ביולוגיה

בִּיּוֹלוֹגְיָה היא ענף במדעי הטבע, העוסק בהרכבו של עולם החי והצומח, במקור החיים, ברבגוניותם, ובהתנהגותם של היצורים החיים, וביחסי הגומלין בינם לבין עצמם ובינם לבין סביבתם. כיום, ביולוגיה אינה נתפסת כדיסציפלינה יחידה, אלא כמסגרת המאגדת מספר רב של דיסציפלינות העוסקות בתופעות הקשורות לחיים וליצורים חיים. אף כי חלק מדיסציפלינות אלה – למשל בוטניקה וזואולוגיה – הן עתיקות יומין, הביולוגיה התפתחה כמדע המאחד אותן, ובוחן את קשרי-הגומלין ביניהן רק במאה ה-19, אז נתגלו תהליכים ותכונות המשותפים ליצורים חיים ככלל. בהיותה תחום רחב כל-כך, מתחלקת הביולוגיה לתחומי-משנה רבים ושונים. החלוקה לפי סוג האורגניזם, שהייתה נהוגה בעבר, אחראית לתחומים כגון בוטניקה – חקר הצמחים, ומיקרוביולוגיה – חקר המיקרואורגניזמים; אך ניתן לחלק את תחומי הביולוגיה גם לפי קנה המידה של התופעות הנחקרות: למשל, ביולוגיה מולקולרית עוסקת בתחום המולקולרי, פיזיולוגיה עוסקת בתפקודים של האורגניזם, ואילו אקולוגיה עוסקת ביחסי גומלין בין אורגניזמים וביחסיהם עם הסביבה. כיום נחשבת הביולוגיה לאחד מענפי המדע המרכזיים. יותר ממיליון מאמרים מתפרסמים בתחום מדי שנה[דרוש מקור], וסוגיות מרכזיות בתחום, למשל הנדסה גנטית, ניצבות הן בחזית המחקר המדעי והן בעין הסערה של הדיון הציבורי. 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. 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: ערך מורחב – עקרון האחידות 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: כל היצורים החיים, בתנאים המצויים כיום בכדור הארץ, נוצרים בתהליכי רבייה מיצורים שקדמו להם. ייתכן שבעבר שררו בכדור הארץ תנאים המאפשרים היווצרות ספונטנית של חיים. גם במקרה זה, על היצורים להתרבות כדי להיחשב יצורים חיים. כל היצורים החיים מקיימים חילוף חומרים עם סביבתם. חילוף החומרים כולל צריכה של אנרגיה וחומר מהסביבה, שימוש בהם, ופליטת חום ופסולת אל הסביבה. כל יצור חי גדל ומתפתח במהלך חייו ברמה כלשהי. כל היצורים החיים מגיבים לסביבתם באופן פעיל ומבוקר. כל היצורים המקיימים תנאים אלה מורכבים מתא אחד לפחות. התא הוגדר לפיכך כיחידת המבנה והתפקוד הבסיסית של החיים. 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. ערך מורחב – 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. ערך מורחב – מגוון ביולוגי 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. 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 ביצור 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). ערך מורחב – 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. ערך מורחב – יחסי גומלין בין אורגניזמים 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. ערך מורחב – היסטוריה של הביולוגיה 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. 