《生物学》课程教学资源（教材讲义）第一部分 生命的起源 第1章 生物科学

第丨部分生命的起源揭开壁虎抵抗重力的奥秘科学最为有趣的时候，是当它引起你的遐想的时候，尤其是在你的经验常识令你无法相信你眼前所见的时候，更是如此。试想一下，你躺在一家热带旅馆的房间里，一只牙刷般大小的蓝色壁虎，沿着你身边的墙壁爬到天花板上，在你的头顶正上方停下来看着你，不一会又沿着另一面墙匆匆地爬走了。你刚才所想象的丝毫没有任何异常。壁虎正是以其飞檐走壁的绝技而出名。但是你有没有想过它是怎样来完成这么精彩的表演的呢？事实上，几十年来研究者们一直对壁虎的附着能力迷惑不解：究竟是什么力量使壁虎克服了重力而不掉到你的鼻子上的呢？最有可能的猜测是吸附力一一蝶螈（Salamanders）也能够爬墙是因为它们的脚能形成吸盘，也许壁虎也是利用这种方法。检测的办法是看它们的脚能否在没有空气的真空条件下产生吸附力。试验结果表明火蜥蜴的脚不行，但是壁虎的脚可以，这说明壁虎不是依靠吸附作用的。会不会是摩擦力呢？蟑螂的足上有很多小钩子，就像攀岩者用的鞋钉一样，蟑螂利用这些钩子抓住物体表面的凹凸处爬行，。而壁虎，可以在蟑螂绝对爬不上去的抛光的玻璃上如履平地，所以也不是摩擦力的缘故。静电引力？烘干机里的衣挑战重力。这只壁虎又能爬墙，又能倒着爬过天花板。研究壁虎这种绝技的奥秘正是实验科学一物粘在一起，因为它们在互相摩迷人之处。擦的时候带上了电荷。你可以通过加入一些除静电的东西来消除这种现象，比如说强离子化的不粘层。可是壁虎的脚在离子化的空气里也能够附看，那么也不是静电力。是不是胶着作用？许多昆虫利用脚上腺体里分泌出的粘液来帮助爬行。可是壁虎的脚里面根本就没有腺细胞，也没有化学物质分泌，也不会留下脚印。不可能是胶着作用

挑战重力。这只壁虎又能爬墙 。 ，又能倒着爬过天 花板。研究壁虎这种绝技的奥秘正是实验科学一 迷人之处。 第 I 部分生命的起源 揭开壁虎抵抗重力的奥秘 科学最为有趣的时候，是当它引起你的遐想的时候，尤其是在你的经验常 识令你无法相信你眼前所见的时候，更是如此。试想一下，你躺在一家热带旅馆 的房间里，一只牙刷般大小的蓝色壁虎，沿着你身边的墙壁爬到天花板上，在你 的头顶正上方停下来看着你，不一会又沿着另一面墙匆匆地爬走了。 你刚才所想象的丝毫没有任何异常。壁虎正是以其飞檐走壁的绝技而出名。 但是你有没有想过它是怎样来完成这么精彩的表演的呢？事实上，几十年来研究 者们一直对壁虎的附着能力迷惑不解：究竟是什么力量使壁虎克服了重力而不掉 到你的鼻子上的呢？ 最有可能的猜测是吸附力——蝾螈（Salamanders）也能够爬墙是因为它们 的脚能形成吸盘，也许壁虎也是利用这种方法。检测的办法是看它们的脚能否在 没有空气的真空条件下产生吸附力。试验结果表明火蜥蜴的脚不行，但是壁虎的 脚可以，这说明壁虎不是依靠吸附作用的。 会不会是摩擦力呢？蟑螂 的足上有很多小钩子，就像攀岩 者用的鞋钉一样，蟑螂利用这些 钩子抓住物体表面的凹凸处爬 行，。而壁虎，可以在蟑螂绝对爬 不上去的抛光的玻璃上如履平 地，所以也不是摩擦力的缘故。 静电引力？烘干机里的衣 物粘在一起，因为它们在互相摩 擦的时候带上了电荷。你可以通 过加入一些除静电的东西来消除这种现象，比如说强离子化的不粘层。可是壁虎 的脚在离子化的空气里也能够附着，那么也不是静电力。 是不是胶着作用？许多昆虫利用脚上腺体里分泌出的粘液来帮助爬行。可 是壁虎的脚里面根本就没有腺细胞，也没有化学物质分泌，也不会留下脚印。不 可能是胶着作用

