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iPS細胞の可能性 [探究心の喚起]

中3生物では「遺伝」が扱われます。啓林館の教科書では、2012年にノーベル生理学・医学賞を受賞した山中伸弥博士が紹介されています。子ども達の探究心を喚起するためにも、iPS細胞の最新状況を調べてみました。

【「サイエンスゼロ:iPS細胞10年 夢の医療はここまで来た」より】
(iPS細胞とは)
・皮膚や血液の細胞1に「山中ファクター」という4つの遺伝子を加える事で、どんな細胞にもできるiPS細胞をつくる事ができる。

(再生医療の壁)
・拒絶反応を起こさないためには、本人の皮膚からiPS細胞を作る事が最善だが、遺伝情報がコピーされるため、病気を持った遺伝情報がコピーされるため、そのままでは病気の改善につながらない。
・自家移植の場合、30億個のDNAを調べる必要があるため、1年の調査期間と、5千万円ほどの費用が必要。

(ゲノム編集)
・30億以上並んでいるDNA配列のうちの1箇所だけをハサミのように切り取ることができる技術。「クリスパーキャス」という特別なタンパク質を入れ込むことで、DNAの切り取りたいところを切り、再びつなげる事ができる。切り取ったところがガン化する可能性があるので、安全性の検証が必要。

(iPS細胞ストック)
・他人に移植しても、拒絶反応を示しにくいiPS細胞をストックすることで費用を抑えようという取り組み。2018年までに、30%~50%をカバーする事を目標にしている。拒絶反応に関係するのはHLAという細胞にとっての血液型のようなもの。主に拒絶反応に関わる組み合わせは1万通り近くある。拒絶反応をおこしにくいHLAの細胞をストックする事でお金を削減し、安全性を確認した細胞を使えるようにする。

(創薬への利用)
iPS細胞は病気の遺伝情報もコピーされるため、病気の遺伝情報を持ったIPS細胞を大量につくる事ができる。そのため、今まで動物を使って薬の効用を確認していたことが、iPS細胞を利用して確認することができる。

【参考】
「サイエンスゼロ:iPS細胞10年 夢の医療はここまで来た」

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ブラックホールって何? [探究心の喚起]

【ブラックホールって何?】
・太陽の20倍を超えるような非常に重い星の場合、超新星爆発を起こしたあとに残される中心核は、自らの重力に耐えられず、どんどん潰れていく。極限まで潰れた非常に密度の大きい天体がブラックホールと呼ばれる。
・重力があまりに強く、物体が天体表面から宇宙空間へ脱出するのに最低限必要な速度が光速を超える。そのため、光を含めてすべての物質を吸い込んでしまう。

【超新星爆発って何?】
・恒星の内部では、水素どうしが反応して重い原子になる(最終的に鉄になるまで続く)核融合反応が起こっている。この核融合反応の際に生じる熱による膨張と、重力による収縮がつりあって天体の形ができている。
・核融合の材料がなくなると、急速な収集を始め、天体の表面が吹き飛ぶ=超新星爆発。
・この超新星爆発の後に残るのがブラックホール。

【ブラックホールはどれくらいあるの?】
・ほとんどの銀河の中心にブラックホールがある。
・天の川銀河の中心には射手座A*(射手座Aスター)という太陽の400万倍の質量のブラックホールがある。
・天の川銀河だけでも1億~10億個のブラックホールがあると考えられている。

【ブラックホールが合体するって本当?】
・超新星爆発でできるブラックホールの質量は太陽の10倍程度。重力波の観測により、ブラックホール同士の合体が観測された。

【疑問点】
・重力波って何?
・核融合反応って何?

重力波の観測によって、宇宙空間の謎の解明が進んでいるようです。継続して調べていきます。

【参考】
宇宙情報センター
ブラックホール 未知の世界へ 慶大・岡朋治教授
サイエンスZERO「ついに解明!“ブラックホール成長の謎”」(YouTube)


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「ビッグバン」の直後ってどういう状態だったの? [探究心の喚起]

【ビッグバン直後ってどういう状態だったの?】
・ビッグバン直後は、宇宙全体が太陽の中心部(約1600万℃)よりもはるかに高温。
・宇宙が誕生してから100万分の1秒後ころは、大量の光子(フォトン)、ニュートリノ、電子、少量の陽子、中性子がごった混ぜになっていた。
・現在知られている4つの力(重力、電磁気力、弱い力(弱い核力)、強い力(強い核力))が分離したのも、宇宙誕生の初期のころだと言われている。
・宇宙誕生の約3分間で、物質のもとである素粒子のうち「クォーク」と呼ばれるものが集まり、陽子や中性子となった。陽子や中性子が集まて、水素やヘリウムの原子核が次々と生み出された。このとき生まれた原子核の92%が水素。残り8%がヘリウムだった。
・普通なら原子の周りを回っているはずの電子も飛び回っていたため、光は電子にはばまれて遠くまで届かなかった(宇宙はくもった状態)
・ビッグバンから40万年ほどたって、宇宙の温度が約3000℃まで下がると、自由電子が原子核に捉えられるようになり、光が遠くまで届くようになった(宇宙の晴れ上がり)。

