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*生物学概念*是为非科学专业的单学期生物学入门课程而设计的，对许多学生来说，这是他们唯一的大学水平的科学课程。因此，这门课程为学生提供了一个重要的机会，让他们发展必要的知识、工具和技能，以便在继续他们的生活时做出明智的决定。典型的非科学专业学生不需要被事实和词汇所困扰，而是需要以易于阅读和理解的方式呈现信息。更重要的是，内容应该有意义。当学生理解为什么生物学与他们的日常生活相关时，他们会做得更好。出于这些原因，
*生物学概念*以进化为基础，包括突出生物科学职业和手头概念日常应用的令人兴奋的特征。我们还努力展示这一极其广泛的学科中主题的相互联系。为了满足当今教师和学生的需求，我们保持本课程大多数教学大纲中的整体组织和覆盖范围。优势
*生物学概念*是教师可以定制这本书，使其适应课堂上最有效的方法。生物学概念还包括一个创新的艺术项目，该项目结合了批判性思维和点击问题，帮助学生理解和应用关键概念。
关于*生物学的概念*
如果没有作者和社区评审小组的巨大贡献，生物学的概念*是不可能的
关于我们的团队
**Wiley Plus for Biology-2013年秋季试点**WileyPLUS为有效的教学和学习提供了一个引人入胜的在线环境。WileyPLUS建立学生的信心，因为它通过提供清晰的路线图来消除学习中的猜测；做什么，如何做，以及他们是否做得对。有了WileyPLUS，学生更主动。因此，课程对他们的学习体验有更大的影响。自适应工具为学生提供了个性化的自适应教育体验，因此他们可以建立他们对主题的熟练程度，并最有效地利用他们的学习时间。如果您想参加2013年秋季试点，请告诉我们。
学习资源
额外资源
序言
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导言
在本节结束时，您将能够：
*确定和描述生命的属性
*描述生物之间的组织水平
*列出生物学不同子学科的例子
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所有生物群体都有几个关键特征或功能：秩序、对刺激的敏感性或反应、繁殖、适应、生长和发育、调节/体内平衡、能量处理和进化。综合来看，这八个特征有助于定义生命。
生命的属性
生物具有高度的组织和结构，遵循从小到大的层次结构。原子是保留元素属性的最小和最基本的物质单元。它由被电子包围的原子核组成。原子形成分子。分子是由至少两个原子通过化学键结合在一起组成的化学结构。许多在生物学上很重要的分子是大分子，大分子通常由称为单体的较小单元组合而成。大分子的一个例子是脱氧核糖核酸（DNA）（[link]），它包含包含包含它的生物体功能的指令。
生物组织的层次
生物科学的范围非常广泛，因为地球上有巨大的生命多样性。这种多样性的来源是进化，即新物种从旧物种逐渐产生的过程。进化生物学家研究从微观世界到生态系统的一切生物的进化。
生命的多样性
生物学的范围很广，因此包含许多分支学科。生物学家可能会追求其中一个分支学科，并在更集中的领域工作。例如，分子生物学在分子水平上研究生物过程，包括DNA、RNA和蛋白质等分子之间的相互作用，以及它们的调节方式。微生物学是研究微生物结构和功能的学科。它本身就是一个相当广泛的分支，根据研究的主题，还有微生物生理学家、生态学家和遗传学家等。
生物学研究分支
生物学的主题和概念
在本节结束时，您将能够：
*确定自然科学的共同特征
*了解科学探究的过程
*比较归纳推理和演绎推理
*说明基础科学和应用科学的目标
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生物学是一门科学，但科学到底是什么？生物学的研究与其他科学学科有什么共同之处？科学（来自拉丁语*科学，*意为“知识”）可以定义为关于自然世界的知识。
科学的本质
生物学家通过提出问题和寻求基于科学的回答来研究生物世界。这种方法在其他科学中也很常见，通常被称为科学方法。科学方法甚至在古代就被使用过，但它最早是由英国的弗朗西斯·培根爵士（1561-1626）（[链接]）记录的，他为科学探究建立了归纳方法。科学方法并不是生物学家独有的，但作为一种逻辑解决问题的方法，几乎可以应用于任何事情。
假设检验
在过去的几十年里，科学界一直在争论不同类型科学的价值。仅仅为了获得知识而追求科学是否有价值，还是科学知识只有在我们能应用于解决特定问题或改善我们的生活时才有价值？这个问题集中在两种科学之间的区别上：基础科学和应用科学。
基础与应用科学
无论科学研究是基础科学还是应用科学，科学家都必须分享他们的发现，以便其他研究人员扩展和利用他们的发现。科学子学科内部和之间的交流和协作是科学知识进步的关键。出于这个原因，科学家工作的一个重要方面是传播结果并与同行交流。科学家可以通过在科学会议上展示结果来分享结果，但这种方法只能接触到在场的少数人。相反，大多数科学家在发表在科学期刊上的同行评议文章中展示他们的结果。同行评议文章是由科学家的同事或同行匿名审查的科学论文。这些同事是合格的个人，通常是同一研究领域的专家，他们判断科学家的工作是否适合发表。同行评审的过程有助于确保科学论文或资助提案中描述的研究是原创的、重要的、合乎逻辑的和彻底的。资助提案是对研究资金的请求，也需要接受同行评审。科学家发表他们的工作，这样其他科学家就可以在相似或不同的条件下复制他们的实验，以扩展发现。
报告科学工作
科学的过程
生物学概论
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导言
在本节结束时，您将能够：
*描述物质和要素
*描述质子、中子和电子之间的相互关系，以及电子在原子之间捐赠或共享的方式
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原子是元素中保留该元素所有化学性质的最小成分。例如，一个氢原子具有氢元素的所有性质，比如它在室温下以气体的形式存在，它与氧气结合形成水分子。氢原子不能分解成更小的东西，同时仍然保留氢的性质。如果氢原子被分解成亚原子粒子，它将不再具有氢的性质。
原子
元素之间如何相互作用取决于它们的电子是如何排列的，以及在原子中存在电子的最外层有多少电子开口。电子存在于原子核周围形成壳的能级。最近的壳最多可以容纳两个电子。离原子核最近的壳总是先被填满，然后才能填满任何其他壳。氢有一个电子；因此，它在最低的壳内只有一个点。氦有两个电子；因此，它可以用它的两个电子完全填满最低的壳。如果你看周期表，你会发现氢和氦是第一行中唯一的两种元素。这是因为它们的第一个壳中只有电子。氢和氦是唯一的两种元素，它们有最低的壳，没有其他壳。
化学键
分子的基石
在本节结束时，您将能够：
*描述对维持生命至关重要的水的特性
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水分子内的氢原子和氧原子形成极性共价键。共享电子与氧原子相关联的时间比与氢原子相关联的时间要长。水分子没有总的电荷，但每个氢原子上有轻微的正电荷，氧原子上有轻微的负电荷。由于这些电荷，稍微正的氢原子相互排斥，形成了[链接]中看到的独特形状。每个水分子吸引其他水分子，因为分子不同部分的正负电荷。水也吸引其他极性分子（如糖），形成氢键。当一种物质容易与水形成氢键时，它可以溶解在水中，被称为亲水性（“亲水”）。氢键不容易与油和脂肪等非极性物质形成（[链接]）。这些非极性化合物是疏水的（“怕水”），不会溶解在水中。
水是极性的
水中的氢键允许它比许多其他物质更慢地吸收和释放热能。温度是衡量分子运动（动能）的指标。随着运动的增加，能量更高，因此温度也更高。水在温度上升之前吸收了大量的能量。增加的能量破坏了水分子之间的氢键。因为这些键可以迅速产生和破坏，水吸收能量的增加，温度变化很小。这意味着水可以缓和生物体内部及其环境中的温度变化。随着能量输入的继续，氢键形成和破坏之间的平衡向破坏侧摆动。破坏的键比形成的键多。这个过程导致在液体表面（如水体、植物叶子或有机体皮肤）释放单个水分子的过程称为蒸发。汗液90%是水，蒸发可以冷却有机体，因为打破氢键需要输入能量并带走身体的热量。
水稳定温度
因为水是极性的，带有轻微的正电荷和负电荷，离子化合物和极性分子很容易溶解在其中。因此，水被称为溶剂——一种能够溶解另一种物质的物质。带电粒子将与周围的水分子层形成氢键。这被称为水合球，用于保持粒子在水中分离或分散。在食盐（NaCl）混合在水中的情况下（[link]），钠和氯离子在水中分离或解离，离子周围形成水合球。带正电荷的钠离子被水分子中氧原子的部分负电荷包围。带负电荷的氯离子被水分子中氢原子的部分正电荷包围。这些水合球体也被称为水合壳。水分子的极性使其成为有效的溶剂，并在生命系统中发挥重要作用。
水是极好的溶剂
你有没有把一杯水倒满到最上面，然后慢慢地再滴几滴？在它溢出之前，水实际上在玻璃杯边缘上方形成了一个圆顶状的形状。由于内聚的特性，这种水可以保持在玻璃杯上方。在内聚中，水分子相互吸引（因为氢键），使分子在液-气（气体）界面保持在一起，尽管玻璃杯里没有更多的空间。内聚产生表面张力，这是一种物质在受到张力或压力时承受破裂的能力。当你把一小片纸扔到一小滴水上时，纸漂浮在水滴的顶部，尽管物体比水更致密（更重）。这是因为水分子产生的表面张力。凝聚力和表面张力使水分子保持完整，物品漂浮在顶部。如果你轻轻地放置一根钢针，它甚至有可能“漂浮”在一杯水的顶部，而不会破坏表面张力（[链接]）。
水是有凝聚力的
溶液的酸碱度是衡量其酸碱度的标准。你可能用过石蕊试纸，这种纸经过天然水溶性染料处理，因此可以用作pH指示剂，来测试溶液中存在多少酸或碱（碱度）。你甚至可以用一些来确保室外游泳池中的水得到适当处理。在这两种情况下，这个pH测试测量给定溶液中存在的氢离子的数量。高浓度的氢离子产生低pH值，而低水平的氢离子导致高pH值。氢离子的总浓度与其pH值成反比，可以在pH标度上测量（[链接]）。因此，氢离子存在的越多，pH值越低；相反，氢离子越少，pH值越高。
缓冲液、pH值、酸和碱
水
在本节结束时，您将能够：
*描述碳对生命至关重要的方式
*解释氨基酸的微小变化对生物体的影响
*描述四种主要类型的生物分子
*了解四大类分子的功能
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人们常说生命是“以碳为基础的”。这意味着碳原子与其他碳原子或其他元素结合，形成了许多（如果不是大多数的话）生物独特分子的基本组成部分。其他元素在生物分子中发挥着重要作用，但碳肯定有资格成为生物分子的“基础”元素。碳原子的结合特性是其重要作用的原因。
碳
碳的外壳含有四个电子。因此，它可以与其他原子或分子形成四个共价键。最简单的有机碳分子是甲烷（CH4），其中四个氢原子与一个碳原子结合（[link]）。
碳键合
碳水化合物是大多数消费者都有些熟悉的大分子。为了减肥，一些人坚持“低碳水化合物”饮食。相反，运动员经常在重要比赛前“碳水化合物负荷”，以确保他们有足够的能量参加高水平的比赛。事实上，碳水化合物是我们饮食的重要组成部分；谷物、水果和蔬菜都是碳水化合物的天然来源。碳水化合物为身体提供能量，特别是通过葡萄糖，一种简单的糖。碳水化合物在人类、动物和植物中也有其他重要功能。
碳水化合物
脂质包括一组不同的化合物，它们通过一个共同特征结合在一起。脂质是疏水的（“怕水”），或不溶于水，因为它们是非极性分子。这是因为它们是仅包含非极性碳碳键或碳氢键的碳氢化合物。脂质在细胞中执行许多不同的功能。细胞以称为脂肪的脂质形式储存能量以供长期使用。脂质还为植物和动物提供与环境的绝缘（[链接]）。例如，它们有助于保持水鸟和哺乳动物干燥，因为它们具有排斥水的特性。脂质也是许多激素的组成部分，是质膜的重要组成部分。脂质包括脂肪、油、蜡、磷脂和类固醇。
脂类
蛋白质是生命系统中最丰富的有机分子之一，在所有大分子中具有最多样化的功能。蛋白质可能是结构的、调节的、收缩的或保护性的；它们可能在运输、储存或膜中起作用；或者它们可能是毒素或酶。生命系统中的每个细胞可能包含数千种不同的蛋白质，每种蛋白质都有独特的功能。它们的结构和功能一样，差异很大。然而，它们都是氨基酸的聚合物，以线性序列排列。
蛋白质
核酸是生命延续的关键大分子。它们承载着细胞的遗传蓝图，并承载着细胞功能的指令。
核酸
脱氧核糖核酸具有双螺旋结构（[链接]）。它由两条核苷酸链或聚合物组成。这些链由相邻核苷酸的磷酸盐和糖基之间的键形成。链在碱基处以氢键相互结合，链沿长度相互缠绕，因此有“双螺旋”的描述，这意味着双螺旋。
DNA双螺旋结构
生物分子
生命化学
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导言
在本节结束时，您将能够：
*描述细胞在生物体中的作用
*比较和对比光学显微镜和电子显微镜
*总结细胞理论
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细胞大小不一。除了少数例外，单个细胞太小，肉眼看不见，所以科学家们使用显微镜来研究它们。显微镜是放大物体的仪器。大多数细胞图像是用显微镜拍摄的，被称为显微照片。
显微术
我们今天使用的显微镜比17世纪荷兰店主安东尼·范·列文虎克（Anthony van Leeuwenhoek）使用的显微镜复杂得多，他精通制作镜片。尽管他现在已经过时的镜片有局限性，但范·列文虎克观察了原生生物（一种单细胞生物）和精子的运动，他把它们统称为“动物”
细胞理论
如何研究细胞
在本节结束时，您将能够：
*列举原核和真核生物的例子
*比较和对比原核细胞和真核细胞
*描述不同种类细胞的相对大小
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所有细胞都有四个共同的组成部分：1）质膜，将细胞内部与周围环境隔开的外层覆盖物；2）细胞质，由细胞内的果冻状区域组成，其中发现了其他细胞成分；3）DNA，细胞的遗传物质；4）核糖体，合成蛋白质的颗粒。然而，原核生物在几个方面与真核细胞不同。
原核细胞的组成
在自然界中，形式和功能之间的关系在各个层面都很明显，包括细胞层面，随着我们探索真核细胞，这一点将变得清晰。“形式跟随功能”的原则在许多情况下都有。例如，鸟类和鱼类有流线型的身体，这使得它们能够在它们生活的介质中快速移动，无论是空气还是水。这意味着，一般来说，人们可以通过观察结构的形式来推断结构的功能，因为两者是匹配的。
真核细胞
原核细胞的直径为0.1-5.0µm，明显小于直径为10-100µm的真核细胞（[link]）。原核细胞的小尺寸允许进入它们的离子和有机分子快速传播到细胞的其他部分。同样，原核细胞内产生的任何废物都可以迅速移出。然而，较大的真核细胞已经进化出不同的结构适应来增强细胞运输。事实上，如果没有这些适应，这些细胞的大尺寸是不可能的。一般来说，细胞大小是有限的，因为体积的增加速度比细胞表面积快得多。随着细胞变大，细胞越来越难获得足够的材料来支持细胞内部的过程，因为必须运输材料的表面积的相对大小下降了。
细胞大小
比较原核和真核细胞
在本节结束时，您将能够：
*描述真核植物和动物细胞的结构
*说明质膜的作用
*总结主要细胞器的功能
*描述细胞骨架和细胞外基质
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像原核生物一样，真核细胞有一个由磷脂双分子层组成的质膜（[链接]），其中嵌入了将细胞内部内容物与其周围环境分开的蛋白质。磷脂是由两条脂肪酸链、甘油骨架和磷酸基团组成的脂质分子。质膜调节一些物质的通过，如有机分子、离子和水，阻止一些物质的通过以维持内部条件，同时主动引入或去除其他化合物。其他化合物被动地穿过膜。
等离子膜
细胞质由介于质膜和核膜之间的细胞组成（稍后将讨论这种结构）。它由悬浮在凝胶状细胞质中的细胞器、细胞骨架和各种化学物质组成（[链接]）。尽管细胞质由70%到80%的水组成，但它具有半固态的一致性，这来自于其中的蛋白质。然而，蛋白质并不是细胞质中唯一的有机分子。葡萄糖和其他单糖、多糖、氨基酸、核酸、脂肪酸和甘油衍生物也在那里找到。钠、钾、钙和许多其他元素的离子也溶解在细胞质中。许多代谢反应，包括蛋白质合成，都发生在细胞质中。
细胞质
如果你要从细胞中取出所有的细胞器，质膜和细胞质会是唯一剩下的成分吗？不。在细胞质内，仍然会有离子和有机分子，加上蛋白质纤维网络，有助于保持细胞的形状，将某些细胞器固定在特定位置，允许细胞质和囊泡在细胞内移动，并使单细胞生物能够独立移动。总的来说，这种蛋白质纤维网络被称为细胞骨架。细胞骨架内有三种类型的纤维：微丝，也称为肌动蛋白丝，中间丝和微管（[link]）。
细胞骨架
内膜系统（*endo*=in）是真核细胞中的一组膜和细胞器（[link]），它们共同作用以修饰、包装和运输脂质和蛋白质。它包括核包膜、溶酶体和囊泡、内质网和高尔基体，我们将很快介绍。虽然从技术上讲不是*在*细胞内，但质膜包含在内膜系统中，因为正如您将看到的，它与其他内膜细胞器相互作用。
内膜系统
核糖体是负责蛋白质合成的细胞结构。当通过电子显微镜观察时，游离核糖体表现为簇或单个微小的点在细胞质中自由漂浮。核糖体可能附着在质膜的细胞质侧或内质网的细胞质侧（[链接]）。电子显微镜显示核糖体由大和小亚基组成。核糖体是负责蛋白质合成的酶复合物。
核糖体
线粒体（单数=线粒体）通常被称为细胞的“发电站”或“能量工厂”，因为它们负责制造细胞的主要能量携带分子三磷酸腺苷（ATP）。葡萄糖分解形成ATP被称为细胞呼吸。线粒体是椭圆形的双膜细胞器（[link]），它们有自己的核糖体和DNA。每个膜都是嵌入蛋白质的磷脂双分子层。内层有称为嵴的褶皱，增加了内膜的表面积。被褶皱包围的区域称为线粒体基质。嵴和基质在细胞呼吸中具有不同的作用。
线粒体
过氧化物酶体是由单个膜包围的小而圆的细胞器。它们进行氧化反应，分解脂肪酸和氨基酸。它们还可以解毒许多可能进入体内的毒物。酒精被肝细胞中的过氧化物酶体解毒。这些氧化反应的副产品是过氧化氢，H2O2，它包含在过氧化物酶体中，以防止这种化学物质对细胞器外的细胞成分造成损害。过氧化氢被过氧化物酶安全地分解成水和氧气。
过氧化物酶体
尽管动物细胞和植物细胞有本质上的相似之处，但它们之间存在一些显著的差异（见[链接]）。动物细胞有中心粒、中心体（在细胞骨架下讨论）和溶酶体，而植物细胞没有。植物细胞有细胞壁、叶绿体、胞间连丝和用于储存的质体，以及一个大的中心液泡，而动物细胞没有。
动物细胞与植物细胞
大多数动物细胞向细胞外空间释放物质。这些材料的主要成分是糖蛋白和蛋白质胶原蛋白。总的来说，这些材料被称为细胞外基质（[链接]）。细胞外基质不仅将细胞结合在一起形成组织，还允许组织内的细胞相互交流。
动物细胞的细胞外基质
细胞也可以通过直接接触相互交流，称为细胞间连接。植物和动物细胞这样做的方式有一些不同。浆间连丝（单数=浆间连丝）是植物细胞之间的连接，而动物细胞接触包括紧密连接和间隙连接，以及桥粒。
细胞间连接
真核细胞
在本节结束时，您将能够：
*了解膜的流体镶嵌模型
*描述膜中磷脂、蛋白质和碳水化合物的功能
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1972年，S. J.Singer和Garth L.Nicolson提出了一种新的质膜模型，与早期的理解相比，它更好地解释了微观观察和质膜的功能。这被称为流体镶嵌模型。随着时间的推移，该模型有所发展，但仍能最好地解释我们现在所理解的质膜的结构和功能。流体镶嵌模型将质膜的结构描述为成分的镶嵌——包括磷脂、胆固醇、蛋白质和碳水化合物——其中成分能够流动和改变位置，同时保持膜的基本完整性。磷脂分子和嵌入的蛋白质都能够在膜中快速横向扩散。质膜的流动性对于某些酶的活动和膜内的运输分子是必要的。等离子膜的厚度从5-10纳米不等。相比之下，通过光学显微镜可见的人类红细胞大约有8微米厚，或者大约比质膜厚1000倍。（[链接]）
流体镶嵌模型
细胞膜
在本节结束时，您将能够：
*解释被动运输发生的原因和方式
*了解渗透和扩散过程
*定义张力并描述其与被动交通的相关性
