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1.1: 生物学的主题和概念

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    生物学是一门研究生命的科学。生命到底是什么呢？这听起来像是一个答案显而易见的愚蠢问题，但要给生命下定义并不容易。例如，一个名为病毒学的生物学分支研究病毒。病毒表现出活体的某一些特性，但缺乏其他的一部分。有趣的是，虽然病毒可以攻击生物体、引发疾病甚至繁殖，但它们不符合生物学家用来定义生命的标准。

    生物学从它诞生的一开始就在努力解决以下四个问题：定义某个物体是“活着”的共同特性是什么？这些不同的生物是如何运作的？在庞大的生物多样性面前，我们如何将不同种类的生物分类，以便更好地理解它们？最后，生物学家最终想要理解的是，这种生物多样性是如何产生的、又是如何延续的？每天都有新的生物在被发现，而生物学家们也在继续寻找以上问题和其他有关问题的答案。

    生命的特征

    所有生物都具有以下几个关键特征或功能：组织、对来自内部或外界的刺激有感知或做出反应、繁殖、适应、生长和发育、调节、稳态和处理能量。 这八个特征一起定义了生物。

    组织

    生物有高度组织的结构，由一个或多个细胞组成。即使是非常简单的单细胞生物也非常复杂。在每个细胞内，原子构成了分子。而它们则构成细胞成分或细胞器。多细胞生物可能由数百万个单细胞组成，与单细胞生物相比具有优势，因为它们的细胞可以专门用于执行特定的功能，甚至在某些情况下为了整个生物体的利益而被牺牲。 稍后\(\PageIndex{1}\)将讨论这些特殊细胞如何聚集在一起在生物体中形成心脏、肺部或皮肤等器官，如图所示。

    一张照片显示了一只被亮绿色斑点覆盖的浅色蟾蜍。
    图\(\PageIndex{1}\)：蟾蜍，代表由细胞、组织、器官和器官系统组成的高度有组织的结构。 （来源：“Ivengo（俄罗斯）” /维基共享资源）

    对刺激的敏感性或反应

    生物对各种刺激有反应。 例如，植物可以向光源弯曲或对触摸做出反应（图\(\PageIndex{2}\)）。 即使是微小的细菌也可以移向或远离化学物质（这种过程称为趋化性）或光（光性）。 转向刺激措施被认为是积极的回应，而偏离刺激措施则被视为负面反应。

    一张含羞草 pudica 的照片显示了一种有许多小叶子的植物。
    图\(\PageIndex{2}\)：这种敏感植物（含羞草 pudica）的叶子在触摸时会立即下垂并折叠。 几分钟后，植物恢复到正常状态。 （来源：亚历克斯·洛马斯）

    概念在行动

    观看此视频，了解敏感植物对触摸刺激的反应。

    繁殖

    单细胞生物通过首先复制其DNA（遗传物质）进行繁殖，然后在细胞准备分裂形成两个新细胞时将其平均分裂。 许多多细胞生物（由多个细胞组成的生物）会产生特殊的生殖细胞，这些细胞将形成新的个体。 当繁殖发生时，含有基因的DNA会传递给生物体的后代。 这些基因是后代将属于同一个物种并具有与亲本相似的特征（例如毛发颜色和血型）的原因。

    适应

    所有活生物都表现出与其环境的 “适应性”。 生物学家将这种契合度称为适应，它是自然选择进化的结果，自然选择在繁殖生物的每个谱系中都有作用。 改编的例子多种多样，独一无二，从生活在沸腾的温泉中的耐热古细菌到以花蜜为食的飞蛾的舌长，与它赖以生存的花朵的大小相匹配。 所有改编都增强了展示它们的个体的生殖潜力，包括他们存活繁殖的能力。 改编不是恒定的。 随着环境的变化，自然选择会使人群中个体的特征跟踪这些变化。

    成长与发展

    生物按照其基因编码的特定指令生长和发育。 这些基因提供指导细胞生长和发育的指令，确保物种的幼崽（图\(\PageIndex{3}\)）长大后表现出与其亲本相同的许多特征。

    一张照片描绘了四只小猫：一只有橙白相间的虎斑外套，另一只全是黑色的，第三只和第四只有黑色、白色和橙色的虎斑外套，但图案不同。
    图\(\PageIndex{3}\)：尽管没有两只小猫看起来很像，但这些小猫继承了父母双方的基因，并且具有许多相同的特征。 （来源：Pieter & Renée Lanser）

