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少年时78 动物，与人类同行

很多人喜爱撸猫、逗狗，或乐于欣赏树上的鸟鸣，或因为夏季蚊虫叮咬而烦躁，我们每天都会与大大小小的动物接触，却未必想到它们与自己有着怎样深刻的联系。

什么是“我”？“我”是一个人。但，什么又是“人”？自诩万物主宰的人，总想要更进一步地了解自身。若想在生物学意义上说清什么是人，就要理清人与其他动物的关系，即它们与我们的相似或不同之处。

“人”从何而来？我们的寻根之旅，总少不了追溯自己的父亲、母亲以及他们的父亲、母亲，爷爷、奶奶、外公、外婆的父亲、母亲……若将时间尺度放大到上万年，乃至上亿年，其他动物正是我们在进化上或近或远的“亲属”。想了解人类的来历，就要研究其他动物以及它们在进化上的祖先。

人类一边自诩出类拔萃，一边害怕曲高和寡的孤独。正是在对其他动物的研究中，科学家找到了让我们学会谦卑，又能填补孤独感的依据——它们与我们有太多的共同点，比如：身体结构的对称性、神经系统传递信号的方式、模仿与学习行为、讲求效率的社会组织行为、与同类或异类争夺资源与划分势力范围的行为等。

我们与其他动物共存于这独一无二的地球，分享着资源，也影响着彼此的命运。

近代以来，人类活动对许多动物造成了很大的伤害。在对动物的研究中，人们渐渐明白了保护动物对自身的重要性，并开发出种种技术手段与理论方法，以确保我们与它们共同走上一条可持续发展的道路。

在本书中，就让我们跟随科学家，与那些奇异又可爱的动物“亲属”来一场科学层面上的深度“沟通”

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少年时70 换一个角度看生命

- 本期内容简介 -

春华秋实，鸿雁南飞，蝌蚪变青蛙，蹒 跚学步的婴儿长成白发苍苍的老人……或多 或少，我们都对这五彩斑斓的生命世界感到 好奇，想要知晓那些关于自身与其他生命的 奥秘。不过，探索生命世界的规律却并非易事。

生物学在人类世界的发展中扮演着重要 的角色。生物学研究生命的所有方面，包括 起源、演化、分布、构造、发育、功能、行 为、与环境的互动关系，等等。科学家在探 索生物世界的过程中，不断发展出更新的思 想观念、理论模型、实验方法，在不同层面 上探索着生物的规律。光学显微镜、X 射线、 电子显微镜、分子克隆与测序技术等技术工 具的发展，以及化学、物理学、数学、计算 机等其他学科已有工具的引入，也都让生物 学家对自然的探索越来越深入、越来越复杂，也越来越成体系。

纵观生物学史，我们隐约看到两种不太相同的研究方向：在一个方向上，生物学家 对研究对象逐层“解剖”，力图弄清更微小 尺度上更精细的规律;在另一个方向上，生 物学家认为精细的“解剖”不足以还原事物 之间错综影响产生的现象，他们把生命看成 “复杂系统”，研究系统中各种具体事物之 间的普遍联系，探寻整体的规律。在生物学 发展史上，这两种研究有时此消彼长，有时 携手并进，它们还与其他科学学科紧密配合，使生物学变成一种高度交叉的前沿科学。

如今，全世界每天都产生出成百上千个新的生物学研究成果，成百上千种不同的技 术手段和研究方法被生物学家运用在实验室 中。你是否想过，这浩如烟海的知识，这已 经高度成熟的研究范式，都是怎样被前人从 这个奥妙无穷的世界中采撷而出的呢?在螺 旋式发展的生物学历史上，一代代生物学家 曾走过哪些弯路?他们如何推翻了前人的认 识，又总结出了哪些可供后人参考的经验? 本书的目的，正是要回答这些问题。

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少年时76 植物-地球生物中的生产者

植物对整个地球的重要性怎么说也不 为过。植物让我们有了吃、穿、住、能源 及复杂的药物和化学产品；植物为我们的 生活创造了一个个充满感官吸引力的景象，我们用它们来标记时间和季节；植物给了 我们氧气，让我们能够呼吸…… 

我们每个人都生活在有植物的世界里， 我们很了解它们。对于植物学，我们也已 经知道了很多，我们已经知道李时珍的《本 草纲目》和林奈的《植物种志》，我们还 知道孟德尔和达尔文的研究、胡克显微镜 下的细胞格子和叶绿体的光合作用……而 在这本书里，我们将更多的篇幅放到本世 纪的植物学家所做的事情。 

