Biológia je vedný odbor zaoberajúci sa štúdiom života. Zaoberá sa vlastnosťami, klasifikáciou a správaním organizmov, spôsobom vzniku druhov a ich vzájomnými interakciami a interakciami s prostredím. Biológia zahŕňa široké spektrum vedných odborov, ktoré sa často považujú za samostatné disciplíny. Spoločne sa však zaoberajú javmi súvisiacimi so živými organizmami (biologickými javmi) v širokom rozsahu, od biochémie až po ekológiu.
Na úrovni organizmov biológia vysvetľuje javy, ako je zrod, rast, starnutie, smrť a rozpad živých organizmov, podobnosť medzi potomkami a rodičmi (dedičnosť) a kvitnutie rastlín, ktoré ľudstvo mátali už od staroveku. Venovali sa aj ďalším javom, ako je laktácia, metamorfóza, liahnutie vajíčok, hojenie a tropizmus. V širšom časovom a priestorovom meradle biológovia skúmali domestikáciu živočíchov a rastlín, širokú rozmanitosť živých organizmov (biodiverzitu), zmeny živých organizmov v priebehu vekov (evolúciu), vymieranie, druhovanie, sociálne správanie živočíchov atď.
Kým botanika zahŕňa štúdium rastlín, zoológia je vedný odbor, ktorý sa zaoberá štúdiom živočíchov, a antropológia je odbor biológie, ktorý skúma človeka. Na molekulárnej úrovni však život študujú disciplíny molekulárnej biológie, biochémie a molekulárnej genetiky. Na ďalšej úrovni bunky sa študuje v bunkovej biológii a v mnohobunkovom meradle ho skúma fyziológia, anatómia a histológia. Vývojová biológia skúma život na úrovni vývoja alebo ontogenézy jednotlivých organizmov. Ak sa posunieme na vyššiu škálu smerom k viacerým organizmom, genetika skúma, ako funguje dedičnosť medzi rodičmi a potomkami. Etológia sa zaoberá skupinovým správaním viac ako jedného jedinca. Populačná genetika sa zaoberá úrovňou celej populácie a systematika zohľadňuje viacdruhovú škálu línií. V ekológii a evolučnej biológii sa skúmajú vzájomne závislé populácie a ich biotopy. Špekulatívnym novým odborom je astrobiológia (alebo xenobiológia), ktorá skúma možnosť života mimo Zeme.
Na rozdiel od fyziky sa v biológii zvyčajne nepopisujú systémy v podobe objektov, ktoré sa riadia nemennými fyzikálnymi zákonmi opísanými matematikou. Napriek tomu biologické vedy charakterizuje a zjednocuje niekoľko hlavných základných princípov a pojmov: univerzálnosť, evolúcia, rozmanitosť, kontinuita, genetika, homeostáza a interakcie.
Univerzálnosť: Biochémia, bunky a genetický kód
Schematické znázornenie DNA, základného genetického materiálu.
Najvýraznejším príkladom biologickej univerzálnosti je, že všetky
živé organizmy majú spoločnú biochémiu založenú na uhlíku a najmä si odovzdávajú svoje vlastnosti prostredníctvom genetického materiálu, ktorý je založený na nukleových kyselinách, ako je DNA, a ktorý používa spoločný genetický kód len s malými odchýlkami.
Ďalším univerzálnym princípom je, že všetky organizmy (teda všetky formy života na Zemi okrem vírusov) sa skladajú z buniek. Podobne majú všetky organizmy spoločné vývojové procesy. Napríklad u väčšiny metazoických organizmov majú základné štádiá raného embryonálneho vývoja podobné morfologické charakteristiky a obsahujú podobné gény.
Vývoj: Ústredný princíp biológie
Ústrednou koncepciou biológie je, že všetok život má spoločný pôvod a v procese evolúcie sa menil a vyvíjal (pozri Spoločný pôvod). To viedlo k nápadnej podobnosti jednotiek a procesov, o ktorých sa hovorilo v predchádzajúcej časti. Charles Darwin ustanovil evolúciu ako životaschopnú teóriu tým, že sformuloval jej hnaciu silu, prirodzený výber (Alfred Russell Wallace je uznávaný ako spoluobjaviteľ tejto koncepcie). Genetický drift bol v modernej syntéze teórie prijatý ako ďalší mechanizmus evolučného vývoja.
