本文發表於《大眾科學》的前部落格網路，反映了作者的觀點，不一定反映《大眾科學》的觀點
在本次講座，以及之前的和接下來的講座中，我將探討我真正薄弱的生物學領域：生命的起源、生命的多樣性和分類學/系統學。這些也是最近發生了很多變化的領域（通常尚未納入教科書），我不太可能跟上最新的進展，所以請幫助我將這些講座提升到標準水平...... 這篇文章最初寫於 2006年 並多次重新發布，包括在 2010年。
您可能知道，我已經向成人教育專案的非傳統學生教授 BIO101（以及 BIO102 實驗室）大約十二年了。我不時在部落格上公開思考這個問題（參見 這裡、 這裡、 這裡、 這裡、 這裡、 這裡 和 這裡 是一些關於它的各個方面的簡短文章 - 從影片的使用，到課堂部落格的使用，到開放獲取對於學生閱讀主要文獻的重要性）。這個專案的學生質量多年來穩步提高，但我仍然受到時間的極大限制：在八週內，我與學生有八次 4 小時的會議。在這段時間裡，我必須向他們講授他們作為非科學專業學生所需的所有生物學知識，並留出足夠的時間讓每個學生做一個演示（關於他們最喜歡的動植物的科學）和兩次考試。因此，我必須將講座精簡到最基本的內容，並希望這些基本內容是非科學專業學生真正需要了解的：概念而不是事實，與他們生活的其餘部分的關係而不是與其他科學的關係。因此，我的講座之後會放映影片和課堂討論，他們的家庭作業包括找到很酷的生物學影片或文章，並將連結釋出在課堂部落格上供所有人檢視。我曾幾次使用瘧疾作為連線所有主題的線索——從細胞生物學到生態學到生理學到進化。我認為效果很好，但很難做到。他們還就生理學的某些方面撰寫一篇期末論文。
另一個新的發展是管理部門已經意識到，大多數教職員工都在學校工作了很多年。我們經驗豐富，而且顯然我們知道自己在做什麼。因此，他們最近給了我們更多的自由來設計我們自己的教學大綱，而不是遵循預先定義的教學大綱，只要課程的最終目標保持不變即可。我不完全確定我什麼時候再次教授 BIO101 講座（秋季末、春季？），但我希望儘早開始重新思考我的課程。我也擔心，由於我沒有積極在實驗室進行研究，因此沒有密切關注文獻，我所教授的一些內容現在已經過時了。並非任何人都能跟上如此龐大的生物學所有領域的進展，但至少影響入門課程教學的重大更新是我需要了解的。
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我需要趕上進度並更新我的講義。有什麼比眾包更好的方法呢！因此，在接下來的幾周內，我將重新發布我舊的講義（請注意，它們只是介紹——討論和影片等在課堂上跟進），並請您為我進行事實核查。如果我弄錯了什麼或者有什麼過時了，請告訴我（但如果問題尚未解決，請不要只推銷您自己偏好的假設——請給我完整的爭議解釋）。如果有什麼明顯遺漏，請告訴我。如果有些內容可以用更優美的語言表達——請編輯我的句子。如果您知道任何很酷的圖片、文章、部落格文章、影片、播客、視覺化、動畫、遊戲等，可以用來解釋這些基本概念，請告訴我。最後，一旦我們對所有講座都這樣做完，讓我們討論一下整體教學大綱——對於這樣一個快節奏的課程，是否有更好的方法來組織所有這些材料。
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當前生物多樣性
