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・・このシートは「テキスト形式」：別様は「図一覧形式」と「スライド形式」・・
＜Set４：細胞培養実験の意味意義を考える：クイズ・協議１２問＞

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＊本編「考える生物学：細胞実験に基づく生物学」は下記「Set 1～６」に基づき実施される。＊ Set-TopとSet 1では、演習講義の概要を扱う。Set2ーSet5は細胞実験の実施要領である。＊下パネル「話題集1～６」は、細胞実験学習に基づく動物体の成り立ちに関わる話題（命題）。
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＜このシート下部「細胞実験学習のまとめ・確認事項」へは「ココをクリック」で移動＞ A. 細胞培養実験の前提、B. 実験材料・生体物質について、C. 細胞・培養細胞について、D. 細胞実験の経過・結果について、 E. 固定染色標本を通じて、F. 結果考察、G. 総合考察、H. 細胞培養実験に基づく発展考察（１）、 I. 細胞培養実験に基づく発展考察（２）、J-1.細胞に関連して、J-2.組織と由来に関連して、 J-3.コラーゲンに関連して、 J-4.細胞周期に関連して、J-5.機能発現に関連して、
講義配布テキストとその講義スライド、簡易細胞実験マニュアル、ワークシートPDF、関連資料：生物学習内容構成論、細胞実験学習の受講者へ：解説と原理、体の中身の描き方、　動物生理、　細胞生理、　BioMTX　、バーチャル顕微鏡観察へ、組織学自主トレへ

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＜はじめに〔Set 4〕：＞
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　　細胞培養実験の意味意義を考える：クイズ・協議１２問：図説集

　　
（画像クリックで拡大表示：　左 Fig.0 　　中 Fig.00 　　右 Fig.000)　
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目次：2018生物学の話題「その５」（上表の「その５」をクリック移動）

このセットⅣでは、細胞培養実験の経過や観察結果に対する「なに・なぜ・どうして・どのようにして」、つまり、細胞実験学習の意味意義「培養細胞と生体組織細胞との類似性」などについて考えます。具体的には「細胞実験学習に関わる話題・協議12問：テキストでは19ぺージ」を参照、あるいは、2018生物学の話題「その５」（上表の「その５」をクリック移動）を参照してください・講義を進めます。質疑応答・話し合い式で進めましょう。
　なお、体の基本単位「細胞」を扱う培養細胞実験の特徴は、細胞が生きるに必要な条件や環境を段階的に整え、自律的な活動時間に沿って、その運動・行動・様態を評価することです。どのように（して）生きているかを見定めることです。つまり、細胞の基本的性質の理解です。　
　下図(Fig.1から)はいわゆる培養細胞が生きるに必要な条件ですが、生体細胞が生きている様態と相関している・かなり類似していることに気づくと思います（詳細は「細胞培養実験の基礎知識：p.18」を参照）。つまり、細胞培養実験に関わることは、平易な視点・至極簡単な疑問であっても、体の成り立ちに対する根幹的な視座視点とその具体性を与えてくれるものです。「論より証拠・試してみよう、されどロジックも必要」の実体験です。それで単位「細胞」実験は生物学習に不可欠です。
　このセットに関わる「実験の解説や原理」などはウェブサイトで参照が可能です。あるいはココ。ここへ戻るブックマークも事前に準備する。

　　
（画像クリックで拡大表示：　左 Fig.1 　　中 Fig.2 　　右 Fig.3)　
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　（画像クリックで拡大表示：　左 Fig.4 　　中 Fig.5 　　右 Fig.6 )
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（画像クリックで拡大表示：　左 Fig.7 　　中 Fig.8 　　右 Fig.9 )
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（画像クリックで拡大表示：　左 Fig.10 　　中 Fig.11 　　右 Fig.12)
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＜1. 実験B.「お絵描き実験」の意味意義を考える＞

