המילה ביולוגיה היא הלחם בין המילים היווניות "ביוס" (βίος) שמשמעותה חיים, ו-"לוגיה" (λογία) שמשמעותה "תורה". המילה ביולוגיה במובנה המודרני הוצגה כמושג עצמאי לראשונה בתחילת המאה ה-19 על ידי גוטפריד ריינהולד טרוויראנוס ועל ידי ז'אן-בטיסט דה לאמארק. המילה עצמה נטבעה ב-1800 על ידי קארל פרידריך בורדאך, אך היא מופיעה גם מספר שנים קודם לכן בספרו של קארולוס ליניאוס "Bibliotheca botanica" משנת 1736 ובכותרת הכרך השלישי של "Philosophiae naturalis sive physicae dogmaticae: Geologia, biologia, phytologia generalis et dendrologia" מאת מייקל כריסטוף חנוב, שפורסם ב-1766.
עקרונות הביולוגיה.
ביולוגיה היא ענף מדע המבוסס על עקרונות השיטה המדעית. כשאר ענפי המדע, מבוססת הביולוגיה על תצפיות וניסויים, שבעזרתם מתפתחות תאוריות מורכבות ותחזיות לתופעות שלא נצפו עדיין. לצורך ניתוח של מערכות ביולוגיות יש להשתמש במקרים מסוימים בשיטות סטטיסטיות ובשיטות מתמטיות אחרות, אך לעומת תחומי מדע אחרים כמו פיזיקה, רווחים בביולוגיה גם תיאורים לא-מתמטיים למצבים שונים.
מדעי הביולוגיה מאופיינים על ידי מספר עקרונות ותפיסות-על:
אחידות.
למרות השוני העצום במראה, בסביבת חיים ובהתנהגות של אורגניזמים, עיקרון יסודי של הביולוגיה הוא שכל צורות החיים חולקות עקרונות חיים בסיסיים משותפים. כל החיים המוכרים לנו מושתתים על ביולוגיה מבוססת-פחמן - שלדיהן של התרכובות המרכיבות כל יצור חי מורכבים מאטומי פחמן. מים הם הממס הבסיסי בכל צורות החיים הידועות, ובו מתקיימות פעילויות החיים. בנוסף, כל האורגניזמים הארציים משתמשים בחומצות גרעין - DNA ו-RNA - לנשיאת המידע התורשתי שלהם והעברתו מדור לדור. בעוד כל אלו נכונים לצורות החיים שנצפו בכדור הארץ, עקרונית ייתכנו צורות חיים אחרות, וישנם מדענים שאכן מחפשים ביוכימיה אלטרנטיבית.
החיים מוגדרים כיום על פי מקבץ קריטריונים שעל גוף למלא כדי להיחשב חי, וממילא הם מאפייניו הבסיסיים של כל יצור חי:
נגיפים נחשבו בעבר כיצורים חיים חסרי תאים. התייחסות זו איננה מקובלת כיום, מכיוון שבנוסף לכך שאינם תאיים ואין להם כל פעילות חיה מחוץ לגוף המאכסן, הם לא בהכרח מקיימים את הקריטריונים שנמנו למעלה, אולם הוויכוח על הגדרתם של נגיפים בזמן פעולתם בתוך התא עדיין נמשך במדע ובפילוסופיה.
אבולוציה.
העיקרון המרכזי לארגון היצורים החיים במדעי הביולוגיה הוא כי כל צורת חיים שקיימת כיום התפתחה מצורת חיים שקדמה לה. תהליך ההתפתחות וההסתעפות של צורת חיים אחת מצורת חיים אחרת מכונה אבולוציה. כל צורות החיים הקיימות כיום הסתעפו, על-פי הסברה המקובלת, מאב קדמון משותף אחד. זהו הבסיס לאחידות הרבה של יחידות הבניין והתהליכים, שתוארו בסעיף הקודם.
צ'ארלס דרווין, הנחשב אבי תורת האבולוציה המודרנית, פיתח תאוריה המבססת את האבולוציה על כוח מניע הקרוי ברירה טבעית. על פי דרווין, יצורים שונים נבדלים זה מזה בתכונותיהם, כך שלפרטים מסוימים יכולת טובה יותר לשרוד ולהתרבות מלפרטים אחרים, ולכן פרטים אלה ישרדו, ואילו פרטים אחרים ייכחדו. דבר זה גורם להופעה מוגברת של תכונות אדפטיביות (תכונות העוזרות ליצור לשרוד) ולירידה בשכיחותן של התכונות המקנות יכולת הישרדות טובה פחות. להשערת הברירה הטבעית נוסף במהלך המאה ה-20 הסבר למנגנון היוצר את השונות בין הפרטים מלכתחילה. זהו מנגנון המוטציה, המתרחש בחומר התורשתי של האורגניזמים ואחראי ליצירת תכונות חדשות. הברירה הטבעית ותהליך המוטציה יוצרים יחדיו את התפישה המקובלת כיום לאבולוציה - נאו-דרוויניזם.
