Biologie

Biologie je vědní obor zabývající se studiem života. Zabývá se charakteristikami, klasifikací a chováním organismů, tím, jak druhy vznikají, a interakcemi, které mají mezi sebou a s životním prostředím. Biologie zahrnuje široké spektrum akademických oborů, které jsou často považovány za nezávislé disciplíny. Společně se však zabývají jevy souvisejícími s živými organismy (biologickými jevy) v širokém spektru měřítek, od biochemie po ekologii.

Na úrovni organismů biologie vysvětlila jevy jako narození, růst, stárnutí, smrt a rozklad živých organismů, podobnosti mezi potomky a rodiči (dědičnost) a kvetení rostlin lidstvo udivují již od starověku. Byly řešeny i další jevy, jako je laktace, metamorfóza, líhnutí vajíček, hojení a tropismus. V širším měřítku času a prostoru biologové zkoumali domestikaci zvířat a rostlin, širokou škálu živých organismů (biodiverzitu), změny v živých organismech v průběhu věků (evoluci), vymírání, speciaci, sociální chování zvířat atd.

Zatímco botanika zahrnuje studium rostlin, zoologie je vědní obor, který se zabývá studiem živočichů a antropologie je obor biologie pro studium lidských bytostí. V molekulárním měřítku je však život studován v oborech molekulární biologie, biochemie a molekulární genetiky. Na další úrovni buňky je studován v buněčné biologii a v mnohobuněčných měřítcích je zkoumán ve fyziologii, anatomii a histologii. Vývojová biologie studuje život na úrovni vývoje nebo ontogeneze jednotlivého organismu. Posouváme-li se v měřítku k více než jednomu organismu, genetika zvažuje, jak funguje dědičnost mezi rodičem a potomkem. Etologie zvažuje skupinové chování více než jednoho jedince. Populační genetika se dívá na úroveň celé populace a systematika zvažuje vícedruhové měřítko rodokmenů. Vzájemně závislé populace a jejich stanoviště jsou zkoumány v ekologii a evoluční biologii. Spekulativním novým oborem je astrobiologie (nebo xenobiologie), která zkoumá možnost života mimo Zemi.

Na rozdíl od fyziky biologie obvykle nepopisuje systémy z hlediska objektů, které dodržují neměnné fyzikální zákony popsané matematikou. Biologické vědy jsou nicméně charakterizovány a sjednoceny několika základními principy a koncepty: univerzálností, evolucí, diverzitou, kontinuitou, genetikou, homeostázou a interakcemi.

Univerzálnost: Biochemie, buňky a genetický kód

Schematická reprezentace DNA, primárního genetického materiálu.

Nejvýraznějším příkladem biologické univerzálnosti je to, že všechny živé bytosti sdílejí společnou biochemii založenou na uhlíku a zejména předávají své vlastnosti prostřednictvím genetického materiálu, který je založen na nukleových kyselinách, jako je DNA, a který používá společný genetický kód jen s malými odchylkami.

Dalším univerzálním principem je, že všechny organismy (tedy všechny formy života na Zemi s výjimkou virů) jsou tvořeny buňkami. Podobně všechny organismy sdílejí společné vývojové procesy. Například u většiny organismů metazoidů mají základní stadia raného embryonálního vývoje podobné morfologické vlastnosti a obsahují podobné geny.

Evoluce: Ústřední princip biologie

Ústředním organizačním konceptem v biologii je, že veškerý život má společný původ a změnil se a vyvinul procesem evoluce (viz Společný původ). To vedlo k nápadné podobnosti jednotek a procesů diskutovaných v předchozí části. Charles Darwin stanovil evoluci jako životaschopnou teorii tím, že formuloval její hnací sílu, přirozený výběr (Alfred Russell Wallace je uznáván jako spoluobjevitel tohoto konceptu). Genetický drift byl přijat jako dodatečný mechanismus evolučního vývoje v moderní syntéze teorie.

Evoluční historie druhu – která popisuje charakteristiky různých druhů, z nichž pochází – spolu s jeho genealogickým vztahem ke všem ostatním druhům se nazývá jeho fylogeneze. Velmi různorodé přístupy k biologii generují informace o fylogenezi. Patří mezi ně srovnávání sekvencí DNA prováděné v rámci molekulární biologie nebo genomiky a srovnávání fosílií nebo jiných záznamů starověkých organismů v paleontologii. Biologové organizují a analyzují evoluční vztahy různými metodami, včetně fylogenetiky, fenetiky a kladistiky (Hlavní události ve vývoji života, jak je biologové v současné době chápou, jsou shrnuty na této evoluční časové ose).

