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生物学(Biology)是研究生命的科学， 即研究生物体的生命现象和生命活动规律的科学，因此又称生命科学(Life Science 或 Bioscience)，它是自然科学的基础学科之一。
生命之迷，魅力无穷。有关生命起源、进化、物种形成、基因表达及其调控、遗传、发育、衰老问题、能量代谢的机制及生物与环境等，都是有待深入研究的生物学重大理论问题、然而，生命科学的重要性，不仅限于其学科本身，同时也直接关系到与人类生存和社会发展有关的各门科学技术领域。 研究生命科学的目的，在于阐明和控制生命活动，为工农业生产、医学及经济发展服务。生命科学基础这门课程是对生命科学的基础知识和基本...全部
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生物学(Biology)是研究生命的科学， 即研究生物体的生命现象和生命活动规律的科学，因此又称生命科学(Life Science 或 Bioscience)，它是自然科学的基础学科之一。
生命之迷，魅力无穷。有关生命起源、进化、物种形成、基因表达及其调控、遗传、发育、衰老问题、能量代谢的机制及生物与环境等，都是有待深入研究的生物学重大理论问题、然而，生命科学的重要性，不仅限于其学科本身，同时也直接关系到与人类生存和社会发展有关的各门科学技术领域。
研究生命科学的目的，在于阐明和控制生命活动，为工农业生产、医学及经济发展服务。生命科学基础这门课程是对生命科学的基础知识和基本原理进行全面概述，把同学们引进生命科学的大门。
§1-1 什么是生命(Life)？
我们把具有生命的个体称之为有机体(organism)，有机体与无生命物质之间既密切相关又有着本质的区别。
那么什么是生命呢？它与无生命物质的区别是什么？给生命下定义是十分困难的，这不仅是由于我们对生命还没有足够的、确切的了解，而且生命现象是十分多样和复杂的，不可能用三言两语把它说清楚。概括地说生命不像海洋或空气是一个连续的整体，而是分为单个的有机体，每个有机体本是由地球上的元素所组成，只不过这些原子构成非常复杂的分子如蛋白质、核酸、糖及脂肪。
生命就是这些分子复杂的、动态的反应的具体表现，这些反应持续进行，直至有机体死亡。这些物质及其反应组成一个自成体系的组织，这就是生命。我们可以把生命看成一个系统。观察、识别生命要比给生命下定义容易得多。
我们都知道，狗是有生命的，石头是没有生命的，对比有机体与无生命物体之间的差异，可概括总结出生命的特征。
1-1-1 生命是 一个开放系统
有机体与环境是不可分割的，有机体为了维持生命必须与外界环境进行物质及能量的交换。
有机体从外界摄入物质及能量，经过一系列转化与合成过程，将其转变为自身的组成物质，并贮存能量，这叫做同化作用(assimilation)，又称作合成代谢(anabo- lism)。与此同时，有机体将其自身的组成物质加以分解，释放其中所贮存的能量，供自身使用，并把分解所产生的废物及能量排出体外，这叫做异化作用(dissimilation)，又称作分解代谢(catabolism)。
合成代谢与分解代谢的总合即有机体的新陈代谢(metabolism)。石头是否也有代谢呢？它也可以和环境进行物质交换， 但这种交换是没有同化作用的，而只有异化，一块石头本身不能从外界环境中获取任何物质而形成新的石头，它只有经过雨水冲刷、风化而逐渐导致自身的毁灭。
而狗可以吃进食物并将食物分解，再经体内的加工合成，形成本身生长的物质，进行自我更新。同化和异化是有机体新陈代谢过程中既相互矛盾又相互依存的两个方面。新陈代谢是物质代谢及能量代谢的总和，是最基本的生命过程，是一切生命现象的基础。
新陈代谢停止了，生命也就终结了。
