Biyoloji

Biyoloji veya dirim bilimi, yaşamın bilimsel olarak incelenmesidir. Geniş bir kapsama sahip bir doğa bilimidir ancak onu tek ve tutarlı bir alan olarak birbirine bağlayan birkaç birleştirici teması vardır. Örneğin, tüm organizmalar, gelecek nesillere aktarılabilen genlerde kodlanmış kalıtsal bilgileri işleyen hücrelerden oluşur. Bir diğer ana tema ise yaşamın birliğini ve çeşitliliğini açıklayan evrimdir. Enerji işleme, organizmaların hareket etmesine, büyümesine ve çoğalmasına izin verdiği için yaşam için de önemlidir. Son olarak, tüm organizmalar kendi iç ortamlarını düzenleyebilmektedir.
Biyologlar, bir hücrenin moleküler biyolojisinden bitki ve hayvanların anatomi ve fizyolojisine ve popülasyonların evrimine kadar yaşamı çoklu organizasyon seviyelerinde inceleyebilirler. Bu nedenle, biyoloji içinde her biri araştırma sorularının doğası ve kullandıkları araçlarla tanımlanan çok sayıda alt disiplin vardır. Diğer bilim insanları gibi biyologlar da gözlem yapmak, sorular sormak, hipotezler üretmek, deneyler yapmak ve çevrelerindeki dünya hakkında sonuçlar çıkarmak için bilimsel yöntemi kullanırlar.
Dünya üzerinde 3,7 milyar yıldan daha uzun bir süre önce ortaya çıkan yaşam son derece çeşitlidir. Biyologlar, arkea ve bakteriler gibi prokaryotik organizmalardan protistler, mantarlar, bitkiler ve hayvanlar gibi ökaryotik organizmalara kadar çeşitli yaşam biçimlerini incelemeye ve sınıflandırmaya çalışmışlardır. Bu çeşitli organizmalar, biyofiziksel çevreleri aracılığıyla besin ve enerji döngüsünde özel roller oynadıkları bir ekosistemin biyolojik çeşitliliğine katkıda bulunurlar.
Etimoloji
Biyoloji sözcüğü, Antik Yunancada "yaşam" anlamına gelen "βίος" sözcüğü ve eklendiği sözcüğe "çalışma alanı, disiplini" anlamını katan "-λογία" son ekinin bir araya gelmesiyle oluşmuştur. Türkçeye ise Fransızca "biologie" sözcüğünden geçmiştir.
Tarih
Tıbbı da içeren bilimin en eski kökleri MÖ 3000 ila 1200 yıllarında Antik Mısır ve Mezopotamya'ya kadar uzanmaktadır. Onların katkıları antik Yunan doğa felsefesini şekillendirmiştir. Aristoteles (MÖ 384-322) gibi Antik Yunan filozofları biyolojik bilginin gelişimine büyük katkıda bulunmuşlardır. Biyolojik nedenselliği ve yaşamın çeşitliliğini araştırmıştır. Halefi Theophrastus, bitkilerin bilimsel olarak incelenmesine başlamıştır. Orta Çağ İslam dünyasında biyoloji üzerine yazan alimler arasında Cahiz (781-869), botanik üzerine yazan Dineveri (828-896) ve anatomi ve fizyoloji üzerine yazan Razi (865-925) yer alır. Tıp özellikle Yunan filozof geleneğinde çalışan İslam alimleri tarafından iyi çalışılmış, doğa tarihi ise büyük ölçüde Aristotelesçi düşünceye dayanmıştır.
Anton van Leeuwenhoek'un mikroskobu dramatik bir şekilde geliştirmesiyle biyoloji hızla gelişmeye başladı. O zaman bilim adamları spermatozoa, bakteri, infusoria ve mikroskobik yaşamın çeşitliliğini keşfettiler. Jan Swammerdam'ın araştırmaları entomolojiye yeni bir ilgi duyulmasına yol açtı ve mikroskobik diseksiyon ve boyama tekniklerinin geliştirilmesine yardımcı oldu. Mikroskopideki gelişmelerin biyolojik düşünce üzerinde derin bir etkisi olmuştur. 19. yüzyılın başlarında biyologlar hücrenin merkezi önemine işaret ettiler. 1838'de Schleiden ve Schwann, (1) organizmaların temel biriminin hücre olduğu ve (2) tek tek hücrelerin yaşamın tüm özelliklerine sahip olduğu yönündeki evrensel fikirleri desteklemeye başladılar, ancak (3) tüm hücrelerin diğer hücrelerin bölünmesinden meydana geldiği fikrine karşı çıkarak kendiliğinden oluşumu desteklemeye devam ettiler. Ancak Robert Remak ve Rudolf Virchow üçüncü ilkeyi somutlaştırmayı başardılar ve 1860'lara gelindiğinde biyologların çoğu hücre teorisinde birleşen üç ilkeyi de kabul etti.
Bu arada, taksonomi ve sınıflandırma doğa tarihçilerinin odak noktası haline geldi. Carl Linnaeus 1735 yılında doğal dünya için temel bir taksonomi yayınladı ve 1750'lerde tüm türler için bilimsel isimler ortaya koydu. Georges-Louis Leclerc, türleri yapay kategoriler, canlı formları ise şekillendirilebilir olarak ele aldı, hatta ortak soy olasılığını öne sürdü.
Ciddi evrimsel düşünce, tutarlı bir evrim teorisi sunan Jean-Baptiste Lamarck'ın çalışmalarıyla ortaya çıkmıştır. İngiliz doğa bilimci Charles Darwin, Humboldt'un biyocoğrafi yaklaşımını, Lyell'in tekdüze jeolojisini, Malthus'un nüfus artışı üzerine yazılarını ve kendi morfolojik uzmanlığı ile kapsamlı doğa gözlemlerini birleştirerek doğal seçilime dayalı daha başarılı bir evrim teorisi oluşturdu; benzer akıl yürütme ve kanıtlar Alfred Russel Wallace'ın bağımsız olarak aynı sonuçlara ulaşmasını sağladı.
Modern genetiğin temeli 1865 yılında Gregor Mendel'in çalışmalarıyla başlamıştır. Bu çalışma biyolojik kalıtımın ilkelerini ana hatlarıyla ortaya koymuştur. Ancak Mendel'in çalışmalarının önemi, modern sentezin, Darwinci evrim ile klasik genetiği uzlaştırmasıyla evrimin birleşik bir teori haline geldiği 20. yüzyılın başlarına kadar anlaşılamamıştır. 1940'larda ve 1950'lerin başında Alfred Hershey ve Martha Chase tarafından yapılan bir dizi deney, genler olarak bilinen özellik taşıyıcı birimleri barındıran kromozomların bileşeni olarak DNA'ya işaret etti. James Watson ve Francis Crick'in 1953'te DNA'nın çift sarmal yapısını keşfetmesiyle birlikte virüsler ve bakteriler gibi yeni model organizma türlerine odaklanılması, moleküler genetik çağına geçişi işaret etmiştir. 1950'lerden itibaren biyoloji, moleküler alanda büyük ölçüde genişlemiştir. DNA'nın kodonlar içerdiği anlaşıldıktan sonra genetik kod Har Gobind Khorana, Robert W. Holley ve Marshall Warren Nirenberg tarafından kırılmıştır. İnsan Genom Projesi 1990 yılında insan genomunun haritasını çıkarmak için başlatıldı.
Kimyasal temel
Atomlar ve moleküller
Tüm organizmalar kimyasal elementlerden oluşur; oksijen, karbon, hidrojen ve azot tüm organizmaların kütlesinin çoğunu (%96), kalsiyum, fosfor, kükürt, sodyum, klor ve magnezyum ise geri kalanının tamamını oluşturur. Farklı elementler birleşerek yaşam için temel olan su gibi bileşikler oluşturabilir. Biyokimya, canlı organizmalar içindeki ve bunlarla ilgili kimyasal süreçlerin incelenmesidir. Moleküler biyoloji, moleküler sentez, modifikasyon, mekanizmalar ve etkileşimler dahil olmak üzere hücreler içindeki ve arasındaki biyolojik aktivitenin moleküler temelini anlamaya çalışan biyoloji dalıdır.
