生物学 
biology 
研究生物各个层次的种类、结构、功能、行为、发育和起源、进化以及生物与周围环境关系等的科学。又称生命科学。20世纪30、40年代以后，生物学与物理学、化学和数学相结合，逐渐步入精确科学的行列，人们已经认识到生命是物质的一种运动形态。
  生命的基本单位是细胞，它是由蛋白质、核酸、糖类、脂类等生物大分子组成的物质系统。生命现象就是这一复杂系统中物质、能量和信息综合运转的表现。生物有许多非生物所不具备的特性。例如，生物能在常温、常压下利用从环境中吸收的物质合成多种有机化合物，包括复杂的生物大分子，其效率远远超出最好的机器；生物能储存和传递信息，并具有自我调节和自我复制能力；生物还以不可逆的方式进行着个体发育和物种演化；地球上各种生物在没有强烈外界因素干扰下，能够相互制约以维持生态的平衡等等。
  揭示生命过程中各种运转机制具有巨大的理论和实践意义。 
简史 早在公元前5000多年，为了自身的生存，人类已经逐渐积累了有关动、植物的初步知识。古希腊亚里士多德的著作和中国秦汉之际的《尔雅》中，记载了数百种动物和植物，并有初步的分类描述；中国战国晚期的《黄帝内经》对人体的外形和内脏都有详细的直观描述 。
  古希腊的加伦（129～199）完成了《解剖纲要》16卷和其他著作共130多部，成为西方学术界1000多年中遵循的典籍。中世纪时期，生物学在西方几乎没有什么发展，而阿拉伯医学却迅速发展起来。中国医学、药用植物“本草”和农学都有较快的发展。 
生物学随着文艺复兴而得到显著的发展。
  比利时的解剖学家A。维萨里的《人体构造》，纠正了加伦的不少错误。英国医生和生理学家W。哈维在《动物心血运动的研究》一文中，阐明了血液循环的闭路途径，只缺毛细血管部分。由于他的结构是根据用动物，包括活体做实验的结果，哈维被公认是实验生物学的奠基人。
  中国明代李时珍的 《本草纲目》记载了约1500种药物和2000多个医方，对草药的描述和插图都很详细，并在草、木、动物等大类下，再分为部、类、种3级。所以，该书不仅在国际药典中有重要地位，也是一部高水平的植物学典籍。 
17、18世纪，欧洲野外考察兴起，动、植物标本大量积累。
  瑞典植物学家林奈，在18世纪30～50年代，完成了以属、种为基础的林奈分类体系，并建立起对物种的双名法。他的成就对生物学影响巨大，被公认是分类学的奠基人。由于显微镜的发明，英国物理学家R。胡克（1635～1703 )于1665年观察到软木塞薄片上的空室，称之为细胞。
  荷兰的显微镜学家 n列文虎克作了大量显微观察，于17 世纪70年代发现了细菌，首先揭示了微生物的存在。 
19世纪中叶，随着门户开放，西方较高水平的生物学逐渐传入中国。到20世纪中期，经过移植，西方生物学在中国得到了发展。从此，中国近现代生物学就纳入了世界生物学发展的主流。
  其中，一些地区性较强的学科具有一定的地区特点。 
生物学在19世纪得到了全面的发展。生理学、细菌学和胚胎学都已成为独立的学科。而细胞学说和达尔文进化论则是影响生物学理论基础的重大成就。1838年德国植物学家 M。J。施莱登提出细胞是组成植物的基本单位。
  1839年德国动物学家T。施万进一步提出“一切动物和植物都是由细胞组成的”。从40年代到50年代，德国动物学家R。雷马克（1815～1865）和德国病理学家R。C。菲尔肖（1821～1902）分别提出细胞分裂的普遍性，后者在1858年进一步提出了“一切细胞来自细胞”的名言。
  以细胞的结构为主要研究对象的细胞学逐渐发展成为独立的学科，直接影响着组织学和胚胎学等的发展。生物进化的思想早在1776年就为法国博物学家G。- 布丰所提出。1809年法国生物学家J。- 拉马克在《动物哲学》中阐述了生物的进化，认为物种变异的机制是“用进废退”和“获得性遗传”。
