Biologia jako nauka - opowieść o fenomenie życia
Niektórzy mówią, że biologia jest fascynującą opowieścią o fenomenie i cechach życia. Choć do dziś nie udało się sformułować krótkiej i prostej definicji samego życia, to jednak jego cechy są stosunkowo dobrze zbadane.
Co to jest życie?
Najbardziej poprawną definicją życia opartą o szczegółowe atrybuty życia jest: życie jest to zjawisko biologiczne charakteryzujące się budową komórkową, własnym metabolizmem, posiadaniem białek i kwasów nukleinowych, zdolnością do replikacji i dziedziczenia cech oraz utrzymywaniem homeostazy.
Życie - w biologii:
cecha obiektów, które nazywamy organizmami żywymi.
Atrybuty życia
W skład atrybutów życia wchodzą:
- cechy życia
- czynności życiowe układów żywych
- cechy specyficzne istot żywych:
a) budowa komórkowa
b) własnymetabolizm
c) posiadanie białek i kwasów nukleinowych
d) zdolność do samopowielania się i dziedziczenia cech
e) utrzymywanie homeostazy
- aspekt życia wykraczający ponad poziom osobniczy:
a) oddziaływanie międzyosobnicze i międzypopulacyjne
b) ewolucja
Cechy życia
Cechy konieczne
Cechy konieczne by dany obiekt uznać za żywy
jest wyodrębniony ze świata zewnętrznego
posiada metabolizm
jest wewnętrznie stabilny, innymi słowy cechuje go homeostaza
posiada podsystem przechowywania i przetwarzania informacji, użyteczny dla reszty systemu
procesy wewnątrz systemu żywego są regulowane
Cechy potencjalne
Cechy które nie są konieczne by system uznać za żywy, ale konieczne by zachodził proces życia na większą skalę
obiekt żywy musi mieć zdolność do wzrostu i rozmnażania
w replikacji musi zachodzić zmienność (warunek ewolucji)
obiekt musi być śmiertelny
Czynności życiowe układów żywych
Czynności życiowe układów żywych to:
- odżywianie się
- oddychanie
- wzrost i rozwój
- ruch
- reagowanie na bodźce
- rozmnażanie się
Poziom organizacji organizmów
Wyróżnia się trzy główne poziomy organizacji żywej materii. Badacze przyrody już dawno zauważyli, że materia ożywiona zorganizowana jest w sposób hierarchiczny. Można tu dostrzec charakterystyczne, narastające poziomy złożoności. Pierwszy poziom - komórkowy -obejmuje struktury komórkowe (organelle), jak i komórki. Drugi poziom -organizmalny - tworza skupienia komórek (tkanki), a także narządy (organy), ich układy i wreszcie całe organizmy wielokomórkowe. Najwyższy i zarazem najmniej poznany poziom - ponadorganizmalny - tworzą zespoły organizmów: populacje i biocenozy. Wraz ze środowiskiem nieożywionym tworzą one ekosystem i całą biosferę.
Co to jest biologia?
Biologia - gałąź nauki zajmująca się badaniem życia. Nauka ta skupia się na charakterystyce, klasyfikacji oraz zachowaniu organizmów żywych, jak również sposobie powstawania nowych gatunków oraz zależnościami między nimi a środowiskiem naturalnym.
Na poziomie organizmu, biologia częściowo wyjaśniła fenomeny takie jak narodziny, wzrost, starzenie się, śmierć i rozkład organizmów żywych, podobieństwa między potomkami a ich rodzicami (dziedziczenie) oraz rozkwit roślin, które intrygowały ludzkość przez całą jej historię. Inne fenomeny, takie jak laktacja, metamorfoza, lęg, zdrowienie i tropizm również znajdują się w sferze zainteresowania biologii. W większej skali czasu i przestrzeni biologowie badają udamawianie zwierząt i roślin, wielką różnorodność organizmów żywych (bioróżnorodność), zmiany w organizmach jakie zachodzą na przestrzeni wielu pokoleń (ewolucja), ich wymieranie, specjalizację, zachowania społeczne u zwierząt itd.
Prawo biologiczne
Biologia nadal podlega tym samym prawom fizyki co reszta wszechświata, na przykład zasadom termodynamiki i prawu zachowania masy.
Nauki biologiczne są charakteryzowane i ujednolicone przez poszczególne, podstawowe pojęcia takie jak uniwersalność, ewolucja, różnorodność, ciągłość, genetyka, homeostaza, wzajemne oddziaływanie.
Uniwersalność: Biochemia, komórki i kod genetyczny
Uderzającym przykładem biologicznej uniwersalności jest biochemia życia oparta na związkach węgla i jej zdolność do przekazywania swoich właściwości drogą dziedziczenia poprzez materiał genetyczny, używając bazowanego na DNA i RNA kodu genetycznego zawierającego niewielkie różnice pomiędzy wszystkimi organizmami żywymi.
Następną uniwersalną regułą jest to, że organizmy (czyli wszystkie formy życia na Ziemi poza wirusami) są zbudowane z komórek, jak również fakt, że wszystkie organizmy posiadają podobne procesy rozwojowe.
