ثقافة نبذة عن علم الاحياء من موسوعة ويكبيديا العربية والانجليزية (1 مشاهد)

[جدو سامى 🕊️ 𓁈]

علم الأحياء هو الدراسة العلمية للحياة. [1] [2] [3] إنه علم طبيعي ذو نطاق واسع ولكن لديه العديد من الموضوعات الموحدة التي تربطه معًا كمجال واحد متماسك. [1] [2] [3] على سبيل المثال، تتكون جميع الكائنات الحية من خلايا تقوم بمعالجة المعلومات الوراثية المشفرة في الجينات ، والتي يمكن نقلها إلى الأجيال القادمة. موضوع رئيسي آخر هو التطور ، الذي يفسر وحدة الحياة وتنوعها. [1] [2] [3] تعد معالجة الطاقة مهمة أيضًا للحياة لأنها تسمح للكائنات الحية بالتحرك والنمو والتكاثر . [1] [2] [3] وأخيرًا، جميع الكائنات الحية قادرة على تنظيم بيئاتها الداخلية . [1] [2] [3] [4] [5]


علم الأحياء هو علم الحياة. يمتد على مستويات متعددة من الجزيئات الحيوية والخلايا إلى الكائنات الحية والسكان.

يستطيع علماء الأحياء دراسة الحياة على مستويات متعددة من التنظيم ، [1] بدءًا من البيولوجيا الجزيئية للخلية وحتى تشريح ووظائف أعضاء النباتات والحيوانات، وتطور السكان. [1] [6] وبالتالي، هناك تخصصات فرعية متعددة في علم الأحياء ، يتم تحديد كل منها حسب طبيعة الأسئلة البحثية الخاصة بها والأدوات التي تستخدمها. [7] [8] [9] مثل العلماء الآخرين، يستخدم علماء الأحياء المنهج العلمي لإبداء الملاحظات ، وطرح الأسئلة، وتوليد الفرضيات ، وإجراء التجارب، وتكوين استنتاجات حول العالم من حولهم. [1]

الحياة على الأرض، التي ظهرت قبل أكثر من 3.7 مليار سنة، [10] متنوعة للغاية. سعى علماء الأحياء إلى دراسة وتصنيف أشكال الحياة المختلفة، بدءًا من الكائنات بدائية النواة مثل العتائق والبكتيريا وحتى الكائنات حقيقية النواة مثل الطلائعيات والفطريات والنباتات والحيوانات. تساهم هذه الكائنات المختلفة في التنوع البيولوجي للنظام البيئي ، حيث تلعب أدوارًا متخصصة في تدوير العناصر الغذائية والطاقة من خلال بيئتها الفيزيائية الحيوية .

محتويات

تاريخ

المقال الرئيسي: تاريخ علم الأحياء

A drawing of a fly from facing up, with wing detail
رسم تخطيطي لذبابة من كتاب روبرت هوك المبتكر Micrographia ، 1665

يمكن إرجاع أقدم جذور العلوم، بما في ذلك الطب، إلى مصر القديمة وبلاد ما بين النهرين في حوالي 3000 إلى 1200 قبل الميلاد . [11] [12] شكلت مساهماتهم الفلسفة الطبيعية اليونانية القديمة . [11] [12] [13] [14] ساهم الفلاسفة اليونانيون القدماء مثل أرسطو (384-322 قبل الميلاد) على نطاق واسع في تطوير المعرفة البيولوجية. استكشف السببية البيولوجية وتنوع الحياة. بدأ خليفته ثيوفراستوس الدراسة العلمية للنباتات. [15] من بين علماء العالم الإسلامي في العصور الوسطى الذين كتبوا في علم الأحياء الجاحظ (781–869)، الدينواري (828–896)، الذي كتب في علم النبات، [16] والرازي (865–925) الذي كتب عن علم الأحياء . علم التشريح وعلم وظائف الأعضاء . تمت دراسة الطب جيدًا بشكل خاص من قبل العلماء المسلمين العاملين في تقاليد الفلاسفة اليونانيين، بينما اعتمد التاريخ الطبيعي بشكل كبير على الفكر الأرسطي.

بدأ علم الأحياء في التطور بسرعة مع التحسين الكبير الذي أجراه أنطون فان ليوينهوك للمجهر . عندها اكتشف العلماء الحيوانات المنوية والبكتيريا والنقاعيات وتنوع الحياة المجهرية. أدت التحقيقات التي أجراها جان سوامردام إلى اهتمام جديد بعلم الحشرات وساعدت في تطوير تقنيات التشريح المجهري والتلوين . [17] كان للتقدم في الفحص المجهري تأثير عميق على التفكير البيولوجي. في أوائل القرن التاسع عشر، أشار علماء الأحياء إلى الأهمية المركزية للخلية . في عام 1838، بدأ شلايدن وشوان في الترويج للأفكار العالمية التي تقول (1) الوحدة الأساسية للكائنات الحية هي الخلية و (2) أن الخلايا الفردية تمتلك جميع خصائص الحياة، على الرغم من معارضتهما لفكرة أن (3) جميع الخلايا تأتي من انقسام الخلايا الأخرى، والاستمرار في دعم التوليد التلقائي . ومع ذلك، تمكن روبرت ريماك ورودولف فيرشو من تجسيد المبدأ الثالث، وبحلول ستينيات القرن التاسع عشر قبل معظم علماء الأحياء جميع المبادئ الثلاثة التي تم دمجها في نظرية الخلية . [18] [19]

وفي الوقت نفسه، أصبح التصنيف والتصنيف محط اهتمام المؤرخين الطبيعيين. نشر كارل لينيوس تصنيفًا أساسيًا للعالم الطبيعي في عام 1735، وفي خمسينيات القرن الثامن عشر قدم أسماء علمية لجميع أنواعه. [20] تعامل جورج لويس لوكلير، كونت دي بوفون ، مع الأنواع على أنها فئات صناعية والأشكال الحية على أنها قابلة للطرق، حتى أنه اقترح إمكانية الأصل المشترك . [21]

في عام 1842، كتب تشارلز داروين أول رسم تخطيطي له عن أصل الأنواع . [22]

نشأ التفكير التطوري الجاد مع أعمال جان بابتيست لامارك ، الذي قدم نظرية متماسكة للتطور. [23] قام عالم الطبيعة البريطاني تشارلز داروين ، الذي يجمع بين النهج الجغرافي الحيوي لهومبولت ، والجيولوجيا التوحيدية لليل ، وكتابات مالتوس حول النمو السكاني، وخبرته المورفولوجية وملاحظاته الطبيعية الواسعة، بصياغة نظرية تطورية أكثر نجاحًا تعتمد على الانتقاء الطبيعي . أدى المنطق والأدلة المماثلة إلى قيام ألفريد راسل والاس بالتوصل بشكل مستقل إلى نفس الاستنتاجات. [24] [25]

بدأ أساس علم الوراثة الحديث بعمل جريجور مندل في عام 1865. [26] وقد أوضح هذا مبادئ الميراث البيولوجي. [27] ومع ذلك، فإن أهمية عمله لم تتحقق حتى أوائل القرن العشرين عندما أصبح التطور نظرية موحدة حيث التوفيق بين التطور الدارويني وعلم الوراثة الكلاسيكي . [28] في الأربعينيات وأوائل الخمسينيات من القرن العشرين، أشارت سلسلة من التجارب التي أجراها ألفريد هيرشي ومارثا تشيس إلى الحمض النووي باعتباره أحد مكونات الكروموسومات التي تحمل الوحدات الحاملة للسمات والتي أصبحت تعرف باسم الجينات . كان التركيز على أنواع جديدة من الكائنات الحية النموذجية مثل الفيروسات والبكتيريا، إلى جانب اكتشاف البنية الحلزونية المزدوجة للحمض النووي بواسطة جيمس واتسون وفرانسيس كريك في عام 1953، بمثابة علامة على الانتقال إلى عصر علم الوراثة الجزيئية . منذ خمسينيات القرن العشرين فصاعدًا، توسع علم الأحياء بشكل كبير في المجال الجزيئي . تم فك الشفرة الجينية بواسطة هار جوبيند خورانا وروبرت دبليو هولي ومارشال وارين نيرنبرج بعد أن تم فهم أن الحمض النووي يحتوي على كودونات . تم إطلاق مشروع الجينوم البشري في عام 1990 لرسم خريطة الجينوم البشري . [29]

الأساس الكيميائي

الذرات والجزيئات

مزيد من المعلومات: الكيمياء

تتكون جميع الكائنات الحية من عناصر كيميائية ؛ [30] يمثل الأكسجين والكربون والهيدروجين والنيتروجين معظم ( 96 ٪ ) كتلة جميع الكائنات الحية ، ويشكل الكالسيوم والفوسفور والكبريت والصوديوم والكلور والمغنيسيوم الباقي بشكل أساسي . يمكن أن تتحد عناصر مختلفة لتكوين مركبات مثل الماء، وهو أمر أساسي للحياة. [30] الكيمياء الحيوية هي دراسة العمليات الكيميائية داخل الكائنات الحية وفيما يتعلق بها . البيولوجيا الجزيئية هي فرع من علم الأحياء يسعى إلى فهم الأساس الجزيئي للنشاط البيولوجي داخل الخلايا وفيما بينها، بما في ذلك التركيب الجزيئي والتعديل والآليات والتفاعلات.

الماء

أنظر أيضا: صلاحية الكواكب للسكن ، المنطقة الصالحة للسكن حول النجم ، و توزيع المياه على الأرض

نموذج الروابط الهيدروجينية (1) بين جزيئات الماء

نشأت الحياة من المحيط الأول للأرض، والذي تشكل قبل حوالي 3.8 مليار سنة. [31] ومنذ ذلك الحين، لا يزال الماء هو الجزيء الأكثر وفرة في كل كائن حي. الماء مهم للحياة لأنه مذيب فعال ، قادر على إذابة المواد المذابة مثل أيونات الصوديوم والكلوريد أو الجزيئات الصغيرة الأخرى لتكوين محلول مائي . بمجرد ذوبانها في الماء، من المرجح أن تتلامس هذه المواد المذابة مع بعضها البعض، وبالتالي تشارك في التفاعلات الكيميائية التي تدعم الحياة. [31] من حيث تركيبه الجزيئي ، الماء هو جزيء قطبي صغير ذو شكل منحني يتكون من الروابط التساهمية القطبية المكونة من ذرتين هيدروجين (H) إلى ذرة أكسجين (O) واحدة (H2O ) . [31] نظرًا لأن روابط O–H قطبية، فإن ذرة الأكسجين لها شحنة سالبة طفيفة وذرتي الهيدروجين لهما شحنة موجبة طفيفة. [31] تسمح الخاصية القطبية للماء بجذب جزيئات الماء الأخرى عبر الروابط الهيدروجينية، مما يجعل الماء متماسكًا . [31] ينتج التوتر السطحي من قوة التماسك الناتجة عن التجاذب بين الجزيئات الموجودة على سطح السائل. [31] كما أن الماء مادة لاصقة لأنه قادر على الالتصاق بسطح أي جزيئات غير مائية قطبية أو مشحونة. [31] الماء أكثر كثافة في الحالة السائلة منه في الحالة الصلبة (أو الجليد). [31] هذه الخاصية الفريدة للمياه تسمح للثلج بالطفو فوق الماء السائل مثل البرك والبحيرات والمحيطات، وبالتالي عزل السائل الموجود بالأسفل عن الهواء البارد الموجود بالأعلى. [٣١] يتمتع الماء بالقدرة على امتصاص الطاقة، مما يمنحه قدرة حرارية نوعية أعلى من المذيبات الأخرى مثل الإيثانول . [31] وبالتالي، هناك حاجة إلى كمية كبيرة من الطاقة لكسر الروابط الهيدروجينية بين جزيئات الماء لتحويل الماء السائل إلى بخار ماء . [31] كجزيء، الماء ليس مستقرًا تمامًا حيث أن كل جزيء ماء يتفكك بشكل مستمر إلى أيونات هيدروجين وهيدروكسيل قبل أن يتحول إلى جزيء ماء مرة أخرى. [31] في الماء النقي ، عدد أيونات الهيدروجين يوازن (أو يساوي) عدد أيونات الهيدروكسيل، مما يؤدي إلى درجة حموضة متعادلة.

المركبات العضوية

مزيد من المعلومات: الكيمياء العضوية

المركبات العضوية مثل الجلوكوز حيوية للكائنات الحية.

المركبات العضوية هي جزيئات تحتوي على الكربون المرتبط بعنصر آخر مثل الهيدروجين. [31] باستثناء الماء، تحتوي جميع الجزيئات التي يتكون منها كل كائن حي تقريبًا على الكربون. [31] [32] يمكن للكربون أن يشكل روابط تساهمية مع ما يصل إلى أربع ذرات أخرى، مما يمكنه من تكوين جزيئات متنوعة وكبيرة ومعقدة. [31] [32] على سبيل المثال، يمكن لذرة كربون واحدة أن تشكل أربع روابط تساهمية مفردة كما في الميثان ، أو رابطتين تساهميتين مزدوجتين كما في ثاني أكسيد الكربون (CO 2 )، أو رابطة تساهمية ثلاثية كما في أول أكسيد الكربون (CO) ). علاوة على ذلك، يمكن للكربون أن يشكل سلاسل طويلة جدًا من روابط الكربون والكربون المترابطة مثل الأوكتان أو الهياكل الشبيهة بالحلقة مثل الجلوكوز .

