生物學科檢視原始碼討論檢視歷史
| 生物學科 | |
|---|---|
基本信息
中文名 生物學科 [2]
外文名 biology
生物學定義 研究生命現象生物活動規律的科學
拼 音 shēng wù xué
文字介紹
生物學:shēng wù xué
英文:biology
學科簡介
生物學定義:生物學是研究生命現象和生物活動規律的科學。
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。根據研究對象，分為動物學、植物學、微生物學等;根據研究內容，分為分類學、解剖學、生理學、遺傳學、生態學等。是研究生物各個層次的種類、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。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，隨着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，生物學吸收了數學、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着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，本文着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。
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，隨着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，生物學吸收了數學、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着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，本文着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。
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的單細胞生物，有的是多細胞生物，而多細胞生物又可根據組織器官的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.惠特克於1969年提出的 5界系統。他將細菌、藍菌等原核生物劃為原核生物界，將單細胞的真核生物劃為原生生物界，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於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，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RAN的病毒需要進行逆轉錄成DNA後在進行複製)。根據組成核酸的核苷酸數目計算，每一病毒顆粒的基因最多不過 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，也不能產生腺苷三磷酸(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。只有在進入寄主細胞之後，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鏡才能看到的原核生物。大多數細菌都有細胞壁，其主要成分是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着重要作用(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、立克次氏體和衣原體均屬細菌。原支體無細胞壁，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，它只能氧化穀氨酸，而不能氧化葡萄糖或有機酸以產生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。
藍藻是行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，某些種還有紅色色素──藻紅蛋白，這些光合色素分布於質膜和光合片層上。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+，因而伴隨着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。
最早的生命是在無游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和減數分裂，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，也能吸收溶解於水中的有機物。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着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。大多數植物的生殖是有性生殖，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的多糖，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生殖產生的各種孢子作為繁殖單位。真菌分布非常廣泛。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。動物體的結構是沿着適應吞食異養的方向發展的。單細胞動物吞入食物後形成食物泡。食物在食物泡中被消化，然後透過膜而進入細胞質中，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，食物被捕獲後在消化道內由消化腺分泌酶而被消化，消化後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、內分泌系統和運動系統等。
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，調節和控制着全部生理過程。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。隨着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。
生物化學的同一性 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.施萬提出細胞學說，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;從信息論觀點看，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到子代的延續。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的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生殖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，都在隨着時間的發展而變化，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 在自然界裡，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。