Su
Yaşam, yaklaşık 3,8 milyar yıl önce oluşan Dünya'nın ilk okyanusundan ortaya çıktı. O zamandan beri su, her organizmada en çok bulunan molekül olmaya devam etmektedir. Su, sulu bir çözelti oluşturmak için sodyum ve klorür iyonları veya diğer küçük moleküller gibi çözünen maddeleri çözebilen etkili bir çözücü olduğu için yaşam için önemlidir. Suda çözündükten sonra, bu çözünen maddelerin birbirleriyle temas etme olasılığı daha yüksektir ve bu nedenle yaşamı sürdüren kimyasal reaksiyonlarda yer alırlar. Moleküler yapısı bakımından su, iki hidrojen (H) atomunun bir oksijen (O) atomuna (H2O) polar kovalent bağlarla bağlanmasıyla oluşan bükülmüş bir şekle sahip küçük bir polar moleküldür. O-H bağları polar olduğundan, oksijen atomu hafif bir negatif yüke ve iki hidrojen atomu hafif bir pozitif yüke sahiptir. Suyun bu polar özelliği, hidrojen bağları yoluyla diğer su moleküllerini çekmesini sağlar ve bu da suyu kohezyon hale getirir. Yüzey gerilimi, sıvı yüzeyindeki moleküller arasındaki çekimden kaynaklanan kohezif kuvvetten kaynaklanır. Su aynı zamanda polar veya yüklü su dışı moleküllerin yüzeyine yapışabildiği için adeziftir. Su, sıvı olarak katı (veya buz) olduğundan daha yoğundur. Suyun bu benzersiz özelliği, buzun göletler, göller ve okyanuslar gibi sıvı suyun üzerinde yüzmesine ve böylece aşağıdaki sıvıyı yukarıdaki soğuk havadan yalıtmasına olanak tanır. Su, etanol gibi diğer çözücülerden daha yüksek bir özgül ısı kapasitesi sağlayarak enerjiyi emme kapasitesine sahiptir. Bu nedenle sıvı suyu, su buharına dönüştürmek üzere su molekülleri arasındaki hidrojen bağlarını kırmak için büyük miktarda enerjiye ihtiyaç vardır. Bir molekül olarak su tamamen kararlı değildir, çünkü her bir su molekülü tekrar bir su molekülüne dönüşmeden önce sürekli olarak hidrojen ve hidroksil iyonlarına ayrışır. Saf suda, hidrojen iyonlarının sayısı hidroksil iyonlarının sayısını dengeler (veya eşitler), bu da pH'ın nötr olmasıyla sonuçlanır.
Organik bileşikler
Organik bileşikler, hidrojen gibi başka bir elemente bağlı karbon içeren moleküllerdir. Su haricinde, her organizmayı oluşturan neredeyse bütün moleküller karbon içerir. Karbon, diğer dört atomla kovalent bağlar oluşturabilir ve bu da çeşitli, büyük ve karmaşık moleküller oluşturmasını sağlar. Örneğin, tek bir karbon atomu metanda olduğu gibi dört tek kovalent bağ, karbondioksitte (CO2) olduğu gibi iki adet ikili kovalent bağ veya karbonmonoksitte (CO) olduğu gibi üçlü kovalent bağ oluşturabilir. Ayrıca karbon, oktan gibi birbirine bağlı karbon-karbon bağlarından oluşan çok uzun zincirler veya glukoz gibi halka benzeri yapılar oluşturabilir.
Organik bir molekülün en basit şekli, bir karbon atomu zincirine bağlanmış hidrojen atomlarından oluşan geniş bir organik bileşik ailesi olan hidrokarbondur. Bir hidrokarbon omurgası, oksijen (O), hidrojen (H), fosfor (P) ve kükürt (S) gibi diğer elementlerle ikame edilebilir ve bu da o bileşiğin kimyasal davranışını değiştirebilir. Bu elementleri (O-, H-, P- ve S-) içeren ve merkezi bir karbon atomuna veya iskeletine bağlanmış atom gruplarına fonksiyonel gruplar denir. Organizmalarda bulunabilen altı önemli fonksiyonel grup vardır: amino grubu, karboksil grubu, karbonil grubu, hidroksil grubu, fosfat grubu ve sülfhidril grubu.
1953 yılında Miller-Urey deneyi, organik bileşiklerin Dünya'nın erken dönemlerindeki koşulları taklit eden kapalı bir sistem içinde abiyotik olarak sentezlenebileceğini göstermiş, böylece karmaşık organik moleküllerin Dünya'nın erken dönemlerinde kendiliğinden ortaya çıkmış olabileceğini öne sürmüştür (bkz. abiyogenez).
Makromoleküller
Makromoleküller, daha küçük alt birimlerden veya monomerlerden oluşan büyük moleküllerdir. Monomerler; şekerler, amino asitler ve nükleotitleri içerir. Karbonhidratlar, şekerlerin monomerlerini ve polimerlerini içerir. Lipitler, polimerlerden oluşmayan tek makromolekül sınıfıdır. Büyük ölçüde polar olmayan ve hidrofobik (su itici) maddeler olan steroidleri, fosfolipitleri ve yağları içerir. Proteinler makromoleküllerin en çeşitlisidir. Enzimleri, taşıma proteinlerini, büyük sinyal moleküllerini, antikorları ve yapısal proteinleri içerirler. Bir proteinin temel birimi (veya monomeri) bir amino asittir. Proteinlerde yirmi amino asit kullanılır. Nükleik asitler, nükleotit polimerleridir. İşlevleri kalıtsal bilgiyi depolamak, iletmek ve ifade etmektir.
Hücreler
Hücre teorisi, hücrelerin yaşamın temel birimleri olduğunu, tüm canlıların bir veya daha fazla hücreden oluştuğunu ve tüm hücrelerin hücre bölünmesi yoluyla önceden var olan hücrelerden meydana geldiğini belirtir. Çoğu hücre çok küçüktür, çapları 1 ile 100 mikrometre arasında değişir ve bu nedenle yalnızca ışık veya elektron mikroskobu altında görülebilir. Genel olarak iki tür hücre vardır: çekirdek içeren ökaryotik hücreler ve çekirdek içermeyen prokaryotik hücreler. Prokaryotlar bakteri gibi tek hücreli organizmalardır, ökaryotlar ise tek hücreli veya çok hücreli olabilir. Çok hücreli organizmalarda, organizmanın vücudundaki her hücre nihayetinde döllenmiş bir yumurtadaki tek bir hücreden türemiştir.
Hücre yapısı
Her hücre, sitoplazmasını hücre dışı boşluktan ayıran bir hücre zarı içinde yer alır. Bir hücre zarı, çeşitli sıcaklıklarda akışkanlıklarını korumak için fosfolipitler arasında yer alan kolesteroller de dahil olmak üzere çift katlı lipit katmanından oluşur. Hücre zarları yarı geçirgendir; oksijen, karbondioksit ve su gibi küçük moleküllerin geçmesine izin verirken daha büyük moleküllerin ve iyonlar gibi yüklü parçacıkların hareketini kısıtlar. Hücre zarları ayrıca, zar taşıyıcıları olarak hizmet eden zar boyunca giden integral zar proteinleri ve hücre zarının dış tarafına gevşek bir şekilde bağlanan ve hücreyi şekillendiren enzimler olarak hareket eden periferik proteinler de dahil olmak üzere zar proteinleri içerir. Hücre zarları hücre adezyonu, elektrik enerjisinin depolanması ve hücre sinyalizasyonu gibi çeşitli hücresel süreçlerde yer alır ve hücre duvarı, glikokaliks ve hücre iskeleti gibi çeşitli hücre dışı ve içi yapılar için bağlantı yüzeyi görevi görür.