أبسط شكل للجزيء العضوي هو الهيدروكربون ، وهو عبارة عن عائلة كبيرة من المركبات العضوية التي تتكون من ذرات هيدروجين مرتبطة بسلسلة من ذرات الكربون. يمكن استبدال العمود الفقري الهيدروكربوني بعناصر أخرى مثل الأكسجين (O)، والهيدروجين (H)، والفوسفور (P)، والكبريت (S)، والتي يمكن أن تغير السلوك الكيميائي لذلك المركب. [31] تسمى مجموعات الذرات التي تحتوي على هذه العناصر (O- وH- وP- وS-) والمرتبطة بذرة كربون مركزية أو هيكل عظمي بالمجموعات الوظيفية . [31] هناك ست مجموعات وظيفية بارزة يمكن العثور عليها في الكائنات الحية: المجموعة الأمينية ، مجموعة الكربوكسيل ، مجموعة الكربونيل ، مجموعة الهيدروكسيل ، مجموعة الفوسفات ، ومجموعة السلفهيدريل . [31]

في عام 1953، أظهرت تجربة ميلر-يوري أن المركبات العضوية يمكن تصنيعها بطريقة غير حيوية داخل نظام مغلق يحاكي ظروف الأرض المبكرة ، مما يشير إلى أن الجزيئات العضوية المعقدة يمكن أن تنشأ تلقائيًا في الأرض المبكرة (انظر التولد التلقائي ). [33] [31]

الجزيئات الكبيرة

المقال الرئيسي: جزيء كبير

الهياكل (أ) الأولية، (ب) الثانوية، (ج) الثالثية، و (د) الرباعية لبروتين الهيموجلوبين


الجزيئات الكبيرة هي جزيئات كبيرة تتكون من وحدات فرعية أو مونومرات أصغر . [34] تشمل المونومرات السكريات والأحماض الأمينية والنيوكليوتيدات. [35] تشمل الكربوهيدرات مونومرات وبوليمرات السكريات. [36] الدهون هي الفئة الوحيدة من الجزيئات الكبيرة التي لا تتكون من بوليمرات. وهي تشمل المنشطات ، والدهون الفوسفاتية ، [35] وهي مواد غير قطبية وكارهة للماء (طاردة للماء) إلى حد كبير. [37] البروتينات هي الأكثر تنوعًا بين الجزيئات الكبيرة. وهي تشمل الإنزيمات ، وبروتينات النقل ، وجزيئات الإشارة الكبيرة ، والأجسام المضادة ، والبروتينات الهيكلية . الوحدة الأساسية (أو المونومر) للبروتين هي حمض أميني . [34] يتم استخدام عشرين حمضًا أمينيًا في البروتينات. [34] الأحماض النووية هي بوليمرات من النيوكليوتيدات . [38] وتتمثل وظيفتها في تخزين المعلومات الوراثية ونقلها والتعبير عنها. [35]

الخلايا

المقال الرئيسي: الخلية (علم الأحياء)

تنص نظرية الخلية على أن الخلايا هي الوحدات الأساسية للحياة، فهي عبارة عن وحدة من البروتوبلازم مكونة من السيتوبلازم والنواة محاطة بغشاء الخلية. [39] أن جميع الكائنات الحية تتكون من خلية واحدة أو أكثر، وأن جميع الخلايا تنشأ من خلايا موجودة مسبقًا من خلال انقسام الخلايا . [40] معظم الخلايا صغيرة جدًا، بأقطار تتراوح من 1 إلى 100 ميكرومتر ، وبالتالي لا يمكن رؤيتها إلا تحت المجهر الضوئي أو الإلكتروني . [41] هناك عمومًا نوعان من الخلايا: الخلايا حقيقية النواة ، التي تحتوي على نواة ، والخلايا بدائية النواة ، التي لا تحتوي على نواة. بدائيات النوى هي كائنات وحيدة الخلية مثل البكتيريا ، في حين أن حقيقيات النوى يمكن أن تكون وحيدة الخلية أو متعددة الخلايا . في الكائنات متعددة الخلايا ، كل خلية في جسم الكائن الحي مشتقة في النهاية من خلية واحدة في بويضة مخصبة .

بنية الخلية

هيكل خلية حيوانية تصور عضيات مختلفة

كل خلية محاطة بغشاء الخلية الذي يفصل السيتوبلازم عن الفضاء خارج الخلية . [42] يتكون غشاء الخلية من طبقة دهنية ثنائية ، بما في ذلك الكوليسترول الموجود بين الدهون الفوسفاتية للحفاظ على سيولتها عند درجات حرارة مختلفة. أغشية الخلايا نصف منفذة ، مما يسمح للجزيئات الصغيرة مثل الأكسجين وثاني أكسيد الكربون والماء بالمرور بينما تقيد حركة الجزيئات الكبيرة والجسيمات المشحونة مثل الأيونات . [43] تحتوي أغشية الخلايا أيضًا على بروتينات غشائية ، بما في ذلك بروتينات الغشاء المتكاملة التي تمر عبر الغشاء وتعمل كناقلات غشائية ، والبروتينات الطرفية التي ترتبط بشكل فضفاض بالجانب الخارجي لغشاء الخلية، وتعمل كأنزيمات تشكل الخلية. [44] تشارك أغشية الخلايا في العديد من العمليات الخلوية مثل التصاق الخلايا ، وتخزين الطاقة الكهربائية ، وإشارات الخلية وتكون بمثابة السطح المتصل للعديد من الهياكل خارج الخلية مثل جدار الخلية ، والكوان السكري ، والهيكل الخلوي .

هيكل الخلية النباتية

يوجد داخل سيتوبلازم الخلية العديد من الجزيئات الحيوية مثل البروتينات والأحماض النووية . [45] بالإضافة إلى الجزيئات الحيوية، تحتوي الخلايا حقيقية النواة على هياكل متخصصة تسمى العضيات التي تحتوي على طبقات دهنية ثنائية خاصة بها أو وحدات مكانية. [46] تشمل هذه العضيات نواة الخلية، التي تحتوي على معظم الحمض النووي للخلية، أو الميتوكوندريا ، التي تولد أدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP) لتشغيل العمليات الخلوية. تلعب العضيات الأخرى مثل الشبكة الإندوبلازمية وجهاز جولجي دورًا في تخليق وتعبئة البروتينات، على التوالي. يمكن أن تبتلع الجزيئات الحيوية مثل البروتينات بواسطة الليزوزومات ، وهي عضية متخصصة أخرى. تحتوي الخلايا النباتية على عضيات إضافية تميزها عن الخلايا الحيوانية مثل جدار الخلية الذي يوفر الدعم للخلية النباتية، والبلاستيدات الخضراء التي تحصد طاقة ضوء الشمس لإنتاج السكر، والفجوات التي توفر التخزين والدعم الهيكلي بالإضافة إلى مشاركتها في التكاثر والانهيار من بذور النباتات. [46] تحتوي الخلايا حقيقية النواة أيضًا على هيكل خلوي يتكون من الأنابيب الدقيقة ، والخيوط المتوسطة ، والخيوط الدقيقة ، والتي توفر الدعم للخلية وتشارك في حركة الخلية وعضياتها. [46] من حيث تركيبها الهيكلي، تتكون الأنابيب الدقيقة من توبولين (على سبيل المثال، ألفا توبولين وبيتا توبولين بينما تتكون الخيوط الوسيطة من بروتينات ليفية. [46] تتكون الخيوط الدقيقة من جزيئات الأكتين التي تتفاعل مع خيوط أخرى من البروتينات. [46]

الاسْتِقْلاب او التمثيل الغذائي او الايض او الميتابوليزم

مزيد من المعلومات: الطاقة الحيوية

مثال على التفاعل الطارد للحرارة المحفز بالإنزيم

جميع الخلايا تتطلب الطاقة للحفاظ على العمليات الخلوية. الأيض هو مجموعة من التفاعلات الكيميائية في الكائن الحي. الأغراض الثلاثة الرئيسية لعملية التمثيل الغذائي هي: تحويل الغذاء إلى طاقة لتشغيل العمليات الخلوية؛ تحويل الغذاء/الوقود إلى وحدات بناء مونومر؛ والتخلص من النفايات الأيضية . تسمح هذه التفاعلات المحفزة بالإنزيم للكائنات الحية بالنمو والتكاثر والحفاظ على بنيتها والاستجابة لبيئاتها. يمكن تصنيف التفاعلات الأيضية على أنها تفاعلات تقويضية — تحلل المركبات (على سبيل المثال، تحلل الجلوكوز إلى البيروفات عن طريق التنفس الخلوي )؛ أو الابتنائية — بناء ( تخليق ) المركبات (مثل البروتينات والكربوهيدرات والدهون والأحماض النووية). عادة، تطلق عملية الهدم الطاقة، بينما تستهلك عملية البناء الطاقة. يتم تنظيم التفاعلات الكيميائية لعملية التمثيل الغذائي في مسارات التمثيل الغذائي ، حيث يتم تحويل مادة كيميائية واحدة من خلال سلسلة من الخطوات إلى مادة كيميائية أخرى، ويتم تسهيل كل خطوة بواسطة إنزيم معين. تعتبر الإنزيمات ضرورية لعملية التمثيل الغذائي لأنها تسمح للكائنات الحية بقيادة التفاعلات المرغوبة التي تتطلب طاقة لن تحدث من تلقاء نفسها، وذلك عن طريق ربطها بتفاعلات عفوية تطلق الطاقة. تعمل الإنزيمات كمحفزات - فهي تسمح للتفاعل بالتقدم بسرعة أكبر دون أن يستهلكه - عن طريق تقليل كمية طاقة التنشيط اللازمة لتحويل المواد المتفاعلة إلى منتجات . تسمح الإنزيمات أيضًا بتنظيم معدل التفاعل الأيضي، على سبيل المثال، الاستجابة للتغيرات في بيئة الخلية أو الإشارات الواردة من الخلايا الأخرى.

التنفس الخلوي

المقال الرئيسي: التنفس الخلوي

التنفس في خلية حقيقية النواة

التنفس الخلوي هو مجموعة من التفاعلات والعمليات الأيضية التي تحدث في الخلايا لتحويل الطاقة الكيميائية من العناصر الغذائية إلى أدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP)، ومن ثم إطلاق النفايات. [47] التفاعلات المرتبطة بالتنفس هي تفاعلات تقويضية ، والتي تكسر الجزيئات الكبيرة إلى جزيئات أصغر، مما يؤدي إلى إطلاق الطاقة. يعد التنفس إحدى الطرق الرئيسية التي تطلق بها الخلية الطاقة الكيميائية لتغذية النشاط الخلوي. يحدث التفاعل الإجمالي في سلسلة من الخطوات البيوكيميائية، وبعضها عبارة عن تفاعلات الأكسدة والاختزال . على الرغم من أن التنفس الخلوي هو تفاعل احتراق من الناحية الفنية ، فمن الواضح أنه لا يشبه التفاعل عندما يحدث في الخلية بسبب الإطلاق البطيء والمتحكم فيه للطاقة من سلسلة التفاعلات.

السكر على شكل جلوكوز هو المادة الغذائية الرئيسية التي تستخدمها الخلايا الحيوانية والنباتية في التنفس. يسمى التنفس الخلوي الذي يتضمن الأكسجين بالتنفس الهوائي، والذي يتكون من أربع مراحل: تحلل السكر ، ودورة حمض الستريك (أو دورة كريبس)، وسلسلة نقل الإلكترون ، والفسفرة التأكسدية . [48] تحلل السكر هو عملية استقلابية تحدث في السيتوبلازم حيث يتم تحويل الجلوكوز إلى اثنين من البيروفات ، مع إنتاج جزيئين صافيين من ATP في نفس الوقت. [48] يتم بعد ذلك أكسدة كل بيروفات إلى أسيتيل CoA بواسطة مركب هيدروجيناز البيروفات ، والذي يولد أيضًا NADH وثاني أكسيد الكربون. يدخل أسيتيل كوا في دورة حمض الستريك، والتي تتم داخل مصفوفة الميتوكوندريا. في نهاية الدورة، يكون الناتج الإجمالي من 1 جلوكوز (أو 2 بيروفات) هو 6 جزيئات NADH، و2 FADH 2 ، و2 ATP. أخيرًا، المرحلة التالية هي الفسفرة التأكسدية، والتي تحدث في حقيقيات النوى في أعراف الميتوكوندريا . تشتمل الفسفرة التأكسدية على سلسلة نقل الإلكترون، وهي عبارة عن سلسلة من أربعة مجمعات بروتينية تنقل الإلكترونات من مجمع إلى آخر، وبالتالي إطلاق الطاقة من NADH وFADH 2 المقترنة بضخ البروتونات (أيونات الهيدروجين) عبر غشاء الميتوكوندريا الداخلي. ( التناضح الكيميائي ) الذي يولد القوة الدافعة البروتونية . [48] الطاقة الناتجة عن القوة الدافعة للبروتون تدفع إنزيم ATP سينسيز إلى تصنيع المزيد من ATPs عن طريق فسفرة ADPs . وينتهي نقل الإلكترونات بكون الأكسجين الجزيئي هو المستقبل النهائي للإلكترون .

إذا لم يكن الأكسجين موجودا، فلن يتم استقلاب البيروفات عن طريق التنفس الخلوي ولكنه يخضع لعملية التخمير . لا يتم نقل البيروفات إلى الميتوكوندريا ولكنه يبقى في السيتوبلازم، حيث يتم تحويله إلى فضلات يمكن إزالتها من الخلية. يخدم هذا غرض أكسدة حاملات الإلكترون حتى يتمكنوا من إجراء تحلل السكر مرة أخرى وإزالة البيروفات الزائدة. يؤدي التخمير إلى أكسدة NADH إلى NAD + بحيث يمكن إعادة استخدامه في تحلل السكر. في غياب الأكسجين، يمنع التخمر تراكم NADH في السيتوبلازم ويوفر NAD + لتحلل السكر. يختلف منتج النفايات هذا باختلاف الكائن الحي. في العضلات الهيكلية، يكون منتج النفايات هو حمض اللاكتيك . ويسمى هذا النوع من التخمر تخمر حمض اللاكتيك . في التمارين الشاقة، عندما تتجاوز متطلبات الطاقة إمدادات الطاقة، لا تستطيع السلسلة التنفسية معالجة جميع ذرات الهيدروجين المرتبطة بـ NADH. أثناء التحلل اللاهوائي، يتجدد NAD + عندما تتحد أزواج من الهيدروجين مع البيروفات لتكوين اللاكتات. يتم تحفيز تكوين اللاكتات بواسطة هيدروجيناز اللاكتات في تفاعل عكسي. يمكن أيضًا استخدام اللاكتات كمقدمة غير مباشرة لجليكوجين الكبد. أثناء التعافي، عندما يصبح الأكسجين متاحًا، يرتبط NAD + بالهيدروجين من اللاكتات لتكوين ATP. في الخميرة، منتجات النفايات هي الإيثانول وثاني أكسيد الكربون. يُعرف هذا النوع من التخمر بالتخمر الكحولي أو الإيثانول . يتم تصنيع الـ ATP الناتج في هذه العملية عن طريق الفسفرة على مستوى الركيزة ، والتي لا تتطلب الأكسجين.

