1.2: Теми і поняття біології

Навички для розвитку

• Визначте і опишіть властивості життя
• Опишіть рівні організації серед живих істот
• Розпізнавати та інтерпретувати філогенетичне дерево
• Перелік прикладів різних піддисциплін в біології

Біологія - це наука, яка вивчає життя, але що саме таке життя? Це може здатися дурним питанням з очевидною відповіддю, але визначити життя не завжди легко. Наприклад, галузь біології під назвою вірусологія вивчає віруси, які демонструють деякі характеристики живих істот, але не мають інших. Виявляється, хоча віруси можуть атакувати живі організми, викликати захворювання і навіть розмножуватися, вони не відповідають тим критеріям, які біологи використовують для визначення життя. Отже, вірусологи не є біологами, строго кажучи. Так само деякі біологи вивчають ранню молекулярну еволюцію, яка породила життя; оскільки події, що передували життю, не є біологічними подіями, ці вчені також виключаються з біології в строгому сенсі цього терміна.

З самого раннього початку біологія боролася з трьома питаннями: які спільні властивості роблять щось «живим»? І як тільки ми знаємо, що щось живе, як ми знаходимо значущі рівні організації в її структурі? І, нарешті, стикаючись з надзвичайною різноманітністю життя, як ми організуємо різні види організмів, щоб ми могли краще їх зрозуміти? Оскільки щодня відкриваються нові організми, біологи продовжують шукати відповіді на ці та інші питання.

Властивості життя

Всі живі організми мають кілька ключових характеристик або функцій: порядок, чутливість або реакція на навколишнє середовище, відтворення, адаптація, ріст і розвиток, регуляція, гомеостаз, обробка енергії та еволюція. Якщо розглядати разом, ці дев'ять характеристик служать для визначення життя.

Замовити

Організми - це високоорганізовані, скоординовані структури, які складаються з однієї або декількох клітин. Навіть дуже прості одноклітинні організми надзвичайно складні: всередині кожної клітини атоми складають молекули; вони, в свою чергу, складають органели клітин та інші клітинні включення. У багатоклітинних організмів (рис.\(\PageIndex{1}\)) подібні клітини утворюють тканини. Тканини, в свою чергу, співпрацюють для створення органів (структур тіла з чітко вираженою функцією). Органи працюють разом, утворюючи системи органів.

Малюнок\(\PageIndex{1}\): Жаба являє собою високоорганізовану структуру, що складається з клітин, тканин, органів і систем органів. (кредит: «Івенго» /Вікісховище)

Чутливість або реакція на подразники

Організми реагують на різноманітні подразники. Наприклад, рослини можуть нахилятися до джерела світла, лазити по парканах і стінам або реагувати на дотики (рис.\(\PageIndex{2}\)). Навіть крихітні бактерії можуть рухатися до хімічних речовин або подалі від них (процес, який називається хемотаксисом) або світла (фототаксис). Рух до стимулу вважається позитивною відповіддю, тоді як рух від подразника вважається негативною відповіддю.

Малюнок\(\PageIndex{2}\): Листя цієї чутливої рослини (Mimosa pudica) миттєво скинуть і згорнуться при дотику. Через кілька хвилин рослина приходить в норму. (кредит: Алекс Ломас)

Посилання на навчання

Відео: Перегляньте це відео, щоб побачити, як рослини реагують на стимул - від відкриття до світла, до обгортання вусика навколо гілки, до захоплення здобичі.

розмноження

Одноклітинні організми розмножуються, спочатку дублюючи свою ДНК, а потім розділяючи її порівну, коли клітина готується до поділу, утворюючи дві нові клітини. Багатоклітинні організми часто виробляють спеціалізовані репродуктивні статеві клітини, які формуватимуть нових особин. Коли відбувається розмноження, гени, що містять ДНК, передаються разом потомству організму. Ці гени гарантують, що потомство буде належати до одного виду і матиме схожі характеристики, такі як розмір і форма.