在本次講座的前兩部分，我們探討了 生命和生物多樣性的起源 以及 生物多樣性進化的機制。現在，我們將看看這些機制迄今為止產生了什麼——我們星球上當前的多樣性狀態。
三大域
今天生活在地球上的生物大致分為三個大域：細菌、古菌和真核生物（原生生物、植物、真菌和動物）。我們對三大域之間關係的理解目前正在發生巨大的變化。舊的劃分是基於形態學和生物化學的差異，但最近的遺傳資料迫使我們重新思考和修訂我們對三大域的看法。
以前認為細菌首先出現，古菌是從細菌譜系的一個分支進化而來的，而第一個真核生物（原生生物）是透過內共生過程進化而來的：小細菌和古菌在較大細菌的細胞內找到永久的家，並形成細胞器。人們認為細菌總是簡單的，古菌有點複雜，而真核生物是最複雜的。
細菌和古菌都不具有任何細胞器或亞細胞區室。這兩組之間細胞壁的化學成分差異驚人。古菌的基因，像真核生物一樣，具有內含子。直到最近，人們還認為細菌基因沒有內含子，然而，最近發現了細菌內含子的殘餘物，這表明細菌過去曾經有內含子，但後來又丟失了它們——在 36 億年的進化過程中變得更簡單。古菌中參與 DNA 轉錄的酶與真核生物中相應的酶比細菌中的更相似。
分子資料，以及我們從進化論中瞭解到的種群大小如何影響自然選擇的強度，一種新的圖景已經出現。最早的細菌很簡單，緊貼複雜性的左牆。當它們的種群規模仍然很小時，細菌進化出越來越高的複雜性，在某種程度上離開了左牆，進化出更復雜的基因組，更復雜的 DNA 轉錄機制（包括內含子），甚至可能還有一些細胞器。同樣，古菌從細菌中分離出來（或者可能它們甚至先出現），並與細菌並行進化出更高的複雜性。真核生物也早期從細菌樹中分離出來，並進化出自身的複雜性。因此，有三個群體同時進化出越來越高的複雜性。
然後，細菌和古菌的種群規模增長了。細菌和古菌不再是海洋中某個地方的小口袋，而是佔據了地球上的每個角落，數量巨大。大的種群規模使自然選擇非常強大。更高的複雜性不適合，因此會被淘汰。因此，最初複雜的細菌和古菌隨著時間的推移變得更簡單了——它們變成了我們今天看到的精簡、平均的進化機器——它們是整個地球歷史上主要的生命形式。它們失去了內含子，失去了細胞器，失去了許多複雜的酶促途徑，每個物種都在縮小其基因組，並強烈地專門化於一個特定的生態位。
另一方面，真核生物的數量增長不多。種群規模仍然很小，因此對複雜性的選擇壓力減弱了——真核生物可以自由地遠離左牆進化。它們的複雜性增加了，吞噬了其他微生物，這些微生物後來變成了線粒體和葉綠體。
因此，儘管我們出於自我中心的原因，喜歡將更高的複雜性視為比簡單更好，但地球生命進化的宏大故事是簡化的故事。自然選擇嚴厲地淘汰了嘗試更高複雜性的生物——真核生物是一個例外：這是一種進化上的偶然事件，是由於它們存在於小而孤立的種群中，在這些種群中，對複雜性的選擇壓力減弱了。
細菌
細菌是小的單細胞生物，沒有內部結構或細胞器。細菌細胞膜表面可能有細胞壁，並且可能進化出纖毛或鞭毛用於運動。DNA 通常組織成單個環狀染色體。一些細菌聚整合菌落或鏈狀，而另一些物種中的每個細胞都獨立生活。
在實驗室中，透過特定的染色劑對細胞壁進行染色，可以很容易地將細菌分為兩大類：革蘭氏陽性菌（紫色染色）和革蘭氏陰性菌（紅色染色）。按形狀，細菌分為球菌（球形細胞）、桿菌（桿狀）和螺旋菌（線狀或蠕蟲狀細胞）。