Bir hücrenin sitoplazması içinde proteinler ve nükleik asitler gibi birçok biyomolekül bulunur. Biyomoleküllere ek olarak, ökaryotik hücreler, kendi lipit çift tabakalarına sahip olan veya uzamsal olarak birimler olan organel adı verilen özel yapılara sahiptir. Bu organeller, hücrenin DNA'sının çoğunu içeren hücre çekirdeğini veya hücresel süreçlere güç sağlamak için adenozin trifosfat (ATP) üreten mitokondriyi içerir. Endoplazmik retikulum ve Golgi aygıtı gibi diğer organeller sırasıyla proteinlerin sentezinde ve paketlenmesinde rol oynar. Proteinler gibi biyomoleküller, bir başka özelleşmiş organel olan lizozomlar tarafından yutulabilir. Bitki hücreleri, bitki hücresine destek sağlayan bir hücre duvarı, şeker üretmek için güneş ışığı enerjisini toplayan kloroplastlar ve bitki tohumlarının çoğaltılması ve parçalanmasında yer almanın yanı sıra depolama ve yapısal destek sağlayan kofullar gibi onları hayvan hücrelerinden ayıran ek organellere sahiptir. Ökaryotik hücreler ayrıca mikrotübüller, ara filamentler ve mikrofilamentlerden oluşan hücre iskeletine sahiptir; bunların tümü hücreye destek sağlar ve hücre ile organellerinin hareketinde rol oynar. Yapısal bileşimleri açısından mikrotübüller tübülinden (örneğin α-tubulin ve β-tubulin) oluşurken ara filamentler fibröz proteinlerden oluşur. Mikrofilamentler, diğer protein iplikleriyle etkileşime giren aktin moleküllerinden oluşur.
Metabolizma
Tüm hücreler, hücresel süreçleri sürdürebilmek için enerjiye ihtiyaç duyar. Metabolizma, bir organizmadaki kimyasal reaksiyonlar bütünüdür. Metabolizmanın üç ana amacı şunlardır: hücresel süreçleri yürütmek için gıdanın enerjiye dönüştürülmesi; gıda/yakıtın monomer yapı taşlarına dönüştürülmesi; ve metabolik atıkların ortadan kaldırılması. Enzim katalizli bu reaksiyonlar organizmaların büyümesini ve çoğalmasını, yapılarını korumasını ve çevrelerine tepki vermesini sağlar. Metabolik reaksiyonlar katabolik - bileşiklerin parçalanması (örneğin, glikozun hücresel solunumla piruvata parçalanması); veya anabolik - bileşiklerin oluşturulması (sentez) (proteinler, karbonhidratlar, lipitler ve nükleik asitler gibi) olarak kategorize edilebilir. Genellikle katabolizma enerji açığa çıkarır ve anabolizma enerji tüketir. Metabolizmanın kimyasal reaksiyonları, bir kimyasalın bir dizi adımla başka bir kimyasala dönüştürüldüğü ve her adımın belirli bir enzim tarafından kolaylaştırıldığı metabolik yollar halinde düzenlenir. Enzimler metabolizma için çok önemlidir, çünkü organizmaların enerji gerektiren ve kendiliğinden gerçekleşmeyecek reaksiyonları, enerji açığa çıkaran spontane reaksiyonlara bağlayarak yürütmelerini sağlarlar. Enzimler, reaktanları ürünlere dönüştürmek için gereken aktivasyon enerjisi miktarını azaltarak katalizör görevi görürler - bir reaksiyonun daha hızlı ilerlemesini sağlarlar. Enzimler ayrıca, örneğin hücrenin çevresindeki değişikliklere veya diğer hücrelerden gelen sinyallere yanıt olarak bir metabolik reaksiyonun hızının düzenlenmesine de izin verir.
Hücresel solunum
Hücresel solunum, besinlerden gelen kimyasal enerjiyi adenozin trifosfata (ATP) dönüştürmek ve ardından atık ürünleri serbest bırakmak için hücrelerde gerçekleşen bir dizi metabolik reaksiyon ve süreçtir. Solunumda yer alan reaksiyonlar, büyük molekülleri daha küçük moleküllere ayırarak enerji açığa çıkaran katabolik reaksiyonlardır. Solunum, bir hücrenin hücresel aktiviteyi beslemek için kimyasal enerji açığa çıkarmasının temel yollarından biridir. Genel reaksiyon, bazıları redoks reaksiyonları olan bir dizi biyokimyasal adımda gerçekleşir. Hücresel solunum teknik olarak bir yanma reaksiyonu olsa da bir dizi reaksiyondan yavaş ve kontrollü enerji salınımı nedeniyle bir hücrede gerçekleştiğinde açıkça bir yanma reaksiyonuna benzemez.
Glukoz formundaki şeker, hayvan ve bitki hücreleri tarafından solunumda kullanılan ana besindir. Oksijen içeren hücresel solunuma aerobik solunum denir ve dört aşaması vardır: glikoliz, sitrik asit döngüsü (veya Krebs döngüsü), elektron taşıma zinciri ve oksidatif fosforilasyon. Glikoliz, glukozun iki pirüvata dönüştürüldüğü ve aynı anda iki net ATP molekülünün üretildiği sitoplazmada meydana gelen metabolik bir süreçtir. Her bir piruvat daha sonra piruvat dehidrojenaz kompleksi tarafından asetil-KoA'ya oksitlenir ve bu da NADH ve karbondioksit üretir. Asetil-KoA, mitokondriyal matriks içinde gerçekleşen sitrik asit döngüsüne girer. Döngünün sonunda, 1 glukozdan (veya 2 piruvattan) elde edilen toplam verim 6 NADH, 2 FADH2 ve 2 ATP molekülüdür. Son olarak, bir sonraki aşama, ökaryotlarda mitokondriyal kristada meydana gelen oksidatif fosforilasyondur. Oksidatif fosforilasyon, elektronları bir kompleksten diğerine aktaran ve böylece protonların (hidrojen iyonları) iç mitokondriyal membran boyunca pompalanmasına (kemiosmoz) bağlanan NADH ve FADH2'den enerji açığa çıkaran dört protein kompleksi serisi olan elektron taşıma zincirini içerir ve bu da bir proton hareket gücü oluşturur. Proton hareket gücünden gelen enerji, ATP sentaz enzimini ADP'leri fosforile ederek daha fazla ATP sentezlemesi için harekete geçirir. Elektron transferi, son elektron alıcısı olan moleküler oksijen ile sona erer.
Eğer oksijen mevcut olmasaydı, pirüvat hücresel solunumla metabolize olmaz ancak bir fermantasyon sürecine girerdi. Piruvat mitokondriyona taşınmaz ancak sitoplazmada kalır ve burada hücreden uzaklaştırılabilecek atık ürünlere dönüştürülür. Bu, elektron taşıyıcılarının tekrar glikoliz yapabilmeleri için oksitlenmesi ve fazla piruvatın uzaklaştırılması amacına hizmet eder. Fermantasyon NADH'yi NAD+'ya okside eder, böylece glikolizde yeniden kullanılabilir. Oksijen yokluğunda, fermantasyon sitoplazmada NADH birikmesini önler ve glikoliz için NAD+ sağlar. Bu atık ürün organizmaya bağlı olarak değişir. İskelet kaslarında atık ürün laktik asittir. Bu tür fermantasyona laktik asit fermantasyonu denir. Yorucu egzersizlerde, enerji talepleri enerji arzını aştığında, solunum zinciri NADH tarafından birleştirilen tüm hidrojen atomlarını işleyemez. Anaerobik glikoliz sırasında, hidrojen çiftleri piruvat ile birleşerek laktat oluşturduğunda NAD+ yeniden üretilir. Laktat oluşumu, tersinir bir reaksiyonda laktat dehidrojenaz tarafından katalize edilir. Laktat ayrıca karaciğer glikojeni için dolaylı bir öncü olarak da kullanılabilir. İyileşme sırasında, oksijen kullanılabilir hale geldiğinde, NAD+ ATP oluşturmak için laktattan gelen hidrojene bağlanır. Mayada atık ürünler etanol ve karbondioksittir. Bu fermantasyon türü alkolik fermantasyon veya etanol fermantasyonu olarak bilinir. Bu süreçte üretilen ATP, oksijen gerektirmeyen substrat düzeyinde fosforilasyon ile yapılır.
