Biologia

Biologia (z gr. βίος (bios) - życie oraz λόγος (logos) - słowo, nauka) – nauka przyrodnicza zajmująca się badaniem życia oraz organizmów żywych.

Historia

Wesaliusz

 Osobny artykuł: Historia biologii.

Termin stał się zaproponowany w 1802 roku niezależne przez Gottfrieda Reinholda Treviranusa oraz Jean-Baptiste de Lamarcka^[1].

Koncepcja biologii jako spójnej oraz odrębnej dziedziny nauki ukazała się w XIX w. Jednak nauki biologiczne sięgają tradycją wiele wieków wstecz do medycyny oraz historii naturalnej aż po Galena, Arystotelesa czy Hipokratesa. Od epoki renesansu historia nowożytna rewolucjonizuje myśl biologiczną przez wznowienie zainteresowania empiryzmem oraz odkryciem wielu nowych gatunków. Znaczącą rolę odegrali wówczas Wesaliusz oraz Harvey, którzy stosowali eksperyment oraz obserwację w badaniu anatomii oraz fizjologii. Z kolei Linneusz oraz Buffon rozpoczęli klasyfikację gatunków, jak także badanie powstawania oraz zachowania organizmów. Wynalezienie mikroskopu umożliwiło badanie mikroorganizmów oraz położyło podwaliny pod teorię komórki.

W czasie XVIII oraz XIX w. nauki biologiczne, takie jak botanika czy zoologia stają się uznanymi dyscyplinami naukowymi. Antoine Lavoisier oraz inni naukowcy zaczęli łączyć świat ożywiony oraz nieożywiony przez odkrycia z zakresu fizyki oraz chemii. Naturaliści oraz podróżnicy jak Alexander von Humboldt badali interakcje pomiędzy organizmami a ich otoczeniem, oraz na ile położenie geograficzne wpływa na te zależności - dając tym samym początek biogeografii, ekologii oraz etologii. Naturaliści zaczęli odrzucać esencjalizm oraz rozważać znaczenie wymierania oraz zmienności gatunków. Prace te, jak oraz wyniki badań embriologii oraz paleontologii, zsyntezował Karol Darwin w swojej teorii ewolucji w wyniku selekcji naturalnej.

Ogłoszenie wyników badań Mendla na początku XX wieku, doprowadziło do gwałtownego rozwoju genetyki. Pojawiły się nowe dyscypliny, szczególnie po zaproponowaniu przez Watsona oraz Cricka struktury DNA. Biologia była wówczas dzielona na obszary zajmujące się zagadnieniami na poziomie organizmu albo grupy organizmów oraz na te badające poziom komórkowy oraz molekularny. Pod koniec XX w. granice te wydatnie się zatarły, ze względu na pojawienie się np. genomiki czy proteomiki oraz wykorzystywanie przez zróżnicowane nauki biologiczne np. technik molekularnych przy równoczesnym badaniu relacji pomiędzy genami a środowiskiem.

Zakres oraz podział

Nauka ta opisuje pochodzenie życia, rozwój (zarówno filogenetyczny jak oraz ortogenetyczny, budowę oraz czynności organizmów, funkcjonowanie organizmów w środowisku^[2][3].

Biologia zawiera w sobie szeroki wachlarz zagadnień badawczych, które są wielokrotnie postrzegane jako odrębne dyscypliny naukowe: bywa opisywana jako tort, który da się dzielić na pionowe sektory "taksonomiczne" (na najwyższym poziomie wyróżnia się zoologię, botanikę oraz mikrobiologię^[4][1]) oraz poziome warstwy dziedzin (fizjologia, cytologia czy ekologia)^[5]. Podział taki jest szeroko przyjęty

Jednakże, wspólnie odwołują się one do fenomenu życia na tle wielorakich aspektów badawczych, od biofizyki do ekologii. Wszystkie założenia w biologii są oparte na tych samych prawach co inne gałęzie wiedzy przyrodniczej, takich jak zasady termodynamiki oraz prawo zachowania masy.

