生物學生物學是研究生物各個層次的種類、結構、功能、行為、發(fā)育和起源進化以及生物與周圍環(huán)境的關系等的科學。人是生物的一種，也是生物學的研究對象。在自然科學還沒有發(fā)展的古代，人們對生物的五光十色、絢麗多彩迷惑不解，他們往往把生命和無生命看成是截然不同、沒有聯系的兩個領域，認為生命不服從于無生命物質的運動規(guī)律。不少人還將各種生命現象歸結為一種非物質的力，即“活力”的作用。這些無根據的臆測，隨著生物學的發(fā)展而逐漸被拋棄，在現代生物學中已經沒有立足之地了。20世紀特別是40年代以來，生物學吸收了數學、物理學和化學等的成就，逐漸發(fā)展成一門精確的、定量的、深入到分子層次的科學。人們已經認識到生命是物質的一種運動形態(tài)。生命的基本單位是細胞，它是由蛋白質、核酸、脂質等生物大分子組成的物質系統。生命現象就是這一復雜系統中物質、能和信息三個量綜合運動與傳遞的表現。生命有許多為無生命物質所不具備的特性。例如，生命能夠在常溫、常壓下合成多種有機化合物，包括復雜的生物大分子；能夠以遠遠超出機器的生產效率來利用環(huán)境中的物質和能制造體內的各種物質，而不排放污染環(huán)境的有害物質；能以極高的效率儲存信息和傳遞信息；具有自我調節(jié)功能和自我復制能力；以不可逆的方式進行著個體發(fā)育和物種的演化等等。揭露生命過程中的機制具有巨大的理論和實踐意義?，F代生物學是一個有眾多分支的龐大的知識體系，本文著重說明生物學研究的對象、分科、方法和意義。關于生命的本質和生物學發(fā)展的歷史，將分別在“生命”、“生物學史”等條目中闡述。研究對象地球上現存的生物估計有200萬450萬種；已經滅絕的種類更多，估計至少也有1500萬種。從北極到南極，從高山到深海，從冰雪覆蓋的凍原到高溫的礦泉，都有生物存在。它們具有多種多樣的形態(tài)結構，它們的生活方式也變化多端。從生物的基本結構單位細胞的水平來考察，有的生物尚不具備細胞形態(tài)，在已具有細胞形態(tài)的生物中，有的由原核細胞構成，有的由真核細胞構成。從組織結構水平來看，有的是單生的或群體的單細胞生物，有的是多細胞生物，而多細胞生物又可根據組織器官的分化和發(fā)展而分為多種類型。從營養(yǎng)方式來看，有的是光合自養(yǎng)，有的是吸收異養(yǎng)或腐食性異養(yǎng)，有的是吞食異養(yǎng)。從生物在生態(tài)系統中的作用來看，有的是有機食物的生產者，有的是消費者，有的是分解者，等等。生物學家根據生物的發(fā)展歷史、形態(tài)結構特征、營養(yǎng)方式以及它們在生態(tài)系統中的作用等，將生物分為若干界。當前比較通行的是美國RH惠特克于1969年提出的5界系統。他將細菌、藍菌等原核生物劃為原核生物界，將單細胞的真核生物劃為原生生物界，將多細胞的真核生物按營養(yǎng)方式劃分為營光合自養(yǎng)的植物界、營吸收異養(yǎng)的真菌界和營吞食異養(yǎng)的動物界。中國生物學家陳世驤于1979年提出6界系統。這個系統由非細胞總界、原核總界和真核總界3個總界組成，代表生物進化的3個階段。非細胞總界中只有1界，即病毒界。原核總界分為細菌界和藍菌界。真核總界包括植物界、真菌界和動物界，它們代表真核生物進化的3條主要路線。非細胞生命形態(tài)病毒不具備細胞形態(tài)，由一個核酸長鏈和蛋白質外殼構成。根據組成核酸的核苷酸數目計算，每一病毒顆粒的基因最多不過300個。寄生于細菌的病毒稱為噬菌體。病毒沒有自己的代謝機構，沒有酶系統，也不能產生腺苷三磷酸（ATP）。因此病毒離開了寄主細胞，就成了沒有任何生命活動，也不能獨立地自我繁殖的化學物質。只有在進入寄主細胞之后，它才可以利用活細胞中的物質和能，以及復制、轉錄和轉譯的全套裝備，按照它自己的核酸所包含的遺傳信息產生和它一樣的新一代病毒。病毒基因同其他生物的基因一樣，也可以發(fā)生突變和重組，因而也是能夠演化的。由于病毒沒有獨立的代謝機構，也不能獨立地繁殖，因而被認為是一種不完整的生命形態(tài)。關于病毒的起源，有人認為病毒是由于寄生生活而高度退化的生物；有人認為病毒是從真核細胞脫離下來的一部分核酸和蛋白質顆粒；更多的人認為病毒是細胞形態(tài)發(fā)生以前的更低級的生命形態(tài)。近年發(fā)現了比病毒還要簡單的類病毒，它是小的RNA分子，沒有蛋白質外殼。另外還發(fā)現一類只有蛋白質卻沒有核酸的朊粒，它可以在哺乳動物身上造成慢性疾病。這些不完整的生命形態(tài)的存在縮小了無生命與生命之間的距離，說明無生命與生命之間沒有不可逾越的鴻溝。因此，在原核生物之下，另辟一界，即病毒界是比較合理的。原核生物原核細胞和真核細胞是細胞的兩大基本類型，它們反映細胞進化的兩個階段。把具有細胞形態(tài)的生物劃分為原核生物和真核生物，是現代生物學的一大進展。