　この実験は、生きている動物細胞（魚類の培養細胞FHLS）と身近な生体由来の物質（ゼラチンやアルブミン）を材料とする細胞培養実験です。最終的に、培養器（カバーガラスやシャーレなど）に微小な細胞で大きな「形」を形成させます。なぜ細胞で簡単に「形」ができるのか、その理由を「細胞や材料の性質や特徴」から考え、更に、細胞はどのような様態や規則性を示したか、に基づきその理由を生体の組織細胞との類似性から考察します。結果的に「動物体の成り立ち」に対する基本的な視点の構築を目的とします。つまり、組織形態形成に関わる基礎実験です。疑問は大切に！
　お絵描き実験（実験B）では、１）体の基本単位「細胞」、２）体の構造性蛋白として最大含量のコラーゲン、３）液性蛋白として最大含量の血清アルブミン（の代替）に加え、４）約４０種類の栄養素（化学成分）を含む液体培地を材料とします。動物体に不可欠な主要成分を材料とする本実験は、従って、細胞の基本的な性質が示されるはずです。その考察は体の成り立ちに関わる重要なイメージや知見に繋がるはずです。
　細胞は適切な接着基質（ECM）となる物質（構造）に触れると、インテグリンを介してその基質と接着結合します。その受容シグナルは、内部に伝達され、細胞膜直下に繋がった細胞骨格（アクチン線維）の変化をもたらし、はじめの球状細胞は扁平状に伸展します。自律的な細胞運動を示します。葉状仮足•糸状仮足が観察されるはずです。細胞密度が高い場合は隣接細胞と一緒に敷石を敷き詰めたように配列します。上皮組織のような細胞シートの形成です。伸展細胞の上に位置してしまった細胞は球状のままで動けません。細胞の基本的な性質とは「足場依存性と細胞シートの形成」です。

まとめ（補足記入欄）
：実験Bを通じて培養細胞が示した基本的な性質や現象（③と⑤は補足）

① 接着・伸展
：球状で沈下した細胞は足場となる接着基質(コラーゲン)を認識し接着伸展した。
　：＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿
② 移動・配列
：伸展細胞は隣接細胞と協調的に移動配列した。
　：＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿
③ 増殖・接触阻害
：隙間があれば分裂増殖し、隣接細胞と接すると増殖を停止する。
　：＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿
④ 細胞シートの形成
：最終的に、切れ目のない集落「単層の細胞シート」を形成した。
　：＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿
⑤ 機能発現/分化
：培養条件を整えると機能的な細胞となる。最終的には細胞死に至る。
　：＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿
⑥ 要約
：細胞の基本的な性質とは「足場依存性と細胞シートの形成」である（細胞の社会性）。
　：＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿

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＜2. 解説：培養細胞実験の基礎知識：少し専門的＞

「培養細胞」とは、生体組織から摘出されシャーレなどで人為的に維持管理される細胞のこと。繰り返し操作を加え長期の継代培養が可能な細胞は「株化細胞」と呼ばれる。
「細胞培養」とは、生体組織の細胞が生きるその存在様式（微小環境）を人為的に再現すること。
動物細胞の基本的な性質は「足場依存性」であり「細胞シートの形成」であるため、細胞培養技術においても同様の様態を誘導する培養条件の設定を必要とする。
すなわち、一般的な動物細胞は、培養容器（培養フラスコなど）に「３層構造」として維持管理される。つまり、生体と同様に「固層、液層、気層」から成り立っている。図4.1,2を参照。
「固相/層」とは、細胞が接着基質とする容器底面であり、生体においては細胞が接着結合する基底膜や細胞外マトリックス（ECM）などに相当する。コラーゲン線維は主要なその固相・構造性成分である。
その接着細胞を覆う「液層」とは「培養液・培地」であり、いわゆる生体基本分子（無機塩、糖、アミノ酸、ビタミン、血清、あるいは細胞増殖因子・ホルモン）の混合液、つまり、生体物質代謝の主成分の供給源となる。
「気相」とは培養容器の液層の上（空気層）であり、気相-液層-細胞層としてガス交換、つまり「内呼吸・エネルギー変換」などに関与する。
つまり、培養細胞が生きるに必要な基本条件とは、１）接着基質、２）基礎培地、３）必須添加物（増殖因子やホルモンなど）からなる３要素の充足であり、その他として「培養温度、無菌性、pH維持、細胞の継代維持」などを必要とする（細胞培養３要素＋α）。
培養細胞は培養を開始すると、容器底面（接着基質）上で、接着・伸展、移動・配列、分裂・増殖、接触阻害などの基本現象を示し、多くの培養細胞は「単層細胞シート：上皮様形態」を形成する。必要に応じて機能分化の様態に変換することも可能である。
それら培養細胞の自律的な運動・振る舞いは分子レベルのシグナル伝達（情報伝達）の結果である。
以上のように、培養細胞が生きるに必要な条件は生体組織細胞の様態と密接に類似し、細胞培養実験とその経過・結果は、従って生体との類似性から考察すべき対象となる。
上述から俯瞰する細胞培養技術とは、いわゆる細密な「動物代替実験系」であると同時に、その構成要素・様態の詳細は、「細胞の分子生物学」に関わる状況・現象そのものである。
よって、世界的な教科書「細胞の分子生物学：Molecular Biology of The Cell」の参照は不可欠である。

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まとめ1. 細胞培養実験のメッセージ

1) 培養細胞は生きている。

生体との類似性から考察する。「培養細胞」とは人為的に維持管理される生体由来の細胞のこと。「細胞培養」とは生体の組織細胞が存在する様態/微小環境を容器に作出すること。

2) 容器の中で生きている。

外部環境/条件の充足に基づき生きている。つまり、細胞培養３要素＋α：接着基質、基礎培地、必須添加物、その他（温度、pH、無菌性、ガス環境、継代操作）、である。

3) 底に張り付き生きている。

多くの細胞は「足場依存性」であり、細胞外マトリックス(ECM)とインテグリンが結合し接着する。Caイオンはその結合を構造的に安定化させる。

4) 形を変えつつ生きている。

足場/接着部位（接着斑）の形成に基づき、そのシグナルは細胞骨格の形成（特にアクチン繊維）へと働く。細胞偏縁部の糸状仮足や葉状仮足の伸張（アクチン繊維の伸張）により扁平な形態を示す。更に隣接細胞の方向や未進出領域へ移動する（走行性を示す）。

5) 自律・協調・戦略的に生きている。

培養３要素＋αが充足した環境にある培養細胞は、分裂増殖、移動配列を繰り返し、隣接細胞と協調的に単層の「細胞シート」を形成する。その視点/終点は細胞増殖の接触阻害（Contact Inhibition）に求める。

6) 細胞社会で生きている。

細胞は基本単位であり生物進化の成果物である。培養細胞においても、その基本的な性質（シグナル発現の様態）に基づく集合体の形態は、結果として、「点」としての接着細胞、「面」としてのシート状細胞（細胞シート）、「立体」としての嚢胞状細胞シート、へと繋がる。組織化・形態形成の基本論理を示す。

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まとめ２. 細胞実験学習における質疑応答（協議事項）
　：

　＜A. 細胞培養実験の前提＞

培養細胞・細胞培養って何、培養細胞はどこに由来（起源）するか？
階層性って何、細胞は階層レベル（構造レベル）のどこに位置するか。その場合、どのような疑問が生じるでしょうか？
一般的な細胞培養の様態は「３層構造・細胞培養３要素+α」の充足：それぞれはどのような状態ですか。どのような物質・成分でしょうか。
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　＜B. 実験材料・生体物質について＞

接着基質は細胞外基質（ECM）とも呼ばれます。この基質(M）はマトリックスであり色々な場面で使われますが、どのような意味合いでしょうか。
ゼラチン・アルブミンについて知るところを上げてみよう。ゼラチン・アルブミンは体のどの部分にあるか、どのくらいあるか。物性の違いは？
骨からカルシウムを除いたらどんな「形」になるか・なぜなるか？
血液成分をツリー構造で表記してみよう（血清・血漿・血餅って何？）。
生体成分を次の用語から考えツリー構造で表記してみよう（細胞、細胞間物質、構造性物質、液性物質）。
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　＜C. 細胞・培養細胞について＞

細胞は膜構造体であり浮遊状態の動物細胞は球状です。その理由は何でしょうか。
細胞表面（細胞膜）にはどのような構造（部品）があると思いますか？
動物細胞の大きさはどのくらいか。バクテリア、ウイルスの大きさは？
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　＜D. 細胞実験の経過・結果について＞

