Biologia (z
gr.
βίος (bios) - życie i λόγος (logos) - słowo, nauka) – gałąź
nauki
zajmująca się badaniem
życia
. Nauka ta skupia się na charakterystyce, klasyfikacji oraz zachowaniu organizmów żywych, jak również sposobie powstawania nowych
gatunków
oraz zależnościami między nimi a
środowiskiem naturalnym
.
Biologia obejmuje szeroki wachlarz zagadnień badawczych, które są często postrzegane jako odrębne dyscypliny naukowe: bywa opisywana jako tort, który można dzielić na pionowe sektory "taksonomiczne" (
ornitologia
,
algologia
,
entomologia
) i poziome warstwy dziedzin (
fizjologia
,
cytologia
czy
ekologia
)[1]. Jednakże, wspólnie odwołują się one do fenomenu życia na tle różnych 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
i
prawo zachowania masy
.
 | pałeczka okrężnicy Escherichia coli |
|  | Paproć |
|
 | G. goliatus |
|  | Gazela |
|
Na poziomie organizmu, biologia częściowo wyjaśniła fenomeny takie jak
narodziny
,
wzrost
,
starzenie się
,
śmierć
i
rozkład
organizmów żywych, podobieństwa między potomkami a ich rodzicami (
dziedziczenie
) oraz rozkwit roślin, które intrygowały ludzkość przez całą jej historię. Inne fenomeny, takie jak
laktacja
,
metamorfoza
,
lęg
,
zdrowienie
i
tropizm
również znajdują się w sferze zainteresowania biologii. W większej skali czasu i przestrzeni biologowie badają
udomowianie
zwierząt i 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 gdy
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
i
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
i
histologia
.
Embriologia
bada życie na etapie jego rozwoju zarodkowego, zaś powstawanie i 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 między 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 i ich
siedliska
są badane przez
ekologię
i
biologię ewolucyjną
. Nowym, na razie teoretycznym, polem badań jest
astrobiologia
(nazywana też ksenobiologią albo egzobiologią), która bada możliwości występowania życia pozaziemskiego.
Główne założenia
Biologia zazwyczaj 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 zazwyczaj nie są tak konkretne jak te opisywane przez dyscypliny takie jak
fizyka
. Jednakże biologia nadal podlega tym samym prawom fizyki co reszta
wszechświata
, na przykład
zasadom termodynamiki
i
prawu zachowania masy
.
Nauki biologiczne są charakteryzowane i ujednolicone przez poszczególne, podstawowe pojęcia takie jak uniwersalność,
ewolucja
,
różnorodność
, ciągłość,
genetyka
,
homeostaza
,
wzajemne oddziaływanie
.
Uniwersalność: Biochemia, komórki i kod genetyczny
Schematyczna prezentacja budowy cząsteczki kwasu deoksyrybonukleinowego (
DNA
), podstawowego nośnika
informacji genetycznej
.
Uderzającym przykładem biologicznej uniwersalności jest
biochemia
życia oparta na związkach
węgla
i jej zdolność do przekazywania swoich właściwości drogą
dziedziczenia
poprzez
materiał genetyczny
, używając bazowanego na DNA i 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 również fakt, że wszystkie organizmy posiadają podobne procesy rozwojowe.
Ewolucja
Jednym z głównych założeń biologii jest to, że wszystkie formy życia mają wspólne pochodzenie oraz zmieniały się i rozwijały w procesie
ewolucji
(zobacz wspólne pochodzenie), co spowodowało owo uderzające podobieństwo jednostek i 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
został objęty tą teorią jako dodatkowy mechanizm rozwoju ewolucyjnego we współczesnej (nowej) syntezie tej teorii.
Historia ewolucyjna
gatunków
, która opisuje charakterystykę różnych gatunków, ich pochodzenie razem z ich
genealogicznymi
powiązaniami z innymi gatunkami, nazywana jest ich
filogenezą
.
Informacje o filogenezie można pozyskiwać w zróżnicowany sposób. Między innymi są to porównania sekwencji DNA prowadzone przez
biologię molekularną
i
genomikę
oraz porównania
skamielin
lub innych zachowanych śladów dawnych organizmów żywych w
paleontologii
. Biologowie potrafią organizować i analizować powiązania ewolucyjne między organizmami za pomocą różnych metod, takich jak
filogeneza
,
fenetyka
i
kladystyka
. (Ważne wydarzenia w ewolucji życia, takie jakimi je obecnie 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
i
jądrowców
początkowo opisanych przez
Carla Woese
. Drzewa skonstruowane za pomocą innych genów są podobne lecz mogą umiejscawiać niektóre wcześniejsze gałęzie rozwojowe bardzo różnie, prawdopodobnie z powodu gwałtownej ewolucji rRNA. Dokładne powiązania między poszczególnymi domenami nadal są obiektem dyskusji.
Drzewa filogenetyczne
(drzewa życia) organizmów są klasyfikowane. Klasyfikacja leży w zakresie następujących dziedzin:
systematyki
i
taksonomii
.
Taksonomia umieszcza organizmy w grupach nazywanych
taksonami
, podczas gdy systematyka filogenetyczna szuka pokrewieństwa między nimi. Ta technika klasyfikacji rozwinęła się dzięki odkryciom
kladystyki
i
genetyki
, które teraz skupiają się nie na podobieństwie fizycznym i podobnej charakterystyce lecz na
filogenezie
.
Tradycyjnie organizmy żywe zostały umieszczone 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, według następującego porządku: 1. Królestwo, 2. Typ, 3. Gromada, 4. Rząd, 5. Rodzina, 6. Rodzaj, 7. Gatunek. Nazwa systematyczna organizmu składa się z nazwy rodzajowej i nazwy gatunkowej (tzw. epitetu gatunkowego). Na przykład ludzie są określani nazwą Homo sapiens. Homo jest nazwą rodzajową zaś sapiens nazwą gatunkową. Pisząc nazwę systematyczną organizmu należy pisać nazwę rodzajową dużą literą a nazwę gatunkową małą. Zazwyczaj 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 mogą pojawiać się spontanicznie pod pewnymi warunkami (
teoria samorództwa
). Ta teoria została uznana za błędną i 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 posiada wspólne pochodzenie jeśli posiada 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 pojawił 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
i
jądrowców
(zobacz:
pochodzenie życia
).
Genetyka
Wszelkie dziedziczne cechy organizmów, od ich budowy i cech fizjologicznych, po zwierzęce instynkty, czy ludzkie talenty i 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 mogą zostać zakodowane w ich genach i odziedziczone przez potomstwo (zobacz:
lamarkizm
).
Homeostaza
Homeostaza jest zdolnością otwartych systemów (mogących wymieniać materię i energię z otoczeniem) do utrzymywania stabilnego stanu w rozumieniu
równowagi dynamicznej
. Regulacja ta odbywa 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 i usunąć nadmiar gazu z atmosfery.
Tkanki
i
organy
również są w stanie utrzymywać homeostazę.
Symbioza
między 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 posiada wzajemne zależności z innymi organizmami i ich
naturalnym środowiskiem
. Jednym z powodów dlaczego systemy biologiczne mogą być trudne do zbadania jest mnogość różnych zależności między 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
mogą być
kooperacyjne
,
agresywne
,
pasożytnicze
albo
symbiotyczne
.
Zagadnienie zaczyna być bardziej skomplikowane kiedy dwa lub więcej gatunków oddziałuje z
ekosystemem
. Tego typu badania są polem zainteresowań
ekologii
.
Historia biologii
Koncepcja biologii jako spójnej i odrębnej dziedziny nauki pojawiła się w XIX w. Jednak nauki biologiczne sięgają tradycją wiele wieków wstecz do medycyny i
historii naturalnej
aż po
Galena
,
Arystotelesa
czy
Hipokratesa
. Od epoki
renesansu
historia nowożytna rewolucjonizuje myśl biologiczną przez wznowienie zainteresowania
empiryzmem
i odkryciem wielu nowych gatunków. Znaczącą rolę odegrali wówczas
Wesaliusz
i
Harvey
, którzy stosowali eksperyment i obserwację w badaniu
anatomii
i
fizjologii
. Z kolei
Linneusz
i
Buffon
rozpoczęli klasyfikację gatunków, jak również badanie powstawania i zachowania organizmów. Wynalezienie
mikroskopu
umożliwiło badanie mikroorganizmów i położyło podwaliny pod teorię
komórki
.
W czasie XVIII i XIX w. nauki biologiczne, takie jak
botanika
czy
zoologia
stają się uznanymi dyscyplinami naukowymi.
Antoine Lavoisier
i inni naukowcy zaczęli łączyć świat ożywiony i nieożywiony przez odkrycia z zakresu fizyki i chemii.
Naturaliści
i podróżnicy jak
Alexander von Humboldt
badali interakcje między organizmami a ich otoczeniem, oraz na ile położenie geograficzne wpływa na te zależności - dając tym samym początek
biogeografii
,
ekologii
i
etologii
. Naturaliści zaczęli odrzucać
esencjalizm
i rozważać znaczenie wymierania i zmienności gatunków. Prace te, jak i wyniki badań embriologii i 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
i
Cricka
struktury
DNA
. Biologia była wówczas dzielona na obszary zajmujące się zagadnieniami na poziomie organizmu lub grupy organizmów oraz na te badające poziom komórkowy i molekularny. Pod koniec XX w. granice te znacznie się zatarły, ze względu na pojawienie się np.
genomiki
czy
proteomiki
i wykorzystywanie przez różne nauki biologiczne np. technik molekularnych przy równoczesnym badaniu relacji między genami a środowiskiem.
Przypisy
- ↑ E. P. Odum: Podstawy ekologii. Warszawa: PWRiL, 1977.
Zobacz też
Linki zewnętrzne