Bioloģija

Bioloģija ( (bios) — ‘dzīvība’; λόγος (logos) — ‘jēdziens, zinātne’)"Zinātnes un tehnoloģijas vārdnīca", Norden AB, 2001, 104. lpp.,  ir dabas zinātne par dzīvību visās tās izpausmēs un par dzīvās matērijas organizāciju molekulārā, šūnu, audu, orgānu, organismu un organismu kopu līmenī. Bioloģijas galvenais uzdevums ir noskaidrot dzīvības būtību un likumsakarības, kas saistītas ar to.  Tā ir zinātne par dzīvajiem organismiem, kura noskaidro to, kā tie aug, barojas un kustas, kā tie vairojas un kā attīstās ilgā laika periodā (evolūcija).

Ir vairākas bioloģijas apakšnozares atkarībā no tā, kas tiek konkrēti pētīts. Divas lielākās apakšnozares ir zooloģija, kurā tiek pētīti dzīvnieki, un botānika, kurā tiek pētīti augi.  Ir arī citas nozīmīgas apakšnozares, piemēram, ģenētika, evolūcija, mikrobioloģija, paleontoloģija, sistemātika un citas. Bioloģija ir cieši saistīta ar fiziku, ķīmiju, medicīnu, lauksaimniecību, mežsaimniecību un citām zinātņu nozarēm, kuras apvienojot ir izveidojušās tādas zinātnes kā biofizika, bioķīmija, bioģeogrāfija, bioinženierija, biometrija, biostatika, bioenerģētika un pat biomatemātika.

 Biologi 
Cilvēki, kas veic pētījumus bioloģijā, tiek saukti par biologiem. Starp slavenākajiem biologiem ir Klods Bernards (Claude Bernard), Žoržs Kivjē (Georges Cuvier), Čārlzs Darvins, Tomass Hekslijs, Žans Batists Lamarks, Kārlis Linnejs, Gregors Mendelis un Luijs Pastērs, bet bioloģijas aizsākumi ir meklējami Senajā Grieķijā. Tās pamatus lika Aristotelis, Hipokrats, kā arī romiešu filozofs Galēns. Kopš 1901. gada pasaules labākie biologi ir Nobela prēmijas fizioloģijā un medicīnā kandidāti, un nereti viņi arī to iegūst.

 Vēsture 
Neviens tieši nezina, kad cilvēki pirmo reizi sāka uzkrāt zināšanas par dabu. Zinātnieki un vēsturnieki uzskata, ka cilvēki vispirms pieradināja dažādus mājdzīvniekus un sāka audzēt kultūraugus, un tikai pēc tam sāka to izpēti. Ir atrastas liecības, ka asīriešiem un babiloniešiem bija zināšanas lauksaimniecībā un medicīnā jau ap 3500. gadu p.m.ē. Līdz 2500. gadam p.m.ē. šīs zināšanas jau bija izplatījušās tālāk uz lielajām civilizācijām kā uz Seno Ķīnu, Seno Ēģipti un Seno Indiju.

Lai gan bioloģija kā vienota un saskaņota zinātne radās tikai 19. gadsimtā, tās pirmsākumi ir meklējami antīkajā pasaulē. Aptuveni 500. gadus p.m.ē. grieķis Alkmaions ir veicis dzīvnieku sekcijas, un bija pirmais, kas aprakstīja acis un ausis."Dabaszinātnes", R.: Avots, 2008, 89.lpp.,  Savukārt Hipokrats domāja, ka dievišķais nekad nevar būt par iemeslu slimībām, jo to cēloņi ir jāmeklē organismā.

Bioloģijas pirmsākumu ziedu laiki bija sengrieķu filozofa Aristoteļa dzīves laikā (384-322 p.m.ē.). Viņš aprakstīja vairāk nekā 500 dzīvnieku sugas. Līdz ar to viņu var uzskatīt par zooloģijas "tēvu". Jau antīkajā pasaulē viens no centrālajiem jautājumiem dabas izzināšanā bija dzīvības rašanās, piemēram, Aristotelis uzskatīja, ka zivis veidojas no dūņām. Šī hipotēze bija vispārpieņemta līdz pat 17. gadsimtam. Aristoteļa skolnieks Teofrasts kļuva par botānikas pamatlicēju, jo viņš aizrāvās ar augu valsts novērojumiem, aprakstot ap 500 augu sugām.

