Biology
Prerequisites
In order to understand the concepts of Biology, one should have a strong foundation in General Science skills, Chemistry, Physics, Statistics and Math. This includes topics such as the scientific method, general chemistry, acid-base chemistry, laws of thermodynamics, basics of probability, statistics and basic algebra and graphing.
- General science skills
- Chemistry:
- Physics:
- Statistics
- Math
Overview
📄️ 1 - Scientific Method
Scientific method 是各種自然科學的根本，用 5 + 1 個步驟來解決問題。
📄️ 2 - Chemistry of Life
結構生物體的分子，通常由不同種類的原子透過化學鍵來結合而成。原子間可能會產生各種形式的化學鍵，例如共價鍵、極性共價鍵、氫鍵等，這些鍵會穩定蛋白質與 DNA 架構，和影響各種化學反應平衡。
📄️ 3 - Water, Acids, Bases
Water, Acids, Bases 的關係是一個複雜的系統，可以藉由水開始了解。水是一種 polar molecule，有分正負電荷，可以和電荷相關的 molecule 互相吸引，例如鹽 (NaCl)。而 acids 和 bases 是一種離子物質，可以和水作用，acids 具有細菌分解的能力，而 bases 則是可以和酸還原的能力，可以用來調整 pH 值。這些離子會和水分子產生一個三維的水包圍結構，改變水的特性，例如溶解度、抗壓力等等。
📄️ 4 - Properties of Carbon
Carbon 是一種廣泛出現在自然界的元素，可以用於創造複雜的 macromolecules，如 DNA, RNA, sugars, fats 等。只要是由 carbon 和 hydrogen 組成的 organic molecules 都稱作 hydrocarbon，他們的 covalent bonds 可以儲存大量的 energy，使得 hydrocarbons 成為一種理想的燃料來源。Isomer 則是指 molecular formula 相同，但架構不同的 molecules，可以分成 structural isomers 和 stereoisomers 兩種。
📄️ 5 - Macromolecules
Macromolecules 是一種大分子，通常由很多小單位重複的組成，這些小單位叫作 monomers。這些 macromolecules 大多是用 dehydration synthesis reactions 來組合而成，而有時會需要 hydrolysis reaction 來拆解。常見的 macromolecules 包括 carbohydrates、lipids、nucleic acids 和 proteins，且每個 macromolecule 都有提供不同功能的特性與結構。
📄️ 6 - Energy and Enzymes
Metabolism 是指細胞中一連串的 chemical reaction，它們可以用來儲存、釋放、轉換 energy，並且可以建構和破壞複雜的 molecules，例如 sugar, proteins, DNA 等等。這些 chemical reaction 都需要一種 protein 稱作 enzyme 來 facilitate 和 catalyze，以便正確的發生這些 reaction。例如，cellular respiration 使用 enzyme 來將 glucose 分解成 ATP，而 photosynthesis 則是把太陽的能量轉換成 glucose。
📄️ 7 - Structure of a Cell
細胞是生物的基本單位，是由細胞牆、細胞質、基因體和核醣體組成的。細胞可以分為原核細胞和真核細胞。
📄️ 8 - Membrane Transport
Plasma membrane 是每個細胞的外層保護膜，它包含許多元素，如 phospholipids, cholesterol, proteins 和 carbohydrate groups，並且是以 fluid mosaic model 的架構來定義。Diffusion 是指高濃度的分子會不斷的從高濃度的區域移動到低濃度的區域，以達到平衡的狀態，而 Osmosis 則是在不同濃度的兩個區域中間加入一個 semipermeable membrane 的情況下，水分子會由低濃度區域流向高濃度區域，稱為 Tonicity。Membrane transport 是指細胞膜上的載體分子利用能量穿過膜的機制來將物質從一個區域輸送到另一個區域的過程。
📄️ 9 - Cellular Respiration
Cellular respiration 是指細胞如何將大的分子分解成一小份一小份，以及最後將分解出來的 energy 儲存為 ATP 的過程。細胞分解 glucose 的過程中，必須會進行 catabolic reactions，並且從高能量的環境轉變成低能量的環境，最後將 energy 釋放出來，其中一部分製造出 ATP 以及另一部分則消散為 heat。在整個過程中，electron carriers 就負責將 electrons 從一個物質轉移到另一個物質，帶動整個細胞呼吸的過程。
📄️ 10 - Cell Signaling
Cell signaling 是一種細胞間的溝通方式，可以發射，接收和處理訊息。它可以分為四種：Paracrine signaling，Autocrine signaling，Endocrine signaling 和 Direct contact。Paracrine signaling 是距離較近的傳遞，Neurotransmitters 在 nerve cells 之間傳遞訊息，Autocrine signaling 是將 ligands 傳遞到自己身上的 receptors，Endocrine signaling 將 signals 以 bloodstream 的方式分布到身體的不同部位，Direct contact 則是直接接觸的傳遞方式。
📄️ 11 - Cell Division
Cell division 是指細胞分裂的過程，是生物體繁殖的基礎。它是一個循環性的步驟，細胞會先進行 DNA 複製，接著細胞質會分裂，最後細胞會分裂出兩個新的細胞，完成 cell division 的過程。
📄️ 12 - Classical and Molecular Genetics
Mendelian genetics 指的是由 Gregor Mendel 所發現的遺傳定律，也就是透過父母親 genes 的影響，控制人類特徵 (髮色、身高等) 的原因。Mendel 使用 pure-breeding 的 pea plants 作為研究對象，最終發現了兩大定理：The law of segregation 和 The law of independent assortment，以及提出了 Mendel's model of inheritance。
📄️ 13 - DNA as the Genetic Material
DNA 是一種保存遺傳信息的分子，它由脫氧核苷酸構成，每個核苷酸都由一個碳原子、一個氮原子和一個氫原子組成。DNA 具有特定的結構，可以被讀取而產生蛋白質。蛋白質是細胞的基本組成元素，參與細胞的生長和正常的功能，例如代謝和信號傳導。因此，DNA 對於所有的生物都至關重要。
📄️ 14 - Central Dogma
Central dogma 是一個概念，指 DNA 透過轉錄、翻譯的步驟將 genetic information 轉換為蛋白質的過程。轉錄是指 DNA sequence 會被"轉錄"成相似的 RNA sequence，翻譯則是指 mRNA 被"翻譯"成對應的 amino acids "語言"，以此建構 polypeptide。此外，codon 和 amino acid 之間的對應關係叫做 genetic code，可以用完整的 genetic code table 來表示，並有 start codon 以及 stop codon 來標註開始與結束的位置。
📄️ 15 - Gene Regulation
Gene Regulation 是指細胞如何決定在什麼時間、什麼地點啟動哪些 genes，以便細胞能夠多樣化的執行不同的事情。Gene Regulation 也會影響到 gene expression 的所有階段，例如 chromatin accessibility、transcription、RNA processing、RNA stability、translation 以及 protein activity 等。
📄️ Extra - Bioinformatics
Genomics 是指研究生物染色體的結構和功能。對於生物染色體的結構來說，人體大概有 3 億個核苷酸 (A、C、G、T) 組成基因組，而基因組又被分成 23 個染色體（22 個普遍的 + XX 或 XY），而每個染色體又有着 centromere 和 telomere。對於基因組的功能來說，它包含了所有身體會使用到的東西，例如呼吸代謝、大腦等等。