生物学

来自中文百科专业版
跳转至: 导航搜索

  生物学汉语拼音:Shengwuxue;英语:Biology),或称生命科学生物科学,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的关系等的科学是生物的一种,也是生物学的研究对象。生物学之英文“Biology”源于拉丁文。Bio意为生命,-logy意为学问,合并为“研究生命的学问”。1802年,法国博物学家拉马克最早提出这个名词。生物学内各领域之间彼此高度连结,与其它学科亦有密切关系。

  20世纪40年代以来,生物学吸收了数学物理学化学等的成就,逐渐发展成一门精确的、定量的、深入到分子层次的科学。人们已经认识到生命是物质的高级运动形态。生命的基本单位是细胞,它是由蛋白质核酸脂质多糖生物大分子为主体组成的物质系统。生命现象就是这一复杂系统中物质、能和信息三个量综合运动与传递的表现。生命有许多为无生命物质所不具备的特性。如生命能够在常温、常压下合成多种有机化合物,包括复杂的生物大分子;能够以远远超出机器的生产效率来利用环境中的物质和能制造体内的各种物质,而不排放污染环境的有害物质;能以极高的效率储存信息和传递信息;具有自我调节功能和自我复制能力;以不可逆的方式进行着个体发育和物种的演化等。揭示生命过程中的机制具有巨大的理论和实践意义。

  现代生物学是一个有众多分支的庞大的知识体系,在此着重说明生物学研究的对象、分科、方法和意义。

研究对象

  地球上现存的生物估计有200万~450万种;已经绝灭的种类更多,估计至少也有1,500万种。从北极南极,从高山到深海,从冰雪覆盖的冻原到高温的矿泉,都有生物存在。它们具有多种多样的形态结构,它们的生活方式也变化多端。从生物的基本结构单位——细胞的水平来考察,有的生物尚不具备细胞形态,在已具有细胞形态的生物中,有的由原核细胞构成,有的由真核细胞构成。从组织结构水平来看,有的是单生的或群体的单细胞生物,有的是多细胞生物,而多细胞生物又可根据组织器官的分化和发展不同而分为多种类型。从营养方式来看,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。从生物在生态系统中的作用来看,有的是有机食物的生产者,有的是消费者,有的是分解者。生物学家根据生物的发展历史、形态结构特征、营养方式以及它们在生态系统中的作用等,将生物分为若干界。比较通行的是美国R.H.惠特克于1969年提出的五界系统。他将细菌蓝菌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生物学家陈世骧于1979年提出六界系统。这个系统由非细胞总界、原核总界和真核总界三个总界组成,代表生物进化的三个阶段。非细胞总界中只有1界,即病毒界。原核总界分为细菌界蓝菌界。真核总界包括植物界真菌界动物界,它们代表真核生物进化的三条主要路线。

非细胞生命形态

  病毒不具备细胞形态,由一个核酸长链蛋白质外壳构成。根据组成核酸核苷酸数目计算,每一病毒颗粒的基因最多不过300个。寄生于细菌的病毒称为噬菌体。病毒没有自己的代谢机构,没有酶系统,也不能产生腺苷三磷酸(ATP)。因此病毒离开了寄主细胞,就成了没有任何生命活动,也不能独立地自我繁殖的化学物质。只有在进入寄主细胞之后,它才可以利用活细胞中的物质和能,以及复制、转录和转译的全套装备,按照它自己的核酸所包含的遗传信息产生和它一样的新一代病毒。病毒基因同其他生物的基因一样,也可以发生突变和重组,因而也是能够演化的。由于病毒没有独立的代谢机构,也不能独立地繁殖,因而被认为是一种不完整的生命形态。关于病毒的起源有多种说法。有人认为病毒是由于寄生生活而高度退化的生物,有人认为病毒是从真核细胞脱离下来的一部分核酸和蛋白质颗粒,更多的人认为病毒是细胞形态发生以前的更低级的生命形态。20世纪70年代末发现了比病毒还要简单的类病毒,它是小的核糖核酸RNA)分子,没有蛋白质外壳。另外,还发现一类只有蛋白质却没有核酸的朊粒,它可以在哺乳动物身上造成慢性疾病。这些不完整的生命形态的存在缩小了无生命与生命之间的距离,说明无生命与生命之间没有不可逾越的鸿沟。因此,在原核生物之下,另辟一界,即病毒界是比较合理的。

原核生物

  原核细胞真核细胞是细胞的两大基本类型,它们反映细胞进化的两个阶段。把具有细胞形态的生物划分为原核生物真核生物,是现代生物学的一大进展。原核细胞的主要特征是没有线粒体质体等膜细胞器,染色体只是一个环状的脱氧核糖核酸DNA)分子,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,它们都是单生的或群体的单细胞生物。

  细菌是只有通过显微镜才能看到的原核生物。大多数细菌都有细胞壁,其主要成分是肽聚糖而不是纤维素。细菌的主要营养方式是吸收异养,它分泌水解酶到体外,将大分子的有机物分解为小分子,然后将小分子营养物吸收到体内。细菌在地球上几乎无处不在,它们繁殖得很快,数量极大,在生态系统中是重要的分解者,在自然界氮素循环和其他元素循环中起着重要作用。有些细菌能使无机物氧化,从中获取能量来制造食物;有些细菌含有细菌叶绿素,能进行光合作用。但是细菌光合作用的电子供体不是水而是其他化合物如硫化氢等。所以,细菌的光合作用是不产氧的光合作用。细菌的繁殖为无性繁殖,在某些种类中存在两个细胞间交换遗传物质的一种原始的有性过程——细菌接合。

