생물학

세포설

세포설에 따르면 세포는 생명체의 기본 단위이며, 모든 생명체는 하나 이상의 세포로 구성되며, 모든 세포는 세포 분열을 통해 기존의 세포로부터 생성된다고 설명한다. 다세포 생물에서 모든 세포는 궁극적으로 단일 세포인 수정란으로부터 유래한다. 세포는 또한 많은 병리학적 과정에서 기본 단위로 간주된다. 세포에서는 물질대사가 일어나며, 물질대사 중에 에너지 흡수 또는 에너지 방출이 일어난다. 세포는 세포 분열동안 세포에서 세포로 전달되는 유전 정보(DNA)를 가지고 있다. 생명의 기원에 대한 연구는 최초의 세포의 기원을 밝히기 위한 시도이다.

진화

생물학에서 중심 개념은 생명은 진화를 통해 변화하고 발전하며, 알려져 있는 모든 생명체는 공통적인 기원을 가지고 있다는 것이다.  진화학은 지구 상의 모든 생명체들이(현존하는 것과 멸종된 것 모두) 공통 조상 또는 공통 조상의 유전자풀로부터 유래했다는 것을 연구하는 학문이다. 모든 생명체들의 공통 조상은 약 35억년 전에 출현한 것으로 보인다. 생물학자들은 모든 세균, 고세균, 진핵생물들이 공통적인 유전 암호를 사용하는 것을 모든 생물들이 공통 조상으로부터 유래한 결정적인 증거로 간주한다.
"진화(evolution)"라는 용어는 1809년에 장바티스트 라마르크가 과학 용어로 도입하였고, 50년 후인 1859년에 찰스 다윈은 자신의 저서 《종의 기원》에서 자연선택에 의한 과학적 모델을 진화의 원동력으로 제시했다. 앨프리드 러셀 월리스도 진화에 대한 연구와 실험에 기여했기 때문에 다윈이 주장한 개념의 공동발견자로 인정받고 있다. 진화는 현재 지구 상에서 발견되는 생명체의 변화를 설명하기 위해 사용되며, 현대에서 진화는 직접 관찰이 가능해지게 되면서 "관찰 가능한 현상"으로 인정받고 있다.
다윈은 자연선택이나 선택적 교배 과정을 통해 생물 종이 번성하거나 도태된다는 것을 이론화했다. 현대 종합설에서 유전적 부동은 진화의 추가적인 메커니즘으로 받아들여졌다. 현대 종합설에서는 지구의 모든 생물이 하나의 공통 조상에서 분화되어 오늘날과 같은 생물 다양성을 이루게 되었다고 설명한다.
진화가 일어나는 근본적인 원인은 생물 종이나 개체군 내에 대립하는 유전형질이 다양하게 존재하는 유전적 다양성 때문이다. 생물의 유전형질은 세대에서 세대로 이어지면서 유전적 부동, 자연선택과 같은 외부의 작용에 의해 변화하게 된다. 그 결과 생물 개채군은 환경 적응에 유리한 형질은 유전되고, 그렇지 않은 형질은 사라지는 변화를 겪게 된다. 이것이 진화의 과정이다. 현재는 진화의 과정을 직접 관찰하기도 함으로써, 진화는 관찰가능한 자연현상의 하나로 집단유전학 등을 통해 연구되고 있다.
계통은 생물이 진화해 온 경로를 바탕으로 한 생물 종 간의 유연관계이며, 생물 종의 진화 역사이다. 계통수는 생물의 계통을 알 수 있도록 나뭇가지 모양으로 나타낸 것으로, 생물 종 간의 진화적 유연관계를 알 수 있다. 생물학에 대한 다양한 접근법은 계통 발생에 대한 정보를 생성하도록 한다. 여기에는 분자생물학(특히 유전체학)의 산물인 DNA 염기서열의 비교와 고생물학의 산물인 고대 생명체의 화석이나 다른 증거들이 포함된다. 생물학자들은 계통학, 표형분류학, 분지학 등 다양한 방법들을 통해 진화적 유연관계를 정리하고 분석한다.
진화는 생명체의 자연사에 대한 이해와 현존하는 생명체의 구성에 대한 이해와 관련이 있다. 이러한 구성은 생명체가 어떠한 진화 과정을 거쳐왔는지를 알아야만 이해될 수 있다. 결론적으로 진화는 모든 생물학 분야의 중심을 차지하고 있다.

