生物學第 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

章節概要

《Biology 2e》是 OpenStax 為理科專業兩學期普通生物學入門課程編寫的教材，PDF 版約1440頁。全書47章分為八個單元，最後是三個簡短的附錄（元素週期表、地質年代、計量單位）。前言稱本書的方法是"透過演化的視角"全面講授基礎研究和核心概念。每章都採用相同的結構：以一張照片為引子的導言，各自以學習目標開頭的編號小節，然後是關鍵術語、逐節的章末小結、Visual Connection 題、複習題和批判性思考題。反覆出現的專欄有 Evolution Connection、Scientific Method Connection、Career Connection、Everyday Connection 和 Link to Learning。

第1章：生命的研究

開篇一章介紹科學及其方法（歸納推理與演繹推理、假說與理論、基礎科學與應用科學、同行評審論文）以及生物學的主題：生物共有的特徵，從原子到生物圈的組織層次，以及作為多樣性來源的演化。

第2—3章：生命的化學基礎；生物大分子

第一單元提供化學基礎。第2章講原子、同位素、離子和化學鍵，水的性質，pH 與緩衝液，以及碳的化學。第3章討論單體如何構成多聚體，然後依次講碳水化合物、脂質、蛋白質（包括其四級結構）和核酸。

第4—5章：細胞結構；質膜的結構與功能

第二單元從顯微技術與細胞學說、原核細胞與真核細胞、內膜系統、細胞骨架和細胞間連接開始。第5章介紹膜的流動鑲嵌模型，然後講被動運輸、主動運輸和大分子的整批運輸。

第6—8章：代謝；細胞呼吸；光合作用

三章討論能量。第6章介紹自由能和活化能、熱力學定律、ATP 和酵素。第7章依次講糖酵解、丙酮酸氧化與檸檬酸循環、氧化磷酸化和發酵，然後討論碳水化合物、蛋白質和脂質代謝途徑之間的聯繫以及細胞呼吸的調節。第8章講光反應和卡爾文循環。

第9—10章：細胞通訊；細胞增殖

第9章討論訊號分子與受體、透過第二信使和磷酸化的訊號傳遞、細胞反應以及單細胞生物中的訊號傳導。第10章講細胞週期及其調控、作為調控失靈的癌症，以及原核生物的細胞分裂。

第11—13章：減數分裂與有性生殖；孟德爾的實驗與遺傳；對遺傳的現代理解

第三單元從減數分裂和多種有性生活史開始。第12章結合機率、性狀和遺傳定律重現孟德爾的實驗。第13章介紹染色體學說、斯特蒂文特利用重組頻率為連鎖基因作圖的方法，以及染色體數目和結構異常造成的遺傳病。

第14—17章：DNA 的結構與功能；基因與蛋白質；基因表達；生物技術與基因組學

全書的分子生物學核心。第14章從確認 DNA 的歷史實驗講到 DNA 的結構、定序、原核生物和真核生物中的複製以及修復。第15章講遺傳密碼、轉錄、RNA 加工和翻譯。第16章解釋原核生物的基因調控，以及真核生物在各個層次上的調控（表觀遺傳、轉錄、轉錄後、翻譯），最後討論作為基因調控疾病的癌症。第17章介紹實驗技術（凝膠電泳、PCR、墨點法、選殖）、基因組作圖、全基因組定序，以及基因組學和蛋白質組學的應用。

第18—20章：演化與物種起源；族群的演化；系統發育與生命史

第四單元講自然選擇造成的演化及其證據、物種形成及其速率、族群遺傳學（哈迪—溫伯格平衡、改變等位基因頻率的各種力量、適應性演化），以及根據形態和分子資料重建系統發育，並討論基因水平轉移帶來的困難。

第21—24章：病毒；原核生物：細菌與古菌；原生生物；真菌

第五單元概覽生物多樣性，從病毒（結構、感染、預防與治療、普利昂蛋白與類病毒）開始，然後是細菌與古菌（多樣性、結構、代謝、人類細菌性疾病、有益的原核生物）、真核生物的起源和原生生物的各個類群，以及真菌，包括其生態和對人類的重要性。