البناء الضوئي

المقال الرئيسي: التمثيل الضوئي

تعمل عملية التمثيل الضوئي على تحويل ضوء الشمس إلى طاقة كيميائية، وتقسيم الماء لتحرير O 2 ، وتثبيت ثاني أكسيد الكربون إلى سكر.

التمثيل الضوئي هو عملية تستخدمها النباتات والكائنات الحية الأخرى لتحويل الطاقة الضوئية إلى طاقة كيميائية يمكن إطلاقها لاحقًا لتغذية الأنشطة الأيضية للكائن الحي عن طريق التنفس الخلوي. يتم تخزين هذه الطاقة الكيميائية في جزيئات الكربوهيدرات، مثل السكريات، التي يتم تصنيعها من ثاني أكسيد الكربون والماء. [49] [50] [51] في معظم الحالات، يتم إطلاق الأكسجين كمنتج نفايات. تقوم معظم النباتات والطحالب والبكتيريا الزرقاء بعملية التمثيل الضوئي، وهو المسؤول إلى حد كبير عن إنتاج والحفاظ على محتوى الأكسجين في الغلاف الجوي للأرض، ويوفر معظم الطاقة اللازمة للحياة على الأرض. [52]

تتكون عملية التمثيل الضوئي من أربع مراحل: امتصاص الضوء ، نقل الإلكترون، تصنيع ATP، وتثبيت الكربون . [48] امتصاص الضوء هو الخطوة الأولى في عملية التمثيل الضوئي حيث يتم امتصاص الطاقة الضوئية بواسطة أصباغ الكلوروفيل المرتبطة بالبروتينات الموجودة في أغشية الثايلاكويد . تُستخدم الطاقة الضوئية الممتصة لإزالة الإلكترونات من المتبرع (الماء) إلى متقبل الإلكترون الأساسي، وهو الكينون المسمى بـ Q. في المرحلة الثانية، تنتقل الإلكترونات من متقبل الإلكترون الأساسي للكينون عبر سلسلة من حاملات الإلكترون حتى تصل إلى المستقبل النهائي للإلكترون، والذي عادة ما يكون الشكل المؤكسد لـ NADP + ، والذي يتم اختزاله إلى NADPH، وهي عملية تحدث في مركب بروتيني يسمى النظام الضوئي I (PSI). يقترن نقل الإلكترونات بحركة البروتونات (أو الهيدروجين) من السدى إلى غشاء الثايلاكويد، مما يشكل تدرجًا للأس الهيدروجيني عبر الغشاء حيث يصبح الهيدروجين أكثر تركيزًا في التجويف منه في السدى. وهذا مشابه للقوة الدافعة للبروتون المتولدة عبر غشاء الميتوكوندريا الداخلي في التنفس الهوائي. [48]

أثناء المرحلة الثالثة من عملية التمثيل الضوئي، تقترن حركة البروتونات أسفل تدرجات تركيزها من لمعة الثايلاكويد إلى السدى عبر سينسيز ATP بتخليق ATP بواسطة نفس سينسيز ATP. [48] يوفر NADPH وATPs الناتج عن التفاعلات المعتمدة على الضوء في المرحلتين الثانية والثالثة، على التوالي، الطاقة والإلكترونات اللازمة لتحفيز تخليق الجلوكوز عن طريق تثبيت ثاني أكسيد الكربون الموجود في الغلاف الجوي في مركبات الكربون العضوية الموجودة، مثل ثنائي فوسفات الريبولوز ( 48). RuBP) في سلسلة من التفاعلات المستقلة عن الضوء (أو المظلمة) تسمى دورة كالفين . [53]

الإشارات الخلوية

المقال الرئيسي: إشارات الخلية

تشوير الخلية (أو الاتصال) هو قدرة الخلايا على استقبال الإشارات ومعالجتها ونقلها مع بيئتها ومع نفسها. [54] [55] يمكن أن تكون الإشارات غير كيميائية مثل الضوء والنبضات الكهربائية والحرارة، أو إشارات كيميائية (أو روابط ) تتفاعل مع المستقبلات ، والتي يمكن العثور عليها مدمجة في غشاء الخلية لخلية أخرى أو موجودة في أعماقها. خلية. [56] [55] هناك بشكل عام أربعة أنواع من الإشارات الكيميائية: الأوتوقراطية ، والباراكرين ، والجوكستاكرين ، والهرمونات . [56] في الإشارات الاستبدادية، تؤثر الربيطة على نفس الخلية التي تطلقها. على سبيل المثال، يمكن للخلايا السرطانية أن تتكاثر بشكل لا يمكن السيطرة عليه لأنها تطلق إشارات تؤدي إلى انقسامها الذاتي. في إشارات نظير الصماوي، ينتشر الربيط إلى الخلايا المجاورة ويؤثر عليها. على سبيل المثال، تطلق خلايا الدماغ التي تسمى الخلايا العصبية روابط تسمى الناقلات العصبية التي تنتشر عبر شق متشابك لترتبط بمستقبل على خلية مجاورة مثل خلية عصبية أخرى أو خلية عضلية . في إشارات الجوكستاكرين، هناك اتصال مباشر بين الخلايا المرسلة والخلايا المستجيبة. أخيرًا، الهرمونات عبارة عن روابط تنتقل عبر الدورة الدموية للحيوانات أو الأوعية الدموية للنباتات للوصول إلى الخلايا المستهدفة. بمجرد أن ترتبط الربيطة بمستقبل ما، يمكنها التأثير على سلوك خلية أخرى، اعتمادًا على نوع المستقبل. على سبيل المثال، يمكن للناقلات العصبية التي ترتبط بمستقبل مؤثر في التقلص العضلي أن تغير من استثارة الخلية المستهدفة. تشمل الأنواع الأخرى من المستقبلات مستقبلات بروتين كيناز (على سبيل المثال، مستقبلات هرمون الأنسولين ) والمستقبلات المقترنة بالبروتين G. يمكن أن يؤدي تنشيط المستقبلات المقترنة بالبروتين G إلى بدء سلسلة رسائل ثانية . العملية التي يتم من خلالها إرسال إشارة كيميائية أو فيزيائية عبر الخلية كسلسلة من الأحداث الجزيئية تسمى نقل الإشارة

دورة الخلية

في الانقسام الاختزالي، تتضاعف الكروموسومات وتتبادل الكروموسومات المتماثلة المعلومات الوراثية أثناء الانقسام الاختزالي الأول. وتنقسم الخلايا الوليدة مرة أخرى في الانقسام الاختزالي الثاني لتكوين أمشاج أحادية الصيغة الصبغية .

المقال الرئيسي: دورة الخلية

دورة الخلية عبارة عن سلسلة من الأحداث التي تحدث في الخلية وتؤدي إلى انقسامها إلى خليتين ابنتين. وتشمل هذه الأحداث تضاعف الحمض النووي وبعض عضياته ، والتقسيم اللاحق لسيتوبلازمه إلى خليتين ابنتيتين في عملية تسمى انقسام الخلايا . [57] في حقيقيات النوى (أي الخلايا الحيوانية والنباتية والفطرية والطلائعيات )، هناك نوعان متميزان من انقسام الخلايا: الانقسام والانقسام الاختزالي . [58] الانقسام هو جزء من دورة الخلية، حيث يتم فصل الكروموسومات المكررة إلى نواتين جديدتين. يؤدي انقسام الخلايا إلى ظهور خلايا متطابقة وراثيا يتم فيها الحفاظ على العدد الإجمالي للكروموسومات. بشكل عام، يسبق الانقسام (تقسيم النواة) المرحلة S من الطور البيني (التي يتم خلالها تكرار الحمض النووي) وغالبًا ما يتبعها الطور النهائي والتحرك الخلوي ؛ الذي يقسم السيتوبلازم والعضيات وغشاء الخلية للخلية الواحدة إلى خليتين جديدتين تحتويان على حصص متساوية تقريبًا من هذه المكونات الخلوية . تحدد المراحل المختلفة للانقسام الفتيلي معًا المرحلة الانقسامية لدورة الخلية الحيوانية - انقسام الخلية الأم إلى خليتين ابنتيتين متطابقتين وراثيًا. [59] دورة الخلية هي عملية حيوية تتطور من خلالها البويضة المخصبة وحيدة الخلية إلى كائن حي ناضج، كما أنها العملية التي يتجدد بها الشعر والجلد وخلايا الدم وبعض الأعضاء الداخلية . بعد انقسام الخلايا، تبدأ كل خلية من الخلايا الوليدة الطور البيني لدورة جديدة. على النقيض من الانقسام، ينتج عن الانقسام الاختزالي أربع خلايا ابنة أحادية الصيغة الصبغية من خلال الخضوع لجولة واحدة من تكرار الحمض النووي تليها قسمين. [60] يتم فصل الكروموسومات المتماثلة في القسم الأول ( الانقسام الاختزالي الأول )، ويتم فصل الكروماتيدات الشقيقة في القسم الثاني ( الانقسام الاختزالي الثاني ). تُستخدم كلتا دورتي انقسام الخلايا في عملية التكاثر الجنسي في مرحلة ما من دورة حياتها. ويعتقد أن كلاهما موجود في آخر سلف مشترك حقيقيات النواة.

يمكن أيضًا أن تخضع بدائيات النوى (أي العتائق والبكتيريا) لانقسام الخلايا (أو الانشطار الثنائي ). على عكس عمليات الانقسام والانقسام الاختزالي في حقيقيات النوى، يحدث الانشطار الثنائي في بدائيات النوى دون تكوين جهاز مغزلي على الخلية. قبل الانشطار الثنائي، يكون الحمض النووي في البكتيريا ملفوفًا بإحكام. وبعد أن يتم فكها ومضاعفة حجمها، يتم سحبها إلى أقطاب البكتيريا المنفصلة حيث يزيد حجمها استعدادًا للانقسام. يبدأ نمو جدار الخلية الجديد بفصل البكتيريا (بسبب بلمرة FtsZ وتشكيل "الحلقة Z") [61] يتطور جدار الخلية الجديد ( الحاجز ) بالكامل، مما يؤدي إلى الانقسام الكامل للبكتيريا. تحتوي الخلايا الوليدة الجديدة على قضبان الحمض النووي والريبوسومات والبلازميدات الملتفة بإحكام .

علم الوراثة

الوراثة

المقال الرئيسي: علم الوراثة الكلاسيكي

مربع بونيت يصور تهجين بين نباتين بازلاء متغاير الزيجوت للأزهار الأرجوانية (B) والبيضاء (b)

علم الوراثة هو الدراسة العلمية للوراثة وتوريث الصفات الوراثية. [62] [63] [64] الوراثة المندلية ، على وجه التحديد، هي العملية التي يتم من خلالها نقل الجينات والصفات من الآباء إلى الأبناء. [27] وله عدة مبادئ. الأول هو أن الخصائص الجينية، الأليلات ، منفصلة ولها أشكال بديلة (على سبيل المثال، أرجواني مقابل أبيض أو طويل مقابل قزم)، كل منها موروث من أحد الوالدين. استناداً إلى قانون السيادة والتماثل الذي ينص على أن بعض الأليلات سائدة والبعض الآخر متنحية ؛ الكائن الحي الذي لديه أليل سائد واحد على الأقل سيظهر النمط الظاهري لذلك الأليل السائد. أثناء تكوين الأمشاج، تنفصل أليلات كل جين، بحيث يحمل كل أمشاج أليلًا واحدًا فقط لكل جين. ينتج الأفراد المتغايرون الزيجوت أمشاجًا بتكرار متساوٍ لأليلين. أخيرًا، ينص قانون التوزيع المستقل على أن الجينات ذات السمات المختلفة يمكن أن تنفصل بشكل مستقل أثناء تكوين الأمشاج، أي أن الجينات غير مرتبطة. قد يشمل الاستثناء لهذه القاعدة السمات المرتبطة بالجنس . يمكن إجراء اختبارات التهجين لتحديد النمط الجيني الأساسي للكائن ذي النمط الظاهري السائد بشكل تجريبي. [65] يمكن استخدام مربع بونيت للتنبؤ بنتائج اختبار التقاطع. نظرية الكروموسوم في الميراث ، والتي تنص على أن الجينات موجودة على الكروموسومات، تم دعمها من خلال تجارب توماس مورغانز على ذباب الفاكهة ، والتي أثبتت الارتباط الجنسي بين لون العين والجنس في هذه الحشرات. [66]

الجينات والحمض النووي

مزيد من المعلومات: الجينات والحمض النووي

تقع القواعد بين شريطين من الحمض النووي المتصاعد.

