生物学：修订间差异

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2015年2月14日 (六) 14:25的版本

生物学研究各種生命
（上图） 大肠杆菌、瞪羚、
（下图）大角金龟甲虫、蕨類植物

生物学（希腊语：Βιολογία、拉丁语：Biologia、德语、法语: Biologie、英语: Biology）或稱生物科學（biological sciences）、生命科學（英語：life sciences），是自然科學的一大门类，由經驗主義出發，廣泛研究生命的所有方面，包括生命起源、演化、分佈、构造、发育、功能、行为、与环境的互動关系，以及生物分類學等^[1]。现代生物学是一个庞大而兼收并蓄的领域，由许多分支和分支学科组成。然而，尽管生物学的范围很广，在它里面有某些一般和统一概念支配一切的学习和研究，把它整合成单一的，和连贯的领域。在总体上，生物认识到细胞作为生命的基本单位，基因作为遗传的基本单元，和进化是推动新物种的合成和创建的引擎^[2]。今天人们还了解，所有生物体的生存以消耗和转换能量，调节体内环境以维持稳定的和重要的生命条件^[3]。

生物学分支学科被研究生物体的规模所定义，和研究它们使用的方法所定义：生物化学考察生命的基本化学；分子生物学研究生物分子之间错综复杂的关系；植物学研究植物的生物学；细胞生物学检查所有生命的基本组成单位,细胞；生理学检查组织，器官，和生物体的器官系统的物理和化学的功能；进化生物学考察了生命的多样性的产生过程；和生态学考察生物在其环境如何相互作用。^[4]

历史

生物學之英语单词「biology」(德语、法语「Biologie」)源於希臘文βίος，Bio，意為生命，以及字尾-λογία，-logia，意為學問，合併為“研究生命的學問”^[5]^[6]。1802年，法国博物学家拉马克最早提出这個名词。

现代生物学基础

现代生物学的五大基础，也是主要的研究方向：^[7]

细胞学说

细胞学说認為細胞是生物的基本單位，而且所有生物都是由一至多個細胞以及細胞分泌的物質組成（例如外骨骼）。所有細胞都是由其他細胞藉由细胞分裂的方式產生。多細胞生物一開始是從一個受精卵的單一細胞開始，再漸漸分裂為各個細胞，而細胞也是許多病理过程（英语：pathological process）的基本單位.^[8]。此外，細胞之間能量轉移（英语：Energy transfer）的現象稱為代謝，而細胞包含的遺傳資訊（DNA），在細胞分裂時也會傳遞給其他的細胞。

演化

现代生物学認為生命是從演化而來，所有已知的生物都有一共同起源。演化論假設所有地球上活著及已絕種的生物都是來自一共同起源或一基因庫。所有生物最晚的共同起源約出現在約35億年前^[9]。

遗传学

基因是生物體遺傳的基本單位，基因對應一特定區域的DNA，以特定方式影響生物的某一部位或某一機能。從細菌到動物的所有生物體都有同様複製DNA，並依此產生蛋白質的能力。細胞將DNA的基因转录為對應的核糖核酸（RNA），然後核糖体將RNA轉譯為一串由胺基酸組成的蛋白質。由RNA轉換為胺基酸的遗传密码在大部份生物中是相同的，但有些生物仍有少許差異。例如若將人類對應胰島素的DNA放在植物中，也可以產生胰島素^[10]。

体内平衡

体内平衡(homeostatic)：平衡是一個開放系統可以藉由許多彼此相關機制的動態平衡調整，使得其內在情形維持在穩定的狀態。所有的生物，不論是單細胞或是多細胞生物，都有体内平衡的機制^[12]。

一系統若要維持動態平衡，並且有效的進行調整，需要有能力偵測擾動，並且針對擾動進行回應。生物系統在偵測到擾動後，一般會利用負回授的方式回應。也就是藉由調整系統的條件，設法降低擾動的影響。就像若動物體內血糖濃度過低時，會釋放胰高血糖素增加血糖一様^[13]。

能量

一个活的生物体的生存依赖于能量的连续输入。生物體是靠化學反應來從食物中提取能量，才能維持身體機能，並建立新的細胞。在上述反應中，組成食物化学物质的分子扮演两个重要角色。第一，這些分子中有些可以藉由生物體內的化學反應產生能量。第二，有些則可以組成生物分子中的新的分子结构。

负责引进能量到生态系统的生物被称为生产者或自养生物。几乎所有的这些生物体最初都从太阳吸取能量。^[14]