不过令实验者们欣慰的是，还有一条值得关注的线索：壁虎的脚似乎在某些物质的表面有更强的附着力。它们在低能的材料表面一一比如铁氟龙（Teflon）附着能力差一些，而在一些极性分子组成的表面吸附能力就强一些。这说明，壁虎直接踏入了物质表面的分子结构！循着这条线索，俄勒冈州(Oregon)波特兰市(Portland)刘易斯和克拉克学院（Lewis&ClarkCollege）的凯拉·奥特穆（KellarAutumn）和伯克莱加州大学（UniversityofCalifornia，Berkley）的罗伯特·福尔（RobertFull），对壁虎的脚进行了仔细的观察。在它的脚底，有一排一排细小的绒毛，叫做刚毛（seta），就好像某些时的牙刷的毛一样。当你在显微镜下观察这些绒毛，你会发现每个刚毛末端又分出400到1000个尖锐的突起，叫做匙突（spatulae）。每只脚上有超过50万的刚毛，每一根只有头发直径的十分之一粗细。Autumn和Full组成了一只跨领域的科学家小组，开始着手测量每一根刚毛到底能产生多大的力。为此，他们必须接受两个来自实验的重大挑战：单根刚毛的分离。以前还从未有人分离出单独的刚毛。而他们成功地在显微镜下通过外科方法从壁虎的脚上拔出一根毛，并把它绑在一根微探针上。而微探针装在一个可以随意移动刚毛的微控制器上。极弱作用力的测量。以前的实验表明，要托起一只壁虎，它每只脚的附着力大约是10牛顿，也就是能支撑一公斤左右的重量。因为每只脚上大约有50方的刚毛，可以推测出每一根刚毛可以产生约20微生的力。这个力对于测量来说是太小了。为了完成测量，奥特穆和福尔从斯坦佛（Stanford）找来了一位机械工程师托马斯·肯尼（ThomasKenny）。肯尼是设计测量原子级作用力的仪器的专家。实验过程当工作组分离了单根的刚毛，并准备把它放置在肯尼的装置上时，“我们碰到了一个意想不到的难题，”奥特穆说，在随后的两个月里，工作组试图把刚毛粘到传感器的表面，可是它根本就粘不上！工作组不得不停下来想一想。最后他们发现了原因。壁虎爬行时不是像我们走路那样把脚踩下去。事实上，当壁虎迈出一步的时候，先是脚爪踩到表面上

不过令实验者们欣慰的是，还有一条值得关注的线索：壁虎的脚似乎在某 些物质的表面有更强的附着力。它们在低能的材料表面——比如铁氟龙（Teflon） 附着能力差一些，而在一些极性分子组成的表面吸附能力就强一些。这说明，壁 虎直接踏入了物质表面的分子结构！ 循着这条线索，俄勒冈州(Oregon)波特兰市(Portland)刘易斯和克拉克学院 （Lewis & Clark College）的凯拉·奥特穆（Kellar Autumn）和伯克莱加州大学 （University of California, Berkley）的罗伯特·福尔（Robert Full），对壁虎的脚 进行了仔细的观察。在它的脚底，有一排一排细小的绒毛，叫做刚毛（seta），就 好像某些时髦的牙刷的毛一样。当你在显微镜下观察这些绒毛，你会发现每个刚 毛末端又分出 400 到 1000 个尖锐的突起，叫做匙突（spatulae）。每只脚上有超 过 50 万的刚毛，每一根只有头发直径的十分之一粗细。 Autumn 和 Full 组成了一只跨领域的科学家小组，开始着手测量每一根刚 毛到底能产生多大的力。为此，他们必须接受两个来自实验的重大挑战： 单根刚毛的分离。以前还从未有人分离出单独的刚毛。而他们成功地在显 微镜下通过外科方法从壁虎的脚上拔出一根毛，并把它绑在一根微探针上。而微 探针装在一个可以随意移动刚毛的微控制器上。 极弱作用力的测量。以前的实验表明，要托起一只壁虎，它每只脚的附着 力大约是 10 牛顿，也就是能支撑一公斤左右的重量。因为每只脚上大约有 50 万的刚毛，可以推测出每一根刚毛可以产生约 20 微牛的力。这个力对于测量来 说是太小了。为了完成测量，奥特穆和福尔从斯坦佛（Stanford）找来了一位机 械工程师托马斯·肯尼（Thomas Kenny）。肯尼是设计测量原子级作用力的仪器 的专家。 实验过程 当工作组分离了单根的刚毛，并准备把它放置在肯尼的装置上时，“我们碰 到了一个意想不到的难题，”奥特穆说，在随后的两个月里，工作组试图把刚毛 粘到传感器的表面，可是它根本就粘不上！ 工作组不得不停下来想一想。最后他们发现了原因。壁虎爬行时不是像我 们走路那样把脚踩下去。事实上，当壁虎迈出一步的时候，先是脚爪踩到表面上