Зростання і розвиток

Організми ростуть і розвиваються, дотримуючись конкретних інструкцій, кодованих їх генами. Ці гени надають інструкції, які будуть направляти клітинний ріст і розвиток, гарантуючи, що молодий вид (рис.\(\PageIndex{3}\)) виросте, щоб показати багато з тих же характеристик, що і його батьки.

Малюнок\(\PageIndex{3}\): Хоча немає двох схожих, ці кошенята успадкували гени від обох батьків і мають багато однакових характеристик. (кредит: Скелясті гори котячих порятунку)

Регулювання

Навіть найменші організми складні і вимагають безлічі регуляторних механізмів для координації внутрішніх функцій, реагування на подразники та справляння зі стресами навколишнього середовища. Два приклади внутрішніх функцій, регульованих в організмі, - це транспорт поживних речовин і кровотік. Органи (групи тканин, що працюють разом) виконують специфічні функції, такі як перенесення кисню по всьому тілу, видалення відходів, доставка поживних речовин до кожної клітини та охолодження організму.

Гомеостаз

Для того, щоб нормально функціонувати, клітини повинні мати відповідні умови, такі як належна температура, рН та відповідна концентрація різноманітних хімічних речовин. Однак ці умови можуть змінюватися від одного моменту до іншого. Організми здатні підтримувати внутрішні умови у вузькому діапазоні практично постійно, незважаючи на зміни навколишнього середовища, через гомеостаз (дослівно, «стійкий стан») —здатність організму підтримувати постійні внутрішні умови. Наприклад, організму потрібно регулювати температуру тіла за допомогою процесу, відомого як терморегуляція. Організми, які живуть в холодному кліматі, такі як білий ведмідь (рис.\(\PageIndex{4}\)), мають структури тіла, які допомагають їм витримувати низькі температури та зберігати тепло тіла. Структури, які допомагають у цьому типі ізоляції, включають хутро, пір'я, гумбу та жир. У жаркому кліматі організми мають методи (такі як потовиділення у людей або задишка у собак), які допомагають їм пролити надлишкове тепло тіла.

Малюнок\(\PageIndex{4}\): Білі ведмеді (Ursus maritimus) та інші ссавці, що живуть у покритих льодом регіонах, підтримують температуру тіла, генеруючи тепло та зменшуючи втрати тепла через товсте хутро та щільний шар жиру під шкірою. (Кредит: «довгий орндайв» /Flickr)

Переробка енергії

Всі організми використовують джерело енергії для своєї метаболічної діяльності. Деякі організми захоплюють енергію від сонця і перетворюють її в хімічну енергію в їжі; інші використовують хімічну енергію в молекулах, які вони приймають в якості їжі (рис.\(\PageIndex{5}\)).

Малюнок\(\PageIndex{5}\): Каліфорнійський кондор (Gymnogyps californianus) використовує хімічну енергію, отриману від їжі, для силового польоту. Каліфорнійські кондори - вид, що знаходиться під загрозою зникнення; цей птах має мітку крила, яка допомагає біологам ідентифікувати особина. (кредит: Тихоокеанський південно-західний регіон Служба риби та дикої природи США)

Рівні організації живих істот

Живі істоти високо організовані і структуровані, слідуючи ієрархії, яку можна розглядати в масштабі від малого до великого. Атом є найменшою і найбільш фундаментальною одиницею питання. Він складається з ядра, оточеного електронами. Атоми утворюють молекули. Молекула - це хімічна структура, що складається щонайменше з двох атомів, скріплених між собою однією або декількома хімічними зв'язками. Багато молекул, які є біологічно важливими, є макромолекулами, великими молекулами, які зазвичай утворюються шляхом полімеризації (полімер - це велика молекула, яка утворюється шляхом об'єднання менших одиниць, званих мономерами, які простіші за макромолекули). Прикладом макромолекули є дезоксирибонуклеїнова кислота (ДНК) (рис.\(\PageIndex{6}\)), яка містить інструкцію по будові і функціонуванню всіх живих організмів.

