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生物學(粵拼:sang mat hok;英文:biology,嚟自希臘文 bio-即係希臘文入面「生命」噉解),廣東話日常有陣時會嗌做baai6 o1,係一門研究生命同生命對環境嘅影響嘅 ...
生物學
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生物學會研究各種各樣嘅生物,並且根據佢哋嘅觀察度出能夠準確噉描述生物行為嘅理論同概念,呢啲理論同概念當中最廣義嗰啲會適用於描述所有生物嘅行為。
上:大腸桿菌(E.coli)同木棉花
下:蜜蜂同中華白海豚
生物學(粵拼:sang1mat6hok6;英文:biology,嚟自希臘文bio-即係希臘文入面「生命」噉解[1]),廣東話日常有陣時會嗌做baai6o1,係一門研究生命同生命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-嘅各種特性,嘗試創造出能夠充分噉解釋生命相關現象嘅理論,包括咗:
解剖學(anatomy)研究生物嘅物理結構;
生物化學(biochemistry)研究組成生物嘅化學成份;
生理學(physiology)研究生物喺正常運作下係點嘅樣嘅;
發育生物學(developmentalbiology)研究動物同植物嘅生長;
進化論(theoryofevolution)研究生物物種嘅基因庫會點樣隨世代而變化;
...等等[2][3]。
生物學係一門大嘅領域,可以按唔同準則分做多個子領域:例如按照所用嘅研究方法,分做嘗試用數學模型模擬生命過程嘅理論生物學(theoreticalbiology)同做實驗驗證理論嘅實驗生物學(experimentalbiology)[4];另一方面,生物學分起子領域上嚟又可以按研究嘅生命系統嘅類型嚟分,分做植物學、昆蟲學同鳥類學等嘅領域[5]。
不過雖然生物學嘅子領域咁多樣化,但呢啲領域都建基於某啲共同嘅概念,令到佢哋一齊組成一個相干嘅領域-無論屬邊個子領域,生物學家基本上冚唪唥都會認同以下呢啲諗法:細胞係生命嘅基本組成單位(細胞學說);基因係遺傳嘅基本單位,而進化係生物物種誕生同滅亡嘅主要機制(進化論);有生命嘅系統係開放系統,曉將能量轉化同令自己內部嘅熵下降,等自己身體內部能夠維持到個穩態(指個系統內部嘅溫度等變數維持喺穩定嘅水平)[6][7]...等等[8]。
除咗作為一個獨立嘅領域,生物學仲對社會科學嚟講有用:生物學上嘅理論同概念可以用於描述各種生物,而人類都係生物嘅一種;所以生物學理論同概念原則上可以至少局部解釋人類嘅行為,好多都會俾研究人類嘅社會科學借嚟幫手解釋社科所研究嘅現象;例如心理學,就時不時會借生物學上對腦嘅理解,分析人嘅腦活動同佢哋嘅行為之間有乜嘢啦掕[9];而社會學又有留意到,人嘅某啲群體行為同第啲動物嘅有相似之處,所以可能會借用動物學(生物學嘅一個子領域)嘅知識嚟解釋呢啲現象[10]。
目錄
1定位
1.1基本哲學
1.2定義生命
2現代理論基礎
2.1細胞學說
2.2能量
2.3繁殖同遺傳
2.3.1基因組
2.3.2性
2.4進化論
2.4.1進化模型
3生物分類學
3.1概論
3.2學名
4子領域
4.1第啲子領域
5史
5.1古希臘
5.2中世紀
5.3科學革命
5.4物種起源
6註釋
7睇埋
8文獻
9攷
10拎
10.1生物學網站
10.2生物學期刊
定位[編輯]
法國生物學家拉馬卡嘅畫像,1802年畫嘅。
佢出名在提出咗進化嘅諗法。
內文:生物學哲學
基本哲學[編輯]
睇埋:科學方法
生物學哲學(philosophyofbiology)係科學哲學嘅一門,指哲學家同生物學家對於「生物學應該點搞」嘅睇法。
喺呢方面,生物學同其他科學領域一樣,會跟足科學方法嚟去研究生命。
生物學界會:
根據手上已知係真嘅事實,諗一啲理論出嚟(「基於我哋經已觀察到嘅呢啲現象,我推測啲現象背後嘅法則係噉噉噉,令生物有呢啲行為」),呢啲理論好多時係用數學模型嘅方式嚟表達嘅;
跟手就靠邏輯性嘅思考,去諗吓呢柞理論會做點樣嘅預測(「如果我提倡嘅呢個理論係真確嘅,理應會...」);
然後就做實驗同觀察嚟攞數據,驗證吓個理論嘅預測係咪真確(「如果我呢個理論係真確,呢個實驗理應會得出某個某個結果,而個實際嘅實驗結果係...」);
