通往生物學世界的地圖

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樓主 2019-06-12 03:45:20
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生物學是一門研究所有不同形式的生命的學科,從簡單的細胞到棲居在這顆星球上的所有動物都是生物學家的研究對象。


○?從分子生物學到生態學,都是生物學的研究對象。|?圖片來源:Blinklearning


我們對生物學的癡迷有著源遠流長的歷史,早在4000多年前中國就有相關的醫學記載。在古希臘時期,亞里士多德(Aristotle)對海洋生物和植物有大量的相關研究。到了文藝復興時期,達芬奇(Leonardo da Vinci)冒險進行人體解剖,并詳盡的描繪了至今都令人嘆為觀止的解剖圖。


17世紀,顯微鏡的出現為我們打開了一個全新的生物世界,胡克(Robert Hooke)透過復顯微鏡的觀測首次提出了“細胞”的概念。在維多利亞時期和19世紀之間,成千上萬的新物種被發現,并被無畏的冒險家、植物學家和昆蟲學家所記錄。特別是到了1859年,達爾文(Charles Darwin)發表的《物種起源》徹底地改變了我們對生命的看法。


當所有人都把焦點集中在宏觀層面的生物體研究時,遺傳學之父孟德爾(Gregor Mendel)則探索了生物的特征是如何從上一代傳給下一代的。到了1953年,沃森(James Watson)和克里克(Francis Crick?)解釋了DNA的結構和功能,引發了生物學革命。所有的生物領域都因此在極大的程度上進行擴展,它觸及了生命的方方面面。


到了今天,層出不窮的新技術不斷地推進著生物學的發展,但該領域仍然處于探索的階段。例如,2016年,科學家在實驗室中制造了最小合成細菌基因組,僅包含了473個基因(作為比較,人類基因組包含了大約20000個),其中有149個基因的確切功能還是未知的。這表明了即使是最簡單的生物體,都可以展現出生命可以有多么的復雜。


接下來,我將帶領大家進入到生物學的世界。我們可以大致將生物學劃分為五個類別:細胞內部遺傳學生物體醫學群體。值得一提的是,生物學中的許多分支都是相互關聯的,比如研究動物學就必須要掌握進化學、生理學和生態學的相關知識,而如果不具備生物化學和分子生物學的基礎也無法研究細胞生物學。



○?生物學地圖。|?圖片來源:Dominic Walliman


1

細胞內部(Inside Cells)


細胞是最基本的單元和所有生命的基礎,它們是復雜得難以置信的分子工廠。細胞生物學(Cellular Biology)是研究細胞的形態結構,生理功能,細胞周期、分裂和凋亡,以及各種細胞器以及信息傳遞路徑的一個生物學分支。自細胞首次誕生在地球上,它經歷了超過30億年的進化,才出現了多細胞生物。



○?細胞分為兩類:真核細胞(左)和原核細胞(右)。|?圖片來源:Wikipedia


細胞是我們可以視之為生命的最小東西了。但是,科學家對生命的定義并沒有統一的意見。新陳代謝、進化、體內平衡、繁殖都是定義生命的一部分。在明顯的非生命和生命之間,是一大片難以定義的灰色地帶。病毒就是一種介于二者之間的物種,因為一方面它們不能自行復制;另一方面當有正常活細胞供它們使用時,就可進行非常高效的傳播。



○?1943年,物理學家薛定諤在都柏林舉辦了一系列的講座探討了“什么是生命?”


分子生物學(Molecular biology )將深入到細胞的內部,并研究各種系統是如何在分子的基礎上互相合作。該領域的研究課題包括DNA、RNA、氨基酸和蛋白質,以及它們之間又是如何相互作用,又有哪些因素會影響這些作用。


○?分子生物學。| 圖片來源:Dominic Walliman


這跟結構生物學(Structural biology)有關。從名字我們就可以猜出,結構生物學研究的對象是生物分子的形狀,包括氨基酸、核酸和酶。為什么它們會有這樣的結構,以及這些結構是如何影響它們的功能的?


生物化學(Biochemistry)則進一步深入研究這些生物分子在化學層面上是如何相互作用的。生命在本質上就是大量復雜的化學反應,而生物化學研究的是生命所依賴的化學信號和反應。



○?DNA的結構。| 圖片來源:Wikipedia


我們所研究的分子對象都太小了,以至于普通的光學顯微鏡無法窺探到它們,因此科學家發展了許多生物物理(Biophysics)技術來研究生物分子的結構,比如X-射線晶體學或者冷凍電鏡(冷凍電鏡技術在2017年大放異彩,不僅摘下了諾貝爾化學獎,并且在諸多領域有了新的應用)。有趣的是,科學家現在也將量子力學應用于生物學的研究上,試圖揭示一些生物過程背后的物理機制。量子生物學(Quantum Biology)的發展為理解鳥類遷徙、光合作用、甚至是嗅覺背后的秘密提供了新的見解。(詳見:《量子生物學:試圖揭示自然界的奧秘》


