles from a population).

    Learning Objective 7.4.B: Describe the role of random processes in the evolution of specific populations.

    • 7.4.B.1 Random processes can lead to changes in allele frequencies in a population.
      • i. Mutations result in genetic variation, which provides phenotypes on which natural selection acts.
      • ii. Genetic drift can allow a small population to diverge from other populations of the same species.
      • iii. Gene flow between two populations prevents them from diverging into separate species.

    Learning Objective 7.4.C: Describe the change in the genetic makeup of a population over time.

    • 7.4.C.1 Changes in allele frequencies provide evidence for the occurrence of evolution in a population.
    日本語

    持続的理解(BIG IDEA 1 — 進化): 進化のプロセスは生命の多様性と統一性を駆動する。

    学習目標 7.4.A: 偶然の出来事が集団の遺伝構成に与える影響を説明せよ。

    • 7.4.A.1 進化は、偶然の出来事によっても推進される。
      • i. 突然変異は、集団に新しい遺伝的変異を加えるランダムなプロセスである。
      • ii. 遺伝的浮動とは、小規模な集団において選択的非起因のプロセスによって対立遺伝子の頻度が変化する現象である。
      • iii. 瓶頸効果とは、集団のサイズが少なくとも1世代にわたって少数の個体まで減少した際に生じる遺伝的浮動の一種である。
      • iv. 創始者効果とは、集団の一部が他の集団から分離した際に生じる遺伝的浮動の一種である。この新しい創始者集団の遺伝子に基づいて、遺伝子や形質の頻度が変化する。
      • v. 移動(遷移)は、遺伝子流動(集団への対立遺伝子の追加や除去)を引き起こすことがある。

    学習目標 7.4.B: 特定の集団の進化における偶然のプロセスの役割を説明せよ。

    • 7.4.B.1 偶然のプロセスは、集団内の対立遺伝子の頻度の変化をもたらすことがある。
      • i. 突然変異は遺伝的変異を生み出し、それが自然選択が作用する表現型の基盤となる。
      • ii. 遺伝的浮動は、小規模な集団が同一種の他の集団から分岐することを可能にする。
      • iii. 2つの集団間の遺伝子流動は、それらが別々の種に分岐することを防ぐ。

    学習目標 7.4.C: 時間の経過に伴う集団の遺伝構成の変化を説明せよ。

    • 7.4.C.1 対立遺伝子の頻度の変化は、集団内で進化が起こったことを示す証拠となる。

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨出典: College Board AP コースおよび試験説明書⁩

    English

    Population genetics 群体遗传学 studies the pool of alleles in a population. Evolution is a change in allele frequencies 等位基因频率 over time. Besides natural selection, allele frequencies change through mutation (new alleles), gene flow 基因流 (migration), and genetic drift 遗传漂变 (random change, strongest in small populations – the bottleneck and founder effects).

    日本語

    集団遺伝学は集団内の対立遺伝子のプールを研究します。進化とは時間経過に伴う対立遺伝子頻度の変化です。自然選択に加え、対立遺伝子頻度は変異(新しい対立遺伝子)、遺伝子流動(移住)、および遺伝的浮動(ランダムな変化、小集団で最も強い — ボトルネック効果と創始者効果)によって変化します。

    人口ボトルネックは遺伝的多様性を減少させる
    集団ボトルネックは遺伝的多様性を減少させる
    7.5

    Hardy-Weinberg Equilibrium · ⁨ハーディ=ワインベルグ平衡⁩

    Syllabus · ⁨シラバス⁩
    English

    Enduring Understanding (BIG IDEA 1 — Evolution): The process of evolution drives the diversity and unity of life.

    Learning Objective 7.5.A: Describe the conditions under which allele and genotype frequencies will change in populations.

    • 7.5.A.1 The Hardy–Weinberg Equilibrium is a model for describing and predicting allele frequencies in a non-evolving population. Conditions for a population or an allele to be in Hardy–Weinberg equilibrium are:

      • i. A large population size
      • ii. No migration
      • iii. No new mutations
      • iv. Random mating
      • v. No natural selection

      These conditions are never met, but they provide a valuable null hypothesis.

    • 7.5.A.2 Allele frequencies in a nonevolving population can be calculated from genotype frequencies.

      • Equation: Hardy–Weinberg Equation— $p^2 + 2pq + q^2 = 1$; $p + q = 1$, where: $p$ = frequency of allele 1 in the population; $q$ = frequency of allele 2 in the population
      • Illustrative examples for 7.5.A.2: Graphic analysis of allele frequencies in a population
    日本語

    持続的理解(BIG IDEA 1 — 進化): 進化のプロセスは生命の多様性と統一性を駆動する。

    学習目標 7.5.A: 集団内で対立遺伝子頻度および遺伝子型頻度が変化する条件を説明せよ。

    • 7.5.A.1 ハーディ・ワインベルグ平衡は、進化していない集団における対立遺伝子頻度を記述・予測するためのモデルである。集団または対立遺伝子がハーディ・ワインベルグ平衡にあるための条件は以下の通り:

      • i. 集団のサイズが大きい
      • ii. 移動がない
      • iii. 新しい突然変異がない
      • iv. 無作為交配
      • v. 自然選択がない

      これらの条件は現実には満たされないが、重要な帰無仮説を提供する。

    • 7.5.A.2 進化していない集団における対立遺伝子頻度は、遺伝子型頻度から計算できる。

      • 式: ハーディ・ワインベルグの式 — $p^2 + 2pq + q^2 = 1$; $p + q = 1$、ここで: $p$ = 集団内におけるアルレール 1 の頻度; $q$ = 集団内におけるアルレール 2 の頻度
      • 7.5.A.2 のための例示: 集団内のアルレール頻度のグラフ解析

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨出典: College Board AP コースおよび試験説明書⁩

    English

    The Hardy–Weinberg 哈迪-温伯格 model gives the allele and genotype frequencies expected when a population is not evolving. With allele frequencies $p$ and $q$ ($p+q=1$):

    $$p^2 + 2pq + q^2 = 1,$$
    where $p^2$ and $q^2$ are the homozygotes and $2pq$ the heterozygotes. It holds only under five conditions (no selection, no mutation, no migration, random mating, large population); when real data differ from the prediction, the population is evolving.

    Worked example. In a population, $16\%$ of individuals show the recessive phenotype, so $q^2=0.16$ and $q=\sqrt{0.16}=0.4$. Then $p=1-q=0.6$. The predicted carrier frequency (heterozygotes) is $2pq=2(0.6)(0.4)=0.48$, i.e. $48\%$, and the homozygous dominants are $p^2=0.6^2=0.36$, i.e. $36\%$. As a check, $0.36+0.48+0.16=1$. This is the standard route: recessive phenotype $\to q^2\to q\to p\to$ everything else.

    日本語

    ハーディ=ワインベルグモデルは、集団が進化していないときに期待される対立遺伝子頻度と遺伝子型頻度を示します。対立遺伝子頻度が $p$ と $q$ ($p+q=1$)の場合:

    $$p^2 + 2pq + q^2 = 1,$$
    ここで $p^2$ と $q^2$ はホモ接合体、$2pq$ はヘテロ接合体を表します。この法則は5つの条件(選択なし、変異なし、遷移なし、随机交配、大集団)の下でのみ成立します。実際のデータが予測と異なる場合、集団は進化していることを意味します。

    計算例。 集団の中で $16\%$ の個体が劣性形質を示すため、$q^2=0.16$ および $q=\sqrt{0.16}=0.4$ となる。したがって、$p=1-q=0.6$ である。予測されるキャリア頻度(ヘテロ接合体)は $2pq=2(0.6)(0.4)=0.48$ 、すなわち $48\%$ であり、ホモ接合優性個体は $p^2=0.6^2=0.36$ 、すなわち $36\%$ である。検算として、$0.36+0.48+0.16=1$ が成立する。これが標準的な手順である:劣性形質 $\to q^2\to q\to p\to$其余の値を導くこと。

    ハーディ=ヴァインベルグ:アルレール頻度 p と q が、遺伝子型頻度 p², 2pq, q² を生む
    ハーディ=ヴァインベルグ:アルレール頻度 p と q が、遺伝子型頻度 p², 2pq, q² を生む
    Explore · ⁨探索⁩

    Allele frequencies across a cross · ⁨交配におけるアレル頻度⁩

    Hardy-Weinberg predicts genotype frequencies ($p^2+2pq+q^2$) in a population that isn't evolving. A Punnett square shows the same allele combining at the population scale. · ⁨ハーディ・ワインベルグは進化していない集団における遺伝子型頻度($p^2+2pq+q^2$)を予測する。ペンネット正方形は集団レベルでの同じアレルの組み合わせを示す。⁩

    7.6

    Evidence of Evolution · ⁨進化の証拠⁩

    Syllabus · ⁨シラバス⁩
    English

    Enduring Understanding (BIG IDEA 1 — Evolution): The process of evolution drives the diversity and unity of life.

    Learning Objective 7.6.A: Describe the types of data that provide evidence for evolution.

    • 7.6.A.1 Evolution is supported by scientific evidence from many disciplines (geographical, geological, physical, biochemical, and mathematical data).

    Learning Objective 7.6.B: Explain how morphological, biochemical, and geological data provide evidence that organisms have changed over time.