然后伸展脚趾，让脚趾在表面上向后滑动。这样把一丛一丛的刚毛斜着推进了表面。他们重新设计了实验，这一次是让刚毛斜着从一侧来接触传感器表面，而不是从正面。这使得刚毛顶端的许多匙突得以与接触面充分接触作用。和已经测量过的垂直力一样，为了测量侧面刚毛的力，研究人员建立了一个电子机制的微型盘。装置由两层放置于硅盘上的抗压层组成，用来检测平行和垂直两个方向的力。实验结果刚毛正确地放置后，实验得出了结果，神奇的结果。仪器所测出的连接力达到了以前测量结果的600倍。每根单独的刚手产生出的力远远大于从整个脚所推测出来的20微牛，而是200微牛（见上图）！统计许多单根刚毛的测量结果，附着力平均为194+25微牛。两百微牛顿是一个BeginparallelSeta pulledpullingoffsensor微小力，可了不起的是每80+160根毛只有100微米长。单(Nr)40根刚毛产生的力足以抓起e2010-一只蚂蚁，上百万根毛就o能支持住一个小孩。一只-20小壁虎，用两百万根刚毛012345在天花板上走，理论上还Time (s)能背一个90磅重的背包滑步实验。测量了每根刚毛的附着力。先垂直用力使刚毛与传感器接触。然后，施加平行的反向拉力，力不断地增一如果动员所有刚毛的加直到60微牛（此后，刚毛就开始滑动并脱离了传感器）。话。在大量的类似实验中，附着力通常达到200微牛。Force力Beginparallelpulling开始施加平行拉力换个角度考虑，如果Setapulledoffsensor刚毛脱离传感器壁虎的脚能粘的那么结实，它又是怎么把脚抬起来呢？研究小组对单根刚毛进行了分离实验，用的是另一种微型仪器，是由同样来自伯克利加州大学的工程师罗纳德·费尔林（RonaldFearing）发明的，能够用各种不同的方法扭曲刚毛。他们发现如果倾角超过一个临界角度：30°，毛和表面之间的力就基本没有了。原来其中的决窍就是倾斜那

滑步实验。测量了每根刚毛的附 。 着力。先垂直用力使刚毛 与传感器接触。然后，施加平行的反向拉力，力不断地增 加直到 60 微牛（此后，刚毛就开始滑动并脱离了传感器）。 在大量的类似实验中，附着力通常达到 200 微牛。 Force 力 Begin parallel pulling 开始施加平行拉力 Seta pulled off sensor 刚毛脱离传感器 然后伸展脚趾，让脚趾在表面上向后滑动。这样把一丛一丛的刚毛斜着推进了表 面。 他们重新设计了实验，这一次是让刚毛斜着从一侧来接触传感器表面，而 不是从正面。这使得刚毛顶端的许多匙突得以与接触面充分接触作用。 和已经测量过的垂直力一样，为了测量侧面刚毛的力，研究人员建立了一 个电子机制的微型盘。装置由两层放置于硅盘上的抗压层组成，用来检测平行和 垂直两个方向的力。 实验结果 刚毛正确地放置后，实验得出了结果，神奇的结果。仪器所测出的连接力 达到了以前测量结果的 600 倍。每根单独的刚毛产生出的力远远大于从整个脚所 推测出来的 20 微牛，而是 200 微牛（见上图）！统计许多单根刚毛的测量结果， 附着力平均为 194+25 微牛。 两百微牛顿是一个 微小力，可了不起的是每 根毛只有 100 微米长。单 根刚毛产生的力足以抓起 一只蚂蚁，上百万根毛就 能支持住一个小孩。一只 小壁虎，用两百万根刚毛 在天花板上走，理论上还 能背一个 90 磅重的背包 ——如果动员所有刚毛的 话。 换个角度考虑，如果 壁虎的脚能粘的那么结 实，它又是怎么把脚抬起来呢？研究小组对单根刚毛进行了分离实验，用的是另 一种微型仪器，是由同样来自伯克利加州大学的工程师罗纳德·费尔林（Ronald Fearing）发明的，能够用各种不同的方法扭曲刚毛。他们发现如果倾角超过一个 临界角度：30º，毛和表面之间的力就基本没有了。原来其中的诀窍就是倾斜那

些脚毛直到它们能够移动。壁虎移动脚步前先蜷缩脚趾把刚毛从表面拔出来，就像我们撕胶条一样。壁虎脚上的强大附着力来源于什么？实验并没有揭示这吸力是什么，但看上去似乎涉及到原子水平的相互作用。壁虎的脚要粘在墙上，每根刚毛顶端的数以百计的匙突必须直接和表面接触，使每个匙突上的每个原子都能参与相互作用。当两个原子靠的很近的时候一一接近到比原子直径还要小的距离一一一种微妙的核引力，范德华力（VanderWaalsforce），就开始起作用了。这种力单独作用时十分微弱，但如果很多叠加在一起的话就不得了了。可不可以设计脚上有人工刚毛的机器人，使它们能够爬墙呢？奥特穆和福尔已经着手和相关的机器人自动化公司一起寻我答案了。有时候科学并不仅仅是好玩，它也会带来巨大的进步。（欲更详细地了解这个实验，查询虚拟实验室www.mhhe.com/raven6/vlabl.mhtml)

