מֵידָע

1.1F: ענפים ותחומי ביולוגיה - ביולוגיה


ניתן לחלק את תחום הביולוגיה לענפים ותתי תחומים שונים, מה שמוביל לקריירה שמביאה לתחומים ממוקדים יותר.

מטרות למידה

  • להכיר את תחומי המשנה השונים של הביולוגיה; לְמָשָׁל מיקרוביולוגיה, גנטיקה, אבולוציונית וכו '.

נקודות מפתח

  • הביולוגיה רחבה ומתמקדת בחקר החיים מנקודות מבט שונות.
  • הענפים ותתי התחומים של הביולוגיה, שהם תחומים ממוקדים מאוד, הביאו לפיתוח קריירות ספציפיות לענפים ותתי תחומים אלה.
  • ענפי המחקר הביולוגי כוללים מיקרוביולוגיה, פיזיולוגיה, אקולוגיה וגנטיקה; תת -תחומים בענפים אלה יכולים לכלול: פיזיולוגיה מיקרוביאלית, אקולוגיה מיקרוביאלית וגנטיקה מיקרוביאלית.

מושגי מפתח

  • הנדסה גנטית: השינוי המכוון של המבנה הגנטי של אורגניזם
  • מִשׁפָּטִי: התייחסות לשימוש במדע וטכנולוגיה בחקירה וביסוס עובדות או ראיות בבית משפט.

ענפי מחקר ביולוגי

היקף הביולוגיה רחב ולכן מכיל ענפים ותתי תחומים רבים. ביולוגים עשויים לעסוק באחת מתת -התחומים הללו ולעבוד בתחום ממוקד יותר. הענפים הביולוגיים נחלקים בהתאם למוקד הדיסציפלינה ואף ניתנים לחלוקה על סמך סוגי הטכניקות והכלים המשמשים לחקר המיקוד הספציפי הזה. עם זאת, ככל שהכמות ההולכת וגדלה של מידע ביולוגי בסיסי הולכת וגדלה בשל ההתקדמות בטכנולוגיה ובמאגרי מידע, יש לעיתים קרובות משמעת חוצה ושיתוף פעולה בין ענפים. לדוגמה, ביולוגיה מולקולרית וביוכימיה חוקרת תהליכים ביולוגיים ברמה המולקולרית והכימית, בהתאמה, כולל אינטראקציות בין מולקולות כגון DNA, RNA וחלבונים, כמו גם את האופן בו הם מוסדרים. מיקרוביולוגיה, חקר מיקרואורגניזמים, הוא חקר המבנה והתפקוד של אורגניזמים חד תאיים. זהו ענף די רחב בעצמו, ובהתאם לנושא המחקר, ישנם גם פיזיולוגים מיקרוביאליים, אקולוגים וגנטיקאים, בין היתר.

דיסציפלינות וקריירות ביולוגיות

מדע משפטי הוא יישום המדע לענות על שאלות הקשורות לחוק. ביולוגים כמו כימאים וביוכימאים יכולים להיות מדענים משפטיים. מדענים משפטיים מספקים הוכחות מדעיות לשימוש בבתי משפט, ותפקידם כולל בחינת חומרי קורט הקשורים לפשעים. פעילויות העבודה שלהם קשורות בעיקר לפשעים נגד אנשים כגון רצח, אונס ותקיפה. עבודתם כוללת ניתוח דגימות כגון שיער, דם ונוזלי גוף אחרים, כולל עיבוד ה- DNA שנמצא בסביבות וחומרים רבים ושונים הקשורים לזירות הפשע.

תחום מחקר ביולוגי נוסף, נוירוביולוגיה, הוא חקר מערכת העצבים, ולמרות שהוא נחשב לענף הביולוגיה, הוא מוכר גם כתחום מחקר בין -תחומי המכונה מדעי המוח. בגלל אופיה הבינתחומי, תת -תחום זה מתמקד בפונקציות שונות של מערכת העצבים תוך שימוש בגישות מולקולריות, תאיות, התפתחותיות, רפואיות וחישוביות.

ענפים נוספים של הביולוגיה כוללים פליאונטולוגיה, שמשתמשת במאובנים לחקר ההיסטוריה של החיים; זואולוגיה, שלומדת בעלי חיים; ובוטניקה, שחוקרת צמחים. ביולוגים יכולים להתמחות גם כביוטכנולוגים, אקולוגים או פיזיולוגים. זהו רק דוגמא קטנה מהתחומים הרבים שהביולוגים יכולים לעסוק בהם.

הביולוגיה היא שיא ההישגים של מדעי הטבע מראשיתם ועד היום. באופן מרגש, ערש המדעים המתפתחים כגון הביולוגיה של פעילות המוח, הנדסה גנטית של אורגניזמים מותאמים אישית וביולוגיה של האבולוציה היא שמשתמשת בכלים המעבדה של הביולוגיה המולקולרית כדי לחזור על שלבי החיים המוקדמים ביותר על פני כדור הארץ. סריקה של כותרות חדשות-בין אם דיווח על חיסונים, מין שהתגלה לאחרונה, סימום ספורט או מזון מהונדס גנטית-מדגים את האופן שבו הביולוגיה פעילה וחשובה לעולם היומיומי שלנו.


מהם הענפים העיקריים בביולוגיה ומה הם לומדים?

להלן תמצא רשימה של ענפי הביולוגיה ותסביר מה הם לומדים.

ביולוגיה היא חקר החיים והאורגניזמים החיים, כולל מבנהם, תפקודם, צמיחתם, התפתחותם, תפוצתם, הזיהוי והטקסונומיה.

הביולוגיה המודרנית היא תחום עצום ואקלקטי, המורכב מענפים ותתי תחומים רבים. עם זאת, למרות ההיקף הרחב של הביולוגיה, ישנם בתוכה מושגים מאחדים מסוימים המאגדים אותה לתחום אחד קוהרנטי.

באופן כללי, הביולוגיה מכירה בתא כיחידת החיים הבסיסית, בגנים כיחידת התורשה הבסיסית, ובאבולוציה כמנוע המניע יצירת מינים חדשים.

תחומי המשנה של הביולוגיה מוגדרים על פי קנה המידה שבו נלמדים אורגניזמים, סוגי האורגניזמים הנחקרים והשיטות המשמשות לחקרם.

אירוביולוגיה

לדברי בלמונט (2016) ענף זה של הביולוגיה חוקר את כל מה שקשור לאורגניזמים חיים באוויר: המגוון שלהם, האופן בו הם משפיעים על הסביבה, דרכי חיים, מאפיינים וכו '.

חַקלָאוּת

הוא מוקדש ללימוד ופיתוח טכניקות ופעילויות לעיבוד אדמה: טיפול בקרקע, שתילה וקציר יבולים להשגת מוצרי ירקות (ירקות, פירות, דגנים, עשבים) למאכל אדם ובעלי חיים. המדע העוסק בחקר החקלאות כפרקטיקה הוא אגרונומיה.

אֲנָטוֹמִיָה

מדע החוקר את המבנים הפנימיים של יצורים חיים (בעלי חיים, בני אדם, צמחים).

היסטולוגיה

ענף ביולוגיה החוקר את כל מה שקשור לרקמות האורגניות של יצורים חיים.

אסטרוביולוגיה

הוא לומד את החיים ביקום, כמו גם את מקורם, התפתחותם, תפוצתם, חיפוש אחר חיים מחוץ לכדור הארץ וכו '.

ביולוגיה סלולרית

נקראת גם ביוכימיה של תאים, היא חוקרת את היחידה הבסיסית של יצורים חיים: התא, ברמה המיקרוסקופית ו / או המולקולרית, תכונותיו, מבנים, איברים, אינטראקציות בסביבה, מחזור חיים וכו '.

ביולוגיה התפתחותית

לימוד התהליך בו מתפתח אורגניזם ברמות מולקולריות, תאיות, גנטיות ואבולוציוניות.

תוֹרַת הַעוּבָּר

למד את היווצרותו והתפתחותו של העובר.

ביולוגיה אבולוציונית

הוא בוחן את מוצא השינויים של המינים לאורך זמן (התפתחותו).

ביולוגיה ימית

הוא חוקר את הצמחים, בעלי החיים ואורגניזמים חיים אחרים המאכלסים את המערכת האקולוגית הימית, כמו גם את שימורם, אינטראקציה שלהם וכו '.

ביולוגיה מולקולרית

ענף מדעי החוקר היווצרות, מבנה ותפקוד של מולקולות חיוניות לחיים, כגון חומצות גרעין וחלבונים, במיוחד תפקידן בשכפול תאים והעברת מידע גנטי.

ביוקלימטולוגיה

הוא מנתח כיצד האקלים קשור לטריטוריות השונות של כדור הארץ בכדי להיות מסוגל לחזות את השפעתן של אותן על היצורים החיים ואת ההשפעה שגורמת למאפיינים המורפולוגיים והמבניים של הצמחייה, הצמחייה והנוף.

בִּיוֹפִיסִיקָה

הידועה גם בשם ביולוגיה פיזית, זהו מדע בין -תחומי המיישם תיאוריות, שיטות ומצוות פיזיקה לניתוח תופעות ביולוגיות.

ביוגיאוגרפיה

הוא חוקר את התפלגות היצורים החיים על פני השטח היבשתי ואת הדפוסים השונים העולים מכך.

ביואינפורמטיקה

יישום טכנולוגיות מחשב בתחום הביולוגיה ליתר דיוק כל הקשור ללימוד, ניהול ואיסוף נתונים.

