從細胞到生物圈：馬爾薩斯陷阱、地球系統演化史、拉馬克歸來，在「好玩」過程中理解生物學的本質

　　【最有趣】不只告訴你「其然」，還會告訴你「其所以然」！
　　【最好玩】在不知不覺的「好玩」過程中理解生物學的本質！
　　【最嚴肅】每一個知識、概念都是學者嚴謹的科學研究結果！

　　►首先，為了生存奮戰
　　──在漫長的演化歲月中，自然選擇造就了生物的適應

　　▎「冷凍」北美林蛙：人家冬眠，牠直接讓自己結冰！
　　林蛙冬眠時會完全進入冷凍狀態。牠把自己埋在2.5～5公分厚的樹枝和樹葉下，牠會被徹底凍成硬塊。最極端的情況下，牠身體裡2/3的水分都會結冰，這時牠不呼吸，沒有心跳，新陳代謝完全停止。待春暖花開時，伴隨著溫度的回升，林蛙被慢慢「解凍」，短短幾分鐘之內，牠的心跳就能奇蹟般恢復，同時呼吸也變得正常。

　　▎南極冰魚的血液之謎：牠們體內沒有紅血球啦！
　　冰魚將紅血球完全除去，並允許血紅素產生突變而退化。牠們的血液中只有1%的血細胞，甚至可以說「牠們血管中流的是冰水」。冰魚擁有很大的鰓，並且皮膚沒有鱗片，上面有異常粗大的微血管，這些特徵提高了牠們從環境中吸收氧的能力。冰魚的微管可在冰點之下正常組成，並且維持穩定的結構。牠們還「發明」了抗凍蛋白，這種特別的蛋白質幫助降低魚體內冰晶形成的臨界溫度，讓魚能在冰冷的海水中存活。

　　►再來，為了後代奮鬥
　　──自然選擇造就適者，但其青睞的是具有繁殖優勢的個體

　　▎來自性的獎賞：偶爾偷偷放縱一回的寄生蟲！
　　人體消化道裡的一種叫賈第蟲的寄生蟲，從來沒有被抓到過「出軌」行為，但是它們還保留著減數分裂的全套基因，這意味著它們可能是趁著研究者不注意的時候偶爾偷偷摸摸放縱一回。性帶來的最大好處就是將基因進行重新組合。若一成不變，現在可能是與環境高度適應的，但環境一旦發生改變，原來的優勢可能就成了災難。靠無性繁殖很難生存幾百萬年以上，滅絕似乎就是必然的結果。

　　▎花式求偶行為：美妙歌聲、華麗外表、競技行為⋯⋯還有築巢？
　　動物求偶行為十分複雜，雖沒有「語言」，但求偶形式千奇百怪。有些鳥類會盡情歌唱向配偶表達愛意；有些動物透過改變體色在異性面前炫耀；雄杜父魚會咬住經過的雌魚頭部看其是否掙扎，不掙扎者便可以交配；雞結伴求偶卻只有其中一隻交配成功；雌織巢鳥透過觀察雄織巢鳥所建鳥巢的堅固程度選擇雄性，還有我們熟知的雌螳螂殘忍殺夫行為⋯⋯動物世界只遵循自然的法則，不受人類道德理念的約束，即凡是有利於物種延續的事物便都有存在的價值。

本書特色

　　全書以「系統」、「適應」兩個角度作為切入點，針對閱讀特點與需求，全方位將生物學知識進行系統化建構，透過系統且有趣的描述將讀者帶入一個美妙的生物世界。本書可以作為生物學學習的重要課外讀物，具有極高的科普及學習輔助價值。
 

作者簡介

張超

　　生物科教師，在生物學學科教育、學習教育、生命教育等多個教育領域均有較深入的研究和實踐。各領域著作二十餘部，代表作有《平臺教育理念：尋找並成就屬於自己的人生》、《學習，就是找對方法》、《種豆如何能得瓜》等。

趙奐

　　生物科教師，分子生物學博士。指導學生獲得「英特爾國際科技工程大獎賽」一等獎，指導學生團隊獲「國際遺傳工程機器設計競賽」金獎。著有《解讀生命體》等作品。

林祖榮

　　生物科教師、國高中生物科教材作者，發表論文200餘篇，著有《新課程理念與實施》、《高中生物讀本》等作品。

第一章　生命是一個低熵系統
 
一、生物系統像一座圍城
 
「婚姻是一座圍城，城外的人想進去，城裡的人想出來。」《圍城》這部小說的主題也許是引起了很多人的共鳴，所以被不斷提起。但是，如果把這句話改寫成「生命系統像一座圍城，城外的物質想進去，城裡的物質想出來」，那也一樣是非常合理的。
 
一個人體細胞，細胞內K+濃度高，細胞外Na+濃度高。任何一個生命體，有機物的含量都高於它生活的環境。沙漠中的綠洲，有機物含量和水含量都高於周圍沙漠。當我們把生命與周圍環境看成一個系統時，會發現這個系統的物質分布極不均勻。根據引言中提到過的熵增原理：物質有自動分布均勻的趨勢。這讓我們不得不思考：這個系統的低熵狀態是怎樣形成的？
 
回答這個問題有兩個方向：一是物質分布不均的原因是什麼；二是系統如何維持物質分布不均。關於物質分布不均的原因是後面要探究的問題，這裡主要解釋系統是如何維持物質分布不均的，可以歸納為兩個方面：一是系統邊界的阻礙作用；二是系統內部物質的內聚作用。
 
在一個細胞中，細胞膜是細胞的邊界，細胞膜的骨架是磷脂雙分子層（lipid bilayer或phospholipid bilayer）構成的油層，離子是不能通過油層的，所以離子被細胞膜這座「城牆」阻隔，不能隨意進出細胞。但對於水分子來說，細胞膜的阻礙作用就弱得多，一是磷脂雙分子層無法完全阻止水的進出，二是多數細胞的細胞膜上都有水通道蛋白（aquaporin），這種蛋白是一種只供水分子通過的VIP通道，這樣一來，細胞膜完全無法阻礙水的進出，但是細胞中的親水大分子和離子具有吸引水分子的能力，這使得細胞在水環境中比簡單的磷脂膜包裹的系統更容易吸水、保水。