Biologia bada różnorodność życia (wg kierunku wskazówek zegara od góry oraz od lewej) pałeczka okrężnicy Escherichia coli, paproć, gazela, chrząszcz G. goliatus

Na poziomie organizmu, biologia częściowo wyjaśniła fenomeny takie jak narodziny, wzrost, starzenie się, śmierć oraz rozkład organizmów żywych, podobieństwa pomiędzy potomkami a ich rodzicami (dziedziczenie) oraz rozkwit roślin, które intrygowały ludzkość przez całą jej historię. Odmienne fenomeny, takie jak laktacja, metamorfoza, lęg, zdrowienie oraz tropizm także leżą w sferze zainteresowania biologii. W większej skali czasu oraz przestrzeni biologowie badają udomowianie zwierząt oraz roślin, wielką różnorodność organizmów żywych (bioróżnorodność), zmiany w organizmach jakie zachodzą na przestrzeni wielu pokoleń (ewolucja), ich wymieranie, specjalizację, zachowania społeczne u zwierząt itd.

Podczas kiedy botanika zajmuje się badaniem roślin, zoologia jest gałęzią wiedzy zajmującą się badaniem zwierząt, zaś antropologia jest działem biologii badającym istoty ludzkie. Natomiast na poziomie molekularnym, życie jest poznawane przez dyscypliny takie jak biologia molekularna, biochemia oraz genetyka molekularna. Na poziomie bardziej podstawowym od wymienionych powyżej jest biofizyka, która zajmuje się przepływem energii w układach biologicznych. Badania na poziomie komórkowym leżą w sferze zainteresowań biologii komórki. Skalę wielokomórkową bada fizjologia, anatomia oraz histologia. Embriologia bada życie na etapie jego rozwoju zarodkowego, zaś powstawanie oraz rozwój poszczególnych organizmów od zapłodnionego jaja do śmierci bada ontogeneza. Przesuwając się w górę naszej skali, na poziom wielu organizmów, genetyka rozważa jak działa dziedziczenie cech pomiędzy rodzicami a potomstwem. Etologia rozpatruje szeroko pojęte zachowania organizmów w ich naturalnym środowisku. Genetyka populacyjna ogarnia badaniami całe populacje, zaś systematyka rozważa rodowód organizmów na tle innych gatunków. Niezależne populacje oraz ich siedliska są badane przez ekologię oraz biologię ewolucyjną. Nowym, na razie teoretycznym, polem badań jest astrobiologia (nazywana też ksenobiologią albo egzobiologią), która bada możliwości występowania życia pozaziemskiego.

Główne założenia

Biologia zwykle nie opisuje systemów w kategoriach obiektów podlegających niezmiennym prawom fizycznym opisywanym przez matematykę. Układy biologiczne posiadają statystycznie przewidywalne tendencje do zachowywania się w określony sposób, lecz tendencje te zwykle nie są tak konkretne jak te opisywane przez dyscypliny takie jak fizyka. Jednakże biologia nadal podlega tym samym prawom fizyki co reszta wszechświata, dla przykładu zasadom termodynamiki oraz prawu zachowania masy.

Nauki biologiczne są charakteryzowane oraz ujednolicone przez poszczególne, podstawowe pojęcia takie jak uniwersalność, ewolucja, różnorodność, ciągłość, genetyka, homeostaza, wzajemne oddziaływanie.

Uniwersalność: Biochemia, komórki oraz kod genetyczny

Schematyczna prezentacja budowy cząsteczki kwasu deoksyrybonukleinowego (DNA), podstawowego nośnika informacji genetycznej.

 Osobny artykuł: Życie.

Uderzającym przykładem biologicznej uniwersalności jest biochemia życia oparta na związkach węgla oraz jej zdolność do przekazywania swoich właściwości drogą dziedziczenia poprzez materiał genetyczny, używając bazowanego na DNA oraz RNA kodu genetycznego zawierającego niewielkie różnice pomiędzy wszystkimi organizmami żywymi.

Następną uniwersalną regułą jest to, że organizmy (czyli wszystkie formy życia na Ziemi poza wirusami) są zbudowane z komórek, jak także fakt, że wszystkie organizmy posiadają podobne procesy rozwojowe.

Ewolucja

 Osobny artykuł: Ewolucja.

Jednym z głównych założeń biologii jest to, że wszystkie formy życia posiadają wspólne pochodzenie oraz zmieniały się oraz rozwijały w procesie ewolucji (zobacz wspólne pochodzenie), co uczyniło owo uderzające podobieństwo jednostek oraz procesów opisanych w poprzedniej sekcji. Karol Darwin opracował teorię ewolucji jako potwierdzoną teorię poprzez sformułowanie jej siły napędowej - selekcji naturalnej (Alfred Russel Wallace jest uznawany za współodkrywcę tej teorii). Dryf genetyczny stał się objęty tą teorią jako dodatkowy mechanizm rozwoju ewolucyjnego we współczesnej (nowej) syntezie tej teorii.

Historia ewolucyjna gatunków, która opisuje charakterystykę wielorakich gatunków, ich pochodzenie razem z ich genealogicznymi powiązaniami z innymi gatunkami, nazywana jest ich filogenezą.

Informacje o filogenezie da się pozyskiwać w zróżnicowany sposób. Między innymi są to porównania sekwencji DNA prowadzone przez biologię molekularną oraz genomikę oraz porównania skamielin albo innych zachowanych śladów dawnych organizmów żywych w paleontologii. Biologowie umieją organizować oraz analizować powiązania ewolucyjne pomiędzy organizmami za pomocą wielorakich metod, takich jak filogeneza, fenetyka oraz kladystyka. (Ważne wydarzenia w ewolucji życia, takie jakimi je aktualnie biolodzy rozumieją, są streszczone na poniższym schemacie historii ewolucji).

Różnorodność

Drzewo życia wszystkich żywych organizmów, bazowane na danych z genów rRNA, pokazujące rozróżnienie trzech domen; bacterii, archeowców oraz jądrowców początkowo opisanych przez Carla Woese. Drzewa skonstruowane za pomocą innych genów są podobne lecz potrafią umiejscawiać pewne wcześniejsze gałęzie rozwojowe bardzo różnie, prawdopodobnie z powodu gwałtownej ewolucji rRNA. Dokładne powiązania pomiędzy poszczególnymi domenami nadal są obiektem dyskusji.

Drzewa filogenetyczne (drzewa życia) organizmów są klasyfikowane. Klasyfikacja leży w zakresie następujących dziedzin: systematyki oraz taksonomii.

Taksonomia umieszcza organizmy w grupach nazywanych taksonami, z tym że systematyka filogenetyczna szuka pokrewieństwa pomiędzy nimi. Ta technika klasyfikacji rozwinęła się dzięki odkryciom kladystyki oraz genetyki, które teraz skupiają się nie na podobieństwie fizycznym oraz podobnej charakterystyce lecz na filogenezie.

Tradycyjnie organizmy żywe zostały zawarte w pięciu królestwach:

Prokarioty (Monera) -- Pierwotniaki -- Grzyby -- Rośliny -- Zwierzęta.

Jednakże, obecnie, wielu naukowców uważa system pięciu królestw za przestarzały. Współczesne, alternatywne systemy klasyfikacji dzielą organizmy na trzy królestwa:

Archeowce (Archeobakterii) -- Bakterie (Eubacterii) -- Jądrowce.

Każde królestwo jest rozdzielane na mniejsze jednostki dopóki pojedynczy gatunek nie zostanie oddzielnie sklasyfikowany, wedle następującego porządku: 1. Królestwo, 2. Typ, 3. Gromada, 4. Rząd, 5. Rodzina, 6. Rodzaj, 7. Gatunek. Nazwa systematyczna organizmu składa się z nazwy rodzajowej oraz nazwy gatunkowej (tzw. epitetu gatunkowego). Dla przykładu ludzie są określani nazwą Homo sapiens. Homo jest nazwą rodzajową zaś sapiens nazwą gatunkową. Pisząc nazwę systematyczną organizmu trzeba pisać nazwę rodzajową dużą literą a nazwę gatunkową małą. Zwykle całość jest pisana przy użyciu pisma pochylonego. Terminy używane w klasyfikacji nazywane są taksonomią.

Wyróżniamy też grupę wewnątrzkomórkowych pasożytów, które są rozwojowo "mniej ożywione" w rozumieniu aktywności metabolicznej są to:

Wirusy -- Wiroidy -- Priony.