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. רק במאה ה-19 החלה להתערער החלוקה שהייתה נהוגה עד אז בין 'חקר הטבע' (Natural History), העוסק במיון ובסיווג בעלי החיים וסביבותיהם, ובין הרפואה, העוסקת בחייו ובמחלותיו של האדם. מתוך המגע בין התחומים נוצרו תחומים חדשים שהיוו בסיס לביולוגיה המודרנית – ציטולוגיה, בקטריולוגיה, חקר האבולוציה ועוד. בתחילתה של מאה זו פיתח לאמארק את התאוריה הראשונה שדחתה את תזת אי-ההשתנות של המינים, והניחה את היסוד לאבולוציה. בעקבות תורתו של לאמארק הועלו תאוריות אבולוציוניות נוספות, בהן תורת הברירה הטבעית של צ'ארלס דרווין המהווה את הבסיס למדע האבולוציה כיום. במקביל התקדם הידע האנושי בפיזיולוגיה של בעלי החיים והאדם, התפתחה התאוריה של התא, שקבעה את התא כבסיס החיים, והחיידקים זוהו כגורם למחלות. לקראת סוף המאה ה-19 נפגשו המחשבה האבולוציונית וחקר התא במסגרת העיסוק בתורשה. בשנת 1900 נתגלו מחדש ממצאיו של הנזיר האוסטרי גרגור מנדל, שערך כבר ב-1866 סדרת ניסויים חשובים על תורשה בצמחים. ניסוייו של מנדל והכללים שניסח הפכו לבסיס של דיסציפלינה ביולוגית חדשה – גנטיקה. דיסציפלינה זו התפתחה במהירות בארצות הברית בסדרת ניסויים שביצעו תומאס האנט מורגן ותלמידיו, ובשנות ה-30 נוצרה מתוך הגנטיקה של אוכלוסיות וחקר הברירה הטבעית תורה חדשה של התפתחות אבולוציונית, המכונה הסינתזה האבולוציונית המודרנית. במקביל הונח הבסיס לביוכימיה במחקרים שגילו בין השאר את תפקידם של הוויטמינים ואת הדרכים שבהן פועלת המערכת המטבולית בבעלי חיים ובאדם. המחקר הביוכימי אפשר עיסוק בגנטיקה גם ברמה המולקולרית, והוביל לריכוז מאמצים רבים בזיהוי ביוכימי של היחידה הבסיסית של התורשה, הגן. מאמצים אלה נשאו פרי ב-1953, כאשר ווטסון וקריק גילו את מבנה ה-DNA, המולקולה הנושאת את הקוד הגנטי. התגלית הובילה לעיסוק נרחב במולקולה זו ובתהליכים הקשורים אליה, עיסוק שהגיע לשיאו בין השאר בפרויקט גנום האדם. יישומים אלו ואחרים הביאו לראשונה להתפתחותו של מדע יישומי מתוך הביולוגיה – ביוטכנולוגיה – ויצרו את האפשרות להנדסה גנטית. בראשית המאה ה-20 התפתח 'חקר הטבע' מעיסוק המבוסס על תצפיות בלבד לדיסציפלינה מדעית המשתמשת גם בניסויים מבוקרים ובשיטות מדידה כמותיות, ומושתתת על בסיס תאורטי. במחצית הראשונה של המאה התפתחו מושגים כגון שרשרת מזון ומערכת אקולוגית, והונח הבסיס לאקולוגיה כדיסציפלינה עצמאית, העוסקת ביחסי הגומלין בין בעלי חיים לסביבתם. לקראת סוף המאה ה-20 התגלעה תהום בין ביולוגיה של אורגניזמים – תחומים כגון אקולוגיה, ביולוגיה התפתחותית, חקר האבולוציה, פלאואנתרופולוגיה ודיסציפלינות אחרות העוסקות באורגניזם כולו או בקבוצות של אורגניזמים – לבין ביולוגיה מולקולרית – תחום כגון ביולוגיה תאית, ביוכימיה, ביופיזיקה ועוד. עם זאת, לקראת תחילת המאה ה-21 מתחילה הפרדה זו להתפורר, כאשר ביולוגים של אורגניזמים פונים יותר ויותר לשיטות מולקולריות ואילו ביולוגים מולקולריים מתמקדים יותר ויותר ביחסי הגומלין בין גנים לסביבה