1. gadsimtā grieķu ārsts Dioskorīds pievērsa uzmanību ārstniecības augu aprakstīšanai, tādēļ viņš tiek uzskatīts par farmakoloģijas pamatlicēju. Savukārt romiešu ārsts Galēns (ap 129-199) nodarbojās ar dažādu orgānu funkciju pētīšanu, piemēram ar urīnvadu sistēmas, asinsrites un nervu sistēmas izpēti. Līdz 17. gadsimtam viņu darbi bija ārstu galvenās rokasgrāmatas.

Antīkajos darbos izteiktās domas tālāk attīstīja viduslaiku musulmaņu ārsti un zinātnieki kā Al-Džāhizs, Avicenna, Ibn Zuhrs, Ibn Al-Baitars un Ibn al-Nafiss.Iespējams, šo zinātnieku vārdi ir nepareizi latviskoti Viduslaikos Eiropā bioloģijas attīstība norisinājās galvenokārt klosteros, kur tika pētīti augi galvenokārt ārstniecības nolūkos. Zooloģijas pirmsākumi, visticamāk, saistāmi ar praktiskām nozarēm (veterinārmedicīnu un medībām), kur uzkrātā pieredze vēlāk pārauga mērķtiecīgos novērojumos un pētījumos.

Renesanses laikā, 15. un 16. gadsimta mijā, bioloģisko zinātņu attīstību ievērojami ietekmēja Leonardo da Vinči, kura anatomijas pētījumi iezīmēja būtisku pavērsienu cilvēka ķermeņa izzināšanā. Tomēr par cilvēka anatomijas pamatlicēju mūsdienu izpratnē tiek uzskatīts flāmu zinātnieks Andreass Vezālijs, kura darbi bija sistemātiski un balstīti uz detalizētiem novērojumiem un sekcijām. Morfoloģiski precīzi dzīvnieku attēlojumi gleznās un grafikā, īpaši vācu mākslinieka Albrehta Dīrera darbos, atspoguļoja pieaugošu interesi par dzīvnieku ķermeņa uzbūvi un veidoja pamatu vēlākai zinātniskai pieejai zooloģijā.

16. un 17. gadsimtā īpaši attīstījās botānika. Vācu teologs un botāniķis Oto Braunfelss 1530. gados, kā arī itāļu kapucīnu mūks Gregorio Redžio 17. gadsimta sākumā ieviesa herbārija metodi, kas kļuva par svarīgu rīku augu sistemātiskā izpētē. Šajā laikā tika izdoti arī pirmie ilustrētie darbi par savvaļas augiem, piemēram, Braunfelsa daudzsējumu darbs “Dzīvu augu attēli” (Herbarum vivae eicones, 1532–1536), kas kalpoja gan kā vizuāls, gan aprakstošs augu katalogs. Paralēli tika veikti pirmie mēģinājumi augus klasificēt pēc sistemātiskiem principiem. Botānikas attīstību veicināja arī specializētu botānisko dārzu izveide pie universitātēm. 1545. gadā tika dibināts Padujas Botāniskais dārzs Itālijā, kas uzskatāms par vienu no senākajiem šāda veida dārziem Eiropā. Savukārt 1621. gadā Anglijā izveidoja Oksfordas Universitātes Botānisko dārzu, kurš kļuva par nozīmīgu pētniecības un mācību centru.

17. gadsimtā angļu zinātnieks Roberts Huks, izmantojot jaunizgudroto mikroskopu, atklāja, ka organismi sastāv no šūnām. Neilgi pēc tam Antonijs van Lēvenhūks būtiski pilnveidoja mikroskopu, kā rezultātā pētnieki spēja novērot spermatozoīdus, baktērijas un skropstaiņus, tā atklājot mikroorganismu daudzveidību un nostiprinot mikrobioloģijas pamatus. Jana Svammerdama pētījumi veicināja interesi par entomoloģiju un ļāva attīstīt mikroskopisko preparātu preparēšanas un iekrāsošanas metodes. 19. gadsimta sākumā biologi sāka atzīt šūnas nozīmi kā mazāko dzīvo organismu pamatvienība. 1838. gadā Matiass Šleidens un Teodors Švāns formulēja divus svarīgus principus: (1) organisms sastāv no šūnām un (2) katrai šūnai piemīt visas dzīvības pazīmes. Sākotnēji viņi vēl noraidīja ideju, ka (3) visas šūnas rodas, daloties citām šūnām, un piekrita spontānās rašanās teorijai. Tomēr vēlāk Roberts Rēmaks un Rūdolfs Virhovs eksperimentāli apstiprināja trešo postulātu, un līdz 1860. gadiem visi trīs postulāti tika plaši pieņemti, tādējādi nostiprinot šūnu teoriju.