    • 7.6.B.1 Molecular, morphological, and genetic evidence from extant and extinct organisms adds to our understanding of evolution.
      • i. Fossils can be dated by a variety of methods. These include 1) the age of the rocks where a fossil is found; 2) the rate of decay of isotopes including carbon-14; and 3) geographical data.
      • ii. Morphological homologies, including vestigial structures, provide evidence of common ancestry.
    • 7.6.B.2 A comparison of DNA nucleotide sequences and protein amino acid sequences provides evidence for evolution and common ancestry.
    日本語

    持続的理解(BIG IDEA 1 — 進化): 進化のプロセスは生命の多様性と統一性を駆動する。

    学習目標 7.6.A: 進化の証拠となるデータの種類を説明する。

    • 7.6.A.1 進化は、地理的、地質学的、物理的、生化学的、および数学的なデータなど、多岐にわたる学問分野からの科学的証拠によって支持されている。

    学習目標 7.6.B: 形態学的、生化学的、および地質学的なデータが、生物が時間とともに変化してきたことをどう裏付けているかを説明する。

    • 7.6.B.1 現生および絶滅生物由来の分子、形態、遺伝的証拠は、進化に対する私たちの理解を深める。
      • i. 化石は多様な方法で年代測定が可能である。これには、1) 化石が発見された岩層の年齢、2) カルボン-14を含む同位体の崩壊速度、3) 地理的データが含まれる。
      • ii. 痕跡器官を含む形態的同族性は、共通祖先の証拠となる。
    • 7.6.B.2 DNA塩基配列とタンパク質アミノ酸配列の比較は、進化と共通祖先の証拠となる。

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨出典: College Board AP コースおよび試験説明書⁩

    English

    Multiple independent lines support evolution: the fossil record 化石记录, homologous structures 同源结构 (shared anatomy from common ancestry), vestigial structures 痕迹器官, shared embryology, and molecular evidence – the near-universal genetic code and matching DNA/protein sequences.

    日本語
    Archaeopteryx化石:羽毛と爬虫類の特徴 — 共通祖先の証拠
    Archaeopteryx化石:羽毛と爬虫類の特徴 — 共通祖先の証拠

    複数の独立した根拠が進化を裏付けている:化石記録、相同構造(共通祖先に由来する共有解剖学的特徴)、痕跡器官、共有される胚発生、および分子レベルの証拠——ほぼ普遍的な遺伝コードや一致するDNA/タンパク質配列などである。

    7.7

    Common Ancestry · ⁨共通祖先⁩

    Syllabus · ⁨シラバス⁩
    English

    Enduring Understanding (BIG IDEA 1 — Evolution): The process of evolution drives the diversity and unity of life.

    Learning Objective 7.7.A: Describe structural and functional evidence on cellular and molecular levels that provides evidence for the common ancestry of all eukaryotes.

    • 7.7.A.1 Structural and functional evidence indicates common ancestry of all eukaryotes. This evidence includes:
      • i. Membrane-bound organelles
      • ii. Linear chromosomes
      • iii. Genes that contain introns
    日本語

    持続的理解(BIG IDEA 1 — 進化): 進化のプロセスは生命の多様性と統一性を駆動する。

    学習目標 7.7.A: 真核生物全体的の共通祖先を示す、細胞レベルおよび分子レベルでの構造・機能証拠を説明する。

    • 7.7.A.1 構造および機能証拠は、真核生物全体的の共通祖先を示している。これらの証拠には以下が含まれる:
      • i. 膜で覆われた小器官
      • ii. 直線状染色体
      • iii. イントロンを含む遺伝子

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨出典: College Board AP コースおよび試験説明書⁩

    English

    All life shares a common ancestor 共同祖先, shown by universal features: the same DNA/RNA machinery, the same genetic code, ribosomes, and core metabolic pathways in all organisms. The more features and sequences two species share, the more recently they diverged.

    日本語

    すべての生命は共通祖先を持ち、そのことは普遍的な特徴によって示されている:同じDNA/RNAメカニズム、同じ遺伝コード、リボソーム、そしてあらゆる生物に共通する主要代謝経路である。2つの種が共有する特徴や配列が多いほど、それら分岐した時期は最近である。

    Archaeopteryx:移行化石は主要なグループをつなぎ、共通祖先を支持している
    Archaeopteryx:移行化石は主要なグループをつなぎ、共通祖先を支持している
    7.8

    Continuing Evolution · ⁨継続的な進化⁩

    Syllabus · ⁨シラバス⁩
    English

    Enduring Understanding (BIG IDEA 1 — Evolution): The process of evolution drives the diversity and unity of life.

    Learning Objective 7.8.A: Explain how evolution is an ongoing process in all living organisms.

    • 7.8.A.1 All species have evolved and continue to evolve. Examples include:
      • i. Genomic changes over time
      • ii. Continuous change in the fossil record
      • iii. Evolution of resistance to antibiotics, pesticides, herbicides, or chemotherapy drugs
      • iv. Pathogens evolving and causing emergent diseases
    日本語

    持続的理解(BIG IDEA 1 — 進化): 進化のプロセスは生命の多様性と統一性を駆動する。

    学習目標 7.8.A: 進化が全ての生き物において進行中のプロセスであることを説明する。

    • 7.8.A.1 全ての種は進化し、現在も進化し続けている。例として以下が挙げられる:
      • i. 時間の経過に伴うゲノムの変化
      • ii. 化石記録における連続的な変化
      • iii. 抗生物質、農薬、除草剤、または化学療法薬に対する耐性の進化
      • iv. 病原体の進化による新発感染症の発生

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨出典: College Board AP コースおよび試験説明書⁩

    English

    Evolution is ongoing and observable: antibiotic-resistant bacteria, pesticide-resistant insects, and rapid changes in fast-breeding species. Because environments keep changing, selection keeps acting – evolution has no endpoint.

    日本語
    抗生物質感受性培地:透明な輪はどの抗生物質が細菌を殺すかを示している
    抗生物質感受性培地:透明な輪はどの抗生物質が細菌を殺すかを示している

    進化は進行中であり、観察可能である:抗生物質耐性菌、農薬耐性昆虫、急速繁殖種の急速な変化など。環境が絶えず変化するため、自然選択も働き続け、進化には終点がない。

    自然選択によって集団内での抗生物質耐性が広がる様子
    自然選択によって集団内での抗生物質耐性が広がる様子
    7.9

    Phylogeny · ⁨系統樹⁩

    Syllabus · ⁨シラバス⁩
    English

    Enduring Understanding (BIG IDEA 1 — Evolution): The process of evolution drives the diversity and unity of life.

    Learning Objective 7.9.A: Describe the types of evidence that can be used to infer an evolutionary relationship.

    • 7.9.A.1 Phylogenetic trees and cladograms show hypothetical evolutionary relationships among lineages that can be tested.
    • 7.9.A.2 Phylogenetic trees show the amount of change over time calibrated by fossils or a molecular clock, whereas cladograms do not show time scale or the evolutionary difference between groups.
    • 7.9.A.3 Traits that are either gained or lost during evolution can be used to construct phylogenetic trees and cladograms. The out-group represents the lineage that is least closely related to the remainder of the organisms in the phylogenetic tree or cladogram.
      • i. Shared derived characters can be present in more than one lineage and indicate common ancestry. These are informative for the construction of phylogenetic trees and cladograms.
      • ii. Molecular data typically provide more accurate and reliable evidence than morphological traits in the construction of phylogenetic trees or cladograms.

    Learning Objective 7.9.B: Explain how phylogenetic trees and cladograms can be used to infer evolutionary relatedness.

    • 7.9.B.1 Phylogenetic trees and cladograms can be used to illustrate speciation that has occurred. The nodes on a tree represent the most recent common ancestor of any two groups or lineages.
    • 7.9.B.2 Phylogenetic trees and cladograms can be constructed from morphological similarities of living or fossil species and from DNA and protein sequence similarities.
    • 7.9.B.3 Phylogenetic trees and cladograms represent hypotheses that are constantly being revised based on evidence.
    日本語

    持続的理解(BIG IDEA 1 — 進化): 進化のプロセスは生命の多様性と統一性を駆動する。

    学習目標 7.9.A: 進化的な関係性を推定するために使用できる証拠の種類を説明する。

    • 7.9.A.1 系統樹およびクラドグラムは、検証可能な系統間の仮説的な進化的関係を示す。
    • 7.9.A.2 系統樹は、化石や分子時計によって較正された時間に対する変化の量を示すが、クラドグラムは時間軸やグループ間の進化的差異を示さない。
    • 7.9.A.3 進化過程で獲得または喪失した形質を用いて、系統樹およびクラドグラムを構築することができる。外群(アウトグループ)は、系統樹またはクラドグラムの他の生物との間で最も近縁でない系統を表す。
      • i. 共有派生形質は複数の系統に存在することがあり、共通祖先を示す。これらは系統樹およびクラドグラムの構築に有用である。
      • ii. 系統樹またはクラドグラムの構築において、分子データは形態的形質よりもより正確で信頼性が高い証拠を提供することが一般的である。

    学習目標 7.9.B: 系統樹およびクラドグラムを用いて、進化的な親縁関係をどのように推定するかを説明する。

    • 7.9.B.1 系統樹およびクラドグラムは、発生した種分化を示すために使用できる。系統樹上の節点(ノード)は、2つのグループまたは系統の最近の共通祖先を表す。
    • 7.9.B.2 系統樹およびクラドグラムは、現生または化石種の形態的類似性、ならびにDNAおよびタンパク質配列の類似性から構築できる。
    • 7.9.B.3 系統樹およびクラドグラムは、証拠に基づいて絶えず修正される仮説を表す。

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨出典: College Board AP コースおよび試験説明書⁩

    English

    A phylogenetic tree 系统发育树 (cladogram) diagrams evolutionary relationships, with branch points marking common ancestors and shared derived traits grouping related species. Trees are hypotheses, revised as new (especially molecular) data arrive.

