生物學

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生物學是自然科學的一個門類。研究生物的結構、功能、發生和發展的規律。以及生物與周圍環境的關係等的科學。生物學源自博物學,經歷實驗生物學、分子生物學而XX了系統生物學時期。

文字介紹

  生物學:shēng wù xué

  英文:biology

學科簡介

生物學定義

  生物學是研究生命系統各個層次的種類、結構、功能、行為、發育和起源進化以及生物與周圍環境的關係等的科學。

研究對象

  動物學、植物學、微生物學、古生物學等;依研究內容,分為分類學、解剖學生理學、細胞學、分子生物學遺傳學、進化生物學、生態學、生物進化學等;從方法論分為實驗生物學與系統生物學等體系。

發展歷史

  在自然科學還沒有發展的古代,人們對生物的五光十色、絢麗多彩迷惑不解,他們往往把生命和無生命看成是截然不同、沒有聯繫的兩個領域,認為生命不服從於無生命物質的運動規律。不少人還將各種生命現象歸結為一種非物質的力,即「活力」的作用。這些無根據的臆測,隨著生物學的發展而逐漸被拋棄,在現代生物學中已經沒有立足之地了。

20世紀特別是40年代以來,生物學吸收數學物理學和化學等的成就,逐漸發展成一門精確的、定量的、深入到分子層次的科學。人們已經認識到生命是物質的一種運動形態。生命的基本單位是細胞,它是由蛋白質、核酸、脂質等生物大分子組成的物質系統。生命現象就是這一複雜系統中物質、能和信息三個量綜合運動與傳遞的表現。生命有許多為無生命物質所不具備的特性。例如,生命能夠在常溫、常壓下合成多種有機化合物,包括複雜的生物大分子;能夠以遠遠超出機器的生產效率來利用環境中的物質和能製造體內的各種物質,而不排放污染環境的有害物質;能以極高的效率儲存信息和傳遞信息;具有自我調節功能和自我複製能力;以不可逆的方式進行著個體發育和物種的演化等等。揭露生命過程中的機制具有巨大的理論和實踐意義。   現代生物學是一個有眾多分支的龐大的知識體系,本文著重說明生物學研究的對象、分科、方法和意義。關於生命的本質和生物學發展的歷史,將分別在「生命」、「生物學史」等條目中闡述

生物學科學年表

公元前30000年-----前1001年

  約公元前15000在隨後的5000年中,法國人在拉斯考克斯(Lascaux)製作了山洞畫,這些畫表明我 們的祖先已在觀察生物世界。這些畫上有野牛、鹿和其他動物。   約公元前2650人們確認,埃及醫生伊姆荷太普(Imhotep)從自然現象中尋找疾病的原因。[1]   約公元前2000在尼羅河流域發現的紙草文獻中,已記錄了治療創傷和疾病的信息。   約公元前1750巴比倫國王漢莫拉比(Hammurabi)制定了與行醫相關的法律,並雕刻在石柱上。這些法律詳述了有關費用的規定和對於治療失誤的嚴厲懲罰,如因治療事故使1位患者死亡而被切掉雙手。   約公元前1500中國人為生產精美的衣服而養蠶。農民將裝有螞蟻的包放在柑橘樹上,以保護果實不被昆蟲侵害-----這是有關使用生物防治的最早記錄。

公元前公元前800年------前401年

  約公元前802歐洲首次從亞洲引入和種植玫瑰樹。   公元前570古希臘哲學家阿納克西曼德(Anaximander)提出,動物最早生產于水中,然後變成陸地動物。   公元前500愛菲斯(Ephesos,在今土耳其)的赫拉克利特(Heraclitus)提出:對於生命來說,相反力之間的張力是必不可少的。而且,他相信火是基本的元素。   約公元前460此後的90多年,希臘醫生希波克拉底(Hippocrates)在希臘的柯斯(Cos)島 上生活和教學。

研究對象

  地球上現存的生物估計有200萬~450萬種;已經滅絕的種類更多,估計至少也有1500萬種。從北極到南極,從高山到深海,從冰雪覆蓋的凍原到高溫的礦泉,都有生物存在。它們具有多種多樣的形態結構,它們的生活方式也變化多端。從生物的基本結構單位──細胞的水平來考察,有的生物尚不具備細胞形態,在已具有細胞形態的生物中,有的由原核細胞構成,有的由真核細胞構成。從組織結構水平來看,有的是單生的或群體單細胞生物,有的是多細胞生物,而多細胞生物又可根據組織器官分化和發展而分為多種類型。從營養方式來看,有的是光合自養,有的是吸收異養或腐食性異養,有的是吞食異養。從生物在生態系統中的作用來看,有的是有機食物的生產者,有的是消費者,有的是分解者,等等。生物學家根據生物的發展歷史、形態結構特徵、營養方式以及它們在生態系統中的作用等,將生物分為若干界。當前比較通行的是美國R.H.惠特克于1969年提出的 5界系統。他將細菌、藍菌等原核生物划為原核生物界,將單細胞的真核生物划為原生生物界,將多細胞的真核生物按營養方式劃分為營光合自養的植物界、營吸收異養的真菌界和營吞食異養的動物界。中國生物學家陳世驤于1979年提出 6界系統。這個系統由非細胞總界、原核總界和真核總界3個總界組成,代表生物進化的3個階段。非細胞總界中只有1界,即病毒界。原核總界分為細菌界和藍菌界。真核總界包括植物界、真菌界和動物界,它們代表真核生物進化的3條主要路線。