有机体与环境形成一个统一的整体。有机体与环境之间存在着物质与能量的循环，生成过程是一个耗能过程，它的总能源是太阳的光能经过有机体的代谢，又以热的形式将能量释放进入环境。
有机体可利用环境中的简单物质构建自身机体及繁殖后代，有机体的生命结束后，身体将被分解成为简单物质归还环境。
1-1-2 生命是高度有序的系统
物质只有构成一定的结构，它的物理及化学性质方能表现为生命，这种特殊的组织形式就是细胞(cell)。
地球上的一些物质(化学元素)以一种独特的形式组织在一起，进入高度有序状态，形成细胞。所有的生物都是由细胞组成的(病毒除外)，细胞是生命活动的基本结构单位与功能单位。生命过程就是在活细胞内及其与环境之间一切物理变化及化学反应的总和，是组成细胞的物质的一种运动形式。
有机体可以是单细胞的，也可以是多细胞的，在多细胞有机体中，细胞间出现分工与协调合作。生命是细胞所特有的，没有细胞也就没有生命。
生命的高度有序性还表现在它的层次性上，从有机体个体为出发点，一方面可看到个体是从低到高是由原子、分子、生命大分子、细胞器、细胞、组织、器官、系统等层次组成。
另一方面个体生活在环境之中，又可依次看到种群、群落、生态系统及生物圈等层次(图1-1)。
生命现象是由简单到复杂、包含有多个层次。在每个层次内生命都有其特定的结构与功能而自成体系。
每个层次一方面是由低一个层次的各个要素所组成，同时又是高一个层次的组成要素。不同层次所表现的生命现象是不同的，但又不是截然分开的，高层次是由低一个层次各要素所组成的，但又不是低层次各要素的简单加和。
从人类研究生命现象的历史可以看出，对生命现象研究是从研究生物个体开始的，研究逐渐向分析及综合两个方面发展。一方面从研究有机体整体的结构与生理功能；进而研究它的器官系统，随着人类科学技术的发展对生命过程的研究深入到细胞、组成细胞的物质以及这些物质的物理、化学特性，逐步从微观探明生命过程的本质。
另一方面则从研究有机体个体进入种及种群的研究，研究有机体与自然环境的关系来对生命过程进行宏观的理解。在研究生命时往往是研究某一层次的生命过程。研究不同层次的生命现象形成不同的生物学分支。
1-1-3 生命是具有自我复制能力的系统
从生命起源时开始生命物质就具有利用环境物质进行自我复制的能力，这就是生命最基本的特征之一。
这种自我复制的能力主要是有机体的结构分子与功能分子的复制，具体表现在有机体自身的生长发育与繁殖后代两个方面。任何事物都是随着时间而发展变化，例如，石灰岩在形成过程中是由CaCO3分子不断沉积而成，逐渐增大，这种“生长”过程是由外界物质逐渐堆积，而非自我复制。
但生物的发展要比非生物的发展复杂得多。我们把生物个体的发展称作生长和发育。任何生物在其一生中都要经历由小到大、由幼期到成熟期的生长发育过程(growth and development)，如由婴儿长为成年人；植物由种子萌发，长成枝叶茂盛、根系发达的植物体等。
有机体内生命物质的增长，即细胞物质的增长，表现为细胞体积的增大及细胞数量的增多。在生物个体内这种生长并不是简单的相同物质的积累，而是利用环境中简单的物质，经过有机体自身的加工形成具有生命的物质。
植物生出新的枝芽，动物形成新的组织器官，这些物质可能在化学成分上或形态结构上与构成它的原料物质完全不同。
有机体产生与自己相似后代的过程即称作繁殖(亦称生殖)(reproduction)，繁殖是生命最重要的一个特征。
现在的地球上生存的一切生物都来源于已存在的生物。有机体可进行无性生殖，产生与自身相同的后代，也可进行有性生殖，其后代将综合地反映双亲的特征。我们往往以是否能繁殖后代作为生物与非生物的根本区别。
石头不会生产小石头，而狗可以生出和自己相同或相似的后代，狗可以自我复制。生长发育及繁殖都是由有机体内脱氧核糖核酸(deoxyribonucleic acid,DNA) 及核糖核酸(ribonucleic acid,RNA)所程序化的(programmed)，即严格按照DNA及RNA的程序(procedure)进行的。