الجين هو وحدة الوراثة التي تتوافق مع منطقة الحمض النووي الريبي منقوص الأكسجين (DNA) التي تحمل المعلومات الجينية التي تتحكم في شكل الكائن الحي أو وظيفته. يتكون الحمض النووي من سلسلتين من عديد النوكليوتيدات تلتف حول بعضها البعض لتشكل حلزونًا مزدوجًا . [67] يوجد على شكل كروموسومات خطية في حقيقيات النوى ، وكروموسومات دائرية في بدائيات النوى . تُعرف مجموعة الكروموسومات الموجودة في الخلية مجتمعة بالجينوم الخاص بها . في حقيقيات النوى، يوجد الحمض النووي بشكل رئيسي في نواة الخلية . [68] في بدائيات النوى، يتم الاحتفاظ بالحمض النووي داخل النواة . [69] يتم الاحتفاظ بالمعلومات الوراثية داخل الجينات، ويسمى التجمع الكامل في الكائن الحي بالنمط الجيني . [70] تضاعف الحمض النووي هو عملية شبه محافظة حيث يعمل كل شريط كقالب لشريط جديد من الحمض النووي. [67] الطفرات هي تغيرات وراثية في الحمض النووي. [67] يمكن أن تنشأ تلقائيًا نتيجة لأخطاء النسخ التي لم يتم تصحيحها عن طريق التدقيق اللغوي أو يمكن أن تكون ناجمة عن مطفرة بيئية مثل مادة كيميائية (على سبيل المثال، حمض النيتروز ، البنزوبيرين ) أو الإشعاع (على سبيل المثال، الأشعة السينية ، أشعة جاما). ، الأشعة فوق البنفسجية ، الجسيمات المنبعثة من النظائر غير المستقرة). [67] يمكن أن تؤدي الطفرات إلى تأثيرات مظهرية مثل فقدان الوظيفة، واكتساب الوظيفة ، والطفرات المشروطة. [67] بعض الطفرات مفيدة، لأنها مصدر للتنوع الجيني للتطور. [67] والبعض الآخر يكون ضارًا إذا أدى إلى فقدان وظيفة الجينات اللازمة للبقاء على قيد الحياة. [67]

التعبير الجيني

تشمل العقيدة المركزية الموسعة للبيولوجيا الجزيئية جميع العمليات المرتبطة بتدفق المعلومات الوراثية.

المقال الرئيسي: التعبير الجيني

التعبير الجيني هو العملية الجزيئية التي يؤدي من خلالها النمط الجيني المشفر في الحمض النووي إلى ظهور نمط ظاهري يمكن ملاحظته في بروتينات جسم الكائن الحي. تتلخص هذه العملية في العقيدة المركزية للبيولوجيا الجزيئية ، والتي صاغها فرانسيس كريك في عام 1958. [71] [72] [73] وفقًا للعقيدة المركزية، تتدفق المعلومات الوراثية من الحمض النووي إلى الحمض النووي الريبي (RNA) إلى البروتين. هناك عمليتان للتعبير الجيني: النسخ (DNA إلى RNA) والترجمة (RNA إلى البروتين). [74]

تنظيم الجينات

المقال الرئيسي: تنظيم التعبير الجيني

يمكن أن يحدث تنظيم التعبير الجيني عن طريق العوامل البيئية وخلال مراحل مختلفة من التطور في كل خطوة من العملية مثل النسخ ، وربط الحمض النووي الريبي (RNA) ، والترجمة ، والتعديل بعد الترجمة للبروتين. [75] يمكن أن يتأثر التعبير الجيني بالتنظيم الإيجابي أو السلبي، اعتمادًا على أي من نوعي البروتينات التنظيمية التي تسمى عوامل النسخ ترتبط بتسلسل الحمض النووي بالقرب من أو عند المحفز. [75] تسمى مجموعة الجينات التي تشترك في نفس المحفز بالأوبرون ، وتوجد بشكل رئيسي في بدائيات النوى وبعض حقيقيات النوى السفلى (على سبيل المثال، Caenorhabditis elegans ). [75] [76] في التنظيم الإيجابي للتعبير الجيني، يكون المنشط هو عامل النسخ الذي يحفز النسخ عندما يرتبط بالتسلسل بالقرب من المحفز أو عنده. يحدث التنظيم السلبي عندما يرتبط عامل نسخ آخر يسمى المثبط بتسلسل الحمض النووي يسمى العامل ، وهو جزء من الأوبون، لمنع النسخ. يمكن تثبيط المثبطات بواسطة مركبات تسمى المحفزات (على سبيل المثال، اللالاكتوز )، مما يسمح بحدوث النسخ. [75] الجينات المحددة التي يمكن تنشيطها بواسطة المحفزات تسمى الجينات المحفزة ، على عكس الجينات التأسيسية التي تكون نشطة بشكل مستمر تقريبًا. [75] وعلى النقيض من كليهما، تقوم الجينات البنيوية بتشفير البروتينات التي لا تشارك في تنظيم الجينات. [75] بالإضافة إلى الأحداث التنظيمية التي تنطوي على المحفز، يمكن أيضًا تنظيم التعبير الجيني عن طريق التغيرات اللاجينية للكروماتين ، وهو مركب من الحمض النووي والبروتين الموجود في الخلايا حقيقية النواة. [75]

الجينات والتنمية والتطور

المقال الرئيسي: علم الأحياء التنموي التطوري

التطور هو العملية التي يمر من خلالها الكائن متعدد الخلايا (النبات أو الحيوان) بسلسلة من التغييرات، بدءًا من خلية واحدة، ويتخذ أشكالًا مختلفة تتميز بها دورة حياته. [77] هناك أربع عمليات رئيسية تكمن وراء التطور: التحديد ، والتمايز ، والتشكل ، والنمو. يحدد التحديد المصير التنموي للخلية، والذي يصبح أكثر تقييدًا أثناء التطور. هي عملية تمايز الخلايا المتخصصة من الخلايا الأقل تخصصا مثل الخلايا الجذعية . [78] [79] الخلايا الجذعية هي خلايا غير متمايزة أو متمايزة جزئيًا ويمكن أن تتمايز إلى أنواع مختلفة من الخلايا وتتكاثر إلى أجل غير مسمى لإنتاج المزيد من نفس الخلية الجذعية. [80] يؤدي التمايز الخلوي إلى تغيير كبير في حجم الخلية وشكلها وإمكانات الغشاء والنشاط الأيضي والاستجابة للإشارات، والتي ترجع إلى حد كبير إلى التعديلات التي يتم التحكم فيها بشكل كبير في التعبير الجيني وعلم الوراثة اللاجينية . مع بعض الاستثناءات، فإن التمايز الخلوي لا يتضمن أبدًا تغييرًا في تسلسل الحمض النووي نفسه. [81] وبالتالي، يمكن أن يكون للخلايا المختلفة خصائص فيزيائية مختلفة تمامًا على الرغم من وجود نفس الجينوم . التشكل، أو تطور شكل الجسم، هو نتيجة للاختلافات المكانية في التعبير الجيني. [77] هناك جزء صغير من الجينات الموجودة في جينوم الكائن الحي يسمى مجموعة الأدوات الجينية التنموية يتحكم في تطور هذا الكائن الحي. يتم حفظ جينات مجموعة الأدوات هذه بشكل كبير بين الشعب ، مما يعني أنها قديمة ومتشابهة جدًا في مجموعات الحيوانات المنفصلة على نطاق واسع. تؤثر الاختلافات في نشر جينات مجموعة الأدوات على مخطط الجسم وعدد أجزاء الجسم وهويتها ونمطها. من بين جينات مجموعة الأدوات الأكثر أهمية هي جينات هوكس . تحدد الجينات Hox مكان نمو الأجزاء المتكررة، مثل العديد من فقرات الثعابين، في الجنين أو اليرقة النامية. [82]

التطور

العمليات التطورية

المقال الرئيسي: علم الأحياء التطوري

الانتقاء الطبيعي للصفات الداكنة

التطور هو مفهوم تنظيمي مركزي في علم الأحياء. وهو التغير في الخصائص الوراثية للسكان على مدى الأجيال المتعاقبة . [83] [84] في الانتقاء الاصطناعي ، تم تربية الحيوانات بشكل انتقائي لسمات محددة. [85] نظرًا لأن السمات موروثة، ويحتوي السكان على مزيج متنوع من السمات، والتكاثر قادر على زيادة أي عدد من السكان، فقد جادل داروين أنه في العالم الطبيعي، كانت الطبيعة هي التي لعبت دور البشر في اختيار سمات محددة. [85] استنتج داروين أن الأفراد الذين يمتلكون سمات وراثية تتكيف بشكل أفضل مع بيئاتهم هم أكثر عرضة للبقاء على قيد الحياة وإنتاج ذرية أكثر من الأفراد الآخرين. [85] واستنتج كذلك أن هذا من شأنه أن يؤدي إلى تراكم الصفات المفضلة على مدى الأجيال المتعاقبة، وبالتالي زيادة التوافق بين الكائنات الحية وبيئتها. [86] [87] [88 ] [85] [89]

الانتواع

المقال الرئيسي: الانتواع

النوع هو مجموعة من الكائنات الحية التي تتزاوج مع بعضها البعض، والتكاثر هو العملية التي من خلالها تنقسم سلالة واحدة إلى سلالتين نتيجة لتطورها بشكل مستقل عن بعضها البعض. [90] لكي يحدث الانتواع، لا بد من وجود عزلة تكاثرية . [90] يمكن أن تنتج العزلة الإنجابية عن عدم التوافق بين الجينات كما وصفها نموذج باتسون-دوبجانسكي-مولر . تميل العزلة الإنجابية أيضًا إلى الزيادة مع الاختلاف الجيني . يمكن أن يحدث الانتواع عندما تكون هناك حواجز مادية تقسم الأنواع السلفية، وهي عملية تعرف باسم الانتواع المتباين . [90]

علم تطور السلالات

المقال الرئيسي: علم الوراثة

شجرة النشوء والتطور توضح مجالات البكتيريا والعتائق وحقيقيات النوى

السلالة هي التاريخ التطوري لمجموعة معينة من الكائنات الحية أو جيناتها. [91] يمكن تمثيله باستخدام شجرة النشوء والتطور ، وهو رسم تخطيطي يوضح خطوط النسب بين الكائنات الحية أو جيناتها. يمثل كل خط مرسوم على المحور الزمني للشجرة سلالة من أحفاد نوع أو مجموعة معينة. عندما ينقسم النسب إلى قسمين، يتم تمثيله على شكل شوكة أو انقسام على شجرة النشوء والتطور. [91] تعتبر أشجار التطور هي الأساس لمقارنة وتجميع الأنواع المختلفة. [91] توصف الأنواع المختلفة التي تشترك في سمة موروثة من سلف مشترك بأنها تمتلك سمات متماثلة (أو سينابومورفي ). [92] [93] [91] يوفر علم السلالة أساس التصنيف البيولوجي. [91] يعتمد نظام التصنيف هذا على الرتبة، حيث أن أعلى رتبة هي المجال تليها المملكة ، الشعبة ، الطبقة ، الرتبة ، العائلة ، الجنس ، والأنواع . [91] يمكن تصنيف جميع الكائنات الحية على أنها تنتمي إلى واحد من ثلاثة مجالات : العتائق (في الأصل العتائق)؛ البكتيريا (في الأصل eubacteria)، أو حقيقيات النوى (تشمل الطلائعيات والفطريات والممالك النباتية والحيوانية). [94]

تاريخ الحياة

المقال الرئيسي: تاريخ الحياة

يتتبع تاريخ الحياة على الأرض كيف تطورت الكائنات الحية منذ أول ظهور للحياة حتى يومنا هذا. تشكلت الأرض منذ حوالي 4.5 مليار سنة، وجميع أشكال الحياة على الأرض، سواء الحية أو المنقرضة، تنحدر من سلف عالمي مشترك عاش قبل حوالي 3.5 مليار سنة . [95] [96] طور الجيولوجيون مقياسًا زمنيًا جيولوجيًا يقسم تاريخ الأرض إلى أقسام رئيسية، بدءًا من أربعة دهور ( هاديان ، أركي ، بروتيروزويك ، ودهر الحياة )، تُعرف الثلاثة الأولى منها مجتمعة باسم ما قبل الكمبري. والتي استمرت حوالي 4 مليارات سنة. [97] يمكن تقسيم كل عصر إلى عصور، مع تقسيم دهر الحياة القديمة الذي بدأ قبل 539 مليون سنة [98] إلى عصور حقب الحياة القديمة ، والدهر الوسيط ، وحقب الحياة الحديثة . [97] تتكون هذه العصور الثلاثة معًا من إحدى عشرة فترة ( الكامبري ، والأوردوفيشي ، والسيلوري ، والديفوني ، والكربوني ، والبرمي ، والترياسي ، والجوراسي ، والطباشيري ، والثلاثي ، والرباعي ). [97]

تشير أوجه التشابه بين جميع الأنواع المعروفة في الوقت الحاضر إلى أنها انحرفت من خلال عملية التطور عن سلفها المشترك. [99] يعتبر علماء الأحياء انتشار الشفرة الوراثية في كل مكان كدليل على الأصل المشترك العالمي لجميع البكتيريا ، والعتائق ، وحقيقيات النوى . [100] [10] [101] [102] كانت الحصائر الميكروبية من البكتيريا والعتائق المتعايشة هي الشكل السائد للحياة في العصر الأركي المبكر ، ويُعتقد أن العديد من الخطوات الرئيسية في التطور المبكر قد حدثت في هذه البيئة. [103] يعود أقدم دليل على وجود حقيقيات النوى إلى 1.85 مليار سنة مضت، [104] [105] وعلى الرغم من أنها ربما كانت موجودة في وقت سابق، إلا أن تنوعها تسارع عندما بدأت في استخدام الأكسجين في عملية التمثيل الغذائي . وفي وقت لاحق، منذ حوالي 1.7 مليار سنة، بدأت الكائنات متعددة الخلايا في الظهور، حيث تؤدي الخلايا المتمايزة وظائف متخصصة. [106]

يعود تاريخ النباتات البرية متعددة الخلايا الشبيهة بالطحالب إلى حوالي مليار سنة مضت، [107] على الرغم من أن الأدلة تشير إلى أن الكائنات الحية الدقيقة شكلت أقدم النظم البيئية الأرضية ، منذ 2.7 مليار سنة على الأقل. [108] ويُعتقد أن الكائنات الحية الدقيقة مهدت الطريق لنشوء النباتات البرية في العصر الأوردوفيشي . كانت النباتات الأرضية ناجحة جدًا لدرجة أنه يُعتقد أنها ساهمت في حدث الانقراض الديفوني المتأخر . [109]

