Bioloxía

A bioloxía é a ciencia que estuda a vida e, en particular, as características e comportamento dos organismos, a orixe de especies e individuos, e o xeito en que estes interactúan entre si e co seu ambiente. A bioloxía abrangue un espectro amplo de áreas académicas consideradas frecuentemente disciplinas independentes, mais que, no seu conxunto, estudan a vida ás máis variadas escalas. Os cinco temas fundamentais na bioloxía son a célula como unidade básica da vida, os xenes como base da herdanza, a evolución como motor da diversidade biolóxica, a transformación da enerxía para o mantemento dos procesos vitais e o mantemento da estabilidade interna (homeostase).
A vida é estudada á escala atómica e molecular pola bioloxía molecular, pola bioquímica e pola xenética molecular, no nivel da célula pola bioloxía celular e á escala multicelular pola fisioloxía, pola anatomía e pola histoloxía. A bioloxía do desenvolvemento estuda a vida ao nivel do desenvolvemento ou ontoxenia do organismo individual.
Subindo na escala para grupos de máis dun organismo, a xenética estuda como funciona a herdanza entre os proxenitores e mais a súa descendencia. A etoloxía estuda o comportamento dos individuos. A xenética poboacional traballa ao nivel da poboación, en tanto que a sistemática traballa con liñaxes de moitas especies. As relacións de individuos, poboacións e especies entre si e cos seus hábitats son estudadas pola ecoloxía e pola bioloxía evolutiva. Unha nova área, altamente especulativa, a astrobioloxía (ou xenobioloxía) estuda a posibilidade de vida alén do noso planeta. Etimoloxía e primeiros usos da palabra
A palabra bioloxía deriva da palabra grega βίος (bíos) "vida", e do sufixo λόγος (logos) "estudo de". A forma latina do termo apareceu por primeira vez en 1736 cando Carl von Linné usou biologi na súa Bibliotheca botanica. Usouse de novo en 1766 na obra Philosophiae naturalis sive physicae: tomus III, continens geologian, biologian, phytologian generalis de Michael Christoph Hanov, un discípulo de Christian Wolff. O primeiro uso en lingua alemá, Biologie, foi nunha tradución de 1771 da obra de Linné. En 1797, Theodor Georg August Roose usou a palabra no prefacio do libro Grundzüge der Lehre van der Lebenskraft. En 1800 Karl Friedrich Burdach utilizou a palabra nun sentido máis restrinxido no estudo do ser humano desde unha perspectiva morfolóxica, fisiolóxica e psicolóxica na obra Propädeutik zum Studien der gesammten Heilkunst. En 1802 foi suxerida polo naturalista alemán Gottfried Reinhold Treviranus en Biologie oder Philosophie der lebenden Natur, e introducida ese mesmo ano en Francia coma un termo científico por Jean-Baptiste Lamarck en Hydrogéolog. O uso moderno do termo iniciouse no tratado de seis volumes Biologie, oder Philosophie der lebenden Natur (1802-22) de Gottfried Reinhold Treviranus, onde chega a dar unha definición desta ciencia: Historia da bioloxía
As primeiras raíces da ciencia, entre elas a Medicina, poden remontarse aos tempos do Antigo Exipto e Mesopotamia arredor dos anos 3000 a 1200 a. C. As súas contribucións deron forma á filosofía natural grega. Os filósofos da Antiga Grecia, como Aristóteles (384–322 a. C. ) contribuíron amplamente ao desenvolvemento inicial do coñecemento biolóxico. Aristóteles explorou a causación biolóxica e a diversidade da vida. O seu sucesor Teofrasto empezou o estudo científico das plantas. Os eruditos do mundo islámico medieval escribiron sobre bioloxía, como al-Jahiz (781–869), Al-Dīnawarī (828–896), que escribiu sobre botánica, e Rhazes (865–925), que escribiu de anatomía e fisioloxía. A Medicina foi especialmente ben estudada polos eruditos islámicos que traballaban dentro da tradición filosófica grega, mentres que a historia natural baseouse sobre todo no pensamento aristotélico.