Rozmanitost: Rozmanitost živých organismů

Fylogenetický strom všech živých tvorů, založený na údajích o rRNA genech, ukazující oddělení tří domén bakterií, archeí a eukaryot, jak je původně popsal Carl Woese. Stromy konstruované s jinými geny jsou si obecně podobné, i když některé raně větvící se skupiny mohou umístit velmi odlišně, pravděpodobně kvůli rychlé evoluci rRNA. Přesné vztahy těchto tří domén jsou stále předmětem debat.

Navzdory své základní jednotě vykazuje život úžasně širokou rozmanitost v morfologii, chování a životních historiích. S cílem vypořádat se s touto rozmanitostí se biologové pokoušejí klasifikovat vše živé. Vědecká klasifikace se snaží odrážet evoluční stromy (fylogenetické stromy) organismu, který je klasifikován. Klasifikace je doménou oborů systematiky a taxonomie. Taxonomie řadí organismy do skupin nazývaných taxony, zatímco systematika se snaží definovat jejich vzájemné vztahy. Tato technika klasifikace se vyvinula tak, aby odrážela pokroky v kladistice a genetice, a přesouvá těžiště z fyzických podobností a společných vlastností na fylogenetiku.

Tradičně byly živé věci rozděleny do pěti království:

Mnoho vědců však dnes považuje tento systém pěti království za zastaralý. Moderní alternativní klasifikační systémy obvykle začínají systémem tří domén:

Tyto domény odrážejí, zda buňky mají jádra, nebo ne, stejně jako rozdíly v buněčných exteriérech.

Dále je každé království rozděleno průběžně, dokud není každý druh odděleně klasifikován. Pořadí je 1)Království, 2)Phylum, 3)Třída, 4)Řád, 5)Rodina, 6)Rod, 7)Druh. Vědecký název organismu se získává z jeho rodů a druhů. Například lidé by byli uvedeni jako Homo sapien. Homo by byl rod a Sapien je druh. Kdykoli se píše vědecký název organismu, je vhodné první písmeno v rodě a všechny druhy psát velkými písmeny; navíc by se celý termín psal kurzívou. Termín používaný pro klasifikaci se nazývá Taxonomie.

Existuje také řada intracelulárních parazitů, kteří jsou z hlediska metabolické aktivity postupně „méně živí“:

Kontinuita: společný sestup života

Hlavní článek: Společný sestup

Až do 19. století se všeobecně věřilo, že formy života se mohou za určitých podmínek objevit spontánně (viz abiogeneze). Tuto mylnou představu zpochybnil výrok Williama Harveyho, že „veškerý život [je] z [vajíčka“ (z latinského „Omne vivum ex ovo“), což je základní pojem moderní biologie. Znamená to prostě, že existuje nepřerušená kontinuita života od jeho počátečního vzniku až po současnost.

Říká se, že skupina organismů má společný původ, pokud mají společného předka. Všechny organismy na Zemi byly a jsou potomky společného předka nebo genofondu předků. Předpokládá se, že tento poslední univerzální společný předek všech organismů se objevil asi před 3,5 miliardami let. Biologové obecně považují univerzálnost genetického kódu za definitivní důkaz ve prospěch teorie univerzálního společného původu (UCD) pro všechny bakterie, archee a eukaryota (viz: původ života).

Homeostáza: Přizpůsobení se změnám

Hlavní článek: Homeostáza

Homeostáza je schopnost otevřeného systému regulovat své vnitřní prostředí k udržení stabilního stavu pomocí vícenásobných dynamických rovnovážných úprav řízených vzájemně propojenými regulačními mechanismy. Všechny živé organismy, ať už jednobuněčné nebo vícebuněčné, vykazují homeostázu. Homeostáza se projevuje na buněčné úrovni udržováním stabilní vnitřní kyselosti (pH), na úrovni organismu udržují teplokrevní živočichové konstantní vnitřní tělesnou teplotu a na úrovni ekosystému, jako když stoupá atmosférická hladina oxidu uhličitého a rostliny jsou teoreticky schopny růst zdravěji a odvádět více plynu z atmosféry. Tkáně a orgány mohou také udržovat homeostázu.

Interakce: Skupiny a prostředí

Vzájemná symbióza mezi klauny rodu Amphiprion, kteří sídlí mezi chapadly sasanek tropických. Teritoriální ryby chrání sasanky před sasankami, a naopak bodavá chapadla sasanek chrání klauny před jejich predátory

Každý živý tvor interaguje s jinými organismy a svým okolím. Jedním z důvodů, proč může být obtížné biologické systémy studovat, je to, že je možné tolik různých interakcí s jinými organismy a okolím, dokonce i v nejmenším měřítku. Mikroskopická bakterie reagující na lokální cukrový gradient reaguje na své prostředí stejně, jako lev reaguje na své prostředí, když hledá potravu v africké savaně. U každého daného druhu může být chování kooperativní, agresivní, parazitické nebo symbiotické. Věci se stávají složitějšími, když dva nebo více různých druhů interagují v ekosystému. Studie tohoto typu jsou doménou ekologie.