מגוון.
חרף האחידות הרבה שהוצגה כאן, המגוון הביולוגי הנצפה הוא עצום. המגוון מתבטא בשוני הרב בין יצורים שונים, החל בצורתם ובמבנם (מורפולוגיה), וכלה בתפקודם ובפעילותם (פיזיולוגיה). התהליך שהוביל למגוון זה הוא כאמור תהליך האבולוציה. ישנם מינים שהשוני ביניהם קטן יותר מהשוני בין כל אחד מהם למין אחר. הדמיון הזה מתפרש כקרבה אבולוציונית בין השניים, הגדולה מקרבתם למין השלישי. עיקרון זה הוא הבסיס לשיטות מיון עולם הטבע, אשר מסווגות וממיינות את היצורים החיים על פי תכונותיהם, בניסיון להתחקות אחר עברם האבולוציוני, או הפילוגנזה שלהם.
יחידת הארגון הבסיסית של מיון עולם הטבע היא המין. כל אורגניזם משתייך למין מסוים, הנבדל ממינים אחרים ביכולתו להתרבות עם בני מינו שלו ולהביא צאצאים פוריים. בדרך כלל קיימים גם הבדלים נוספים, הקשורים במבנה ובפעילות של כל מין. המינים מסווגים לקבוצות שונות (טקסונים שונים) על פי רמת קרבתם האבולוציונית, בסדר קרבה יורד: סוג, משפחה, סדרה, מחלקה, מערכה, וממלכה. כיום מחולקים כל המינים ברמת ההתייחסות הגבוהה ביותר לשלוש על-ממלכות: חיידקים קדומים, חיידקים אמיתיים ואיקריוטיים.
נוסף על אלו, מתקיימים בעולם מספר גופים מיקרוסקופיים שאינם נחשבים חיים, המקיימים קשר הדוק עם יצורים חיים ולעיתים נתפסים כטפילים. אלו הם הנגיפים, הווירואידים, והפריונים.
המשכיות.
עד המאה ה-19 שררה האמונה כי צורות חיים יכולות להופיע באופן ספונטני תחת תנאים מסוימים (בריאה ספונטנית). ויליאם הארווי קרא תיגר על תפיסה זו בהכריזו כי "כל החי בא מביצה", מושג יסודי בביולוגיה המודרנית. פירוש הדבר הוא שיש המשכיות בלתי נפסקת של חיים מתחילתם ועד ימינו אלה, בכך שמקורו של כל אורגניזם בייצור שקדם לו.
מקובל להניח שכל היצורים החיים על פני כדור הארץ הם צאצאים של אב קדמון משותף (האב הקדמון הכולל) או מאגר גנים משותף. כיום מאמינים כי האב הקדמון המשותף העולמי של כל היצורים החיים הופיע לפני כ-3.5 מיליארד שנים. בדרך כלל רואים הביולוגים באוניברסליות של הקוד הגנטי ראייה חזקה לתאוריה של מוצא משותף עולמי (UDC) של כל היצורים בממלכות-העל (ראו מוצא החיים).
הומאוסטאזיס.
הומאוסטאזיס הוא מצב שבו התנאים הפיזיקליים והכימיים השוררים בתוך האורגניזם נשמרים ברמה יציבה שמתאימה לפעילותו המיטבית, לעיתים בניגוד לתנאי סביבתו החיצונית. כל אורגניזם מקיים הומאוסטאזיס ברמה כלשהי, בעוד יצורים שונים נבדלים ברמת המורכבות של מנגנוני השמירה על ההומאוסטאזיס וביעילותם. ניתן למצוא הומאוסטאזיס במגוון רמות התייחסות: התא הבודד שומר על ריכוזי המומסים בו בטווח צר, שומר על pH קבוע בתוכו, ומונע כניסה של חומרים מזיקים ברמות שונות של הצלחה; ברמת האורגניזם השלם, ניתן למצוא את היצורים ההומותרמיים אשר שומרים על טמפרטורת גופם בתחום צר; וישנו גם הומאוסטאזיס ברמה שמעבר לאורגניזם הבודד – במערכת אקולוגית, למשל כשצמחים, הצורכים פחמן דו-חמצני, ובעלי חיים הפולטים פחמן דו-חמצני, שומרים יחדיו על רמתו באטמוספירה בתחום די קבוע, כשסטייה מתחום זה תזיק לפחות לאחד מהם.
