Biyoloji

Biyologlar, bir hücrenin moleküler biyolojisinden bitki ve hayvanların anatomi ve fizyolojisine ve popülasyonların evrimine kadar yaşamı çoklu organizasyon seviyelerinde inceleyebilirler. Bu nedenle, biyoloji içinde her biri araştırma sorularının doğası ve kullandıkları araçlarla tanımlanan çok sayıda alt disiplin vardır. Diğer bilim insanları gibi biyologlar da gözlem yapmak, sorular sormak, hipotezler üretmek, deneyler yapmak ve çevrelerindeki dünya hakkında sonuçlar çıkarmak için bilimsel yöntemi kullanırlar.

Dünya üzerinde 3,7 milyar yıldan daha uzun bir süre önce ortaya çıkan yaşam son derece çeşitlidir. Biyologlar, arkea ve bakteriler gibi prokaryotik organizmalardan protistler, mantarlar, bitkiler ve hayvanlar gibi ökaryotik organizmalara kadar çeşitli yaşam biçimlerini incelemeye ve sınıflandırmaya çalışmışlardır. Bu çeşitli organizmalar, biyofiziksel çevreleri aracılığıyla besin ve enerji döngüsünde özel roller oynadıkları bir ekosistemin biyolojik çeşitliliğine katkıda bulunurlar.

Etimoloji

Biyoloji sözcüğü, Antik Yunancada "yaşam" anlamına gelen "βίος" sözcüğü ve eklendiği sözcüğe "çalışma alanı, disiplini" anlamını katan "-λογία" son ekinin bir araya gelmesiyle oluşmuştur. Türkçeye ise Fransızca "biologie" sözcüğünden geçmiştir.

Tarih

Tıbbı da içeren bilimin en eski kökleri MÖ 3000 ila 1200 yıllarında Antik Mısır ve Mezopotamya'ya kadar uzanmaktadır. Onların katkıları antik Yunan doğa felsefesini biçimlendirmiştir. Aristoteles (MÖ 384-322) gibi Antik Yunan filozofları biyolojik bilginin gelişimine büyük katkıda bulunmuşlardır. Biyolojik nedenselliği ve yaşamın çeşitliliğini araştırmıştır. Sonra gelen Theophrastus, bitkilerin bilimsel olarak incelenmesine başlamıştır. Orta Çağ İslam dünyasında biyoloji üzerine yazan bilimle uğraşanlar arasında Cahiz (781-869), botanik üzerine yazan Dîneverî (828-896) ve anatomi ve fizyoloji üzerine yazan Razi (865-925) yer alır. Tıp özellikle Yunan filozof geleneğinde çalışan İslam bilginleri tarafından iyi çalışılmış, doğa tarihi ise büyük ölçüde Aristotelesçi düşünceye dayanmıştır.

Anton van Leeuwenhoek'un mikroskobu dramatik bir biçimde geliştirmesiyle biyoloji hızla gelişmeye başladı. O zaman bilim insanları spermatozoa, bakteri, infusoria ve mikroskobik yaşamın çeşitliliğini keşfettiler. Jan Swammerdam'ın araştırmaları entomolojiye yeni bir ilgi duyulmasına yol açtı ve mikroskobik diseksiyon ve boyama tekniklerinin geliştirilmesine yardımcı oldu. Mikroskopideki gelişmelerin biyolojik düşünce üzerinde derin bir etkisi olmuştur. 19. yüzyılın başlarında biyologlar hücrenin merkezi önemine işaret ettiler. 1838'de Schleiden ve Schwann, (1) organizmaların temel biriminin hücre olduğu ve (2) tek tek hücrelerin yaşamın tüm özelliklerine sahip olduğu yönündeki evrensel düşünceleri desteklemeye başladılar, ancak (3) tüm hücrelerin diğer hücrelerin bölünmesinden oluştuğu düşüncesine karşı çıkarak kendiliğinden oluşumu desteklemeyi sürdürdüler. Ancak Robert Remak ve Rudolf Virchow üçüncü ilkeyi somutlaştırmayı başardılar ve 1860'lara gelindiğinde biyologların çoğu hücre teorisinde birleşen üç ilkeyi de kabul etti.

Bu arada, taksonomi ve sınıflandırma doğa tarihçilerinin odak noktası haline geldi. Carl Linnaeus 1735 yılında doğal dünya için temel bir taksonomi yayınladı ve 1750'lerde tüm türler için bilimsel isimler ortaya koydu. Georges-Louis Leclerc, türleri yapay kategoriler, canlı formları ise biçimlendirilebilir olarak ele aldı, üstelik ortak soy olasılığını öne sürdü.

Ciddi evrimsel düşünce, tutarlı bir evrim teorisi sunan Jean-Baptiste Lamarck'ın çalışmalarıyla ortaya çıkmıştır. İngiliz doğa bilimci Charles Darwin, Humboldt'un biyocoğrafi yaklaşımını, Lyell'in tekdüze jeolojisini, Malthus'un nüfus artışı üzerine yazılarını ve kendi morfolojik uzmanlığı ile kapsamlı doğa gözlemlerini birleştirerek doğal seçilime dayalı daha başarılı bir evrim teorisi oluşturdu; benzer akıl yürütme ve kanıtlar Alfred Russel Wallace'ın bağımsız olarak aynı sonuçlara ulaşmasını sağladı.

Modern genetiğin temeli 1865 yılında Gregor Mendel'in çalışmalarıyla başlamıştır. Bu çalışma biyolojik kalıtımın ilkelerini ana hatlarıyla ortaya koymuştur. Ancak Mendel'in çalışmalarının önemi, modern sentezin, Darwinci evrim ile klasik genetiği uzlaştırmasıyla evrimin birleşik bir teori haline geldiği 20. yüzyılın başlarına kadar anlaşılamamıştır. 1940'larda ve 1950'lerin başında Alfred Hershey ve Martha Chase tarafından yapılan bir dizi deney, genler olarak bilinen özellik taşıyıcı birimleri barındıran kromozomların bileşeni olarak DNA'ya işaret etti. James Watson ve Francis Crick'in 1953'te DNA'nın çift sarmal yapısını keşfetmesiyle birlikte virüsler ve bakteriler gibi yeni model organizma türlerine odaklanılması, moleküler genetik çağına geçişi işaret etmiştir. 1950'lerden itibaren biyoloji, moleküler alanda büyük ölçüde genişlemiştir. DNA'nın kodonlar içerdiği anlaşıldıktan sonra genetik kod Har Gobind Khorana, Robert W. Holley ve Marshall Warren Nirenberg tarafından kırılmıştır. İnsan Genom Projesi 1990 yılında insan genomunun haritasını çıkarmak için başlatıldı.

Atomlar ve moleküller

Tüm organizmalar kimyasal elementlerden oluşur; oksijen, karbon, hidrojen ve azot tüm organizmaların kütlesinin çoğunu (%96), kalsiyum, fosfor, kükürt, sodyum, klor ve magnezyum ise geri kalanının tümünü oluşturur. Değişik elementler birleşerek yaşam için temel olan su gibi bileşikler oluşturabilir. Biyokimya, canlı organizmalar içindeki ve bunlarla ilgili kimyasal süreçlerin incelenmesidir. Moleküler biyoloji, moleküler sentez, modifikasyon, mekanizmalar ve etkileşimler de olmak üzere hücreler içindeki ve arasındaki biyolojik aktivitenin moleküler temelini anlamaya çalışan biyoloji dalıdır.

Su

Yaşam, yaklaşık 3,8 milyar yıl önce oluşan Dünya'nın ilk okyanusundan ortaya çıktı. O zamandan beri su, her organizmada en çok bulunan molekül olmaya devam etmektedir. Su, sulu bir çözelti oluşturmak için sodyum ve klorür iyonları veya diğer küçük moleküller gibi çözünen maddeleri çözebilen etkili bir çözücü olduğu için yaşam için önemlidir. Suda çözündükten sonra, bu çözünen maddelerin birbirleriyle temas etme olasılığı daha yüksektir ve bu nedenle yaşamı sürdüren kimyasal reaksiyonlarda yer alırlar. Moleküler yapısı bakımından su, iki hidrojen (H) atomunun bir oksijen (O) atomuna (H₂O) polar kovalent bağlarla bağlanmasıyla oluşan bükülmüş bir şekle sahip küçük bir polar moleküldür. O-H bağları polar olduğundan, oksijen atomu hafif bir negatif yüke ve iki hidrojen atomu hafif bir pozitif yüke sahiptir. Suyun bu polar özelliği, hidrojen bağları yoluyla diğer su moleküllerini çekmesini sağlar ve bu da suyu kohezyon hale getirir. Yüzey gerilimi, sıvı yüzeyindeki moleküller arasındaki çekimden kaynaklanan kohezif kuvvetten kaynaklanır. Su aynı zamanda polar veya yüklü su dışı moleküllerin yüzeyine yapışabildiği için adeziftir. Su, sıvı olarak katı (veya buz) olduğundan daha yoğundur. Suyun bu benzersiz özelliği, buzun göletler, göller ve okyanuslar gibi sıvı suyun üzerinde yüzmesine ve böylece aşağıdaki sıvıyı yukarıdaki soğuk havadan yalıtmasına olanak tanır. Su, etanol gibi diğer çözücülerden daha yüksek bir özgül ısı kapasitesi sağlayarak enerjiyi emme kapasitesine sahiptir. Bu nedenle sıvı suyu, su buharına dönüştürmek üzere su molekülleri arasındaki hidrojen bağlarını kırmak için büyük miktarda enerjiye ihtiyaç vardır. Bir molekül olarak su tamamen kararlı değildir, çünkü her bir su molekülü tekrar bir su molekülüne dönüşmeden önce sürekli olarak hidrojen ve hidroksil iyonlarına ayrışır. Saf suda, hidrojen iyonlarının sayısı hidroksil iyonlarının sayısını dengeler (veya eşitler), bu da pH'ın nötr olmasıyla sonuçlanır.

Organik bileşikler

Organik bileşikler, hidrojen gibi başka bir elemente bağlı karbon içeren moleküllerdir. Su haricinde, her organizmayı oluşturan neredeyse bütün moleküller karbon içerir. Karbon, diğer dört atomla kovalent bağlar oluşturabilir ve bu da çeşitli, büyük ve karmaşık moleküller oluşturmasını sağlar. Örneğin, tek bir karbon atomu metanda olduğu gibi dört tek kovalent bağ, karbondioksitte (CO₂) olduğu gibi iki adet ikili kovalent bağ veya karbonmonoksitte (CO) olduğu gibi üçlü kovalent bağ oluşturabilir. Ayrıca karbon, oktan gibi birbirine bağlı karbon-karbon bağlarından oluşan çok uzun zincirler veya glukoz gibi halka benzeri yapılar oluşturabilir.

Organik bir molekülün en basit şekli, bir karbon atomu zincirine bağlanmış hidrojen atomlarından oluşan geniş bir organik bileşik ailesi olan hidrokarbondur. Bir hidrokarbon omurgası, oksijen (O), hidrojen (H), fosfor (P) ve kükürt (S) gibi diğer elementlerle ikame edilebilir ve bu da o bileşiğin kimyasal davranışını değiştirebilir. Bu elementleri (O-, H-, P- ve S-) içeren ve merkezi bir karbon atomuna veya iskeletine bağlanmış atom gruplarına fonksiyonel gruplar denir. Organizmalarda bulunabilen altı önemli fonksiyonel grup vardır: amino grubu, karboksil grubu, karbonil grubu, hidroksil grubu, fosfat grubu ve sülfhidril grubu.

1953 yılında Miller-Urey deneyi, organik bileşiklerin Dünya'nın erken dönemlerindeki koşulları taklit eden kapalı bir sistem içinde abiyotik olarak sentezlenebileceğini göstermiş, böylece karmaşık organik moleküllerin Dünya'nın erken dönemlerinde kendiliğinden ortaya çıkmış olabileceğini öne sürmüştür (bkz. abiyogenez).

Makromoleküller

Makromoleküller, daha küçük alt birimlerden veya monomerlerden oluşan büyük moleküllerdir. Monomerler; şekerler, amino asitler ve nükleotitleri içerir. Karbonhidratlar, şekerlerin monomerlerini ve polimerlerini içerir. Lipitler, polimerlerden oluşmayan tek makromolekül sınıfıdır. Büyük ölçüde polar olmayan ve hidrofobik (su itici) maddeler olan steroidleri, fosfolipitleri ve yağları içerir. Proteinler makromoleküllerin en çeşitlisidir. Enzimleri, taşıma proteinlerini, büyük sinyal moleküllerini, antikorları ve yapısal proteinleri içerirler. Bir proteinin temel birimi (veya monomeri) bir amino asittir. Proteinlerde yirmi amino asit kullanılır. Nükleik asitler, nükleotit polimerleridir. İşlevleri kalıtsal bilgiyi depolamak, iletmek ve ifade etmektir.

Hücreler

Hücre teorisi, hücrelerin yaşamın temel birimleri olduğunu, tüm canlıların bir veya daha fazla hücreden oluştuğunu ve tüm hücrelerin hücre bölünmesi yoluyla önceden var olan hücrelerden meydana geldiğini belirtir. Çoğu hücre çok küçüktür, çapları 1 ile 100 mikrometre arasında değişir ve bu nedenle yalnızca ışık veya elektron mikroskobu altında görülebilir. Genel olarak iki tür hücre vardır: çekirdek içeren ökaryotik hücreler ve çekirdek içermeyen prokaryotik hücreler. Prokaryotlar bakteri gibi tek hücreli organizmalardır, ökaryotlar ise tek hücreli veya çok hücreli olabilir. Çok hücreli organizmalarda, organizmanın vücudundaki her hücre nihayetinde döllenmiş bir yumurtadaki tek bir hücreden türemiştir.

Hücre yapısı

Her hücre, sitoplazmasını hücre dışı boşluktan ayıran bir hücre zarı içinde yer alır. Bir hücre zarı, çeşitli sıcaklıklarda akışkanlıklarını korumak için fosfolipitler arasında yer alan kolesteroller de dahil olmak üzere çift katlı lipit katmanından oluşur. Hücre zarları yarı geçirgendir; oksijen, karbondioksit ve su gibi küçük moleküllerin geçmesine izin verirken daha büyük moleküllerin ve iyonlar gibi yüklü parçacıkların hareketini kısıtlar. Hücre zarları ayrıca, zar taşıyıcıları olarak hizmet eden zar boyunca giden integral zar proteinleri ve hücre zarının dış tarafına gevşek bir şekilde bağlanan ve hücreyi şekillendiren enzimler olarak hareket eden periferik proteinler de dahil olmak üzere zar proteinleri içerir. Hücre zarları hücre adezyonu, elektrik enerjisinin depolanması ve hücre sinyalizasyonu gibi çeşitli hücresel süreçlerde yer alır ve hücre duvarı, glikokaliks ve hücre iskeleti gibi çeşitli hücre dışı ve içi yapılar için bağlantı yüzeyi görevi görür.

