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. הפרק הזה מחלק את תחומי המחקר לארבע קבוצות עיקריות. הקבוצה הראשונה מורכבת מהמקצועות שחוקרים את המבנים הבסיסיים של מערכות חיות: תאים, גנים וכו'; הקבוצה השנייה בוחנת את הפעילות של מבנים אלה ברמה של רקמות, איברים וגופים; הקבוצה השלישית מתבוננת ביצורים החיים ובהיסטוריה שלהם; הקבוצה האחרונה של תחומי מחקר מתמקדת ביחסי הגומלין ביניהם. עם זאת, חשוב לשים לב כי גבולות, הקבצות ותאורים אלה הם מאפיינים פשטניים של המחקר הביולוגי. במציאות, הגבולות בין דיסציפלינות גמישים, ורוב תחומי 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 אשר מסייעים בהבנה של המגוון הגנטי של אוכלוסייה; ופיזיולוגיה משתמשת בממצאים מתחום הביולוגיה של התא כדי לתאר את התפקוד של מערכות איברים. אתולוגיה ופסיכולוגיה משווה מרחיבות את הביולוגיה כדי לבצע מחקר של ההתנהגות ומאפייני החשיבה בבעלי חיים, בעוד שפסיכולוגיה אבולוציונית גורסת כי שדה הפסיכולוגיה, כולל זו של בני האדם, הוא ענף של הביולוגיה. ניתן לסווג את תחומי המחקר הביולוגיים גם בצורות אחרות, למשל בהתאם לסוג היצורים הנחקרים: פלאונטולוגיה – חקר המאובנים, ונאונטולוגיה – חקר היצורים בני זמננו. עם השנים, קיימת מגמה של סינתזה בין תחומים או תאוריות שונות בביולוגיה, במיוחד מאז התפתחות האבולוציה, הגנטיקה והמיקרוביולוגיה באמצע המאה ה-19 וביתר שאת מראשית המאה ה-20, כך הבנה של תחום אחד בביולוגיה, מסייעת להבין את התחומים האחרים. הסינתזה נמשכת גם עם תחומים אחרים מחוץ לביולוגיה לדוגמה פיזיקה, ביוכימיה, קוסמולוגיה, תרמודינמיקה, אריכאולוגיה, פסיכולוגיה, סוציולוגיה, אנתרופולוגיה ועוד. ביולוגיה מולקולרית: חקר תהליכים ביולוגיים, כמו נשימה, פוטוסינתזה וייצור חלבונים ברמה המולקולרית. ביוכימיה: חקר מולקולות החיים, כמו חלבונים, סוכרים, שומנים, DNA ונוקלאוטידים, יחסי הגומלין ביניהן והשפעת הרכבם על תהליכים ביולוגיים. תחומי משנה: פרוטאומיקה, גליקומיקה וגנומיקה: חקר מכלול החלבונים, הסוכרים והגנים (בהתאמה) באורגניזם, קטלוגם והבנת הדרך בה הם משפיעים על תכונות האורגניזם. פרמקולוגיה: תחום ברוקחות, חקר ופיתוח התרופות. גנטיקה: חקר התורשה; מוטציות, פגמים גנטיים ומחלות תורשתיות. תחומי משנה: גנטיקה מולקולרית חקר הנוקלאוטידים, חומצות הגרעין והגנים ברמה המולקולרית. הנדסה גנטית: שימוש בגנטיקה לצורכי האדם. ביולוגיה תאית: חקר מבנה התא ותפקודו, ברמת האברונים וברמה המולקולרית. אימונולוגיה או אימונוביולוגיה: חקר תגובת הגוף לפולשים זרים, ולשינויים בתפקוד התקין. פיזיולוגיה: חקר תפקוד גוף האורגניזם, האיברים, מערכות האיברים ויחסי