Fotosentez
Fotosentez, bitkiler ve diğer organizmalar tarafından ışınım enerjisini kimyasal enerjiye dönüştürmek için kullanılan ve daha sonra hücresel solunum yoluyla organizmanın metabolik faaliyetlerini beslemek için serbest bırakılabilen bir süreçtir. Bu kimyasal enerji, karbondioksit ve sudan sentezlenen şekerler gibi karbonhidrat moleküllerinde depolanır. Çoğu durumda oksijen atık ürün olarak açığa çıkar. Çoğu bitki, alg ve siyanobakteri, Dünya atmosferinin oksijen içeriğinin üretilmesinden ve korunmasından büyük ölçüde sorumlu olan fotosentezi gerçekleştirir ve Dünya'daki yaşam için gerekli enerjinin çoğunu sağlar.
Fotosentezin dört aşaması vardır: Işık emilimi, elektron taşınımı, ATP sentezi ve karbon fiksasyonu. Işık emilimi fotosentezin ilk adımıdır ve ışık enerjisi tilakoid zarlardaki proteinlere bağlı klorofil pigmentleri tarafından emilir. Emilen ışık enerjisi, elektronları bir donörden (su) birincil elektron alıcısına, Q olarak adlandırılan bir kinona çıkarmak için kullanılır. İkinci aşamada elektronlar, fotosistem I (PSI) adı verilen bir protein kompleksinde gerçekleşen bir işlem olan NADPH'ye indirgenen genellikle NADP+'nin oksitlenmiş formu olan son bir elektron alıcısına ulaşana kadar kinon birincil elektron alıcısından bir dizi elektron taşıyıcısı aracılığıyla hareket eder. Elektronların taşınması, protonların (veya hidrojenin) stromadan tilakoid membrana hareketiyle bağlantılıdır, bu da hidrojen lümende stromaya göre daha konsantre hale geldikçe membran boyunca bir pH gradyanı oluşturur. Bu, aerobik solunumda iç mitokondriyal membran boyunca üretilen proton-motor gücüne benzer.
Fotosentezin üçüncü aşamasında, protonların ATP sentaz aracılığıyla tilakoid lümenden stromaya konsantrasyon gradyanlarından aşağı hareketi, aynı ATP sentaz tarafından ATP sentezine bağlanır. Sırasıyla ikinci ve üçüncü aşamalardaki ışığa bağlı reaksiyonlar tarafından üretilen NADPH ve ATP'ler, Calvin döngüsü adı verilen ışıktan bağımsız (veya karanlık) reaksiyonlar dizisinde atmosferik karbondioksiti ribuloz bisfosfat (RuBP) gibi mevcut organik karbon bileşiklerine sabitleyerek glikoz sentezini yönlendirmek için enerji ve elektron sağlar.
Hücre sinyalizasyonu
Hücre sinyalizasyonu (veya iletişimi), hücrelerin sinyalleri alma, işleme ve çevresiyle ve kendisiyle iletme yeteneğidir. Sinyaller ışık, elektriksel uyarılar ve ısı gibi kimyasal olmayan sinyaller olabileceği gibi, başka bir hücrenin hücre zarında gömülü olarak bulunan veya bir hücrenin derinliklerinde yer alan reseptörlerle etkileşime giren kimyasal sinyaller (veya ligandlar) de olabilir. Genel olarak dört tür kimyasal sinyal vardır: otokrin, parakrin, jukstakrin ve hormonlar. Otokrin sinyalizasyonda, ligand onu salan hücreyi etkiler. Örneğin tümör hücreleri, kendi bölünmelerini başlatan sinyaller salgıladıkları için kontrolsüz bir şekilde çoğalabilirler. Parakrin sinyalizasyonda, ligand yakındaki hücrelere yayılır ve onları etkiler. Örneğin, nöron adı verilen beyin hücreleri, başka bir nöron veya kas hücresi gibi bitişik bir hücre üzerindeki bir reseptöre bağlanmak için sinaptik bir yarık boyunca yayılan nörotransmitter adı verilen ligandları serbest bırakır. Jukstakrin sinyalizasyonda, sinyal veren ve yanıt veren hücreler arasında doğrudan temas vardır. Son olarak, hormonlar, hedef hücrelerine ulaşmak için hayvanların dolaşım sistemleri veya bitkilerin vasküler sistemleri boyunca yolculuk eden ligandlardır. Bir ligand bir reseptöre bağlandığında, reseptörün türüne bağlı olarak başka bir hücrenin davranışını etkileyebilir. Örneğin, inotropik bir reseptöre bağlanan nörotransmitterler hedef hücrenin uyarılabilirliğini değiştirebilir. Diğer reseptör türleri arasında protein kinaz reseptörleri (örneğin, insülin hormonu reseptörü) ve G proteinine bağlı reseptörler bulunur. G proteini kenetli reseptörlerin aktivasyonu ikinci haberci kaskadlarını başlatabilir. Kimyasal veya fiziksel bir sinyalin bir dizi moleküler olay olarak bir hücre boyunca iletildiği sürece sinyal transdüksiyonu denir.
Hücre döngüsü
Hücre döngüsü, bir hücrede gerçekleşen ve hücrenin iki yavru hücreye bölünmesine neden olan bir dizi olaydır. Bu olaylar, DNA'sının ve bazı organellerinin çoğalmasını ve ardından hücre bölünmesi adı verilen bir süreçte sitoplazmasının iki yavru hücreye ayrılmasını içerir. Ökaryotlarda (yani hayvan, bitki, mantar ve protist hücrelerinde) iki farklı hücre bölünmesi tipi vardır: mitoz ve mayoz. Mitoz, çoğaltılmış kromozomların iki yeni çekirdeğe ayrıldığı hücre döngüsünün bir parçasıdır. Hücre bölünmesi, toplam kromozom sayısının korunduğu genetik olarak özdeş hücrelerin ortaya çıkmasını sağlar. Genel olarak mitozdan (çekirdeğin bölünmesi) önce interfazın S aşaması (DNA'nın kopyalandığı) gelir ve genellikle bunu telofaz ve sitokinez izler; bu da bir hücrenin sitoplazmasını, organellerini ve hücre zarını, bu hücresel bileşenlerin kabaca eşit paylarını içeren iki yeni hücreye böler. Mitozun farklı aşamaları hep birlikte bir hayvan hücre döngüsünün mitotik aşamasını tanımlar - ana hücrenin genetik olarak özdeş iki yavru hücreye bölünmesi. Hücre döngüsü, tek hücreli döllenmiş bir yumurtanın olgun bir organizmaya dönüşmesinin yanı sıra saç, deri, kan hücreleri ve bazı iç organların yenilendiği hayati bir süreçtir. Hücre bölünmesinden sonra, yavru hücrelerin her biri yeni bir döngünün interfazına başlar. Mitozun aksine mayoz, bir tur DNA replikasyonunun ardından iki bölünme geçirerek dört haploid yavru hücre ile sonuçlanır. Homolog kromozomlar ilk bölünmede (mayoz I) ayrılır ve kardeş kromatidler ikinci bölünmede (mayoz II) ayrılır. Bu hücre bölünme döngülerinin her ikisi de yaşam döngülerinin bir noktasında eşeyli üreme sürecinde kullanılır. Her ikisinin de son ökaryotik ortak atada mevcut olduğuna inanılmaktadır.