生物的分類

1:非細胞生命形態

  病毒不具備細胞形態,一般由一個核酸長鏈和蛋白質外殼構成(核酸長鏈包括RNA與DNA,病毒複製時有DNA的直接進行轉錄,而含有RNA的病毒需要進行逆轉錄成DNA后再進行複製)。根據組成核酸的核苷酸數目計算,每一病毒顆粒基因最多不過 300個。寄生於細菌的病毒稱為噬菌體。病毒沒有自己的代謝機構,沒有酶系統,也不能產生三磷酸腺苷(ATP)。因此病毒離開了寄主細胞,就成了沒有任何生命活動,也不能獨立地自我繁殖的化學物質。只有在XX寄主細胞之後,它才可以利用活細胞中的物質和能,以及複製、轉錄和轉譯的全套裝備,按照它自己的核酸所包含的遺傳信息產生和它一樣的新一代病毒。病毒基因同其他生物的基因一樣,也可以發生突變和重組,因而也是能夠演化的。

由於病毒沒有獨立的代謝機構,也不能獨立地繁殖,因而被認為是一種不完整的生命形態。關於病毒的起源,有人認為病毒是由於寄生生活而高度退化的生物;有人認為病毒是從真核細胞脫離下來的一部分核酸和蛋白質顆粒;更多的人認為病毒是細胞形態發生以前的更低級的生命形態。近年發現了比病毒還要簡單的類病毒,它是小的RNA 分子,沒有蛋白質外殼。另外還發現一類只有蛋白質卻沒有核酸的朊粒,它可以在哺乳動物身上造成慢性疾病。這些不完整的生命形態的存在縮小了無生命與生命之間的距離,說明無生命與生命之間沒有不可逾越的鴻溝。因此,在原核生物之下,另闢一界,即病毒界是比較合理的。

2:原核生物

  原核細胞和真核細胞是細胞的兩大基本類型,它們反映細胞進化的兩個階段。把具有細胞形態的生物劃分為原核生物和真核生物,是現代生物學的一大進展。原核細胞的主要特徵是沒有線粒體、質體等膜細胞器染色體只是一個環狀的DNA分子,不含組蛋白及其他蛋白質,沒有核膜。原核生物包括細菌和藍菌,它們都是單生的或群體的單細胞生物。   細菌是只有通過顯微才能看到的原核生物。大多數細菌都有細胞壁,其主要成分肽聚糖而不是纖維素。細菌的主要營養方式是吸收異養,它分泌水解酶到體外,將大分子的有機物分解為小分子,然後將小分子營養物吸收到體內。細菌在地球上幾乎無處不在,它們繁殖得很快,數量極大,在生態系統中是重要的分解者,在自然界的氮素循環和其他元素循環中起著重要作用(見土壤礦物質轉化)。有些細菌能使無機物氧化,從中取得能來製造食物;有些細菌含有細菌葉綠素,能進行光合作用。但是細菌光合作用的電子供體不是水而是其他化合物如硫化氫等。所以細菌的光合作用是不產氧的光合作用。細菌的繁殖為無性繁殖,在某些種類中存在兩個細胞間交換遺傳物質的一種原始的有性過程──細菌接合。

支原體立克次氏體衣原體均屬細菌。支原體無細胞壁,細胞非常微小,甚至比某些大的病毒粒還小,能通過細菌濾器,是能夠獨立地進行生長和代謝活動的最小的生命形態。立克次氏體的酶系統不完全,它只能氧化谷氨酸,而不能氧化葡萄糖有機酸以產生ATP。衣原體沒有能量代謝系統,不能製造ATP。大多數立克次氏體和衣原體不能獨立地進行代謝活動,被認為是介於細菌和病毒之間的生物。   藍藻(也稱藍細菌)是能光合自養的原核生物,是單生的,或群體的,也有多細胞的。和細菌一樣,藍藻細胞壁的主要成分也是肽聚糖,細胞也沒有核膜和細胞器,如線粒體、高爾基器、葉綠體等。但藍藻細胞有由膜組成的光合片層,這是細菌所沒有的。藍藻含有葉綠素a,這是高等植物也含有的而為細菌所沒有的一種葉綠素。藍藻還含有類胡蘿蔔素和藍色色素──藻藍蛋白(或稱之為藻藍素),某些種還有紅色色素──藻紅蛋白,這些光合色素分佈于質膜和光合片層上。藍藻的光合作用和綠色植物的光合作用一樣,用於還原CO2產生的H+,因而伴隨著有機物的合成還產生分子氧,這和光合細菌的光合作用截然不同。   最早的生命是在無遊離氧的還原性大氣環境中發生的(見生命起源),所以它們應該是厭氧的,又是異養的。從厭氧到好氧,從異養到自養,是進化史上的兩個重大突破。藍菌光合作用使地球大氣從缺氧變為有氧,這樣就改變了整個生態環境,為好氧生物的發生創造了條件,為生物進化展開了新的前景。在現代地球生態系統中,藍菌仍然是生產者之一。   近年發現的原綠藻,含葉綠素a、葉綠素b和類胡蘿蔔素。從它們的光合色素的組成以及它們的細胞結構來看,很像綠藻和高等植物的葉綠體,因此受到生物學家的重視。

