Biologie
Biologie (aus dem Griechischen Lebensgrund , siehe unten) ist der Zweig von Wissenschaft befasst sich mit der Erforschung lebender Organismen. Es geht um die Eigenschaften, Einstufung , und Verhalten von Organismen , wie Arten entstehen und welche Wechselwirkungen sie untereinander und mit der natürlichen Umwelt haben. Die Biologie umfasst ein breites Spektrum von Wissenschaftsbereichen, die oft als eigenständige Disziplinen angesehen werden. Zusammen behandeln sie jedoch Phänomene im Zusammenhang mit lebenden Organismen (biologische Phänomene) in einem breiten Spektrum von Skalen, von der Biophysik bis hin zu Biophysik Ökologie . Alle Konzepte in der Biologie unterliegen den gleichen Gesetzen, denen andere Wissenschaftszweige gehorchen, wie z Thermodynamik und Energieerhaltung.
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Auf der Ebene der Organismen hat die Biologie teilweise Phänomene wie Geburt, Wachstum, Alterung, Tod und Zerfall lebender Organismen, Ähnlichkeiten zwischen Nachkommen und ihren Eltern (Vererbung) und Blüte von Pflanzen erklärt, die die Menschheit im Laufe der Geschichte verwirrt haben. Andere Phänomene wie Laktation, Metamorphose, Eischlüpfen, Heilung und Tropismus wurden angesprochen. Auf einer breiteren zeitlichen und räumlichen Ebene haben Biologen die Domestikation von Tieren und Pflanzen, die große Vielfalt lebender Organismen ( Biodiversität ), Veränderungen lebender Organismen über viele Generationen ( Evolution ), Aussterben , Speziation, Sozialverhalten unter Tieren usw.
Während Botanik umfasst das Studium der Pflanzen, Zoologie ist der Wissenschaftszweig, der sich mit dem Studium der Tiere befasst und Anthropologie ist der Zweig der Biologie, der sich mit dem Menschen befasst. Auf molekularer Ebene wird das Leben jedoch in den Disziplinen Molekularbiologie, Biochemie und Molekulargenetik untersucht. Grundlegender als diese Bereiche ist die Biophysik, die sich mit Energie in biologischen Systemen befasst. Auf der nächsten Ebene, der der Zelle , es wird in der Zellbiologie untersucht. Auf multizellulärer Ebene wird es in der Physiologie untersucht, Anatomie , und Histologie. Die Entwicklungsbiologie untersucht das Leben auf der Ebene der Entwicklung oder Ontogenese eines einzelnen Organismus. Bewegen Sie sich auf der Skala nach oben zu mehr als einem Organismus, Genetik betrachtet, wie Vererbung zwischen Eltern und Nachkommen funktioniert. Die Ethologie betrachtet das Verhalten von Organismen in ihrer natürlichen Umgebung. Die Populationsgenetik betrachtet die Ebene einer gesamten Population, und die Systematik berücksichtigt die Multi-Spezies-Skala von Abstammungslinien. Interdependente Populationen und ihre Lebensräume werden untersucht Ökologie und Evolutionsbiologie. Ein spekulatives neues Gebiet ist die Astrobiologie (oder Xenobiologie), die die Möglichkeit von Leben jenseits der Erde untersucht.
Prinzipien
Die Biologie beschreibt Systeme normalerweise nicht in Form von Objekten, die unveränderlichen physikalischen Gesetzen gehorchen, die durch beschrieben werden Mathematik . Biologische Systeme sind vorhersagbar statistisch Tendenzen, sich auf bestimmte Weise zu verhalten, aber diese Tendenzen sind normalerweise nicht so konkret wie die, die in Fächern wie Physik beschrieben werden. Die Biologie unterliegt jedoch immer noch den gleichen physikalischen Gesetzen des Universums wie Thermodynamik und Massenerhaltung.
Die biologischen Wissenschaften sind durch mehrere grundlegende grundlegende Prinzipien und Konzepte gekennzeichnet und vereint: Universalität, Evolution , Vielfalt, Kontinuität, Genetik , Homöostase und Wechselwirkungen.
