第一節生命的特質
生物學是有關生物的科學，那麼什麼是生物呢？簡而言之，生物就是有生命的物質。也就是說，生命乃是生物之最基本特征與第一要素。
一個擁有生命的生物是有許多特征的，其中最主要的是兩個：一是由細胞構成，二是具有新陳代謝的能力，我們下麵就從這兩個方麵去了解生物。
細胞是生物的結構與功能的基本單位，它與幾乎所有的生命現象，例如新陳代謝、生殖與生長、遺傳與變異、對外界環境的刺激做出反應等，都有密切關係。
細胞是1665年左右由英國科學家R.胡克發現的，胡克是顯微鏡的發明者，當他以之觀察一種軟木薄片的結構時，發現它是由許多蜂窩狀小室組成的。他便將這種小室稱為cellulae，這就是“細胞”一詞的來源，它的英文名就是cell。
細胞
到19世紀末，德國生物學家施萊登和施萬等用改進了的顯微鏡對大量植物與動物細胞進行了細致的觀察，並得出結論，認為從單細胞生物直到高等動植物都是由細胞組成的，從而創立了著名的細胞學說，它被認為是19世紀最偉大的科學成就之一。
根據結構，人們通常把細胞分為兩大類：原核細胞和真核細胞。世界上絕大部分物種，包括所有比較高級的物種都是由真核細胞構成的，原核細胞僅見於一種細菌和藍綠藻。
我們先來看看結構較為簡單的原核細胞。它的主要部分包括細胞膜、細胞質、核糖體，以及由一條裸露的 DNA雙鏈所構成的擬核。這擬核隻是一個未成形的細胞核，這是其與真核細胞的主要區別。此外，它的體積也比真核細胞要小得多，隻有前者的約1／10。
雖然原核細胞較真核細胞簡單，然而它並不真的很簡單，例如其化學成分就相當複雜。像大腸杆菌大小隻有1微米×2微米左右，卻含有約5000種不同的化學成分。支原體是已知最小的細胞，大小隻相當於最大的病毒，然而它們的遺傳物質，即我們後麵要說的DNA也能指導合成1000多種蛋白質。
真核細胞的結構要比原核細胞複雜得多。真核細胞的結構從內到外包括細胞核、細胞質和細胞膜。在其細胞質內包括多種也由細胞膜圍繞的結構，叫細胞器。它們負責一些具體的功能。細胞核也有一層膜包裹著，它裏麵有攜帶遺傳密碼DNA的染色體。
以上隻是細胞的大致結構，我們下麵看看它們較為詳細的結構。
我們知道，生物體是由一個個細胞組成的，然而細胞並沒有充滿整個生物體，在細胞之間還有著廣闊的沒有細胞的空間。在這個空間裏充滿了一種“細胞間基質”，它是一種由糖構結成的膠一樣的東西，含有大量的水，因而像撐飽了的肚皮一樣顯得鼓脹。在這片像膠水一樣的基質中間還漂浮著一種蛋白質纖維，它們像繩子一樣將細胞們係在一起，構成完整的組織。
至於單個的細胞，從外麵看，整個細胞都由一層“半透膜”包裹著。所謂半透，就是說這層膜既不是完全封閉的，也不是完全開放的，膜既能起到保護細胞的作用，又能與周圍環境交換物質。看得出來它有點像玻璃的半透明，既能透過光線，但又不能透過很多。
無論是真核細胞還是原核細胞，它的細胞質內都有一種稱為核糖的小東西，蛋白質就是在這裏合成的。
在真核細胞的細胞質內還有許多細胞器，它們互相分離、互不隸屬、各有其獨特的功能。
這些細胞器對於真核細胞意義重大，例如植物細胞中有質粒，其中有一種就是葉綠體，它是植物進行光合作用的結構。
細胞核是真核細胞獨有的，它也是真核細胞的控製中心。在細胞核外麵也有一層膜圍繞著，核內還有攜帶遺傳物質的染色體，而染色體內就有著名的DNA。正是它指揮細胞合成蛋白質，而蛋白質乃是構成生物體的主要成分。DNA也是遺傳密碼的攜帶者，生物物種的遺傳靠的就是它。