    日本語

    系統樹(クラドグラム)は進化的関係を図示し、枝分かれ点は共通祖先を表し、共有された派生形質が関連する種をグループ化する。系統樹は仮説であり、新しいデータ(特に分子データ)が入るたびに修正される。

    生命の樹:系統樹は共通起源からの共有祖先に基づいて生物をグループ化する
    生命の樹:系統樹は共通起源からの共有祖先に基づいて生物をグループ化する
    7.10

    Speciation · ⁨種形成⁩

    Syllabus · ⁨シラバス⁩
    English

    Enduring Understanding (BIG IDEA 1 — Evolution): The process of evolution drives the diversity and unity of life.

    Learning Objective 7.10.A: Describe the conditions under which new species may arise.

    • 7.10.A.1 Speciation occurs when two populations become reproductively isolated from each other.
    • 7.10.A.2 The biological species concept provides a commonly used definition of a species for sexually reproducing organisms. It states that species can be defined as a group capable of interbreeding and exchanging genetic information to produce viable, fertile offspring.

    Learning Objective 7.10.B: Describe the rate of evolution and speciation under different ecological conditions.

    • 7.10.B.1 Punctuated equilibrium is when evolution occurs rapidly after a long period of stasis. Gradualism is when evolution occurs slowly over hundreds of thousands or millions of years.
    • 7.10.B.2 Divergent evolution occurs when adaptation to new habitats results in phenotypic diversification. Speciation rates can be especially rapid during times of adaptive radiation as new habitats become available.
    • 7.10.B.3 Convergent evolution occurs when similar selective pressures result in similar phenotypic adaptations in different populations or species.

    Learning Objective 7.10.C: Explain the processes and mechanisms that drive speciation.

    • 7.10.C.1 Sympatric speciation occurs in populations with geographic overlap. Allopatric speciation occurs in populations that are geographically isolated.
    • 7.10.C.2 Various pre-zygotic and post-zygotic mechanisms can maintain reproductive isolation and prevent gene flow between populations.
    • Illustrative examples for 7.10.C: Hawaiian Drosophila; Caribbean Anolis; Apple maggot Rhagoletis
    日本語

    持続的理解(BIG IDEA 1 — 進化): 進化のプロセスは生命の多様性と統一性を駆動する。

    学習目標 7.10.A: 新しい種が生じる条件について記述せよ。

    • 7.10.A.1 2つの集団が互いに生殖的に隔離されることで、種形成が起こる。
    • 7.10.A.2 生物学的種概念は、有性生殖を行う生物に対して広く用いられる種の定義を提供する。これは、種とは、交尾して生育可能な fertile な子孫を生み出し、遺伝情報を交換することのできる集団として定義されることを示している。

    学習目標 7.10.B: 異なる生態的条件における進化および種形成の速度について記述せよ。

    • 7.10.B.1 断続的平衡とは、長期の停滞期之后に進化が急速に起こる状態である。漸進論とは、進化が数十万〜数百万年にわたってゆっくりと起こる状態である。
    • 7.10.B.2 分化進化とは、新たな生息地への適応が表現型の多様化をもたらす場合に起こる。新たな生息地が利用可能になる時期には、適応放散に伴って種形成の速度が特に速くなることがある。
    • 7.10.B.3 収斂進化とは、類似した選択圧が異なる集団や種において類似した表現型的適応をもたらす場合に起こる。

    学習目標 7.10.C: 種形成を駆動するプロセスおよびメカニズムについて説明せよ。

    • 7.10.C.1 同所種形成とは、地理的な重複がある集団で起こる。異所種形成とは、地理的に隔離された集団で起こる。
    • 7.10.C.2 様々な前受精的および後受精的メカニズムが、生殖的隔離を維持し、集団間の遺伝流を防ぐことができる。
    • 7.10.Cの例示: ハワイ産Drosophila; カリブ海産Anolis; りんごバグRhagoletis

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨出典: College Board AP コースおよび試験説明書⁩

    English

    Speciation 物种形成 is the origin of new species, usually when populations become reproductively isolated 生殖隔离 and diverge. Allopatric speciation follows a geographic split; sympatric speciation happens without one. Once populations can no longer interbreed, they are separate species.

    日本語

    種形成は新たな種の起源であり、通常、集団が生殖的に隔離されて分化することによって起こる。異所種形成は地理的分断に伴うものであり、同所種形成はそのような分断なしに起こる。集団が交尾できなくなった時点で、それらは別の種となる。

    異所種形成と同所種形成
    異所種形成と同所種形成
    Vocabulary · ⁨語彙⁩ Train · ⁨練習する⁩
    English 日本語
    Speciation/ˌspiːʃɪˈeɪʃn/ 種形成
    reproductively isolated/rɪprəˈdʌktɪvli ˈaɪsəleɪtɪd/ 生殖的に隔離される
    diversity/daɪˈvɜːsɪti/ 多様性
    endosymbiosis/ˌendəʊˌsɪmbaɪˈəʊsɪs/ 内共生
    7.11

    Variations in Populations · ⁨集団内の多様性⁩

    Syllabus · ⁨シラバス⁩
    English

    Enduring Understanding (BIG IDEA 4 — Systems Interactions): Biological systems interact, and these systems and their interactions exhibit complex properties.

    Learning Objective 7.11.A: Explain how the genetic diversity of a species or population affects its ability to withstand environmental pressures.

    • 7.11.A.1 The level of variation in a population affects population dynamics.
      • i. The ability of a population to respond to changes in the environment is influenced by genetic diversity. Species and populations with little genetic diversity are at risk of decline or extinction.
      • ii. Genetically diverse populations are more resilient to environmental perturbation because they are more likely to contain individuals that can withstand the environmental pressure.
      • iii. Alleles that are adaptive in one environmental condition may be deleterious in another because of different selective pressures.
      • Illustrative examples for 7.11.A.1: California condors; Black-footed ferrets; Prairie chickens; Potato blight; Corn rust; Genetic diversity and selective pressures; Antibiotic resistance in bacteria (not all individuals in a diverse population are susceptible to a disease outbreak)
    日本語

    持続的理解(BIG IDEA 4 — システムの相互作用): 生物システムは互いに相互作用し、これらのシステムおよびその相互作用は複雑な性質を示す。

    学習目標 7.11.A: 一種または集団の遺伝的多様性が、環境圧に耐える能力にどう影響するかを説明せよ。

    • 7.11.A.1 個体群内の変異の程度は、個体群動態に影響を与える。
      • i. 環境の変化に対する個体群の適応能力は遺伝的多様性に依存する。遺伝的多様性が少ない種や個体群は、減少または絶滅のリスクにさらされる。
      • ii. 遺伝的に多様な個体群は、環境変化に対する回復力が高く、環境圧に耐えうる個体が含まれる可能性が高い。
      • iii. ある環境条件下で有利な対立遺伝子も、選択圧が異なる別の環境下では有害になることがある。
      • 7.11.A.1 の例: カリフォルニアコンドル; ブラックフットフェレット; プレアリーチキン; ポテトラウター病; トウモロコシ錆病; 遺伝的多様性と自然選択; 細菌の抗生物質耐性(多様な個体群内でもすべての個体が疾病に感染するわけではない)

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨出典: College Board AP コースおよび試験説明書⁩

    English

    Genetic diversity 多样性 helps a population survive change – if conditions shift, some variants may already be suited to them. Low diversity (as in an endangered species) leaves a population vulnerable. Variation arises from mutation and the reshuffling of meiosis and sexual reproduction.

    日本語

    遺伝的多様性は集団が変化に耐えるのを助ける——条件が変わった場合、いくつかの変異型がすでに適応しているかもしれない。低い多様性(絶危種の例など)は集団を脆弱にする。変異は突然変異や減数分裂・有性生殖による組み換えから生じる。

    不連続変異と連続変異
    不連続変異と連続変異
    Vocabulary · ⁨語彙⁩ Train · ⁨練習する⁩
    English 日本語
    variation/ˌveərɪˈeɪʃn/ 変異
    Fitness/ˈfɪtnəs/ 適応度
    adaptations/ˌædæpˈteɪʃnz/ 適応
    artificial selection/ˌɑːtɪˈfɪʃl sɪˈlekʃn/ 人工選択
    Population genetics/ˌpɒpjʊˈleɪʃn dʒɪˈnetɪks/ 集団遺伝学
    allele frequencies/əˈliːl ˈfriːkwənsiz/ アレル頻度
    gene flow/dʒiːn fləʊ/ 遺伝子流動
    genetic drift/dʒɪˈnetɪk drɪft/ 遺伝的浮動
    Hardy–Weinberg/ˈhɑːdi ˈwaɪnbɜːɡ/ ハーディ=ワインバーグ
    fossil record/ˈfɒsl ˈrekɔːd/ 化石記録
    homologous structures/həˈmɒləɡəs ˈstrʌktʃəz/ 相同器官
    vestigial structures/ˈvestɪdʒl ˈstrʌktʃəz/ 痕跡器官
    common ancestor/ˈkɒmən ˈænsestə/ 共通祖先
    phylogenetic tree/ˌfaɪləʊdʒˈnetɪk triː/ 系統樹
    7.12

    Origins of Life on Earth · ⁨地球上の生命の起源⁩

    Syllabus · ⁨シラバス⁩
    English

    Enduring Understanding (BIG IDEA 4 — Systems Interactions): Biological systems interact, and these systems and their interactions exhibit complex properties.