Universalität: Biochemie, Zellen und der genetische Code
Schematische Darstellung von DNS , das primäre genetische Material.Einige bemerkenswerte Beispiele biologischer Universalität sind das Leben Kohlenstoff - basierte Biochemie und ihre Fähigkeit, Eigenschaften über genetisches Material weiterzugeben, unter Verwendung einer DNA- und RNA-basierten genetischer Code mit nur geringfügigen Abweichungen bei allen Lebewesen.
Ein weiteres universelles Prinzip ist, dass alle Organismen (d. h. alle Lebensformen auf der Erde außer Viren ) sind gemacht aus Zellen . Ebenso teilen alle Organismen gemeinsame Entwicklungsprozesse.
Evolution
Das zentrale Organisationskonzept in der Biologie ist, dass alles Leben einen gemeinsamen Ursprung hat und sich durch den Prozess der Entwicklung verändert und entwickelt hat Evolution (siehe Gemeinsame Abstammung). Dies hat zu der verblüffenden Ähnlichkeit von Einheiten und Prozessen geführt, die im vorherigen Abschnitt besprochen wurden. Charles Darwin etablierte die Evolution als tragfähige Theorie, indem sie ihre treibende Kraft artikulierte, natürliche Auslese (Alfred Russel Wallace gilt als Mitentdecker dieses Konzepts). Die genetische Drift wurde als zusätzlicher Mechanismus der evolutionären Entwicklung in die moderne Synthese der Theorie aufgenommen.
Die Evolutionsgeschichte einer Art – die die Merkmale der verschiedenen Arten beschreibt, von denen sie abstammt – zusammen mit ihrer genealogischen Beziehung zu allen anderen Arten wird als Phylogenie bezeichnet. Sehr unterschiedliche Zugänge zur Biologie generieren Informationen über die Phylogenie. Dazu gehören die Vergleiche von DNA-Sequenzen, die in der Molekularbiologie oder Genomik durchgeführt werden, und Vergleiche von Fossilien oder andere Aufzeichnungen von alten Organismen in Paläontologie . Biologen organisieren und analysieren evolutionäre Beziehungen durch verschiedene Methoden, einschließlich Phylogenetik, Phenetik und Kladistik (Die wichtigsten Ereignisse in der Evolution des Lebens, wie Biologen sie derzeit verstehen, sind auf dieser evolutionären Zeitachse zusammengefasst).
In den letzten Jahren sind die Evolution und andere Wissenschaftszweige von Menschen angegriffen worden, die mit wissenschaftlichen Erkenntnissen über den Ursprung und die Vielfalt des Lebens nicht einverstanden sind und stattdessen religiöse Erklärungen bevorzugen. Sehen Kontroverse Schöpfung-Evolution für mehr Informationen.
Diversität
Ein phylogenetischer Baum aller Lebewesen, basierend auf rRNA-Gendaten, der die Trennung der drei Domänen zeigt Bakterien , Archaea und Eukaryoten wie ursprünglich von Carl Woese beschrieben. Bäume, die mit anderen Genen konstruiert wurden, sind im Allgemeinen ähnlich, obwohl sie einige frühe Verzweigungsgruppen sehr unterschiedlich platzieren können, vermutlich aufgrund der schnellen rRNA-Evolution. Die genauen Beziehungen der drei Domänen werden noch diskutiert.Klassifikation ist die Domäne der Disziplinen Systematik und Taxonomie. Die Taxonomie ordnet Organismen in Gruppen ein, die Taxa genannt werden, während die Systematik versucht, ihre Beziehungen zueinander zu definieren. Diese Klassifizierungstechnik wurde entwickelt, um Fortschritte in der Kladistik widerzuspiegeln und Genetik , wobei der Fokus von physischen Ähnlichkeiten und gemeinsamen Merkmalen auf die Phylogenetik verlagert wird.
