1.1: נושאים ומושגים של ביולוגיה

Last updated
Save as PDF

Page ID: 208604

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

ביולוגיה היא המדע החוקר את החיים. מה זה בדיוק החיים? זה אולי נשמע כמו שאלה מטופשת עם תשובה ברורה, אבל זה לא קל להגדיר את החיים. לדוגמה, ענף בביולוגיה הנקרא וירולוגיה חוקר וירוסים, המציגים חלק מהמאפיינים של ישויות חיות אך חסרים אחרים. מסתבר שלמרות שנגיפים יכולים לתקוף אורגניזמים חיים, לגרום למחלות ואף להתרבות, הם אינם עומדים בקריטריונים בהם משתמשים הביולוגים כדי להגדיר חיים.

מראשיתה המוקדמת ביותר, הביולוגיה נאבקה בארבע שאלות: מהן התכונות המשותפות שהופכות משהו ל"חי "? כיצד מתפקדים אותם יצורים חיים שונים? כאשר אנו מתמודדים עם המגוון המדהים של החיים, כיצד אנו מארגנים את סוגי האורגניזמים השונים כך שנוכל להבין אותם טוב יותר? ולבסוף - מה הביולוגים מבקשים בסופו של דבר להבין - כיצד נוצר המגוון הזה וכיצד הוא ממשיך? כאשר אורגניזמים חדשים מתגלים מדי יום, הביולוגים ממשיכים לחפש תשובות לשאלות אלו ואחרות.

מאפייני החיים

כל קבוצות האורגניזמים החיים חולקות מספר מאפיינים או פונקציות מפתח: סדר, רגישות או תגובה לגירויים, רבייה, הסתגלות, צמיחה והתפתחות, ויסות, הומאוסטזיס ועיבוד אנרגיה. כשמסתכלים יחד, שמונת המאפיינים הללו משמשים להגדרת החיים.

להזמין

אורגניזמים הם מבנים מאורגנים מאוד המורכבים מתא אחד או יותר. אפילו אורגניזמים חד-תאיים פשוטים מאוד מורכבים להפליא. בתוך כל תא, אטומים מרכיבים מולקולות. אלה בתורם מהווים רכיבי תאים או אברונים. לאורגניזמים רב-תאיים, שעשויים להיות מורכבים ממיליוני תאים בודדים, יש יתרון על פני אורגניזמים חד-תאיים בכך שניתן להתמחות בתאים שלהם לביצוע פונקציות ספציפיות, ואף להקריב אותם במצבים מסוימים לטובת האורגניזם בכללותו. כיצד תאים מיוחדים אלה מתאחדים ליצירת איברים כגון הלב, הריאה או העור באורגניזמים כמו הקרפדה המוצגת באיור \(\PageIndex{1}\) יידונו בהמשך.

בתצלום נראה קרפדה בהירה מכוסה כתמים ירוקים בהירים. — **איור\(\PageIndex{1}\):** קרפדה מייצגת מבנה מאורגן מאוד המורכב מתאים, רקמות, איברים ומערכות איברים. (אשראי: "איוונגו (RUS)" /ויקימדיה Commons)

רגישות או תגובה לגירויים

אורגניזמים מגיבים לגירויים מגוונים. לדוגמה, צמחים יכולים להתכופף לעבר מקור אור או להגיב למגע (איור\(\PageIndex{2}\)). אפילו חיידקים זעירים יכולים לנוע לכיוון כימיקלים או להתרחק מהם (תהליך הנקרא כימוטקסיס) או אור (פוטוטקסיס). תנועה לעבר גירוי נחשבת לתגובה חיובית, בעוד שהתנועה הרחק מגירוי נחשבת לתגובה שלילית.

תצלום של Mimosa pudica מראה צמח בעל עלים זעירים רבים. — **איור\(\PageIndex{2}\):** העלים של צמח רגיש זה (Mimosa pudica) יצנחו ויתקפלו מיד כשנוגעים בהם. לאחר מספר דקות הצמח חוזר למצבו הרגיל. (קרדיט: אלכס לומאס)

מושג בפעולה

צפה בסרטון זה כדי לראות כיצד הצמח הרגיש מגיב לגירוי מגע.

