生物學

出自維基百科,自由嘅百科全書
Jump to navigation Jump to search
生物學會研究各種嘅生物。

生物學粵拼:sang1 mat6 hok6英文biology),廣東話日常有陣時會嗌做「baai6 o1」,係一門專門研究生命同佢哋對環境嘅影響嘅自然科學。生物學家會研究生物(有生命嘅嘢)嘅物理結構化學成份生理機制發育、同埋進化等嘅過程[1][2]。生物學要分子領域可以按照所用嘅研究方法嚟分,分做用數學模型模擬生命過程嘅理論生物學同埋做實驗驗證理論嘅實驗生物學[3]。子領域又可以按照所研究嘅生命系統嚟分,分做植物學昆蟲學、同埋鳥類學等嘅領域。

雖然呢啲子領域噉多樣化,但係佢哋都有住某啲共通嘅概念令到佢哋一齊組成一個相干嘅領域:呢啲子領域都認同細胞係生命嘅基本單位,基因遺傳嘅基本單位,而進化係生物物種誕生同滅亡嘅主要機制,有生命嘅系統係開放系統(open system),曉將能量轉化同埋令自己內部嘅(entropy)下降[4],等自己身體內部能夠維持到一個穩態[5][6]

生物學嘅英文名「biology」源自拉丁文字「bio」-即係拉丁文入面「生命」噉解。

現代理論基礎[編輯]

幾粒人類癌細胞;佢哋嘅細胞核用染料上咗藍色。

生命[編輯]

內文: 生命生物

喺生物學入面目前仲未有定義能夠冇灰色地帶咁將生物同非生物分開[7][8][9][10]。一般嚟講,傳統都認為生命係一種特質,會令到有生命嘅嘢喺特定環境之下嘗試維持自己嘅存在,甚至乎嘗試將自己身上嘅基因散播開去,包含咗以下七種特徵[11]

  • 組織(Organization):身體由至少一個細胞組成-細胞係生命嘅基本單位。
  • 穩態(Homeostasis):係指一個開放系統曉調制佢內部嘅環境嚟令到自身內部維持一個穩定嘅狀態:生物實會有某啲方法感知自己周圍同內部嘅環境,而當隻生物探測到佢內部嘅環境有所改變,佢內部嘅系統會用負回輸嘅方法嚟抗衡嗰種改變。舉個例子說明,當一個人覺得熱(探測到佢內部環境有所改變)嗰陣,佢會流汗,而汗喺由皮膚表面蒸發走嗰時會帶走熱(抗衡熱嘅負回輸),令到個人身體涼返(回歸平衡)[12]。而除咗呢個散熱系統之外,人體仲有多個系統維持自身內部嘅水份同血糖等變數嘅穩定。
  • 新陳代謝(Metabolism):有生命嘅嘢都實要用某啲方式吸收能量,並且用呢啲能量嚟做維持穩態等各種嘅生命活動。佢哋曉將化學物質同能量轉化做自己啲細胞嘅部份,並且將(通常係唔要嘅)細胞分解,好似係大部份植物都會做光合作用,利用陽光嘅能量合成一啲養分;而人類同各種動物食咗嘢之後個身體會將啲嘢食消化,並且用由嘢食嗰度攞到嘅養份嚟到整新細胞。
  • 生長(Growth):生物喺代謝入面嘅合成率會大過分解率,所以整體嚟講,一個生物個體會隨住時間而變得愈嚟愈大隻。生長嘅過程會令到隻生物各個部份都變大,而唔淨止係物質嘅累積。
  • 反應(Response):有生命嘅嘢曉對外界嘅刺激畀反應,而呢啲反應通常牽涉到某啲嘅郁動,例如係就連植物都會擰轉自己啲嚟對準太陽,等自己可以吸收到最多嘅陽光;而動物對外界嘅反應就更加快同明顯,就算用肉眼都觀察得到。
  • 繁殖(Reproduction):一個生物物種嘅正常個體識得製造新嘅個體,將自己身上嘅基因傳畀下一代。繁殖可以係通過無性或者有性嘅過程嚟進行嘅。
  • 適應(Adaptation):一個生物物種嘅基因庫會一代一代咁慢慢變化嚟到適應自己住嘅環境。呢種能力係進化過程不可或缺嘅一個部份,並且係由嗰個生物物種嘅遺傳特徵同埋環境外界因素話事嘅。