تظهر الكائنات الحية في العصر الإدياكاري خلال العصر الإدياكاري ، [110] بينما نشأت الفقاريات ، إلى جانب معظم الشعب الحديثة الأخرى ، منذ حوالي 525 مليون سنة خلال الانفجار الكامبري . [111] خلال العصر البرمي، سيطرت المشابك العصبية ، بما في ذلك أسلاف الثدييات ، على الأرض، [112] لكن معظم هذه المجموعة انقرضت في حدث انقراض العصر البرمي-الثلاثي قبل 252 مليون سنة. [113] أثناء التعافي من هذه الكارثة، أصبحت الأركوصورات أكثر الفقاريات الأرضية وفرة؛ [114] سيطرت إحدى مجموعات الأركوصورات، وهي الديناصورات، على العصر الجوراسي والطباشيري. [115] بعد انقراض العصر الطباشيري-الباليوجيني قبل 66 مليون سنة والذي أدى إلى مقتل الديناصورات غير الطيور، [116] زادت الثدييات بسرعة في الحجم والتنوع . [117] وربما أدت مثل هذه الانقراضات الجماعية إلى تسريع التطور من خلال توفير الفرص لمجموعات جديدة من الكائنات الحية للتنويع. [118]

التنوع

البكتيريا والعتائق

مزيد من المعلومات: علم الأحياء الدقيقة

البكتيريا – Gemmatimonas aurantiaca (-=1 ميكرومتر)

البكتيريا هي نوع من الخلايا التي تشكل مجالًا كبيرًا من الكائنات الحية الدقيقة بدائية النواة . عادةً ما يبلغ طول البكتيريا بضعة ميكرومترات ، ولها عدد من الأشكال ، تتراوح من المجالات إلى العصي واللوالب . كانت البكتيريا من أوائل أشكال الحياة التي ظهرت على الأرض، وهي موجودة في معظم بيئاتها . تسكن البكتيريا التربة، والمياه، والينابيع الساخنة الحمضية ، والنفايات المشعة ، [119] والمحيط الحيوي العميق للقشرة الأرضية . تعيش البكتيريا أيضًا في علاقات تكافلية وطفيلية مع النباتات والحيوانات. لم يتم توصيف معظم البكتيريا، وحوالي 27% فقط من الشعب البكتيرية لديها أنواع يمكن زراعتها في المختبر. [120]

العتائق – الهالوبكتريا

تشكل العتائق المجال الآخر للخلايا بدائية النواة وتم تصنيفها في البداية على أنها بكتيريا، وحصلت على اسم العتائق (في مملكة العتائق )، وهو مصطلح لم يعد صالحًا للاستخدام. [121] تتمتع الخلايا الأثرية بخصائص فريدة تفصلها عن المجالين الآخرين ، البكتيريا وحقيقيات النوى . تنقسم العتائق أيضًا إلى عدة شعب معترف بها . تتشابه العتائق والبكتيريا بشكل عام في الحجم والشكل، على الرغم من أن بعض العتائق لها أشكال مختلفة جدًا، مثل الخلايا المسطحة والمربعة في هالوكودراتوم والسبي . [122] على الرغم من هذا التشابه المورفولوجي مع البكتيريا، تمتلك العتائق جينات والعديد من المسارات الأيضية التي ترتبط ارتباطًا وثيقًا بتلك الموجودة في حقيقيات النوى، ولا سيما الإنزيمات المشاركة في النسخ والترجمة . تعتبر الجوانب الأخرى للكيمياء الحيوية للأثريات فريدة من نوعها، مثل اعتمادها على دهون الأثير في أغشية الخلايا ، [123] بما في ذلك الأثريات . تستخدم العتائق مصادر طاقة أكثر من حقيقيات النوى: وتتراوح هذه من المركبات العضوية ، مثل السكريات، إلى الأمونيا ، أيونات المعادن أو حتى غاز الهيدروجين . تستخدم العتائق التي تتحمل الملوحة ( Haloarchaea ) ضوء الشمس كمصدر للطاقة، وتقوم أنواع أخرى من العتائق بتثبيت الكربون ، ولكن على عكس النباتات والبكتيريا الزرقاء ، لا يوجد أي نوع معروف من العتائق يقوم بالأمرين معًا. تتكاثر العتائق لا جنسيًا عن طريق الانشطار الثنائي أو التجزئة أو التبرعم . على عكس البكتيريا، لا توجد أنواع معروفة من العتائق تشكل أبواغًا داخلية .

كانت العتائق الأولى التي تمت ملاحظتها هي كائنات تعيش في الظروف القاسية، تعيش في بيئات قاسية، مثل الينابيع الساخنة والبحيرات المالحة مع عدم وجود كائنات حية أخرى. أدت أدوات الكشف الجزيئي المحسنة إلى اكتشاف العتائق في كل موطن تقريبًا ، بما في ذلك التربة والمحيطات والمستنقعات . تكثر العتائق بشكل خاص في المحيطات، وقد تكون العتائق الموجودة في العوالق واحدة من أكثر مجموعات الكائنات الحية وفرة على هذا الكوكب.

تعتبر العتائق جزءًا رئيسيًا من حياة الأرض . إنها جزء من الكائنات الحية الدقيقة لجميع الكائنات الحية. في الميكروبيوم البشري ، فهي مهمة في الأمعاء والفم والجلد. [124] تنوعها المورفولوجي والتمثيل الغذائي والجغرافي يسمح لها بلعب أدوار بيئية متعددة: تثبيت الكربون؛ تدوير النيتروجين؛ دوران المركبات العضوية. والحفاظ على المجتمعات الميكروبية التكافلية والتركيبية ، على سبيل المثال. [125]

حقيقيات النواة

المقال الرئيسي: حقيقيات النوى

اليوجلينا ، كائن حقيقي النواة وحيد الخلية يمكنه الحركة والتمثيل الضوئي

يُفترض أن حقيقيات النوى قد انفصلت عن العتائق، والذي أعقبه تعايشها الداخلي مع البكتيريا (أو التعايش ) الذي أدى إلى ظهور الميتوكوندريا والبلاستيدات الخضراء، وكلاهما الآن جزء من الخلايا حقيقية النواة في العصر الحديث. [126] تنوعت السلالات الرئيسية لحقيقيات النوى في عصر ما قبل الكمبري منذ حوالي 1.5 مليار سنة، ويمكن تصنيفها إلى ثمانية فروع رئيسية : الحويصلات الهوائية ، والحفريات ، والأعمدة السترامية ، والنباتات، والريزاريات ، والأميبوزوانات ، والفطريات ، والحيوانات. [126] تُعرف خمسة من هذه الفروع مجتمعة باسم الطلائعيات ، وهي في الغالب كائنات حية مجهرية حقيقية النواة وليست نباتات أو فطريات أو حيوانات. [126] في حين أنه من المحتمل أن تشترك الطلائعيات في سلف مشترك ( آخر سلف مشترك حقيقي النواة )، [127] لا تشكل الطلائعيات في حد ذاتها فرعًا حيويًا منفصلاً حيث قد يكون بعض الطلائعيات أكثر ارتباطًا بالنباتات أو الفطريات أو الحيوانات مما هم عليه. هي للاحتجاجات الأخرى. مثل التجمعات مثل الطحالب أو اللافقاريات أو الأوليات ، فإن تجمع الطلائعيات ليس مجموعة تصنيفية رسمية ولكنه يستخدم للملاءمة. [126] [128] معظم الطلائعيات وحيدة الخلية؛ وتسمى هذه حقيقيات النوى الميكروبية. [126]

النباتات هي في الأساس كائنات متعددة الخلايا ، وفي الغالب حقيقيات النوى التي تقوم بالتمثيل الضوئي في المملكة النباتية، والتي تستبعد الفطريات وبعض الطحالب . تم اشتقاق الخلايا النباتية عن طريق التعايش الداخلي للبكتيريا الزرقاء في حقيقيات النوى المبكرة منذ حوالي مليار سنة، مما أدى إلى ظهور البلاستيدات الخضراء. [129] كانت الفروع العديدة الأولى التي ظهرت بعد التعايش الداخلي الأولي مائية، ومعظم الكائنات الحية حقيقية النواة المائية التي تقوم بالتمثيل الضوئي توصف مجتمعة بأنها طحالب، وهو مصطلح ملائم حيث لا ترتبط جميع الطحالب ارتباطًا وثيقًا. [129] تشتمل الطحالب على العديد من الفروع الحيوية المتميزة مثل النباتات الجلوكوفيتية ، وهي طحالب مجهرية للمياه العذبة والتي ربما كانت تشبه في شكلها السلف المبكر أحادي الخلية للنباتات. [129] على عكس النباتات الزرقية، فإن الطحالب الأخرى مثل الطحالب الحمراء والخضراء تكون متعددة الخلايا. تتكون الطحالب الخضراء من ثلاث مجموعات رئيسية: النباتات الخضراء ، والطحالب ، والنباتات الحجرية . [129]

الفطريات هي كائنات حقيقية النواة تهضم الأطعمة خارج أجسامها، [١٣٠] وتفرز إنزيمات هاضمة تعمل على تحطيم جزيئات الطعام الكبيرة قبل امتصاصها عبر أغشية خلاياها. العديد من الفطريات هي أيضًا فطريات ، تتغذى على المواد العضوية الميتة، مما يجعلها محللات مهمة في النظم البيئية. [130]

الحيوانات هي كائنات حقيقية النواة متعددة الخلايا. مع استثناءات قليلة، تستهلك الحيوانات المواد العضوية ، وتتنفس الأكسجين ، وتكون قادرة على الحركة ، ويمكن أن تتكاثر جنسيًا ، وتنمو من كرة مجوفة من الخلايا ، الأريمة ، أثناء التطور الجنيني . تم وصف أكثر من 1.5 مليون نوع من الحيوانات الحية - منها حوالي مليون نوع من الحشرات - ولكن تشير التقديرات إلى أن هناك أكثر من 7 ملايين نوع حيواني في المجموع. لديهم تفاعلات معقدة مع بعضهم البعض ومع بيئاتهم، وتشكل شبكات غذائية معقدة . [131]

الفيروسات

المقال الرئيسي: فيروس

البكتيريا تعلق على جدار الخلية البكتيرية

الفيروسات هي عوامل معدية دون مجهرية تتكاثر داخل خلايا الكائنات الحية . [132] تصيب الفيروسات جميع أنواع الحياة ، من الحيوانات والنباتات إلى الكائنات الحية الدقيقة ، بما في ذلك البكتيريا والعتائق . [133] [134] تم وصف أكثر من 6000 نوع من الفيروسات بالتفصيل. [135] توجد الفيروسات في كل نظام بيئي على الأرض تقريبًا وهي النوع الأكثر عددًا من الكيانات البيولوجية. [136] [137]

إن أصول الفيروسات في التاريخ التطوري للحياة غير واضحة: فقد يكون بعضها قد تطور من البلازميدات - وهي قطع من الحمض النووي يمكنها الانتقال بين الخلايا - بينما قد يكون البعض الآخر قد تطور من البكتيريا. في التطور، تعد الفيروسات وسيلة مهمة لنقل الجينات أفقيًا ، مما يزيد من التنوع الجيني بطريقة مشابهة للتكاثر الجنسي . [138] نظرًا لأن الفيروسات تمتلك بعض خصائص الحياة وليس كلها، فقد تم وصفها بأنها "كائنات على حافة الحياة"، [139] وباعتبارها ناسخة ذاتية . [140]

علم البيئة

المقال الرئيسي: علم البيئة

علم البيئة هو دراسة توزيع ووفرة الحياة، والتفاعل بين الكائنات الحية وبيئتها . [141]

النظم البيئية

المقال الرئيسي: النظام البيئي

يُطلق على مجتمع الكائنات الحية ( الحيوية ) جنبًا إلى جنب مع المكونات غير الحية ( اللاأحيائية ) (مثل الماء والضوء والإشعاع ودرجة الحرارة والرطوبة والغلاف الجوي والحموضة والتربة ) لبيئتها اسم النظام البيئي . [142] [143] [144] ترتبط هذه المكونات الحيوية وغير الحيوية معًا من خلال دورات المغذيات وتدفقات الطاقة. [145] تدخل الطاقة من الشمس إلى النظام من خلال عملية التمثيل الضوئي ويتم دمجها في الأنسجة النباتية. من خلال التغذية على النباتات وعلى بعضها البعض، تنقل الحيوانات المادة والطاقة عبر النظام. كما أنها تؤثر على كمية الكتلة الحيوية النباتية والميكروبية الموجودة. من خلال تحطيم المواد العضوية الميتة ، تقوم المحللات بإطلاق الكربون مرة أخرى إلى الغلاف الجوي وتسهيل تدوير المغذيات عن طريق تحويل العناصر الغذائية المخزنة في الكتلة الحيوية الميتة إلى شكل يمكن استخدامه بسهولة بواسطة النباتات والميكروبات الأخرى. [146]

السكان

المقال الرئيسي: علم البيئة السكانية

الوصول إلى القدرة الاستيعابية من خلال منحنى النمو اللوجستي

السكان عبارة عن مجموعة من الكائنات الحية من نفس النوع والتي تشغل مساحة واحدة وتتكاثر من جيل إلى جيل. [147] [148] [149] [150] [151] يمكن تقدير حجم السكان عن طريق ضرب الكثافة السكانية في المساحة أو الحجم. القدرة الاستيعابية للبيئة هي الحد الأقصى لحجم الأنواع التي يمكن أن تحافظ عليها تلك البيئة المحددة ، بالنظر إلى الغذاء والموئل والمياه والموارد الأخرى المتاحة. [152] يمكن أن تتأثر القدرة الاستيعابية للسكان بالظروف البيئية المتغيرة مثل التغيرات في توافر الموارد وتكلفة صيانتها. بالنسبة للتجمعات البشرية ، ساعدت التقنيات الجديدة مثل الثورة الخضراء على زيادة قدرة الأرض على تحمل البشر بمرور الوقت، مما أحبط محاولات التنبؤ بالانخفاض السكاني الوشيك، وأشهرها كان من قبل توماس مالتوس في القرن الثامن عشر. [147]

مجتمعات

المقال الرئيسي: المجتمع (علم البيئة)

أ(أ) الهرم الغذائي و(ب) الشبكة الغذائية المبسطة. يمثل الهرم الغذائي الكتلة الحيوية في كل مستوى. [153]

