1.1 生命研究的共同主题
生命研究的五项共同主题：组织架构、信息、能量与物质、交互作用和进化
生物架构的连续层次（阶层）
- 生物圈（Biosphere）：由所有地球生命栖息的所有环境构成：包含大部分陆地、水体、大气，以及低于海平面的沉降物。
- 生态系统（Ecosystems）：特定区域内一切生命，以及环境中与生命互动的无生命成分。
- 群落（群集，Communities）：栖息于特定生态系统内所有物种的生物体。
- 种群（族群，Populations）：栖息于特定区域内某个物种的所有个体。
- 生物体（Organisms）：生物个体。
- 器官与器官系统（Organs and Organ Systems)：可执行特定功能的身体部分。
- 组织（Tissues）：合作执行特定功能的一群细胞。
- 细胞（Cells）：生命结构与功能的基本单位。
- 细胞器（Organelles）：组成细胞之功能性成分。
- 分子（Molecules）
还原论（化约论，reductionism）：将复杂的系统简化为更易于处理和研究的较简单部分。
涌现性质（新生特质，Emergent Properties）
将生物架构的阶层逐步从分子拉回，则每一步都会涌现新生的、不存在于先前层次的涌现性质。涌现性质是复杂度提升之际，各成分排列与其间的互动导致的。
系统生物学（systems biology）：以分析各部分间的互动来讨论生物系统，以弥补还原论的不足。
结构与功能
在生物架构阶层的各个层次都能发现结构与功能的相关性。细胞是生物体结构与功能的基本单位。相比于原核细胞，真核细胞内含有膜细胞器（membrane-enclosed organelles）。
生命进程包含遗传信息的表达与传递
细胞分裂前都会复制其 DNA，两个细胞子代各自继承一整套完全一致的染色体（chromosomes）。每个染色体都有一条很长的、带有数百至数千基因（genes）的 DNA 分子。一段 DNA 的个别基因自亲代传递至子代，是遗传的基本单位。DNA 所编码的遗传信息指导生物体的发育（development）。
DNA 分子由两条排列成双螺旋（double helix）、连结四种核苷酸（nucleotides）的长链构成。DNA 以 RNA 作为介质，间接控制蛋白质（proteins）的制造。蛋白质是建造与维持细胞并执行其活性的主要角色。沿基因的核苷酸序列先被转录（transcribe）为 mRNA，再转译（translate）为氨基酸——构成蛋白质的基本单位，最终成为具独特形状与功能的特定蛋白质。该过程中，所有生命形式基本上采用相同的遗传密码（genetic code），特定核苷酸序列对不同生物表达相同意义；生物体间的差异反映的是核苷酸序列的差异。
基因表达（gene expression）：遗传信息所指挥的细胞产物制造的完整程序。 基因组（基因体，genome）：生物体所继承的整套遗传「库存」，即特定物种所有遗传物质的总和。
基因组学（genomics）：DNA 序列的分析
要解读测定的大量基因数据以及蛋白质功能，最佳方式是于细胞与分子层次采用系统生物学的方法。同时探讨一种或数种物种的全套基因即是基因组学。蛋白质组学（proteomics）即是指对全套蛋白质及其性质的研究。
生命需要能量与物质的转移与转换
生命的各种细胞性活动都是做功（work），而做功需要能量。能量的输入主要来自太阳：植物等其他行光合作用的生产者（producers）吸收阳光，其中的分子借由光合作用将光能转换为化学能传递给消费者（consumers）——以生产者或其他消费者为生的生物体。
生物体利用化学能做功，部分能量以热能形式散失。能量以单方向流经生态系统：以光的形式进入，以热的形式离开。同时，化学物质在生态系统内循环：植物从环境中吸收化学物质，传递给消费者，最终再经由分解者（decomposers）重返环境。
生物系统中的交互作用
从生态系统层次看，生物体与其他生物体，以及环境中的物理因子互动。从组织架构的较低层次看，构成生物体的成分，如器官、组织、细胞及分子间都存在交互作用。例如，人体进食后血液中葡萄糖浓度上升，进而刺激胰脏（pancreas）分泌胰岛素（insulin）至血液。胰岛素经血液循环全身，抵达肝脏或肌肉细胞后，则将过剩的葡萄糖以糖原（肝醣，glycogen）之多糖形式储存，以调节血糖浓度。运动时，这些多糖分子则被当作能量的来源，供肌肉细胞使用。降低的血糖浓度则不再刺激胰脏分泌胰岛素。分解或储存糖的反应由酶（酵素，enzymes）这种特化蛋白质于分子层次加速或催化。上述流程与反馈调节（回馈调节，feedback regulation）有关。生命中最常见的调节形式是负反馈（negative feedback），正如上例，细胞对葡萄糖的回应降低了血糖浓度，并借此关闭此路径：程序的输出会负向调节该程序。相反地，正反馈（positive feedback）则加速程序进行。
1.2 进化（演化，Evolution）说明一致性与多样性
进化是对现存生物体存在一致性、多样性及对环境可适应性的科学解释。
物种分类