21 世纪，大多数科学家越来越致力于 对世界的运作方式进行更完整的理解，植 物学家也不例外。现在，最热门的植物学 问题是，植物在生命的基本要素（能量、 碳、氢、氧和氮）的全球循环中作为主要 生产者的作用，以及人类的植物管理如何 帮助解决全球性问题，包括人类粮食安全、 资源有效利用、固碳、环境保护、气候变 化和可持续性发展。 

在本书的每一篇文章里，我们将从介 绍具体的研究项目入手，来展现科学家在 这些领域中的视角，包括：杂交水稻、转 基因植物、叶绿体模拟物、次生代谢物与 青蒿素、藻类的新应用、植物的信息传导 以及分子生物学如何为我们所知道的四十 几万种植物物种分类、建立它们的系统发 生树、寻找它们的祖先…… 

植物学家有自己的优势，他们的研究 对象既便宜又取用方便。了解地球生命， 最便捷的途径就是了解植物。

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少年时29 “攻占”人类大脑

大脑是人类意识、记忆和智慧的宝库，为了探索大脑的奥秘，解开人类大脑中蕴含的谜题，人类不断地尝试“攻占”人类大脑。

早期，人类对大脑一无所知，解剖学技术的出现使人们开始逐渐了解大脑的解剖结构，认识到大脑的复杂性。然而，仅仅了解大脑的解剖结构是不够的。大脑绝不仅仅是一团普通的物质结构，它最迷人的地方无疑是其强大的功能。为了研究大脑的功能，科学家发明了许多重要的技术手段，比如脑电波记录仪、磁共振技术、光遗传学等。这些技术的推陈出新使人类对大脑功能的认知不断深入，使人们开始对记忆、对梦这些有意思的现象有了新的理解，这也为治疗很多重要脑相关疾病提供了帮助，比如青少年中常常出现的多动症、阅读障碍以及常常困扰老年人的老年痴呆症、阿尔茨海默氏症等。

回顾科学家攻占人类大脑的历程，你会发现人对大脑认知的扩大离不开为之奉献一生的科学家，甚至还有做出巨大牺牲的病人；你还会发现，人类攻占大脑的过程与技术的发展革新息息相关。

人类对大脑的研究绝不会到此为止，未来，在脑科学领域产生的新发现和新技术必定会更加精彩夺目。脑—机接口、人工智能等新科技的出现，已经开始进一步推进人类攻占大脑的征程。如果你也被大脑的神奇深深吸引，希望你能加入攻占人类大脑的队伍中，也许未来有一天，正是你揭秘了更多大脑的奥秘。

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少年时92 | “设计”生命——合成生物学的视角

我们都知道，我们可以从电子元件、电子线路到电子系统，一步步地设计和制造出一台电子计算机，那么，我们能否从生物元件(DNA)、生物线路到生物系统，一步步地设计和制造出一个生命体呢?是的，合成生物学就是研究这个过程的一门学问。

合成生物学用工程化设计理念，对生物体进行有目标的设计、改造乃至重新合成，突破了生命发生与进化的自然法则，打开了从非生命物质向生命物质转化的大门。有学者认为，这是继DNA双螺旋结构发现和基因组测序之后的“第三次生物科学革命”。

不过，到现在为止，人类既未能，也没有设想制造一个活生生的哺乳动物。

现在我们看到的合成生物学，是一种利用细胞(如细菌)来生产我们想要的物质的技术。这种技术以人工设计与编写基因组为核心，对现有自然细胞进行改造和优化，或者设计成全新可控运行的人工细胞，并在这些“细胞工厂”里建立各种高效率的代谢网络，完成各种生产任务和生物新功能的创建。例如，采用合成生物学技术，我们可以创建食品细胞工厂，将可再生原料转化为重要食品组分、功能性食品添加剂和营养化学品;我们可以在各种环境中安置合成生物学传感器来探测污染物，并利用合成生物学技术来降解和处理污染物;我们还可以利用合成生物学来处理信息、加工化合物、制造材料、生产能源、研发新的医疗方法和药物……

合成生物学是一门新兴的交叉学科，它为生命科学研究带来了新思维、新方法。对于初学者，让我们放弃一些传统生物学的思维惯性，跟着科学家，用新的思路来接触这门奇特的学问，用新的视角来审视生命。