المجتمع عبارة عن مجموعة من مجموعات الأنواع التي تشغل نفس المنطقة الجغرافية في نفس الوقت. التفاعل البيولوجي هو التأثير الذي يحدثه زوج من الكائنات الحية التي تعيش معًا في مجتمع على بعضها البعض. يمكن أن تكون إما من نفس النوع (التفاعلات بين الأنواع)، أو من أنواع مختلفة (التفاعلات بين الأنواع). قد تكون هذه التأثيرات قصيرة المدى، مثل التلقيح والافتراس ، أو طويلة المدى؛ كلاهما يؤثر بقوة في كثير من الأحيان على تطور الأنواع المعنية. يسمى التفاعل طويل الأمد بالتعايش . تتراوح التعايشات من التبادلية المفيدة لكلا الشريكين إلى المنافسة الضارة بكلا الشريكين. [154] تشارك كل الأنواع كمستهلك أو مورد أو كليهما في التفاعلات بين المستهلك والموارد ، والتي تشكل جوهر سلاسل الغذاء أو الشبكات الغذائية . [155] هناك مستويات غذائية مختلفة داخل أي شبكة غذائية، وأدنى مستوى هو المنتجون الأساسيون (أو الكائنات ذاتية التغذية ) مثل النباتات والطحالب التي تحول الطاقة والمواد غير العضوية إلى مركبات عضوية ، والتي يمكن بعد ذلك استخدامها من قبل بقية الشبكة الغذائية. مجتمع. [52] [156] [157] في المستوى التالي توجد الكائنات غيرية التغذية ، وهي الأنواع التي تحصل على الطاقة عن طريق تفكيك المركبات العضوية عن الكائنات الحية الأخرى. [155] تعتبر الكائنات غيرية التغذية التي تستهلك النباتات مستهلكًا أساسيًا (أو آكلة عشبية ) في حين أن الكائنات غيرية التغذية التي تستهلك الحيوانات العاشبة هي مستهلكة ثانوية (أو آكلة اللحوم ). وأولئك الذين يأكلون مستهلكين ثانويين هم مستهلكون من الدرجة الثالثة وهكذا. الكائنات المتغايرة النهمة قادرة على الاستهلاك على مستويات متعددة. وأخيرا، هناك المحللات التي تتغذى على النفايات أو جثث الكائنات الحية. [155] في المتوسط، يبلغ إجمالي كمية الطاقة المدمجة في الكتلة الحيوية للمستوى الغذائي لكل وحدة زمنية حوالي عُشر طاقة المستوى الغذائي الذي يستهلكه. تشكل النفايات والمواد الميتة التي تستخدمها المحللات وكذلك الحرارة المفقودة من عملية التمثيل الغذائي التسعين بالمائة الأخرى من الطاقة التي لا يستهلكها المستوى الغذائي التالي. [158]

المحيط الحيوي

المقال الرئيسي: المحيط الحيوي

تظهر دورة الكربون السريعة حركة الكربون بين الأرض والغلاف الجوي والمحيطات بمليارات الأطنان سنويًا. الأرقام الصفراء هي التدفقات الطبيعية، والأحمر هي مساهمات الإنسان، والأبيض هو الكربون المخزن. لم يتم تضمين تأثيرات دورة الكربون البطيئة ، مثل النشاط البركاني والتكتوني. [159]

في النظام البيئي العالمي أو المحيط الحيوي، توجد المادة كأجزاء متفاعلة مختلفة، والتي يمكن أن تكون حيوية أو غير حيوية وكذلك يمكن الوصول إليها أو يتعذر الوصول إليها، اعتمادًا على أشكالها ومواقعها. [160] على سبيل المثال، المادة من الكائنات ذاتية التغذية الأرضية هي مادة حيوية ويمكن الوصول إليها من قبل الكائنات الحية الأخرى في حين أن المادة الموجودة في الصخور والمعادن غير حيوية ولا يمكن الوصول إليها. الدورة البيوجيوكيميائية هي مسار يتم من خلاله قلب عناصر محددة من المادة أو نقلها عبر الأجزاء الحيوية ( المحيط الحيوي ) والأجزاء اللاأحيائية ( الغلاف الصخري ، والغلاف الجوي ، والغلاف المائي ) للأرض. هناك دورات جيوكيميائية حيوية للنيتروجين والكربون والماء .

بيولوجيا الحفظ

المقال الرئيسي: بيولوجيا الحفظ

بيولوجيا الحفظ هي دراسة الحفاظ على التنوع البيولوجي للأرض بهدف حماية الأنواع وموائلها والنظم البيئية من معدلات الانقراض المفرطة وتآكل التفاعلات الحيوية. [161] [162] [163] يهتم بالعوامل التي تؤثر على صيانة التنوع البيولوجي وفقدانه واستعادته وعلم استدامة العمليات التطورية التي تولد التنوع الجيني والسكاني والأنواع والنظام البيئي. [164] [165] [166] [167] ينبع القلق من التقديرات التي تشير إلى أن ما يصل إلى 50% من جميع الأنواع الموجودة على هذا الكوكب سوف تختفي خلال الخمسين سنة القادمة، [168] مما ساهم في الفقر والمجاعة والجوع. إعادة ضبط مسار التطور على هذا الكوكب. [169] [170] يؤثر التنوع البيولوجي على عمل النظم البيئية، التي توفر مجموعة متنوعة من الخدمات التي يعتمد عليها الناس. يقوم علماء بيولوجيا الحفظ بالبحث والتثقيف بشأن اتجاهات فقدان التنوع البيولوجي وانقراض الأنواع والتأثير السلبي الذي يحدثه ذلك على قدراتنا للحفاظ على رفاهية المجتمع البشري. تستجيب المنظمات والمواطنون لأزمة التنوع البيولوجي الحالية من خلال خطط عمل الحفظ التي توجه برامج البحث والمراقبة والتعليم التي تثير الاهتمامات على المستوى المحلي من خلال المستويات العالمية. [171] [164] [165] [166]

المصدر:

Biology - Wikipedia

en.wikipedia.org

===========================

عِلْمُ الأَحْيَاء أو علم الحياة (بالإنجليزية: Biology)‏ هو علم طبيعي يُعنى بدراسة الحياة والكائنات الحية، بما في ذلك هياكلها ووظائفها ونموها وتطورها وتوزيعها وتصنيفها. الأحياء الحديثة هي ميدانٌ واسعٌ يتألف من العديد من الفروع والتخصصات الفرعيَّة، لكنها تتضمن بعض المفاهيم العامّة الموحدة التي تربط بين فروعها المُختلفة وتسير عليها جميع الدراسات والبحوث. يُنظر إلى الخلية في علم الأحياء عموماً باعتبارها وحدة الحياة الأساسية، والجين باعتباره وحدة التوريث الأساسية، والتطور باعتباره المُحرّك الذي يولد الأنواع الجديدة. ومن المفهوم أيضاً في علم الأحياء في الوقت الحاضر أنّ جميع الكائنات الحيّة تبقى على قيد الحياة عن طريق استهلاك وتحويل الطاقة، ومن خلال تنظيم البيئة الداخلية للحفاظ على حالةٍ مُستقرةٍ وحيويّة.

ينقسم علم الأحياء إلى فروع حسب نطاق الكائنات الحيَّة التي تدرسها، وأنواع الكائنات الحيَّة المدروسة، والأساليب المُستخدمة في دراستها. فتدرس الكيمياء الحيوية العمليات الكيميائية المُتعلقة بالكائنات الحيَّة، ويدرس علم الأحياء الجزيئي التفاعلات المُعقدة التي تحصل بين الجُزيئات البيولوجية، ويُعنى علم النبات بدراسة حياة النباتات المُختلفة، ويدرس علم الأحياء الخلوي الخلية التي تُعدّ الوحدة البنائية الأساسية للحياة، ويدرس علم وظائف الأعضاء الوظائف الفيزيائية والكيميائية لأنسجة وأعضاء وأجهزة الكائن الحي، بينما يدرس علم الأحياء التطوري العمليات التي أدّت إلى تنوّع الحياة، ويُعنى علم البيئة بالبحث في كيفيّة تفاعل الكائنات الحيَّة مع بيئتها.

التسمية

يُشتق مُصطلح علم الأحياء اللاتيني (Biologia) من اليونانية (bios تعني حياة و logia تعني دراسة أو علم). ظهر هذا المُصطلح للمرة الأولى عام 1736 عندما استخدمه كارلوس لينيوس في أحد كتبه، وتبع ذلك ترجمته للألمانية (Biologie) عام 1771 في ترجمةٍ لعمل لينيوس. دخل هذا المُصطلح حيِّز الاستخدام الحديث في أطروحةٍ من ستة مُجلدات من تأليف العالم الألماني غوتفريد راينولد تريفيرانوس، الذي قال: «سيكون موضوع أبحاثنا هو أشكال الحياة ومظاهرها المُختلفة، والظروف والقوانين التي تحدث بموجبها هذه الظواهر، والأمور والأسباب التي أثرت فيها. وسنُشير إلى العلم الذي يهتم بهذه الأمور باسم علم الأحياء (biologie) أو مبدأ الحياة (Lebenslehre)».

التاريخ

جزء من سلسلة مقالات حول
علم الأحياء


على الرغم من ظهور علم الأحياء بشكله الحالي حديثاً نسبيّاً، إلا أن العلوم التي تتضمنها الأحياء أو تتعلق فيها كانت تُدرس منذ العصور القديمة. فقد كانت الفلسفة الطبيعية تُدرس في بلاد الرافدين ومصر وشبه القارة الهندية والصين. بَيْد أنّ أصول علوم الأحياء الحديثة ومنهجها في دراسة الطبيعة تعود إلى اليونان القديمة. فكان أبقراط بمثابة مؤسس علم الطب، بالإضافة إلى مُساهمة أرسطو الكبيرة في تطوير علم الأحياء، حيث كان لكتبه التي أظهر فيها ميوله للطبيعة أهميةٌ خاصةٌ مثل كتاب «تاريخ الحيوانات»، تبع ذلك أعمالٌ أكثر تجريبية ركّزت على السببية البيولوجية وتنوع الحياة. كتب ثيوفراستوس بعد ذلك سلسلة من الكتب في علم النبات اعتُبرت الأهم من نوعها في هذا العلم في العصور القديمة حتى العصور الوسطى.

أسهم العلماء المسلمون كذلك إسهاماتٍ مُهمّةٍ في علم الأحياء، مثل الجاحظ، وأبو حنيفة الدينوري الذي كتب في علوم النباتات، وأبو بكر الرازي الذي كتب في علم التشريح وعلم وظائف الأعضاء. كما أولى المسلمون الطب اهتماماً خاصاً، فترجموا علوم اليونانيين وأضافوا إليها الكثير. أمّا إسهاماتهم في التاريخ الطبيعي فكانت مُعتمدةً بشكلٍ كبيرٍ على الفكر الأرسطي.

شجرة الحياة لإرنست هيكل (1879)

قفز علم الأحياء قفزةً كبيرةً عندما قام أنطوني فان ليفينهوك بتطوير المجهر، حيث أدى ذلك إلى اكتشاف الحيوانات المنوية والبكتيريا ومُختلف الكائنات المجهرية. كما لعب العالم الهولندي يان زفامردام دوراً محورياً في تطوير علم الحشرات وساعد في إرساء التقنيات الأساسية في الترشيح والتلوين المجهري. كما كان للتقدم في الدراسات المهاجرية أثرٌ عميقٌ في تفكير الأحيائيين، فأشار عددٌ من علماء الأحياء إلى الأهمية المركزية للخلية منذ مطلع القرن التاسع عشر. وفي عام 1838 بدأ العالمان شوان وشلايدن في تعزيز فكرة أنّ الوحدة الأساسية في الكائنات الحيَّة هي الخليَّة، وأنّ الخلايا مُنفردةً تملك خصائص الحياة، لكنهما عارضا فكرة أنّ جميع الخلايا تنتج من انقسام خلايا أخرى. لكن بفضل أعمال روبرت ريماك ورودولف فيرشو اتجه العلماء إلى قبول المبادئ الثلاثة السابقة بحلول عقد الستينيّات من القرن التاسع عشر، وهو ما عُرف فيما بعد بنظرية الخلية.

وفي الوقت ذاته كانت أهمية علم التصنيف في تزايدٍ مُستمرٍ وباتت موضع تركيز المؤرخين الطبيعيين. نشر لينيوس عام 1735 منهاجاً في مبادئ التصنيف للعالم الطبيعي، وما زالت بعض المبادئ التي جاء بها قيد الاستخدام مُنذ ذلك الحين. ثم أطلق لينيوس في مُنتصف القرن الثامن عشر أسماءً علميَّةً على جميع الأنواع. وفي القرن ذاته ظهر العالم الفرنسي جورج دي بوفون الذي أشار إلى إمكانيّة وجود سلف مشترك، وبالرغم من أنّه كان مُعارضاً لنظرية التطور، إلا أنه في الحقيقة كان شخصيةً محوريةً في تاريخ الفكر التطوري، حيث أثرت أعماله على النظريات التطورية التي جاء بها كُلٌ من جان باتيست لامارك وتشارلز داروين.

كانت بداية الأخذ بنظرية التطور على محمل الجد بعد صدور أعمال لامارك، الذي كان أول من قدّم نظريةً مُتماسكةً في التطور. افترض لامارك أنّ التطور كان نتيجةً للضغوط البيئية على خصائص الحيوانات، أي أنه كلما ازداد استخدام العضو والاعتماد عليه بات هذا العضو أكثر كفاءةً وتعقيداً، وبذلك يتمكّن الحيوان من التكيف مع بيئته. اعتقد لامارك أنّ هذه الصفات المُكتسبة يُمكن أن تنتقل عبر النَّسل، وبالتالي تتطور وتُصبح أكثر كمالاً. ظهر بعد ذلك العالم البريطاني تشارلز داروين الذي جمع بين النهج البيوجغرافي لألكسندر فون هومبولت، والنهج الجيولوجي المُنتظم الذي اتبعه تشارلز لايل، ونهج كتابات توماس مالتوس حول النمو السكاني، بالإضافة إلى خبرته الخاصة ومُلاحظاته للطبيعة، ليؤسس بذلك نظرية تطوريَّةً أكثر نجاحاً تستند إلى الانتقاء الطبيعي، وهي النتيجة نفسها التي توصل إليها ألفرد راسل والاس بشكل مُستقل بعد اتباعه ذات المنطق والأدلة. وعلى الرغم من أنّ هذا النظرية ما زالت موضعاً للجدل حتى الوقت الحاضر، إلا أنها سرعان ما انتشرت في الأوساط العلمية وباتت جزءاً مُهمّاً من علم الأحياء الحديث.