3:真核生物

  和原核細胞相比,真核細胞是結構更為複雜的細胞。它有線粒體等各種膜細胞器,有圍以雙層膜的細胞核,把位於核內的遺傳物質與細胞質分開。DNA為長鏈分子,與組蛋白以及其他蛋白結合而成染色體。真核細胞的分裂為有絲分裂減數分裂,分裂的結果使複製的染色體均等地分配到子細胞中去。   原生生物是最原始的真核生物。原生生物的原始性不但表現在結構水平上,即停留在單細胞或其群體的水平,不分化成組織;也表現在營養方式的多樣性上。原生生物有自養的、異養的和混合營養的。例如,眼蟲能進行光合作用,也能吸收溶解于水中的有機物。金黃滴蟲除自養和腐食性營養外,還能和動物一樣吞食有機食物顆粒。所以這些生物還沒有明確地分化為動物、植物或真菌。根據這些特性,R.H.惠特克吸收上世紀E.海克爾的意見,將原生生物列為他的5界系統中的1界,即原生生物界。但是有些科學家主張撤銷這 1界,他們的理由是原生生物界所包含的生物種類過於龐雜,大部分原生生物顯然可以歸入動物、植物或者真菌,那些處於中間狀態的原生生物也不難使用分類學的分析方法適當地確定歸屬。

植物是以光合自養為主要營養方式的真核生物。典型的植物細胞都含有液泡和以纖維素為主要成分的細胞壁。細胞質中有進行光合作用的細胞器即含有光合色素的質體──葉綠體。綠藻和高等植物的葉綠體中除葉綠素a外,還有葉綠素b。多種水生藻類,因輔助光合色素的組成不同,而呈現出不同的顏色。植物的光合作用都是以水為電子供體的,因而都是放氧的。光合自養是植物界的主要營養方式,只有某些低等的單細胞藻類,進行混合營養。少數高等植物是寄生的,行次生的吸收異養,還有很少數高等植物能夠捕捉小昆蟲,進行吸收異養。植物界從單細胞綠藻到被子植物是沿著適應光合作用的方向發展的。在高等植物中植物體發生了光合器官(葉)、支持器官(莖)以及用於固定和吸收的器官(根)的分化。葉柄和眾多分枝的莖支持片狀的葉向四面展開,以獲得最大的光照和吸收 CO2的面積。細胞也逐步分化形成專門用於光合作用、輸導和覆蓋等各種組織。大多數植物的XX是有性XX,形成配子體和孢子體世代交替的生活史。在高等植物中,孢子體不斷發展分化,而配子體則趨於簡化。植物是生態系統中最主要的生產者,也是地球上氧氣的主要來源。   真菌是以吸收為主要營養方式的真核生物。真菌的細胞有細胞壁,至少在生活史的某一階段是如此。細胞壁多含幾丁質,也有含纖維素的。幾丁質是一種含氨基葡萄糖多糖,是昆蟲等動物骨骼的主要成分,植物細胞壁從無幾丁質。真菌細胞沒有質體和光合色素。少數真菌是單細胞的,如酵母菌。多細胞真菌的基本構造是分枝或不分枝的菌絲。一整團菌絲叫菌絲體。有的菌絲以橫隔分成多個細胞,每個細胞有一個或多個核,有的菌絲無橫隔而成為多核體。菌絲有吸收水分和養料的機能。菌絲體常疏鬆如蛛網,以擴大吸收面積。真菌的繁殖能力很強,繁殖方式多樣,主要是以無性或有性XX產生的各種孢子作為繁殖單位。真菌分佈非常廣泛。在生態系統中,真菌是重要的分解者,分解作用的範圍也許比細菌還要大一些。

粘菌

  是一種特殊的真菌。它的生活史中有一段是真菌性的,而另一段則是動物性的,其結構、行為和取食方法與變形蟲相似。粘菌被認為是介於真菌和動物之間的生物。   動物是以吞食為營養方式的真核生物。吞食異養包括捕獲、吞食、消化和吸收等一系列複雜的過程。動物體的結構是沿著適應吞食異養的方向發展的。單細胞動物吞入食物后形成食物泡。食物在食物泡中被消化,然後透過膜而XX細胞質中,細胞質中溶酶體與之融合,是為細胞內消化。多細胞動物在進化過程中,細胞內消化逐漸為細胞外消化所取代,食物被捕獲后在消化道內由消化腺分泌酶而被消化,消化后的小分子營養物經消化道吸收,並通過循環系統而被輸送給身體各部的細胞。與此相適應,多細胞動物逐步形成了複雜的排泄系統、進行氣體交換的外呼吸系統以及複雜的感覺器官神經系統內分泌系統運動系統等。神經系統和內分泌系統等組成了複雜的自我調節和自我控制的機構,調節和控制著全部生理過程。在全部生物中,只有動物的身體構造發展到如此複雜的高級水平。在生態系統中,動物是有機食物的消費者。在生命發展的早期,即在地球上只有藍菌和細菌時,生態系統是由生產者和分解者組成的兩環系統。隨著真核生物特別是動物的產生和發展,兩環生態系統發展成由生產者、分解者和消費者所組成的三環系統。出現了今日豐富多彩的生物世界。   從類病毒、病毒到植物、動物,生物擁有眾多特徵鮮明的類型。各種類型之間又有一系列中間環節,形成連續的譜系。同時由營養方式決定的三大進化方向,在生態系統中呈現出相互作用的空間關係。因而,進化既是時間過程,又是空間發展過程。生物從時間的歷史淵源和空間的生活關係來講,都是一個整體