【ビッグバンの証拠があるって本当?】
・ビッグバン理論を提唱したガモフは、もしビッグバンが起きていれば、その時の残り火が絶対温度5度の宇宙背景放射として観測されるだろうと予言。
※絶対温度(K:ケルビン):273.16K=0℃
・1965年、ベル研究所のアーノ・ペンジアスとロバート・ウィルソンは宇宙全体から等方的にやってくる絶対温度3度の物体が出す電波を観測。
・宇宙が現在まで膨張して冷えた結果、現在の宇宙の温度は3K。それがあらゆる方向から観測されたことがビッグバンの証拠になっている。

【疑問点】
・素粒子って何?
・クォークって何?
・太陽の中心温度ってどうやって計算しているの?
・光子って何?
・4つの力って何?
・電波って何?

【参考】
NHK基礎講座(地学基礎)
宇宙情報センター
宇宙の歴史
宇宙図


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「ビッグバン」って何? [探究心の喚起]

【「ビッグバン」って何?】
・エドウィン・ハッブル(1889~1953:USA:天文学者)が、遠くにある銀河ほど速く遠ざかっている事を発見。
・遠ざかる速さ(後退速度)は、地球からの距離に比例することも発見(ハッブルの法則)。
・現在、比例定数(ハッブル定数)は100万光年につき、20km/sよりも少し大きいらしいことがわかっている。仮に、ハッブル定数を100万光年につき、20km/sとすると、100万光年の銀河は20km/sで遠ざかり、200万光年の銀河は40km/sで遠ざかる。150億光年の銀河は、30万km/s(光速)で遠ざかっていることがわかる。
・逆に考えると、過去に遡ると宇宙の始まりは、ただ一点から始まったという説(ビッグバン説)が生まれた。
・ビッグバン説は1948年にガモフ(1904~1968:ロシア→アメリカ)によって提唱された。
・最近では、宇宙の年齢(ビッグバン発生後)は138億年前後と考えられている。

【地球からの距離に比例して銀河が遠ざかっているという事は、地球が宇宙の中心なの?】
・例えば、宇宙が風船の表面で、銀河が表面の模様だとする。風船を膨らませると、どの模様から見ても、別の模様は遠くにあるものほど速く遠ざかるように見える。つまり、地球が宇宙の中心というわけではない。

【疑問点】
・ビッグバンの前はどういう状態だったの?
・138億光年よりも先の宇宙(光が地球に届かない世界)はどうなっているの?
・ビッグバンが起こったのはなんで?
・ビッグバンがあったて本当?
・ビッグバン直後の宇宙ってどういう状態だったの?

【参考】
NHK高校講座(地学基礎)
宇宙情報センター
宇宙の歴史


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子ども達の「なんで?」一覧 [探究心の喚起]

ARCS動機付け理論によると、子ども達の動機付けにとって、「探究心の喚起」は重要な要素。生徒が感じた問題意識や、その答えは、子ども達の動機付けや知識の定着にとても効果的だと考えています。子ども達の日々の生活は何での塊。日々、「何で?」をヒアリングして、私自身も追求しながら子ども達の脳力UPにつなげていきます。今日は、先日子ども達(小6~中3)にヒアリングした「なんで?」を整理してみます。

【理科に関する何で?】
・ビックバンが起こったのはなんで?
・ブラックホールって何?
・初めの生物はどのようにして生まれたの?
・三原色からすべての色が作れるのはなんで?
・目の錯覚があるのはなんで?
・機械は使うとなぜ熱くなるの?
・人や動物はなぜ周りが見えるの?
・植物は障害物があるとなぜ意思があるように避けようとするの?
・なぜ金は溶けにくいの?
・電流って何?
・マグネシウムの燃焼が強い光を発するのはなんで?
・光って何?
・なぜ太陽はそんなに温度が高いの?
・星座って誰が決めたの?
・なんで、ものによって吸収する光の色が違うの?
・宇宙って何?
・宇宙には限界があるの?
・一番初めに、地球は太陽の周りを回っていると考えた人はなんでそう思ったの?
・なんで重力があるの?
・なぜ自分の誕生月の星座が、誕生日の月に見えないの?
・宇宙にはなぜ空気がないの?
・地球にはなぜ空気があるの?

【数学に関する何で?】
・なんでグラフはX座標・Y座標なの?
・動点問題を解くのは何のため?
・なぜ算数から数学になるの?