1953. gadā angļu ģenētiķis Frānsiss Kriks un amerikāņu bioķīmiķis Džeimss Votsons atklāja dezoksiribonukleīnskābes (DNS) struktūru.

Ilgu laiku bioloģija uzskatīta vienīgi par aprakstošu zinātni, taču laika gaitā tika atklātas nozīmīgas teorētiskas likumsakarības, kas ļāva labāk izprast dzīvību. Līdz ar to izveidojās dažādas bioloģijas nozares un ciešāka kļuva bioloģijas saistība ar citām dabas zinātnēm (ar ķīmiju, fiziku).Dzintra Porozova, Juris Porozovs, Līga Sausiņa. Bioloģija vidusskolai 1. daļa. Zvaigzne ABC, 2005. 

 Modernās bioloģijas pamati 
Lielākā daļa no modernās bioloģijas ietver piecus vienojošus principus: šūnu teoriju, evolūciju, ģenētiku, homeostāzi un enerģiju.

 Šūnu teorija 
Šūnu teorija nosaka, ka šūna ir dzīvības pamatvienība, un ka visas dzīvas būtnes sastāv no vienas vai vairākām šūnām. Jaunas šūnas rodas tām daloties. Šūna tiek arī uzskatīta par pamatvienību daudzos patoloģiskos procesos. Šūnas nodrošina vielmaiņu, kā arī tās satur iedzimto informāciju (DNS), kas tiek nodota no šūnas šūnai dalīšanās laikā.

 Šūnas uzbūve un funkcijas 

Šūnu veido citoplazma, kurā atrodas dažādi organoīdi, un ārējo vidi no tās norobežo plazmatiskā membrāna, kas regulē vielu transportu. Dzīvo organismu šūnas iedala divos galvenajos tipos: prokariotos un eikariotos. Prokariotu šūnas, kādas sastopamas baktērijās un arhebaktērijās, ir strukturāli vienkāršas – tām nav kodola, un DNS atrodas citoplazmā.

Eikariotu šūnās, kas veido dzīvniekus, augus, sēnes un protistus, sastopamas vairākas specializētas struktūras: mitohondriji, kas nodrošina enerģijas ražošanu; ribosomas, kurās notiek olbaltumvielu sintēze; endoplazmatiskais tīkls un Goldži komplekss, kas piedalās olbaltumvielu un lipīdu apstrādē un transportēšanā. Augu šūnām raksturīgi arī hloroplasti, kuros notiek fotosintēze, un šūnapvalks, kas nodrošina mehānisko izturību. Sēņu šūnām ir hitīna apvalks.

Būtisks šūnu process organismu augšanai, bojāto audu atjaunošanai un vairošanās procesam ir šūnu dalīšanās. Pastāv divi galvenie šūnu dalīšanās veidi: mitoze un mejoze. Mitozē veidojas ģenētiski identiskas šūnas un tā nodrošina somatisko šūnu dalīšanos, savukārt mejoze notiek dzimumšūnu veidošanās laikā un rezultējas ar ģenētiski dažādām šūnām ar samazinātu hromosomu skaitu. Šūnu dalīšanos regulē bioloģiskie mehānismi, kas nodrošina ģenētiskās informācijas nemainību vai pārkārtošanos atkarībā no dalīšanās veida.

 Šūnu diferenciācija un specializācija 
Šūnu diferenciācija ir process, kurā nediferencētas šūnas — piemēram, cilmes šūnas — attīstās par dažādiem šūnu tipiem ar specifiskām struktūrām un funkcijām. Šis process ir būtisks daudzšūnu organismu attīstībā, jo tas nodrošina, ka dažādos audos un orgānos ir šūnas, kas spēj veikt konkrētus uzdevumus, piemēram, sarkano asinsķermenīšu, nervu vai muskuļu šūnu funkcijas. Diferenciāciju vada precīza gēnu ekspresijas regulācija, un to ietekmē gan iekšējie ģenētiskie signāli, gan ārējie vides faktori. Šūnu specializācija ir diferenciācijas rezultāts, kas ļauj organismam veidot sarežģītas struktūras un uzturēt efektīvu fizioloģisko darbību.

