生物学 第2版

引用

Clark, M. A., Douglas, M., & Choi, J. (2018). Biology 2e (2nd ed.). OpenStax. Free official edition: https://openstax.org/details/books/biology-2e

章节概要

《Biology 2e》是 OpenStax 为理科专业两学期普通生物学入门课程编写的教材，PDF 版约1440页。全书47章分为八个单元，最后是三个简短的附录（元素周期表、地质年代、计量单位）。前言称本书的方法是"通过进化的视角"全面讲授基础研究和核心概念。每章都采用相同的结构：以一张照片为引子的导言，各自以学习目标开头的编号小节，然后是关键术语、逐节的章末小结、Visual Connection 题、复习题和批判性思考题。反复出现的专栏有 Evolution Connection、Scientific Method Connection、Career Connection、Everyday Connection 和 Link to Learning。

第1章：生命的研究

开篇一章介绍科学及其方法（归纳推理与演绎推理、假说与理论、基础科学与应用科学、同行评审论文）以及生物学的主题：生物共有的特征，从原子到生物圈的组织层次，以及作为多样性来源的进化。

第2—3章：生命的化学基础；生物大分子

第一单元提供化学基础。第2章讲原子、同位素、离子和化学键，水的性质，pH 与缓冲液，以及碳的化学。第3章讨论单体如何构成多聚体，然后依次讲碳水化合物、脂质、蛋白质（包括其四级结构）和核酸。

第4—5章：细胞结构；质膜的结构与功能

第二单元从显微技术与细胞学说、原核细胞与真核细胞、内膜系统、细胞骨架和细胞间连接开始。第5章介绍膜的流动镶嵌模型，然后讲被动运输、主动运输和大分子的批量运输。

第6—8章：代谢；细胞呼吸；光合作用

三章讨论能量。第6章介绍自由能和活化能、热力学定律、ATP 和酶。第7章依次讲糖酵解、丙酮酸氧化与柠檬酸循环、氧化磷酸化和发酵，然后讨论碳水化合物、蛋白质和脂质代谢途径之间的联系以及细胞呼吸的调节。第8章讲光反应和卡尔文循环。

第9—10章：细胞通讯；细胞增殖

第9章讨论信号分子与受体、通过第二信使和磷酸化的信号传递、细胞反应以及单细胞生物中的信号传导。第10章讲细胞周期及其调控、作为调控失灵的癌症，以及原核生物的细胞分裂。

第11—13章：减数分裂与有性生殖；孟德尔的实验与遗传；对遗传的现代理解

第三单元从减数分裂和多种有性生活史开始。第12章结合概率、性状和遗传定律重现孟德尔的实验。第13章介绍染色体学说、斯特蒂文特利用重组频率为连锁基因作图的方法，以及染色体数目和结构异常造成的遗传病。

第14—17章：DNA 的结构与功能；基因与蛋白质；基因表达；生物技术与基因组学

全书的分子生物学核心。第14章从确认 DNA 的历史实验讲到 DNA 的结构、测序、原核生物和真核生物中的复制以及修复。第15章讲遗传密码、转录、RNA 加工和翻译。第16章解释原核生物的基因调控，以及真核生物在各个层次上的调控（表观遗传、转录、转录后、翻译），最后讨论作为基因调控疾病的癌症。第17章介绍实验技术（凝胶电泳、PCR、印迹、克隆）、基因组作图、全基因组测序，以及基因组学和蛋白质组学的应用。

第18—20章：进化与物种起源；种群的进化；系统发育与生命史

第四单元讲自然选择造成的进化及其证据、物种形成及其速率、群体遗传学（哈迪—温伯格平衡、改变等位基因频率的各种力量、适应性进化），以及根据形态和分子数据重建系统发育，并讨论基因水平转移带来的困难。

第21—24章：病毒；原核生物：细菌与古菌；原生生物；真菌

第五单元概览生物多样性，从病毒（结构、感染、预防与治疗、朊病毒与类病毒）开始，然后是细菌与古菌（多样性、结构、代谢、人类细菌性疾病、有益的原核生物）、真核生物的起源和原生生物的各个类群，以及真菌，包括其生态和对人类的重要性。