研究概况

生物学家從很多面向研究生物，因此產生很多研究領域。例如：

生物学本身不斷的快速發展，與其他學科的關聯整合也越來越多。一大原因是分子生物學在近代突飛猛進，終於導致人類基因序列定序基本完成^[15]。由此，為了解讀巨大数量的基因資訊，促成了基因组學。為了探究基因和蛋白質的交互作用，開創出蛋白質组學^[16]。這些新的研究領域幫助解決疾病、糧食、環境生態等問題。其眾多的研究資訊和积累海量研究数据則需要新的電腦演算法來處理^[17]。

结构

分子生物学是在分子水平的生物学研究^[18]。该领域与生物学的其他领域重叠，特别是遗传学和生物化学。分子生物学主要关注的是理解一个细胞内的各种系统的相互之间的相互作用^[19]，包括DNA，RNA和蛋白质的合成和学习这些相互作用如何被调节^[20]。

细胞生物学研究细胞的结构和生理学特性，包括它们的行为，相互作用和环境。

解剖学考虑的是宏观结构的形式，例如器官和器官系统^[21]。

遗传学是研究基因、遗传和生物体的变异的科学^[22]^[23]。

生理

演化

分類與命名

分類：生物學對物種的分類，由上而下有 8 個層級。任一物種同時在這 8 個層級有其位置和名稱。

它們是域（Domain）、界（Kingdom）、門（phylum）、綱（class）、目（order）、科（family）、屬（genus）、種（species）^[24]。

命名：所有的物種都有其獨特的一個學名，全球認可共通（除了學術上的分類爭議以外），不因地區或國家而不同。

雙名法是學名的命名方法，英文為 Binomial Nomenclature。它給每個物種訂立兩個文字，前字是該物種的屬（genus）名，後字是它的種小名 (種加詞)，兩者合為種名。除了前字須首字母大寫，其餘字母都要小寫。一般使用拉丁文，或以其他語言詞作語源，再加上拉丁化後綴。例如中國近來發現的恐龍，有些學名是用中文拼音做語源的。

有些物種因為環境隔絕或發生突變，必須再往下細分出亞種（subspecies）。為了方便區別，科學界給亞種設計一套三名法，英文為 Trinomial Nomenclature。

生态和环境

生态学研究生物与其环境之间的相互关系的科学^[25]。环境包括生物环境和非生物环境，生物环境是指生物物种之间和物种内部各个体之间的关系，非生物环境包括自然环境：土壤、岩石、水、空气、温度、湿度等^[26]。

研究方法

生物学家对于生命现象的研究通常采用观察和实验的方法，通常这两种方法是一起使用的。

观察是按生物的物理性状来描述生物的状况。通常是先对其外形及行为进行观察和描述，再把生物体解剖借助光学仪器对其内部结构进行观察。观察是多种多样的，有个体的观察也有群体的观察；有静态的观察也有动态的观察；有相同种类的观察也有不同种类的对比观察。
实验是人为地改变一些条件来观测生物的变化和反应，以探究生命内在的因果关系，是认识生命活动的方法。

实验方法是人为地干预、控制所研究的对象，并通过这种干预和控制所造成的效应来研究对象的某种属性。17世纪前后生物学中出现了最早的一批生物学实验，如英国生理学家威廉·哈维关于血液循环的实验，扬·巴普蒂斯塔·范·海尔蒙特关于柳树生长的实验等。到了19世纪，物理学、化学比较成熟了，生物学实验就有了坚实的基础，因而首先是生理学，然后是细菌学和生物化学相继成为明确的实验性的学科。19世纪80年代，实验方法进一步被应用到了胚胎学，细胞学和遗传学等学科。

系统的方法：系统科学源自对还原论、机械论反省提出的有机体、综合哲学，从克洛德·贝尔纳与沃尔特·布拉福德·坎农（英语：Walter Bradford Cannon）揭示生物的稳态现象、诺伯特·维纳与威廉·罗斯·艾什比的控制论到卡尔·路德维希·冯·贝塔郎非的一般系统论，最早建立的是系统心理学，系统生态学、系统生理学等先后建立与发展，20世纪70-80年代系统论与生物学、系统生物学等概念发表。从克劳德·香农的信息论到伊利亚·普里高津的耗散结构理论，将生命看作自组织化系统。细胞生物学、生化与分子生物学发展，曼弗雷德·艾根提出细胞、分子水平探讨的超循环(化学)（英语：Hypercycle (chemistry)）理论。