 Evolūcija 

Evolūcija ir dzīvības dažādības pamatā. Saskaņā ar to visiem dzīvajiem organismiem ir kopīga izcelsme. 18. gadsimtā Žans Batists Lamarks bija pirmais, kas izteica viedokli, ka sugas var pāriet cita citā."Dabaszinātnes", R.: Avots, 2008, 90.lpp.,  Aptuveni 50 gadus vēlāk Čārlzs Darvins par dabas dzinējspēku definēja dabiskā atlasi. Viņa izstrādātā evolūcijas teorija nav atspēkota līdz pat mūsdienām. Angļu zoologs un ceļotājs Alfreds Voless gandrīz vienlaicīgi nāca klajā ar ļoti līdzīgu teoriju."Dabaszinātnes", R.: Avots, 2008, 91.lpp.,  Jāņem vērā, ka daži zinātnieki jau ilgi pirms Darvina pauda evolucionistiskus uzskatus.Lamarck, Jean-Baptiste (1809). Philosophie Zoologique. Paris: Dentu et L'Auteur. OCLC 2210044. Tāpēc arī darvinisms nenāca pilnīgi negaidīts."Vispārīgā bioloģija. Mācību grāmata 10. un 11. klasei", Rīga: Zvaigzne, 1985, 17.lpp.

 Dabiskā izlase 

Dabiskā izlase ir evolūcijas mehānisms, kurš raksturo to, ka vide ietekmē, kuras organisma īpašības tiek pārmantotas nākamajās paaudzēs. Organismi, kuru pazīmes nodrošina labāku izdzīvošanas un vairošanās  iespējamību konkrētos apstākļos, atstāj vairāk pēcnācēju, tādējādi šo īpašību izplatība populācijā palielinās. Šis process balstās uz ģenētisko daudzveidību – mutācijām un gēnu kombinācijām, kas rada atšķirības starp indivīdiem. Bez šādas dažādības dabiskajai izlasei nebūtu materiāla, no kā "izvēlēties", tāpēc ģenētiskā daudzveidība ir būtisks nosacījums evolūcijas norisei. Līdzīgi — organismi ar mazāk noderīgām (vai pat traucējošām) īpašīmām atstāj mazāk pēcnācējus un konkrētās īpašības no populācijas izzūd.

Laika gaitā dabiskā izlase izraisa adaptāciju – organismu īpašību pielāgošanos apkārtējās vides apstākļiem. Piemēram, leduslāčiem ir biezs, balts apmatojums un tauku kārta, kas pasargā no aukstuma un kalpo kā maskēšanās ledainā vidē. Savukārt tuksneša augiem, piemēram, kaktusiem, ir reducētas lapas (adatu veidā), lai samazinātu ūdens zudumu.
Ja adaptācija turpinās noteiktā virzienā ilgstoši nemainīgos apstākļos, tā var novest pie specializācijas. Tas nozīmē, ka organisms kļūst īpaši piemērots šaurai ekoloģiskai nišai – piemēram, koalām ir specializēta gremošanas sistēma, kas ļauj tām pārtikt gandrīz tikai no eikalipta lapām, kuras ir indīgas lielākajai daļai citu dzīvnieku. Līdzīgi – daži tauriņu kāpuri var attīstīties tikai uz konkrēta auga lapām, kas ierobežo to izplatību, bet vienlaikus samazina konkurenci. Specializācija var paaugstināt sugas izdzīvošanas izredzes noteiktos apstākļos, taču padara to ievainojamāku, ja vide strauji mainās. Tādējādi dabiskā izlase ir dzinējspēks, kas veido adaptācijas un, ilgtermiņā, arī specializāciju, nodrošinot organismu evolūciju atbilstoši vides prasībām.

 Sugu veidošanās 
Sugu veidošanās jeb speciācija ir evolūcijas process, kurā no vienas sākotnējas sugas izveidojas divas vai vairākas jaunas, ģenētiski izolētas sugas. Speciācija notiek tad, kad populācijās uzkrājas pietiekamas ģenētiskas atšķirības, kas neļauj krustoties vai iegūt dzīvotspējīgus pēcnācējus. Viens no visbiežāk sastopamajiem speciācijas veidiem ir alopatriskā speciācija, kuras pamatā ir ģeogrāfiska izolācija — piemēram, kad populācijas nodala kalnu grēda, upe vai cita barjera, laika gaitā izolētajās populācijās uzkrājas ģenētiskas atšķirības.