Evolučná história druhu – ktorá opisuje vlastnosti rôznych druhov, z ktorých pochádza – spolu s jeho genealogickým vzťahom ku každému inému druhu sa nazýva fylogenéza. Informácie o fylogenéze sa získavajú na základe najrôznejších prístupov k biológii. Patrí medzi ne porovnávanie sekvencií DNA v rámci molekulárnej biológie alebo genomiky a porovnávanie fosílií alebo iných záznamov o dávnych organizmoch v paleontológii. Biológovia organizujú a analyzujú evolučné vzťahy pomocou rôznych metód vrátane fylogenetiky, feniky a kladistiky (Hlavné udalosti vo vývoji života, ako ich chápu biológovia v súčasnosti, sú zhrnuté na tejto evolučnej časovej osi).
Rozmanitosť: Rozmanitosť živých organizmov
Fylogenetický strom všetkých živých organizmov založený na údajoch o génoch rRNA, ktorý ukazuje rozdelenie troch oblastí – baktérií, archeí a eukaryotov, ako ich pôvodne opísal Carl Woese. Stromy zostrojené pomocou iných génov sú vo všeobecnosti podobné, hoci môžu umiestniť niektoré skupiny s ranou vetvou veľmi odlišne, pravdepodobne v dôsledku rýchlej evolúcie rRNA. O presných vzťahoch týchto troch domén sa stále diskutuje.
Napriek svojej základnej jednote vykazuje život prekvapujúco veľkú rozmanitosť v morfológii, správaní a životných dejinách. Aby sa biológovia mohli vyrovnať s touto rozmanitosťou, pokúšajú sa klasifikovať všetky živé organizmy. Vedecká klasifikácia sa snaží odrážať evolučné stromy (fylogenetické stromy) klasifikovaného organizmu. Klasifikácia je doménou disciplín systematiky a taxonómie. Taxonómia zaraďuje organizmy do skupín nazývaných taxóny, zatiaľ čo systematika sa snaží definovať ich vzájomné vzťahy. Táto technika klasifikácie sa vyvinula tak, aby odrážala pokrok v kladistike a genetike, čím sa dôraz presunul z fyzických podobností a spoločných znakov na fylogenetiku.
Tradične sa živé organizmy delia na päť ríš:
Mnohí vedci však v súčasnosti považujú tento systém piatich kráľovstiev za zastaraný. Moderné alternatívne klasifikačné systémy vo všeobecnosti vychádzajú zo systému troch domén:
Tieto domény odrážajú to, či bunky majú alebo nemajú jadrá, ako aj rozdiely vo vonkajších častiach buniek.
Ďalej sa jednotlivé ríše priebežne rozdeľujú, až kým sa každý druh nezaradí samostatne. Poradie je nasledovné: 1)kráľovstvo, 2)fylum, 3)trieda, 4)rad, 5)čeľaď, 6)rod, 7)druh. Vedecký názov organizmu sa získava z jeho rodu a druhu. Napríklad človek by bol uvedený ako Homo sapien. Homo by bol rod a Sapien je druh. Pri každom písaní vedeckého názvu organizmu je správne písať prvé písmeno v rode s veľkým začiatočným písmenom a všetky druhy s malým začiatočným písmenom; okrem toho by sa celý termín písal kurzívou. Termín používaný na klasifikáciu sa nazýva taxonómia.
Existuje aj rad vnútrobunkových parazitov, ktoré sú z hľadiska metabolickej aktivity postupne „menej živé“:
Kontinuita: Spoločný pôvod života
Hlavný článok: Spoločný pôvod
Až do 19. storočia sa všeobecne verilo, že formy života môžu za určitých podmienok vzniknúť spontánne (pozri abiogenéza). Túto mylnú predstavu spochybnil William Harvey svojím výrokom, že „všetok život [je] z [vajíčka]“ (z latinského „Omne vivum ex ovo“), ktorý je základným pojmom modernej biológie. Znamená to jednoducho, že existuje neprerušená kontinuita života od jeho počiatočného vzniku až po súčasnosť.