הגומלין ביניהם. תחומי משנה: אלקטרופיזיולוגיה ונוירופיזיולוגיה: חקר הפיזיולוגיה בעזרת חשמל (אלקטרו), המוח (נוירו) ומערכת העצבים (שני התחומים). ביומכניקה: חקר תנועתם של אורגניזמים, וכן תנועתם של איברים שונים (כמו הלב והריאות) בגוף האורגניזם. תחום משנה: קינסיולוגיה: חקר תנועת האדם. היסטולוגיה: חקר הרקמות. אנטומיה: חקר הרכב ומבנה האיברים בגוף האורגניזם. תחומי משנה: זואוטומיה: חקר איבריהם של בעלי-חיים. פיטונומיה: חקר מבנה הצמחים. אנטומיה השוואתית: חקר הגורמים להבדלים בתפקוד ובמבנה של יצורים שונים ברמת האיברים. ביולוגיה התפתחותית או אמבריולוגיה או אונטוגניה: חקר התפתחות האורגניזם מרגע היווצרותו ועד מותו. חקר גדילת התאים, התמיינותם והתפתחות הרקמות והאיברים השונים. טקסונומיה או סיסטמטיקה: סיווג ומיון האורגניזמים. אתולוגיה: חקר דפוסי התנהגות בעלי-חיים בסביבתם הטבעית. זואולוגיה: חקר בעלי-החיים. עשרות תחומי משנה, עבור כל קבוצת בעלי-חיים (למשל: אורניתולוגיה (חקר העופות), אנטומולוגיה (תורת החרקים)). בוטניקה: חקר הצמחים. פיקולוגיה: חקר האצות. מיקולוגיה: חקר הפטריות. מיקרוביולוגיה הכוללת את בקטריולוגיה: חקר החיידקים ואת וירולוגיה: חקר הנגיפים. ביולוגיה ימית: חקר בתי הגידול הימיים. ביולוגיה של אוכלוסיות: חקר הדינמיקה של התפתחות אוכלוסיות בזיקה לברירה קבוצתית, לאקולוגיה ולדינמיקות תוך-קבוצתיות ובין-קבוצתיות. אקולוגיה: חקר יחסי גומלין בין אורגניזמים וסביבתם. פאוניסטיקה: חקר תפוצתם של בעלי-חיים במקומות שונים בעולם, והסיבות לכך. אבולוציה: חקר התפתחות האורגניזמים במרוצת הדורות והשפעתן של התורשה והסביבה על התפתחות זו. תחומי משנה: מיקרואבולוציה וגנטיקה של אוכלוסיות: הרמה המולקולרית. חקר הורשתם של גנים במרוצת הדורות, ויחסי הגומלין בין גנים באוכלוסיות. מקרואבולוציה: רמת האוכלוסייה העולמית. חקר הפצתן של אורגניזמים ותכונות על פני כדור הארץ במרוצת הדורות. פילוגנטיקה: חקר הקרבה היחסית בין מינים שונים של אורגניזמים. פלאואנתרופולוגיה: חקר האבולוציה של האדם. ביוטכנולוגיה: פיתוח השימוש ביצורים בתעשייה, לייצור תרופות, מזון וכימיקלים. ביואינפורמטיקה: פיתוח עזרי מחשוב לשימוש הביולוגיה, במיוחד בתחומי הגנומיקה, הפרוטאומיקה והפילוגנטיקה. ביולוגיה מערכתית (systems biology): ניתוח התפקוד של מערכות ביולוגיות, בניגוד לחקר התפקוד של חקר רכיבים בודדים. תחום צעיר ביותר, המשלב שיטות ניסיוניות חדשות עם פיתוח כלים מתמטיים וחישוביים. ביופיזיקה: חקר תהליכים ביולוגיים מההיבט הפיזיקלי (למשל: תנועת נוזלים בתא ובגוף, השפעת הכבידה על תנועת אורגניזמים, הולכה חשמלית בגוף). טוקסיקולוגיה: חקר הרעלים, הרעלנים