רפרודוקציה

אורגניזמים חד-תאיים מתרבים על ידי שכפול תחילה של ה-DNA שלהם, שהוא החומר הגנטי, ולאחר מכן מחלקים אותו באופן שווה כשהתא מתכונן להתחלק ליצירת שני תאים חדשים. אורגניזמים רב-תאיים רבים (אלה המורכבים מיותר מתא אחד) מייצרים תאי רבייה מיוחדים שיהוו פרטים חדשים. כאשר מתרחשת רבייה, DNA המכיל גנים מועבר לצאצאי האורגניזם. גנים אלה הם הסיבה לכך שהצאצאים יהיו שייכים לאותו מין ויהיו להם מאפיינים דומים להורה, כמו צבע פרווה וסוג דם.

הסתגלות

כל האורגניזמים החיים מפגינים "התאמה" לסביבתם. ביולוגים מתייחסים להתאמה זו כאל הסתגלות והיא תוצאה של אבולוציה על ידי הברירה הטבעית, הפועלת בכל שושלת של אורגניזמים מתרבים. דוגמאות להתאמות מגוונות וייחודיות, החל מארכיאה עמידה בחום שחיה במעיינות חמים רותחים ועד לאורך הלשון של עש מאכיל צוף התואם את גודל הפרח ממנו הוא ניזון. כל ההתאמות משפרות את פוטנציאל הרבייה של האדם המציג אותן, כולל יכולתו לשרוד להתרבות. ההתאמות אינן קבועות. ככל שסביבה משתנה, הברירה הטבעית גורמת למאפיינים של הפרטים באוכלוסייה לעקוב אחר שינויים אלה.

צמיחה והתפתחות

אורגניזמים גדלים ומתפתחים על פי הוראות ספציפיות המקודדות על ידי הגנים שלהם. גנים אלה מספקים הוראות שיכוונו את הצמיחה וההתפתחות התאית, ויבטיחו שצעיר המין (איור\(\PageIndex{3}\)) יגדל ויציג רבים מאותם מאפיינים כמו הוריו.

תצלום מתאר ארבעה חתלתולים: לאחד מעיל טאבי כתום ולבן, אחר שחור לגמרי, השלישי והרביעי מעיל טאבי שחור, לבן וכתום אך עם דפוסים שונים. — **איור\(\PageIndex{3}\):** למרות שאין שניים דומים, חתלתולים אלה ירשו גנים משני ההורים וחולקים רבים מאותם מאפיינים. (קרדיט: פיטר ורנה לנסר)

תקנה

אפילו האורגניזמים הקטנים ביותר מורכבים ודורשים מנגנוני ויסות מרובים לתיאום תפקודים פנימיים, כגון הובלת חומרים מזינים, תגובה לגירויים והתמודדות עם לחצים סביבתיים. לדוגמה, מערכות איברים כגון מערכת העיכול או מחזור הדם מבצעות פונקציות ספציפיות כמו נשיאת חמצן בכל הגוף, הסרת פסולת, אספקת חומרים מזינים לכל תא וקירור הגוף.

הומאוסטזיס

כדי לתפקד כראוי, תאים דורשים תנאים מתאימים כגון טמפרטורה נכונה, pH וריכוזים של כימיקלים מגוונים. עם זאת, תנאים אלה עשויים להשתנות מרגע לרגע. אורגניזמים מסוגלים לשמור על תנאים פנימיים בטווח צר כמעט ללא הרף, למרות שינויים סביבתיים, באמצעות תהליך הנקרא הומאוסטזיס או "מצב יציב" - יכולתו של אורגניזם לשמור על תנאים פנימיים קבועים. לדוגמה, אורגניזמים רבים מווסתים את טמפרטורת גופם בתהליך המכונה ויסות תרמי. לאורגניזמים החיים באקלים קר, כמו דוב הקוטב (איור\(\PageIndex{4}\)), יש מבני גוף המסייעים להם לעמוד בטמפרטורות נמוכות ולשמור על חום הגוף. באקלים חם, לאורגניזמים יש שיטות (כמו זיעה בבני אדם או התנשפות אצל כלבים) המסייעות להם להשיל עודף חום גוף.

בתמונה זו נראה דוב קוטב לבן ופרוותי. — **איור\(\PageIndex{4}\):** דובי קוטב ויונקים אחרים החיים באזורים מכוסים קרח שומרים על טמפרטורת גופם על ידי יצירת חום והפחתת איבוד החום דרך פרווה עבה ושכבת שומן צפופה מתחת לעורם. (קרדיט: "לונגהורנדב" /פליקר)

עיבוד אנרגיה

כל האורגניזמים (כגון הקונדור בקליפורניה המוצג באיור\(\PageIndex{5}\)) משתמשים במקור אנרגיה לפעילות המטבולית שלהם. חלק מהאורגניזמים לוכדים אנרגיה מהשמש וממירים אותה לאנרגיה כימית במזון; אחרים משתמשים באנרגיה כימית ממולקולות שהם קולטים.

בתמונה זו נראה קונדור קליפורניה בטיסה עם תג על כנפו. — **איור\(\PageIndex{5}\):** נדרשת אנרגיה רבה כדי שהקונדור בקליפורניה יעוף. אנרגיה כימית המופקת ממזון משמשת להנעת טיסה. קונדורים בקליפורניה הם מין בסכנת הכחדה; מדענים שאפו להציב תג כנף על כל ציפור כדי לעזור להם לזהות ולאתר כל ציפור בודדת. (קרדיט: אזור דרום מערב האוקיינוס השקט דגים וחיות בר בארה"ב)

רמות ארגון של יצורים חיים

יצורים חיים מאורגנים ומובנים מאוד, בעקבות היררכיה בקנה מידה מקטן לגדול. האטום הוא היחידה הקטנה והבסיסית ביותר של החומר. הוא מורכב מגרעין המוקף באלקטרונים. אטומים יוצרים מולקולות. מולקולה היא מבנה כימי המורכב משני אטומים לפחות המוחזקים יחד על ידי קשר כימי. מולקולות רבות בעלות חשיבות ביולוגית הן מקרומולקולות, מולקולות גדולות שנוצרות בדרך כלל על ידי שילוב יחידות קטנות יותר הנקראות מונומרים. דוגמה למקרומולקולה היא חומצה דאוקסיריבונוקלאית (DNA) (איור\(\PageIndex{6}\)), המכילה את ההוראות לתפקוד האורגניזם המכיל אותה.

מודל מולקולרי מתאר מולקולת DNA, המציגה את מבנה הסליל הכפול שלה. — **איור\(\PageIndex{6}\):** מולקולה, כמו מולקולת ה-DNA הגדולה הזו, מורכבת מאטומים. (אשראי: "Brian0918"/ויקימדיה)

מושג בפעולה

לצפייה באנימציה של מולקולת ה- DNA הזו, לחץ כאן.

חלק מהתאים מכילים אגרגטים של מקרומולקולות המוקפות בממברנות; אלה נקראים אברונים. אברונים הם מבנים קטנים הקיימים בתוך תאים ומבצעים פונקציות מיוחדות. כל היצורים החיים עשויים מתאי; התא הוא היחידה הבסיסית הקטנה ביותר של מבנה ותפקוד באורגניזמים חיים. (דרישה זו היא מדוע וירוסים אינם נחשבים חיים: הם אינם עשויים מתאי. כדי ליצור וירוסים חדשים, הם צריכים לפלוש ולחטוף תא חי; רק אז הם יכולים להשיג את החומרים שהם צריכים להתרבות.) חלק מהאורגניזמים מורכבים מתא בודד ואחרים הם רב תאיים. תאים מסווגים כפרוקריוטים או אוקריוטיים. פרוקריוטים הם אורגניזמים חד-תאיים חסרי אברונים המוקפים בממברנה ואין להם גרעינים המוקפים בממברנות גרעיניות; לעומת זאת, לתאי האיקריוטים יש אברונים וגרעינים הקשורים לממברנה.

ברוב האורגניזמים הרב-תאיים, תאים מתחברים ליצירת רקמות, שהן קבוצות של תאים דומים המבצעים את אותה פונקציה. איברים הם אוספים של רקמות המקובצות יחד על בסיס פונקציה משותפת. איברים קיימים לא רק בבעלי חיים אלא גם בצמחים. מערכת איברים היא רמה גבוהה יותר של ארגון המורכבת מאיברים הקשורים לתפקוד. לדוגמא לבעלי חוליות יש מערכות איברים רבות, כמו מערכת הדם המעבירה דם בכל הגוף ואל הריאות וממנה; הוא כולל איברים כמו הלב וכלי הדם. אורגניזמים הם ישויות חיות אינדיבידואליות. לדוגמה, כל עץ ביער הוא אורגניזם. פרוקריוטים חד תאיים ואוקריוטים חד תאיים נחשבים גם לאורגניזמים והם מכונים בדרך כלל מיקרואורגניזמים.

חיבור אמנות

תרשים זרימה מציג את ההיררכיה של אורגניזמים חיים. מהקטן לגדול ביותר, היררכיה זו כוללת: 1 אטום, עם פרוטונים, נויטרונים ואלקטרונים.2 מולקולות כמו הפוספוליפיד המוצג, המורכבות מאטומים. 3 אברונים, כמו מנגנון גולגי וגרעינים, הקיימים בתוך תאים. 4 תאים, כמו תא דם אדום. 5 רקמות, כמו רקמת עור אנושית. 6 איברים כמו הקיבה והמעי מהווים את מערכת העיכול האנושית, דוגמה למערכת איברים. וקהילות. בפארק, כל אדם הוא אורגניזם. יחד, כל האנשים מהווים אוכלוסייה. כל מיני הצמחים ובעלי החיים בפארק מהווים קהילה. 8 מערכות אקולוגיות: המערכת האקולוגית של סנטרל פארק בניו יורק כוללת אורגניזמים חיים והסביבה בה הם חיים. 9 הביוספרה: מקיפה את כל המערכות האקולוגיות על פני כדור הארץ. — **איור\(\PageIndex{7}\):** מאטום לכדור הארץ כולו, הביולוגיה בוחנת את כל היבטי החיים. (אשראי "מולקולה": שינוי עבודה על ידי ג'יין וויטני; אשראי "אברונים": שינוי עבודה על ידי לואיזה האוורד; אשראי "תאים": שינוי עבודה על ידי ברוס ווצל, הארי שייפר, המכון הלאומי לסרטן; אשראי "רקמה": שינוי עבודה על ידי "קילבאד" /ויקימדיה; אשראי "איברים": שינוי עבודה על ידי מריאנה רויז ויאריאל, ג'ואקים אלבס גספר; אשראי "איברים": שינוי עבודה על ידי מריאנה רויז ויאריאל, ג'ואקים אלבס גספר; אשראי "אורגניזמים": שינוי עבודה על ידי פיטר דאטון; אשראי "מערכת אקולוגית": שינוי של עבודה על ידי "Gigi4791"/Flickr; אשראי "ביוספרה": שינוי של עבודה על ידי נאס"א)

איזו מהמשפטים הבאים היא שקרית?

רקמות קיימות בתוך איברים הקיימים בתוך מערכות איברים.
קהילות קיימות בתוך אוכלוסיות הקיימות בתוך מערכות אקולוגיות.
אברונים קיימים בתוך תאים הקיימים בתוך רקמות.
קהילות קיימות בתוך מערכות אקולוגיות הקיימות בביוספרה.

תשובה: ב

כל הפרטים של מין החיים בתוך אזור מסוים נקראים ביחד אוכלוסייה. לדוגמה, יער עשוי לכלול עצי אורן לבנים רבים. כל עצי האורן הללו מייצגים את אוכלוסיית עצי האורן הלבנים ביער זה. אוכלוסיות שונות עשויות לחיות באותו אזור ספציפי. לדוגמא, היער עם עצי האורן כולל אוכלוסיות של צמחים פורחים וגם חרקים ואוכלוסיות מיקרוביאליות. קהילה היא קבוצת האוכלוסיות המאכלסות אזור מסוים. למשל, כל העצים, הפרחים, החרקים ואוכלוסיות אחרות ביער יוצרים את קהילת היער. היער עצמו הוא מערכת אקולוגית. מערכת אקולוגית מורכבת מכל היצורים החיים באזור מסוים יחד עם החלקים האביוטיים, או הלא חיים, של אותה סביבה כמו חנקן באדמה או מי גשמים. ברמת הארגון הגבוהה ביותר (איור \(\PageIndex{7}\)), הביוספרה היא אוסף כל המערכות האקולוגיות, והיא מייצגת את אזורי החיים על פני כדור הארץ. הוא כולל אדמה, מים וחלקים מהאטמוספירה.

המגוון של החיים

מדע הביולוגיה רחב מאוד בהיקפו מכיוון שיש מגוון עצום של חיים על פני כדור הארץ. מקור המגוון הזה הוא האבולוציה, תהליך השינוי ההדרגתי שבמהלכו מינים חדשים נובעים ממינים ישנים יותר. ביולוגים אבולוציוניים חוקרים את האבולוציה של יצורים חיים בכל דבר, החל מהעולם המיקרוסקופי ועד למערכות אקולוגיות.

במאה ה -18 הציע מדען בשם קרל לינאוס לראשונה לארגן את מיני האורגניזמים הידועים לטקסונומיה היררכית. במערכת זו, מינים הדומים ביותר זה לזה מורכבים בתוך קיבוץ המכונה סוג. יתר על כן, סוגים דומים (הרבים של הסוג) מורכבים בתוך משפחה. קיבוץ זה נמשך עד שכל האורגניזמים נאספים יחד לקבוצות ברמה הגבוהה ביותר. למערכת הטקסונומית הנוכחית יש כעת שמונה רמות בהיררכיה שלה, מהנמוך לגבוה ביותר, הן: מינים, סוג, משפחה, סדר, מעמד, פילום, ממלכה, תחום. כך מינים מקובצים בתוך סוגים, סוגים מקובצים בתוך משפחות, משפחות מקובצות לפי סדרים וכן הלאה (איור\(\PageIndex{8}\)).

תרשים מציג את שמונה רמות ההיררכיה הטקסונומית עבור הכלב, Canis lupus. — **איור\(\PageIndex{8}\):** תרשים זה מציג את רמות ההיררכיה הטקסונומית עבור כלב, מהקטגוריה הרחבה ביותר - תחום - ועד המינים הספציפיים ביותר.

הרמה הגבוהה ביותר, תחום, היא תוספת חדשה יחסית למערכת מאז שנות התשעים. מדענים מזהים כעת שלושה תחומי חיים, האוקריה, הארכיאה והחיידקים. התחום Eukarya מכיל אורגניזמים שיש להם תאים עם גרעינים. הוא כולל את ממלכות הפטריות, הצמחים, בעלי החיים וכמה ממלכות של פרוטיסטים. הארכיאה, הם אורגניזמים חד תאיים ללא גרעינים וכוללים אקסטרמופילים רבים החיים בסביבות קשות כמו מעיינות חמים. החיידקים הם עוד קבוצה שונה לגמרי של אורגניזמים חד תאיים ללא גרעינים (איור\(\PageIndex{9}\)). גם הארכאה וגם החיידקים הם פרוקריוטים, שם לא פורמלי לתאים ללא גרעינים. ההכרה בשנות התשעים ש"חיידקים "מסוימים, המכונים כיום ארכאה, היו שונים מבחינה גנטית וביוכימית מתאי חיידקים אחרים כפי שהיו מאיקריוטים, הניעה את ההמלצה לחלק את החיים לשלושה תחומים. השינוי הדרמטי הזה בידע שלנו על עץ החיים מוכיח שהסיווגים אינם קבועים וישתנו כאשר מידע חדש יהיה זמין.

בנוסף למערכת הטקסונומית ההיררכית, לינאוס היה הראשון שקרא לאורגניזמים באמצעות שני שמות ייחודיים, הנקראים כיום מערכת השמות הבינומית. לפני לינאוס, השימוש בשמות נפוצים להתייחסות לאורגניזמים גרם לבלבול מכיוון שהיו הבדלים אזוריים בשמות הנפוצים הללו. שמות בינומיים מורכבים משם הסוג (שהוא באותיות רישיות) ושם המין (כולם באותיות קטנות). שני השמות מוגדרים באותיות נטויות כאשר הם מודפסים. לכל מין ניתן בינומיום ייחודי המוכר ברחבי העולם, כך שמדען בכל מקום יוכל לדעת לאיזה אורגניזם מתייחסים. לדוגמה, הג'אי הכחול בצפון אמריקה ידוע באופן ייחודי בשם Cyanocitta cristata. המין שלנו הוא ההומו ספיינס.

תמונות מתארות: A: תאים חיידקיים. B: פורקן חם טבעי. C: חמנייה. ד: אריה. — **איור\(\PageIndex{9}\):** תמונות אלה מייצגות תחומים שונים. מיקרוגרף האלקטרונים הסורק מראה (א) תאי חיידקים שייכים לתחום בַּקטֶרִיָה, בעוד (ב) האקסטרמופילים, הנראים כולם יחד כמחצלות צבעוניות במעיין החם הזה, שייכים לתחום ארכאה. גם החמנייה (ג) וגם (ד) האריה הם חלק מהתחום Eukarya. (אשראי א: שינוי עבודות על ידי מעבדות רוקי מאונטיין, NIAID, NIH; אשראי ב: שינוי עבודות מאת סטיב יורבסון; אשראי ג: שינוי עבודות מאת מייקל אריגי; אשראי ד: שינוי עבודות מאת פרנק ואסן)

אבולוציה בפעולה: קרל ווס והעץ הפילוגנטי

ניתן לסכם את היחסים האבולוציוניים של צורות חיים שונות על פני כדור הארץ בעץ פילוגנטי. עץ פילוגנטי הוא תרשים המציג את היחסים האבולוציוניים בין מינים ביולוגיים המבוססים על קווי דמיון והבדלים בתכונות גנטיות או פיזיות או שניהם. עץ פילוגנטי מורכב מנקודות ענף, או צמתים וענפים. הצמתים הפנימיים מייצגים אבות ומהווים נקודות באבולוציה כאשר, על סמך עדויות מדעיות, סבורים כי אב קדמון התפצל ויצר שני מינים חדשים. אורכו של כל ענף יכול להיחשב כאומדנים של זמן יחסי.

בעבר, ביולוגים קיבצו אורגניזמים חיים לחמש ממלכות: בעלי חיים, צמחים, פטריות, פרוטיסטים וחיידקים. עבודתו החלוצית של המיקרוביולוג האמריקאי קרל ווס בתחילת שנות השבעים הראתה, עם זאת, שהחיים על פני כדור הארץ התפתחו לאורך שלוש שושלות, הנקראות כיום תחומים - חיידקים, ארכאה ואוקריה. ווס הציע את התחום כרמה טקסונומית חדשה ואת ארכאה כתחום חדש, כדי לשקף את העץ הפילוגנטי החדש (איור). \(\PageIndex{10}\) אורגניזמים רבים השייכים לתחום Archaea חיים בתנאים קיצוניים ונקראים אקסטרמופילים. כדי לבנות את העץ שלו, ווס השתמש ביחסים גנטיים ולא בדמיון המבוסס על מורפולוגיה (צורה). גנים שונים שימשו במחקרים פילוגנטיים. העץ של ווס נבנה מרצף השוואתי של הגנים המופצים באופן אוניברסלי, המצויים בצורה מעט שונה בכל אורגניזם, שמורים (כלומר הגנים הללו נותרו רק מעט משתנים לאורך האבולוציה), ובאורך מתאים.

עץ פילוגנטי זה מראה כי שלושת תחומי החיים, חיידקים, ארכאה ואוקריה, כולם נבעו מאב קדמון משותף. — **איור\(\PageIndex{10}\):** עץ פילוגנטי זה נבנה על ידי המיקרוביולוג קרל ווס תוך שימוש בקשרים גנטיים. העץ מראה את ההפרדה של אורגניזמים חיים לשלושה תחומים: חיידקים, ארכאה ואוקריה. חיידקים וארכיאה הם אורגניזמים ללא גרעין או אברונים אחרים המוקפים בקרום ולכן הם פרוקריוטים. (אשראי: שינוי העבודה על ידי אריק גאבא)

ענפי מחקר ביולוגי

היקף הביולוגיה רחב ולכן מכיל ענפים ותתי דיסציפלינות רבות. ביולוגים עשויים לעסוק באחת מאותן תת-דיסציפלינות ולעבוד בתחום ממוקד יותר. לדוגמה, ביולוגיה מולקולרית חוקרת תהליכים ביולוגיים ברמה המולקולרית, כולל אינטראקציות בין מולקולות כגון DNA, RNA וחלבונים, כמו גם את האופן שבו הם מוסדרים. מיקרוביולוגיה היא חקר המבנה והתפקוד של מיקרואורגניזמים. זהו ענף רחב למדי בעצמו, ובהתאם לנושא המחקר, ישנם גם פיזיולוגים מיקרוביאליים, אקולוגים וגנטיקאים, בין היתר.

תחום נוסף של מחקר ביולוגי, נוירוביולוגיה, חוקר את הביולוגיה של מערכת העצבים, ולמרות שהוא נחשב לענף של ביולוגיה, הוא מוכר גם כתחום מחקר בינתחומי המכונה מדעי המוח. בגלל אופיו הבינתחומי, תת תחום זה חוקר תפקודים שונים של מערכת העצבים תוך שימוש בגישות מולקולריות, תאיות, התפתחותיות, רפואיות וחישוביות.

תמונה מתארת מדענים חופרים מאובנים מתוך העפר. — **איור\(\PageIndex{11}\):** חוקרים עובדים על חפירת מאובני דינוזאורים באתר בקסטלון, ספרד. (קרדיט: מריו מודסטו)

פליאונטולוגיה, ענף נוסף בביולוגיה, משתמשת במאובנים כדי לחקור את ההיסטוריה של החיים (איור\(\PageIndex{11}\)). זואולוגיה ובוטניקה הם חקר בעלי חיים וצמחים, בהתאמה. ביולוגים יכולים להתמחות גם כביוטכנולוגים, אקולוגים או פיזיולוגים, אם להזכיר רק כמה תחומים. ביוטכנולוגים מיישמים את הידע בביולוגיה כדי ליצור מוצרים שימושיים. אקולוגים חוקרים את האינטראקציות של אורגניזמים בסביבתם. פיזיולוגים חוקרים את פעולתם של תאים, רקמות ואיברים. זהו רק מדגם קטן מהתחומים הרבים שביולוגים יכולים לעסוק בהם. מגופנו שלנו לעולם בו אנו חיים, תגליות בביולוגיה יכולות להשפיע עלינו בדרכים ישירות וחשובות מאוד. אנו תלויים בתגליות אלה לבריאותנו, למקורות המזון שלנו וליתרונות שמספקת המערכת האקולוגית שלנו. בגלל זה, ידע בביולוגיה יכול להועיל לנו בקבלת החלטות בחיי היום יום שלנו.

התפתחות הטכנולוגיה במאה העשרים שנמשכת כיום, במיוחד הטכנולוגיה לתיאור ותמרון החומר הגנטי, ה- DNA, שינתה את הביולוגיה. טרנספורמציה זו תאפשר לביולוגים להמשיך ולהבין את ההיסטוריה של החיים בפירוט רב יותר, כיצד פועל גוף האדם, מוצאנו האנושי וכיצד בני אדם יכולים לשרוד כמין על הפלנטה הזו למרות הלחצים הנגרמים על ידי מספרם ההולך וגדל. ביולוגים ממשיכים לפענח תעלומות ענק על החיים המצביעות על כך שהתחלנו להבין רק את החיים על פני כדור הארץ, את ההיסטוריה שלהם ואת הקשר שלנו אליהם. מסיבה זו ומסיבות אחרות, הידע בביולוגיה שנצבר באמצעות ספר לימוד זה ומדיה מודפסת ואלקטרונית אחרת אמור להוות יתרון בכל תחום שתכנסו אליו.

קריירה בפעולה: מדען משפטי

מדע משפטי הוא יישום המדע כדי לענות על שאלות הקשורות לחוק. ביולוגים כמו גם כימאים וביוכימאים יכולים להיות מדענים משפטיים. מדענים משפטיים מספקים ראיות מדעיות לשימוש בבתי משפט, ותפקידם כולל בחינת חומר עקבות הקשור לפשעים. העניין במדע הפלילי גבר בשנים האחרונות, אולי בגלל תוכניות טלוויזיה פופולריות שמציגות מדענים משפטיים בעבודה. כמו כן, פיתוח טכניקות מולקולריות והקמת מאגרי DNA עדכנו את סוגי העבודות שמדענים משפטיים יכולים לבצע. פעילויות העבודה שלהם קשורות בעיקר לפשעים נגד אנשים כמו רצח, אונס ותקיפה. עבודתם כוללת ניתוח דגימות כגון שיער, דם ונוזלי גוף אחרים וגם עיבוד DNA (איור\(\PageIndex{12}\)) שנמצא בסביבות וחומרים רבים ושונים. מדענים משפטיים מנתחים גם עדויות ביולוגיות אחרות שנותרו בזירות פשע, כגון חלקי חרקים או גרגרי אבקה. סטודנטים שרוצים להמשיך בקריירה במדעי הזיהוי הפלילי יידרשו ככל הנראה לקחת קורסי כימיה וביולוגיה וכן כמה קורסי מתמטיקה אינטנסיביים.