細胞學說[編輯]

內文: 細胞學說

細胞學說(cell theory)宣稱(一)細胞係生命嘅基本單位;(二)有生命嘅嘢冚唪唥都由一個或者多個細胞組成嘅;以及(三)所有現存嘅細胞都係由之前存在嘅細胞做細胞分裂(cell division)產生出嚟嘅[13]。細胞會做新陳代謝,由嘢食嗰度產生自己生存落去所需嘅能量,而且內部帶有遺傳訊息(DNA;可以話係隻生物嘅設計藍圖),喺細胞分裂發生嗰陣,粒細胞會將佢啲遺傳訊息傳達去下一代嘅細胞嗰度,所以啲下一代會似生佢哋出嚟嘅細胞[13],而喺一隻多細胞生物(例如係噉)裏面,隻生物身體嘅每一粒細胞最終都係由一粒受精嘅細胞嗰度嚟嘅,令到成隻多細胞生物全身上下嘅細胞喺遺傳上都一致[13]。同時,細胞係好多病變過程嘅基本單位,例如係癌病噉,癌症嘅主要一個問題在於啲癌細胞唔受控係噉自我複製,搞到身體嘅器官唔能夠正常噉運作[14]

因為已知嘅細胞都係由打前嘅細胞嗰度嚟嘅,所以喺對生命起源嘅研究上,「宇宙嘅第一粒細胞點嚟」係一個重要嘅問題[15]

能量[編輯]

睇埋:負熵

一隻生物要生存落去就實要係噉由外界嗰度攞能量。令一隻生物生存到落去嘅化學反應會由啲嘢食嗰度提取能量,並且將啲嘢食變做第啲物質。喺呢個過程當中,組成啲嘢食嘅份子會提供可以轉化嘅能量之餘,又可以經啲化學反應轉化做一啲隻生物需要嘅物質。

生態系查實就係能量嘅循環。一個生態系入面通常都會有一啲自營生物(autotrophs)負責由外界嗰度引入能量,而隨住個生態系演進,能量會有流失,但係一個能夠維持自身存在嘅生態系嘅自營生物會有能力由外界補充能量:以地球上大多數嘅生態系為例,地球生態系能源多數都係太陽[16],好似係植物同埋其他光養生物(phototrophs)等嘅自營生物曉吸收陽光,做光合作用將物料變成有機份子,呢啲有機份子可以用嚟做化學反應,產生一隻生物所需嘅能量[17],而一隻動物就一係食植物一係食第啲動物;喺成個過程當中,有好多能量都會喺啲生物做新陳代謝同呼吸作用嗰陣以廢料同散熱等嘅方式流失[18][19],但係呢啲流失可以由陽光嗰度補充返-形成一個由太陽攞能量維持自身存在嘅系統[20]

遺傳學[編輯]

一條 DNA 份子嘅想像圖;佢裏面嗰啲份子帶有遺傳訊息。
內文: 遺傳學

基因(genes)係所有生物將自己嘅特徵傳俾下一代嘅基本媒介。每隻生物嘅細胞裏面都有啲 DNA 份子喺度,呢啲 DNA 份子成雙螺旋(double helix)噉嘅結構,而一條 DNA 裏面有能力決定隻生物嘅特徵嘅某個特定區域就為止一個基因。基因決定咗隻生物嘅遺傳訊息:一隻生物內部會靠 DNA 嘅基因產生相應嘅 RNA 基因,而由呢啲 RNA 基因嗰度就會產生出蛋白質,跟手呢啲蛋白質就會俾隻生物攞嚟組成身體嘅各種構造(例如人類嘅肌肉都要有蛋白質先組成得到),所以一隻生物身上嘅 DNA 會決定佢嘅特徵。好多時,就算係極之唔同嘅生物物種身上都會有相同嘅基因,顯示咗唔同嘅生物都需要做相同嘅功能,舉個例子說明,如果將喺人類當中負責產生胰島素(insulin)嘅基因植入去第啲生物嗰度嗰時,佢都仲係會扮演生產胰島素嘅功能[21]