  支原体立克次氏体衣原体均属细菌。支原体无细胞壁,细胞非常微小,甚至比某些大的病毒粒还小,能通过细菌滤器,是能够独立地进行生长和代谢活动的最小的生命形态。立克次氏体的酶系统不完全,它只能氧化谷氨酸,而不能氧化葡萄糖有机酸以产生ATP。衣原体没有能量代谢系统,不能制造ATP。大多数立克次氏体和衣原体不能独立地进行代谢活动,被认为是介于细菌和病毒之间的生物。

  蓝菌是行光合自养的原核生物,是单生的,或群体的,也有多细胞的。和细菌一样,蓝菌细胞壁的主要成分也是肽聚糖,细胞也没有核膜和细胞器,如线粒体高尔基器叶绿体等。但蓝菌细胞有由膜组成的光合片层,这是细菌所没有的。蓝菌含有叶绿素a,这也是高等植物含有的而为细菌所没有的一种叶绿素。蓝菌还含有类胡萝卜素和蓝色色素——藻蓝蛋白,某些种还有红色色素——藻红蛋白,这些光合色素分布于质膜和光合片层上。蓝菌的光合作用和绿色植物的光合作用一样,用于还原CO2的还原剂是水光解产生的H+,因而伴随着有机物的合成还产生分子氧,这和光合细菌的光合作用截然不同。

  最早的生命是在无游离氧的还原性大气环境中发生的,所以它们应该是厌氧的,又是异养的。从厌氧到好氧,从异养到自养,是进化史上的两个重大突破。蓝菌光合作用使地球大气从缺氧变为有氧,这样就改变了整个生态环境,为好氧生物的发生创造了条件,为生物进化展开了新的前景。在现代地球生态系统中,蓝菌仍然是生产者之一。

  原绿藻叶绿素a叶绿素b类胡萝卜素。从它们的光合色素的组成以及它们的细胞结构来看,很像绿藻和高等植物的叶绿体,因此受到生物学家的重视。

真核生物

  和原核细胞相比,真核细胞是结构更为复杂的细胞。它有线粒体等各种膜细胞器,有围以双层膜的细胞核,把位于核内的遗传物质与细胞质分开。DNA为长链分子,与组蛋白以及其他蛋白结合而成染色体。真核细胞的分裂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。原生生物的原始性不但表现在结构水平上,即停留在单细胞或其群体的水平,不分化成组织;也表现在营养方式的多样性上。原生生物有自养的、异养的和混合营养的。例如,眼虫能进行光合作用,也能吸收溶解于水中的有机物。金黄滴虫除自养和腐食性营养外,还能和动物一样吞食有机食物颗粒。所以这些生物还没有明确地分化为动物、植物或真菌。根据这些特性,惠特克吸收19世纪E.海克尔的意见,将原生生物列为他的五界系统中的一界,即原生生物界。但是有些科学家主张撤销这一界,他们的理由是原生生物界所包含的生物种类过于庞杂,大部分原生生物显然可以归入动物、植物或者真菌,那些处于中间状态的原生生物也不难使用分类学的分析方法适当地确定归属。

  植物是以光合自养为主要营养方式的真核生物。典型的植物细胞都含有液泡和以纤维素为主要成分的细胞壁。细胞质中有进行光合作用的细胞器即含有光合色素的质体——叶绿体。绿藻和高等植物的叶绿体中除叶绿素a外,还有叶绿素b。多种水生藻类,因辅助光合色素的组成不同,而呈现出不同的颜色。植物的光合作用都是以水为电子供体的,因而都是放氧的。光合自养是植物界的主要营养方式,只有某些低等的单细胞藻类,进行混合营养。少数高等植物是寄生的,行次生的吸收异养,还有很少数高等植物能够捕捉小昆虫,进行吸收异养。植物界从单细胞绿藻到被子植物是沿着适应光合作用的方向发展的。在高等植物中植物体发生了光合器官(叶)、支持器官(茎)以及用于固定和吸收的器官(根)的分化。叶柄和众多分枝的茎支持片状的叶向四面展开,以获得最大的光照和吸收CO2的面积。细胞也逐步分化形成专门用于光合作用、输导和覆盖等功能的各种组织。大多数植物的生殖是有性生殖,形成配子体孢子体世代交替(植物)的生活史。在高等植物中,孢子体不断发展分化,而配子体则趋于简化。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。真菌的细胞有细胞壁,至少在生活史的某一阶段是如此。细胞壁多含几丁质,也有含纤维素的。几丁质是一种含氨基葡萄糖的多糖,是昆虫等动物骨骼的主要成分,植物细胞壁从无几丁质。真菌细胞没有质体和光合色素。少数真菌是单细胞的,如酵母菌。多细胞真菌的基本构造是分枝或不分枝的菌丝。一整团菌丝称菌丝体。有的菌丝以横隔分成多个细胞,每个细胞有一个或多个核,有的菌丝无横隔而成为多核体。菌丝有吸收水分和养料的机能。菌丝体常疏松如蛛网,以扩大吸收面积。真菌的繁殖能力很强,繁殖方式多样,主要是以无性或有性生殖产生的各种孢子作为繁殖单位。真菌分布非常广泛。在生态系统中,真菌是重要的分解者,分解作用的范围也许比细菌还要大一些。