    Learning Objective 7.12.A: Describe the scientific evidence that supports models of the origin of life on Earth.

    • 7.12.A.1 The origin of life on Earth is supported by scientific evidence.
      • i. Geological evidence reinforces models of the origin of life on Earth.
      • ii. Earth formed approximately 4.6 billion years ago (bya). The environment was too hostile for life until about 3.9 bya, and the earliest fossil evidence for life dates to 3.5 bya. Taken together, this evidence provides a plausible range of dates for the origin of life.
    • 7.12.A.2 The RNA world hypothesis proposes that RNA could have been the earliest genetic material. There are three assumptions:
      • i. At some point in time, genetic continuity was assured by the replication of RNA.
      • ii. Base-pairing is necessary for replication.
      • iii. Genetically encoded proteins were not involved as catalysts.
    日本語

    持続的理解(BIG IDEA 4 — システムの相互作用): 生物システムは互いに相互作用し、これらのシステムおよびその相互作用は複雑な性質を示す。

    学習目標 7.12.A: 地球における生命の起源を支持する科学的証拠を説明せよ。

    • 7.12.A.1 地球における生命の起源は、科学的証拠によって裏付けられている。
      • i. 地質学的証拠は、地球における生命の起源に関するモデルを補強する。
      • ii. 地球は約 4.6 億年前(bya)に形成された。生命にとって環境があまりにも過酷だったのは約 3.9 bya までであり、生命の最初の化石証拠は 3.5 bya に遡る。これらの証拠を合わせると、生命の起源に関する妥当な年代範囲が得られる。
    • 7.12.A.2 RNA世界仮説は、RNAが最初の遺伝物質であった可能性を提案している。この仮説には以下の3つの前提がある:
      • i. 何らかの時点で、RNAの複製によって遺伝的な連続性が保証されていた。
      • ii. 塩基対結合は複製に必要である。
      • iii. 遺伝的にコードされたタンパク質は触媒として関与していなかった。

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨出典: College Board AP コースおよび試験説明書⁩

    English

    Evidence suggests early Earth's conditions could form simple organic molecules (the Miller–Urey type experiments), which assembled into polymers, then self-replicating RNA (the "RNA world"), and eventually membrane-bound cells. The first cells were prokaryotes; eukaryotes arose later through endosymbiosis 内共生.

    日本語

    証拠は初期地球の環境が単純な有機分子(ミラー=ユリー型実験のようなもの)を形成できたことを示唆しており、それらがポリマーに組み合わさり、自己複製可能なRNA(「RNA世界」)となり、最終的に膜で包まれた細胞になったと考えられる。最初の細胞は原核生物であり、真核生物は後になって内共生によって現れた。

    ストロマトライト:層状微生物マットは地球上の最も古い生命の証拠の一つ
    ストロマトライト:層状微生物マットは地球上の最も古い生命の証拠の一つ
    熱水噴出孔:化学物質に富んだ熱水が生命起源時の初期代謝を駆動した可能性がある
    熱水噴出孔:化学物質に富んだ熱水が生命起源時の初期代謝を駆動した可能性がある
    7.12

    Exam tips · ⁨試験対策⁩

    English
    • State natural selection cleanly: variation → differential survival and reproduction → helpful traits become common.
    • Fitness = reproductive success, not strength or health.
    • Evolution is a change in allele frequencies in a population — individuals do not evolve.
    • Use Hardy–Weinberg ($p^2+2pq+q^2=1$): start from the recessive phenotype $q^2\to q\to p$.
    • Cite independent evidence (fossils, homologous structures, DNA) and explain speciation via reproductive isolation.
    日本語
    • 自然選択を明確に述べる:変異 → 生存率と繁殖数の差 → 有利な形質が一般的になる。
    • 適応度(フィットネス)=繁殖成功率であり、力や健康ではない。
    • 進化とは集団における対立子頻度の変化であり、個体が進化することはない。
    • ハーディ=ワインベルグの法則($p^2+2pq+q^2=1$)を使用する:劣性形質 $q^2\to q\to p$ から始める。
    • 独立した証拠(化石、相同構造、DNA)を引用し、生殖的隔離を通じて種形成を説明する。
  • 8

    Ecology · ⁨生態学⁩

    Watch lesson · ⁨レッスンを視聴⁩
    8.1

    Responses to the Environment

    Syllabus · ⁨シラバス⁩
    English

    Big Idea 2 — Energetics: Biological systems use energy and molecular building blocks to grow, reproduce, and maintain dynamic homeostasis.

    Learning Objective 8.1.A: Explain how the behavioral and physiological response of an organism is related to changes in internal or external environment.

    • 8.1.A.1 Organisms respond to changes in their environment through behavioral and physiological mechanisms.
      • Exclusion statement: Knowledge of specific behavioral or physiological mechanisms is beyond the scope of the AP Exam.
      • Illustrative examples for 8.1.A.1:
        • Photoperiodism and phototropism in plants
        • Taxis and kinesis in animals
        • Nocturnal and diurnal activity
    • 8.1.A.2 Organisms exchange information with one another in response to internal changes and external cues, which can change behavior.
      • Illustrative examples for 8.1.A.2:
        • Fight-or-flight response
        • Predator warnings
        • Plant responses to herbivory

    Big Idea 3 — Information Storage and Transmission: Living systems store, retrieve, transmit, and respond to information essential to life processes.

    Learning Objective 8.1.B: Explain how the behavioral responses of organisms affect their overall fitness and may contribute to the success of a population.

    • 8.1.B.1 Organisms communicate through various mechanisms (visual, audible, tactile, electrical, and/or chemical signals).
      • i. Organisms have a variety of signaling behaviors that produce changes in the behavior of other organisms and can result in differential reproductive success.
      • ii. Animals use signals to indicate dominance, find food, establish territory, and ensure reproductive success.
      • Exclusion statement: Knowledge of specific mechanisms of communication is beyond the scope of the AP Exam.
      • Illustrative examples for 8.1.B.1:
        • Territorial marking in mammals
        • Coloration in flowering plants and animals
        • Bird songs
        • Pack behaviors in animals
        • Predatory warnings
    • 8.1.B.2 Responses to information and communication of information are vital to natural selection and evolution.
      • i. Fitness favors innate and learned behaviors that increase survival and reproductive success.
      • ii. Cooperative behavior tends to increase the fitness of the individual and the survival of the population.
      • Exclusion statement: The details of the various communications and community behavioral systems are beyond the scope of the AP Exam.
      • Illustrative examples for 8.1.B.2.i:
        • Parent and offspring interactions
        • Courtship and mating behaviors
        • Foraging by bees and other animals
      • Illustrative examples for 8.1.B.2.ii:
        • Pack behavior in animals
        • Herd, flock, and schooling behavior in animals
        • Predator warnings
        • Colony and swarming behavior in insects
        • Kin selection
    日本語

    Big Idea 2 — エネルギー学: 生物系はエネルギーと分子の構成要素を用いて成長し、繁殖し、動的な恒常性を維持する。

    学習目標 8.1.A: 生物の行動的・生理的反応が、内部または外部環境の変化とどのように関連しているかを説明する。

    • 8.1.A.1 生物は、行動的および生理的メカニズムを通じて環境の変化に応答する。
      • 除外事項: 特定の行動的または生理的メカニズムに関する知識はAP試験の範囲外である。
      • 8.1.A.1の例示:
        • 植物の光周期現象および光屈性
        • 動物の走性以及趋性(タクシスおよびキネシス)
        • 夜行性と昼行性の活動
    • 8.1.A.2 生物は、内部の変化や外部の刺激に対して互いに情報を交換し、これが行動を変化させることがある。
      • 8.1.A.2の例示:
        • 闘争または逃走反応
        • 捕食者からの警告
        • 草食動物による摂食に対する植物の反応

    Big Idea 3 — 情報の保存と伝達: 生命システムは、生命過程に不可欠な情報を保存し、検索し、伝達し、応答する。

    学習目標 8.1.B: 生物の行動的反応が、その総適応度にどのように影響し、個体群の成功に寄与しうるかを説明する。

    • 8.1.B.1 生物は、視覚的、聴覚的、触覚的、電気的、および/または化学的信号などの多様なメカニズムを通じてコミュニケーションを行う。
      • i. 生物は、他の生物の行動に変化をもたらす多様な信号行動を持っており、結果として繁殖成功率の差を生むことがある。
      • ii. 動物は、優位性の表示、餌の探索、領土の確立、そして繁殖成功率の確保のために信号を使用する。
      • 除外事項: 特定のコミュニケーションメカニズムに関する知識はAP試験の範囲外である。
      • 8.1.B.1の例示:
        • 哺乳類の領土標示
        • 開花植物および動物の体色
        • 鳥のささり声
        • 動物の群れ行動
        • 捕食者への警告
    • 8.1.B.2 情報への反応や情報の伝達は、自然選択と進化にとって不可欠である。
      • i. 適応度は、生存と繁殖の成功を高める先天的および学習された行動を好む。
      • ii. 協力的な行動は、個体の適応度と集団の生存率を高める傾向がある。
      • 除外事項: 多様なコミュニケーションやコミュニティ行動システムの詳細は、AP試験の範囲外である。
      • 8.1.B.2.iに関する例示:
        • 親と子孫の相互作用
        • 求愛と交尾の行動
        • ミツバチや他の動物による採食
      • 8.1.B.2.iiに関する例示:
        • 動物の群れ行動
        • 動物の群集、群飛、魚群行動
        • 捕食者からの警告
        • 昆虫のコロニー形成や群れ行動
        • 血縁選択

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨出典: College Board AP コースおよび試験説明書⁩

    English

    Organisms sense and respond to their surroundings in ways that aid survival and reproduction. Behaviors may be innate (inherited, like reflexes and instincts) or learned. Responses such as migration, hibernation, and phototropism, and signals between organisms, are shaped by natural selection because they improve fitness.