Ewolucja
Jednym z głównych założeń biologii jest to, że wszystkie formy życia mają wspólne pochodzenie oraz zmieniały się i rozwijały w procesie ewolucji, co spowodowało owo uderzające podobieństwo jednostek i procesów opisanych w poprzedniej sekcji. Karol Darwin opracował teorię ewolucji jako potwierdzoną teorię poprzez sformułowanie jej siły napędowej - selekcji naturalnej. Dryf genetyczny został objęty tą teorią jako dodatkowy mechanizm rozwoju ewolucyjnego we współczesnej (nowej) syntezie tej teorii.
Historia ewolucyjna gatunków, która opisuje charakterystykę różnych gatunków, ich pochodzenie razem z ich genealogicznymi powiązaniami z innymi gatunkami, nazywana jest ich filogenezą.
Informacje o filogenezie można pozyskiwać w zróżnicowany sposób. Między innymi są to porównania sekwencji DNA prowadzone przez biologię molekularną i genomikę oraz porównania skamielin lub innych zachowanych śladów dawnych organizmów żywych w paleontologii. Biologowie potrafią organizować i analizować powiązania ewolucyjne między organizmami za pomocą różnych metod, takich jak filogeneza, fenetyka i kladystyka.
Różnorodność
Drzewa filogenetyczne (drzewa życia) organizmów są klasyfikowane. Klasyfikacja leży w zakresie następujących dziedzin: systematyki i taksonomii.
Taksonomia umieszcza organizmy w grupach nazywanych taksonami, podczas gdy systematyka filogenetyczna szuka pokrewieństwa między nimi. Ta technika klasyfikacji rozwinęła się dzięki odkryciom kladystyki i genetyki, które teraz skupiają się nie na podobieństwie fizycznym i podobnej charakterystyce lecz na filogenezie.
Tradycyjnie organizmy żywe zostały umieszczone w pięciu królestwach:
Prokarioty (Monera) -- Pierwotniaki -- Grzyby -- Rośliny -- Zwierzęta.
Jednakże, obecnie, wielu naukowców uważa system pięciu królestw za przestarzały. Współczesne, alternatywne systemy klasyfikacji dzielą organizmy na trzy królestwa:
Każde królestwo jest rozdzielane na mniejsze jednostki dopóki pojedynczy gatunek nie zostanie oddzielnie sklasyfikowany, według następującego porządku: 1. Królestwo, 2. Typ, 3. Gromada, 4. Rząd, 5. Rodzina, 6. Rodzaj, 7. Gatunek. Nazwa systematyczna organizmu składa się z nazwy rodzajowej i nazwy gatunkowej (tzw. epitetu gatunkowego). Na przykład ludzie są określani nazwą Homo sapiens. Homo jest nazwą rodzajową zaś sapiens nazwą gatunkową. Pisząc nazwę systematyczną organizmu należy pisać nazwę rodzajową dużą literą a nazwę gatunkową małą. Zazwyczaj całość jest pisana przy użyciu pisma pochylonego. Terminy używane w klasyfikacji nazywane są taksonomią.
Wyróżniamy też grupę wewnątrzkomórkowych pasożytów, które są rozwojowo ,,mniej ożywione" w rozumieniu aktywności metabolicznej są to:
Ciągłość życia
Aż do XIX wieku powszechnie wierzono, że formy życia mogą pojawiać się spontanicznie pod pewnymi warunkami (teoria samorództwa). Ta teoria została uznana za błędną i zakwestionowana przez Williama Harveya, który ukuł regułę: "wszelkie życie pochodzi z jaja", co jest jedną z fundamentalnych zasad współczesnej biologii. Zasada ta oznacza, że istnieje nieprzerwana ciągłość życia od czasu jego powstania do chwili obecnej.
Grupa organizmów posiada wspólne pochodzenie jeśli posiada wspólnego przodka. Wszystkie organizmy na Ziemi pochodzą od wspólnego przodka albo z pradawnej puli genowej. Uznaje się, że ów pierwszy, uniwersalny wspólny przodek wszystkich organizmów pojawił się około 3,5 miliarda lat temu. Biologowie generalnie odnoszą się do uniwersalności kodu genetycznego jako definitywnego dowodu potwierdzającego uniwersalne, wspólne pochodzenie dla wszystkich bakterii, archeowców i jądrowców (zobacz: pochodzenie życia).
Genetyka
Wszelkie dziedziczne cechy organizmów, od ich budowy i cech fizjologicznych, po zwierzęce instynkty, czy ludzkie talenty i skłonności, są wynikiem występowania w komórkach odpowiednich białek, zakodowanych w genach. Geny, będące podstawową jednostką dziedziczenia, przenoszą te cechy do następnego pokolenia. Fizjologiczne przystosowania organizmu do środowiska nie mogą zostać zakodowane w ich genach i odziedziczone przez potomstwo (zobacz: lamarkizm).