原核細胞的主要特征是沒有線粒體、質體等膜細胞器，染色體只是一個環(huán)狀的DNA分子，不含組蛋白及其他蛋白質，沒有核膜。原核生物包括細菌和藍菌，它們都是單生的或群體的單細胞生物。細菌是只有通過顯微鏡才能看到的原核生物。大多數細菌都有細胞壁，其主要成分是肽聚糖而不是纖維素。細菌的主要營養(yǎng)方式是吸收異養(yǎng)，它分泌水解酶到體外，將大分子的有機物分解為小分子，然后將小分子營養(yǎng)物吸收到體內。細菌在地球上幾乎無處不在，它們繁殖得很快，數量極大，在生態(tài)系統中是重要的分解者，在自然界的氮素循環(huán)和其他元素循環(huán)中起著重要作用（見土壤礦物質轉化）。有些細菌能使無機物氧化，從中取得能來制造食物；有些細菌含有細菌葉綠素，能進行光合作用。但是細菌光合作用的電子供體不是水而是其他化合物如硫化氫等。所以細菌的光合作用是不產氧的光合作用。細菌的繁殖為無性繁殖，在某些種類中存在兩個細胞間交換遺傳物質的一種原始的有性過程細菌接合。枝原體、立克次氏體和衣原體均屬細菌。枝原體無細胞壁，細胞非常微小，甚至比某些大的病毒粒還小，能通過細菌濾器，是能夠獨立地進行生長和代謝活動的最小的生命形態(tài)。立克次氏體的酶系統不完全，它只能氧化谷氨酸，而不能氧化葡萄糖或有機酸以產生ATP。衣原體沒有能量代謝系統，不能制造ATP。大多數立克次氏體和衣原體不能獨立地進行代謝活動，被認為是介于細菌和病毒之間的生物。藍菌是行光合自養(yǎng)的原核生物，是單生的，或群體的，也有多細胞的。和細菌一樣，藍菌細胞壁的主要成分也是肽聚糖，細胞也沒有核膜和細胞器，如線粒體、高爾基器、葉綠體等。但藍菌細胞有由膜組成的光合片層，這是細菌所沒有的。藍菌含有葉綠素A，這是高等植物也含有的而為細菌所沒有的一種葉綠素。藍菌還含有類胡蘿卜素和藍色色素藻藍蛋白，某些種還有紅色色素藻紅蛋白，這些光合色素分布于質膜和光合片層上。藍菌的光合作用和綠色植物的光合作用一樣，用于還原CO2產生的H，因而伴隨著有機物的合成還產生分子氧，這和光合細菌的光合作用截然不同。最早的生命是在無游離氧的還原性大氣環(huán)境中發(fā)生的（見生命起源），所以它們應該是厭氧的，又是異養(yǎng)的。從厭氧到好氧，從異養(yǎng)到自養(yǎng)，是進化史上的兩個重大突破。藍菌光合作用使地球大氣從缺氧變?yōu)橛醒?，這樣就改變了整個生態(tài)環(huán)境，為好氧生物的發(fā)生創(chuàng)造了條件，為生物進化展開了新的前景。在現代地球生態(tài)系統中，藍菌仍然是生產者之一。近年發(fā)現的原綠藻，含葉綠素A、葉綠素B和類胡蘿卜素。從它們的光合色素的組成以及它們的細胞結構來看，很像綠藻和高等植物的葉綠體，因此受到生物學家的重視。真核生物和原核細胞相比，真核細胞是結構更為復雜的細胞。它有線粒體等各種膜細胞器，有圍以雙層膜的細胞核，把位于核內的遺傳物質與細胞質分開。DNA為長鏈分子，與組蛋白以及其他蛋白結合而成染色體。真核細胞的分裂為有絲分裂和減數分裂，分裂的結果使復制的染色體均等地分配到子細胞中去。原生生物是最原始的真核生物。原生生物的原始性不但表現在結構水平上，即停留在單細胞或其群體的水平，不分化成組織；也表現在營養(yǎng)方式的多樣性上。原生生物有自養(yǎng)的、異養(yǎng)的和混合營養(yǎng)的。例如，眼蟲能進行光合作用，也能吸收溶解于水中的有機物。金黃滴蟲除自養(yǎng)和腐食性營養(yǎng)外，還能和動物一樣吞食有機食物顆粒。所以這些生物還沒有明確地分化為動物、植物或真菌。根據這些特性，RH惠特克吸收上世紀E海克爾的意見，將原生生物列為他的5界系統中的1界，即原生生物界。但是有些科學家主張撤銷這1界，他們的理由是原生生物界所包含的生物種類過于龐雜，大部分原生生物顯然可以歸入動物、植物或者真菌，那些處于中間狀態(tài)的原生生物也不難使用分類學的分析方法適當地確定歸屬。植物是以光合自養(yǎng)為主要營養(yǎng)方式的真核生物。典型的植物細胞都含有液泡和以纖維素為主要成分的細胞壁。細胞質中有進行光合作用的細胞器即含有光合色素的質體葉綠體。綠藻和高等植物的葉綠體中除葉綠素A外，還有葉綠素B。多種水生藻類，因輔助光合色素的組成不同，而呈現出不同的顏色。植物的光合作用都是以水為電子供體的，因而都是放氧的。光合自養(yǎng)是植物界的主要營養(yǎng)方式，只有某些低等的單細胞藻類，進行混合營養(yǎng)。少數高等植物是寄生的，行次生的吸收異養(yǎng)，還有很少數高等植物能夠捕捉小昆蟲，進行吸收異養(yǎng)。植物界從單細胞綠藻到被子植物是沿著適應光合作用的方向發(fā)展的。在高等植物中植物體發(fā)生了光合器官葉、支持器官莖以及用于固定和吸收的器官（根）的分化。葉柄和眾多分枝的莖支持片狀的葉向四面展開，以獲得最大的光照和吸收CO2的面積。