生物学的思维方式

致谢  10

0  研究生物学  2

第 1 单元 | 生命的研究

1  生物科学  16

第 2 单元 | 活细胞

2  生命的化学  36

3  生命的分子  54

4  细胞  74

5  能量与生命活动  112

6  光合作用：从太阳获取能量  126

7  细胞如何从食物中获取能量  146

第 3 单元 | 生命的延续

8  有丝分裂  166

9  减数分裂  186

10  遗传学基础  202

11  DNA：遗传物质  238

12  DNA 的工作机制  258

13  基因组学与生物技术  280

第 4 单元 | 进化与生命的多样性

14  进化与自然选择  310

15  生物的命名  350

16  原核生物：最早的单细胞生物  370

17  原生生物：真核生物的出现  394

18  真菌侵入陆地  418

第 5 单元 | 动物的进化

19  动物门的进化  436

20  脊椎动物的历史  474

21  人类如何进化  502

第 6 单元 | 动 物

22  动物的身体及运动方式  518

23  循环  542

24  呼吸  562

25  食物在动物体内的旅行  578

26  维持内环境  598

27  动物体的自我防卫  616

28  神经系统  640

29  感觉  662

30  动物体内的化学信号  680

31  生殖与发育  700

第 7 单元 | 植 物

32  植物的进化  724

33  植物的形态与功能  746

34  植物的生殖与生长  764

第 8 单元 | 生存的环境

35  种群与群落  784

36  生态系统  810

37  行为与环境  834

38  人类对生命世界的影响  856

附录  882

词汇表  895

出版后记  908

前 言 

相关性是通往生物学的窗口

生物学是最平易近人的科学之一，但许多非科学专业的学生在刚接触生物学课程时会感到焦虑。他们咬紧牙关报名参加了这门课程，因为他们会认为，科学课程本质上是困难的。教师以及非专业的生物学课本都面临着一项关键任务，那就是消除这种恐惧。生物学其实并不难，而且充满了简单有趣的想法。如今，所有生物学教育者都明白它对学生来说是多么重要的一门学科。从全球变暖到干细胞，再到在课堂上教授的“智能设计”，生物学无处不在，在很大程度上将影响我们学生未来的发展。学生需要的是一扇通往生物世界的窗口。在本书中，我已经着手解决这个问题。本修订版的每一章都强调了内容与学生经历的相关性。当某个话题的讨论与自身的经历联系起来时，它就不会那么难以理解，使得新知识更容易被读者接受。

聚焦核心概念

比起大部分学科，生物学有一整套核心思想，如果学生掌握了这些基本思想，其余的就很简单。不幸的是，尽管今天大部分学生对生物学很感兴趣，但是他们却被名词术语给耽误了。如果你不知道某些单词是什么意思，你就自然会认为这个东西很难；如果那个思想很简单，容易掌握，你就会乐于学习。名词术语横亘在路上，就像一堵墙拦在学生和科学之间。而我想要利用这本教科书，把这堵墙变成窗户，这样学生就可以享受学习的乐趣了。

我的一样工具是类比。在撰写本书时，我将要描述的事物与众所周知的简单事物进行类比。在科学中，类比并不准确，但我却认为没有关系。类比的目的是更清晰地解释内容，本书用类比方式解释会使重点知识表达得更清晰。

重要的生物过程 某些重要的生物学思想很复杂。少有学生第一次学习光合作用时就能将其完全掌握。为了帮助学生学习困难的知识，我特别留意那些构成生物学核心的重点概念和过程，如光合作用、渗透等。如果一个学生想要掌握生物学知识，那么他就必须理解每一个核心过程。学生的学习目标不应该是简单地记忆一串生物学术语，而应该是想象并理解到底是怎么回事。因此，我在书中撰写了大约 40个重要的生物过程来解释学生在生物学导论中所遇到的重点概念和过程。每一个重要的生物过程都会让学生学习一个复杂的过程，这样就不会遗漏核心知识的细节。