【国語に関する何で?】
・古文は「が」とか「の」とかの助詞を省略されているのはなんで?
・なぜ英語には敬語がなくて日本語にはあるの?

【人間に関する何で?】
・なんで喉の調子が悪くなるの?
・低学年の女の子がピンクが好きな子が多いのはなんで?
・人工知能が発達するとどうなるの?
・意地悪をする人がいるのはなんで?
・どうやったら平和を取り戻すことができるの?
・なぜ人は、人の事を嫌いとか好きと思うの?
・なぜ人は、恋をするの?
・なぜ双子には一卵性と二卵性があるの?
・季節とうつ病には関係があるの?
・第二言語習得のリミットってあるの?
・なぜ人は苦手な人にからまれても嫌な顔1つせずに笑って対応してしまうの?
・なぜ男子は大事な写真撮影の時にもふざけるの?
・なぜこちょこちょが効く人と効かない人がいるの?
・目の下にできる「くま」は何で黒いの?
・なぜ人は夢をみるの?
・何で人は老化が始まると物忘れが多くなり、認知症になるの?
・なぜ肘には神経が通っていないの?
・なんでおならは臭いの?
・脳の中に電気が流れているってどういう事?
・なぜ意識があるの?
・人間って何?
・なぜ人は争いをするの?
・なぜ人は楽をしようとするの?
・きれいにしたところをすぐに汚す人がいるのはなんで?
・何で面白いと笑って、悲しいと泣くの?
・何で成長するの?

【身近ななんで?】
・将来使わなそうな勉強をしないといけないのはなんで?
・「何で?」が何も出てこなかったのはなんで?
・レシピ通りに料理を作ってもうまくいかない時があるのはなんで?
・なぜプリンのカラメルは下にあるの?
・なぜ日本の事をJAPANって言うの?
・どうしてマヨネーズは何にでも合うの?
・砂糖ってどうやって作られるの?
・消しゴムで字が消せるのはなんで?
・どうやってテレビは画面を映し出しているの?
・なぜ片腕・片足・片手とは言うのに、片肩とは言わないの?
・なぜ学校の給食はあまりおいしくないの?
・ワンピース(漫画)は、なぜあれほど素晴らしい作品なの?
・スティーブジョブスはなぜスマートフォンにたどり着いたの?
・なんで一週間は7日なの?

1日でこれだけの「何で?」が集まります。きっと子ども達は毎日たくさんの「何で?」を感じながら、見つけながら生活しているはず。子ども達の「何で?」を授業に取り込むことができれば、きっと、もっと勉強が好きになるはず。子ども達の「何で?」を授業に組み込めるように、追求を継続していきます。


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中和反応で熱を生じるのはなんで? [探究心の喚起]

中和反応の時に生じる熱。テストでは中和は発熱反応で済ませてしまいがちですが、子ども達はやっぱり、「中和反応でなんで熱を生じるのか?」が気になるようです。さらには、「マグネシウムと塩酸の反応が発熱反応なのはなんで?」「イオンが結びつく反応は全て発熱反応?」といった疑問へと広がっていきます。

【前提条件】
・「発熱反応」反応物のエネルギーが、生成物のエネルギーより大きい反応。
・「ヘスの法則」1840年、ヘス(スイス)によって発見された法則。「物質が変化するときの反応熱の総和は、変化前と変化後の状態だけで決まり、変化の経路には関係しない」
・ある程度自由に運動していた分子、原子、イオンなどが、分子間力、水素結合やイオン結合によって束縛され、余分な運動エネルギーが熱になる。
・エネルギーの発生源は位置エネルギー。イオン同士は分子間力及び、静電気力(クーロン力)で引き付け合っていて、高いところにある物体が加速しながら落ちて、地面にぶつかる。音や光にも変換されるが、最終的にはこれらのエネルギーは熱に変わる。
・反応熱(化学反応の進行によって発生または吸熱する熱量)には燃焼熱、生成熱(単体から化合物が生成するときの熱)、中和熱、溶解熱(溶質を多量の溶媒に溶かしたときの熱)がある。

【中和反応で熱を生じるのはなんで?】
水が出来る際に、水素イオンと水酸化物イオンがぶつかり合う時に生じる熱と捉えてよさそうです。

【マグネシウムと塩酸の反応が発熱反応なのはなんで?】
・こちらはマグネシウムイオンと塩化物イオンがぶつかり合う時に生じる熱と捉えていいのでしょうか?もう少し調べてみる必要がありそうです。
・(熱化学方程式)Mg(固)+2HCl(aq)=H2(気)+MgCl2(aq)+467kJ
※少なくとも、反応前の物質が持つエネルギ>反応後の物質が持つエネルギーという事は言えそうです。 