細胞也逐步分化形成專門用于光合作用、輸導和覆蓋等各種組織。大多數植物的生殖是有性生殖，形成配子體和孢子體世代交替的生活史。在高等植物中，孢子體不斷發(fā)展分化，而配子體則趨于簡化。植物是生態(tài)系統中最主要的生產者，也是地球上氧氣的主要來源。真菌是以吸收為主要營養(yǎng)方式的真核生物。真菌的細胞有細胞壁，至少在生活史的某一階段是如此。細胞壁多含幾丁質，也有含纖維素的。幾丁質是一種含氨基葡萄糖的多糖，是昆蟲等動物骨骼的主要成分，植物細胞壁從無幾丁質。真菌細胞沒有質體和光合色素。少數真菌是單細胞的，如酵母菌。多細胞真菌的基本構造是分枝或不分枝的菌絲。一整團菌絲叫菌絲體。有的菌絲以橫隔分成多個細胞，每個細胞有一個或多個核，有的菌絲無橫隔而成為多核體。菌絲有吸收水分和養(yǎng)料的機能。菌絲體常疏松如蛛網，以擴大吸收面積。真菌的繁殖能力很強，繁殖方式多樣，主要是以無性或有性生殖產生的各種孢子作為繁殖單位。真菌分布非常廣泛。在生態(tài)系統中，真菌是重要的分解者，分解作用的范圍也許比細菌還要大一些。粘菌是一種特殊的真菌。它的生活史中有一段是真菌性的，而另一段則是動物性的，其結構、行為和取食方法與變形蟲相似。粘菌被認為是介于真菌和動物之間的生物。動物是以吞食為營養(yǎng)方式的真核生物。吞食異養(yǎng)包括捕獲、吞食、消化和吸收等一系列復雜的過程。動物體的結構是沿著適應吞食異養(yǎng)的方向發(fā)展的。單細胞動物吞入食物后形成食物泡。食物在食物泡中被消化，然后透過膜而進入細胞質中，細胞質中溶酶體與之融合，是為細胞內消化。多細胞動物在進化過程中，細胞內消化逐漸為細胞外消化所取代，食物被捕獲后在消化道內由消化腺分泌酶而被消化，消化后的小分子營養(yǎng)物經消化道吸收，并通過循環(huán)系統而被輸送給身體各部的細胞。與此相適應，多細胞動物逐步形成了復雜的排泄系統、進行氣體交換的外呼吸系統以及復雜的感覺器官、神經系統、內分泌系統和運動系統等。神經系統和內分泌系統等組成了復雜的自我調節(jié)和自我控制的機構，調節(jié)和控制著全部生理過程。在全部生物中，只有動物的身體構造發(fā)展到如此復雜的高級水平。在生態(tài)系統中，動物是有機食物的消費者。在生命發(fā)展的早期，即在地球上只有藍菌和細菌時，生態(tài)系統是由生產者和分解者組成的兩環(huán)系統。隨著真核生物特別是動物的產生和發(fā)展，兩環(huán)生態(tài)系統發(fā)展成由生產者、分解者和消費者所組成的三環(huán)系統。出現了今日豐富多彩的生物世界。從類病毒、病毒到植物、動物，生物擁有眾多特征鮮明的類型。各種類型之間又有一系列中間環(huán)節(jié)，形成連續(xù)的譜系。同時由營養(yǎng)方式決定的三大進化方向，在生態(tài)系統中呈現出相互作用的空間關系。因而，進化既是時間過程，又是空間發(fā)展過程。生物從時間的歷史淵源和空間的生活關系來講，都是一個整體。生物的特征生物不僅具有多樣性，而且具有一些共同的特征和屬性。人們對這些共同的特征、屬性和規(guī)律的認識，使內容十分豐富的生物學成為統一的知識體系。生物化學的同一性大量實驗研究表明，組成生物體生物大分子的結構和功能，在原則上是相同的。例如各種生物的蛋白質的單體都是氨基酸，種類不過20種左右，各種生物的核酸的單體都是核苷酸，種類不過8種，這些單體都以相同的方式組成蛋白質或者核酸的長鏈，它們的功能對于所有生物都是一樣的。在不同的生物體內基本代謝途徑也是相同的，甚至在代謝途徑中各個不同步驟所需要的酶也是基本相同的。不同生物體在代謝過程中都以ATP的形式傳遞能量。生物化學的同一性深刻地揭示了生物的統一性。多層次的結構模式19世紀德國科學家MJ施萊登和TAH施萬提出細胞學說，認為動、植物都是由相同的基本單位細胞所組成。這對于病毒以外的一切生物，從細菌到人都是適用的。細胞是由大量原子和分子所組成的非均質的系統。在結構上，細胞是由蛋白質、核酸、脂質、多糖等組成的多分子動態(tài)體系；從信息論觀點看，細胞是遺傳信息和代謝信息的傳遞系統；從化學觀點看，細胞是由小分子合成的復雜大分子，特別是核酸和蛋白質的系統；從熱力學觀點看，細胞又是遠離平衡的開放系統。所有這些，對于原核細胞和真核細胞都是一樣的。除細胞外，生物還有其他結構單位。在細胞之下有細胞器、分子和原子，在細胞之上有組織、器官、器官系統、個體、種群、群落、生態(tài)系統、生物圈等單位（見彩圖）。生物的各種結構單位，按照復雜程度和逐級結合的關系而排列成一系列的等級，稱為結構層次。在每一個層次上表現出的生命活動不僅取決于它的組成成分的相互作用，而且取決于特定的有序結構，因此在較高層次上可能出現較低的層次所不曾出現的性質和規(guī)律。