生物學概念

引用

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

章節概要

《Concepts of Biology》是 OpenStax 為非理科專業一學期生物學入門課程編寫的教材。前言指出，對許多學生來說，這門課是他們在大學裡唯一的一門科學課程。全書21章分為六個單元，約600頁，另有元素週期表、地質年代和計量單位三個附錄。前言稱本書"以演化為基礎"，目標是培養科學素養，而不是讓學生陷入事實和術語之中，並且遵循大多數非專業課程的範圍與順序。每章以一張照片和簡短導言開頭，以關鍵術語、逐節小結、Visual Connection 題、複習題和批判性思考題結束。Evolution Connection、Career Connection、Everyday Connection 和 Link to Learning 專欄貫穿全書。

第1章：生物學導論

兩節內容：生物學的主題與概念（生命的特徵、組織層次、生命多樣性與系統發育樹、生物學的分支），以及科學的過程（歸納推理與演繹推理、假說與理論、基礎科學與應用科學、同行評審的發表）。

第2—3章：生命的化學；細胞的結構與功能

第2章講原子與化學鍵、水的性質與 pH，以及四類生物大分子。第3章介紹顯微鏡與細胞學說，比較原核細胞與真核細胞，逐一介紹真核細胞的細胞器，並講解細胞膜以及被動運輸和主動運輸。

第4—5章：細胞如何獲取能量；光合作用

第4章介紹能量與代謝（熱力學、ATP、酵素），然後講糖酵解、檸檬酸循環與氧化磷酸化、發酵，以及與其他代謝途徑的聯繫。第5章開頭指出每一餐都依賴光合作用，然後講光合作用概述、光反應和卡爾文循環。

第6—8章：細胞水平的繁殖；遺傳的細胞學基礎；遺傳的模式

第二單元從基因組和細胞週期（包括癌症和原核生物分裂兩節）講到有性生殖與減數分裂（包括染色體數目變化等減數分裂異常），最後講孟德爾的實驗、遺傳定律及其擴展（不完全顯性、復等位基因、連鎖等偏離孟德爾比例的情況）。

第9—10章：分子生物學；生物技術

第9章從 DNA 分析的日常用途（刑事鑑識、親子鑑定、診斷）講起，用五節內容討論 DNA 的結構、複製、轉錄、翻譯和基因調控。第10章討論選殖與基因工程、生物技術在醫學和農業中的應用以及基因組學和蛋白質組學，並介紹這些技術引發的倫理和社會問題。

第11—12章：演化及其過程；生命的多樣性

第11章解釋族群如何變化、演化的機制、演化的證據以及物種形成，最後一節專門討論關於演化的常見誤解。第12章介紹分類以及系統發育樹的構建。

第13—15章：微生物、真菌和原生生物的多樣性；植物的多樣性；動物的多樣性

三章概覽性內容。第一章討論原核生物的多樣性和三域（透過卡爾·烏斯對核糖體 RNA 的研究引入）、真核生物的起源、原生生物和真菌。第二章從植物界講到無種子植物、裸子植物和被子植物。第三章從動物界的特徵講到各類無脊椎動物，再到脊椎動物。

第16—18章：身體的系統；免疫系統與疾病；動物的生殖與發育

第五單元把動物生理學壓縮在一章的六節之中：穩態與滲透調節、消化系統、循環系統與呼吸系統、內分泌系統、肌肉骨骼系統和神經系統。隨後一章討論病毒以及先天免疫和適應性免疫（以天花人痘接種的歷史開頭），另一章討論動物與人類的生殖和發育。前言指出這一單元以人體解剖學和生理學為重點。

第19—21章：族群與群落生態學；生態系統與生物圈；保護與生物多樣性

第六單元涵蓋族群統計與族群增長、人口和群落生態學（以入侵的亞洲鯉魚開頭），能量流動、生物地球化學循環、陸地和水域生物群系，以及生物多樣性的重要性、它所受的威脅（書中稱當前的滅絕速率是背景滅絕速率的500—1000倍）和保護。

核心概念

第一單元：生命的細胞基礎（第1—5章）

• 生命的特徵：有序性、對刺激的反應、繁殖、適應、生長、調節、穩態和能量處理。
• 科學方法：提出並檢驗假說；假說、理論和定律的區別。
• 細胞學說與細胞膜：一切生物都由細胞構成；質膜控制物質的進出。
• 細胞呼吸與光合作用：生命賴以存在的兩條互補的能量途徑。

第二至三單元：細胞分裂、遺傳學與分子生物學（第6—10章）

• 有絲分裂與減數分裂：用於生長和修復的細胞分裂，以及產生配子的減數分裂。
• 孟德爾定律：分離定律和獨立分配律及其擴展。
• 從基因到蛋白質：複製、轉錄、翻譯以及基因表達的調控。
• 生物技術：PCR、凝膠電泳、選殖等工具及其在醫學和農業中的應用。

