1.1: Теми та концепції біології

Біологія - це наука, яка вивчає життя. Що саме таке життя? Це може звучати як дурне питання з очевидною відповіддю, але визначити життя непросто. 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 критеріям, які біологи використовують для визначення життя.

З самого початку біологія боролася з чотирма питаннями: Які спільні властивості роблять щось «живим»? Як функціонують ці різні живі істоти? Зіткнувшись із надзвичайною різноманітністю життя, як ми організовуємо різні види організмів, щоб ми могли краще зрозуміти їх? І, нарешті, - що біологи в кінцевому підсумку прагнуть зрозуміти - як це різноманіття виникло і як воно триває? Оскільки щодня відкриваються нові організми, біологи продовжують шукати відповіді на ці та інші питання.

властивості життя

Всі групи живих організмів поділяють кілька ключових характеристик або функцій: порядок, чутливість або реакція на подразники, розмноження, адаптація, ріст і розвиток, регуляція, гомеостаз і обробка енергії. Якщо дивитися разом, ці вісім характеристик служать для визначення життя.

Замовити

Організми - це високоорганізовані структури, які складаються з однієї або декількох клітин. Навіть дуже прості, одноклітинні організми надзвичайно складні. Усередині кожної клітини атоми складають молекули. Вони, в свою чергу, складають клітинні компоненти або органели. Багатоклітинні організми, які можуть складатися з мільйонів окремих клітин, мають перевагу перед одноклітинними організмами в тому, що їх клітини можуть бути спеціалізованими для виконання конкретних функцій, і навіть приносити в жертву в певних ситуаціях на благо організму в цілому. Як ці спеціалізовані клітини збираються разом, утворюючи такі органи, як серце, легені або шкіра в організмах, таких як жаба, показано на малюнку, \(\PageIndex{1}\) буде розглянуто пізніше.

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

Чутливість або відповідь на стимули

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

Малюнок \(\PageIndex{2}\): Листя цього чутливого рослини (Mimosa pudica) при дотику моментально звисають і згорнуться. Через кілька хвилин рослина повертається в нормальний стан. (кредит: Алекс Ломас)

ПОНЯТТЯ В ДІЇ

Перегляньте це відео , щоб побачити, як чутлива рослина реагує на подразник дотику.

Розмноження

Одноклітинні організми розмножуються, спочатку дублюючи свою ДНК, яка є генетичним матеріалом, а потім розділяючи її порівну, коли клітина готується до поділу, утворюючи дві нові клітини. Багато багатоклітинних організмів (ті, що складаються з більш ніж однієї клітини) виробляють спеціалізовані репродуктивні клітини, які утворюють нових особин. Коли відбувається розмноження, ДНК, що містить гени, передається потомству організму. Ці гени є причиною того, що потомство буде належати до одного виду і матиме характеристики, подібні до батьківських, такі як колір хутра та група крові.

Адаптація

Всі живі організми виявляють «придатність» до свого середовища. Біологи називають цю придатність адаптацією, і це наслідок еволюції природним відбором, який діє в кожному роді розмножуються організмів. Приклади пристосувань різноманітні і унікальні, від жароміцних архей, що мешкають в киплячих гарячих джерелах, до довжини язика метелика, що годує нектар, що відповідає розмірам квітки, з якого вона харчується. Всі пристосування підвищують репродуктивний потенціал особистості, яка їх проявляє, включаючи їх здатність виживати до розмноження. Пристосування не постійні. У міру зміни навколишнього середовища природний відбір змушує характеристики особин популяції відстежувати ці зміни.

Зростання і розвиток

Організми ростуть і розвиваються відповідно до конкретних інструкцій, закодованих їх генами. Ці гени надають інструкції, які будуть направляти клітинний ріст і розвиток, гарантуючи, що молодняк виду (Малюнок \(\PageIndex{3}\)) виросте, щоб показати багато з тих же характеристик, що і його батьки.

