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
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，我教授 BIO101（以及 BIO102 實驗課）給成人教育專案的非傳統學生已經大約十二年了。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，這些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，我有八次 4 小時的會議與學生會面。在這段時間裡，我必須向他們教授所有非科學專業所需的生物學知識，還要留出足夠的時間讓每個學生做一個報告（關於他們最喜歡的植物和動物的科學），以及進行兩次考試。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真正需要了解的：概念而不是瑣事，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，我在講座後會播放影片和課堂討論，他們的作業包括找到有趣的生物學影片或文章，並將連結釋出到課堂部落格上供大家觀看。我曾幾次使用瘧疾作為貫穿所有主題的線索——從細胞生物學到生態學到生理學到進化。我認為這很有效，但很難做到。他們還要寫一篇關於生理學某個方面的期末論文。
另一個新的進展是，管理部門已經意識到，大多數教師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大綱，只要課程的最終目標保持不變即可。我不完全確定我何時再次教授 BIO101 講座（秋末，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做研究，因此沒有密切關注文獻，我教的一些東西現在已經過時了。並非任何人都能跟上生物學所有領域的進展，生物學是如此龐大，但至少影響入門課程教學的重大更新是我需要知道的。
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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，在接下來的幾周裡，我將重新發布我的舊講義（請注意，它們只是介紹 - 課堂上會進行討論和影片等），並請您幫我進行事實核查。如果我有什麼地方錯了或者有什麼東西過時了，請告訴我（但如果問題尚未解決，請不要僅僅推銷您自己偏好的假設 - 請給我完整的爭議解釋）。如果有什麼明顯的遺漏，請告訴我。如果有什麼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影像、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，一旦我們完成了所有講座，讓我們討論一下整體教學大綱 - 是否有更好的方法來組織所有這些材料以適應如此快節奏的課程。
適應與多樣性
生物學關注於回答兩個大問題：如何解釋生物體對其環境的適應性，以及如何解釋地球上生命的多樣性。
到目前為止，課程的大部分內容都涉及適應性的起源和進化問題，課程的其餘部分也將關注人類和其他脊椎動物的特定適應性。這是唯一專門針對多樣性問題的講座。
通常教授這些材料的方式是回顧長長的生物體列表，並列表說明它們的特徵，一個群體的成員如何彼此相似，以及與其他群體的成員有何不同。在我們的課程中，我們將嘗試一種不同的方法，即不僅描述，而且還解釋多樣性——它是如何產生的。
如果您思考一下，瞭解了我們目前所學的關於進化如何運作的方式，適應性的起源和多樣性的起源是緊密相連的：當局部種群進化出對當前區域性環境的適應性時，它們彼此之間變得越來越不同，直到物種分裂成兩個或更多新物種。因此，對區域性條件的適應性進化導致新物種的增殖，從而導致地球上生命總體多樣性的增加。
生命的起源
人們可以假設地球上生命的起源有四種方式：a) 它是由一個智慧生命，例如上帝，憑空創造出來的 - 砰！；b) 它是由一個智慧生命，例如太空外星人，憑空創造出來的 - 砰！，無論是在地球上還是在其他地方，然後被帶到地球；c) 它在宇宙的其他地方自發產生，並透過彗星和隕石帶到地球；d) 它在古代海洋中，在古代大氣層的存在下，透過化學反應自發產生。
科學無法解決第一個概念 - 由於它是不可檢驗和不可證偽的（不可能證明它是錯誤的），它恰當地位於科學領域之外，而位於宗教領域之內。
前三個概念也只是將目標推進一步 - 生命（包括上帝和/或外星人）在宇宙的其他地方是如何產生的？因此，科學家只關注唯一剩下的可檢驗的假設 - 關於生命從非生命中自發和逐漸產生的假設，這個過程稱為自然發生。對自然發生的科學研究不能說，也不試圖說任何關於上帝或外星人存在的事情。它只是試圖弄清楚生命是如何在30億到40億年前的某個時候自行產生的。
地球上所有的生命都起源於一個共同的祖先。生命最初很可能多次產生，但是一旦一種生命形式變得穩定且具有足夠的競爭力，所有其他自發產生的生命例項都被競爭淘汰，並且沒有留下後代。