유전학

유전자는 모든 생명체에서 유전의 기본 단위이다. 유전자는 유전의 단위이며, 특정 방식으로 생명체의 형태 또는 기능에 영향을 미치는 DNA 상의 특정 영역이다. 세균에서 동물에 이르기까지 모든 생명체는 DNA를 복제하고, RNA로 전사하고, 단백질로 번역하는 동일한 메커니즘을 사용한다. 세포는 DNA의 정보를 RNA로 전사하고, 리보솜은 RNA로 전사된 정보를 단백질로 알려진 일련의 아미노산 서열로 번역한다. RNA 코돈으로부터 아미노산으로의 유전 암호는 대부분의 생명체에서 동일하다. 예를 들어, 사람의 인슐린을 암호화하는 DNA 염기서열을 식물과 같은 다른 생명체에 삽입하면 인슐린을 생성시킬 수 있다.
DNA는 진핵생물에서는 선형 염색체로, 원핵생물에서는 원형 염색체로 존재한다. 염색체는 DNA와 히스톤 단백질로 구성되어 있다. 세포 내의 염색체 세트와 미토콘드리아, 엽록체 또는 다른 장소에서 발견되는 유전 정보는 세포의 게놈으로 알려져 있다. 진핵생물에서 DNA는 세포핵에 국한되어 있거나 미토콘드리아와 엽록체에 소량으로 존재한다. 원핵생물에서 DNA는 세포질에 핵양체라고 불리는 불규칙적인 형태로 존재한다. 유전체의 유전 정보는 유전자 내에 존재하며, 생명체에서 이러한 정보의 완전한 통합을 유전자형이라고 부른다.

항상성

항상성은 상호 연관된 조절 메커니즘에 의해 통제되는 여러 동적 평형 조절을 통해 안정된 상태를 유지하기 위한 생명체의 내부 환경을 조절하는 생명체(개방계의 일종)의 능력을 뜻한다. 모든 생명체는 단세포 생물이든 다세포 생물이든 항상성을 유지하려고 한다.
동적 평형을 유지하고 특정 기능을 효과적으로 수행하기 위해서 생명체는 환경의 변화를 감지하고 반응할 수 있어야 한다. 환경 변화가 감지되면, 생명체는 일반적으로 음성 피드백을 통해 기관이나 기관계의 활동을 증가시키거나 감소시켜서 환경 변화에 반응한다. 혈당량이 낮아지면, 글루카곤을 분비하여 혈당량을 높이는 것은 항상성 조절의 한 예이다.

에너지

살아있는 생명체의 생존은 에너지의 지속적인 투입에 달려있다. 생명체의 구조와 기능에 관련된 화학 반응은 음식물로 섭취된 물질로부터 에너지를 추출하고, 새로운 세포를 생성하고, 세포를 유지하는 것을 돕기 위해 사용된다. 이 과정에서 음식물을 구성하는 화학 물질의 분자는 두 가지 역할을 한다. 첫째, 생명체의 생물학적, 화학적 반응에서 변형되고 재사용될 수 있는 에너지를 포함하고 있다. 둘째, 음식물은 생명체에 유용한 새로운 분자 구조(생체분자)로 전환될 수 있다.
에너지를 생태계로 유입시키는 역할을 하는 생명체들은 생산자 또는 독립영양생물로 알려져 있다. 거의 모든 생명체들은 태양으로부터 온 에너지를 근원으로 해서 살아간다. 식물과 다른 광영양생물은 광합성으로 알려진 과정을 통해 태양의 빛 에너지를 이용하여 원료 분자를 ATP와 같은 유기 분자로 전환한다. 태양으로부터 생산자에 의해 생태계로 유입된 에너지가 먹이 그물의 최종 소비자에게로 전달되는 에너지의 흐름을 영양 단계라 한다. 그러나 몇몇 생태계는 화학영양생물이 메테인, 황화물, 다른 태양 에너지 외의 에너지원으로부터 추출한 에너지에 전적으로 의존한다.
따라서 저장되는 에너지 중 일부는 다른 생명체의 성장과 발달에 사용할 수 있는 바이오매스와 에너지를 생성하는데 사용된다. 이러한 바이오매스와 에너지의 대부분은 부산물과 열로 소실된다. 화학 물질에 저장된 에너지를 생명 활동에 필요한 에너지로 전환시키는 가장 중요한 과정은 세포 호흡을 비롯한 여러 물질대사들이다.