Малюнок \(\PageIndex{3}\): Хоча двоє не схожі один на одного, ці кошенята успадкували гени від обох батьків і мають багато однакових характеристик. (кредит: Пітер і Рене Лансер)

Регулювання

Навіть найменші організми є складними і потребують безлічі регуляторних механізмів для координації внутрішніх функцій, таких як транспорт поживних речовин, реакція на подразники та боротьба зі стресами навколишнього середовища. Наприклад, системи органів, такі як травна або кровоносна системи виконують певні функції, такі як перенесення кисню по всьому тілу, видалення відходів, доставка поживних речовин до кожної клітини та охолодження тіла.

гомеостаз

Щоб нормально функціонувати, клітинам потрібні відповідні умови, такі як належна температура, рН та концентрація різноманітних хімічних речовин. Однак ці умови можуть змінюватися від одного моменту до іншого. Організми здатні підтримувати внутрішні умови у вузькому діапазоні майже постійно, незважаючи на зміни навколишнього середовища, через процес, який називається гомеостазом або «стійким станом» —здатністю організму підтримувати постійні внутрішні умови. Наприклад, багато організмів регулюють температуру свого тіла в процесі, відомому як терморегуляція. Організми, які живуть в холодному кліматі, такі як білий ведмідь (рис. \(\PageIndex{4}\)), мають структури тіла, які допомагають їм витримувати низькі температури і зберігати тепло тіла. У жаркому кліматі організми мають методи (наприклад, потовиділення у людей або задихання у собак), які допомагають їм пролити зайве тепло тіла.

Ілюстрація \(\PageIndex{4}\): Білі ведмеді та інші ссавці, що мешкають в покритих льодом регіонах, підтримують температуру свого тіла, генеруючи тепло і зменшуючи втрати тепла через густе хутро і щільний шар жиру під шкірою. (Кредит: «довготривалий» /Flickr)

Обробка енергії

Всі організми (наприклад, каліфорнійський кондор, показаний на малюнку \(\PageIndex{5}\)) 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 з молекул, які вони приймають.

Малюнок \(\PageIndex{5}\): Для польоту каліфорнійського кондора потрібно багато енергії. Хімічна енергія, отримана з їжі, використовується для живлення польоту. Каліфорнійські кондори - вимираючий вид; вчені прагнули розмістити тег крила на кожному птаху, щоб допомогти їм ідентифікувати та знайти кожну окрему птицю. (кредит: Тихоокеанський Південно-Західний регіон США Риба та дика природа)

Рівні організації живих істот

Живі істоти високоорганізовані і структуровані, слідуючи ієрархії в масштабі від малого до великого. Атом - найменша і фундаментальна одиниця речовини. Він складається з ядра, оточеного електронами. Атоми утворюють молекули. Молекула - це хімічна структура, що складається щонайменше з двох атомів, утримуваних між собою хімічним зв'язком. Багато біологічно важливих молекул є макромолекулами, великими молекулами, які зазвичай утворюються шляхом об'єднання менших одиниць, званих мономерами. Прикладом макромолекули є дезоксирибонуклеїнова кислота (ДНК) (рис. \(\PageIndex{6}\)), Яка містить в собі інструкцію по функціонуванню організму, яка її містить.

Малюнок \(\PageIndex{6}\): Молекула, як і ця велика молекула ДНК, складається з атомів. (кредит: «Brian0918"/Вікісховище)

ПОНЯТТЯ В ДІЇ

Щоб побачити анімацію молекули ДНК, натисніть тут.

Деякі клітини містять агрегати макромолекул, оточених мембранами; вони називаються органелами. Органели - це невеликі структури, які існують всередині клітин і виконують спеціалізовані функції. Все живе складається з клітин; клітинасама є найменшою фундаментальною одиницею будови і функції в живих організмах. (Ця вимога полягає в тому, що віруси не вважаються живими: вони не складаються з клітин. Щоб створити нові віруси, їм доводиться вторгатися і викрадати живу клітину; тільки тоді вони можуть отримати матеріали, необхідні для розмноження.) Деякі організми складаються з однієї клітини, а інші - багатоклітинні. Клітини класифікуються як прокаріотичні або еукаріотичні. Прокаріоти - це одноклітинні організми, у яких відсутні органели, оточені мембраною, і не мають ядер, оточених ядерними мембранами; навпаки, клітини еукаріотів мають мембранно-зв'язані органели та ядра.