הנדסה ביולוגית

נקראת גם הנדסה ביולוגית או הנדסה ביו -רפואית, מדובר בדיסציפלינה חדשה יחסית העוסקת ביישום הביולוגי או הרפואי של עקרונות ההנדסה ליצירת טכנולוגיות וטיפולים חדשים.

ביומטמטיקה

מדע בינתחומי המדגם תהליכים טבעיים וביולוגיים באמצעות כלים וטכניקות מתמטיות.

בִּיוֹכִימִיָה

תחום מדעי החוקר את המבנה וההרכב הכימי של חומר חי, במיוחד חלבונים, פחמימות, שומנים, חומצות גרעין ומולקולות אחרות, בנוסף לתפקודיהם ולשינויים שהם חווים במהלך חייהם.

ביוטכנולוגיה

טכנולוגיה ביולוגית, משתמשת במכונות ביולוגיות, אורגניזמים חיים או מערכות ביולוגיות ליצירת תהליכים ומוצרים המיועדים לשימוש ספציפי.

בּוֹטָנִיקָה

מחקר מדעי על צמחים.

כרונוביולוגיה

למד את הזמן ואת המקצבים הביולוגיים של אורגניזמים חיים.

שימור ביולוגי

הוא עוסק בשימור בתי גידול, מערכות אקולוגיות ומינים כדי להימנע מהכחדות אפשריות ולשמור על המגוון הביולוגי.

קריוביולוגיה

הוא בוחן את ההשפעות של טמפרטורות נמוכות על אורגניזמים חיים ומהם התהליכים המתרחשים כאשר חומר ביולוגי נתון לטמפרטורות נמוכות.

אֵקוֹלוֹגִיָה

מדע החוקר את מערכות היחסים של יצורים חיים שונים זה עם זה והסביבה בה הם חיים.

אֶפִּידֶמִיוֹלוֹגִיָה

הוא חוקר נושאים הנוגעים לבריאות הציבור ולגורמים המשפיעים על הבריאות באוכלוסיות.

אתנוביולוגיה

לימוד היחסים הדינאמיים בין בני אדם, חי החי והסביבה.

פַרמָקוֹלוֹגִיָה

למד את ההכנה והשימוש בתרופות ותרופות סינתטיות שונות.

פִיסִיוֹלוֹגִיָה

הוא מוקדש לניתוח הפונקציות של האורגניזם החי וכיצד הוא מבצע את תפקידיו ופעילויותיו החיוניות.

גנטיקה

לימוד הגנים והמנגנונים המסדירים את העברת העומס התורשתי.

גיאוביולוגיה

הוא משלב גיאולוגיה וביולוגיה כדי לקבוע את האינטראקציות המתרחשות בין אורגניזמים והסביבה.

המטולוגיה

הוא בוחן את האיברים המייצרים את הדם ואת המרכיבים האימונולוגיים הקיימים בו, כמו גם את המחלות המתבטאות בשינוי הערכים ההמטולוגיים התקינים.

אימונוביולוגיה

הוא בוחן את המבנה והתפקוד של המערכת החיסונית ואת האינטראקציה עם אנטיגנים ונוגדנים שונים.

תרופה

מדע החוקר כל מה שקשור לבריאות, מניעת מחלות, תרופות, הקלה על כאבים פיזיים וכו '.

מִיקרוֹבִּיוֹלוֹגִיָה

ענף הביולוגיה החוקר את המיקרואורגניזמים וההשפעות של אלה על אורגניזמים חיים אחרים.

בַּקטֶרִיוֹלוֹגִיָה

מיקולוגיה

טפילות

וירולוגיה

לימוד וירוסים וסוכנים ויראליים אחרים.

נוירוביולוגיה

הוא לומד את האנטומיה, הפיזיולוגיה והפתולוגיה של מערכת העצבים.

פָּלֵאוֹנטוֹלוֹגִיָה

הוא בוחן את המאובנים ומנתח את הראיות המאשרות את קיומם של החיים בפרהיסטוריה.

פָּתוֹלוֹגִיָה

לדברי רוברטסון (2016), ענף מדעי הרפואה הוא האחראי על חקר הגורמים, המוצא, ההתפתחות ואופי המחלות.

פרימטולוגיה

מדע שאחראי על לימוד הפרימטים.

פסיכוביולוגיה

לימוד תפקודי והתנהגות נפשית ביחס לתהליכים ביולוגיים אחרים.

סוציוביולוגיה

הוא לומד ביולוגיה על יסודות הסוציולוגיה.

טוקסיקולוגיה

הוא מוקדש ללמוד כיצד נוצרים רעלים טבעיים הגורמים להשפעות לא רצויות על אורגניזמים חיים

זוֹאוֹלוֹגִיָה

הוא מטפל בבעלי חיים ובעלי חיים, כולל מבנהו, הפיזיולוגיה, התפתחותו, התנהגותו וסיווגו.


ענפי ביולוגיה שונים

הביולוגיה היא מדע כוללני, אך בתוכה מספר ענפים - טהורים (בוטניקה וזואולוגיה) ויישומיים (ביוטכנולוגיה והנדסה ביו -רפואית) - כל אחד עם המיקוד הייחודי שלו.

בואו נסתכל על כמה מהענפים החשובים של הביולוגיה.

מבוסס על גישת לימוד

זה כולל את הענפים המתמקדים בתהליכים ביולוגיים ספציפיים, כגון אינטראקציה אורגניזמית בין אורגניזמים שונים או בתוך אותו אורגניזם.

1. אנטומיה (anatom יווניתē = ‘dissection ’)

אבי האנטומיה: אנדריאס וזאליוס

האנטומיה מתמקדת בחקר המבנים הפיזיים והאיברים של יצורים חיים. יש לו תת-תחומים רבים, כשהעיקר הוא אנטומיה גסה או מקרוסקופית ואנטומיה מיקרוסקופית. האנטומיה המקרוסקופית עוסקת במבנים שניתן לצפות בהם בעין בלתי מזוינת, ואילו האנטומיה המיקרוסקופית כרוכה במחקר ברמה התאית של איברים ומבנים פנימיים.

2. פיזיולוגיה (physis ביוונית = "טבע/מוצא והלוגיה =" לימוד ")

אבי הפיזיולוגיה הניסיונית המודרנית: קלוד ברנרד

פיזיולוגיה היא חקר האופן שבו גוף האדם מתפקד. הוא מתאר את הכימיה והפיזיקה שמאחורי תפקודי הגוף, החל מהעברת אותות בתאים ועד לאופן בו מערכת האיברים פועלת יחד.

הפיזיולוגיה מהווה את הגשר בין כל המדעים הביו -רפואיים האחרים. הוא מאפשר לתאר מידע שנרכש על ידי ביולוגיה מולקולרית, גנטיקה, פרמקולוגיה, ביופיזיקה וביוכימיה באופן משולב, ולאחר מכן ניתן ליישם אותו לשיפור איכות החיים.

3. טקסונומיה (מוניות יווניות = הסדר או חלוקה, ונומוס = חוק)

אבי הטקסונומיה: קרולוס לינאוס

הטקסונומיה היא מדע של מתן שמות וסיווגים של אורגניזמים חיים על סמך המאפיינים המורפולוגיים, הגנטיים והביוכימיים שלהם. הוא מתמקד גם בזיהוי הדמיון וההבדלים בין המינים.

4. פתולוגיה (פתוס יווני = “ לוקה ”, ו ology = ” מחקר של ”)

אבי הפתולוגיה המיקרוסקופית: רודולף וירצ'וב

הפתולוגיה מתמקדת בסיבה, במקור ובאופי של מחלות. הוא עומד בבסיס הכל, החל ממניעה ועד טיפול וטיפול בחולים.

5. פליאונטולוגיה (פאלאוס ביוונית = "קדמון ”, ontos = “being" ולוגי = מחקר)

אבי הפליאונטולוגיה: ז'ורז 'קובייר

פליאונטולוגיה היא חקר החיים העתיקים על פני כדור הארץ המבוססים על מאובנים. מאובנים הם שרידי צמחים, בעלי חיים, פטריות, חיידקים ואורגניזמים חד תאיים אחרים שהוחלפו בסלעי משקע או רשמים של אורגניזמים שנשמרו בסלע. זהו מדע בינתחומי הכולל גיאולוגיה, ארכיאולוגיה, כימיה, ביולוגיה, ארכיאולוגיה ואנתרופולוגיה.

6. אימונולוגיה (הכלאה של מערכת החיסון + –)

אבי האימונולוגיה: לואי פסטר

אימונולוגיה היא ענף ביולוגיה חדש יחסית המכסה כיצד המערכת החיסונית של אורגניזם פועלת נגד גופים זרים כולל פתוגנים וגם ניסויים כיצד ניתן לבנות חסינות.

7. גנטיקה (בראשית יוונית = מוצא)

אבי הגנטיקה: גרגור מנדל

גנטיקה היא ענף הביולוגיה החוקר כיצד תכונות שונות, הנקראות תכונות, מועברות מהורים לילדים. הגנטיקה עוסקת בעיקר בגנים, ב- DNA וב- RNA. הוא גם נותן תובנה מה מייחד את האורגניזם, מדוע מחלות מסוימות פועלות במשפחות ועוד.