些脚毛直到它们能够移动。壁虎移动脚步前先蜷缩脚趾把刚毛从表面拔出来，就 像我们撕胶条一样。 壁虎脚上的强大附着力来源于什么？实验并没有揭示这吸力是什么，但看 上去似乎涉及到原子水平的相互作用。壁虎的脚要粘在墙上，每根刚毛顶端的数 以百计的匙突必须直接和表面接触，使每个匙突上的每个原子都能参与相互作 用。当两个原子靠的很近的时候——接近到比原子直径还要小的距离——一种微 妙的核引力，范德华力（Van der Waals force），就开始起作用了。这种力单独作 用时十分微弱，但如果很多叠加在一起的话就不得了了。 可不可以设计脚上有人工刚毛的机器人，使它们能够爬墙呢？奥特穆和福 尔已经着手和相关的机器人自动化公司一起寻找答案了。有时候科学并不仅仅是 好玩，它也会带来巨大的进步。 （ 欲 更 详 细 地 了 解 这 个 实 验 ， 查 询 虚 拟 实 验 室 www.mhhe.com/raven6/vlab1.mhtml）

第1章生物科学要点概述1.1生物学是生命的科学生命的属性。生物是一门研究活着的有机体以及它们之间、它们和环境之间关系的科学。1.2科学家在观察中总结和概括科学的本质。科学既需要演绎推理也需要归纳推理。科学工作是如何进行的。科学家以系统化收集的客观数据为基础建立假设。然后他们再设计出足以推翻这些假设的实验，并着手进行。1.3达尔文的进化理论描绘了科学是如何进行的达尔文的进化理论。环球航行中进行的观察，使达尔文逐渐建立了由自然选择导致进化的假说。达尔文的证据。化石和生物的地理分布使达尔文确信进化过程的存在。创立自然选择学说。马尔萨斯关于人口不会不受抑制地增长的思想，引导达尔文和另一位博物学者华莱士建立了自然选择假说。达尔文之后的进化论：更多证据。达尔文之后的一个世纪里，大量的实验证据支持他的进化论，如今它几乎被所有的生物学家所接受。1.4这本书将系统地帮助你学习生物生物的核心理论。课本的前半部分阐述了适用于一切有机体的普遍原理，而后半部分则侧重于生物体个论。你即将开始一次航程一一一次探寻生命本质的航程。大约180年前，一位名叫查尔斯·达尔文的年轻的英国博物学家搭乘H.M.S.贝格尔号进行了一次类似的航行（图1.1展示了贝格尔号的复制品）。这次长达五年之久的航行带给达尔文的收获就是他日后的自然选择进化理论，这个理论已经成为现代生物科学的

第 1 章 生物科学 要点概述 1.1 生物学是生命的科学 生命的属性。生物是一门研究活着的有机体以及它们之间 。 、它们和环境之间 关系的科学。 1.2 科学家在观察中总结和概括 科学的本质。科学既需要演绎推理也需要归纳推理 。 。 科学工作是如何进行的。科学家以系统化收集的客观数据为基础建立假设 。 。 然后他们再设计出足以推翻这些假设的实验，并着手进行。 1.3 达尔文的进化理论描绘了科学是如何进行的 达尔文的进化理论。环球航行中进行的观察 。 ，使达尔文逐渐建立了由自然选 择导致进化的假说。 达尔文的证据。化石和生物的地理分布使达尔文确信进化过程的存在 。 。 创立自然选择学说。马尔萨斯关于人口不会不受抑制地增长的思想 。 ，引导达 尔文和另一位博物学者华莱士建立了自然选择假说。 达尔文之后的进化论：更多证据。达尔文之后的一个世纪里 。 ，大量的实验证 据支持他的进化论，如今它几乎被所有的生物学家所接受。 1.4 这本书将系统地帮助你学习生物 生物的核心理论。课本的前半部分阐述了适用于一切有机体的普遍原理 。 ，而 后半部分则侧重于生物体个论。 你即将开始一次航程——一次探寻生命本质的航程。大约 180 年前，一位 名叫查尔斯·达尔文的年轻的英国博物学家搭乘 H.M.S.贝格尔号进行了一次类 似的航行（图 1.1 展示了贝格尔号的复制品）。这次长达五年之久的航行带给达 尔文的收获就是他日后的自然选择进化理论，这个理论已经成为现代生物科学的

