生物學

生物學（βιολογία；biologia；德語：Biologie；法語：biologie；biology）或稱生物科學（biological sciences）、生命科學（life sciences），是自然科學的一大門類，由經驗主義出發，廣泛研究生命的所有方面，包括生命起源、演化、分佈、構造、發育、功能、行為、與環境的互動關系，以及生物分類學等。現代生物學是一個龐大而兼收並蓄的領域，由許多分支和分支學科組成。然而，儘管生物學的範圍很廣，在它裡面有某些一般和統一概念支配一切的學習和研究，把它整合成單一的、連貫的領域。在總體上，生物以細胞作為生命的基本單位，基因作為遺傳的基本單元，和進化是推動新物種的合成和創建的引擎。今天人們還了解，所有生物體的生存以消耗和轉換能量，調節體內環境以維持穩定的和重要的生命條件。生物學分支學科被研究生物體的規模所定義，和研究它們使用的方法所定義：生物化學考察生命的基本化學；分子生物學研究生物分子之間錯綜複雜的關系；植物學研究植物的生物學；細胞生物學檢查所有生命的基本組成單位，細胞；生理學檢查組織，器官，和生物體的器官系統的物理和化學的功能；進化生物學考察了生命的多樣性的產生過程；和生態學考察生物在其環境如何相互作用。最終能夠達到治療診斷遺傳病、提高農作物產量、改善人類生活、保護環境等目的。

## 歷史

生物學之英語單詞「biology」(德語、法語「Biologie」)源於希臘文βίος，Bio，意為生命，以及字尾-λογία，-logia，意為學問，合併為「研究生命的學問」。1802年，法國博物學家拉馬克最早提出這個名詞。

## 現代生物學基礎

現代生物學的五大基礎，也是主要的研究方向：

### 細胞學說

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細胞學說認為細胞是生物的基本單位，而且所有生物都是由一至多個細胞以及細胞分泌的物質組成（例如外骨骼）。所有細胞都是由其他細胞藉由細胞分裂的方式產生。多細胞生物一開始是從一個受精卵的單一細胞開始，再漸漸分裂為各個細胞，而細胞也是許多病理過程的基本單位.。此外，細胞之間能量轉移的現象稱為代謝，而細胞包含的遺傳資訊（DNA），在細胞分裂時也會傳遞給其他的細胞。

### 演化

現代生物學認為生命是從演化而來，所有已知的生物都有一共同起源。演化論假設所有地球上活著及已絕種的生物都是來自一共同起源或一基因庫。所有生物最晚的共同起源約出現在約35億年前。

目前已有壓倒性的證據支持演化的真實性，學界普遍認為演化是事實，而不僅僅是理論或假說，對於演化論的真確性，存在有強烈的科學共識，演化以外任何關於物種起源或人類起源的學說，目前都不獲支持。絕大多數的科學社群和學術團體，都認為演化論是唯一能完全滿足在生物學、古生物學、分子生物學、遺傳學、人類學及其他各領域中所觀察到的現象的理論。一項在1991年所作的蓋洛普民調顯示，只有大約5%的科學家（包括生物學領域以外的其他科學家）認為自己是創造論者。截至目前為止，沒有任何反對演化論且經過科學方面同行審查的論文，名列科學與醫學期刊搜尋引擎PubMed當中。

### 遺傳學

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基因是生物體遺傳的基本單位，基因對應一特定區域的DNA，以特定方式影響生物的某一部位或某一機能。從細菌到動物的所有生物體都有同様複製DNA，並依此產生蛋白質的能力。細胞將DNA的基因轉錄為對應的核糖核酸（RNA），然後核糖體將RNA轉譯為一串由胺基酸組成的蛋白質。由RNA轉換為胺基酸的遺傳密碼在大部份生物中是相同的，但有些生物仍有少許差異。例如若將人類對應胰島素的DNA放在植物中，也可以產生胰島素。

### 體內平衡

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體內平衡(homeostatic)：平衡是一個開放系統可以藉由許多彼此相關機制的動態平衡調整，使得其內在情形維持在穩定的狀態。所有的生物，不論是單細胞或是多細胞生物，都有體內平衡的機制。