8. אוגניקה (איוונית יוונית = “ טוב ” וגנים = “born ”)

אבי האאוגניקה: פרנסיס גלטון

ענף ביולוגיה חדש יחסית יחסית שמקורו בתחילת המאה ה -20. אאוגניקה דוגלת בשיפור חיי אדם באמצעות בחירה גנטית. האאוגניקה המודרנית, הנקראת גם הנדסה גנטית אנושית, עשתה דרך ארוכה ומציעה תקווה לטיפול בהפרעות גנטיות רבות. למרות זאת, זה עדיין נושא לוויכוח לוהט.

9. אקולוגיה ("אוקוס" ביוונית = משק בית ו"לוגו "= מחקר)

אבי האקולוגיה המודרנית: יוג'ין אודום

אקולוגיה היא תחום בין -תחומי הכולל ביולוגיה ומדעי כדור הארץ. הוא חוקר אינטראקציות בין יצורים חיים וסביבתם. הוא נותן תובנות לגבי היתרונות של המערכת האקולוגית, ההשפעה של הרס המערכת האקולוגית, קיימות וכו '. מחקרים אקולוגיים מספקים גם מידע על האופן שבו אנו יכולים להשתמש במשאבי טבע בדרכים שמשאירות את כדור הארץ בריא לדורות הבאים.

10. אמבריולוגיה (עובר יווני = שטרם נולד והגיון = מחקר של)

אבי האמבריולוגיה ההשוואתית המודרנית: קארל ארנסט פון באר

אמבריולוגיה היא ענף הביולוגיה העוסק באמבריוגנזה, התפתחות העובר מתא ביצית מופרית. במובנה הרחב ביותר, האמבריולוגיה כוללת שני היבטים: 1) אונטוגניה, העוסקת בהתפתחות של אורגניזם ו -2) פילוגניה, העוסקת בעצמה באורגניזמים ובהתפתחותם האבולוציונית. מחקרים אמבריולוגיים גם עוזרים להבין טוב יותר הפרעות מולדות ופיתוח טיפולים יעילים.

11. סוציוביולוגיה

אבי הסוציוביולוגיה: א.ו וילסון

תפיסה מעניינת יחסית שהוצגה עוד בשנות השבעים, הסוציוביולוגיה עוסקת כיצד הברירה הטבעית מניעה דפוסי התנהגות בכל האורגניזמים, כולל בני אדם. זה נקרא גם אקולוגיה התנהגותית.

קטגוריה זו מתמקדת בחקר תחומי חיים בודדים.

1. בוטניקה (בוטנית יוונית = מרעה/דשא/מספוא)

אבי הבוטניקה: תאופראסטוס

בוטניקה היא חקר חיי הצומח. זוהי תחושה רחבה יותר, היא עוסקת בשמות, מבנים, אקולוגיה, בית גידול וחשיבותה של ממלכת פלאנטה. חלק מענפי הבוטניקה הם,

  • מדעי החקלאות - לימוד צמחים חשובים כלכלית וייצורם
  • אגרונומיה - ייצור גידולים וניהול אדמה
  • גידול צמחים - עוסק בפיתוח זנים משופרים של צמחים
  • אגרוסטולוגיה ומחקר הדשא
  • מחקר בריאולוגיה ומחקר של בריופיטים כגון טחבים, כבדות וקרנות
  • מחקר דנדרוולוגיה של צמחים עציים כגון שיחים ועצים
  • אתנובוטני - לימוד צמחים ויחסיהם עם בני אדם
  • חקלאות גננות ומחקר על טיפוח הצמחים.
  • מחקר פלינולוגיה#8211 של גרגרי אבקה ונבגים
  • פנולוגיה ומחקר של תזמון שורשי ונביטת פריחת פרי והפירות

2. זואולוגיה ("Zoon" ביוונית = חיה ו"סמלים "= מחקר)

אבי הזואולוגיה: אריסטו.

זואולוגיה היא ענף בביולוגיה העוסק בחקר הממלכה חיות. הוא מתמקד בכל דבר, החל בהתפתחות, התנהגות ופיזיולוגיה של בעלי חיים. חלק מחלקות המשנה הן,

  • אנטומולוגיה - לימוד חרקים
  • הרפטולוגיה - לימוד דו -חיים וזוחלים
  • איכטיולוגיה - לימוד דגים
  • ממלוגיה - לימוד יונקים
  • אורניטולוגיה - לימוד ציפורים
  • נוטולוגיה - לימוד כלאיים של בעלי חיים וצמחים
  • פרימטולוגיה - לימוד פרימטים

3. מיקרוביולוגיה (mīkros ביוונית = "קטן", ביוס = "חיים" ולוגיה)

אבי המיקרוביולוגיה: אנטוני ואן לוונהוק

מיקרוביולוגיה היא חקר מיקרואורגניזמים קטנים מכדי שניתן לראות אותם בעין בלתי מזוינת. זהו תחום מדע רחב הכולל, בקטריולוגיה (חקר חיידקים), וירולוגיה (חקר וירוסים), מיקולוגיה (חקר פטריות), פיקולוגיה (חקר אצות), טפיליות (חקר טפילים) וענפי ביולוגיה אחרים. .

מבוסס על נקודת מבט אבולוציונית

1. ביולוגיה אבולוציונית

זהו הענף הרחב יותר של הביולוגיה העוסק במוצא, גיוון והתאמה של צורות חיים על פני כדור הארץ. היא מקיפה גם תחומי ביולוגיה אחרים כגון שיטתיות, גנטיקה, אקולוגיה ופליאונטולוגיה. חלק מהנושאים החמים הנלמדים כיום הם מידול אבולוציה, סחף גנטי והתפתחות מולקולרית.

2. ביולוגיה התפתחותית

ביולוגיה התפתחותית היא תת-תחום של הביולוגיה האבולוציונית.הוא חוקר את התהליכים הבסיסיים החל מהפריית הביצית ועד הפיכתה לאורגניזם שלם. הביולוגיה ההתפתחותית המודרנית מתמקדת גם בצמיחה והתפתחות של אורגניזמים ברמות תאיות, גנטיות ואבולוציוניות.

3. איכנולוגיה

זהו ענף מרתק של הביולוגיה הפותר תעלומות של מאובנים. איכנולוגים עוקבים אחר צמחים ועקבות בעלי חיים בניסיון לשחזר רצף אירועים כדי לזהות אורגניזמים שמתו מזמן. זהו תחום רב תחומי המקיף פליאונטולוגיה, ביולוגיה, סדימנטולוגיה, סטרטיגרפיה, פדולוגיה וגיאומורפולוגיה.

לאחרונה, ניאוכנולוגיה ומחקר העקבות המודרניות והניסויים - יש רגע.

4. אפיגנטיקה

זהו תחום ביולוגיה מתפתח. הגנטיקה המסורתית מתארת ​​את האופן שבו ה- DNA בגנים שלנו מועבר מהורים לילדים. ואילו האפיגנטיקה מתארת ​​כיצד הפעלה או כיבוי של גנים יוצרת סוגי תאים שונים בגוף. הוא גם בוחן את ההשפעה של גורמים סביבתיים ואורח חיים על גנים. המשמעות המילולית של המונח אפיגנטיקה היא 'מעל הגנים'.


השיטה המדעית

השיטה המדעית היא תהליך שלפיו תצפיות מוטלות בספק, השערות נוצרות ונבדקות והתוצאות מנותחות.

מטרות למידה

דון בהשערות ובמרכיבי הניסוי המדעי כחלק מהשיטה המדעית

תיקי המפתח

נקודות מפתח

  • בשיטה המדעית התצפיות מובילות לשאלות הדורשות תשובות.
  • בשיטה המדעית, ההשערה היא הצהרה הניתנת לבחינה המוצעת לענות על שאלה.
  • בשיטה המדעית, ניסויים (לרוב עם פקדים ומשתנים) נועדו לבחון השערות.
  • בשיטה המדעית, ניתוח תוצאות הניסוי יוביל לכך שההשערה תתקבל או תידחה.

מושגי מפתח

  • שיטה מדעית: דרך לגלות ידע המבוסס על ביצוע תחזיות ניתנות לתיקון (השערות), בדיקתן ופיתוח תיאוריות המבוססות על נתונים שנאספו
  • הַשׁעָרָה: ניחוש משכיל שנמצא בדרך כלל בפורמט “if … ואז … ”
  • קבוצת שליטה: קבוצה המכילה כל תכונה של קבוצת הניסוי, למעט שלא ניתנת לה מניפולציה שהנחתה

השיטה המדעית

ביולוגים חוקרים את עולם החי על ידי הצבת שאלות לגביו וחיפוש אחר תגובות מבוססות מדע. גישה זו משותפת גם למדעים אחרים ומכונה לעתים קרובות השיטה המדעית. השיטה המדעית שימשה אפילו בימי קדם, אך היא תועדה לראשונה על ידי סר פרנסיס בייקון באנגליה (1561–1626) שהקים שיטות אינדוקטיביות לחקירה מדעית. ניתן ליישם את השיטה המדעית כמעט על כל תחומי הלימוד כשיטה הגיונית, רציונלית, לפתרון בעיות.

סר פרנסיס בייקון: סר פרנסיס בייקון (1561–1626) נחשב לזכותו שהוא הראשון שהגדיר את השיטה המדעית.

