你手中这本生物学的书籍是有趣的，与只是知识概念罗列的课本相比，这本书不但告诉你“其然”，还会告诉你“其所以然”，把你从的死板的概念中解脱出来，每一个概念的来龙去脉、每一个知识点的前因后果都跃然纸上，让你在不知不觉的“好玩”过程中理解生物学这本课程。

本书是一本适合全学段中学生进行严肃阅读的生物学科普读物。全书以“系统”“适应”“进化”三个角度作为切入点，针对中学低年级、中年级、高年级三个学段学生的阅读特点与需求，多角度、多维度地将生物学知识进行体系化构建，通过系统且有趣的描述将读者带入一个美妙的生物世界。
本书可以作为中学生生物学学习的重要课外读物，具有高的科普及学习辅助价值。

一编系统：从细胞到生物圈
一章生命是一个低熵系统/3
一、生物系统像一座围城/3
二、细胞膜上的麦克斯韦妖/5
三、城外混乱Vs城内井然/7
四、生命体中的乐高积木/8
第二章低熵系统需要从系统外摄取能量/11
一、“木材与木柴”—生命体中的两类物质/11
二、细胞里的发电厂/13
三、生命系统的高速公路/15
四、低熵之源/17
第三章系统需要获取能源的信息/20
一、能源也是信息源/20
二、“它”来了，有细胞做好准备/22
三、细胞中的麦克风/24
四、把信号抹掉/26
第四章反馈调节与系统稳态/29
一、游泳池的管理员/29
二、马尔萨斯陷阱/30
三、缺席的管理者/32
四、正反馈—生与死/34
第五章系统的演化/37
一、地球系统演化史/37
二、分工/39
三、信息安排/41
四、愈合的伤口/43
第六章系统失调与溃散/46
一、失调/46
二、褪色的大堡礁/48
三、消失的文明/49
四、什么是死亡/52
第二编适应：生命的主旋律
第七章为了生存拼力/57
一、冰鱼与林蛙的故事/57
二、从嗜热菌说起/61
三、随机应变/65
四、军备竞赛/67
五、结成同盟/71
第八章为了后代拼力/75
一、病毒来袭/75
二、没有父亲的无性生殖/78
三、性的奖赏/82
第九章包容与妥协也是适应/98
一、直立行走的利与弊/98
二、疟疾与遗传病/101
三、两难的端粒/104
四、垃圾DNA/108
第十章拉马克“归来”/113
一、拉马克与获得性遗传/113
二、冬日饥荒/115
三、DNA甲基化/117四、玳瑁猫/118
五、食物改变命运/121
第三编进化：生命永恒的主题
第十一章地球上“乱撞”的能量如何被生命“收服”/127
一、生命“收服”原始地球上到处乱撞的能量/127
二、“从乱撞的能量到小能量包”——能量被有机小分子收服/127
三、“从小能量包到能量块”—能量被有机大分子收服/129
四、“从大分子能量块到细胞能量体、多细胞能量系统”—能量被有机生命体收服/137
第十二章从RNA到真核生物的演化/140
一、生命的特质—自我复制与信息贮藏/140
二、“原始生命推理版”—RNA/144
三、从生命乍现到神通广大的原核生物/148
四、真核生物的出现/154
第十三章生命信息处理能力的进化史/156
一、宏观层次：生命对环境中繁复信息的有效应对策略/156
二、微观层次：生命面对信息的基本反应/162
三、细胞中蛋白质分子帮忙实现
“信号→信息”的转化/163
四、神经细胞是“学习”的基础，蛋白质分子是“记忆”的源泉/167
第十四章从“性”的发展历史聊进化/176
一、从无性到有性/176
二、有性生殖的基础—减数分裂/181
三、有性生殖中需要确保选择的异性不是近亲/189
四、“性别反转人”的研究告诉我们真正决定性别的是基因/194
第十五章从“人”的发展通史看进化/197
一、化石中讲述的人类发展通史/197
二、“基因组”中讲述的人类发展通史/203
第十六章一直在进化的“进化论”/217
一、布丰、老达尔文还有拉马克的“用进废退”/217
二、达尔文的“自然选择”与其开创的时代/220
三、自然选择时代的新声音—中性学说/228
主要引用参考文献/233

张超：北京师范大学附属实验中学生物高级教师，在生物学学科教育、学习教育、生命教育等多个教育领域均有较深入的研究和实践。各领域著作二十余部，代表作有《平台教育理念：寻找并成就属于自己的人生》《学习，就是找对方法》《种豆如何能得瓜》等。
赵奂：北京师范大学附属实验中学生物高级教师，分子生物学博士。指导学生获得英特尔国际科学与工程大奖赛一等奖，指导学生团队获“国际遗传工程机器大赛”金奖（大陆高中首金）。著有《解读生命体》等作品。
林祖荣：北京师范大学附属实验中学生物学级教师，北京师范大学基础教育研究员。人民教育出版社高中、初中生物教材核心作者及教材培养专家组核心成员；在全国各地作教材教法等培训数百场；发表论文经验总结200余篇，著有《新课程理念与实施》《高中生物读本》等作品。