總之，細胞是一個有高度組織性的整體，其不同的結構和組織在功能活動上既有獨立性，同時又通過分子和能量的流動而達到相互的聯係和協調，以保證各種生命現象有序地進行。
生物體與外界環境之間物質與能量的交換，以及生物體內物質與能量的轉換過程就叫作新陳代謝。
新陳代謝每時每刻都在生物體內進行著，是生命的標誌之一，在絕大多數情形之下，生物的新陳代謝一旦停止，也就意味著其生命的結束。
新陳代謝包括兩部分內容：第一部分是生物與外界環境進行物質與能量的交換，第二部分是生物體內物質與能量的交換。其中的第一部分又包括兩個步驟：第一步是生物從外界獲取食物、吸收養分，第二步則是將食物消化之後的殘渣排出體外；第二部分則是食物在生物體內消化並成為生物體之一部分、為生物生命的延續提供能量的過程。
整個新陳代謝過程又通常被分成同化作用與異化作用兩種作用。同化作用指的是生物將從外界環境中攝取的營養物質變成自身的組成物質，同時儲存能量。看得出來，在這個過程中，本來屬於外界環境的物質被同化成了生物體的一部分，因此叫同化作用。異化作用則是生物體又把組成自身的一部分物質加以分解，釋放其中能量，並將最終的代謝物排出體外。同樣看得出來，在這個過程中，本來是生物體一部分的物質與能量最終不再是生物體的一部分，並被排出了體外，因此稱為異化作用。
要注意的是，同化作用與異化作用不是不同的兩個過程，而是同一過程——新陳代謝——的兩個方麵，它們在生物體內同時進行，相反相成，構成了統一的新陳代謝。例如同化作用需要能量，這一能量就來自異化作用；異化作用需要物質，這種物質就來自同化作用。沒有同化作用，組成生物體的新物質就沒法產生，細胞就得不到建立與更新，也就沒有異化作用的物質基礎與能量來源。沒有異化作用，生物體內儲存的能量不能釋放出來，同化作用所需要的能量也就無從供應，一切生命活動也就無法進行了。生物就是這樣不斷地與外界進行物質與能量的交換，在體內也進行物質與能量的轉換。這些就是生命。
生物的新陳代謝是一個極其複雜的過程，要將樹葉、水果、牛肉乃至垃圾最終變成生物體的一部分，變成毛毛蟲身上的毛、變成參天大樹的枝丫、變成人身上的肉，甚至變成屎殼郎頭上的那隻觸角，這是一個多麼巨大的變化過程！所以需要進行巨量的化學反應，生物體內每分鍾每秒鍾都有成千的這種化學反應在進行著。要完成這項工作僅憑生物體內參加反應的物質是不行的，它還需要一樣東西的大力協助——酶。
酶是一種具有催化功能的蛋白質，它是細胞能夠生存的條件。細胞新陳代謝所需的所有化學反應幾乎都要依賴酶的催化作用才能順利進行。酶的催化作用有以下兩個特點：
一是催化效率極高，比一般的無機催化劑（例如高錳酸鉀）高106至1010倍，因此少量的酶就能夠起到很強的催化作用，例如1份澱粉酶就能夠催化100萬份的澱粉，使之分解成為麥芽糖。
二是每一種酶隻能催化一種或一類化學反應，對於其他的化學反應則沒有作用。這樣一來，由於生物體內的化學反應種類極多，就使得生物體內酶的種類同樣地多。研究與製備這眾多種類的酶，使之能夠促進人類所需的化學反應的生物工業乃是一項重要的化學工業，就叫酶工程。
對於植物而言，最主要的新陳代謝就是光合作用。
光合作用的科學原理是由美國生物學家卡爾文在20世紀50年代發現的，由於這個發現，他獲得了1961年的諾貝爾化學獎。
大多數植物細胞都含有各種色素，例如綠色的葉綠素、黃色的葉黃素、紅色的胡蘿卜素等，這就使得植物的葉子一般都帶有各種顏色。例如葉綠素使得植物的葉子在春天一片碧綠，葉黃素則使葉子在秋天時一片金黃。這些色素中以葉綠素最為普遍，因此植物的葉子大都呈綠色。