  黏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。黏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。吞食异养包括捕获、吞食、消化和吸收等一系列复杂的过程。动物体的结构是沿着适应吞食异养的方向发展的。单细胞动物吞入食物后形成食物泡。食物在食物泡中被消化,然后透过膜而进入细胞质中,细胞质中溶酶体与之融合,是为细胞内消化。多细胞动物在进化过程中,细胞内消化逐渐为细胞外消化所取代,食物被捕获后在消化道内由消化腺分泌酶而被消化,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、进行气体交换的外呼吸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。神经系统和内分泌系统等组成了复杂的自我调节和自我控制的机构,调节和控制着全部生理过程。在全部生物中,只有动物的身体构造发展到如此复杂的高级水平。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,即在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产生和发展,两环生态系统发展成由生产者、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。

  从类病毒、病毒到植物、动物,生物拥有众多特征鲜明的类型。各种类型之间又有一系列中间环节,形成连续的谱系。同时由营养方式决定的三大进化方向,在生态系统中呈现出相互作用的空间关系。因而,进化既是时间过程,又是空间发展过程。生物从时间的历史渊源和空间的生活关系来讲,都是一个整体。

生物的特征

  生物不仅具有多样性,而且具有一些共同的特征和属性。人们对这些共同的特征、属性和规律的认识,使内容十分丰富的生物学成为统一的知识体系。

生物化学的同一性

  大量实验研究表明,组成生物体生物大分子的基本结构和功能,在原则上是相同的。例如,各种生物的蛋白质的单体都是氨基酸,天然氨基酸种类不过20种左右,各种生物的核酸的单体都是核苷酸,种类不过8种,这些单体都以相同的方式组成蛋白质或者核酸的长链,它们的基本功能对于所有生物都是一样的。在不同的生物体内基本代谢途径也是相同的,甚至在同一代谢途径中各个不同步骤所需要的酶也是基本相同的。不同生物体在代谢过程中都以ATP的形式传递能量。生物化学的同一性深刻地揭示了生物的统一性。

多层次的结构模式

  19世纪德国科学家M.J.施莱登T.A.H.施万提出细胞学说,认为动、植物都是由相同的基本单位——细胞所组成。这对于病毒以外的一切生物,从细菌到人都是适用的。细胞是由大量原子和分子所组成的非均质的系统。在结构上,细胞是由蛋白质、核酸、脂质、多糖等生物大分子为主体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,特别是核酸和蛋白质的系统;从热力学观点看,细胞又是远离平衡的开放系统。所有这些,对于原核细胞和真核细胞都是一样的。

  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。生物的各种结构单位,按照复杂程度和逐级结合的关系而排列成一系列的等级,称为结构层次。在每一个层次上表现出的生命活动不仅取决于它的组成成分的相互作用,而且取决于特定的有序结构,因此在较高层次上可能出现较低的层次所不曾出现的性质和规律。

有序性和耗散结构

  生物是由大量分子和原子组成的宏观系统(相对于研究亚原子事件的微观系统而言),它的代谢历程和空间结构都是有序的。热力学第二定律指出,物理的化学的变化导致系统的无序性或随机性(即熵)的增加。生物无休止的新陈代谢,不可避免地使系统内部的熵增涨,从而干扰和破坏系统的有序性。现代生物学证明,在生物体中同时还存在一种使熵减少的机制。20世纪60年代,I.普里戈金提出耗散结构理论。按此理论,生物体是远离平衡的开放系统,它从环境中吸取以食物形式存在的低熵状态的物质和能,把它们转化为高熵状态后排出体外。这种不对称的交换使生物体和外界熵的交流出现负值,这样就可能抵消系统内熵的增涨。生物有序正是依赖新陈代谢这种能量耗散过程得以产生和维持的。

稳态

  生物对体内的各种生命过程有良好的调节能力。生物所处的环境是多变的,但生物能够对环境的刺激作出反应,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左右等。这一概念先是由法国生物学家C.贝尔纳提出的。他指出身体内部环境的稳定是自由和独立生活的条件。后来,美国生理学家W.B.坎农揭示内环境稳定是通过一系列调节机制来保证的,并提出“稳态”一词。稳态概念的应用现在已远远超出个体内环境的范围。生物体的生物化学成分、代谢速率等都趋向稳态水平,甚至一个生物群落、生态系统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

  1855年R.菲尔肖提出,所有的细胞都来自原已存在的细胞。这个概念对于现存的所有生物来说是正确的。除了最早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,生物只能来自已经存在的生物。只能通过繁殖来实现从亲代到子代的延续。因此,遗传是生命的基本属性。

  1866年G.孟德尔通过豌豆杂交试验发现了遗传因子的分离规律和自由组合规律。20世纪20年代,以T.H.摩尔根为代表的一批科学家提出基因论,证明孟德尔假设的因子就是在染色体上线性排列的基因,补充了一个新的规律,即基因的连锁和交换规律,并证明这些规律在动物界和植物界是普遍适用的。40年代,J.莱德伯格发现细菌的有性杂交,M.德尔布吕克发现了噬菌体的交叉重组现象,从而证明病毒、原核生物和动物、植物都遵循同样的遗传规律。分子生物学的发展证明一切生物的基因的化学实体都是核酸(DNA和RNA),遗传信息都是以核苷酸的排列来编码的,DNA以半保留复制产生新的拷贝。在分子水平上,生命的连续性首先表现在基因物质DNA的连续性上。