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血浆膜是不对称的，这意味着尽管磷脂形成了镜像，膜的内部与膜的外部不相同。充当通道或泵的整体蛋白质朝一个方向工作。附着在脂质或蛋白质上的碳水化合物也存在于质膜的外表面。这些碳水化合物复合物帮助细胞结合细胞外液中细胞所需的物质。这大大增加了质膜的选择性。
选择性渗透率
扩散是一个被动的运输过程。单一物质倾向于从高浓度区域移动到低浓度区域，直到浓度在整个空间相等。你熟悉物质通过空气的扩散。例如，想象有人在一个挤满人的房间里打开一瓶香水。香水在瓶子里的浓度最高，在房间边缘的浓度最低。香水蒸汽会从瓶子里扩散或扩散开来，逐渐地，越来越多的人会在香水传播的过程中闻到香水。物质通过扩散在细胞的细胞质内移动，某些物质通过扩散通过质膜移动（[链接]）。扩散不消耗能量。相反，不同区域材料的不同浓度是势能的一种形式，扩散是当材料沿其浓度梯度从高到低移动时势能的耗散。
扩散
在便利运输中，也称为便利扩散，物质在跨膜蛋白的帮助下沿着浓度梯度（从高浓度到低浓度）穿过质膜，而不会消耗细胞能量。然而，经历便利运输的物质不会轻易或快速地在质膜上扩散。在质膜上移动极性物质和其他物质的解决方案依赖于跨越质膜表面的蛋白质。被运输的物质首先附着在质膜外表面的蛋白质或糖蛋白受体上。这使得细胞所需的物质能够从细胞外液中去除。然后这些物质被传递给促进它们通过的特定整体蛋白质，因为它们形成允许某些物质通过膜的通道或孔。参与促进转运的整体蛋白统称为转运蛋白，它们充当材料的通道或载体。
便利运输
渗透是自由水分子根据水在膜上的浓度梯度通过半透膜的运动，这与溶质的浓度成反比。而扩散通过膜和细胞内运输物质，渗透通过膜只运输水，膜限制了溶质在水中的扩散。渗透是扩散的一个特例。水和其他物质一样，从自由水分子浓度高的区域移动到自由水分子浓度低的区域。想象一个带有半透膜的烧杯，将两面或两半分开（[链接]）。在膜的两侧，水位是相同的，但是溶解物质或溶质的每一侧都有不同的浓度，不能穿过膜。如果水的体积相同，但是溶质的浓度不同，那么在膜的两侧也有不同浓度的水，溶剂。
渗透作用
渗透压描述了溶液中溶质的含量。测量溶液的渗透压，或溶解在特定量溶液中的溶质总量，称为其渗透压。三个术语——低渗、等渗和高渗——用于将细胞的渗透压与包含细胞的细胞外液的渗透压联系起来。在低渗溶液中，如自来水，细胞外液的溶质浓度低于细胞内液，水进入细胞。（在生命系统中，参考点始终是细胞质，因此前缀*hypo*-表示细胞外液的溶质浓度或渗透压低于细胞细胞质。）这也意味着细胞外液的水浓度高于细胞。在这种情况下，水会跟随其浓度梯度进入细胞。这可能会导致动物细胞破裂或裂解。
通便性
被动传输
在本节结束时，您将能够：
*了解电化学梯度如何影响离子
*描述内吞作用，包括吞噬作用、胞饮作用和受体介导的内吞作用
*了解胞吐过程
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我们已经讨论了简单的浓度梯度——物质在空间或膜上的不同浓度——但是在生命系统中，梯度更加复杂。因为细胞含有蛋白质，其中大部分带负电荷，并且因为离子进出细胞，所以在质膜上有一个电梯度，即电荷差。活细胞的内部相对于它们沐浴的细胞外液是负的；与此同时，细胞的钾（K+）浓度高于细胞外液，钠（Na+）浓度低于细胞外液。因此，在活细胞中，Na+的浓度梯度和电梯度促进离子扩散到细胞中，Na+（正离子）的电梯度倾向于将其向内驱动到带负电荷的内部。然而，对于钾等其他元素来说，情况更为复杂。K+的电梯度促进离子*扩散到*细胞中，但K+的浓度梯度促进离子*扩散出*细胞（[链接]）。影响离子的组合梯度称为其电化学梯度，它对肌肉和神经细胞尤为重要。
电化学梯度
内吞作用是一种主动运输，它将大分子、部分细胞甚至整个细胞等粒子移动到细胞中。内吞作用有不同的变化，但都有一个共同的特征：细胞的质膜内陷，在目标粒子周围形成一个口袋。口袋挤压，导致粒子被包含在由质膜形成的新产生的液泡中。
内吞作用
与这些将物质移动到细胞中的方法相反的是胞吐过程。胞吐与上面讨论的过程相反，因为它的目的是将物质从细胞中排出到细胞外液中。包裹在膜中的粒子与质膜内部融合。这种融合打开了膜包膜到细胞外部，粒子被驱逐到细胞外空间（[链接]）。
胞吐作用
主动传输
细胞结构与功能
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导言
在本节结束时，您将能够：
*解释什么是代谢途径
*说明热力学第一和第二定律
*解释动能和势能的区别
*描述内源性和外源性反应
*讨论酶如何作为分子催化剂发挥作用
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考虑糖的新陈代谢。这是许多利用和产生能量的细胞过程之一的经典例子。生物消耗糖作为主要能源，因为糖分子在其键内储存了大量能量。在大多数情况下，像植物这样的光合作用生物产生这些糖。在光合作用期间，植物利用能量（最初来自阳光）将二氧化碳气体（CO2）转化为糖分子（如葡萄糖：C6H12O6）。它们消耗二氧化碳并产生氧气作为废物。这种反应被总结为：
代谢途径
热力学是指对涉及物理物质的能量和能量转移的研究。与能量转移的特定情况相关的物质称为系统，该物质之外的一切称为周围环境。例如，当在炉子上加热一壶水时，系统包括炉子、锅和水。能量在系统内转移（在炉子、锅和水之间）。有两种类型的系统：开放和封闭。在开放系统中，能量可以与周围环境交换。炉子系统是开放的，因为热量会流失到空气中。封闭的系统不能与周围环境交换能量。
能源
热力学第一定律指出，宇宙中的能量总量是恒定的，是守恒的。换句话说，宇宙中一直存在，也将永远存在完全相同数量的能量。能量以许多不同的形式存在。根据热力学第一定律，能量可以从一个地方转移到另一个地方，也可以转化为不同的形式，但它不能被创造或破坏。能量的转移和转换无时无刻不在我们周围发生。灯泡将电能转化为光能和热能。燃气灶将化学能从天然气转化为热能。植物进行地球上最有生物用的能量转换之一：将阳光的能量转化为储存在有机分子中的化学能（[链接]）。能量转换的一些例子显示在[链接]。
热力学
当一个物体在运动时，就有与该物体相关的能量。想想一个破坏球。即使是一个缓慢移动的破坏球也能对其他物体造成很大的伤害。与运动中的物体相关的能量被称为动能（[链接]）。飞驰的子弹、行走的人和空气中分子的快速运动（产生热量）都有动能。
势能和动能
在了解到当储存能量的键被破坏时化学反应会释放能量之后，接下来一个重要的问题是：与这些化学反应相关的能量是如何被量化和表达的？如何将一个反应释放的能量与另一个反应的能量进行比较？自由能的测量被用来量化这些能量转移。回想一下，根据热力学第二定律，所有的能量转移都涉及以不可使用的形式（如热）损失一定数量的能量。自由能特指与化学反应相关的在损失被核算后可用的能量。换句话说，自由能是可使用的能量，或可用于做功的能量。
自由和激活能量
帮助化学反应发生的物质称为催化剂，催化生化反应的分子称为酶。大多数酶是蛋白质，执行降低细胞内化学反应活化能的关键任务。大多数对活细胞至关重要的反应在正常温度下发生得太慢，对细胞没有任何用处。没有酶来加速这些反应，生命就无法持续。酶通过与反应物分子结合并以使化学键断裂和形成过程更容易发生的方式保持它们来做到这一点。重要的是要记住，酶不会改变反应是耗能的（自发的）还是产能的。这是因为它们不会改变反应物或产物的自由能。它们只减少反应进行所需的活化能（[链接]）。此外，酶本身被它催化的反应所改变。一旦一个反应被催化，酶就能够参与其他反应。
酶
能量与代谢
在本节结束时，您将能够：
*解释ATP如何被细胞用作能量来源
*描述糖酵解分解葡萄糖产生的分子的总体结果
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活细胞不能储存大量的自由能。过多的自由能会导致细胞中热量的增加，这会使酶和其他蛋白质变性，从而破坏细胞。相反，细胞必须能够安全地储存能量，并仅在需要时释放能量供使用。活细胞使用三磷酸腺苷来实现这一点，三磷酸腺苷可以用来满足细胞的任何能量需求。怎么做？它起到可充电电池的作用。
生命系统中的ATP
你已经读到，生物使用的几乎所有能量都是通过糖、葡萄糖的键来获得的。糖酵解是葡萄糖分解的第一步，为细胞代谢提取能量。许多生物体进行糖酵解作为其新陈代谢的一部分。糖酵解发生在大多数原核和所有真核细胞的细胞质中。
糖酵解
糖酵解
在本节结束时，您将能够：
*描述细胞中柠檬酸循环和氧化磷酸化的位置
*根据每种产品的产物描述柠檬酸循环和氧化磷酸化的总体结果
*描述糖酵解、柠檬酸循环和氧化磷酸化在输入和输出方面的关系。
m45439
在真核细胞中，糖酵解结束时产生的丙酮酸分子被输送到线粒体中，线粒体是细胞呼吸的场所。如果有氧气，有氧呼吸将继续进行。在线粒体中，丙酮酸将转化为一个双碳乙酰基（通过去除二氧化碳分子），该乙酰基将被一种名为辅酶A（CoA）的载体化合物拾取，辅酶A由维生素B5制成。由此产生的化合物称为乙酰辅酶A。（[链接]）。乙酰辅酶A可以被细胞以多种方式使用，但其主要功能是将源自丙酮酸的乙酰基传递到葡萄糖分解代谢的下一个途径。
柠檬酸循环
你刚刚读到葡萄糖分解代谢的两条途径——糖酵解和柠檬酸循环——产生三磷酸腺苷。然而，葡萄糖有氧分解代谢过程中产生的大部分三磷酸腺苷并不是直接从这些途径产生的。相反，它源于一个过程，该过程始于将电子通过一系列化学反应传递给最终的电子受体——氧气。这些反应发生在位于真核生物线粒体内膜和原核生物细胞膜内部的特殊蛋白质复合物中。电子的能量被收集并用于在线粒体内膜上产生电化学梯度。这种梯度的势能用于产生三磷酸腺苷。整个过程称为氧化磷酸化。
氧化磷酸化
葡萄糖分解代谢产生的三磷酸腺苷分子数量各不相同。例如，电子转运链复合物可以泵送通过膜的氢离子数量因物种而异。另一个差异来源源于电子穿过线粒体膜的穿梭。糖酵解产生的NADH不能轻易进入线粒体。因此，电子被NAD+或FAD+吸收到线粒体内部。当FAD+作为载体时，产生的三磷酸腺苷分子较少。NAD+在肝脏中用作电子转运体，在大脑中用作FAD+，因此三磷酸腺苷产量取决于所考虑的组织。
三磷酸腺苷产量
柠檬酸循环与氧化磷酸化
在本节结束时，您将能够：
*讨论厌氧细胞呼吸和发酵的根本区别
*描述动物细胞中容易发生的发酵类型和启动发酵的条件
m45440
动物和一些细菌（如酸奶中的细菌）使用的发酵方法是乳酸发酵（[link]）。这通常发生在哺乳动物红细胞和氧气供应不足而无法继续有氧呼吸的骨骼肌（即习惯到疲劳点的肌肉）中。在肌肉中，发酵产生的乳酸必须被血液循环去除，带到肝脏进行进一步的新陈代谢。乳酸发酵的化学反应如下：
乳酸发酵
另一个熟悉的发酵过程是酒精发酵（[link]），它产生乙醇，一种酒精。酒精发酵反应如下：
酒精发酵
某些原核生物，包括某些种类的细菌和古细菌，使用厌氧呼吸。例如，被称为产甲烷菌的古细菌群将二氧化碳还原为甲烷以氧化NADH。这些微生物存在于土壤和反刍动物（如奶牛和绵羊）的消化道中。类似地，硫酸盐还原细菌和古细菌，其中大多数是厌氧的（[链接]），将硫酸盐还原为硫化氢以从NADH再生NAD+。
厌氧细胞呼吸
发酵
在本节结束时，您将能够：
*讨论碳水化合物代谢途径、糖酵解和柠檬酸循环与蛋白质和脂质代谢途径的相互关系
*解释为什么代谢途径不被视为封闭系统
m45444
糖原是葡萄糖的聚合物，是动物体内的一种短期能量储存分子。当有足够的三磷酸腺苷存在时，多余的葡萄糖被转化为糖原进行储存。糖原被制造并储存在肝脏和肌肉中。如果血糖水平下降，糖原将被从储存中取出。肌肉细胞中作为葡萄糖来源的糖原的存在允许三磷酸腺苷在运动中产生更长时间。
其他糖与葡萄糖代谢的联系
蛋白质被细胞中的各种酶分解。大多数时候，氨基酸被回收成新的蛋白质。然而，如果有多余的氨基酸，或者如果身体处于饥荒状态，一些氨基酸将被分流到葡萄糖分解代谢的途径中。在进入这些途径之前，每种氨基酸都必须去除其氨基。氨基被转化为氨。在哺乳动物中，肝脏由两个氨分子和一个二氧化碳分子合成尿素。因此，尿素是哺乳动物中源自氨基酸的氮的主要废物，它以尿液的形式离开身体。
蛋白质与葡萄糖代谢的联系
与葡萄糖通路相连的脂质是胆固醇和甘油三酯。胆固醇是一种有助于细胞膜柔韧性的脂质，是类固醇激素的前体。胆固醇的合成从乙酰辅酶A开始，只朝一个方向进行。这个过程不能逆转，ATP也不会产生。
脂质与葡萄糖代谢的联系
与其他代谢途径的联系
细胞如何获得能量
m45445
导言
在本节结束时，您将能够：
*总结光合作用的过程
*解释光合作用与其他生物的相关性
*识别光合作用的反应物和产物
*描述光合作用的主要结构
m45448
一些生物可以进行光合作用，而另一些则不能。自养生物是一种可以自己生产食物的生物。*autotroph*这个词的希腊词根意思是“自我”（*auto*）“喂食者”（*troph*）。植物是最著名的自养生物，但也存在其他生物，包括某些类型的细菌和藻类（[链接]）。海洋藻类为全球食物链贡献了大量的食物和氧气。植物也是光自养生物，一种利用阳光和二氧化碳中的碳以碳水化合物的形式合成化学能的自养生物。所有进行光合作用的生物都需要阳光。
太阳能依赖与粮食生产
光合作用需要阳光、二氧化碳和水作为起始反应物（[链接]）。在这个过程完成后，光合作用释放氧气并产生碳水化合物分子，最常见的是葡萄糖。这些糖分子含有生物生存所需的能量。
光合作用的主要结构与总结
光合作用分两个阶段进行：光依赖性反应和卡尔文循环。在类囊体膜上发生的光依赖性反应中，叶绿素从阳光中吸收能量，然后利用水将其转化为化学能。光依赖性反应从水解中释放氧气作为副产品。在基质中发生的卡尔文循环中，光依赖性反应产生的化学能驱动二氧化碳分子中碳的捕获和随后糖分子的组装。这两个反应使用载体分子将能量从一个输送到另一个。将能量从光依赖性反应转移到卡尔文循环反应的载体可以被认为是“满的”，因为它们带来了能量。能量释放后，“空”能量载体返回依赖光的反应以获得更多能量。琼·玛丽·安德森发现了两阶段、两地点光合作用过程，他在随后几十年的持续工作为我们提供了对这一过程、膜和所涉及化学物质的大部分理解。
光合作用的两个部分
光合作用概述
在本节结束时，您将能够：
*解释植物如何从阳光中吸收能量
*描述光的波长如何影响其能量和颜色
*描述光合作用如何以及在哪里发生
m45452
太阳发出大量的电磁辐射（太阳能）。人类只能看到这种能量的一小部分，即所谓的“可见光”。太阳能传播的方式可以描述和测量为波。科学家可以通过测量波的波长来确定波的能量，即一系列波中两个连续相似点之间的距离，例如从波峰到波峰或波谷到波谷（[链接]）。
什么是光能？
当色素吸收光时，光能进入光合作用过程。在植物中，色素分子只吸收可见光进行光合作用。人类视为白光的可见光实际上存在于彩虹般的颜色中。某些物体，如棱镜或水滴，分散白光，向人眼揭示这些颜色。电磁波谱的可见光部分被人眼感知为彩虹般的颜色，紫色和蓝色波长较短，因此能量较高。在光谱的另一端朝向红色，波长较长，能量较低。
光的吸收
存在不同种类的颜料，每种颜料只吸收某些波长（颜色）的可见光。颜料反射它们不能吸收的波长的颜色。
了解颜料
光依赖性反应的总体目的是将光能转化为化学能。这种化学能将被卡尔文循环用来为糖分子的组装提供燃料。
光相关反应如何工作
在依赖光的反应中，阳光吸收的能量被两种类型的能量载体分子储存：ATP和NADPH。这些分子携带的能量储存在一个键中，该键与分子保持单个原子或原子群。对于ATP，它是一个磷酸基团，对于NADPH，它是一个氢原子。回想一下，NADH是一个类似的分子，它在线粒体中携带能量，从柠檬酸循环到电子传输链。当这些分子向卡尔文循环释放能量时，它们各自失去原子或原子群，成为能量较低的分子ADP和NADP+。
生成能量载体：ATP
光依赖性反应的剩余功能是产生另一个能量载体分子NADPH。当来自电子传输链的电子到达光系统I时，它被叶绿素捕获的另一个光子重新激发。来自这个电子的能量驱动NADP+和氢离子（H+）形成NADPH。现在太阳能储存在能量载体中，它可以用来制造糖分子。
生成另一个能量载体：NADPH
光合作用的光依赖性反应
在本节结束时，您将能够：
*描述卡尔文周期
*定义碳固定
*解释光合作用如何在所有生物的能量循环中起作用
m45453
在植物中，二氧化碳通过气孔进入叶片，扩散到叶肉细胞和叶绿体基质中——这是合成糖的卡尔文循环反应的场所。这些反应以发现它们的科学家梅尔文·卡尔文的名字命名，并参考了这些反应作为一个循环发挥作用的事实。其他人称之为卡尔文-本森循环，以包括另一位参与其发现的科学家安德鲁·本森的名字（[链接]）。
卡尔文循环的相互作用
光合作用的两个部分——依赖光的反应和卡尔文循环——已经被描述过了，因为它们发生在叶绿体中。然而，原核生物，如蓝藻，缺乏膜结合细胞器。原核光合自养生物具有质膜的折叠，用于叶绿素附着和光合作用（[链接]）。正是在这里，像蓝藻这样的生物可以进行光合作用。
原核生物的光合作用
生物通过分解碳水化合物分子来获取能量。然而，如果植物制造碳水化合物分子，为什么它们需要分解它们？碳水化合物是所有生物能量的储存分子。虽然能量可以储存在像三磷酸腺苷这样的分子中，但碳水化合物是化学能更稳定、更有效的储存库。光合生物也进行呼吸反应来收获它们储存在碳水化合物中的能量，例如，植物除了叶绿体之外还有线粒体。
能量流
卡尔文循环
光合作用
生命的细胞基础
m45454
导言
在本节结束时，您将能够：
*描述原核和真核基因组
*区分染色体、基因和性状
m45455
在讨论细胞进行复制的步骤之前，有必要更深入地了解细胞遗传信息的结构和功能。细胞的完整DNA补体称为其基因组。在原核生物中，基因组由单个双链DNA分子组成，呈环或圆的形式。细胞中含有这种遗传物质的区域称为类核。一些原核生物还具有称为质粒的较小DNA环，这些质粒对正常生长不是必需的。
基因组DNA
基因组
在本节结束时，您将能够：
*描述间期的三个阶段
*讨论染色体在有丝分裂过程中的行为以及细胞质内容在胞质分裂过程中如何分裂
*定义静态G0阶段
*解释三个内部控制检查点如何发生在G1结束、G2-M过渡和中期
m45461
在间期，细胞经历正常的过程，同时也为细胞分裂做准备。细胞要从间期进入有丝分裂期，必须满足许多内部和外部条件。间期的三个阶段称为G1、S和G2。
相间
要制造两个子细胞，必须分割细胞核和细胞质的内容。有丝分裂阶段是一个多步骤的过程，在此过程中，重复的染色体对齐、分离，并移动到细胞的两极，然后细胞被分成两个新的相同的子细胞。有丝分裂阶段的第一部分，有丝分裂，由五个阶段组成，完成核分裂。有丝分裂阶段的第二部分，称为胞质分裂，是细胞质成分物理隔离成两个子细胞。
有丝分裂期
并非所有细胞都遵循经典的细胞周期模式，即新形成的子细胞立即进入间期，紧接着是有丝分裂期。G0期的细胞没有积极准备分裂。细胞处于静止（非活动）阶段，已经退出细胞周期。一些细胞暂时进入G0，直到外部信号触发G1的发病。其他从不或很少分裂的细胞，如成熟的心肌和神经细胞，永久留在G0（[链接]）。
G0相
子细胞必须与母细胞完全重复。染色体复制或分布的错误会导致突变，这些突变可能会传递给异常细胞产生的每个新细胞。为了防止受损细胞继续分裂，有内部控制机制在三个主要的细胞周期检查点运行，在这些检查点可以停止细胞周期，直到条件有利。这些检查点发生在G1末端、G2-M过渡和中期（[链接]）。
内部检查站的监管
细胞周期
在本节结束时，您将能够：
*解释癌症是如何由不受控制的细胞分裂引起的
*了解原癌基因如何是正常细胞基因，当突变时，成为癌基因
*描述肿瘤抑制剂如何停止细胞周期，直到某些事件完成
*解释突变的肿瘤抑制剂如何导致癌症
m45462
编码阳性细胞周期调节因子的基因被称为原癌基因。原癌基因是正常的基因，一旦发生突变，就会成为癌基因——导致细胞癌变的基因。考虑一下最近获得癌基因的细胞的细胞周期可能会发生什么变化。在大多数情况下，DNA序列的改变会导致功能较差（或无功能）的蛋白质。结果对细胞有害，并可能阻止细胞完成细胞周期；然而，生物体不会受到伤害，因为突变不会继续进行。如果细胞不能繁殖，突变就不会传播，损害也很小。然而，偶尔，基因突变会导致增加阳性调节因子活性的变化。比方说，一种允许参与细胞周期调节的蛋白质Cdk在其应该被激活之前被激活的突变，可能会在满足所有必要条件之前将细胞周期推过一个检查点。如果由此产生的子细胞受损严重，无法进行进一步的细胞分裂，突变就不会繁殖，也不会对生物体造成伤害。然而，如果非典型的子细胞能够进一步分裂，下一代细胞可能会积累更多的突变，其中一些可能存在于调节细胞周期的额外基因中。