細菌能夠感知它們的環境並對其做出反應——也就是說，它們能夠表現出行為。細菌也能夠彼此交流——例如，它們可以感知特定位置存在多少細菌，並且一旦種群數量達到一定閾值，它們都可以改變它們的行為——這種感知被稱為群體感應。
許多細菌是植物和動物（包括人類）的嚴重病原體。另一些是重要的動植物屍體分解者，因此在地球的生態系統中發揮著重要作用。還有一些是共生體——與其他生物體建立互利共生關係，例如，與植物和動物。
耐輻射奇異球菌 是一種著名的細菌。它在核反應堆內部茁壯成長。當然，我們的反應堆是非常近期的創新，因此科學家們長期以來一直困惑，是什麼樣的自然環境選擇了這些生物，使其能夠在如此惡劣的環境中生存。事實證明，脫水（乾燥）對 DNA 的影響與放射性相同——DNA 分子片段化和撕裂。耐輻射奇異球菌進化出特別快速和準確的 DNA 修復機制。生物工程專案正在進行中，以基因工程改造這些細菌，使其可以用於清理放射性洩漏和消化核廢料。
我們的消化道內部為大量微生物提供了家園。思考我們的“腸道菌群”的最佳方式是從生態系統的角度來看。我們在出生時獲得它，並用我們從環境中獲得的細菌（主要來自我們的父母）建立它。腸道中的細菌種群經歷了建立生態系統的階段，類似於次生演替。如果由於疾病或由於使用強效抗生素，生態系統的平衡被破壞，它可能會透過類似於初生演替的階段恢復。
對完全內部無菌動物（主要是豬和兔子）的實驗表明，我們依賴我們的腸道細菌來完成我們的一些正常功能，例如，消化一些食物成分，包括維生素。在許多方面，經過數百萬年的進化，我們的腸道細菌已經成為我們不可或缺的一部分，現在正在推動對我們的細菌菌群的完整基因組進行測序，並將該資訊納入人類基因組。我們腸道中細菌生態系統的組成會影響我們對疾病的反應方式，甚至影響我們是否會 發胖，因此最近有很多關於人類個體之間腸道菌群的 個體差異 的研究，所謂的“糞便指紋”（是的，科學家確實有幽默感）。
古菌
古菌可能是地球上最早的生命形式。今天，它們傾向於佔據其他生物無法佔據的生態位。因此，它們被發現在地表下數英里的岩石內部生活，它們被發現在極其寒冷和極其炎熱的環境中，在非常鹹、非常酸性和非常鹼性的環境中也是如此。黃石國家公園老忠實間歇泉的熱水中居住著一種古菌。它們很難研究，因為它們在實驗室的正常條件下（室溫、中性 pH 值等）會死亡。
儘管已發現一些古菌生活在我們體內，但迄今為止，還沒有一種被確定為病原體。只是在最近（即最近幾周），已經表明 一種古菌確實對我們的健康有影響——不是作為病原體，而是作為促進劑。它可以遷移到我們牙齒的根部並在那裡建立菌落。然後它會以這樣一種方式改變牙齒中的環境，使其有利於病原菌的遷移和繁殖，然後病原菌可以攻擊牙齒。
原生生物
原生生物是一個人為的生物群體——每個不能歸類為植物、真菌或動物的真核生物都歸為此類。因此，原生生物的物種數量非常龐大，形狀、大小和代謝型別的多樣性也很大。
有些原生生物是微小的單細胞生物，如草履蟲（Paramecium），而另一些是多細胞的，並且相當大（例如，海帶）。有些原生生物，例如，細胞性黏菌，在其生命週期中具有單細胞和多細胞階段。