ובמגוון הגנטי של אוכלוסיות בעלי-חיים. עיסוק זה מתבטא בין השאר בחקר מנגנונים נוספים של תורשה מעבר לתורשה הגנטית, תחום המכונה אפיגנטיקה. ערך מורחב – תחומים בביולוגיה הביולוגיה הפכה לתחום מחקר רחב כל כך עד כי היא לא נתפסת בדרך כלל כדיסציפלינה או כמקצוע אחד, אלא כמספר תת-דיסציפלינות מקובצות. תחומי המחקר מתחלקים לארבע קבוצות עיקריות: הראשונה מורכבת מהמקצועות שחוקרים את המבנים הבסיסיים של מערכות חיות: תאים, גנים וכו'; השנייה בוחנת את הפעילות של מבנים אלה ברמה של רקמות, איברים וגופים; השלישית מתבוננת ביצורים החיים ובהיסטוריה שלהם; ואילו הקבוצה האחרונה מתמקדת בקשרי הגומלין בין היצורים החיים. עם זאת גבולות, הקבצות ותיאורים מהווים אפיון פשטני של המחקר הביולוגי. במציאות, הגבולות בין דיסציפלינות הם גמישים, ותחומי המחקר משתמשים לעיתים קרובות בטכניקות מתחומים אחרים. לדוגמה, ביולוגיה אבולוציונית נשענת במידה רבה על טכניקות של ביולוגיה מולקולרית כדי לקבוע את הרכבם של רצפי DNA המסייעים בהבנת המגוון הגנטי של אוכלוסייה; ופיזיולוגיה משתמשת בממצאים מתחום הביולוגיה של התא לחקר רקמות ואיברים שלמים. אתולוגיה מרחיבה את המחקר הביולוגי לתחומי חקר ההתנהגות ומאפייני החשיבה של בעלי חיים, בעוד שפסיכולוגיה אבולוציונית גורסת כי שדה הפסיכולוגיה, כולל זו של בני האדם, הוא ענף של הביולוגיה. ביולוגיה מולקולרית הוא החקר הביולוגי ברמה המולקולרית. שדה זה חופף עם תחומים אחרים בביולוגיה, במיוחד עם תחומי הגנטיקה והביוכימיה. ביולוגיה מולקולרית עוסקת בעיקר בהבנה של קשרי הגומלין בין המערכות השונות של התא, ובתוכן הקשרים בין DNA, RNA, וסינתוז חלבונים, וכן הבנת הוויסות והבקרה של תהליכים אלו. ביולוגיה של התא חוקרת את התכונות הפיזיולוגיות של תאים, כמו גם את התנהגותם ואת קשרי הגומלין בין תאים שונים ובין תאים וסביבתם. דבר זה מבוצע הן ברמה המיקרוסקופית, והן ברמה המולקולרית. ביולוגיה של התא חוקרת הן יצורים חד-תאיים כמו חיידקים והן תאים בעלי התמחות ביצורים רב-תאיים כמו האדם. ההבנה של מבנה התא והדרך שבה תאים פועלים יסודית לכל ענפי הביולוגיה. הערכה של קווי הדמיון והשוני בין סוגי תאים שונים חשובה במיוחד בתחומי הביולוגיה של התא ובביולוגיה מולקולרית. נקודות הדמיון והשוני מספקות הבנה על אחידותם של תהליכים ומבנים, דבר המאפשר את הכללתם של עקרונות שנלמדו על סוג תא מסוים לסוגי תאים אחרים. גנטיקה היא ענף החוקר את הגנים, התורשה ואת מגוון היצורים החיים. במדע המודרני, הגנטיקה מספקת כלים חשובים למחקר תפקודו של גן מסוים, או לבחינה של יחסי גומלין בין גנים שונים. ברוב היצורים, מידע גנטי נישא בכרומוזומים – מולקולות DNA גדולות, שם הוא מיוצג על ידי הקוד הגנטי. ביולוגיה התפתחותית חוקרת את תהליכי ההתפתחות והגדילה של יצורים חיים. מקורה של הביולוגיה ההתפתחותית באמבריולוגיה – חקר התפתחות העובר. הביולוגיה ההתפתחותית חוקרת שלושה תהליכים מרכזיים: מחזור התא – גדילתו