無論一隻生物有細胞核冇細胞核,佢嘅 DNA 都會聚埋一齊形成染色體(chromosomes)嘅結構,而一隻生物體內所有嘅細胞嘅染色體嘅總體就係佢個基因組(genome)。喺真核生物(eukaryotes;指啲細胞有細胞核,人類係真核生物)當中,基因組嘅 DNA 主要係位於啲細胞嘅細胞核裏面嘅,又有少部份會喺粒線體或者葉綠體入面,而喺原核生物(prokaryote;細胞冇細胞核)裏面,DNA 會位於形狀岩岩巉巉嘅擬核內部[22]。舉個例子說明,人類嘅基因組有 23 對染色體,每條染色體都係一條 DNA 份子,而啲 DNA 份子上面有乜嘢基因就因人而異,令到人類彼此之間有個體差異[23]

進化論[編輯]

內文: 進化論放射性定年法

現代生物學當中最中心嘅概念係進化(evolution):是但揾個生物族群,佢嘅基因庫曉隨住時間改變-呢個過程就係所謂嘅進化[24],而現代嘅進化論仲進一步宣稱,地球上現存嘅生物全部最終都係由某個共同祖先(即係所謂嘅最終共同祖先)嗰度進化出嚟嘅[24]-事實係,證據顯示有某一啲嘅基因係現存生物物種冚唪唥都有嘅,呢啲基因估計就係個最終共同祖先嘅基因。地球生物嘅最終共同祖先相信喺 35 億年前左右存在過[25]

進化呢個諗頭最先係喺 1809 年由法國自然學家 Jean-Baptiste Lamarck 提出嘅[26],而喺 50 年打後嘅達爾文提出咗物競天擇(natural selection)嘅概念[27],主張進化嘅主要機制係透過大自然淘汰生存同繁殖能力渣嘅個體,令到淨係得生存同繁殖能力勁嘅個體能夠將自己嘅基因傳俾下一代-於是一個族群嘅基因庫就會一代一代噉慢慢有所改變[28][29][30]。打後嘅科學家仲有加入基因漂變(genetic drift)等嘅概念做補充[31]。基於呢啲概念嘅進化論會預測,隨住一個生物族群散佈並且分做唔同嘅次族群,佢哋會慢慢噉適應各自嘅環境,變到彼此之間愈嚟愈唔同-而實驗同觀察嘅數據都撐呢個理論。

進化對現代生物學嘅各個子領域嚟講不可或缺,因為各式生命嘅組織淨係透過進化論先至可以理解得到[32]

研究[編輯]

顯微鏡下嘅血細胞
睇埋:生物學哲學

子領域[編輯]

生物喺結構上有得分做好多個層次,而每一層都有一個生物學子領域研究佢:分子生物學(molecular biology)做分子層面嘅生物學研究[33],會研究一粒細胞內部唔同嘅系統之間會點樣互動,包括咗 DNA、RNA、同蛋白質嘅合成以及呢啲互動點樣調制;細胞生物學(cell biology)研究細胞嘅結構同生理特質,包括佢哋嘅內部行為、彼此之間嘅互動、同埋佢哋同周圍環境嘅互動。呢種研究可以做喺好似細菌噉嘅單細胞生物身上,又可以做喺好似人類噉嘅多細胞生物身上。了解細胞嘅結構同功能對於研究生命嘅科學嚟講係一種基礎嘅研究,生物學家要知道細胞點運作同彼此之間點互動先至可以模擬多細胞生物嘅組織同器官嘅運作原理[34]遺傳學(genetics)係研究基因同遺傳嘅一個生物學子領域[35][36],基因決定一隻生物嘅種種特徵,而對佢哋嘅研究令到科學家了解到特定基因嘅功能同埋能夠分析基因之間嘅互動;發展生物學(developmental biology)研究生物生長同埋發育嘅過程,可以分做專門研究胚胎胚胎學(embryology)等嘅多個子領域。

生理學[編輯]

內文: 生理學

生理學(physiology)係生物學嘅一個子領域,專門研究一隻生物嘅正常整體運作當中嘅物理同生化過程。生理學會睇一隻正常噉運作緊嘅生物,以及隻生物內部嘅各個部份點樣互動以及呢啲互動點樣令到隻生物維持自己嗰個正常狀態。傳統上,生理學會分做植物生理學動物生理學兩大門,但係又唔少生理學上嘅原則係無論植物定動物都啱用嘅。