Малюнок\(\PageIndex{6}\): Всі молекули, включаючи цю молекулу ДНК, складаються з атомів. (кредит: «brian0918» /Вікісховище)

Посилання на навчання

Відео: Перегляньте це відео, яке оживляє тривимірну структуру молекули ДНК, показану на малюнку\(\PageIndex{6}\).

Some cells contain aggregates of macromolecules surrounded by membranes; these are called organelles. Organelles are small structures that exist within cells. Examples of organelles include mitochondria and chloroplasts, which carry out indispensable functions: mitochondria produce energy to power the cell, while chloroplasts enable green plants to utilize the energy in sunlight to make sugars. All living things are made of cells; the cell itself is the smallest fundamental unit of structure and function in living organisms. (This requirement is why viruses are not considered living: they are not made of cells. To make new viruses, they have to invade and hijack the reproductive mechanism of a living cell; only then can they obtain the materials they need to reproduce.) Some organisms consist of a single cell and others are multicellular. Cells are classified as prokaryotic or eukaryotic. Prokaryotes are single-celled or colonial organisms that do not have membrane-bound nuclei; in contrast, the cells of eukaryotes do have membrane-bound organelles and a membrane-bound nucleus.

In larger organisms, cells combine to make tissues, which are groups of similar cells carrying out similar or related functions. Organs are collections of tissues grouped together performing a common function. Organs are present not only in animals but also in plants. An organ system is a higher level of organization that consists of functionally related organs. Mammals have many organ systems. For instance, the circulatory system transports blood through the body and to and from the lungs; it includes organs such as the heart and blood vessels. Organisms are individual living entities. For example, each tree in a forest is an organism. Single-celled prokaryotes and single-celled eukaryotes are also considered organisms and are typically referred to as microorganisms.

All the individuals of a species living within a specific area are collectively called a population. For example, a forest may include many pine trees. All of these pine trees represent the population of pine trees in this forest. Different populations may live in the same specific area. For example, the forest with the pine trees includes populations of flowering plants and also insects and microbial populations. A community is the sum of populations inhabiting a particular area. For instance, all of the trees, flowers, insects, and other populations in a forest form the forest’s community. The forest itself is an ecosystem. An ecosystem consists of all the living things in a particular area together with the abiotic, non-living parts of that environment such as nitrogen in the soil or rain water. At the highest level of organization (Figure \(\PageIndex{7}\)), the biosphere is the collection of all ecosystems, and it represents the zones of life on earth. It includes land, water, and even the atmosphere to a certain extent.

Art Connection

Figure \(\PageIndex{7}\): The biological levels of organization of living things are shown. From a single organelle to the entire biosphere, living organisms are parts of a highly structured hierarchy. (credit “organelles”: modification of work by Umberto Salvagnin; credit “cells”: modification of work by Bruce Wetzel, Harry Schaefer/ National Cancer Institute; credit “tissues”: modification of work by Kilbad; Fama Clamosa; Mikael Häggström; credit “organs”: modification of work by Mariana Ruiz Villareal; credit “organisms”: modification of work by "Crystal"/Flickr; credit “ecosystems”: modification of work by US Fish and Wildlife Service Headquarters; credit “biosphere”: modification of work by NASA)

Which of the following statements is false?

1. Tissues exist within organs which exist within organ systems.
2. Communities exist within populations which exist within ecosystems.
3. Organelles exist within cells which exist within tissues.
4. Communities exist within ecosystems which exist in the biosphere.

The Diversity of Life

The fact that biology, as a science, has such a broad scope has to do with the tremendous diversity of life on earth. The source of this diversity is evolution, the process of gradual change during which new species arise from older species. Evolutionary biologists study the evolution of living things in everything from the microscopic world to ecosystems.

The evolution of various life forms on Earth can be summarized in a phylogenetic tree (Figure \(\PageIndex{8}\)). A phylogenetic tree is a diagram showing the evolutionary relationships among biological species based on similarities and differences in genetic or physical traits or both. A phylogenetic tree is composed of nodes and branches. The internal nodes represent ancestors and are points in evolution when, based on scientific evidence, an ancestor is thought to have diverged to form two new species. The length of each branch is proportional to the time elapsed since the split.

