생물학
생물학(生物學, )은 생물을 연구 대상으로 하는 자연과학이다. 생물학은 생물의 구조, 기능, 생장, 기원, 진화, 서식, 분류 등을 탐구한다. 현대 생물학은 카를 프리드리히 부르다흐, 고트프리드 라인홀트 트레비라누스, 장바티스트 라마르크와 같은 학자들에 의해 독립적인 학문으로서 자리잡았다.
생물학은 많은 하위 학문을 포괄하는 광대한 주제를 다루는 학문이다. 이 가운데 현대 생물학의 주요한 핵심 연구 분야는 세포 이론, 진화, 유전자, 에너지, 항상성 등을 들 수 있다. 생물학의 하위분야는 연구의 방법과 목적에 따라 나뉠 수 있는데, 예를 들어 생물에서 일어나는 화학적 현상을 연구하는 생화학, 분자 수준에서 일어나는 생명 현상을 탐구하는 분자생물학, 세포에서 일어나는 생명 현상을 다루는 세포생물학, 기관이나 조직을 연구대상으로 삼는 생리학, 환경에서 다양한 생물 개체들이 맺는 관계를 탐구하는 생태학등이 있다.
생물학에서는 생물의 특성과 분류에 따른 학명을 명명하는데 동물은 동물 학명 국제 코드에 따르며, 식물과 균류는 각각 식물 학명 국제 코드와 균류 학명 국제 코드를 따른다. 이외에 바이러스, 바이로이드, 프리온과 같은 바이러스성 유기체는 바이러스 분류 및 명명 국제 코드를 따르고 있다. 한편, 여전히 분류되지 않은 바이러스 종들이 존재한다.
비록 오늘날의 생물학과는 다른 형태라 할지라도 생물에 대한 연구는 고대부터 있어왔다. 메소포타미아, 고대 이집트, 고대 인도, 고대 중국과 같은 고대 문명에서는 일찍부터 자연 철학이 발달하여 있었다. 이 가운데 현대 생물학의 연구 방법에 가장 많은 영향을 준 것은 고대 그리스였다. 히포크라테스는 의학의 일부로서 생물에 대한 연구를 진행하였고, 아리스토텔레스는 생물에 관한 다양한 기록을 남겼다. 특히 아리스토텔레스가 저술한 《동물의 역사》와 그 밖의 저술에서 우리는 아리스토텔레스가 많은 생물들을 연구하였음을 확인할 수 있다. 아리스토텔레스의 뒤를 이어 아테네 학당을 계승한 테오프라스토스는 식물과 관련된 저술을 남겼으며 그의 책은 중세에까지 식물학에 큰 영향을 남겼다. 이후 생물학은 중세 이슬람 의학자들에 의해 큰 발전을 이루었다. 아프리카계 아랍인 알자히즈(781년–869년)가 동물학에 대한 저서를 남겼고, 쿠르드족이었던 알디나와리(828년–896년)가 식물학 저서를 남겼으며, 페르시아의 알라지는 해부학과 생리학에 업적을 남겼다. 이들은 그리스의 철학에 바탕을 둔 생물학 이론을 발전시켰다. 특히 의학은 그리스 학자들의 전통을 충실히 계승하여 발전시켰다. 예를 들면 중세 이슬람 의학자들은 아리스토텔레스의 생각을 받아들여 생명 사이의 위계 질서를 당연히 여겼다.
근대에 이르러 안톤 판 레이우엔훅이 발명한 현미경의 도입으로 생물학은 장족의 발전을 할 수 있었다. 생물학자들은 현미경을 사용하여 그 동안 볼 수 없었던 정자, 박테리아, 원생동물과 같은 작은 생물체를 관찰하게 되었다. 네덜란드의 얀 스왐메르담은 곤충을 연구하면서 미세 표본의 제작, 표본 염색법 등 오늘날 사용되는 현미경 관찰 기술들을 도입하였다.