有序性和耗散結構生物是由大量分子和原子組成的宏觀系統（相對于研究亞原子事件的微觀系統而言），它的代謝歷程和空間結構都是有序的。熱力學第二定律指出，物理的化學的變化導致系統的無序性或隨機性即熵的增加。生物無休止的新陳代謝，不可避免地使系統內部的熵增漲，從而干擾和破壞系統的有序性?，F代生物學證明，在生物體中同時還存在一種使熵減少的機制。20世紀60年代，I普里戈任提出耗散結構理論。按此理論，生物體是遠離平衡的開放系統，它從環(huán)境中吸取以食物形式存在的低熵狀態(tài)的物質和能，把它們轉化為高熵狀態(tài)后排出體外。這種不對稱的交換使生物體和外界熵的交流出現負值，這樣就可能抵消系統內熵的增漲。生物有序正是依賴新陳代謝這種能量耗散過程得以產生和維持的。（見耗散結構和生物有序）穩(wěn)態(tài)生物對體內的各種生命過程有良好的調節(jié)能力。生物所處的環(huán)境是多變的，但生物能夠對環(huán)境的刺激作出反應，通過自我調節(jié)保持自身的穩(wěn)定。例如，人的體溫保持在37上下，血液的酸度保持在PH74左右等。這一概念先是由法國生物學家C貝爾納提出的。他指出身體內部環(huán)境的穩(wěn)定是自由和獨立生活的條件。后來，美國生理學家WB坎農揭示內環(huán)境穩(wěn)定是通過一系列調節(jié)機制來保證的，并提出“穩(wěn)態(tài)”一詞。穩(wěn)態(tài)概念的應用現在已遠遠超出個體內環(huán)境的范圍。生物體的生物化學成分、代謝速率等都趨向穩(wěn)態(tài)水平，甚至一個生物群落、生態(tài)系統在沒有激烈外界因素的影響下，也都處于相對穩(wěn)定狀態(tài)。生命的連續(xù)性1855年RC菲爾肖提出，所有的細胞都來自原已存在的細胞。這個概念對于現存的所有生物來說是正確的。除了最早的生命是從無生命物質在當時的地球環(huán)境條件下發(fā)生的以外，生物只能來自已經存在的生物。只能通過繁殖來實現從親代到子代的延續(xù)。因此，遺傳是生命的基本屬性。1866年GJ孟德爾通過豌豆雜交試驗發(fā)現了遺傳因子的分離規(guī)律和自由組合規(guī)律。20世紀20年代，以TH摩爾根為代表的一批科學家提出基因論，證明孟德爾假設的因子就是在染色體上線性排列的基因，補充了一個新的規(guī)律，即基因的連鎖和交換規(guī)律，并證明這些規(guī)律在動物界和植物界是普遍適用的。40年代，J萊德伯格發(fā)現細菌的有性雜交，M德爾布呂克發(fā)現了噬菌體的交叉重組現象，從而證明病毒、原核生物和動物、植物都遵循同樣的遺傳規(guī)律。分子生物學的發(fā)展證明一切生物的基因的化學實體都是核酸（DNA和RNA），遺傳信息都是以核苷酸的排列來編碼的，DNA以半保留復制產生新的拷貝。在分子水平上，生命的連續(xù)性首先表現在基因物質DNA的連續(xù)性上。個體發(fā)育通常是指多細胞生物從單個生殖細胞到成熟個體的成長過程。生物在一生中，每個細胞、每個組織、器官都隨時間而發(fā)展變化，它在任何一個特定時間的狀態(tài)都是本身發(fā)育的結果。生物個體發(fā)育是按一定的生長模式進行的穩(wěn)定過程。個體發(fā)育的概念對單細胞生物和病毒在原則上也是適用的。單細胞生物從一代到下一代經歷一定的細胞周期，病毒的發(fā)育也要經歷遺傳物質的復制，結構蛋白的合成以及病毒顆粒的裝配過程。因此，所有的生物都有各自的按一定規(guī)律進行的生活史。對于個體發(fā)育規(guī)律的認識，經歷了漫長的過程。1797年CF沃爾夫發(fā)表發(fā)生論，對雞胚的發(fā)育過程作了較為詳細的描述。19世紀初M貝爾提出胚層理論，指出胚胎組織和器官的發(fā)生是以內、中、外三個胚層為出發(fā)點的。20世紀初，H施佩曼及其學派通過把胚胎組織從一處移植到另一處能改變其發(fā)育過程和方向的實驗，證明了胚胎發(fā)育是通過各部分的相互作用而完成的，現代生物學證明，個體發(fā)育是由遺傳信息所控制的，不論是在分子層次上，還是在細胞、組織、個體層次上，發(fā)育的基本模式都是由基因決定的。進化1859年CR達爾文所著物種起源的出版，創(chuàng)立了以自然選擇為基礎的生物進化論。進化是普遍的生物學現象。每個細胞、每種生物都有自己的演變歷史，都在隨著時間的發(fā)展而變化，它們目前的狀態(tài)是它們本身進化演變的結果。進化導致物種的分化，生物不再被認為是一大堆彼此毫無聯系的、偶然的、“神造的”不變的物種。生物世界是一個統一的自然譜系，各種生物，歸根結底，都來自一個最原始的生命類型。生物不僅有一個復雜的縱深層次（從生物圈到生物大分子），它還具有個體發(fā)育歷史和種系進化歷史，有一個極廣闊的歷史橫幅。生態(tài)系統中的相互關系在自然界里，生物的個體總是組成種群，不同的種群彼此相互依賴，相互作用形成群落。