Ciągłość życia

Aż do XIX wieku powszechnie wierzono, że formy życia potrafią pojawiać się spontanicznie pod pewnymi warunkami (teoria samorództwa). Ta teoria była uznana za błędną oraz zakwestionowana przez Williama Harveya, który ukuł regułę: "wszelkie życie pochodzi z jaja" (z łacińskiego Omne vivum ex ovo), co jest jedną z fundamentalnych zasad współczesnej biologii. Zasada ta oznacza, że istnieje nieprzerwana ciągłość życia od czasu jego powstania do chwili obecnej.

Grupa organizmów ma wspólne pochodzenie jeśli ma wspólnego przodka. Wszystkie organizmy na Ziemi pochodzą od wspólnego przodka albo z pradawnej puli genowej. Uznaje się, że ów pierwszy, uniwersalny wspólny przodek wszystkich organizmów ukazał się około 3,5 miliarda lat temu. Biologowie generalnie odnoszą się do uniwersalności kodu genetycznego jako definitywnego dowodu potwierdzającego uniwersalne, wspólne pochodzenie dla wszystkich bakterii, archeowców oraz jądrowców (zobacz: pochodzenie życia).

Genetyka

 Osobny artykuł: Genetyka.

Wszelkie dziedziczne cechy organizmów, od ich budowy oraz cech fizjologicznych, po zwierzęce instynkty, czy ludzkie talenty oraz skłonności, są wynikiem występowania w komórkach odpowiednich białek, zakodowanych w genach. Geny, będące podstawową jednostką dziedziczenia, przenoszą te cechy do następnego pokolenia. Fizjologiczne przystosowania organizmu do środowiska nie potrafią zostać zakodowane w ich genach oraz odziedziczone przez potomstwo (zobacz: lamarkizm).

Homeostaza

 Osobny artykuł: Homeostaza.

Homeostaza jest zdolnością otwartych systemów (mogących wymieniać materię oraz energię z otoczeniem) do utrzymywania stabilnego stanu w rozumieniu równowagi dynamicznej. Regulacja ta przebiega za pomocą sprzężonych ze sobą mechanizmów. Wszystkie organizmy żywe, czy to jednokomórkowe czy też wielokomórkowe wykazują homeostazę. Homeostaza objawia się na poziomie komórkowym poprzez utrzymywanie stałej wewnętrznej kwasowości (pH); na poziomie organizmów, zwierzęta stałocieplne utrzymują stałą temperaturę ciała; na poziomie ekosystemów, kiedy rośnie poziom stężenia dwutlenku węgla rośliny teoretycznie są w stanie rosnąć zdrowsze oraz usunąć nadmiar gazu z atmosfery. Tkanki oraz organy także są w stanie utrzymywać homeostazę.

Symbioza pomiędzy rybą z rodzaju Amphiprion, która mieszka pomiędzy czułkami tropikalnego ukwiału. Ryba, broniąc swojego terytorium, broni ukwiału przed rybami na nim żerującymi, w zamian ukwiał, za pomocą swych parzących czułków, chroni rybę przed jej drapieżnikami

Interakcja

Każda żywa istota ma wzajemne zależności z innymi organizmami oraz ich naturalnym środowiskiem. Jednym z powodów dlaczego systemy biologiczne bywają trudne do zbadania jest mnogość wielorakich zależności pomiędzy organizmami a ich środowiskiem nawet w najmniejszej skali. Mikroskopijna bakteria odpowiadająca za stężenie cukrów w danym środowisku, jest tak samo odpowiedzialna wobec swojego środowiska jak lew kiedy wybiera się na polowanie szukając ofiary na afrykańskiej sawannie. Między każdymi gatunkami, zachowania bywają kooperacyjne, agresywne, pasożytnicze albo symbiotyczne.

Zagadnienie zaczyna być bardziej skomplikowane kiedy dwa albo więcej gatunków oddziałuje z ekosystemem. Tego typu badania są polem zainteresowań ekologii.

Sprawdź też

Informacje w siostrzanych projektach

 Ilustracje oraz media  w Wikimedia Commons
 Definicje słownikowe  w Wikisłowniku
 Cytaty  w Wikicytatach

• Portal:Biologia

Przypisy

Linki zewnętrzne

• Kategoria Biologia w katalogu DMOZ
• pl.sci.biologia - polska grupa dyskusyjna poświęcona biologii