核心。生物学是对活着的有机体以及它们如何发展进化而来进行科学研究，因而以达尔文的航行作为我们探询生物学奥秘的起点颇为恰当。不过在我们开始之前，先让我们用一点时间来想一想生物学是什么、它为什么如此之重要。1.1生物学是生命的科学生命的属性按照最广义的概念来说，生物学是研究活着的东西的科学一一也就是生命的科学。生物的形态与组成多种多样，生物学家也以各种各样的方法来研究这些生命。他们和大猩猩一起生活，收集化石，倾听鲸鱼的声音；他们分离病毒，种植蘑菇，也研究果蝇的结构；他们从长长的遗传大分子中解读信息，甚至计算蜂鸟的翅膀每秒钟扇动多少下。是什么东西赋予各种有机体“生命力”？谁都知道一匹飞驰的马是有生命的，而汽车没有，但是为什么？我们不能说“能动的东西就是有生命的”，因为汽车可以跑，白明胶会在碗图1.1：贝格尔号(theBeagle)的复制品从南美的南海岸离港。1831年，22岁的著名英国博中摇摆，它们当然都不是有生命的。物学家查尔斯·达尔文（CharlesDarwin）乘什么样的特征能够定义生命呢？所有H.M.S.贝格尔号出发。生命体都具有以下五个基本属性：1.有序性（Order）。所有的有机体由一个或多个细胞组成，细胞具有高度有序的结构：原子组成分子，分子构筑了细胞内的细胞器。这个多层次的有序结构可以上推至多细胞生物以及生物体之间。（图1.2）2.应激性(Sensitivity)。所有的生物体都会对刺激产生反应，如植物会朝向有光的方向生长，当你走进黑暗的房间时你的瞳孔会扩张

图 1.1：贝格尔号(the Beagle)的复制品从南美 的南海岸离港。1831 年，22 岁的著名英国博 物学家查尔斯·达尔文(Charles Darwin)乘 H.M.S.贝格尔号出发。 核心。生物学是对活着的有机体以及它们如何发展进化而来进行科学研究，因而 以达尔文的航行作为我们探询生物学奥秘的起点颇为恰当。不过在我们开始之 前，先让我们用一点时间来想一想生物学是什么、它为什么如此之重要。 1.1 生物学是生命的科学 1.1 生物学是生命的科学 生命的属性 按照最广义的概念来说，生物学 是研究活着的东西的科学——也就是 生命的科学。生物的形态与组成多种 多样，生物学家也以各种各样的方法 来研究这些生命。他们和大猩猩一起 生活，收集化石，倾听鲸鱼的声音； 他们分离病毒，种植蘑菇，也研究果 蝇的结构；他们从长长的遗传大分子 中解读信息，甚至计算蜂鸟的翅膀每 秒钟扇动多少下。 是什么东西赋予各种有机体“生 命力”？谁都知道一匹飞驰的马是有 生命的，而汽车没有，但是为什么？ 我们不能说“能动的东西就是有生命 的”，因为汽车可以跑，白明胶会在碗 中摇摆，它们当然都不是有生命的。 什么样的特征能够定义生命呢？所有 生命体都具有以下五个基本属性： 1．有序性（Order）。所有的有机体由一个或多个细胞组成，细胞具有高度 有序的结构：原子组成分子，分子构筑了细胞内的细胞器。这个多层次的有序结 构可以上推至多细胞生物以及生物体之间。（图 1.2） 2．应激性(Sensitivity)。所有的生物体都会对刺激产生反应 。 ，如植物会朝向 有光的方向生长，当你走进黑暗的房间时你的瞳孔会扩张

WITHINCELLSAMONGORGANISMSWITHINMULTICELLULARORGANISMSCellEcosystem合OrganismOrganelleOraansvstemCommunity0OrganMacromoleculeTissueMoleculeopulation图1.2：生物体的多层次有序结构。生命是高度有序的无论是小而简单的还是大而复杂的，包括细胞内，多细胞生物体内，以及生物体之间。WITHINCELL细胞内部层次，WITHINMULTICELLULARORGANISMS多细胞生物内部层次，AMONGORGANISMS生物间关系层次，molecule分子，macromolecule大分子，Organelle细胞器，cell细胞，tissue组织，organ器官，organ system系统，organism生物个体，population种群，species物种，community生物群落，ecosystem生态系统3.生长，发育和繁殖(Growth，development，andreproduction)。所有的生物都具有生长和繁殖的能力，它们具有能够传递给后代的遗传物质，以保证它们的后代和它们是同一个物种。虽然晶体也可以“生长”，但它们的生长与遗传物质无关。4.调节(Regulation)。所有的生物体都具有协调其内部功能的调节机制。这些功能包括向细胞提供养料，在机体内运输各种物质等等。5.自稳态(Homeostasis)。所有的生物体都有着相对恒定的内环境，而区别于它们所在的外环境，这个过程叫做自稳态。所有的生物体都具有共同的属性：有序性，应激性，生长，发育和繁殖，调节