个体发育

  通常是指多细胞生物从单个生殖细胞到成熟个体的成长过程。生物在一生中,每个细胞、每个组织、器官都随时间而发展变化,它在任何一个特定时间的状态都是本身发育的结果。生物个体发育是按一定的生长模式进行的稳定过程。个体发育的概念对单细胞生物和病毒在原则上也是适用的。单细胞生物从一代到下一代经历一定的细胞周期,病毒的发育也要经历遗传物质的复制,结构蛋白的合成以及病毒颗粒的装配过程。因此,所有的生物都有各自的按一定规律进行的生活史。

  对于个体发育规律的认识,经历了漫长的过程。1759年C.F.沃尔夫发表《发生论》,对鸡胚的发育过程作了较为详细的描述。19世纪初K.E.von贝尔提出胚层理论,指出胚胎组织和器官的发生是以内、中、外三个胚层为出发点的。20世纪初,H.施佩曼及其学派通过把胚胎组织从一处移植到另一处能改变其发育过程和方向的实验,证明了胚胎发育是通过各部分的相互作用而完成的,现代生物学证明,个体发育是由遗传信息所控制的,不论是在分子层次上,还是在细胞、组织、个体层次上,发育的基本模式都是由基因决定的。

进化

  1859年达尔文所著《物种起源》的出版,创立了以自然选择为基础的生物进化论。进化是普遍的生物学现象。每个细胞、每种生物都有自己的演变历史,都在随着时间的发展而变化,它们目前的状态是它们本身进化演变的结果。进化导致物种的分化,生物不再被认为是一大堆彼此毫无联系的、偶然的、“神造的”和不变的物种。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。生物不仅有一个复杂的纵深层次(从生物圈到生物大分子),它还具有个体发育历史和种系进化历史,有一个极广阔的历史横幅。

生态系统中的相互关系

  在自然界里,生物的个体总是组成种群,不同的种群彼此相互依赖、相互作用形成群落。群落和它所在的无生命环境组成了生物地理复合体——生态系统。在生态系统中,不同的种群具有不同的功能和作用。譬如,绿色植物是生产者,它能利用日光制造食物;动物包括人在内是消费者;细菌和真菌是分解者。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性质和特点。任何一个生物,它的外部形态、内部结构和功能、生活习性和行为,同它在生态系统中的作用和地位总是相对适应的。这种适应是长期演变的结果,是自然选择的结果。

  根据上面这些叙述,不难看出,尽管生物世界存在惊人的多样性,但所有的生物都有共同的物质基础,遵循共同的规律。生物就是这样的一个统一而又多样的物质世界。因而,生物学也就是一个统一而又十分丰富的知识领域。

研究方法

  生物学的一些基本研究方法——观察描述的方法、比较的方法和实验的方法等,是在生物学发展进程中逐步形成的。在生物学的发展史上,这些方法依次兴起,成为一定时期的主要研究手段。这些方法综合而成现代生物学研究方法体系。

观察描述的方法

  在17世纪,近代自然科学发展的早期,生物学的研究方法同物理学研究方法大不相同。物理学研究的是物体可测量的性质,即时间、运动和质量。物理学把数学应用于研究物理现象,发现这些量之间存在着相互关系,并用演绎法推算出这些关系的后果。生物学的研究则是考察那些将不同生物区别开来的、往往是不可测量的性质。生物学用描述的方法来记录这些性质,再用归纳法,将这些不同性质的生物归并成不同的类群。18世纪,由于新大陆的开拓和许多探险家的活动,生物学记录的物种几倍、几十倍地增长,于是生物分类学首先发展起来。生物分类学者搜集物种进行鉴别、整理、描述的方法获得巨大发展。要明确地鉴别不同物种就必须用统一的、规范的术语为物种命名,这又需要对各种各样形态的器官作细致的分类,并制定规范的术语为器官命名。这一繁重的术语制定工作,主要是C.von林奈完成的。人们使用这些比较精确的描述方法收集了大量动、植物分类学材料及形态学和解剖学的材料。

比较的方法

  18世纪下半叶,生物学不仅积累了大量分类学材料,而且积累了许多形态学、解剖学、生理学的材料。在这种情况下,仅仅作分类研究已经不够了,需要全面地考察物种的各种性状,分析不同物种之间的差异点和共同点,将它们归并成自然的类群。比较的方法便被应用于生物学。

  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、原型甚至某种共同的结构单元。G.居维叶在动物学方面,J.W.von歌德在植物学方面,是用比较方法研究生物学问题的著名学者。用比较的方法研究生物,愈来愈深刻地揭示动物和植物结构上的统一性,势必触及各个不同类型生物的起源问题。19世纪中叶,达尔文的进化论战胜了特创论和物种不变论。进化论的胜利又给比较的方法以巨大的影响。早期的比较,还仅仅是静态的共时的比较,在进化论确立后,比较就成为动态的历史的比较了。现存的任何一个物种以及生物的任何一种形态,都是长期进化的产物,因而用比较的方法,从历史发展的角度去考察,是十分必要的。

  早期的生物学仅仅是对生物的形态和结构作宏观的描述。1665年英国R.胡克用他自制的复式显微镜,观察软木片,看到软木是由他称为“细胞”的盒状小室组成的。从此,生物学的观察和描述进入了显微领域。但是在17世纪,人们还不能理解细胞这样的显微结构有何等重要意义。那时的显微镜未能消除使影像失真的色环,因而还不能清楚地辨认细胞结构。19世纪30年代,消色差显微镜问世,使人们得以观察到细胞的内部情况。1838~1839年施莱登和施万的细胞学说提出:细胞是一切动植物结构的基本单位。比较形态学者和比较解剖学者多年来苦心探求生物的基本结构单元,终于有了结果。细胞的发现和细胞学说的建立是观察和描述深入到显微领域所获得的成果,也是比较方法研究的一个重要成果。

