“生物学”简介、含义、起源、历史与发展

生物学生物学是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。人是生物的一种，也是生物学的研究对象。在自然科学还没有发展的古代，人们对生物的五光十色、绚丽多彩迷惑不解，他们往往把生命和无生命看成是截然不同、没有联系的两个领域，认为生命不服从于无生命物质的运动规律。不少人还将各种生命现象归结为一种非物质的力，即“活力”的作用。这些无根据的臆测，随着生物学的发展而逐渐被抛弃，在现代生物学中已经没有立足之地了。20世纪特别是40年代以来，生物学吸收了数学、物理学和化学等的成就，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一种运动形态。生命的基本单位是细胞，它是由蛋白质、核酸、脂质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。例如，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等。揭露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，本文着重说明生物学研究的对象、分科、方法和意义。关于生命的本质和生物学发展的历史，将分别在“生命”、“生物学史”等条目中阐述。研究对象地球上现存的生物估计有200万～450万种；已经灭绝的种类更多，估计至少也有1500万种。从北极到南极，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，等等。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。当前比较通行的是美国R.H.惠特克于1969年提出的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。中国生物学家陈世骧于1979年提出6界系统。这个系统由非细胞总界、原核总界和真核总界3个总界组成，代表生物进化的3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和蓝菌界。真核总界包括植物界、真菌界和动物界，它们代表真核生物进化的3条主要路线。非细胞生命形态病毒不具备细胞形态，由一个核酸长链和蛋白质外壳构成。根据组成核酸的核苷酸数目计算，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。近年发现了比病毒还要简单的类病毒，它是小的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。原核生物原核细胞和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和真核生物，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，在自然界的氮素循环和其他元素循环中起着重要作用（见土壤矿物质转化）。有些细菌能使无机物氧化，从中取得能来制造食物；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。枝原体、立克次氏体和衣原体均属细菌。枝原体无细胞壁，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，而不能氧化葡萄糖或有机酸以产生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，这是高等植物也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（见生命起源），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。近年发现的原绿藻，含叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素。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，R.H.惠特克吸收上世纪E.海克尔的意见，将原生生物列为他的5界系统中的1界，即原生生物界。但是有些科学家主张撤销这1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、输导和覆盖等各种组织。大多数植物的生殖是有性生殖，形成配子体和孢子体世代交替的生活史。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。一整团菌丝叫菌丝体。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。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。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结构和功能，在原则上是相同的。例如各种生物的蛋白质