少年时96 | 认识基因——从破解到操控

本书讲述了基因研究在一百多年中的发展历程，人类对基因的认知从破解走向了操控。二十世纪初，科学家开始认识到生物体的性状是由细胞核中的遗传物质决定的; 1953年，沃森和克里克发现了DNA的双螺旋结构，随后克里克建立了遗传信息从DNA流向RNA，再到蛋白质的中心法则; 2000 年 ,“人类基因组计划”初步完成，由此进入对基因系统性研究的组学时代;2012年，科学家发现了CRISPR/Cas基因编辑系统，并将其发展成了强大的基因改造工具。与以上这些里程碑式事件同时发展的是基因工程，随着限制性内切酶的发现，人们开始在分子水平上对基因进行操作，“兴建”了各种细菌工厂以生产特定的蛋白质，准确修改动植物的基因组以获得期望的表型。众多与各种疾病相关的基因和基因突变被发现，让我们可以采取针对性的治疗，使临床医学进入了分子时代。

从学科归属看，基因研究属于分子生物学和分子遗传学的范畴。当科学家明确了DNA分子是构成基因的主要成分，并发现DNA决定表型的认知范式，就使“经典遗传学”进入了“分子遗传学”时代;而随着DNA双螺旋分子结构的确认，以及随后通过生物大分子特性对生命现象进行了深入的研究，分子生物学也逐渐从生物化学和分子遗传学分离出来，成为上个世纪末至本世纪生命科学的热点。基因分子生物学研究是现代生物学与医学研究的基石。

“少年时”丛书涉及大量生物学与医学的内容，撰写这些章节的作者有时会假定读者已经掌握了基因的基本知识，而直接在此基础上展开内容。我们希望本书可以作为一本比较系统的基因分子生物学基础书，为读者铺垫这方面的基本知识，或者解答读者阅读其他“少年时”生物学与医学书籍相关文章时可能产生的疑问。

少年时86|细胞大作战

大约 40 亿年前，地球诞生了最初的生命，它们由简单的有机化合物演化而来。而我们现在所有生命的共同祖先也在其中，它就是 LUCA。它很像现在的单细胞生物：具有原始的细胞膜，含有遗传物质并可翻译成蛋白质，能为自身提供能量，可进行自我复制。这些也成为现有生命的特点。

今天纷繁多样的生命都是由最原始的细胞演化而来的。而构成生命的最基础结构也是细胞，众多的细胞能进一步形成组织，再形成器官、系统，最终形成生物体。很难想象，自然界中形态各异的花草虫鱼、飞禽走兽，都由这样无数相似的微小结构组成。

这些微小结构由膜结构包裹着，内里盛满了各种细胞器和凝胶状物质。其中的细胞核容纳了生命体的遗传物质，精密地调控着细胞内的生命活动，使细胞时刻不停地进行着转录、翻译、生长分裂、能量合成、物质代谢、信息交流等工作，形成了一套复杂的生物系统。细胞精妙的运行机制吸引着科学家的目光。

我们今天不仅可以通过显微技术观察细胞内部结构、追踪生物大分子的踪迹，我们还可以对单个细胞进行分离和研究。从细胞生物学再到分子生物学，随着细胞研究的深入，化学、物理、数学和计算机等学科的交叉研究方法也越来越多应用于细胞机制的探索中。对细胞的研究有助于我们进一步了解疾病发生的根源，尤其是癌症，甚至有可能揭示生命的奥秘。

在这本书中，我们会带你一同了解细胞研究的历史、细胞生命活动的细节、细胞研究的最新进展和技术手段。当你越深入地了解细胞，越会发现其中“别有洞天”，还有更多的未知等待着你去探索

少年时60|探究意识的本质——神经生物学的视角

“少年时”丛书里筹备时间最长的专题“探究意识的本质”终于跟大家见面了。

意识来自哪里?如何形成?为了准备这个专题，我们采访了当今意识研究领域的先锋人物克里斯托夫·科赫(Christof Koch)、马塞洛·马西米尼(Marcello Massimini)，他们希望用一种理论来阐明大脑和意识之间的关系。还有正在中国进行一线脑科学研究的专家杜久林教授，他和他的团队正在从介观层面解析全脑神经元网络。我们还请到了美国乔治城大学神经科学系教授吴建永、复旦大学的退休教授顾凡及和从事光遗传学研究的陆绮博士来作为本书的作者。神经元和神经连接是吴建永教授工作和教学的内容，他将很多研究生课本里的内容深入浅出地表达出来。顾凡及老师翻译了多部有关意识的著作，近年来一直从事脑科学的科普工作。