尚未解决的生物学基本问题

尽管我们近几十年来对于生命的的基本过程的认识取得了的深刻进步，一些基本的问题仍然没有得到解决。例如，在生物学的主要未解决的问题之一是性别的主要自适应功能，和特别是在真核生物中它的关键过程，减数分裂和同源重组。一种观点认为，性别主要是发展成为一个适应增加遗传多样性（请参阅参考资料如^[27]^[28]）。另一种观点认为，性别是一种适应于生殖细胞系DNA促进准确的DNA修复，并且增加遗传多样性主要是可能是从长远来看是有用的一个副产品。^[29]^[30]（参见有性生殖的演化）。

在生物学另一个基本未解决的问题是老化的生物学基础。目前，没有任何衰老的根本原因共识。各种竞争的理论列在老化#衰老理论^[31]。

生物学主要分支

这些是生物学的主要分支^[32]^[33]：

動物學領域：動物生理学、解剖学、胚胎学、神经生物学、发育生物学、昆虫学、動物行为学、组织学。
植物學領域：簡單的學門分類可概分為^[34]：
- 應用植物學：農學（或農藝學）、園藝學、花卉學、植物育種學、林學、植物病理学等等。
- 純科學（之植物學）：植物分類學、植物生理學、植物形態學、植物解剖學、植物地理學、遺傳學、生態學、藻类学等等。
微生物和免疫學領域：微生物学、免疫学、病毒学。
生物化學領域：生物化學、蛋白質力學、醣類生化學、脂質生化學、代謝生化學。
演化和生態學領域：古生物学、演化論、演化生物學、社會生物學、分类学、系統分類學、生态学、生物分布学。
現代生物技術學領域：生物技術學、基因工程、酵素工程學、生物工程、代謝工程學、基因體學、合成生物學。
細胞和分子生物學領域：细胞学、分子生物学、遺傳学、表觀遺傳学。
生物和物理學領域：生物物理学、結構生物學、生醫光電學、醫學工程。
生物和醫學領域：感染性疾病、毒理学、放射生物学、癌生物學。
生物和信息領域：生物信息学、生物数学、仿生学、系統生物學。
環境和生物學領域：大气生物学、生物地理学、海洋生物学、淡水生物学。

图集

动物 - Bos primigenius taurus牛
植物 - 普通小麦(Triticum)
真菌 - 羊肚菌
Stramenopila/藻类 - 褐藻纲
细菌 - Gemmatimonas aurantiaca (- = 1 微米)
古菌 - 嗜盐菌
病毒 - 伽玛噬菌体

参见

參考文獻

引用

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书籍

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延伸閱讀

Lynn Margulis: Five Kingdoms: An Illustrated Guide to the Phyla of Life on Earth, 3rd ed., St. Martin's Press, 1997, paperback, ISBN 0-8050-7252-7 (There are numerous other editions)
Neil Campbell, Biology: Concepts & Connections (4th edition), Benjamin-Cummings Publishing Company, 2002, hardcover, 781 pages, ISBN 0-8053-6627-X A college-level textbook.

外部連結

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合成生物学（法文）：合成生物学的说明。
Kimball 的生物學頁面（英文）：一個在線的生物教科書。
[http://tolweb.org/tree/phylogeny.html 生命之樹（英文）：一個多人編寫發行的網路計畫，探討種系發展和生物多樣性。
生物杂志（The Journal of Biology）（英文）：一個免费的小型研究杂志。
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 === 生态和环境 ===
 {{Main|生态学|动物行为学|行為|生物地理学}}
-[[生态学]]研究生物与其[[生态环境|环境]]之间的相互关系的科学。环境包括生物环境和非生物环境，生物环境是指生物[[物种]]之间和物种内部各个体之间的关系，非生物环境包括自然环境：土壤、岩石、水、空气、温度、湿度等。
+[[生态学]]研究生物与其[[生态环境|环境]]之间的相互关系的科学<ref>{{cite book | title =Abitur-Wissen Biologie / Ökologie | author = Müller, Ole |  publisher = Stark Verlagsgesellschaft | year = 2014 | page = 34-38 | isbn = 978-3-894-49429-2}}</ref>。环境包括生物环境和非生物环境，生物环境是指生物[[物种]]之间和物种内部各个体之间的关系，非生物环境包括自然环境：土壤、岩石、水、空气、温度、湿度等<ref>{{cite book | title =Ökologie der Biozönosen (Springer-Lehrbuch) | author = Martin, Konrad; Allgaier, Christoph | edition = 2. Auflage | publisher = Springer| year = 2011 | page = 2-7 | isbn = 978-3-642-20627-6}}</ref>。
 === 研究方法 ===
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 === 书籍 ===
+* 林标扬. 2012. ''系统生物学'', 第1版. 浙江大学出版社. 368页. ISBN 978-7-308-09658-4
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