生物的特徵

  生物不僅具有多樣性,而且具有一些共同的特徵和屬性。人們對這些共同的特徵、屬性和規律的認識,使內容十分豐富的生物學成為統一的知識體系。

生物化學的統一性

  大量實驗研究表明,組成生物體生物大分子的結構和功能,在原則上是相同的。例如各種生物的蛋白質的單體都是氨基酸,種類不過20種左右,各種生物的核酸的單體都是核苷酸,種類不過8種,這些單體都以相同的方式組成蛋白質或者核酸的長鏈,它們的功能對於所有生物都是一樣的。在不同的生物體內基本代謝途徑也是相同的,甚至在代謝途徑中各個不同步驟所需要的酶也是基本相同的。不同生物體在代謝過程中都以 ATP的形式傳遞能量。生物化學的同一性深刻地揭示了生物的統一性。

多層次的結構模式

  19世紀德國科學家M.J.施萊登和T.A.H.施旺提出細胞學說,認為動、植物都是由相同的基本單位──細胞所組成。這對於病毒以外的一切生物,從細菌到人都是適用的。細胞是由大量原子和分子所組成的非均質的系統。在結構上,細胞是由蛋白質、核酸、脂質、多糖等組成的多分子動態體系;從資訊理論觀點看,細胞是遺傳信息和代謝信息的傳遞系統;從化學觀點看,細胞是由小分子合成的複雜大分子,特別是核酸和蛋白質的系統;從熱力學觀點看,細胞又是遠離平衡的開放系統。所有這些,對於原核細胞和真核細胞都是一樣的。   除細胞外,生物還有其他結構單位。在細胞之下有細胞器、分子和原子,在細胞之上有組織、器官、器官系統、個體、種群、群落、生態系統、生物圈等單位。   生物的各種結構單位,按照複雜程度和逐級結合的關係而排列成一系列的等級,稱為結構層次。在每一個層次上表現出的生命活動不僅取決於它的組成成分的相互作用,而且取決於特定的有序結構,因此在較高層次上可能出現較低的層次所不曾出現的性質和規律。

有序性和耗散結構

  生物是由大量分子和原子組成的宏觀系統(相對於研究亞原子事件的微觀系統而言),它的代謝歷程和空間結構都是有序的。熱力學第二定律指出,物理的化學的變化導致系統的無序性或隨機性(即熵) 的增加。生物無休止的新陳代謝,不可避免地使系統內部的熵增漲,從而干擾和破壞系統的有序性。現代生物學證明,在生物體中同時還存在一種使熵減少的機制。20世紀60年代,I.普里戈任提出耗散結構理論。按此理論,生物體是遠離平衡的開放系統,它從環境中吸取以食物形式存在的低熵狀態的物質和能,把它們轉化為高熵狀態後排出體外。這種不對稱的交換使生物體和外界熵的交流出現負值,這樣就可能抵消系統內熵的增漲。生物有序正是依賴新陳代謝這種能量耗散過程得以產生和維持的。(見耗散結構和生物有序)

穩態

  生物對體內的各種生命過程有良好的調節能力。生物所處的環境是多變的,但生物能夠對環境的刺激作出反應,通過自我調節保持自身的穩定。例如,人的體溫保持在37℃上下,血液的酸度保持在 pH7.4左右等。這一概念先是由法國生物學家C.貝爾納提出的。他指出身體內部環境的穩定是自由和獨立生活的條件。後來,美國生理學家W.B.坎農揭示內環境穩定是通過一系列調節機制來保證的,並提出「穩態」一詞。穩態概念的應用現在已遠遠超出個體內環境的範圍。生物體的生物化學成分、代謝速率等都趨向穩態水平,甚至一個生物群落、生態系統在沒有激烈外界因素的影響下,也都處於相對穩定狀態。

生命的連續性

  1855年R.C.菲爾肖提出,所有的細胞都來自原已存在的細胞。這個概念對於現存的所有生物來說是正確的。除了最早的生命是從無生命物質在當時的地球環境條件下發生的以外,生物只能來自已經存在的生物。只能通過繁殖來實現從親代子代的延續。因此,遺傳是生命的基本屬性。   1866年G.J.孟德爾通過豌豆雜交試驗發現了遺傳因子分離規律和自由組合規律。20世紀20年代,以T.H.摩爾根為代表的一批科學家提出基因論,證明孟德爾假設的因子就是在染色體上線性排列的基因,補充了一個新的規律,即基因的連鎖和交換規律,並證明這些規律在動物界和植物界是普遍適用的。40年代,J.萊德伯格發現細菌的有性雜交,M.德爾布呂克發現了噬菌體的交叉重組現象,從而證明病毒、原核生物和動物、植物都遵循同樣的遺傳規律。分子生物學的發展證明一切生物的基因的化學實體都是核酸(DNA和RNA),遺傳信息都是以核苷酸的排列來編碼的,DNA以半保留複製產生新的拷貝。在分子水平上,生命的連續性首先表現在基因物質DNA的連續性上。