1-1-4 生命是可以自我调控的系统
作为一个系统，生命具有维持自身处于相对稳定状态的能力，这需要它能够感受内、环境因素的变化并作出相应的应答。体内、体外环境中的物理、化学及生物因素的变化对有机体形成刺激(stimulus)。
引起应答的刺激很多，例如光的颜色、强度及照射方向，温度、压力、声音的变化，周围土壤、空气、水等外部环境的化学变化以及有机体本身内部的生理变化等等，有机体具备接受各种刺激的结构，能感受环境的刺激，并能通过生理生化过程产生主动的应答(responsiveness)。
有机体由于生物进化程度及生活方式的不同，对刺激的应答也不同。动物对环境变化的应答是比较明显的，在多细胞动物中往往有特化的感受细胞，如人体皮肤上的感觉细胞、眼中的网膜细胞等等。感受刺激后，往往可以较迅速地作出应答，应答可以是一种运动，也可以是一种生理生化过程。
植物对刺激的反应运动表现比较迟缓，常见的有向光性、向地性等，也有些植物对触碰可作出迅速反应。上述应答在生物与非生物之间有着本质的区别，最根本的区别在于生物的应答是主动的，而非生物的应答是被动的。
例如，你推动一块石头，它只能按你推的方向和力量大小移动。如果你推动一条狗，狗就会主动地根据它的“理解”作出不同的应答，可能主动跑开，也可能调过头来咬你。
除了对外界环境刺激作出反应外，有机体还能维持体内平衡，有机体内所有的过程并非杂乱无章的，而是互相联系和十分有序的，各个过程之间保持相对平衡状态，使各种反应以协调步调进行，细胞中某些物质产生的多了，这种过程即需减慢、降低或停止；当细胞能量减少时，产生能量的反应过程需加强。
有机体具有自我调节的能力，并且调节能力是十分敏感有效的。有机体维持一个稳定的内环境的倾向即称为体内平衡。 它涉及到内部各生理过程之间的正负反馈调控(positive and negative feedback control)。
有机体所以能自我调控是由于它具备信息物质，包括信息指令物质(DNA及RNA)以及信息传递物质(神经组织及激素)，细胞的活动都是由DNA及RNA进行程序控制。自我调控就是体内信息的储存、传递及处理过程。
生物生存、生长、发育的各种性状是取决于自身之中的信息。我们可以把生物看作是一个大大小小信息库的总和，每个细胞本身有其自身的信息，每种组织、器官、个体都存有信息，这种信息就是生物生存、生长、发育的指令。
每个生物体的信息是来自其亲代的，并可以传至其后代，而使亲代的性状可在下代表现，这就是遗传(heredity)。携带遗传信息的物质被称作遗传物质。遗传过程就是遗传物质从亲代传至后代的过程。在信息传递过程中总是会产生一定的差异、变化，而使后代与亲代又不尽相同，这就是变异(variation)，即信息的发展。
非生物本身也携带着信息，但其信息远不及生物丰富。电子计算机问世以来，在信息这一问题上，生命与非生命似乎混淆了，但电子计算机的信息来源于人，它自身不能发展信息，也不能主动传给后代。
电子计算机只能在人的控制下处理信息。
由于每个生物体本身的信息是自我存在和发展的指令，因此每个有机体是一个自我调控的系统，研究有机体信息处理及调控已成为生命科学重要的前沿领域之一。
1-1-5 生命是一个多样性的、持续进化的系统
有机体可以自我复制，亲代将自己的DNA( 或RNA) 完整的传给后代形成与自己相似的后代个体， 这个过程就是遗传(heredity)，DNA就是携带信息的遗传物质，如果DNA 复制过程准确无误， 子代的DNA与亲代的DNA完全相同，子代个体将与亲代个体一模一样，但实际上在DNA 复制时，往往会出现误差，同时在有性生殖过程中，子代的遗传物质来自双亲，将双亲的遗传物质组建子代的遗传物质时，会出现随机的差别，而使子代不仅与亲代不尽相同，子代个体之间也存在着差异，这就是变异(variation)。