구조적 연구

분자생물학은 분자 수준에서 생물학을 연구하는 학문이다. 분자생물학은 생물학의 다른 분야, 특히 유전학 및 생화학과 연구 분야가 중첩된다. 분자생물학은 DNA, RNA, 단백질 합성의 상호 관계와 그러한 상호 작용이 어떻게 조절되는지를 포함하여 세포 내 다양한 시스템의 상호 작용에 대해 연구하는 학문이다.
세포생물학은 세포 수준에서 세포의 내부 행동, 다른 세포와의 상호 작용, 환경과의 상호작용과 같은 세포의 구조적, 생리학적 특성에 대해 연구하는 학문이다. 세포생물학은 세균과 같은 단세포 생물 뿐만 아니라 사람과 같은 특화된 세포에 대해 현미경 및 분자 수준에서 연구가 이루어진다. 세포의 구조와 기능을 이해하는 것은 모든 생물학 분야의 기본이다. 세포 유형 간의 유사점과 차이점은 특히 분자생물학과 관련이 있다.
해부학은 구조에 대해 보다 거시적인 형태인 기관 및 기관계에 대해 연구하는 학문이다.
유전학은 유전자, 유전 및 생명체의 변이에 관해 연구하는 학문이다. 유전자는 단백질의 합성을 위해 세포가 필요로 하는 정보를 암호화하며, 이는 결국 생명체의 최종 표현형에 영향을 미치는 중심적인 역할을 한다. 유전학은 특정 유전자의 기능을 조사하거나 유전자 상호작용을 분석하는데 사용되는 연구 도구를 제공한다. 생명체 내에서 유전 정보는 물리적으로 염색체 내에 존재하며, 특히 DNA 상의 특정 부위에 유전 정보가 저장되어 있다.
발생생물학은 생명체가 발생하고 생장하는 과정에 대해 연구하는 학문이다. 발생학으로부터 유래된 발생생물학은 세포 생장, 세포 분화 및 세포의 형태형성에 대한 유전적인 조절에 대해 연구하는데, 세포는 점차적으로 조직, 기관으로 발달해 나간다. 발생생물학에서 주로 사용되는 모델 생물로는 선형동물인 예쁜꼬마선충, 초파리과에 속하는 노랑초파리, 잉어과에 속하는 제브라피시, 쥐과에 속하는 생쥐, 십자화과에 속하는 애기장대 등이 있다. 모델 생물은 특정 생물학적 현상을 이해하기 위해 광범위하게 연구되는 생물 종으로, 모델 생물에서의 발견이 다른 생물의 작용에서도 적용할 수 있을 것이라는 기대를 제공한다.

생리학

생리학은 생명체의 기계적, 물리적, 생화학적 과정을 전반적으로 연구하는 학문이다. "기능하기 위한 구조"에 대한 문제는 생물학의 핵심 주제이다. 생리학에 대한 연구는 전통적으로 식물생리학과 동물생리학으로 나뉘어 왔으나, 어떤 생물체가 연구되더라도 생리학의 기본 원리는 보편적이다. 예를 들어, 효모 세포의 생리학에 대해 알게 된 것은 사람의 세포에도 적용될 수 있다. 동물생리학은 인체생리학의 도구와 방법을 사람이 아닌 동물 종으로 확장한다. 식물생리학 연구에서도 동물생리학의 방법을 적용할 수 있다.
생리학은 신경계, 면역계, 내분비계, 호흡계, 순환계가 어떻게 작용하고, 서로 상호작용을 하는지를 연구한다. 이러한 기관계에 대한 연구는 신경학 및 면역학과 같은 의학적으로 지향하는 분야로 연결된다.