У більшості багатоклітинних організмів клітини об'єднуються, щоб зробити тканини, які є групами подібних клітин, що виконують одну і ту ж функцію. Органи - це колекції тканин, згрупованих разом на основі загальної функції. Органи присутні не тільки у тварин, але і у рослин. Органна система - це більш високий рівень організації, який складається з функціонально пов'язаних органів. Наприклад, хребетні тварини мають багато систем органів, таких як кровоносна система, яка транспортує кров по всьому тілу та до легенів та з них; вона включає такі органи, як серце та судини. Організми - це окремі живі істоти. Наприклад, кожне дерево в лісі - це організм. Одноклітинні прокаріоти і одноклітинні еукаріоти також вважаються організмами і зазвичай їх відносять до мікроорганізмів.

АРТ З'

Малюнок \(\PageIndex{7}\): Від атома до всієї Землі біологія вивчає всі аспекти життя. (кредит «молекула»: модифікація роботи Джейн Уїтні; кредит «органели»: модифікація роботи Луїзи Говард; кредитні «клітини»: модифікація роботи Брюса Ветцеля, Гаррі Шефера, Національного інституту раку; кредит «тканина»: модифікація роботи «Кілбадом» /Wikimedia Commons; кредитні «органи»: модифікація роботи Мар'яни Руїс Вільяреал, Жоакім Алвес Гаспар; кредит «організми»: модифікація роботи Пітера Даттона; кредит «екосистема»: модифікація роботи «Gigi4791» /Flickr; кредит «біосфера»: модифікація роботи НАСА)

Яке з наведених нижче тверджень є помилковим?

1. Тканини існують в органах, які існують в системах органів.
2. Спільноти існують у популяціях, які існують в екосистемах.
3. Органели існують всередині клітин, які існують у тканинах.
4. Спільноти існують у межах екосистем, які існують у біосфері.

Відповідь

Б

Всі особини виду, що живуть в межах певної місцевості, в сукупності називаються популяцією. Наприклад, ліс може включати багато білих сосен. Всі ці сосни представляють популяцію білих сосен в цьому лісі. Різні популяції можуть жити в одній і тій же конкретній місцевості. Наприклад, ліс із соснами включає популяції квітучих рослин, а також комах та мікробних популяцій. Спільнота - це сукупність популяцій, що населяють певну територію. Наприклад, всі дерева, квіти, комахи та інші популяції в лісі утворюють спільноту лісу. Сам ліс є екосистемою. Екосистема складається з усіх живих істот у певній місцевості разом з абіотичнимиабо неживими частинами цього середовища, такими як азот у ґрунті або дощова вода. На найвищому рівні організації (рис. \(\PageIndex{7}\)) біосфера - це сукупність всіх екосистем, і вона являє собою зони життя на Землі. Він включає землю, воду та частини атмосфери.

Різноманітність життя

Наука біологія дуже широка за обсягом, тому що існує величезна різноманітність життя на Землі. Джерелом цього різноманіття є еволюція, процес поступової зміни, в ході якого з'являються нові види з більш старих видів. Еволюційні біологи вивчають еволюцію живих істот у всьому, від мікроскопічного світу до екосистем.