如果數據顯示,個理論係做唔到準確嘅預測嘅話,就要一係根據攞到嘅數據睇吓個理論要點改先可以令佢做到準確啲嘅預測,一係就要諗新理論取代舊理論[11]。
上述嘅過程會係噉不斷重複,直至手上嘅理論做得到完全準確嘅預測為止-於是乎生物學就有持續嘅發展,做到愈嚟愈準確嘅預測。
到咗現代,生物學經已有完整嘅理論體系,有多個理論解釋生命嘅本質,而呢啲理論每個都閒閒地俾生物學家驗證過上百次-好經得起考驗,所以學界一般認為,呢啲理論係有返咁上下正確嘅模型(approximatelyaccuratemodels)-能夠充分噉描述現實。
而且生物學仲會不斷噉去搵新嘅現象研究,睇吓呢啲理論能唔能夠解釋新現象,又或者使唔使諗新嘅理論[12][13]。
定義生命[編輯]
內文:生命同生物
生命(拉丁文:vita)係一種特性,而生物(organism)就係有生命嘅嘢。
生物學做嘅係用科學方法研究生命同生物,所以要搞生物學,第一樣要做嘅就係答以下嘅問題[14]:
「
何謂生命?
」
喺廿一世紀生物學界入面,仲未有定義能夠完美冇灰色地帶噉將生物同非生物區分開[14][15]。
不過一般嚟講,傳統生物學都認為生命係一種特質,會令到有生命嘅嘢喺特定嘅環境之下曉嘗試維持自己嘅存在,甚至乎自我複製,並且嘗試將自己身上嘅基因散播開去,包含咗以下七種特徵[16][17]:
組織(organization):身體由至少一個細胞組成-細胞係生命嘅基本單位(睇埋下面細胞學說)[18]。
穩態(homeostasis):一隻生物曉調制佢內部嘅環境,令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(探測到佢內部溫度有所改變)嗰陣,佢身體會流汗,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)[19],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[20]。
反應(response):一隻正常健康嘅生物曉對外界嘅刺激俾反應(刺激可以係任何物理變數起變化),而呢啲反應通常牽涉到某啲嘅郁動,例如係就連(就噉睇好似唔識郁嘅)植物都會擰轉自己啲葉嚟對準太陽,等自己可以吸收到最多嘅太陽光;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。
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同俾反應等各種嘅生命活動。
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,利用太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整新細胞,幫助做生長等嘅工作[21]。
生長(growth):生物喺新陳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。
繁殖(reproduction):一個生物物種嘅正常健康個體會用穩態、對外界嘅反應同新陳代謝維生,做生長嚟提升自己生存同繁殖嘅能力,最後用某啲方法製造新嘅個體,將自己身上嘅基因傳俾下一代。
繁殖可以係通過無性或者有性嘅過程嚟進行嘅;人類等嘅哺乳類動物行有性繁殖,靠公同乸嘅交配產生下一代[22]。
適應(adaptation):喺繁衍後代嘅過程當中,一個生物物種嘅基因庫(因為物競天擇同基因突變等嘅機制)會一代一代噉慢慢變化,令個物種變到更加擅長喺自己住嘅環境當中生存繁衍。
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[18]。
事物
組織
穩態
反應
新陳代謝
生長
繁殖
適應
係咪生物
人類
✔
✔
✔
✔
✔
✔
✔
✔
灰狼
✔
✔
✔
✔
✔
✔
✔
✔
烏鴉
✔
✔
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✔
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蝴蝶
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海星