第二章低熵系统需要从系统外摄取能量
一、“木材与木柴”—生命体中的两类物质
中国古代建筑多是木结构，建筑风格在中国文化中留下了很深的印记，如“栋梁之
材”是指那些能够委以重任的人，其中“栋”和“梁”就是一个建筑的框架。只有山林中
高大乔木的主干才能作为“栋梁之材”。古人还会在山林中采集大量树枝作为薪柴，“渔樵
耕读”是古代四种重要职业，其中的“樵”就是采集木柴的人。不论“木材”还是“木
柴”，都是植物的一部分（见图2-1），但是用途却差异大。
图2-1“材”与“柴”
对于生命体来说，这种现象同样存在。同样一种物质，既能作为生命体的“木柴”为
生命体供能，又能作为“木材”构建生命体的大厦。糖对于生物来说是重要的能源物质，
但同时葡萄糖连接形成的纤维素又是构成植物的结构基础（“木材”和“木柴”的主要成
分都是纤维素，见图2-2）。蛋白质是构成人体的重要结构物质，头发、指甲、肌肉的主要
成分都是蛋白质，但是蛋白质也能为人体供能，蛋白质为人体提供的能量可占到有有机
物为人体供能的10%。脂肪看起来只配做“木柴”，但是脂肪水解后产生的脂肪酸是合成
磷脂的原料，磷脂作为细胞膜的基本骨架，在构成生命体结构上的作用不言而喻。
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葡萄糖
葡萄糖
纤维素
图2-2葡萄糖与纤维素
“木材”和“木柴”用于不同功能不难理解，但是为什么构成生命体的物质既能构成
生命体，又能为生命体提供能量呢？解释这个问题有两个角度，一个角度是构成生命
体的结构物质通常是大分子物质，是由小分子物质拼装形成的，大分子物质再聚合可以
形成更大的结构。在细胞中，“拼”和“拆”两个相反的过程同时进行，从生物大分子
上拆下来的小分子既可以作为合成生物大分子的原料，又能作为能源物质。第二个角度
是不同类型的小分子终可以转化成一组相同的物质，通过统一的路径氧化分解，释放有
机物中的能量为生物供能，同时这一组物质也能实现不同种类小分子物质之间的相互转化。
简言之，细胞中存在生物大分子和小分子之间的聚合和解聚，小分子之间的相互转化和小
分子氧化分解释放能量的机制，让构成生命体的有机物既能构建结构，又可以为生命体提
供能量。
在供能和小分子物质转化过程中，在一章中提到的小分子有机物乙酰辅酶A特别
重要，糖和脂肪酸代谢过程中都能产生这种物质。这种分子上的乙酰基团是从糖或脂肪酸
分解出来的一种含二碳单位，记为C2，C2能与一个四碳物质结合，形成六碳物质，六碳
物质依次脱掉两个C，又形成C4，即C2+C4→C6→C5+CO2→C4+CO2。C4物质包
括四种，在反应途径中依次出现，终形成的C4就是能与C2结合的C4。这个反应首尾相
连构成一个循环，被称为柠檬酸循环。正是这个循环的存在保证了乙酰辅酶A上的C2能
持续不断地生成CO2。同时C原来携带的H终与O2结合形成水，这一步的氧化分解能
释放大量能量，是需氧生物能量的主要来源。乙酰辅酶A就像一个连接两条岔路的路口，
糖和脂肪这两类能源物质经过两条不同的途径在这里汇合，然后走上一条相同的途径—
氧化分解，为机体供能。乙酰辅酶A的作用还不止于此，糖和脂肪代谢的很多途径可以
逆转，这就让乙酰辅酶A这个路口成了物质转化的通道。在动物体内，存糖转变成脂肪
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是一件很容易的事，这个代谢途径就是糖先转化成乙酰辅酶A，再由乙酰辅酶A合成脂
肪，如图2-3所示。
丙氨酸、
色氨酸、
丝氨酸、
天冬氨酸、
酪氨酸、
苯丙氨酸、
缬氨酸、
蛋氨酸、
异亮氨酸、
苏氨酸
脂肪酸
谷氨酸
乙酰辅酶A
乙酰辅酶A
辅酶A
C6（葡萄糖）
2C3
C4 C6
C5 CO2
CH3-C-辅酶A
CO2
CO2
O=
图2-3物质之间的相互转化
氨基酸是构成蛋白质的基本单位，这种分子含有氨基，细胞中存在脱去氨基酸上氨基
的反应，氨基酸脱去氨基后可以形成柠檬酸循环中的物质，或者经过转化形成这些物质，
通过这种方式为细胞供能。与之相反的过程是柠檬酸循环中的一些物质加上氨基就能形成
氨基酸，所以糖和脂肪也可以成为细胞生产氨基酸的原料。但是，对于人体细胞而言，构
成蛋白质的氨基酸不是都能生产出来，生产氨基酸的种类取决于细胞生产氨基酸碳骨架的
能力。人体细胞缺乏生产其中八种碳骨架的能力，这些氨基酸不能由人体合成，只能从食
物中摄取。这些氨基酸就被称为需氨基酸。
所以，细胞中的主要有机物是可以通过柠檬酸循环这个代谢过程相互转化的，也可以
