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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 [:1700270907]
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五堂极简生物课 一 细胞The Cell
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五堂极简生物课 [:1700270908]
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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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细胞的故事可以追溯到1665年，罗伯特·胡克（Robert Hooke），当时刚刚成立的世界上最早的科学院之一——伦敦皇家学会的成员。一项新技术催生了新的发现，这在科学界是常有的情况。由于大多数细胞都太小了，肉眼无法看到，所以直到17世纪初，显微镜被发明出来后，科学家们才发现了细胞的存在。科学家们常常身兼双职，既是理论家，也是能工巧匠，这一点在胡克身上体现得淋漓尽致。他在探索物理学、建筑学和生物学前沿的同时，还热衷于发明科学仪器。他自己制造了一台显微镜，再用它来探索肉眼看不见、始终隐藏在未知领域的新奇世界。
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胡克观察的物体之一是一块薄薄的橡木皮。他看到软木是由一排又一排相叠的空洞组成的，恰如300年后身为学生的我看到的洋葱表皮细胞。胡克以拉丁语cella命名这些细胞，意为“小房间”或“小隔间”。当时的胡克还不知道，他发现的细胞不仅是所有植物的基本组成部分，也是所有生命体的基本单位。
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胡克之后没过多久，荷兰科学家安东尼·范·列文虎克（Anton van Leeuwenhoek）在观察到单细胞生物时有了另一个重大发现。他在池塘水的样本中发现了游动的微小生物，并发现它们也存在于从自己的牙齿上刮下的牙垢中，这个发现让他极为不安，要知道，他本来挺为自己的口腔卫生自豪呢！他给这些微小的生物起了一个可爱的名字——微动物（animalcules），但我们现在已不再使用这个词了。他发现的那些在齿间繁衍的小东西，实际上是有史以来第一种被描述的细菌。列文虎克误打误撞，意外地开启了一个由微小的单细胞生命体统领的全新领域。
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我们现在已经知道，细菌和其他种类的微生物细胞（“微生物”是所有能以单细胞形式存活的微小生物的总称）是迄今为止地球上数量最多的生命体。它们存活在一切环境中：从高空大气层到地壳深处，几乎无处不在。要是没有它们，这个世界就会停滞。它们分解废物，肥沃土壤，回收营养物质，从空气中收集动植物生长所需的氮气。当科学家们观察人类的身体时，他们发现，相对于我们身体中的30万亿个或更多的人类细胞，微生物细胞的数量只多不少。你——以及所有人类——都不是孤立的个体，而是一个由人类和非人类细胞组成的不断变化的群落。这些微小的细菌和真菌细胞就生活在我们的身体表面和身体内部，持续影响着我们的消化能力和抗病能力。
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不过，在17世纪之前，根本没有人知道这些看不见的细胞的存在，更不用说理解它们工作的基本原理和所有肉眼可见的生命体是一样的了。
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时间经过18世纪，来到19世纪初，显微镜及其技术得到进一步发展，科学家们很快便可以识别从各种各样的生物身上提取的细胞了。有些人开始推测，所有植物和动物都是列文虎克等前人所识别出的那些微生物的集合。由此，经过漫长的孕育，细胞学说终于圆满诞生。1839年，植物学家马蒂亚斯·施莱登（Matthias Schleiden）和动物学家特奥多尔·施旺（Theodore Schwann）总结了自己和许多研究者的工作成果，写下结论：“我们已经发现，所有生物体都是由本质上相似的部分——细胞——组成的。”一锤定音，拨云见日，科学界就这个结论达成共识：细胞是生物体结构和功能的基本单位。
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当生物学家们意识到每个细胞本身就是一个生命体后，上述结论的含义变得更加耐人寻味。1858年，病理学界的先驱鲁道夫·菲尔绍（Rudolf Virchow）[1] 写道：“每一个动物都是生命单位的总和，每一个生命单位都具有完整的生命特征。”
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这意味着所有细胞都是有生命的。生物学家们证明这一点的方法非常生动直观：他们从动物或植物的多细胞组织中提取细胞，将它们保存在俗称“培养皿”的玻璃或塑料平底容器中。其中有些细胞系在世界各地的实验室中存活了几十年。正因为有它们，研究人员在无须处理一个完整的复杂生物体的情况下就能研究生物学过程。细胞是活的，可以移动，对环境做出反应，其内部始终处于动态。与动物或植物——或者说整个生物体相比，细胞看上去好像很简单，但绝对是有生命的。
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然而，施莱登和施旺率先提出的细胞学说中有个要命的空白点：该学说没有解释新细胞是怎么来的。直到生物学家们认识到，细胞是通过将自身分裂成两个细胞来增殖，并得出结论：只有靠一个已经存在的细胞一分为二才能产生新细胞，这个空白才得以补全。菲尔绍用一句拉丁文警句让这个观点变得深入人心：每一个细胞都来自另一个细胞。 这句话也有助于反驳当时仍在某些人群中盛行的错误观点：生命是从惰性物质中自发产生的——事实并非如此。
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