    The behaviours the CED lists by name

    These are the illustrative behaviours an exam question builds its scenario from, so learn what each one is and what it buys the organism:

    Behaviour What it is Why it aids fitness
    taxis 趋性 movement directed towards or away from a stimulus reaches food, light or moisture, or escapes a hazard
    kinesis 动性 a change in the rate of random movement, with no direction keeps the animal in favourable conditions by moving less there and more elsewhere
    nocturnal and diurnal activity 夜行性与昼行性 being active at night, or by day avoids predators or heat, and matches activity to when food is available
    territorial marking 领域标记 scent, sound or visual marks that claim an area secures food, nesting sites and mates without repeated fighting
    coloration 体色 pigmentation in animals and flowering plants warning, camouflage, mate attraction — and in flowers, attracting pollinators
    foraging 觅食 by bees and others searching for and collecting food efficient foraging returns more energy than it costs, which is what selection acts on

    ⚠️ Taxis and kinesis are the pair most often confused. Taxis has a direction: the woodlouse walks towards the damp. Kinesis has only a rate: the woodlouse moves quickly and turns often in dry air and slows down in damp air, so it ends up in the damp without ever steering there.

    Life-history strategy 生活史策略 is the pattern of when an organism grows, reproduces and dies, and it too is shaped by selection: a biennial plant stores resources in its first year and flowers in its second; reproductive diapause pauses development until conditions improve, so offspring arrive when they can survive. Both trade the timing of reproduction against the chance that it succeeds.

    日本語

    Organisms sense and respond to their surroundings in ways that aid survival and reproduction. Behaviors may be innate (inherited, like reflexes and instincts) or learned. Responses such as migration, hibernation, and phototropism, and signals between organisms, are shaped by natural selection because they improve fitness.

    Sunflowers face the light: organisms detect and respond to environmental stimuli
    Sunflowers face the light: organisms detect and respond to environmental stimuli

    The behaviours the CED lists by name

    These are the illustrative behaviours an exam question builds its scenario from, so learn what each one is and what it buys the organism:

    Behaviour What it is Why it aids fitness
    taxis 趋性 movement directed towards or away from a stimulus reaches food, light or moisture, or escapes a hazard
    kinesis 动性 a change in the rate of random movement, with no direction keeps the animal in favourable conditions by moving less there and more elsewhere
    nocturnal and diurnal activity 夜行性与昼行性 being active at night, or by day avoids predators or heat, and matches activity to when food is available
    territorial marking 领域标记 scent, sound or visual marks that claim an area secures food, nesting sites and mates without repeated fighting
    coloration 体色 pigmentation in animals and flowering plants warning, camouflage, mate attraction — and in flowers, attracting pollinators
    foraging 觅食 by bees and others searching for and collecting food efficient foraging returns more energy than it costs, which is what selection acts on

    ⚠️ Taxis and kinesis are the pair most often confused. Taxis has a direction: the woodlouse walks towards the damp. Kinesis has only a rate: the woodlouse moves quickly and turns often in dry air and slows down in damp air, so it ends up in the damp without ever steering there.

    Life-history strategy 生活史策略 is the pattern of when an organism grows, reproduces and dies, and it too is shaped by selection: a biennial plant stores resources in its first year and flowers in its second; reproductive diapause pauses development until conditions improve, so offspring arrive when they can survive. Both trade the timing of reproduction against the chance that it succeeds.

    Vocabulary · ⁨語彙⁩ Train · ⁨練習する⁩
    English 日本語
    taxis/ˈtæksiz/ 走性
    kinesis/kəˈniːsɪs/ キネシス
    nocturnal and diurnal activity/nɒkˈtɜːnl ænd ˈdɪɜːnl ækˈtɪvɪti/ 夜行性と昼行性の活動
    territorial marking/ˌterɪˈtɔːrɪəl ˈmɑːkɪŋ/ 領域標識付け
    coloration/ˌkʌləˈreɪʃn/ 体色
    foraging/ˈfɒrɪdʒɪŋ/ 採餌
    Life-history strategy/laɪf ˈhɪstəri ˈstrætədʒi/ ライフヒストリー戦略
    8.2

    Energy Flow Through Ecosystems

    Syllabus · ⁨シラバス⁩
    English

    Big Idea 2 — Energetics: Biological systems use energy and molecular building blocks to grow, reproduce, and maintain dynamic homeostasis.

    Learning Objective 8.2.A: Describe the strategies organisms use to acquire and use energy.

    • 8.2.A.1 Organisms use energy to organize, grow, reproduce, and maintain homeostasis.
      • i. Organisms use different strategies to regulate body temperature and metabolism. Endotherms use thermal energy generated by metabolism to maintain homeostatic body temperatures. Ectotherms lack efficient internal mechanisms for maintaining body temperature, although they may regulate their temperature behaviorally by moving into the sun or shade or by aggregating with other individuals.
      • ii. A net gain in energy results in energy storage, the growth of an organism, and increased reproductive output.
      • iii. A net loss of energy results in loss of mass, a decrease in reproductive output, and, eventually, the death of an organism.
    • 8.2.A.2 Different organisms use various reproductive strategies in response to energy availability. Some organisms alternate between asexual and sexual reproduction in response to energy availability.
      • Illustrative examples for 8.2.A:
        • Seasonal reproduction in animals and plants
        • Life-history strategy (biennial plants, reproductive diapause)

    Learning Objective 8.2.B: Explain how energy flows and matter cycles through trophic levels.

    • 8.2.B.1 Ecological levels of organization include populations, communities, ecosystems, and biomes.
    • 8.2.B.2 Energy flows through ecosystems, while matter and nutrients cycle between the environment and organisms via biogeochemical cycles. The cycles are essential for life, and each cycle demonstrates the conservation of matter. The cycles are interdependent.
    • 8.2.B.3 Biogeochemical cycles include abiotic and biotic reservoirs, as well as processes that cycle matter between reservoirs.
    • 8.2.B.4 The hydrologic (water) cycle involves water movement and storage within the hydrosphere. Reservoirs include oceans, surface water, the atmosphere, and living organisms. Processes include evaporation, condensation, precipitation, and transpiration.
    • 8.2.B.5 The carbon cycle involves recycling carbon atoms through Earth's biosphere into organisms as carbohydrates and back into the atmosphere as carbon dioxide $\left(\mathrm{CO_2}\right)$. At the highest levels of organization, the carbon cycle can be simplified into four parts: photosynthesis, cellular respiration, decomposition, and combustion.
    • 8.2.B.6 The nitrogen cycle involves several steps, including nitrogen fixation, assimilation, ammonification, nitrification, and denitrification. These steps are performed by microorganisms in the soil. The largest reservoir of nitrogen is the atmosphere. In nitrogen fixation, nitrogen gas $\left(\mathrm{N_2}\right)$ is fixed into ammonia $\left(\mathrm{NH_3}\right)$, which ionizes to ammonium $\left(\mathrm{NH_4^+}\right)$ by acquiring hydrogen ions from the soil solution.
    • 8.2.B.7 The phosphorus cycle involves weathering rocks releasing phosphate $\left(\mathrm{PO_4^{3-}}\right)$ into soil and groundwater. Producers take in phosphate, which is incorporated into biological molecules; consumers eat producers, transferring phosphate to animals. Phosphorus returns to the soil via decomposition of biomass, or excretion. Phosphate can also be incorporated back into the environment via decomposition of decaying organic matter.

    Learning Objective 8.2.C: Explain how changes in energy availability affect populations, communities, and ecosystems.

    • 8.2.C.1 Changes in energy availability can result in changes in population size.
    • 8.2.C.2 Changes in energy availability can result in disruptions to an ecosystem.
      • i. A change in energy resources such as sunlight can affect the number and size of the trophic levels. Trophic levels include producers; primary, secondary, tertiary, and quaternary consumers; and decomposers.
      • ii. A change in the biomass or number of producers in a given geographic area can affect the number and size of other trophic levels.

    Learning Objective 8.2.D: Explain how the activities of autotrophs and heterotrophs enable the flow of energy within an ecosystem.