群落和它所在的無生命環(huán)境組成了生物地理復合體生態(tài)系統。在生態(tài)系統中，不同的種群具有不同的功能和作用。譬如，綠色植物是生產者，它能利用日光能制造食物；動物包括人在內是消費者；細菌和真菌是分解者。生物彼此之間以及它們和環(huán)境之間的相互關系決定了生態(tài)系統所具有的性質和特點。任何一個生物，它的外部形態(tài)、內部結構和功能，生活習性和行為，同它在生態(tài)系統中的作用和地位總是相對適應的。這種適應是長期演變的結果，是自然選擇的結果。根據上面這些敘述，不難看到，盡管生物世界存在驚人的多樣性，但所有的生物都有共同的物質基礎，遵循共同的規(guī)律。生物就是這樣的一個統一而又多樣的物質世界。因而，生物學也就是一個統一而又十分豐富的知識領域。研究方法生物學的一些基本研究方法觀察描述的方法、比較的方法和實驗的方法等是在生物學發(fā)展進程中逐步形成的。在生物學的發(fā)展史上，這些方法依次興起，成為一定時期的主要研究手段。現在，這些方法綜合而成現代生物學研究方法體系。觀察描述的方法在17世紀，近代自然科學發(fā)展的早期，生物學的研究方法同物理學研究方法大不相同。物理學研究的是物體可測量的性質，即時間、運動和質量。物理學把數學應用于研究物理現象，發(fā)現這些量之間存在著相互關系，并用演繹法推算出這些關系的后果。生物學的研究則是考察那些將不同生物區(qū)別開來的、往往是不可測量的性質。生物學用描述的方法來記錄這些性質，再用歸納法，將這些不同性質的生物歸并成不同的類群。18世紀，由于新大陸的開拓和許多探險家的活動，生物學記錄的物種幾倍、幾十倍地增長，于是生物分類學首先發(fā)展起來。生物分類學者搜集物種進行鑒別、整理，描述的方法獲得巨大發(fā)展。要明確地鑒別不同物種就必須用統一的、規(guī)范的術語為物種命名，這又需要對各種各樣形態(tài)的器官作細致的分類，并制定規(guī)范的術語為器官命名。這一繁重的術語制定工作，主要是CVON林奈完成的。人們使用這些比較精確的描述方法收集了大量動、植物分類學材料及形態(tài)學和解剖學的材料。比較的方法18世紀下半葉，生物學不僅積累了大量分類學材料，而且積累了許多形態(tài)學、解剖學、生理學的材料。在這種情況下，僅僅作分類研究已經不夠了，需要全面地考察物種的各種性狀，分析不同物種之間的差異點和共同點，將它們歸并成自然的類群。比較的方法便被應用于生物學。運用比較的方法研究生物，是力求從物種之間的類似性找到生物的結構模式、原型甚至某種共同的結構單元。G居維葉在動物學方面，JWVON歌德在植物學方面，是用比較方法研究生物學問題的著名學者。用比較的方法研究生物，愈來愈深刻地揭示動物和植物結構上的統一性，勢必觸及各個不同類型生物的起源問題。19世紀中葉，達爾文的進化論戰(zhàn)勝了特創(chuàng)論和物種不變論。進化論的勝利又給比較的方法以巨大的影響。早期的比較，還僅僅是靜態(tài)的共時的比較，在進化論確立后，比較就成為動態(tài)的歷史的比較了?，F存的任何一個物種以及生物的任何一種形態(tài)，都是長期進化的產物，因而用比較的方法，從歷史發(fā)展的角度去考察，是十分必要的。早期的生物學僅僅是對生物的形態(tài)和結構作宏觀的描述。1665年英國R胡克用他自制的復式顯微鏡，觀察軟木片，看到軟木是由他稱為細胞的盒狀小室組成的。從此，生物學的觀察和描述進入了顯微領域。但是在17世紀，人們還不能理解細胞這樣的顯微結構有何等重要意義。那時的顯微鏡未能消除使影像失真的色環(huán)，因而還不能清楚地辨認細胞結構。19世紀30年代，消色差顯微鏡問世，使人們得以觀察到細胞的內部情況。18381839年施萊登和施萬的細胞學說提出細胞是一切動植物結構的基本單位。比較形態(tài)學者和比較解剖學者多年來苦心探求生物的基本結構單元，終于有了結果。細胞的發(fā)現和細胞學說的建立是觀察和描述深入到顯微領域所獲得的成果，也是比較方法研究的一個重要成果。實驗的方法前面提到的觀察和描述的方法有時也要對研究對象作某些處理，但這只是為了更好地觀察自然發(fā)生的現象，而不是要考察這種處理所引起的效應。實驗方法則是人為地干預、控制所研究的對象，并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。實驗的方法是自然科學研究中最重要的方法之一。17世紀前后生物學中出現了最早的一批生物學實驗，如英國生理學家W哈維關于血液循環(huán)的實驗，JBVAN黑爾蒙特關于柳樹生長的實驗等。然而在那時，生物學的實驗并沒有發(fā)展起來，這是因為物理學、化學還沒有為生物學實驗準備好條件，活力論還占統治地位。很多人甚至認為，用實驗的方法研究生物學只能起很小的作用。