Traditionell wurden Lebewesen in fünf Reiche eingeteilt:
Viele Wissenschaftler halten dieses Fünf-Königreiche-System jedoch mittlerweile für überholt. Moderne alternative Klassifikationssysteme beginnen im Allgemeinen mit dem Drei-Domänen-System:
- Archaea (ursprünglich Archaebakterien) -- Bakterien (ursprünglich Eubakterien) -- Eukaryoten
Diese Domänen spiegeln wider, ob die Zellen Kerne haben oder nicht, sowie Unterschiede im Zelläußeren.
Darüber hinaus wird jedes Königreich kontinuierlich zerlegt, bis jede Art separat klassifiziert wird. Die Reihenfolge ist 1) Königreich, 2) Stamm, 3) Klasse, 4) Ordnung, 5) Familie, 6) Gattung, 7) Art. Der wissenschaftliche Name eines Organismus ergibt sich aus seiner Gattung und Art. Beispielsweise würden Menschen als aufgelistet Ein weiser Mann . Homo wäre die Gattung und Sapiens die Art. Beim Schreiben des wissenschaftlichen Namens eines Organismus ist es angebracht, den ersten Buchstaben der Gattung groß und alle Arten klein zu schreiben; außerdem würde der gesamte Begriff kursiv gesetzt. Der für die Klassifizierung verwendete Begriff heißt Taxonomie.
Es gibt auch eine Reihe von intrazellulären Parasiten, die in Bezug auf die Stoffwechselaktivität zunehmend „weniger lebendig“ sind:
- Viren -- Viroide -- Prionen
Kontinuität
Hinauf in die 19. Jahrhundert , wurde allgemein angenommen, dass Lebensformen unter bestimmten Bedingungen spontan erscheinen könnten (siehe Abiogenese). Dieses Missverständnis wurde von herausgefordert William Harvey 's Diktion, dass 'alles Leben aus [einem] Ei [ist]' (aus dem Latein „Omne vivum ex ovo“), ein Grundbegriff der modernen Biologie. Es bedeutet einfach, dass es eine ununterbrochene Kontinuität des Lebens von seinem ursprünglichen Ursprung bis zur Gegenwart gibt.
Eine Gruppe von Organismen hat eine gemeinsame Abstammung, wenn sie einen gemeinsamen Vorfahren haben. Alle Organismen auf der Erde wurden und werden von einem gemeinsamen Vorfahren oder einem Genpool der Vorfahren abstammen. Es wird angenommen, dass dieser letzte universelle gemeinsame Vorfahre aller Organismen vor etwa 3,5 Milliarden Jahren aufgetaucht ist. Biologen betrachten im Allgemeinen die Universalität der genetischer Code als endgültiger Beweis für die Theorie der universellen gemeinsamen Abstammung (UCD) für alle Bakterien , Archaea und Eukaryoten (siehe: Ursprung des Lebens).
Homöostase
Homöostase ist die Fähigkeit eines offenen Systems, seine interne Umgebung zu regulieren, um einen stabilen Zustand durch mehrere dynamische Gleichgewichtsanpassungen aufrechtzuerhalten, die durch miteinander verbundene Regulierungsmechanismen gesteuert werden. Alle leben Organismen , ob einzellig oder mehrzellig, Homöostase aufweisen. Die Homöostase manifestiert sich auf zellulärer Ebene durch die Aufrechterhaltung einer stabilen inneren Säure (pH); auf der organismischen Ebene halten warmblütige Tiere eine konstante innere Körpertemperatur aufrecht; und auf der Ebene des Ökosystems, wie wenn atmosphärisch Kohlendioxid Ebenen steigen und Pflanzen theoretisch in der Lage sind, gesünder zu wachsen und mehr Gas aus der Atmosphäre zu entfernen. Auch Gewebe und Organe können die Homöostase aufrechterhalten.