将生物学与日常生活相联系

非专业生物课程的主要作用之一是培养有一定教育基础的学生。在撰写本书时，我尽可能地将学生所学的知识与他们的日常生活联系起来。

在本书中，对于每一章的内容，我都撰写了整版篇幅的专题文章，将章节内容与日常生活联系起来：“生物学与保健”讨论了影响每个人的健康问题；“今日生物学”讨论了对社会产生重要影响的进步；“深入观察”更详细地表达了有趣的知识点；“作者角”分享了我本人对科学知识与个人生活的关系的观点。

将生物学作为进化之旅来教学

进化的解释 进化不仅是生物学组成的一部分，而且还可以解释生物学。仅仅说青蛙属于两栖动物，处于鱼类和爬行类的过渡阶段是不够的。这种说法正确地表达了青蛙在进化树上的位置，但是却没能解释青蛙何以是青蛙，为什么要经历蝌蚪阶段，并且有湿润的皮肤。只有当学生知道两栖动物高度成功地进化为陆生动物后，他们才会明白：在 37科两栖动物中，除了两科生活在水中的（蛙科和蝾螈科）之外，其他的都随着爬行类的进化而灭绝了。青蛙是由于进化而侵入水中，而非逃离水环境。只有通过这种方式，进化才能解释生物学，这也是我在本书中用进化来解释生物学的方式。

直面进化的批判者 鉴于进化一直是公众中的冲突话题，我向学生明确展示了来自批判者的异议，特别是所谓的“智能设计”。我强烈地认为，如果不对这个争议话题进行开诚布公的讨论，那么学生的生物学教育就是不完整的。

帮助学生学习

第0章 在 30年的教学生涯中，我注意到有的学生表现良好，有的却不尽如人意，一个学生对学习准备得如何，可以很好地预测出学生将来的表现如何。开始学习新课程后，学生是否会做笔记？学生是否知道有效地将笔记与教科书搭配使用？学生会读图表吗？在本书中，为了解决这一问题，我在正文前添加了第 0章，教给学生一些基本且核心的学习技能。在听课时高效记笔记，快速地重新抄写这些笔记，将笔记作为课文的线索实现高效复习，这些学习技能不仅有利于学生的课程学习，而且对他们未来的学习生活都会很有帮助。读懂图表的技能将使学生终身受用。

学习目标与结果 只有当学生清楚地知道他们要学什么的时候，他们才能学得最好。在这一思想指导下，本书在每一章的开头都会列出具体的学习目标，那是这一章中小标题的线索。学习目标是期望的学习结果，表明了学生在成功地学完本章内容后应该能够做什么。学习目标是不连续的、具体的，是帮助学生建构学习理解的小模块。

本书中，每个学习目标在材料出现在文本中的时候、在章节结尾的复习中、在章节结束的问题列表中再次重复。这一“学习路径”是引导学生完成每一章的关键要素，评估每个章节的掌握程度。在每一个编码的章节最后，我列出了一个或几个关键学习成果。简言之，它是学习目标完成后的表现，是对学生在掌握本章节内容后应该学到什么的总结。

学习目标和结果为学生提供了强大的学习工具。学习目标可以帮助学生在阅读时关注那些重要的知识点，对具体学习目标的章末测验可以让学生知道，那些他们需要掌握的内容，他们究竟学得怎么样。

出现在每章末尾的一系列问题也为学生提供了一个强大的评估工具，以了解本章开头的学习目标在学生的学习中如何转化为学习成果。根据布鲁姆分类法的学习类别来看，该清单包括三个层次的问题：评估知识和理解的问题，挑战学生进行应用和分析的问题，以及需要综合和评估的问题。