  但全书的思辨性强，而证据不足。英国生物学家C。R。达尔文在《物种起源》中根据大量事实，提出了以自然选择为核心的生物进化理论。《物种起源》的出版给社会以极大的震动，经过和宗教的斗争而逐渐得到普遍的承认，科学史上称之为达尔文的革命。但达尔文在物种如何变异上仍留有获得性遗传的痕迹。
  德国动物学家A。魏斯曼，于1894～1896年之间，先后提出种质学说和种质选择学说，是为新达尔文主义。世纪交替时，又盛行了一段时间的社会达尔文主义，把进化论推广到人类现实社会斗争中，适应了资产阶级的需要。 
20世纪，遗传学、生物化学和微生物学蓬勃发展，而1953年具有划时代意义的DNA双螺旋结构的阐明，更为有力地推动了分子生物学的发展，对生物学和医学、农学等产生了巨大影响。
   
虽然奥地利天主教修士J。G。孟德尔早在1866年就发表了他用豌豆进行杂交的实验报告，发现了遗传因子的分离定律和自由组合定律，由于被埋没了35年，直到1900年由荷兰植物学家H。德弗里斯（1848～1935）等3人重新发现后，才在科学上起到了推动遗传学建立和发展的作用。
  此后，他所发现的定律被称为孟德尔定律，孟德尔也被誉为遗传学的奠基人，进入20世纪，遗传学的研究与细胞学相结合，取得了辉煌成果。以美国遗传学家T。H。摩尔根为代表的小组，从1911～1930年，用果蝇进行了大量的实验研究。结果表明，遗传基因坐落在染色体上，基因有连锁和交换现象和不同基因间有相对固定的位置等，发展了孟德尔定律，建立起染色体（或细胞）遗传学，正当遗传学蓬勃发展之际，苏联从30年代到60年代，发生了否定孟德尔、魏斯曼、摩尔根遗传学的政治批判，树立起Т。
  Д。李森科（1898～1976)主义。在此期间，阻碍了遗传学在苏联和包括中国在内的多数社会主义国家中的发展。 
20世纪前叶，生物化学取得了突飞猛进的发展：分析了生物大分子蛋白质、核酸、糖类和脂类的化学组成和部分结构；证明了生物催化剂——酶的蛋白质本质；研究清楚了各种激素和维生素的结构与功能。
  在此基础上，阐明了各生物大分子的基本代谢途径、光合作用、呼吸，以及腺苷三磷酸（ATP）在能量转换中的关键作用和作用部位等 。这些主要是德国、英国和美国的生化学家所作的贡献。 
随着对传染病的研究，细菌学得到很大发展。19世纪末，俄国和德国的微生物学家发现了比细菌还小的致病微生物病毒。
  20世纪第二个十年中又发现了比病毒还小的、寄住于细菌中的噬菌体，这两类已知最小的微生物，结构简单，只有在活细胞中才具备自我复制的能力，被遗传学家作为研究自我复制的材料而发挥了重要的作用。 
遗传学发展到20年代后期，提出了探索遗传基因是什么化学实体的问题。
  解决这个问题的既非遗传学家，也非生化学家，而是美国细菌学家O。T。埃弗里。他在1944年用实验证明不同种的肺炎双球菌之间的转化因子是DNA，从此DNA就逐渐登上了遗传学的舞台。1953年，美国生物学家J。D。沃森和英国熟悉蛋白质晶体结构的物理学家F。
  H。C。克里克在英国剑桥大学合作，阐明了DNA的双螺旋结构，从此打开了分子遗传学的大门。紧接着重大的研究成果层出不穷：双螺旋分开成两条单链，经过互补形成两个双螺旋；指导蛋白质生物合成的中心法则的提出和遗传密码的破译；原核细胞基因调控的操纵子机制的阐明；重组体DNA技术和基因工程的建立（70年代）等等。
  80年代末，制定出了跨世纪的国际合作项目，《人类基因组计划——制图和测序》，并且付诸实施，为解决人类遗传与进化诸问题创建基础设施 。DNA双螺旋结构的阐明，推动了生物大分子的结构和功能关系的研究，分子生物学随之诞生，对生物学的各分支学科，对医学和农学都产生了深远的影响。