即使是一些單細胞原生生物也可能非常大——傘藻（'美人魚的酒杯'，見圖）細胞長約 5 釐米，因此人眼完全可見。大多數原生生物透過無性過程（例如，裂變或出芽）定期繁殖，僅在壓力時期才利用有性生殖（例如，接合，這是一種基因交換）。有些原生生物僅被質膜包圍，而另一些原生生物則在自身周圍形成二氧化矽（玻璃）外殼。有些原生生物有鞭毛或纖毛，而另一些原生生物則透過偽足（假腿——變形蟲運動）移動。
傳統上，原生生物根據其代謝人為地細分為三個基本組：能夠進行光合作用的原生生物（自養生物）稱為藻類，異養生物稱為原生動物，而吸收者稱為真菌樣原生生物。根據形態學，原生生物分為大約 15 個門，分為六個主要組。新的分子技術正在徹底改變原生生物的分類學和系統學。一個群體，綠藻，最近已從原生生物移出並進入植物界。另一個群體，領鞭毛蟲，已被移至動物界，因為它們與海綿最密切相關。
有些原生生物是寄生蟲，會引起人類疾病。其中最著名的是瘧原蟲（瘧疾）、多種錐蟲（昏睡病、利什曼病和恰加斯病）和賈第鞭毛蟲（旅行者腹瀉）。腰鞭毛蟲生活在海洋表面，對於吸收二氧化碳和產生氧氣幾乎與陸地上的森林一樣重要。
植物
植物是陸生的多細胞生物，能夠進行光合作用（儘管有些物種已經再次遷回水生環境或失去了光合作用的能力）。今天地球上大約有 30 萬種植物。它們分為兩大類：非維管植物和維管植物。苔蘚、地錢和其他一些較小的類群是非維管植物。所有其他植物都是維管植物，這意味著它們擁有用於將水和養分從根部輸送到莖和葉，以及從葉子輸送回根部的管道和管狀系統。這些管道和管狀系統稱為韌皮部和木質部。
在維管植物中，有些透過形成孢子繁殖，而另一些則產生種子。產生孢子的無種子維管植物包括蕨類植物和木賊。種子由兩個大類群產生：裸子植物（例如，針葉樹）和被子植物（開花植物）。
植物的一個重要進化趨勢是生命週期中單倍體部分的逐漸減少和二倍體部分（孢子體）同時上升到主導地位。例如，在苔蘚中，幾乎所有植物都是單倍體，除了在莖尖發育的二倍體孢子。在開花植物（例如，樹木）中，幾乎所有植物細胞都是二倍體（就像我們一樣），而花朵含有雄性和雌性配子（花粉和卵子）。
真菌
真菌可以是單細胞的（例如，一些酵母和黴菌）或多細胞的（例如，蘑菇）。分子資料表明，真菌與動物的親緣關係比植物更近。真菌是異養生物，它們透過將酶分泌到基質中並吸收消化的物質來從土壤中獲取養分。它們不能進行光合作用。真菌由菌絲組成，菌絲是細長的細絲。菌絲的集合稱為菌絲體，可以構建像蘑菇這樣的大型結構。孢子是繁殖的手段，透過有性或無性過程形成。
真菌傾向於與其他生物體建立共生關係。其中一些關係是寄生的，就像我們自己的真菌病一樣。另一些關係是互利的，例如，地衣、菌根和內生菌。地衣是真菌和光合作用生物（通常是綠藻）之間的互利共生結合。菌根在真菌和植物根系之間形成互利共生結合（例如，苜蓿）。內生菌是植物，其內部細胞間隙中有真菌，並且可能透過產生毒素來提供對食草動物的保護。
動物
動物是多細胞異養生物（它們不進行光合作用）。它們表現出胚胎髮育，並且主要進行有性生殖。動物的重要特徵之一是運動。雖然微生物（細菌、古菌和小型原生生物）可以移動，但大型生物（大型原生生物、植物和真菌）不能移動——它們是固著的（附著在基質上）。動物是能夠主動運動的大型生物：游泳、爬行、行走、奔跑、跳躍或飛行。雖然有些動物也是固著的，但至少在其生命週期的一個階段（例如，幼蟲）能夠主動運動。