一系統若要維持動態平衡，並且有效的進行調整，需要有能力偵測擾動，並且針對擾動進行回應。生物系統在偵測到擾動後，一般會利用負回授的方式回應。也就是藉由調整系統的條件，設法降低擾動的影響。就像若動物體內血糖濃度過低時，會釋放胰高血糖素增加血糖一様。

### 能量

一個活的生物體的生存依賴於能量的連續輸入。生物體是靠化學反應來從食物中提取能量，才能維持身體機能，並建立新的細胞。在上述反應中，組成食物化學物質的分子扮演兩個重要角色。第一，這些分子中有些可以藉由生物體內的化學反應產生能量。第二，有些則可以組成生物分子中的新的分子結構。

負責引進能量到生態系統的生物被稱為生產者或自養生物。幾乎所有的這些生物體最初都從太陽吸取能量。

## 研究概況

生物學家從很多面向研究生物，因此產生很多研究領域。例如：

- 面向原子和分子：分子生物學、生物化學、結構生物學。
- 面向細胞：細胞生物學、微生物學、病毒學。
- 面向多細胞：生理學、發育生物學、組織學。
- 面向宏觀：生態學、演化生物學。

生物學本身不斷的快速發展，與其他學科的關聯整合也越來越多。一大原因是分子生物學在近代突飛猛進，終於導致人類基因序列定序基本完成。由此，為了解讀巨大數量的基因資訊，促成了基因組學。為了探究基因和蛋白質的交互作用，開創出蛋白質組學。這些新的研究領域幫助解決疾病、糧食、環境生態等問題。其眾多的研究資訊和積累海量研究數據則需要新的電腦演演算法來處理。

### 結構

分子生物學是在分子水平的生物學研究。該領域與生物學的其他領域重疊，特別是遺傳學和生物化學。分子生物學主要關注的是理解一個細胞內的各種系統的相互之間的相互作用，包括DNA，RNA和蛋白質的合成和學習這些相互作用如何被調節。

細胞生物學研究細胞的結構和生理學特性，包括它們的行為，相互作用和環境。

解剖學考慮的是宏觀結構的形式，例如器官和器官系統。

遺傳學是研究基因、遺傳和生物體的變異的科學。

### 分類與命名

- 分類：生物學對物種的分類，由上而下有 8 個層級。任一物種同時在這 8 個層級有其位置和名稱。

它們是域（regio）、界（regnum）、門（divisio 或 phylum）、綱（classis）、目（ordo）、科（familia）、屬（genus）、種（species）。

- 命名：所有的物種都有其獨特的一個學名，全球認可共通（除了學術上的分類爭議以外），不因地區或國家而不同。

雙名法是學名的命名方法，英文為 Binomial Nomenclature。它給每個物種訂立兩個文字，前字是該物種的屬（genus）名，後字是它的種小名 (種加詞)，兩者合為種名。除了前字須首字母大寫，其餘字母都要小寫。一般使用拉丁文，或以其他語言詞作語源，再加上拉丁化後綴。例如中國近來發現的恐龍，有些學名是用中文拼音做語源的。

有些物種因為環境隔絕或發生突變，必須再往下細分出亞種（subspecies）。為了方便區別，科學界給亞種設計一套 三名法，英文為 Trinomial Nomenclature。

### 生態和環境

生態學研究生物與其環境之間的相互關係的科學。環境包括生物環境和非生物環境，生物環境是指生物物種之間和物種內部各個體之間的關係，非生物環境包括自然環境：土壤、岩石、水、空氣、溫度、濕度等。

### 研究方法

生物學家對於生命現象的研究通常採用觀察和實驗的方法，通常這兩種方法是一起使用的。

- 觀察是按生物的物理性狀來描述生物的狀況。通常是先對其外形及行為進行觀察和描述，再把生物體解剖藉助光學儀器對其內部結構進行觀察。觀察是多種多樣的，有個體的觀察也有群體的觀察；有靜態的觀察也有動態的觀察；有相同種類的觀察也有不同種類的對比觀察。
- 實驗是人為地改變一些條件來觀測生物的變化和反應，以探究生命內在的因果關係，是認識生命活動的方法。