和物种的命名及分类有关的生物学分支称为分类学（taxonomy），分类的最大单位为域（domain），其次为界（kingdom）。目前仍有许多界的分类方案被提出，但一般认为域可分为三个：细菌（Bacteria）、古菌（Archaea）与真核生物（Eukarya）。细菌和古菌的生物体均属于原核生物，所有的真核生物归属于真核生物域（domain Eukarya），该域囊括三界多细胞生物：植物界（kingdom Plantae）、真菌界（kingdom Fungi）与动物界（kingdom Animalia），这三界可由其营养模式的差异区分：植物靠光合作用制造养分、真菌自体外环境吸收养分，动物则吞食与消化其他生物体。称为原生生物（protists）的单细胞真核生物或较简单的多细胞生物体更为众多繁杂，曾被置于单独一界，但最近倾向于分割到三界中。
多样性中的一致性（unity）
生物阶层的所有层次都存在一致性。例如，即使所属生物体关系疏远，其细胞结构的许多特征仍有明显的一致性。纤毛（cilia，单数 cilium）是真核细胞的细胞器——具有移行功能的细胞突出物，横截面观察可见微管系统。草履虫具有纤毛，人类气管内皮细胞也配备有纤毛以排除肺部尘埃。分歧如草履虫和人类的真核生物，却共享纤毛结构，足以说明生命多样性背后存在一致性。
自然选择学说
达尔文（Charles Darwin）之著作提出的主要观念为：当代物种源自一连串不一样的始祖，而「自然选择」（natural selection）则是其演化机制，理由如下：
- 族群内的个体会有可遗传的表征（traits）上的变异
- 族群所产生的后代个体无法全数存活以致产生自己的后代
- 物种往往会适应环境 因此，自然环境从各种族群的表征中，「选择」某些表征来传播。
蝙蝠的前肢所拥有的骨骼、关节、神经与血管与人类手臂中所找到的一模一样，是因为所有哺乳动物的前肢都为共同结构的解剖学变异。哺乳动物前肢的解剖学一致性反映出对来自共同祖先之该结构的传承，此共同祖先称为「原型（prototype）」哺乳动物。达尔文认为，自然选择在长时间累积效应下，可从祖先物种发展出更多的承袭物种。一个族群被阻断成隔离于不同环境内的数个族群，则能分别经过自然选择经由环境中各项因素组合的适应发散成不同物种。生物学的演化关系图通常采用树状形式，每个分支点可代表自该处演化世系及其后裔的共同祖先，较近的分支点也共享共同的祖先。
1.3 作出观察并形成与测试假说
科学的核心是探索（inquiry），常用的探索程序包含作出观察，形成合理的、假设性的解释，即假说（hypothesis），以及对其测试。被记录的观察结果称为「数据（data）」——科学探索所依据的信息。数据可能是定性的（qualitative），也可能是定量的（quantitative）。分析数据是否有统计学（statics）上的显著性（significant）是一种测试数据是否具有意义的方式。对观察结果的搜集与分析从而得出结论的逻辑形式称为「归纳推理（归纳法，inductive reasoning）」。科学的假说通常是在归纳推理的引导下，凭据所得数据所做出的合理解释，且能导致由进一步观察或实验来测试的预测（predictions）。借由试错（trial and error）找出答案就是以假说为基础的研究方向。
演绎推理（deductive reasoning）则采用相反的逻辑流向——从概括性到特殊性。演绎（deduction）采用「若···则（if···then）」的逻辑形式，即「倘若假说正确，则应当能产生某种结果」，然后通过实验或观察检测结果是否符合预期。
以各种方式测试假说仅能提高假说的准确性，但没有实验性的测试能绝对证实（prove）任何一项假说是真实的。
实验变量与对照（Experimental Variables and Controls）
实验涉及操纵系统中的某项因素，以看出改变它之后的效应。受操纵的因素以及所测量的效应均属变量（variables）。对照实验（controlled experiment）中设对照组（control group）与实验组（experimental group）。理想上，其唯一差别就是实验设计所测试的因子。人为控制的因素称为自变量（独立变量，independent variable），因自变量改变而变化的变量称为因变量（相依变量，dependent variable）。对照实验要控制无关变量，并非控制实验环境以保持待测变量以外的所有条件都固定不变（通过环境条件排除），而是靠使用对照组来删除其效应。
1.4 科学受益于合作式取径与多样性观点
科学程序并非线性，也无需恪守科学方法所规定的步骤。更实际的模型除了形成与测试假说，还包括探索与发现、社群的分析与回馈，以及社会的收益与成果，程序可以在不同部分间回溯、重复与互动。科学是强烈的社会化活动，科学的结果持续接受重复性观察与实验的检核。生物学家广泛使用模式生物（模型生物体，modal organism）便促成合作。
科学、科技与社会
科学与科技的探索样式类似，目的却不同。科学旨在了解自然现象，科技则为特定目标应用科学知识。但科学探索又可能应用新的科技，因此科学与科技唇齿相依。好奇心往往驱动基础科学，而决定科技方向的则是社会环境，包括伦理、政治、经济和文化价值等议题。
多样性观点的价值
许多影响人类的技术革新源自不同文化间的互相滋养，科学自其从业人员间背景与观点的多样性获益，科学社群反映其社会氛围的文化标准与行为。多样性的缺乏会妨碍科学的进展，台面上听到的声音越多，才有更强大、更有价值的科学交流。