第四單元：演化與多樣性（第11—15章）

• 自然選擇：存活和繁殖上的差異導致適應。
• 物種形成：透過生殖隔離形成新物種。
• 系統發育樹：表示演化關係的圖。
• 三域：細菌、古菌和真核生物。

第五至六單元：動物結構與生態學（第16—21章）

• 穩態：把內部環境維持在正常範圍之內。
• 先天免疫與適應性免疫：一般性防禦與具有記憶的特異性反應。
• 族群增長：指數增長、邏輯斯諦增長與環境容納量。
• 生物多樣性：生命的多樣性、它的價值以及它面臨的威脅。

評析

優點

• 為目標讀者量身設計。 前言明確指出，非專業學生需要有意義、易讀的材料，而不是"事實和術語"；各章導言都從日常事物入手：食物與光合作用、DNA 在刑事鑑識和親子鑑定中的應用、入侵的鯉魚。關於職業和日常應用的專欄支撐了培養科學素養這一既定目標。
• 篇幅適中。 全書21章，每章只有兩到六節，篇幅短小，一個學期內確實可以講完或基本講完全書，這一點在理科專業教材中很少見。
• 演化與誤解。 演化被作為全書的框架，第11章還專設一節討論關於演化的常見誤解，對帶著疑慮或錯誤觀念接觸這一主題的學生很有幫助。
• 免費且可改編。 本書採用開放許可（CC BY-NC-SA 4.0），線上和 PDF 均可免費獲取，前言鼓勵教師按任意順序佈置章節。

局限

• 生物個體生理學單薄，植物功能缺席。 所有動物器官系統擠在一章（第16章）之內，也沒有討論植物結構、運輸或生殖的章節。植物只出現在光合作用一章和第14章的多樣性概覽中。
• 一本舊書，維護較少。 本書初版於2013年。前言中仍有未更新的內容：邀請參加 WileyPLUS"2013年秋季試辦"，聲稱 PowerPoint 投影片"基於 College Physics 的大量插圖"，以及一條提到"社會學"變化的勘誤說明。生物技術和基因組學等發展迅速領域的內容也會過時。
• 以美國為中心的例子。 伊利諾州和密蘇里州河流中的亞洲鯉魚、從明尼蘇達到紐約的橡樹—松樹疏林中的卡納藍蝶等案例，都以美國讀者為預設對象。

在課程中的定位

《Concepts of Biology》是本課程中最輕量的綜合性教材，對於非理科專業學生，或想在讀理科專業教材之前先把生物學過一遍的人，是自然的選擇。它與 OpenStax 的《Biology 2e》共享材料：好幾章的開頭，從把細胞比作磚牆的類比到蜂鳥、北極狐和亞洲鯉魚，都相同或幾乎相同。在《Biology 2e》中覺得某個主題困難的學生，可以先讀本書對應的章節，再回過頭去讀。《Biology 2e》、《Campbell Biology》、薩達瓦等人的《Life: The Science of Biology》和弗里曼的《Biological Science》都是完整的兩學期理科專業導論，提供了本書有意省略的深度，尤其是在遺傳學、生理學和植物生物學方面。

課程中更專門的兩本書，洛迪什等人的《Molecular Cell Biology》和邁洛與菲利普斯的《Cell Biology by the Numbers》，至少以理科專業一年級的學習為前提，並不是本書之後直接的下一步。

如何使用本書

本書適合把生物學作為通識課修讀的學生，以及成人學習者和自學者。不要求大學程度的科學基礎，所需的化學知識由第2章提供。

一學期的計畫：

• 核心： 第1—3章（科學、化學、細胞）、第6—9章（細胞分裂、遺傳、分子生物學）和第11章（演化），它們承載著全書的核心思想。
• 能量： 第4—5章技術性最強。以科學素養為重點的課程，目標應放在概述各節（4.1、5.1）以及細胞呼吸與光合作用如何相互聯繫的整體圖景上，而不必掌握每一個步驟。
• 按興趣選擇： 第10章（生物技術）和第17章（免疫系統與疾病）與健康和時事聯繫最直接；第12—15章（多樣性）可以選讀；第19—21章（生態學與保護）是很好的課程收尾。

先讀章節導言中的日常切入點，再逐節閱讀，最後對照章末小結自我檢查。用 Visual Connection 題練習讀圖。對於難以想像的過程，可以觀看 Link to Learning 的動畫。部分習題的答案可在學生資源頁面獲取。日後轉入理科專業課程的學生，可以接著讀《Biology 2e》的相應章節。

版本與來源

本導讀依據 Concepts of Biology（2013年首次出版；主要作者為 Samantha Fowler、Rebecca Roush 和 James Wise，另有約三十位參與作者和審稿人），閱讀的是 OpenStax 圖書頁面 https://openstax.org/details/books/concepts-biology 所連結的免費官方 PDF（當前版本，版權頁為2026年，CC BY-NC-SA 4.0 許可）。本導讀參閱了前言（目標讀者、各單元的範圍、特色、答案政策、資源）、完整目錄，以及全部21章的導言、所有小節標題和逐節的章末小結，並查閱了 Evolution、Career 和 Everyday Connection 各專欄的標題。