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生物学

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Escherichia coli Gazelle
Goliath beetle Tree fern
生物学研究各种生命
(上图) 大肠杆菌瞪羚
(下图)大角金龟甲虫 、蕨类植物

生物学希腊语βιολογία拉丁语biologia德语法语biologie英语:biology)或称生物科学biological sciences)、生命科学英语:life sciences),是自然科学的一大门类,由经验主义出发,广泛研究生命的所有方面,包括生命起源演化、分布、构造发育、功能、行为、与环境的互动关系,以及生物分类学[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,生物以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。最终能够达到治疗诊断遗传病、提高农作物产量、改善人类生活、保护环境等目的。[4]

历史[编辑]

生物学之英语单词“biology”(德语、法语“Biologie”)源于希腊文βίοςBio,意为生命,以及字尾-λογία-logia,意为学问,合并为“研究生命的学问”[5][6]。1802年,法国博物学拉马克最早提出这个名词。

现代生物学基础[编辑]

现代生物学的五大基础,也是主要的研究方向:[7]

细胞学说[编辑]

人类癌细胞的细胞核(特别是DNA)被染成蓝色。中央和右边的细胞处于间期,所以整个细胞核都被标记。在左边的细胞正在经历有丝分裂,且其DNA已凝聚。

细胞学说认为细胞生物的基本单位,而且所有生物都是由一至多个细胞以及细胞分泌的物质组成(例如外骨骼)。所有细胞都是由其他细胞借由细胞分裂的方式产生。多细胞生物一开始是从一个受精的单一细胞开始,再渐渐分裂为各个细胞,而细胞也是许多病理过程英语pathological process的基本单位.[8]。此外,细胞之间能量转移英语Energy transfer的现象称为代谢,而细胞包含的遗传资讯(DNA),在细胞分裂时也会传递给其他的细胞。

演化[编辑]

现代生物学认为生命是从演化而来,所有已知的生物都有一共同起源。演化论假设所有地球上活著及已绝种的生物都是来自一共同起源或一基因库。所有生物最晚的共同起源约出现在约35亿年前[9]

遗传学[编辑]

旁氏表描绘2豌豆植物的紫色花(B)和白色花(b)之间的杂合交叉。

基因是生物体遗传的基本单位,基因对应一特定区域的DNA,以特定方式影响生物的某一部位或某一机能。从细菌到动物的所有生物体都有同様复制DNA,并依此产生蛋白质的能力。细胞将DNA的基因转录为对应的核糖核酸(RNA),然后核糖体将RNA转译为一串由胺基酸组成的蛋白质。由RNA转换为胺基酸的遗传密码在大部份生物中是相同的,但有些生物仍有少许差异。例如若将人类对应胰岛素的DNA放在植物中,也可以产生胰岛素[10]

体内平衡[编辑]

许多内分泌系统中的荷尔蒙都是由负反馈系统所控制,例如肾上腺分泌的糖皮质激素就是如此。下视丘分泌促肾上腺皮质素释放素(CRH),CRH会使脑下垂体分泌促肾上腺皮质素(ACTH),而ACTH会使肾上腺分泌糖皮质激素,如皮质醇。糖皮质激素不但会使身体有对应的反应外,也会使下视丘和脑下垂体的分泌减少,因此只要糖皮质激素已经到达一定的量,就不会再继续分泌。[11]

体内平衡(homeostatic):平衡是一个开放系统可以借由许多彼此相关机制的动态平衡调整,使得其内在情形维持在稳定的状态。所有的生物,不论是单细胞或是多细胞生物,都有体内平衡的机制[12]

一系统若要维持动态平衡,并且有效的进行调整,需要有能力侦测扰动,并且针对扰动进行回应。生物系统在侦测到扰动后,一般会利用负回授的方式回应。也就是借由调整系统的条件,设法降低扰动的影响。就像若动物体内血糖浓度过低时,会释放胰高血糖素增加血糖一様[13]

能量[编辑]

一个活的生物体的生存依赖于能量的连续输入。生物体是靠化学反应来从食物中提取能量,才能维持身体机能,并建立新的细胞。在上述反应中,组成食物化学物质分子扮演两个重要角色。第一,这些分子中有些可以借由生物体内的化学反应产生能量。第二,有些则可以组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[编辑]

生物学家从很多面向研究生物,因此产生很多研究领域。例如:

生物学本身不断的快速发展,与其他学科的关联整合也越来越多。一大原因是分子生物学在近代突飞猛进,终于导致人类基因序列定序基本完成[15]。由此,为了解读巨大数量的基因资讯,促成了基因组学。为了探究基因和蛋白质的交互作用,开创出蛋白质组学[16]。这些新的研究领域帮助解决疾病、粮食、环境生态等问题。其众多的研究资讯和积累海量研究数据则需要新的电脑演算法来处理[17]

结构[编辑]

描绘的各种细胞器和结构的典型的动物细胞示意图。

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生物体的变异的科学[22][23]

生理[编辑]

演化[编辑]

分类与命名[编辑]

  • 分类:生物学对物种的分类,由上而下有 8 个层级。任一物种同时在这 8 个层级有其位置和名称。

它们是(regio)、(regnum)、(divisio 或 phylum)、(classis)、(ordo)、(familia)、(genus)、(species)[24]

  • 命名:所有的物种都有其独特的一个学名,全球认可共通(除了学术上的分类争议以外),不因地区或国家而不同。

双名法是学名的命名方法,英文为 Binomial Nomenclature。它给每个物种订立两个文字,前字是该物种的属(genus)名,后字是它的种小名 (种加词),两者合为种名。除了前字须首字母大写,其馀字母都要小写。一般使用拉丁文,或以其他语言词作语源,再加上拉丁化后缀。例如中国近来发现的恐龙,有些学名是用中文拼音做语源的。

有些物种因为环境隔绝或发生突变,必须再往下细分出亚种(subspecies)。为了方便区别,科学界给亚种设计一套 三名法,英文为 Trinomial Nomenclature。

生态和环境[编辑]

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[编辑]

生物学家对于生命现象的研究通常采用观察实验的方法,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遗传学等学科。

尚未解决的生物学基本问题[编辑]

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[编辑]

这些是生物学的主要分支[32][33]

图集[编辑]

参考文献[编辑]

引用[编辑]

  1. ^ Aquarena Wetlands Project glossary of terms. Texas State University at San Marcos. (原始内容存档于2004-06-08). 
  2. ^ 周永红、丁春邦 (编). 《普通生物学》 第1版. 科学出版社. 2007: 1-6. ISBN 978-7-040-22084-1. 
  3. ^ 裘娟萍、钱海丰. 生命科学概论 第2版. 高等教育出版社. 2008: 3-10. ISBN 978-7-030-22316-6. 
  4. ^ Life Science, Weber State Museum of Natural Science. Community.weber.edu. [2013-10-02]. (原始内容存档于2013-07-27). 
  5. ^ Who coined the term biology?. Info.com. [2012-06-03]. 
  6. ^ biology. Online Etymology Dictionary. 
  7. ^ Avila, Vernon L. Biology: investigating life on earth. Boston: Jones and Bartlett. 1995: 11—18. ISBN 0-86720-942-9. 
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来源[编辑]

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
  • Will, Horst. 2014. Molekularbiologie kurz und bündig. Berlin: Springer Spektrum. 228 Seiten. ISBN 978-3-642-55109-3
  • McNeill, J. et al. 2006. International Code of Botanical Nomenclature (Vienna Code). Regnum Vegetabile 146. A.R.G. Gantner Verlag KG. ISBN 0080-0694
  • Bold, H. C. et al. 1987. Morphology of plants and fungi, 5th ed. NY: HarperCollins Publisher. 912 pp. ISBN 978-0-06-040839-8

延伸阅读[编辑]

  • 吴相钰 (编者)、 陈守良 (编者)、 葛明德 (编者). 2014. 十二五"普通高等教育本科国家级规划教材:陈阅增普通生物学, 第4版. 高等教育出版社. 538页. ISBN 978-7-04-039631-7
  • Boujard, Daniel et al. 2012. Biologie cellulaire et moléculaire. Paris: Wiley, 512 pp. ISBN 978-2-10-056425-5
  • Lynn Margulis: Five Kingdoms: An Illustrated Guide to the Phyla of Life on Earth, 3rd ed., St. Martin's Press, 1997, paperback, ISBN 978-0-8050-7252-5 (There are numerous other editions)
  • Neil Campbell, Biology: Concepts & Connections (4th edition), Benjamin-Cummings Publishing Company, 2002, hardcover, 781 pages, ISBN 978-0-8053-6627-3 A college-level textbook.

外部链接[编辑]

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参见[编辑]