    规则

    即使是最小的生物也很复杂，需要多种调节机制来协调内部功能，例如营养物质的运输、对刺激的反应和应对环境压力。 例如，消化系统或循环系统等器官系统具有特定的功能，例如在全身携带氧气、清除废物、向每个细胞输送营养以及冷却身体。

    动态平衡

    为了正常运作，细胞需要适当的条件，例如适当的温度、pH 值和各种化学物质的浓度。 但是，这些条件可能会从一个时刻到下一个时刻发生变化。 尽管环境发生了变化，生物仍然能够通过一种称为稳态或 “稳定状态” 的过程（即生物维持恒定内部条件的能力），几乎持续地在狭窄的范围内维持内部条件。 例如，许多生物通过一种称为体温调节的过程来调节体温。 生活在寒冷气候中的生物，例如北极熊（图\(\PageIndex{4}\)），其身体结构有助于它们承受低温和保存体温。 在炎热的气候中，生物有一些方法（例如人体排汗或狗气喘吁吁）可以帮助它们排出多余的体温。

    这张照片显示了一只白色的毛茸茸的北极熊。
    图\(\PageIndex{4}\)：生活在冰封地区的北极熊和其他哺乳动物通过产生热量和减少皮下密集的脂肪层产生的热量损失来维持体温。 （来源：“longhorndave” /Flickr）

    能量处理

    所有生物（例如图中所示的加州秃鹰\(\PageIndex{5}\)）都使用能量来源进行代谢活动。 有些生物从太阳中捕获能量并将其转化为食物中的化学能；另一些生物则使用它们吸收的分子中的化学能。

    这张照片显示了一只飞行中的加利福尼亚秃鹰，机翼上有一个标签。
    图\(\PageIndex{5}\)：加州秃鹰飞行需要大量能量。 来自食物的化学能被用来为飞行提供动力。 加州秃鹰是一种濒危物种；科学家们努力在每只鸟身上贴上翅膀标签，以帮助它们识别和找到每只鸟。 （来源：美国西南太平洋地区鱼类和野生动物）

    生物的组织水平

    生物是高度有条理和结构化的，遵循从小到大的等级制度。 原子是最小、最基本的物质单位。 它由一个被电子包围的原子核组成。 原子形成分子。 分子是一种化学结构，由至少两个通过化学键结合在一起的原子组成。 许多具有生物重要性的分子都是大分子，大分子通常是通过组合称为单体的较小单位形成的。 大分子的一个例子是脱氧核糖核酸（DNA）（图\(\PageIndex{6}\)），它包含含有脱氧核糖核酸（DNA）的生物的功能说明。

    分子模型描绘了一个 DNA 分子，显示了它的双螺旋结构。
    图\(\PageIndex{6}\)：一个分子，比如这个大的 DNA 分子，是由原子组成的。 （来源：“Brian0918” /维基共享资源）

    概念在行动

    代表网址的二维码

    要观看这个 DNA 分子的动画，请点击这里。

    有些细胞含有被膜包围的大分子聚集体；这些被称为细胞器。 细胞器是存在于细胞内并具有特殊功能的小型结构。 所有生物都是由细胞组成的；细胞本身是活生物体中最小的结构和功能基本单位。 （这个要求就是为什么病毒不被认为是活的：它们不是由细胞组成的。 要制造新病毒，它们必须入侵并劫持活细胞；只有这样，它们才能获得繁殖所需的材料。） 有些生物由单细胞组成，而另一些则是多细胞的。 细胞分为原核生物或真核细胞。 原核生物是单细胞生物，缺乏被膜包围的细胞器，没有被核膜包围的核；相比之下，真核生物的细胞确实有膜结合的细胞器和核。

    在大多数多细胞生物中，细胞结合形成组织，这些组织是由具有相同功能的相似细胞组成的群体。 器官是根据共同功能组合在一起的组织的集合。 器官不仅存在于动物中，而且存在于植物中。 器官系统是更高级别的组织，由功能相关的器官组成。 例如，脊椎动物有许多器官系统，例如将血液输送到全身以及往返肺部的循环系统；它包括心脏和血管等器官。 生物是单个的生命实体。 例如，森林中的每棵树都是有机体。 单细胞原核生物和单细胞真核生物也被视为生物，通常被称为微生物。