У 18 столітті вчений на ім'я Карл Лінней вперше запропонував організувати відомі види організмів в ієрархічну таксономію. У цій системі види, найбільш схожі один на одного, складаються в групу, відому як рід. Крім того, подібні пологи (множина роду) складаються в сім'ї. Ця угруповання триває до тих пір, поки всі організми не будуть зібрані воєдино в групи на вищому рівні. Нинішня таксономічна система тепер має вісім рівнів у своїй ієрархії, від найнижчого до найвищого, це: вид, рід, сім'я, порядок, клас, форма, царство, область. При цьому види групуються в межах пологів, пологи групуються всередині родин, сім'ї групуються в порядки і так далі (рис. \(\PageIndex{8}\)).

Малюнок \(\PageIndex{8}\): Ця діаграма показує рівні таксономічної ієрархії для собаки, від найширшої категорії — домен — до найбільш специфічних — видів.

Найвищий рівень, домен, є відносно новим доповненням до системи з 1990-х років. Зараз вчені визнають три сфери життя, Еукарія, Архея та Бактерії. Домен Eukarya містить організми, які мають клітини з ядрами. Вона включає царства грибів, рослин, тварин і кілька царств протистів. Археї - це одноклітинні організми без ядер і включають багато екстремофілів, які живуть у суворих умовах, таких як гарячі джерела. Бактерії - ще одна зовсім інша група одноклітинних організмів без ядер (рис. \(\PageIndex{9}\)). І Архея, і Бактерії є прокаріотами, неформальною назвою клітин без ядер. Визнання в 1990-х роках того, що певні «бактерії», тепер відомі як Архея, настільки ж відрізнялися генетично та біохімічно від інших бактеріальних клітин, як і від еукаріотів, мотивувало рекомендацію розділити життя на три сфери. Ця кардинальна зміна нашого знання про дерево життя демонструє, що класифікації не є постійними і зміняться, коли стане доступною нова інформація.

Крім ієрархічної таксономічної системи, Лінней першим назвав організми, використовуючи два унікальних назви, які тепер називаються біноміальною системою іменування. До Ліннея використання загальних імен для позначення організмів викликало плутанину, оскільки в цих загальних назвах існували регіональні відмінності. Біноміальні імена складаються з назви роду (яка з великої літери) та назви виду (всі малі). Обидві назви встановлюються курсивом, коли вони друкуються. Кожному виду дається унікальний біноміал, який визнаний у всьому світі, щоб вчений у будь-якому місці міг знати, до якого організму йдеться. Наприклад, північноамериканська блакитна сойка однозначно відома як Cyanocitta cristata. Наш власний вид - Homo sapiens.

Малюнок \(\PageIndex{9}\): Ці зображення представляють різні області. Скануюча електронна мікрофотографія показує (а) бактеріальні клітини належать до домену Бактерії, тоді як (b) екстремофіли, які всі разом розглядаються як кольорові килимки в цьому гарячому джерелі, належать до домену Archaea. І (c) соняшник, і (d) лев є частиною домену Eukarya. (кредит a: модифікація роботи лабораторій Rocky Mountain, NIAID, NIH; кредит b: модифікація роботи Стіва Юрветсона; кредит c: модифікація роботи Майкла Аррігі; кредит d: модифікація роботи Френка Вассена)

ЕВОЛЮЦІЯ В ДІЇ: Карл Вуз і філогенетичне дерево

Еволюційні зв'язки різних форм життя на Землі можна узагальнити у філогенетичному дереві. Філогенетичне дерево - це діаграма, що показує еволюційні зв'язки між біологічними видами на основі подібності та відмінностей генетичних чи фізичних ознак або обох. Філогенетичне дерево складається з точок гілок, або вузлів та гілок. Внутрішні вузли представляють предків і є точками еволюції, коли, виходячи з наукових доказів, вважається, що предок розійшовся, утворюючи два нові види. Протяжність кожної гілки може розглядатися як оцінки відносного часу.

