Campbell Biology Ch.1 Evolution, the Themes of Biology, and Scientific Inquiry

Emergent Properties#

我们从分子水平开始，逐步向上分析，可以看到在每个层级上都会出现前一层级所不具备的新特性。这些涌现特性 (emergent properties) 源于组分的排列与相互作用，随复杂度的提升而产生。例如，光合作用虽能在完整的叶绿体中进行，但如果将叶绿素及其他叶绿体分子简单混合在试管中，光合作用则无法发生。

Structure and Function#

在生命组织层次的每一个层级上，我们都可以看到结构和功能的相关性。例如叶片的平坦结构可以最大化叶绿体吸收阳光的能力。正是由于生命中普遍存在的结构和功能的关联性，使得我们可以通过研究结构来分析其功能。

The Cell: An Organism’s Basic Unit of Structure and Function#

生物体的所有行为都基于细胞活动，并且所有的细胞都共享着特定的特征。例如每个细胞都由膜包裹，这层膜负责调节细胞与周围环境之间的物质进出。

细胞主要分为两类，原核细胞 (prokaryotic) 和真核细胞 (eukaryotic)。真核细胞内包含着由膜封闭的细胞器，而原核细胞内缺少细胞核或膜封闭的细胞器，原核细胞通常比真核细胞小(图 1.4):

DNA, the Genetic Material#

每个染色体都包含一个特别长的 $\text{DNA}$ 分子以及成百上千的基因，每个都是染色体 $\text{DNA}$ 的一部分。基因作为遗传的单元，从父辈传给后代。他们将合成细胞内分子所需的信息进行编码，从而实现细胞的功能和特性。

DNA 的分子结构使得其可以存储信息：一个 $\text{DNA}$ 分子由两条双螺旋链 (strand) 组成。每条链都由四种核苷酸 (nucleotide) 组成，缩写为 $\text{A}$, $\text{T}$, $\text{C}$, $\text{G}$, 这四种核苷酸的排列明确了基因中的信息。

对许多基因来说，核苷酸序列提供了产生蛋白质的蓝图，蛋白质编码基因通过 $\text{RNA}$ 来间接控制蛋白质的合成。基因中的核苷酸序列被转译为 $\text{mRNA}$，之后会被翻译成一系列关联的构筑蛋白质的叫做氨基酸的单元。一旦完成，氨基酸链就可以组成一个特定的蛋白质，这整个产生细胞产物的过程称为基因表达。

Genomics: Large-Scale Analysis of DNA Sequences#

生物体继承的全部遗传指令“库”称为它的基因组 (genome)。科学家们并不只研究单个基因，而是一个或多个物种的整个基因的集合，这种研究方式称为基因组学 (genomics)。与之类似，蛋白质组学 (proteome) 就是研究整个蛋白质以及它们的属性。

Molecules: Interactions Within Organisms#

在生命结构层次的较低层级，构成生物体的各组分 (器官、组织、细胞和分子) 之间的相互作用，对其正常运转至关重要。许多生命过程能够通过一种名为反馈调节的机制实现自我调控。

在反馈调节中，一个过程的输出或者产物回调节过程本身。生命系统中最常见的调节形式是负反馈，一种反应会减少初始刺激的循环。

以胰岛素 (insulin) 信号(图 1.10)为例，饭后人体血液中的葡萄糖含量会上升，刺激胰腺 (pancreas) 细胞分泌胰岛素，胰岛素在血液中进行运输，与体内的细胞相结合，使他们开始吸收葡萄糖，并使肝细胞存储葡萄糖，从而降低血糖浓度。降低的血糖浓度会负反馈给胰腺，使其不再分泌胰岛素。

Ecosystems: An Organism’s Interactions with Other Organisms and the Physical Environment#

在生态系统层面，每种生物都会与其他生物相互作用。例如，金合欢树 (acacia tree) 会与根部相关的土壤微生物、栖息其上的昆虫，以及以其叶片和果实为食的动物产生相互作用。生物之间的相互作用包括互利共生，以及一方受益、另一方受害的关系。有时双方都会受到损害。

The Three Domains of Life#

生物学家们将所有的生物体分为三组称为域，细菌域 (Domain Bacteria)，古菌域 (Domain Archaea) 和真核生物域 (Domain Eukarya)。其中细菌域和古菌域只包含原核生物体，所有的真核生物属于真核生物域。它又可以分成四个界，植物界 (kindom Plantae)，真菌界 (kindom Fungi)，哺乳动物界 (kindom Animalia) 以及原生生物 (protist)。三个界由他们的营养方式来区分，植物通过光合作用自己生产糖和食物分子，真菌吸收溶解在环境里的养分，动物通过食用消化其他的有机体来获取食物。最大且多样的真核生物是原生生物，现在也被分为了多个界。

Unity in the Diversity of Life#

尽管生命多种多样，但不同生命形态之间也存在着显著的统一性。比如不同动物相似的骨骼结构，以及 $\text{DNA}$ 通用的遗传语言。事实上，生物体间的相似性在生物层级的各个层面都清晰可见。例如，纤毛 (cilium) 存在于从草履虫到人类等多种多样的真核生物中。即便差异如此巨大 ，其细胞结构的许多特征也体现出明显的统一性(图 1.14)。