動物進化中的一些主要轉變是組織的進化、對稱性的進化（首先是輻射對稱，後來是兩側對稱）、假體腔和真體腔的進化、原口動物和後口動物之間的差異以及分節的進化。
動物大約有 37 個門。動物可以分為兩個亞界：側生動物和真後生動物。側生動物是領鞭毛蟲和海綿。它們沒有組織——它們的細胞是隨機組織的。海綿可以透過篩子擠壓，所有細胞在此過程中都會彼此分離，但它們會重新連線並隨後形成完整的海綿。海綿透過整個身體的重組來 移動 ——細胞在彼此之上移動（拉動矽質骨針），每天可以移動多達 6 毫米。所有其他動物都是真後生動物——它們的細胞在適當的組織內組織。
側生動物也沒有身體對稱性。一些動物門（例如，刺胞動物門）具有輻射對稱——它們被稱為輻射對稱動物。大多數動物門（兩側對稱動物）具有兩側對稱：身體的左側和右側是彼此的映象。在兩側對稱動物中，早期胚胎決定不僅有上下軸，而且還有前後軸。兩側對稱賦予動物方向——它朝一個方向移動，感覺器官和嘴巴傾向於在前面，而排洩和生殖則被置於動物的後部。
在早期發育過程中，球形胚胎（原腸胚）的細胞組織成層。一些動物（雙胚層動物）只有兩層：外胚層在外面，內胚層在裡面。大多數動物（三胚層動物）在中間進化出了第三層——中胚層。外胚層產生皮膚和神經系統。內胚層產生腸道和肺等。中胚層產生肌肉和許多其他內部器官。通常，輻射對稱動物是雙胚層動物，而兩側對稱動物是三胚層動物。
在更原始的動物中，沒有內部體腔（例如，扁形動物）。在另一些動物中，在發育過程中，內胚層和中胚層之間形成一個腔——它被稱為假體腔（例如，線蟲）。在大多數動物中，真正的體腔在中胚層的兩層之間發育。我們的腹腔和胸腔是我們體腔的一部分。
在大多數動物門中，早期胚胎透過螺旋卵裂分裂。胚孔——通向囊胚腔的開口——最終變成嘴。這些動物被稱為原口動物。原口動物進一步分為兩組：一組動物透過增加身體質量生長（例如，環節動物、軟體動物和扁形動物），而另一組動物透過蛻皮生長（例如，線蟲和節肢動物）。
在棘皮動物門和脊索動物門中，胚胎透過放射卵裂分裂。胚孔變成肛門。這些動物是後口動物。
環節動物門、節肢動物門和脊索動物門這三個大型動物門進化出了分節，使用 Hox 基因來驅動每個節段的發育。
您將必須閱讀教科書中相關的三個動物章節，以瞭解有關以下門的更多資訊：海綿動物門、刺胞動物門、環節動物門、軟體動物門、節肢動物門和脊索動物門。
脊索動物門是我們出於自我中心的原因最感興趣的門——因為我們是脊索動物。該門由一些無脊椎動物類群和脊椎動物組成（所有其他動物門也是無脊椎動物）。無脊椎動物脊索動物是半索動物（柱頭蟲）、尾索動物（海鞘）和頭索動物（例如，文昌魚——文昌魚，見圖）。無脊椎動物脊索動物的幼蟲與棘皮動物的幼蟲非常相似，這兩個類群也是後口動物，最近的分子資料也證實了脊索動物和棘皮動物之間的密切關係。
所有脊索動物至少在發育的某個階段都具有脊索。早期的脊索動物是水生動物。盲鰻和七鰓鰻是兩個最原始的脊椎動物類群。在進行分子分析之前，這兩個類群被歸為一類無頜魚（Agnatha），但此後被分為兩個獨立的綱。