图 1.2: 生物体的多层次有序结构。生命是高度有序的 。 ——无论是小而简单的还是大而复杂的， 包括细胞内，多细胞生物体内，以及生物体之间。 WITHIN CELL 细胞内部层次，WITHIN MULTICELLULAR ORGANISMS 多细胞生物内部层 次，AMONG ORGANISMS 生物间关系层次，molecule 分子，macromolecule 大分子，Organelle 细胞器，cell 细胞，tissue 组织，organ 器官，organ system 系统，organism 生物个体，population 种群，species 物种，community 生物群落，ecosystem 生态系统 3．生长，发育和繁殖(Growth, development, and reproduction)。所有的生 物都具有生长和繁殖的能力，它们具有能够传递给后代的遗传物质，以保证它们 的后代和它们是同一个物种。虽然晶体也可以“生长”，但它们的生长与遗传物 质无关。 4．调节(Regulation)。所有的生物体都具有协调其内部功能的调节机制 。 。这 些功能包括向细胞提供养料，在机体内运输各种物质等等。 5．自稳态(Homeostasis)。所有的生物体都有着相对恒定的内环境 。 ，而区别 于它们所在的外环境，这个过程叫做自稳态。 所有的生物体都具有共同的属性：有序性，应激性，生长，发育和繁殖，调节

以及自稳态。1.2科学家在观察中总结和概括科学的本质生物学是一门既迷人又重要的学科，因为它将对我们的日常生活和我们的未来产生深刻的影响。许多生物学家研究的问题与我们的生活休戚相关，比如快速增长的世界人口，像癌症和艾滋病之类的疾病。这些生物学家积累的知识为我们提供理论基础，让我们有能力以合理的方式利用资源，预防和治疗疾病，提高我们自己以及子孙后代的生活质量。自然科学的任务，是解释世界是什么样子的，而生物学是最成功的“自然科学”之一。要理解生物学，首先要理解科学的本质。科学家的基本工具是思考，所以要想理解科学的本质，用一点时间来关注一下科学家们如何思考会对我们有所帮助。他们有两种推理的方式：演绎法和归纳法。演绎推理SunlightLight rays图1.3：演绎法：埃拉托色尼是怎样通过演atmidday parallel绎法来估算地球周长的。1、当阳光射进埃及Distance betweenSyene城内的深井底的那天，埃拉托色尼测量cities=800km了位于它正北方向800公里处，亚历山大城Well内一座方尖碑投下的影子的长度。2、影子和方尖碑形成三角形的两边。运用欧氏几何，Height ofobelisk他算出角α应为7度12分，正好是五十分之一圆周（360°）。3、如果角α等于五十分之一圆周，那么方尖碑（亚历山大城内）与井Lengthof（Syene城内）之间的距离就等于五十分之一shadow的地球周长。4、埃拉托色尼听说骑骆驼从亚历山大到Syene要走50天。假设骆驼每天能走大约18.5公里，他估算出方尖碑到井之间的距离大概是925公里（当然他使用的是其它度量单位）。5、于是埃拉托色尼推出地球的周长是50*925=46，250于米。方尖碑到a的距离以现代度量单位测量是略大于800公里。按800公里计算，埃拉托色尼的值就成了50*800=40，000千米。实际的长度是40，075千米。Sunlightatmidday正午的阳光，well井，Lightraysparallel平行的光线，lengthof shadow影子的长度，Distancebetweencities两座城市间的距离，heightofobelisk方尖碑的高度

图 1.3：演绎法：埃拉托色尼是怎样通过演 ：埃拉托色尼是怎样通过演 绎法来估算地球周长的。1、当阳光射进埃及 、 Syene 城内的深井底的那天，埃拉托色尼测量 了位于它正北方向 800 公里处，亚历山大城 内一座方尖碑投下的影子的长度。2、影子和 方尖碑形成三角形的两边。运用欧氏几何， 他算出角 α 应为 7 度 12 分，正好是五十分之 一圆周（360o）。3、如果角 α 等于五十分之 一圆周，那么方尖碑（亚历山大城内）与井 （Syene 城内）之间的距离就等于五十分之一 的地球周长。4、埃拉托色尼听说骑骆驼从亚 、 历山大到 Syene 要走 50 天。假设骆驼每天能 走大约 18.5 公里，他估算出方尖碑到井之间 的距离大概是 925 公里（当然他使用的是其 它度量单位）。5、于是埃拉托色尼推出地球 、 的周长是 50*925=46，250 千米。方尖碑到井 的距离以现代度量单位测量是略大于 800 公 里。按 800 公里计算，埃拉托色尼的值就成 了 50*800=40，000 千米。实际的长度是 40， 075 千米。 Sunlight at midday 正午的阳光，well 井，Light rays parallel 平行的光线，length of shadow 影子 的长度，Distance between cities 两座城市间的距离，height of obelisk 方尖碑的高度 以及自稳态。 1.2 科学家在观察中总结和概括 1.2 科学家在观察中总结和概括 科学的本质 生物学是一门既迷人又重要的学科，因为它将对我们的日常生活和我们的未 来产生深刻的影响。许多生物学家研究的问题与我们的生活休戚相关，比如快速 增长的世界人口，像癌症和艾滋病之类的疾病。这些生物学家积累的知识为我们 提供理论基础，让我们有能力以合理的方式利用资源，预防和治疗疾病，提高我 们自己以及子孙后代的生活质量。 自然科学的任务，是解释世界是什么样子的，而生物学是最成功的“自然科 学”之一。要理解生物学，首先要理解科学的本质。科学家的基本工具是思考， 所以要想理解科学的本质，用一点时间来关注一下科学家们如何思考会对我们有 所帮助。他们有两种推理的方式：演绎法和归纳法。 演绎推理