והשפעתם על אורגניזמים. אסטרוביולוגיה: חקר החיים מחוץ לכדור הארץ. קריוביולוגיה: חקר הקפאה. תחומים ותאוריות שהתפתחו בביולוגיה עברו עם השנים סינתזה כך שתחום אחד מסביר ומבהיר כיצד עובד תחום אחר. בין 1918 ל-1930 הפגיש רונלד פישר את תורת האבולוציה של דרווין, הכוללת את רעיון הברירה טבעית, תורשה ושונות, ואת חוקי הגנטיקה של גרגור מנדל למבנה קוהרנטי של ביולוגיה אבולוציונית, דבר זה מכונה כיום ההסינתזה האבולוציונית המודרנית. בתקופה זו ביולוגים הניחו שאורגניזם הוא השתקפות ישירה של הגנים המרכיבים אותם: הגנים מקודדים לחלבונים, שבנו את הגוף של האורגניזם. הם שיערו כי מסלולים ביוכימיים ומינים חדשים התפתחו באמצעות מוטציות בגנים הללו. זו הייתה תמונה פשוטה, ברורה וכמעט מקיפה: אבל היא לא הסבירה את האמבריולוגיה לדוגמה. תחום הטקסונומיה (מיון של אורגניזמים שונים), עבר שינויים משמעותיים במהלך המאה ה-20 וה-21 כאשר מיון של ענפים בעץ החיים, השתנה בעקבות מיון גנטי. בעבר התיחום של קבוצות בוצע בעיקר באמצעות השווה בין דמיון באיברים ואילו בהמשך החלו חוקרים להשוות דמיון בין מינים ואת הפיצולים שלהם באמצעות השוואה גנטית. היבטים אלה כמו גם מחקרים על מבנה התא חשפו גם קשרים ומוצא משותף בין אאקוריוטים לבין פרוקריוטים. כך לדוגמה התאוריה האנדוסימביוטית שהגתה הביולוגית לין מרגוליס ב-1967, מסבירה את קיומם של האברונים מיטוכונדריה וכלורופלסט בתאים איקריוטיים על ידי תהליך אבולוציוני, שבו חיידקים קדומים מסוג בקטריה, נבלעו על ידי חיידקים גדולים יותר מסוג ארכיאה, והמשיכו להתפתח בתוכם בסימביוזה הדדית. בשנות ה-70 של המאה ה-20 פיתוח טכנולוגיית DNA רקומביננטי גילוי של גנים הומיוטיים המווסתים, הפגיש את האמבריולוגיה עם הגנטיקה המולקולרית פילוגנטיקה וביולוגיה אבולוציונית ליצירת תחום של ביולוגיה התפתחותית אבולוציונית המשווה תהליכי ההתפתחות של אורגניזמים שונים. דבר זה הוא חלק מתוך תהליך של הסינתזה האבולוציונית המורחבת שממשיכה להתפתח ומקשרת בין תחומים נוספים כגון בין אקולוגיה לבין אבולוציה. תחומים רבים בביולוגיה חופפים או שייכים למספר תחומי על: כך, למשל, גנומיקה שייכת לביוכימיה ולגנטיקה יחדיו; וביופיזיקה ונוירופיזיולוגיה עוסקות לעיתים בנושאים חופפים. כפי שניתן לראות, הביולוגיה נעזרת ותלויה במדעים רבים אחרים. אלקטרופיזיולוגיה שייכת גם לפיזיקה, למשל, ואילו רוקחות שייכת גם לרפואה. מהסיבה הזו כוללות תוכניות הלימוד לביולוגיה בשנת הלימודים הראשונה מתמטיקה, סטטיסטיקה, כימיה, ביוכימיה ופיזיקה, שכן ללא הבנה בתחומים אלו לא ניתן להסביר תופעות ביולוגיות, וכן מחשבים, אשר מהווים כיום כלי עזר חיוני ביותר למחקר הביולוגי.