“魚”是幾個不同水生脊椎動物類群的通俗名稱。最重要的綱是軟骨魚綱（Chondrichthyes，例如，鯊魚、鰩魚和鱘魚）、肉鰭魚綱（Sarcopterygii，例如，雀鱔）和輻鰭魚綱（Actinopterygii——您能想到的絕大多數魚類）。後兩者有時也統稱為硬骨魚（Teleostei）。總鰭魚綱，曾經是一個突出的肉鰭魚綱類群，今天僅存活一個現存物種（腔棘魚或矛尾魚），是古代兩棲動物的起源——第一批入侵陸地的脊椎動物（檢視 Tiktaalik 網站以獲取更多資訊）。
兩棲動物是青蛙、蟾蜍、蠑螈和蚓螈。至少生命週期的一部分——繁殖和早期發育——依賴於水。它們有腿用於陸地運動，有肺用於陸地呼吸。
爬行動物綱是一個龐大而多樣的脊椎動物綱。它們包括蜥蜴、蛇、鬣蜥、海龜、陸龜和鱷魚。它們有鱗狀皮膚，這使它們能夠在乾旱環境中生存。它們進化出了羊膜卵——一種含有營養豐富的卵黃幷包含在皮革狀外殼內的卵。因此，繁殖和發育不依賴於水。許多爬行動物生活在沙漠中。
一個現已滅絕的古代爬行動物類群（獸孔目）在大約 2.2 億年前產生了哺乳動物（哺乳綱）。早期的哺乳動物是相當大的食肉動物。然而，在恐龍統治的 1.5 億年間（另一個已滅絕的爬行動物類群），哺乳動物被限制在一個非常小的生態位——夜間穴居食蟲動物。只有在恐龍滅絕之後（6500 萬年前），哺乳動物才得以開始快速進化輻射，產生了我們現在知道的類群。
鳥類和哺乳動物是溫血動物——它們可以透過在肌肉和肝臟等器官中產生熱量來控制（並保持恆定）它們的體溫。這是一種代謝上昂貴的策略，需要這些動物非常頻繁地進食，但這給了它們速度和耐力，並使這些動物能夠生活在地球的每個角落，包括極地地區。其他脊椎動物綱是冷血動物——它們從環境中獲取熱量，如果它們感到寒冷，它們就會變得緩慢和遲鈍。
由於大型身體很難散失熱量，因此大型爬行動物（如恐龍）一旦被加熱，就可以長時間保持體溫——它們實際上是溫血動物。一些爬行動物，特別是蟒蛇和鬣蜥，能夠內部產生一些熱量。雖然它們無法保持恆定的體溫，但它們能夠進行一定程度的體溫調節（例如，變得比外部環境稍微溫暖一些）。蟒蛇透過顫抖肌肉，將體溫升高到環境溫度以上，並利用這種熱量來孵化它們的卵。
哺乳動物大約有 4500 種，分為 19 個目。哺乳動物的定義特徵是乳腺和毛髮。
單孔目動物（鴨嘴獸和針鼴）是卵生哺乳動物。它們的 乳腺 尚未完全進化——幼崽舔舐母親毛髮上的乳汁。
有袋動物是有育兒袋的哺乳動物（例如，袋鼠、考拉、負鼠）。未成熟的新生後代爬進育兒袋並在其中生活，直到它們長大到可以自食其力為止。
有胎盤哺乳動物（其餘 17 個目）具有胎盤，可在發育過程中滋養它們的胚胎。新的分子資料，加上許多令人興奮的新發現的化石，正在改變我們對不同哺乳動物目之間譜系關係的理解，包括我們關於 鯨魚進化 的新知識、大象 和蹄兔之間的關係、食肉動物和鰭足動物（海豹等）之間的關係以及 齧齒動物和兔子 之間的關係。
最新的脊椎動物綱——鳥綱（Aves）——從恐龍的一個分支進化而來。鳥類分為 28 個目，166 科。羽毛和飛行骨骼是區分鳥類和爬行動物的兩個主要特徵。它們的羽毛是經過改造的爬行動物鱗片。羽毛對於飛行顯然很重要，但也起到隔熱作用，因為鳥類是溫血動物。
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