個體發育

  通常是指多細胞生物從單個XX細胞到成熟個體的成長過程。生物在一生中,每個細胞、每個組織、器官都隨時間而發展變化,它在任何一個特定時間的狀態都是本身發育的結果。生物個體發育是按一定的生長模式進行的穩定過程。個體發育的概念對單細胞生物和病毒在原則上也是適用的。單細胞生物從一代到下一代經歷一定的細胞周期,病毒的發育也要經歷遺傳物質的複製,結構蛋白的合成以及病毒顆粒的裝配過程。因此,所有的生物都有各自的按一定規律進行的生活史。   對於個體發育規律的認識,經歷了漫長的過程。1797年C.F.沃爾夫發表《發生論》,對雞胚的發育過程作了較為詳細的描述。19世紀初К.M.貝爾提出胚層理論,指出胚胎組織和器官的發生是以內、中、外三個胚層為出發點的。20世紀初,H.施佩曼及其學派通過把胚胎組織從一處移植到另一處能改變其發育過程和方向的實驗,證明了胚胎髮育是通過各部分的相互作用而完成的,現代生物學證明,個體發育是由遺傳信息所控制的,不論是在分子層次上,還是在細胞、組織、個體層次上,發育的基本模式都是由基因決定的。

進化

  1859年C.R.達爾文所著《物種起源》的出版,創立了以自然選擇為基礎的生物進化論。進化是普遍的生物學現象。每個細胞、每種生物都有自己的演變歷史,都在隨著時間的發展而變化,它們目前的狀態是它們本身進化演變的結果。進化導致物種的分化,生物不再被認為是一大堆彼此毫無聯繫的、偶然的、「神造的」不變的物種。生物世界是一個統一的自然譜系,各種生物,歸根結底,都來自一個最原始的生命類型。生物不僅有一個複雜的縱深層次(從生物圈到生物大分子),它還具有個體發育歷史和種系進化歷史,有一個極廣闊的歷史橫幅。   生態系統中的相互關係 在自然界里,生物的個體總是組成種群,不同的種群彼此相互依賴,相互作用形成群落。群落和它所在的無生命環境組成了生物地理複合體──生態系統。在生態系統中,不同的種群具有不同的功能和作用。譬如,綠色植物是生產者,它能利用日光能製造食物;動物包括人在內是消費者;細菌和真菌是分解者。生物彼此之間以及它們和環境之間的相互關係決定了生態系統所具有的性質和特點。任何一個生物,它的外部形態、內部結構和功能,生活習性和行為,同它在生態系統中的作用和地位總是相對適應的。這種適應是長期演變的結果,是自然選擇的結果。根據上面這些敘述,不難看到,儘管生物世界存在驚人的多樣性,但所有的生物都有共同的物質基礎,遵循共同的規律。生物就是這樣的一個統一而又多樣的物質世界。因而,生物學也就是一個統一而又十分豐富的知識領域。

研究方法

  生物學的一些基本研究方法——觀察描述的方法、比較的方法和實驗的方法等是在生物學發展進程中逐步形成的。在生物學的發展史上,這些方法依次興起,成為一定時期的主要研究手段。現在,這些方法綜合而成現代生物學研究方法體系和研究框架。

觀察描述的方法

  在17世紀,近代自然科學發展的早期,生物學的研究方法同物理學研究方法大不相同。物理學研究的是物體可測量的性質,即時間、運動和質量。物理學把數學應用於研究物理現象,發現這些量之間存在著相互關係,並用演繹法推算出這些關係的後果。生物學的研究則是考察那些將不同生物區別開來的、往往是不可測量的性質。生物學用描述的方法來記錄這些性質,再用歸納法,將這些不同性質的生物歸併成不同的類群。18世紀,由於新大陸的開拓和許多探險家的活動,生物學記錄的物種幾倍、幾十倍地增長,於是生物分類學首先發展起來。生物分類學者搜集物種進行鑒別、整理,描述的方法獲得巨大發展。要明確地鑒別不同物種就必須用統一的、規範的術語為物種命名,這又需要對各種各樣形態的器官作細緻的分類,並制定規範的術語為器官命名。這一繁重的術語制定工作,主要是C.von林奈完成的。人們使用這些比較精確的描述方法收集了大量動、植物分類學材料及形態學和解剖學的材料。