Prokaryotlar (yani arkea ve bakteriler) da hücre bölünmesi (veya ikili fisyon) geçirebilir. Ökaryotlardaki mitoz ve mayoz süreçlerinden farklı olarak, prokaryotlarda ikili fisyon hücre üzerinde bir iğ aparatı oluşmadan gerçekleşir. İkili bölünmeden önce, bakterideki DNA sıkıca sarılmıştır. Sarmalı çözüldükten ve çoğaldıktan sonra, bölünmeye hazırlanmak için boyutu arttıkça bakterinin ayrı kutuplarına çekilir. Bakteriyi ayırmak için yeni bir hücre duvarının büyümesi başlar. (FtsZ polimerizasyonu ve "Z halkası" oluşumu ile tetiklenir) Yeni hücre duvarı (septum) tamamen gelişir ve bakterinin tamamen bölünmesiyle sonuçlanır. Yeni yavru hücreler sıkıca sarılmış DNA çubuklarına, ribozomlara ve plazmidlere sahiptir.
Genetik
Kalıtım
Genetik, kalıtım üzerine yapılan bilimsel bir çalışmadır. Özellikle Mendel kalıtımı, genlerin ve özelliklerin ebeveynlerden yavrulara aktarıldığı süreçtir. Birkaç prensibi vardır. Bunlardan ilki, genetik özelliklerin, yani alellerin birbirinden ayrı olduğu ve her biri iki ebeveynden birinden miras alınan alternatif formlara sahip olduğudur (örneğin, mor ile beyaz veya uzun ile cüce). Bazı alellerin baskın, diğerlerinin ise çekinik olduğunu belirten baskınlık ve tekdüzelik yasasına göre; en az bir baskın alele sahip bir organizma, bu baskın alelin fenotipini sergileyecektir. Gamet oluşumu sırasında, her gen için aleller ayrışır, böylece her gamet her gen için yalnızca bir alel taşır. Heterozigotik bireyler eşit sıklıkta iki alele sahip gametler üretir. Son olarak, bağımsız çeşitlilik yasası, farklı özellikteki genlerin, gametlerin oluşumu sırasında bağımsız olarak ayrışabileceğini, yani genlerin bağlantısız olduğunu belirtir. Bu kuralın bir istisnası, cinsiyete bağlı olan özellikleri içerir. Baskın bir fenotipe sahip bir organizmanın altta yatan genotipini deneysel olarak belirlemek için test çaprazlamaları yapılabilir. Bir test çaprazlamasının sonuçlarını tahmin etmek için bir Punnett karesi kullanılabilir. Genlerin kromozomlar üzerinde bulunduğunu belirten kromozom kalıtım teorisi, Thomas Hunt Morgan'ın meyve sinekleriyle yaptığı ve bu böceklerde göz rengi ile cinsiyet arasındaki bağlantıyı ortaya koyan deneylerle desteklenmiştir.
Genler ve DNA
Gen, bir organizmanın biçimini veya işlevini kontrol eden genetik bilgiyi taşıyan bir deoksiribonükleik asit (DNA) bölgesine karşılık gelen bir kalıtım birimidir. DNA, çift sarmal oluşturmak üzere birbiri etrafında sarılan iki polinükleotit zincirinden oluşur. Ökaryotlarda doğrusal kromozomlar, prokaryotlarda ise dairesel kromozomlar halinde bulunur. Bir hücredeki kromozom kümesi topluca genom olarak bilinir. Ökaryotlarda DNA esas olarak hücre çekirdeğinde bulunur. Prokaryotlarda DNA nükleoit içinde tutulur. Genetik bilgi genler içinde tutulur ve bir organizmadaki tüm topluluğa genotip denir. DNA replikasyonu, her bir ipliğin yeni bir DNA ipliği için şablon görevi gördüğü yarı korunumlu bir süreçtir. Mutasyonlar DNA'daki kalıtsal değişikliklerdir. Düzeltme okuması ile düzeltilmeyen replikasyon hatalarının bir sonucu olarak kendiliğinden ortaya çıkabilir veya bir kimyasal (örneğin, nitröz asit, benzopiren) veya radyasyon (örneğin, x-ışını, gama ışını, ultraviyole radyasyon, kararsız izotoplar tarafından yayılan parçacıklar) gibi çevresel bir mutajen tarafından indüklenebilirler. Mutasyonlar, işlev kaybı, işlev kazanımı ve koşullu mutasyonlar gibi fenotipik etkilere yol açabilir. Bazı mutasyonlar, evrim için genetik varyasyon kaynağı olduklarından faydalıdır. Diğerleri ise hayatta kalmak için gerekli genlerin işlev kaybına yol açmaları halinde zararlıdır. Kanserojenler gibi mutajenlerden genellikle halk sağlığı politikası hedefleri doğrultusunda kaçınılır.
Gen ifadesi
Gen ifadesi, DNA'da kodlanmış bir genotipin bir organizmanın vücudundaki proteinlerde gözlemlenebilir bir fenotipe yol açtığı moleküler süreçtir. Bu süreç, 1958 yılında Francis Crick tarafından formüle edilen moleküler biyolojinin merkezi dogması ile özetlenmektedir. Merkezi dogmaya göre genetik bilgi DNA'dan RNA'ya ve oradan da proteine akar. İki gen ifade süreci vardır: transkripsiyon (DNA'dan RNA'ya) ve translasyon (RNA'dan proteine).
Gen düzenlenmesi
Gen ifadesinin çevresel faktörler tarafından ve gelişimin farklı aşamalarında düzenlenmesi, transkripsiyon, RNA ekleme, translasyon ve bir proteinin translasyon sonrası modifikasyonu gibi sürecin her adımında gerçekleşebilir. Gen ifadesi, transkripsiyon faktörleri olarak adlandırılan iki tip düzenleyici proteinden promotöre yakınlığı veya promotördeki DNA dizisine bağlandığına bağlı olarak pozitif veya negatif düzenlemeden etkilenebilir. Aynı promotörü paylaşan bir gen kümesine operon denir ve çoğunlukla prokaryotlarda ve bazı alt ökaryotlarda (örneğin Caenorhabditis elegans) bulunur. Gen ifadesinin pozitif düzenlenmesinde, aktivatör, promotörün yakınındaki veya promotördeki diziye bağlandığında transkripsiyonu uyaran transkripsiyon faktörüdür. Negatif düzenleme, represör adı verilen başka bir transkripsiyon faktörü, transkripsiyonu önlemek için bir operonun parçası olan operatör adı verilen bir DNA dizisine bağlandığında meydana gelir. Represörler, indükleyici adı verilen bileşikler (örneğin allolaktoz) tarafından inhibe edilebilir ve böylece transkripsiyonun gerçekleşmesine izin verilir. Neredeyse sürekli aktif olan konstitütif genlerin aksine, indükleyiciler tarafından aktive edilebilen spesifik genlere indüklenebilir genler denir. Her ikisinin aksine, yapısal genler gen düzenlemesinde yer almayan proteinleri kodlar. Promoteri içeren düzenleyici olaylara ek olarak, gen ifadesi, ökaryotik hücrelerde bulunan bir DNA ve protein kompleksi olan kromatindeki epigenetik değişikliklerle de düzenlenebilir.