현미경의 도입은 생물에 대한 생각 자체를 바꾸는 계기가 되었다. 19세기초 생물학자들은 세포에 관심을 기울이기 시작하였다. 1838년과 1839년, 슐라이덴과 슈반은 1)세포가 생물의 기초 단위이며 2)독립된 세포 역시 생물이 갖는 모든 특징을 갖고 있고 3)모든 세포는 다른 세포의 분열을 통해 만들어진다는 학설을 발표하였다. 이후 1860년대에 이르기까지 레마크와 피르호의 연구에 힘입어 대부분의 생물학자들이 이러한 세포 이론을 받아들이게 되었다.
한편, 분류학 역시 큰 전환점을 맞게 되었다. 린네는 1735년 기본적인 생물 분류표를 작성하여 출간하였고 1750년대에 자신의 분류표에 있는 모든 생물 종에 대한 학명을 부여하였다. 뷔퐁은 분류학에 공통조상의 개념을 도입하여 생물종이 하나의 공통조상에서 서로 분화하여 진화하였다는 학설을 제시하였다. 뷔퐁은 진화 이론의 역사에서 선구자였으며, 그의 업적은 라마르크와 다윈에게 많은 영향을 주었다.
본격적인 진화이론을 최초로 제시한 학자는 라마르크이다. 그 후 다윈이 현대 진화 이론을 성립하였다. 다윈은 훔볼트, 라이엘 등의 지질학 업적과 자신의 발견을 종합하여 자연선택에 따른 진화이론을 정립하였다. 한편 같은 시기의 생물학자 월리스 역시 독자적인 연구를 통해 자연선택에 따른 진화 이론을 수립하였다.
19세기말 멘델은 멘델의 유전법칙을 정리하여 유전학의 기초를 쌓았다. 그의 이론은 한동안 외면되었으나 20세기에 독자적인 실험을 통해 재발견되어 생물학자들의 인정을 받게 되었다. 이후, 1940년대에서 1950년대에 이르는 동안 집단유전학의 발달은 진화이론을 실험실 수준에서 관찰하는 성과를 이루게 되었다. 1953년 DNA가 발견된 이후 현대 생물학은 급속도로 발전하게 되었다. 1990년대에 이르러 생물학은 인간의 게놈 지도를 작성하기 시작하였고 2003년 마침내 완성하였다.
현대 생물학의 기초를 이루는 개념은 세포 이론, 에너지, 항상성, 유전학, 진화의 다섯 가지로 이루어져 있다. 이 외에 발생을 생물학의 기초 개념 가운데 하나로 추가할 수 있다.
세포 이론에서는 세포를 생명의 기본 단위로 파악한다. (조개의 외골격을 이루는 조가비와 같이 세포에서 나온 분비물에서 형성된 것들을 함께 다루기도 한다.) 모든 세포는 세포 분열을 통해 다른 세포에서 분리되어 나와 형성된다. 다세포 생물의 경우 몸을 이루는 모든 세포는 단 하나의 세포로 이루어진 알에서 출발한 것이다. 세포는 생물의 물질대사가 일어나는 기본 단위이기도 하다. 모든 세포에는 그 생물의 완전한 DNA가 들어있다. DNA는 세포 분열과 함께 새로 형성된 세포로 전달된다.
생물은 살아가면서 끊임없이 에너지를 소비한다. 화학 반응에 의해 이루어지는 생체 내의 에너지 교환을 통해 생물은 몸의 구조와 기능을 유지하고 생장한다.
대부분의 생물은 태양에서 비롯된 에너지로 생명 활동을 한다. 태양에서 시작되어 먹이그물의 최종 소비자에게 전달되는 에너지의 흐름을 영양 단계라 한다. 식물은 광합성을 통해 태양에너지를 화학에너지로 전환한다. 이 화학에너지는 최종적으로 ATP 형태로 저장된다. ATP는 에너지가 필요한 곳에서 ADP와 인산으로 분리되면서 에너지를 공급하게 된다. 산소나 빛이 희박한 환경에서 서식하는 일부 생물은 이 대신 메탄이나 황산염과 같은 물질을 활용하여 화학에너지를 얻는다.