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木棉樹
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各種細菌
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✔
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石頭
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現代理論基礎[編輯]
顯微鏡下嘅幾粒人類癌細胞;佢哋嘅細胞核俾研究者用染料染咗做藍色。
細胞學說[編輯]
內文:細胞學說
細胞學說(celltheory)係現代生物學基礎之一。
呢個理論宣稱[23][24]:
細胞係生命嘅基本單位;細胞具有細胞核(nucleus)同細胞質(cytoplasm)等結構並且由細胞膜(cellmembrane)保護住。
生物冚唪唥都由一粒或者多粒細胞組成嘅。
以及
所有現存嘅細胞都係由之前存在嘅細胞做細胞分裂(celldivision)所產生出嚟嘅(而廿一世紀初生物學其中一個最大嘅問題係「宇宙嘅第一粒細胞點嚟」)[25]。
一粒細胞本身具有生命應有嘅特徵,同時又有好多生物係由大量細胞組成:細胞曉做新陳代謝,由嘢食嗰度產生自己生存落去所需嘅能量同對外界刺激作出適當嘅反應,維持自身存在;而且細胞內部帶有遺傳資訊(DNA;可以話係隻生物嘅設計藍圖);喺細胞分裂發生嗰陣,粒細胞自我複製,同時將佢啲遺傳資訊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。
喺一隻多細胞生物-例如係人同貓噉-裏面,隻生物身體嘅每一粒細胞最終都係由一粒受精卵嘅細胞嗰度嚟嘅,令到成隻多細胞生物全身上下嘅細胞喺遺傳上都一致[23][26]。
因為細胞對生命過程嘅重要性,細胞係好多病變過程嘅基本單位,例如係癌病噉,癌病嘅主要一個問題在於啲癌細胞唔受控係噉自我複製,搞到身體好多器官唔能夠正常噉運作,而呢啲器官好多時做嘅係一啲維持生命必需嘅功能(心臟確保全身各部份都有血用、胃負責消化嘢食...等等),所以呢啲器官失去功能可以引致死亡[27][28]。
能量[編輯]
睇埋:生物化學同埋生態系統
一隻生物要生存落去,就實要係噉由外界嗰度攞能量:熱力學第二定律(secondlawofthermodynamics)指出熵(entropy;
S
{\displaystyleS}
)嘅數值喺一個封閉系統當中只能夠升或者維持不變(
for
{\displaystyle{\text{for}}}
任何封閉系統,
Δ
S
≥
0
{\displaystyle\DeltaS\geq0}
),呢條定律表示,當一個系統-無論個系統有冇生命都好-身處於一個環境入面,佢嘅溫度傾向會慢慢變成同周圍環境一樣;一隻生物隨住時間過去,佢內部嘅能量會流失,所以一隻生物要用某啲方法由周圍環境攞能量;現時已知嘅生命體全部都會以某啲方法搵嘢食,並且喺體內用呢啲嘢食做化學反應(chemicalreaction)提取能量,途中會將呢啲嘢食變做第啲物質(排泄物),而組成啲嘢食嘅份子會提供可以轉化嘅能量之餘,又有可能經啲化學反應轉化做一啲隻生物需要嘅物質[29][30]。
植物靠葉綠素做光合作用,用由土壤等來源所吸收嘅物料嗰度生產嘢食。
食草動物靠食同消化植物嚟維生。
食肉動物以其他動物嘅肉做嘢食。
一條腐爛嘅兔仔屍體;一隻動物死咗之後,佢條屍會俾細菌分解,令養份返去土壤當中。
生態系統(ecosystem)查實就係能量嘅循環:一個生態系統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,而隨住個生態系統演進,能量會有流失,但一個能夠維持自身存在嘅生態系統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統為例,地球生態系統嘅能源多數都係太陽[31],好似係植物同埋其他光養生物(phototrophs)曉吸收太陽光,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[32],而一隻動物就一係食植物(牛同羊等嘅食草動物),一係食第啲動物(狼同蜻蜓等嘅食肉動物);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去太空[33][34],但呢啲流失可以由太陽光嗰度補充返-形成一個由太陽攞能量、維持自身存在嘅系統[35]。
繁殖同遺傳[編輯]
一條DNA份子嘅抽象圖解;佢裏面嗰啲份子帶有遺傳資訊,描述隻生物係點。
內文:繁殖同遺傳
生物曉繁殖(reproduce),而基因(gene)係所有已知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一啲DNA份子喺度,呢啲DNA份子成雙螺旋(doublehelix)噉嘅結構,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,例如想像人嘅DNA,如果DNA當中嘅某一段決定人嘅頭髮顏色-嗰段有
A
{\displaystyleA}
同
B
{\displaystyleB}
兩個唔同嘅可能款;身上有
A
{\displaystyleA}
嘅人會係金頭髮,而身上有
B
{\displaystyleB}
嘅人會係黑頭髮-噉呢段DNA就算係決定頭髮顏色嘅基因[36][37]。
基因決定咗一隻生物嘅遺傳資訊: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(protein),跟手呢啲蛋白質就會俾隻生物攞嚟組成身體嘅各種構造,例如動物嘅肌肉以至神經細胞都係要有蛋白質先組成得到;所以一隻生物身上嘅DNA會影響佢嘅各種特徵,由肌肉嘅大細(影響佢大唔大力)以至個腦嘅神經細胞嘅數量(影響佢嘅智能同各種認知特性[38])等。
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,顯示咗唔同嘅生物好多時都需要相同嘅身體功能,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,個基因都仲係會扮演生產胰島素嘅功能[36]。
基因組[編輯]
內文:基因組
無論一隻生物有細胞核定冇細胞核,佢嘅DNA都會聚埋一齊形成染色體(chromosomes)嘅結構,一隻生物體內所有細胞嘅染色體嘅總和就係佢個基因組(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入面;
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(nucleoid)內部[39]。
舉個例子說明,人類嘅基因組有23對染色體,而人類身體差唔多每粒細胞嘅細胞核都有呢23對(46條)染色體喺度。
每條染色體都係一條雙螺旋噉形嘅DNA份子,而啲DNA份子上面有乜嘢基因就因人而異,令到人類個體彼此之間喺身體製造某啲蛋白質嘅能力上有差異,造成身體同心理上嘅個體差異[40][41]。
顯微鏡下睇到、俾研究者上咗色嘅人類染色體
性[編輯]
內文:性
稍為複雜少少嘅生物,包括所有已知嘅脊椎動物,絕大多數行有性繁殖(sexualreproduction),即係用公同乸兩個性別做繁殖:喺呢啲生物當中,公嘅會提供精子,而乸嘅就會提供卵子,精子有阿爸嘅部份DNA,而卵子有阿媽嘅部份DNA;喺受精(fertilization)嘅過程入面,精子同卵子會結合,於是就產生出一個喺遺傳上有少少似阿爸、又有少少似阿媽嘅新個體[42]。
對於有性繁殖嘅起源,廿一世紀初嘅生物學界仲有唔少爭議[43]。
其中一個見解係,有性繁殖會賦予物種比較大嘅遺傳多樣性-研究表示,靠無性繁殖(asexualreproduction)所生嘅後代同母體係一個板嘅(想像一粒靠自己分裂嚟繁殖嘅細胞,後代淨係有得由母體嗰度攞遺傳物料),所以如果一個物種係靠無性繁殖嚟生新個體嘅話,個物種嘅遺傳多樣性就會低得好交關,令佢哋好多時一旦有一兩種遺傳病,就搞到成個物種受毀滅性嘅打擊;因為噉,有性繁殖喺進化(睇下面)上對一個物種有利[44][45]。
一個男人(男人係公嘅成年人類) 一個餵緊奶嘅女人(女人係乸嘅成年人類) 顯微鏡下睇到嘅人類精子 一粒人類卵子
進化論[編輯]
顯微鏡下嘅血細胞
內文:進化論
現代生物學其中一個基礎係進化(evolution)嘅概念[46]:想像一個生物物種族群,個族群嘅基因庫(genepool;指個族群身上嘅基因嘅總和)係
x
0
{\displaystylex_{0}}
噉嘅樣,家吓佢哋做繁殖生下一代,而下一代嘅基因庫係
x
1
{\displaystylex_{1}}
噉嘅樣,因為物競天擇(睇下面)同基因突變(geneticmutation)等嘅原因,
x
1
{\displaystylex_{1}}
同
x
0
{\displaystylex_{0}}
會有少少差異,而過咗
i
{\displaystylei}
代後嘅基因庫
x
i
{\displaystylex_{i}}
可以同
x
0
{\displaystylex_{0}}
有巨大差異,令第
i
{\displaystylei}
嘅個體同初代個體唔再算係同一物種-進化就係指一個族群嘅基因庫隨時間嘅變化,以及呢啲變化產生新物種嘅過程[47][48]。
進化涉及物競天擇(naturalselection)嘅過程:喺1809年,法國生物學家拉馬卡(Jean-BaptisteLamarck)提出咗進化嘅諗法,但佢並冇做得到詳細解釋進化嘅機制(即係「點解一個族群嘅基因庫會隨時間變化」)[49];喺佢50年後嘅查理斯·達爾文(CharlesDarwin)提出咗革命性嘅物競天擇概念,達爾文指出,基因會影響一隻動物生存同繁殖嘅能力,例如跑得快啲嘅馬喺野外冇咁容易俾獵食者殺死,身體生產精子能力弱嘅公冇咁大機會會成功生到仔...等等,因為噉,喺是但一個時間點,是但搵個基因
g
0
{\displaystyleg_{0}}
,
g
0
{\displaystyleg_{0}}
嘅第
i
{\displaystylei}
個複製品叫
g
0
i
{\displaystyleg_{0i}}
,
g
0
i
{\displaystyleg_{0i}}
傳到去下一代基因庫
x
1
{\displaystylex_{1}}
嗰度嘅機會率會唔等同於另一個基因嘅一個複製品(
g
1
i
{\displaystyleg_{1i}}
),即係
Pr
(
g
0
i
⊂
x
1
)
≠
Pr
(
g
1
i
⊂
x
1
)
{\displaystyle\Pr(g_{0i}\subsetx_{1})\neq\Pr(g_{1i}\subsetx_{1})}
[註1]
於是下一代嘅基因庫會或多或少噉同上一代嘅唔同,而且長遠嚟講,地球嘅環境會係噉變化(例子可以睇氣候變化),令到「乜嘢基因對生存有利」呢點會係噉變化,例如如果一個地區因為氣候變化而搞到旱災多咗,對於住呢個地區嘅生物嚟講,「令身體保水能力強嘅基因」所賦予嘅優勢就會大咗。
如是者,地球上嘅生物物種嘅基因庫就會隨地球環境變化而不斷變(進化)[50][51]。
而基於呢啲概念嘅進化論預測,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-實驗同觀察嘅數據都撐呢個理論[52][53]。
現代嘅進化論仲進一步宣稱,地球上現存嘅生物全部都係由某一個共同祖先物種,即係所謂嘅最終共同祖先(lastuniversalcommonancestor),嗰度進化出嚟嘅-當生命啱啱喺地球上開始嗰陣(現時估計係喺35億年前左右),得最終共同祖先呢個物種,然後最終共同祖先作出一定程度嘅散播,變成多個唔同嘅子族群,然後呢啲子族群獨立各自噉進化,最後變到基因庫好唔同樣,隨住幾億年嘅時間過去(基因決定特徵),最後變成好唔一樣嘅生物[47]。
事實係,證據顯示有某啲基因係現存生物物種冚唪唥都有嘅,而呢啲基因估計就係嚟自最終共同祖先嘅基因[54]。
進化模型[編輯]
進化同物競天擇可以大致上噉用以下嘅JavaScript碼嚟模擬[55]:
varp;//基因P喺個族群當中嘅出現率
varN=2000;
vargenerations=200;
vardata=[];
varsimulations=10;
//定義咗柞子程序先。
functionnext_generation(simulation_data){//呢個子程序負責由一代嘅數據計下一代嘅樣
vardraws=2*N;
varA1=0;
varA2=0;
for(vari=0;i
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