進化生物學[編輯]

內文: 進化生物學

進化生物學(evolutionary biology)主要研究物種嘅起源同埋點樣隨住時間進化。呢個領域涉及好多個界別嘅生物學家,好多時做進化研究嗰陣會有研究唔同生物物種嘅專家合作一齊解答(例如)有關佢哋研究嗰啲物種點樣共同進化出嚟嘅問題。進化生物學局部建基於古生物學(paleontology)。古生物學家會用化石研究生物物種嘅進化史[37];進化生物學又會運用群體遺傳學(population genetics)嚟研究一個生物族群嘅基因庫會點樣隨住時間改變[38]

系統分類學[編輯]

生物分類學上嘅八大層次
內文: 系統分類學

當有一個同種嘅生物族群因為地質活動或者遷徙等嘅原因而分開做兩個互不相干嘅族群嗰陣,兩個族群就會各自噉喺自己嘅新環境當中進化,而進化到噉上下兩個族群嘅差異會變到好大,大到冇能力互相配種-原本同屬同一個物種嘅族群變咗做兩個唔同物種,呢個過程就係所謂嘅物種形成(speciation)[39]。地球生命史上係噉有物種形成發生,令到地球有好豐富嘅生物多樣性,亦都令到物種之間喺遺傳上有好似樹狀圖噉嘅關係:舉個例子說明,同一個蝴蝶品種內部有個體差異,但係同一個蝴蝶品種嘅個體彼此之間喺遺傳上有足夠嘅相似度,所以同一個品種嘅蝴蝶公同蝴蝶乸交配能夠生產有生殖能力嘅下一代;相比之下,是但揾一隻蝴蝶同是但揾一隻飛蛾,佢哋之間嘅遺傳差異實會大過同一個蝴蝶品種嘅個體之間嘅差異,大到一隻蝴蝶一隻飛蛾(就算佢哋係一公一乸)就算交配都唔會生到啲乜嘢下一代;同時,蝴蝶同飛蛾之間嘅差異一定細過蝴蝶同人類之間嘅差異,噉表示喺進化史上,人類同蝴蝶嘅共同祖先應該久遠過蝴蝶同飛蛾嘅共同祖先。系統分類學(systematics)係生物學嘅一個子領域,專門研究點樣按唔同物種之間嘅遺傳差異同化石證據等嘅資訊將生物分類[40]

傳統上,生物物種俾學界分做五大(kingdom):原核生物界原生生物真菌植物、同埋動物(包括人類)[41]。但係廿一世紀嘅生物學界好多研究者都覺得呢種分法不合時宜,而會將生物物種分類做三域(three domains):古菌細菌、同真核生物(包括動物同植物)三個域[42]。呢種分法著重嘅係啲細胞有冇細胞核,以及重點生物分子嘅化學差異[42]

學名[編輯]

內文: 學名

為咗方便講唔同語言嘅生物學家溝通,生物學界有所謂嘅學名:為咗統一唔同國家嘅溝通,所有生物品種都有一個國際認可嘅拉丁文名(又叫學名)。學名全球共通,唔會因地區而異。

學名多數都由兩個用羅馬字母寫嘅字組成,英文係 bionomial nomenclature。第一個字嘅頭一個字母應該大楷,其他字母都要係細楷。第一個字係嗰隻生物嘅屬名(genus),而第二個字先係隻嘢個真名。例如中華白海豚Sousa chinensis。 今時今日,第一個字都會係拉丁文,但係第二個字呢就唔一定。例如中國近來發現嘅恐龍,學名嘅第二個字係中文。

有啲品種,因為地區唔同或者突變,所以有亞種(subspecies)。噉為咗分得清楚啲,近來科學界又多咗一套叫 trinomial nomenclature 嘅學名,只係得亞種嘅生物先有。不過呢套嘢唔係好多人用,因為未受世界認可。例如有啲人會叫喺香港嘅中華白海豚做 Sousa chinensis chinensis,印尼嘅中華白海豚做 Sousa chinensis plumbea

分類簡介[編輯]

生物學分類,有七個大類別。即係(Kingdom)、(phylum)、(class)、(order)、(family)、(genus)、(species),所有品種都必定有列出呢七個基本分類。類同類之間,可以用「亞」嚟話「細啲」,例如"「亞種」"(sub-species);又可以用「超」嚟話「大啲」,即係超科(super family)。