Figure \(\PageIndex{8}\): This phylogenetic tree was constructed by microbiologist Carl Woese using data obtained from sequencing ribosomal RNA genes. The tree shows the separation of living organisms into three domains: Bacteria, Archaea, and Eukarya. Bacteria and Archaea are prokaryotes, single-celled organisms lacking intracellular organelles. (credit: Eric Gaba; NASA Astrobiology Institute)

Evolution Connection: Carl Woese and the Phylogenetic Tree

In the past, biologists grouped living organisms into five kingdoms: animals, plants, fungi, protists, and bacteria. The organizational scheme was based mainly on physical features, as opposed to physiology, biochemistry, or molecular biology, all of which are used by modern systematics. The pioneering work of American microbiologist Carl Woese in the early 1970s has shown, however, that life on Earth has evolved along three lineages, now called domains—Bacteria, Archaea, and Eukarya. The first two are prokaryotic cells with microbes that lack membrane-enclosed nuclei and organelles. The third domain contains the eukaryotes and includes unicellular microorganisms together with the four original kingdoms (excluding bacteria). Woese defined Archaea as a new domain, and this resulted in a new taxonomic tree (Figure \(\PageIndex{8}\)). Many organisms belonging to the Archaea domain live under extreme conditions and are called extremophiles. To construct his tree, Woese used genetic relationships rather than similarities based on morphology (shape).

Woese’s tree was constructed from comparative sequencing of the genes that are universally distributed, present in every organism, and conserved (meaning that these genes have remained essentially unchanged throughout evolution). Woese’s approach was revolutionary because comparisons of physical features are insufficient to differentiate between the prokaryotes that appear fairly similar in spite of their tremendous biochemical diversity and genetic variability (Figure \(\PageIndex{9}\)). The comparison of homologous DNA and RNA sequences provided Woese with a sensitive device that revealed the extensive variability of prokaryotes, and which justified the separation of the prokaryotes into two domains: bacteria and archaea.

Figure \(\PageIndex{9}\): These images represent different domains. The (a) bacteria in this micrograph belong to Domain Bacteria, while the (b) extremophiles (not visible) living in this hot vent belong to Domain Archaea. Both the (c) sunflower and (d) lion are part of Domain Eukarya. (credit a: modification of work by Drew March; credit b: modification of work by Steve Jurvetson; credit c: modification of work by Michael Arrighi; credit d: modification of work by Leszek Leszcynski)

Branches of Biological Study

The scope of biology is broad and therefore contains many branches and subdisciplines. Biologists may pursue one of those subdisciplines and work in a more focused field. For instance, molecular biology and biochemistry study biological processes at the molecular and chemical level, including interactions among molecules such as DNA, RNA, and proteins, as well as the way they are regulated. Microbiology, the study of microorganisms, is the study of the structure and function of single-celled organisms. It is quite a broad branch itself, and depending on the subject of study, there are also microbial physiologists, ecologists, and geneticists, among others.

Career Connection: Forensic Scientist

Forensic science is the application of science to answer questions related to the law. Biologists as well as chemists and biochemists can be forensic scientists. Forensic scientists provide scientific evidence for use in courts, and their job involves examining trace materials associated with crimes. Interest in forensic science has increased in the last few years, possibly because of popular television shows that feature forensic scientists on the job. Also, the development of molecular techniques and the establishment of DNA databases have expanded the types of work that forensic scientists can do. Their job activities are primarily related to crimes against people such as murder, rape, and assault. Their work involves analyzing samples such as hair, blood, and other body fluids and also processing DNA (Figure \(\PageIndex{10}\)) found in many different environments and materials. Forensic scientists also analyze other biological evidence left at crime scenes, such as insect larvae or pollen grains. Students who want to pursue careers in forensic science will most likely be required to take chemistry and biology courses as well as some intensive math courses.