少年时51|进化论的进化

我是谁?我从哪里来?我要到哪里去?这些问题既是哲学问题，也是科学问题，进化理论体现的正是人类从科学的角度回答这三个终极问题的智慧结晶。

在本书中，我们将跟随自达尔文登上“小猎犬号”开始他的发现之旅。至今的一百八十几年来，进化理论的提出、发展、系统化、定量化的“进化”历程：从达尔文在对自然界生物敏锐细致的观察中找到进化的线索，到孟德尔心无旁骛地种植8年豌豆，再到建立综合进化论的多位科学家用数学定量方法阐释了群体层次上的自然选择机制，直至木村资生提出分子水平上的非选择机制以及分子生物学的发展带来的表观遗传学对进化理论新的补充。观察、质疑、实验、建模，这些科学的研究方法不仅能用于进化现象的研究，还能解决更多的科学问题。同时，在进化论发展中，科学家展现出的勇气、毅力也是值得学习和继承的品质。

少年时39|人类进化树

在人族700多万年的演化历史中，几十个人种相继出现，甚至共同生活于同一个时间跨度，它们之间发生了什么，是竞争、迁移，还是相互取代?为何智人最终脱颖而出，成为地球上最后一个也是唯一的现存人种?了解这些，我们就能在更大的视野和更高的维度上审视自己，包括我们的行为、心理、价值观，还有人性……

本期《少年时》让你深入了解我们祖先与物质世界的关系，我们自己与物质世界的关系。

少年时31| 人类视觉的延伸

光如何进入眼睛，如何转变成电信号在身体中传输，最后上升为感知和意识?视觉感知只是物质世界的反映，还是包括了人的精神体验?未来VR和AR装备会不会成为人类器官的重要组成部分?本期《少年时》让你深入了解视觉的要素和本质。

少年时20 | 奥运中的科学

随着各项世界纪录越来越难以打破，很多科学家认为人类竞技水平已经逼近生理极限。但是，随着现代科学和技术进入奥运，人的极限又有了提升的空间。一方面，生理学、生物学和力学知识让运动员对自身和运动之间的互动有了更进一步的了解，比如，通过流体力学分析游泳运动员的动作与水流之间的作用，可以优化动作、提高成绩;另一方面，一些科技设备可以帮助运动员掌握整个运动过程，比如智能冰鞋和自行车上的追踪设备;还有一些装备可以直接帮助运动员更好地发挥，比如让双脚获得合适支撑的跑鞋。

如今，赛场上的运动已经不是单纯的身体条件的比拼那么简单了。你是否会想，科技的应用是否已经造成了不同国家和地区的人在起点上的不平等?如何界定科技的合理应用范围?“相互理解、友谊、团结和公平竞争”是奥林匹克的精神，被写入《奥林匹克宪章》，科技的正面力量也将在这一前提下发挥作用。

少年时13 | 猫和狗

从宠物来看人类与动物的关系。猫和狗是怎么进化又是怎么变成人类的宠物的?如果没有人类，它们会是什么样子;如果没有它们，人类又会是什么样子?宠物可以有多另类，你适不适合养宠物?这是一个关系地球物种进化，关系人类成长的大问题。

少年时06 | 恐龙复兴

1842年英国古生物学家理查·欧文提出“恐龙”这个词，一百多年来，恐龙曾经让全世界为之风靡。而当人们觉得这种古生物已经不太能调动人类的好奇心时，“恐龙”又进入了一个复兴时期。更多的挖掘证据让人们相信鸟类和恐龙的亲缘关系，科学家甚至提出，让一只鸡“逆进化”为迅猛龙。这位科学家就是电影《侏罗纪世界》的科学顾问杰克•霍纳。他会在本书中告诉你，电影中的恐龙是如何活灵活现地出现在你眼前的。你或许会由此获得启发，曾经的对于恐龙的狂想又重新升温。如果恐龙没有灭绝，在6500 多万年的漫长时光中，它也一定会进化， 是不是可能已成为跟人类平行的一支?

少年时05 | 解译生命密码

自然界中的生物多种多样，但它们却使用着同样一种语言——分子语言，用这种语言编写出大自然最复杂的密码——DNA。生物通过它，将生命的形态和特征代代相传，每一种生物因此而不同，而每一种生物中的个体因此而相似。这一串遗传密码中写着生命的秘密，科学家通过它可以找到人类远古的外祖母，窥探到一个人将来可能患什么疾病，还很有现在不治的疾病都可以由之而治愈。一旦这串密码完全解开，人类才能从本质上看清自己。

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