יחסי גומלין.
כאמור, כל אורגניזם מגיב לסביבתו באופן מבוקר. יחסי הגומלין עם הסביבה מתבטאים כבר בפעולות החיים הבסיסיות, כגון צריכת מזון, רבייה והימנעות מסכנות אפשריות. כמו כן, האורגניזם מקיים יחסי גומלין הן עם סביבתו הדוממת (האָבִּיוֹטית) והן עם היצורים החיים הסובבים אותו (הסביבה הביוטית). עובדות אלו ממקמות כל אורגניזם ברשת מורכבת של יחסי גומלין עם סביבתו הביוטית והאביוטית. מורכבותה של רשת זו, שבה כל אורגניזם מקיים קשרים עם מרכיבים רבים במערכת האקולוגית, מקשה מאוד על חקר מערכות טבעיות. ליחסי הגומלין משמעות גדולה לגבי האורגניזם, שהרי הישרדותו והתרבותו תלויות בהם. כך, יחסי גומלין עם הסביבה, ומתוכם רמת התאמתו של מין לסביבה נתונה, יוצרים דגמי תפוצה שונים של אורגניזמים בעולם, מהווים חלק מרכזי במנגנון הברירה הטבעית והאבולוציה, ולמעשה מעצבים את המערכת האקולוגית בכללותה.
היסטוריה.
העת העתיקה.
הביולוגיה התמסדה כדיסציפלינה מדעית רק במאה ה-19, אך שורשיה נעוצים במסורת ארוכה של חקר הרפואה והטבע, המגיעה עוד מיוון העתיקה ואף קודם לכן. אף כי לבני העולם העתיק היה ידע אנקדוטלי על בעלי חיים וצמחים, ובמקומות שונים (ביניהם מצרים והודו) נתגלו תיאורים של אנטומיה ופיזיולוגיה של יצורים חיים, הרי שתאוריה מסודרת של חקר החי התפתחה רק ביוון העתיקה, כשפילוסופים וחוקרים כמו היפוקרטס, אריסטו וגלנוס, ניסחו את חוקי הביולוגיה הראשונים. רובם של חוקים אלה התגלו במהלך ההיסטוריה כשגויים, אך הם עדיין מהווים את הסימן הראשון למחקר עולם החי. גלנוס שכלל את תאוריית ארבע הליחות שהציע היפוקרטס והציג אותה כבסיס לידע הביולוגי על טיפוסים שונים של בני אדם. אריסטו, הגם שלא ביצע ניסויים מדעיים, ערך אלפי תצפיות בבעלי חיים בסביבתם הטבעית וקטלג למעלה מ-540 מינים של בעלי חיים. בתקופה זו כבר החלו להתגבש תפיסות ביולוגיות דוגמת תאוריית הרבייה הספונטנית שהייתה מקובלת עד המאה ה-17.
העידן האמפירי.
בימי הביניים היה רוב העיסוק בביולוגיה לא יותר מפרשנות לכתבי אריסטו, אולם העניין המחודש באמפיריציזם בתקופת הרנסאנס וגילוי בעלי חיים וצמחים חדשים במסעי התגליות הובילו להתפתחויות חשובות בחקר החיים. במקביל חידשו אמני הרנסאנס, בהם לאונרדו דה וינצ'י, את המחקר באנטומיית האדם למטרות ייצוגו באמנות.
בתחילת המאה ה-17, בעקבות פיתוח המיקרוסקופ, רוברט הוק ואנטוני ואן לוונהוק היו הראשונים לתאר (גם באיורי בעלי מקצוע) תאים חיים, בעקבות תצפיות שערך בתאי שעם. מאוחר יותר נצפו דרך המיקרוסקופ יצורים חד-תאיים - כגון חיידקים וספרמטוזואה - וכן תאי דם אדומים. במאה ה-18 החלו חוקרי טבע (ביניהם ליניאוס ובופון) לבנות מערכת מושגית שתאפשר מיון מדעי של המגוון הביולוגי ופענוח מסודר של מאובנים.