通往生物学世界的地图

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楼主 2019-10-30 15:30:47
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本文经「原理」(微信公众号:principia1687)授权转载,禁止二次转载。


生物学是一门研究所有不同形式的生命的学科,从简单的细胞到栖居在这颗星球上的所有动物都是生物学家的研究对象。


○ 从分子生物学到生态学,都是生物学的研究对象。| 图片来源:Blinklearning


我们对生物学的痴迷有着源远流长的历史,早在4000多年前中国就有相关的医学记载。在古希腊时期,亚里士多德(Aristotle)对海洋生物和植物有大量的相关研究。到了文艺复兴时期,达芬奇(Leonardo da Vinci)冒险进行人体解剖,并详尽的描绘了至今都令人叹为观止的解剖图。


17世纪,显微镜的出现为我们打开了一个全新的生物世界,胡克(Robert Hooke)透过复显微镜的观测首次提出了“细胞”的概念。在维多利亚时期和19世纪之间,成千上万的新物种被发现,并被无畏的冒险家、植物学家和昆虫学家所记录。特别是到了1859年,达尔文(Charles Darwin)发表的《物种起源》彻底地改变了我们对生命的看法。


当所有人都把焦点集中在宏观层面的生物体研究时,遗传学之父孟德尔(Gregor Mendel)则探索了生物的特征是如何从上一代传给下一代的。到了1953年,沃森(James Watson)和克里克(Francis Crick )解释了DNA的结构和功能,引发了生物学革命。所有的生物领域都因此在极大的程度上进行扩展,它触及了生命的方方面面。


到了今天,层出不穷的新技术不断地推进着生物学的发展,但该领域仍然处于探索的阶段。例如,2016年,科学家在实验室中制造了最小合成细菌基因组,仅包含了473个基因(作为比较,人类基因组包含了大约20000个),其中有149个基因的确切功能还是未知的。这表明了即使是最简单的生物体,都可以展现出生命可以有多么的复杂。


接下来,我将带领大家进入到生物学的世界。我们可以大致将生物学划分为五个类别:细胞内部遗传学生物体医学群体。值得一提的是,生物学中的许多分支都是相互关联的,比如研究动物学就必须要掌握进化学、生理学和生态学的相关知识,而如果不具备生物化学和分子生物学的基础也无法研究细胞生物学。



○ 生物学地图。| 图片来源:Dominic Walliman


1

细胞内部(Inside Cells)


细胞是最基本的单元和所有生命的基础,它们是复杂得难以置信的分子工厂。细胞生物学(Cellular Biology)是研究细胞的形态结构,生理功能,细胞周期、分裂和凋亡,以及各种细胞器以及信息传递路径的一个生物学分支。自细胞首次诞生在地球上,它经历了超过30亿年的进化,才出现了多细胞生物。



○ 细胞分为两类:真核细胞(左)和原核细胞(右)。| 图片来源:Wikipedia


细胞是我们可以视之为生命的最小东西了。但是,科学家对生命的定义并没有统一的意见。新陈代谢、进化、体内平衡、繁殖都是定义生命的一部分。在明显的非生命和生命之间,是一大片难以定义的灰色地带。病毒就是一种介于二者之间的物种,因为一方面它们不能自行复制;另一方面当有正常活细胞供它们使用时,就可进行非常高效的传播。



○ 1943年,物理学家薛定谔在都柏林举办了一系列的讲座探讨了“什么是生命?”


分子生物学(Molecular biology )将深入到细胞的内部,并研究各种系统是如何在分子的基础上互相合作。该领域的研究课题包括DNA、RNA、氨基酸和蛋白质,以及它们之间又是如何相互作用,又有哪些因素会影响这些作用。


○ 分子生物学。| 图片来源:Dominic Walliman


这跟结构生物学(Structural biology)有关。从名字我们就可以猜出,结构生物学研究的对象是生物分子的形状,包括氨基酸、核酸和酶。为什么它们会有这样的结构,以及这些结构是如何影响它们的功能的?