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，然后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。到了20世紀30年代，除了古生物學等少數學科，大多數的生物學領域都因為應用了實驗方法而取得新進展。實驗方法當然包含著對研究對象進行某種處理，然而更重要的則是它的思維方式。用實驗的方法研究某一生命過程，要求根據已有事實提出假說，并根據假說推導出一個可以用實驗檢驗的預測，然后進行實驗，如果實驗結果符合預測，就說明假說是正確的。在這里，假說必須是可以用實驗加以驗證的，而且只有經過實驗的檢驗，假說才可能上升為學說或理論。實驗方法的使用大大加強了研究工作的精確性。19世紀以來，實驗方法成為生物學主要的研究方法后，生物學發(fā)生巨大變化，成為精確的實驗科學。20世紀，實驗方法獲得巨大發(fā)展，然而單純觀察或描述方法，仍然是生物學的基本研究方法。生物體具有多層次的復雜的形態(tài)結構。每一個歷史時期都有形態(tài)描述的任務。20世紀30年代出現了電子顯微鏡，使觀察和描述深入到超微世界。人們通過電子顯微鏡看到了枝原體和病毒，也看到了細胞器的超微結構。由于細胞是生命的最小單位，是生命活動的最小的系統，因而揭示它構造上的細節(jié)，對揭示生命的本質具有重大的意義。比較的方法在20世紀也有新的進展，它已經不限于生物體的宏觀形態(tài)結構的比較，而是深入到不同屬種的蛋白質、核酸等生物大分子化學結構的比較，如不同物種的細胞色素C的化學結構的測定和比較。根據其差異程度可以對物種的親緣關系給出定量的估計。生物學實驗技術在20世紀突飛猛進。隨著現代物理學、化學的發(fā)展，生物學新的實驗方法紛紛出現。層析、分光光度法、電泳、超速離心、同位素示蹤、X射線衍射分析、示波器、激光、電子計算機等相繼應用于生物學研究。細胞培養(yǎng)、細胞融合、基因操作、單克隆抗體、酶和細胞固定化以及連續(xù)發(fā)酵等新技術紛紛建立，使生物學實驗中對條件的控制更為有效、嚴格，觀察和測量更為精密，這就有可能詳盡地探索生物體內物質的、能的和信息的動態(tài)過程。生物學實驗技術的發(fā)展使生物學取得一系列輝煌的成就。由新型的實驗技術發(fā)展而來的生物工程，包括基因工程、細胞工程、酶工程和發(fā)酵工程，已經成為當代新技術革命的重要內容。實驗研究往往帶有分析的性質。生物學實驗分析已經深入到分子的層次，生物大分子本身并不具有生命屬性，只有這些生物大分子形成細胞這樣復雜的系統，才表現出生命的活動。沒有活的分子，只有活的系統。在每一個層次上，新的生物學規(guī)律總是作為系統的和整體的規(guī)律而出現的。對于生物學來說，既需要有精確的實驗分析，又需要從整體和系統的角度來觀察生命。19241928年LVON貝塔蘭菲提出系統論思想，認為一切生物是時空上有限的具有復雜結構的一種自然系統。19321934年，他提出用數學和數學模型來研究生物學。半個世紀以來，系統論取得了很大發(fā)展，涌現出許多定量處理系統問題的數學理論。生物學也積累了大量關于各個層次生命系統及其組成成分的實驗資料。今天，對生命系統的規(guī)律作出定量的理論研究已經提到日程上來，系統論方法將作為新的研究方法而受到人們的重視。分科生物學的分支學科各有一定的研究內容而又相互依賴、互相交叉。此外，生命作為一種物質運動形態(tài)，有它自己的生物學規(guī)律，同時又包含并遵循物理和化學的規(guī)律。因此，生物學同物理學、化學有著密切的關系。生物分布于地球表面，是構成地球景觀的重要因素。因此，生物學和地學也是互相滲透、互相交叉的。早期的生物學主要是對自然的觀察和描述，是關于博物學和形態(tài)分類的研究。所以生物學最早是按類群劃分學科的，如植物學、動物學、微生物學等。由于生物種類的多樣性，也由于人們對生物學的了解越來越多，學科的劃分也就越來越細，一門學科往往要再劃分為若干學科，例如植物學可劃分為藻類學、苔蘚植物學、蕨類植物學等；動物學劃分為原生動物學、昆蟲學、魚類學、鳥類學等；微生物不是一個自然的生物類群，只是一個人為的劃分，一切微小的生物如細菌以及單細胞真菌、藻類、原生動物都可稱為微生物，不具細胞形態(tài)的病毒也可列入微生物之中。因而微生物學進一步分為細菌學、真菌學、病毒學等。按生物類群劃分學科，有利于從各個側面認識某一個自然類群的生物特點和規(guī)律性。但無論具體對象是什么，研究課題都不外分類、形態(tài)、生理、生化、生態(tài)、遺傳、進化等方面。為了強調按類型劃分的學科已經不僅包括形態(tài)、分類等比較經典的內容，而且包括其他各個過程和各種層次的內容，人們傾向于把植物學稱為植物生物學，把動物學稱為動物生物學。生物在地球歷史中有著40億年左右的發(fā)展進化歷程。大約有1500萬種生物已經絕滅，它們的一些遺骸保存在地層中形成化石。