O skupine organizmov sa hovorí, že majú spoločný pôvod, ak majú spoločného predka. Všetky organizmy na Zemi pochádzali a pochádzajú zo spoločného predka alebo zo spoločného genofondu predkov. Predpokladá sa, že tento posledný univerzálny spoločný predok všetkých organizmov sa objavil približne pred 3,5 miliardami rokov. Biológovia všeobecne považujú univerzálnosť genetického kódu za definitívny dôkaz v prospech teórie univerzálneho spoločného pôvodu (UCD) pre všetky baktérie, archeá a eukaryoty (pozri: vznik života).
Homeostáza: Prispôsobenie sa zmenám
Hlavný článok: Homeostáza
Homeostáza je schopnosť otvoreného systému regulovať svoje vnútorné prostredie s cieľom udržať stabilný stav prostredníctvom viacerých dynamických úprav rovnováhy riadených vzájomne prepojenými regulačnými mechanizmami. Všetky živé organizmy, či už jednobunkové alebo mnohobunkové, vykazujú homeostázu. Homeostáza sa prejavuje na bunkovej úrovni udržiavaním stabilnej vnútornej kyslosti (pH); na úrovni organizmu teplokrvné živočíchy udržiavajú stálu vnútornú telesnú teplotu; a na úrovni ekosystému, ako keď sa zvyšuje hladina oxidu uhličitého v atmosfére a rastliny sú teoreticky schopné zdravšie rásť a odstraňovať viac tohto plynu z atmosféry. Homeostázu si môžu udržiavať aj tkanivá a orgány.
Interakcie: Skupiny a prostredia
Vzájomná symbióza medzi klaunmi rodu Amphiprion, ktorí žijú medzi chápadlami tropických morských sasaniek. Teritoriálna ryba chráni sasanku pred rybami, ktoré sasanku požierajú, a na druhej strane žihľavové chápadlá sasanky chránia klauna pred jeho predátormi.
Každý živý organizmus je v interakcii s inými organizmami a svojím prostredím. Jedným z dôvodov, prečo sa biologické systémy ťažko študujú, je skutočnosť, že je možných mnoho rôznych interakcií s inými organizmami a prostredím, a to aj v tých najmenších mierkach. Mikroskopická baktéria reagujúca na miestny gradient cukru reaguje na svoje prostredie rovnako ako lev na svoje prostredie, keď hľadá potravu v africkej savane. Správanie každého druhu môže byť kooperatívne, agresívne, parazitické alebo symbiotické. Situácia sa stáva zložitejšou, keď v ekosystéme interagujú dva alebo viac rôznych druhov. Štúdie tohto typu sú doménou ekológie.
Hlavný článok: Zoznam biologických disciplín
Biológia sa stala takým rozsiahlym výskumným podnikom, že sa vo všeobecnosti nepovažuje za jednu disciplínu, ale za niekoľko zoskupených subdisciplín. Tento článok sa zaoberá štyrmi širokými skupinami. Prvú skupinu tvoria disciplíny, ktoré skúmajú základné štruktúry živých systémov: bunky, gény atď.; druhá skupina sa zaoberá fungovaním týchto štruktúr na úrovni tkanív, orgánov a tiel; tretia skupina sa zaoberá organizmami a ich históriou; posledná konštelácia disciplín sa zameriava na ich vzájomné pôsobenie. Je však dôležité poznamenať, že tieto hranice, zoskupenia a opisy sú zjednodušenou charakteristikou biologického výskumu. V skutočnosti sú hranice medzi disciplínami pohyblivé a väčšina disciplín si často navzájom prepožičiava techniky. Napríklad evolučná biológia sa pri určovaní sekvencií DNA, ktoré pomáhajú pochopiť genetickú variabilitu populácie, vo veľkej miere opiera o techniky molekulárnej biológie a fyziológia si pri opise funkcie orgánových systémov požičiava veľa z bunkovej biológie.
Schéma typickej živočíšnej bunky zobrazujúca rôzne organely a štruktúry
Molekulárna biológia je štúdium biológie na molekulárnej úrovni. Táto oblasť sa prekrýva s inými oblasťami biológie, najmä s genetikou a biochémiou. Molekulárna biológia sa zaoberá najmä pochopením interakcií medzi rôznymi systémami bunky vrátane vzájomných vzťahov medzi DNA, RNA a syntézou bielkovín a poznaním, ako sú tieto interakcie regulované.