由于变异的存在， 而使得生命可以不断地进化发展。
生命物质的特征之一是自我复制，只要生命存在，利用环境物质进行自我复制将会持续下去，这个过程似乎是无限的，但地球上的物质是有限的。
在生命的需求与环境条件之间的矛盾中，有机体将根据个体间存在差异从多方面开发利用环境，适应不同的环境，进化形成多种不同的生物种类及生活方式，形成了生命的多样性。生命过程是蕴育在有机体之中的，在进化过程中形成了多种多样的有机体。
在对种类繁多的有机体进行分门别类时，分类系统的基本单位是种(species)， 一群共同生活的并在结构与功能特征上相似的、在自然界中可自由交配并产生有繁殖能力后代的个体，即属于同一个种。根据魏泰克(R。
H。Whittaker)的五界分类系统， 地球上的有机体可分为原核生物(Monera)、原生生物(Protista)、真菌(Fungi)、植物(Plantae)和动物(Animalia)五界(Kingdom)。
每一界根据有机体进化的亲缘关系又可依次分为不同的门(Phylum)、纲(Class)、目(Order)、科(Family)、属(Genus)、 种(Species)。用双名法即生物所属的属名及种名来命名一个种，例如人属于动物界、脊索动物门、哺乳纲、灵长目、人科、人属、人种。
人类作为一个种其学名是Homo sapiens。虽然生物是多种多样的，但它们毕竟都是生物，具有同一的特征，同一性与多样性是生命现象的两个方面，同一性寓于多样性之中。
生命的变异是客观存在的，这是生命可以适应不同环境的基础。
有机体的需求与环境之间的矛盾也是持续存在的，这就使得生命不是一成不变的而是持续进化发展的。
以上列举了生命的特征及生命组织的层次，但生命到底是什么？或许当你读完本书之后才会有所了解。
§1-2 地球上生命的起源及发展
1-2-1 太阳系中地球是目前唯一发现生命的星球
地球的大小、体积以及它与太阳之间的距离，使地球的引力可将大气吸引在地球表面而形成大气圈，大气圈可以吸收来自太阳的辐射(对有机体有害的辐射)，大气圈的存在使地球表面大部分区域的温度处于0℃-100℃之内，使水分能以液态存在适于生命过程进行，使得地球具有生命，那么地球上的生命是如何产生的呢？
1-2-2 生命的自然发生论及生命来源于生命
几个世纪以来，人们一直认为生命是自然发生 (spontaneous generation)的，生命是直接从非生命物质中突然产生出来的，如“泥土变鱼”、“腐肉生蛆”等等。
直到十七世纪(1668年)，意大利学者雷迪(F。Redi) (图1- 2)通过腐肉不能生蛆的实验驳斥了蛆是自然发生的说法。雷迪通过多次观察提出了蛆是由苍蝇在腐肉上产卵后生出来的假设，为了验证这一假设，他在若干玻璃瓶内放入腐肉，一些玻璃瓶开口，另一些玻璃瓶加盖密封。
结果发现，苍蝇飞入开口的瓶内，腐肉上很快产生出蛆来，而加盖的瓶内，苍蝇不能进入，没有蛆产生；他得出结论，蛆是由蝇卵产生的。他同时进一步概括认为生命只起源一次，此后的生命都来源于已存在的生命。虽然雷迪的实验有很强的说服力，但在当时自然发生论仍没有绝迹。
显微镜的发明和使用，揭开了人们观察微观世界的序幕。用显微镜观察水滴发现水中的微小生物。自然发生论者认为这些微小生物是在水中自然发生的，从而再一次掀起自然发生论的高潮。直到十九世纪中期，法国学者巴斯德(L。
Pasteur ) (图1-3)的著名实验才彻底否定了自然发生论。巴斯德发现，加热可以杀灭生活在肉汤中的微生物。如果开口的瓶子不加热，瓶子内的肉汤一两天就会发臭；如果开口的瓶子加热(灭菌)，肉汤就不会变臭，加热后如密封瓶口，瓶内的肉汤可保持十八个月不发臭。
巴斯德证实肉汤发臭是空气中的细菌孢子污染的结果。但自然发生论者提出在空气中存在生命力(life-giving)，将瓶口密封生命力无法进入瓶内，因此封口瓶中不能产生生命，密封瓶内不产生微生物不是没有细菌污染而是缺少生命力。