生物化学(Biochemistry)则进一步深入研究这些生物分子在化学层面上是如何相互作用的。生命在本质上就是大量复杂的化学反应,而生物化学研究的是生命所依赖的化学信号和反应。



○ DNA的结构。| 图片来源:Wikipedia


我们所研究的分子对象都太小了,以至于普通的光学显微镜无法窥探到它们,因此科学家发展了许多生物物理(Biophysics)技术来研究生物分子的结构,比如X-射线晶体学或者冷冻电镜(冷冻电镜技术在2017年大放异彩,不仅摘下了诺贝尔化学奖,并且在诸多领域有了新的应用)。有趣的是,科学家现在也将量子力学应用于生物学的研究上,试图揭示一些生物过程背后的物理机制。量子生物学(Quantum Biology)的发展为理解鸟类迁徙、光合作用、甚至是嗅觉背后的秘密提供了新的见解。(详见:《量子生物学:试图揭示自然界的奥秘》


2

遗传学(Genetics)


DNA是构成生命的蓝图,遗传学研究DNA是如何通过基因来表达以创造各种不同的生命形式,以及这一信息又是如何从一代传到下一代的。


群体遗传学(Population genetics)是遗传学的一个分支,它研究的是种群内和种群之间的遗传差异。它也研究遗传重组、种群的分类、以及种群的空间结构。同样地,群体遗传学试图解释诸如适应和物种形成现象的理论。



○ 一个旁氏表(Punnett square),显示了带有两种花色基因(紫花B和白花b)的豌豆杂交后的结果。| 图片来源:Wikipedia


一个生物体的DNA密码是如此巨大,因此我们需要用到计算机在数据中找出规律。生物信息学(Bioinformatics)是一门结合了计算机科学、生物、数学和工程的学科,用于分析和诠释在遗传学和其他领域中的生物数据。生物数学(Biomathematics)则使用数学工具来构建生物过程的模型,并被应用在许多其它的领域,从遗传学到生物技术再到生态系统的研究。


3

生物体(Organisms)


动物和植物的生长和发育过程是发育生物学(Developmental Biology)的研究课题。发育生物学研究基因对细胞生长、分化和形态发生的调控,这些过程使生物体形成组织和器官。该领域的一个有趣的研究方向是干细胞(Stem Cells)是如何发育和分化成为身体中的不同细胞。(详见:《干细胞与再生医疗:道路的尽头便是青春之泉?》


解剖学(Anatomy)关注的是生物体在不同尺度的结构和组织。它同时包括了植物解剖学和动物解剖学,并寻求对构成生物体的所有不同部分进行命名。



○ 1543出版的《人体的构造》,是安德雷亚斯·维萨里写的一套关于人体解剖学的著作。| 图片来源:Wikipedia


解剖学是研究生物体由什么构成的,而生理学(physiology)则是研究这些组成部分是如何运作的,以及又是如何相互作用的。它追求的是理解在生物体内的所有不同组成部分是如何共同运作,并且保持正常的运作。


生物力学(Biomechanics)采用了力学的方法研究身体的不同部分是如何设计以用来运动的。最显而易见的是我们的四肢,但也包括血液在血管中的流动规律或心脏的瓣膜运动。在微观层面,它也研究细胞的强度或灵活性等等。



免疫学(Immunology)研究我们的免疫系统,它是如何以多重方法来保护我们免受感染。它也调查免疫系统会发生故障的不同方式,比如过敏、自身免疫、癌症和许多其他的疾病。


微生物学(Microbiology)研究的是用肉眼难以看到的微小生物,大致可被分为三大类——原核微生物、病毒和真核微生物。(扩展阅读:《时间可逆性和扇贝定理》


细菌原核微生物中的一个最为普遍的例子, 它们无处不在且繁殖迅速,人的体内就有大量的细菌,除了少部分致病菌,大部分细菌对人体完全无害,甚至是维持生命的关键。


病毒的尺寸非常小,大小一般在20到400纳米之间。病毒会感染其他生物体,例如流感病毒会感染肺部的肺细胞。由于病毒本身结构简单,它们必须依赖宿主细胞的细胞机制进行复制,一旦离开宿主细胞就没有了生命活动。


真核微生物主要包括真菌,酵母菌,原生动物和藻类等。与原核微生物相比真核微生物进化出了完整的细胞核和一些具有特殊功能的细胞器,比如藻类细胞中的叶绿体便可以利用叶绿素进行光合作用。真核微生物和我们的生活密切相关,制作面包,红酒都离不开它们。我们餐桌上常见的蘑菇和木耳也属于真核微生物。除了给我们带来生活上的便利,真核微生物同是也是很多疾病的病原体。原生动物中的疟原虫便是导致疟疾的罪魁祸首。


4

医学(Medicine)


自古以来,我们都在寻找能够快速治愈疾病、遏制瘟疫、延缓衰老的方法。现代医学的发展令人惊喜地展现了许多的可能性,并发展了许多魔幻般的技术。


生物医学研究(Biomedical research)大大帮助了人类寿命的延长,它试图解决疾病和死亡的原因。这可以延展到许多领域,从基础研究,到发展新的医学装置以及发现和诊断疾病的新方法。或者通过在制药工业的临床试验发展新的药物。


生物工程学(Bioengineering)将工程学中的原理和一些生物系统的知识融合在一起,以解决现实世界中的问题。这可以用来制造医学中所需要的设备,比如人造器官,这被称作为生物医学工程。它也可以被用来制造生物技术(Biotechnology),比如遗传工程——用以篡改生物体的遗传密码来治疗疾病,或者创造能够抵抗不利的生长条件的农作物。尤其是这几年来获得迅速发展的生物技术明星——基因编辑技术CRISPR(详见:《肉眼看不见的剪刀——基因魔剪》


合成生物学(Synthetic biology)是生物工程的另一个分支,科学家可以从零开始制造DNA的新序列来创造出不存在于自然界的生物体。或者重新设计已经存在的系统,比如遗传工程的大肠杆菌,来完成一些有用的任务,比如身体中的靶向药物输送。


刚才所提到的领域之间都是相互关联的。其中大多数是基于它们在其它领域的研究。一个很好的例子便是神经科学(Neuroscience),这是一个研究神经系统(特别是大脑)的领域。它涉及到了大脑的解剖、神经元的生理、以及大脑里的分子生物和生物化学。因此,生物学和其它大多数科学一样,不同领域之间都是互通的。



○ 神经科学的目标是理解大脑和行为,以及我们如何感知、移动、思考和记忆的。| 图片来源:University of Minnesota


药剂学(Pharmacology)研究在身体里药物的各种作用。它研究药物的不同方面,比如药物是如何制作的以及它们在不同的生物系统里的作用。


病理学(Pathology)研究的是疾病的各种成因和后果,以及通过对身体中的血液和组织的采样对疾病下诊断。它也研究细胞怎样对受伤作出的适应调整、伤口、发炎的愈合,或者像癌症中的新细胞的不正常生长。它也被用于尸检,调查死亡的原因。


流行病学(Epidemiology)是一门探讨影响人类群体的健康和疾病的学科,并试图找出疾病的模式,因为我们关心这些疾病是如何传播的,对人类群体的健康又会产生怎样的影响。它被视为公共卫生研究的基础方法论。流行病学家一直密切监视着疾病的发生,一旦发现疾病的爆发,他们就会立即投入工作,找出传播的原因并尽量减少伤害。


5

群体(Groups)


当我们放大视角时,就会发现生物学事实上包含了对整个自然界的研究。古生物学(Paleontology)研究遥远过去的的史前生命,对化石的分析可以帮助我们重构古生物的面貌,以及找出它们是如何进化的线索。这和进化生物学(Evolutionary biology)密切相关,进化生物学研究的是地球上的所有的生命是如何源于同一祖先,以及研究进化怎样导致在地球上的生命多样化。



○ 古生物学。| 图片来源:mocomi


今天,生活在地球上的植物和动物均属于动物学(Zoology)植物学(Botany)海洋生物学(Marine biology)的研究范畴。这些学科观察各种动物、植物和菌类的发展、行为和生理,以及对所有不同物种进行分类。


生态学(Ecology)研究动物和植物的整个族群是如何在同一个环境中相互交往:动物们是如何互相竞争或者合作,以及有多少种的植物和动物居住在同样的环境中。这和环境生物学(Environmental biology)紧密相连。环境生物学调查的是人类产生的污染、农业或化石燃料的排放导致的环境和气候变化是如何破坏掉生态系统的平衡。


到目前为止,我们所提到的都仅限于地球上的生命。但生命究竟是如何从化学反应中诞生的?地球真的是宇宙中出现生命的唯一星球吗?在其它的行星上是否也孕育出不同于我们的奇异形式的生命?天体生物学(Astrobiology)试图回答这些问题,并通过不同的方法探测在遥远星球上是否有生命的迹象。


○ 在NASA的艾姆斯研究中心悬挂的一幅壁画中描述了地球上生命的出现。 | 图片来源:NASA Ames Research Center


以上,就是生物学领域的主要研究方向。如果要用一个词来描述生物学,那就是复杂性。也正是因为如此,才使这个领域变得如此有魅力,大量的未知不断地的引领着我们去探索。未来,我们是否能够找到治愈癌症的方法、开发出缓解阿尔兹海默症和延缓衰老的药物?或许吧。但更令人期待的是在这个探索的过程中,我们所遇到的那些意想不到的发现。


扩展阅读:

[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-schrödinger-lecture-1.3379859


中学生“英才计划”


ID:zxsycjh


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