实验的方法

  前面提到的观察和描述的方法有时也要对研究对象作某些处理,但这只是为了更好地观察自然发生的现象,而不是要考察这种处理所引起的效应。实验方法则是人为地干预、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。实验的方法是自然科学研究中最重要的方法之一。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W.哈维关于血液循环的实验,J.B.van 海尔蒙特关于柳树生长的实验等。然而在那时,生物学的实验并没有发展起来,这是因为物理学、化学还没有为生物学实验准备好条件,活力论还占统治地位。很多人甚至认为,用实验的方法研究生物学只能起很小的作用。

  到了19世纪,物理学、化学逐渐成熟,生物学实验就有了坚实的基础,首先是生理学,然后是细菌学和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胚胎学、细胞学和遗传学等学科。到20世纪30年代,除古生物学等少数学科,大多数的生物学领域都由于应用了实验方法而取得新进展。

  实验方法当然包含着对研究对象进行某种处理,然而更重要的则是它的思维方式。用实验的方法研究某一生命过程,要求根据已有事实提出假说,并根据假说推导出一个可以用实验检验的预测,然后进行实验,如果实验结果符合预测,就证明假说是正确的。在这里,假说必须是可以用实验加以验证的,而且只有经过实验的检验,假说才可能上升为学说或理论。实验方法的使用大大加强了研究工作的精确性。19世纪以来,实验方法成为生物学主要的研究方法后,生物学发生巨大变化,成为精确的实验科学。

  20世纪,实验方法获得巨大发展,然而单纯观察或描述方法,仍然是生物学的基本研究方法。生物体具有多层次的复杂的形态结构。每一个历史时期都有形态描述的任务。30年代出现了电子显微镜,使观察和描述深入到超微世界。人们通过电子显微镜看到了支原体和病毒,也看到了细胞器的超微结构。由于细胞是生命的最小单位,是生命活动的最小的系统,因而揭示它构造上的细节,对揭示生命的本质具有重大的意义。

  比较的方法在20世纪也有新的进展,它已经不限于生物体的宏观形态结构的比较,而是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,如不同物种的细胞色素C的化学结构的测定和比较。根据其差异程度可以对物种的亲缘关系给出定量的估计。

  生物学实验技术在20世纪突飞猛进。随着现代物理学、化学的发展,生物学新的实验方法纷纷出现。色谱法、分光光度法、电泳、超速离心、同位素示踪技术、X射线衍射分析、示波器、激光、电子计算机等相继应用于生物学研究。细胞培养、细胞融合、基因操作、单克隆抗体、酶和细胞固定化以及连续发酵等新技术纷纷建立,使生物学实验中对条件的控制更为有效、严格,观察和测量更为精密,这就有可能详尽地探索生物体内物质的、能的和信息的动态过程。生物学实验技术的发展使生物学取得一系列辉煌的成就。由新型的实验技术发展而来的生物工程,包括基因工程、细胞工程、酶工程、蛋白质工程和发酵工程,已经成为新技术革命的重要内容。

  实验研究往往带有分析的性质。生物学实验分析已经深入到分子的层次,生物大分子本身并不具有生命属性,只有这些生物大分子形成细胞这样复杂的系统,才表现出生命的活动。没有活的分子,只有活的系统。在每一个层次上,新的生物学规律总是作为系统的和整体的规律而出现的。对于生物学来说,既需要有精确的实验分析,又需要从整体和系统的角度来观察生命。1924~1928年L.von 贝塔兰朗提出系统论思想,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,他提出用数学和数学模型来研究生物学。半个多世纪以来,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。

现代生物学基础

  现代生物学的五大基础,也是主要的研究方向:

分科

主要分支

  生物学的分支学科各有一定的研究内容而又相互依赖、互相交叉。此外,生命作为一种物质运动形态,有它自己的生物学规律,同时又包含并遵循物理和化学的规律。因此,生物学同物理学、化学有着密切的关系。生物分布于地球表面,是构成地球景观的重要因素。因此,生物学和地学也是互相渗透、互相交叉的。

按类群划分

  早期的生物学主要是对自然的观察和描述,是关于博物学和形态分类的研究。所以生物学最早是按类群划分学科的,如植物学动物学微生物学等。由于生物种类的多样性,也由于人们对生物学的了解越来越多,学科的划分也就越来越细,一门学科往往要再划分为若干学科,例如植物学可划分为藻类学、苔藓植物学、蕨类植物学等;动物学划分为原生动物学、昆虫学、鱼类学、鸟类学等;微生物不是一个自然的生物类群,只是一个人为的划分,一切微小的生物如细菌以及单细胞真菌、藻类、原生动物都可称为微生物,不具细胞形态的病毒也可列入微生物之中,因而微生物学进一步分为细菌学、真菌学、病毒学等。

  按生物类群划分学科,有利于从各个侧面认识某一个自然类群的生物特点和规律性。但无论具体对象是什么,研究课题都不外分类、形态、生理、生化、生态、遗传、进化等方面。为了强调按类型划分的学科已经不仅包括形态、分类等比较经典的内容,而且包括其他各个过程和各种层次的内容,人们倾向于把植物学称为植物生物学,把动物学称为动物生物学。

