生物学概念

引用

Fowler, S., Roush, R., & Wise, J. (2013). Concepts of Biology. OpenStax. Free official edition: https://openstax.org/details/books/concepts-biology

章节概要

《Concepts of Biology》是 OpenStax 为非理科专业一学期生物学入门课程编写的教材。前言指出，对许多学生来说，这门课是他们在大学里唯一的一门科学课程。全书21章分为六个单元，约600页，另有元素周期表、地质年代和计量单位三个附录。前言称本书"以进化为基础"，目标是培养科学素养，而不是让学生陷入事实和术语之中，并且遵循大多数非专业课程的范围与顺序。每章以一张照片和简短导言开头，以关键术语、逐节小结、Visual Connection 题、复习题和批判性思考题结束。Evolution Connection、Career Connection、Everyday Connection 和 Link to Learning 专栏贯穿全书。

第1章：生物学导论

两节内容：生物学的主题与概念（生命的特征、组织层次、生命多样性与系统发育树、生物学的分支），以及科学的过程（归纳推理与演绎推理、假说与理论、基础科学与应用科学、同行评审的发表）。

第2—3章：生命的化学；细胞的结构与功能

第2章讲原子与化学键、水的性质与 pH，以及四类生物大分子。第3章介绍显微镜与细胞学说，比较原核细胞与真核细胞，逐一介绍真核细胞的细胞器，并讲解细胞膜以及被动运输和主动运输。

第4—5章：细胞如何获取能量；光合作用

第4章介绍能量与代谢（热力学、ATP、酶），然后讲糖酵解、柠檬酸循环与氧化磷酸化、发酵，以及与其他代谢途径的联系。第5章开头指出每一餐都依赖光合作用，然后讲光合作用概述、光反应和卡尔文循环。

第6—8章：细胞水平的繁殖；遗传的细胞学基础；遗传的模式

第二单元从基因组和细胞周期（包括癌症和原核生物分裂两节）讲到有性生殖与减数分裂（包括染色体数目变化等减数分裂异常），最后讲孟德尔的实验、遗传定律及其扩展（不完全显性、复等位基因、连锁等偏离孟德尔比例的情况）。

第9—10章：分子生物学；生物技术

第9章从 DNA 分析的日常用途（刑侦、亲子鉴定、诊断）讲起，用五节内容讨论 DNA 的结构、复制、转录、翻译和基因调控。第10章讨论克隆与基因工程、生物技术在医学和农业中的应用以及基因组学和蛋白质组学，并介绍这些技术引发的伦理和社会问题。

第11—12章：进化及其过程；生命的多样性

第11章解释种群如何变化、进化的机制、进化的证据以及物种形成，最后一节专门讨论关于进化的常见误解。第12章介绍分类以及系统发育树的构建。

第13—15章：微生物、真菌和原生生物的多样性；植物的多样性；动物的多样性

三章概览性内容。第一章讨论原核生物的多样性和三域（通过卡尔·乌斯对核糖体 RNA 的研究引入）、真核生物的起源、原生生物和真菌。第二章从植物界讲到无种子植物、裸子植物和被子植物。第三章从动物界的特征讲到各类无脊椎动物，再到脊椎动物。

第16—18章：身体的系统；免疫系统与疾病；动物的生殖与发育

第五单元把动物生理学压缩在一章的六节之中：稳态与渗透调节、消化系统、循环系统与呼吸系统、内分泌系统、肌肉骨骼系统和神经系统。随后一章讨论病毒以及先天免疫和适应性免疫（以天花人痘接种的历史开头），另一章讨论动物与人类的生殖和发育。前言指出这一单元以人体解剖学和生理学为重点。

第19—21章：种群与群落生态学；生态系统与生物圈；保护与生物多样性

第六单元涵盖种群统计与种群增长、人口和群落生态学（以入侵的亚洲鲤鱼开头），能量流动、生物地球化学循环、陆地和水域生物群系，以及生物多样性的重要性、它所受的威胁（书中称当前的灭绝速率是背景灭绝速率的500—1000倍）和保护。

核心概念

第一单元：生命的细胞基础（第1—5章）

• 生命的特征：有序性、对刺激的反应、繁殖、适应、生长、调节、稳态和能量处理。
• 科学方法：提出并检验假说；假说、理论和定律的区别。
• 细胞学说与细胞膜：一切生物都由细胞构成；质膜控制物质的进出。
• 细胞呼吸与光合作用：生命赖以存在的两条互补的能量途径。

第二至三单元：细胞分裂、遗传学与分子生物学（第6—10章）

• 有丝分裂与减数分裂：用于生长和修复的细胞分裂，以及产生配子的减数分裂。
• 孟德尔定律：分离定律和自由组合定律及其扩展。
• 从基因到蛋白质：复制、转录、翻译以及基因表达的调控。
• 生物技术：PCR、凝胶电泳、克隆等工具及其在医学和农业中的应用。