Simpatriskā speciācija notiek bez ģeogrāfiskas izolācijas, piemēram, kad reproduktīvā izolācija rodas pārtikas izvēles, uzvedības vai hromosomu skaita izmaiņu dēļ. Šis process bieži sastopams augu valstī, kur poliploīdija (hromosomu skaita palielināšanās) var izraisīt tūlītēju jaunas sugas veidošanos. Ir zināmi arī parapatriskās un peripatriskās speciācijas piemēri, kas notiek robežzonās vai nelielās izolētās populācijās. Speciācija ir nozīmīgs makroevolūcijas mehānisms, kas veicina bioloģiskās daudzveidības rašanos.

 Makroevolūcija un izmiršana 
Makroevolūcija attiecas uz ilglaicīgām un plaša mēroga evolūcijas pārmaiņām virs sugas līmeņa, ietverot jaunu taksonu veidošanos, lielas fenotipiskas pārmaiņas un dzīvības daudzveidības izmaiņas ģeoloģiskā laika gaitā. Šo procesu gaitā veidojas jaunas dzīvnieku un augu klases, kārtas un dzimtas. Makroevolūcija ietver ne tikai sugu veidošanos, bet arī izmiršanu — procesu, kad sugas izzūd no Zemes.

Izmiršana var būt pakāpeniska, kad sugas nespēj pielāgoties vides pārmaiņām vai konkurencei, vai masveida, kā tas notika, piemēram, dinozauru izmiršanas laikā pirms aptuveni 66 miljoniem gadu, iespējams, meteorīta trieciena un sekojošu klimatisko pārmaiņu rezultātā. Izmiršana bieži pavada evolūcijas dinamiku, atbrīvojot ekoloģiskās nišas un ļaujot citiem organismiem attīstīties un dažādoties. Makroevolūcijas izpēte balstās uz fosiliju ierakstiem, salīdzinošo anatomiju un molekulārajiem datiem.

 Evolūcijas pierādījumi 
Evolūcijas teoriju apstiprina daudzi neatkarīgi pierādījumu veidi no dažādām bioloģijas un ģeoloģijas nozarēm. Viens no būtiskākajiem pierādījumu avotiem ir fosiliju ieraksts, kas dokumentē pakāpeniskas izmaiņas organismu uzbūvē laika gaitā un parāda pārejas formas starp lielām organismu grupām. Salīdzinošā anatomija ļauj identificēt homologas struktūras — orgānus ar kopīgu izcelsmi, bet atšķirīgām funkcijām dažādās sugās, piemēram, mugurkaulnieku priekšējās ekstremitātes.

Embrionālā attīstība dažādām sugām bieži parāda līdzības agrīnās stadijās, kas norāda uz kopīgu izcelsmi. Molekulārā bioloģija sniedz detalizētus pierādījumus par evolūciju, piemēram, DNS un olbaltumvielu secību salīdzināšana atklāj radniecību starp sugām. Evolūciju apstiprina arī bioģeogrāfija, kas parāda, kā sugu izplatība atbilst kontinentu kustībām un izolācijas vēsturei. Tiešie novērojumi par evolūcijas procesiem, piemēram, baktēriju rezistences attīstība pret antibiotikām, liecina, ka evolūcija ir aktīvs un novērojams process arī mūsdienās.

 Ģenētika 

Ģenētika ir bioloģijas nozare, kas pēta iedzimtības likumsakarības un gēnu darbību, t.i., kā organisma īpašības tiek pārmantotas no paaudzes paaudzē un kā tās veidojas mijiedarbībā ar vidi. Mūsdienu ģenētikas pamatā ir izpratne, ka DNS ietver organismu ģenētisko informāciju, un izpratne par gēnu ekspresiju – procesu, kurā šī informācija tiek pārvērsta funkcionālos produktos, piemēram, olbaltumvielās. Ģenētikā tiek pētīts arī, kā šī ekspresija tiek regulēta, kā gēni ietekmē organisma attīstību un kā tie mainās evolūcijas gaitā.

 Iedzimtība 
Iedzimtība ir organisma un šūnu pazīmju un īpašību pēctecība paaudžu maiņā, pazīmju un īpašību ģenētiskā determinācija. Tā nosaka, kāpēc pēcnācēji bieži līdzinās saviem vecākiem gan izskatā, gan uzvedībā, gan organisma darbības īpašībās, piemēram, vielmaiņas vai imūnsistēmas darbībā. Iedzimtība ir viens no ģenētikas pamatjēdzieniem, un tās pamatā ir ģenētiskā informācija, kas kodēta DNS molekulās – gēnos. Šie gēni satur instrukcijas, kas nosaka šūnu darbību un organisma attīstību, tostarp arī olbaltumvielu sintēzi. Iedzimtības mehānismu izpratne ļauj skaidrot ne tikai organisma īpašību veidošanos un variācijas, bet arī iedzimtas slimības, evolūcijas procesus un pielāgošanās spējas.