진화

진화에 대한 연구는 종의 기원과 멸종, 시간에 따른 생물 종의 변화에 관한 것이다. 진화는 예를 들어 포유류학, 조류학, 식물학, 양서파충류학과 같은 특정 생명체에 대한 특별한 훈련을 받은 많은 분류학을 지향하는 분야의 과학자들이 연구에 참여하고 있고, 진화에 관한 보다 일반적인 해답을 찾기 위해 연구 중이다.
진화생물학은 부분적으로 진화의 형태와 속도에 관한 질문에 답하기 위해 화석 기록을 사용하는 고생물학을 기반으로 하고, 집단유전학과 같은 분야의 발전에도 기반을 두고 있다. 1980년대에 발생생물학은 진화발생생물학에 대한 연구를 통해 현대종합설로부터 초기에 배제된 후에 진화생물학으로 다시 들어오게 되었다. 계통학, 계통분류학, 분류학은 종종 진화생물학의 일부로 간주되는 관련 분야이다.

계통분류학

여러 종 분화 사건들은 생물 종들 간의 유연관계를 체계적으로 나타낸 계통수로 표현할 수 있다. 계통분류학은 이러한 생물 종들 간의 관계 및 종들 간의 유사점과 차이점에 대해 연구하는 학문이다. 계통분류학은 진화론적 사고가 주류가 되기 전부터 활발하게 연구되어온 분야였다.
전통적으로 생물들은 원핵생물계, 원생생물계, 균계, 식물계, 동물계의 5계 분류 체계로 분류되어 왔다. 그러나 많은 과학자들은 이제 5계 분류 체계를 낡은 분류 방식으로 간주한다. 현재는 세균역(진정세균계), 고세균역(고세균계), 진핵생물역(원생생물계, 식물계, 균계, 동물계)의 3역 6계 분류 체계로 생물들을 분류한다. 이러한 역들은 리보솜과 같은 핵심적인 생체분자의 화학적 조성에서의 차이 뿐만 아니라 세포핵의 존재 유무를 반영한다.
또한 생물 분류군들을 좀 더 세분화하여 역, 계, 문, 강, 목, 과, 속, 종으로 분류한다. 예를 들어, 사람은 진핵생물역, 동물계, 척삭동물문, 포유강, 영장목, 사람과, 사람속(Homo), 사람종(sapiens)로 분류한다.
이러한 범주 외에도 대사 활동과 관련하여 "생명의 가장자리에 있는" 세포 내에서 기생생활을 하는 존재들이 있는데, 이러한 존재들은 많은 과학자들이 생명체를 정의하는 기본적인 기능이나 특성들 중 적어도 하나 이상이 부족하기 때문에 일반적으로 살아있는 생명체로 분류하지 않는다. 생명 현상의 특성들 중 일부만 나타내는 존재들은 바이러스, 바이로이드, 프라이온, 위성 바이러스로 분류된다.
생물의 학명은 속명(속을 나타냄)과 종소명(종을 나타냄)으로 나타낸다. 종명이라는 용어 대신에 학명 표기시 분류 단계상 종의 명칭인 "종소명"을 사용한다. 예를 들어, 사람의 학명은 호모 사피엔스(Homo sapiens)이다. 호모는(Homo)는 속명이고, 사피엔스(sapiens)는 종소명이다. 생물의 학명을 표기할 때는 라틴어를 사용하여, 속명의 첫 글자는 대문자로, 종소명의 첫 글자는 소문자로 표기한다. 속명과 종소명은 이탤릭체로 나타내거나 밑줄을 그어서 표기한다.
지배적인 분류 체계는 린네 분류학이라고 한다. 린네 분류학은 분류 단계와 이명법을 포함한다. 생물체의 명명 방법은 국제조류균류식물명명규약(ICN), 국제동물명명규약(ICZN), 국제원핵생물명명규약(ICNB)과 같은 국제 규약에 의해 결정된다. 일부 생물학적 특성을 나타내는 바이러스, 바이로이드, 프라이온 및 기타 바이러스 이하의 존재들의 분류는 국제바이러스분류위원회(ICTV)에 의해 수행되며, 국제바이러스분류및명명규약(ICVCN)으로 알려져 있다. 그러나 몇몇 다른 바이러스 분류 체계가 존재한다.
통합하기 위한 초안인 바이오코드(BioCode)는 위의 세 분야의 명명법을 표준화하기 위한 시도로 1997년에 출판되었지만, 아직 공식적으로 채택되지는 않았다. 바이오코드 초안은 1997년 이후 거의 주목을 받지 못했다. 원래 2000년 1월 1일로 예정된 시행일은 별 다른 관심을 받지 못하고 지나갔다. 기존의 코드를 교체하는 대신 통일된 맥락을 제공하는 개정 바이오코드가 2011년에 제안되었다. 그러나 2011년에 국제식물학회는 바이오코드 제안에 대한 검토를 거부했다. 국제바이러스분류및명명규약(ICVCN)은 바이러스 분류를 포함하지 않는 바이오코드 밖에 남아있다.