    艺术连接

    流程图显示了活生物体的层次结构。 从最小到最大，该层次结构包括：1 原子，包含质子、中子和电子。2 分子，如图所示的磷脂，由原子组成。3 细胞器，例如高尔基仪器和核，存在于细胞内。4 细胞，例如红细胞。5 组织，例如人体皮肤组织。6胃和肠等器官构成人体消化系统，这是器官系统的一个例子。7 生物、种群和群落。 在公园里，每个人都是有机体。 所有人共同构成一个人口。 公园中的所有动植物物种构成一个群落。8 生态系统：纽约中央公园的生态系统包括活生物体及其生活环境。9 生物圈：涵盖地球上的所有生态系统。
    图\(\PageIndex{7}\)：从原子到整个地球，生物学考察了生命的方方面面。 （来源 “分子”：对简·惠特尼作品的修改；来源 “细胞器”：路易莎·霍华德对作品的修改；来源 “细胞”：美国国家癌症研究所哈里·舍费尔布鲁斯·韦策尔的作品修改；来源 “组织”：修改 “基尔巴德” /维基共享资源的作品；来源 “器官”：修改玛丽安娜·鲁伊斯·比利亚雷尔、若阿金·阿尔维斯·加斯帕的作品；来源 “生物”：彼得·达顿对作品的修改；来源 “生态系统”：修改 “Gigi4791” /Flickr 的作品；来源 “生物圈”：美国宇航局对作品的修改）

    以下陈述中哪一项是错误的？

    1. 组织存在于器官系统内的器官内。
    2. 社区存在于存在于生态系统中的种群中。
    3. 细胞器存在于存在于组织内的细胞内。
    4. 群落存在于生物圈中的生态系统中。
    回答

    B

    生活在特定区域内的物种的所有个体统称为种群。 例如，一片森林可能包含许多白松树。 所有这些松树代表了这片森林中白松树的种群。 不同的人群可能生活在同一个特定区域。 例如，有松树的森林包括开花植物的种群以及昆虫和微生物种群。 社区是居住在特定区域的人口集合。 例如，森林中的所有树木、花朵、昆虫和其他种群构成了森林的群落。 森林本身就是一个生态系统。 生态系统由特定区域的所有生物以及该环境的非生物或非生物部分（例如土壤或雨水中的氮）组成。 在组织的最高层面（图\(\PageIndex{7}\)），生物圈是所有生态系统的集合，它代表着地球上的生命区域。 它包括土地、水和部分大气层。

    生命的多样性

    生物科学的范围非常广泛，因为地球上存在着巨大的生命多样性。 这种多样性的来源是进化，这是一个逐渐变化的过程，在此过程中，新物种从较老的物种中产生。 进化生物学家研究从微观世界到生态系统的所有事物中生物的演变。

    在18世纪，一位名叫卡尔·林奈的科学家首次提议将已知的生物种类组织成分层分类法。 在这个系统中，彼此最相似的物种被组合在一个称为属的群组中。 此外，相似的属（属的复数形式）在一个家族中组合在一起。 这种分组一直持续到所有生物被收集到最高级别的群组为止。 当前的分类系统现在在其层次结构中有八个级别，从最低到最高，它们是：物种、属、家族、顺序、阶级、phylum、王国、域。 因此，物种按属分组，属在家族内分组，家族按顺序分组，依此类推（图\(\PageIndex{8}\)）。

    图表显示了犬狼疮的八个分类层次结构。
    图\(\PageIndex{8}\)：此图显示了狗的分类层次结构级别，从最广泛的类别（域）到最具体的物种。

    自20世纪90年代以来，最高级别的域名是系统中一个相对较新的新成员。 科学家们现在认识到了生命的三个领域，即真核、古细菌和细菌。 Eukarya 域包含具有细胞核的生物。 它包括真菌、植物、动物王国和几个原生动物王国。 古细菌是没有核的单细胞生物，包括许多生活在温泉等恶劣环境中的嗜极生物。 细菌是另一组完全不同的没有核的单细胞生物（图\(\PageIndex{9}\)）。 古细菌和细菌都是原核生物，是无核细胞的非正式名称。 20 世纪 90 年代，人们认识到，某些 “细菌”（现在称为古细菌）在遗传和生化方面与其他细菌细胞的区别与来自真核生物的区别一样，这促使人们建议将生命分为三个领域。 我们对生命之树的认识发生了巨大变化，这表明分类不是永久性的，当有新的信息可用时，分类就会改变。