  因此，DNA双螺旋结构的阐明，被公认是20世纪生物学甚至是自然科学的最伟大成就，而且引发出生物学的革命。 
遗传奥秘的突破鼓舞着科学界向着生物学另外一个需要进一步探索的堡垒——神经和大脑进军。从19世纪80年代发现了神经细胞并建立起神经元理论后，英国生理学家C。
  S。谢灵顿等对神经细胞的结构和传导等作了大量研究。1921 ～1932年，奥地利药理学家O。勒维（1873～1961）和英国生理学家H。H。戴尔（1875～1968）发现了交感神经末梢在传导过程中释放出一种化学物质——乙酰胆碱，开辟了神经递质的研究领域，新的成果不断出现。
  围绕大脑功能的研究，对脑电波，大脑两半球功能和大脑对外界信息综合加工的机制等等都有不少进展，初步表明由109～1011个神经细胞组成的大脑活动是有层次和规律的。 
20世纪生物科学的重大成就同样地影响着进化论的发展。从30年代后期至40年代中期，经俄裔美国遗传学家T。
  多布然斯基等一批生物学家的努力，使进化论与遗传学相结合，发展为综合进化论，彻底否定了获得性遗传强调了渐进性，承认了进化是群体现象，重新肯定自然选择在进化中占有压倒一切的重要地位。1968年，受到分子生物学的影响，出现了分子进化的中性学说。1972年，根据新的古生物的发现而提出了间断平衡论等。
   
生态学在20世纪初还停留在对动植物与环境的关系和生物群落等的研究上。1926年苏联的V。I。韦尔纳斯基明确提出了生物圈的概念。1935年英国生态学家A。G。坦斯莱（1871～1955）提出生态系统的概念后，生态学的研究逐渐转到用数学的方法研究物质循环和能量转换的方向。
  而生物圈就是全球的生态系统。由于地球上人口的急剧增长和工业污染严重，环境问题威胁着人类的生存，60年代以后，几次制定有关人和生物圈问题的全球合作研究。以生态学为理论基础的综合性学科——环境科学诞生了。 
研究对象 地球上现存的生物种约有200～450万；估计至少有1500万生物种已经灭绝。
  各物种的形态结构多种多样，生活方式五花八门。其中，有的由原核细胞构成，有的由真核细胞构成；有的是单生或群体单细胞生物，有的是多细胞生物；有的是光合自养，有的是吸收异养或腐食性异养，有的是吞食异养；有的是有机物的生产者，有的是消费者，有的是分解者。
  美国R。H。惠特克于1969年提出一个生物分类的5 界系统。他将细菌、蓝菌等原核生物划为原核生物界，将单细胞的真核生物划为原生生物界，将多细胞的真核生物按营养方式划分为营光合自养的植物界、营吸收异养的真菌界和营吞食异养的动物界。中国陈世骧于1979年提出6界系统。
  这个系统由非细胞、原核和真核3个总界组成。非细胞总界中只有病毒1界。原核总界分为细菌和蓝菌2界。真核总界包括植物、真菌和动物3界。（见生物分类学） 
非细胞生命形态 病毒和噬菌体不具备细胞形态，没有完整的酶系统，也不能产生腺苷三磷酸（ATP）。
  因此病毒只有在进入寄主细胞之后，才能利用其中的全套装备来繁殖自己的后代。近年发现了比病毒还简单的类病毒，只有小的RNA分子。另外还发现一类只有蛋白质却没核酸的朊粒，可以使哺乳动物染上慢性疾病。这些不完整的生命形态缩小了无生命与生命之间的距离。
   
原核生物 原核细胞的主要特征是没有线粒体和质体等膜细胞器，染色体不含组蛋白及其他蛋白质，没有核膜。原核生物包括细菌和蓝菌。 
细菌 繁殖快，数量大，在地球上几乎无处不在，在生态系统中是重要的分解者，在自然的氮、碳等循环中起着重要作用。
  有些细菌能使无机物氧化，从中取得能量来制造食物；有些细菌含有细菌叶绿素，能进行光合作用。细菌的繁殖为无性繁殖，在某些种类中存在两个细菌间交换遗传物质的一种原始的性过程——细菌接合。蓝菌又名蓝藻是行光合自养的原核生物。 