Figure \(\PageIndex{10}\): This forensic scientist works in a DNA extraction room at the U.S. Army Criminal Investigation Laboratory at Fort Gillem, GA. (credit: United States Army CID Command Public Affairs)

Another field of biological study, neurobiology, studies the biology of the nervous system, and although it is considered a branch of biology, it is also recognized as an interdisciplinary field of study known as neuroscience. Because of its interdisciplinary nature, this subdiscipline studies different functions of the nervous system using molecular, cellular, developmental, medical, and computational approaches.

Figure \(\PageIndex{11}\): Researchers work on excavating dinosaur fossils at a site in Castellón, Spain. (credit: Mario Modesto)

Paleontology, another branch of biology, uses fossils to study life’s history (Figure \(\PageIndex{11}\)). Zoology and botany are the study of animals and plants, respectively. Biologists can also specialize as biotechnologists, ecologists, or physiologists, to name just a few areas. This is just a small sample of the many fields that biologists can pursue.

Biology is the culmination of the achievements of the natural sciences from their inception to today. Excitingly, it is the cradle of emerging sciences, such as the biology of brain activity, genetic engineering of custom organisms, and the biology of evolution that uses the laboratory tools of molecular biology to retrace the earliest stages of life on earth. A scan of news headlines—whether reporting on immunizations, a newly discovered species, sports doping, or a genetically-modified food—demonstrates the way biology is active in and important to our everyday world.

Summary

Biology is the science of life. All living organisms share several key properties such as order, sensitivity or response to stimuli, reproduction, growth and development, regulation, homeostasis, and energy processing. Living things are highly organized parts of a hierarchy that includes atoms, molecules, organelles, cells, tissues, organs, and organ systems. Organisms, in turn, are grouped as populations, communities, ecosystems, and the biosphere. The great diversity of life today evolved from less-diverse ancestral organisms over billions of years. A diagram called a phylogenetic tree can be used to show evolutionary relationships among organisms.

Biology is very broad and includes many branches and subdisciplines. Examples include molecular biology, microbiology, neurobiology, zoology, and botany, among others.

Art Connections

Figure \(\PageIndex{7}\): Which of the following statements is false?

1. Tissues exist within organs which exist within organ systems.
2. Communities exist within populations which exist within ecosystems.
3. Organelles exist within cells which exist within tissues.
4. Communities exist within ecosystems which exist in the biosphere.

Answer

Communities exist within populations which exist within ecosystems.

Glossary

atom

smallest and most fundamental unit of matter

biochemistry

study of the chemistry of biological organisms

biosphere

collection of all the ecosystems on Earth

botany

study of plants

cell

smallest fundamental unit of structure and function in living things

community

set of populations inhabiting a particular area

ecosystem

all the living things in a particular area together with the abiotic, nonliving parts of that environment

eukaryote

organism with cells that have nuclei and membrane-bound organelles

evolution

process of gradual change during which new species arise from older species and some species become extinct

homeostasis

ability of an organism to maintain constant internal conditions

macromolecule

large molecule, typically formed by the joining of smaller molecules

microbiology

study of the structure and function of microorganisms

molecule

chemical structure consisting of at least two atoms held together by one or more chemical bonds

molecular biology

study of biological processes and their regulation at the molecular level, including interactions among molecules such as DNA, RNA, and proteins

neurobiology

study of the biology of the nervous system

organ

collection of related tissues grouped together performing a common function

organ system

level of organization that consists of functionally related interacting organs

organelle

small structures that exist within cells and carry out cellular functions

organism

individual living entity

paleontology

study of life’s history by means of fossils

phylogenetic tree

diagram showing the evolutionary relationships among various biological species based on similarities and differences in genetic or physical traits or both; in essence, a hypothesis concerning evolutionary connections

population

all of the individuals of a species living within a specific area

prokaryote

single-celled organism that lacks organelles and does not have nuclei surrounded by a nuclear membrane

tissue

group of similar cells carrying out related functions

zoology

study of animals