    除了分层分类系统外，Linnaeus 还是第一个使用两个唯一名称（现在称为二项命名系统）命名生物的人。 在 Linnaeus 之前，使用通用名称来指代生物会引起混乱，因为这些通用名称存在区域差异。 二项式名称由属名（大写）和物种名称（均为小写）组成。 两个名称在打印时均以斜体设置。 每个物种都有一个独特的二项式，这个二项式在全世界都得到认可，这样任何地方的科学家都可以知道指的是哪个生物。 例如，北美蓝鸟被独特地称为 Cyanocitta cristata。 我们自己的物种是智人。

    照片描绘了：A：细菌细胞。 B：天然的热通风口。 C：向日葵。 D: 一只狮子。
    图\(\PageIndex{9}\)：这些图像代表不同的域。 扫描电子显微照片显示（a）细菌细胞属于细菌域，而（b）在这个温泉中合在一起被视为彩色垫子的嗜极生物属于古细菌域。 (c) 向日葵和 (d) 狮子都是 Eukarya 域的一部分。 （来源 a：落基山实验室、NIAID、NIH 对作品的修改；来源 b：Steve Jurvetson 对作品的修改；来源 c：迈克尔·阿里吉对作品的修改；来源 d：弗兰克·瓦森对作品的修改）

    行动中的进化：卡尔·沃斯和系统发育树

    地球上各种生命形式的进化关系可以用系统发育树来概括。 系统发育树是一种基于遗传或物理特征的相似性和差异或两者兼而有之的显示生物物种之间进化关系的图表。 系统发育树由分支点或节点和树枝组成。 内部节点代表祖先，当根据科学证据，认为祖先已经分歧形成两个新物种时，它们是进化中的点。 每个分支的长度可以视为相对时间的估计值。

    过去，生物学家将活生物分为五个王国：动物、植物、真菌、原生生物和细菌。 然而，美国微生物学家卡尔·沃斯（Carl Woese）在20世纪70年代初的开创性研究表明，地球上的生命是沿着三个谱系演变而来的，现在称为结构域——细菌、古细菌和真核。 Woese 提议将该域作为新的分类学层面，将古细菌作为新域，以反映新的系统发育树（图\(\PageIndex{10}\)）。 许多属于古细菌域的生物生活在极端条件下，被称为嗜极生物。 为了建造他的树，Woese 使用了遗传关系，而不是基于形态（形状）的相似之处。 在系统发育研究中使用了各种基因。 Woese's tree 是根据对普遍分布的基因进行比较测序构建而成的，这些基因在每个生物体中都存在一些轻微的变化，是保守的（这意味着这些基因在整个进化过程中仅略有变化），长度适当。

    这棵系统发育树表明，生命的三个领域，即细菌、古细菌和真核，都来自共同的祖先。
    图\(\PageIndex{10}\)：这棵系统发育树是由微生物学家卡尔·沃斯（Carl Woese）利用遗传关系建造的。 这棵树显示了将活生物分为三个领域的过程：细菌、古细菌和真核。 细菌和古细菌是没有被膜包围的细胞核或其他细胞器的生物，因此是原核生物。 （来源：埃里克·加巴对作品的修改）

    生物学研究分支

    生物学的范围很广，因此包含许多分支和子学科。 生物学家可能会研究其中一个子学科，然后在更集中的领域工作。 例如，分子生物学研究分子层面的生物过程，包括DNA、RNA和蛋白质等分子之间的相互作用以及它们的调控方式。 微生物学是对微生物结构和功能的研究。 它本身是一个相当广泛的分支，根据研究主题的不同，还有微生物生理学家、生态学家和遗传学家等。

    生物学研究的另一个领域是神经生物学，它研究神经系统的生物学，尽管它被认为是生物学的一个分支，但它也被认为是一个被称为神经科学的跨学科研究领域。 由于其跨学科性质，该子学科使用分子、细胞、发育、医学和计算方法研究神经系统的不同功能。

    照片描绘了科学家从泥土中挖出化石。
    图\(\PageIndex{11}\)：研究人员正在西班牙卡斯特利翁的一个地点挖掘恐龙化石。 （来源：马里奥·莫德斯托）