最早的生命是在无游离氧的还原性大气环境中发生的（见生命起源）。
  蓝菌的光合作用使地球大气从缺氧变为有氧，这就为好氧生物的发生创造了条件。在现代地球生态系统中蓝菌仍然是生产者之一。 
近年发现的原绿藻，含叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素，类似绿藻和高等植物的叶绿体，受到生物学家的重视。 
真核生物 真核细胞有线粒体和高尔基体等各种细胞器，围以双层膜的细胞核，DNA长链分子与组蛋白以及其他蛋白质结合而成染色体。
  真核细胞的增殖为有丝分裂和减数分裂，分裂的结果使复制的染色体均等地分配到子细胞中去。 
原生生物是最原始的真核生物。其原始性不但表现在单细胞或其群体的结构水平上，也表现在自养、异养和混合营养等多种营养方式上。这些说明它们还没有明确地分化为动物、植物或真菌。
  根据这些特性，惠特克将原生生物列为他的5界系统之一。但是对于这一界的划分尚存在争议。 
植物是光合自养的真核生物。其细胞一般都含有液泡和以纤维素为主要成分的细胞壁。进行光合作用的细胞中有叶绿体。绿藻和高等植物的叶绿体在进行光合作用时都以水为电子供体而放氧。
  植物界是沿着适应光合作用的方向发展的。在高等植物中植物体分化成光合器官（叶）、支持器官（茎）以及用于固定和吸收的器官（根）。植物大多数进行有性生殖，形成配子体和孢子体世代交替的生活史。植物是生态系统中最主要的生产者，也是地球上氧气的主要来源。
   
真菌是以吸收为主要营养方式的真核生物。真菌的细胞壁多含几丁质，也有含纤维素的，细胞中没有质体和光合色素。真菌的分布广泛，繁殖能力很强而方式多样，主要的繁殖单位是无性或有性生殖产生的各种孢子 。在生态系统中，真菌也是重要的分解者。粘菌是一种特殊的真菌。
  它的生活史中有一段是真菌性的 ，而另一段则是动物性的，其结构、行为和取食方法与变形虫相似。粘菌被认为是介于真菌和动物之间的生物。 
动物是以吞食为营养方式的真核生物。单细胞动物吞入食物后形成食物泡，食物为细胞内消化。多细胞动物在进化过程中逐渐演变为细胞外消化，消化后的小分子营养物经消化道吸收，并通过循环系统而被输送给身体各部的细胞。
  与此相适应，多细胞动物逐步形成了复杂的排泄系统、气体交换系统，以及复杂的感觉器官、神经系统、内分泌系统和运动系统等。在生态系统中，动物是有机食物的消费者。在生命发展的早期，地球上只有蓝菌和细菌时，生态系统是由生产者和分解者组成的两环系统。随着真核生物特别是动物的出现和发展，两环生态系统就发展成由生产者、分解者和消费者所组成的三环系统。
  出现了今日丰富多彩的生物世界。 
生物的共同特征 生物不仅具有多样性，而且具有一些共同的特征和属性。 
生物化学的同一性 组成生物体的生物大分子的结构和功能，在各种生物中都是一致的。例如各种生物的蛋白质都是由20种氨基酸组成的，各种生物的核酸都是由含有 4种碱基之一的核苷酸构成的长链，其功能在各种生物体中都相同。
  在不同的生物体内基本代谢途径相同，甚至其中不同步骤所需要的酶也基本相同。不同生物体在代谢过程中都以ATP的形式传递能量。 
多层次的结构模式 多种多样的生物都是由相同的基本单位——细胞所组成。在结构上，细胞是蛋白质、核酸、脂类、糖类等组成的多分子动态体系；从信息论观点看，细胞是遗传信息和代谢信息的传递系统；从化学观点看，细胞是由小分子合成的复杂大分子。
   
除细胞外，生物还有其他结构单位。在细胞之下有细胞器、分子和原子，在细胞之上有组织、器官、器官系统、个体、种群、群落、生态系统、生物圈等单位。各种结构单位，按照复杂程度和逐级结合的关系而排列成一系列的结构层次。每一个层次上的生命活动取决于其组成成分的相互作用和特定的有序结构。