התהליך המדעי מתחיל בדרך כלל בהתבוננות (שלעתים קרובות יש לפתור בעיה) המובילה לשאלה. תן לנו לחשוב על בעיה פשוטה שמתחילה בהתבוננות וליישם את השיטה המדעית כדי לפתור את הבעיה. נער שם לב שחברו ממש גבוה ותוהה מדוע. אז השאלה שלו יכולה להיות, “ למה החבר שלי כל כך גבוה? ”

השיטה המדעית: השיטה המדעית מורכבת מסדרה של שלבים מוגדרים היטב. אם השערה אינה נתמכת על ידי נתונים ניסיוניים, ניתן להציע השערה חדשה.

הצעת השערה

נזכיר כי השערה היא ניחוש משכיל שניתן לבדוק. ההשערות כוללות לעתים קרובות גם הסבר לניחוש המשכיל. כדי לפתור בעיה אחת, אפשר להציע מספר השערות. לדוגמה, התלמיד עשוי להאמין שחברו גבוה מכיוון שהוא שותה הרבה חלב. אז ההשערה שלו עשויה להיות אם אדם שותה הרבה חלב, הוא יגדל להיות גבוה מאוד מכיוון שחלב טוב לעצמות שלך. זכור כי יכולות להיות תגובות אחרות לשאלה ולכן יתכן שיציעו השערות אחרות. השערה שנייה עשויה להיות, “ אם לאדם יש הורים גבוהים, אז הם יהיו גם גבוהים, כי יש להם את הגנים להיות גבוהים. ”

לאחר שנבחרה השערה, התלמיד יכול לחזות. תחזית דומה להשערה אך היא באמת ניחוש. למשל, הם עשויים לחזות שחברם גבוה מכיוון שהוא שותה הרבה חלב.

בדיקת השערה

השערה תקפה חייבת להיות ניתנת לבחינה. זה צריך להיות גם ניפוי, כלומר ניתן להפריך אותו על ידי תוצאות ניסיוניות. חשוב לציין, המדע אינו טוען כי הוא יכול להוכיח שום דבר מכיוון שהבנות מדעיות נתונות תמיד לשינויים עם מידע נוסף. שלב זה-פתיחות לרעיונות מפריכים-הוא זה שמבדיל בין מדעים לבין לא-מדעים. נוכחותו של העל -טבעי, למשל, אינה ניתנת לבדיקה ואינה ניתנת לתיקון. כדי לבדוק השערה, חוקר יערוך ניסוי אחד או יותר שנועד לחסל אחת או יותר מההשערות. לכל ניסוי יהיו משתנה אחד או יותר ואחד או יותר פקדים. משתנה הוא כל חלק של הניסוי שיכול להשתנות או להשתנות במהלך הניסוי. קבוצת הביקורת מכילה כל תכונה של קבוצת הניסוי, למעט שלא ניתנת לה מניפולציה שהנחתה. לדוגמה, קבוצת ביקורת יכולה להיות קבוצה של בני נוער מגוונים שלא שתו חלב וניתן להשוות אותם לקבוצת הניסוי, קבוצת בני נוער מגוונים שכן שתו חלב. לפיכך, אם התוצאות של קבוצת הניסוי שונות מקבוצת הביקורת, ההבדל חייב לנבוע מהמניפולציה המשוערת ולא מגורם חיצוני כלשהו. כדי לבדוק את ההשערה הראשונה, התלמיד יגלה אם שתיית חלב משפיעה על הגובה. אם לשתיית חלב אין השפעה על הגובה, חייבת להיות סיבה נוספת לגובה החבר. כדי לבדוק את ההשערה השנייה, התלמיד יכול לבדוק האם לחברו יש הורים גבוהים או לא. יש לבדוק כל השערה על ידי ביצוע ניסויים מתאימים. שים לב שדחיית השערה אחת אינה קובעת אם ניתן לקבל את ההשערות האחרות או לא. זה פשוט מבטל השערה אחת שאינה תקפה. באמצעות השיטה המדעית, ההשערות שאינן תואמות נתונים ניסיוניים נדחות.

אף על פי שדוגמא זו “ שלמות ” מבוססת על תוצאות תצפית, השערות וניסויים אחרים עשויים להיות בעלי פקדים ברורים יותר. למשל, תלמיד עשוי להשתתף בשיעור ביום שני ולהבין שהיא מתקשה להתרכז בהרצאה. השערה אחת להסביר התרחשות זו עשויה להיות, אם אני אוכלת ארוחת בוקר לפני השיעור, אז אוכל לשים לב טוב יותר.

השיטה המדעית עשויה להיראות נוקשה ומובנית מדי. חשוב לזכור שלמרות שמדענים בדרך כלל עוקבים אחר הרצף הזה, יש גמישות. פעמים רבות המדע אינו פועל באופן לינארי. במקום זאת, מדענים מסיקים כל הזמן מסקנות ומוציאים הכללות, ומוצאים דפוסים ככל שהמחקר שלהם מתקדם. חשיבה מדעית מורכבת יותר ממה שהשיטה המדעית לבדה מרמזת.


סיכום פרק

ביולוגיה היא המדע החוקר אורגניזמים חיים ויחסי הגומלין ביניהם וסביבתם. המדע מנסה לתאר ולהבין את טבע היקום כולו או חלקו באמצעים רציונליים. למדע יש תחומים רבים אותם תחומים הקשורים לעולם הפיזי ותופעותיו נחשבות למדעי הטבע.

מדע יכול להיות בסיסי או יישומי. המטרה העיקרית של מדע בסיסי היא הרחבת הידע ללא כל ציפייה ליישום מעשי לטווח קצר של ידע זה. אולם המטרה העיקרית של מחקר יישומי היא לפתור בעיות מעשיות.

שני סוגים של חשיבה לוגית משמשים במדע. חשיבה אינדוקטיבית משתמשת בתוצאות מסוימות כדי לייצר עקרונות מדעיים כלליים. חשיבה דדוקטיבית היא סוג של חשיבה לוגית החוזה תוצאות באמצעות יישום עקרונות כלליים. החוט המשותף לכל אורך המחקר המדעי הוא השימוש בשיטה המדעית, תהליך מבוסס צעד המורכב מביצוע תצפיות, הגדרת בעיה, הצבת השערות, בדיקת השערות אלה והסקת מסקנה אחת או יותר. הבדיקה משתמשת בבקרות נכונות. מדענים מציגים את תוצאותיהם במאמרים מדעיים שנסקרו על ידי עמיתים המתפרסמים בכתבי עת מדעיים. עבודת מחקר מדעית מורכבת מכמה קטעים מוגדרים היטב: מבוא, חומרים ושיטות, תוצאות ולבסוף דיון מסכם. מסמכי סקירה מסכמים את המחקר שנעשה בתחום מסוים במשך תקופה מסוימת.

1.2 נושאים ומושגים של ביולוגיה

ביולוגיה היא מדע החיים. כל האורגניזמים החיים חולקים מספר מאפיינים מרכזיים כגון סדר, רגישות או תגובה לגירויים, רבייה, צמיחה והתפתחות, ויסות, הומאוסטזיס ועיבוד אנרגיה. יצורים חיים הם חלקים מאורגנים ביותר בהיררכיה הכוללת אטומים, מולקולות, אברונים, תאים, רקמות, איברים ומערכות איברים. אורגניזמים, בתורם, מקובצים כאוכלוסיות, קהילות, מערכות אקולוגיות וביוספרה. המגוון הגדול של החיים כיום התפתח מאורגניזמים אבות פחות מגוונים לאורך מיליארדי שנים. ניתן להשתמש בדיאגרמה הנקראת עץ פילוגנטי כדי להציג קשרים אבולוציוניים בין אורגניזמים.

הביולוגיה רחבה מאוד וכוללת ענפים ותתי תחומים רבים. דוגמאות כוללות ביולוגיה מולקולרית, מיקרוביולוגיה, נוירוביולוגיה, זואולוגיה ובוטניקה, בין היתר.


תוכן

    -עולם טבעי, פיזי או חומרי ותופעותיו, או סביבתו הטבעית-כל היצורים החיים והלא חיים המתרחשים באופן טבעי, בדרך כלל על פני כדור הארץ-קהילת אורגניזמים חיים יחד עם המרכיבים הלא חיים של סביבתם, או ביומה-צמחים ובעלי חיים הקשורים עם סביבה
      - אוכלוסיות מקושרות של מינים באזור נתון, או ביוקואנוזיס - האורגניזמים הדואגים לחיות ביחד בבית גידול בתחום הפליאונטולוגיה
        - יחידה בסיסית של סיווג טקסונומי
          - כל האורגניזמים ממין נתון החיים באזור שצוין
            - כל מערכת פיזית חיה אינדיבידואלית
            - חיבור טבעי בין רשתות המזון

          ניתן לסווג אקולוגיה גם על בסיס:

          • הסוגים העיקריים של האורגניזם הנחקר, למשל אקולוגיה של בעלי חיים, אקולוגיה של צמחים, אקולוגיה של חרקים
          • הביומיות שנחקרו בעיקר, למשל אקולוגיה של יערות, אקולוגיה של כר דשא, אקולוגיה מדברית, אקולוגיה בנטתית, אקולוגיה ימית, אקולוגיה עירונית
          • האזור הגיאוגרפי או האקלימי, למשל אקולוגיה ארקטית, אקולוגיה טרופית
          • הסקאלה המרחבית הנחשבת, למשל מקרו אקולוגיה, אקולוגיה נוף
          • הגישה הפילוסופית, למשל. אקולוגיה מערכות המאמצת גישה הוליסטית
          • השיטות הנהוגות, למשל אקולוגיה מולקולרית.