획득된 에너지는 생명의 유지와 생장 등에 사용되며 사용되지 않은 에너지는 잉여 분자로 남게 되거나 열로 방출된다. 생체 내에서 일어나는 이러한 에너지 소비를 물질대사라 하고, 특히 세포 내에서의 에너지 소비는 세포 호흡이라 한다.
항상성은 열린 계가 자연환경에서 안정적인 상태를 유지할 수 있는 능력이다. 열린계가 항상성을 유지하기 위해서는 여러 조절 기제를 통해 다중의 동적 평형 상태를 유지하여야 한다. 모든 생물은 그것이 단세포 생물이든 다세포 생물이든 항상성을 유지한다.
생물은 항상성을 유지하는 열린 계로서, 동적 평형을 유지하고 갖고 있는 기능을 효율적으로 발휘하기 위해 변동하는 환경을 감지하고 이에 알맞은 대응을 하여야 한다. 이러한 감지와 대응을 위해 대부분의 생물은 음성 피드백 기제를 사용한다. 즉, 생물은 환경의 변화에 따라 물질대사나 행동을 조절한다. 인간의 경우를 예로 들면 혈당이 낮아지면 글루카곤 분비량을 높여 혈당량을 조절한다.
부모에서 자식으로 유전되는 생물학적 특징을 유전형질이라 한다. 모든 생물의 유전형질은 유전자 단위로 유전된다. 유전자는 염색체를 이루는 DNA 사슬의 일정 구간을 이루는 염기 서열이다. 박테리아에서부터 동물에 이르기까지 모든 생물의 유전형질은 같은 방식으로 전달된다. 세포핵에 있는 DNA는 코돈이라 불리는 염기 서열에 따라 어떤 단백질을 형성할 것인지를 지정한다. RNA에 의해 전사되어 나온 DNA의 코돈은 리보솜으로 전달되며 리보솜은 이 코돈을 번역하여 단백질을 생성한다. 생물의 종류과 관계 없이 같은 염기서열을 갖는 DNA는 같은 단백질을 만들게 된다. 예를 들어 사람의 인슐린을 만드는 DNA는 다른 생물에 이식되어 배양되어도 같은 인슐린을 만들게 된다.
진핵 생물의 경우 생체를 형성하고 효소와 같은 단백질을 만드는 데 필요한 정보가 들어있는 DNA는 세포핵에 있는 염색체에 있다. DNA 사슬은 마치 실패에 감긴 실처럼 히스톤에 감겨 염색체를 이룬다. 한편 세포소기관 가운데 미토콘드리아, 엽록소와 같은 것들은 세포핵과는 다른 고유한 게놈을 갖고 있다.
생물학의 핵심적인 개념 가운데 한 가지는 생물이 진화를 통해 변화해 왔다는 것이다. 현대 진화 이론에서는 지구의 모든 생물이 하나의 공통조상에서 분화되어 오늘날과 같은 생물 다양성을 이루게 되었다고 밝힌다.
진화가 일어나는 근본적인 원인은 생물의 종이나 집단 안에 대립하는 유전형질이 다양하게 존재하는 유전자 다양성 때문이다. 생물의 유전형질은 세대에서 세대로 이어지면서 유전자 부동, 자연선택과 같은 외부의 작용에 의해 변화하게 된다. 그 결과 생물 집단은 환경에 적응하기에 유리한 형질은 유전되고 그렇지 않은 형질은 사라지는 변화를 겪게 된다. 이것이 진화의 과정이다. 현재에는 진화의 과정이 직접 관찰되기도 함으로서, 진화는 관찰가능한 자연현상의 하나로서, 집단유전학등을 통해 연구되고 있다.
발생은 동물의 정자와 난자가 수정된 후 배를 형성하고 생장하여 새로운 개체가 되는 과정이다. 발생의 과정은 초기 발생과 후기 발생으로 나뉘는데, 최초의 난할에서 배엽이 형성되는 때 까지를 초기 발생이라 하고., 기관이 형성되는 때 부터 새로운 개체가 되는 때 까지를 후기 발생이라 한다.
생물학의 전문 연구분야
생물학의 관련 연구 분야
토머스 캐빌리어 스미스의 6계 분류에 따른 생물의 분류는 다음과 같다.