У минулому біологи групували живі організми в п'ять царств: тварин, рослин, грибів, протистів і бактерій. Новаторська робота американського мікробіолога Карла Вуза на початку 1970-х років показала, однак, що життя на Землі розвивалося за трьома лініями, які тепер називаються доменами - бактеріями, археєю та Eukarya. Woese запропонував домен як новий таксономічний рівень і Archaea як нову область, щоб відобразити нове філогенетичне дерево (рис. \(\PageIndex{10}\)). Багато організмів, що належать до домену Археї, живуть в екстремальних умовах і називаються екстремофілами. Щоб побудувати своє дерево, Woese використовував генетичні відносини, а не подібності, засновані на морфології (формі). У філогенетичних дослідженнях використовувалися різні гени. Дерево Вуза було побудовано на основі порівняльної послідовності генів, які є універсально розподіленими, виявленими в дещо зміненій формі в кожному організмі, збереженими (це означає, що ці гени залишалися лише трохи зміненими протягом еволюції) та відповідної довжини.

Ілюстрація \(\PageIndex{10}\): Це філогенетичне дерево було побудовано мікробіологом Карлом Вузом з використанням генетичних зв'язків. Дерево показує поділ живих організмів на три домени: Бактерії, Архея і Еукарія. Бактерії та археї - це організми без ядра або інших органел, оточених мембраною, і, отже, є прокаріотами. (Кредит: модифікація роботи Еріка Габи)

Галузі біологічних досліджень

Сфера застосування біології широка і тому містить багато галузей і піддисциплін. Біологи можуть проводити одну з цих піддисциплін і працювати в більш цілеспрямованої області. Наприклад, молекулярна біологія вивчає біологічні процеси на молекулярному рівні, включаючи взаємодію між молекулами, такими як ДНК, РНК та білки, а також спосіб їх регулювання. Мікробіологія - це вивчення будови і функції мікроорганізмів. Це досить широка галузь, і залежно від предмета вивчення, серед інших є також мікробні фізіологи, екологи та генетики.

Інша галузь біологічного дослідження, нейробіологія, вивчає біологію нервової системи, і хоча вона вважається галуззю біології, вона також визнана міждисциплінарною сферою дослідження, відомою як неврологія. Через його міждисциплінарного характеру ця піддисципліна вивчає різні функції нервової системи, використовуючи молекулярні, клітинний, розвиток, медичні та обчислювальні підходи.

Ілюстрація \(\PageIndex{11}\): Дослідники працюють над розкопками скам'янілонів динозаврів на місці в Кастельоні, Іспанія. (Кредит: Маріо Модесто)

Палеонтологія, інша галузь біології, використовує скам'янілості для вивчення історії життя (рис. \(\PageIndex{11}\)). Зоологія і ботаніка - це вивчення тварин і рослин відповідно. Біологи також можуть спеціалізуватися як біотехнологи, екологи або фізіологи, щоб назвати лише кілька областей. Біотехнологи застосовують знання біології для створення корисних продуктів. Екологи вивчають взаємодії організмів в їх середовищах. Фізіологи вивчають роботу клітин, тканин і органів. Це лише невелика вибірка з багатьох полів, які можуть переслідувати біологи. Від наших власних тіл до світу, в якому ми живемо, відкриття в біології можуть впливати на нас дуже прямим і важливим чином. Ми залежимо від цих відкриттів для нашого здоров'я, наших джерел їжі та переваг, які надає наша екосистема. Через це знання біології може принести нам користь у прийнятті рішень у повсякденному житті.

Розвиток технологій у ХХ столітті, який триває і сьогодні, зокрема технології опису та маніпулювання генетичним матеріалом, ДНК, перетворили біологію. Ця трансформація дозволить біологам продовжувати більш детально розуміти історію життя, як працює людський організм, наше людське походження та як люди можуть вижити як вид на цій планеті, незважаючи на стреси, спричинені нашою зростаючою кількістю. Біологи продовжують розшифровувати величезні таємниці про життя, припускаючи, що ми тільки почали розуміти життя на планеті, її історію та наше ставлення до неї. З цієї та інших причин знання біології, отримані за допомогою цього підручника та інших друкованих та електронних носіїв, повинні бути перевагою в будь-якій галузі, яку ви вводите.