将科学作为过程来教学

调查与分析 学生学习完生物学课程之后最有用的事情之一，是他们在大学毕业多年后，有能力去评判听到的与科学有关的言论。作为教授这一重要能力的方法，每一章的结尾都有“调查与分析”模块，用整页的篇幅呈现一个真实的科学研究，要求学生分析数据，得出结论。本书还有几页为学生持续的学习提供一些惊喜。

新版亮点

基因编辑 自本书上一版以来，最激动人心的进展是引入了一种名为CRISPR的易于使用的新工具，该工具允许研究人员编辑基因，这一前景既充满希望又有点可怕。与科学中的许多进步一样，这一进步是分阶段进行的，如 13.4节所述。该工具基于在细菌DNA中发现的特殊碱基序列，该序列包含两个元素。第一段序列（“I. D. ”序列）是与在病毒中发现的相同的 30个碱基的短序列。第二段序列（“kill”序列）在转录成 RNA 时会折叠回环，形成发卡结构，DNA切割核酸酶与之结合。细菌使用这个系统来对抗感染病毒：第一段序列将转录RNA与入侵病毒的DNA结合，从而允许所附的第二段序列将病毒DNA切成碎片。是什么使它成为基因工程师的强大工具？替换病毒的“I. D. ”序列是一件简单的事情，替换的序列为一段具有 30个碱基的不同序列，它用于识别研究人员希望破坏或修改的其他一些基因。就像改变信封上的地址一样，研究人员可以将“kill”序列发送到基因组中的任何地址。

CRISPR可以消除疟疾或寨卡病毒吗  2016年，研究人员开始测试 CRISPR 对“基因驱动”的可能性。如 13.4节所述，其想法是利用CRISPR来替换“I. D. ”序列。这是一段精心构建的动物序列，其中包含一个新的“I. D. ”序列和 CRISPR序列的副本。当编辑基因后的动物繁殖时，包含CRISPR序列的染色体将在受精卵中与另一个亲本的正常染色体配对——并将其转换为包含CRISPR的染色体！一系列的连锁反应下，CRISPR序列将在整个种群中传播。如果是在蚊子种群中，这种做法说不定能一击消灭疟疾或寨卡病毒！

地球工程对抗全球变暖 应对全球变暖也取得了重要进展。随着大气中CO2含量达到200万年以来的高位，并且在减少排放方面进展艰难，设计地球气候可能是对抗全球变暖的最大希望。38.4节中描述的两种所谓的地球工程方法正在被评估。一种是通过给地球的海洋施肥以诱导大规模的光合作用来去除大气中的CO2。地球上的海洋富含海藻，它们的生长主要因缺乏铁而受到限制（铁是叶绿素的关键成分）。在实验室中，向海水中添加一磅铁可以从空气中去除多达100,000磅的碳！非常有争议的小规模试验表明，藻华是由铁施肥产生的，当藻华沉入海底，碳还是会回到大气中。第二种地球工程方法是将硫酸盐气溶胶注入大气中，以反射阳光。上层平流层变成一面镜子，将太阳光线反射回太空。因此，即使CO2水平继续上升，世界气候也不会变暖，因为照射到CO2分子的光较少。虽然这种方法从未经过测试，但似乎很实用。

埃博拉疫情 2014—2015年，西非三个人口稠密的国家暴发埃博拉疫情，感染人数超过 24,000，其中一半人死亡。据 16.10节中描述，埃博拉疫情的影响从未有如此大的规模。

在其他行星上寻找生命 二十多年来，天文学家一直在探测围绕遥远恒星运行的行星。如第16.2节所述，已识别出10,000多个行星。它们中的任何一个可能像地球一样容纳生命吗？ 2016年 7月 23日，天文学家宣布他们发现了一颗候选行星，它围绕一颗距地球 1,400光年的恒星运行。这颗行星是开普勒 452b，它绕着一颗非常像我们的太阳的恒星运行，公转只比地球多20天。开普勒452b上的温度可能类似于温水——与地球上的热带地区没有什么不同。它的质量似乎是地球的五倍左右，这意味着它很有可能像地球一样由岩石构成，而不是像海王星那样的气态星球。