Bir hücrenin sitoplazması içinde proteinler ve nükleik asitler gibi birçok biyomolekül bulunur. Biyomoleküllere ek olarak, ökaryotik hücreler, kendi lipit çift tabakalarına sahip olan veya uzamsal olarak birimler olan organel adı verilen özel yapılara sahiptir. Bu organeller, hücrenin DNA'sının çoğunu içeren hücre çekirdeğini veya hücresel süreçlere güç sağlamak için adenozin trifosfat (ATP) üreten mitokondriyi içerir. Endoplazmik retikulum ve Golgi aygıtı gibi diğer organeller sırasıyla proteinlerin sentezinde ve paketlenmesinde rol oynar. Proteinler gibi biyomoleküller, bir başka özelleşmiş organel olan lizozomlar tarafından yutulabilir. Bitki hücreleri, bitki hücresine destek sağlayan bir hücre duvarı, şeker üretmek için güneş ışığı enerjisini toplayan kloroplastlar ve bitki tohumlarının çoğaltılması ve parçalanmasında yer almanın yanı sıra depolama ve yapısal destek sağlayan kofullar gibi onları hayvan hücrelerinden ayıran ek organellere sahiptir. Ökaryotik hücreler ayrıca mikrotübüller, ara filamentler ve mikrofilamentlerden oluşan hücre iskeletine sahiptir; bunların tümü hücreye destek sağlar ve hücre ile organellerinin hareketinde rol oynar. Yapısal bileşimleri açısından mikrotübüller tübülinden (örneğin α-tubulin ve β-tubulin) oluşurken ara filamentler fibröz proteinlerden oluşur. Mikrofilamentler, diğer protein iplikleriyle etkileşime giren aktin moleküllerinden oluşur.

Metabolizma

Tüm hücreler, hücresel süreçleri sürdürebilmek için enerjiye ihtiyaç duyar. Metabolizma, bir organizmadaki kimyasal reaksiyonlar bütünüdür. Metabolizmanın üç ana amacı şunlardır: hücresel süreçleri yürütmek için gıdanın enerjiye dönüştürülmesi; gıda/yakıtın monomer yapı taşlarına dönüştürülmesi; ve metabolik atıkların ortadan kaldırılması. Enzim katalizli bu reaksiyonlar organizmaların büyümesini ve çoğalmasını, yapılarını korumasını ve çevrelerine tepki vermesini sağlar. Metabolik reaksiyonlar katabolik - bileşiklerin parçalanması (örneğin, glikozun hücresel solunumla piruvata parçalanması); veya anabolik - bileşiklerin oluşturulması (sentez) (proteinler, karbonhidratlar, lipitler ve nükleik asitler gibi) olarak kategorize edilebilir. Genellikle katabolizma enerji açığa çıkarır ve anabolizma enerji tüketir. Metabolizmanın kimyasal reaksiyonları, bir kimyasalın bir dizi adımla başka bir kimyasala dönüştürüldüğü ve her adımın belirli bir enzim tarafından kolaylaştırıldığı metabolik yollar halinde düzenlenir. Enzimler metabolizma için çok önemlidir, çünkü organizmaların enerji gerektiren ve kendiliğinden gerçekleşmeyecek reaksiyonları, enerji açığa çıkaran spontane reaksiyonlara bağlayarak yürütmelerini sağlarlar. Enzimler, reaktanları ürünlere dönüştürmek için gereken aktivasyon enerjisi miktarını azaltarak katalizör görevi görürler - bir reaksiyonun daha hızlı ilerlemesini sağlarlar. Enzimler ayrıca, örneğin hücrenin çevresindeki değişikliklere veya diğer hücrelerden gelen sinyallere yanıt olarak bir metabolik reaksiyonun hızının düzenlenmesine de izin verir.

Hücresel solunum

Hücresel solunum, besinlerden gelen kimyasal enerjiyi adenozin trifosfata (ATP) dönüştürmek ve ardından atık ürünleri serbest bırakmak için hücrelerde gerçekleşen bir dizi metabolik reaksiyon ve süreçtir. Solunumda yer alan reaksiyonlar, büyük molekülleri daha küçük moleküllere ayırarak enerji açığa çıkaran katabolik reaksiyonlardır. Solunum, bir hücrenin hücresel aktiviteyi beslemek için kimyasal enerji açığa çıkarmasının temel yollarından biridir. Genel reaksiyon, bazıları redoks reaksiyonları olan bir dizi biyokimyasal adımda gerçekleşir. Hücresel solunum teknik olarak bir yanma reaksiyonu olsa da bir dizi reaksiyondan yavaş ve kontrollü enerji salınımı nedeniyle bir hücrede gerçekleştiğinde açıkça bir yanma reaksiyonuna benzemez.