          אקולוגיה היא תחום רחב הכולל תחומי משנה רבים. ניתן לחלק את תחום האקולוגיה לפי מספר תוכניות סיווג:

          לפי רמת המורכבות או ההיקף עריכה

          מסודר מהמורכבות הנמוכה לגבוהה ביותר:

            - חקר ההתאמה של הפיזיולוגיה של האורגניזם לתנאים סביבתיים, או אקולוגיה התנהגותית - לימוד הבסיס האבולוציוני להתנהגות בעלי חיים עקב לחצים אקולוגיים, הידוע גם בשם אוטואקולוגיה - לימוד הדינמיקה של אוכלוסיות המינים וכיצד אוכלוסיות אלה מתקיימות עם הסביבה. , המכונה גם סינקולוגיה-אוכלוסיות מקושרות של מינים באזור נתון-חקר מרכיבים חיים וחיים שאינם חיים של מערכות אקולוגיות ואינטראקציות שלהם-גישה הוליסטית לחקר מערכות אקולוגיות-מדע הקשרים בין תהליכים אקולוגיים בסביבה ובין מערכות אקולוגיות מסוימות

          על ידי אורגניזמים הנחקרים ערוך

            - מחקר מדעי על מערכות היחסים בין בעלי חיים חיים וסביבתם - לימוד הבסיס האבולוציוני להתנהגות בעלי חיים עקב לחצים אקולוגיים - חקר התפלגות המינים והמערכות האקולוגיות במרחב הגיאוגרפי ודרך הזמן הגיאולוגי - חקר האופן שבו חרקים מתקשרים עם הסביבה הסובבת - לימוד מערכת היחסים של מיקרואורגניזמים עם סביבתם - חקר האינטראקציות בין אורגניזמים וסביבתם על פני זמני זמן גיאולוגיים - חקר השפעת הסביבה על שפע הצמחים וההפצה שלהם.

          לפי ביומה הנחקרת עריכה

            -חקר האינטראקציה של אורגניזמים על קרקעית הים זה עם זה ועם הסביבה-חקר האינטראקציות בין מרכיבים ביוטיים ואביוטיים של סביבות מדבריות-חקר האינטראקציות בין הביוטה והסביבה בפורטים-חקר האינטראקציות בין אורגניזמים וסביבה בים - חקר האינטראקציות בין אורגניזמים והסביבה במים - לימוד יחסיהם של אורגניזמים חיים זה עם זה וסביבתם בהקשר של סביבה עירונית.

          לפי אזור גיאוגרפי או אקלימי הנחקר עריכה

            - חקר הקשרים בין גורמים ביוטיים ואביוטיים באזור הארקטי - הקשר בין צמחים לבעלי חיים וסביבה קוטבית - חקר היחסים בין המרכיבים הביוטיים והאביוטיים של האזורים הטרופיים

          לפי קנה מידה מרחבי הנלמד עריכה

          לפי היבטים או תופעות אקולוגיות הנחקרות ערוך

            - העוסק בתפקידם האקולוגי של כימיקלים ביולוגיים המשמשים במגוון רחב של תחומים, כולל הגנה מפני טורפים ומשיכת בני זוג - חקר התאמת הפיזיולוגיה של האורגניזם לתנאי הסביבה - החוקר את האינטראקציה של תכונות פיזיולוגיות עם הסביבה האביוטית - אשר בוחן את תפקידם האקולוגי של כימיקלים רעילים (לעיתים קרובות מזהמים, אך גם תרכובות טבעיות) - מחקר כיצד אינטראקציות בין מינים ובין מינים וסביבתם משפיעים על מינים באמצעות בחירה והתאמה - או התפתחות אקולוגית המתבוננת בשינויים אבולוציוניים בהקשר של האוכלוסיות והקהילות בהן קיימים האורגניזמים - המתבוננת בתפקיד האש בסביבת הצמחים ובעלי החיים והשפעתה על קהילות אקולוגיות - חקר התפקידים או הפונקציות בהם ממלאים מינים מסוימים (או קבוצות מהם) מערכת אקולוגית - לימוד החומר הגנטי בסביבה - האקולוגיה של הפדוספירה

          לפי טכניקה המשמשת לחקירה עריכה

          בגישה סביבתית עריכה

            - הפרקטיקה של שימוש בעקרונות אקולוגיים והבנה לפתרון בעיות בעולם האמיתי (כולל אגרו -אקולוגיה וביולוגיה לשימור). - חקר האיומים על המגוון הביולוגי - החוקר כיצד להפחית את הסיכון להכחדת מינים. - פילוסופיה אקולוגית וסביבתית - פילוסופיה אקולוגית וסביבתית המקדמת את הערך הגלום של יצורים חיים ללא קשר לתועלתם הכלכלית לצרכי האדם, בתוספת ארגון מחדש רדיקלי של חברות אנושיות מודרניות בהתאם לרעיונות כאלה. - פילוסופיה של הרמוניה אקולוגית או שיווי משקל כפי שפותחו על ידי ארן נאס או פליקס גואטרי - פילוסופיה של הרמוניה או שיווי משקל אקולוגי. - מחקר מדעי בנושא חידוש ושחזור מערכות אקולוגיות - המנסה להבין את הבסיס האקולוגי הדרוש לשיקום מערכות אקולוגיות לקויות או פגומות. - התייחסות מיוחדת ליחידים אך ורק על בסיס חברותם במינים - כרוכה בהקצאת ערכים, זכויות או התייחסות מיוחדת ליחידים אך ורק על סמך חברותם במינים. - מערכת ערכים שבמרכזה הטכנולוגיה ויכולתה לשלוט ולהגן על הסביבה.

          תחומים בין-תחומיים מעורבים באקולוגיה עריכה

            - לימוד תהליכים אקולוגיים בחקלאות - חקר מחזורים כימיים של כדור הארץ המונעים או משפיעים על פעילות ביולוגית - עיצוב הממזער את ההשפעות ההרסניות של הסביבה על ידי שילוב עם תהליכי חיים - שימוש באקולוגיה והנדסה לחיזוי, עיצוב, בנייה או לשחזר ולנהל מערכות אקולוגיות המשלבות "החברה האנושית עם סביבתה הטבעית לטובת שניהם" - לימוד היחסים בין הסמליות והאקולוגיה של הצמחים, הפטריות ובעלי החיים הקשורים לאירועי תרבות - לימוד הקשר בין בני אדם והסביבה הטבעית, החברתית והבנויה שלהם - חקר ההתאמות התרבותיות לסביבות - לימוד מערכות יחסים בין אנשים וסביבתם - לימוד החומר וזרימת האנרגיה במערכות תעשייתיות - חקר האינטראקציות בין אורגניזמים וסביבותיהם לאורך טווחי זמן גיאולוגיים.

          תת -תחומים אחרים עריכה

          ענפים אחרים של אקולוגיה כוללים:

            , המתמקד בהבנת שינוי צמחיה מכוונת, חקר הקשר בין טמפרטורה לאורגניזמים

          האקולוגיה גם נתנה השראה (והעניקה את שמה) לדיסציפלינות לא ביולוגיות אחרות כגון


          תוכן

          "ביולוגיה" נובעת מהמילים היווניות העתיקות של βίος romanized bíos שמשמעותו "חיים" ו- -λογία romanized logía (-logy) שפירושה "ענף לימוד" או "לדבר". [11] [12] אלה המשולבים הופכים את המילה היוונית βιολογία לרומנטית לביולוגיה שפירושה ביולוגיה. למרות זאת, המונח βιολογία בכללותו לא היה קיים ביוונית קדומה. הראשונים שהשאילו אותו היו האנגלים והצרפתים (ביולוגיה). מבחינה היסטורית היה מונח נוסף ל"ביולוגיה "באנגלית, לכל החיים הוא משמש לעתים נדירות כיום.

          צורת המונח בשפה הלטינית הופיעה לראשונה בשנת 1736 כאשר המדען השבדי קרל לינאוס (קרל פון לינה) השתמש ביולוגיה בו Bibliotheca Botanica. הוא שימש שוב בשנת 1766 ביצירה שכותרתה Philosophiae naturalis sive physicae: טומוס השלישי, קונטיננס גיאולוג, ביולוג, פיטולוג ג'נרליס, מאת מיכאל כריסטוף האנוב, תלמידו של כריסטיאן וולף. השימוש הגרמני הראשון, ביולוגיה, היה בתרגום לשנת 1771 של יצירתו של לינאוס. בשנת 1797, תיאודור גיאורג אוגוסט רוז השתמש במונח בהקדמת ספר, Grundzüge der Lehre van der Lebenskraft. קארל פרידריך בורדך השתמש במונח בשנת 1800 במובן מוגבל יותר של חקר בני אדם מנקודת מבט מורפולוגית, פיזיולוגית ופסיכולוגית (Propädeutik zum Studien der gesammten Heilkunst). המונח נכנס לשימושו המודרני עם החיבור בן שישה כרכים Biologie, oder Philosophie der lebenden Natur (1802–22) מאת גוטפריד ריינהולד טרבירנוס, שהודיע: [13]

          מטרות המחקר שלנו יהיו צורות החיים והתופעות השונות, התנאים והחוקים שבהם תופעות אלה מתרחשות והסיבות שדרכן הן הושפעו. את המדע העוסק בעצמו באובייקטים אלה נציין בשם ביולוגיה [ביולוגיה] או תורת החיים [לבנסלהרה].