這種使得葉子呈綠色的葉綠素之主要功能就是進行光合作用，植物的光合作用是在葉綠體中進行的，而葉綠素就存在於葉綠體中，其中植物的葉片部分含量最多，因此光合作用也主要在這部分進行。
什麼是光合作用呢？光合作用就是綠色植物在葉綠素的參與下，利用太陽的光能，把二氧化碳和水轉變為葡萄糖。它可以用如下的化學反應式來表示：
我們可以看到，光合作用後生成的物質不但有葡萄糖，還有氧氣與水，從這個公式就可以知道光合作用對地球上的生物有多重要了。
光合作用是植物的新陳代謝，對於動物而言，新陳代謝有體內細胞的物質交換、物質代謝、能量代謝等。
有些很原始的動物，例如單細胞動物，由於它的細胞很少，因此能夠直接用其細胞與環境進行物質交換。由於它們生活在水中，就直接從水中吸收氧氣與有機物質，再直接送到細胞內部進行消化。
但對於比較高等的動物就不能這樣了，它們通常由數以億計的細胞組成，這些細胞居於體內，並不與外界環境直接相通，它們又如何與外界進行物質交換呢？
我們就以人為例來分析吧！我們知道，人體內有大量液體，即體液，它們占了人體總重量的60%以上。體液在細胞之內外都有，其中存在於細胞內的就叫內液，存在於細胞外的就叫外液，細胞外液包括組織液、血漿、淋巴三種。我們看下麵的圖：
存在於細胞外的外液自然構成了細胞的生存環境，由於外液是液體，因此細胞們都像浸在水裏一樣，細胞生活的這個環境就叫做人體的內環境，與內環境相對的當然是外界環境，即外環境了。
組成內環境的三種成分之間是可以互相交換水分與營養物質的，例如組織液與血漿之間隻隔著毛細血管壁，水分與許多營養物質都可以穿透毛細血管壁，在二者之間互相交換。組織液還可以滲入毛細淋巴管，成為淋巴。而細胞當然是可以與它“浸泡”於之的內環境間有物質交換的，隻要透過薄薄的細胞壁就行了。這種交換包括兩部分：一是細胞所需要的氧、水、營養物質等通過它的內環境進入細胞，二是細胞新陳代謝所產生的廢物也要通過內環境排泄到外界環境。
上麵細胞與內、外環境之間進行的物質交換其實也就是其物質代謝了，但這隻是物質代謝的開頭與結尾，隻是一個大概的過程，實際上動物體內的物質代謝過程要複雜得多，像人這種結構那麼複雜的高級動物更是如此。在這開頭與結尾之間的過程之複雜簡直令人匪夷所思，其中許多人類都還不知道呢！
據科學家們估計，人體細胞內每分鍾要發生幾百萬次化學反應。要順利完成這麼多化學反應除了反應的設備與原料——也就是細胞自身以及各水分、氧、營養物質——要具備外，另外就是要有酶，這我們前麵就說過了，沒有酶的幫忙要完成這麼多的化學反應是不可想象的。
多虧了酶效率極高的幫助，人體的物質更新速度非常之快，皮膚、肌肉等組織中的蛋白質約300天就要完全更新一次；血液中的紅細胞每秒鍾就要更新200多萬個，大約每隔120天全部紅細胞就要完全更新一次；肝與血漿中的蛋白質則隻要20天左右就要完全更新一次。據統計，一個人隻要活60年，那麼他一生中與外界環境交換的各種物質的數量是：水約50噸、糖類10噸、蛋白質1.6噸、脂肪類1噸。加起來各種交換物質的總量約相當於人體總重量的1200倍，也就是說按重量而言每年要將人體徹底更新20次，一個月近兩次。
那麼人體是如何將這麼多的外界物質攝入體內，並且變成身體之一部分的呢？這要靠人體的消化係統的幫助，是它完成這項艱巨任務的，這個消化係統又分成兩部分：一是消化器官，包括口腔、食道、胃、小腸、大腸、肛門等。二是消化腺以及它們分泌的消化液。例如唾液腺，它分泌的就是唾液；胰腺，它分泌胰液；肝髒，它分泌膽汁；胃腺，它分泌胃液；腸腺，它分泌小腸液。