2

遺傳學(Genetics)


DNA是構成生命的藍圖,遺傳學研究DNA是如何通過基因來表達以創造各種不同的生命形式,以及這一信息又是如何從一代傳到下一代的。


群體遺傳學(Population genetics)是遺傳學的一個分支,它研究的是種群內和種群之間的遺傳差異。它也研究遺傳重組、種群的分類、以及種群的空間結構。同樣地,群體遺傳學試圖解釋諸如適應和物種形成現象的理論。



○?一個旁氏表(Punnett square),顯示了帶有兩種花色基因(紫花B和白花b)的豌豆雜交后的結果。| 圖片來源:Wikipedia


一個生物體的DNA密碼是如此巨大,因此我們需要用到計算機在數據中找出規律。生物信息學(Bioinformatics)是一門結合了計算機科學、生物、數學和工程的學科,用于分析和詮釋在遺傳學和其他領域中的生物數據。生物數學(Biomathematics)則使用數學工具來構建生物過程的模型,并被應用在許多其它的領域,從遺傳學到生物技術再到生態系統的研究。


3

生物體(Organisms)


動物和植物的生長和發育過程是發育生物學(Developmental Biology)的研究課題。發育生物學研究基因對細胞生長、分化和形態發生的調控,這些過程使生物體形成組織和器官。該領域的一個有趣的研究方向是干細胞(Stem Cells)是如何發育和分化成為身體中的不同細胞。(詳見:《干細胞與再生醫療:道路的盡頭便是青春之泉?》


解剖學(Anatomy)關注的是生物體在不同尺度的結構和組織。它同時包括了植物解剖學和動物解剖學,并尋求對構成生物體的所有不同部分進行命名。



○?1543出版的《人體的構造》,是安德雷亞斯·維薩里寫的一套關于人體解剖學的著作。| 圖片來源:Wikipedia


解剖學是研究生物體由什么構成的,而生理學(physiology)則是研究這些組成部分是如何運作的,以及又是如何相互作用的。它追求的是理解在生物體內的所有不同組成部分是如何共同運作,并且保持正常的運作。


生物力學(Biomechanics)采用了力學的方法研究身體的不同部分是如何設計以用來運動的。最顯而易見的是我們的四肢,但也包括血液在血管中的流動規律或心臟的瓣膜運動。在微觀層面,它也研究細胞的強度或靈活性等等。



免疫學(Immunology)研究我們的免疫系統,它是如何以多重方法來保護我們免受感染。它也調查免疫系統會發生故障的不同方式,比如過敏、自身免疫、癌癥和許多其他的疾病。


微生物學(Microbiology)研究的是用肉眼難以看到的微小生物,大致可被分為三大類——原核微生物、病毒和真核微生物。(擴展閱讀:《時間可逆性和扇貝定理》


細菌原核微生物中的一個最為普遍的例子, 它們無處不在且繁殖迅速,人的體內就有大量的細菌,除了少部分致病菌,大部分細菌對人體完全無害,甚至是維持生命的關鍵。


病毒的尺寸非常小,大小一般在20到400納米之間。病毒會感染其他生物體,例如流感病毒會感染肺部的肺細胞。由于病毒本身結構簡單,它們必須依賴宿主細胞的細胞機制進行復制,一旦離開宿主細胞就沒有了生命活動。


真核微生物主要包括真菌,酵母菌,原生動物和藻類等。與原核微生物相比真核微生物進化出了完整的細胞核和一些具有特殊功能的細胞器,比如藻類細胞中的葉綠體便可以利用葉綠素進行光合作用。真核微生物和我們的生活密切相關,制作面包,紅酒都離不開它們。我們餐桌上常見的蘑菇和木耳也屬于真核微生物。除了給我們帶來生活上的便利,真核微生物同是也是很多疾病的病原體。原生動物中的瘧原蟲便是導致瘧疾的罪魁禍首。


4

醫學(Medicine)


自古以來,我們都在尋找能夠快速治愈疾病、遏制瘟疫、延緩衰老的方法。現代醫學的發展令人驚喜地展現了許多的可能性,并發展了許多魔幻般的技術。


生物醫學研究(Biomedical research)大大幫助了人類壽命的延長,它試圖解決疾病和死亡的原因。這可以延展到許多領域,從基礎研究,到發展新的醫學裝置以及發現和診斷疾病的新方法。或者通過在制藥工業的臨床試驗發展新的藥物。


生物工程學(Bioengineering)將工程學中的原理和一些生物系統的知識融合在一起,以解決現實世界中的問題。這可以用來制造醫學中所需要的設備,比如人造器官,這被稱作為生物醫學工程。它也可以被用來制造生物技術(Biotechnology),比如遺傳工程——用以篡改生物體的遺傳密碼來治療疾病,或者創造能夠抵抗不利的生長條件的農作物。尤其是這幾年來獲得迅速發展的生物技術明星——基因編輯技術CRISPR(詳見:《肉眼看不見的剪刀——基因魔剪》


合成生物學(Synthetic biology)是生物工程的另一個分支,科學家可以從零開始制造DNA的新序列來創造出不存在于自然界的生物體。或者重新設計已經存在的系統,比如遺傳工程的大腸桿菌,來完成一些有用的任務,比如身體中的靶向藥物輸送。


剛才所提到的領域之間都是相互關聯的。其中大多數是基于它們在其它領域的研究。一個很好的例子便是神經科學(Neuroscience),這是一個研究神經系統(特別是大腦)的領域。它涉及到了大腦的解剖、神經元的生理、以及大腦里的分子生物和生物化學。因此,生物學和其它大多數科學一樣,不同領域之間都是互通的。



○?神經科學的目標是理解大腦和行為,以及我們如何感知、移動、思考和記憶的。| 圖片來源:University of Minnesota


藥劑學(Pharmacology)研究在身體里藥物的各種作用。它研究藥物的不同方面,比如藥物是如何制作的以及它們在不同的生物系統里的作用。


病理學(Pathology)研究的是疾病的各種成因和后果,以及通過對身體中的血液和組織的采樣對疾病下診斷。它也研究細胞怎樣對受傷作出的適應調整、傷口、發炎的愈合,或者像癌癥中的新細胞的不正常生長。它也被用于尸檢,調查死亡的原因。


流行病學(Epidemiology)是一門探討影響人類群體的健康和疾病的學科,并試圖找出疾病的模式,因為我們關心這些疾病是如何傳播的,對人類群體的健康又會產生怎樣的影響。它被視為公共衛生研究的基礎方法論。流行病學家一直密切監視著疾病的發生,一旦發現疾病的爆發,他們就會立即投入工作,找出傳播的原因并盡量減少傷害。


5

群體(Groups)


當我們放大視角時,就會發現生物學事實上包含了對整個自然界的研究。古生物學(Paleontology)研究遙遠過去的的史前生命,對化石的分析可以幫助我們重構古生物的面貌,以及找出它們是如何進化的線索。這和進化生物學(Evolutionary biology)密切相關,進化生物學研究的是地球上的所有的生命是如何源于同一祖先,以及研究進化怎樣導致在地球上的生命多樣化。



○?古生物學。| 圖片來源:mocomi


今天,生活在地球上的植物和動物均屬于動物學(Zoology)植物學(Botany)海洋生物學(Marine biology)的研究范疇。這些學科觀察各種動物、植物和菌類的發展、行為和生理,以及對所有不同物種進行分類。


生態學(Ecology)研究動物和植物的整個族群是如何在同一個環境中相互交往:動物們是如何互相競爭或者合作,以及有多少種的植物和動物居住在同樣的環境中。這和環境生物學(Environmental biology)緊密相連。環境生物學調查的是人類產生的污染、農業或化石燃料的排放導致的環境和氣候變化是如何破壞掉生態系統的平衡。


到目前為止,我們所提到的都僅限于地球上的生命。但生命究竟是如何從化學反應中誕生的?地球真的是宇宙中出現生命的唯一星球嗎?在其它的行星上是否也孕育出不同于我們的奇異形式的生命?天體生物學(Astrobiology)試圖回答這些問題,并通過不同的方法探測在遙遠星球上是否有生命的跡象。


○?在NASA的艾姆斯研究中心懸掛的一幅壁畫中描述了地球上生命的出現。?|?圖片來源:NASA Ames Research Center


以上,就是生物學領域的主要研究方向。如果要用一個詞來描述生物學,那就是復雜性。也正是因為如此,才使這個領域變得如此有魅力,大量的未知不斷地的引領著我們去探索。未來,我們是否能夠找到治愈癌癥的方法、開發出緩解阿爾茲海默癥和延緩衰老的藥物?或許吧。但更令人期待的是在這個探索的過程中,我們所遇到的那些意想不到的發現。


擴展閱讀:

[1]?https://www.youtube.com/watch?v=wENhHnJI1ys

[2]?https://www.livescience.com/44549-what-is-biology.html

[3]?http://www.theworldin.com/edition/2018/article/14590/biology-childs-play

[4]?https://www.irishtimes.com/news/science/dublin-institute-marks-75th-anniversary-of-schr?dinger-lecture-1.3379859


中學生“英才計劃”


ID:zxsycjh


數學|物理|化學|生物|計算機

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