Hlavní článek: Seznam biologických disciplín

Biologie se stala tak rozsáhlým výzkumným podnikem, že není obecně považována za jeden obor, ale za řadu seskupených dílčích oborů. Tento článek se zabývá čtyřmi širokými seskupeními. První skupina se skládá z těch oborů, které studují základní struktury živých systémů: buňky, geny atd.; druhá skupina se zabývá fungováním těchto struktur na úrovni tkání, orgánů a těl; třetí skupina se zabývá organismy a jejich historií; konečná konstelace oborů se zaměřuje na jejich interakce. Je však důležité poznamenat, že tyto hranice, seskupení a popisy jsou zjednodušenou charakteristikou biologického výzkumu. Ve skutečnosti jsou hranice mezi obory plynulé a většina oborů si techniky často vypůjčuje od sebe navzájem. Například evoluční biologie se silně opírá o techniky z molekulární biologie pro určení sekvencí DNA, které pomáhají pochopit genetické variace populace; a fyziologie si při popisu funkce orgánových systémů rozsáhle vypůjčuje z buněčné biologie.

Schéma typické zvířecí buňky znázorňující různé organely a struktury

Molekulární biologie je studium biologie na molekulární úrovni. Tento obor se překrývá s dalšími oblastmi biologie, zejména s genetikou a biochemií. Molekulární biologie se zabývá především chápáním interakcí mezi různými systémy buňky, včetně vzájemného vztahu syntézy DNA, RNA a proteinů a poznáváním, jak jsou tyto interakce regulovány.

Buněčná biologie studuje fyziologické vlastnosti buněk, stejně jako jejich chování, interakce a prostředí. To se provádí jak na mikroskopické, tak na molekulární úrovni. Buněčná biologie zkoumá jak jednobuněčné organismy, jako jsou bakterie, tak specializované buňky v mnohobuněčných organismech, jako jsou lidé.

Pochopení složení buněk a jejich fungování je zásadní pro všechny biologické vědy. Ocenění podobností a rozdílů mezi typy buněk je obzvláště důležité v oblasti buněčné a molekulární biologie. Tyto základní podobnosti a rozdíly poskytují sjednocující téma, které umožňuje principy získané studiem jednoho typu buněk extrapolovat a zobecnit na jiné typy buněk.

Genetika je věda o genech, dědičnosti a variabilitě organismů. V moderním výzkumu poskytuje genetika důležité nástroje při zkoumání funkce konkrétního genu nebo analýze genetických interakcí. Uvnitř organismů se genetická informace zpravidla přenáší v chromozomech, kde je zastoupena v chemické struktuře konkrétních molekul DNA.

Geny kódují informace nezbytné pro syntézu proteinů, které zase hrají velkou roli při ovlivňování (i když v mnoha případech ne zcela určující) konečného fenotypu organismu.

Vývojová biologie studuje proces, kterým organismy rostou a vyvíjejí se. Moderní vývojová biologie, která má původ v embryologii, studuje genetickou kontrolu růstu buněk, diferenciaci a „morfogenezi“, což je proces, který dává vzniknout tkáním, orgánům a anatomii. Modelové organismy pro vývojovou biologii zahrnují kulatého červa Caenorhabditis elegans, octomilku Drosophila melanogaster, zebradu Brachydanio rerio, myš Mus musculus a plevel Arabidopsis thaliana.

Fyziologie studuje mechanické, fyzikální a biochemické procesy živých organismů tím, že se snaží porozumět tomu, jak všechny struktury fungují jako celek. Téma „struktura k funkci“ je pro biologii stěžejní. Fyziologické studie se tradičně dělí na fyziologii rostlin a fyziologii zvířat, ale principy fyziologie jsou univerzální, bez ohledu na to, jaký konkrétní organismus je studován. Například to, co se naučíme o fyziologii kvasinkových buněk, se může vztahovat i na lidské buňky. Obor fyziologie zvířat rozšiřuje nástroje a metody lidské fyziologie i na jiné než lidské druhy. Fyziologie rostlin si také vypůjčuje techniky z obou oborů.

Anatomie je důležitým oborem fyziologie a zkoumá, jak orgánové systémy u zvířat, jako je nervový, imunitní, endokrinní, dýchací a oběhový systém, fungují a vzájemně působí. Studium těchto systémů je sdíleno s medicínsky orientovanými obory, jako je neurologie a imunologie.