생태계 및 환경

생태학은 살아있는 생물의 분포와 개체수, 생물과 환경 사이의 상호 작용에 대해 연구하는 학문이다. 생물체는 다른 생물체와의 상호작용 같은 생물적 요소 뿐만 아니라 기후와 생태와 같은 비생물적 요소를 포함하는 환경을 공유한다. 생물학적 시스템이 연구하기 어려울 수 있는 한 가지 이유는 다른 생물들 및 환경과의 다양한 상호 작용이 작은 규모에서도 가능하다는 것이다. 국지적인 당의 농도 기울기에 반응하는 세균은 아프리카 사바나에서 먹이를 찾는 사자 만큼이나 환경에 민감하게 반응한다. 어떤 생물 종의 경우, 행동은 경쟁, 기생, 공생들 중 하나일 수 있다. 생태계에서 두 가지 이상의 종이 상호작용을 할 때 문제는 더 복잡해진다.
생태계는 개별 생물 개체부터 개체군, 군집, 생태계, 생물권에 이르기까지 여러 가지 다른 수준에서 연구된다. 집단생물학이라는 용어는 종종 개체군생태학과 교환가능한 의미로 사용되지만, 집단생물학은 질병, 바이러스, 미생물의 경우에 더 자주 사용되는 반면, 인구생태학이라는 용어는 식물과 동물의 연구에 더 일반적으로 적용된다. 생태학은 많은 하위 분야에서 사용된다.
동물행동학은 동물의 행동(특히 영장류 및 개과 동물과 같은 사회적 동물의 행동)에 대해 연구하는 학문이며, 동물학의 한 분야로 간주된다. 동물행동학자들은 특히 자연선택설의 관점에서 행동의 진화 및 행동의 이해에 관심을 가져왔다. 어떤 의미에서 최초의 동물행동학자는 찰스 다윈이었는데, 그의 저서 《인간과 동물의 감정표현》(The Expression of the Emotions in Man and Animals)은 많은 동물행동학자들에게 영향을 주었다.
생물지리학은 판 구조론, 기후 변화, 분산 및 이주, 분지학과 같은 주제에 초점을 맞추어 지구 상의 생물체의 공간 분포에 대해 연구하는 학문이다.

생물학의 미해결 문제

생명의 근본적인 과정에 대한 우리의 이해는 최근 수 십년 동안 이루어진 많은 발전에도 불구하고, 몇 가지 기본적인 문제들은 해결되지 못한 채로 남아있다. 생물학이 해결하지 못한 주요 문제들 중 하나는 성의 주요 적응 기능, 특히 진핵생물에서 감수 분열 및 상동 재조합의 주요 과정이다. 한 가지 견해는 성은 주로 유전적 다양성을 증가시키는 적응으로 진화해 왔다는 것이다. 또 다른 견해는 성은 생식샘 DNA에서 정확한 DNA 복구를 촉진시키기 위한 적응이며, 증가된 유전적 다양성은 주로 장기적으로 유용한 부산물이 될 수 있다는 것이다.
생물학이 해결하지 못한 또 다른 기본적인 문제는 노화에 대한 생물학적 기초에 대한 문제이다. 노화에 대해 설명하는 다양한 경쟁 이론들이 존재한다.