          שורשי המדע הקדומים ביותר, שכללו רפואה, ניתן לייחס למצרים העתיקה ולמסופוטמיה בסביבות 3000 עד 1200 לפני הספירה. [14] [15] תרומותיהם נכנסו מאוחר יותר ועיצבו את הפילוסופיה הטבעית היוונית של העת העתיקה הקלאסית.[14] [15] [16] [17] פילוסופים יוונים קדומים כמו אריסטו (384–322 לפנה"ס) תרמו רבות לפיתוח הידע הביולוגי. עבודותיו כגון היסטוריה של בעלי חיים היו חשובים במיוחד מכיוון שהם חשפו את נטיותיו הנטורליסטיות, ומאוחר יותר עבודות אמפיריות יותר שהתמקדו בסיבתיות ביולוגית ובגיוון החיים. יורשו של אריסטו בליסיאום, תאופראסטוס, כתב סדרת ספרים על בוטניקה ששרדה כתרומה החשובה ביותר של העת העתיקה למדעי הצמחים, אפילו עד ימי הביניים. [18]

          חוקרי העולם האסלאמי של ימי הביניים שכתבו על ביולוגיה כללו את אל-ג'היז (781–869), אל-דינאווארי (828–896), שכתב על בוטניקה, [19] וראז (865–925) שכתב על אנטומיה ופיזיולוגיה. . רפואה נחקרה היטב על ידי חוקרים אסלאמיים העובדים במסורות פילוסוף יווני, בעוד שהיסטוריה של הטבע נשענה רבות על המחשבה האריסטוטלית, במיוחד בשמירה על היררכיה קבועה של החיים.

          הביולוגיה החלה להתפתח ולגדול במהירות עם השיפור הדרמטי של המיקרוסקופ של אנטון ואן לוונהוק. אז גילו החוקרים זרע, חיידקים, אינפוזוריה ומגוון החיים המיקרוסקופיים. חקירות של יאן סוואמרדאם הובילו להתעניינות חדשה באנטומולוגיה ועזרו בפיתוח הטכניקות הבסיסיות של דיסקציה וצביעה מיקרוסקופיים. [20]

          להתקדמות במיקרוסקופיה הייתה גם השפעה עמוקה על החשיבה הביולוגית. בתחילת המאה ה -19 הצביעו מספר ביולוגים על חשיבותו המרכזית של התא. ואז, בשנת 1838, שליידן ושוואן החלו לקדם את הרעיונות האוניברסליים כיום שלפיהם (1) היחידה הבסיסית של האורגניזמים היא התא ו (2) שלתאים בודדים יש את כל מאפייני החיים, למרות שהם התנגדו לרעיון ש (3) כולם תאים מגיעים מחלוקת תאים אחרים. הודות לעבודתם של רוברט רמק ורודולף וירצ'וב, עם זאת, בשנות ה -60 של המאה ה -19 רוב הביולוגים קיבלו את כל שלושת העקרונות של מה שנקרא תורת התא. [21] [22]

          בינתיים, הטקסונומיה והסיווג הפכו למוקד של היסטוריונים טבעיים. קרל לינאוס פרסם בשנת 1735 טקסונומיה בסיסית לעולם הטבע (וריאציות שהיו בשימוש מאז), ובשנות 1750 הציג שמות מדעיים לכל מיניו. [23] ז'ורז 'לואי לקלרק, קומת דה בופון, התייחס למינים כאל קטגוריות מלאכותיות וצורות חיים כאל ניתנות לעיבוד-אפילו מעיד על אפשרות של ירידה משותפת. למרות שהתנגד לאבולוציה, בופון הוא דמות מפתח בהיסטוריה של המחשבה האבולוציונית עבודתו השפיעה על התיאוריות האבולוציוניות של למרק ודארווין כאחד. [24]

          חשיבה אבולוציונית רצינית מקורו ביצירותיו של ז'אן-בפטיסט למרק, שהיה הראשון שהציג תיאוריית אבולוציה קוהרנטית. [26] הוא הניח כי האבולוציה היא תוצאה של לחץ סביבתי על תכונות של בעלי חיים, כלומר ככל שמשתמשים באיבר בתדירות קפדנית יותר, כך הוא יהפוך מורכב ויעיל יותר, ובכך יתאים את החיה לסביבתו. למרק האמין שאפשר להעביר תכונות נרכשות אלה לצאצאים של החיה, שיפתחו אותם וישכללו אותם יותר. [27] עם זאת, זה היה הנטורליסט הבריטי צ'ארלס דרווין, המשלב את הגישה הביו -גיאוגרפית של הומבולדט, הגיאולוגיה האחידה של לייל, כתביו של מלטוס על גידול האוכלוסייה, ומומחיותו המורפולוגית והתצפיות הטבעיות הנרחבות, הם שייצרו תיאוריה אבולוציונית מוצלחת יותר המבוססת על גידול אוכלוסייה. על ברירה טבעית נימוקים וראיות דומים הביאו את אלפרד רוסל וואלאס להגיע באופן עצמאי לאותן מסקנות. [28] [29] תורת האבולוציה של דרווין על ידי הברירה הטבעית התפשטה במהירות ברחבי הקהילה המדעית והפכה במהרה לאקסיומה מרכזית של מדע הביולוגיה המתפתח במהירות.

          הבסיס לגנטיקה המודרנית החל בעבודתו של גרגור מנדל, שהציג את מאמרו, "Versuche über Pflanzenhybriden"(" ניסויים בהכלאת צמחים "), בשנת 1865, [30] המתאר את עקרונות התורשה הביולוגית, המשמש בסיס לגנטיקה המודרנית. [31] עם זאת, משמעות עבודתו לא התממשה אלא בתחילת המאה ה -20. כשהאבולוציה הפכה לתיאוריה מאוחדת כשהסינתזה המודרנית פיוסה בין האבולוציה הדרווינית לבין הגנטיקה הקלאסית. [32] בשנות הארבעים ותחילת שנות החמישים, סדרת ניסויים של אלפרד הרשיי ומרתה צ'ייס הצביעו על ה- DNA כמרכיב הכרומוזומים שהחזיקו בתכונה- נושאים שנודעו כגנים. התמקדות בסוגים חדשים של אורגניזמים דוגמת וירוסים וחיידקים, יחד עם גילוי המבנה הדו-סלילי של ה- DNA על ידי ג'יימס ווטסון ופרנסיס קריק בשנת 1953, סימנו את המעבר לתקופה. הגנטיקה המולקולרית. משנות החמישים ועד לתקופה הנוכחית, הביולוגיה התרחבה במידה רבה בתחום המולקולרי. הקוד הגנטי נסדק על ידי הר גובינד חוראנה, רוברט וו. הולי ומרשל וורן נירנברג. הובן כי ה- DNA מכיל קודונים. לבסוף, פרויקט הגנום האנושי הושק בשנת 1990 במטרה למפות את הגנום האנושי הכללי. פרויקט זה הושלם למעשה בשנת 2003, [33] כאשר ניתוח נוסף עדיין פורסם. פרויקט הגנום האנושי היה השלב הראשון במאמץ גלובלי לשלב ידע מצטבר בביולוגיה בהגדרה פונקציונלית ומולקולרית של גוף האדם וגופם של אורגניזמים אחרים.

          בסיס כימי

          אטומים ומולקולות

          כל האורגניזמים החיים מורכבים מחומר וכל החומר מורכב מיסודות. [34] חמצן, פחמן, מימן וחנקן הם ארבעת היסודות המהווים 96% מכלל האורגניזמים החיים, כאשר סידן, זרחן, גופרית, נתרן, כלור ומגנזיום מהווים 3.7% הנותרים. [34] אלמנטים שונים יכולים להתאחד ליצירת תרכובות כגון מים, שהיא יסוד לחיים. [34] החיים על פני כדור הארץ התחילו ממים ונשארו שם כשלושה מיליארדי שנים לפני היגרו אל היבשה. [35] החומר יכול להתקיים במצבים שונים כמוצק, נוזל או גז.

          היחידה הקטנה ביותר של יסוד היא אטום, המורכב מגרעין ומאלקטרון אחד או יותר הקשורים לגרעין. הגרעין בנוי מפרוטונים אחד או יותר ומספר נויטרונים. אטומים בודדים יכולים להיות מחוברים יחד על ידי קשרים כימיים ליצירת מולקולות ותרכובות יוניות. [34] סוגים נפוצים של קשרים כימיים כוללים קשרים יוניים, קשרים קוולנטיים וקשרי מימן. קשר איוני כרוך במשיכה אלקטרוסטטית בין יונים טעונים מנוגדים, או בין שני אטומים בעלי אלקטרטיביות שונות בתכלית, [36] והיא האינטראקציה העיקרית המתרחשת בתרכובות יוניות. יונים הם אטומים (או קבוצות אטומים) עם מטען אלקטרוסטטי. אטומים שמקבלים אלקטרונים מייצרים יונים טעונים שלילית (הנקראים אניונים) ואילו אלה שמאבדים אלקטרונים יוצרים יונים טעונים חיוביים (הנקראים קטיונים).