    • 8.2.D.1 Autotrophs capture energy from physical or chemical sources in the environment.
      • i. Photosynthetic organisms capture energy present in sunlight contributing to primary productivity.
      • ii. Chemosynthetic organisms capture energy from small inorganic molecules present in their environment, which can occur in the absence of oxygen.
    • 8.2.D.2 Heterotrophs, which include carnivores, herbivores, omnivores, decomposers, and scavengers, metabolize carbohydrates, lipids, and proteins as sources of energy. Heterotrophs capture the energy present in carbon compounds by consuming organic matter derived from autotrophs incorporating matter into their tissues.
    日本語

    Big Idea 2 — エネルギー学: 生物系はエネルギーと分子の構成要素を用いて成長し、繁殖し、動的な恒常性を維持する。

    学習目標 8.2.A: 生物がエネルギーを取得し利用するための戦略を説明する。

    • 8.2.A.1 生物は、組織化、成長、繁殖、恒常性の維持にエネルギーを用いる。
      • i. 生物は体温と代謝を調節するために異なる戦略を用いる。温血動物は代謝によって生成される熱エネルギーを用いて恒常的な体温を維持する。冷血動物は体内で体温を効率的に維持する機構を持たないが、日光や陰影へ移動したり、他の個体と集団したりすることで、行動的に体温を調節することがある。
      • ii. エネルギーの正味増は、エネルギーの貯蔵、生物の成長、および繁殖産出量の増加につながる。
      • iii. エネルギーの正味減少は、質量の喪失、繁殖産出量の低下、そして最終的には生物の死につながる。
    • 8.2.A.2 異なる生物は、エネルギーの利用可能性に応じて多様な繁殖戦略を用いる。一部の生物は、エネルギーの利用可能性に応じて無性生殖と有性生殖を交互に行う。
      • 8.2.Aに関する例示:
        • 動物と植物の季節的繁殖
        • 生活史戦略(二年生植物、生殖休止期)

    学習目標 8.2.B: エネルギーの流れと物質の循環が栄養段階をどのように通るかを説明する。

    • 8.2.B.1 生態学的な組織レベルには、個体群、群落、エコシステム、生物圏が含まれる。
    • 8.2.B.2 エネルギーはエコシステム内を流れ、物質と養分は地球化学サイクルを通じて環境と生物の間を循環する。これらのサイクルは生命にとって不可欠であり、各サイクルは物質の保存則を示している。これらのサイクルは相互依存している。
    • 8.2.B.3 地球化学サイクルには、非生物的・生物学的な蓄積庫、および蓄積庫間の物質循環プロセスが含まれる。
    • 8.2.B.4 水循環(水文循環)には、水圏内における水の移動と貯留が含まれる。蓄積庫には海洋、地表水、大気、生物が含まれる。プロセスには蒸発、凝結、降水、蒸散がある。
    • 8.2.B.5 炭素循環では、炭素原子が地球の生物圏内で炭水化物として生物に取り込まれ、二酸化炭素 $\left(\mathrm{CO_2}\right)$ として大気に戻されながら再循環する。最も高い組織レベルにおいて、炭素循環は4つの部分に単純化できる:光合成、細胞呼吸、分解、燃焼。
    • 8.2.B.6 窒素循環には、窒素固定、同化、アンモニア化、硝化、脱窒のいくつかのステップが含まれる。これらのステップは土壌内の微生物によって行われる。窒素の最大の蓄積庫は大気である。窒素固定では、窒素ガス $\left(\mathrm{N_2}\right)$ がアンモニア $\left(\mathrm{NH_3}\right)$ に固定され、土壌溶液から水素イオンを取得することでアンモニウム $\left(\mathrm{NH_4^+}\right)$ にイオン化する。
    • 8.2.B.7リン酸循環では、岩石の風化によって土壌や地下水にリン酸 $\left(\mathrm{PO_4^{3-}}\right)$ が放出される。生産者はリン酸を取り込み、それが生物分子に組み込まれる。消費者は生産者を食べ、リン酸を動物に移送する。リン酸は、生物量の分解や排泄によって土壌に戻る。また、分解された有機物からの分解を通じて、リン酸は環境に再び取り込まれることもある。

    学習目標 8.2.C: エネルギー利用可能性の変化が個体群、群落、およびエコシステムに与える影響を説明する。

    • 8.2.C.1 エネルギー利用可能性の変化は、個体群サイズの变化をもたらすことがある。
    • 8.2.C.2 エネルギー利用可能性の変化は、エコシステムの攪乱をもたらすことがある。
      • i. 太陽光などのエネルギー資源の変化は、栄養段階の数と規模に影響を与える。栄養段階には、生産者、一次・二次・三次・四次消費者、分解者が含まれる。
      • ii. 特定の地理的領域における生産者の生物量や数の変化は、他の栄養段階の数と規模に影響を与える。

    学習目標 8.2.D: 自営生物と異営生物の活動が、エコシステム内でのエネルギーの流れを可能にする方法を説明する。

    • 8.2.D.1 自営生物は、環境中の物理的または化学的源からエネルギーを捕獲する。
      • i. 光合成生物は、光に含まれるエネルギーを捕獲し、一次生産性に寄与する。
      • ii. 化学合成生物は、環境中に存在する小さな無機分子からエネルギーを捕獲する。これは酸素がない状態でも起こり得る。
    • 8.2.D.2 肉食動物、草食動物、雑食動物、分解者、腐食物質摂取生物を含む異営生物は、エネルギー源として炭水化物、脂質、タンパク質を代謝する。異営生物は、自営生物由来の有機物を摂取することで炭素化合物に含まれるエネルギーを捕獲し、物質を自身の組織に取り込む。

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨出典: College Board AP コースおよび試験説明書⁩

    English

    Energy enters most ecosystems 生态系统 as sunlight, is captured by producers 生产者 (photosynthesizers), and passes to consumers 消费者 along a food chain 食物链. Each level is a trophic level 营养级. Only about 10% of energy transfers up each level (the rest is lost as heat), so food chains are short and producers are the most abundant. Energy flows through and is lost, while matter (carbon, nitrogen) cycles.

    Worked example. Suppose producers capture $10{,}000\ \text{kcal}$. Applying the $10\%$ rule, primary consumers receive about $1{,}000\ \text{kcal}$, secondary consumers $100\ \text{kcal}$, and tertiary consumers only $10\ \text{kcal}$. Losing $90\%$ as heat at every step is exactly why food chains rarely exceed four or five levels – there is too little energy left to support another.

    日本語

    Energy enters most ecosystems 生态系统 as sunlight, is captured by producers 生产者 (photosynthesizers), and passes to consumers 消费者 along a food chain 食物链. Each level is a trophic level 营养级. Only about 10% of energy transfers up each level (the rest is lost as heat), so food chains are short and producers are the most abundant. Energy flows through and is lost, while matter (carbon, nitrogen) cycles.

    Only about 10% of the energy passes to the next trophic level
    Only about 10% of the energy passes to the next trophic level

    Worked example. Suppose producers capture $10{,}000\ \text{kcal}$. Applying the $10\%$ rule, primary consumers receive about $1{,}000\ \text{kcal}$, secondary consumers $100\ \text{kcal}$, and tertiary consumers only $10\ \text{kcal}$. Losing $90\%$ as heat at every step is exactly why food chains rarely exceed four or five levels – there is too little energy left to support another.

    Explore · ⁨探索⁩

    Energy up a food chain · ⁨食物連鎖でエネルギーを上昇させる⁩

    Only about 10% of energy passes to the next trophic level; the rest is lost as heat. That's why food chains are short and top predators are few. · ⁨エネルギーの約**10%**のみが次の栄養階層へ移され、残りは熱として失われる。これが食物鎖が短く、上位捕食者が少ない理由である。⁩

    Vocabulary · ⁨語彙⁩ Train · ⁨練習する⁩
    English 日本語
    ecosystems/ˈiːkəʊsɪstəmz/ 生態系
    producers/prəˈdjuːsəz/ 生産者
    consumers/kənˈsuːməz/ 消費者
    food chain/fuːd tʃeɪn/ 食物鎖
    trophic level/ˈtrəʊfɪk ˈlevl/ 栄養段階
    8.3

    Population Ecology

    Syllabus · ⁨シラバス⁩
    English

    Big Idea 3 — Information Storage and Transmission: Living systems store, retrieve, transmit, and respond to information essential to life processes.

    Learning Objective 8.3.A: Describe factors that influence growth dynamics of populations.

