Biology

زیست‌شناسی

زیست‌شناسی از علوم طبیعی و دانش مربوط به مطالعه جانداران زنده است. این دانش به بررسی ویژگی‌ها و رفتار سازواره‌ها، چگونگی پیدایش گونه‌ها و افراد، و نیز به بررسی برهمکنش جانداران با یکدیگر و محیط پیرامونشان می‌پردازد. زیست‌شناسی شامل موضوعات وسیعی است که دارای تقسیم‌بندی بسیاری از مباحث و رشته‌های مختلف است. از جمله مهم ترین موضوعات آن عبارت از پنج اصل به‌هم‌وابسته است که می‌توان آن‌ها را اساس زیست‌شناسی مدرن نامید:

  1. سلول‌ها به عنوان واحد اصلی حیات هستند.
  2. گونه‌های جدید و صفات موروثی، محصول فرگشت هستند.
  3. ژن‌ها واحد اصلی وراثت هستند.
  4. ارگانیسم‌ها محیط داخلی خود را برای حفظ یک وضعیت پایدار و ثابت، حفظ می‌کنند.
  5. موجودات زنده انرژی مصرف می‌کنند و آن را به صورت دیگری تبدیل می‌کنند.

رشته‌های فرعی زیست‌شناسی به وسیله مقیاسی که در آن موجودات زنده‌ای که قبلاً مطالعه شده‌اند، انواع موجودات زنده مورد مطالعه و روش‌های استفاده شده در مطالعه آنها، تعریف می‌شود: بیوشیمی، مطالعه شیمی اولیه زندگی؛ زیست‌شناسی مولکولی، مطالعه فعل و انفعالات پیچیده در میان مولکول‌های زیستی؛ گیاه‌شناسی، مطالعه زیست‌شناسی گیاهان؛ زیست‌شناسی سلولی، بررسی واحدهای ساختمانی همه حیات، سلول؛ فیزیولوژی، بررسی عملکردهای فیزیکی و شیمیایی بافت‌ها، اندام‌ها و دستگاه زیستی هر موجود زنده؛ زیست‌شناسی فرگشتی، بررسی فرایندهایی که تنوع زیستی را ایجاد می‌کنند؛ و بوم شناسی بررسی فعل و انفعالات موجودات زنده در محیط خود.

تاریخچه

درخت حیات ارنست هکل به سال ۱۸۷۹

اصطلاح بیولوژی (به انگلیسی: biology) از واژه یونانی βίος- بیوس «به معنی زندگی»، و پسوند λογία- لوژیا «به معنی مطالعه چیزی»، مشتق شده‌است. این واژه در آلمان در اوایل سال ۱۷۹۱ ممکن است از پسین‌سازی واژه قدیمی‌تر دوزیستان‌شناسی با حذف واژه دوزیستان، به وجود آمده باشد.

فرم لاتین این اصطلاح نخستین بار در ۱۷۳۶ زمانی که کارل لینه، از واژه biologi در کتاب Bibliotheca botanica خود استفاده کرد، ظاهر شده است.

اگرچه زیست‌شناسی در قالب مدرن خود پیشترفت‌های بسیاری یافته‌است، اماعلوم مرتبط و وابسته به آن، از زمان‌های قدیم مورد مطالعه قرار گرفته‌اند. فلسفه طبیعی در اوایل تمدن‌های باستانی میان‌رودان، مصر، شبه‌قاره هند و چین مورد مطالعه قرار گرفت. با این حال، ریشه‌های زیست‌شناسی مدرن و گرایش به مطالعه طبیعت اغلب به یونان باستان برمی‌گردد. در حالی که مطالعه رسمی پزشکی به بقراط (حدود ۴۶۰ سال قبل از میلاد – حدود ۳۷۰ سال قبل از میلاد) برمی گردد، اما ارسطو (۳۲۲ سال قبل از میلاد – ۳۸۴ پیش از میلاد) گسترده‌ترین سهم را برای توسعه زیست‌شناسی به کار گرفت. نقش برجسته او در تاریخچه جانوران و کارهای دیگری با تکیه بر طبیعت‌گرایی، و فعالیت‌های تجربی دیگری که بر روی علت و معلولی زیستی و تنوع زندگی متمرکز بود، از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. ثئوفراستوس جانشین ارسطو در لیسه، سلسله کتاب‌هایی در زمینه گیاه‌شناسی نوشت که تا به امروز سالم مانده‌اند و به عنوان مهم‌ترین سهم از دوران باستان و حتی قرون وسطی از علوم گیاهی به حساب می‌آید.