          בניגוד לקשרים יוני, קשר קוולנטי כולל שיתוף של זוגות אלקטרונים בין אטומים. זוגות אלקטרונים אלה והאיזון היציב של כוחות המשיכה והדוחה בין האטומים, כאשר הם חולקים אלקטרונים, ידוע כקישור קוולנטי. [37]

          קשר מימן הוא בעיקר כוח משיכה אלקטרוסטטי בין אטום מימן אשר קשור קוולנטית לאטום או לקבוצה יותר אלקטרו -נגטיביים כגון חמצן. דוגמה קיימת לכל מקום של קשר מימן בין מולקולות מים. במולקולת מים נפרדת, ישנם שני אטומי מימן ואטום חמצן אחד. שתי מולקולות מים יכולות ליצור ביניהן קשר מימן. כאשר קיימות יותר מולקולות, כפי שקורה במים נוזליים, אפשר קשרים נוספים מכיוון שלחמצן של מולקולת מים אחת יש שני זוגות אלקטרונים בודדים, שכל אחד מהם יכול ליצור קשר מימן עם מימן על מולקולת מים אחרת.

          תרכובות אורגניות

          למעט מים, כמעט כל המולקולות המרכיבות כל אורגניזם חי מכילות פחמן. [38] [39] פחמן יכול ליצור שרשראות ארוכות מאוד של קשרי פחמן -פחמן המחוברים, שהם חזקים ויציבים. הצורה הפשוטה ביותר של מולקולה אורגנית היא הפחמימן, שהוא משפחה גדולה של תרכובות אורגניות המורכבות מאטומי מימן המחוברים לשרשרת אטומי פחמן. ניתן להחליף עמוד שדרה של פחמימנים באטומים אחרים. בשילוב עם יסודות אחרים כגון חמצן, מימן, זרחן וגופרית, פחמן יכול ליצור קבוצות רבות של תרכובות ביולוגיות חשובות כגון סוכרים, שומנים, חומצות אמינו ונוקלאוטידים.

          מקרומולקולות

          מולקולות כגון סוכרים, חומצות אמינו ונוקלאוטידים יכולות לפעול כיחידות שחוזרות על עצמן הנקראות מונומרים ליצירת מולקולות דמויי שרשרת הנקראות פולימרים באמצעות תהליך כימי הנקרא עיבוי. [40] לדוגמה, חומצות אמינו יכולות ליצור פוליפפטידים ואילו נוקלאוטידים יכולים ליצור קווצות של חומצה deoxyribonucleic (DNA) או חומצה ריבונוקלאית (RNA). פולימרים מהווים שלושה מתוך ארבעת המקרומולקולות (רב -סוכרים, שומנים, חלבונים וחומצות גרעין) הנמצאים בכל האורגניזמים החיים. כל מקרומולקולה ממלאת תפקיד מיוחד בתוך כל תא נתון. כמה סוכרים מסוימים, למשל, יכולים לתפקד כחומר אחסון הניתן להידרז כדי לספק לתאים סוכר. שומנים הם המחלקה היחידה של מקרומולקולות שאינן מורכבות מפולימרים והשומנים החשובים ביותר מבחינה ביולוגית הם שומנים, פוספוליפידים וסטרואידים. [40] חלבונים הם המגוונים ביותר מבין המקרו -מולקולות, הכוללים אנזימים, חלבוני הובלה, מולקולות איתות גדולות, נוגדנים וחלבונים מבניים. לבסוף, חומצות גרעין מאחסנות, מעבירות ומביעות מידע תורשתי. [40]

          תאים

          תורת התא קובעת שהתאים הם יחידות היסוד של החיים, שכל היצורים החיים מורכבים מתא אחד או יותר, וכי כל התאים נובעים מהתאים הקיימים דרך חלוקת התא. [41] רוב התאים קטנים מאוד, קוטרם נע בין 1 ל -100 מיקרומטר ולכן הם נראים רק מתחת למיקרוסקופ אור או אלקטרונים. [42] בדרך כלל ישנם שני סוגי תאים: תאים אוקריוטים, המכילים גרעין, ותאים פרוקריוטים, שאינם מכילים. פרוקריוטים הם אורגניזמים חד תאיים כגון חיידקים, בעוד שאאוקריוטים יכולים להיות חד תאיים או רב תאיים. באורגניזמים רב תאיים, כל תא בגוף האורגניזם נגזר בסופו של דבר מתא בודד בביצית מופרית.

          מבנה התא

          כל תא מוקף בתוך קרום התא המפריד בין הציטופלזמה שלו לחלל החוץ -תאי. [43] קרום התא מורכב משכבה ליפידית, כולל כולסטרולים היושבים בין פוספוליפידים כדי לשמור על נזילותם בטמפרטורות שונות. ממברנות התא הן חדירות למחצה, ומאפשרות למולקולות קטנות כגון חמצן, פחמן דו חמצני ומים לעבור תוך הגבלת תנועתן של מולקולות גדולות יותר וחלקיקים טעונים כגון יונים. [44] ממברנות התא מכילות גם חלבוני ממברנה, כולל חלבוני קרום אינטגרליים החוצים את הממברנה המשמשים כמובילי קרום, וחלבונים היקפיים הנצמדים באופן רופף לצד החיצוני של קרום התא, ופועלים כאנזימים המעצבים את התא. [45] ממברנות התא מעורבות בתהליכים סלולריים שונים כגון הידבקות תאים, אחסון אנרגיה חשמלית, איתות תאים ומשמשות כמשטח ההתקשרות למספר מבנים תאיים כגון דופן תא, גליקוקליקס וציד שלד.

          בתוך הציטופלזמה של תא, ישנם ביו -מולקולות רבות כגון חלבונים וחומצות גרעין. [46] בנוסף לביומולקולות, לתאים האאוקריוטים יש מבנים מיוחדים הנקראים אברונים בעלי דו שכבות משומנים משלהם או שהם יחידות מרחבית. אברונים אלה כוללים את גרעין התא, המכיל מידע גנטי של תא, או המיטוכונדריה, המייצרת אדנוזין טריפוספט (ATP) כדי להניע תהליכים סלולריים. אברונים אחרים כגון reticulum endoplasmic ומכשירי Golgi ממלאים תפקיד בסינתזה ובאריזה של חלבונים, בהתאמה. ביומולקולות כגון חלבונים יכולות להיבלע על ידי ליזוזומים, אברון מיוחד נוסף. לתאי הצמחים יש אברונים נוספים המבדילים אותם מתאי חי כגון קיר תא, כלורופלסטים, ואקום.

          חילוף חומרים

          כל התאים דורשים אנרגיה כדי לקיים תהליכים סלולריים. אנרגיה היא היכולת לבצע עבודה, אשר, בתרמודינמיקה, ניתן לחשב באמצעות אנרגיה חופשית של גיבס. על פי החוק הראשון של התרמודינמיקה, האנרגיה נשמרת, כלומר לא ניתן ליצור או להרוס. מכאן שתגובות כימיות בתא אינן יוצרות אנרגיה חדשה אלא מעורבות במקום זאת בתמורה ובהעברת אנרגיה. [47] אף על פי כן, כל העברות האנרגיה מובילות לאובדן מסוים של אנרגיה שמישה, מה שמגביר את האנטרופיה (או את מצב ההפרעה) כאמור בחוק התרמודינמיקה השני. כתוצאה מכך, אורגניזמים חיים כגון תאים דורשים קלט רציף של אנרגיה כדי לשמור על מצב אנטרופיה נמוך. בתאים ניתן להעביר אנרגיה כאלקטרונים במהלך תגובות חימצון (הפחתה - חמצון), המאוחסנים בקשרים קוולנטיים ויוצרים על ידי תנועת יונים (למשל מימן, נתרן, אשלגן) על פני קרום.

          מטבוליזם הוא מכלול התגובות הכימיות המקיימות חיים באורגניזמים. שלוש המטרות העיקריות של חילוף החומרים הן: המרת מזון לאנרגיה להפעלת תהליכים סלולריים הפיכת מזון/דלק לאבני בניין לחלבונים, שומנים, חומצות גרעין וכמה פחמימות וסילוק פסולת מטבולית. תגובות אלה המזורזות באנזים מאפשרות לאורגניזמים לגדול ולהתרבות, לשמור על המבנים שלהם ולהגיב לסביבתם. תגובות מטבוליות עשויות להיות מסווגות כקטבוליות - פירוק תרכובות (למשל פירוק גלוקוז לפירובאט על ידי נשימה תאית) או אנבוליים - בנייה (סינתזה) של תרכובות (כגון חלבונים, פחמימות, שומנים וגרעין חומצות). בדרך כלל, קטבוליזם משחרר אנרגיה, ואנאבוליזם צורך אנרגיה.

          התגובות הכימיות של חילוף החומרים מאורגנות למסלולים מטבוליים, שבהם חומר כימי אחד הופך באמצעות סדרה של שלבים לכימיקל אחר, כאשר כל שלב מתאפשר על ידי אנזים ספציפי. אנזימים חיוניים לחילוף החומרים מכיוון שהם מאפשרים לאורגניזמים להניע תגובות רצויות הדורשות אנרגיה שלא תתרחש מעצמן, על ידי צמדתן לתגובות ספונטניות המשחררות אנרגיה. אנזימים פועלים כזרזים - הם מאפשרים לתגובה להתקדם מהר יותר מבלי להיצרך על ידיה - על ידי הפחתת כמות אנרגיית ההפעלה הדרושה להפיכת המגיבים למוצרים. אנזימים מאפשרים גם את ויסות קצב התגובה המטבולית, למשל בתגובה לשינויים בסביבת התא או לאותות מתאי אחרים.