והתרבותו, התמיינות תאים היוצרת תאים מסוגים שונים, ומורפוגנזה – יצירתם של רקמות ואיברים. ערכים מורחבים – פיזיולוגיה, אנטומיה פיזיולוגיה חוקרת את התהליכים המכניים, הפיזיקליים והביוכימיים המתרחשים ביצורים חיים, תוך ניסיון להבין כיצד כל מבנה פועל כמכלול. הרעיון של "מבנה לשם תפקוד" הוא מרכזי עבור הביולוגיה. לימודי הפיזיולוגיה חולקו באופן מסורתי לפיזיולוגיה של הצמח ולפיזיולוגיה של בעלי חיים, אבל העקרונות של הפיזיולוגיה הם אוניברסליים, ללא תלות בסוג היצור הנחקר. לדוגמה, המידע הנלמד אודות הפיזיולוגיה של תאי שמרים, יכול להיות מיושם על תאי אדם. פיזיולוגיה של בעלי-חיים מאפשרת הרחבה של הכלים והשיטות של פיזיולוגיה של האדם למינים שאינם האדם. פיזיולוגיה קשורה קשר הדוק עם האנטומיה, ענף העוסק בחקר מבנה אברי האורגניזם ומיקומם. יחד, האנטומיה והפיזיולוגיה בוחנות כיצד מערכות איברים בבעלי חיים, כמו מערכת העצבים, המערכת החיסונית, המערכת האנדוקרינית, מערכת הנשימה ומערכת כלי הדם מתפקדות, ומקיימות קשרי גומלין ביניהן. המחקר של מערכות אלה נעשה במשותף עם ענפים בעלי אוריינטציה רפואית כמו נוירולוגיה ואימונולוגיה. ערכים מורחבים – אבולוציה, מיון עולם הטבע המחקר האבולוציוני עוסק בחקר מוצאם ושושלתם של מינים, כמו גם תהליכי השתנותם לאורך הזמן. למחקר בענף זה זיקה למיון עולם הטבע ושני התחומים מפרים זה את זה. כך, למשל, חוקרי אבולוציה רבים מתמחים בענף טקסונומי צר, לדוגמה אורניתולוגיה (חקר העופות), או הרפטולוגיה (חקר הזוחלים וקרוביהם), אך משתמשים בידע על אורגניזמים אלה כדי לענות על שאלות באבולוציה. מצד שני, המחקר האבולוציוני חושף את הקשרים האבולוציוניים בין מינים שונים, ובכך עשוי לשנות את המיון הטקסונומי. אחד התחומים שבו נעזר המחקר האבולוציוני רבות הוא פלאונטולוגיה – חקר מאובנים, אשר חושף מינים שנכחדו ובכך מסייע בחקר שושלות ספציפיות, ובנוסף מאפשר מבט טוב יותר על קצב האבולוציה והמגמות בה. תחומים משדות אחרים בביולוגיה משמשים את המחקר האבולוציוני לשם חשיפת הקשרים בין מינים, כשביולוגיה מולקולרית, ביולוגיה התפתחותית, זואוגאוגרפיה וכן אקולוגיה, הם העיקריים שבתחומים אלה. התחומים העיקריים בחקר המגוון הם זואולוגיה, העוסקת בחקר הביולוגיה של בעלי חיים, ובוטניקה, העוסקת בחקר הביולוגיה של צמחים. מחקרם של שני תחומים אלה מפותח כתוצאה משיטת המיון הקדומה, המחלקת את עולם החי לשתי ממלכות בלבד – בעלי חיים וצמחים. כיום נפוצים גם תחומי המחקר של שאר הממלכות, כמו מיקולוגיה (חוקרת את ממלכת הפטריות) ובקטריולוגיה (חוקרת את ממלכת החיידקים). ערכים מורחבים – אקולוגיה, אתולוגיה, התנהגות, גאוביולוגיה אקולוגיה חוקרת את התפוצה והמגוון של יצורים חיים, ואת יחסי הגומלין בין היצורים לבין סביבתם הטבעית. הסביבה של יצור כוללת הן את בית הגידול שלו, שניתן לתיאור כאוסף הגורמים הא-ביוטים כמו אקלים וגאולוגיה, והן את היצורים האחרים שחולקים את בית הגידול שלו. החיים בבית