أشارت التجارب التي أجريت في مُنتصف القرن العشرين إلى كون الدي إن إيه مُكوّنٌ من كروموسومات تحمل الوحدات الحاملة للسمات، والتي عُرفت فيما بعد باسم الجينات. مثّل تركيز العلماء على إيجاد أنواع جديدة من الكائنات الحيَّة الدقيقة مثل الفيروسات والبكتيريا، وكذلك اكتشاف الهيكل الحلزوني المُزدوج للمادة الوراثية عام 1953، مثّل المرحلة الانتقالية لعصر علم الوراثة الجزيئي. وبات علم الأحياء مُمتداً في المجال الجُزيئي بشكلٍ واسع مُنذ الخمسينيّات وحتى الوقت الحاضر. تبع ذلك إطلاق مشروع الجينوم البشري عام 1990 بهدف معرفة الجينوم البشري بشكلٍ كامل. اكتمل هذا المشروع مبدئيّاً عام 2003، وما زالت تُنشر التحاليل المُتعلقة به حتى الوقت الحاضر. شكّل مشروع الجينوم البشري الخطوة الأولى في عولمة ودمج المعارف البشرية المُتراكمة في علم الأحياء للتوصل إلى تعريف وظيفي جُزيئي للجسم البشري وأجسام الكائنات الحيَّة الأخرى.

أسس علم الأحياء الحديث

نظرية الخلية

تنصُّ نظرية الخلية على أنّ الخليَّة هي وحدة الحياة الأساسيَّة، وأنّ جميع الكائنات الحيَّة تتكون من خلية واحدة أو أكثر أو من مواد تُفرز من تلك الخلايا (مثل الهياكل الخارجية). تنشأ جميع الخلايا من خلايا أخرى بواسطة عملية الانقسام الخلوي، حيث يعود أصل كل خلية في جسم الكائن الحي متعدد الخلايا من خلية واحدة في البيضة المُخصبة. وكذلك تُعد الخليَّة الوحدة الأساسية في العديد من العمليات المرضيَّة. ويتمّ انتقال الطاقة في الخلايا بوساطة عمليات تُشكّل جُزءاً من عملية التمثيل الغذائي. وأخيراً فإنّ الخلايا تحتوي على المعلومات الوراثية (DNA) التي يتم تمريرها من خلية إلى أخرى أثناء انقسام الخلية.

التطور

الانتقاء الطبيعي للبشرة الداكنة لمجموعة سكانية.

التطور هو أحد مفاهيم علم الأحياء الحديث، ويعني أنّ الحياة تتغير وتتطور، وأنّ أشكال الحياة المعروفة كافة تنحدر من سلف مشترك. حيث تفترض نظرية التطور أنّ جميع الكائنات الحيَّة على وجه الأرض سواءً كانت حيَّةً أو مُنقرضةً قد انحدرت من أصل مُشترك أو تجميعة جينية أولية. يُعتقد أنّ آخر سلف مُشترك لجميع الكائنات الحيَّة كان قد ظهر قبل حوالي 3.5 مليار عام. ويرى العلماء الداعمون لهذه النظرية أنّ تشارك الكائنات الحيَّة في الشفرة الجينية يُشكّل دليلاً حاسماً لصالح نظريتهم، بينما يرى المُعارضون لها عدم صحة العبارة وبالتالي فإنها لا تُشكل دليلاً داعماً للتطور.

أُدخل مُصطلح التطور إلى المعجم العلمي بوساطة العالم الفرنسي جان باتيست لامارك عام 1809، أما البداية الفعلية للنظرية فكانت على يد تشارلز داروين بعد ذلك بخمسين عاماً لتُصبح نموذجاً علمياً فعلياً، ويُعزى ذلك إلى توضيحه القوة أو الآلية الدافعة للتطور، وهي الانتقاء الطبيعي (كما يُعد ألفرد راسل والاس مُساهماً في اكتشاف هذا المفهوم، بالإضافة إلى مُساهمته بالأبحاث والتجارب المُتعلقة بالتطور). قال داروين في نظريته إنّ الأنواع والسلالات تتطور خلال عمليات الانتقاء الطبيعي والانتقاء الاصطناعي، بالإضافة إلى الانحراف الوراثي الذي شكّل آليةً تطوريةً أخرى في توليفة النظرية الحديثة.

يُطلق اسم علم الوراثة العرقي على التاريخ التطوري للأنواع الذي يصف خصائص الأنواع المُختلفة من الأصل الذي انحدرت منه، بالإضافة إلى علاقة النَّسب بين النوع والأنواع الأخرى. هناك العديد من الوسائل المُستخدمة في توليد المعلومات حول علم الوراثة العرقي. إحدى هذه الوسائل هي مُقارنة تسلسلات الدي إن إيه التي تتبع مجال علم الأحياء الجزيئي أو علم الجينوم. وسيلةٌ أخرى هي مُقارنة المستحاثات أو ما نملك من معلومات عن الكائنات القديمة في علم الأحياء القديمة.

علم الوراثة

المقالة الرئيسة: علم الوراثة

مربع بانيت يُظهر نواتج تلقيح نبتتي بازيلاء تحملان ألّيلين مُختلفين. يُشير B إلى لون الزهرة البنفسجي، بينما يُشير b إلى اللون الأبيض.

الجين هو الوحدة الأساسية للوراثة في جميع الكائنات الحيَّة ويُشكّل المنطقة التي تؤثر على شكل أو وظيفة الكائن الحي من المادة الوراثية. حيث أنّ جميع الكائنات الحيَّة من البكتيريا إلى الحيوانات تتشارك في نفس الآليات الأساسية المُتمثلة في نسخ وترجمة الدنا إلى بروتينات. تقوم الخلايا بنسخ جين الدنا إلى جين الرنا ثم يترجم الرايبوسوم الرنا إلى بروتين، وهو عبارةٌ عن سلسلة من الأحماض الأمينية. تتشارك مُعظم الكائنات الحيَّة في رمز الترجمة من الرنا إلى الأحماض الأمينية، ولكنها قد تكون مُختلفةً قليلاً في بعضها الآخر.

تكون الكروموسومات عادةً خطية الشكل في حقيقيات النوى ودائرية الشكل في بدائيات النوى. والكروموسوم هو تركيبٌ مُنظمٌ يتألف من الدنا والهستونات. وتُشكّل مجموعة الكرموسومات الموجودة في الخلية، بالإضافة إلى أية معلومات وراثية أخرى موجودة في الميتوكوندريا والبلاستيدات الخضراء أو أي مكان آخر، تُشكل مُجتمعةً ما يُعرف باسم الجينوم. توجد المعلومات الوراثية في حقيقيات النوى في نواة الخلية، بالإضافة إلى كميات أخرى صغيرة موجودة في الميتوكندريا والبلاستيدات الخضراء. أما في بدائيات النوى فتكون المادة الوراثية موجودةً في جسم غير مُنتظم الشكل يقع في السيتوبلازم يُسمّى بالنيوكليود. تكون معلومات الجينوم الوراثية موجودةً في الجينات، ويُسمّى مجموع هذه المعلومات في الكائن الحي بالنمط الجيني.

الاستتباب

الاستتباب هو قدرةُ النظام المفتوح على تنظيم بيئته الداخلية للحفاظ على ظروف مُستقرة عن طريق تحقيق توازن ديناميكي. وهو خاصيةٌ تظهر في جميع الكائنات الحيَّة سواءً كانت وحيدة الخلية أو مُتعددة الخلايا.

يجب على النظام أن يكون قادراً على الكشف عن الاضطرابات والرد عليها بشكل مُناسب للحفاظ على توازنه الديناميكي وأداء وظائفه بشكل فعّال. حيث يقوم النظام الحيوي عادةً بالاستجابة على الاضطرابات بعد كشفها من خلال الارتجاع السلبي، ممّا يُتيح له القدرة على الحفاظ على ظروف مُستقرة من خلال تخفيض أو زيادة نشاط أحد الأعضاء أو الأجهزة. ومن الأمثلة على ذلك انخفاض الغلوكاغون عندما تكون مُستويات السكر مُنخفضةً جداً.

الطاقة

نظرة مبدئية على دورة الطاقة في الإنسان.

يعتمد بقاء الكائن الحي على استمرار إمداده بالطاقة. ويتم الحصول على هذه الطاقة من المواد التي تُشكّل غذاء بوساطة تفاعلات كيميائية، وتُستغل هذه الطاقة في المُساعدة في تشكيل خلايا جديدة والمُحافظة عليها. تلعب جُزيئات المواد الكيميائية التي تُشكل غذاء الكائن الحي دورين خلال هذه العملية: الأول أنها تُشكل مصدراً للطاقة التي يحتاجها الجسم، والثاني هو تكوين تراكيب جزيئية تتألف من جزيئات حيويَّة.

تُعرف الكائنات الحيَّة التي تقوم بإنتاج الطاقة في النظام البيئي بالكائنات المُنتجة أو ذاتية التغذية. تُشكل الشمس مصدر الطاقة الأساسي لجميع الكائنات ذاتية التغذية تقريباً، حيث تستخدم الطاقة الشمسية في عملية تُعرف بعملية البناء الضوئي لتحويل المواد الخام إلى جزيئات عضوية مثل ثلاثي فوسفات الأدينوسين (ATP) يُمكن تحطيم روابطها لإطلاق الطاقة. بَيْد أنّ بعض الكائنات تعتمد كلياً على مصادر أخرى للطاقة غير الشمس مثل الميثان وأيونات الكبريت.

تُستغل بعض الطاقة في إنتاج الكتلة الحيوية لاستمرار الحياة وتوفير القدرة على النمو، بَيْد أنّ مُعظم الطاقة المُتبقيَّة تُفقد على شكل حرارة أو فضلات جُزيئية. أهم عمليات تحويل الطاقة الموجودة في المواد الكيميائية إلى طاقة مُفيدة للكائن الحي هي عملية التمثيل الضوئي وكذلك التنفس الخلوي.

الدراسات والبحوث

التركيبية

مُخطط لخلية حيوانية يُظهر عضياتها وتراكيبها المُختلفة.

يختص علم الأحياء الجزيئي بدراسة الأحياء على المُستوى الجُزيئي، ويتداخل هذا الفرع مع فروع أحيائيَّة أخرى، خصوصاً مع علم الوراثة والكيمياء الحيوية. تهتم الأحياء الجزيئية بصورة رئيسية بالتفاعلات بين النظم المُختلفة في الخلية، بما في ذلك العلاقات المُتبادلة بين الدنا والرنا ومعرفة كيف يتم تنظيم هذه التفاعلات.

يدرس علم الأحياء الخلوي الخصائص التركيبية والفسيولوجية للخلايا، بما في ذلك سلوكها وتفاعلاتها وبيئتها. تتم هذه الدراسة على الصعيدين المجهري والجزيئي في الكائنات وحيدة الخلية مثل البكتيريا، وكذلك في الخلايا المُتخصصة في الكائنات عديدة الخلايا مثل البشر. فهم بنية ووظيفة الخلايا هو أمرٌ أساسيٌّ في جميع العلوم الأحيائيَّة، ويهتم علم الأحياء الجزيئي بشكل خاص في أوجه الشَّبه والاختلاف بين أنواع الخلايا. بينما يهتم علم التشريح بدراسة التراكيب على مستوى أكبر مثل الأعضاء والأجهزة.

يدرس علم الوراثة الجينات والتوريث والتنوّع في الكائنات الحيَّة. تقوم الجينات بفك تشفير المعلومات اللازمة لتصنيع البروتينات، التي بدورها تلعب دوراً محورياً في التأثير على النمط الظاهري النهائي للكائن الحي. يوفر علم الوراثة الحديث أدواتٍ مُهمةٍ لمعرفة وظيفة جين مُعيَّن. تُحمل المعلومات الوراثية بشكل عام على الكروموسومات، حيث يتم تمثيلها في التركيب الكيميائي لجزيئات دنا مُعيَّنة.

يختص علم الأحياء التطوري بدراسة عملية نمو الكائنات الحيَّة وتطورها. تدرس الأحياء التطورية الحديثة التحكم الجيني في تكاثر الخلايا، والتمايز الخلوي، و«التخلق»، وهي العملية التي تؤدي تدريجياً إلى نشوء الأنسجة والأعضاء. ومن المُصطلحات المُتعلقة بالأحياء التطورية هو النموذج الحي الذي يُشير إلى الأنواع التي يتم دراستها بشكل مُكثف بغرض فهم ظاهرة بيولوجية مُعيَّنة، أي مُحاولة تعميم المعلومات المُكتشفة عن الكائن القابع تحت الدراسة على الكائنات الأخرى. ومن هذه النماذج الحيَّة الربداء الرشيقة، وسمكة زيبرا، وفأر المنازل، وغيرها.

الوظيفة

يدرس علم وظائف الأعضاء العمليات الميكانيكية والفيزيائية والكيميائية الحيوية للكائنات الحيَّة من خلال مُحاولة فهم كيفيَّة عمل تراكيب الجسم المُختلفة. تُقسم الدراسات المُتعلقة بهذا الفرع عادةً إلى فرعين ثانويين يختص أحدهما بالنباتات والآخر بالحيوانات، لكنّ بعض مبادئه تكون مُشتركةً بين جميع الكائنات الحيَّة. فما يدرسه علم وظائف الأعضاء على خلايا الخميرة مثلاً ينطبق أيضاً على الخلايا البشريَّة. تستمد الدراسات التي تجري على الحيوانات في هذا المجال أدواتها وأساليبها من تلك التي تُجرى على البشر، بينما تستمد الدراسات المُجرية على النباتات أساليبها من كلا المجاليْن السابقيْن.

متسويات التصنيف الحيوي.