Genler, gelişim ve evrim
Gelişim, çok hücreli bir organizmanın (bitki veya hayvan) tek bir hücreden başlayarak bir dizi değişim geçirdiği ve yaşam döngüsünün karakteristiği olan çeşitli formlara büründüğü süreçtir. Gelişimin altında yatan dört temel süreç vardır: belirleme, farklılaşma, morfogenez ve büyüme. Belirleme, bir hücrenin gelişimsel kaderini belirler ve bu kader gelişim sırasında daha kısıtlayıcı hale gelir. Farklılaşma, kök hücreler gibi daha az özelleşmiş hücrelerden özelleşmiş hücrelerin oluşması sürecidir. Kök hücreler, çeşitli hücre türlerine farklılaşabilen ve aynı kök hücreden daha fazla üretmek için süresiz olarak çoğalabilen farklılaşmamış veya kısmen farklılaşmış hücrelerdir. Hücresel farklılaşma bir hücrenin boyutunu, şeklini, membran potansiyelini, metabolik aktivitesini ve sinyallere duyarlılığını önemli ölçüde değiştirir ve bunlar büyük ölçüde gen ifadesi ve epigenetikteki yüksek kontrollü değişikliklere bağlıdır. Birkaç istisna dışında, hücresel farklılaşma neredeyse hiçbir zaman DNA dizisinin kendisinde bir değişiklik içermez. Bu nedenle, farklı hücreler aynı genoma sahip olmalarına rağmen çok farklı fiziksel özelliklere sahip olabilirler. Morfogenez veya vücut formunun gelişimi, gen ifadesindeki uzamsal farklılıkların sonucudur. Bir organizmanın genomunda bulunan ve gelişimsel-genetik araç seti olarak adlandırılan genlerin küçük bir kısmı o organizmanın gelişimini kontrol eder. Bu araç seti genleri, şubeler arasında yüksek oranda korunur, yani çok eski ve geniş ölçüde ayrılmış hayvan gruplarında çok benzerdirler. Araç genlerinin konuşlandırılmasındaki farklılıklar vücut planını ve vücut parçalarının sayısını, kimliğini ve düzenini etkiler. En önemli araç genleri arasında Hox genleri yer alır. Hox genleri, yılanların birçok omuru gibi tekrar eden parçaların, gelişmekte olan bir embriyo veya larvada nerede büyüyeceğini belirler.
Evrim
Evrimsel süreçler
Evrim, biyolojide merkezi bir düzenleyici kavramdır. Birbirini izleyen nesiller boyunca popülasyonların kalıtsal özelliklerinde meydana gelen değişimdir. Yapay seçilimde, hayvanlar belirli özellikler için seçici olarak yetiştirilirdi. Özelliklerin kalıtsal olduğu, popülasyonların çeşitli özelliklerin karışımını içerdiği ve üremenin herhangi bir popülasyonu artırabildiği göz önüne alındığında, Darwin, doğal dünyada, belirli özellikler için seçimde insanların rolünü oynayanın doğa olduğunu savundu. Darwin, çevrelerine daha iyi adapte olmuş kalıtsal özelliklere sahip bireylerin hayatta kalma ve diğer bireylerden daha fazla yavru üretme olasılığının daha yüksek olduğu sonucuna varmıştır. Ayrıca bunun, birbirini izleyen nesiller boyunca olumlu özelliklerin birikmesine yol açacağı ve böylece organizmalar ile çevreleri arasındaki uyumu artıracağı sonucuna varmıştır.
Türleşme
Tür, birbiriyle çiftleşen bir grup organizmadır ve türleşme, bir soyun birbirinden bağımsız olarak evrimleşmesi sonucunda iki soya ayrılması sürecidir. Türleşmenin gerçekleşmesi için üreme izolasyonunun olması gerekir. Üreme izolasyonu, Bateson-Dobzhansky-Muller modelinde tanımlandığı gibi genler arasındaki uyumsuzluklardan kaynaklanabilir. Üreme izolasyonu da genetik farklılaşmayla birlikte artma eğilimindedir. Türleşme, allopatrik türleşme olarak bilinen bir süreç olan atasal bir türü bölen fiziksel engeller olduğunda meydana gelebilir.
Filogeni
Filogeni, belirli bir organizma grubunun veya genlerinin evrimsel geçmişidir. Organizmalar veya genleri arasındaki soy çizgilerini gösteren bir diyagram olan filogenetik bir ağaç kullanılarak temsil edilebilir. Bir ağacın zaman ekseninde çizilen her çizgi, belirli bir türün veya popülasyonun soyundan gelen yeni bir soyu temsil eder. Bir soy ikiye ayrıldığında, filogenetik ağaç üzerinde bir çatal veya bölünme olarak temsil edilir. Filogenetik ağaçlar, farklı türlerin karşılaştırılması ve gruplandırılması için temel oluşturur. Ortak bir atadan miras kalan bir özelliği paylaşan farklı türler, homolog özelliklere (veya sinapomorfi) sahip olarak tanımlanır. Filogeni, biyolojik sınıflandırmanın temelini oluşturur. Bu sınıflandırma sistemi sıralamaya dayalıdır; en üst sıradaki üst alemin ardından alem, şube, sınıf, takım, familya, cins ve tür gelir. Tüm organizmalar üç üst alemden birine ait olarak sınıflandırılabilir: Arkea (aslen Archaebacteria); bakteriler (aslen eubacteria) veya ökaryot (protist, mantar, bitki ve hayvan alemlerini içerir).
Yaşamın tarihi
Dünya üzerindeki yaşamın tarihi, organizmaların yaşamın ilk ortaya çıkışından günümüze kadar nasıl evrimleştiğinin izini sürer. Dünya yaklaşık 4,5 milyar yıl önce oluşmuştur ve hem yaşayan hem de soyu tükenmiş olan Dünya üzerindeki tüm yaşam, yaklaşık 3,5 milyar yıl önce yaşamış olan son evrensel ortak atadan türemiştir. Jeologlar, ilk üçü topluca Prekambriyen olarak bilinen ve yaklaşık 4 milyar yıl süren dört çağdan (Hadeen, Arkeen, Proterozoik ve Fanerozoyik) başlayarak Dünya tarihini ana bölümlere ayıran jeolojik bir zaman ölçeği geliştirmişlerdir. Her çağ kendi içinde dönemlere ayrılabilir; 539 milyon yıl önce başlayan Fanerozoik çağ Paleozoyik, Mezozoyik ve Senozoyik çağlara bölünmüştür. Bu üç dönem birlikte on bir dönemi (Kambriyen, Ordovisiyen, Silüriyen, Devoniyen, Karbonifer, Permiyen, Triyas, Jura, Kretase, Tersiyer ve Kuvaterner) kapsamaktadır.
Günümüzde bilinen tüm türler arasındaki benzerlikler, bunların ortak atalarından evrim süreci yoluyla farklılaştıklarını göstermektedir. Biyologlar genetik kodun her yerde bulunmasını tüm bakteri, arke ve ökaryotlar için evrensel ortak soyun kanıtı olarak görmektedir. Bir arada var olan bakteri ve arkelerden oluşan mikrobiyal matlar, erken Arkeen çağında baskın yaşam biçimiydi ve erken evrimdeki önemli adımların çoğunun bu ortamda gerçekleştiği düşünülmektedir. Ökaryotlara dair en eski kanıtlar 1,85 milyar yıl öncesine aittir ve daha önce de mevcut olsalar da metabolizmalarında oksijen kullanmaya başladıklarında çeşitlenmeleri hızlanmıştır. Daha sonra, yaklaşık 1,7 milyar yıl önce, özelleşmiş işlevleri yerine getiren farklılaşmış hücrelerle birlikte çok hücreli organizmalar ortaya çıkmaya başlamıştır.
Alg benzeri çok hücreli kara bitkileri yaklaşık 1 milyar yıl öncesine kadar tarihlendirilse de kanıtlar mikroorganizmaların en az 2,7 milyar yıl önce en eski karasal ekosistemleri oluşturduğunu göstermektedir. Mikroorganizmaların Ordovisiyen döneminde kara bitkilerinin ortaya çıkmasına zemin hazırladığı düşünülmektedir. Kara bitkileri o kadar başarılı olmuştur ki Geç Devoniyen yok oluşu olayına katkıda bulundukları düşünülmektedir.
Ediyakaran biyotası Ediaykaran döneminde ortaya çıkarken, omurgalılar, diğer modern şubelerin çoğu ile birlikte yaklaşık 525 milyon yıl önce Kambriyen patlaması sırasında ortaya çıkmıştır. Permiyen döneminde, memelilerin ataları da dahil olmak üzere sinapsitler karaya hakim oldu, ancak bu grubun çoğu 252 milyon yıl önce Permiyen-Triyas yok oluşu olayında yok oldu. Bu felaketin ardından yaşanan toparlanma sürecinde, arkozorlar en bol bulunan kara omurgalıları haline gelmiş; bir arkozor grubu olan dinozorlar Jura ve Kretase dönemlerine hakim olmuştur. Kretase-Paleojen yok oluşu olayının 66 milyon yıl önce kuş olmayan dinozorları öldürmesinin ardından, memeliler boyut ve çeşitlilik açısından hızla artmıştır. Bu tür kitlesel yok oluşlar, yeni organizma gruplarının çeşitlenmesi için fırsatlar sağlayarak evrimi hızlandırmış olabilir.