原癌基因
像原癌基因一样，许多细胞周期负调控蛋白是在癌变细胞中发现的。肿瘤抑制基因是编码负调控蛋白的基因，负调控蛋白在激活时可以防止细胞发生不受控制的分裂。最广为人知的肿瘤抑制基因蛋白视网膜母细胞瘤蛋白（RB1）、p53和p21的共同作用是在某些事件完成之前为细胞周期的进展设置障碍。如果出现问题，携带负调控蛋白突变形式的细胞可能无法停止细胞周期。
肿瘤抑制基因
癌症和细胞周期
在本节结束时，您将能够：
*描述原核生物的二元裂变过程
*解释FtsZ和微管蛋白是如何同源的例子
m45463
原核生物的细胞分裂过程，称为二元裂变，是一个比真核生物细胞分裂更简单、更快的过程。由于细菌细胞分裂的速度，细菌种群可以非常迅速地增长。细菌的单个圆形脱氧核糖核酸染色体不是封闭在细胞核中的，而是占据一个特定的位置，类核，在细胞内。和真核生物一样，类核生物的脱氧核糖核酸与蛋白质相关联，蛋白质有助于将分子包装成紧凑的尺寸。然而，细菌的包装蛋白与真核生物染色体压缩中涉及的一些蛋白质有关。
二元裂变
原核细胞分裂
细胞水平的生殖
m45464
导言
在本节结束时，您将能够：
*解释后代之间的差异是有性生殖产生的潜在进化优势
*描述有性多细胞生物的三种不同生命周期战略及其共性
m45465
受精和减数分裂在有性生命周期中交替进行。这两个过程之间发生的情况取决于生物体。减数分裂的过程将产生的配子的染色体数量减少了一半。受精，即两个单倍体配子的结合，恢复了二倍体状态。多细胞生物的生命周期主要分为三类：二倍体显性，其中多细胞二倍体阶段是最明显的生命阶段（并且没有多细胞单倍体阶段），就像包括人类在内的大多数动物一样；单倍体显性，其中多细胞单倍体阶段是最明显的生命阶段（并且没有多细胞二倍体阶段），就像所有真菌和一些藻类一样；世代交替，其中单倍体和二倍体这两个阶段在某种程度上是明显的，这取决于群体，就像植物和一些藻类一样。
性生殖生物体的生命周期
有性生殖
在本节结束时，您将能够：
*描述减数分裂期间染色体的行为
*描述减数分裂期间的细胞事件
*解释减数分裂和有丝分裂的区别
*解释减数分裂中产生减数分裂产物遗传变异的机制
m45466
减数分裂之前有一个由G1、S和G2期组成的间期，这与有丝分裂前的阶段几乎相同。G1期是间期的第一阶段，主要关注细胞生长。在S期，染色体的脱氧核糖核酸被复制。最后，在G2期，细胞经历减数分裂的最后准备。
相间
在前期I的早期，在显微镜下可以清楚地看到染色体。随着核膜开始分解，与同源染色体相关的蛋白质使这对染色体彼此靠近。同源染色体的紧密配对称为突触。在突触中，同源染色体的染色单体上的基因彼此精确对齐。非姐妹同源染色单体之间发生染色体片段的交换，称为交叉。这个过程在交换后直观地显示为交叉（单数=*交叉*）（[link]）。
减数分裂Ⅰ
在减数分裂II中，保留在减数分裂I的单倍体细胞中的连接的姊妹染色单体将被分裂形成四个单倍体细胞。在某些物种中，细胞在进入减数分裂II之前会进入一个短暂的间期，即缺乏S期的内动。染色体在内动过程中不会复制。减数分裂I中产生的两个细胞同步经历减数分裂II的事件。总的来说，减数分裂II类似于单倍体细胞的有丝分裂分裂。
减数分裂II
有丝分裂和减数分裂都是真核细胞中细胞核分裂的形式，它们有一些相似之处，但也表现出明显的差异，导致它们非常不同的结果。有丝分裂是一个单一的核分裂，产生两个细胞核，通常被分成两个新细胞。有丝分裂产生的细胞核在基因上与原始细胞核相同。它们有相同数量的染色体：单倍体细胞有一个，二倍体细胞有两个。另一方面，减数分裂是两个核分裂，产生四个细胞核，通常被分成四个新细胞。减数分裂产生的细胞核在基因上从来都不相同，它们只包含一套染色体——这是原始细胞数量的一半，即二倍体（[链接]）。
减数分裂和有丝分裂的比较
减数分裂
在本节结束时，您将能够：
*解释不分离如何导致染色体数量的差异
*描述染色体结构的错误是如何通过倒置和易位发生的
m45467
染色体的分离和显微镜观察是细胞遗传学的基础，也是临床医生检测人类染色体异常的主要方法。核型是染色体的数量和外观，包括它们的长度、条带模式和着丝粒位置。为了获得个人核型的视图，细胞学家拍摄染色体，然后将每条染色体剪切并粘贴成图表或核图（[链接]）。
染色体数目紊乱
细胞学家已经对染色体中的许多结构重排进行了表征，包括部分重复、缺失、倒置和易位。重复和缺失通常会产生存活但表现出身体和精神异常的后代。Cri-du-chat（来自法语中的“猫的叫声”）是一种与神经系统异常和可识别的身体特征有关的综合征，其结果是5号染色体的大部分小臂缺失（[链接]）。这种基因型的婴儿会发出典型的高音叫声，这种疾病的名称就是基于这种叫声。
染色体结构重排
减数分裂的变异
遗传的细胞基础
m45468
导言
在本节结束时，您将能够：
*解释孟德尔实验工作成功的科学原因
*描述涉及显性和隐性等位基因的单杂交的预期结果
m45469
孟德尔的开创性工作是利用花园里的豌豆来研究遗传的。这种物种自然地自我受精，这意味着花粉在同一朵花中遇到卵子。因为每种豌豆植物都有雄性生殖器官和雌性生殖器官，每种植物都产生繁殖所需的两种配子——花粉和卵子。在植物中，就像在动物中一样，生殖器官是根据产生的配子的大小来分类的。产生较小花粉的器官被称为雄性生殖器官，而产生较大卵子的器官被称为雌性生殖器官。
孟德尔十字架
在他1865年的出版物中，孟德尔报告了他的杂交结果，包括七个不同的特征，每个特征都有两个对比性状。性状被定义为可遗传特征物理外观的变化。这些特征包括株高、种子质地、种子颜色、花色、豌豆荚大小、豌豆荚颜色和花的位置。例如，对于花色的特征，两个对比性状是白色和紫色。为了充分检查每个特征，孟德尔产生了大量的F1和F2植物，并报告了数千株F2植物的结果。
豌豆的特性揭示了遗传的基础
孟德尔实验
在本节结束时，您将能够：
*解释显性和隐性基因系统中基因型和表型之间的关系
*使用Punnett平方计算单杂交中基因型和表型的预期比例
*从遗传学和减数分裂事件的角度解释孟德尔的分离和独立分类定律
*解释测试交叉的目的和方法
m45470
二倍体生物中给定基因的两个等位基因表达并相互作用以产生物理特征。生物体表达的可观察性状称为其表型。生物体的潜在基因组成，包括物理可见和未表达的等位基因，称为其基因型。孟德尔的杂交实验证明了表型和基因型之间的差异。例如，孟德尔在具有不同性状的豌豆植物之间的杂交中观察到的表型与P、F1和F2代植物的二倍体基因型有关。我们将以孟德尔研究的第二个性状种子颜色为例。种子颜色由具有两个等位基因的单个基因控制。黄色种子等位基因是显性的，绿色种子等位基因是隐性的。当真育种植物进行杂交受精时，其中一个亲本有黄色种子，一个亲本有绿色种子，所有F1杂交后代都有黄色种子。也就是说，杂交后代与具有黄色种子的真育种亲本表型相同。然而，我们知道，具有绿色种子的亲本捐赠的等位基因并没有简单地丢失，因为它重新出现在一些F2后代中（[链接]）。因此，F1植株一定在基因型上不同于具有黄色种子的亲本。
表型和基因型
当受精发生在两个真正的育种亲本之间，而这两个亲本仅因所研究的特征而有所不同时，这个过程被称为单杂交，由此产生的后代被称为单杂交。孟德尔进行了七种类型的单杂交，每种类型都涉及不同特征的对比性状。在这些杂交中，所有F1后代都有一个亲本的表型，而F2后代的表型比为3:1。根据这些结果，孟德尔假设单杂交中的每一个亲本都为每个后代贡献了两个配对单位因子中的一个，并且每个可能的单位因子组合的可能性都相同。
单杂交十字架和庞内特广场
孟德尔观察到，具有对比性状的真正育种豌豆产生了全部表达显性性状的F1代和以3:1比例表达显性和隐性性状的F2代，因此提出了分离定律。该定律指出，成对的单位因子（基因）必须平等地分离到配子中，这样后代继承任一因子的可能性就相等。对于单杂交的F2代，产生了以下三种可能的基因型组合：纯合子显性、杂合或纯合子隐性。因为杂合子可能来自两个不同的途径（从父母双方接收一个显性和一个隐性等位基因），并且因为杂合子和纯合子显性个体在表型上是相同的，该定律支持孟德尔观察到的3:1表型比。等位基因的平等分离是我们可以应用庞尼特平方准确预测已知基因型父母后代的原因。孟德尔分离定律的物理基础是减数分裂的第一次分裂，在减数分裂中，每个基因的不同版本的同源染色体被分离成子核。这个过程在孟德尔一生中没有被科学界所理解（[链接]）。
隔离法则
孟德尔的独立分类定律指出，在将等位基因分类为配子方面，基因不会相互影响，每个基因的等位基因的每一个可能组合都同样有可能发生。基因的独立分类可以用双杂交来说明，双杂交是两个真正育种的亲本之间的杂交，它们为两种特征表达不同的性状。考虑两种豌豆植物的种子颜色和种子质地特征，一种是有皱纹的绿色种子（*rryy*），另一种是圆形的黄色种子（*RRYY*）。因为每个亲本都是纯合的，分离定律表明皱纹绿色植物的配子都是*ry*，圆形黄色植物的配子都是*RY*。因此，F1代后代都是*RrYy*（[链接]）。
独立分类法
继承法
在本节结束时，您将能够：
*从杂交结果中识别非孟德尔遗传模式，如不完全显性、共显性、多等位基因和性别连锁
*解释连锁和重组对配子基因型的影响
*解释基因间上位效应的表型结果
m45471
孟德尔对豌豆植物的实验表明：1）每个基因都存在两种类型的“单位”或等位基因；2）等位基因在每一代中都保持其完整性（不混合）；3）在显性等位基因存在的情况下，隐性等位基因是隐藏的，对表型没有贡献。因此，隐性等位基因可以被“携带”而不是由个体表达的。这种杂合个体有时被称为“携带者”。从那时起，对其他生物的遗传学研究表明存在更多的复杂性，但孟德尔遗传学的基本原理仍然成立。在接下来的部分中，我们将考虑孟德尔主义的一些扩展。
主导和隐蔽的替代方案
尽管孟德尔的所有豌豆植物特征都是根据独立分类定律表现的，但我们现在知道，一些等位基因组合并不是相互独立遗传的。位于独立的、非同源染色体上的基因总是会独立排序。然而，每条染色体都包含数百或数千个基因，在染色体上线性组织，就像串上的珠子。等位基因分离成配子可以受到连锁的影响，在连锁中，位于同一染色体上物理上彼此靠近的基因更有可能作为一对遗传。然而，由于重组或“交叉”的过程，同一染色体上的两个基因有可能独立表现，或者好像它们没有联系。为了理解这一点，让我们考虑基因连锁和重组的生物学基础。
关联基因违反独立分类定律
孟德尔对豌豆植物的研究表明，个体表型的总和由基因（或者他称之为单位因素）控制，因此每一个特征都明显而完全地由一个基因控制。事实上，单个可观察特征几乎总是受到多个基因（每个基因都有两个或多个等位基因）的影响。例如，至少有八个基因对人类的眼睛颜色有贡献。
上位论
继承法的延伸
继承模式
细胞分裂与遗传学
m45472
导言
在本节结束时，您将能够：
*描述DNA的结构
*描述真核和原核DNA如何在细胞中排列
m45473
在所有细胞中都有第二种核酸，称为核糖核酸或RNA。像DNA一样，RNA是核苷酸的聚合物。RNA中的每个核苷酸都由一个含氮碱基、一个五碳糖和一个磷酸基团组成。就RNA而言，五碳糖是核糖，而不是脱氧核糖。核糖在2'碳处有一个羟基，不像脱氧核糖只有一个氢原子（[链接]）。
RNA的结构
脱氧核糖核酸是一种工作分子；当细胞准备好分裂时，它必须被复制，并且必须被“阅读”以产生分子，如蛋白质，以实现细胞的功能。因此，脱氧核糖核酸以非常特殊的方式受到保护和包装。此外，脱氧核糖核酸分子可以非常长。端到端延伸，单个人类细胞中的脱氧核糖核酸分子将达到大约2米的长度。因此，细胞的脱氧核糖核酸必须以非常有序的方式包装，以适应肉眼看不到的结构（细胞）并在其中发挥作用。原核生物的染色体在许多特征上都比真核生物简单得多（[链接]）。大多数原核生物含有一条圆形的单一染色体，该染色体存在于细胞质中称为类核的区域。
DNA如何在细胞中排列
DNA的结构
在本节结束时，您将能够：
*解释DNA复制的过程
*解释端粒酶对DNA复制的重要性
*描述DNA修复的机制
m45475
由于真核生物基因组非常复杂，DNA复制是一个非常复杂的过程，涉及多种酶和其他蛋白质。它发生在三个主要阶段：起始、延伸和终止。
真核生物的DNA复制
DNA聚合酶在添加核苷酸时会犯错误。它通过校对每个新添加的碱基来编辑DNA。不正确的碱基被移除并被正确的碱基替换，然后聚合继续（[链接]**a**）。大多数错误在复制过程中得到纠正，尽管当这种情况没有发生时，采用了错配修复机制。错配修复酶识别错误合并的碱基并将其从DNA中切除，用正确的碱基替换它（[链接]**b**）。在另一种类型的修复中，核苷酸切除修复，DNA双链被解开并分离，不正确的碱基连同5'和3'端的几个碱基一起被移除，并通过在DNA聚合酶的帮助下复制模板来替换这些碱基（[链接]**c**）。核苷酸切除修复在纠正主要由紫外线引起的胸腺嘧啶二聚体方面尤为重要。在胸腺嘧啶二聚体中，一条链上相邻的两个胸腺嘧啶核苷酸相互共价键合，而不是它们的互补碱基。如果不去除和修复二聚体，它将导致突变。核苷酸切除修复基因有缺陷的个体对阳光表现出极度敏感，并在生命早期患上皮肤癌。
DNA修复
DNA复制
在本节结束时，您将能够：
*解释中心教条
*解释转录的主要步骤
*描述真核mRNA是如何处理的
m45476
细胞中遗传信息从脱氧核糖核酸到核糖核酸再到蛋白质的流动由中央教条（[链接]）描述，该教条指出基因指定核糖核酸的序列，而核糖核酸又指定蛋白质的序列。
中心教条：DNA编码RNA；RNA编码蛋白质
原核生物和真核生物的转录过程基本相同，其重要区别在于真核生物的膜结合核。基因结合在细胞核中，转录发生在细胞核中，mRNA转录本必须运送到细胞质中。原核生物包括细菌和古细菌，缺乏膜结合核和其他细胞器，转录发生在细胞质中。在原核生物和真核生物中，转录发生在三个主要阶段：起始、伸长和终止。
转录：从DNA到mRNA
新转录的真核mRNA必须经过几个加工步骤才能从细胞核转移到细胞质并转化为蛋白质。真核mRNA成熟所涉及的额外步骤创造了一种比原核mRNA稳定得多的分子。例如，真核mRNA持续几个小时，而典型的原核mRNA持续时间不超过五秒钟。
真核RNA加工
转录
在本节结束时，您将能够：
*描述蛋白质合成的不同步骤
*讨论核糖体在蛋白质合成中的作用
*描述遗传密码以及核苷酸序列如何决定氨基酸和蛋白质序列
m45479
除了mRNA模板之外，许多其他分子也有助于翻译过程。每个成分的组成可能因物种而异；例如，核糖体可能由不同数量的核糖体RNA（rRNA）和多肽组成，具体取决于生物体。然而，蛋白质合成机制的一般结构和功能可与从细菌到人类细胞相媲美。翻译需要mRNA模板、核糖体、tRNA和各种酶因子的输入（[链接]）。
蛋白质合成机械
总结一下我们目前所知道的情况，细胞转录过程产生信使RNA（mRNA），即一个或多个基因的移动分子拷贝，其字母表为A、C、G和尿嘧啶（U）。mRNA模板的翻译将基于核苷酸的遗传信息转化为蛋白质产物。蛋白质序列由20种常见的氨基酸组成；因此，可以说蛋白质字母表由20个字母组成。每个氨基酸由称为三联密码子的三核苷酸序列定义。核苷酸密码子与其对应氨基酸之间的关系称为遗传密码。
遗传密码
就像mRNA合成一样，蛋白质合成可以分为三个阶段：起始、延伸和终止。翻译过程在原核生物和真核生物中是相似的。在这里，我们将探讨翻译是如何在*E. coli*，一种代表性的原核生物中发生的，并指出原核和真核翻译之间的任何区别。
蛋白质合成的机理
翻译
在本节结束时，您将能够：
*讨论为什么每个细胞不表达其所有基因
*描述原核基因表达如何在转录水平发生
*了解真核基因表达发生在表观遗传、转录、转录后、翻译和翻译后水平
m45480
要了解基因表达是如何调节的，我们必须首先了解基因如何成为细胞中的功能蛋白。这个过程发生在原核细胞和真核细胞中，只是方式略有不同。
原核与真核基因表达
基因是如何被调控的
分子生物学
m45481
导言
在本节结束时，您将能够：
*解释用于操纵遗传物质的基本技术
*解释分子克隆和生殖克隆
m45482
为了完成上述应用，生物技术人员必须能够提取、操作和分析核酸。
操纵遗传物质
总的来说，克隆意味着创造一个完美的复制品。通常，这个词被用来描述基因相同的复制品的创造。在生物学中，整个生物体的再创造被称为“生殖性克隆”。早在克隆整个生物体的尝试出现之前，研究人员就学会了如何复制短片段的DNA——这一过程被称为分子克隆。这项技术提供了创造新药和克服现有药物困难的方法。当哈佛大学吉尔伯特实验室的莉迪亚·维拉-科马罗夫发表了第一篇概述合成胰岛素生产技术的论文时，糖尿病研究人员和患者在对抗这种疾病方面获得了新的希望。当时胰岛素只能用猪和牛的胰腺生产，这种救命的物质经常供不应求。合成胰岛素一旦大规模生产，将为许多患者解决这个问题。这些早期发现导致了“生物技术繁荣”，并刺激了对更新更好的改善健康方法的持续研究和资助。
克隆
利用重组DNA技术修改生物体的DNA以达到理想的性状被称为基因工程。以分子克隆产生的重组DNA载体的形式添加外来DNA是最常见的基因工程方法。接受重组DNA的生物体被称为转基因生物体（GMO）。如果引入的外来DNA来自不同的物种，则宿主生物体被称为转基因生物。自20世纪70年代初以来，细菌、植物和动物已经被转基因用于学术、医疗、农业和工业目的。这些应用将在下一个模块中更详细地检查。
基因工程
克隆与基因工程
在本节结束时，您将能够：
*描述生物技术在医学中的用途
*说明生物技术在农业中的用途
m45483
在进行治疗前检测疑似基因缺陷的过程称为基因检测的基因诊断。在某些情况下，如果个人的家庭中存在遗传病，可以建议家庭成员进行基因检测。例如，*BRCA*基因的突变可能会增加患乳腺癌、卵巢癌和其他一些癌症的可能性。乳腺癌患者可以接受这些突变的筛查。如果发现了一种高危突变，亲属也可能希望接受特定突变的筛查，或者只是对癌症的发生更加警惕。还为胎儿（或体外受精的胚胎）提供基因检测，以确定患有特定衰弱疾病的家庭中是否存在致病基因。
基因诊断与基因治疗
传统的疫苗接种策略使用弱化或非活性形式的微生物或病毒来刺激免疫系统。现代技术使用克隆到载体中并在细菌中大量生产的微生物的特定基因来制造大量特定物质来刺激免疫系统。该物质然后被用作疫苗。在某些情况下，如H1N1流感疫苗，从病毒中克隆的基因已经被用来对抗这种病毒不断变化的菌株。
疫苗、抗生素和激素的生产
尽管几种用于医学的重组蛋白在细菌中成功产生，但有些蛋白质需要真核动物宿主进行适当加工，为此，基因已被克隆并在绵羊、山羊、鸡和小鼠等动物中表达，被修饰以表达重组DNA的动物被称为转基因动物（[link]）。
转基因动物
操纵植物的DNA（创造转基因生物）有助于创造理想的性状，如抗病、除草剂和抗虫害、更好的营养价值和更好的贮藏寿命（[链接]）。植物是人类最重要的食物来源。早在现代生物技术实践建立之前，农民就已经开发出选择具有理想性状的植物品种的方法。
转基因植物
医学和农业中的生物技术
在本节结束时，您将能够：
*定义基因组学和蛋白质组学
*定义全基因组测序
*解释基因组学和蛋白质组学的不同应用
m45485
基因图谱是在每条染色体上寻找基因位置的过程。创建的地图可以与我们用来导航街道的地图相媲美。基因图谱是一种图解，列出基因及其在染色体上的位置。基因图谱提供了大局（类似于州际高速公路的地图）并使用遗传标记（类似于地标）。遗传标记是染色体上显示与感兴趣性状的遗传连锁的基因或序列。遗传标记倾向于与感兴趣的基因一起遗传，它们之间距离的一个衡量标准是减数分裂期间的重组频率。早期遗传学家称这种连锁分析。
绘制基因组
尽管近年来医学科学取得了重大进展，但医生们仍然对许多疾病感到困惑，研究人员正在使用全基因组测序来找到问题的根源。全基因组测序是一个决定整个基因组DNA序列的过程。当疾病的核心存在遗传基础时，全基因组测序是一种蛮力解决问题的方法。一些实验室现在提供测序、分析和解释整个基因组的服务。
全基因组测序
DNA测序和全基因组测序项目的引入，特别是人类基因组计划，扩大了DNA序列信息的适用性。基因组学现在被广泛应用于各种领域，如宏基因组学、药物基因组学和线粒体基因组学。基因组学最常见的应用是理解和寻找疾病的治疗方法。
应用基因组学
基因组学和蛋白质组学
生物技术
分子生物学与生物技术
m45486
导言
在本节结束时，您将能够：