  生物在地球历史中有着40亿年左右的发展进化历程。大约有1,500万种生物已经绝灭,它们的一些遗骸保存在地层中形成化石。古生物学专门通过化石研究地质历史中的生物,早期古生物学多偏重于对化石的分类和描述,生物学领域的各个分支学科被引入古生物学,相继产生古生态学古生物地理学等分支学科。21世纪初,对古生物化石和古生物遗体的古蛋白质和古DNA分子进行系统研究分析,有助于系统学的研究,业已取得令人瞩目的成果。有人建议,以广义的古生物生物学代替原来限于对化石进行分类描述的古生物学。

  生物的类群是如此的繁多,需要一个专门的学科来研究类群的划分,这个学科就是分类学。林奈时期的分类以物种不变论为指导思想,只是根据某几个鉴别特征来划分门类,习称人为分类。现代的分类是以进化论为指导思想,根据物种在进化上的亲疏远近进行分类,通称自然分类。现代分类学不仅进行形态结构的比较,而且吸收生物化学及分子生物学的成就,进行分子层次的比较,从而更深刻揭示生物在进化中的相互关系。现代分类学可定义为研究生物的系统分类和生物在进化上相互关系的科学。

按属性划分

  生物学中有很多分支学科是按照生命运动所具有的属性、特征或者生命过程来划分的。

  形态学 是生物学中研究动、植物形态结构的学科。在显微镜发明之前,形态学只限于对动、植物的宏观的观察,如大体解剖学、脊椎动物比较解剖学等。比较解剖学是用比较的和历史的方法研究脊椎动物各门类在结构上的相似与差异,从而找出这些门类的亲缘关系和历史发展。显微镜发明之后,组织学和细胞学也就相应地建立起来,电子显微镜的使用,使形态学又深入到超微结构的领域。但是形态结构的研究不能完全脱离机能的研究,现在的形态学早已跳出单纯描述的圈子,而使用各种先进的实验手段。

  生理学 是研究生物机能的学科,生理学的研究方法是以实验为主。按研究对象又分为植物生理学、动物生理学和细菌生理学。植物生理学是在农业生产发展过程中建立起来的。生理学也可按生物的结构层次分为细胞生理学、器官生理学、个体生理学等。在早期,植物生理学多以种子植物为研究对象;动物生理学也大多联系医学而以人、狗、兔、蛙等为研究对象;以后才逐渐扩展到低等生物的生理学研究,这样就发展了比较生理学。

  遗传学 是研究生物性状的遗传和变异,阐明其规律的学科。遗传学是在育种实践的推动下发展起来的。1900年孟德尔的遗传定律被重新发现,遗传学开始建立起来。以后,由于摩尔根等人的工作,建成了完整的细胞遗传学体系。1953年,遗传物质DNA分子的结构被揭示,遗传学深入到分子水平。现在,遗传信息的传递、基因的调控机制已逐渐被了解,遗传学理论和技术在农业、工业和临床医学实践中都在发挥作用,同时在生物学的各分支学科中占有重要的位置。生物学的许多问题,如生物的个体发育和生物进化的机制,物种的形成以及种群概念等都必须应用遗传学的成就来求得更深入的理解。

  胚胎学 是研究生物个体发育的学科,原属形态学范围。1859年达尔文进化论的发表大大推动了胚胎学的研究。19世纪下半叶,胚胎发育以及受精过程的形态学都有了详细精确的描述。此后,动物胚胎学从观察描述发展到用实验方法研究发育的机制,从而建立了实验胚胎学。现在,个体发育的研究采用生物化学方法,吸收分子生物学成就,进一步从分子水平分析发育和性状分化的机制,并把关于发育的研究从胚胎扩展到生物的整个生活史,形成发育生物学。

  生态学 是研究生物与生物之间以及生物与环境之间的关系的学科。研究范围包括个体、种群、群落、生态系统以及生物圈等层次。揭示生态系统中食物链、生产力、能量流动和物质循环的有关规律,不但具有重要的理论意义,而且同人类生活密切相关。生物圈是人类的家园。人类的生产活动不断地消耗天然资源,破坏自然环境。特别是进入20世纪以后,由于人口急剧增长,工业飞速发展,自然环境遭到空前未有的破坏性冲击。保护资源、保持生态平衡是人类当前刻不容缓的任务。生态学是环境科学的一个重要组成成分,所以也可称环境生物学。人类生态学涉及人类社会,它已超越了生物学范围,而同社会科学相关联。

  生命活动不外物质的转化和传递、能的转化和传递以及信息的传递三个方面。因此,用物理的、化学的以及数学的手段研究生命是必要的,也是十分有效的。交叉学科如生物化学、生物物理学、生物数学就是这样产生的。

  生物化学 是研究生命物质的化学组成和生物体各种化学过程的学科,是进入20世纪以后迅速发展起来的一门学科。生物化学的成就提高了人们对生命本质的认识。生物化学和分子生物学的内容有区别,但也有相同之处。生物化学侧重于生命的化学过程、参与这一过程的作用物、产品以及酶的作用机制的研究。例如,在细胞呼吸、光合作用等过程中物质和能的转换、传递和反馈机制都是生物化学的研究内容。分子生物学是从研究生物大分子的结构发展起来的,现在更多的仍是研究生物大分子的结构与功能的关系以及基因表达、调控等方面的机制问题。