生物,除咗動物同植物之外重有三界,加埋有五界。分別係動物(Animalia)、植物(Plantae)、真菌(Fungi)例如菇類等、原核生物(Prokaryota)同其他有細胞核嘅單細胞生物(原生生物,Protista)。目前世界唔叫病毒(virus)做生物。至於病毒係唔係生物,係生物學最激烈嘅討論之一。

  • ,係比界細嘅分類。例如軟體動物門、節支動物門(包括昆蟲)等
  • ,比門細。例如昆蟲綱、蜘蛛綱、軟骨魚綱之類
  • ,比綱細。例如靈長目(包括人)、鯨目
  • (目之下,亞目。例如齒鯨亞目古鯨亞目
  • (科之上,「超科」。例子:海豚超科)
  • ,比目細。例如海獅科、貓科
  • 。例如駝背海豚屬
  • 。例如中華白海豚
  • (種之下,亞種,譬如 Sousa chinensis plumbea, Sousa chinensis chinensis

分類表(Taxonomy)[編輯]

例如噉樣:

生物學嘅分支[編輯]

  • 生態學:研究生物嘅數目、居住範圍同埋地點、食啲乜、俾啲乜食、對環境嘅影響同環境對佢哋嘅影響
  • 行為學:研究生物嘅行為、心理、習性等
  • 基因學:研究DNARNA
  • 分類學:將生物分門別類
  • 微生物學:研究單細胞生物

未解嘅問題[編輯]

[編輯]

[編輯]

  1. Based on definition from: "Aquarena Wetlands Project glossary of terms". Texas State University at San Marcos.
  2. Craig, Nancy (2014). Molecular Biology, Principles of Genome Function. ISBN 978-0199658572.
  3. Mosconi, Francesco; Julou, Thomas; Desprat, Nicolas; Sinha, Deepak Kumar; Allemand, Jean-François; Vincent Croquette; Bensimon, David (2008). "Some nonlinear challenges in biology". Nonlinearity. 21 (8): T131.
  4. Davies, PC; Rieper, E; Tuszynski, JA (January 2013). "Self-organization and entropy reduction in a living cell". Bio Systems. 111 (1): 1–10.
  5. Modell, Harold; Cliff, William; Michael, Joel; McFarland, Jenny; Wenderoth, Mary Pat; Wright, Ann (December 2015). "A physiologist's view of homeostasis". Advances in Physiology Education. 39 (4): 259–66.
  6. Howell, Elizabeth (8 December 2014). "How Did Life Become Complex, And Could It Happen Beyond Earth?". Astrobiology Magazine.
  7. McKay, Chris P. (14 September 2004). "What Is Life—and How Do We Search for It in Other Worlds?". PLoS Biology. 2 (2(9)): 302.
  8. "life". The American Heritage Dictionary of the English Language (4th ed.). Houghton Mifflin. 2006.
  9. Trifonov, Edward N. (2012). "Definition of Life: Navigation through Uncertainties" (PDF). Journal of Biomolecular Structure & Dynamics. Adenine Press. 29 (4): 647–50.
  10. "Can scientists define 'life' ... using just three words?"
  11. Koshland, Jr., Daniel E. (22 March 2002). "The Seven Pillars of Life". Science. 295 (5563): 2215–16.
  12. Hypohidrosis (Absent Sweating): Causes, Symptoms, and Treatments.
  13. 13.0 13.1 13.2 Mazzarello, P (May 1999). "A unifying concept: the history of cell theory". Nature Cell Biology. 1 (1): E13–15.
  14. Zink, Daniele; Fische, Andrew H.; Nickerson, Jeffrey A. (1 October 2004). "Nuclear structure in cancer cells". Nature Reviews Cancer. 4 (9): 677–687.
  15. Wald, G. (1954). The origin of life. Scientific American, 191(2), 44-53.
  16. Bryant, DA; Frigaard, NU (November 2006). "Prokaryotic photosynthesis and phototrophy illuminated". Trends in Microbiology. 14 (11): 488–96.
  17. Smith, AL (1997). Oxford dictionary of biochemistry and molecular biology. Oxford [Oxfordshire]: Oxford University Press. p. 508. ISBN 978-0198547686. Photosynthesis – the synthesis by organisms of organic chemical compounds, esp. carbohydrates, from carbon dioxide using energy obtained from light rather than the oxidation of chemical compounds.
  18. Campbell, Neil A.; Reece, Jane B. (2001). "6". Biology. Benjamin Cummings.
  19. Bartsch, John; Colvard, Mary P. (2009). The Living Environment. New York State: Prentice Hall.
  20. Edwards, Katrina. "Microbiology of a Sediment Pond and the Underlying Young, Cold, Hydrologically Active Ridge Flank". Woods Hole Oceanographic Institution.
  21. Marcial, Gene G. (August 13, 2007) From SemBiosys, A New Kind Of Insulin, Archived 2014-10-29 at the Wayback Machine.. businessweek.com
  22. Thanbichler, M; Wang, SC; Shapiro, L (October 2005). "The bacterial nucleoid: a highly organized and dynamic structure". Journal of Cellular Biochemistry. 96 (3): 506–21
  23. "Genotype definition – Medical Dictionary definitions". Medterms.com.
  24. 24.0 24.1 Futuyma, DJ (2005). Evolution. Sinauer Associates.
  25. De Duve, Christian (2002). Life Evolving: Molecules, Mind, and Meaning. New York: Oxford University Press. p. 44.
  26. Packard, Alpheus Spring (1901). Lamarck, the founder of Evolution: his life and work with translations of his writings on organic evolution. New York: Longmans, Green.
  27. Darwin, Charles (1859). On the Origin of Species, John Murray.
  28. "The Complete Works of Darwin Online – Biography". darwin-online.org.uk.
  29. Dobzhansky, T. (1973). "Nothing in biology makes sense except in the light of evolution". The American Biology Teacher. 35 (3): 125–29.
  30. Carroll, Joseph, ed. (2003). On the origin of species by means of natural selection. Peterborough, Ontario: Broadview. p. 15. ISBN 978-1551113371. As Darwinian scholar Joseph Carroll of the University of Missouri–St. Louis puts it in his introduction to a modern reprint of Darwin's work: "The Origin of Species has special claims on our attention. It is one of the two or three most significant works of all time—one of those works that fundamentally and permanently alter our vision of the world ... It is argued with a singularly rigorous consistency but it is also eloquent, imaginatively evocative, and rhetorically compelling."
  31. Simpson, George Gaylord (1967). The Meaning of Evolution (Second ed.). Yale University Press.
  32. Montévil, M; Mossio, M; Pocheville, A; Longo, G (October 2016). "Theoretical principles for biology: Variation". Progress in Biophysics and Molecular Biology. From the Century of the Genome to the Century of the Organism: New Theoretical Approaches. 122 (1): 36–50.
  33. "Molecular Biology". britannica.com.
  34. Mogilner, A., Wollman, R., & Marshall, W. F. (2006). Quantitative modeling in cell biology: what is it good for?. Developmental cell, 11(3), 279-287.
  35. Griffiths, Anthony J.F.; Miller, Jeffrey H.; Suzuki, David T.; Lewontin, Richard C.; Gelbart, William M., eds. (2000). "Genetics and the Organism: Introduction". An Introduction to Genetic Analysis (7th ed.). New York: W. H. Freeman.
  36. Hartl, D, Jones, E (2005). Genetics: Analysis of Genes and Genomes (6th ed.). Jones & Bartlett.
  37. Jablonski D (June 1999). "The future of the fossil record". Science. 284 (5423): 2114–16.
  38. Gillespie, John H. (1998). Population Genetics: A Concise Guide. Johns Hopkins Press.
  39. Neill, Campbell (1996). Biology; Fourth edition. The Benjamin/Cummings Publishing Company. p. G-21 (Glossary).
  40. Douglas, Futuyma (1998). Evolutionary Biology; Third edition. Sinauer Associates. p. 88.
  41. Margulis, Lynn; Schwartz, KV (1997). Five Kingdoms: An Illustrated Guide to the Phyla of Life on Earth (3rd ed.). WH Freeman & Co.
  42. 42.0 42.1 Woese, CR; Kandler, O; Wheelis, ML (June 1990). "Towards a natural system of organisms: proposal for the domains Archaea, Bacteria, and Eucarya". Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 87 (12): 4576–79.