 Gēni un DNS 

Gēns ir noteikta dezoksiribonukleīnskābes (DNS), retāk ribonukleīnskābes (RNS), molekulas daļa, kas satur informāciju par organisma pazīmju veidošanos un funkcijām. DNS sastāv no divām polinukleotīdu ķēdēm, kas veido dubultspirāles struktūru. Eikariotu šūnās lielākā daļa DNS atrodas šūnas kodolā, hromosomās. Prokariotos DNS brīvi peld citoplazmā. Visu gēnu kopums šūnā veido tās genomu.

DNS satur visu šūnai nepieciešamo ģenētisko informāciju, un tās saglabāšana un nodošana notiek DNS replikācijas procesā. Replikācija ir bioloģisks process, kura rezultātā no vienas oriģinālās DNS molekulas rodas divas identiskas kopijas. Gēnos esošā informācija var mainīties mutāciju rezultātā — tās ir izmaiņas DNS secībā, kas var rasties spontāni kļūdu dēļ replikācijā vai ārējās vides faktoru (mutagēnu), piemēram, starojuma vai ķīmisku vielu, ietekmē. Mutācijas var būt dažāda veida — tās var izraisīt gēna funkcijas zudumu, jaunu funkciju iegūšanu vai noteiktu īpašību izpausmi tikai noteiktos apstākļos. Lai arī daudzas mutācijas ir neitrālas vai kaitīgas, dažas no tām var būt izdevīgas, jo rada ģenētisko daudzveidību, kas ir nepieciešama organismu evolūcijai.

 Gēnu ekspresija 
Gēnu ekspresija ir process, kurā informācija, kas kodēta gēnos, tiek pārvērsta funkcionālos produktos — galvenokārt olbaltumvielās vai RNS molekulās. Tas ietver divus galvenos posmus: (1) transkripciju, kurā DNS secība tiek pārrakstīta RNS formā — matrices jeb informācijas RNS (mRNS), (2) translāciju, kur šī RNS tiek izmantota, lai sintezētu atbilstošu olbaltumvielu. Šie posmi ir būtiski, jo tie nodrošina organisma šūnu spēju veikt nepieciešamās funkcijas un pielāgoties mainīgajiem apstākļiem.

Šūnas var regulēt, kuri gēni tiek aktivēti, pateicoties gēnu ekspresijas kontrolei. Šī regulācija var notikt dažādos līmeņos — sākot ar transkripcijas līmeni, kur transkripcijas faktori un enhanceri vai represori ietekmē RNS polimerāzes piesaisti DNS veidnei. Tāpat gēnu ekspresiju var regulēt pēc transkripcijas — piemēram, ar RNS nogatavināšanas (splicēšanas), transporta un stabilitātes palīdzību. Translācijas līmenī olbaltumvielu sintēzi var ietekmēt ribosomu piekļuve vai RNS struktūras īpatnības.

Vēl viens svarīgs mehānisms ir epiģenētiskā regulācija, kas ietver DNS metilāciju un histonu modifikācijas, nemainot pašu DNS secību. Šādi mehānismi ir īpaši svarīgi šūnu diferenciācijā, jo tie ļauj vienā organismā dažādām šūnām ekspresēt (aktivēt) atšķirīgus gēnus, lai gan visām šūnām DNS ir identisks.

Gēnu ekspresijas precīza regulācija ir būtiska šūnas normālai darbībai, attīstībai un atbildes reakcijām uz vides stimuliem. Ekspresijas traucējumi var izraisīt dažādus traucējumus, tostarp iedzimtas slimības vai vēzi. Tādēļ gēnu ekspresijas izpēte ir viens no centrālajiem virzieniem mūsdienu molekulārajā bioloģijā un medicīnā.