  因此在较高层次上可能出现较低的层次所没有的性质和规律。 
有序性和耗散结构 生物的代谢途径和空间结构都是有序的。生命系统无休止的新陈代谢，不可避免地使系统内熵值增涨。生物有序性正是依赖新陈代谢这种能量耗散过程才得以产生和维持的。 
稳态 生物所处的环境是多变的，但能通过自我调节保持自身的稳定。
  例如，人的体温保持在37℃上下，血液的酸度保持在pH7。4左右，人体的化学成分和代谢速率也趋向稳态等。生物内环境的稳定即稳态是通过一系列调节机制来保证的 。 现在稳态概念的应用已远远超出个体内环境的范围，生物群落和生态系统等在没有激烈外界因素的影响下，也都处于相对稳定状态。
   
生命的连续性 除了最原始的生命是从无生命物质在当时的地球环境条件下发生的以外，生物只能通过繁殖来实现从亲代到子代的连续。因此，遗传是生命的基本属性。现已查明，DNA是遗传信息的载体，生命的连续性首先表现在DNA的连续性上。 
个体发育 生物个体发育是按一定的生长模式进行的稳定过程。
  胚胎的发育和器官的发生是以内、中、外三个胚层为出发点，并通过各部分的相互作用而完成的，现在生物学证明，个体发育由遗传信息控制，发育的基本模式都是由基因决定的。 
进化 1859年C。R。达尔文所著《物种起源》的出版，创立了以自然选择为基础的生物进化论。
  进化是普遍的生物现象。进化导致物种的分化。生物世界是一个统一的自然谱系，各种生物，归根结底，都来自一个最原始的生命类型。生物不仅具有复杂的纵深层次（从生物圈到生物大分子），还具有个体发育历史和久远的种系进化历史。 
生态系统中的相互关系 在自然界里，各种生物都是以种群的形式存在的。
  在生态系统中，不同的种群具有不同的功能和作用。生物彼此之间以及它们和环境之间的相互关系决定了生态系统所具有的特点。任何一个生物，其外部形态、内部结构和功能、生活习性与行为等，同它在生态系统中的地位与作用总是相对适应的。这种适应是长期演变的结果。
   
根据上述特征，不难看到，尽管生物界存在惊人的多样性，但所有的生物都有共同的物质基础，并且遵循着共同的规律。 
研究方法 主要有观察描述的方法、比较的方法和实验的方法。 
观察描述方法 这是生物学中最基本的、也是早期生物学研究中最主要的方法。
  随着探险家频繁的活动，物种的记录几十倍地增长。这就需要对物种进行鉴别和整理，细致的观察和描述的方法获得巨大发展。形态学、解剖学和分类学随之建立。为了明确地鉴别不同物种，需要用统一的、规范的术语为物种命名，这一繁重的术语制定工作，主要是C。von林奈完成的。
   
比较的方法 运用比较的方法研究生物，是力求从物种之间的类似性找到生物的结构模式或原型。无论在宏观或微观上 ， 比较研究的结果都揭示出生物界在结构上的统一性，势必触及不同类型生物的起源问题。早期多为静态的、共时的比较，C。R。达尔文的进化论确立后，增加了动态的、历史的比较 。
  比较的方法在20世纪已深入到不同属种的蛋白质、核酸等生物大分子化学结构的比较，如对不同物种细胞色素C在化学结构上的比较，根据其差异程度可以对物种的亲缘关系给出定量的统计。 
实验方法 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，是为实验的方法。
  早期的实验比较简单，到19世纪后叶，以实验研究为基础而发展起来的学科逐渐增多，如生理学、细菌学、胚胎学和生物化学等。进入20世纪，实验方法较普遍地为生物学界接受。几乎生物学的各分支学科都采用了实验方法，大大加强了研究成果的精确性。当然，观察或描述仍然是生物学不可缺少的基本研究方法 。