重温双螺旋结构 大多数文章对沃森和克里克如何发现DNA分子是双螺旋结构的历史的记录都存在错误。如在 11.3节中描述的那样，罗莎琳德·富兰克林没有获得DNA的 X射线衍射图以及没有发现DNA分子是螺旋的。在富兰克林作为博士后来到威尔金斯的实验室学习X射线技术的一年前，威尔金斯发现并发表了DNA是螺旋结构的（在诺贝尔奖的说明中明确指出这一发现是威尔金斯获得诺贝尔奖的50%的原因）。

寨卡病毒威胁孕妇 2016年巴西突然暴发了小头畸形（新生儿头部和大脑发育不全），这是由蚊子传播的寨卡病毒引起的。一种常见的热带病毒寨卡病毒（16.10节）已经能够导致一种致命的疾病。

认识丹尼索瓦人 当从西伯利亚发现的古代指骨中提取DNA并对其测序后，研究人员获得了一段人类的序列，但不同于尼安德特人和晚期智人，而是一类新的人种。新人种被称为丹尼索瓦人（以发现指骨的洞穴的名字命名），在过去几年中已证明他们与尼安德特人和晚期智人杂交（21.7节）。多达8%的晚期智人的DNA来自尼安德特人和丹尼索瓦人。你的基因组是由三个不同物种的基因拼凑而成。

父亲的年龄影响基因疾病 在冰岛，许多代人的出生和婚姻都有精确的记录，因此不仅可以确定一个人拥有哪些突变，还可以确定他们是从谁那里继承来的，以及受孕时父母的年龄。 如 11.5节中所述，数据中出现了一个意想不到的发现：绝大多数新突变发生在父亲身上，而受孕时父亲的年龄越大，孩子发生基因突变的可能性就越大。简单地说，年长的父亲更有可能生出患有基因疾病的孩子。

为什么植物能从阳光中获得能量，而动物不能？为什么领鞭毛虫被认为是所有动物的祖先？

为什么鸟类的呼吸效率比我们的更高？为什么地球上所有大漠都位于北纬30°或南纬30°附近？

为什么自然发酵的葡萄酒只含12%的酒精？

这些答案在这本书里都能找到。

本书依照普通生物学的课程大纲编排，带领读者了解生物学的学习方法，帮助读者学习和掌握相关的生物学知识。全书共分为8个单元，包括生物学概述、细胞生物学、遗传学、动物、植物、进化学与生态系统等内容，配合全彩插图能够培养读者对生物学学习的兴趣。“重要的生物过程”“关键学习成果”“调查与分析”“本章回顾”“本章测验”等版块能够帮助读者更好地理解和掌握每个章节的内容，锻炼生物学学习的逻辑思维与读懂图表的能力，这些能力为深入学习生物学打好基础。

著者简介

乔治·B. 约翰逊，华盛顿大学圣路易斯分校生物学荣誉退休教授，华盛顿大学医学院遗传学教授。他教授生物学和遗传学课程已超过三十五年，同时热衷于研究群体遗传学和进化论，已撰写了五十多篇科学期刊出版物。他撰写生物学教材三十余年，拥有丰富的写作经验，已出版七本教科书。