تسلسل المراتب الثماني الرئيسية للتصنيف الحيوي. المنزلات التصنيفية الفرعية لا تظهر في الشكل.

يدرس علم وظائف الأعضاء على سبيل المثال كيفيَّة عمل الجهاز العصبي، والمناعي، والغدد الصماء، والتنفسي، والدوراني وترابطها مع بعضها البعض. يتشارك علم وظائف الأعضاء في دراسته لأجهزة الجسم مع فروع أخرى ذات علاقة بالطب مثل علم الأعصاب وعلم المناعة.

التطورية

تهتم الدراسات التطورية بأصول الأنواع، بالإضافة إلى تغيُّرها عبر الزمن، ويقوم بهذه الدراسات علماء من فروع أحيائيَّة تصنيفيَّة مُختلفة. حيث يكون لدى هؤلاء العلماء عادةً خبرةٌ في كائنات مُعيَّنة، مثل المُختصين في علم الثدييات وعلم الطيور، وعلم النبات، وعلم الزواحف والبرمائيات، لكنهم يستخدمون معرفتهم لهذه الكائنات في الإجابة على الأسئلة العامة حول التطور.

ترتكز الأحياء التطورية جُزئياً على علم الأحياء القديمة الذي يستخدم سجلات الأحافير للإجابة على الأسئلة المُتعلقة بوضع التطور ووتيرته، وكذلك على التطورات الحاصلة في المناطق مثل الوراثيات السكانية. كما أنّ هناك فروع أخرى ذات علاقة بالأحياء التطورية مثل علم الوراثة العرقي، وعلم النظاميات الحيوية، وعلم التصنيف.

التنظيمية

يؤدي حدوث ما يُعرف بالانتواع إلى تكوين شجرة من العلاقات بين الأنواع. يتمثل دور النظاميات في دراسة هذه العلاقات من حيث الاختلافات والتشابهات فيما بينها، علماً بأنّ النظاميات كانت مجالاً خصباً للدراسات قبل فترة طويلة من نشوء الفكر التطوري.

عادةً ما يتم تقسيم الكائنات الحيَّة إلى خمس ممالك: البدائيات، والطلائعيات، والفطريات، والنباتات، والحيوانات. بَيْد أنّ العديد من العلماء باتوا ينظرون إلى هذا التقسيم على أنّه تقسيمٌ عفا عليه الزمن. أمّا التصانيف البديلة الحديثة فإنها غالباً ما تبتدئ بثلاثة نطاقات: العتائق، والبكتيريا، وحقيقيات النوى (التي تشمل الطلائعيات والفطريات والنباتات والحيوانات). تُعبر هذه النطاقات عن امتلاك الخلايا للأنوية من عدمه، بالإضافة إلى الاختلافات في التركيب الكيميائي للجزيئات الحيوية الأساسية مثل الريبوسومات. وعلاوةً على ذلك تُقسم كل مملكة إلى أقسام تُقسم بدورها إلى أقسام أخرى بترتيبٍ مُعيَّن حتى يتم تصنيف كل نوع على حدة. والترتيب هو: نطاق، مملكة، شعبة، طائفة، رتبة، فصيلة، جنس، نوع.

وبالإضافة إلى هذه الفئات فإنّ هناك الطفيليات إجبارية الوجود داخل الخلايا التي تُصنف على أنها «على حافة الحياة» من حيث النشاط الأيضي، أي أنّ العديد من العلماء لا يصنفونها على أنها كائنات حيَّة نظراً لافتقارها لواحدة أو أكثر من الوظائف الأساسية أو الخصائص التي يتميز بها أي كائن حي. تُقسم هذه الطفيليات إلى فيروسات، وأشباه فيروسات، وبريونات، وتوابع.

البيئية

تتعايش سمكة المهرج مع شقائق نعمان البحر، حيث تندس السمكة بين لوامس شقائق النعمان السامة التي تحميها من أعدائها ولا تؤثر فيها، وفي الوقت ذاته تحمي السمكة الشقائق من الأسماك التي تحاول افتراسه.

يدرس علم البيئة توزيع ووفرة الكائنات الحيَّة، وتفاعل هذه الكائنات مع بيئتها. يُمكن اعتبار موطن الكائن الحي على أنه العوامل اللاحيوية المحلية مثل المناخ، بالإضافة إلى الكائنات الحيَّة الأخرى والعوامل الحيوية التي تُشاركه بيئته. يصعب دراسة هذه الأنظمة البيولوجية بسبب التباين الكبير في التفاعلات التي يُمكن أن تُجرى بين الكائنات الحيَّة المُختلفة، وحتى الكائنات الدقيقة. فالبكتيريا المجهرية على سبيل المثال تستجيب لبيئتها بقدر ما يستجيب الأسد الباحث عن طعامه في السافانا الأفريقية. يختلف سلوك الكائنات الحيَّة من حالةٍ إلى أخرى، فقد يكون سلوكاً تعاونياً أو تنافسياً أو تطفلياً أو تعايشياً. وتصبح الأمور أكثر تعقيداً عندما يتفاعل نوعين أو أكثر في نظام بيئي.

يُدرس علم البيئة على مُستويات عديدة مُختلفة، من الأفراد إلى الجماعات إلى الأنظمة البيئية والغلاف الحيوي. يُستخدم مُصطلح علم الأحياء التجمعي عادةً لنفس الدلالة التي يُشير إليها علم البيئة التجمعي، بَيْد أنّ علم الأحياء التجمعي أكثر استخداماً عندما يكون مجال الدراسة مُتعلقاً بالأمراض، أو الفيروسات، أو الميكروبات، في حين أنّ علم البيئة التجمعي أكثر شيوعاً عندما تكون النباتات والحيوانات محور الدراسة. ويندرج تحت علم البيئة العديد من التخصصات الفرعية.

تدرس الإيثولوجيا أو علم السلوك الحيواني سلوك الحيوانات المُختلفة (لا سيما الحيوانات الاجتماعية مثل الرئيسيات والكلبيات)، ويُعد في بعض الأحيان فرعاً من فروع علم الحيوان. يهتم علماء السلوك الحيواني بوجه خاص بتطور السلوك ومفهوم السلوك من وجهة نظر نظرية الانتقاء الطبيعي. أي أنّ تشارلز داروين بطريقة أو بأخرى كان أول عالم سلوك حيواني، حيث ألهم كتابه «التعبير عن العواطف عند الإنسان والحيوانات» العديد من علماء السلوك الحيواني فيما بعد.

أما علم الجغرافيا الحيوية فيدرس التوزيع المكاني للكائنات الحيَّة على الأرض مُتضمناً في دراسته العديد من المواضيع مثل الصفائح التكتونية، وتغير المناخ، وهجرة الحيوانات.

فروع علم الأحياء

رسم تشريحي لعضلات الحصان من مصر يرجع للقرن الخامس عشر الميلادي.

هذه هي أهم فروع علم الأحياء الأساسية:

علم الزراعة الذي يدرس إنتاج المحاصيل الزراعية وتربية المواشي، مع التركيز على التطبيقات العملية.

علم التشريح الذي يدرس الشكل والوظيفة في الكائنات الحيَّة سواءً كانت نباتات أو حيوانات، ويدرس البشر على وجه التحديد.

علم الأنسجة الذي يدرس الخلايا والأنسجة، وهو فرع مجهري لعلم التشريح.

علم الأحياء الفلكي الذي يدرس التطور والتوزيع ومُستقبل الحياة على الكون.

الكيمياء الحيوية التي تدرس التفاعلات الكيميائية اللازمة لنشوء الحياة وبقائها واستمرارها، وعادةً ما يكون التركيز على المُستوى الخلوي.

الهندسة الحيوية، وهي دراسة الأحياء بوسائل هندسية مع التركيز على المعرفة التطبيقية وخصوصاً تلك المُتعلقة بالتكنولوجيا الحيوية.

الجغرافيا الحيوية، وهي دراسة توزيع الأنواع مكانياً وزمانياً.

المعلوماتية الحيوية المُتمثلة في استخدام تكنولوجيا المعلومات لدراسة وجمع وتخزين البيانات الجينومية وغيرها من البيانات البيولوجية.

علم الأحياء الرياضي، وهو الدراسة الكمية أو الرياضية للعمليات البيولوجية، مع التركيز على النمذجة.

الميكانيكا الحيوية، غالباً ما تُعد فرعاً من فروع الطب، وهي دراسة ميكانيكا الكائنات الحيَّة مع التركيز على الاستخدامات التطبيقية.

علم الصيدلة، وهو دراسة تحضير واستخدام وآثار العقاقير والأدوية الصناعية.

الفيزياء الحيوية، وهي دراسة العمليات البيولوجية من وجهة نظر فيزيائية من خلال تطبيق النظريات والأساليب المُستخدمة في العلوم الفيزيائية.

التقانة الحيوية، وهي تطبيق المعلومات المتعلقة بالمنظومات الحية بهدف استعمال هذه المنظومات أو مكوناتها في الأغراض الصناعية.

علم النبات الذي يختص بدراسة النباتات بمُختلف أنواعها.

علم الأحياء الخلوي الذي يدرس الخلية كوحدة كاملة، وكذلك يدرس التفاعلات الجزيئية والكيميائية التي تحدث داخل الخلية الحيَّة.

علم حفظ الأحياء الذي يدرس كيفية حفظ وحماية واستعادة البيئة الطبيعية، والأنظمة البيئية الطبيعية، والغطاء النباتي، والحياة البرية.

علم الحياة التقريسي، وهو العلم الذي يدرس تأثير درجات الحرارة المُنخفضة على الكائنات الحيَّة.

علم الأحياء النمائي، وهو العلم الذي يختص بدراسة العملية التي ينمو ويتشكل ويتطور بها الكائن الحي في مراحل نموه.

علم الأجنة الذي يدرس مراحل نمو الجنين مُنذ الإخصاب وحتى الولادة.

علم البيئة، وهو العلم الذي يدرس تفاعلات الكائنات الحيَّة مع بعضها البعض ومع العناصر غير الحيَّة في بيئتها.

علم البيئة التجمعي الذي يدرس تحركات تجمعات الأنواع وكيفية تفاعل هذه التجمعات مع بيئتها.

علم الوبائيات الذي يُشكل عنصراً رئيسياً في مجال البحوث الصحية العامة، حيث يدرس العوامل التي تؤثر على صحة السكان.

علم الأحياء التطوري الذي يدرس أصل الأنواع على مر الزمن.

علم الوراثة الذي يهتم بدراسة الجينات والوراثة.

علم الوراثة اللاجيني هو العلم الذي يدرس التغيرات الوراثية في التعبير الجيني أو النمط الظاهري الخلوي، والتي تنتج عن آليات أخرى غير التغيرات التي تحدث في تسلسل الدنا.

علم الوراثيات السكانية الذي يدرس تغيرات تكرار مُختلف صيغ الجينات مع مرور الوقت في تجمعات لكائنات حيَّة.

جنين إنساني عمره 8- 9 أسابيع.

علم الدم هو العلم الذي يدرس الدم والأعضاء التي يتكون فيها والأمراض المختلفة التي تصيبه.

علم المسطحات المائية الداخلية هو العلم الذي يدرس هذه المسطحات حيوياً وكيميائياً وفيزيائياً وجيولوجياً.

علم الأحياء البحرية هو العلم الذي يدرس الأنظمة البيئية في المُحيطات، وكذلك يدرس النباتات والحيوانات والكائنات الحيَّة الأخرى التي تعيش في المُسطحات المائية.

علم الأحياء الدقيقة هو العلم الذي يدرس الكائنات الحيَّة المجهرية وتفاعلها مع الكائنات الحيَّة الأخرى.

علم الطفيليات الذي يدرس الطفيليات والتطفل.

علم الفيروسات، وهو العلم المُختص بدراسة الفيروسات والأجسام الشبيهة بالفيروسات.

علم الأحياء الجزيئي الذي يدرس الأحياء والوظائف البيولوجية على المُستوى الجزيئي، ويتداخل في بعض مجالاته مع الكيمياء الحيوية.

علم الفطريات الذي يدرس الفطريات بأنواعها المُختلفة.

علم الأعصاب، وهو دراسة الجهاز العصبي بما في ذلك تشريحه ووظائفه وأمراضه.

علم الأحياء القديمة الذي يدرس المستحاثات، وفي بعض الأحيان يدرس الأدلة الجغرافية على الحياة ما قبل التاريخ.

علم الأمراض الذي يدرس الأمراض وأسبابها وطبيعتها وتطورها.

علم وظائف الأعضاء هو العلم الذي يدرس أداء الكائنات الحيَّة وأعضائها وأجزائها.

علم أمراض النبات الذي يدرس أمراض النباتات المُختلفة سواءً كان مُسببها كائنٌ مُعدٍ أو عوامل بيئية.

علم النفس الحيوي الذي يدرس الأسس البيولوجية في علم النفس.

علم الاجتماع الحيوي الذي يدرس الأسس البيولوجية في علم الاجتماع

علم الحيوان هو العلم الذي يُعنى بدراسة الحيوانات بما في ذلك تصنيفها، ووظائف أعضائها، ونموها، وسلوكها. ويتفرع علم الحيوان إلى فروع عديدة، منها: علم السلوك الحيواني، وعلم الحشرات، وعلم الزواحف والبرمائيات، وعلم الأسماك، وعلم الثدييات، وعلم الطيور.

علم الأحياء - ويكيبيديا

ar.wikipedia.org

وبالطبع لا يمكن دراسة علم الاحياء وحده دون اكمال ثلاثية العلوم الطبيعية بالكيمياء والفيزياء ..

كيمياء - ويكيبيديا

ar.wikipedia.org

Chemistry - Wikipedia

en.wikipedia.org

فيزياء - ويكيبيديا

ar.wikipedia.org

Physics - Wikipedia

en.wikipedia.org

نظرية الانفجار الكبير - فيزياء وفلك وفيزياء فلكية وكونية

الجدول الدورى - كيمياء

بعض ادوات المعمل الكيميائية الزجاجية

المجهر او الميكروسكوب - اعتبره رمزا من رموز علم الاحياء