古生物學專門通過化石研究地質歷史中的生物，早期古生物學多偏重于對化石的分類和描述，近年來生物學領域的各個分支學科被引入古生物學，相繼產生古生態(tài)學、古生物地理學等分支學科。現在有人建議，以廣義的古生物生物學代替原來限于對化石進行分類描述的古生物學。生物的類群是如此的繁多，需要一個專門的學科來研究類群的劃分，這個學科就是分類學。林奈時期的分類以物種不變論為指導思想，只是根據某幾個鑒別特征來劃分門類，習稱人為分類?，F代的分類是以進化論為指導思想，根據物種在進化上的親疏遠近進行分類，通稱自然分類?，F代分類學不僅進行形態(tài)結構的比較，而且吸收生物化學及分子生物學的成就，進行分子層次的比較，從而更深刻揭示生物在進化中的相互關系?，F代分類學可定義為研究生物的系統分類和生物在進化上相互關系的科學。生物學中有很多分支學科是按照生命運動所具有的屬性、特征或者生命過程來劃分的。形態(tài)學是生物學中研究動、植物形態(tài)結構的學科。在顯微鏡發(fā)明之前，形態(tài)學只限于對動、植物的宏觀的觀察，如大體解剖學、脊椎動物比較解剖學等。比較解剖學是用比較的和歷史的方法研究脊椎動物各門類在結構上的相似與差異，從而找出這些門類的親緣關系和歷史發(fā)展。顯微鏡發(fā)明之后，組織學和細胞學也就相應地建立起來，電子顯微鏡的使用，使形態(tài)學又深入到超微結構的領域。但是形態(tài)結構的研究不能完全脫離機能的研究，現在的形態(tài)學早已跳出單純描述的圈子，而使用各種先進的實驗手段了。生理學是研究生物機能的學科，生理學的研究方法是以實驗為主。按研究對象又分為植物生理學、動物生理學和細菌生理學。植物生理學是在農業(yè)生產發(fā)展過程中建立起來的。生理學也可按生物的結構層次分為細胞生理學、器官生理學、個體生理學等。在早期，植物生理學多以種子植物為研究對象；動物生理學也大多聯系醫(yī)學而以人、狗、兔、蛙等為研究對象；以后才逐漸擴展到低等生物的生理學研究，這樣就發(fā)展了比較生理學。遺傳學是研究生物性狀的遺傳和變異，闡明其規(guī)律的學科。遺傳學是在育種實踐的推動下發(fā)展起來的。1900年孟德爾的遺傳定律被重新發(fā)現，遺傳學開始建立起來。以后，由于TH摩爾根等人的工作，建成了完整的細胞遺傳學體系。1953年，遺傳物質DNA分子的結構被揭示，遺傳學深入到分子水平。現在，遺傳信息的傳遞、基因的調控機制已逐漸被了解，遺傳學理論和技術在農業(yè)、工業(yè)和臨床醫(yī)學實踐中都在發(fā)揮作用，同時在生物學的各分支學科中占有重要的位置。生物學的許多問題，如生物的個體發(fā)育和生物進化的機制，物種的形成以及種群概念等都必須應用遺傳學的成就來求得更深入的理解。胚胎學是研究生物個體發(fā)育的學科，原屬形態(tài)學范圍。1859年達爾文進化論的發(fā)表大大推動了胚胎學的研究。19世紀下半葉，胚胎發(fā)育以及受精過程的形態(tài)學都有了詳細精確的描述。此后，動物胚胎學從觀察描述發(fā)展到用實驗方法研究發(fā)育的機制，從而建立了實驗胚胎學?，F在，個體發(fā)育的研究采用生物化學方法，吸收分子生物學成就，進一步從分子水平分析發(fā)育和性狀分化的機制，并把關于發(fā)育的研究從胚胎擴展到生物的整個生活史，形成發(fā)育生物學。生態(tài)學是研究生物與生物之間以及生物與環(huán)境之間的關系的學科。研究范圍包括個體、種群、群落、生態(tài)系統以及生物圈等層次。揭示生態(tài)系統中食物鏈、生產力、能量流動和物質循環(huán)的有關規(guī)律，不但具有重要的理論意義，而且同人類生活密切相關。生物圈是人類的家園。人類的生產活動不斷地消耗天然資源，破壞自然環(huán)境。特別是進入20世紀以后，由于人口急劇增長，工業(yè)飛速發(fā)展，自然環(huán)境遭到空前未有的破壞性沖擊。保護資源、保持生態(tài)平衡是人類當前刻不容緩的任務。生態(tài)學是環(huán)境科學的一個重要組成成分，所以也可稱環(huán)境生物學。人類生態(tài)學涉及人類社會，它已超越了生物學范圍，而同社會科學相關聯。生命活動不外物質轉化和傳遞、能的轉化和傳遞以及信息的傳遞三個方面。因此，用物理的、化學的以及數學的手段研究生命是必要的，也是十分有效的。交叉學科如生物化學、生物物理學、生物數學就是這樣產生的。生物化學是研究生命物質的化學組成和生物體各種化學過程的學科，是進入20世紀以后迅速發(fā)展起來的一門學科。生物化學的成就提高了人們對生命本質的認識。生物化學和分子生物學的內容有區(qū)別，但也有相同之處。一般說來，生物化學側重于生命的化學過程、參與這一過程的作用物、產品以及酶的作用機制的研究。例如在細胞呼吸、光合作用等過程中物質和能的轉換、傳遞和反饋機制都是生物化學的研究內容。