译者审校简介

沈剑，译者，九三学社社员，东北师范大学生命科学学院细胞生物学专业硕士。现任江苏联合职业技术学院常州卫生分院讲师。

刘宠，译者，本科及硕士研究生阶段均从事生命科学专业的学习和研究，现从事高中生物课程教学。

赵蕴阳，译者，美国华盛顿州立大学农学院博士。现任职礼来制药公司。

张振兴，译者、审校，东北师范大学生命科学学院副教授，从事流域尺度的河渠廊道系统生态恢复研究。

付雷，统稿，浙江师范大学教师教育学院讲师，科普作家，主要从事生命科学教育研究。

王海涛，审校，东北师范大学生命科学学院教授、博士生导师，鸟类学研究组负责人，任中国动物学会鸟类学分会副主任委员、中国动物学会理事等。

作者简介 4

前言 5

致谢 10

0 研究生物学 2

第 1 单元 | 生命的研究

1 生物科学 16

第 2 单元 | 活细胞

2 生命的化学 36

3 生命的分子 54

4 细胞 74

5 能量与生命活动 112

6 光合作用：从太阳获取能量 126

7 细胞如何从食物中获取能量 146

第 3 单元 | 生命的延续

8 有丝分裂 166

9 减数分裂 186

10 遗传学基础 202

11 DNA：遗传物质 238

12 DNA 的工作机制 258

13 基因组学与生物技术 280

第 4 单元 | 进化与生命的多样性

14 进化与自然选择 310

15 生物的命名 350

16 原核生物：最早的单细胞生物 370

17 原生生物：真核生物的出现 394

18 真菌侵入陆地 418

第 5 单元 | 动物的进化

19 动物门的进化 436

20 脊椎动物的历史 474

21 人类如何进化 502

……

基因编辑 自本书上一版以来，最激动人心的进展是引入了一种名为CRISPR的易于使用的新工具，该工具允许研究人员编辑基因，这一前景既充满希望又有点可怕。与科学中的许多进步一样，这一进步是分阶段进行的，如 13.4节所述。该工具基于在细菌DNA中发现的特殊碱基序列，该序列包含两个元素。第一段序列（“I. D. ”序列）是与在病毒中发现的相同的 30个碱基的短序列。第二段序列（“kill”序列）在转录成 RNA 时会折叠回环，形成发卡结构，DNA切割核酸酶与之结合。细菌使用这个系统来对抗感染病毒：第一段序列将转录RNA与入侵病毒的DNA结合，从而允许所附的第二段序列将病毒DNA切成碎片。是什么使它成为基因工程师的强大工具？替换病毒的“I. D. ”序列是一件简单的事情，替换的序列为一段具有 30个碱基的不同序列，它用于识别研究人员希望破坏或修改的其他一些基因。就像改变信封上的地址一样，研究人员可以将“kill”序列发送到基因组中的任何地址。

CRISPR可以消除疟疾或寨卡病毒吗 2016年，研究人员开始测试 CRISPR 对“基因驱动”的可能性。如 13.4节所述，其想法是利用CRISPR来替换“I. D. ”序列。这是一段精心构建的动物序列，其中包含一个新的“I. D. ”序列和 CRISPR序列的副本。当编辑基因后的动物繁殖时，包含CRISPR序列的染色体将在受精卵中与另一个亲本的正常染色体配对——并将其转换为包含CRISPR的染色体！一系列的连锁反应下，CRISPR序列将在整个种群中传播。如果是在蚊子种群中，这种做法说不定能一击消灭疟疾或寨卡病毒！

地球工程对抗全球变暖 应对全球变暖也取得了重要进展。随着大气中CO2含量达到200万年以来的高位，并且在减少排放方面进展艰难，设计地球气候可能是对抗全球变暖的最大希望。38.4节中描述的两种所谓的地球工程方法正在被评估。一种是通过给地球的海洋施肥以诱导大规模的光合作用来去除大气中的CO2。地球上的海洋富含海藻，它们的生长主要因缺乏铁而受到限制（铁是叶绿素的关键成分）。在实验室中，向海水中添加一磅铁可以从空气中去除多达100,000磅的碳！非常有争议的小规模试验表明，藻华是由铁施肥产生的，当藻华沉入海底，碳还是会回到大气中。第二种地球工程方法是将硫酸盐气溶胶注入大气中，以反射阳光。上层平流层变成一面镜子，将太阳光线反射回太空。因此，即使CO2水平继续上升，世界气候也不会变暖，因为照射到CO2分子的光较少。虽然这种方法从未经过测试，但似乎很实用。