*解释达尔文的进化论与当时的当前观点有何不同
*描述当今进化论是如何发展起来的
*描述如何使用种群遗传学来研究种群的进化
m45487
进化的实际机制是由两位博物学家查尔斯·达尔文和阿尔弗雷德·罗素·华莱士在19世纪中叶独立构思和描述的。重要的是，他们都花时间在热带探险中探索自然界。从1831年到1836年，达尔文乘坐*H. M.S.Beagle*环游世界，访问了南美洲、澳大利亚和非洲南端。1848年到1852年，华莱士前往巴西在亚马逊雨林收集昆虫，1854年到1862年前往马来群岛。达尔文的旅程，就像华莱士后来在马来群岛的旅行一样，包括在几个岛链停留，最后一个是加拉帕戈斯群岛（厄瓜多尔西部）。在这些岛上，达尔文观察到不同岛屿上的生物物种明显相似，但又有明显差异。例如，居住在加拉帕戈斯群岛的地雀由几个物种组成，每个物种都有独特的喙形状（[链接]）。他观察到这些雀与南美洲大陆上的另一个雀物种非常相似，加拉帕戈斯群岛的物种形成了一系列分级的喙大小和形状，在最相似的物种之间差异很小。达尔文想象岛上的物种可能都是从一个原始大陆物种改造而来的物种。1860年，他写道：“看到一小群密切相关的鸟类的这种分级和结构多样性，人们可能真的会想象，从这个群岛最初缺乏的鸟类中，有一个物种被捕获并改造为不同的目的。”[脚注]

查尔斯·达尔文，*《贝格尔号环游世界航行期间访问过的国家的自然历史和地质研究杂志》，由菲茨·罗伊上尉指挥，R. N*，第二版。（伦敦：约翰·默里，1860年），http://www.archive.org/details/journalofresea00darw。
查尔斯·达尔文和自然选择
在达尔文和华莱士发展他们的自然选择思想时，人们还不了解遗传机制，即遗传学。这种缺乏理解是理解进化许多方面的绊脚石。事实上，混合遗传是当时占主导地位（也是不正确的）的遗传理论，这使得人们很难理解自然选择是如何运作的。达尔文和华莱士不知道奥地利僧侣格雷格·孟德尔的遗传学工作，该工作发表于1866年，就在《物种起源》出版后不久。孟德尔的工作在20世纪初被重新发现，当时遗传学家正在迅速理解遗传的基础知识。最初，新发现的基因微粒性质使生物学家难以理解渐进进化是如何发生的。但在接下来的几十年里，遗传学和进化论融入了后来被称为现代综合的东西中。现代综合是对自然选择和遗传学之间关系的连贯理解，形成于20世纪40年代，今天被普遍接受。总而言之，现代综合描述了进化压力，如自然选择，如何影响种群的基因构成，以及反过来，这如何导致种群和物种的逐渐进化。该理论还将种群随时间的逐渐变化，称为微进化，与产生新物种和具有广泛不同特征的更高分类群体的过程联系起来，称为宏观进化。
现代综合
回想一下，一个特定特征的基因可能有几个变体或等位基因，它们编码与该特征相关的不同特征。例如，在人类的ABO血型系统中，三个等位基因决定了红细胞表面的特定血型碳水化合物。二倍体生物群体中的每个个体只能携带一个特定基因的两个等位基因，但组成群体的个体中可能存在两个以上的等位基因。孟德尔遵循等位基因从父母遗传到后代。20世纪初，生物学家开始在一个被称为群体遗传学的研究领域研究群体中所有等位基因的变化。
群体遗传学
发现人口如何变化
在本节结束时，您将能够：
*描述进化的四个基本原因：自然选择、突变、遗传漂移和基因流动
*解释每种进化力量如何影响种群的等位基因频率
m45489
自然选择已经被讨论过了。等位基因以表型表达。根据环境条件，表型赋予具有该表型的个体相对于人群中其他表型的优势或劣势。如果这是一个优势，那么这个个体可能会比具有其他表型的个体有更多的后代，这意味着表型背后的等位基因在下一代将有更大的代表性。如果条件保持不变，那些携带相同等位基因的后代也将受益。随着时间的推移，等位基因在人群中的频率会增加。
物竞天择
突变是群体中新等位基因的来源。突变是基因DNA序列的变化。突变可以将一个等位基因变成另一个等位基因，但净效应是频率的变化。突变导致的频率变化很小，因此除非与其他因素之一（如选择）相互作用，否则它对进化的影响很小。突变可能产生一个等位基因，该等位基因被选择反对、被选择或选择性中性。有害突变通过选择从群体中移除，通常只会在与突变率相等的非常低的频率中发现。有益突变将通过选择在群体中传播，尽管初始传播缓慢。突变是有益的还是有害的取决于它是否有助于生物体存活到性成熟和繁殖。应该指出，突变是所有种群遗传变异的最终来源——新的等位基因，因此，新的遗传变异是通过突变产生的。
突变
种群等位基因频率变化的另一种方式是遗传漂移（[link]），这只是偶然的影响。遗传漂移在小种群中最重要。在个体无限的种群中，漂移是完全不存在的，但是，当然，没有一个种群如此之大。遗传漂移的发生是因为后代中的等位基因是父代等位基因的随机样本。等位基因可能会也可能不会进入下一代，这是由于偶然事件，包括个体死亡、影响寻找配偶的事件，甚至影响配子最终受精的事件。如果十个个体中的一个个体在将任何后代留给下一代之前碰巧死亡，它的所有基因——种群基因库的十分之一——将突然丢失。在100个种群中，这1个个体只占整个基因库的1%；因此，它对种群遗传结构的影响要小得多，即使是相对罕见的等位基因也不太可能去除所有副本。
遗传漂移
另一个重要的进化力量是基因流动，即个体或配子迁移导致的等位基因进出种群的流动（[链接]）。虽然一些种群相当稳定，但其他种群经历了更多的流动。例如，许多植物通过风或动物的内脏将种子传播到四面八方；这些种子可能会将源种群中常见的等位基因引入到一个稀有的新种群中。
基因流
进化机制
在本节结束时，您将能够：
*解释进化的证据来源
*定义同源和残留结构
m45491
化石提供了确凿的证据，证明过去的生物与今天发现的生物不一样；化石显示了随着时间的推移逐渐进化的变化。科学家确定化石的年龄，并在世界各地对它们进行分类，以确定生物相对于彼此生活的时间。由此产生的化石记录讲述了过去的故事，并显示了数百万年来形式的演变（[链接]）。例如，已经恢复了鲸鱼和现代马进化中物种序列的高度详细的化石记录。北美马的化石记录特别丰富，许多包含过渡化石：那些显示早期和晚期形式之间的中间解剖结构的化石。化石记录可以追溯到大约5500万年前的一个类似狗的祖先，该祖先在55到4200万年前产生了第一个类似马的物种*Eohippus*。这一系列化石追踪了逐渐干燥的趋势导致的解剖结构变化，这种趋势将景观从森林变成了草原。连续的化石显示了牙齿形状、脚和腿解剖结构向放牧习惯的演变，以及对逃避捕食者的适应，例如40到3000万年前发现的*Mesohippus*物种。后来的物种在体积上有所增加，例如*Hipparion*，它存在于大约23到200万年前。化石记录显示了马谱系中的几个适应性辐射，现在马谱系已经大大减少到只有一个属*Equus*，有几个物种。
化石
进化的另一种证据是具有相同基本形式的生物结构的存在。例如，人类、狗、鸟和鲸鱼的附肢中的骨骼都具有相同的整体结构（[链接]）。这种相似性源于它们起源于共同祖先的附肢。随着时间的推移，进化导致不同物种这些骨骼的形状和大小发生变化，但它们保持了相同的整体布局，这是来自共同祖先的证据。科学家称这些同义部分为同源结构。一些结构存在于根本没有明显功能的生物中，似乎是过去祖先的残余部分。例如，一些蛇虽然没有腿，但却有骨盆骨，因为它们是有腿的爬行动物的后代。这些没有功能的未使用结构被称为残留结构。退化结构的其他例子有不会飞的鸟类的翅膀（可能有其他功能）、一些仙人掌上的叶子、鲸鱼骨盆的痕迹以及洞穴动物失明的眼睛。
解剖与胚胎学
地球上生物的地理分布遵循的模式最好用进化和地质时期构造板块的运动来解释。在泛大陆解体（大约2亿年前）之前进化的广泛群体分布在世界各地。自解体以来进化的群体在地球的各个地区都有独特的表现，例如由超大陆劳拉亚形成的北部大陆和由超大陆冈瓦纳形成的南部大陆的独特动植物群。澳大利亚、南部非洲和南美洲的蛋白科的存在最好用植物科在南部超大陆冈瓦纳解体之前的存在来解释（[链接]）。
生物地理学
就像解剖结构一样，生命分子的结构反映了进化的起源。所有生命的共同祖先的证据反映在作为遗传物质的脱氧核糖核酸的普遍性以及遗传密码和脱氧核糖核酸复制和表达机制的近乎普遍性上。三个领域之间生命的基本划分反映在其他保守结构的主要结构差异上，如核糖体的成分和膜的结构。总的来说，生物群体的相关性反映在它们的脱氧核糖核酸序列的相似性上——这正是从共同祖先的起源和多样化所期望的模式。
分子生物学
进化的证据
在本节结束时，您将能够：
*描述物种的定义以及如何确定物种是不同的
*解释异域和同域物种形成
*描述自适应辐射
m45493
地理上连续的种群有一个相对同质的基因库。基因流动，即等位基因在物种范围内的移动，相对自由，因为个体可以移动，然后在新位置与个体交配。因此，分布一端等位基因的频率将与另一端等位基因的频率相似。当种群地理上不连续时，等位基因的自由流动就会被阻止。当这种分离持续一段时间时，两个种群能够沿着不同的轨迹进化。因此，随着每个种群中新的等位基因通过突变独立出现，它们在众多遗传位点上的等位基因频率逐渐变得越来越不同。通常，两个种群的环境条件，如气候、资源、捕食者和竞争对手，会有所不同，导致自然选择有利于每个群体的不同适应。不同的遗传漂移历史，由于种群小于亲本种群而增强，也会导致分化。
通过地理分离形成
如果没有物理屏障来分隔继续在同一栖息地生活和繁殖的个体，分歧会发生吗？已经提出并研究了一些同域物种形成的机制。
没有地理分离的物种形成
形态形成
在本节结束时，您将能够：
*确定对进化的常见误解
*确定对进化的共同批评
m45505
进化论的批评者故意将“理论”一词的日常用法与科学家使用该词的方式混为一谈，从而贬低了它的重要性。在科学中，“理论”被理解为一个随着时间的推移而得到广泛检验和支持的概念。我们有原子理论、引力理论和相对论，每一个都描述了科学家所理解的关于世界的事实。同样，进化论描述了关于生命世界的事实。因此，科学理论经受住了科学家们的巨大努力，他们天生持怀疑态度。虽然理论有时可以被推翻或修改，但这并没有减轻它们的重要性，只是反映了科学知识的不断发展状态。相比之下，普通方言中的“理论”意味着对某事的猜测或建议解释。这个意思更类似于科学家使用的“假设”的概念，这是对被提议支持或反驳的事物的试探性解释。当进化论的批评者说进化论“只是一种理论”时，他们是在暗示几乎没有证据支持它，它仍在严格测试的过程中。这是一种错误的描述。如果是这样的话，遗传学家西奥多修斯·多布赞斯基就不会说“生物学中没有任何东西是有意义的，除非从进化论的角度来看。”[脚注]

《生物学、分子与有机物学》*美国动物学家*4，第4期（1964）：449。
进化只是一个理论
个体天生就有其所拥有的基因——这些基因不会随着个体年龄的增长而改变。因此，个体无法通过自然选择来进化或适应。进化是种群遗传组成随时间的变化，特别是世代的变化，这是由具有某些等位基因的个体的差异繁殖造成的。个体在一生中确实会发生变化，但这被称为发育；它涉及个体在出生时获得的一组基因与个体环境相协调的变化。在考虑特征的进化时，最好考虑特征在种群中的平均值随时间的变化。例如，当自然选择导致加拉帕戈斯群岛中等地雀的喙大小变化时，这并不意味着雀身上的个体喙在变化。如果一次测量人口中所有个体的平均纸币大小，然后在有强烈的选择压力后几年后测量人口中的平均纸币大小，这个平均值可能会因进化而不同。尽管有些个体可能会从第一次存活到第二次，但那些个体仍然会有相同的纸币大小。但是，可能有足够多的新个体具有不同的纸币大小来改变平均纸币大小。
个体进化
一个常见的误解是，进化论包括对生命起源的解释。一些批评该理论的人抱怨它不能解释生命的起源。该理论并没有试图解释生命的起源。进化论解释了人口如何随着时间的推移而变化，以及生命如何多样化——物种的起源。它没有阐明生命的起源，包括第一个细胞的起源，这是生命的定义。地球上生命起源的机制是一个特别困难的问题，因为它发生在很久以前，很长一段时间，大概只发生过一次。重要的是，生物学家认为，地球上生命的存在排除了导致地球上生命的事件可以重复的可能性，因为中间阶段将立即成为现有生物的食物。生命的早期阶段包括有机分子的形成，如碳水化合物、氨基酸或核苷酸。如果这些是由今天的无机前体形成的，它们只会被生物分解。生命的早期阶段也可能包括更复杂的分子聚集成封闭结构，内部环境、某种形式的边界层和外部环境。这种结构，如果现在形成，将很快被生物体消耗或分解。
进化解释生命的起源
诸如“生物体因环境变化而进化”之类的说法很常见。这种说法可能存在两个容易误解的地方。首先，不能像上面讨论的那样，将这种说法理解为意味着个体生物体进化。这种说法是“种群因环境变化而进化”的简写。然而，如果将这种说法解释为进化是某种程度上有意的，可能会产生第二个误解。环境的变化会导致种群中某些具有特定表型的个体受益，因此产生比其他表型更多的后代。如果特征是由基因决定的，这会导致种群的变化。
生物有目的地进化
进化论在1859年首次提出时备受争议，但在20年内，几乎每一位工作的生物学家都接受进化论作为生命多样性的解释。接受的速度非常快，部分原因是达尔文积累了大量令人印象深刻的证据。早期的争议涉及反对该理论的科学论点和宗教领袖的论点。生物学家的论点在短时间内得到了解决，而宗教领袖的论点一直持续到今天。
进化在科学家中是有争议的
一些人的一个共同论点是进化论的替代理论应该在公立学校教授。进化论的批评者利用这一策略在没有提供实际证据的情况下制造理论有效性的不确定性。事实上，没有可行的进化论替代科学理论。最后一个这样的理论是拉马克在19世纪提出的，被自然选择理论所取代。唯一的例外是苏联在20世纪初基于拉马克理论的研究项目，该项目将该国的农业研究追溯到几十年前。特殊创造不是可行的替代科学理论，因为它不是科学理论，因为它依赖于不可检验的解释。智能设计，尽管其支持者声称，也不是科学解释。这是因为智能设计假设存在一个未知的生物及其系统设计者。无论设计者是未知的还是超自然的，都是无法衡量的原因；因此，它不是一个科学的解释。不教授非科学理论有两个原因。首先，这些对生命多样性的解释缺乏科学有用性，因为它们没有也不可能产生促进我们对自然世界理解的研究计划。实验无法检验对自然现象的非物质解释。出于这个原因，在公立学校将这些解释作为科学教授不符合公共利益。其次，在美国，将它们作为科学教授是非法的，因为美国最高法院和下级法院已经裁定，宗教信仰的教授，如特殊创造或智能设计，违反了美国宪法第一修正案的确立条款，该条款禁止政府赞助特定宗教。
应该教授其他理论
关于进化的常见误解
进化及其过程
m45506
导言
在本节结束时，您将能够：
*讨论全面分类制度的必要性
*列出分类学分类系统的不同层次
*描述系统学和分类学与系统发育的关系
m45507
分类学（字面意思是“排列法”）是对物种进行命名和分组以构建国际共享分类系统的科学。分类学分类系统（因其发明者、瑞典博物学家卡尔·林奈（Carl Linnaeus）而被称为林奈系统）使用分层模型。分层系统具有级别，其中一个级别的每个组包括下一个最低级别的组，因此在最低级别，每个成员都属于一系列嵌套组。一个类比是计算机主磁盘驱动器上的嵌套系列目录。例如，在最具包容性的分组中，科学家将生物体分为三个域：细菌、古细菌和真核生物。在每个域内都有称为王国的第二级。每个域包含几个王国。在王国内，随后增加特异性的类别是：门、类、目、科、属和物种。
分类的层次
科学家使用一种叫做系统发育树的工具来显示生物之间的进化途径和关系。系统发育树是一种用来反映生物或生物群体之间进化关系的图表。嵌套在更具包容性的群体中的群体的层次分类反映在图表中。科学家认为系统发育树是进化过去的假设，因为人们不能回到过去来确认所提出的关系。
分类与系统发育
人们很容易认为亲缘关系越近的生物看起来越相似，虽然情况往往如此，但并不总是如此。如果两个密切相关的谱系在明显不同的环境下进化，或者在一个重大的新适应进化之后进化，它们可能看起来彼此大相径庭，甚至比其他关系不那么密切的群体更不一样。例如，[link]中的系统发育树显示蜥蜴和兔子都有羊膜卵，而蝾螈（青蛙谱系中的蝾螈）没有；然而从表面上看，蜥蜴和蝾螈似乎比蜥蜴和兔子更相似。
系统发育树的局限性
组织地球上的生命
在本节结束时，您将能够：
*比较同源和类似性状
*讨论分支学的目的
m45509
拥有相似物理特征*和*基因序列的生物体往往比那些没有相似特征的生物体关系更密切。在形态和基因上重叠的特征被称为同源结构；相似之处源于共同的进化路径。例如，如[链接]所示，蝙蝠和鸟类翅膀、人类手臂和马前腿的骨头是同源结构。请注意，这种结构不仅仅是一块骨头，而是每种生物体中以相似方式排列的几块骨头的组合，即使结构的元素可能已经改变了形状和大小。
两个相似性度量
科学家如何构建系统发育树？目前，最被接受的构建系统发育树的方法是一种称为分支学的方法。这种方法将生物体分类为分支，即相互关系最密切的生物体组以及它们的祖先。例如，在[link]中，阴影区域中的所有生物体都是从一个有羊膜卵的祖先进化而来的。因此，所有这些生物体也有羊膜卵，并形成一个单一的分支，也称为单系群。分支必须包括祖先物种和分支点的所有后代。
建立系统发育树
确定进化关系
生命的多样性
m45511
导言
在本节结束时，您将能够：
*描述原核生物的进化史
*描述典型原核生物的基本结构
*查明造成历史上重要瘟疫和流行病的细菌疾病
*描述原核生物在食品加工和生物修复中的用途
m45512
脱氧核糖核酸测序的出现提供了对原核生物关系和起源的巨大洞察力，而这是传统分类方法无法实现的。一项重大洞察力确定了两组原核生物，它们被发现彼此之间的差异与真核生物一样大。对原核生物多样性的认识迫使我们对所有生命的分类有了新的理解，并使我们更接近理解所有生物的基本关系，包括我们自己。
原核多样性
直到几十年前，微生物学家还认为原核生物是分开生活的孤立实体。然而，这种模型并不能反映原核生物的真实生态，大多数原核生物更喜欢生活在可以相互作用的群落中。生物膜是一种微生物群落，以胶质质地的基质结合在一起，主要由生物体分泌的多糖以及一些蛋白质和核酸组成。生物膜附着在表面上生长。一些研究得最好的生物膜是由原核生物组成的，尽管真菌生物膜也有描述。
生物膜
原核细胞和真核细胞有许多不同之处。然而，所有细胞都有四种共同的结构：质膜，作为细胞的屏障，将细胞与其环境分开；细胞质，细胞内的果冻状物质；遗传物质（脱氧核糖核酸和核糖核酸）；核糖体，蛋白质合成发生的地方。原核生物有各种形状，但许多分为三类：球菌（球形）、杆菌（棒状）和螺旋体（螺旋体）（[链接]）。
原核生物的特征
回想一下，原核生物（[link]）是单细胞生物，没有被膜包围的细胞器。因此，它们没有细胞核，而是只有一条染色体——位于细胞中称为类核的区域的一段圆形脱氧核糖核酸。大多数原核生物在质膜外都有细胞壁。细胞壁的组成在细菌和古细菌结构域之间有很大不同（它们的细胞壁也不同于植物和真菌中的真核细胞壁。细胞壁起到保护层的作用，负责生物体的形状。一些原核物种中存在其他一些结构，但其他物种中不存在。例如，在一些物种中发现的胶囊使生物体能够附着在表面上并保护它免受脱水。一些物种也可能有用于运动的鞭毛（单数，鞭毛）和用于附着在表面和其他细菌上以结合的毛发（单数，毛发）。质粒由主染色体外的小而圆形的脱氧核糖核酸片段组成，也存在于许多细菌物种中。
原核细胞
原核生物的繁殖主要是无性的，通过二元裂变进行。回想一下，原核生物的脱氧核糖核酸通常以单个圆形染色体的形式存在。原核生物不经历有丝分裂。相反，染色体环被复制，随着细胞在一个叫做二元裂变的过程中生长，附着在质膜上的两个最终副本分开。现在放大的原核生物在赤道向内挤压，两个克隆的细胞分开。二元裂变没有提供基因重组的机会，但是原核生物可以通过三种方式改变它们的基因组成。
繁殖
原核生物是代谢多样化的生物体。原核生物填补了地球上的许多生态位，包括参与氮和碳循环等营养循环，分解死亡的生物体，以及在包括人类在内的活生物体内部生长和繁殖。不同的原核生物可以使用不同的能量来源从较小的分子中组装大分子。光养生物从阳光中获得能量。化学营养生物从化合物中获得能量。
原核生物如何获得能量和碳
毁灭性的病原体传播的疾病和瘟疫，包括病毒和细菌性质的疾病和瘟疫，已经并将继续影响人类。值得注意的是，所有致病原核生物都是细菌；在人类或任何其他生物体中没有已知的致病古细菌。致病生物与人类一起进化。过去，人们不了解这些疾病的真正原因，一些文化认为疾病是一种精神惩罚，或者误认为是物质原因。随着时间的推移，人们开始意识到远离患病者，改善卫生条件，妥善处理疾病受害者的尸体和个人物品会减少他们自己生病的机会。