为了更有说服力，巴斯德又巧妙地设计了第二个实验。在曲颈瓶内装入肉汤，加热消毒后，鹅颈状的弯曲开口与空气接触，空气可进入瓶内，但空气中的尘埃和微生物落入开口的弯曲处，瓶内消过毒的肉汤可保持无菌状态数日甚至数年，当移去弯曲瓶颈时，由于细菌落入肉汤内生长，肉汤几小时内就会变臭。
巴斯德证实，并非空气中的生命力(life force)进入肉汤，而是生命(细菌)本身所致。巴斯德的实验结果，使生命来源于生命取代了生命的自然发生论。以上实验证明：所有生命都来自于已存在的生命，那么这条连续不断的生命线的开端是什么？
生命的起源是地球形成过程中的一个部分，或者说生命作为地球的一个组成部分与地球同时形成，并非先形成地球再产生生命，虽然模拟实验可使无机物产生有机化合物，由于现在已不存在地球形成时环境条件，因此现在的无机物不能再形成生命。
生命的起源经历了一个复杂的化学过程，地球上的生命皆起源于一个共同的祖先。有关生命在地球上的起源将在本书第十四章进一步讨论。
1-2-3 达尔文的进化论
1859年，达尔文(C。
Darwin)(图1-4) 出版了《物种起源》(原名On the Origin of Species by Means of Natural Selection)一书，创立了科学的进化论。
达尔文的进化论观点是研究生命科学最重要的观点之一，在学习生命科学时也必须要始终遵循生物进化的观点。达尔文进化论主要包括进化及自然选择两个基本观点。
1-2-3-1 进化(Evolution) 达尔文认为，生物不是一成不变的，地球上众多的生物种类不是突然发生的，而是由一个共同的祖先逐渐演变而来的。
他这一观点的根据是：
⒈ 根据当时地质学家发现的化石(fossil)，大部分化石的种类在当时(达尔文时代)地球上已不复存在，而当时存在的种类又没有化石，他认为从不同的地质年代所发现的不同化石，就是在地球演变的不同时期，古代生物发生和发展的真实记录。
从化石中可以追溯出生物演变的过程，这种形态上的变化是世世代代微小变异积累的结果。
⒉ 在现存的生物种类之间可看到彼此之间的相似。如人、狗及羊等不同的哺乳动物前肢的骨骼结构相似，甚至鸟类的翅膀与哺乳动物的前肢在其骨骼结构上也是相似的(图1-5)。
这些相似的结构说明物种之间的亲缘关系。这些具有相似结构的种类有着共同的祖先。
⒊ 人工栽培植物及家养动物性状的形成过程，充分说明生物性状是可以改变的，在人工选择培养下，某些性状发展某些性状衰退了，人工培育是某些性状发展的动力。
1-2-3-2 自然选择(Natural selection) 自然选择决定有机体演变的方向及过程。为找出生物性状改变的原因，达尔文用了许多年的时间进行研究，基于下列的事实提出了自然选择的观点。
⒈ 自然选择的观点来于动、植物的人工选择。达尔文看到经过人工选择培育出产奶量高的牛、产蛋量高的鸡、产量高的小麦等等，典型的例子是现存的各种形态的鸽子，都是从原始的岩鸽经人工选择(artificial selec-tion)形成的新品种(图1-6)。
达尔文认为既然在人工的选育下，动、植物的某些性状可以按人的意志发展，在自然界中环境的某些因素对生物也可能有“选择”的作用。各种群(population)内的个体之间都存在性状的差异。在这些性状中，某些性状更适应于当时的环境，通过自然选择而被保留并发展，另一些性状则被淘汰。
那么，自然选择的动力是什么？
⒉ 1838年，达尔文读了马尔萨斯(T。R。 Malthus)著的《人口原理随笔》(An Essay on the Principle of Population )一书，达尔文受到他的启发，认为每个种群的个体数量一般稳定在一定水平上，而其繁殖数量远远超过现存的数量，这就是繁殖过盛。