實驗方法是人為地干預、控制所研究的對象，並通過這種干預和控制所造成的效應來研究對象的某種屬性。17世紀前後生物學中出現了最早的一批生物學實驗，如英國生理學家威廉·哈維關於血液循環的實驗，揚·巴普蒂斯塔·范·海爾蒙特關於柳樹生長的實驗等。到了19世紀，物理學、化學比較成熟了，生物學實驗就有了堅實的基礎，因而首先是生理學，然後是細菌學和生物化學相繼成為明確的實驗性的學科。19世紀80年代，實驗方法進一步被應用到了胚胎學，細胞學和遺傳學等學科。

- 系統的方法：系統科學源自對還原論、機械論反省提出的有機體、綜合哲學，從克洛德·貝爾納與沃爾特·布拉福德·坎農揭示生物的穩態現象、諾伯特·維納與威廉·羅斯·艾什比的控制論到卡爾·路德維希·馮·貝塔郎非的一般系統論，最早建立的是系統心理學，系統生態學、系統生理學等先後建立與發展，20世紀70-80年代系統論與生物學、系統生物學等概念發表。從克勞德·香農的資訊理論到伊利亞·普里高津的耗散結構理論，將生命看作自組織化系統。細胞生物學、生化與分子生物學發展，曼弗雷德·艾根提出細胞、分子水平探討的超循環(化學)理論。

## 尚未解決的生物學基本問題

儘管我們近幾十年來對於生命的基本過程的認識取得了的深刻進步，一些基本的問題仍然沒有得到解決。例如，在生物學的主要未解決的問題之一是性別的主要自適應功能，和特別是在真核生物中它的關鍵過程，減數分裂和同源重組。一種觀點認為，性別主要是發展成為一個適應增加遺傳多樣性（請參閱參考資料如）。另一種觀點認為，性別是一種適應於生殖細胞系DNA促進準確的DNA修復，並且增加遺傳多樣性主要是可能是從長遠來看是有用的一個副產品。（參見有性生殖的演化）。

在生物學另一個基本未解決的問題是老化的生物學基礎。目前，沒有任何衰老的根本原因共識。各種競爭的理論列在老化#老化理論。

## 生物學主要分支

這些是生物學的主要分支：

- 動物學領域：動物生理學、解剖學、胚胎學、神經生物學、發育生物學、昆蟲學、動物行為學、組織學。
- 植物學領域：簡單的學門分類可概分為：
- 應用植物學：農學（或農藝學）、園藝學、花卉學、植物育種學、林學、植物病理學等等。

這些是生物學的主要分支

- 純科學（之植物學）：植物分類學、植物生理學、植物形態學、植物解剖學、植物地理學、遺傳學、生態學、藻類學等等。
- 微生物、醫學和免疫學領域：微生物學、免疫學、血液學、細菌學、病毒學、感染性疾病、毒理學、放射生物學、癌生物學。
- 生物化學領域：生物化學、蛋白質力學、醣類生化學、脂質生化學、代謝生化學。
- 演化和生態學領域：古生物學、演化論、演化生物學、社會生物學、分類學、系統分類學、生態學、生物分布學。
- 現代生物技術學領域：生物技術學、基因工程、酵素工程學、生物工程、代謝工程學、基因體學、合成生物學。
- 細胞和分子生物學領域：細胞學、分子生物學、遺傳學、表觀遺傳學、神經生物學。
- 生物和物理學領域：生物物理學、結構生物學、生醫光電學、醫學工程。
- 生物和資訊領域：生物數學、生物資訊學、系統生物學。
- 環境和生物學領域：大氣生物學、生物地理學、海洋生物學、淡水生物學、地球生物學。

## 外部連結

- 莊榮輝 (臺灣大學生化科技學系)：生物化學基礎。
- 生物學的歷史。
- Dr. Martina Henn-Sax 的分子生物學課：中心法則。
- 合成生物學 (La biologie synthétique)：合成生物學的說明。
- Kimball 的生物學頁面：一個在線的生物教科書。
- http://tolweb.org/tree/phylogeny.html
- 生物雜誌（The Journal of Biology）：一個免費的小型研究雜誌。
- https://bootinfos12.com.ng/ NCBI 書架：可以查詢許多生物學書籍。
- DIAM：一個微生物資訊的網站。