  1924～1928年L。von贝塔兰菲提出系统论思想，认为一切生物是时空上有限的具有复杂结构的一种自然系统。1932～1934年，他提出用数学和数字模型来研究生物学。经过半个世纪，系统论取得了很大发展，涌现出许多定量处理系统问题的数学理论。生物学也积累了大量关于各个层次生命系统及其组成成分的实验资料。
  系统论方法将作为新的研究方法而受到人们的重视。 
生物学研究的意义 生物学作为一门基础科学，除了建设和发展本学科之外，还有广泛的实际意义。生物学一直是农学和医学的基础。随着生物学理论与方法的不断发展，其影响已突破传统的领域，而扩展到食品、化工、环境保护、能源和冶金工业等方面。
  生物工程包括基因工程、细胞工程、酶工程等，开辟了新型药物生产和食品来源等的广阔前景。 
人口、食物、环境、能源问题是举世瞩目的全球性问题。世界人口正以前所未有的速度激增，据统计每年的增长率约为20‰。这既是社会问题，也是生态学问题。对此，生物学应该而且可以作出自己的贡献。
  内分泌学和生殖生物学的成就导致口服避孕药的发明，促进了计划生育在世界范围的推广。严重威胁人口质量的遗传病，患者约占新生儿的3％～10。5％。寻找遗传病的原因并找到控制和征服遗传病的途径是生物学又一重要任务。 
食物匮乏是发展中国家长期未能解决的严重问题。
  据估计，从现在到21世纪初，粮食生产至少每年增长3％～8％才能使食物短缺状况有所改善。食物的最终来源是植物的光合作用，增加食物产量的主要道路是改进植物本身。过去，在发展科学的农业和绿色革命方面，生物学已作出巨大的贡献。利用各种新兴技术培育优质、高产、抗寒、抗涝、抗盐碱、抗病虫害的优良品种已经和将要取得重大成果。
  此外，利用富含蛋白质的藻类、细菌或真菌，进行大规模培养，从中获得单细胞蛋白质，也取得了重大突破。 
20世纪生态学关于人与自然关系的研究，唤起了人类对生态环境的重视。工业废水、废气和固体废物的大量排放，农用杀虫剂、除莠剂的广泛使用，污染了大面积的水源和土地，迫切要求更深入地研究和运用生物圈中物质和能量循环的生态学规律。
  现已证明，微生物具有极强的和多种的生物催化活性，利用富集培养法几乎可以找到降解任何一种含毒有机化合物的微生物，其降解作用还可用基因工程等技术来强化，从而成为消除污染的有力手段。利用生物手段包括微生物防治害虫，提高农作物的固氮能力，可以部分取代有机杀虫剂和减少化肥使用，从而减少环境污染，逐步恢复自然生态平衡，这是农业发展的大势所趋。
  大量消耗资源的传统农业必将向以生物科学和技术为基础的生态农业转变。 
全世界的化工能源（石油、煤等）贮备是有限的，因此，自然界中可再生的生物资源（ 生物量）又重新被人所重视。自然界中的生物量大多是纤维素、半纤维、木质素。用化学的、物理的和生物的方法结合起来加工，就可以把纤维素转化为酒精，用作能源。
  沼气是利用生物量开发能源的另一产品。中国和印度利用农村废料进行厌氧发酵产生沼气已作出显著成绩。世界上已经出现了利用固相化细胞技术的工业化沼气厌氧反应器。一些单细胞藻类中含有类似原油结构的油类，其含量可高达总重的70％，这是另一个引入注目的可再生的生物能源。
  太阳能是人类可以利用的最强大的能源，而生物的光合作用是高效利用太阳能的最主要的途径，可以预测，利用生物学的理论和方法解决能源问题是大有希望的。 
此外，对人口、食物、环境、能源等问题进行综合研究，开创各种综合解决这些问题 的方法的农业生态工程的兴起，最终将发展新的、大规模的现代化农业。
   
生物学的发展历史悠久，长期的知识积累，特别是近200年来的发展，使生物学已经成为领域宽广、分支学科基本齐全的大学科。 
 
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