A boloxía empezou a desenvolverse rapidamente coa gran mellora que supuxo o microscopio de Antoni van Leeuwenhoek. Foi entón cando se descubriron os espermatozoides, bacterias, infusorios e a diversidade da vida microscópica. As investigacións de Jan Swammerdam crearon novo interese na entomoloxía e axudaron a desenvolver técnicas de disección e tinguidura microscópica. Os avances en microscopia tiveron un profundo efecto no pensamento biolóxico. A inicios do século XIX, os biólogos sinalaron a importancia central da célula. En 1838, Schleiden e Schwann empezaron a promover as ideas agora universais de que: (1) a unidade básica dos organismos é a célula, e (2) que toda célula ten todas as características da vida, aínda que se opoñían á idea de que (3) todas as células viñan da división doutras células, e seguían apoiando a xeración espontánea. Porén, Robert Remak e Rudolf Virchow foron capaces de consolidar o terceiro principio, e pola década de 1860 a maioría dos biólogos aceptaban os tres principios que eran a base da teoría celular.
Mentres tanto, a taxonomía e clasificación convertéronse no foco no que se centraban os historiadores naturais. Carl Linné publicou unha taxonomía básica do mundo natural en 1735, e na década de 1750 introduciu os nomes científicos binomiais para todas as especies. Georges-Louis Leclerc, Conde de Buffon, tratou as especies como categorías artificiais e as formas vivas como maleábeis, mesmo suxerindo a posibilidade de antepasados comúns. O pensamento evolutivo serio orixinouse coas obras de Jean-Baptiste Lamarck, que presentou unha teoría coherente da evolución. O naturalista británico Charles Darwin, combinando o enfoque bioxeográfico de Humboldt, a xeoloxía uniformitarista de Lyell, as obras de Malthus sobre o crecemento da poboación, e o seu saber experto en morfoloxía e amplas observacións naturais, forxou unha teoría evolutiva de grande éxito baseada na selección natural; similares razoamentos e probas levaron a Alfred Russel Wallace a chegar independentemente ás mesmas conclusións.
Os fundamentos da xenética moderna empezaron cos traballos de Gregor Mendel en 1865, os cales describían os principios da herdanza biolóxica. Con todo, a importancia do seu taballo non se recoñeceu ata inicios do século XX período no que a evolución se converteu nunha teoría unificada cando a síntese evolutiva moderna reconciliou a evolución darwinista coa xenética clásica. Na década de 1940 e inicios da de 1950, unha serie de experimentos feitos por Alfred Hershey e Martha Chase indicaron que o ADN era o compoñente dos cromosomas que portaba as unidades que transmitían os caracteres que se coñecían como xenes. O estudo de novos tipos de organismos modelo como os virus e bacterias, xunto co descubrimento da estrutura en dobre hélice do ADN por James Watson e Francis Crick en 1953, marcou a transición á era da xenética molecular. Desde a década de 1950 en adiante, a bioloxía ampliouse enormemente no campo molecular. O código xenético foi descifrado por Har Gobind Khorana, Robert W. Holley e Marshall Warren Nirenberg unha vez que se comprendeu que a secuencia do ADN estaba organizada en codóns. O Proxecto Xenoma Humano iniciouse en 1990 para mapar o xenoma humano. Principios da bioloxía
Ao contrario da física, a bioloxía non describe os sistemas biolóxicos en termos de obxectos que obedecen leis inmutábeis descritas de forma matemática; o seu obxectivo é a formulación conceptos. Desde conceptos nucleares como evolución, diversidade, continuidade, homeostase, interacción, especie ou célula até conceptos moi específicos como proteína, transporte activo ou deriva xenética. Son poucas as teorías en bioloxía: teoría da evolución, teoría celular, teoría endosimbiótica etc. Tradiconalmente a descrición da ciencia baseouse na física e as ciencias que, como a bioloxía, teñen pouco desenvolvemento matemático foron cualificadas de "débiles", máis esta concepción parece hoxe máis ben prexuizosa, e tende a recoñecerse que existen distintos tipos de ciencias con metodoloxías diversas.
Universalidade: bioquímica, células e o código xenético
Existen moitas unidades universais e procesos comúns que son fundamentais para todas as formas de vida. Por exemplo, case todas as formas de vida son constituídas por células que, pola súa vez, funcionan segundo unha bioquímica común baseada no carbono. A excepción á esa regra son os virus e mailos prións, que non están compostos de células, e por tanto é moi discutible que poidan ser cualificados de seres vivos. Os primeiros asumen unha forma cristalizada inactiva e só se reproducen co auxilio da maquinaria molecular das células albo. Os prións pola súa vez, son proteínas auto replicantes-infectantes, que causan a encefalopatía esponxiforme bovina (ou "mal da vaca louca" ).
Todos os organismos transmiten a súa herdanza a través de material xenético baseado en ácidos nucleicos, podendo ser ácido desoxirribonucleico (ADN) ácido ribonucleico (ARN), usando un código xenético estándar. Durante o desenvolvemento o tema dos procesos universais está tamén presente: por exemplo, na maioría dos organismos metazoarios, os pasos básicos do desenvolvemento inicial do embrión partillan estadas morfolóxicas semellantes e envolven xenes similares.