比較的方法

  18世紀下半葉,生物學不僅積累了大量分類學材料,而且積累了許多形態學、解剖學、生理學的材料。在這種情況下,僅僅作分類研究已經不夠了,需要全面地考察物種的各種性狀,分析不同物種之間的差異點和共同點,將它們歸併成自然的類群。比較的方法便被應用於生物學。   運用比較的方法研究生物,是力求從物種之間的類似性找到生物的結構模式、原型甚至某種共同的結構單元。G.居維葉在動物學方面,J.W.von歌德在植物學方面,是用比較方法研究生物學問題的著名學者。用比較的方法研究生物,愈來愈深刻地揭示動物和植物結構上的統一性,勢必觸及各個不同類型生物的起源問題。19世紀中葉,達爾文的進化論戰勝了特創論和物種不變論。進化論的勝利又給比較的方法以巨大的影響。早期的比較,還僅僅是靜態的共時的比較,在進化論確立后,比較就成為動態的歷史的比較了。現存的任何一個物種以及生物的任何一種形態,都是長期進化的產物,因而用比較的方法,從歷史發展的角度去考察,是十分必要的。   早期的生物學僅僅是對生物的形態和結構作宏觀的描述。1665年英國R.胡克用他自製的複式單孔反XX顯微鏡,觀察軟木片,看到軟木是由他稱為細胞的盒狀小室組成的。從此,生物學的觀察和描述XX了顯微領域。但是在17世紀,人們還不能理解細胞這樣的顯微結構有何等重要意義。那時的顯微鏡未能消除使影像失真的色環,因而還不能清楚地辨認細胞結構。19世紀30年代,消色差顯微鏡問世,使人們得以觀察到細胞的內部情況。1838~1839年施萊登和施萬的細胞學說提出:細胞是一切動植物結構的基本單位。比較形態學者和比較解剖學者多年來苦心探求生物的基本結構單元,終於有了結果。細胞的發現和細胞學說的建立是觀察和描述深入到顯微領域所獲得的成果,也是比較方法研究的一個重要成果。

實驗的方法

  前面提到的觀察和描述的方法有時也要對研究對象作某些處理,但這隻是為了更好地觀察自然發生的現象,而不是要考察這種處理所引起的效應。實驗方法則是人為地干預、控制所研究的對象,並通過這種干預和控制所造成的效應來研究對象的某種屬性。實驗的方法是自然科學研究中最重要的方法之一。17世紀前後生物學中出現了最早的一批生物學實驗,如英國生理學家W.哈維關於血液循環的實驗,J.B.van黑爾蒙特關於柳樹生長的實驗等。然而在那時,生物學的實驗並沒有發展起來,這是因為物理學、化學還沒有為生物學實驗準備好條件,活力論還佔統治地位。很多人甚至認為,用實驗的方法研究生物學只能起很小的作用。   到了19世紀,物理學、化學比較成熟了,生物學實驗就有了堅實的基礎,因而首先是生理學,然後是細菌學和生物化學相繼成為明確的實驗性的學科。19世紀80年代,實驗方法進一步被應用到了胚胎學,細胞學和遺傳學等學科。到了20世紀30年代,除了古生物學等少數學科,大多數的生物學領域都因為應用了實驗方法而取得新進展。

系統的方法

  系統科學源自對還原論、機械論反省提出的有機體、綜合哲學,從C.貝爾納與W.B.坎農揭示生物的穩態現象、維納與艾什比的控制論到貝塔郎菲的一般系統論系統生態學系統生理學等先後建立與發展,20世紀70-80年代系統論與生物學、系統生物學等概念發表。從香農資訊理論到I.普里戈津的耗散結構理論,將生命看作自組織化系統。細胞生物學、生化與分子生物學發展,艾根提出細胞、分子水平探討的超循環理論,20世紀90年代曾邦哲的系統遺傳學及系統醫藥學、系統生物工程概念發表。隨著基因組計劃、生物信息學發展,高通量生物技術、生物計算軟體設計的應用,帶來系統生物學新的時期,形成系統生物學「omics」組學與計算系統生物學 - 系統生物技術的發展,國際國內系統生物學研究機構建立而XX系統生物學時代。

學科分類

  生物學的分支學科各有一定的研究內容而又相互依賴、互相交叉。此外,生命作為一種物質運動形態,有它自己的生物學規律,同時又包含並遵循物理和化學的規律。因此,生物學同物理學、化學有著密切的關係。生物分佈于地球表面,是構成地球景觀的重要因素。因此,生物學和地學也是互相滲透、互相交叉的。

