AP生物学

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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)

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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

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。

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。

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

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。

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。

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。

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。

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： $P(A \text{ and } B) = P(A) \times P(B)$

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。

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

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。

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。

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。

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。

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。

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

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。

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。

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。

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。

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。

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

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。

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

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

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。

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

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）

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。

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

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。

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

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

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。

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。

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