Introductory Biomechanics: From Cells to Organisms（バイオメカニクス入門：細胞から個体まで）

引用

Ethier, C. R., & Simmons, C. A. (2007). Introductory Biomechanics: From Cells to Organisms. Cambridge University Press.

章の要約

本書は約500ページで、10の章と1つの付録からなる。序文によれば、各章はまず関連する生物学を復習し、そのうえで力学問題の本質的な側面を特定して記述する。第2章は約100ページあり、他の章を大きく上回る。

第1章：序論

生体工学を工学の原理を生物学的システムに適用すること、バイオメカニクスを物理的な力が生命システムとどのように相互作用するかの研究と定義する。バイオメカニクスは成長、発達、組織のリモデリング、一部の疾患にとって重要であると論じ、骨の細胞が力学的な応力とひずみに応じて骨を付け加えたり除去したりする例を挙げる。

第2章：細胞のバイオメカニクス

最も長い章である。真核細胞のみを扱い、膜や細胞小器官を含む細胞の構造の復習から始めて、細胞の力学へと進む。後の章は、この章の細胞外マトリックスに関する節を参照している。

第3章：血行力学

血液の流れと、それを生み出す力を扱う。主に血液を、生理的に重要な物質の受動的な運び手として捉える。血液レオロジー、すなわち材料が力に応じてどのように変形・流動するかと、応力の概念から始める。

第4章：循環系

心臓と血管を工学的な視点から、2つの拍動するポンプが直列につながれた、枝分かれする管のネットワークとして見る。血管系の解剖と肺循環・体循環の区分から始め、各構成要素がどのように働き、協調して血液を届けるかを強調する。

第5章：間質

毛細血管の周囲の空間についての短い章（約10ページ）で、細胞外マトリックスに埋め込まれた細胞からなる。間質液の流れと、流れへの抵抗がマトリックスの組成、細胞密度、詰まり方にどう依存するかを調べる。

第6章：眼のバイオメカニクス

眼を、液体の産生と排出機構をもつ、加圧された厚い壁の殻として記述し、遠近調節や、緑内障、黄斑変性、近視、老視といった疾患における力学の役割を示す。眼の解剖から始める。

第7章：呼吸器系

肉眼解剖、枝分かれする導管気道、ガス交換が起こる腺房から始め、続いて呼吸の力学へ進む。

第8章：筋と運動

3種類の筋を紹介したのち、骨格筋に集中し、筋がATPを産生する仕方（好気的と嫌気的）によって分類する。第10章の運動解析が依拠する筋と骨の力学を提供する。

第9章：骨格のバイオメカニクス

骨格の結合組織（骨、軟骨、靱帯、腱）を扱い、骨の機能、構造、生体力学的挙動から始める。

第10章：陸上での運動

歩行と走行を記述的・定量的に解析し、跳躍も扱う。立ち幅跳びは踏み切りと空中の2つの局面に分けられ、重心の運動を通して解析される。

付録：心電図

心電図についての短い付録（約9ページ）で、血管樹における拍動流、圧力、動脈の拍動の基準信号として紹介し、心筋細胞の電気的活動を説明する。

主要概念

細胞と流体（第1–5章）

• メカノバイオロジー：細胞や組織が力学的な応力とひずみに反応するという考え方。
• 血液レオロジー：血液が応力のもとでどのように変形し流れるか。
• ネットワークとポンプとしての循環：動脈、静脈、拍動する心臓を、ポンプを備えた枝分かれする管の系として扱う。
• 間質の流動抵抗：組織の構造が間質内の液体の移動をどう左右するか。

器官系（第6–7章）

• 眼圧と遠近調節：眼の力学的機能と疾患との関係。
• 呼吸の力学：気道の枝分かれと肺の力学。

運動（第8–10章）

• 骨格筋のエネルギー代謝：好気的および嫌気的なATP産生。
• 力学的組織としての骨：構造と荷重を支える挙動。
• 運動解析：跳躍、歩行、走行を重心の運動で記述する。

批判的分析

長所

• 生物学を一から教える。 序文は、生物学、解剖学、生理学の予備知識を前提としないと述べ、各章は関連する背景から始まる。そのため、機械工学や化学工学、物理科学出身の読者がすぐに取りかかれる。
• スケールをまたぐ一貫した視点。 各章は単一の細胞から、血液、血管、組織、器官を経て、全身の運動へと進むので、一貫した力学的な扱いがそれらを結びつけている。著者は、生物学的システムを本質的な要素に単純化し、力学の法則を適用し、その結果を生物学的機能に結びつける方法だと説明している。
• 書評家が明快さを指摘。 出版社のページに引用されている Texas A&M の James E. Moore Jr. は、非生体工学系の学生向けに長く教えられてきた講義に基づく、明快で率直な叙述であり、図版の質も優れていると述べている。
• コースのために書かれた。 著者らは、工学系の学生向けの教科書が見つからなかったため、トロント大学のバイオメカニクス入門講義をもとに本書を書いた。出版社は、多数の演習問題と数百の参考文献があることにも触れている。

短所

• 意図的に選択的。 序文によれば、本書はいずれかの分野の網羅的な論考ではなく、幅広い話題への入門である。いくつかの章は1つの器官系を追っており、間質の章は約10ページしかない。
• 力学の前提知識。 序文は、動力学、静力学、流体力学、熱力学、固体力学の入門を修めていることを期待している。これらがない読者は、別に準備が必要である。
• 各章内での範囲の選択。 第2章は真核細胞のみを扱い、第8章は骨格筋だけに集中するため、平滑筋と心筋は展開されない。本書は2007年のもので、それ以後の進展は含まれない。

コースにおける位置づけ

Ethier と Simmons の本は、工学系の学生の最初のバイオメカニクス講義に適している。Özkaya らの Fundamentals of Biomechanics は、工学の背景のない読者のために、静力学、動力学、変形体の力学を基本原理から出発して扱い、Knudson の Fundamentals of Biomechanics は代数レベルの計算で人間の運動を導入する。力学をまず固める必要のある学生は、どちらかを先に読むとよい。Peterson と Bronzino の編集書は、衝撃による損傷や内耳の力学といったより専門的な話題を、別々の著者による章で扱っており、このようなコースのあとに参考書として使うほうが向いている。

厳密な連続体力学を求める読者には、Humphrey と O'Rourke の An Introduction to Biomechanics が固体と流体の支配方程式を完全に導出しており、Fung の Biomechanics: Mechanical Properties of Living Tissues は生体材料の構成的挙動に関する古典的な専門書である。Ethier と Simmons は、人間の運動を中心にした入門書とこれらの連続体力学の書物の中間に位置する。細胞から生物個体までを扱い、具体的な生理学的問題に力学を適用する教科書である。

本書の使い方

まず序文で想定されている背景を確認し、次に序論（第1章）を読む。無理のない核は、第3・4章（血液と循環）、第8・9章（筋と骨格）、第10章（運動）で、互いに積み上がっていく。第2章は大きいので選択的に使える。細胞構造の復習を読み、そのあとコースに合う力学の節を読むとよい。第5・6・7章はコースの重点に合わせて選べ、心電図の付録は第3・4章の短い補足になる。

各章では、解析を始める前に生理学の導入をよく読むこと。著者は、生物学が力学の枠組みになることを意図している。章末問題（出版社は多数あると説明している）に取り組み、参考文献をさらなる読書に活用するとよい。力学の前提知識が心もとない場合は、最初の数章を読みながら、静力学、固体力学、流体力学を復習するとよい。