Interaktionen
Gegenseitige Symbiose zwischen Clownfischen der Gattung Amphiprion, die zwischen den Tentakeln tropischer Seeanemonen leben. Der Territorialfisch schützt die Anemone vor anemonenfressenden Fischen, und die stechenden Tentakel der Anemone wiederum schützen den Clownfisch vor seinen FressfeindenJedes Lebewesen interagiert mit anderen Organismen und seiner Umwelt. Ein Grund dafür, dass biologische Systeme schwer zu untersuchen sind, liegt darin, dass so viele verschiedene Wechselwirkungen mit anderen Organismen und der Umwelt möglich sind, selbst in kleinsten Maßstäben. Ein mikroskopisches Bakterium Die Reaktion auf einen lokalen Zuckergradienten reagiert ebenso auf seine Umgebung wie a Löwe reagiert auf seine Umgebung, wenn es in der Nahrung nach Nahrung sucht afrikanisch Savanne. Das Verhalten einer bestimmten Art kann kooperativ, aggressiv, parasitär oder symbiotisch sein. Komplexer wird es, wenn zwei oder mehr verschiedene Arten in einem Ökosystem interagieren. Studien dieser Art sind die Provinz Ökologie .
Zielfernrohr
Die Biologie ist zu einem so großen Forschungsunternehmen geworden, dass sie im Allgemeinen nicht als einzelne Disziplin, sondern als eine Reihe gebündelter Teildisziplinen betrachtet wird. Dieser Artikel betrachtet vier große Gruppierungen. Die erste Gruppe besteht aus jenen Disziplinen, die sich mit den Grundstrukturen lebender Systeme befassen: Zellen , Gene usw.; die zweite Gruppe betrachtet die Funktionsweise dieser Strukturen auf der Ebene von Geweben, Organen und Körpern; die dritte Gruppe betrachtet Organismen und ihre Geschichte; die abschließende Konstellation der Disziplinen konzentriert sich auf ihre Wechselwirkungen. Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass diese Grenzen, Gruppierungen und Beschreibungen eine vereinfachte Charakterisierung der biologischen Forschung sind. In Wirklichkeit sind die Grenzen zwischen den Disziplinen fließend, und die meisten Disziplinen leihen sich häufig Techniken voneinander aus. Zum Beispiel lehnt sich die Evolutionsbiologie stark an Techniken aus der Molekularbiologie an, um DNA-Sequenzen zu bestimmen, die zum Verständnis der genetischen Variation einer Population beitragen; und die Physiologie lehnt sich bei der Beschreibung der Funktion von Organsystemen weitgehend an die Zellbiologie an.
Struktur des Lebens
Molekularbiologie ist das Studium der Biologie auf molekularer Ebene. Dieses Feld überschneidet sich mit anderen Bereichen der Biologie, insbesondere mit Genetik und Biochemie. Die Molekularbiologie befasst sich hauptsächlich damit, die Wechselwirkungen zwischen den verschiedenen Systemen einer Zelle zu verstehen, einschließlich der Wechselbeziehung von DNA-, RNA- und Proteinsynthese, und zu lernen, wie diese Wechselwirkungen reguliert werden.
Die Zellbiologie untersucht die physiologischen Eigenschaften von Zellen , sowie ihr Verhalten, ihre Interaktionen und ihre Umgebung. Dies geschieht sowohl auf a mikroskopisch und molekularer Ebene. Die Zellbiologie erforscht sowohl Einzeller wie Bakterien und spezialisierte Zellen in vielzelligen Organismen wie Menschen .
Das Verständnis der Zellzusammensetzung und ihrer Funktionsweise ist für alle biologischen Wissenschaften von grundlegender Bedeutung. Das Erkennen der Ähnlichkeiten und Unterschiede zwischen Zelltypen ist besonders wichtig in den Bereichen der Zell- und Molekularbiologie. Diese grundlegenden Ähnlichkeiten und Unterschiede bilden ein einheitliches Thema, das es ermöglicht, die aus der Untersuchung eines Zelltyps gelernten Prinzipien zu extrapolieren und auf andere Zelltypen zu verallgemeinern.
Genetik ist der Wissenschaft von Genen, Vererbung und der Variation von Organismen . In der modernen Forschung liefert die Genetik wichtige Werkzeuge zur Untersuchung der Funktion eines bestimmten Gens oder zur Analyse genetischer Interaktionen. Innerhalb Organismen , genetische Information wird im Allgemeinen in Chromosomen getragen, wo sie in der chemischen Struktur des Besonderen dargestellt wird DNS Moleküle.