演绎推理(Deductivereasoning)是一种利用普遍法则来推测特定结果的思维方法。2200多年以前，古希腊人埃拉托色尼(Eratosthenes，公元前三世纪的希腊天文学家、数学家和地理学家一一译者注用演绎法正确地估算出了地球的周长。在一年里白昼最长的那天正午，当阳光射进埃及Syene城内的深井底，埃拉托色尼测量了它正北方向800公里处，亚历山大城内一座方尖碑投下的影子的长度。因为已知两座城之间的距离和方尖碑的高度，他运用欧式几何的基本原理就能正确地推算出地球的周长（图1.3）。像这样用普遍规律来分析特定情况就是演绎推理的例子。这是数学和哲学的推理，用来检验各个知识领域中普遍观点的正确性。普遍法则建立起来，并成为检验各种具体情况的基础。归纳推理归纳推理(Inductivereasoning)是一种通过观察特定对象来建立普遍适用的科学理论的思维方法。韦氏大辞典将科学定义为“由观察以及旨在推定事物普遍规律的实验所得出的系统化知识”。换句话说，科学家对具体情况进行仔细观察和分析，并从中总结出普遍性规律。从17世纪开始，归纳法在欧洲就成为重要的科学方法。当时弗朗西斯·培根（FrancisBacon）、伊萨克·牛顿（IsaacNewton）和其他一些人，开始从一些具体试验的结果来推断世界运行的普遍规律。如果你放开手中的苹果，会发生什么？它会掉落在地上。通过许许多多像这样简单、专一的观察，牛顿推断出一个普遍规律：所有的物体都会掉向地心。他建立了一套世界运转的模型，一套与他的认知相符的普遍原理。今天的科学家也是一样。他们通过特定的观察来建立普遍的模型，然后检验这些模型，看看它们是否正确。科学是一种观察并理解世界的方法，它主要通过观察来收集信息，并研究这些信息以理解它们。科学工作是如何进行的科学家是怎样确定众多的理论中哪些是对的，哪些是错的呢？通常他们会通过系统化检验各个理论来进行筛选：如果理论被证实与实验观察不相符，就作为错误而被否决。一般而言，科学家在对某科学领域进行了细致入微的观察后会提出假

演绎推理(Deductive reasoning)是一种利用普遍法则来推测特定结果的思维 方法。2200 多年以前，古希腊人埃拉托色尼(Eratosthenes，公元前三世纪的希腊 天文学家、数学家和地理学家——译者注)用演绎法正确地估算出了地球的周长。 在一年里白昼最长的那天正午，当阳光射进埃及 Syene 城内的深井底，埃拉托色 尼测量了它正北方向 800 公里处，亚历山大城内一座方尖碑投下的影子的长度。 因为已知两座城之间的距离和方尖碑的高度，他运用欧式几何的基本原理就能正 确地推算出地球的周长（图 1.3）。像这样用普遍规律来分析特定情况就是演绎推 理的例子。这是数学和哲学的推理，用来检验各个知识领域中普遍观点的正确性。 普遍法则建立起来，并成为检验各种具体情况的基础。 归纳推理 归纳推理(Inductive reasoning)是一种通过观察特定对象来建立普遍适用的 科学理论的思维方法。韦氏大辞典将科学定义为“由观察以及旨在推定事物普遍 规律的实验所得出的系统化知识”。换句话说，科学家对具体情况进行仔细观察 和分析，并从中总结出普遍性规律。从 17 世纪开始，归纳法在欧洲就成为重要 的科学方法。当时弗朗西斯·培根（Francis Bacon）、伊萨克·牛顿（Isaac Newton） 和其他一些人，开始从一些具体试验的结果来推断世界运行的普遍规律。如果你 放开手中的苹果，会发生什么？它会掉落在地上。通过许许多多像这样简单、专 一的观察，牛顿推断出一个普遍规律：所有的物体都会掉向地心。他建立了一套 世界运转的模型，一套与他的认知相符的普遍原理。今天的科学家也是一样。他 们通过特定的观察来建立普遍的模型，然后检验这些模型，看看它们是否正确。 科学是一种观察并理解世界的方法，它主要通过观察来收集信息 ，它主要通过观察来收集信息，并研究这些 信息以理解它们。 科学工作是如何进行的 科学家是怎样确定众多的理论中哪些是对的，哪些是错的呢？通常他们会通过系 统化检验各个理论来进行筛选：如果理论被证实与实验观察不相符，就作为错误 而被否决。一般而言，科学家在对某科学领域进行了细致入微的观察后会提出假

Observation设(Hypothesis)，作为对观察ScientificMethodQuestion结果的暂时解释。假设是一Reject$1Experimenthypoth51and4Hypothes个有可能为真的命题。那些IypothesisHypothesis5Hypothesis2Reiec没有被证实为错误的假设ExperimentPotentialHvpothesisnvpothesehypotheses2and3Hypothesis5Last remainingRemaining将被保留，因为它们和已知Hypothesis5PposiboleRypstlePredictions的结果相符，所以可以暂时Experiment3Experiment2Experiment4Experiment1认为是正确的，但是他们将Predictions要不停的接受新知识的检confirmec验，一旦与观察不符就会被图1.4：科学是如何完成的。这张图描绘了科学论证的过程。首先，科学家进行观察并提出疑问。他们淘汰或修正。同时对这些问题提出一些可能的解释（假设）。然后，检验假设他们通过实验来排除其中的一个或几个假设。接着，以剩下的假设为基础提出预言并实施下一步实验来我们可以将这些对假检验这些预言的真伪。经过这一过程，人们可选出设的检验称为实验最具可能性的假设。Scientificmethod科学方法，observation观察(experiment)（图1.4)。设Question提出问题，hypothesis猜想想有一间黑漆漆的房间，为Experiment实验，rejecthypothesis1and4排除猜想1和4，potentialhypothesis可能的猜想了要解释它为什么那么暗，Remainingpossiblehypothesis仍旧可能正确的猜想你可以提出了几种假设，比Lastremaininghypothesis最终可能正确的猜想Prediction预测，Predictionconfirmed符合预测结果如“因为没开灯所以屋子里没有光”，也可能是“因为灯泡坏了所以屋子里没有光”，甚至还有第三种可能是“我自已什么都看不见了”。要评估这些假设是对是错，你需要用实验来排除它们当中的一个或者几个。例如，你可以试试灯的开关一一如果还不亮的话，第一个假设就是错的，那么一定是开关没开以外的其他原因导致了黑暗。要注意的是，这种检验办法并不能证明任何假设是正确的：它只能指出那个是错误的。一次成功的实验在于它能证明一个或几个假设与真实结果不符而将它们排除掉。在学习本书内容的工程中，你会了解到许多经历了实践检验的假设，其中一些在今后一段时间内或许仍能经受住考验；而另一些将因为新的观察结果而被修正。与其它学科一样，生物学也在不断地发展变化，旧观点将被不断出现的新观点取代

图 1.4：科学是如何完成的 ：科学是如何完成的。这张图描绘了科学论证 。 的过程。首先，科学家进行观察并提出疑问。他们 同时对这些问题提出一些可能的解释（假设）。然后， 他们通过实验来排除其中的一个或几个假设。接着， 以剩下的假设为基础提出预言并实施下一步实验来 检验这些预言的真伪。经过这一过程，人们可选出 最具可能性的假设。 Scientific method 科学方法，observation 观察 Question 提出问题，hypothesis 猜想 Experiment 实验，reject hypothesis 1 and 4 排除猜想 1 和 4，potential hypothesis 可能的猜想 Remaining possible hypothesis 仍旧可能正确的猜想 Last remaining hypothesis 最终可能正确的猜想 Prediction 预测，Prediction confirmed 符合预测结果 设(Hypothesis)，作为对观察 结果的暂时解释。假设是一 个有可能为真的命题。那些 没有被证实为错误的假设 将被保留，因为它们和已知 的结果相符，所以可以暂时 认为是正确的，但是他们将 要不停的接受新知识的检 验，一旦与观察不符就会被 淘汰或修正。 检验假设 我们可以将这些对假 设 的 检 验 称 为 实 验 (experiment)（图 1.4）。设 想有一间黑漆漆的房间，为 了要解释它为什么那么暗， 你可以提出了几种假设，比 如“因为没开灯所以屋子里 没有光”，也可能是“因为灯泡坏了所以屋子里没有光”，甚至还有第三种可能是 “我自己什么都看不见了”。要评估这些假设是对是错，你需要用实验来排除它 们当中的一个或者几个。例如，你可以试试灯的开关——如果还不亮的话，第一 个假设就是错的，那么一定是开关没开以外的其他原因导致了黑暗。要注意的是， 这种检验办法并不能证明任何假设是正确的；它只能指出那个是错误的。一次成 功的实验在于它能证明一个或几个假设与真实结果不符而将它们排除掉。 在学习本书内容的工程中，你会了解到许多经历了实践检验的假设，其中一 些在今后一段时间内或许仍能经受住考验；而另一些将因为新的观察结果而被修 正。与其它学科一样，生物学也在不断地发展变化，旧观点将被不断出现的新观 点取代