Çeşitlilik
Bakteriler ve Arkealar
Bakteriler, prokaryotik mikroorganizmaların geniş bir üst alemini oluşturan bir hücre türüdür. Tipik olarak birkaç mikrometre uzunluğunda olan bakteriler, kürelerden çubuklara ve spirallere kadar değişen çeşitli şekillere sahiptir. Bakteriler Dünya'da ortaya çıkan ilk yaşam formları arasındadır ve habitatların çoğunda bulunurlar. Bakteriler toprakta, suda, asidik kaplıcalarda, radyoaktif atıklarda ve yer kabuğunun derin biyosferinde yaşarlar. Bakteriler ayrıca bitki ve hayvanlarla simbiyotik ve parazit ilişkiler içinde yaşarlar. Bakterilerin çoğu karakterize edilmemiştir ve bakteriyel şubelerin sadece yüzde 27'sinin laboratuvarda yetiştirilebilen türleri vardır.
Arkealar, prokaryotik hücrelerin diğer üst alemini oluşturur ve başlangıçta bakteri olarak sınıflandırılmış ve kullanımdan düşmüş bir terim olan arkebakteri (Archaebacteria aleminde) adını almıştır. Arkeal hücreler, onları diğer iki üst alem olan bakteriler ve ökaryotlardan ayıran benzersiz özelliklere sahiptir. Arkealar ayrıca birden fazla tanınmış şubeye ayrılır. Haloquadratum walsbyi'nin düz ve kare hücreleri gibi birkaç arkea çok farklı şekillere sahip olsa da arkea ve bakteriler genellikle boyut ve şekil bakımından benzerdir. Bakterilerle olan bu morfolojik benzerliğe rağmen, arkealar, özellikle transkripsiyon ve translasyonda yer alan enzimler için ökaryotlarla daha yakından ilişkili genlere ve çeşitli metabolik yollara sahiptir. Arkeal biyokimyanın diğer yönleri benzersizdir, örneğin hücre zarlarında arkeoller de dahil olmak üzere eter lipitlere bağımlılıkları gibi. Arkealar ökaryotlardan daha fazla enerji kaynağı kullanır: bunlar şekerler gibi organik bileşiklerden amonyak, metal iyonları ve hatta hidrojen gazına kadar uzanır. Tuza toleranslı arkeler (Haloarkea) güneş ışığını enerji kaynağı olarak kullanır ve diğer arke türleri karbonu fikse eder, ancak bitkiler ve siyanobakterilerin aksine, bilinen hiçbir arke türü her ikisini de yapmaz. Arkealar ikili fisyon, parçalanma veya tomurcuklanma yoluyla eşeysiz olarak çoğalır; bakterilerin aksine, bilinen hiçbir arkea türü endospor oluşturmaz.
İlk gözlemlenen arkealar, başka organizmaların bulunmadığı kaplıcalar ve tuz gölleri gibi ekstrem ortamlarda yaşayan ekstremofillerdi. Geliştirilmiş moleküler tespit araçları, toprak, okyanuslar ve bataklıklar da dahil olmak üzere hemen hemen her habitatta arkeaların keşfedilmesine yol açmıştır. Arkealar özellikle okyanuslarda çok sayıdadır ve planktonlardaki arkealar gezegendeki en bol organizma gruplarından biri olabilir.
Arkea, Dünya'daki yaşamın önemli bir parçasıdır. Tüm organizmaların mikrobiyotasının bir parçasıdırlar. İnsan mikrobiyomunda, kalın bağırsakta, ağızda ve deride önemlidirler. Morfolojik, metabolik ve coğrafi çeşitlilikleri, çoklu ekolojik roller oynamalarına izin verir: örneğin karbon fiksasyonu; azot döngüsü; organik bileşik devri; ve mikrobiyal simbiyotik ve sentrofik toplulukların sürdürülmesi.
Ökaryotlar
Ökaryotların arkealardan ayrıldığı ve bunu bakterilerle yaptıkları endosimbiyozların (ya da simbiyogenezin) izlediği, bunun da mitokondri ve kloroplastların ortaya çıkmasına neden olduğu ve her ikisinin de günümüz ökaryotik hücrelerinin bir parçası olduğu varsayılmaktadır. Ökaryotların ana soyları yaklaşık 1,5 milyar yıl önce Prekambriyen'de çeşitlenmiştir ve sekiz ana klad olarak sınıflandırılabilir: alveolatalar, ekskavatalar, stramenopiller, bitkiler, rhizarialar, amoebozoalar, mantarlar ve hayvanlar. Bu kladlardan beşi toplu olarak protistler olarak bilinir; bunlar çoğunlukla bitki, mantar veya hayvan olmayan mikroskobik ökaryotik organizmalardır. Protistlerin ortak bir atayı (son ökaryotik ortak ata) paylaşması muhtemel olsa da bazı protistler bitkiler, mantarlar veya hayvanlarla diğer protistlere göre daha yakından ilişkili olabileceğinden, protistler kendi başlarına ayrı bir klad oluşturmazlar. Algler, omurgasızlar veya protozoanlar gibi gruplandırmalar gibi, protist gruplandırması da resmi bir taksonomik grup değildir, ancak kolaylık sağlamak için kullanılır. Protistlerin çoğu tek hücrelidir; bunlara mikrobiyal ökaryotlar denir.
Bitkiler çoğunlukla çok hücreli organizmalardır, ağırlıklı olarak Plantae aleminin fotosentetik ökaryotlarıdır. Bitki hücreleri, yaklaşık bir milyar yıl önce bir siyanobakterinin erken bir ökaryota endosimbiyozu ile türetilmiş ve bu da kloroplastların ortaya çıkmasına neden olmuştur. Birincil endosimbiyozu takiben ortaya çıkan ilk birkaç klad suculdur ve sucul fotosentetik ökaryotik organizmaların çoğu toplu olarak alg olarak tanımlanır; bu, tüm algler yakından ilişkili olmadığı için kolaylık sağlayan bir terimdir. Algler, Plantae'nin erken tek hücreli atasına biçim olarak benzeyen mikroskobik tatlı su algleri olan glaukofit gibi birkaç farklı kladdan oluşur. Glokofitlerin aksine, kırmızı ve yeşil algler gibi diğer alg kladları çok hücrelidir. Yeşil algler üç ana kladdan oluşur: klorofitler, koleokasetofitler ve taş otları.
Mantarlar, büyük gıda moleküllerini hücre zarlarından emmeden önce parçalayan sindirim enzimleri salgılayarak vücutlarının dışındaki gıdaları sindiren ökaryotlardır. Birçok mantar aynı zamanda ölü organik maddelerle beslenen saproblardır, bu da onları ekolojik sistemlerde önemli ayrıştırıcılar haline getirir.
Hayvanlar çok hücreli ökaryotlardır. Birkaç istisna dışında, hayvanlar organik madde tüketir, oksijen solur, hareket edebilir, cinsel yolla üreyebilir ve embriyonik gelişim sırasında içi boş bir hücre küresi olan blastuladan büyürler. Yaklaşık 1 milyonu böcek olmak üzere 1,5 milyondan fazla canlı hayvan türü tanımlanmıştır; ancak toplamda 7 milyondan fazla hayvan türü olduğu tahmin edilmektedir. Birbirleriyle ve çevreleriyle karmaşık etkileşimleri vardır ve karmaşık besin ağları oluştururlar.