人类细菌性疾病
早在公元前3000年就有传染病的记录。数百年来，细菌引起的许多重大流行病都有记录。一些最大的流行病导致了城市和文化的衰落。许多是与驯养动物一起出现的人畜共患病，如结核病。人畜共患病是一种感染动物但可以从动物传染给人类的疾病。
历史视角
抗生素这个词来自希腊语*anti*，意思是“反对”，而*bios*的意思是“生命”。抗生素是一种生物体产生的化学物质，对其他生物体的生长有害。今天的新闻和媒体经常讨论对抗生素危机的担忧。过去用于治疗细菌感染的抗生素变得过时了吗？有没有新的“超级细菌”——进化到对我们的抗生素武器库更有抵抗力的细菌？这是抗生素终结的开始吗？所有这些问题都在挑战医疗保健界。
抗生素危机
原核生物无处不在：它们很容易在任何类型的物质表面定居，食物也不例外。与食物消费相关的细菌感染爆发很常见。食源性疾病（俗称“食物中毒”）是一种因食用被致病菌、病毒或其他寄生虫污染的食物而导致的疾病。尽管美国拥有世界上最安全的食品供应之一，但疾病控制和预防中心（CDC）报告称，“7600万人生病，超过30万人住院，每年有5,000名美国人死于食源性疾病。”[脚注]

http://www.cdc.gov/ecoli/2006/september，疾病控制和预防中心，“*大肠杆菌*O157：菠菜H7感染的多州爆发”，2006年9月至10月。
食源性疾病
并非所有的原核生物都是致病的。相反，病原体只占微生物世界多样性的一小部分。事实上，没有原核生物，我们的生命和这个星球上的所有生命都是不可能的。
有益原核生物
根据《联合国生物多样性公约》，生物技术是“利用生物系统、活生物体或其衍生物，为特定用途制造或修改产品或工艺的任何技术应用。”[脚注]“特定用途”的概念涉及某种商业应用。基因工程、人工选择、抗生素生产和细胞培养是当前生物技术研究的主题。然而，在生物技术一词被创造出来之前，人类就已经使用原核生物来创造产品了。而一些商品和服务就像奶酪、酸奶、酸奶油、醋、腊肠、泡菜和含有细菌和古细菌的发酵海鲜一样简单（[链接]）。

http://www.cbd.int/convention/articles/?a=cbd-02http：//www.cbd.int/convention/articles/?a=cbd-02，《联合国生物多样性公约》，"第2条：用语。"
原核生物与食品饮料
微生物生物修复是利用原核生物（或微生物新陈代谢）去除污染物。生物修复已被用于去除从土壤中浸出到地下水中的农用化学品（农药和化肥）。某些有毒金属，如硒和砷化合物，也可以通过生物修复从水中去除。${\text{SeO}}_{4}^{{2}^{-}}$

到${\text{SeO}}_{3}^{{2}^{-}}$
Se0（金属硒）是一种用于从水中去除硒离子的方法。汞是一种有毒金属的例子，可以通过生物修复从环境中去除。汞是一些杀虫剂的活性成分；它被用于工业，也是某些行业的副产品，如电池生产。汞在自然环境中通常浓度非常低，但由于它在活组织中积累，毒性很高。几种细菌可以将有毒汞进行生物转化为无毒形式。这些细菌，如*铜绿假单胞菌*，可以将Hg2+转化为Hg0，对人类无毒。
利用原核生物清理地球：生物修复
原核多样性
在本节结束时，您将能够：
*描述内共生理论
*解释线粒体和叶绿体的起源
m45513
真核细胞的起源在很大程度上是一个谜，直到20世纪60年代林恩·马古利斯全面研究了一个革命性的假设。内共生理论指出，真核生物是一个原核细胞吞噬另一个原核细胞的产物，一个生活在另一个原核细胞中，并随着时间的推移一起进化，直到单独的细胞不再被识别出来。这个曾经革命性的假设立即具有说服力，现在被广泛接受，发现这一进化过程中涉及的步骤以及关键参与者的工作正在取得进展。很明显，许多核真核基因以及负责复制和表达这些基因的分子机制似乎与古细菌密切相关。另一方面，代谢细胞器和负责许多能量收集过程的基因起源于细菌。关于这种关系是如何发生的，还有很多事情需要澄清；这仍然是生物学中一个令人兴奋的发现领域。一些内共生事件可能有助于真核细胞的起源。
内共生
真核生物起源
在本节结束时，您将能够：
*描述原生生物的主要特征
*描述原生生物的重要致病物种
*说明原生生物作为食物来源和分解者的作用
m45514
有超过100,000种已被描述的原生生物物种，目前尚不清楚有多少未被描述的物种可能存在。由于许多原生生物生活在与其他生物的共生关系中，并且这些关系通常是物种特异性的，因此与宿主多样性相匹配的未被描述的原生生物多样性具有巨大的潜力。作为非动物、植物、真菌或任何单一系统发育相关群体的真核生物的总称，几乎没有特征是所有原生生物共有的也就不足为奇了。
原生生物的特征
原生生物表现出多种形式的营养，可能是有氧的或厌氧的。光合原生生物（光自养生物）的特征是叶绿体的存在。其他原生生物是异养生物，消耗有机物质（如其他生物）来获得营养。阿米巴和其他一些异养原生生物物种通过一种叫做吞噬作用的过程摄入颗粒，在这个过程中，细胞膜吞噬了一个食物颗粒并将其向内带入，捏掉细胞内的膜囊或囊泡，称为食物液泡（[link]）。然后这个囊泡与溶酶体融合，食物颗粒被分解成小分子，这些小分子可以扩散到细胞质中并用于细胞新陈代谢。未消化的残留物最终通过胞吐作用被排出细胞。
原生生物如何获得能量
原生生物通过多种机制繁殖。大多数能够进行某种形式的无性繁殖，例如二元裂变产生两个子细胞，或者多次裂变同时分裂成许多子细胞。其他的产生微小的芽，继续分裂并生长到亲本原生生物的大小。有性繁殖，包括减数分裂和受精，在原生生物中很常见，许多原生生物物种可以在必要时从无性繁殖转向有性繁殖。有性繁殖通常与营养耗尽或环境变化发生的时期有关。有性繁殖可能允许原生生物重组基因并产生新的后代变异，这些变异可能更适合在新环境中生存。然而，有性繁殖也通常与处于保护性休眠阶段的囊肿有关。根据它们的栖息地，囊肿可能特别能抵抗极端温度、干燥或低pH值。这种策略还允许某些原生生物“等待”压力源，直到它们的环境变得更有利于生存，或者直到它们被带到不同的环境（如风、水或更大生物体上的运输），因为囊肿几乎没有细胞代谢。
繁殖
随着DNA测序的出现，原生生物群体之间以及原生生物群体与其他真核生物之间的关系开始变得更加清晰。许多基于形态相似性的关系正在被基于遗传相似性的新关系所取代。表现出相似形态特征的原生生物进化出类似的结构可能是因为相似的选择压力——而不是因为最近的共同祖先。这种现象被称为趋同进化。这是原生生物分类如此具有挑战性的原因之一。新兴的分类方案将整个领域真核生物分为六个“超级群体”，包括所有原生生物以及动物、植物和真菌（[链接]）；其中包括Excavata、Chromalveolata、Rhizaria、Arkipltida、Amoebozoa和Opisthokonta。超群被认为是单系的；每个超群中的所有生物都被认为是从一个共同的祖先进化而来的，因此所有成员之间的关系比该群以外的生物最密切。一些群体的单系性仍然缺乏证据。
原生生物多样性
许多原生生物是致病寄生虫，必须感染其他生物才能生存和繁殖。原生寄生虫包括疟疾、非洲昏睡病和人类水媒胃肠炎的病原体。其他原生病原体捕食植物，对粮食作物造成大规模破坏。
人类病原体
陆生植物的原生寄生虫包括破坏粮食作物的病原体。卵菌纲*Plasmopara viticola*寄生于葡萄植株上，引起一种叫做霜霉病（[链接]**a**）的病害。感染*P*.*viticola*的葡萄植株出现发育不良，枯叶变色。霜霉病的蔓延导致十九世纪法国葡萄酒工业几近崩溃。
植物寄生虫
原生生物作为生产者扮演着至关重要的生态角色，尤其是在世界海洋中。它们在食物网的另一端与分解者同样重要。
有益的原生生物
原生生物
在本节结束时，您将能够：
*列出真菌的特征
*描述植物的真菌寄生虫和病原体以及人类感染
*描述真菌对环境的重要性
*总结真菌在食品和饮料制备以及化学和制药工业中的有益作用
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真菌是真核生物，因此具有复杂的细胞组织。作为真核生物，真菌细胞含有膜结合的细胞核。少数类型的真菌具有类似于细菌中看到的质粒（DNA循环）的结构。真菌细胞还含有线粒体和复杂的内膜系统，包括内质网和高尔基体。
细胞结构与功能
真菌王国包含四个主要分支，它们是根据有性繁殖模式建立的。为了方便起见，不相关的真菌在没有性周期的情况下繁殖，被放置在第五个分支中，最近描述了第六个主要真菌群，它与前五个分支中的任何一个都不太吻合。并非所有真菌学家都同意这一方案。分子生物学的快速进步和18S rRNA（核糖体的组成部分）的测序继续揭示不同类别真菌之间新的不同关系。
真菌多样性
许多真菌对其他物种有负面影响，包括人类和它们赖以生存的生物。真菌可能是寄生虫、病原体，在极少数情况下是捕食者。
病原真菌
生产足够的优质作物对我们的生存至关重要。植物病害毁坏了庄稼，带来了广泛的饥荒。大多数植物病原体是真菌，会导致组织腐烂并最终导致宿主死亡（[链接]）。除了直接破坏植物组织外，一些植物病原体还会通过产生强效毒素来破坏庄稼。真菌还会导致食物变质和储存的庄稼腐烂。例如，真菌*Clavicep purpuria*会导致麦角病，麦角病是一种谷类作物（尤其是黑麦）的疾病。虽然真菌降低了谷物的产量，但麦角的生物碱毒素对人类和动物的影响意义要大得多：在动物身上，这种疾病被称为麦角病。最常见的体征和症状是抽搐、幻觉、坏疽和牛的奶水流失。麦角的活性成分是麦角酸，麦角酸是迷幻药的前体。鳞屑、锈病、白粉病或霜霉病是影响作物的常见真菌病原体的其他例子。
植物寄生虫和病原体
真菌可以通过多种方式影响动物，包括人类。真菌通过殖民和破坏组织直接攻击动物。人类和其他动物可能因食用有毒蘑菇或被真菌污染的食物而中毒。此外，对霉菌和孢子表现出超敏反应的个体会产生强烈而危险的过敏反应。真菌感染通常很难治疗，因为与细菌不同，真菌是真核生物。抗生素只针对原核细胞，而杀死真菌的化合物也会对真核动物宿主产生不利影响。
动物和人类寄生虫和病原体
真菌在生态系统的平衡中发挥着至关重要的作用。它们在地球上的大多数栖息地定居，喜欢黑暗潮湿的环境。由于与地衣等光合生物最成功的共生关系，它们可以在苔原等看似恶劣的环境中茁壮成长。真菌不像大型动物或高大的树木那样明显。然而，像细菌一样，它们是自然的主要分解者。凭借其多功能的新陈代谢，真菌分解不溶性的有机物，否则不会被回收。
有益真菌
菌类
微生物、真菌和原生生物的多样性
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导言
在本节结束时，您将能够：
*描述植物界的主要特征
*讨论在陆地上种植生命的挑战
*描述使植物能够在土地上定居的适应性
m45517
随着生物适应陆地上的生活，它们不得不应对陆地环境中的一些挑战。水被描述为“生命的物质”。细胞内部——大多数小分子溶解和扩散的介质，以及新陈代谢的大部分化学反应发生的介质——是一锅水汤。干燥或干燥对暴露在空气中的生物来说是一个持续的危险。即使植物的一部分靠近水源，它们的空中结构也可能干燥。水为生活在水生栖息地的生物提供浮力。在陆地上，植物需要在空气中发展结构支撑——这是一种不能提供相同升力的介质。此外，雄性和雌性配子必须使用新的策略相互接触，因为游泳不再可能。最后，配子和合子都必须得到保护，以免干涸。成功的陆地植物进化出应对所有这些挑战的策略，尽管并非所有的适应都同时出现。一些物种没有远离水生环境，而另一些物种离开了水，继续征服地球上最干燥的环境。
植物对陆地生活的适应
随着植物适应了干燥的土地，并在潮湿的栖息地中独立于持续存在的水，新的器官和结构出现了。早期的陆地植物不会长在离地面几英寸以上的地方，在这些低矮的垫子上，它们争夺光线。通过进化出枝条并长高，单个植物捕获了更多的光。由于空气提供的支持远低于水，陆地植物在茎（以及后来的树干）中加入了更多刚性分子。维管组织的进化是植物进化出更大身体的必要先决条件。维管系统包含木质部和韧皮部组织。木质部将从土壤中获取的水和矿物质传导到枝条；韧皮部将光合作用产生的食物运输到整个植物。根系进化成吸收水和矿物质，也锚定了土壤中越来越高的枝条。
其他陆地植物适应
陆生植物根据维管组织的缺失或存在分为两大类，详见[链接]。缺乏由专门的细胞形成的维管组织来运输水和营养物质的植物被称为非维管植物。苔藓植物、苔藓、苔藓和角藻是无核和无血管的，很可能出现在陆生植物进化的早期。维管植物形成了一个细胞网络，通过植物身体传导水和溶质。第一种维管植物出现在奥陶纪晚期（4614.44亿年前），可能类似于石松植物，包括俱乐部苔藓（不要与苔藓混淆）和蕨类植物（蕨类、马尾和搅拌器蕨类）。石松和蕨类植物被称为无核维管植物。它们不产生种子，种子是胚胎，其储存的食物储备由坚硬的外壳保护。种子植物是现存植物中最大的群体，因此占主导地位。种子植物包括裸子植物，最著名的是针叶树，它们产生“裸种子”，最成功的植物是开花植物或被子植物，它们将种子保护在花中心的腔室中。这些腔室的壁后来发育成果实。
陆地植物的主要分类
植物王国
在本节结束时，您将能够：
*描述三种苔藓植物的区别性状
*确定首次出现在无核维管植物中的新性状
*描述无核维管植物的主要类别
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苔藓植物是非维管植物的非正式群体，是早期陆地植物的近亲。第一批苔藓植物最有可能出现在大约4.90亿年前的奥陶纪。由于缺乏木质素——维管植物茎部细胞壁中的坚韧聚合物——和其他抗性结构，苔藓植物形成化石的可能性相当小，尽管已经发现了一些由孢粉蛋白组成的孢子，这些孢子被认为是早期苔藓植物的产物。然而，到志留纪（4.40亿年前），维管植物已经遍布整个大陆。这一事实被用来证明非维管植物一定早于志留纪。
苔藓植物
苔藓（Marchantiophyta）可能被视为与迁移到陆地的祖先关系最密切的植物。苔藓已经在地球上的许多栖息地定居，并多样化到6000多种现有物种（[链接]**a**）。一些配子体形成叶状绿色结构，如[链接]**b**所示。形状类似于肝脏的叶，因此，提供了该部门通用名称的起源。
苔藓属
角藻（角藻）已经在陆地上的各种栖息地定居，尽管它们从未远离水分来源。大约有100种被描述的角藻。角藻生命周期的主导阶段是短的蓝绿色配子体。孢子体是该群体的决定性特征。它是一种长而窄的管状结构，从母配子体中出现，并在植物的整个生命周期中保持生长（[链接]）。
霍恩沃茨
超过12000种苔藓已经被编目。它们的栖息地从苔原（它们是主要植被）到热带森林的下层林地各不相同。在苔原中，它们的浅根状物使它们能够固定在基质上，而无需深入冻土。它们减缓侵蚀，储存水分和土壤养分，并为小动物提供庇护所，为大型食草动物提供食物，如麝牛。苔藓对空气污染非常敏感，用于监测空气质量。苔藓对铜盐的敏感性使这些盐成为市场上用于消除草坪苔藓的化合物的常见成分（[链接]）。
苔藓属
维管植物是陆地植物中占主导地位和最引人注目的群体。大约有275,000种维管植物，占地球植被的90%以上。一些进化创新解释了它们的成功以及它们在如此多的栖息地的传播。
维管植物
到晚泥盆世（3.85亿年前），植物已经进化出维管组织、轮廓分明的叶子和根系。凭借这些优势，植物的高度和体型都有所增加。在石炭纪（3592.99亿年前），苔藓和马尾的沼泽森林覆盖了大部分土地，一些标本高达30多米。这些森林产生了广泛的煤层，石炭纪因此得名。在无核维管植物中，孢子植物成为生命周期的主导阶段。
无核维管植物
无核植物
在本节结束时，您将能够：
*讨论裸子植物产生的种子类型，以及裸子植物的其他特征
*列出四组现代裸子植物，并提供每组的例子
m45519
在种子植物中，进化趋势导致了优势孢子体世代，其中对一个物种来说更大、更具生态意义的世代是二倍体植物。与此同时，这一趋势导致配子体的大小缩小，从显眼的结构变成了包裹在孢子体组织中的微观细胞簇。较低的维管植物，如球茎苔藓和蕨类植物，大多是同孔的（只产生一种类型的孢子）。相比之下，所有种子植物或精子植物都是异孔的，形成两种类型的孢子：大孢子（雌性）和小孢子（雄性）。大孢子发育成产生卵子的雌性配子体，小孢子成熟成产生精子的雄性配子体。因为配子体的成熟依赖于优势孢子体组织的水和营养供应，所以它们不是自由生活的，无核维管植物的配子体也是如此。异孔无核植物被认为是种子植物的进化先驱。
种子植物的进化
裸子植物（“裸子”）是种子植物的一个多样化群体，是旁系的。旁系群体不包括单一共同祖先的后代。裸子植物特征包括裸子、分离的雌雄配子、风授粉和管胞，管胞在血管系统中运输水和溶质。
裸子植物
现代裸子植物分为四大类，约有1000种。针叶植物、苏铁植物和银杏植物在次生形成层（产生树干或茎的维管系统的细胞）的产生和种子发育模式方面相似，但在系统发育上彼此关系并不密切。Gnetophyta被认为是与被子植物最接近的群体，因为它们产生包含管胞和导管元件的真正木质部组织。
裸子植物多样性
种子植物：裸子植物
在本节结束时，您将能够：
*描述花的主要部分及其用途
*详细描述被子植物的生命周期
*讨论花卉植物分为两大类，并解释基本被子植物与其他被子植物的区别
m45520
花是围绕中心茎组织的修饰的叶子或孢子叶。尽管它们在外观上差异很大，但所有的花都包含相同的结构：萼片、花瓣、雌蕊和雄蕊。轮生萼片（花萼）位于花序梗或茎的基部，并在花芽开放前包围花芽。萼片通常是光合器官，尽管也有一些例外。例如，百合花和郁金香中的花冠由三个萼片和三个花瓣组成，看起来几乎相同——这导致植物学家创造了tepal这个词。花瓣（统称花冠）位于萼片轮生的内部，通常显示鲜艳的颜色以吸引授粉者。风授粉的花通常又小又暗。性器官位于花的中心。
花
种子在子房中形成，子房随着种子的生长而扩大。随着种子的发育，子房的壁也变厚并形成果实。在植物学中，水果是受精并完全生长、成熟的子房。许多通常被称为蔬菜的食物实际上是水果。茄子、西葫芦、四季豆和甜椒从技术上讲都是水果，因为它们含有种子，并且来自厚厚的子房组织。橡子和有翼枫树钥匙，学名是翅果，也是水果。
水果
成熟期或孢子体期是被子植物生命周期的主要阶段。像裸子植物一样，被子植物是异形孔的。它们产生小孢子，发育成花粉粒（雄配子体）和大孢子，大孢子形成包含雌配子体的胚珠。在花药的小孢子囊内（[链接]），雄小孢子细胞通过减数分裂分裂，产生单倍体小孢子，这些小孢子经历有丝分裂并产生花粉粒。每个花粉粒包含两个细胞：一个生殖细胞将分裂成两个精子，另一个细胞将成为花粉管细胞。
被子植物的生命周期
被子植物被划分为单子叶植物和双子叶植物。现代被子植物似乎是一个单系群体，这意味着它们起源于一个单一的祖先。根据子叶的结构、花粉粒和其他特征，开花植物分为两大类：单子叶植物，包括草和百合，以及双子叶植物，一个多系群体。基础被子植物是一组植物，被认为在分离之前已经分支为单子叶植物和双子叶植物，因为它们表现出两个群体的特征。它们在许多分类方案中被分开分类，并对应于一个被称为木兰科的分组。木兰科由木兰树、月桂、睡莲和胡椒科组成。
被子植物多样性
没有种子植物，我们所知的生命就不可能存在。植物通过稳定土壤、碳循环和气候调节，在维持陆地生态系统方面发挥着关键作用。大片热带森林释放氧气，充当二氧化碳“汇”。种子植物为许多生命形式提供庇护所，也为食草动物提供食物，从而间接喂养食肉动物。植物次生代谢产物用于医疗目的和工业生产。几乎所有动物都依赖植物生存。
种子植物的作用
种子植物：被子植物
植物多样性
m45522
导言
在本节结束时，您将能够：
*列出动物王国区别于其他王国的特征
*解释动物繁殖和胚胎发育的过程
*描述基本动物分类的等级
*比较和对比原口动物和后口动物的胚胎发育
m45523
动物的一个标志性特征是特殊的结构，这些结构被分化以执行独特的功能。作为多细胞生物，大多数动物发展出特殊的细胞，聚集成具有特殊功能的组织。组织是具有共同胚胎起源的类似细胞的集合。动物组织有四种主要类型：神经、肌肉、结缔和上皮。神经组织包含传递神经冲动的神经元或神经细胞。肌肉组织收缩，导致从生物体的运动到身体本身的运动的所有类型的身体运动。动物也有特殊的结缔组织，提供许多功能，包括运输和结构支持。结缔组织的例子包括血液和骨骼。结缔组织由由有机和无机材料制成的细胞外材料分离的细胞组成，如骨的蛋白质和矿物质沉积物。上皮组织覆盖动物体内器官的内外表面和生物体的外表面。