埃博拉疫情 2014—2015年，西非三个人口稠密的国家暴发埃博拉疫情，感染人数超过 24,000，其中一半人死亡。据 16.10节中描述，埃博拉疫情的影响从未有如此大的规模。

在其他行星上寻找生命 二十多年来，天文学家一直在探测围绕遥远恒星运行的行星。如第16.2节所述，已识别出10,000多个行星。它们中的任何一个可能像地球一样容纳生命吗？ 2016年 7月 23日，天文学家宣布他们发现了一颗候选行星，它围绕一颗距地球 1,400光年的恒星运行。这颗行星是开普勒 452b，它绕着一颗非常像我们的太阳的恒星运行，公转只比地球多20天。开普勒452b上的温度可能类似于温水——与地球上的热带地区没有什么不同。它的质量似乎是地球的五倍左右，这意味着它很有可能像地球一样由岩石构成，而不是像海王星那样的气态星球。

重温双螺旋结构 大多数文章对沃森和克里克如何发现DNA分子是双螺旋结构的历史的记录都存在错误。如在 11.3节中描述的那样，罗莎琳德·富兰克林没有获得DNA的 X射线衍射图以及没有发现DNA分子是螺旋的。在富兰克林作为博士后来到威尔金斯的实验室学习X射线技术的一年前，威尔金斯发现并发表了DNA是螺旋结构的（在诺贝尔奖的说明中明确指出这一发现是威尔金斯获得诺贝尔奖的50%的原因）。

寨卡病毒威胁孕妇 2016年巴西突然暴发了小头畸形（新生儿头部和大脑发育不全），这是由蚊子传播的寨卡病毒引起的。一种常见的热带病毒寨卡病毒（16.10节）已经能够导致一种致命的疾病。

认识丹尼索瓦人 当从西伯利亚发现的古代指骨中提取DNA并对其测序后，研究人员获得了一段人类的序列，但不同于尼安德特人和晚期智人，而是一类新的人种。新人种被称为丹尼索瓦人（以发现指骨的洞穴的名字命名），在过去几年中已证明他们与尼安德特人和晚期智人杂交（21.7节）。多达8%的晚期智人的DNA来自尼安德特人和丹尼索瓦人。你的基因组是由三个不同物种的基因拼凑而成。

父亲的年龄影响基因疾病 在冰岛，许多代人的出生和婚姻都有精确的记录，因此不仅可以确定一个人拥有哪些突变，还可以确定他们是从谁那里继承来的，以及受孕时父母的年龄。 如 11.5节中所述，数据中出现了一个意想不到的发现：绝大多数新突变发生在父亲身上，而受孕时父亲的年龄越大，孩子发生基因突变的可能性就越大。简单地说，年长的父亲更有可能生出患有基因疾病的孩子。

……

◎再版九次的经典教材，系统阐述生物学基础知识

本书涵盖生物学概述、细胞生物学、遗传学、动物、植物、进化学与生态等，贴近高等院校普通生物学课程教学内容，适合中学到大学的生物学衔接、大学生物学通识课程等使用。每章设计重点知识梳理和测验，帮助读者更好地掌握生物学基本知识和学习方式，为生物学的进阶学习打好坚实基础。

◎借助丰富的生物模式图，形象解释复杂的生命奥秘

图片呈现的信息比文字更加直观，在增加阅读趣味的同时能够帮助读者迅速获取重点知识。此外，生物学学习的一大难点体现在复杂的生物反应过程，本书中生物模式图有利于加深读者对相关过程的理解，从而有助于对生物知识的记忆。

◎补充趣味拓展阅读，培养科学思维方法与探究分析能力

生物学是最贴近生活的学科，读者能够从拓展阅读中了解到日新月异的生物技术、健康保健等趣味内容，能够在调查与分析的具体案例中培养科学思维方法与探究分析能力。