Evolución: o principio central da bioloxía
Un dos conceptos nucleares e estruturantes en bioloxía é que toda a vida descende dunha orixe común mediante un proceso de evolución. De feito, é unha das razóns polas cales os organismos biolóxicos exhiben a notábel similitude de unidades e procesos discutida na sección anterior. Charles Darwin estabeleceu a evolución como unha teoría viábel ao enunciar a súa forza motriz: a selección natural. (Alfred Russell Wallace é comunmente recoñecido como coautor deste concepto). A deriva xenética foi admitida como un mecanismo adicional na chamada síntese moderna. A historia evolutiva dunha especie, que describe as varias especies de que aquela descende e as características destas, xuntamente coa súa relación con outras especies vivas, constitúen a súa filoxenia. A elaboración dunha filoxenia recorre ás máis variadas abordaxes, desde a comparación de secuencias de ADN no ámbito da bioloxía molecular ou da xenómica ata comparación de fósiles e outros vestixios de organismos antigos pola paleontoloxía. As relacións evolutivas son analizadas e organizadas mediante varios métodos, especialmente a filoxenia, a fenética e a cladística. Os principais eventos na evolución da vida, tal como os biólogos os ven, poden ser resumidos nesta cronoloxía evolutiva.
Diversidade: a variedade dos organismos vivos
Malia a unidade subxacente, a vida exhibe unha diversidade sorprendente en termos de morfoloxía, comportamento e ciclos de vida. A clasificación de todos os seres vivos é unha tentativa de lidar con toda esta diversidade, e o obxecto de estudo da sistemática e da taxonomía. A taxonomía separa os organismos en grupos chamados taxons, en canto que a sistemática procura estabelecer relacións entre estes. Unha clasificación científica debe reflectir as árbores filoxenéticas, tamén chamadas árbores evolutivas, dos varios organismos.
Tradicionalmente, os seres vivos son divididos en cinco reinos (véxase Clasificación científica): Monera -- Protista -- Fungi -- Plantae -- Animalia
Con todo, varios autores consideran este sistema desactualizado. As abordaxes máis modernas comezan xeralmente co sistema dos tres dominios: Archaea (orixinalmente Archaebacteria) -- Bacteria (orixinalmente Eubactería) -- Eukaryota
Estes dominios son definidos con base en diferenzas a nivel celular, como a presenza ou ausencia de núcleo e a estrutura da membrana exterior. Existe aínda toda unha serie de parasitos intracelulares considerados progresivamente menos “vivos” en termos da súa actividade metabólica: Virus -- Viroides -- Prións
Continuidade: a orixe común de toda a vida
Dise que un grupo dado de organismos ten orixe común se teñen un devanceiro común. Todos os organismos que existen na Terra descenden dun antepasado común ou dun pool de xenes ancestral. Crese que este "último devanceiro común universal", isto é, o antepasado común máis recente de todos os organismos, xurdiu hai preto de 3, 5 mil millóns de anos (ver: orixe da vida).
A noción de que "toda a vida [provén] d[un] ovo" (do latín "Omne vivum ex ovo"), un concepto fundamental da bioloxía moderna, significa que hai unha continuidade ininterrompida de vida desde a súa orixe ata ao presente. Ata ao século XIX era crenza común que os seres vivos podían xurdir espontaneamente baixo certas condicións (ver abioxénese). A universalidade do código xenético é xeralmente considerada unha proba definitiva a favor da teoría da descendencia universal común (UCD: universal common descent) para bacterias, archaea e eukaryota s (ver: sistema de tres dominios).
Homeostase: adaptación á mudanza
A homeostase é a propiedade dun sistema aberto de regular o seu ambiente interno de modo que manteña unha condición estábel mediante múltiplos axustes dun equilibrio dinámico controlados por unha interacción de mecanismos de regulación. Todos os organismos, unicelulares e multicelulares, exhiben homeostase. A homeostase pódese manifestar ao nivel da célula, na manutención dunha acidez (pH) interna estábel, do organismo, na temperatura interna constante dos animais de sangue quente, e mesmo do ecosistema, no maior consumo de dióxido de carbono atmosférico debido a un maior crecemento da vexetación provocado polo aumento da concentración de dióxido de carbono na atmosfera. Tecidos e órganos tamén manteñen a homeostase.