第四单元：进化与多样性（第11—15章）

• 自然选择：存活和繁殖上的差异导致适应。
• 物种形成：通过生殖隔离形成新物种。
• 系统发育树：表示进化关系的图。
• 三域：细菌、古菌和真核生物。

第五至六单元：动物结构与生态学（第16—21章）

• 稳态：把内部环境维持在正常范围之内。
• 先天免疫与适应性免疫：一般性防御与具有记忆的特异性反应。
• 种群增长：指数增长、逻辑斯谛增长与环境容纳量。
• 生物多样性：生命的多样性、它的价值以及它面临的威胁。

评析

优点

• 为目标读者量身设计。 前言明确指出，非专业学生需要有意义、易读的材料，而不是"事实和术语"；各章导言都从日常事物入手：食物与光合作用、DNA 在刑侦和亲子鉴定中的应用、入侵的鲤鱼。关于职业和日常应用的专栏支撑了培养科学素养这一既定目标。
• 篇幅适中。 全书21章，每章只有两到六节，篇幅短小，一个学期内确实可以讲完或基本讲完全书，这一点在理科专业教材中很少见。
• 进化与误解。 进化被作为全书的框架，第11章还专设一节讨论关于进化的常见误解，对带着疑虑或错误观念接触这一主题的学生很有帮助。
• 免费且可改编。 本书采用开放许可（CC BY-NC-SA 4.0），在线和 PDF 均可免费获取，前言鼓励教师按任意顺序布置章节。

局限

• 生物个体生理学单薄，植物功能缺席。 所有动物器官系统挤在一章（第16章）之内，也没有讨论植物结构、运输或生殖的章节。植物只出现在光合作用一章和第14章的多样性概览中。
• 一本旧书，维护较少。 本书初版于2013年。前言中仍有未更新的内容：邀请参加 WileyPLUS"2013年秋季试点"，声称 PowerPoint 幻灯片"基于 College Physics 的大量插图"，以及一条提到"社会学"变化的勘误说明。生物技术和基因组学等发展迅速领域的内容也会过时。
• 以美国为中心的例子。 伊利诺伊州和密苏里州河流中的亚洲鲤鱼、从明尼苏达到纽约的橡树—松树疏林中的卡纳蓝蝶等案例，都以美国读者为预设对象。

在课程中的定位

《Concepts of Biology》是本课程中最轻量的综合性教材，对于非理科专业学生，或想在读理科专业教材之前先把生物学过一遍的人，是自然的选择。它与 OpenStax 的《Biology 2e》共享材料：好几章的开头，从把细胞比作砖墙的类比到蜂鸟、北极狐和亚洲鲤鱼，都相同或几乎相同。在《Biology 2e》中觉得某个主题困难的学生，可以先读本书对应的章节，再回过头去读。《Biology 2e》、《Campbell Biology》、萨达瓦等人的《Life: The Science of Biology》和弗里曼的《Biological Science》都是完整的两学期理科专业导论，提供了本书有意省略的深度，尤其是在遗传学、生理学和植物生物学方面。

课程中更专门的两本书，洛迪什等人的《Molecular Cell Biology》和迈洛与菲利普斯的《Cell Biology by the Numbers》，至少以理科专业一年级的学习为前提，并不是本书之后直接的下一步。

如何使用本书

本书适合把生物学作为通识课修读的学生，以及成人学习者和自学者。不要求大学程度的科学基础，所需的化学知识由第2章提供。

一学期的计划：

• 核心： 第1—3章（科学、化学、细胞）、第6—9章（细胞分裂、遗传、分子生物学）和第11章（进化），它们承载着全书的核心思想。
• 能量： 第4—5章技术性最强。以科学素养为重点的课程，目标应放在概述各节（4.1、5.1）以及细胞呼吸与光合作用如何相互联系的整体图景上，而不必掌握每一个步骤。
• 按兴趣选择： 第10章（生物技术）和第17章（免疫系统与疾病）与健康和时事联系最直接；第12—15章（多样性）可以选读；第19—21章（生态学与保护）是很好的课程收尾。

先读章节导言中的日常切入点，再逐节阅读，最后对照章末小结自我检查。用 Visual Connection 题练习读图。对于难以想象的过程，可以观看 Link to Learning 的动画。部分习题的答案可在学生资源页面获取。日后转入理科专业课程的学生，可以接着读《Biology 2e》的相应章节。

版本与来源

本导读依据 Concepts of Biology（2013年首次出版；主要作者为 Samantha Fowler、Rebecca Roush 和 James Wise，另有约三十位参与作者和审稿人），阅读的是 OpenStax 图书页面 https://openstax.org/details/books/concepts-biology 所链接的免费官方 PDF（当前版本，版权页为2026年，CC BY-NC-SA 4.0 许可）。本导读参阅了前言（目标读者、各单元的范围、特色、答案政策、资源）、完整目录，以及全部21章的导言、所有小节标题和逐节的章末小结，并查阅了 Evolution、Career 和 Everyday Connection 各专栏的标题。