早期的生物學

  主要是對自然的觀察和描述,是關於博物學和形態分類的研究。所以生物學最早是按類群劃分學科的,如植物學、動物學、微生物學等。由於生物種類的多樣性,也由於人們對生物學的了解越來越多,學科的劃分也就越來越細,一門學科往往要再劃分為若干學科,例如植物學可劃分為藻類學、苔蘚植物學、蕨類植物學等;動物學劃分為原生動物學、昆蟲學魚類學、鳥類學等;微生物不是一個自然的生物類群,只是一個人為的劃分,一切微小的生物如細菌以及單細胞真菌、藻類、原生動物都可稱為微生物,不具細胞形態的病毒也可列入微生物之中。因而微生物學進一步分為細菌學、真菌學病毒學等。   按生物類群劃分學科,有利於從各個側面認識某一個自然類群的生物特點和規律性。但無論具體對象是什麼,研究課題都不外分類、形態、生理、生化、生態、遺傳、進化等方面。為了強調按類型劃分的學科已經不僅包括形態、分類等比較經典的內容,而且包括其他各個過程和各種層次的內容,人們傾向於把植物學稱為植物生物學,把動物學稱為動物生物學。   生物在地球歷史中有著40億年左右的發展進化歷程。大約有1500萬種生物已經絕滅,它們的一些遺骸保存在地層中形成化石。古生物學專門通過化石研究地質歷史中的生物,早期古生物學多偏重於對化石的分類和描述,近年來生物學領域的各個分支學科被引入古生物學,相繼產生古生態學、古生物地理學等分支學科。現在有人建議,以廣義的古生物生物學代替原來限於對化石進行分類描述的古生物學。   生物的類群是如此的繁多,需要一個專門的學科來研究類群的劃分,這個學科就是分類學。林奈時期的分類以物種不變論為指導思想,只是根據某幾個鑒別特徵來劃分門類,習稱人為分類。現代的分類是以進化論為指導思想,根據物種在進化上的親疏遠近進行分類,通稱自然分類。現代分類學不僅進行形態結構的比較,而且吸收生物化學及分子生物學的成就,進行分子層次的比較,從而更深刻揭示生物在進化中的相互關係。現代分類學可定義為研究生物的系統分類和生物在進化上相互關係的科學。   生物學中有很多分支學科是按照生命運動所具有的屬性、特徵或者生命過程來劃分的。   形態學是生物學中研究動、植物形態結構的學科。在顯微鏡發明之前,形態學只限於對動、植物的宏觀的觀察,如大體解剖學、脊椎動物比較解剖學等。比較解剖學是用比較的和歷史的方法研究脊椎動物各門類在結構上的相似與差異,從而找出這些門類的親緣關係和歷史發展。顯微鏡發明之後,組織學和細胞學也就相應地建立起來,電子顯微鏡的使用,使形態學又深入到超微結構的領域。但是形態結構的研究不能完全脫離機能的研究,現在的形態學早已跳出單純描述的圈子,而使用各種先進的實驗手段了。   生理學是研究生物機能的學科,生理學的研究方法是以實驗為主。按研究對象又分為植物生理學、動物生理學和細菌生理學。植物生理學是在農業生產發展過程中建立起來的。生理學也可按生物的結構層次分為細胞生理學、器官生理學、個體生理學等。在早期,植物生理學多以種子植物為研究對象;動物生理學也大多聯繫醫學而以人、狗、兔、蛙等為研究對象;以後才逐漸擴展到低等生物的生理學研究,這樣就發展了比較生理學。

遺傳學

  是研究生物性狀的遺傳和變異,闡明其規律的學科。遺傳學是在育種實踐的推動下發展起來的。1900年孟德爾的遺傳定律被重新發現,遺傳學開始建立起來。以後,由於T.H.摩爾根等人的工作,建成了完整的細胞遺傳學體系。瑞士生物學家米舍爾首次發現在細胞核中有一種含磷量極高的物質。20年以後,這種化學成分才被定名為核酸。後來,經過許多科學家的努力,才發現核酸有兩種,一種是脫氧核糖核酸,也就是DNA,具有儲存和遺產信息的作用,另一種是核糖核酸,簡稱RNA,在遺傳信息表達的過程中起著重要的作用。1953年,遺傳物質DNA分子的結構被揭示,遺傳學深入到分子水平。基因組計劃的進展,從基因組、蛋白質組到代謝組的遺傳信息傳遞,以及細胞信號傳導基因表達調控網路的研究,1994年系統遺傳學的概念、詞彙與原理于中科院提出與發表。現在,遺傳信息的傳遞、基因的調控機制已逐漸被了解,遺傳學理論和技術在農業、工業和臨床醫學實踐中都在發揮作用,同時在生物學的各分支學科中佔有重要的位置。生物學的許多問題,如生物的個體發育和生物進化的機制,物種的形成以及種群概念等都必須應用遺傳學的成就來求得更深入的理解。

胚胎學

  是研究生物個體發育的學科,原屬形態學範圍。1859年達爾文進化論的發表大大推動了胚胎學的研究。19世紀下半葉,胚胎髮育以及XX過程的形態學都有了詳細精確的描述。此後,動物胚胎學從觀察描述發展到用實驗方法研究發育的機制,從而建立了實驗胚胎學。現在,個體發育的研究採用生物化學方法,吸收分子生物學成就,進一步從分子水平分析發育和性狀分化的機制,並把關於發育的研究從胚胎擴展到生物的整個生活史,形成發育生物學