    • 8.3.A.1 Populations comprise individual organisms of the same species that interact with one another and with the environment in complex ways.
    • 8.3.A.2 Many adaptations in organisms are related to obtaining and using energy and matter in a particular environment.
      • i. Population growth dynamics depend on birth rate, death rate, and population size.
        • Equation: Population Growth — $\dfrac{dN}{dt} = B - D$ where $dt$ = chage in time; $B$ = birth rate; $D$ = death rate; $N$ = population size; $dN$ = change in population size
      • ii. Reproduction without constraints results in the exponential growth of a population.
        • Equation: Exponential Growth — $\dfrac{dN}{dt} = r_{max} N$ where $dt$ = change in time; $N$ = population size; $dN$ = change in population size; $r_{max}$ = maximum per capita growth rate of population
    日本語

    Big Idea 3 — 情報の保存と伝達: 生命システムは、生命過程に不可欠な情報を保存し、検索し、伝達し、応答する。

    学習目標 8.3.A: 個体群の成長動態に影響を与える要因を説明する。

    • 8.3.A.1 個体群は、互いに相互作用し、環境とも複雑に相互作用する同じ種の個体で構成される。
    • 8.3.A.2 生物の多くの適応は、特定の環境におけるエネルギーと物質の獲得および利用に関係している。
      • i. 個体群の成長動態は、出生率、死亡率、個体数によって決まる。
        • 式: 個体群の成長 — $\dfrac{dN}{dt} = B - D$ ここで $dt$ = 時間の経過量; $B$ = 出生率; $D$ = 死亡率; $N$ = 個体数; $dN$ = 個体数の変化量
      • ii. 制限のない繁殖により、個体群は指数関数的な成長を示す。
        • 式: 指数関数的成長 — $\dfrac{dN}{dt} = r_{max} N$ ここで $dt$ = 時間の経過量; $N$ = 個体数; $dN$ = 個体数の変化量; $r_{max}$ = 個体群の最大一人あたり成長率

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨出典: College Board AP コースおよび試験説明書⁩

    English

    A population 种群 is the individuals of one species in an area. Its growth depends on birth, death, immigration, and emigration. Exponential growth 指数增长 ($J$-shaped) happens with unlimited resources; logistic growth 逻辑斯蒂增长 ($S$-shaped) levels off at the carrying capacity 环境容纳量 $K$ – the maximum the environment can sustain – following $\dfrac{dN}{dt}=r_{\max}N\dfrac{K-N}{K}$.

    Worked example. A population has $r_{\max}=0.5\ \text{yr}^{-1}$, carrying capacity $K=1000$, and current size $N=400$. Then $\dfrac{dN}{dt}=0.5\times400\times\dfrac{1000-400}{1000}=0.5\times400\times0.6=120$ individuals per year. The $\frac{K-N}{K}$ term is why growth is fastest near $N=K/2$ and slows toward zero as $N$ approaches $K$.

    日本語

    A population 种群 is the individuals of one species in an area. Its growth depends on birth, death, immigration, and emigration. Exponential growth 指数增长 ($J$-shaped) happens with unlimited resources; logistic growth 逻辑斯蒂增长 ($S$-shaped) levels off at the carrying capacity 环境容纳量 $K$ – the maximum the environment can sustain – following $\dfrac{dN}{dt}=r_{\max}N\dfrac{K-N}{K}$.

    Population growth: lag, exponential, then levelling off at the carrying capacity
    Population growth: lag, exponential, then levelling off at the carrying capacity

    Worked example. A population has $r_{\max}=0.5\ \text{yr}^{-1}$, carrying capacity $K=1000$, and current size $N=400$. Then $\dfrac{dN}{dt}=0.5\times400\times\dfrac{1000-400}{1000}=0.5\times400\times0.6=120$ individuals per year. The $\frac{K-N}{K}$ term is why growth is fastest near $N=K/2$ and slows toward zero as $N$ approaches $K$.

    Explore · ⁨探索⁩

    Grow a population to carrying capacity · ⁨ carrying capacity に達するまで集団を成長させる⁩

    A population grows fast when small, then slows as it nears its carrying capacity $K$ — logistic growth. Raise the growth rate and watch it level off. · ⁨集団は小さい時に速く増え、** carrying capacity ** $K$ に近づくにつれて減速する——論理的成長。成長率を上げると水平になる様子を見る。⁩

    Vocabulary · ⁨語彙⁩ Train · ⁨練習する⁩
    English 日本語
    population/ˌpɒpjʊˈleɪʃn/ 人口
    Exponential growth/ˌekspəˈnenʃl ɡrəʊθ/ 指数関数的増減
    logistic growth/ləˈdʒɪstɪk ɡrəʊθ/ ロジスティック成長
    carrying capacity/ˈkæriɪŋ kəˈpæsɪti/ 環境収容力
    8.4

    Effect of Density on Populations

    Syllabus · ⁨シラバス⁩
    English

    Big Idea 4 — Systems Interactions: Biological systems interact, and these systems and their interactions exhibit complex properties.

    Learning Objective 8.4.A: Explain how the density of a population affects and is determined by resource availability in the environment.

    • 8.4.A.1 Carrying capacity is the sustainable abundance of a species that can be supported by the ecosystem's total available resources.
    • 8.4.A.2 As limits to growth attributable to density-dependent and density-independent factors are imposed, a logistic growth model typically ensues.
      • Equation: Logistical Growth — $\dfrac{dN}{dt} = r_{max} N \left( \dfrac{K - N}{K} \right)$ where $dt$ = change in time; $N$ = population size; $dN$ = change in population size; $r_{max}$ = maximum per capita growth rate of population; $K$ = carrying capacity
    日本語

    Big Idea 4 — システムの相互作用: 生物系は相互作用し、これらのシステムとその相互作用は複雑な性質を示す。

    学習目標 8.4.A: 個体群の密度が環境中の資源の可用性によってどのように影響を受け、決定されるかを説明する。

    • 8.4.A.1 環境収容力とは、生態系の総利用可能な資源によって持続的に支えられる種の豊度である。
    • 8.4.A.2 密度依存的因子および密度非依存的因子による成長の限界が課されると、通常、ロジスティクス成長モデルが生じる。
      • 式: ロジスティクス成長 — $\dfrac{dN}{dt} = r_{max} N \left( \dfrac{K - N}{K} \right)$ ここで $dt$ = 時間の経過量; $N$ = 個体数; $dN$ = 個体数の変化量; $r_{max}$ = 個体群の最大一人あたり成長率; $K$ = 環境収容力

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨出典: College Board AP コースおよび試験説明書⁩

    English

    Some factors depend on crowding, others do not:

    • Density-dependent 密度制约 factors intensify as a population grows – competition, predation, disease.
    • Density-independent 非密度制约 factors act regardless of density – weather, natural disasters.

    These factors regulate population size around the carrying capacity.

    日本語

    Some factors depend on crowding, others do not:

    • Density-dependent 密度制约 factors intensify as a population grows – competition, predation, disease.
    • Density-independent 非密度制约 factors act regardless of density – weather, natural disasters.

    These factors regulate population size around the carrying capacity.

    A dense deer herd: density-dependent factors such as disease and food competition intensify as numbers rise
    A dense deer herd: density-dependent factors such as disease and food competition intensify as numbers rise
    Vocabulary · ⁨語彙⁩ Train · ⁨練習する⁩
    English 日本語
    Density-dependent/ˈdensɪti dɪˈpendənt/ 密度依存的
    Density-independent/ˈdensɪti ˌɪndɪˈpendənt/ 密度非依存的
    8.5

    Community Ecology

    Syllabus · ⁨シラバス⁩
    English

    Big Idea 2 — Energetics: Biological systems use energy and molecular building blocks to grow, reproduce, and maintain dynamic homeostasis.

    Learning Objective 8.5.A: Describe the structure of a community according to its species composition and diversity.

    • 8.5.A.1 The structure of a community is measured and described in terms of species composition and species diversity.
      • Equation: Simpson's Diversity Index — $\text{Diversity Index} = 1 - \sum \left( \dfrac{n}{N} \right)^2$ where $n$ = total number of organisms of a particular species; $N$ = total number of organisms of all species

    Learning Objective 8.5.B: Explain how interactions within and among populations influence community structure.

    • 8.5.B.1 Communities are groups of interacting populations of different species that change over time based on the interactions between those populations.
    • 8.5.B.2 Interactions among populations determine how they access energy and matter within a community.
    • 8.5.B.3 Relationships among interacting populations can be characterized by positive and negative effects and can be modeled. Examples include predator/prey interactions, cooperation, trophic cascades, and niche partitioning.
    • 8.5.B.4 Competition, predation, and symbioses, including parasitism, mutualism, and commensalism, can drive population dynamics.
    日本語

    Big Idea 2 — エネルギー学: 生物系はエネルギーと分子の構成要素を用いて成長し、繁殖し、動的な恒常性を維持する。

    学習目標 8.5.A: 種の組成および多様性に基づいて、群落の構造を説明する。

    • 8.5.A.1 群落の構造は、種の組成および種多様性の観点から測定され、記述される。
      • 式: Simpsonの多様性指数 — $\text{Diversity Index} = 1 - \sum \left( \dfrac{n}{N} \right)^2$ ここで $n$ = 特定の種の個体の総数; $N$ = 全種の個体の総数

    学習目標 8.5.B: 個体群内および個体群間の相互作用が群落の構造にどのように影響するかを説明する。

    • 8.5.B.1 群落は、異なる種の個体群の相互作用の集まりであり、それらの個体群間の相互作用に基づいて時間とともに変化する。
    • 8.5.B.2 個体群間の相互作用は、それらが群落内でエネルギーと物質にアクセスする方法を決定する。
    • 8.5.B.3 相互作用する個体群間の関係は、正の影響と負の影響によって特徴づけられ、モデル化できる。例として、捕食者/被捕食者の相互作用、協同、栄養カスケード、ニッチ分割がある。
    • 8.5.B.4 競争、捕食、共生(寄生、相利、片利を含む)は、個体群の動態を駆動することがある。

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨出典: College Board AP コースおよび試験説明書⁩

    English

    A community 群落 is all the interacting populations in an area. Key interactions: competition 竞争 (for shared resources), predation 捕食, symbiosis 共生 – mutualism (both benefit), commensalism (one benefits, other unaffected), and parasitism (one benefits, other harmed). These relationships shape which species coexist.