Кар'єра в дії: Судовий експерт

Криміналістика - це застосування науки для відповіді на питання, пов'язані з законом. Біологи, а також хіміки та біохіміки можуть бути судовими вченими. Судові експерти надають наукові докази для використання в судах, а їх робота передбачає вивчення слідів, пов'язаних зі злочинами. Інтерес до криміналістики збільшився в останні кілька років, можливо, через популярних телевізійних шоу, в яких представлені судові експерти на роботі. Також розвиток молекулярних методик і створення баз даних ДНК оновили види робіт, які можуть виконувати криміналісти. Їх трудова діяльність в першу чергу пов'язана зі злочинами проти людей, такими як вбивство, зґвалтування та напад. Їх робота включає аналіз зразків, таких як волосся, кров та інші рідини організму, а також обробку ДНК (малюнок \(\PageIndex{12}\)), знайдених у багатьох різних середовищах та матеріалах. Судові вчені також аналізують інші біологічні докази, залишені на місцях злочину, такі як частини комах або пилкові зерна. Студенти, які хочуть продовжити кар'єру в галузі криміналістики, швидше за все, буде потрібно пройти курси хімії та біології, а також деякі інтенсивні курси математики.

Ілюстрація \(\PageIndex{12}\): Цей судмедексперт працює в кімнаті вилучення ДНК в Лабораторії кримінального розслідування армії США. (Кредит: Командування CID армії США зі зв'язків з громадськістю)

Резюме

Біологія - це наука про життя. Всі живі організми мають кілька ключових властивостей, таких як порядок, чутливість або реакція на подразники, розмноження, адаптація, ріст і розвиток, регуляція, гомеостаз і обробка енергії. Живі істоти високоорганізовані відповідно до ієрархії, яка включає атоми, молекули, органели, клітини, тканини, органи та системи органів. Організми, в свою чергу, групуються як популяції, спільноти, екосистеми та біосфера. Еволюція є джерелом величезного біологічного різноманіття на Землі сьогодні. Діаграма, яка називається філогенетичним деревом, може бути використана для демонстрації еволюційних зв'язків між організмами. Біологія дуже широка і включає в себе безліч галузей і піддисциплін. Приклади включають молекулярну біологію, мікробіологію, нейробіологію, зоологію та ботаніку, серед інших.

Глосарій

атом

Основна одиниця матерії, яка не може бути розбита нормальними хімічними реакціями

біологія

вивчення живих організмів та їх взаємодії один з одним та їх середовищем

біосфери

колекція всіх екосистем на Землі

осередок

найменша фундаментальна одиниця будови і функції в живих істотах

спільнота

набір популяцій, що населяють певну область

екосистеми

всі живі істоти в певній області разом з абіотичних, неживих частин цього середовища

еукаріот

організм з клітинами, які мають ядра і мембраною пов'язані органели

еволюція

процес поступової зміни популяції, що також може призвести до нових видів, що виникають із старих видів

гомеостаз

здатність організму підтримувати постійні внутрішні умови

макромолекули

велика молекула, як правило, формується шляхом приєднання менших молекул

молекули

хімічна структура, що складається з принаймні двох атомів, утримуваних разом хімічним зв'язком

орган

структура, утворена тканин, що працюють разом, щоб виконувати загальну функцію

органна система

вищий рівень організації, що складається з функціонально пов'язаних органів

органела

мембрана пов'язані відсік або мішок в клітинку

організму

індивідуальна жива істота

філогенетичне дерево

діаграма, що показує еволюційні відносини між біологічними видами на основі подібності та відмінності в генетичних або фізичних ознак або обидва

населення

всі особини в межах виду, що живуть в межах певної території

прокаріот

одноклітинний організм, який не має ядра або будь-які інші мембрани пов'язані органели

тканини

група подібних клітин, що виконують одну і ту ж функцію

Дописувачі та атрибуції

• Template:ContribOpenStaxConcepts