研究生命的起源很困難，因為分子不會留下化石。但是，它們確實會留下化學痕跡，因此我們對古代海洋、土壤和大氣層的化學成分了解很多。因此，我們知道在什麼條件下以及什麼可用的材料（和能量）生命首先產生。透過在實驗室中複製這些條件，我們可以研究生命如何從非生命中進化出來的細節。
對生命起源的研究是生物學中一個活躍且令人興奮的領域，也許是因為到目前為止，很少有事情得到確鑿的結論。各種研究小組提出了許多相互競爭的假設。這些假設可以分為幾類：RNA優先、蛋白質優先、RNA-蛋白質優先和氣泡優先。
RNA 是一種可以複製的分子，因此可以作為最初的遺傳物質（DNA 太大且複雜，即使對於今天的一些病毒來說也是如此，更不用說對於最初的簡單生物體了）。RNA 也能夠進行催化活動 - 促進和加速其他分子之間的反應，以及自我複製。因此，RNA 是生命最初分子的最佳候選者。儘管如此，它仍然無法滿足生命所需的一切，因此一些簡單的多肽（在模擬原始地球條件的燒瓶中很容易合成）可能從一開始就參與其中。為了使這些反應發生，它們必須與剩餘的海洋分離 - 因此某種“細胞膜”，如肥皂泡，對於生命的起源和早期進化也是必要的。
那些早期的“細胞”相互競爭。那些透過化學進化，設法變得足夠好，能夠在相當長的時間內保持穩定，能夠從環境中獲取能量，並能夠分裂成兩個“子細胞”的細胞，在競爭中勝過了其他細胞 - 化學進化變成了生物進化。當它們透過試錯法發生變化時，一些細胞逐漸變得更擅長“生存”，並在競爭中勝過了所有其他細胞。早期生物世界的最佳競爭者是地球上所有後續生命的共同祖先，包括我們。
進化的方向性
關於進化有兩個常見的誤解。第一個誤解是進化趨向於完美。但是，始終要記住，進化偏愛那些比同一物種的其他個體稍微更好地適應當前區域性條件的個體，也就是說，獲勝的是相對適應度，而不是絕對適應度（即，完美）。換句話說，您必須能夠在當前環境中生存和繁殖，並且僅僅比您的同種略勝一籌 - 不需要完美適應。
關於進化的第二個常見誤解是，它傾向於產生更大的複雜性。最初，就在地球上生命的最初起源之後，進化確實產生了更大的複雜性，但這僅僅是因為沒有辦法變得比最初的生物體已經存在的更簡單。在生物世界中存在一個“左牆”複雜性，即對於被認為是活物的東西來說，存在一個最小的複雜性是必要的。
因此，最初，進化唯一可以採取的方向是遠離左牆（紅點），即變得更加複雜。但是，一旦相當複雜的生物體進化出來，它們就不再依偎在左牆（黃點）上了。對當前區域性條件的適應性既可以促進簡化，也可以促進所討論生物體的複雜化。換句話說，隨著種群的進化，種群的成員同樣有可能變得更簡單，也有可能變得更復雜。
實際上，正如我們從人造機器世界中所知，存在過於複雜的東西（藍點）。過度複雜的機器更容易發生故障，並且更難維護和維修。同樣，高度複雜的生物體通常不如它們簡單的親戚那樣適應 - 它們的基因組太大，以至於錯誤率更高，細胞分裂也更困難。細胞會“失控”並變成癌症。此外，由於有如此多的相互作用部件，複雜的生物體更難進化出新的適應性，因為整個複雜系統的發展必須改變並適應這些變化。
因此，簡化在進化中與獲得更大的複雜性一樣常見。想想寄生蟲 - 它們都是其自由生活親戚的簡化版本 - 如果一個人一生都附著在宿主的腸道內壁上，吸收營養並繁殖數十億個卵，則不需要眼睛、其他感覺器官或運動方式。
測量多樣性 - 分類學和系統學
人們一直試圖對周圍的生物進行分類，根據一些人造標準對它們進行分組，通常是根據它們的外觀、居住地以及它們對我們的用途。直到過去 150 年，我們才理解地球上所有的生物都具有譜系關係，因此我們開始根據親緣關係程度對它們進行分類 - 繪製生命的家譜樹。
最初，分類是根據生物體的解剖學和胚胎學進行的。這種方法使地球上的生命分為六個大界：細菌界、古菌界、原生生物界、植物界、真菌界和動物界。前兩個是原核生物（細胞沒有細胞核），後四個是真核生物（細胞有細胞核）。
界就像俄羅斯套娃一樣，進一步細分為巢狀的層次結構：每個界由許多門（門 = 型別）組成。每個門由綱組成，綱由目組成，目進一步細分為科。每個科由屬組成，每個屬由親緣關係最密切的種組成。
地球上每個生物的正式名稱是其雙名法拉丁文名稱 - 屬名首字母大寫，種名小寫，兩者都用斜體表示，例如，智人 (Homo sapiens)、家犬 (Canis familiaris)、馬 (Equus caballus)、牛 (Bos taurus)（分別為人類、狗、馬和牛）。
最近，現代分子遺傳技術已被應用於測試物種之間的關係，導致系統學較低級別（例如，種、屬、科等）的分類發生許多變化。
從這種方法獲得的知識也導致了我們對生物進行分類方式的一些重大變化。現在，我們將地球上的生命分為三個域：細菌域、古菌域和真核生物域。
我們現在意識到內共生（細胞內寄生蟲，最初是小的細菌細胞進入並生活在較大的細菌細胞內部）產生了細胞器，如線粒體和葉綠體。我們現在意識到物種之間正在發生多少橫向（或水平）遺傳物質轉移，即，生命的分支樹也有許多橫向連線在分支之間。
支序分類學是一種相對較新的生物分類方法，它使用多種（通常是許多）不同的遺傳、形態和其他特徵，並透過計算（使用計算機軟體）每兩個物種之間相互關聯的機率來構建“樹”。因此，“最有可能”的樹被繪製為分支圖，可以進一步測試和完善。
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