第25—26章：無種子植物；種子植物

陸生植物從綠藻經苔蘚植物到無種子維管植物的演化，然後是裸子植物和被子植物，以及種子植物在生態系統和人類生活中的作用。

第27—29章：動物多樣性導論；無脊椎動物；脊椎動物

動物分類所用的特徵和動物系統發育，然後按超門（冠輪動物、蛻皮動物、後口動物）組織的無脊椎動物各門，以及從魚類到哺乳類的脊椎動物，最後以靈長類的演化結束。

第30—32章：植物的形態與生理；土壤與植物營養；植物的生殖

第六單元講植物體（莖、根、葉）、水和溶質的運輸、植物的感知與反應、植物營養與土壤，以及植物的有性生殖和無性生殖。

第33—43章：動物的結構與功能

第七單元是篇幅最長的單元。第33章介紹動物的形態、四種基本組織和穩態，隨後是營養與消化（34）、神經系統（35）、感覺系統（36）、內分泌系統（37）、肌肉骨骼系統（38）、呼吸系統（39）、循環系統（40）、滲透調節與排泄（41）、免疫系統（42）以及動物的生殖與發育（43）各章。這些章節原則上採用比較的視角，但正如前言所說，始終以人體解剖學和生理學為重點。

第44—47章：生態學與生物圈；族群與群落生態學；生態系統；保護生物學與生物多樣性

第八單元從生物地理學、生物群系和氣候變化（44），經過族群統計、生活史、人口增長、群落生態學和行為生物學（45），到能量流動和生物地球化學循環（46），最後是生物多樣性危機、生物多樣性面臨的威脅及其保護（47）。

核心概念

第一至二單元：化學與細胞（第1—10章）

• 組織層次：生命從原子、分子到細胞、個體、族群、群落、生態系統和生物圈，層層組織起來。
• 生物大分子的結構與功能：碳水化合物、脂質、蛋白質和核酸都由單體構成；對蛋白質而言，形狀決定功能。
• 流動鑲嵌模型：把膜看作嵌有可移動蛋白質、控制物質運輸的磷脂雙分子層。
• 自由能與酵素：化學反應釋放或消耗自由能；酵素降低活化能。
• 細胞呼吸與光合作用：獲取和釋放能量的互補途徑，透過 ATP 和電子載體聯繫在一起。
• 訊號轉導：受體接收到的訊號經第二信使傳遞，最終引起細胞反應。

第三單元：遺傳學（第11—17章）

• 孟德爾遺傳與連鎖：分離定律和獨立分配律，以及染色體上相距很近的基因對它們的修正。
• 中心法則：DNA 複製並轉錄為 RNA，RNA 再翻譯成蛋白質。
• 基因調控的層次：在真核生物中，基因表達從染色質、轉錄、RNA 加工直到翻譯和蛋白質修飾，在每一層次上都受到調控。
• 基因組學：透過作圖和定序研究整個基因組。

第四至五單元：演化與多樣性（第18—29章）

• 自然選擇與物種形成：族群的適應，以及透過生殖隔離形成新物種。
• 哈迪—溫伯格平衡：用於檢測等位基因頻率演化變化的零模型。
• 系統發育：根據同源性狀和分子資料推斷的演化關係。
• 三域：根據分子證據把生命劃分為細菌、古菌和真核生物。

第六至八單元：生物個體與生態學（第30—47章）

• 植物運輸：水和溶質經木質部和韌皮部的移動。
• 穩態：動物器官系統圍繞設定值動態維持內部環境。
• 先天免疫與適應性免疫：非特異性防禦與能夠形成記憶的特異性反應。
• 族群增長與環境容納量：指數增長、邏輯斯諦增長以及環境施加的限制。
• 能量流動與生物地球化學循環：能量如何流經生態系統，物質如何在生態系統內循環。

評析

優點

• 全面且免費。 本書以一本開放許可（CC BY-NC-SA 4.0）的教材涵蓋了理科專業課程從化學到保護生物學的全部範圍，網頁版和 PDF 均可免費使用。教師可以重新安排或刪減章節，而不會給學生增加負擔。
• 結構統一，便於學習。 每章都有同樣的配套設定：各節的學習目標、關鍵術語、逐節小結和三個層次的習題。前言稱第二版新增了350多道複習題和批判性思考題。奇數題的答案在單獨的學生答案手冊中提供。
• 把科學當作一個過程。 第1章闡述科學方法，Scientific Method Connection 專欄則一步步講解實驗（前言舉的例子包括測定細胞週期各階段所需時間和檢驗獨立分配律）。有幾章，尤其是第12—14章，是從確立相關知識的歷史實驗出發來組織內容的。
• 生物個體部分覆蓋廣。 與許多篇幅較短的導論不同，本書為植物的結構與功能（第30—32章）和按系統展開的動物生理學（第33—43章）各設一個完整單元，對無脊椎動物多樣性的介紹也相當詳細。