培養時間は細胞自身にとってどのような意味役割があるか？
培養容器に入れた「はじめは球状の細胞」はその後自律的にその形態を変化させます。具体的にはどのような状況でどんな行動・様子を示しましたか。
伸展していない球状の細胞を無視し、底面に接着し伸展状態の細胞の「形」を幾つか描き、細胞と細胞集団が示す特徴を表現してみよう。
お絵描き実験：なぜ「形」が現れたのか、材料と方法から考えてみよう。
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　＜E. 固定染色標本を通じて＞

固定処理にはどのような効果があるか。ホルマリン（ホルムアルデヒド）が固定効果を示す仕組みとは？
クリスタルバイオレット(CV)は塩基性色素である。では、細胞はどのようなところが濃く染まるか？
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　＜F. 結果考察＞

培養時間に差があるExp1の観察結果を客観的・簡便に評価するにはどのような評価基準を使用すればよいでしょうか？
お絵描き実験：顕微鏡観察した細胞・細胞集団はどんな様態を示していますか。また、その様態のメリットとはどのようなことでしょうか？
観察結果から動物細胞が示した主な特徴「基本的な性質」とは何？
実験とはともかく何かを確かめること。気になることを箇条書きにしてみよう。話し合ってその特徴をまとめてみよう。
実験方法や材料の性質を明らかにするためは「対照実験」や「発展実験」が必要である。新たな実験プラン（対照実験）を設計してみよう。
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　＜G. 総合考察＞

「細胞説」や「構造」とはそれぞれどのような意味でしょうか？
細胞の基本構造を「構造：要素の配置とそのつながり」の観点から教科書を参照し模式図化してみましょう。また、その主な役割を考えてみよう。
基本単位「細胞」は、いわば「点」であり、それが集まると「面/細胞シート」になる。それが閉じれば「立体」になる。では、動物体の細胞はそのような様態/様子を示しているのだろうか。どう思う？
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　＜H. 細胞培養実験に基づく発展考察（１）＞

「細胞培養３要素+α」を生体との類似性から考えてみよう。例えば、培養液にはどのような成分が含まれているか。なぜ必要か考えてみよう。
実験で確認した「細胞シート」と呼ばれる様態は動物体のどこにありますか。「組織学自主トレーニング」の腸管の画像で確かめてみよう（次の３も参照）。
我々は何もないところに対面する境界から「形」を認知します。では、体の形（器官・臓器）の表面には何がある。どのような用語で呼ばれますか。
では、器官系の概要を「管状構造に基づく動物体の描き方：器官系の理解」として扱い「線や形」の状況を確認してみよう。
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　＜I. 細胞培養実験に基づく発展考察（２）＞

器官系は11区分とされます。その順列・配置を「動物生理の基本：２系６要素」の観点から表記し話し合ってみよう。
細胞自身は何をしているか。細胞機能を上記「動物生理の基本：器官系11区分」との対応関係として「考察の視点の類似性」から考えてみましょう。
細胞は基本単位である。今日の実験からその必然性を述べなさい。
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　＜J. 細胞培養実験に基づく高度かつ重要な協議事項＞

　J-1.細胞に関連して

細菌（細胞）と動物細胞の培養技術は随分違います。技術とは対象の物性や性質の理解に基づき開発されます。では、左記の違いはどのような細胞の性質が関係するのでしょう。実験状況から考えてみましょう。
細胞の培養容器には広い空間（気層）があります。なぜでしょうか。また、細胞はその気層成分を何に使うのでしょうか？
等張ホルマリンで固定すると細胞の表面（細胞膜）に風船玉のような小さな膨出ができます。何故でしょう。等張液、等浸透状態、Na-Kポンプの観点から考察してみよう。
Exp1と2では細胞の接着基質が異なります（カバーガラスとゼラチン）。同じ細胞でも接着伸展の開始時間はカバーガラスでは5分後くらい、天然型基質では約20分後と随分違います。なぜでしょうか。
細胞が示す「接着伸展の仕組み」を「構造」から考えてみましょう。用いる用語は、例えば、ECM、インテグリン、細胞接着、細胞骨格、アクチン線維、仮足、細胞運動、シグナル伝達、など。
細胞を培養すると自然に底面に接着伸展（運動）します。人工物と比較しその特徴を簡単に言い表すにはどのような表現が適していますか。
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　J-2.組織と由来に関連して

「気相・液相・固相」は状態の基本３区分です。ではこの区分は動物体（構造）のどこにありますか。少し考えてみましょう。
動物体には「皮膚・表皮・真皮・上皮・中皮・内皮」など「皮」という用語が多用されます。皮は一般的には「大根や饅頭の皮：外界に面した部分」に使われます。では、左記６つの「皮」は動物体のどこにある構造でしょうか。下記３も参照し考えてみましょう・協議してみましょう。
動物体の気相・液相に面するところは「オモテ側の皮：細胞シート」です。では、その「ウラ側」には何があるでしょう。また、それぞれは組織区分で何と呼ばれますか。発生学的には何胚葉に由来しますか？
ウラ側の「細胞」は約８区分と考えられます。では何が該当するでしょうか。由来（起源）も意識しながら考えてください。
では、魚類マクロ組織のバーチャル顕微鏡観察を行い、気相・液相に面する「上皮組織：上皮・中皮・内皮」を確かめてみましょう。その時のコツとは？
動物体の腹部横断面を模式図として描いてみましょう。必要に応じて組織４区分や発生学的な由来（胚葉性）のことも考えてみよう。
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　J-3.コラーゲンに関連して

実験ではコラーゲンの変性物「ゼラチン」を用いました。タンパク質の「変性」とはどのような状態・意味ですか。卵白を加熱するとなぜ白く見える？
コラーゲンは海綿動物などにもある重要な細胞間物質ですが、進化において「多細胞動物化」に大きな影響を与えたと考えられています。つまり、コラーゲン合成の仕組みです。酸素やビタミンCなどが関係します。調べてみましょう（お肌美容も関係するかも）。
傷のため出血した皮膚でも短期間で治ります（損傷治癒）。この現象は止血反応でもあり、血管の基底膜（コラーゲン）、血小板、細胞接着（因子）などの用語が関係します。どのような仕組みと構造から成り立っていますか。
動物の体温（生育温度）とコラーゲンの変性温度は相関します。ヒト、南極の魚、冷水魚、温水魚について調べてみよう。体温計の上限は何℃？
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　J-4.細胞周期に関連して

細胞シートは「敷石を敷き詰めた」ような状態（隣接する細胞同士が接触した状態）です。では、隙間のない細胞シートを継続して培養すると細胞はどのような行動をするでしょうか（下記2も参照）。
細胞シートに隙間があったら（できたら）、細胞はどのような行動をとるでしょうか、細胞周期から考えてみよう。また、それはなぜ必要でしょうか。
細胞の「基本的な性質」が希薄になると「ガン」と呼ばれる異常が生じます。では、どのような様子のことでしょうか。
では、ガン遺伝子・ガン抑制遺伝子とはどのような遺伝子でしょうか。例えば、RB遺伝子について調べ、その違いを分かり易く説明してください。
英語の「遺伝」という用語には「継承」という意味が含まれます。では、生物系で継承される現象にはどのようなことが挙げられますか。遺伝って何？
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　J-5.機能発現に関連して

単純な細胞培養技術では、培養細胞は平たい扁平状の形態を示しますが、体内では腸管の上皮細胞のように「円柱状」など、多様な形態で機能します。では例えば、腸上皮由来で単純培養のため扁平状態を示す細胞を、生体に類似した円柱状細胞にするにはどのような方法・技術を用いれば良いでしょうか。生体組織細胞の様態から考えてください。
個体は同一遺伝子を持つ数十兆もの細胞からできていると言われています。しかし、各器官・組織の細胞は異なった形態や役割を示します。同じ遺伝子を含む細胞が異なった形態や機能を示す「仕組み」で重要な点はどのようなことでしょうか。

＊終わりだよ：＜先頭行へ移動＞

下記は細胞実験１２問に用いる図の概要

上図が１２問、下図はその個別（クリックで拡大）

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（画像クリックで拡大表示：　左 Fig.13 　　中 Fig.14 　　右 Fig.15 )
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