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五堂极简生物课 献给安迪·马蒂诺瓦，一位挚友，一位慈父， 还有我的孙儿佐伊、约瑟夫、欧文和乔舒亚， 和他们的同代人， 他们亟须爱护我们这个星球上的生命
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五堂极简生物课 引言
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让我第一次正儿八经思考生物课题的可能是一只蝴蝶。那时我十二三岁，正是早春时分，那只黄色蝴蝶扑扇着翅膀飞过栅栏时，我刚好坐在花园里。它拐了个弯，盘旋着短暂地悬停在空中，刚好够我注意到它双翅上的精致纹路和斑点。之后，一个阴影惊扰了它，它又飞走了，消失在对面的栅栏后。那只图案复杂、形态完美的蝴蝶让我陷入了思考。它与我完全不同，但又有种说不清道不明的熟悉感。和我一样，它显然是活生生的：它能移动，能感知，能做出回应，似乎非常清楚自己要做什么。我发现自己想搞明白：所谓“活着”究竟意味着什么？换言之，生命是什么？
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此生的大部分时间里，我都在思考这个问题，但要找出一个令人满意的答案却并不容易。尽管各个时代的科学家们都曾纠结于这个问题，但至今也没有一个关于“生命”的标准定义，这是不是很让人诧异？就连本书的书名[1] “生命是什么”都是从物理学家薛定谔那儿厚着脸皮偷来的，他在1944年出版了极具影响力的同题著作。他主要关注的是生命的一个重要方面：根据热力学第二定律，宇宙不断趋向无序和混沌状态，那么，在这样一个世界里，生物何以能在一代又一代的传承中保持如此惊人的秩序和统一性？薛定谔准确地抓住了一个核心问题，并且认定，解开遗传的密码就是关键所在——理解基因是什么，以及它们如何在代际间忠实地传递下去。
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在这本书里，我提出了同样的问题：生命是什么？但我认为仅解决遗传问题并不能得到完整的答案。所以，我将引入生物学的五个重要概念，让我们以此为台阶，一步步攀升，更清楚地看到生命是怎样运作的。这些概念大多流传已久，在解释生物如何运作上，已得到广泛的接受。不过，我将以全新的方式把这些观点组合起来，并发展出一套定义生命的统一原则。希望它们能帮你以全新的眼光看待这个生机勃勃的世界。
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开门见山地说：生物学家们通常羞于大谈特谈“大概念”或“大猜想”。在这方面，我们和物理学家们有天壤之别。我们有时会给人留下这样一种印象，我们更喜欢沉浸在细节、分类和描述之中，能让我们怡然自得的尽是些琐事：列出某个栖息地的所有物种、数甲虫腿上有多少腿毛，或是给成千上万的基因排序。也许正是因为大自然的多样性令人目眩神迷，甚至招架不住，我们似乎很难找出一个简单的原则或放之四海而皆准的概念。然而，在生物学中确实存在这种重要的统领性概念，而且它们有助于我们在面对复杂的生命现象时厘清思绪，进而理解生命的意义。
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我要向你们阐释的五个重要概念是：细胞、基因、自然选择的进化、生命的化学，以及生命的信息。我会解释这些概念的源头和重要性，以及它们之间的关联，同时，我还想让你们知道：时至今日，随着世界各地的科学家们提出新的发现，这些概念仍处在变化和发展中。我也想让你们体验一下参与科学发现的感觉，所以我会把这些科学家介绍给你们，其中不乏我的朋友。我还会向你们讲述我自己在实验室里的种种体验，比如灵光乍现的时刻、挫败的时刻、幸运的时刻，以及有了新发现的时刻——这一刻百年难遇但美妙无比。我的目标就是和你分享科学发现有多么激动人心，让你一同感受当我们对自然界的了解越来越多时的满足感。
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人类活动正在把气候和由它维持的许多生态系统逼向极限，甚至超出了自然所能承受的范围。为了让我们所知的生命延续下去，我们需要深入地了解从研究这个生物世界中获悉的一切知识。这就是生物学在未来数年乃至几十年里会变得越来越重要的原因：对于人类该如何生活、生育、饮食、医疗以及免受流行病侵害，生物学越来越能左右我们的选择。我会举一些生物学知识的运用实例，以及随之而来的两难抉择、伦理上的不确定性以及可能出现的意外后果。但是，在围绕这些话题展开讨论前，我们首先要问一问：生命是什么？生命是如何运作的？
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我们生活在一个浩瀚无边、令人敬畏的宇宙中，而在这个广阔整体的小角落里繁衍生息的生命是宇宙中最迷人、最神秘的部分之一。本书中的五个概念好比台阶，我们可以拾级而上，逐步揭示定义地球上的生命的诸种原则。这也将帮助我们去思考这个星球上的生命最初是如何诞生的，以及假如我们在宇宙的其他地方发现了生命，那些生命体又会是什么样的。无论你的起点在哪里——哪怕你自认为对科学知之甚少，甚至一无所知——等你读完这本书，你都会更加理解：你、我、精巧的黄色蝴蝶，和这个星球上的所有生物都是息息相关的，这就是我的终极目的。
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我衷心希望我们能携手同行，在理解生命真谛的旅程中离目标更近一步。
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注释：
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[1] 这里指的是英文原版书名。——编者注
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五堂极简生物课 一 细胞The Cell
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生物学的原子Biology’s Atom
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我第一次看到细胞是在学校里，就在我偶遇黄色蝴蝶后不久。全班同学种下的洋葱苗发了芽，于是我们剥下球根表皮，把它们放到显微镜下观察其构成。生物课老师基思·尼尔很擅长启发我们，他解释说我们将看到细胞，它是生命的基本单位。然后，一排排整齐的箱状细胞出现在我眼前，它们规整地叠成一列又一列。多么不可思议啊！靠这么小的细胞生长、分裂，就足以将洋葱的球根推入土壤，为生长中的植株提供水分和养分，并起到固定作用。
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我越了解细胞，就越觉得细胞很神奇。细胞有各种形状和大小，令人难以置信。大部分细胞都很小——真的非常微小——无法用肉眼看到。有一种能感染膀胱的寄生细菌，可以在1毫米的间隙中挤下3000多个细胞。还有些细胞大得离谱。要是你早餐吃了鸡蛋，不妨想一下：整个蛋黄就只是一个单细胞。我们体内的一些细胞也很大。比如，有些单个的神经细胞可以从你的脊柱底部一直延伸到大脚趾尖。也就是说，那些神经细胞各个都能长达1米！
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尽管这些多样性令人震惊，但最让我感兴趣的是所有细胞的共同点。科学家一向对确认基本单位这件事充满热情，最好的例子莫过于物质的基本单位——原子。生物学中的原子就是细胞。细胞不仅是所有有机体的基本结构单位，也是生命体的基本功能单位。我这话的意思是：细胞是具有生命核心特征的最小实体。这就是生物学家所说的细胞学说的基础：就我们目前所知，地球上的一切生命，要么是一个细胞，要么是多个细胞的集合。可以确凿地说：细胞是最简单的生命。
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细胞学说已有差不多一个半世纪的历史，是生物学重要的基础理论之一。考虑到这一学说对理解生物学是如此重要，我本以为它会激发大众的想象力，可结果并非如此，这令我颇为诧异。可能是因为在学校的生物课上，大多数人学到的都是仅仅将细胞视为类似砖块的构件，用于搭建更复杂的生命体。然而现实远比这有趣多了！
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