    古生物学是生物学的另一个分支，它使用化石来研究生命的历史（图\(\PageIndex{11}\)）。 动物学和植物学分别是对动植物的研究。 生物学家还可以专门担任生物技术人员、生态学家或生理学家，仅举几个领域。 生物技术专家运用生物学知识来创造有用的产品。 生态学家研究生物在其环境中的相互作用。 生理学家研究细胞、组织和器官的运作。 这只是生物学家可以研究的众多领域中的一小部分。 从我们自己的身体到我们生活的世界，生物学的发现可以以非常直接和重要的方式影响我们。 我们的健康、食物来源和生态系统提供的益处都依赖于这些发现。 因此，生物学知识可以帮助我们在日常生活中做出决策。

    二十世纪技术的发展，特别是描述和操纵遗传物质DNA的技术，已经改变了生物学。 这种转变将使生物学家能够继续更详细地了解生命史、人体是如何运作的、我们的人类起源，以及尽管我们的人数不断增加造成了压力，但人类如何作为一个物种在这个星球上生存。 生物学家继续破译关于生命的巨大奥秘，这表明我们才刚刚开始了解地球上的生命、它的历史以及我们与生命的关系。 出于这个原因和其他原因，无论你进入哪个领域，通过这本教科书和其他印刷和电子媒体获得的生物学知识都应该是有益的。

    行动生涯：法医科学家

    法医学是应用科学来回答与法律有关的问题。 生物学家以及化学家和生物化学家可以是法医科学家。 法医科学家提供科学证据供法庭使用，他们的工作包括检查与犯罪有关的微量材料。 在过去的几年中，人们对法医学的兴趣有所增加，这可能是因为受欢迎的电视节目中有法医科学家在工作。 此外，分子技术的发展和DNA数据库的建立更新了法医科学家可以做的工作类型。 他们的工作活动主要与谋杀、强奸和殴打等针对他人的犯罪有关。 他们的工作包括分析头发、血液和其他体液等样本，以及处理在许多不同环境和材料中发现的DNA（图\(\PageIndex{12}\)）。 法医科学家还分析了留在犯罪现场的其他生物证据，例如昆虫部位或花粉颗粒。 想要从事法医学职业的学生很可能需要参加化学和生物学课程以及一些强化数学课程。

    照片描绘了一位在实验室工作的科学家。
    图\(\PageIndex{12}\)：这位法医科学家在美国陆军刑事调查实验室的 DNA 提取室工作。 （来源：美国陆军 CID 司令部公共事务）

    摘要

    生物学是生命科学。 所有活生物都具有多个关键特性，例如对刺激的秩序、敏感性或反应、繁殖、适应、生长和发育、调节、动态平衡和能量处理。 生物是按照包括原子、分子、细胞器、细胞、组织、器官和器官系统在内的层次结构高度组织的。 反过来，生物又分为种群、群落、生态系统和生物圈。 进化是当今地球上巨大的生物多样性的来源。 一个叫做系统发育树的图可以用来显示生物之间的进化关系。 生物学非常广泛，包括许多分支和子学科。 例子包括分子生物学、微生物学、神经生物学、动物学和植物学等。

    词汇表

    原子
    正常化学反应无法分解的基本物质单位
    生物学
    研究活生物体及其相互作用及其环境之间的相互作用
    生物圈
    地球上所有生态系统的集合
    细胞
    生物中最小的结构和功能基本单位
    社区
    居住在特定区域的一组人口
    生态系统
    特定区域的所有生物以及该环境中的非生物、非生物部分
    真核生物
    一种具有细胞核和膜结合细胞器的生物体
    进化
    种群逐渐变化的过程也可能导致老物种产生新物种
    动态平衡
    生物体维持恒定内部条件的能力
    大分子
    一种大分子，通常由较小的分子结合形成
    分子
    一种由至少两个通过化学键结合在一起的原子组成的化学结构
    器官
    一种由组织共同作用以执行共同功能形成的结构
    器官系统
    由职能相关机构组成的更高级别的组织
    细胞器
    细胞内的膜结合隔室或囊
    有机体
    个人生活实体
    种系发育树
    该图显示了基于遗传或物理特征的相似和差异或两者兼而有之的生物物种之间的进化关系
    人口
    一个物种中生活在特定区域内的所有个体
    原核生物
    缺乏细胞核或任何其他膜结合细胞器的单细胞生物
    纸巾
    一组执行相同功能的相似细胞