Interacción: grupos e ambientes
Todo o ser vivo interactúa con outros organismos e co seu ambiente. Unha das razóns polas cales os sistemas biolóxicos son tan difíciles de estudar é precisamente a posibilidade de tantas interaccións diferentes con outros organismos e co ambiente. Unha bacteria microscópica reaccionando a un gradiente local de azucre está a reaccionar co seu ambiente exactamente da mesma forma que un león está a reaccionar co seu cando procura alimento na sabana africana. Estas relacións entre organismos poden ser de dous tipos: Intraespecíficas. Entre organismos da mesma especie.
Interespecíficas. Entre organismos de especies distintas.
A cuestión tornase máis complexa á medida que un número crecente de especies interactúa cun ecosistema. Este é o principal obxecto de estudo da Ecoloxía. Ámbito da bioloxía
A bioloxía fíxose un campo de investigación tan vasto que xeralmente non se estuda como unha única disciplina, senón dividida en varias disciplinas subordinadas. Consideramos aquí catro grandes agrupamentos. O primeiro consiste nas disciplinas que estudan as estruturas básicas dos sistemas vivos: células, xenes etc. ; un segundo agrupamento aborda o funcionamento destas estruturas a nivel dos tecidos, órganos e corpos; un terceiro incide sobre os organismos e o seu ciclo de vida; un último agrupamento de disciplinas céntrase nas interaccións. Nótese, con todo, que estas descricións, estes agrupamentos e as fronteiras entre estes son apenas unha descrición simplificada do todo o que é a investigación biolóxica. En realidade, as fronteiras entre as disciplinas son moi fluídas e a maioría das disciplinas recorre frecuentemente a técnicas doutras disciplinas. Por exemplo, a bioloxía evolutiva apóiase fortemente en técnicas da bioloxía molecular para determinar secuencias de ADN que axudan a percibir a variación xenética dentro dunha poboación; e a fisioloxía recorre con frecuencia á bioloxía celular na descrición do funcionamento dos sistemas de órganos.
Disciplinas da bioloxía
A bioloxía, por tanto, fai uso de moitas disciplinas ou campos de estudo para levar cabalmente o seu estudo dos seres vivos. As discipinas básicas da bioloxía son:
En relación directa con outras disciplinas
Bioinformática
Biofísica
Biomatemáticas
Bioloxía molecular
Bioquímica
Biotecnoloxía
Bioxeografía
Enxeñería xenética
Estrutura da vida
A bioloxía molecular é o estudo da bioloxía a nivel molecular, sobrepóndose en gran parte con outras áreas da bioloxía, especialmente a xenética e a bioquímica. Ocúpase esencialmente das interaccións entre os varios sistemas celulares, incluíndo a correlación entre ADN, ARN e a síntese proteica, e de como estas interaccións se regulan.
A bioloxía celular estuda as propiedades fisiolóxicas das células, o seu comportamento, interaccións e ambiente, tanto a nivel microscópico como molecular. Ocúpase tanto de organismos unicelulares, como as bacterias, como de células especializadas en organismos multicelulares como os humanos.
Comprender a composición e o funcionamento das células é esencial para todas as ciencias biolóxicas. Avaliar as semellanzas e as diferenzas entre os diferentes tipos de células é particularmente importante para estas dúas disciplinas, e é a partir destas semellanzas e diferenzas fundamentais de onde emerxe un patrón unificador que permite que os principios deducidos a partir dun tipo de célula sexan extrapolados e xeneralizados para outros tipos de célula.
A xenética é a ciencia dos xenes, da herdanza e da variación entre organismos. Na investigación moderna fornece ferramentas importantes para o estudo da función dun xene particular e para a análise de interaccións xenéticas. Nos organismos, a información xenética normalmente está nos cromosomas, máis concretamente, na estrutura química de cada unha das moléculas de ADN.
Os xenes codifican a información necesaria para a síntese de proteínas que, á súa vez, desempeñan un papel esencial, aínda que lonxe de absoluto, na determinación do fenotipo do organismo.
A bioloxía do desenvolvemento estuda o proceso polo cal os organismos crecen e se desenvolven. Confinada orixinalmente á embrioloxía, nos nosos días estuda o control xenético do crecemento e diferenciación celular e da morfoxénese, o proceso que dá orixe aos tecidos, órganos e á anatomía en xeral. Entre as especies privilexiadas nestes estudos atópanse o nematodo Caenorhabditis elegans, a mosca do vinagre (Drosophila melanogaster), o peixe cebra (Danio rerio), o rato (Mus musculus), e a planta Arabidopsis thaliana.