  生物物理学 是用物理学的概念和方法研究生物的结构和功能、研究生命活动的物理和物理化学过程的学科。早期生物物理学的研究是从生物发光、生物电等问题开始的,此后随着生物学的发展,物理学新概念,如量子物理、信息论等的介入和新技术如X射线衍射、光谱、波谱等的使用,生物物理的研究范围和水平不断加宽加深。一些重要的生命现象如光合作用的原初瞬间捕捉光能的反应,生物膜的结构及作用机制等都是生物物理学的研究课题。生物大分子晶体结构、量子生物学以及生物控制论等也都属于生物物理学的范围。

  生物数学 是数学和生物学结合的产物。它的任务是用数学的方法研究生物学问题,研究生命过程的数学规律。早期,人们只是利用统计学、几何学和一些初等的解析方法对生物现象作静止的、定量的分析。20世纪20年代以后,人们开始建立数学模型,模拟各种生命过程。现在生物数学在生物学各领域如生理学、遗传学、生态学、分类学等领域中都起着重要的作用,使这些领域的研究水平迅速提高,另一方面,生物数学本身也在解决生物学问题中发展成独立的学科。

按方法划分

  有少数生物学科是按方法来划分的,如描述胚胎学、比较解剖学、实验形态学等。按方法划分的学科往往作为更低一级的分支学科,被包括在上述按属性和类型划分的学科中。

按层次划分

  生物界是一个多层次的复杂系统。为了揭示某一层次的规律以及和其他层次的关系,出现了按层次划分的学科并且愈来愈受人们的重视。

  分子生物学 是研究分子层次的生命过程的学科。它的任务在于从分子的结构与功能以及分子之间的相互作用去揭示各种生命过程的物质基础。现代分子生物学的一个主要分科是分子遗传学,它研究遗传物质的复制、遗传信息的传递、表达及其调节控制问题等。

  细胞生物学 是研究细胞层次生命过程的学科,早期称细胞学是以形态描述为主的。以后,细胞学吸收了分子生物学的成就,深入到超微结构的水平,主要研究细胞的生长、代谢和遗传等生物学过程,细胞学也就发展成细胞生物学了。

  个体生物学 是研究个体层次生命过程的学科。在复式显微镜发明之前,生物学大都是以个体和器官系统为研究对象的。研究个体的过程有必要分析组成这一过程的器官系统过程、细胞过程和分子过程。但是个体的过程又不同于器官系统过程、细胞过程或分子过程的简单相加。个体的过程存在着自我调节控制的机制,通过这一机制,高度复杂的有机体整合为高度协调的统一体,以协调一致的行为反应于外界因素的刺激。个体生物学建立得很早,直到现在,仍是十分重要的。

  种群生物学 是研究生物种群的结构、种群中个体间的相互关系、种群与环境的关系以及种群的自我调节和遗传机制等。种群生物学和生态学是有很大重叠的,实际上种群生物学可以说是生态学的一个基本部分。

  以上所述,还仅仅是当前生物学分科的主要格局,实际的学科比上述的还要多。例如,随着人类的进入太空,天体生物学已在发展之中。又如随着实验精确度的不断提高,对实验动物的要求也越来越严,研究无菌生物和悉生态的悉生生物学也由于需要而建立起来。总之,一些新的学科不断地分化出来,一些学科又在走向融合。生物学分科的这种局面,反映了生物学极其丰富的内容,也反映了生物学蓬勃发展的景象。

意义

  自20世纪50年代DNA双螺旋结构揭示以来,分子生物学取得了迅速的发展。70年代初,DNA体外重组技术和淋巴细胞杂交瘤技术的诞生,宣告现代生物技术的来临。以现代生物技术为基础发展创立的生物工程包括基因工程、细胞工程、酶工程、蛋白质工程等,其核心是基因工程。

  几十年来,生物技术不断取得重大进展,基因合成、扩增技术,基因修饰技术,基因克隆技术,基因芯片技术,基因治疗技术,以及新型表达载体等新技术新方法不断涌现;功能基因的分离、克隆和开发应用,基因药物,重组疫苗,生物反应器,转基因植物和动物技术等有了重大突破。特别是20世纪90年代,生物技术和生命科学基础研究不断取得重大进展,人类基因组计划的完成,被称为继原子弹、人类登月之后世界科技史上的又一里程碑;模式生物拟南芥和水稻基因组图谱的公布,为植物改良、培育高产、优质、抗逆的农作物新品种奠定了基础;克隆羊“多莉”的诞生,标志着利用动物体细胞进行无性繁殖已经成为现实;干细胞、组织工程研究的重大进展,为再生医学开拓出日益广阔的前景;全球已有60多个微生物基因组的序列图公布,威胁人类的主要疾病都可能找到新的治疗方法,人类的健康水平将跃上一个新的台阶。

  现代生物技术的发展都是同生命科学(特别是同微观生物学)的发展,同生命科学与其他学科的交叉和渗透密切联系在一起的。进入21世纪,生命科学的发展呈现出新的特点:

  1. 分子生物学在生命科学中居于主导地位,带动了生物学各分支学科向分子水平深入发展,在分子水平上对细胞活动、遗传、发育和疾病的发生、发展、控制机理,以及脑功能等各种生命现象进行探索。
  2. 生命科学的研究模式发生了转变,随着生命科学本身的不断发展,对生命现象和活动认识的不断深入,并借助其他学科和技术,研究模式从单个实验室向集约型、规模化发展,大大加快了生命科学的发展速度。
  3. 分析与综合相结合、比较和实验相结合、微观与宏观相结合是目前生命科学研究的三大指导思想,生命科学的思想和方法正在从局部观向整体观拓展,人们对生命的认识有了新的视角。
  4. 生命科学和生物技术的发展在依托生命科学基础研究不断深入的同时,越来越依赖其他学科(如数理科学、化学、信息和材料科学等)提供的新理论、新技术和新突破,生命科学、生物技术与其他科学的交叉,将是21世纪生物技术发展的重要动力。

  生物与人类生活的许多方面都有着非常密切的关系。生物学作为一门基础科学,传统上一直是农学和医学的基础,涉及种植业、畜牧业、渔业、医疗、制药、卫生方面。随着生物学理论与方法的不断发展,它的应用领域不断扩大。现在,生物学的影响已突破上述传统的领域,而扩展到食品、化工、环境保护、能源和冶金工业等方面。如果考虑到仿生学,它还影响到电子技术和信息技术。

  人口、食物、环境、能源问题是举世瞩目的全球性问题。人口问题是一个社会问题,也是一个生态学问题。人们必须对人类及环境的错综复杂的关系进行周密的定量的研究,才能对地球、对人类的生存有一个清醒的认识,从而学会自己控制自己,使人口数量维持在一个合理的数字上。内分泌学和生殖生物学的成就导致口服避孕药的发明,已促进了计划生育在世界范围内的推广。在人口问题中,除了数量激增以外,遗传病也严重威胁人口质量。资料表明,新生儿中各种遗传病患者所占的比例在3%~10.5%之间。在中国的部分山区,智力不全者占2%~3%,个别地区达10%以上。揭示产生遗传病的原因,找到控制和征服遗传病的途径是生物学又一重要任务。进行家系分析以确定患者是否患有遗传病,对患者提出有益的遗传指导和劝告;通过对胎儿的脱屑细胞进行染色体分析和各种酶的生化分析,以诊断未来的婴儿是否有先天性遗传性疾病。这些方法都能避免或减少患有遗传病婴儿的出生,以减轻家庭和社会的沉重负担。将基因工程应用于遗传病的治疗称为基因治疗,在实验动物上对几种遗传病的基因治疗已取得一些进展。医药工业在基因工程研究方面进展很快。自1977年第一次用改造的大肠杆菌生产出有活性的人生长激素释放抑制因子以来,已有人生长激素、胰岛素、干扰素等30多种基因工程药品上市,用来治疗侏儒症、糖尿病、恶性肿瘤及心血管疾病等疑难病症。用克隆动物、转基因动物、转基因植物,作为生物反应器生产贵重药品的成功,也已屡见报道。基因疗法和异体器官移植也为疾病的治疗开辟了新的途径。随着基因工程技术的发展,基因治疗将为控制和治疗人类遗传病开辟广阔的前景。

  与人口问题密切相关的是食物问题。食物匮乏是发展中国家长期以来未能解决的严重问题,世界上有几亿人口处于营养不良状态。人类食物的最终来源是植物的光合作用,但在陆地上扩大农业生产的土地面积是有限的,增加食物产量的主要途径是改进植物本身。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。今天,人类在一定限度内定向改造植物,用基因工程、细胞工程培育优质、高产、抗旱、抗寒、抗涝、抗盐碱、抗病虫害的优良品种已经不是不切实际的遐想。中国袁隆平培育的超级杂交水稻,一季亩产800千克以上。随着植物基因工程的一些关键技术的突破,已得到了一些转基因植物。此外,利用富含蛋白质的藻类、细菌或真菌,进行大规模培养,并从中获得单细胞蛋白质。由于成功地利用基因工程并取得了大规模连续发酵工程的技术经验,单细胞蛋白技术已经取得了重大突破。氨基酸是蛋白质的单体,植物蛋白往往缺少某几种人体必需的氨基酸,如果在食品中添加某种氨基酸,将会大大提高植物蛋白的生物学价值。用微生物发酵、固定化细胞或固定化酶技术生产氨基酸,已经形成比较完整的体系,可以预料,氨基酸生产将在营养不良问题上发挥日益重要的作用。现代生物学成就和食品工业相结合,已使食品工业成为新兴的产业而蓬勃地发展起来。

  20世纪生态学关于人与自然关系的研究,唤醒人类重视赖以生存的生态环境。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,使大面积的土地和水域受到污染,威胁着人类生产和生活。这就要求人们更深入地研究生物圈中物质和能的循环的生态学规律,并在人类的经济生活以及其他社会生活中,正确地运用这些规律,使生物能够更好地为人类服务。现代生物学证明,微生物所具有的生物催化活性是极为广泛的,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,利用基因工程等技术还可以不断提高它们的降解作用。因此,有降解作用的微生物及其酶制剂就成为消除污染的有力手段。利用微生物防治害虫,以部分代替严重污染的有机杀虫剂也是大有前途的。在农业中尽快使用生物防治、生物固氮等新技术,改变农业过分依赖石油化工的局面,这是关系到恢复自然生态平衡的大事,也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)储备总是有限的,总有一天会枯竭。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、半纤维素、木质素。将化学的、物理的和生物学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与原油结构类似的油类,而且可高达总重的70%,这是另一个引人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,而生物的光合作用则是将太阳能固定下来的最主要的途径,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。生物学的发展和人类的未来息息相关。