局限

• 篇幅非常長。 47章、1400多頁，內容遠超兩個學期。自學的學生需要事先規劃跳過哪些內容。
• 修訂不均衡。 前言說明第二版沒有調整章節結構，只在"小節層面作了非常有針對性的修改"：約二十章全面修訂，約十五章主要為提高可讀性而修訂。有些表述仍不夠嚴謹。例如第18章的小結把演化描述為讓"更理想的特徵"傳給下一代，這種措辭容易助長同一單元所警告的目的論誤解。
• 以美國為中心的例子和較舊的底本。 各章導言大量依賴美國的案例（伊利諾州河流中的亞洲鯉魚、1993年美國西南部的漢他病毒疫情、切薩皮克灣等）。本書結構沿襲自2012年的第一版，因此基因組學等發展迅速的領域可能需要用最新資料補充。
• 部分輔助資源受限。 偶數題答案和其他教師資源需要經過認證的教師帳號才能獲取。

在課程中的定位

在本課程中，《Biology 2e》與主要的商業版理科專業教材處於同一位置。《Campbell Biology》是標準的綜合性導論，內容範圍與本書基本相同。薩達瓦等人的《Life: The Science of Biology》和弗里曼的《Biological Science》是更強調實驗與探究的綜合性導論。它們都可以按章替代或補充《Biology 2e》。對於需要更輕量教材的學生，OpenStax 自己的《Concepts of Biology》用21章為非理科專業學生講授相同的主題，其中有幾章改編自同樣的材料，因此可以作為難點主題較平緩的初讀材料。

課程中有兩本書不是拓寬範圍，而是向縱深推進。洛迪什等人的《Molecular Cell Biology》以每個模型背後的實驗為基礎，把第二、三單元的細胞與分子內容推進到研究層次的深度。邁洛和菲利普斯的《Cell Biology by the Numbers》透過定量估算來講授細胞生物學，對於讀完第4—10章後想知道"有多大、有多少、有多快"的學生，是很好的伴讀。二者都是第一年學習之後自然的下一步，而不是第一年學習的替代品。

如何使用本書

本書是為理科專業一年級學生編寫的。具備高中生物和化學知識即可；所需的化學知識可在第2章複習，附錄中有元素週期表、地質年代和計量單位。

兩學期課程的實用計畫：

• 第一學期（核心）： 第1—20章——化學、細胞、能量、遺傳學、分子生物學和演化。第6—8章和第14—16章最難，值得投入最多時間。
• 第二學期（選讀）： 第五單元的多樣性（第21—29章），然後是植物單元（30—32）或動物生理單元（33—43），或從兩者中各選一部分，再加上生態學單元（44—47）。大多數課程無法講完這27章。
• 可選的深入內容： 第9章（細胞通訊）、第17章（生物技術）、第28章中關於無脊椎動物的詳細小節以及第45章的行為生物學一節，可以刪去或作為拓展閱讀。

每一節都先讀學習目標，讀完後再對照章末小結檢查。做 Visual Connection 題時把圖放在眼前；這類題檢驗的是讀圖能力，考試中經常需要。用學生答案手冊中的奇數題答案核對自己的作業。Link to Learning 的動畫對於電子傳遞鏈、減數分裂、動作電位這類在紙面上難以想像的過程尤其有用。

版本與來源

本導讀依據 Biology 2e（第2版，2018年首次出版；主要作者為 Mary Ann Clark、Matthew Douglas 和 Jung Choi），閱讀的是 OpenStax 圖書頁面 https://openstax.org/details/books/biology-2e 所連結的免費官方 PDF（2025年7月最後更新，CC BY-NC-SA 4.0 許可）。本導讀參閱了前言（範圍、第二版的修改、教學法與特色）、完整目錄，以及全部47章的導言、所有小節標題和逐節的章末小結，並較深入地閱讀了第1章、第13章、第18—20章和第45章。