Gene codieren die Informationen, die für die Synthese von Proteinen erforderlich sind, die wiederum eine große Rolle bei der Beeinflussung (obwohl sie in vielen Fällen nicht vollständig bestimmen) des endgültigen Phänotyps des Organismus spielen.
Die Entwicklungsbiologie untersucht den Prozess, durch den Organismen wachsen und sich entwickeln. Die moderne Entwicklungsbiologie hat ihren Ursprung in der Embryologie und untersucht die genetische Kontrolle des Zellwachstums, der Zelldifferenzierung und der „Morphogenese“, dem Prozess, der Gewebe, Organe und Zellen entstehen lässt Anatomie . Zu den Modellorganismen für die Entwicklungsbiologie gehört der Spulwurm Caenorhabditis elegans , die Fruchtfliege Drosophila melanogaster , der Zebrafisch Brachydanio rerio , Die Maus Muskel der Maus , und das Unkraut Arabidopsis thaliana .
Physiologie der Organismen
Hauptartikel: Physiologie , Anatomie
Die Physiologie untersucht die mechanischen, physikalischen und biochemischen Prozesse lebender Organismen, indem sie versucht zu verstehen, wie alle Strukturen als Ganzes funktionieren. Das Thema 'Struktur zur Funktion' ist zentral für die Biologie. Physiologische Studien wurden traditionell in Pflanzenphysiologie und Tierphysiologie unterteilt, aber die Prinzipien der Physiologie sind universell, ganz gleich, welche besonderen Organismus wird studiert. Zum Beispiel, was über die Physiologie von gelernt wird Hefe Zellen können sich auch auf bewerben Mensch Zellen. Das Gebiet der Tierphysiologie erweitert die Werkzeuge und Methoden der menschlichen Physiologie auf nichtmenschliche Arten. Auch die Pflanzenphysiologie leiht sich Techniken aus beiden Bereichen aus.
Anatomie ist ein wichtiger Zweig der Physiologie und untersucht, wie Organsysteme bei Tieren, wie das Nerven-, Immun-, Hormon-, Atmungs- und Kreislaufsystem, funktionieren und interagieren. Das Studium dieser Systeme wird mit geteilt medizinisch orientierten Disziplinen wie Neurologie und Immunologie.
Vielfalt und Evolution der Organismen
In der Populationsgenetik ist die Evolution einer Population von Organismen wird manchmal so dargestellt, als würde man auf einer Fitnesslandschaft reisen. Die Pfeile zeigen den bevorzugten Fluss einer Bevölkerung in der Landschaft an, und die Punkte A, B und C sind lokale Optima. Der rote Ball zeigt eine Population an, die sich von einem sehr niedrigen Fitnesswert bis zur Spitze eines Peaks bewegtHauptartikel: Evolutionsbiologie , Biodiversität , Botanik , Zoologie
Die Evolutionsbiologie befasst sich mit der Entstehung und Abstammung von Arten sowie deren Veränderung im Laufe der Zeit und umfasst Wissenschaftler aus vielen taxonomisch orientierten Disziplinen. Zum Beispiel handelt es sich in der Regel um besonders ausgebildete Wissenschaftler Organismen wie Mammalogie, Ornithologie oder Herpetologie, sondern nutzen diese Organismen als Systeme, um allgemeine Fragen zur Evolution zu beantworten. Die Evolutionsbiologie basiert hauptsächlich auf Paläontologie , die die verwendet Fossil Rekord, um Fragen zu Art und Tempo der Evolution sowie zu Entwicklungen in Bereichen wie Populationsgenetik und Evolutionstheorie zu beantworten. In den 1990er Jahren trat die Entwicklungsbiologie von ihrem anfänglichen Ausschluss aus der modernen Synthese durch das Studium der evolutionären Entwicklungsbiologie wieder in die Evolutionsbiologie ein. Verwandte Gebiete, die oft als Teil der Evolutionsbiologie angesehen werden, sind Phylogenetik, Systematik und Taxonomie.