复杂组织结构
大多数动物都有二倍体（体细胞）细胞和通过减数分裂产生的少量单倍体生殖（配子）细胞。存在一些例外：例如，在蜜蜂、黄蜂和蚂蚁中，雄性是单倍体，因为它是由未受精卵发育而来的。大多数动物经历有性繁殖，而许多动物也有无性繁殖机制。
动物繁殖与发育
动物是根据形态和发育特征进行分类的，例如身体计划。除了海绵，动物的身体计划是对称的。这意味着它们身体部位的分布沿着一个轴是平衡的。有助于动物分类的其他特征包括发育过程中形成的组织层的数量，内部体腔的存在或不存在，以及胚胎发育的其他特征。
动物分类特征
动物王国的特点
在本节结束时，您将能够：
*描述最简单动物的组织特征
*描述cnidarian的组织特征
m45524
副动物亚王国的动物代表最简单的动物，包括海绵，或Porifera门（[链接]）。所有海绵都是水生的，大多数物种是海洋的。海绵与水密切接触，水在它们的进食、气体交换和排泄中起着作用。海绵的大部分身体结构致力于将水通过身体，这样它就可以过滤食物，吸收溶解氧，消除废物。
海绵
刺胞动物门包括表现出放射状或双放射状对称性的动物，是双胚层的。几乎所有（约99%）刺胞动物都是海洋物种。刺胞动物有被称为刺胞（“蛰细胞”）的特殊细胞，其中含有被称为刺胞的细胞器。这些细胞集中在动物的嘴和触角周围，可以用毒素固定猎物。刺胞包含可能带有倒钩的盘绕线。细胞的外壁有一个毛发状突起，对触摸敏感。当被触摸时，细胞会发射含有毒素的盘绕线，可以穿透并击昏捕食者或猎物（见[链接]）。
蛇蛛属
海绵和食人鱼
在本节结束时，您将能够：
*描述扁虫的结构和系统
*描述线虫的结构组织
*比较节肢动物的内部系统和附肢特化
m45525
扁虫之间的关系正在被修改，这里的描述将遵循传统的分组。大多数扁虫是寄生的，包括人类的重要寄生虫。扁虫有三个胚胎胚层，它们产生覆盖组织、内部组织和消化系统衬里的表面。表皮组织是单层细胞或一层融合细胞，覆盖一层纵向肌肉之上的一层圆形肌肉。中胚层组织包括支持细胞和分泌细胞，向表面分泌粘液和其他物质。扁虫是acoelomate，所以它们的身体在外表面和内消化道之间没有空腔或空间。
扁虫
线虫门包括28,000多种，估计有16,000种寄生物种。线虫这个名字来源于希腊单词“nemos”，意思是“线”。线虫存在于所有栖息地，非常常见，尽管它们通常不可见（[链接]）。
线虫
“节肢动物门”这个名字的意思是“关节腿”，它恰当地描述了属于这个门的大量物种中的每一个。节肢动物在动物王国中占主导地位，估计有85%的已知物种，其中许多仍未被发现或未被描述。这个门中所有动物的主要特征是身体的功能分割和关节附肢的存在（[链接]）。作为蜕皮动物的成员，节肢动物也有主要由甲壳素制成的外骨骼。就物种数量而言，节肢动物门是动物世界中最大的门，昆虫是这个门中最大的群体。节肢动物是真正的体腔动物，表现出前列腺发育。
节肢动物门
扁虫、线虫和节肢动物
在本节结束时，您将能够：
*描述软体动物独特的解剖特征
*描述属于环状动物门的动物的特征
m45526
软体动物是海洋环境中的主要动物门，据估计，所有已知海洋物种中有23%属于该门。它是第二大动物门，有超过75,000种描述的物种。“软体动物”这个名字意味着柔软的身体，因为对软体动物的最早描述来自对无壳软体乌贼（鱿鱼近亲）的观察。尽管软体动物的身体形式各不相同，但它们有一些共同的关键特征，例如通常用于运动的腹侧肌肉足；内脏肿块，包含动物的大部分内脏；背幔，是内脏肿块上的组织瓣，形成一个称为地幔腔的空间。地幔可能会也可能不会分泌碳酸钙壳。此外，许多软体动物的嘴部都有刮擦结构，称为天线（[链接]）。
软体动物门
Phylum Annelida是在海洋、陆地和淡水栖息地发现的分段蠕虫，但水或湿度的存在是它们在陆地栖息地生存的关键因素。该门的名称来源于拉丁语单词*annellus*，意思是一个小环。已经描述了大约16500种。该门包括蚯蚓、多毛类蠕虫和水蛭。像软体动物一样，环节动物表现出原口发育。
环状纲
环节动物的皮肤由比蜕皮动物的角质层薄的角质层保护，不需要为生长而蜕皮。在大多数群体中，角质层中锚定并从角质层伸出的几丁质毛状延伸物被称为绒毛，存在于每一部分。绒毛是环节动物的一个决定性特征。多毛类蠕虫在每一部分都有成对的、无关节的四肢，称为副肢，用于运动和呼吸。在角质层下面有两层肌肉，一层绕着它的圆周（圆形）运行，一层绕着蠕虫的长度（纵向）运行。环节动物有一个真正的体腔，器官分布在其中并沐浴在体腔液中。环节动物拥有发育良好的完整消化系统，有专门的器官：嘴、肌肉咽、食道和作物。蚯蚓身体部分的剖视图如[link]所示；每个部分都由将体腔分成隔间的膜限制。
环虫的生理过程
轮藻门包括多毛类和Clitellata类（[link]）；后者包含少毛类、水蛭亚类和鳃类。
环节动物多样性
软体动物和环节动物
在本节结束时，您将能够：
*描述棘皮动物的显著特征
*描述脊索动物的显著特征
m45531
棘皮动物因其多刺的皮肤而得名（来自希腊语“echinos”，意思是“多刺”，“dermos”意思是“皮肤”）。该门包括大约7000个[脚注]描述的活物种，如海星、海参、海胆、沙钱和脆星。棘皮动物是专门的海洋生物。

“澳大利亚和世界的活物种数量”，澳大利亚生物多样性信息服务部查普曼博士，最后修改于2010年8月26日，http://www.environment.gov.au/biodiversity/abrs/publications/other/species-numbers/2009/03-exec-summary.html。
棘皮动物
棘皮动物有一个独特的系统，用于气体交换、营养循环和运动，称为水血管系统。该系统由中央环管和沿每个手臂延伸的径向管组成。水在这些结构中循环，允许气体、营养和废物交换。身体顶部的一个结构，称为麦德报告岩，调节水血管系统中的水量。“管脚”通过内骨骼的开口突出，可以利用系统中的静水压力膨胀或收缩。该系统允许缓慢移动，但力量很大，正如当管脚抓住双壳软体动物的相对两半时所见证的那样，就像蛤蜊一样，缓慢但肯定地将壳分开，露出里面的肉。
棘皮动物的生理过程
这个门分为五个类：海星（海星）、Ophiuroide（脆星）、海胆纲（海胆和沙元）、海百合（海百合或羽星）和Holothuroide（海参）（[链接]）。
棘皮动物多样性
脊索动物门的大多数物种都存在于脊椎动物亚门，其中包括许多我们熟悉的物种。脊椎动物包含60,000多种描述的物种，分为七鳃鳗、鱼类、两栖动物、爬行动物、鸟类和哺乳动物的主要类群。
脊索动物
除了脊椎动物之外，脊索动物门还包括两个无脊椎动物分支：泌尿脊索动物（被囊动物）和头颅脊索动物（柳叶虫）。这些群体的成员在发育过程中的某个时候拥有脊索动物的四个独特特征。
无脊椎动物脊索动物
棘皮动物和脊索动物
在本节结束时，您将能够：
*描述无颚鱼和有颚鱼的区别
*解释两栖动物、爬行动物和鸟类的主要特征
*描述鸟类有助于飞行的衍生特征
*命名并描述三个主要哺乳动物群体的显著特征
*描述灵长类动物区别于其他动物的派生特征
m45532
现代鱼类估计有3.1万种。鱼类是最早的脊椎动物，无颚鱼是最早的脊椎动物。无颚鱼——今天的盲鳗和七鳃鳗——有独特的头盖骨和包括眼睛在内的复杂感官器官，这将它们与无脊椎动物脊索动物区分开来。有颚鱼进化较晚，今天非常多样化。鱼类是活跃的摄食者，而不是固定的悬浮摄食者。
鱼类
两栖动物是脊椎动物四足动物。两栖动物包括青蛙、蝾螈和盲肠动物。两栖动物一词的意思是“双重生活”，指的是许多青蛙从蝌蚪到成年的蜕变过程，以及它们生命周期中水生和陆地环境的混合。两栖动物进化于泥盆纪，是最早的陆地四足动物。
两栖动物
羊膜动物——爬行动物、鸟类和哺乳动物——与两栖动物的区别在于它们具有适应陆地的（带壳的）卵子和受羊膜保护的胚胎。羊膜的进化意味着羊膜动物的胚胎可以在卵子内的水生环境中发育。这减少了发育对水环境的依赖，并允许羊膜动物入侵较干燥的地区。这是一个重大的进化变化，将它们与两栖动物区分开来，两栖动物因其无壳的卵子而被限制在潮湿的环境中。尽管各种羊膜物种的外壳差异很大，但它们都允许水分滞留。羊膜卵子的膜也允许气体交换和废物在蛋壳的外壳内隔离。鸟蛋的外壳由碳酸钙组成，坚硬易碎，但拥有用于气体和水交换的孔隙。爬行动物卵的外壳更坚韧、更柔韧。大多数哺乳动物不产卵；然而，即使有内部妊娠，羊膜仍然存在。
爬行动物和鸟类
哺乳动物是脊椎动物，它们有毛发和乳腺，用于为幼仔提供营养。颌骨、骨骼、皮肤和内部解剖结构的某些特征也是哺乳动物独有的。毛发的存在是哺乳动物的关键特征之一。虽然它在某些群体中不是很广泛，如鲸鱼，但毛发对哺乳动物有许多重要的功能。哺乳动物是吸热的，毛发通过在身体附近捕获一层空气来保持新陈代谢热量来提供隔热。毛发还通过称为触须的特殊毛发作为感觉机制，更广为人知的是胡须。这些附着在传递触摸信息的神经上，这对夜间或穴居哺乳动物特别有用。毛发还可以提供保护性着色。
哺乳动物
脊椎动物
动物多样性
进化和生命的多样性
m45533
导言
在本节结束时，您将能够：
*解释体内平衡的概念
*描述吸热和体外动物的体温调节
*解释肾脏如何作为人体的主要渗透调节器官
m45534
体内平衡的目标是围绕身体或其细胞的某个方面的特定值保持平衡，该值称为设定点。虽然设定点有正常波动，但身体系统通常会尝试回到这一点。内部或外部环境的变化称为刺激，并由受体检测；系统的反应是调整系统的活动，使该值回到设定点。例如，如果身体变得太热，就会进行调整以冷却动物。如果餐后血液中的葡萄糖水平上升，则会进行调整以降低血糖水平，并将营养物质输送到需要它的组织中或储存起来以备后用。
内稳态
动物可以分为两类：面对不同的环境温度保持恒定体温的动物，以及体温与其环境相同从而随环境温度而变化的动物。对其体温没有内部控制的动物被称为外温动物。这些生物的体温通常与环境温度相似，尽管个体生物可能会做一些事情，使其身体略低于或高于环境温度。这可以包括在炎热的日子在地下挖洞或在寒冷的日子在阳光下休息。外温动物被称为冷血动物，这个术语可能不适用于沙漠中体温非常温暖的动物。
温度调节
渗透调节是在体内跨膜维持盐和水平衡（渗透平衡）的过程。细胞内部和周围的液体由水、电解质和非电解质组成。电解质是一种化合物，当溶解在水中时会分解成离子。相反，非电解质在水中不会分解成离子。人体的液体包括血浆、存在于细胞内的液体以及存在于身体细胞和组织之间空间的间质液体。身体的膜（包括细胞周围的膜和由排列在体腔内的细胞组成的“膜”）是半透膜。半透膜可以渗透某些类型的溶质和水，但通常细胞膜不能渗透溶质。
渗透调节
稳态和渗透调节
在本节结束时，您将能够：
*解释消化和吸收的过程
*解释人体内处理食物的器官的专门功能
*描述器官共同消化食物和吸收营养的方式
*描述动物体内无法合成的细胞功能所需的必需营养素
*描述多余的碳水化合物和能量如何储存在体内
m45535
消化过程从摄入食物开始（[链接]）。牙齿在咀嚼（咀嚼）或物理上将食物破碎成更小的颗粒方面发挥着重要作用。唾液中存在的酶也开始化学分解食物。然后食物被吞下并进入食道——连接嘴和胃的长管。通过蠕动或波浪形平滑肌收缩，食道肌肉将食物推向胃。胃内容物极酸性，pH值在1.5到2.5之间。这种酸性杀死微生物，分解食物组织，激活消化酶。食物的进一步分解发生在小肠中，肝脏产生的胆汁以及小肠和胰腺产生的酶继续消化过程。较小的分子通过小肠壁的上皮细胞被吸收到血流中。废物进入大肠，在那里水分被吸收，较干的废物被压实成粪便；它被储存起来，直到通过肛门排出。
人类消化系统
人类的饮食应均衡，以提供身体机能所需的营养，以及维持良好健康和生殖能力所需的结构和调节所需的矿物质和维生素（[链接]）。
营养学
消化系统
在本节结束时，您将能够：
*描述空气从外部环境到肺部的通道
*描述循环系统的功能
*描述心动周期
*解释血液如何流经身体
m45536
吸气并屏住它。等几秒钟，然后把它放出来。人类在不用力的时候，平均每分钟呼吸大约15次。这相当于每小时大约900次呼吸或每天21,600次呼吸。每次吸气，空气充满肺部，每次呼气，它就会冲回来。这种空气不仅仅是给胸腔中的肺部充气和放气。空气中含有氧气，穿过肺部组织，进入血液，并传播到器官和组织。在那里，氧气被交换成二氧化碳，二氧化碳是一种细胞废物。二氧化碳离开细胞，进入血液，回到肺部，在呼气过程中呼出体外。
呼吸系统
循环系统是一个血管网络——动脉、静脉和毛细血管——以及一个泵，即心脏。在所有脊椎动物生物中，这是一个闭环系统，其中血液在很大程度上与身体的另一个细胞外液室——间质液分离，间质液是沐浴细胞的液体。血液在血管内循环，从心脏沿两条循环路线中的一条单向循环，然后再次返回心脏；这是一个封闭的循环系统。在无脊椎动物中发现了开放的循环系统，其中循环液直接沐浴内部器官，即使它可能随着泵送的心脏而移动。
循环系统
心脏是一块复杂的肌肉，由两个泵组成：一个泵将血液通过肺循环输送到肺部，另一个泵将血液通过体循环输送到身体的其他组织（以及心脏本身）。
心脏
心脏的主要功能是将血液输送到全身；它以一个叫做心动周期的重复顺序进行。心动周期是血液通过心脏的流动，由导致心肌收缩和放松的电化学信号协调。在每个心动周期中，一系列的收缩将血液排出体外，泵入全身；这之后是一个放松阶段，心脏充满血液。这两个阶段分别称为收缩期（收缩）和舒张期（舒张期）（[链接]）。收缩信号从右心房外侧的一个位置开始。电化学信号从那里穿过心房，导致它们收缩。心房的收缩迫使血液通过瓣膜进入心室。心室收缩引起的瓣膜关闭产生“lub”声音。此时，信号已经通过右心房和右心室之间的一个点传递到心壁。然后信号导致心室收缩。心室一起收缩，迫使血液进入主动脉和肺动脉。在心室放松期间，血液被拉回心脏，导致这些动脉的瓣膜关闭，产生单音节的“配音”。
心脏周期
来自心脏的血液通过复杂的血管网络输送到全身（[link]）。动脉将血液从心脏带走。体循环的主要动脉是主动脉；它分为大动脉，将血液输送到不同的四肢和器官。主动脉和靠近心脏的动脉有沉重但有弹性的壁，对跳动的心脏造成的压力差做出反应并消除压力差。离心脏较远的动脉壁上有更多的肌肉组织，这些肌肉组织会收缩以影响血液的流速。主动脉分叉成小动脉，然后是称为小动脉的较小血管，以更深地到达身体的肌肉和器官。
血管
循环和呼吸系统
在本节结束时，您将能够：
*列出不同类型的激素，并解释它们在维持体内平衡中的作用
*解释荷尔蒙是如何工作的
*解释激素生产是如何调节的
*描述不同腺体在内分泌系统中的作用
*解释不同腺体如何协同工作以维持体内平衡
m45537
维持体内的稳态需要许多不同系统和器官的协调。相邻细胞之间以及身体遥远部位的细胞和组织之间的一种交流机制是通过释放被称为荷尔蒙的化学物质来实现的。荷尔蒙被释放到体液中，通常是血液，体液将荷尔蒙带到目标细胞，在那里它们会引起反应。分泌荷尔蒙的细胞通常位于特定的器官，称为内分泌腺，分泌荷尔蒙的细胞、组织和器官构成内分泌系统。内分泌器官的例子包括胰腺，它产生胰岛素和胰高血糖素来调节血糖水平，肾上腺，它产生肾上腺素和去甲肾上腺素等荷尔蒙来调节对压力的反应，以及甲状腺，它产生甲状腺激素来调节代谢率。
荷尔蒙
激素通过与特定的细胞表面或细胞内激素受体结合来引起靶细胞的变化，这些受体是嵌入细胞膜或漂浮在细胞质中的分子，其结合位点与激素分子上的结合位点相匹配。这样，即使激素在全身循环并与许多不同的细胞类型接触，它们也只影响拥有必要受体的细胞。特定激素的受体可能存在于许多不同的细胞上或细胞中，或者可能仅限于少数特殊的细胞。例如，甲状腺激素作用于许多不同的组织类型，刺激全身的代谢活动。细胞可以有许多相同激素的受体，但通常也拥有不同类型激素的受体。对激素有反应的受体的数量决定了细胞对该激素的敏感性，以及由此产生的细胞反应。此外，可用于响应激素的受体数量会随着时间的推移而变化，导致细胞敏感性增加或减少。在上调中，受体数量随着激素水平的上升而增加，使细胞对激素更加敏感，并允许更多的细胞活性。当受体数量因激素水平的上升而减少时，称为下调，细胞活性就会降低。
激素如何工作
内分泌腺分泌激素进入周围的间质液；这些激素然后扩散到血液中，并被带到体内的各种器官和组织。内分泌腺包括垂体、甲状腺、甲状旁腺、肾上腺、性腺、松果体和胰腺。
内分泌腺
激素的产生和释放主要由负反馈控制，正如关于体内平衡的讨论中所描述的那样。这样，血液中激素的浓度就保持在一个狭窄的范围内。例如，垂体前叶向甲状腺发出信号以释放甲状腺激素。血液中这些激素水平的增加然后向下丘脑和垂体前叶提供反馈，以抑制进一步向甲状腺发出信号（[link]）。
激素生产的调控
内分泌系统
在本节结束时，您将能够：
*讨论骨骼系统的轴向和阑尾部分
*解释关节在骨骼运动中的作用
*解释肌肉在运动中的作用
m45538
人类骨骼是由成人的206块骨头组成的内骨骼。内骨骼是在体内发育的，而不是像昆虫的外骨骼那样在体外发育。骨骼有五个主要功能：为身体提供支撑、储存矿物质和脂质、产生血细胞、保护内脏和允许运动。脊椎动物的骨骼系统分为轴向骨骼（由头骨、脊柱和胸腔组成）和阑尾骨骼（由四肢骨骼、胸肌或肩带和骨盆带组成）。
骨骼系统
两个或多个骨骼相遇的点称为关节或关节。关节负责运动，如四肢的运动，和稳定性，如头骨骨骼的稳定性。
关节和骨骼运动
肌肉允许运动，如走路，它们也促进身体过程，如呼吸和消化。身体包含三种类型的肌肉组织：骨骼肌、心肌和平滑肌（[链接]）。
肌肉
每根骨骼肌纤维都是一个骨骼肌细胞。每根肌肉纤维内都有肌原纤维，即平行于肌肉纤维的长圆柱形结构。肌原纤维贯穿整个肌肉纤维长度。它们附着在质膜上，称为肌膜，在它们的末端，所以当肌原纤维缩短时，整个肌肉细胞收缩（[链接]）。
骨骼肌纤维结构与功能
肌肉骨骼系统
在本节结束时，您将能够：
*描述神经元的形式和功能
*描述中枢神经系统的基本部分和功能
*描述周围神经系统的基本部分和功能
m45539
普通实验室苍蝇黑腹果蝇的神经系统包含大约10万个神经元，与龙虾的数量相同。这个数字与老鼠的7500万和章鱼的3亿相比。人脑包含大约860亿个神经元。尽管这些数字非常不同，但这些动物的神经系统控制着许多相同的行为——从基本的反应到更复杂的行为，如寻找食物和求偶。神经元相互交流以及与其他类型细胞交流的能力是所有这些行为的基础。
神经元和胶质细胞
神经系统执行的所有功能——从简单的运动反射到记忆或决策等更高级的功能——都需要神经元相互交流。神经元在一个神经元的轴突和另一个神经元的树突之间进行交流，有时还通过它们之间的间隙与另一个神经元的细胞体进行交流，称为突触裂隙。当动作电位到达轴突的末端时，它会刺激神经递质分子释放到轴突突触旋钮和下一个细胞的树突或躯体的突触后膜之间的突触裂隙中。神经递质通过含有神经递质分子的囊泡的胞吐释放。神经递质扩散穿过突触裂隙，并与突触后膜中的受体结合。这些受体分子是化学调节的离子通道，将打开，允许钠进入细胞。如果释放了足够的神经递质，下一个细胞可能会启动动作电位，但这并不能保证。如果释放的神经递质不足，神经信号将在此时死亡。有许多不同的神经递质特定于具有特定功能的神经元类型。
神经元如何交流
中枢神经系统（CNS）由大脑和脊髓组成，覆盖着三层被称为脑膜的保护层（“脑膜”源自希腊语，意为“膜”）（[链接]）。最外层是硬脑膜，中间层是网状蛛网膜，内层是软脑膜，直接接触并覆盖大脑和脊髓。蛛网膜和软脑膜之间的空间充满脑脊液（CSF）。大脑漂浮在CSF中，CSF起到缓冲和减震器的作用。
中枢神经系统
大脑是包含在颅骨颅腔中的中枢神经系统的一部分。它包括大脑皮层、边缘系统、基底神经节、丘脑、下丘脑、小脑、脑干和视网膜。大脑的最外层是一块厚厚的神经系统组织，称为大脑皮层。大脑皮层、边缘系统和基底神经节组成了两个大脑半球。一个厚厚的纤维束被称为大脑皮质（corpus=“body”；大脑皮质=“坚韧”）连接着两个半球。尽管有些大脑功能更多地局限于一个半球而不是另一个半球，但两个半球的功能在很大程度上是多余的。事实上，有时（非常罕见）整个半球被切除以治疗严重的癫痫。虽然患者在手术后确实会出现一些缺陷，但他们的问题却出人意料地少，尤其是当手术是在神经系统非常不成熟的儿童身上进行时。
大脑
与脑干相连并通过脊柱向下延伸的是脊髓。脊髓是一束厚厚的神经组织，将身体信息传递到大脑，并从大脑传递到身体。脊髓包含在脑膜和脊柱的骨头中，但能够通过与脊髓神经（周围神经系统的一部分）的连接与身体进行信号交流。脊髓的横截面看起来像一个包含灰色蝴蝶形状的白色椭圆形（[链接]）。轴突构成“白质”，神经元和神经胶质细胞体（和中间神经元）构成“灰质”。背脊髓中的轴突和细胞体主要将感官信息从身体传递到大脑。脊髓中的轴突和细胞体主要将控制运动的信号从大脑传递到身体。