第25—26章：无种子植物；种子植物

陆生植物从绿藻经苔藓植物到无种子维管植物的进化，然后是裸子植物和被子植物，以及种子植物在生态系统和人类生活中的作用。

第27—29章：动物多样性导论；无脊椎动物；脊椎动物

动物分类所用的特征和动物系统发育，然后按超门（冠轮动物、蜕皮动物、后口动物）组织的无脊椎动物各门，以及从鱼类到哺乳类的脊椎动物，最后以灵长类的进化结束。

第30—32章：植物的形态与生理；土壤与植物营养；植物的生殖

第六单元讲植物体（茎、根、叶）、水和溶质的运输、植物的感知与反应、植物营养与土壤，以及植物的有性生殖和无性生殖。

第33—43章：动物的结构与功能

第七单元是篇幅最长的单元。第33章介绍动物的形态、四种基本组织和稳态，随后是营养与消化（34）、神经系统（35）、感觉系统（36）、内分泌系统（37）、肌肉骨骼系统（38）、呼吸系统（39）、循环系统（40）、渗透调节与排泄（41）、免疫系统（42）以及动物的生殖与发育（43）各章。这些章节原则上采用比较的视角，但正如前言所说，始终以人体解剖学和生理学为重点。

第44—47章：生态学与生物圈；种群与群落生态学；生态系统；保护生物学与生物多样性

第八单元从生物地理学、生物群系和气候变化（44），经过种群统计、生活史、人口增长、群落生态学和行为生物学（45），到能量流动和生物地球化学循环（46），最后是生物多样性危机、生物多样性面临的威胁及其保护（47）。

核心概念

第一至二单元：化学与细胞（第1—10章）

• 组织层次：生命从原子、分子到细胞、个体、种群、群落、生态系统和生物圈，层层组织起来。
• 生物大分子的结构与功能：碳水化合物、脂质、蛋白质和核酸都由单体构成；对蛋白质而言，形状决定功能。
• 流动镶嵌模型：把膜看作嵌有可移动蛋白质、控制物质运输的磷脂双分子层。
• 自由能与酶：化学反应释放或消耗自由能；酶降低活化能。
• 细胞呼吸与光合作用：获取和释放能量的互补途径，通过 ATP 和电子载体联系在一起。
• 信号转导：受体接收到的信号经第二信使传递，最终引起细胞反应。

第三单元：遗传学（第11—17章）

• 孟德尔遗传与连锁：分离定律和自由组合定律，以及染色体上相距很近的基因对它们的修正。
• 中心法则：DNA 复制并转录为 RNA，RNA 再翻译成蛋白质。
• 基因调控的层次：在真核生物中，基因表达从染色质、转录、RNA 加工直到翻译和蛋白质修饰，在每一层次上都受到调控。
• 基因组学：通过作图和测序研究整个基因组。

第四至五单元：进化与多样性（第18—29章）

• 自然选择与物种形成：种群的适应，以及通过生殖隔离形成新物种。
• 哈迪—温伯格平衡：用于检测等位基因频率进化变化的零模型。
• 系统发育：根据同源性状和分子数据推断的进化关系。
• 三域：根据分子证据把生命划分为细菌、古菌和真核生物。

第六至八单元：生物个体与生态学（第30—47章）

• 植物运输：水和溶质经木质部和韧皮部的移动。
• 稳态：动物器官系统围绕设定值动态维持内部环境。
• 先天免疫与适应性免疫：非特异性防御与能够形成记忆的特异性反应。
• 种群增长与环境容纳量：指数增长、逻辑斯谛增长以及环境施加的限制。
• 能量流动与生物地球化学循环：能量如何流经生态系统，物质如何在生态系统内循环。

评析

优点

• 全面且免费。 本书以一本开放许可（CC BY-NC-SA 4.0）的教材涵盖了理科专业课程从化学到保护生物学的全部范围，网页版和 PDF 均可免费使用。教师可以重新安排或删减章节，而不会给学生增加负担。
• 结构统一，便于学习。 每章都有同样的配套设置：各节的学习目标、关键术语、逐节小结和三个层次的习题。前言称第二版新增了350多道复习题和批判性思考题。奇数题的答案在单独的学生答案手册中提供。
• 把科学当作一个过程。 第1章阐述科学方法，Scientific Method Connection 专栏则一步步讲解实验（前言举的例子包括测定细胞周期各阶段所需时间和检验自由组合定律）。有几章，尤其是第12—14章，是从确立相关知识的历史实验出发来组织内容的。
• 生物个体部分覆盖广。 与许多篇幅较短的导论不同，本书为植物的结构与功能（第30—32章）和按系统展开的动物生理学（第33—43章）各设一个完整单元，对无脊椎动物多样性的介绍也相当详细。