Virüsler
Virüsler, organizmaların hücreleri içinde çoğalan submikroskopik enfeksiyöz ajanlardır. Virüsler, hayvanlar ve bitkilerden bakteriler ve arkealar de dahil olmak üzere mikroorganizmalara kadar her türlü yaşam formunu enfekte eder. 6000'den fazla virüs türü ayrıntılı olarak tanımlanmıştır. Virüsler Dünya üzerindeki hemen hemen her ekosistemde bulunur ve en çok sayıdaki biyolojik varlık türüdür.
Yaşamın evrimsel tarihinde virüslerin kökenleri belirsizdir: bazıları plazmidlerden (hücreler arasında hareket edebilen DNA parçaları) evrilmiş olabilirken, diğerleri bakterilerden evrilmiş olabilir. Evrimde virüsler, eşeyli üremeye benzer bir şekilde genetik çeşitliliği artıran önemli bir yatay gen transferi aracıdır. Virüsler yaşamın tüm özelliklerine olmasa da bazı özelliklerine sahip olduklarından, "yaşamın sınırındaki organizmalar" ve kendini kopyalayanlar olarak tanımlanmışlardır.
Ekoloji
Ekoloji, yaşamın dağılımı ve bolluğu, organizmalar ve çevreleri arasındaki etkileşimin incelenmesidir.
Ekosistemler
Yaşayan (biyotik) organizmaların, çevrelerindeki cansız (abiyotik) bileşenlerle (örn. su, ışık, radyasyon, sıcaklık, nem, atmosfer, asitlik ve toprak) birlikte oluşturduğu topluluğa ekosistem denir. Bu biyotik ve abiyotik bileşenler besin döngüleri ve enerji akışları yoluyla birbirine bağlıdır. Güneşten gelen enerji fotosentez yoluyla sisteme girer ve bitki dokusuna dahil edilir. Hayvanlar bitkilerle ve birbirleriyle beslenerek madde ve enerjiyi sistem içinde hareket ettirirler. Ayrıca mevcut bitki ve mikrobiyal biyokütle miktarını da etkilerler. Ayrıştırıcılar ölü organik maddeleri parçalayarak karbonu atmosfere geri salar ve ölü biyokütlede depolanan besinleri bitkiler ve diğer mikroplar tarafından kolayca kullanılabilecek bir forma dönüştürerek besin döngüsünü kolaylaştırır.
Popülasyonlar
Popülasyon, bir alanı işgal eden ve nesilden nesile üreyen aynı türe ait organizmalar grubudur. Popülasyon büyüklüğü, popülasyon yoğunluğunun alan veya hacim ile çarpılmasıyla tahmin edilebilir. Bir ortamın taşıma kapasitesi, mevcut gıda, habitat, su ve diğer kaynaklar göz önüne alındığında, söz konusu ortam tarafından sürdürülebilen bir türün maksimum nüfus büyüklüğüdür. Bir popülasyonun taşıma kapasitesi, kaynakların mevcudiyetindeki değişiklikler ve bunları korumanın maliyeti gibi değişen çevresel koşullardan etkilenebilir. İnsan popülasyonlarında, Yeşil Devrim gibi yeni teknolojiler, Dünya'nın insanlar için taşıma kapasitesinin zaman içinde artmasına yardımcı olmuş, bu da en ünlüsü 18. yüzyılda Thomas Malthus tarafından yapılan yaklaşan nüfus düşüşü tahminlerini engellemiştir.
Komüniteler
Komünite, aynı anda aynı coğrafi alanı işgal eden bir grup tür popülasyonudur. Biyolojik etkileşim, bir toplulukta birlikte yaşayan bir çift organizmanın birbirleri üzerindeki etkisidir. Bunlar aynı türden (tür içi etkileşimler) ya da farklı türlerden (türler arası etkileşimler) olabilir. Bu etkiler tozlaşma ve avlanma gibi kısa vadeli veya uzun vadeli olabilir; her ikisi de genellikle ilgili türlerin evrimini güçlü bir şekilde etkiler. Uzun vadeli etkileşime simbiyoz denir. Simbiyozlar, her iki taraf için de faydalı olan mutualizmden, her iki taraf için de zararlı olan rekabete kadar çeşitlilik gösterir. Her tür, besin zincirlerinin veya besin ağlarının çekirdeğini oluşturan tüketici-kaynak etkileşimlerine tüketici, kaynak veya her ikisi olarak katılır. Herhangi bir besin ağında farklı trofik seviyeler vardır; en düşük seviye, enerji ve inorganik maddeleri organik bileşiklere dönüştüren ve daha sonra topluluğun geri kalanı tarafından kullanılabilen bitkiler ve algler gibi birincil üreticilerdir (veya ototroflar). Bir sonraki seviyede, diğer organizmalardan organik bileşikleri parçalayarak enerji elde eden türler olan heterotroflar yer alır. Bitkileri tüketen heterotroflar birincil tüketiciler (ya da otoburlar) iken, otoburları tüketen heterotroflar ikincil tüketicilerdir (ya da etoburlar). İkincil tüketicileri yiyenler ise üçüncül tüketicilerdir ve bu böyle devam eder. Omnivor heterotroflar birden fazla seviyede tüketim yapabilmektedir. Son olarak, atık ürünlerle veya organizmaların ölü bedenleriyle beslenen ayrıştırıcılar vardır. Ortalama olarak, birim zamanda bir trofik seviyenin biyokütlesine dahil edilen toplam enerji miktarı, tükettiği trofik seviyenin enerjisinin yaklaşık onda biridir. Ayrıştırıcılar tarafından kullanılan atık ve ölü maddelerin yanı sıra metabolizmadan kaybedilen ısı, bir sonraki trofik seviye tarafından tüketilmeyen enerjinin diğer yüzde doksanını oluşturur.
Biyosfer
Küresel ekosistemde veya biyosferde madde, biçimlerine ve konumlarına bağlı olarak biyotik veya abiyotik, erişilebilir veya erişilemez olabilen farklı etkileşimli bölmeler halinde bulunur. Örneğin, karasal ototroflardan gelen madde hem biyotik hem de diğer organizmalar tarafından erişilebilirken, kaya ve minerallerdeki madde abiyotik ve erişilemezdir. Biyojeokimyasal döngü, belirli madde elementlerinin Dünya'nın biyotik (biyosfer) ve abiyotik (litosfer, atmosfer ve hidrosfer) bölümleri arasında yer değiştirdiği veya hareket ettiği bir yoldur. Azot, karbon ve su için biyojeokimyasal döngüler vardır.
Koruma
Koruma biyolojisi, türleri, yaşam alanlarını ve ekosistemleri aşırı yok olma oranlarından ve biyotik etkileşimlerin erozyonundan korumak amacıyla Dünya'nın biyolojik çeşitliliğinin korunması çalışmasıdır. Biyoçeşitliliğin korunması, kaybı ve restorasyonunu etkileyen faktörlerle ve genetik, popülasyon, tür ve ekosistem çeşitliliğini sağlayan evrimsel süreçleri sürdürme bilimiyle ilgilenir. Endişe, gezegendeki tüm türlerin %50'sinin önümüzdeki 50 yıl içinde yok olacağını ve bunun da yoksulluğa, açlığa katkıda bulunduğunu ve bu gezegendeki evrimin seyrini sıfırlayacağını öne süren tahminlerden kaynaklanmaktadır. Biyoçeşitlilik, insanların bağımlı olduğu çeşitli hizmetleri sağlayan ekosistemlerin işleyişini etkiler. Koruma biyologları biyoçeşitlilik kaybı, türlerin yok olması ve bunların insan toplumunun refahını sürdürme kapasitemiz üzerindeki olumsuz etkileri konusunda araştırma yapmakta ve eğitim vermektedir. Kuruluşlar ve vatandaşlar, mevcut biyoçeşitlilik krizine, yerelden küresel ölçeklere kadar endişeleri ele alan araştırma, izleme ve eğitim programlarını yönlendiren koruma eylem planları aracılığıyla yanıt vermektedir.