Homeostaza
Homeostaza jest zdolnością otwartych systemów (mogących wymieniać materię i energię z otoczeniem) do utrzymywania stabilnego stanu w rozumieniu równowagi dynamicznej. Regulacja ta odbywa za pomocą sprzężonych ze sobą mechanizmów. Wszystkie organizmy żywe, czy to jednokomórkowe czy też wielokomórkowe wykazują homeostazę. Homeostaza objawia się na poziomie komórkowym poprzez utrzymywanie stałej wewnętrznej kwasowości (pH); na poziomie organizmów, zwierzęta stałocieplne utrzymują stałą temperaturę ciała; na poziomie ekosystemów, kiedy rośnie poziom stężenia dwutlenku węgla rośliny teoretycznie są w stanie rosnąć zdrowsze i usunąć nadmiar gazu z atmosfery. Tkanki i organy również są w stanie utrzymywać homeostazę.
Interakcja
Każda żywa istota posiada wzajemne zależności z innymi organizmami i ich naturalnym środowiskiem. Jednym z powodów dlaczego systemy biologiczne mogą być trudne do zbadania jest mnogość różnych zależności między organizmami a ich środowiskiem nawet w najmniejszej skali. Mikroskopijna bakteria odpowiadająca za stężenie cukrów w danym środowisku, jest tak samo odpowiedzialna wobec swojego środowiska jak lew kiedy wybiera się na polowanie szukając ofiary na afrykańskiej sawannie. Między każdymi gatunkami, zachowania mogą być kooperacyjne, agresywne, pasożytnicze albo symbiotyczne.
Zagadnienie zaczyna być bardziej skomplikowane kiedy dwa lub więcej gatunków oddziałuje z ekosystemem. Tego typu badania są polem zainteresowań ekologii.
Źródło informacji biologicznej
Informacja biologiczna - dane zapisane w cząsteczkach DNA na bazie aminokwasów budujących białka. Nie ma zapisu informacji o większej gęstości przestrzennej informacji niż DNA.
DNA - kwas deoksyrybonukleinowy - wielkocząsteczkowy organiczny związek chemiczny należący do kwasów nukleinowych. Występuje w chromosomach i pełni rolę nośnika informacji genetycznej organizmów żywych.
Odkrycia biologiczne i praktyczne
- Wesaliusz, twórca współczesnej anatomii, jako pierwszy odważył się na dokładne zbadanie zwłok ludzkich, przez co wykazał liczne błędy w dziełach Galena; błędy będące wynikiem nieuzasadnionego, a bezwzględnego przenoszenia stosunków anatomicznych panujących u zwierząt na organizację ciała ludzkiego. Wskutek tych poprawek i sprostowań popadł w spór ze swym nauczycielem, Sylwiuszem, stanowczym zwolennikiem Galena, a także innym sławnym badaczem - Eustachiuszem. Spór ten przyczynił się do rozwoju anatomii porównawczej zwierząt.
- Karol Linneusz jest autorem dzieła Systema Naturae, w którym opisał podstawy stworzonego przez siebie systemu klasyfikacji organizmów oraz upowszechnił zasadę binominalnego (dwuimiennego) nazewnictwa biologicznego (zaproponowaną wcześniej przez braci Bauhin), a także klasyfikacji minerałów. Opisał około 7 700 gatunków roślin i 4 162 gatunki zwierząt (obecnie oznacza się je skrótem "L." za nazwą łacińską taksonu). Stworzony przez niego system taksonomiczny, choć był sztuczny, stał się podwaliną współczesnej taksonomii. Początkowo był kreacjonistą, uważał, że wszystkie istniejące gatunki zostały stworzone równocześnie. Pod koniec życia dopuszczał możliwość powstawania nowych gatunków wskutek krzyżowania się istniejących już form życia.
- Karol Darwin, autor teorii ewolucji, będącej obecnie paradygmatem biologii.
- Gregor Mendel, sformułował podstawowe prawa dziedziczenia, przeprowadzając badania nad krzyżowaniem roślin, głównie grochu zwyczajnego. Jego odkrycia początkowo nie uzyskały rozgłosu i dopiero w roku 1900 trzej uczeni Hugo de Vries, Carl Correns i Erich Tschermak, niezależnie potwierdzili wyniki jego prac. W uwspółcześnionej postaci brzmią one następująco:
Pierwsze prawo Mendla, prawo czystości gamet
w organizmach znajdują się komórki, które na każdą cechę posiadają jeden gen (allel). Komórki te to gamety
Drugie prawo Mendla to prawo niezależnej segregacji
geny warunkujące różne cechy segregują niezależnie od siebie i jest kwestią przypadku, który allel z pary warunkującej jedną cechę znajdzie się w gamecie z jednym bądź drugim allelem z par alleli warunkującej drugą cechę.
Trzecie prawo Mendla jest prawem dominacji
w parze czynników determinujących (określających) dziedziczoną cechę jeden czynnik zawsze jest dominujący, a drugi recesywny.
Eksperymenty Mendla wydają się dziś proste, faktem jest jednak, że wcześniej, mimo setek lat rozwoju rolnictwa, nikt ich nie próbował lub nikt nie dostrzegł znaczenia otrzymanych w nich wyników.
Materiały pomocnicze: