1.1: موضوعات ومفاهيم علم الأحياء

Last updated
Save as PDF

Page ID: 191315

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

علم الأحياء هو العلم الذي يدرس الحياة. ما هي الحياة بالضبط؟ قد يبدو هذا وكأنه سؤال سخيف بإجابة واضحة، ولكن ليس من السهل تحديد الحياة. على سبيل المثال، يدرس فرع من فروع علم الأحياء يسمى علم الفيروسات الفيروسات الفيروسات، التي تظهر بعض خصائص الكيانات الحية ولكنها تفتقر إلى غيرها. اتضح أنه على الرغم من أن الفيروسات يمكن أن تهاجم الكائنات الحية وتسبب الأمراض وحتى تتكاثر، إلا أنها لا تستوفي المعايير التي يستخدمها علماء الأحياء لتحديد الحياة.

واجهت البيولوجيا منذ بداياتها الأولى أربعة أسئلة: ما هي الخصائص المشتركة التي تجعل شيئًا ما «حيًا»؟ كيف تعمل هذه الكائنات الحية المختلفة؟ عندما نواجه التنوع الملحوظ للحياة، كيف ننظم الأنواع المختلفة من الكائنات الحية حتى نتمكن من فهمها بشكل أفضل؟ وأخيرًا - ما الذي يسعى علماء الأحياء إلى فهمه في النهاية - كيف نشأ هذا التنوع وكيف يستمر؟ مع اكتشاف كائنات حية جديدة كل يوم، يواصل علماء الأحياء البحث عن إجابات لهذه الأسئلة وغيرها.

خصائص الحياة

تشترك جميع مجموعات الكائنات الحية في العديد من الخصائص أو الوظائف الرئيسية: الترتيب أو الحساسية أو الاستجابة للمنبهات والتكاثر والتكيف والنمو والتطور والتنظيم والتوازن ومعالجة الطاقة. عند النظر إليها معًا، تعمل هذه الخصائص الثمانية على تعريف الحياة.

أمر

الكائنات الحية هي هياكل منظمة للغاية تتكون من خلية واحدة أو أكثر. حتى الكائنات الحية أحادية الخلية البسيطة جدًا معقدة بشكل ملحوظ. داخل كل خلية، تشكل الذرات جزيئات. وهذه بدورها تشكل مكونات الخلية أو العضيات. تتمتع الكائنات متعددة الخلايا، التي قد تتكون من ملايين الخلايا الفردية، بميزة على الكائنات أحادية الخلية حيث يمكن تخصيص خلاياها لأداء وظائف محددة، وحتى التضحية بها في مواقف معينة من أجل مصلحة الكائن الحي ككل. ستتم مناقشة كيفية تجمع هذه الخلايا المتخصصة معًا لتشكيل أعضاء مثل القلب أو الرئة أو الجلد في كائنات حية مثل الضفدع الموضح في الشكل\(\PageIndex{1}\) لاحقًا.

تُظهر الصورة ضفدعًا فاتحًا مغطى ببقع خضراء زاهية. — **الشكل\(\PageIndex{1}\):** يمثل الضفدع بنية منظمة للغاية تتكون من الخلايا والأنسجة والأعضاء وأنظمة الأعضاء. (مصدر الصورة: «Ivengo (RUS)» /ويكيميديا كومنز)

الحساسية أو الاستجابة للمنبهات

تستجيب الكائنات الحية للمحفزات المتنوعة. على سبيل المثال، يمكن للنباتات أن تنحني نحو مصدر الضوء أو تستجيب للمس (الشكل\(\PageIndex{2}\)). حتى البكتيريا الصغيرة يمكنها التحرك نحو المواد الكيميائية أو بعيدًا عنها (عملية تسمى الكيموتوكسيس) أو الضوء (الفوتوكسيس). يعتبر التحرك نحو التحفيز استجابة إيجابية، بينما يعتبر الابتعاد عن التحفيز استجابة سلبية.

تُظهر صورة لبردة الميموزا نباتًا يحتوي على العديد من الأوراق الصغيرة. — **الشكل\(\PageIndex{2}\):** سوف تتدلى أوراق هذا النبات الحساس (Mimosa pudica) على الفور وتطوي عند لمسها. بعد بضع دقائق، يعود النبات إلى حالته الطبيعية. (تصوير: أليكس لوماس)

مفهوم في العمل

شاهد هذا الفيديو لترى كيف يستجيب النبات الحساس لمحفز اللمس.

الاستنساخ

تتكاثر الكائنات أحادية الخلية عن طريق تكرار الحمض النووي أولاً، وهو المادة الوراثية، ثم تقسيمها بالتساوي مع استعداد الخلية للانقسام لتشكيل خليتين جديدتين. تنتج العديد من الكائنات متعددة الخلايا (تلك المكونة من أكثر من خلية واحدة) خلايا تناسلية متخصصة ستشكل أفرادًا جدد. عندما يحدث التكاثر، تنتقل الجينات المحتوية على الحمض النووي إلى نسل الكائن الحي. هذه الجينات هي السبب في أن النسل سينتمي إلى نفس النوع وسيكون له خصائص مشابهة للوالد، مثل لون الفراء ونوع الدم.

التكيّف

تُظهر جميع الكائنات الحية «ملاءمة» لبيئتها. يشير علماء الأحياء إلى هذا التوافق على أنه التكيف وهو نتيجة للتطور عن طريق الانتقاء الطبيعي، والذي يعمل في كل سلالة من الكائنات الحية المتكاثرة. أمثلة التعديلات متنوعة وفريدة من نوعها، من الأركيا المقاومة للحرارة التي تعيش في الينابيع الساخنة المغلية إلى طول لسان العثة التي تتغذى بالرحيق والتي تتناسب مع حجم الزهرة التي تتغذى منها. تعمل جميع التكيفات على تعزيز الإمكانات الإنجابية للفرد الذي يعرضها، بما في ذلك قدرته على البقاء على قيد الحياة للتكاثر. التكيفات ليست ثابتة. مع تغير البيئة، يؤدي الانتقاء الطبيعي إلى قيام خصائص الأفراد في السكان بتتبع هذه التغييرات.

النمو والتطور

تنمو الكائنات الحية وتتطور وفقًا لتعليمات محددة مشفرة بواسطة جيناتها. توفر هذه الجينات تعليمات من شأنها توجيه النمو الخلوي والتطور، مما يضمن نمو صغار الأنواع (الشكل\(\PageIndex{3}\)) لإظهار العديد من الخصائص نفسها التي يتمتع بها آباؤها.

صورة فوتوغرافية تصور أربع قطط: واحدة لها معطف برتقالي وأبيض، وأخرى سوداء بالكامل، والثالثة والرابعة تحتوي على معطف أسود وأبيض وبرتقالي ولكن بنقوش مختلفة. — **الشكل\(\PageIndex{3}\):** على الرغم من عدم وجود اثنين متشابهين، فقد ورثت هذه القطط جينات من كلا الوالدين وتشترك في العديد من الخصائص نفسها. (تصوير: بيتر ورينيه لانسر)

اللائحة

حتى أصغر الكائنات الحية معقدة وتتطلب آليات تنظيمية متعددة لتنسيق الوظائف الداخلية، مثل نقل العناصر الغذائية، والاستجابة للمنبهات، والتعامل مع الضغوط البيئية. على سبيل المثال، تؤدي أجهزة الأعضاء مثل الجهاز الهضمي أو الدورة الدموية وظائف محددة مثل حمل الأكسجين في جميع أنحاء الجسم، وإزالة النفايات، وإيصال العناصر الغذائية إلى كل خلية، وتبريد الجسم.

التوازن

لكي تعمل الخلايا بشكل صحيح، تتطلب ظروفًا مناسبة مثل درجة الحرارة المناسبة ودرجة الحموضة وتركيزات المواد الكيميائية المتنوعة. ومع ذلك، قد تتغير هذه الشروط من لحظة إلى أخرى. تستطيع الكائنات الحية الحفاظ على الظروف الداخلية ضمن نطاق ضيق باستمرار تقريبًا، على الرغم من التغيرات البيئية، من خلال عملية تسمى التوازن أو «الحالة المستقرة» - قدرة الكائن الحي على الحفاظ على ظروف داخلية ثابتة. على سبيل المثال، تنظم العديد من الكائنات الحية درجة حرارة جسمها في عملية تعرف باسم التنظيم الحراري. تحتوي الكائنات الحية التي تعيش في المناخات الباردة، مثل الدب القطبي (الشكل\(\PageIndex{4}\))، على هياكل الجسم التي تساعدها على تحمل درجات الحرارة المنخفضة والحفاظ على حرارة الجسم. في المناخات الحارة، تمتلك الكائنات الحية طرقًا (مثل التعرق عند البشر أو اللهاث في الكلاب) تساعدها على التخلص من حرارة الجسم الزائدة.

تُظهر هذه الصورة دبًا قطبيًا أبيض مكسو بالفراء. — **الشكل\(\PageIndex{4}\):** تحافظ الدببة القطبية والثدييات الأخرى التي تعيش في المناطق المغطاة بالجليد على درجة حرارة أجسامها عن طريق توليد الحرارة وتقليل فقدان الحرارة من خلال الفراء السميك وطبقة كثيفة من الدهون تحت جلدها. (مصدر الصورة: «لونغهورنديف» /فليكر)

معالجة الطاقة

تستخدم جميع الكائنات الحية (مثل كوندور كاليفورنيا الموضح في الشكل\(\PageIndex{5}\)) مصدرًا للطاقة في أنشطتها الأيضية. تلتقط بعض الكائنات الحية الطاقة من الشمس وتحولها إلى طاقة كيميائية في الغذاء؛ بينما يستخدم البعض الآخر الطاقة الكيميائية من الجزيئات التي تستوعبها.

تُظهر هذه الصورة كوندور كاليفورنيا أثناء الطيران مع علامة على جناحها. — **الشكل\(\PageIndex{5}\):** هناك حاجة إلى الكثير من الطاقة لكي يطير كوندور كاليفورنيا. يتم استخدام الطاقة الكيميائية المشتقة من الطعام لتشغيل الطيران. تعد الكندور في كاليفورنيا من الأنواع المهددة بالانقراض؛ فقد سعى العلماء جاهدين لوضع علامة على الجناح على كل طائر لمساعدتهم على تحديد موقع كل طائر على حدة. (مصدر: الأسماك والحياة البرية في الولايات المتحدة في منطقة جنوب غرب المحيط الهادئ)

مستويات تنظيم الكائنات الحية

الكائنات الحية منظمة للغاية ومنظمة، وتتبع التسلسل الهرمي على مقياس من صغير إلى كبير. الذرة هي أصغر وحدة أساسية للمادة. وتتكون من نواة محاطة بالإلكترونات. تشكل الذرات جزيئات. الجزيء عبارة عن بنية كيميائية تتكون من ذرتين على الأقل تربطهما رابطة كيميائية. العديد من الجزيئات المهمة بيولوجيًا هي جزيئات كبيرة، وهي جزيئات كبيرة تتشكل عادةً من خلال الجمع بين وحدات أصغر تسمى المونومرات. ومن الأمثلة على الجزيء الكبير حمض الديوكسي ريبونوكلييك (DNA\(\PageIndex{6}\)) (الشكل)، الذي يحتوي على تعليمات عمل الكائن الحي الذي يحتوي عليه.

نموذج جزيئي يصور جزيء الحمض النووي، ويظهر هيكله الحلزوني المزدوج. — **الشكل\(\PageIndex{6}\):** يتكون الجزيء، مثل جزيء الحمض النووي الكبير هذا، من ذرات. (مصدر الصورة: «Brian0918" /ويكيميديا كومنز)

مفهوم في العمل

لمشاهدة الرسوم المتحركة لجزيء الحمض النووي هذا، انقر هنا.

تحتوي بعض الخلايا على مجاميع من الجزيئات الكبيرة المحاطة بالأغشية؛ وتسمى هذه الجزيئات العضيات. العضيات عبارة عن هياكل صغيرة موجودة داخل الخلايا وتؤدي وظائف متخصصة. جميع الكائنات الحية مصنوعة من الخلايا؛ الخلية نفسها هي أصغر وحدة أساسية للهيكل والوظيفة في الكائنات الحية. (هذا الشرط هو سبب عدم اعتبار الفيروسات حية: فهي ليست مصنوعة من الخلايا. لصنع فيروسات جديدة، يتعين عليهم غزو خلية حية واختطافها؛ عندها فقط يمكنهم الحصول على المواد التي يحتاجونها للتكاثر.) تتكون بعض الكائنات الحية من خلية واحدة والبعض الآخر متعدد الخلايا. يتم تصنيف الخلايا على أنها بدائية النواة أو حقيقية النواة. بدائيات النواة هي كائنات أحادية الخلية تفتقر إلى العضيات المحاطة بغشاء ولا تحتوي على نوى محاطة بالأغشية النووية؛ في المقابل، تحتوي خلايا حقيقيات النوى على عضيات ونواة مرتبطة بالغشاء.

في معظم الكائنات متعددة الخلايا، تتحد الخلايا لتكوين الأنسجة، وهي مجموعات من الخلايا المتشابهة التي تؤدي نفس الوظيفة. الأعضاء عبارة عن مجموعات من الأنسجة مجمعة معًا بناءً على وظيفة مشتركة. الأعضاء موجودة ليس فقط في الحيوانات ولكن أيضًا في النباتات. نظام الأعضاء هو مستوى أعلى من التنظيم يتكون من أعضاء مرتبطة وظيفيًا. على سبيل المثال، تحتوي حيوانات الفقاريات على العديد من أجهزة الأعضاء، مثل الجهاز الدوري الذي ينقل الدم في جميع أنحاء الجسم ومن وإلى الرئتين؛ ويشمل أعضاء مثل القلب والأوعية الدموية. الكائنات الحية هي كيانات حية فردية. على سبيل المثال، كل شجرة في الغابة هي كائن حي. تعتبر بدائيات النواة أحادية الخلية وحقيقيات النوى أحادية الخلية أيضًا كائنات حية ويشار إليها عادةً باسم الكائنات الحية الدقيقة.

آرت كونيكشن

يوضح مخطط التدفق التسلسل الهرمي للكائنات الحية. من الأصغر إلى الأكبر، يشمل هذا التسلسل الهرمي ما يلي: 1 ذرة بالبروتونات والنيوترونات والإلكترونات. 2 جزيئات مثل الفوسفوليبيد الموضح، تتكون من ذرات. 3 عضيات، مثل جهاز جولجي والنواة، الموجودة داخل الخلايا. 4 الخلايا، مثل خلية الدم الحمراء. 5 الأنسجة، مثل أنسجة الجلد البشري. 6 تشكل أعضاء مثل المعدة والأمعاء الجهاز الهضمي البشري، وهو مثال على نظام الأعضاء. 7 الكائنات الحية والسكان والمجتمعات. في الحديقة، كل شخص هو كائن حي. معا، كل الناس يشكلون السكان. جميع الأنواع النباتية والحيوانية في الحديقة تشكل مجتمعًا. 8 النظم البيئية: يشمل النظام البيئي لسنترال بارك في نيويورك الكائنات الحية والبيئة التي تعيش فيها. 9 المحيط الحيوي: يشمل جميع النظم البيئية على الأرض. — **الشكل\(\PageIndex{7}\):** من الذرة إلى الأرض بأكملها، تدرس البيولوجيا جميع جوانب الحياة. (تقدير «الجزيء»: تعديل عمل لجين ويتني؛ تقدير «عضيات»: تعديل عمل لويزا هوارد؛ «خلايا» الائتمان: تعديل عمل بروس ويتزل، هاري شايفر، المعهد الوطني للسرطان؛ «النسيج» الائتماني: تعديل العمل بواسطة «كيلباد» /ويكيميديا كومنز؛ «الأعضاء» الائتمانية: التعديل من عمل ماريانا رويز فيلاريال، جواكيم ألفيس غاسبار؛ الاعتماد على «الكائنات الحية»: تعديل عمل بيتر دوتون؛ «النظام البيئي» الائتماني: تعديل العمل بواسطة «Gigi4791" /Flickr؛ الائتمان: «المحيط الحيوي»: تعديل العمل من قبل وكالة ناسا)

أي من العبارات التالية خاطئة؟

توجد الأنسجة داخل الأعضاء الموجودة داخل أجهزة الأعضاء.
توجد المجتمعات داخل المجموعات السكانية الموجودة داخل النظم البيئية.
توجد العضيات داخل الخلايا الموجودة داخل الأنسجة.
توجد المجتمعات داخل النظم البيئية الموجودة في المحيط الحيوي.

إجابة: ب

يُطلق على جميع أفراد الأنواع التي تعيش في منطقة معينة بشكل جماعي اسم السكان. على سبيل المثال، قد تشمل الغابة العديد من أشجار الصنوبر البيضاء. تمثل جميع أشجار الصنوبر هذه سكان أشجار الصنوبر البيضاء في هذه الغابة. قد تعيش مجموعات سكانية مختلفة في نفس المنطقة المحددة. على سبيل المثال، تشمل الغابة مع أشجار الصنوبر مجموعات من النباتات المزهرة وكذلك الحشرات والمجموعات الميكروبية. المجتمع هو مجموعة السكان الذين يسكنون منطقة معينة. على سبيل المثال، تشكل جميع الأشجار والزهور والحشرات والمجموعات السكانية الأخرى في الغابة مجتمع الغابة. الغابة نفسها هي نظام بيئي. يتكون النظام البيئي من جميع الكائنات الحية في منطقة معينة جنبًا إلى جنب مع الأجزاء غير الحيوية أو غير الحية من تلك البيئة مثل النيتروجين في التربة أو مياه الأمطار. على أعلى مستوى من التنظيم (الشكل\(\PageIndex{7}\))، فإن المحيط الحيوي هو مجموعة من جميع النظم البيئية، ويمثل مناطق الحياة على الأرض. وهي تشمل الأرض والمياه وأجزاء من الغلاف الجوي.

تنوع الحياة

علم الأحياء واسع جدًا في نطاقه نظرًا لوجود تنوع هائل في الحياة على الأرض. مصدر هذا التنوع هو التطور، عملية التغيير التدريجي التي تنشأ خلالها أنواع جديدة من الأنواع القديمة. يدرس علماء الأحياء التطورية تطور الكائنات الحية في كل شيء من العالم المجهري إلى النظم البيئية.

في القرن الثامن عشر، اقترح عالم يدعى كارل لينيوس لأول مرة تنظيم الأنواع المعروفة من الكائنات الحية في تصنيف هرمي. في هذا النظام، يتم تجميع الأنواع الأكثر تشابهًا مع بعضها البعض ضمن مجموعة تعرف باسم الجنس. علاوة على ذلك، يتم تجميع أجناس مماثلة (صيغة الجمع بين الجنس) داخل الأسرة. يستمر هذا التجميع حتى يتم جمع جميع الكائنات الحية معًا في مجموعات على أعلى مستوى. يحتوي النظام التصنيفي الحالي الآن على ثمانية مستويات في التسلسل الهرمي، من الأدنى إلى الأعلى، وهي: الأنواع، الجنس، الأسرة، الترتيب، الطبقة، الشعبة، المملكة، المجال. وهكذا يتم تجميع الأنواع داخل الأجناس، ويتم تجميع الأجناس داخل العائلات، ويتم تجميع العائلات ضمن الترتيب، وما إلى ذلك (الشكل\(\PageIndex{8}\)).

يُظهر الرسم البياني المستويات الثمانية للتسلسل الهرمي التصنيفي للكلب، داء الذئبة. — **الشكل\(\PageIndex{8}\):** يوضح هذا الرسم البياني مستويات التسلسل الهرمي التصنيفي للكلب، من الفئة الأوسع - المجال - إلى الأنواع الأكثر تحديدًا.

يعد المستوى الأعلى، وهو المجال، إضافة جديدة نسبيًا للنظام منذ التسعينيات. يتعرف العلماء الآن على ثلاثة مجالات للحياة، وهي أوكاريا وأركيا والبكتيريا. يحتوي مجال Eukarya على كائنات حية تحتوي على خلايا ذات نواة. وهي تشمل ممالك الفطريات والنباتات والحيوانات والعديد من ممالك الطلائع. الأركيا، هي كائنات أحادية الخلية بدون نواة وتشمل العديد من الكائنات المتطرفة التي تعيش في بيئات قاسية مثل الينابيع الساخنة. البكتيريا هي مجموعة أخرى مختلفة تمامًا من الكائنات أحادية الخلية بدون نواة (الشكل\(\PageIndex{9}\)). تعتبر كل من الأركيا والبكتيريا بدائيات النواة، وهو اسم غير رسمي للخلايا الخالية من النوى. كان الاعتراف في التسعينيات بأن بعض «البكتيريا»، المعروفة الآن باسم Archaea، مختلفة وراثيًا وبيوكيميائيًا عن الخلايا البكتيرية الأخرى كما كانت من حقيقيات النوى، هو الدافع وراء التوصية بتقسيم الحياة إلى ثلاثة مجالات. يوضح هذا التغيير الدراماتيكي في معرفتنا بشجرة الحياة أن التصنيفات ليست دائمة وستتغير عندما تتوفر معلومات جديدة.

بالإضافة إلى نظام التصنيف الهرمي، كان لينيوس أول من قام بتسمية الكائنات الحية باستخدام اسمين فريدين، يُطلق عليهما الآن نظام التسمية ذات الحدين. قبل لينيوس، تسبب استخدام الأسماء الشائعة للإشارة إلى الكائنات الحية في الارتباك بسبب وجود اختلافات إقليمية في هذه الأسماء الشائعة. تتكون الأسماء ذات الحدين من اسم الجنس (المكتوب بأحرف كبيرة) واسم النوع (كلها أحرف صغيرة). يتم وضع كلا الاسمين بخط مائل عند طباعتهما. يتم إعطاء كل نوع معادلة فريدة ذات حدين يتم التعرف عليها في جميع أنحاء العالم، بحيث يمكن للعالم في أي مكان معرفة الكائن الحي الذي تتم الإشارة إليه. على سبيل المثال، يُعرف القيق الأزرق في أمريكا الشمالية بشكل فريد باسم Cyanocitta cristata. جنسنا البشري هو الإنسان العاقل.

صور تصور: A: الخلايا البكتيرية. B: فتحة تهوية طبيعية ساخنة. ج: عباد الشمس. د: أسد. — **الشكل\(\PageIndex{9}\):** تمثل هذه الصور مجالات مختلفة. يُظهر التصوير المجهري الإلكتروني للمسح (أ) أن الخلايا البكتيرية تنتمي إلى مجال البكتيريا، بينما تنتمي الكائنات الحية المتطرفة (ب)، التي يُنظر إليها جميعًا على أنها حصائر ملونة في هذا الينبوع الحار، إلى مجال Archaea. يعد كل من عباد الشمس (ج) والأسد (د) جزءًا من مجال Eukarya. (المرجع أ: تعديل عمل مختبرات روكي ماونتن، NIAID، NIH؛ الائتمان ب: تعديل العمل من قبل ستيف جورفيتسون؛ الائتمان ج: تعديل العمل لمايكل أريغي؛ الائتمان د: تعديل العمل من قبل فرانك فاسن)

التطور في العمل: كارل ويز وشجرة النشوء والتطور

يمكن تلخيص العلاقات التطورية لأشكال الحياة المختلفة على الأرض في شجرة النشوء والتطور. شجرة النشوء والتطور هي رسم تخطيطي يوضح العلاقات التطورية بين الأنواع البيولوجية بناءً على أوجه التشابه والاختلاف في السمات الجينية أو الفيزيائية أو كليهما. تتكون شجرة النشوء والتطور من نقاط فرعية أو عقد وفروع. تمثل العقد الداخلية الأسلاف وهي نقاط في التطور عندما يُعتقد، بناءً على الأدلة العلمية، أن أحد الأسلاف قد تباعد ليشكل نوعين جديدين. يمكن اعتبار طول كل فرع بمثابة تقديرات للوقت النسبي.

في الماضي، قام علماء الأحياء بتجميع الكائنات الحية في خمس ممالك: الحيوانات والنباتات والفطريات والطفيليات والبكتيريا. ومع ذلك، أظهر العمل الرائد لعالم الأحياء الدقيقة الأمريكي كارل ويز في أوائل السبعينيات أن الحياة على الأرض قد تطورت على طول ثلاث سلالات، تسمى الآن المجالات - البكتيريا وأركيا وأوكاريا. اقترح Woese المجال كمستوى تصنيفي جديد وأركيا كمجال جديد، ليعكس شجرة النشوء والتطور الجديدة (الشكل\(\PageIndex{10}\)). تعيش العديد من الكائنات الحية التي تنتمي إلى مجال Archaea في ظل ظروف قاسية ويطلق عليها اسم Extremophiles. لبناء شجرته، استخدم Woese العلاقات الجينية بدلاً من أوجه التشابه القائمة على التشكل (الشكل). تم استخدام جينات مختلفة في دراسات علم الوراثة. تم بناء شجرة Woese من التسلسل المقارن للجينات الموزعة عالميًا، والموجودة في بعض الأشكال المعدلة قليلاً في كل كائن حي، والمحفوظة (مما يعني أن هذه الجينات لم تتغير إلا بشكل طفيف طوال التطور)، وبطول مناسب.

تُظهر شجرة النشوء والتطور هذه أن مجالات الحياة الثلاثة، البكتيريا والأركيا وحويكاريا، نشأت جميعها من سلف مشترك. — **الشكل\(\PageIndex{10}\):** تم إنشاء شجرة النشوء والتطور هذه بواسطة عالم الأحياء الدقيقة كارل ويز باستخدام العلاقات الجينية. تُظهر الشجرة فصل الكائنات الحية إلى ثلاثة مجالات: البكتيريا والأرشيا واليوكاريا. البكتيريا والأركيا هي كائنات حية بدون نواة أو عضيات أخرى محاطة بغشاء، وبالتالي فهي بدائيات النواة. (الائتمان: تعديل العمل من قبل إريك غابا)

فروع الدراسة البيولوجية

نطاق علم الأحياء واسع وبالتالي يحتوي على العديد من الفروع والتخصصات الفرعية. قد يتابع علماء الأحياء أحد تلك التخصصات الفرعية ويعملون في مجال أكثر تركيزًا. على سبيل المثال، تدرس البيولوجيا الجزيئية العمليات البيولوجية على المستوى الجزيئي، بما في ذلك التفاعلات بين الجزيئات مثل DNA و RNA والبروتينات، بالإضافة إلى طريقة تنظيمها. علم الأحياء الدقيقة هو دراسة بنية ووظيفة الكائنات الحية الدقيقة. إنه فرع واسع جدًا بحد ذاته، واعتمادًا على موضوع الدراسة، هناك أيضًا علماء فسيولوجيا الميكروبات وعلماء البيئة وعلماء الوراثة، من بين آخرين.

مجال آخر من الدراسة البيولوجية، علم الأعصاب، يدرس بيولوجيا الجهاز العصبي، وعلى الرغم من أنه يعتبر فرعًا من علم الأحياء، إلا أنه يُعرف أيضًا كمجال دراسة متعدد التخصصات يُعرف باسم علم الأعصاب. نظرًا لطبيعته متعددة التخصصات، يدرس هذا التخصص الفرعي وظائف مختلفة للجهاز العصبي باستخدام الأساليب الجزيئية والخلوية والتنموية والطبية والحسابية.

صورة تصور علماء يحفرون الحفريات من التراب. — **الشكل\(\PageIndex{11}\):** يعمل الباحثون على حفر أحافير الديناصورات في موقع في كاستيلون بإسبانيا. (تصوير: ماريو موديستو)

يستخدم علم الحفريات، وهو فرع آخر من علم الأحياء، الحفريات لدراسة تاريخ الحياة (الشكل\(\PageIndex{11}\)). علم الحيوان وعلم النبات هما دراسة الحيوانات والنباتات على التوالي. يمكن لعلماء الأحياء أيضًا التخصص في مجال التكنولوجيا الحيوية أو علماء البيئة أو علماء الفيزيولوجيا، على سبيل المثال لا الحصر. يطبق علماء التكنولوجيا الحيوية معرفة البيولوجيا لإنشاء منتجات مفيدة. يدرس علماء البيئة تفاعلات الكائنات الحية في بيئاتهم. يدرس علماء الفيزيولوجيا عمل الخلايا والأنسجة والأعضاء. هذه مجرد عينة صغيرة من العديد من المجالات التي يمكن لعلماء الأحياء متابعتها. من أجسادنا إلى العالم الذي نعيش فيه، يمكن للاكتشافات في علم الأحياء أن تؤثر علينا بطرق مباشرة ومهمة للغاية. نحن نعتمد على هذه الاكتشافات لصحتنا ومصادر غذائنا والفوائد التي يوفرها نظامنا البيئي. لهذا السبب، يمكن أن تفيدنا المعرفة بالبيولوجيا في اتخاذ القرارات في حياتنا اليومية.

أدى تطور التكنولوجيا في القرن العشرين الذي يستمر حتى اليوم، وخاصة تقنية وصف ومعالجة المادة الوراثية، الحمض النووي، إلى تغيير علم الأحياء. سيتيح هذا التحول لعلماء الأحياء الاستمرار في فهم تاريخ الحياة بمزيد من التفصيل، وكيفية عمل جسم الإنسان، وأصولنا البشرية، وكيف يمكن للبشر البقاء على قيد الحياة كنوع على هذا الكوكب على الرغم من الضغوط التي تسببها أعدادنا المتزايدة. يواصل علماء الأحياء فك ألغاز ضخمة عن الحياة مما يشير إلى أننا بدأنا فقط في فهم الحياة على هذا الكوكب وتاريخها وعلاقتنا بها. لهذا السبب وغيره، يجب أن تكون المعرفة بالبيولوجيا المكتسبة من خلال هذا الكتاب المدرسي والوسائط المطبوعة والإلكترونية الأخرى مفيدة في أي مجال تدخله.

وظائف في العمل: عالم الطب الشرعي

علم الطب الشرعي هو تطبيق العلم للإجابة على الأسئلة المتعلقة بالقانون. يمكن لعلماء الأحياء وكذلك الكيميائيين وعلماء الكيمياء الحيوية أن يكونوا علماء الطب الشرعي. يقدم علماء الطب الشرعي أدلة علمية لاستخدامها في المحاكم، وتشمل وظيفتهم فحص المواد النادرة المرتبطة بالجرائم. زاد الاهتمام بعلوم الطب الشرعي في السنوات القليلة الماضية، ربما بسبب البرامج التلفزيونية الشهيرة التي تضم علماء الطب الشرعي أثناء عملهم. كما أدى تطوير التقنيات الجزيئية وإنشاء قواعد بيانات الحمض النووي إلى تحديث أنواع العمل التي يمكن لعلماء الطب الشرعي القيام بها. ترتبط أنشطة عملهم في المقام الأول بالجرائم ضد الأشخاص مثل القتل والاغتصاب والاعتداء. يتضمن عملهم تحليل عينات مثل الشعر والدم وسوائل الجسم الأخرى وأيضًا معالجة الحمض النووي (الشكل\(\PageIndex{12}\)) الموجود في العديد من البيئات والمواد المختلفة. يقوم علماء الطب الشرعي أيضًا بتحليل الأدلة البيولوجية الأخرى المتبقية في مسرح الجريمة، مثل أجزاء الحشرات أو حبوب اللقاح. من المرجح أن يُطلب من الطلاب الذين يرغبون في متابعة وظائف في علم الطب الشرعي أن يأخذوا دورات الكيمياء والبيولوجيا بالإضافة إلى بعض دورات الرياضيات المكثفة.