由于繁殖过盛存在种内个体之间的竞争，在种群中一些个体较弱，一些个体存在缺陷，这些弱者不能很好地逃避天敌的猎食，不能渡过苛刻的气候条件的作用或不能找到配偶等而被淘汰，在种群中个体的存活不是随机的，在同一因素的作用下，具有某些“强”性状的个体生存下来，弱者死去。
所以，在种群中强者的性状保留下来并传给后代，长时间下去，种群的性状逐渐在改变，而使某些性状处于优势地位。这就是自然选择的结果。
人工选择与自然选择的机制是相似的，都需要有繁殖过剩，都需要将选择的性状传至后代，但选择者不同，一个是人，一个是自然因素；另一点不同之处是性状变化的速度，人工选择一般比自然选择苛刻，去掉不合心意者，只留所需者，因此性状的变化及新性状的形成速度要快，而自然选择是一个长期的过程，要经过数千年甚至上百万年，化石的发现证实了这一点。
进化是种群的特征而不是个体的特征，一个有机体是不能进化的，只有经过繁殖将某些性状传至后代，经过逐代的演变而使种群长时间逐步进化。繁殖是进化不可缺少的过程及关键所在。
达尔文进化论的主要内容可归纳为以下几个要点：
⒈ 一个种群往往繁殖过盛；
⒉ 种群中个体之间存在差异；
⒊ 由于自然选择的作用，具备某些特性的个体比其它的个体更易生存并繁殖；
⒋ 这些特性可以遗传至后代；
⒌ 种群性状的演变需要时间。
总之种群中个体性状的变异是进化过程的“原料”，自然环境的作用是物种进化的动力。
§1-3 研究生命科学的逻辑思维方法
研究生命科学必须建立唯物认识论的思维方法；研究生命科学的程序包括观察、假设、实验，对假设的进一步修正，得出结论并在此基础上进一步地观察，进入下一个认识周期；研究生命科学的思维方法并不是指具体的技术，而是指如何提出问题，并得到这一问题的答案的全部程序。
我们以腐肉不能自行生蛆这一论点的证实过程为例说明。
1-3-1 观察(Observation)
生物学的研究大多从观察开始，观察的对象可能是结构、生理功能、生物的行为等等。
在观察的过程中即会提出问题。例如，这个结构是起什么作用的？为什么生命有这种表现？等等。例如看到腐肉生蛆就会提出腐肉为什么会生蛆? 蛆是那里来的? 等问题。
1-3-2 提出假说(Hypothesis)
假说是根据观察到的现象经过思索、归纳、提出对事物初步的、未经实践证实的可能的解释。
假说是科学研究工作的灵魂及生命力所在之处，即科学研究的创造性之所在。在观察事物的基础上大胆地提出设想，例如在多次观察腐肉生蛆这一现象时，发现生蛆的过程中往往有苍蝇存在，根据观察的结果、根据自己的归纳提出腐肉上的蛆是由苍蝇产生的假说。
一旦提出假设就说明科学家对一些杂乱的现象经过思索找出一定的线索，这就使科研工作可以进一步进行。
1-3-3 根据假说作出科学的预测(prediction)及推理(演绎过程)
在想出假说后，需要以假说为根据，从正反两面进行进一步预测及推理，例如提出蛆是由苍蝇产生的假说，还需作下列的推断。
如果蛆是由苍蝇产生的则：
⒈ 有腐肉有苍蝇，苍蝇与腐肉接触产生蛆；
⒉ 有腐肉无苍蝇或苍蝇不与腐肉接触则不生蛆；
如果蛆不是 苍蝇产生的则：
⒊ 腐肉在没有与苍蝇接触的情况下也会生蛆；
⒋ 即使有苍蝇存在腐肉不一定生蛆。
1-3-4 设计严谨的实验对预测进行检验(testing)
即用科学实验，验证假说的正确与否。设计实验时目的要明确，即明确要证明什么？
在这个例子中，就是要证明蛆是否是由苍蝇产生的，我们可以设计A，B两个实验组，A组将腐肉放入瓶内不加盖，B组则加盖。
结果A组未加盖的瓶内由于苍蝇与腐肉接触生蛆，加盖的瓶内不生蛆。由于A、B两个实验组包含不只一个因素的不同，B瓶可能由于加盖使瓶内空气不足而不能生蛆， 为使A、B组空气同样充足(条件一致)，将B组的瓶盖改用纱网，此时A、B 两组只存在苍蝇是否可以与腐肉接触这样一个因素的不同(设计实验中要使对比的因素只有一个，排除其它)，对比出“苍蝇与腐肉接触与否”这一因素在腐肉生蛆中的作用。
实验得出下列的结果：
A 组苍蝇与腐肉接触有的瓶生蛆，有的瓶不生蛆；
B 组。
收起