脊髓
外周神经系统（PNS）是中枢神经系统和身体其他部分之间的联系。PNS可以分为自主神经系统和感觉-躯体神经系统，前者在没有意识控制的情况下控制身体功能，后者将皮肤、肌肉和感觉器官的感觉信息传递给中枢神经系统，并将运动命令从中枢神经系统发送给肌肉。
外周神经系统
神经系统
人体系统
m45540
导言
在本节结束时，您将能够：
*描述病毒最初是如何被发现的以及如何被检测到
*解释病毒复制的详细步骤
*说明如何使用疫苗预防和治疗病毒性疾病
m45541
病毒最初是在一种被称为钱伯兰-巴斯德过滤器的陶瓷过滤器开发出来后发现的，这种过滤器可以从任何液体样本中去除显微镜下可见的所有细菌。1886年，阿道夫·迈耶证明，烟草植物的一种疾病——烟草花叶病——可以通过液体植物提取物从患病植物转移到健康植物。1892年，德米特里·伊万诺夫斯基证明，即使钱伯兰-巴斯德过滤器从提取物中去除了所有存活细菌，这种疾病也可以通过这种方式传播。尽管如此，多年后才证明这些“可过滤”的传染性病原体不仅仅是非常小的细菌，而是一种新型的微小致病颗粒。
病毒如何复制
病毒在动物包括人类身上引起多种疾病，从普通感冒到脑膜炎等潜在致命疾病（[链接]）。这些疾病可以通过抗病毒药物或疫苗治疗，但有些病毒，如艾滋病毒，能够避免免疫反应并变异，从而对抗病毒药物产生耐药性。
病毒与疾病
病毒
在本节结束时，您将能够：
*描述身体固有的物理和化学防御
*解释炎症反应
*描述补语系统
m45542
身体对潜在病原体有明显的物理屏障。皮肤含有蛋白质角蛋白，它能抵抗物理进入细胞。其他身体表面，特别是那些与身体开口相关的表面，受到粘膜的保护。粘稠的粘液为病原体提供了物理陷阱，阻止它们深入身体。身体的开口，如鼻子和耳朵，被捕捉病原体的毛发保护，上呼吸道的粘膜有纤毛，不断将被困在粘液涂层中的病原体移动到嘴里。
外部和化学屏障
当病原体进入身体时，先天免疫系统会以各种内部防御做出反应。其中包括炎症反应、吞噬作用、自然杀伤细胞和补体系统。血液和淋巴中的白细胞识别身体以外的病原体。白细胞比红细胞大，有核，通常能够使用变形虫运动来移动。因为它们可以自己移动，白细胞可以离开血液去受感染的组织。例如，单核细胞是一种白细胞，在血液和淋巴中循环，并在进入受感染的组织后发育成巨噬细胞。巨噬细胞是吞噬外来颗粒和病原体的大细胞。肥大细胞的产生方式与白细胞相同，但与循环白细胞不同，肥大细胞驻留在结缔组织，尤其是粘膜组织中。它们负责释放化学物质以应对身体伤害。它们也在过敏反应中发挥作用，这将在本章后面讨论。
内部防御
先天免疫
在本节结束时，您将能够：
*解释适应性免疫
*描述细胞介导的免疫反应和体液免疫反应
*描述免疫耐受
m45543
淋巴细胞是白细胞，与许多扁平骨骼中发现的红骨髓中的其他血细胞一起形成，如肩部或骨盆骨。适应性免疫反应的两种淋巴细胞是B细胞和T细胞（[链接]）。不成熟的淋巴细胞是变成B细胞还是T细胞取决于它在体内的什么地方成熟。B细胞留在骨髓中成熟（因此“骨髓”的名称为“B”），而T细胞迁移到胸腺，在那里成熟（因此“胸腺”的名称为“T”）。
B和T细胞
如前所述，抗原是一种刺激免疫系统反应的分子。不是每个分子都是抗原的。B细胞通过产生特定的抗体来参与对体内存在的抗原的化学反应，这些抗体在全身循环，并在遇到抗原时与抗原结合。这被称为体液免疫反应。如前所述，在B细胞成熟期间，会产生一组高度特异性的B细胞，这些细胞的膜中有许多抗原受体分子（[链接]）。
体液免疫反应
与B细胞不同，T淋巴细胞在没有辅助的情况下无法识别病原体。相反，树突状细胞和巨噬细胞首先将病原体吞噬并消化成数百或数千个抗原。然后，抗原呈递细胞（APC）检测、吞噬并通知关于感染的适应性免疫反应。当检测到病原体时，这些APC将吞噬并通过吞噬作用分解它。然后，抗原片段将被运送到APC表面，在那里它们将作为其他免疫细胞的指示器。树突状细胞是一种免疫细胞，它清除周围环境中的抗原物质并将其呈现在表面。树突状细胞位于皮肤、鼻子、肺、胃和肠道的内膜中。这些位置是遇到入侵病原体的理想位置。一旦它们被病原体激活并成熟成为APC，它们就会迁移到脾脏或淋巴结。巨噬细胞也起到APCs的作用。在巨噬细胞吞噬后，吞噬囊泡与细胞内溶酶体融合。在产生的吞噬溶酶体中，成分被分解成片段；然后将片段加载到MHC II类分子上，并被运送到细胞表面进行抗原呈递（[链接]）。辅助T细胞不能正确地对抗原做出反应，除非它被处理并嵌入MHC II类分子中。APCs在其表面表达MHC II类，当与外来抗原结合时，这些复合物发出入侵者的信号。
细胞介导免疫
适应性免疫系统具有记忆成分，允许在同一病原体再次入侵时产生快速而大的反应。在对以前从未遇到过的病原体的适应性免疫反应期间，称为初级免疫反应，分泌抗体的浆细胞和分化的T细胞增加，然后随着时间的推移而稳定。随着B细胞和T细胞成熟为效应细胞，天真群体的一个子集分化为具有相同抗原特异性的B和T记忆细胞（[link]）。记忆细胞是抗原特异性的B或T淋巴细胞，在初级免疫反应期间不会分化为效应细胞，但在再次暴露于同一病原体时可以立即成为效应细胞。随着感染被清除和病原体刺激消退，效应细胞不再需要，它们会发生凋亡。相比之下，记忆细胞在循环中持续存在。
免疫记忆
淋巴是沐浴组织和器官的水样液体，含有保护性白细胞，但不含有红细胞。淋巴通过淋巴系统在体内移动，淋巴系统由血管、淋巴管、淋巴腺和器官组成，如扁桃体、腺样体、胸腺和脾脏。
淋巴系统
先天和适应性免疫反应构成全身免疫系统（影响全身），这与粘膜免疫系统不同。粘膜相关淋巴组织（MALT）是功能性免疫系统的重要组成部分，因为粘膜表面，如鼻道，是吸入或摄入病原体沉积的第一个组织。粘膜组织包括口、咽和食道，以及胃肠道、呼吸道和泌尿生殖道。
黏膜免疫系统
免疫系统必须受到调节，以防止对无害物质的浪费和不必要的反应，更重要的是，这样它就不会攻击“自我”。对检测到的已知不会引起疾病的外来物质或自身抗原进行不必要或有害的免疫反应的后天能力被描述为免疫耐受。对自身抗原产生免疫耐受的主要机制发生在T和B淋巴细胞成熟期间对弱自结合细胞的选择过程中。有一些T细胞群体抑制对自身抗原的免疫反应，并在感染清除后抑制免疫反应，以最大限度地减少炎症和细胞裂解引起的宿主细胞损伤。免疫耐受在上消化系统的粘膜中特别发达，因为口腔、咽部和胃肠粘膜中的APCs遇到了大量的外来物质（如食物蛋白质）。免疫耐受是由肝脏、淋巴结、小肠和肺中的特化APCs带来的，这些APCs向不同的调节性T（Treg）细胞群体提供无害的抗原，调节性T（Treg）细胞是抑制局部炎症和抑制刺激性免疫因子分泌的特化淋巴细胞。Treg细胞的综合结果是防止免疫激活和不受欢迎的组织间隔中的炎症，并允许免疫系统转而关注病原体。
免疫耐受
自适应免疫
在本节结束时，您将能够：
*描述超敏反应
*定义自身免疫
m45545
免疫缺陷是免疫系统反应的失败、不足或延迟，可能是获得性或遗传性的。免疫缺陷可以让病原体或肿瘤细胞站稳脚跟，复制或增殖到足够高的水平，从而使免疫系统不堪重负。免疫缺陷可以因感染某些攻击免疫系统本身细胞的病原体（如艾滋病毒）、化学暴露（包括某些医学治疗，如化疗）、营养不良或极端压力而获得。例如，辐射暴露可以破坏淋巴细胞群体，提高个人对感染和癌症的易感性。很少，出生时就存在的原发性免疫缺陷也可能发生。例如，严重联合免疫缺陷病（SCID）是一种儿童出生时没有功能B或T细胞的情况。
免疫缺陷
组织致敏后对无害外来物质或自身抗原产生的不适应性免疫反应称为超敏反应。超敏反应的类型包括即时、延迟和自身免疫。很大一部分人受到一种或多种超敏反应的影响。
超敏反应
免疫系统的破坏
免疫系统与疾病
m45546
导言
在本节结束时，您将能够：
*描述无性生殖和有性生殖的利弊
*讨论无性生殖方法
*讨论有性生殖方法
*讨论内部和外部受精方法
m45547
无性繁殖发生在原核微生物（细菌和古细菌）和许多真核、单细胞和多细胞生物中。动物无性繁殖有几种方式，其细节因物种而异。
无性生殖
有性生殖是两个个体的生殖细胞结合形成遗传上独特的后代。产生这两种配子的个体的性质可能会有所不同，例如，每个个体都有不同的性别或多种性别。性别决定，决定个体发展成哪种性别的机制，也可以有所不同。
有性生殖
开创性科学家内蒂·史蒂文斯是第一个观察到不同性别生物体之间染色体差异的人。她用显微镜观察粉虫细胞，注意到一条染色体在雌性和雄性之间明显不同，并得出结论，这些染色体最有可能是蠕虫性别的决定因素。她后来研究了其他昆虫，她的发现得到了其他科学家的证实。（史蒂文斯最初因性别而被否认，但后来的出版物承认了她的关键作用。）哺乳动物的性别由X和Y染色体的组合决定。X（XX）的纯合个体是雌性，杂合个体（XY）是雄性。在哺乳动物中，Y染色体的存在导致雄性特征的发展，而它的缺失导致雌性特征。XY系统也存在于一些昆虫和植物中。
性别决定
精子和卵子的融合是一个叫做受精的过程。这可以发生在雌性身体内部（内部受精）或外部（外部受精）。人类提供了前者的例子，而青蛙繁殖是后者的例子。
受精
外部受精通常发生在水生环境中，卵子和精子都被释放到水中。精子到达卵子后，受精就发生了。大多数外部受精发生在产卵过程中，其中一只或几只雌性释放卵子，雄性同时在同一区域释放精子。产卵可能由环境信号触发，如水温或日光的长度。几乎所有的鱼都会产卵，甲壳类动物（如螃蟹和虾）、软体动物（如牡蛎）、鱿鱼和棘皮动物（如海胆和海参）也是如此。青蛙、珊瑚、鱿鱼和章鱼也会产卵（[链接]）。
外部受精
动物如何繁殖
在本节结束时，您将能够：
*解释胚胎是如何从合子形成的
*讨论卵裂和原肠胚形成在动物发育中的作用
*描述器官发生
m45550
受精是配子（卵子和精子）融合形成合子（[链接]）的过程。为了确保后代只有一套完整的二倍体染色体，只有一个精子必须与一个卵子融合。在哺乳动物中，一层叫做透明带的层保护卵子。在精子细胞的头部顶端有一个像溶酶体一样的结构，叫做顶体，其中包含酶。当精子与透明带结合时，会发生一系列事件，称为顶体反应。这些反应涉及顶体的酶，允许精子质膜与卵质膜融合，并允许精子核转移到卵子中。卵子和精子的细胞膜分解，两个单倍体核融合形成二倍体核或基因组。
早期胚胎发育
发育与器官发生
在本节结束时，您将能够：
*描述人类睾丸和卵巢生殖解剖
*描述精子发生和卵子发生并讨论它们的异同
*描述激素在人类生殖中的作用
*描述生殖激素的作用
m45549
男性和女性的生殖组织在子宫内发育相似，直到妊娠的第七周，在某些情况下，性腺释放出低水平的睾酮激素。睾酮导致原始性腺分化成性器官，如阴囊和阴茎。当睾酮缺失时，原始性腺发育成卵巢。在男性体内产生阴茎的组织在女性体内产生阴蒂。在男性体内成为阴囊的组织在女性体内成为阴唇。因此，男性和女性的解剖结构源于曾经常见的胚胎结构发育的差异。
人类生殖解剖学
配子发生，即精子和卵子的产生，涉及减数分裂的过程。减数分裂期间，两个核分裂分离细胞核中的配对染色体，然后分离细胞生命周期早期形成的染色单体。减数分裂及其相关的细胞分裂产生单倍体细胞，每对染色体有一半通常存在于二倍体细胞中。精子的产生称为精子发生，卵子的产生称为卵子发生。
配子发生（精子发生和卵子发生）
人类生殖周期是由来自下丘脑和垂体前叶的激素与来自生殖组织和器官的激素相互作用来控制的。下丘脑监测并引起垂体前叶激素的释放。当需要生殖激素时，下丘脑向垂体前叶发送促性腺激素释放激素（GnRH）。这导致垂体前叶向血液中释放卵泡刺激素（FSH）和黄体生成激素（LH）。虽然这些激素以其在女性生殖中的功能命名，但它们在两性中都产生，并在控制生殖方面发挥重要作用。其他激素在男性和女性生殖系统中具有特定功能。
生殖的激素控制
女性生殖的控制更为复杂。女性生殖周期分为卵巢周期和月经周期。卵巢周期支配内分泌组织的准备和卵子的释放，而月经周期支配子宫内膜的准备和维护（[链接]）。这些周期在22-32天的周期内协调，平均长度为28天。
女性荷尔蒙
怀孕从卵子受精开始，一直持续到个体出生。人类的妊娠时间或妊娠期为266天，与其他类人猿相似。
孕期
人类生殖
动物繁殖与发育
动物结构与功能
m45551
导言
在本节结束时，您将能够：
*描述生态学家如何测量人口规模和密度
*描述三种不同的人口分布模式
*使用生命表计算死亡率
*描述三种生存曲线，并将其与特定人群联系起来
m45552
种群的特征是其种群规模（个体总数）和种群密度（单位面积的个体数量）。一个种群可能有大量的个体密集分布或稀疏分布。也有个体数量较少的种群可能在局部地区密集或非常稀疏分布。种群规模会影响适应潜力，因为它会影响种群中存在的遗传变异数量。密度会影响种群内的相互作用，如争夺食物和个体寻找配偶的能力。较小的生物往往比较大的生物分布更密集（[链接]）。
人口规模和密度
除了测量密度之外，还可以通过观察个体在整个范围内的分布来获得关于种群的进一步信息。物种分布模式是在特定时间点栖息地内个体的分布——广泛的模式类别被用来描述它们。
物种分布
虽然人口规模和密度描述了一个特定时间点的人口，但科学家必须使用人口统计学来研究人口的动态。人口统计学是对人口随时间变化的统计研究：出生率、死亡率和预期寿命。这些人口特征通常显示在生命表中。
人口统计学
人口统计与动态
在本节结束时，您将能够：
*解释指数增长模式和逻辑增长模式的特点和区别
*举例说明自然人口的指数和逻辑增长
*举例说明生境的承载能力如何变化
*比较和对比密度依赖性生长调节和密度依赖性生长调节举例
m45553
两个最简单的人口增长模型使用确定性方程（不考虑随机事件的方程）来描述人口规模随时间的变化率。第一个模型是指数增长，描述的是理论人口数量的增长没有任何限制。第二个模型是逻辑增长，引入了生殖增长的限制，随着人口规模的增加，生殖增长变得更加强烈。这两个模型都没有充分描述自然人口，但它们提供了比较点。
人口增长
扩展指数增长只有在无限的自然资源可用的情况下才有可能；现实世界并非如此。查尔斯·达尔文在他对“生存斗争”的描述中认识到了这一事实，即个体将（与自己或其他物种的成员）争夺有限的资源。成功的人更有可能生存下来，并以更大的速度（自然选择）将使他们成功的特征传递给下一代。为了模拟有限资源的现实，人口生态学家开发了逻辑增长模型。
物流增长
人口增长的逻辑模型虽然在许多自然种群中是有效的，也是一个有用的模型，但它是对现实世界人口动态的简化。该模型隐含的意思是环境的承载能力不会改变，事实并非如此。承载能力每年都在变化。例如，一些夏季炎热干燥，而另一些夏季寒冷潮湿；在许多地区，冬季的承载能力远低于夏季。此外，地震、火山和火灾等自然事件可以改变环境，从而改变其承载能力。此外，种群通常不是孤立存在的。它们与其他物种共享环境，与它们竞争相同的资源（种间竞争）。这些因素对于理解特定种群将如何增长也很重要。
人口动态与调控
大多数密度依赖因素本质上是生物学的，包括捕食、种间和种内竞争以及寄生虫。通常，种群密度越大，死亡率越高。例如，在种内和种间竞争期间，物种的繁殖率通常会较低，从而降低其种群的增长率。此外，低猎物密度会增加捕食者的死亡率，因为它更难找到食物来源。此外，当种群密度较大时，疾病在种群成员中传播得更快，从而影响死亡率。
密度依赖性调控
无论人口密度如何，许多自然因素都会导致人口死亡。这些因素包括天气、自然灾害和污染。无论该地区碰巧有多少只鹿，一只鹿都会在森林火灾中丧生。无论人口密度高还是低，它的生存机会都是一样的。寒冷的冬天也是如此。
密度非依赖性调控及其与密度依赖性因子的相互作用
种群生态学家假设，物种的一系列特征可能会进化，导致对环境的特殊适应。这些适应会影响物种经历的种群增长。生育率、首次繁殖年龄、后代数量甚至死亡率等生活史特征就像解剖学或行为一样进化，导致影响种群增长的适应。种群生态学家描述了一系列生活史“策略”，一端是*K*选择的物种，另一端是*r*选择的物种。*K*选择的物种适应稳定、可预测的环境。*K*选择的物种的种群倾向于以接近其承载能力的方式存在。这些物种往往有更大但更少的后代，并为每个后代贡献大量资源。大象是被选择的物种的一个例子。被选择的物种适应不稳定和不可预测的环境。它们有大量的小后代。被选择的动物不会为后代提供大量的资源或父母的照顾，后代在出生时相对自给自足。被选择的物种的例子是海洋无脊椎动物，如水母和植物，如蒲公英。这两种极端策略位于一个连续体的两端，真实的物种生活史将存在于这个连续体上。此外，生活史策略不需要作为套件进化，而是可以相互独立进化，因此每个物种都可能有一些倾向于一个极端或另一个极端的特征。
基于人口统计的人口模型
人口增长与调控
在本节结束时，您将能够：
*讨论人口增长如何呈指数增长
*解释人类如何扩大其栖息地的承载能力
*将人口增长和年龄结构与不同国家的经济发展水平联系起来
*讨论不受控制的人口增长的长期影响
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人类在以各种方式改变环境的能力上是独一无二的。这种能力是人类人口增长的原因，因为它重置了承载能力，克服了依赖于密度的增长调节。这种能力在很大程度上与人类的智力、社会和交流有关。人类建造庇护所来保护自己免受自然灾害的影响，并发展了农业和驯养动物来增加他们的食物供应。此外，人类使用语言将这项技术传达给新一代，使他们能够在以前的成就上有所改进。
克服密度依赖调节
人口的年龄结构是人口动态的一个重要因素。年龄结构是不同年龄段人口的比例。纳入年龄结构的模型可以更好地预测人口增长，加上将这种增长与一个地区的经济发展水平联系起来的能力。快速增长的国家在其年龄结构图中呈金字塔形，显示年轻个体占优势，其中许多人处于生育年龄（[链接]）。这种模式最常在不发达国家观察到，在这些国家，由于生活条件不太理想，个人活不到老年，出生率很高。增长缓慢的地区，包括美国等发达国家，年龄结构仍然呈金字塔形结构，但年轻和育龄个体较少，老年个体比例较大。其他发达国家，如意大利，人口增长率为零。这些人口的年龄结构更加锥形，中老年人的比例更高。不同国家的实际增长率如[链接]所示，最高的增长率往往出现在经济欠发达的非洲和亚洲国家。
年龄结构人口增长与经济发展
关于世界人口的许多可怕预测导致了一场被称为“人口爆炸”的重大危机。生物学家保罗·R·埃利希博士在1968年出版的《人口炸弹》一书中写道，“养活全人类的战斗已经结束。在20世纪70年代，尽管现在开始实施任何紧急计划，但仍有数亿人将饿死。在这个晚些时候，没有什么能阻止世界死亡率的大幅上升。”[脚注]虽然许多批评者认为这一说法夸大其词，但人口指数增长定律仍然有效，不受控制的人口增长不可能无限期地继续下去。

Paul R. Erlich，*人口炸弹*的序言，（1968年；代表。，纽约：百龄坛，1970年）。
人口指数增长的长期后果
人类人口
在本节结束时，您将能够：
*讨论捕食者-猎物循环
*举例说明防范捕食和食草的措施
*说明竞争排除原则
*举例说明物种间的共生关系
*描述社区结构和继承
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也许物种相互作用的经典例子是捕食者-猎物关系。捕食者-猎物相互作用的最狭义定义描述了一个种群中的个体杀死然后吃掉另一个种群中的个体。一个群落中捕食者和猎物的种群规模并不是随着时间的推移而恒定的，它们可能在看起来相关的周期中变化。最常被引用的捕食者-猎物种群动态的例子是山猫（捕食者）和雪鞋兔（猎物）的循环，使用了来自北美100年的捕获数据（[链接]）。捕食者和猎物种群规模的这种循环大约有十年的时间，捕食者种群比猎物种群落后一到两年。对这种模式的一个明显解释是，随着野兔数量的增加，山猫有更多的食物可供使用，让山猫的数量也增加。然而，当山猫的数量增长到一个阈值水平时，它们杀死了如此多的野兔，以至于野兔的数量开始下降，随后由于食物短缺，山猫数量下降。当山猫数量较少时，野兔数量开始增加，部分原因是捕食压力较低，重新开始循环。
捕食与食草