دانشمندان قرون وسطی جهان اسلام که در مورد زیست‌شناسی کتاب نوشته‌اند شامل جاحظ (۸۶۹-۷۸۱)، ابوحنیفه دینوری (۸۹۶-۸۲۸)، که در مورد گیاه‌شناسی کتاب نوشته است،و رازی (۹۲۵-۸۶۵) که در مورد کالبدشناسی و فیزیولوژی کتاب نوشته است، می‌باشند. دانش پزشکی با تحقیقات دانشمندان اسلامی در مورد سنت‌های فیلسوف یونانی، به خوبی مطالعه شده است، در حالیکه تاریخ طبیعی، تفکر ارسطو را به خصوص در حفظ سلسله مراتب ثابت زندگی، به شدت جذب کرده بود.

زیست‌شناسی با ساخت میکروسکوپ آنتونی وان لیوون هوک، شروع به رشد و پیشرفت سریع کرد. اینگونه بود که دانشمندان اسپرم، باکتری، مژه‌داران و تنوع زندگی میکروسکوپی را کشف کردند. تحقیقات انجام شده توسط جان سوامردام منجر به اطلاعات جدید در حشره‌شناسی شده و به توسعه روش‌های اساسی کالبدشکافی میکروسکوپی و رنگ آمیزی کمک بسیاری کرده است.

پیشرفت در تکنیک‌های میکروسکوپی تاثیر بسیاری در تفکرات زیست‌شناسی داشت. در آغاز سده ۱۹، تعدادی از زیست‌شناسان به اهمیت سلول اشاره کردند. سپس، در ۱۸۳۸، اشلایدن و تئودور شوان شروع به ترویج ایده‌های کنونی جهانی کردند که شامل این موارد بودند: (۱) واحد اصلی موجودات زنده سلول می‌باشد و (۲) سلول‌های هر موجود تمام ویژگی‌های زندگی را دارد، اگرچه آنها با این ایده مخالف بودند که (۳) همه سلول‌ها از تقسیم دیگر سلول‌ها به وجود می‌آیند. به لطف کارهای رابرت ریمارک و رودولف فیرخو، در ۱۸۶۰ بیشتر زیست‌شناسان همه سه اصولی را که به عنوان نظریه یاخته شناخته می‌شد، قبول کردند.

در همین هنگام، طبقه‌بندی موجودات زنده و رده‌بندی آن ها عامل تمرکز تاریخ‌دانان طبیعی شد. کارل لینه، طبقه‌بندی اساسی برای جهان طبیعی را در سال ۱۷۳۵ (گونه‌هایی که تا آن زمان شناخته شده بودند) منتشر کرد، و در سال‌های ۱۷۵۰ نام‌های علمی را برای تمام گونه‌های خود معرفی کرد.ژرژ-لوئی لکرک کنت دو بوفون، جانوران را به عنوان طبقه‌بندی‌های مصنوعی و گونه‌های زنده را به عنوان تطبیق‌پذیر معرفی کرد – حتی پیشنهاد داد که آن ها احتمالاً از نسب مشترک هستند. اگرچه او با فرگشت مخالف بود، بوفون یک چهره کلیدی در تاریخچه اندیشه فرگشتی بود چرا که کارهایش بعدها بر نظریه‌های فرگشتی لامارک و داروین تاثیر گذاشت.

آغاز جدی اندیشه فرگشتی با آثار ژان-باتیست لامارک می‌باشد، که برای نخستین بار یک نظریه منسجم از فرگشت را ارائه کرد.او فرض کرد که فرگشت نتیجه فشارهای محیطی بر ویژگی های جانوران می‌باشد، به این معنی که هرچه یک عضو بیشتر مورد استفاده قرار می‌گیرد، پیچیده‌تر و کارآمدتر می‌شود، بنابراین جانور با محیط خود سازگار می‌شود. لامارک اعتقاد داشت که این صفات به دست آمده می‌تواند به فرزندان منتقل شود، و آنها را کامل کرده و توسعه دهد.با این حال، این زیست‌شناس بریتانیایی چارلز داروین بود که روش‌های جغرافیایی زیستی هومبولت، زمین‌شناسی مبتنی بر شکل‌گیری یکتای چارلز لایل، نوشته‌های رشد جمعیت رابرت مالتوس، و تخصص ریخت‌شناسی و مشاهدات طبیعی خود را ترکیب کرد، و با موفقیت نظریه فرگشت بر پایه سازوکار انتخاب طبیعی را ارائه داد. دلایل و شواهد مشابه نیز، آلفرد راسل والاس را به طور مستقل به همان نتایج رسانید. هرچند که این موضوع باعث بحث فراوان شد (که تا امروز نیز ادامه دارد)، اما نگره ی داروین به سرعت از طریق جامعه علمی گسترش یافته و به زودی به یک اصل مرکزی در سرعت توسعه علم زیست‌شناسی تبدیل شد.

کشف دلیل فیزیکی روی دادن وراثت همزمان با کشف اصول فرگشتی و ژنتیک جمعیت شد. در سال‌های ۱۹۴۰ و اوایل سال‌های ۱۹۵۰، آزمایش‌ها به دی ان ای به عنوان بخشی از کروموزوم اشاره کردند که واحدهای صفاتی را حمل می‌کنند که به نام ژن شناخته می‌شوند. تمرکز بر روی انواع جدیدی از مدل‌های موجودات زنده مانند ویروس‌ها و باکتری‌ها، همراه با کشف ساختار مارپیچ دو رشته‌ای دی ان ای در ۱۹۵۳، راه را برگزار به ژنتیک مولکولی باز کردند. از سال‌های ۱۹۵۰ تا زمان حال، زیست‌شناسی در حوزه مولکولی بسیاری گسترده شده است. رمز ژنتیکی توسط هار گوبیند کورانا، رابرت دبلیو. هالی و مارشال وارن نایرنبرگ بعد از درک اینکه دی ان ای از واحدهایی به نام کودون تشکیل شده است، شکسته شد. در نهایت، پروژه ژنوم انسان در سال ۱۹۹۰ با هدف ترسیم نقشه ژنتیکی انسان به طور کلی راه‌اندازی شد. این پروژه در اصل در سال ۲۰۰۳ تکمیل شد، و تجزیه و تحلیل بیشتر آن هنوز در حال انتشار است.پروژه ژنوم انسان نخستین تلاش جهانی در ترکیب دانش زیست‌شناسی عملکردی، با تعریف مولکولی برای توضیح چگونگی کارکرد بدن انسان و دیگر موجودات بود.

مبانی زیست‌شناسی مدرن

بخش عمده‌ای از زیست‌شناسی مدرن را می‌توان متشکل از پنج اصل به‌هم وابسته دانست که شامل: نظریه سلولی، تکامل، ژنتیک، هموستازی، و انرژی است.

نظریه سلولی

نظریه سلولی بیان می‌کند که سلول واحد اساسی زندگی است، و همه موجودات زنده از یک یا چندین سلول تشکیل شده‌اند یا موادی را از سلول‌های خود ترشح می‌کنند (به عنوان مثال، پوسته، استخوان بندی بیرونی). همه سلول‌ها از طریق تقسیم سلولی از سلول‌های دیگر به وجود می‌آیند. در موجودات پر سلولی، هر سلول بدن موجود زنده از یک سلول تخم بارور مشتق شده است. همچنین سلول به عنوان واحد اساسی در بسیاری از فرایندهای پاتولوژیک نیز در نظر گرفته می‌شود. به علاوه، پدیده جریان انرژی در سلول‌ها طی فرایند سوخت ساز اتفاق می‌افتد. در نهایت، سلول‌های حاوی اطلاعات وراثتی (دی ان ای)، در طول تقسیم سلولی از یک سلول به سلول دیگر منتقل می‌شوند.

تکامل

مفهوم سازماندهی مرکزی در زیست‌شناسی این است که تغییر و توسعه در زندگی در طول تکامل اتفاق می‌افتد، و تمام موجودات زنده شناخته شده نسب مشترک دارند. نظریه تکامل ادعا می‌کند که تمام موجودات زنده روی زمین، موجودات زنده و منقرض شده، از یک نیای مشترک یا یک خزانه ژنی نیایی به وجود آمده‌اند. این باور وجود دارد که آخرین نیای مشترک تمام موجودات زنده حدود ۳٫۵ میلیارد سال پیش ظاهر شده است. به طور کلی زیست‌شناسان حضور همه‌جانبه و جهانی رمز ژنتیکی را به عنوان شاهد قطعی در حمایت از نظریه نیای مشترک جهانی برای همه باکتری‌ها، آرکی باکتری‌ها (باستانیان) و یوکاریوت‌ها در نظر می‌گیرند (پیدایش حیات را ببینید).

معرفی در واژه نامه علمی توسط ژان-باتیست لامارک در ۱۸۰۹، نظریه تکامل تدریجی توسط چارلز داروین ۵۰ سال بعد به عنوان مدل علمی، زمانی که او نیروی محرکه را بیان می‌کرد، ایجاد شد: انتخاب طبیعی.(آلفرد راسل والاس به عنوان همکار کاشف، زمانی که به تحقیق و پژوهش مفهوم تکامل کمک می‌کرد، شناخته شد). در حال حاضر، تکامل برای توضیح تغییرات بزرگ یافته شده بر روی زمین استفاده می‌شود.

نظریه داروین بیان می‌کند که گونه‌ها و نژادها در طول فرایندهای انتخاب طبیعی و انتخاب مصنوعی یا پرورش انتخابی توسعه یافته‌اند.رانش ژن به عنوان یک مکانیسم اضافی از توسعه تکاملی در سنتز مدرن نظریه بیان می‌شود.

تاریخچه تکاملی گونه‌ها – که ویژگی‌های گونه‌های مختلف را از جایی که آمده‌اند توصیف می‌کند – همراه با رابطه شجره نامه‌شان با دیگر گونه‌ها به عنوان تبارزایش شناخته می‌شود. با روش‌های گسترده متفاوت زیست‌شناسی، اطلاعاتی درباره تبارزایش به دست آمده است. این اطلاعات عبارتند از مقایسه توالی اسید نوکلئیک در زیست‌شناسی مولکولی یا ژنومیک، و مقایسه فسیل‌ها یا دیگر موجودات باستانی در دیرینه شناسی.زیست‌شناسان روابط تکاملی را با روش‌های مختلف از جمله تبارزایش، فنوتیک و شاخه بندی سازماندهی و تجزیه و تحلیل می‌کنند. (برای مشاهده خلاصه‌ای از رویدادهای مهم در تکامل زندگی که در حال حاضر توسط زیست‌شناسان درک شده است جدول زمانی تکاملی را مطالعه کنید)

ژنتیک

نوشتار اصلی: ژنتیک

ژن‌ها واحد اصلی وراثت در تمام موجودات زنده هستند. یک ژن واحد اصلی وراثت بوده و قسمتی از دی ان ای می‌باشد که شکل یا عملکرد یک موجود را با روش‌های خاص تحت تاثیر قرار می‌دهد. تمام موجودات زنده، از باکتری‌ها تا جانوران، دستگاه‌های اساسی یکسانی که توسط دی ان ای کپی شده و به پروتئین ترجمه می‌شوند را به اشتراک می‌گذارند. سلول‌ها ژن دی ان ای را به نسخه آران‌ای ژن رونویسی می‌کنند، و سپس ریبوزوم آران‌ای را به پروتئین ترجمه می‌کند، و یک توالی اسید آمینه به وجود می‌آید. رمز ترجمه از کدون آر ان ای به اسید آمینه در بیشتر موجودات زنده مشابه است، اما در بعضی از آنها تفاوت‌های کمی دارد. به عنوان مثال، توالی از دی ان ای که انسولین را در انسان‌ها کد می‌کند وقتی درون موجود زنده دیگری مثل گیاهان قرار بگیرد نیز انسولین را کد می‌کند.

دی ان ای معمولاً به شکل کروموزوم خطی در یوکاریوت‌ها و کروموزوم حلقوی در پروکاریوت‌ها وجود دارد. کروموزوم ساختاری سازمان یافته متشکل از دی ان ای و هیستون‌ها می‌باشد. مجموعه‌ای از کروموزوم‌ها در یک سلول و دیگر اطلاعات وراثتی یافت شده در میتوکندری‌ها، کلروپلاست‌ها، یا دیگر مکان‌ها در مجموع به عنوان ژنوم شناخته می‌شوند. در یوکاریوت‌ها، ژنوم دی ان ای در هسته سلول و به مقدار کم همراه میتوکندری و کلروپلاست وجود دارد. در پروکاریوت‌ها، دی ان ای درون منطقه‌ای نامنظم از سیتوپلاسم به نام نوکلئوئید (ناحیه هسته) قرار گرفته است.اطلاعات ژنتیکی در یک ژنوم درون ژن‌ها قرار دارند، و مجموعه کاملی از این اطلاعات را در یک موجود زنده ژنوتیپ می‌نامند.

هموستازی

نوشتار اصلی: هموستازی

هومئوستازی توانایی یک سیستم باز در تنظیم محیط داخلی برای حفظ شرایط پایدار با استفاده از تعادل پویای چندگانه می‌باشد که با مکانیسم‌های تنظیمی مرتبط می‌باشد. در تمام موجودات زنده، خواه جانداران تک یاخته‌ای یا چند یاخته‌ای، هومئوستاز وجود دارد.

برای حفظ تعادل پویا و انجام موثر عملکردهای خاص، یک سیستم باید اختلال را شناسایی و به آن پاسخ دهد. پس از تشخیص یک اختلال، یک سیستم بیولوژیکی به طور معمول از طریق خودتنظیمی منفی به آن پاسخ می‌دهد. به این معنی که با کاهش یا افزایش فعالیت هر اندام یا سیستم، شرایط ثابت می‌شود. به عنوان مثال آزاد شدن گلوکاگون در زمان کاهش شدید سطح قند.

انرژی

بقای یک موجود زنده بستگی به ورود مداوم انرژی دارد. واکنش‌های شیمیایی که مسئول این ساختارها و عملکردها هستند انرژی را برای کمک به سلول‌های جدید و حفظ آنها از موادی که به عنوان غذا عمل می‌کنند استخراج می‌کنند. در این فرایند مولکول‌های مواد شیمیایی که غذا را تشکیل می‌دهند نقش دارند؛ اول، آنها حاوی انرژی هستند که می‌توانند مبدل واکنش‌های شیمیایی باشند؛ دوم، آنها ساختارهای مولکولی جدید را از مولکول‌های زیستی می‌سازند.

موجودات زنده‌ای که مسئول تولید انرژی به اکوسیستم هستند به نام تولیدکننده یا اتوتروف شناخته می‌شوند. تقریباً تمام این موجودات انرژی اولیه را از خورشید به دست می‌آورند. گیاهان یا نورپروردها (فتواتوتروف) با انجام فرایندی به نام فتوسنتز از انرژی خورشید برای تبدیل مواد خام به مولکول‌های آلی استفاده می‌کنند، از جمله ATP (آدنوزین تری فسفات)، که با شکستن پیوندهایش انرژی آزاد می‌شود. هرچند در بعضی اکوسیستم‌ها استخراج انرژی توسط شیمی پروردها از متان، سولفید یا دیگر منابع انرژی غیر خورشیدی صورت می‌گیرد.

برخی از انرژی‌های بدست آمده برای تولید زیست توده‌ها برای حفظ حیات و تامین انرژی برای رشد و توسعه استفاده می‌شوند. اکثریت باقی‌مانده این انرژی به عنوان گرما و مولکول‌های زاید از دست می‌رود. مهمترین فرایندهایی که انرژی به دام افتاده در مواد شیمیایی را برای حفظ حیات استفاده می‌کنند متابولیزمو تنفس یاخته‌ای (تنفس سلولی) هستند.

Contact

ارسال پیام به پژوهش سرا

نام شما (الزامی)

آدرس پست الکترونیکی شما (الزامی)

موضوع

پیام شما

ورود