הגידול נחקרים בכמה רמות שונות, החל מרמת הפרטים והאוכלוסיות ועד לרמה של מערכות אקולוגיות והביוספירה כולה. כפי שניתן לשער, אקולוגיה הוא תחום הנעזר בדיסציפלינות רבות. אתולוגיה חוקרת את התנהגותן של חיות (במיוחד חיות חברתיות כמו פרימטים וכלבים), ולפעמים רואים בה ענף של זואולוגיה. אתולוגים עסקו במיוחד באבולוציה של התנהגות ובהבנה של התנהגות בהתאם לתאוריה של הברירה הטבעית. במובן מסוים, האתולוג המודרני הראשון היה צ'ארלס דרווין, שספרו "הביטוי של הרגשות בחיות ובאדם" השפיע על אתולוגים רבים. ביוגאוגרפיה חוקרת את התפוצה המרחבית של יצורים חיים על פני כדור הארץ, כשהיא מתמקדת בנושאים כמו טקטוניקת הלוחות, שינויי אקלים, פיזור ונדידה, וקלדיסטיקה – מיון יצורים חיים לפי מיקומם בעץ האבולוציוני. מספר תחומים בביולוגיה נחשבים כנחקרים ביותר כיום, וכפורצי דרך בעתיד הקרוב. נסקור כאן בקצרה את העיקריים שבהם. ערכים מורחבים – נוירוביולוגיה, מוח המוח הוא כנראה האיבר המורכב ביותר בגוף האדם, ובגופם של יצורים רבים אחרים. בכל הנוגע לדרכים שבהן המוח מתפקד, מאפשר חשיבה, שומר זיכרונות ומפקח על פעולות הגוף, רב הנסתר על הגלוי. לא יפלא אפוא שהמחקר בפיזיולוגיה של המוח, ובייחוד של חלקיו האחראים לפעולות המורכבות ביותר, הולך וצובר תאוצה. מטרת המחקרים בתחום זה היא לחשוף את המנגנונים המורכבים המשתתפים בתהליכי החשיבה האנושיים, ומאפשרים עיבוד מידע ברמה המתקדמת המתבצעת במוח. בחלק מהמחקרים מנסים לשלב ידע מפיזיקה מודרנית, (למשל מכניקת הקוונטים) לפתרון חלק משאלות אלה, אך המחקר בתחום זה עדיין בחיתוליו. לתוצאות המחקרים בחקר המוח נודעת השפעה רבה על תחומים כגון פסיכולוגיה ורפואה, כמו גם על טכנולוגיות עתידיות, למשל בתחומי המחשוב והרובוטיקה. ערך מורחב – תאי גזע במסגרת השאיפה להאריך את תוחלת החיים האנושית, נעשים ניסיונות ליצירת חלקי גוף חלופיים לאלו שהזדקנו. עד היום בוצעו רוב ההשתלות הרפואיות בעזרת איברים של מתים, או של מי שתרמו את איבריהם בעודם בחיים; אך בהשתלת איבר השייך לאדם זר קיימת תמיד סכנה של דחיית השתל על ידי מערכת החיסון של החולה. מסיבה זו נעשה מאמץ למצוא דרך לייצר במעבדה איברים חלופיים מתאיו של החולה עצמו, כדי למנוע את דחיית השתל. למטרה זו שואפים מחקרים בביולוגיה התפתחותית, המנסים להבין את תהליכי יצירת הרקמות והתפתחות האיברים בכל הרמות, כך שניתן יהיה לשחזרם במעבדה באופן שיטתי. אחת האפשרויות המבטיחות היא השימוש בתאי גזע – תאים המסוגלים להתמיין לכל רקמה שהיא בהשפעת גירוי מתאים. תאי הגזע מצויים בעיקר בעוברים בשלבים מוקדמים; בבוגרים הם קיימים רק באיברים מסוימים וכושר התמיינותם קטן. הרצון להשתמש בתאים אלו הוא אחת הסיבות לניסיון ליצור שיבוט אנושי, שתאיו ירתמו לייצור תאי גזע. המחקר הביולוגי מנסה להבין כיצד מושרית התמיינותם של תאי הגזע, ולמצוא דרכים ליישום המסקנות. מגלי התחום זכו בשנת 2012 בפרס נובל לרפואה. ערך מורחב – הנדסה גנטית הנדסה