صورة تصور عالمًا يعمل في مختبر. — **الشكل\(\PageIndex{12}\):** يعمل عالم الطب الشرعي هذا في غرفة استخراج الحمض النووي في مختبر التحقيقات الجنائية بالجيش الأمريكي. (مصدر: الشؤون العامة لقيادة إدارة البحث الجنائي بالجيش الأمريكي)

ملخص

علم الأحياء هو علم الحياة. تشترك جميع الكائنات الحية في العديد من الخصائص الرئيسية مثل الترتيب أو الحساسية أو الاستجابة للمنبهات والتكاثر والتكيف والنمو والتطور والتنظيم والتوازن ومعالجة الطاقة. يتم تنظيم الكائنات الحية بدرجة عالية وفقًا للتسلسل الهرمي الذي يشمل الذرات والجزيئات والعضيات والخلايا والأنسجة والأعضاء وأنظمة الأعضاء. يتم تجميع الكائنات الحية بدورها كمجموعات سكانية ومجتمعات وأنظمة بيئية والمحيط الحيوي. التطور هو مصدر التنوع البيولوجي الهائل على الأرض اليوم. يمكن استخدام رسم تخطيطي يسمى شجرة النشوء والتطور لإظهار العلاقات التطورية بين الكائنات الحية. علم الأحياء واسع جدًا ويشمل العديد من الفروع والتخصصات الفرعية. تشمل الأمثلة البيولوجيا الجزيئية وعلم الأحياء الدقيقة والبيولوجيا العصبية وعلم الحيوان وعلم النبات وغيرها.

مسرد المصطلحات

ذرة: وحدة أساسية من المادة لا يمكن تكسيرها بالتفاعلات الكيميائية العادية

بيولوجيا: دراسة الكائنات الحية وتفاعلاتها مع بعضها البعض وبيئاتها

المحيط الحيوي: مجموعة من جميع النظم البيئية على الأرض

خلية: أصغر وحدة أساسية للهيكل والوظيفة في الكائنات الحية

ملة: مجموعة من السكان الذين يسكنون منطقة معينة

النظام البيئي: جميع الكائنات الحية في منطقة معينة جنبًا إلى جنب مع الأجزاء غير الحيوية وغير الحية من تلك البيئة

حقيقيات النواة: كائن حي يحتوي على خلايا تحتوي على نوى وعضيات مرتبطة بالغشاء

تطور: عملية التغيير التدريجي في المجموعة التي يمكن أن تؤدي أيضًا إلى أنواع جديدة تنشأ من الأنواع القديمة

التوازن: قدرة الكائن الحي على الحفاظ على الظروف الداخلية الثابتة؛

جزيء كبير: جزيء كبير يتكون عادة من خلال ضم جزيئات أصغر

مركب: هيكل كيميائي يتكون من ذرتين على الأقل تربطهما رابطة كيميائية

أرغن: هيكل يتكون من أنسجة تعمل معًا لأداء وظيفة مشتركة

نظام الأرغن: المستوى الأعلى من التنظيم الذي يتكون من أجهزة مرتبطة وظيفيًا

عضية: حجرة أو كيس مرتبط بالغشاء داخل الخلية

كائن حي: كيان حي فردي

شجرة النشوء: رسم تخطيطي يوضح العلاقات التطورية بين الأنواع البيولوجية بناءً على أوجه التشابه والاختلاف في السمات الجينية أو الفيزيائية أو كليهما

تعداد السكان: جميع الأفراد داخل الأنواع التي تعيش داخل منطقة معينة

بدائيات النواة: كائن أحادي الخلية يفتقر إلى النواة أو أي عضية أخرى مرتبطة بالغشاء

منديل: مجموعة من الخلايا المتشابهة التي تقوم بنفس الوظيفة

المساهمون والصفات

Template:ContribOpenStaxConcepts