Bunková biológia skúma fyziologické vlastnosti buniek, ako aj ich správanie, interakcie a prostredie. Skúma sa na mikroskopickej aj molekulárnej úrovni. Bunková biológia skúma jednobunkové organizmy, ako sú baktérie, aj špecializované bunky mnohobunkových organizmov, ako je človek.
Pochopenie zloženia buniek a ich fungovania je základom všetkých biologických vied. Vnímanie podobností a rozdielov medzi jednotlivými typmi buniek je obzvlášť dôležité v oblasti bunkovej a molekulárnej biológie. Tieto základné podobnosti a rozdiely predstavujú zjednocujúcu tému, ktorá umožňuje extrapolovať a zovšeobecniť princípy získané pri štúdiu jedného typu buniek na iné typy buniek.
Genetika je veda o génoch, dedičnosti a premenlivosti organizmov. V modernom výskume poskytuje genetika dôležité nástroje pri skúmaní funkcie konkrétneho génu alebo pri analýze genetických interakcií. V organizmoch sa genetická informácia vo všeobecnosti nesie v chromozómoch, kde je reprezentovaná v chemickej štruktúre konkrétnych molekúl DNA.
Gény kódujú informácie potrebné na syntézu proteínov, ktoré následne zohrávajú veľkú úlohu pri ovplyvňovaní (hoci v mnohých prípadoch nie úplne určujú) konečného fenotypu organizmu.
Vývojová biológia skúma proces, ktorým organizmy rastú a vyvíjajú sa. Moderná vývojová biológia, ktorá vznikla v embryológii, skúma genetickú kontrolu rastu, diferenciácie a „morfogenézy“ buniek, čo je proces, ktorý vedie k vzniku tkanív, orgánov a anatómie.
Medzi modelové organizmy vývojovej biológie patria okrúhly červ Caenorhabditis elegans, ovocná muška Drosophila melanogaster, zebrička Brachydanio rerio, myš Mus musculus a burina Arabidopsis thaliana.
Fyziológia skúma mechanické, fyzikálne a biochemické procesy živých organizmov a snaží sa pochopiť, ako všetky štruktúry fungujú ako celok. Ústrednou témou biológie je „štruktúra k funkcii“. Fyziologické štúdie sa tradične delia na fyziológiu rastlín a fyziológiu živočíchov, ale princípy fyziológie sú univerzálne bez ohľadu na to, aký konkrétny organizmus sa študuje. Napríklad to, čo sa naučíme o fyziológii kvasinkových buniek, sa môže vzťahovať aj na ľudské bunky. Oblasť fyziológie živočíchov rozširuje nástroje a metódy ľudskej fyziológie na iné ako ľudské druhy. Fyziológia rastlín tiež preberá techniky z oboch oblastí.
Anatómia je dôležitým odvetvím fyziológie a zaoberá sa fungovaním a vzájomným pôsobením orgánových systémov živočíchov, ako sú nervový, imunitný, endokrinný, dýchací a obehový systém. Štúdium týchto systémov je spoločné s medicínsky orientovanými disciplínami, ako je neurológia a imunológia.
Rozmanitosť a vývoj organizmov
V populačnej genetike sa evolúcia populácie organizmov niekedy znázorňuje, akoby sa pohybovala po krajine fitness. Šípky naznačujú preferovaný tok populácie po krajine a body A, B a C sú lokálne optima. Červená guľa označuje populáciu, ktorá sa pohybuje od veľmi nízkej hodnoty fitness k vrcholu vrcholu
Evolučná biológia sa zaoberá pôvodom a vznikom druhov, ako aj ich zmenami v čase a zahŕňa vedcov z mnohých taxonomicky zameraných disciplín. Zvyčajne sa na nej zúčastňujú vedci, ktorí majú napríklad špeciálne vzdelanie v oblasti konkrétnych organizmov, ako je mammológia, ornitológia alebo herpetológia, ale používajú tieto organizmy ako systémy na zodpovedanie všeobecných otázok o evolúcii. Evolučná biológia vychádza najmä z paleontológie, ktorá využíva fosílne nálezy na zodpovedanie otázok o spôsobe a tempe evolúcie, ako aj z vývoja v oblastiach, ako je populačná genetika a evolučná teória. V 90. rokoch 20. storočia sa vývojová biológia opäť dostala do evolučnej biológie z jej pôvodného vylúčenia z modernej syntézy prostredníctvom štúdia evolučnej vývojovej biológie. Súvisiacimi oblasťami, ktoré sa často považujú za súčasť evolučnej biológie, sú fylogenetika, systematika a taxonómia.