通过这个过程走向氧化分解为细胞供能的途径。这个反应加上大分子物质的合成和分解就
让细胞能轻易转化“木材”与“木柴”。
二、细胞里的发电厂
现代社会与古代社会的生活有哪些不同呢？这个问题会有很多答案，但是电的使用
一定是其中非常重要的一点。在没有学会使用电能之前，人类已经开始利用各种形式的能
量。通过燃烧，化学能被转化为光能和热能，水利资源丰富的地区会使用水车，流水中蕴
藏的能量转化成了机械能的形式。
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现代社会中，人类直接使用的有能源几乎都可以通过电能转化而来，电灯提供照
明，电暖器、电磁炉提供热量，电动汽车为出行提供便利……电能为人类社会带来的方便
不言而喻，但是为什么人类会选择“电”呢？其中一个原因是人类现在的工具非常善于将
其他能量形式转化为电能，也非常善于将电能转化为其他形式的能，这样现代人类社会就
构建出了一个以电能为中介的能量系统。
细胞这个系统中存在一种类似于电能的能量中介，这个中介是一个由三种物质组成的
能量转化系统。这三种物质是ADP、磷酸和ATP。ADP与磷酸结合形成ATP，ATP分解
形成ADP和磷酸。前一个过程的发生需要吸收能量，后一个过程的发生会释放能量。前
一个反应需要的能量来自于各种有机物氧化产生的能量或者光能，后一个反应释放的能量
用于细胞运动、物质合成、物质转运等各种细胞中的能量需求。想象一下，如果没有这种
机制，细胞会出现什么问题？由于细胞不能肯定获取能源的是哪种物质，因此要为每一种
能源物质准备一套使用方案，这套方案中的每一个方案要终解决一种细胞对能量的需
求，这样排列组合下来，细胞中的代谢会过于复杂。有了ATP、ADP能量转化系统，所
有能量形式只要能转化成ATP中储存的能量，细胞需要的能量只要都用ATP中储存的能
量，这个问题就解决了。这种方式就像人类社会中使用的电能一样，不论什么能量形式，
先转变为电能，人类需要的各种能量再从电能中获取。
为了获得电能，人类社会有发电厂，细胞中的发电厂是线粒体，是细胞中生产ATP
多的场所（见图2-4）。虽然细胞中多数有机物都能被氧化分解，为细胞提供能量，但是
发电厂对原料的要求非常高，这个电厂的原料是C—H键中的电子。H在有元素中原子
核小，因此束缚电子能力特别弱，共用电子会被与H原子共用电子的其他原子吸引走，
如O、N、C都是这样。与H2中的电子相比，含H化合物中的电子被大原子吸引，这些
电子离原子核更近，能量更低。当H2与O2反应生成水时会燃烧发出光和热，这些能量就
可以看成电子能量降低释放出来的。C比O束缚电子的能力低很多，所以与O—H键相
比，C—H键的电子远离原子核，能级更高。这意味着在C—H转化为O—H的过程中也
会有能量释放出来。汽油、天然气燃烧释放的能量来源于这种转化。线粒体中发生的也是
C—H键转化为O—H的过程。C—H中带有高能量的电子被线粒体内膜上的蛋白质转移
走，H变成H+和电子两部分，H+留在线粒体基质中，获得电子的蛋白质能将线粒体基质
中的H+转运到线粒体内外膜之间的膜间腔中。这样在膜间腔内外就形成了H+浓度差，线
粒体内膜上的蛋白质就像麦克斯韦妖一样，吃掉电子携带的能量，然后造成熵值降低。蛋
白质运送完H+，就会把电子给下一个蛋白质，自己恢复原来的状态。电子级级传递，
终到线粒体内膜中的O2，O2接受电子后变成O-离子，这样隔在线粒体内膜两侧的就是
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线粒体
线粒体基质
H+
H+
H+
H H++
H+
H+
H+
H+H+
H+H+
H+
H+
H+H+
H+
H+
HH++
HH++
HH++
催化部位
固定
膜间腔
旋转部位
柄
ATP
ADP+Pi
线粒体内膜
图2-4线粒体内膜上的ATP合酶
H+和O-两种离子，膜间腔的电位要比线粒体基质高得多，这样H+就有强烈的动力从膜
间腔流回线粒体基质中。但是这种趋势被线粒体
内膜的磷脂层阻碍了。这个过程很像是一座水电
站的水库已经蓄满了水，发电只剩后一步，就
是让这些水流过发电机，如图2-5所示。
线粒体内膜上也有发电机，这台发电机叫作
ATP合酶。1994年，科学家通过X射线衍射技术
构建了ATP合酶的立体结构模型，发现这个蛋白
质有H+通过的通道，像风扇扇叶一样的结构与这条通道相连，后来的研究证明，10——14
个H+推动这个结构转动一次，每4个H+通过就有1分子ATP合成。这样的结构和功能
简直和发电机一模一样。
线粒体发电站正是通过先提高H+势能，再利用这些势能生产ATP的。