一个栖息地内的资源通常是有限的，多个物种可能会竞争获得它们。生态学家已经认识到，所有物种都有一个生态位。生态位是一个物种使用的独特资源集，包括它与其他物种的相互作用。竞争排斥原则指出，两个物种不能在一个栖息地占据相同的生态位：换句话说，如果不同物种竞争所有相同的资源，它们就不能在一个群落中共存。这一原则之所以有效，是因为如果资源使用存在重叠，因此两个物种之间存在竞争，那么减少对共享资源依赖的特征将被选择来导致减少重叠的进化。如果任何一个物种无法进化以减少竞争，那么最有效地利用资源的物种将导致另一个物种灭绝。这一原理的一个实验例子显示在[链接]的两个原生动物物种：*草履虫*和*草履虫*。当它们在实验室单独生长时，它们都茁壮成长。但是当它们一起放在同一个试管（栖息地）中时，*奥雷利亚草履虫*与*草履虫*争夺食物，导致后者最终灭绝。
竞争排除原则
共生关系是不同物种个体之间密切、长期的相互作用。共生可能是共生的，其中一个物种受益，而另一个物种既不受损也不受益；互利的，其中两个物种都受益；或者寄生的，其中相互作用伤害一个物种并使另一个物种受益。
共生
社区是一个复杂的系统，可以通过其结构（种群的数量和规模及其相互作用）和动态（成员及其相互作用如何随时间变化）来表征。了解社区结构和动态使我们能够最大限度地减少对生态系统的影响，并管理我们从中受益的生态社区。
社区的特点
群落动态是指群落结构和组成随时间的变化，通常是在火山、地震、风暴、火灾和气候变化等环境干扰之后。物种数量相对恒定的群落被称为处于平衡状态。这种平衡是动态的，物种身份和关系随着时间的推移而变化，但数量保持相对恒定。在干扰之后，群落可能会也可能不会回到平衡状态。
社区动态
群落生态学
人口与社区生态学
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导言
在本节结束时，您将能够：
*描述地球生态系统的基本类型
*区分食物链和食物网，并认识到每个食物链和食物网的重要性
*描述生物体如何在食物网和相关食物链中获取能量
*解释营养级之间能量转移的效率如何影响生态系统
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生态系统中的生命通常涉及对有限资源的竞争，这种竞争既发生在单一物种内部，也发生在不同物种之间。生物争夺食物、水、阳光、空间和矿物质营养。这些资源为代谢过程提供能量，并构成生物的物理结构。影响群落动态的其他关键因素是其物理环境的组成部分：栖息地的气候（季节、阳光和降雨量）、海拔和地质。这些都是重要的环境变量，决定了哪些生物可以在特定区域内生存。
生态系统生态学
食物链是一个生物体的线性序列，当一个生物体吃掉另一个生物体时，营养和能量通过它传递；食物链中的层次是生产者、主要消费者、更高层次的消费者，最后是分解者。这些层次用来描述生态系统结构和动态。食物链中只有一条路径。食物链中的每一个生物体都占据特定的营养层次（能量层次），即它在食物链或食物网中的位置。
食物链和食物网
所有生物都需要某种形式的能量。能量被大多数复杂的代谢途径（通常以三磷酸腺苷的形式）所使用，尤其是那些负责从较小的化合物中构建大分子的途径。没有持续的能量输入，生物体将无法从单体中组装大分子（蛋白质、脂质、核酸和复杂的碳水化合物）。
生物如何在食物网中获取能量
就人类影响而言，生态系统动态最重要的后果之一是生物放大。生物放大是指在每个连续的营养级生物体内持久性有毒物质的浓度不断增加。这些物质是脂溶性的，而不是水溶性的，储存在每个生物的脂肪储备中。许多物质已经被证明会生物放大，包括对杀虫剂二氯二苯三氯乙烷（DDT）的经典研究，雷切尔·卡森在20世纪60年代的畅销书《寂静的春天》中对此进行了描述。DDT在对顶点消费者（如秃鹰）的危险为人所知之前是一种常用的杀虫剂。在水生生态系统中，来自每个营养级的生物消耗了较低水平的许多生物，这导致吃鱼的鸟类（顶点消费者）的DDT增加。因此，鸟类积累了足够数量的DDT，导致蛋壳脆弱。这种影响增加了筑巢过程中鸡蛋的破碎，并被证明对这些鸟类种群有毁灭性的影响。滴滴涕的使用在20世纪70年代在美国被禁止。
食物网的后果：生物放大
通过生态系统的能量流
在本节结束时，您将能够：
*讨论水、碳、氮、磷、硫的生物地球化学循环
*解释人类活动如何影响这些循环以及由此对地球产生的潜在后果
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水对所有的生命过程都是必不可少的。人体有一半以上是水，人体细胞有70%以上是水。因此，大多数陆地动物需要淡水来生存。在地球上储存的水中，97.5%是咸水（[链接]）。在剩余的水中，99%被锁定为地下水或冰。因此，只有不到1%的淡水存在于湖泊和河流中。许多生物依赖于少量的地表淡水供应，缺乏淡水供应会对生态系统动态产生重要影响。当然，人类已经开发出增加水供应的技术，例如挖井收集地下水、储存雨水和使用脱盐从海洋中获得饮用水。尽管这种对饮用水的追求在人类历史上一直存在，但淡水供应仍然是现代的一个主要问题。
水循环
碳是生物体中第四大最丰富的元素。碳存在于所有有机分子中，它在大分子结构中的作用对生物体至关重要。碳化合物含有能量，其中许多来自植物和藻类的化合物仍然以化石碳的形式储存，人类将其用作燃料。自19世纪以来，化石燃料的使用加速了。自工业革命开始以来，全球对地球有限的化石燃料供应的需求不断增加，随着燃料的燃烧，我们大气中的二氧化碳量也在增加。二氧化碳的增加与气候变化有关，也是全世界的一个主要环境问题。
碳循环
氮很难进入生物世界。植物和浮游植物无法吸收大气中的氮（以紧密结合的三共价N2存在），尽管这种分子约占大气的78%。氮通过自由生活和共生细菌进入生物世界，这些细菌通过固氮（N2的转化）将氮融入其大分子中。蓝藻生活在大多数有阳光的水生生态系统中；它们在固氮中起着关键作用。蓝藻能够利用无机氮源来“固定”氮。*根瘤菌*细菌共生生活在豆类（如豌豆、豆类和花生）的根瘤中，并为它们提供所需的有机氮。自由生活的细菌，如*固氮菌*，也是重要的固氮剂。
氮循环
磷是生命过程的基本营养素；它是核酸和磷脂的主要成分，并且作为磷酸钙，构成我们骨骼的支持成分。磷通常是水生生态系统，特别是淡水生态系统中生长所必需的限制性营养素。
磷循环
硫是生物大分子的必需元素。作为氨基酸半胱氨酸的一部分，它参与蛋白质的形成。如[link]所示，硫在海洋、陆地和大气之间循环。大气中的硫以二氧化硫（SO2）的形式存在，二氧化硫通过三种方式进入大气：第一，来自有机分子的分解；第二，来自火山活动和地热喷口；第三，来自人类燃烧化石燃料。
硫循环
生物地球化学循环
在本节结束时，您将能够：
*确定决定一个地区陆地生物群落类型的两个主要非生物因素
*认识到八个主要陆地生物群落的各自特点
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热带雨林也被称为热带湿润森林。这种生物群落分布在赤道地区（[link]）。热带雨林是最多样化的陆地生物群落。这种生物多样性在很大程度上仍为科学所知，主要通过伐木和砍伐森林用于农业而受到极大威胁。热带雨林也被描述为大自然的药房，因为新药的潜力很大程度上隐藏在植物、动物和其他生物的巨大多样性产生的化学物质中。植被的特点是植物根系伸展，树叶宽阔，全年脱落，不像落叶森林的树木在一个季节内落叶。这些森林全年“常绿”。
热带森林
稀树草原是树木零星分布的草原，它们分布在非洲、南美洲和澳大利亚北部（[link]）。稀树草原是炎热的热带地区，平均气温在24oC-29oC（75oF-84oF）之间，年降雨量为51-127厘米（20-50英寸）。稀树草原有一个广泛的旱季和随之而来的火灾。因此，分散在主导稀树草原的草和草（草本开花植物）中，树木相对较少（[link]）。由于火灾是这个生物群落的重要干扰来源，植物已经进化出发育良好的根系，使它们能够在火灾后迅速重新发芽。
热带草原
亚热带沙漠存在于北纬15度和南纬30度之间，以北回归线和南回归线为中心（[link]）。沙漠通常位于山脉的下风或背风一侧，当盛行风将其含水量降低到山上时，会产生雨影。这是典型的北美沙漠，如莫哈韦沙漠和索诺兰沙漠。其他地区的沙漠，如北非的撒哈拉沙漠或非洲西南部的纳米布沙漠，由于高压干燥的空气在这些纬度下降而变得干燥。亚热带沙漠非常干燥；蒸发通常超过降水。亚热带炎热沙漠的白天土壤表面温度可能超过60摄氏度（140华氏度），夜间温度接近0摄氏度（32华氏度）。到目前为止，温度下降是因为空气中几乎没有水蒸气来防止地表辐射冷却。亚热带沙漠的特点是年降水量低于30厘米（12英寸），月度变化很小，降雨量缺乏可预测性。有些年份可能获得少量降雨量，而另一些年份获得更多降雨量。在某些情况下，位于澳大利亚中部（“内陆”）和北非的亚热带沙漠的年降雨量可能低至2厘米（0.8英寸）。
沙漠
灌木林也被称为灌木林，分布在加利福尼亚州、地中海沿岸和澳大利亚南部海岸（[link]）。这个生物群落的年降雨量从65厘米到75厘米（25.6-29.5英寸）不等，大部分降雨量落在冬季。夏季非常干燥，许多灌木植物在夏季处于休眠状态。灌木植被以灌木为主，适应周期性的火灾，一些植物产生的种子只有在高温后才会发芽。火灾后留下的灰烬富含营养物质，如氮，可以施肥土壤并促进植物再生。火灾是维持这个生物群落的自然组成部分，经常威胁美国这个生物群落的人类居住（[link]）。
查帕拉尔
温带草原遍布北美中部，在那里它们也被称为草原，在欧亚大陆，它们被称为草原（[链接]）。温带草原在夏季炎热和冬季寒冷的情况下每年都有明显的温度波动。每年的温度变化为植物创造了特定的生长季节。当温度足够温暖以维持植物生长时，植物就有可能生长，这发生在春天、夏天和秋天。
温带草原
温带森林是北美洲东部、西欧、东亚、智利和新西兰最常见的生物群落（[链接]）。这种生物群落遍布中纬度地区。温度在-30oC和30oC（-22oF到86oF）之间，每年下降到冰点以下。这些温度意味着温带森林在春季、夏季和初秋确定了生长季节。降水全年相对恒定，范围在75厘米到150厘米（29.5-59英寸）之间。
温带森林
北方森林，也被称为针叶林或针叶林，分布在北纬50到60度之间，横跨加拿大、阿拉斯加、俄罗斯和北欧的大部分地区（[链接]）。北方森林也出现在北半球山脉的某个海拔以上（以及树木无法生长的高海拔以下）。这个生物群落有寒冷干燥的冬天和短暂凉爽潮湿的夏季。年降水量从40厘米到100厘米（15.7-39英寸），通常以雪的形式出现；由于温度低，蒸发很少。
北方森林
北极苔原位于亚北极北方森林的北部，遍布北半球的北极地区（[link]）。苔原也存在于山上树木线以上的海拔高度。冬季平均气温为-34°C（-29.2°F），夏季平均气温为3°C-12°C（37°F-52°F）。北极苔原的植物生长季节很短，约为50-60天。然而，在此期间，几乎有24小时的日光，植物生长迅速。北极苔原的年降水量很低（15-25厘米或6-10英寸），降水量的年变化很小。而且，与北方森林一样，由于寒冷的温度，蒸发很少。
北极冻原
陆地生物群落
在本节结束时，您将能够：
*描述非生物因素对水生生物群落中动植物群落组成的影响
*比较海洋区域的特点
*总结淡水生物群落中的静水和流水特征
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海洋是一个连续的盐水体，化学成分相对均匀。它是矿物盐和腐烂生物物质的弱溶液。在海洋内部，珊瑚礁是第二类海洋生物群落。河口，盐水和淡水混合的沿海地区，形成了第三个独特的海洋生物群落。
海洋生物群
河口是生物群落，发生在河流（淡水的来源）与海洋交汇的地方。因此，淡水和咸水都在同一附近；混合导致稀释的（半咸水）盐水。河口形成了保护区，许多甲壳类动物、软体动物和鱼类的后代在这里开始生活。盐度是影响河口生物和生物适应能力的重要因素。河口的盐度变化取决于淡水来源的流速。一天一两次，涨潮将盐水带入河口。以相同频率发生的低潮逆转了盐水的流向（[链接]）。
河口：海洋与淡水相遇的地方
淡水生物群落包括湖泊、池塘和湿地（死水）以及河流和溪流（流水）。人类依靠淡水生物群落为饮用水、作物灌溉、卫生、娱乐和工业提供水生资源。这些不同的作用和人类利益被称为生态系统服务。湖泊和池塘存在于陆地景观中，因此与影响这些陆地生物群落的非生物和生物因素有关。
淡水生物群落
湿地是土壤永久或周期性被水饱和的环境。湿地不同于湖泊和池塘，因为湿地显示出几乎连续的新兴植被覆盖。新兴植被由湿地植物组成，它们植根于土壤中，但叶子、茎和花的一部分延伸到水面以上。湿地有几种类型，包括沼泽、沼泽、沼泽、滩涂和盐沼（[链接]）。
湿地
水生和海洋生物群落
生态系统与生物圈
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导言
在本节结束时，您将能够：
*将生物多样性描述为自然波动的灭绝率和物种形成的平衡
*查明生物多样性对人类的好处
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生物多样性的一个常见含义是一个地方或地球上物种的数量；例如，美国鸟类学家联盟列出了北美和中美洲的2078种鸟类。这是对该大陆鸟类生物多样性的一种衡量。更复杂的多样性衡量标准考虑了物种的相对丰度。例如，拥有10种相同常见树木的森林比拥有10种树木的森林更加多样化，因为只有其中一种物种占树木的95%，而不是平均分布。生物学家还确定了生物多样性的替代衡量标准，其中一些对于规划如何保护生物多样性很重要。
生物多样性的类型
生物多样性在地球上的分布并不均匀。在20世纪80年代和90年代引进外来物种导致大规模灭绝之前，维多利亚湖包含了近500种慈鲷（湖中只有一个鱼类家族）。所有这些物种都只在维多利亚湖发现，也就是说它们是地方特有的。地方物种只在一个地方发现。例如，蓝鸟是北美特有的，而巴顿泉蝾螈是德克萨斯州奥斯汀的一个泉口特有的。分布高度受限的地方性物种，如巴顿泉蝾螈，特别容易灭绝。更高的分类水平，如属和科，也可能是地方性的。
生物多样性模式
生物多样性的丧失最终会威胁到我们没有直接影响的其他物种，因为它们相互关联；随着物种从生态系统中消失，其他物种也会受到可用资源变化的威胁。生物多样性对人类的生存和福利很重要，因为它影响到我们的健康以及我们通过农业和收获野生动物来养活自己的能力。
生物多样性的重要性
生物多样性的重要性
在本节结束时，您将能够：
*查明对生物多样性的重大威胁
*解释栖息地丧失、外来物种和狩猎对生物多样性的影响
*确定气候变化对生物多样性的早期和预测影响
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人类依靠技术来改变环境，取代某些曾经由自然生态系统发挥的功能。其他物种无法做到这一点。消灭它们的栖息地——无论是森林、珊瑚礁、草原还是河流——都会杀死物种中的个体。在一个物种的范围内移除整个栖息地，除非它们是少数几个在人类建造环境中表现良好的物种之一，否则该物种将灭绝。人类对栖息地（栖息地通常指特定物种所需的生态系统部分）的破坏在20世纪下半叶加速。以苏门答腊的非凡生物多样性为例：它是一种猩猩、一种极度濒危的大象和苏门答腊虎的家园，但苏门答腊的森林现在已经消失了一半。邻近的婆罗洲岛是其他红毛猩猩的家园，也失去了类似的森林面积。婆罗洲保护区的森林继续流失。婆罗洲的红毛猩猩被国际自然保护联盟（IUCN）列为濒危物种，但它只是成千上万种无法在婆罗洲森林消失后幸存下来的物种中最明显的一种。森林被移走用于木材和种植棕榈油种植园（[链接]）。棕榈油被用于许多产品，包括欧洲的食品、化妆品和生物柴油。2000年至2005年全球森林覆盖损失的五年估计为3.1%。大部分损失（2.4%）发生在潮湿的热带地区，那里的森林损失主要来自木材开采。这些损失当然也代表了这些地区特有物种的灭绝。
生境丧失
过度捕捞对许多物种构成严重威胁，尤其是对水生物种。渔业科学家监控的受监管渔业（包括捕猎海洋哺乳动物和捕杀甲壳类动物和其他物种）有许多例子，但这些渔业已经崩溃。西大西洋鳕鱼渔业是最近最引人注目的崩溃。尽管400年来它一直是一个产量巨大的渔业，但20世纪80年代现代工厂拖网渔船的引入和渔业面临的压力导致它变得不可持续。渔业崩溃的原因在本质上是经济和政治的。大多数渔业是作为一种公共资源管理的，任何愿意捕鱼的人都可以使用，即使捕鱼区位于一个国家的领海内。公共资源受到被称为公地悲剧的经济压力，在这种压力下，当渔民不拥有渔业时，他们几乎没有动力在捕捞渔业时保持克制。对共有资源的捕捞的总体结果是过度开发。尽管大型渔业受到监管，试图避免这种压力，但它仍然存在于背景中。当渔业准入开放且不受监管，以及当技术赋予渔民过度捕捞的能力时，这种过度开发就会加剧。在少数渔业中，如果将时间和金钱投资于其他地方，资源的生物增长低于渔业利润的潜在增长。在这种情况下——鲸鱼就是一个例子——经济力量将推动捕捞人口走向灭绝。
过度采伐
外来物种是指人类有意或无意地将物种引入它们没有进化的生态系统的物种。人类运输人员和货物，包括有意运输生物进行贸易，极大地增加了物种进入新生态系统的数量。这些新引入的距离有时远远超出了物种自身的能力，也超出了物种天敌的范围。
外来物种
气候变化，特别是目前正在发生的人为变暖趋势，被认为是一个主要的灭绝威胁，特别是当与栖息地丧失等其他威胁结合在一起时。由于化石燃料燃烧和森林砍伐导致温室气体（主要是二氧化碳和甲烷）过去和持续排放到大气中，地球的人为变暖已经被观察到，并被假设将继续下去。这些气体降低了地球能够辐射进入大气的阳光产生的热能的程度。温室气体增加导致的气候和能源平衡变化是复杂的，我们对它们的理解依赖于详细的计算机模型生成的预测。科学家们普遍认为目前的变暖趋势是由人类造成的，一些可能的影响包括未来几十年急剧而危险的气候变化。然而，对具体结果仍存在争论和缺乏理解。科学家们对灭绝率的影响可能有多大存在分歧，据估计，到2050年，15%到40%的物种将灭绝。科学家们确实同意，气候变化将改变地区气候，包括降雨和降雪模式，使栖息地不太适合生活在其中的物种。变暖趋势将使较冷的气候向北极和南极转移，迫使物种按照适应的气候规范移动，但在此过程中也面临栖息地差距。变化的范围将给物种带来新的竞争机制，因为它们发现自己与历史范围内不存在的其他物种接触。其中一个意想不到的物种接触是北极熊和灰熊之间。以前，这两个物种有不同的范围。现在，它们的分布范围是重叠的，有记录表明这两个物种交配并产生可行的后代。不断变化的气候也会破坏物种对季节性食物资源和繁殖时间的微妙时间适应。科学家已经记录了许多当代资源可用性和时间变化的不匹配。
气候变化
对生物多样性的威胁
在本节结束时，您将能够：
*将生物多样性描述为自然波动的灭绝率和物种形成的平衡
*解释保护的立法框架
*确定在保护区设计中重要的因素
*确定生境恢复影响的例子
*确定动物园在生物多样性保护中的作用
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地球上或任何地理区域的物种数量是两个正在进行的进化过程平衡的结果：物种形成和灭绝。两者都是宏观进化的自然“出生”和“死亡”过程。当物种形成率开始超过灭绝率时，物种数量将会增加；同样，当灭绝率开始超过物种形成率时，情况正好相反。在整个地球生命历史中，正如化石记录所反映的那样，这两个过程或多或少地波动，有时会导致化石记录所反映的地球上物种数量的巨大变化（[链接]）。
生物多样性随时间的变化
第六次，即全新世，大灭绝主要与智人的活动有关。人类著作中记录了许多最近的个别物种灭绝。其中大部分与16世纪以来欧洲殖民地的扩张相吻合。
最近和当前的灭绝率
对灭绝率的估计受到一个事实的阻碍，即大多数灭绝可能是在没有被观察到的情况下发生的。鸟类或哺乳动物的灭绝经常被人类注意到，尤其是如果它们被猎杀或以其他方式使用的话。但是有许多生物对人类来说不太明显（不一定价值较低），许多生物没有被描述。
当今灭绝率估计
在基因、物种和生态系统层面对生物多样性的威胁已经被认识了一段时间。在美国，第一个拨出土地保留在荒野状态的国家公园是1872年的黄石公园。然而，出于各种原因保护自然的尝试已经发生了几个世纪。今天，保护生物多样性的主要努力包括规范人类和企业行为的立法方法、划出保护区和栖息地恢复。
保护生物多样性
保护生物多样性
保护和生物多样性
生态学
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元素周期表
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地质年代
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测量和公制
测量和公制