Die beiden großen traditionellen taxonomisch orientierten Disziplinen sind Botanik und Zoologie. Botanik ist die wissenschaftliche Lehre von Pflanzen . Die Botanik umfasst ein breites Spektrum wissenschaftlicher Disziplinen, die das Wachstum, die Fortpflanzung, den Stoffwechsel, die Entwicklung, Krankheiten und vieles mehr untersuchen Evolution des Pflanzenlebens. Zoologie beinhaltet das Studium von Tiere , einschließlich der Untersuchung ihrer Physiologie in den Bereichen Anatomie und Embryologie. Das Gemeine genetisch und Entwicklungsmechanismen von Tieren und Pflanzen wird in Molekularbiologie, Molekulargenetik und Entwicklungsbiologie untersucht. Das Ökologie von Tieren wird unter Verhaltensökologie und anderen Bereichen behandelt.
Klassifizierung des Lebens
Das vorherrschende Klassifizierungssystem wird Linnaean Taxonomy genannt, das Ränge und einschließt binomischen Nomenklatur . Wie Organismen benannt werden, wird durch internationale Vereinbarungen wie den International Code of Botanical Nomenclature (ICBN), den International Code of Zoological Nomenclature (ICZN) und den International Code of Nomenclature of Bacteria (ICNB) geregelt. Ein vierter BioCode-Entwurf wurde 1997 veröffentlicht, um zu versuchen, die Benennung in diesen drei Bereichen zu standardisieren, aber er muss noch formell angenommen werden. Der Virus cInternational Code of Virus Classification and Nomenclature (ICVCN) bleibt außerhalb des BioCode.
Interaktionen von Organismen
Ein Nahrungsnetz, eine Verallgemeinerung der Nahrungskette, die die komplexen Wechselbeziehungen zwischen Organismen in einem Ökosystem darstellt.Hauptartikel: Ökologie , Ethologie, Verhalten, Biogeographie
Ökologie untersucht die Verbreitung und Häufigkeit von lebende Organismen , und die Wechselwirkungen zwischen Organismen und ihrer Umwelt. Die Umwelt eines Organismus umfasst sowohl seinen Lebensraum, der als Summe lokaler abiotischer Faktoren wie z Klima und Geologie , sowie zum anderen die Organismen, die seinen Lebensraum teilen. Ökologische Systeme werden auf verschiedenen Ebenen untersucht, von Individuen und Populationen bis hin zu Ökosystemen und der Biosphäre . Wie man vermuten kann, ist die Ökologie eine Wissenschaft, die sich auf mehrere Disziplinen stützt.
Ethologische Studien Tier Verhalten (insbesondere von sozialen Tieren wie Primaten und Caniden) und wird manchmal als Zweig der Zoologie betrachtet. Ethologen haben sich besonders mit dem beschäftigt Evolution des Verhaltens und das theorietheoretische Verständnis von Verhalten natürliche Auslese . In gewisser Weise war der erste moderne Ethologe Charles Darwin , dessen Buch Der Ausdruck der Emotionen bei Tieren und Menschen viele Verhaltensforscher beeinflusst.
Die Biogeographie untersucht die räumliche Verteilung von Organismen auf der Erde Erde , mit Schwerpunkt auf Themen wie Plattentektonik , Klimawandel , Ausbreitung und Migration und Kladistik.
Etymologie
Gebildet durch die Kombination des Griechischen Leben (BIOS) , was 'Leben' bedeutet, und Grund (Logos) , was 'Studium von' bedeutet, scheint das Wort 'Biologie' in seinem modernen Sinn unabhängig von Gottfried Reinhold Treviranus eingeführt worden zu sein ( Biologie oder Philosophie der lebenden Natur , 1802) und von Jean-Baptiste Lamarck ( Hydrogeologie , 1802). Das Wort selbst soll manchmal 1800 von Karl Friedrich Burdach geprägt worden sein, aber es erscheint im Titel von Band 3 von Michael Christoph Hanov Naturphilosophie oder dogmatische Physik : Geologia, biologia, phytologia generalis und dendrologia , erschienen 1766.
Geschichte
Zu den wichtigsten Entdeckungen in der Biologie gehören:
