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Chapter 1 Introduction to Biology 1.1 What is Biology 生物学是对生命的研究。除了物理和化学，生物学是科学中的最大和最重要的分支之一。在最高的研究水平上，生物学打破了对于典型的基础生物体的研究，例如：动物学，是对动物的研究；植物学，对植物的研究；微生物学，对微生物的研究。每一个领域都以多种方式对人类和地球的福利做出了贡献。例如最明显的是：植物学，对农业；动物学，对畜牧业；生态学对于环境保护，微生物学对于疾病和生态系统的研究都做出了很大程度上的贡献。 生物学的内容除了包括根据所研究生物种类的不同对其进行分类的有关知识，还包括许多其他专业化的分支学科知识，这些学科知识可能集中在一类生物或者生活在同一生境的各类生物方面。这包括生物化学，是对生物学和化学之间交叉学科的研究；分子生物学：它是在分子水平上对生命体的研究；细胞生物学：它研究一些不同类型的细胞，以及它们如何工作的；生理学：它着眼于在生物组织和器官水平上的研究;生态学，它研究有机体本身之间的相互作用;动物行为学，它研究的动物，尤其是复杂的动物的行为;遗传学与分子生物学有重叠的部分，它研究的是生命代码——DNA。 现代生物学的基础包括四个组成部分：细胞学说认为一个生命个体是以细胞为基本单位构成的。进化学认为：生命并不是随意被设计出来的而是通过随机突变和自然选择不断地逐步演变而来的。基因理论认为：DNA的微小的分子序列决定了生物体的整个结构，并从父母传递给后代。自动平衡理论认为：每个生物体的主体包括一个复杂的一套可以从外部环境的熵效应中保持其生物化学平衡的过程。 直到20世纪50年代，用X射线衍射得到DNA的结构之前，人们对于生物学的认识一直是粗浅的。尽管人们对生物学进行了不断地探索，但是生命现象如此的复杂 ，以至于彻底研究清楚可能要成百上千年的时间。但是应该明确的是，我们正走向全面的理解，生命尽管复杂但是这复杂是有限的，而且只是略微增加了几十万年或几百万年相对较长的时间尺度而已。进化尽管是具有创造性的，然而进行起来又是非常缓慢的。 近年来，令人兴奋的是，生物学主要集中于在基因组的测序和比较上的研究这就是基因组学。用自定义的DNA编程技术来创造生命的过程，叫做合成微生物学。在不久的将来这些领域的成果都将是报纸头条最抢眼的字眼。 1.2 The Origin of Life 生命的起源被认为是发生在海洋和大陆刚形成之初约44亿年前的某一时间，微生物是大量存在的，因为它的影响超过了相关地层同位素标记的比率，而这个事实被人们广泛接受距今约27亿年前。确实，在这17亿年时间范围内生命起源的事实还是不太确定的。由加州大学洛杉矶分校的古生物学家威廉?舍普夫在2002年公布的一个有争议的文件指出波浪式的地质构造其实是所谓的叠层石，其中含有35亿年之久的藻类化石的微生物。一些古生物学家不同意舍普夫的结论，并估计第一生命大约有30亿年的年龄，而不是35亿年。 从格陵兰岛西部的Isua上地壳的证据表明更早的生命的起源于38.5亿年前。S. Mojzis的这个估计是基于同位素的浓度而提出的。因为生命优先吸收同位素碳—12，所以在生命存在的地方含有比正常值更高的碳—12与更重的同位素碳—13的比值，这是众所周知的，但是用沉淀物来解释并不够直接，所以古生物学家们并不完全认同他们同行的结论。 在30亿年前我们并不知道这个星球的具体地质条件，但我们有一个大概的了解，并能在实验室中重现这些条件。斯坦利?米勒和哈罗德?尤里在其著名的1953年的调查中，米勒 - 尤列实验中重现这些条件。这些科学家使用高度还原的（非氧化）甲烷、氨和氢等的气体混合物，在一个绝对无机环境中合成了氨基酸等基本的有机单体。尽管这些游离氨基酸不同于现在的自我复制并且具有各种新陈代谢的微生物，但是他们至少暗示了生命是怎样形成的。 在早期地球的很多温暖的海洋中，数以百万的分子自由随机地发生碰撞并结合，最终形成了一些基本种类的原始基因组。然而，这种假设是混乱的，这是由于一个事实，即在米勒 - 尤列实验中创建的环境中有高浓度的化学物质，他们就可以防止多聚体从该单体结构单元形成的聚合物复合物的形成。 在20世纪50年代和60年代，另一位研究员，西德尼?福克斯在实验室和对通过力学的研究中，创造出了一个与早期地球类似的环境。他观察到氨基酸前体肽自发形成的过程，看见这些化学物质有时会使自己变成微球形状，或被封闭在球形膜中，他认为这就是细胞原始的状态。如果某些微球体能够激发其他微球体在他们周围生长，那么他们会逐步积累形成一种原始的自我复制状态，这最终可以按照达尔文进化来继续延续下去，创造出像现在蓝细菌这样高效的自我复制体。 1.3 The Significance of Biology in Yo