גנטית היא תחום שזכה להישגים מרשימים בעשרות השנים האחרונות, וממשיך לככב בחזית המחקר המודרני. ההנדסה הגנטית מאפשרת השראת שינויים בחומר התורשתי (DNA), כך שהיצור הנחקר יישא את התכונות הרצויות, שלאו דווקא קיימות בו מלכתחילה. המחקר בתחום הגיע לרמה המעשית, ומינים מהונדסים של צמחים מיוצרים במעבדות ברחבי העולם, בהן משביחים גנטית את הצמחים, דבר התורם לחקלאות ולכלכלה. תקוותם של החוקרים היא להשתמש בטכניקות המיושמות על צמחים כדי לסייע במגוון תחומי רפואה, ובריפוי מחלות תורשתיות (ראו ריפוי גני). עם זאת, התחום שנוי במחלוקת, ומצוי בשיח הציבורי שם נשמעות לא מעט הסתייגויות והתנגדויות לניסויים בהנדסה גנטית. לטענת המתנגדים לניסויים אלו הנזק שהם עלולים לגרום גדול מהתועלת. ערך מורחב – אפיגנטיקה מאז שהתבססה 'הסינתזה המודרנית' בשנות ה-30 של המאה ה-20 היה קונצנזוס מדעי בקרב הביולוגים שהתורשה נקבעת אך ורק באמצעות ה־DNA המועבר לדורות הבאים. המחקר האפיגנטי גילה כי בנוסף למידע הגנטי קיימים מספר מנגנונים נוספים, כדוגמת החתמה גנומית, RNAi ומתילציית DNA, המשפיעים על הדרך בה מתבטאים הגנים בצאצאים. מנגנונים אלה מושפעים לא רק מתכולת הגנים עצמם אלא גם מתנאי הסביבה, השפעה שעשויה אף להיות מורשת לדורות הבאים; על מידת ההשפעה וגבולותיה קיים ויכוח בין העוסקים בתחום. את המחקרים הביולוגיים הראשונים שנערכו בארץ ישראל ביצעו חוקרי טבע זרים במאה ה-19, שתיעדו את החי והצומח באזור. בתחילת המאה ה-20 החל עיסוק לא מאורגן במחקר ביולוגי שימושי בתחומי הרפואה והחקלאות על מנת לסייע ליישוב היהודי המתגבש; ביניהם ניתן למנות את אהרון אהרונסון ואת יצחק אלעזרי-וולקני (על שמו מכון וולקני). מחקר של ממש בביולוגיה החל בארץ ישראל רק ב-1922, עם הקמת 'המכון לחקלאות ומדע-טבע' בתל אביב, שבראשו עמדו וולקני ואוטו ורבורג. ב-1925, עם הקמת האוניברסיטה העברית, היה בה מכון למיקרוביולוגיה, ובשנים הבאות הוקם בה 'מכון לחקירת טבע א"י', שהתבסס על יחידת חקר הטבע (בראשות ורבורג) מתוך 'המכון לחקלאות וחקר הטבע' בתל אביב (מכון זה פוצל בראשית שנות ה-30 למחלקות לבוטניקה וזואולוגיה). במקביל הוקם ב-1934 ברחובות מכון זיו (לימים מכון ויצמן למדע), ובו מחלקה לביוכימיה; מחקר בביולוגיה ממש החל במכון זה רק עם ההרחבה שעבר ב-1948, אז נפתחה בו מחלקה לגנטיקה של צמחים. כיום עוסקים בישראל במחקר בתחום הביולוגיה בכל האוניברסיטאות וכן במספר מכוני מחקר, ביניהם מכון ויצמן למדע, המכון הביולוגי בנס ציונה, ומכון וולקני למחקר חקלאי. לימודי ביולוגיה לתואר ראשון מתקיימים בכל האוניברסיטאות וכן במספר מכללות, וניתן גם להשלים תואר בביוטכנולוגיה, ביופיזיקה, מדעי המוח, ביואינפורמטיקה ובתחומים נוספים. בהיותה מקושרת לסוגיות כגון מוצא החיים, מותר האדם ובריאות הציבור, נודעת לביולוגיה חשיבות רבה יותר בתחומי המוסר והחברה מאשר לרוב מדעי הטבע. להלן מספר תחומים שבהם מתמקדים יחסי גומלין אלה. ערך מורחב – אבולוציה