Rozmanitost a vývoj organismů

V populační genetice je vývoj populace organismů někdy zobrazován jako cestování po fitness krajině. Šipky označují preferovaný tok populace po krajině a body A, B a C jsou lokální optima. Červená kulička označuje populaci, která se pohybuje od velmi nízké kondiční hodnoty k vrcholu vrcholu

Evoluční biologie se zabývá původem a původem druhů, stejně jako jejich proměnou v čase, a zahrnuje vědce z mnoha taxonomicky orientovaných oborů. Například obecně zahrnuje vědce, kteří mají speciální vzdělání v konkrétních organismech, jako je savectví, ornitologie nebo herpetologie, ale používají tyto organismy jako systémy k zodpovězení obecných otázek o evoluci. Evoluční biologie je založena především na paleontologii, která využívá fosilní záznamy k zodpovězení otázek o způsobu a tempu evoluce, stejně jako o vývoji v oblastech, jako je populační genetika a evoluční teorie. V 90. letech se vývojová biologie vrátila do evoluční biologie ze svého počátečního vyloučení z moderní syntézy prostřednictvím studia evoluční vývojové biologie. Související oblasti, které jsou často považovány za součást evoluční biologie, jsou fylogenetika, systematika a taxonomie.

Dvěma hlavními tradičními taxonomicky orientovanými disciplínami jsou botanika a zoologie. Botanika je vědecké studium rostlin. Botanika zahrnuje širokou škálu vědeckých disciplín, které studují růst, reprodukci, metabolismus, vývoj, nemoci a vývoj rostlinného života. Zoologie zahrnuje studium zvířat, včetně studia jejich fyziologie v rámci oborů anatomie a embryologie. Společné genetické a vývojové mechanismy zvířat a rostlin jsou studovány v molekulární biologii, molekulární genetice a vývojové biologii. Ekologie zvířat je pokryta behaviorální ekologií a dalšími obory.

Převládající klasifikační systém se nazývá linnaeanská taxonomie, která zahrnuje řazení a binomickou nomenklaturu. Jak jsou organismy pojmenovány, se řídí mezinárodními dohodami, jako je Mezinárodní kodex botanické nomenklatury (ICBN), Mezinárodní kodex zoologické nomenklatury (ICZN) a Mezinárodní kodex nomenklatury bakterií (ICNB). Čtvrtý návrh Biokódu byl zveřejněn v roce 1997 ve snaze standardizovat pojmenování v těchto třech oblastech, ale zatím nebyl formálně přijat. Mezinárodní kodex klasifikace a nomenklatury virů (ICVCN) zůstává mimo Biokód.

Potravinová síť, zobecnění potravního řetězce, znázorňující složité vzájemné vztahy mezi organismy v ekosystému.

Ekologie studuje rozložení a hojnost živých organismů a interakce mezi organismy a jejich prostředím. Prostředí organismu zahrnuje jak jeho stanoviště, které lze popsat jako souhrn místních abiotických faktorů, jako je klima a geologie, tak i ostatní organismy, které sdílejí jeho stanoviště. Ekologické systémy jsou studovány na několika různých úrovních, od jednotlivců a populací po ekosystémy a biosféru. Jak lze předpokládat, ekologie je věda, která čerpá z několika oborů.

Etologie studuje chování zvířat (zejména společenských zvířat, jako jsou primáti a psovití) a někdy je považována za obor zoologie. Etologové se zabývají zejména vývojem chování a chápáním chování z hlediska teorie přirozeného výběru. V jednom smyslu byl prvním moderním etologem Charles Darwin, jehož kniha Vyjádření emocí u zvířat a lidí ovlivnila mnoho etologů.

Biogeografie studuje prostorové rozložení organismů na Zemi, zaměřuje se na témata jako desková tektonika, změna klimatu, rozptyl a migrace a kladistika.

Historie slova "biologie"

Formováno spojením řeckého βίος (bios), což znamená „život“, a λόγος (logos), což znamená „studium“, zdá se, že slovo „biologie“ ve svém moderním smyslu bylo zavedeno nezávisle Gottfriedem Reinholdem Treviranusem (Biologie oder Philosophie der lebenden Natur, 1802) a Jeanem-Baptistem Lamarckem (Hydrogéologie, 1802). O samotném slovu se někdy říká, že bylo zavedeno v roce 1800 Karlem Friedrichem Burdachem, ale objevuje se v názvu 3. svazku knihy Michaela Christopha Hanova Philosophiae naturalis sive physicae dogmaticae: Geologia, biologia, phytologia generalis et dendrologia, publikované v roce 1766.

Astronomie · Biologie · Chemie · Věda o Zemi · Fyzika