Fisioloxía dos organismos
A fisioloxía estuda os procesos mecánicos, físicos e bioquímicos dos organismos vivos, tentando comprender como as varias estruturas funcionan como un todo. Tradicionalmente divídese en fisioloxía vexetal e fisioloxía animal, pero os principios da fisioloxía son universais, independentemente do organismo estudado. Por exemplo, a información sobre a fisioloxía dunha célula de lévedo tamén se aplica a células humanas, e o mesmo conxunto de técnicas e métodos aplícase á fisioloxía humana ou á doutras especies, animais e vexetais.
A anatomía é unha parte importante da fisioloxía e estuda a forma como funcionan e interactúan os varios sistemas dun organismo, como, por exemplo, os sistemas nervioso, inmunitario, endócrino, respiratorio e circulatorio. O estudo destes sistemas é compartido con disciplinas da medicina como a neuroloxía, a inmunoloxía e afíns.
Diversidade e evolución dos organismos
A bioloxía evolutiva ocúpase da orixe e descendencia das especies, así como da súa modificación ao longo do tempo, ou sexa, da súa evolución. É unha área heteroxénea onde traballan investigadores procedentes das máis variadas disciplinas taxonómicas, tales como a mamaloxía, a ornitoloxía e a herpetoloxía, que usan o seu coñecemento sobre estes organismos para responder a cuestións xerais de evolución. Inclúe tamén a paleontoloxía que estuda os fósiles para responder a cuestións acerca do modo e do tempo da evolución, e áreas como a xenética de poboacións e a teoría evolutiva. Na década de 1990, a bioloxía do desenvolvemento recuperou o seu papel na bioloxía evolutiva despois da súa exclusión inicial da síntese moderna. Áreas como a filoxenia, a sistemática e a taxonomía están relacionadas coa bioloxía evolutiva e son ás veces consideradas parte desta.
As dúas grandes disciplinas da taxonomía son a botánica e a zooloxía. A botánica ocupase do estudo das plantas e abrangue un vasto abano de disciplinas que estudan o seu crecemento, reprodución, metabolismo, desenvolvemento, doenzas e evolución. A zooloxía ocúpase do estudo dos animais, incluíndo aspectos como a súa fisioloxía, anatomía e embrioloxía. Tanto a botánica como a zooloxía se dividen en disciplinas menores especializadas en grupos particulares de animais e plantas. A taxonomía inclúe outras disciplinas que se ocupan doutros organismos alén das plantas e dos animais, como, por exemplo, a micoloxía, que estuda os fungos. Os mecanismos xenéticos e de desenvolvemento compartidos por todos os organismos estúdanse na bioloxía molecular, a xenética molecular e a bioloxía do desenvolvemento.
Clasificación da vida
O sistema de clasificación dominante é coñecido como taxonomía linneana, que inclúe conceptos como a estruturación en niveis e a nomenclatura binomial. A atribución de nomes científicos a organismos está regulada por acordos internacionais como o Código Internacional de Nomenclatura Botánica (ICBN), o Código Internacional de Nomenclatura Zoolóxica (da Comisión Internacional de Nomenclatura Zoolóxica, ICZN), e o Código Internacional de Nomenclatura Bacteriana (ICNB). Un esbozo dun código único publicouse en 1997 nun intento de uniformar a nomenclatura nas tres áreas, pero parece que non foi aínda adoptado formalmente. O Código Internacional de Clasificación e Nomenclatura de Virus (ICVCN) non se incluíu neste esforzo de uniformación.
Interaccións entre organismos
A ecoloxía estuda a distribución e a abundancia dos organismos vivos, e as interaccións dos organismos entre si e co seu ambiente. O ambiente dun organismo inclúe non só o seu hábitat, que pode ser descrito como a suma dos factores abióticos, tales como o clima e a xeoloxía, pero tamén polos outros organismos con quen comparte o seu hábitat. Os sistemas ecolóxicos son estudados a diferentes niveis, do individual e poboacional ao do ecosistema e da biosfera. A ecoloxía é unha ciencia multidisciplinar, recorrendo a varios outros dominios científicos.
A etoloxía estuda o comportamento animal (con particular énfase nos animais sociais como os primates e os cánidos) e ás veces considérase unha rama da zooloxía. Unha preocupación particular dos etólogos é a evolución do comportamento e a comprensión do comportamento en termos da teoría da selección natural. En certo modo, o primeiro etólogo moderno foi Charles Darwin, cuxo libro The expression of the emotions in animals and men influíu a moitos etólogos.