חברתית ותרבותית מאז שנחקר לראשונה היה מנגנון התורשה וההתפתחות האבולוציונית מוקד לסערה חברתית. מצד אחד התנגדה הכנסייה הנוצרית בקביעות לתאוריית הברירה הטבעית, אשר שללה את מקומו של האל במעשה הבריאה, וניסתה להציג לה חלופות. עם התבססות הנאודרוויניזם כקונצנזוס מדעי, התמקד הוויכוח בשאלת לימוד האבולוציה בבתי הספר, לאחר שזה נאסר ממניעים דתיים, ומאוחר יותר בדרישה ללמד במקביל גם את הגישה הדוגלת בבריאה אלוהית כמקור לחיים ולאדם (בריאתנות). ויכוח זה ניטש גם היום. בעוד שחוגי הדת דחו את האבולוציה, אימצו אותה בחום מספר הוגים חברתיים בשלהי המאה ה-19, שפיתחו תאוריות שונות של אבולוציה חברתית ותרבותית. כמה מהם השליכו את מסקנות תורת האבולוציה על המאבק בין גזעי האדם – גישה חסרת ביסוס מדעי שנקראה דרוויניזם חברתי ושימשה מאוחר יותר כאחד המקורות של תורת הגזע הנאצית. בסיס מדעי מעט רחב יותר היה לאאוגניקה, תנועה שתמכה בהשבחת הדורות הבאים באמצעות סוגים שונים של התערבות ברבייה ובתורשה, ביניהם עידוד רבייה של בעלי תכונות רצויות ועיקור בכפייה של 'בעלי תכונות שליליות' (ראו ברירה מלאכותית). תוכניות אאוגניות יושמו בארצות הברית, בשוודיה ובמדינות נוספות, אך הגישה ננטשה לאחר מלחמת העולם השנייה. השפעה הפוכה – של החברה על הביולוגיה – ניתן לראות בעבודתו של הגנטיקאי הסובייטי ליסנקו בתחום הגנטיקה החקלאית. התאוריות של ליסנקו היו שילוב מבולבל בין דרוויניזם ולמרקיזם, אך מכיוון שעלו בקנה אחד עם הפרדיגמה המרקסיסטית ששלטה בברית המועצות באותה תקופה, הן הועלו על נס והוצגו כהישגים מדעיים מרשימים. מפגש נוסף בין האבולוציה והפוליטיקה התרחש בשנות ה-70 של המאה ה-20, על רקע הסוציוביולוגיה, תאוריה של אדוארד או. וילסון המציגה חלק ניכר מההתנהגויות החברתיות האנושיות כתולדה ישירה של אבולוציה ברמה הגנטית. עמדה זו שומטת את הקרקע מתחת לגישות מרקסיסטיות ופמיניסיטיות הגורסות כי הבדלים התנהגותיים בין בני אדם בכלל (ובין גברים ונשים בפרט) הם השלכה של המבנה החברתי הדכאני ושלו בלבד. המתנגדים לסוציוביולוגיה (ולפסיכולוגיה האבולוציונית שהתפתחה ממנה) רואים בהן השלכה של תאוריות חברתיות ליברליות וקפיטליסטיות על העולם המדעי. ערך מורחב – סביבתנות המחקר המדעי בתחום האקולוגיה ופיתוח הידע על מאזן יחסי הגומלין בין בעלי חיים לסביבתם הגבירו את המודעות ליחסי הגומלין בין האדם לסביבתו. מחקרים אלה, יחד הגידול של טביעת הרגל האקולוגית האנושית בעקבות הגידול באוכלוסין, בצריכה של חומרי גלם וביצירת זיהום, הובילו לכניסה הדרגתית של נושאי סביבה לתוך הספירה החברתית, החל מתחילת המהפכה התעשייתית ועד היום. כתוצאה, התפתחו אידאולוגיות של שימור הסביבה, הדוגלת בהתחשבות בטבע, ושל קיימות, או שאיפה לחברה בת קיימא, כלומר כזו המסוגלת להתקיים במשך דורות רבים באיזון אקולוגי עם סביבתה. ערך מורחב – ביואתיקה תחום הביואתיקה עוסק בעיקר בחקר ההשלכות האתיות של התפתחויות טכנולוגיות בתחום הביולוגיה