Dve hlavné tradičné taxonomicky orientované disciplíny sú botanika a zoológia.
Botanika je vedecké štúdium rastlín. Botanika zahŕňa širokú škálu vedných disciplín, ktoré skúmajú rast, rozmnožovanie, metabolizmus, vývoj, choroby a evolúciu rastlín.
Zoológia zahŕňa štúdium živočíchov vrátane štúdia ich fyziológie v rámci anatómie a embryológie. Spoločné genetické a vývojové mechanizmy živočíchov a rastlín sa študujú v rámci molekulárnej biológie, molekulárnej genetiky a vývojovej biológie. Ekológiou živočíchov sa zaoberá behaviorálna ekológia a ďalšie oblasti.
Dominantný klasifikačný systém sa nazýva Linnéova taxonómia, ktorá zahŕňa radovú a binomickú nomenklatúru. Spôsob pomenovania organizmov sa riadi medzinárodnými dohodami, ako sú Medzinárodný kódex botanickej nomenklatúry (ICBN), Medzinárodný kódex zoologickej nomenklatúry (ICZN) a Medzinárodný kódex nomenklatúry baktérií (ICNB). Štvrtý návrh biokódexu bol uverejnený v roku 1997 v snahe štandardizovať názvoslovie v týchto troch oblastiach, ale zatiaľ nebol oficiálne prijatý. Medzinárodný kódex klasifikácie a nomenklatúry vírusov (ICVCN) zostáva mimo BioKódexu.
Potravný reťazec, ktorý je zovšeobecnením potravinového reťazca a znázorňuje zložité vzájomné vzťahy medzi organizmami v ekosystéme.
Ekológia skúma rozšírenie a početnosť živých organizmov a interakcie medzi organizmami a ich prostredím. Prostredie organizmu zahŕňa jeho životné prostredie, ktoré možno opísať ako súhrn miestnych abiotických faktorov, ako sú podnebie a geológia, ako aj ostatné organizmy, ktoré zdieľajú jeho životné prostredie. Ekologické systémy sa študujú na niekoľkých rôznych úrovniach, od jedincov a populácií až po ekosystémy a biosféru. Ako možno predpokladať, ekológia je veda, ktorá čerpá z viacerých disciplín.
Etológia skúma správanie zvierat (najmä spoločenských zvierat, ako sú primáty a psovité šelmy) a niekedy sa považuje za odvetvie zoológie. Etológovia sa zaoberajú najmä evolúciou správania a chápaním správania z hľadiska teórie prírodného výberu. V istom zmysle bol prvým moderným etológom Charles Darwin, ktorého kniha Prejavy citov u zvierat a ľudí ovplyvnila mnohých etológov.
Biogeografia skúma priestorové rozloženie organizmov na Zemi a zameriava sa na témy ako tektonika platní, klimatické zmeny, rozptyl a migrácia a kladistika.
História slova „biológia“
Zdá sa, že slovo „biológia“ v jeho modernom význame, ktoré vzniklo spojením gréckeho βίος (bios), čo znamená „život“, a λόγος (logos), čo znamená „štúdium“, zaviedli nezávisle od seba Gottfried Reinhold Treviranus (Biologie oder Philosophie der lebenden Natur, 1802) a Jean-Baptiste Lamarck (Hydrogéologie, 1802). Niekedy sa uvádza, že samotné slovo vytvoril v roku 1800 Karl Friedrich Burdach, ale objavuje sa v názve 3. zväzku diela Michaela Christopha Hanova Philosophiae naturalis sive physicae dogmaticae: Handa Hanovs: Geologia, biologia, phytologia generalis et dendrologia, vydaného v roku 1766.
Astronómia –
Biológia –
chémia –
Veda o Zemi –
Fyzika