通往生物學世界的地圖

生物學是一門研究所有不同形式的生命的學科，從簡單的細胞到棲居在這顆星球上的所有動物都是生物學家的研究對象。

從分子生物學到生態學，都是生物學的研究對象。| 圖片來源：Blinklearning

我們對生物學的痴迷有著源遠流長的歷史，早在4000多年前中國就有相關的醫學記載。在古希臘時期，亞里士多德（Aristotle）對海洋生物和植物有大量的相關研究。到了文藝復興時期，達芬奇（Leonardo da Vinci）冒險進行人體解剖，並詳盡的描繪了至今都令人嘆為觀止的解剖圖。

17世紀，顯微鏡的出現為我們打開了一個全新的生物世界，胡克（Robert Hooke）透過復顯微鏡的觀測首次提出了「細胞」的概念。在維多利亞時期和19世紀之間，成千上萬的新物種被發現，並被無畏的冒險家、植物學家和昆蟲學家所記錄。特別是到了1859年，達爾文（Charles Darwin）發表的《物種起源》徹底地改變了我們對生命的看法。

當所有人都把焦點集中在宏觀層面的生物體研究時，遺傳學之父孟德爾（Gregor Mendel）則探索了生物的特徵是如何從上一代傳給下一代的。到了1953年，沃森（James Watson）和克里克（Francis Crick ）解釋了DNA的結構和功能，引發了生物學革命。所有的生物領域都因此在極大的程度上進行擴展，它觸及了生命的方方面面。

到了今天，層出不窮的新技術不斷地推進著生物學的發展，但該領域仍然處於探索的階段。例如，2016年，科學家在實驗室中製造了最小合成細菌基因組，僅包含了473個基因（作為比較，人類基因組包含了大約20000個），其中有149個基因的確切功能還是未知的。這表明了即使是最簡單的生物體，都可以展現出生命可以有多麼的複雜。

接下來，我將帶領大家進入到生物學的世界。我們可以大致將生物學劃分為五個類別：細胞內部、遺傳學、生物體、醫學和群體。值得一提的是，生物學中的許多分支都是相互關聯的，比如研究動物學就必須要掌握進化學、生理學和生態學的相關知識，而如果不具備生物化學和分子生物學的基礎也無法研究細胞生物學。

生物學地圖。| 圖片來源：Dominic Walliman

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細胞內部（Inside Cells）

細胞是最基本的單元和所有生命的基礎，它們是複雜得難以置信的分子工廠。細胞生物學（Cellular Biology）是研究細胞的形態結構，生理功能，細胞周期、分裂和凋亡，以及各種細胞器以及信息傳遞路徑的一個生物學分支。自細胞首次誕生在地球上，它經歷了超過30億年的進化，才出現了多細胞生物。

細胞分為兩類：真核細胞（左）和原核細胞（右）。| 圖片來源：Wikipedia

細胞是我們可以視之為生命的最小東西了。但是，科學家對生命的定義並沒有統一的意見。新陳代謝、進化、體內平衡、繁殖都是定義生命的一部分。在明顯的非生命和生命之間，是一大片難以定義的灰色地帶。病毒就是一種介於二者之間的物種，因為一方面它們不能自行複製；另一方面當有正常活細胞供它們使用時，就可進行非常高效的傳播。

1943年，物理學家薛定諤在都柏林舉辦了一系列的講座探討了「什麼是生命？」

分子生物學（Molecular biology ）將深入到細胞的內部，並研究各種系統是如何在分子的基礎上互相合作。該領域的研究課題包括DNA、RNA、氨基酸和蛋白質，以及它們之間又是如何相互作用，又有哪些因素會影響這些作用。

分子生物學。| 圖片來源：Dominic Walliman

這跟結構生物學（Structural biology）有關。從名字我們就可以猜出，結構生物學研究的對象是生物分子的形狀，包括氨基酸、核酸和酶。為什麼它們會有這樣的結構，以及這些結構是如何影響它們的功能的？

生物化學（Biochemistry）則進一步深入研究這些生物分子在化學層面上是如何相互作用的。生命在本質上就是大量複雜的化學反應，而生物化學研究的是生命所依賴的化學信號和反應。

DNA的結構。| 圖片來源：Wikipedia

我們所研究的分子對象都太小了，以至於普通的光學顯微鏡無法窺探到它們，因此科學家發展了許多生物物理（Biophysics）技術來研究生物分子的結構，比如X-射線晶體學或者冷凍電鏡（冷凍電鏡技術在2017年大放異彩，不僅摘下了諾貝爾化學獎，並且在諸多領域有了新的應用）。有趣的是，科學家現在也將量子力學應用於生物學的研究上，試圖揭示一些生物過程背後的物理機制。量子生物學（Quantum Biology）的發展為理解鳥類遷徙、光合作用、甚至是嗅覺背後的秘密提供了新的見解。（詳見：《量子生物學：試圖揭示自然界的奧秘》）

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遺傳學（Genetics）

DNA是構成生命的藍圖，遺傳學研究DNA是如何通過基因來表達以創造各種不同的生命形式，以及這一信息又是如何從一代傳到下一代的。

群體遺傳學（Population genetics）是遺傳學的一個分支，它研究的是種群內和種群之間的遺傳差異。它也研究遺傳重組、種群的分類、以及種群的空間結構。同樣地，群體遺傳學試圖解釋諸如適應和物種形成現象的理論。

一個旁氏表（Punnett square），顯示了帶有兩種花色基因（紫花B和白花b）的豌豆雜交後的結果。| 圖片來源：Wikipedia

一個生物體的DNA密碼是如此巨大，因此我們需要用到計算機在數據中找出規律。生物信息學（Bioinformatics）是一門結合了計算機科學、生物、數學和工程的學科，用於分析和詮釋在遺傳學和其他領域中的生物數據。生物數學（Biomathematics）則使用數學工具來構建生物過程的模型，並被應用在許多其它的領域，從遺傳學到生物技術再到生態系統的研究。

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生物體（Organisms）

動物和植物的生長和發育過程是發育生物學（Developmental Biology）的研究課題。發育生物學研究基因對細胞生長、分化和形態發生的調控，這些過程使生物體形成組織和器官。該領域的一個有趣的研究方向是幹細胞（Stem Cells）是如何發育和分化成為身體中的不同細胞。（詳見：《幹細胞與再生醫療：道路的盡頭便是青春之泉？》）

解剖學（Anatomy）關注的是生物體在不同尺度的結構和組織。它同時包括了植物解剖學和動物解剖學，並尋求對構成生物體的所有不同部分進行命名。

1543出版的《人體的構造》，是安德雷亞斯·維薩里寫的一套關於人體解剖學的著作。| 圖片來源：Wikipedia

解剖學是研究生物體由什麼構成的，而生理學（physiology）則是研究這些組成部分是如何運作的，以及又是如何相互作用的。它追求的是理解在生物體內的所有不同組成部分是如何共同運作，並且保持正常的運作。

生物力學（Biomechanics）採用了力學的方法研究身體的不同部分是如何設計以用來運動的。最顯而易見的是我們的四肢，但也包括血液在血管中的流動規律或心臟的瓣膜運動。在微觀層面，它也研究細胞的強度或靈活性等等。

免疫學（Immunology）研究我們的免疫系統，它是如何以多重方法來保護我們免受感染。它也調查免疫系統會發生故障的不同方式，比如過敏、自身免疫、癌症和許多其他的疾病。

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