局限

• 篇幅非常长。 47章、1400多页，内容远超两个学期。自学的学生需要事先规划跳过哪些内容。
• 修订不均衡。 前言说明第二版没有调整章节结构，只在"小节层面作了非常有针对性的修改"：约二十章全面修订，约十五章主要为提高可读性而修订。有些表述仍不够严谨。例如第18章的小结把进化描述为让"更理想的特征"传给下一代，这种措辞容易助长同一单元所警告的目的论误解。
• 以美国为中心的例子和较旧的底本。 各章导言大量依赖美国的案例（伊利诺伊州河流中的亚洲鲤鱼、1993年美国西南部的汉坦病毒疫情、切萨皮克湾等）。本书结构沿袭自2012年的第一版，因此基因组学等发展迅速的领域可能需要用最新资料补充。
• 部分辅助资源受限。 偶数题答案和其他教师资源需要经过认证的教师账户才能获取。

在课程中的定位

在本课程中，《Biology 2e》与主要的商业版理科专业教材处于同一位置。《Campbell Biology》是标准的综合性导论，内容范围与本书基本相同。萨达瓦等人的《Life: The Science of Biology》和弗里曼的《Biological Science》是更强调实验与探究的综合性导论。它们都可以按章替代或补充《Biology 2e》。对于需要更轻量教材的学生，OpenStax 自己的《Concepts of Biology》用21章为非理科专业学生讲授相同的主题，其中有几章改编自同样的材料，因此可以作为难点主题较平缓的初读材料。

课程中有两本书不是拓宽范围，而是向纵深推进。洛迪什等人的《Molecular Cell Biology》以每个模型背后的实验为基础，把第二、三单元的细胞与分子内容推进到研究层次的深度。迈洛和菲利普斯的《Cell Biology by the Numbers》通过定量估算来讲授细胞生物学，对于读完第4—10章后想知道"有多大、有多少、有多快"的学生，是很好的伴读。二者都是第一年学习之后自然的下一步，而不是第一年学习的替代品。

如何使用本书

本书是为理科专业一年级学生编写的。具备高中生物和化学知识即可；所需的化学知识可在第2章复习，附录中有元素周期表、地质年代和计量单位。

两学期课程的实用计划：

• 第一学期（核心）： 第1—20章——化学、细胞、能量、遗传学、分子生物学和进化。第6—8章和第14—16章最难，值得投入最多时间。
• 第二学期（选读）： 第五单元的多样性（第21—29章），然后是植物单元（30—32）或动物生理单元（33—43），或从两者中各选一部分，再加上生态学单元（44—47）。大多数课程无法讲完这27章。
• 可选的深入内容： 第9章（细胞通讯）、第17章（生物技术）、第28章中关于无脊椎动物的详细小节以及第45章的行为生物学一节，可以删去或作为拓展阅读。

每一节都先读学习目标，读完后再对照章末小结检查。做 Visual Connection 题时把图放在眼前；这类题检验的是读图能力，考试中经常需要。用学生答案手册中的奇数题答案核对自己的作业。Link to Learning 的动画对于电子传递链、减数分裂、动作电位这类在纸面上难以想象的过程尤其有用。

版本与来源

本导读依据 Biology 2e（第2版，2018年首次出版；主要作者为 Mary Ann Clark、Matthew Douglas 和 Jung Choi），阅读的是 OpenStax 图书页面 https://openstax.org/details/books/biology-2e 所链接的免费官方 PDF（2025年7月最后更新，CC BY-NC-SA 4.0 许可）。本导读参阅了前言（范围、第二版的修改、教学法与特色）、完整目录，以及全部47章的导言、所有小节标题和逐节的章末小结，并较深入地阅读了第1章、第13章、第18—20章和第45章。