生態學

  是研究生物與生物之間以及生物與環境之間的關係的學科。研究範圍包括個體、種群、群落、生態系統以及生物圈等層次。揭示生態系統中食物鏈、生產力、能量流動和物質循環的有關規律,不但具有重要的理論意義,而且同人類生活密切相關。生物圈是人類的家園。人類的生產活動不斷地消耗天然資源,破壞自然環境。特別是XX20世紀以後,由於人口急劇增長,工業飛速發展,自然環境遭到空前未有的破壞性衝擊。保護資源、保持生態平衡是人類當前刻不容緩的任務。生態學是環境科學的一個重要組成成分,所以也可稱環境生物學人類生態學涉及人類社會,它已超越了生物學範圍,而同社會科學相關聯。   生物物理學是用物理學的概念和方法研究生物的結構和功能、研究生命活動的物理和物理化學過程的學科。早期生物物理學的研究是從生物發光、生物電等問題開始的,此後隨著生物學的發展,物理學新概念,如量子物理、資訊理論等的介入和新技術如 X衍XX、光譜、波譜等的使用,生物物理的研究範圍和水平不斷加寬加深。一些重要的生命現象如光合作用的原初瞬間捕捉光能的反應,生物膜的結構及作用機制等都是生物物理學的研究課題。生物大分子晶體結構、量子生物學以及生物控制論等也都屬於生物物理學的範圍。   生物數學是數學和生物學結合的產物。它的任務是用數學的方法研究生物學問題,研究生命過程的數學規律。早期,人們只是利用統計學、幾何學和一些初等的解析方法對生物現象做靜止的、定量的分析。20世紀20年代以後,人們開始建立數學模型,模擬各種生命過程。現在生物數學在生物學各領域如生理學、遺傳學、生態學、分類學等領域中都起著重要的作用,使這些領域的研究水平迅速提高,另一方面,生物數學本身也在解決生物學問題中發展成一獨立的學科。   有少數生物學科是按方法來劃分的,如描述胚胎學、比較解剖學、實驗形態學等。按方法劃分的學科,往往作為更低一級的分支學科,被包括在上述按屬性和類型劃分的學科中。   生物界是一個多層次的複雜系統。為了揭示某一層次的規律以及和其他層次的關係,出現了按層次劃分的學科並且愈來愈受人們的重視。   分子生物學是研究分子層次的生命過程的學科。它的任務在於從分子的結構與功能以及分子之間的相互作用去揭示各種生命過程的物質基礎。現代分子生物學的一個主要分科是分子遺傳學,它研究遺傳物質的複製、遺傳信息的傳遞、表達及其調節控制問題等。   細胞生物學是研究細胞層次生命過程的學科,早期稱細胞學是以形態描述為主的。以後,細胞學吸收了分子生物學的成就,深入到超微結構的水平,主要研究細胞的生長、代謝和遺傳等生物學過程,細胞學也就發展成細胞生物學了。   個體生物學是研究個體層次生命過程的學科。在複式顯微鏡發明之前,生物學大都是以個體和器官系統為研究對象的。研究個體的過程有必要分析組成這一過程的器官系統過程、細胞過程和分子過程。但是個體的過程又不同於器官系統過程、細胞過程或分子過程的簡單相加。個體的過程存在著自我調節控制的機制,通過這一機制,高度複雜的有機體整合為高度協調的統一體,以協調一致的行為反應于外界因素的刺激。個體生物學建立得很早,直到現在,仍是十分重要的。   種群生物學是研究生物種群的結構、種群中個體間的相互關係、種群與環境的關係以及種群的自我調節和遺傳機制等。種群生物學和生態學是有很大重疊的,實際上種群生物學可以說是生態學的一個基本部分。   以上所述,還僅僅是當前生物學分科的主要格局,實際的學科比上述的還要多。例如,隨著人類的XX太空,宇宙生物學已在發展之中。又如隨著實驗精確度的不斷提高,對實驗動物的要求也越來越嚴,研究無菌生物和悉生態的悉生生物學也由於需要而建立起來。總之,一些新的學科不斷地分化出來,一些學科又在走向融合。生物學分科的這種局面,反映了生物學極其豐富的內容,也反映了生物學蓬勃發展的景象。

研究意義

  生物與人類生活的許多方面都有著非常密切的關係。生物學作為一門基礎科學,傳統上一直是農學和醫學的基礎,涉及種植業、畜牧業、漁業、醫療、製藥、衛生等等方面。隨著生物學理論與方法的不斷發展,它的應用領域不斷擴大。現在,生物學的影響已突破上述傳統的領域,而擴展到食品、化工、環境保護能源和冶金工業等等方面。如果考慮到仿生學,它還影響到電子技術和信息技術。

人口、食物、環境、能源問題是當前舉世矚目的全球性問題。目前,世界人口每年的增長率約20%,大約每過35年,人口就會增加一倍。地球上的人口正以前所未有的速度激增著。人口問題是一個社會問題,也是一個生態學問題。人們必須對人類及環境的錯綜複雜的關係進行周密的定量的研究,才能對地球、對人類的命運有一個清醒的認識,從而學會自己控制自己,使人口數量維持在一個合理的數字上。在這方面生物學應該而且可能做出自己的貢獻。內分泌學和XX生物學的成就導致口服避孕藥的發明,已促進了計劃生育在世界範圍內的推廣。在人口問題中,除了數量激增以外,遺傳病也嚴重威脅人口質量。一些資料表明,新生兒中各種遺傳病患者所占的比例在 3%~10.5%之間。在中國的部分山區,智力不全者占2%~3%,個別地區達10%以上。揭示產生遺傳病的原因,找到控制和征服遺傳病的途徑無疑是生物學又一重要任務。目前,進行家系分析以確定患者是否患有遺傳病,對患者提出有益的遺傳指導和勸告;通過對胎兒脫屑細胞進行染色體分析和各種酶的生化分析,以診斷未來的嬰兒是否有先天遺傳性疾病。這些方法都能避免或減少患有遺傳病嬰兒的出生,以減輕家庭和社會的沉重負擔。將

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