תמונה מתארת מדען עובד במעבדה. — **איור\(\PageIndex{12}\):** מדען משפטי זה עובד בחדר מיצוי DNA במעבדה לחקירות פליליות של צבא ארה"ב. (אשראי: פיקוד CID של צבא ארה"ב לענייני ציבור)

סיכום

ביולוגיה היא מדע החיים. כל האורגניזמים החיים חולקים מספר תכונות מפתח כגון סדר, רגישות או תגובה לגירויים, רבייה, הסתגלות, צמיחה והתפתחות, ויסות, הומאוסטזיס ועיבוד אנרגיה. יצורים חיים מאורגנים מאוד בעקבות היררכיה הכוללת אטומים, מולקולות, אברונים, תאים, רקמות, איברים ומערכות איברים. אורגניזמים, בתורם, מקובצים כאוכלוסיות, קהילות, מערכות אקולוגיות והביוספרה. האבולוציה היא המקור למגוון הביולוגי העצום על פני כדור הארץ כיום. ניתן להשתמש בתרשים הנקרא עץ פילוגנטי כדי להראות קשרים אבולוציוניים בין אורגניזמים. הביולוגיה רחבה מאוד וכוללת ענפים ותתי דיסציפלינות רבות. דוגמאות לכך כוללות ביולוגיה מולקולרית, מיקרוביולוגיה, נוירוביולוגיה, זואולוגיה ובוטניקה, בין היתר.

רשימת מילים

אטום: יחידה בסיסית של חומר שלא ניתן לפרק על ידי תגובות כימיות רגילות

ביולוגיה: חקר אורגניזמים חיים והאינטראקציות שלהם זה עם זה וסביבתם

ביוספרה: אוסף של כל המערכות האקולוגיות על פני כדור הארץ

תא: היחידה הבסיסית הקטנה ביותר של מבנה ותפקוד ביצורים חיים

ציבור: קבוצה של אוכלוסיות המאכלסות אזור מסוים

מערכת אקולוגית: כל היצורים החיים באזור מסוים יחד עם החלקים האביוטיים והלא חיים של אותה סביבה

אוקריוט: אורגניזם עם תאים שיש להם גרעינים ואברונים הקשורים לממברנה

האבולוציה: תהליך השינוי ההדרגתי באוכלוסייה שיכול להוביל גם למינים חדשים הנובעים ממינים מבוגרים

הומאוסטזיס: היכולת של אורגניזם לשמור על תנאים פנימיים קבועים

מקרומולקולה: מולקולה גדולה שנוצרת בדרך כלל על ידי חיבור של מולקולות קטנות יותר

מולקולה: מבנה כימי המורכב משני אטומים לפחות המוחזקים יחד על ידי קשר כימי

איבר: מבנה שנוצר מרקמות הפועלות יחד לביצוע תפקיד משותף

מערכת איברים: רמת הארגון הגבוהה יותר המורכבת מאיברים הקשורים לתפקוד

אברון: תא או שק קשור לממברנה בתוך תא

אורגניזם: ישות חיה אינדיבידואלית

עץ פילוגנטי: תרשים המציג את הקשרים האבולוציוניים בין מינים ביולוגיים המבוססים על קווי דמיון והבדלים בתכונות גנטיות או פיזיות או שניהם

תושבים: כל הפרטים בתוך מין החיים באזור מסוים

פרוקריוט: אורגניזם חד תאי חסר גרעין או כל אברון אחר הקשור לממברנה

רקמה: קבוצה של תאים דומים המבצעים את אותה פונקציה

תורמים וייחוסים

Template:ContribOpenStaxConcepts