私自身わからない事だらけですが、詳しい人へのヒアリングもしながら、子ども達と一緒に追求を楽しんでいきたいと思います。

【参考】
発熱反応(ウィキペディア)
反応熱の種類(燃焼熱、中和熱、溶解熱、生成熱、蒸発熱)
マグネシウムと塩酸を反応させると熱が発生す・・・
反応熱と熱化学方程式
生成熱と結合エネルギー
反応熱と熱化学方程式
マグネシウムの燃焼熱

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リチウム電池とリチウムイオン電池の違いって何? [探究心の喚起]

中学3年生から電池についての質問です。
「リチウム電池」と「リチウムイオン電池」の違いって何?
点数を取るためには、「リチウム電池は一次電池(充電できない)」「リチウムイオン電池は二次電池(充電できる)」という違いを把握していれば十分です。しかし、子ども達の興味は電池の仕組みに向かいます。リチウム電池と、リチウムイオン電池の違いを確認してみました。

【リチウムイオン電池のしくみ】
・一次電池なので、基本的に中3理科で習う「電池のしくみ」がそのままあてはまる。
・2種類の金属と電解質溶液から成る(ただし、リチウムは水と反応して水素を発生するため、電解液には有機溶媒(エタノールのように常温常圧で液体の物質)が使われる)。
・負極にリチウム、陽極に二酸化マンガンを使っているものが一般的。

【リチウムイオン電池のしくみ】
・正極にリチウム酸化物、負極に炭素系材料を使用。
・充電時にリチウムイオンと電子が負極に移動。
・放電時にリチウムイオンと電子が正極に移動。
※リチウムイオンが正極・負極間を行き来するので「リチウムイオン」電池という名称の由来か。

リチウムイオン電池はスマホやパソコンなど、子ども達にもなじみがあるようで、興味を持っていました。また、「なんで充電して繰り返し使えるのか?」「なんでリチウムイオン電池は充電の仕方で寿命が変わるのか?」など、日頃から疑問に感じている子も多かったようです。

電池は急速に進化している分野だと思うので、子ども達の興味関心に合わせてさらに追求していきます。

【参考】
電池の特徴について理解しよう(リチウム電池・リチウムイオン電池編)
リチウム電池(ウィキペディア)
リチウムイオンバッテリーの原理と特徴、軽くて高エネルギーのリチウム ー電池のしくみ(4)
チウムイオン電池(基礎編・電池材料学)
リチウムイオン電池の原理・特徴
リチウムイオン電池の概要


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太陽の黒点が黒いのはなんで? [探究心の喚起]

中3天体の授業で生徒から質問がありました。
「黒点は温度が低いから黒く見える」というのは納得がいかない。なんで温度が低いと黒く見えるのか?
確かに、温度が低いから黒く見えるというのは全くあたりまでではないですね。私も気になって調べてみました。

【前提となる知識】
・太陽は黒体(電磁波を100%吸収してしまう物体)。
・黒体の場合、実温度と色温度に相関がある。
・色温度(単位K:ケルビン)とは、表現しようとする光の色を、黒体から放射される光の色と対応させたもの。
・黒体は温度上昇と共に暗褐色から赤→オレンジ→黄色→白→青へと変化する。
※つまり、黒体である太陽の色は温度によって決まると言えそうです。

【黒点が黒く見えるのはなんで?】
上記の前提だけでは、まだ黒点が黒い理由にはなっていません。
実際、太陽の色温度は6000K程度(黄色)、黒点は4500K程度(橙色)。つまり、黒点の実際の色は橙色。ただし、太陽はあまりに明るいので遮光フィルタを入れないと観測ができないため、黒点部分は遮光フィルタで光が遮られて黒く見えている。

他に身近な黒体放射の例として、電球のフィラメントや炭が挙げられるそうです。炭の事例が子ども達には一番身近に感じられそうです(化学変化による光は、色温度と一致しないことも違いとして伝ええてあげると理解が深まりそうです)。

太陽に関しては、他にも色々な「なんで?」が浮かんできます。
①そもそもなぜ、太陽表面で温度差が生まれるのか?
②そもそもなぜ、太陽はなぜこんなに高温なのか?
③時間帯によって太陽の色が変わって見えるのはなぜか?

子ども達からの疑問は、私自身の追求テーマにもなります。一緒に追求する仲間として、色々な疑問を調査し、共有していきたいと思っています。

【参考】
太陽の黒点は黒い理由は温度が低いからだと
太陽黒点(ウィキペディア)
色温度(ウィキペディア)
太陽黒点とは?
黒体 「太陽は黒体に近い」という記述を目にし
黒体放射って何のこと?
太陽の光の色が変化して見えるわけ
黒点はなぜ黒いのか


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