והרפואה. על הנושאים העיקריים בתחום זה נמנים שיבוט אנושי, הנדסה גנטית, טשטוש הגבולות בין בני אדם ומכונות, הקפאה קריוגנית, דחיית ההזדקנות וחיים נצחיים וכן שאלות על מהות החיים ועל רגע תחילתם, הנוגעות בנושאים כגון הפריה מלאכותית והפלה מלאכותית. הביואתיקה שואפת לברר את ההשפעות האפשריות של מחקר בתחומים אלה על החברה האנושית ואולי אף להגביל את המחקר בתחומים מסוימים. כך למשל, היא מנסה לברר אם בחירה מראש של תכונות גנטיות מועדפות היא נכונה מוסרית ואילו זכויות, אם בכלל, יהיו לשיבוט אנושי. מזווית אחרת עוסקת הביואתיקה בהשלכות האתיות של ניסויים בבעלי חיים ובבני אדם המבוצעים לקידום מדע הביולוגיה. על הניסויים בבעלי חיים, שהם לחם חוקה של הביולוגיה מאז התפתחה לראשונה, נמתחת לעיתים ביקורת מצד ארגוני זכויות בעלי חיים, הרואים בחלק מהניסויים (או בכולם) התעללות שלא לצורך; כנגדם טוענים מדענים רבים כי ניסויים אלה חיוניים לפיתוח תרופות ולהצלת חיי אדם. ניסויים בבני אדם, המשתמשים באוכלוסיות כגון אסירי עולם או חולים נוטים למות, מעלים שאלות אתיות נוספות. רשימת תחומים בביולוגיה מדעי החיים ביולוגים רשימת מקבלי פרס נובל לפיזיולוגיה או לרפואה ססי סטאר וראלף טגארט, ביולוגיה – האחידות והמגוון של החיים, האוניברסיטה הפתוחה, 2001; תרגום מאנגלית של הספר "Biology – The Unity and Diversity of Life",‏ 1998. חוה יבלונקה, ההיסטוריה של החיים א' וב', האוניברסיטה הפתוחה, 1995. כתב העת International Journal of Biological Sciences מילון למונחי ביולוגיה כללית (2009), באתר האקדמיה ללשון העברית ביולוגיה, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית) ביולוגיה, דף שער בספרייה הלאומית Gottfried Reinhold Treviranus, Biologie oder Philosophie der lebenden Natur, 1802 Jean-Baptiste de Lamarck, Hydrogéologie, 1802 Norman R. Pace, The universal nature of biochemistry, PNAS, January 30, 2001 William Bains, Many Chemistries Could Be Used to Build Living Systems, Astrobiology, Volume 4, Number 2, 2004 שרה שורץ, הגדרת החיים, האוניברסיטה הפתוחה, פברואר 2001 איך מגדירים חיים?, אנציקלופדיה ynet, 11 באוגוסט 2008 Luis P. Villarreal, Are Viruses Alive?, Scientific American, December 2004 Are viruses dead or alive?, Khan Academy Burkhardt, Richard W. Jr. "On the Emergence of Ethology as a Scientific Discipline." Conspectus of History 1.7 (1981). Klein, Z. (2000). "The ethological approach to the study of human behavior" (PDF). Neuroendocrinology Letters (21): 477–481. אורכב מ-המקור (PDF) ב-2016-03-03. נבדק ב-2017-07-13. אבי בליזובסקי, ‏לפתח תאי לב מעור החולה. כך הגדיר פרופ' ג'ון גורדון, אחד מזוכי פרס נובל לרפואה 2012 את תפקידם של תאי הגזע המושרים, באתר "הידען", 8 באוקטובר 2012 התורשה שמעבר לדנ"א, חלק א', חלק ב', חלק ג' דינה צפרירי, גליליאו, ynet