分子生物學是從研究生物大分子的結構發(fā)展起來的，現在更多的仍是研究生物大分子的結構與功能的關系、以及基因表達、調控等方面的機制問題。生物物理學是用物理學的概念和方法研究生物的結構和功能、研究生命活動的物理和物理化學過程的學科。早期生物物理學的研究是從生物發(fā)光、生物電等問題開始的，此后隨著生物學的發(fā)展，物理學新概念，如量子物理、信息論等的介入和新技術如X衍射、光譜、波譜等的使用，生物物理的研究范圍和水平不斷加寬加深。一些重要的生命現象如光合作用的原初瞬間捕捉光能的反應，生物膜的結構及作用機制等都是生物物理學的研究課題。生物大分子晶體結構、量子生物學以及生物控制論等也都屬于生物物理學的范圍。生物數學是數學和生物學結合的產物。它的任務是用數學的方法研究生物學問題，研究生命過程的數學規(guī)律。早期，人們只是利用統計學、幾何學和一些初等的解析方法對生物現象做靜止的、定量的分析。20世紀20年代以后，人們開始建立數學模型，模擬各種生命過程。現在生物數學在生物學各領域如生理學、遺傳學、生態(tài)學、分類學等領域中都起著重要的作用，使這些領域的研究水平迅速提高，另一方面，生物數學本身也在解決生物學問題中發(fā)展成一獨立的學科。有少數生物學科是按方法來劃分的，如描述胚胎學、比較解剖學、實驗形態(tài)學等。按方法劃分的學科，往往作為更低一級的分支學科，被包括在上述按屬性和類型劃分的學科中。生物界是一個多層次的復雜系統。為了揭示某一層次的規(guī)律以及和其他層次的關系，出現了按層次劃分的學科并且愈來愈受人們的重視。分子生物學是研究分子層次的生命過程的學科。它的任務在于從分子的結構與功能以及分子之間的相互作用去揭示各種生命過程的物質基礎。現代分子生物學的一個主要分科是分子遺傳學，它研究遺傳物質的復制、遺傳信息的傳遞、表達及其調節(jié)控制問題等。細胞生物學是研究細胞層次生命過程的學科，早期稱細胞學是以形態(tài)描述為主的。以后，細胞學吸收了分子生物學的成就，深入到超微結構的水平，主要研究細胞的生長、代謝和遺傳等生物學過程，細胞學也就發(fā)展成細胞生物學了。個體生物學是研究個體層次生命過程的學科。在復式顯微鏡發(fā)明之前，生物學大都是以個體和器官系統為研究對象的。研究個體的過程有必要分析組成這一過程的器官系統過程、細胞過程和分子過程。但是個體的過程又不同于器官系統過程、細胞過程或分子過程的簡單相加。個體的過程存在著自我調節(jié)控制的機制，通過這一機制，高度復雜的有機體整合為高度協調的統一體，以協調一致的行為反應于外界因素的刺激。個體生物學建立得很早，直到現在，仍是十分重要的。種群生物學是研究生物種群的結構、種群中個體間的相互關系、種群與環(huán)境的關系以及種群的自我調節(jié)和遺傳機制等。種群生物學和生態(tài)學是有很大重疊的，實際上種群生物學可以說是生態(tài)學的一個基本部分。以上所述，還僅僅是當前生物學分科的主要格局，實際的學科比上述的還要多。例如，隨著人類的進入太空，宇宙生物學已在發(fā)展之中。又如隨著實驗精確度的不斷提高，對實驗動物的要求也越來越嚴，研究無菌生物和悉生態(tài)的悉生生物學也由于需要而建立起來?？傊?，一些新的學科不斷地分化出來，一些學科又在走向融合。生物學分科的這種局面，反映了生物學極其豐富的內容，也反映了生物學蓬勃發(fā)展的景象。意義生物與人類生活的許多方面都有著非常密切的關系。生物學作為一門基礎科學，傳統上一直是農學和醫(yī)學的基礎，涉及種植業(yè)、畜牧業(yè)、漁業(yè)、醫(yī)療、制藥、衛(wèi)生等等方面。隨著生物學理論與方法的不斷發(fā)展，它的應用領域不斷擴大?，F在，生物學的影響已突破上述傳統的領域，而擴展到食品、化工、環(huán)境保護、能源和冶金工業(yè)等等方面。如果考慮到仿生學，它還影響到電子技術和信息技術。人口、食物、環(huán)境、能源問題是當前舉世矚目的全球性問題。目前，世界人口每年的增長率約20，大約每過35年，人口就會增加一倍。地球上的人口正以前所未有的速度激增著。人口問題是一個社會問題，也是一個生態(tài)學問題。人們必須對人類及環(huán)境的錯綜復雜的關系進行周密的定量的研究，才能對地球、對人類的命運有一個清醒的認識，從而學會自己控制自己，使人口數量維持在一個合理的數字上。在這方面生物學應該而且可能做出自己的貢獻。內分泌學和生殖生物學的成就導致口服避孕藥的發(fā)明，已促進了計劃生育在世界范圍內的推廣。在人口問題中，除了數量激增以外，遺傳病也嚴重威脅人口質量。一些資料表明，新生兒中各種遺傳病患者所占的比例在3105之間。在中國的部分山區(qū)，智力不全者占23，個別地區(qū)達10以上。揭示產生遺傳病的原因，找到控制和征服遺傳病的途徑無疑是生物學又一重要任務。