    日本語
    Clownfish among sea-anemone tentacles — a textbook mutualism
    Clownfish among sea-anemone tentacles — a textbook mutualism

    A community 群落 is all the interacting populations in an area. Key interactions: competition 竞争 (for shared resources), predation 捕食, symbiosis 共生 – mutualism (both benefit), commensalism (one benefits, other unaffected), and parasitism (one benefits, other harmed). These relationships shape which species coexist.

    A food web links several food chains together
    A food web links several food chains together
    Vocabulary · ⁨語彙⁩ Train · ⁨練習する⁩
    English 日本語
    community/kəˈmjuːnɪti/ 群落
    competition/ˌkɒmpəˈtɪʃn/ 競争
    predation/prɪˈdeɪʃn/ 捕食
    symbiosis/ˌsɪmbaɪˈəʊsɪs/ 共生
    8.6

    Biodiversity

    Syllabus · ⁨シラバス⁩
    English

    Big Idea 4 — Systems Interactions: Biological systems interact, and these systems and their interactions exhibit complex properties.

    Learning Objective 8.6.A: Describe the relationship between ecosystem diversity and its resilience to changes in the environment.

    • 8.6.A.1 Natural and artificial ecosystems with fewer component parts, and with little diversity among the parts, are often less resilient to changes in the environment.
    • 8.6.A.2 Keystone species, producers, and essential abiotic and biotic factors contribute to maintaining the diversity of an ecosystem.

    Learning Objective 8.6.B: Explain how the addition or removal of any component of an ecosystem will affect its overall short-term and long-term structure.

    • 8.6.B.1 The effects of keystone species on the ecosystem are disproportionate relative to their abundance in the ecosystem. When they are removed from the ecosystem, it often collapses.
    日本語

    Big Idea 4 — システムの相互作用: 生物系は相互作用し、これらのシステムとその相互作用は複雑な性質を示す。

    学習目標 8.6.A: 生態系の多様性と環境変化に対する回復力との関係を説明する。

    • 8.6.A.1 構成要素が少なく、構成要素間の多様性が低い自然および人工的な生態系は、環境の変化に対して回復力が低いことが多い。
    • 8.6.A.2 キースピーシス、生産者、そして不可欠な非生物的要因および生物的要因は、生態系の多様性を維持するために寄与する。

    学習目標 8.6.B: 生態系のどの構成要素を追加または除去しても、その全体としての短期間および長時間の構造にどのように影響するかを説明する。

    • 8.6.B.1 キースピーシスが生態系に与える効果は、その生態系内の豊富さに対して不均衡に大きい。彼らが生態系から除去されると、生態系は崩壊することが多い。

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨出典: College Board AP コースおよび試験説明書⁩

    English

    Biodiversity 生物多样性 is the variety of life – genes, species, and ecosystems. Higher diversity generally makes a community more resilient 有韧性, better able to withstand and recover from disturbance. A keystone species 关键种 has an outsized effect, so losing it can collapse the community.

    日本語
    Coral reef outcrop: high biodiversity in a productive marine ecosystem
    Coral reef outcrop: high biodiversity in a productive marine ecosystem

    Biodiversity 生物多样性 is the variety of life – genes, species, and ecosystems. Higher diversity generally makes a community more resilient 有韧性, better able to withstand and recover from disturbance. A keystone species 关键种 has an outsized effect, so losing it can collapse the community.

    Biodiversity at three levels: genetic, species, and habitat
    Biodiversity at three levels: genetic, species, and habitat
    Vocabulary · ⁨語彙⁩ Train · ⁨練習する⁩
    English 日本語
    Biodiversity/ˌbaɪəʊdaɪˈvɜːsɪti/ 生物多様性
    resilient/rɪˈsɪlɪənt/ 回復力
    keystone species/ˈkiːstəʊn ˈspiːsiːz/ キーストーン種
    8.7

    Disruptions in Ecosystems

    Syllabus · ⁨シラバス⁩
    English

    Big Idea 1 — Evolution: The process of evolution drives the diversity and unity of life.

    Learning Objective 8.7.A: Explain the interaction between the environment and random or preexisting variations in populations.

    • 8.7.A.1 An adaptation is a genetic variation that is favored by selection and manifests as a trait that provides an advantage to an organism in a particular environment.
    • 8.7.A.2 Heterozygote advantage is when the heterozygous genotype has a higher relative fitness than either the homozygous dominant or homozygous recessive genotype.
    • 8.7.A.3 Mutations are not directed by specific environmental pressures.

    Big Idea 4 — Systems Interactions: Biological systems interact, and these systems and their interactions exhibit complex properties.

    Learning Objective 8.7.B: Explain how invasive species affect ecosystem dynamics.

    • 8.7.B.1 The intentional or unintentional introduction of an invasive species can allow the species to exploit a new niche free of predators or competitors or to outcompete native species for resources.
      • Illustrative examples for 8.7.B.1:
        • Kudzu
        • Zebra mussels

    Learning Objective 8.7.C: Describe human activities that lead to changes in ecosystem structure and dynamics.

    • 8.7.C.1 Human impact accelerates changes at local and global levels. These activities can drive changes in ecosystems, such as the following, that cause extinctions to occur:
      • i. Biomagnification
      • ii. Eutrophication
      • Illustrative examples for 8.7.C.1:
        • Dutch elm disease
        • Potato blight

    Learning Objective 8.7.D: Explain how geological and meteorological activity leads to changes in ecosystem structure and dynamics.

    • 8.7.D.1 Geological and meteorological events affect habitat change and ecosystem distribution. Biogeographical studies illustrate these changes.
      • Illustrative examples for 8.7.D.1:
        • Global climate change
        • Logging
        • Urbanization
        • Monocropping
        • El Nino
        • Continental drift
        • Meteor impact on dinosaurs
    日本語

    Big Idea 1 — 進化: 進化のプロセスが生命の多様性と統一性を推進する。

    学習目標 8.7.A: 環境と個体群内のランダムまたは既存の変異との相互作用を説明する。

    • 8.7.A.1 適応とは、選択によって好まれ、特定の環境において生物に利益をもたらす形質として発現する遺伝的変異である。
    • 8.7.A.2 複合優位とは、複合体型が単合体優性または単合体隐性のいずれよりも高い相対適性を持つことである。
    • 8.7.A.3 変異は、特定の環境圧によって誘導されるものではない。

    Big Idea 4 — システムの相互作用: 生物系は相互作用し、これらのシステムとその相互作用は複雑な性質を示す。

    学習目標 8.7.B: 外来種が生態系の動態に与える影響を説明する。

    • 8.7.B.1 外来種の意図的または無意識の導入により、その種は捕食者や競合者がいない新しいニッチを利用したり、在来種に対して資源を巡って競争に勝利したりすることが可能になる。
      • 8.7.B.1 の具体例:
        • クズ
        • ゼンマイガイ

    学習目標 8.7.C: 生態系の構造および動態を変化させる人間活動について説明する。

    • 8.7.C.1 人間の影響は、局所的および世界的レベルでの変化を加速する。これらの活動は、以下のinctionを引き起こすような生態系の変化を促進することがある:
      • i. 生物濃縮
      • ii. 富栄養化
      • 8.7.C.1 の具体例:
        • オランダエール病
        • ポテトブルート

    学習目標 8.7.D: 地質学的および気象学的活動が生態系の構造および動態の変化をもたらす理由を説明する。

    • 8.7.D.1 地質学的および気象学的事象は、生息地の変化および生態系の分布に影響を与える。生物地理学的研究はこれらの変化を示す。
      • 8.7.D.1 の具体例:
        • 地球規模の気候変動
        • 伐採
        • 都市化
        • 単一栽培
        • エル・ニーニョ現象
        • 大陸漂移説
        • 石衝突による恐竜の絶滅

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨出典: College Board AP コースおよび試験説明書⁩

    English

    Ecosystems change from natural and human causes – climate shifts, invasive species, habitat loss, and pollution. A disturbance can trigger ecological succession 生态演替 (the community rebuilds over time). Because species are interconnected, a change to one – especially a keystone or a trophic level – can ripple through the whole ecosystem.

    日本語
    Deforested landscape — habitat loss is a major disruption to ecosystems
    Deforested landscape — habitat loss is a major disruption to ecosystems

    Ecosystems change from natural and human causes – climate shifts, invasive species, habitat loss, and pollution. A disturbance can trigger ecological succession 生态演替 (the community rebuilds over time). Because species are interconnected, a change to one – especially a keystone or a trophic level – can ripple through the whole ecosystem.

    Deforestation lowers biodiversity and causes erosion, flooding, and higher CO2
    Deforestation lowers biodiversity and causes erosion, flooding, and higher CO2
    Vocabulary · ⁨語彙⁩ Train · ⁨練習する⁩
    English 日本語
    ecological succession/ˌekəˈlɒdʒɪkl səkˈseʃn/ 生態的遷移
    8.7

    Exam tips

    • Apply the 10% rule: about 90% of energy is lost at each trophic level, so food chains are short.
    • Distinguish exponential ($J$) from logistic ($S$) growth; the latter levels off at the carrying capacity ($\frac{dN}{dt}=r_{\max}N\frac{K-N}{K}$).
    • Separate density-dependent (competition, disease, predation) from density-independent (weather) limiting factors.
    • Name community interactions (competition, predation, symbiosis) and the effect of a keystone species.
    • Explain how disturbing one species — especially a keystone or a whole trophic level — ripples through the ecosystem.

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