 Gēni, attīstība un evolūcija 
Attīstība ir process, kurā daudzšūnu organisms no vienas šūnas iziet cauri virknei pārmaiņu, pakāpeniski iegūstot formas, kas raksturīgas  katram tā dzīves ciklam. Attīstību nosaka četri galvenie procesi: determinācija, diferenciācija, morfoģenēze un augšana. Determinācija nosaka šūnas attīstības likteni, kas attīstības gaitā kļūst arvien specifiskāks un ierobežotāks. Diferenciācija ir process, kurā no mazāk specializētām šūnām, piemēram, cilmes šūnām, veidojas specializētas šūnas. Šūnu diferenciācija būtiski izmaina šūnas lielumu, formu, membrānas potenciālu, vielmaiņas aktivitāti un reakciju uz signāliem. Šīs pārmaiņas galvenokārt rodas precīzi regulētu gēnu ekspresijas un epiģenētisko mehānismu rezultātā. Dažos izņēmuma gadījumos diferenciācija var ietvert izmaiņas DNS secībā, bet parasti tas nenotiek. Līdz ar to dažādas šūnas var ievērojami atšķirties pēc savām fizikālajām īpašībām, lai gan tām visām ir viena un tā pati genoma secība.

Morfoģenēze jeb ķermeņa formas attīstība ir rezultāts telpiskām atšķirībām gēnu ekspresijā. Neliela daļa no organisma genoma gēniem, kas tiek dēvēta par attīstības gēnu rīkkopu (developmental-genetic toolkit), kontrolē šī organisma attīstību. Šie gēni ir ļoti saglabājušies dažādās dzīvnieku valstī sastopamās grupās, kas nozīmē, ka tie ir seni un savstarpēji ļoti līdzīgi, lai gan pieder dažādām sugām. Atšķirības šo gēnu aktivizēšanā ietekmē ķermeņa uzbūves plānu, kā arī ķermeņa daļu skaitu, struktūru un izvietojumu.

Starp nozīmīgākajiem attīstības rīkkopas gēniem ir homeoboksa gēniem, kas kodē transkripcijas faktorus šūnu diferenciācijai un šūnu vairošanās iespējām, tādējādi nodrošinot korektu orgānu sistēmu attīstību.

 Homeostāze 
Homeostāze ir organismu spēja jebkurā līmenī saglabāt patstāvību un pastāvību. Tā ir organisma patstāvīgas eksistences pamatā, kas nodrošina funkcionālo sistēmu vienotību un pilnvērtīgu fizioloģisko procesu saglabāšanu. Piemēram, ja nebūtu homeostāzes, tad siltasiņu dzīvniekiem nebūtu nodrošināta nemainīga ķermeņa temperatūra. Šo jēdzienu bieži izmanto ģenētikā un ekoloģijā.

 Enerģija 
Lai dzīvi organismu izdzīvotu, ir nepieciešama nepārtraukta enerģijas uzņemšana. Gandrīz visa enerģija, kas nepieciešama dzīvības pastāvēšanai nāk no Saules. Augi enerģiju no Saules iegūst fotosintēzes rezultātā.

 Bioloģiskie pētījumi 
Tāpat kā citās dabas zinātnēs, arī bioloģijā tiek veikti novērojumi, uz kuriem balstās tās turpmākā attīstība. Jaunas teorijas bioloģijā tiek izstrādātas, veicot eksperimentus. Bioloģisko pētījumu galvenais mērķis ir noskaidrot dzīvības būtību un tās parādību likumsakarības.

Ja novērošanā rodas neskaidrības, tad tiek veikti dziļāki pētījumi. Zinātniskie pētījumi bioloģijā jāveic brīvi, saskaņā ar Konvencijas par cilvēktiesību un cieņas aizsardzību bioloģijā un medicīnā noteikumiem un citiem juridiskiem nosacījumiem, kas nodrošina cilvēka aizsardzību.  Piemēram, pēc dzīvo organismu ārējām pazīmēm var noteikt to piederību konkrētai sugai.

Pētnieciskā darbība var būt atšķirīga, bet galvenokārt tā parasti tiek uzsākta ar informācijas iegūšanu. Pēc tam tiek izvirzīta hipotēze, uz kuru balstoties tiek plānota turpmākā darbība. Tad tiek veikts eksperiments, pēc kura veic rezultāta analīzi un izvērtēšanu. 

Viens no grūtākajiem bioloģisko pētījumu uzdevumiem ir noskaidrot to, kāda ir bijusi biosfēra aizvēsturiskajā laikmetā. No tiem laikiem ir saglabājušās tikai dažu organismu fosilijas, kas sniedz tikai nelielu ieskatu aizvēsturisko organismu jomā. Tādēļ šo problēmu mēdz risināt bioinformātikā, kas ir zinātnes nozare, kur tiek izmantotas matemātiskās un informātiskās metodes. Galvenais bioinformātikas uzdevums ir dažādu genomu datu ieguve un šo datu analīze.

 Bioloģijas paradigmas 
Modernās bioloģijas attīstībā ir bijušas vairākas paradigmas. Piemēram, agrāk tika uzskatīts, ka sugas ir nemainīgas, bet mūsdienās ir pieņemts, ka tās tomēr evolucionē. Vēl tika uzskatīts, ka viss dzīvais radās spontāni ne no kā, bet mūsdienās ir zināms, ka "dzīvais rodas no dzīvā". 

 Dzīvo organismu klasifikācija 
Par dzīvo organismu klasifikācijas pamatlicēju tiek uzskatīts Kārlis Linnejs, kurš 18. gadsimtā ieviesa sugu nosaukumu bināro nomenklatūru. Tā tiek izmantoti joprojām. Šajos nosaukumos viens vārds raksturo organisma īpatnības, bet otrs norāda tā radniecību ar citiem organismiem. Zinātniskajā literatūrā visi organismu nosaukumi tiek rakstīti latīņu valodā. Tas ļauj saprasties zinātniekiem visā pasaulē, kā arī palīdz izslēgt pārpratumus, jo pat vienā valodā kādam organismam var būt vairāki nosaukumi, piemēram, latviešu valodā ērkšķogas mēdz saukt arī par krizdolēm vai stiķenēm. 

Radniecīgās sugas tiek apvienotās vienotā ģintī, savukārt radniecīgas ģintis apvieno viena dzimtā. Dzīvnieku dzimtas apvieno kārtās, bet augu dzimtas apvieno rindās. Abu organismu veidu kārtas un rindas apvieno klasēs, tālāk apvieno tipos un visbeidzot vienotā valstī.

Organismu latīņu nosaukumi tiek rakstīti sākot ar ģints nosaukumu un tikai tad norāda sugas nosaukumu (latviešu valodā parasti ir otrādi). Ja nenorāda konkrētu sugu, tad raksta ģints nosaukumu un saīsinājumu "sp."

 Iedalījums 
Bioloģija pētī dzīvību kā kvalitatīvi specifisku matērijas kustības formu. Atbilstoši dzīvo organismu pamatgrupām bioloģiju iedala botānikā, zooloģijā, (ieskaitot antropoloģiju), mikoloģijā, mikrobioloģijā un virusoloģijā. Šīs zinātnes savukārt iedala daudzās nozarēs, kuru lielākā daļa kļuvušas par patstāvīgām bioloģijas nozarēm. Dzīvo organismu iedalījumu grupās izstrādā sistemātika, bet to veidu un struktūru pētī morfoloģija, citoloģija, histoloģija, anatomija. Organismos un populācijās notiekošos procesus pētī fizioloģija, bioķīmija, ģenētika, ekoloģija, biocenoloģija, etoloģija. Raksturīgas jaunas mūsdienu zinātnes ir molekulārā bioloģija, biofizika, bionika, kosmiskā bioloģija, biotehnoloģija.

 Nozares 

 Anatomija — zinātne par dzīvo organismu formu un uzbūvi
 Antropoloģija
 Augu fizioloģija
 Bakterioloģija — zinātne par baktērijām
 Biofizika
 Bioinformātika
 Bioķīmija
 Biomehānika
 Biometrija
 Botānika — zinātne par augiem
 Citoloģija — zinātne par šūnu uzbūvi, attīstību un šūnu sastāvdaļu funkcijām
 Ekoloģija
 Evolūcija
 Fizioloģija — zinātne par to, kā funkcionē dzīvnieku un augu organismi
 Gēnu inženierija
 Ģenētika
 Hidrobioloģija
 Histoloģija
 Imunoloģija
 Mikoloģija
 Mikrobioloģija
 Molekulārā bioloģija
 Morfoloģija
 Paleobioloģija
 Paleontoloģija
 Parazitoloģija
 Protistoloģija
 Sistemātika
 Taksonomija
 Vides zinātne
 Virusoloģija — zinātne par vīrusiem
 Zooloģija — zinātne par dzīvniekiem

 Skatīt arī 

 Slaveni biologi

 Atsauces un piezīmes 

 Ārējās saites 

 Bioloģija Populārā medicīnas enciklopēdija 
 Bioloģija pro5 — enciklopēdija 
 Latvijas Universitātes Bioloģijas fakultāte