          נשימה סלולרית

          נשימה סלולרית היא מערכת תגובות ותהליכים מטבוליים המתרחשים בתאי האורגניזמים להמיר אנרגיה כימית מחומרים מזינים לאדנוזין טריפוספט (ATP), ולאחר מכן משחררים מוצרי פסולת. [48] ​​התגובות המעורבות בנשימה הן תגובות קטבוליות, המפרקות מולקולות גדולות לקטן יותר, ומשחררות אנרגיה מכיוון שקשרים חלשים באנרגיה גבוהה, במיוחד בחמצן מולקולרי, [49] מוחלפים בקשרים חזקים יותר במוצרים. נשימה היא אחת הדרכים העיקריות שבהן תא משחרר אנרגיה כימית לדלק את הפעילות התאית. התגובה הכוללת מתרחשת בסדרה של שלבים ביוכימיים, חלקם תגובות חמצון. למרות שנשימה סלולרית היא מבחינה טכנית תגובה בעירה, ברור שהיא אינה דומה לאחת כאשר היא מתרחשת בתא חי בגלל השחרור האיטי והמבוקר של האנרגיה מסדרת התגובות.

          סוכר בצורה של גלוקוז הוא החומר המזין העיקרי בו משתמשים תאים מן החי והצומח בנשימה. נשימה תאית הכוללת חמצן נקראת נשימה אירובית, הכוללת ארבעה שלבים: גליקוליזה, מחזור חומצת לימון (או מחזור קרבס), שרשרת הובלת אלקטרונים וזרחן חמצוני. [50] גליקוליזה היא תהליך מטבולי המתרחש בציטופלזמה לפיו גלוקוז הופך לשני פירובטים, כאשר שתי מולקולות נטו של ATP מיוצרות במקביל. [50] כל פירובאט מתחמצן לאחר מכן לאצטיל-CoA על ידי מכלול הפירובאט דהידרוגנאז, המייצר גם NADH ופחמן דו חמצני. אצטיל-קואה נכנס למחזור חומצת הלימון, המתקיים בתוך המטריצה ​​המיטוכונדרית. בסוף המחזור, התשואה הכוללת מגלוקוז אחד (או 2 פירובטים) היא 6 NADH, 2 FADH2, ו -2 מולקולות ATP. לבסוף, השלב הבא הוא זרחון חמצוני, אשר באיקריוטים, מתרחש בכריסטיות המיטוכונדריה. זרחון חמצוני כולל את שרשרת הובלת האלקטרונים, שהיא סדרה של ארבעה מתחמי חלבון המעבירים אלקטרונים ממתחם אחד למשנהו, ובכך משחררים אנרגיה מ- NADH ו- FADH2 המקושר לשאיבת פרוטונים (יוני מימן) על פני הממברנה המיטוכונדרית הפנימית (כימיוסמוזה), היוצרת כוח מניע של פרוטון. [50] אנרגיה מכוח המניע של הפרוטון מניע את האנזים ATP סינתז לסנתז יותר ATP על ידי פוספורילציה של ADP. העברת האלקטרונים מסתיימת כאשר החמצן המולקולרי הוא מקבל האלקטרונים הסופי.

          אם החמצן לא היה קיים, פירובט לא היה מטבוליזם על ידי נשימה תאית אלא עובר תהליך של תסיסה. הפירובט אינו מועבר לתוך המיטוכונדריון אלא נשאר בציטופלזמה, שם הוא הופך למוצרי פסולת שעשויים להיות מוסרים מהתא. זה משמש למטרה לחמצן את נשאי האלקטרונים כך שיוכלו לבצע שוב גליקוליזה ולהסיר את עודף הפירובאט. התסיסה מחמצנת NADH ל- NAD + כך שניתן להשתמש בה מחדש בגליקוליזה. בהיעדר חמצן התסיסה מונעת הצטברות של NADH בציטופלזמה ומספקת NAD + לגליקוליזה. מוצר פסולת זה משתנה בהתאם לאורגניזם. בשרירי השלד, תוצר הפסולת הוא חומצה לקטית. סוג זה של תסיסה נקרא תסיסה של חומצת חלב. בפעילות גופנית מאומצת, כאשר דרישות האנרגיה עולות על אספקת האנרגיה, שרשרת הנשימה אינה יכולה לעבד את כל אטומי המימן שאליהם מצטרף NADH. במהלך גליקוליזה אנאירובית, NAD + מתחדש כאשר זוגות מימן משתלבים עם פירובט ליצירת לקטט. היווצרות לקטט מזרזת על ידי דהידרוגנאז לקטט בתגובה הפיכה. לקטט יכול לשמש גם כמבשר עקיף לגליקוגן בכבד. במהלך ההתאוששות, כאשר החמצן הופך להיות זמין, NAD + מתחבר למימן מלקטט ליצירת ATP. בשמרים, מוצרי הפסולת הם אתנול ופחמן דו חמצני. תסיסה מסוג זה מכונה תסיסה אלכוהולית או אתנול. ה- ATP שנוצר בתהליך זה נעשה על ידי זרחון ברמת המצע, שאינו דורש חמצן.

          פוטוסינתזה

          הפוטוסינתזה היא תהליך בו משתמשים צמחים ואורגניזמים אחרים להמרת אנרגיית אור לאנרגיה כימית, שיכולה להשתחרר מאוחר יותר כדי להדליק את הפעילות המטבולית של האורגניזם באמצעות נשימה תאית. אנרגיה כימית זו מאוחסנת במולקולות פחמימות, כגון סוכרים, המסונתז מפחמן דו חמצני ומים. [51] [52] [53] ברוב המקרים, חמצן משתחרר גם כתוצר פסולת. רוב הצמחים, האצות והציאנובקטריה מבצעים פוטוסינתזה, האחראית במידה רבה לייצור ותחזוקת תכולת החמצן באטמוספירה של כדור הארץ, ומספקת את מרבית האנרגיה הדרושה לחיים על כדור הארץ. [54]

          לפוטוסינתזה ארבעה שלבים: ספיגת אור, הובלת אלקטרונים, סינתזת ATP וקיבוע פחמן. [50] ספיגת אור היא השלב הראשוני של הפוטוסינתזה לפיה אנרגיית האור נספגת על ידי פיגמנטים של כלורופיל המחוברים לחלבונים בממברנות התלוקואידים. אנרגיית האור הנספגת משמשת להסרת אלקטרונים מתורם (מים) למקבל אלקטרונים ראשוני, כינון המוגדר כ- Q. בשלב השני, האלקטרונים נעים מהקולט האלקטרון הראשי של הקינון דרך סדרה של נשאי אלקטרונים עד שהם מגיעים אל מקבל אלקטרונים סופי, שהוא בדרך כלל הצורה המחומצנת של NADP +, המצטמצמת ל- NADPH, תהליך המתרחש במכלול חלבונים הנקרא פוטוסיסטם I (PSI). העברת האלקטרונים קשורה לתנועה של פרוטונים (או מימן) מהסטרומה לקרום התאילקואיד, היוצר שיפוע pH לרוחב הממברנה כאשר המימן מתרכז יותר בלומן מאשר בסטרומה. הדבר מקביל לכוח המניע הפרוטוני שנוצר על פני הממברנה המיטוכונדרית הפנימית בנשימה אירובית. [50]

          במהלך השלב השלישי של הפוטוסינתזה, תנועת הפרוטונים במורדי שיפוע הריכוז שלהם מהלום התילקואידי לסטרומה דרך הסינתז ATP קשורה לסינתזה של ATP על ידי אותו סינתז ATP. [50] ה- NADPH וה- ATP שנוצרים מהתגובות תלויות האור בשלבים השני והשלישי, בהתאמה, מספקים את האנרגיה והאלקטרונים להניע את סינתזת הגלוקוז על ידי קיבוע פחמן דו חמצני אטמוספרי לתרכובות פחמן אורגניות קיימות, כגון ביספוספט ריבולוז ( RuBP) ברצף של תגובות עצמאיות (או חשוכות) הנקראות מחזור קלווין. [55]

          איתות תאים

          תקשורת תאים (או איתות) היא היכולת של התאים לקבל, לעבד ולהעביר אותות עם סביבתו ועם עצמו. [56] [57] איתותים יכולים להיות לא כימיים כגון אור, דחפים חשמליים וחום, או אותות כימיים (או ליגנדים) המתקיימים אינטראקציה עם קולטנים, אותם ניתן למצוא מוטבע בקרום התא של תא אחר או להימצא עמוק בפנים תא. [58] [57] ישנם בדרך כלל ארבעה סוגים של אותות כימיים: אוטוקרינית, פאראקרין, ג'וקסטרין והורמונים. [58] באיתות אוטוקרינית, הליגנד משפיע על אותו התא שמשחרר אותו. תאי גידול, למשל, יכולים להתרבות ללא שליטה מכיוון שהם משחררים אותות שיוזמים חלוקה עצמית משלהם. באיתות paracrine, הליגנד מתפזר לתאים סמוכים ומשפיע עליהם. לדוגמה, תאי מוח הנקראים נוירונים משחררים ליגנדים הנקראים נוירוטרנסמיטורים המתפזרים על פני שסע סינפטי כדי להיקשר עם קולטן על תא סמוך כגון נוירון אחר או תא שריר. באיתות juxtacrine, יש קשר ישיר בין האותות לתאים המגיבים. לבסוף, הורמונים הם ליגנדים שנוסעים דרך מערכות הדם של בעלי חיים או מערכות כלי דם של צמחים כדי להגיע לתאי המטרה שלהם. ברגע שהליגנד נקשר לקולטן, הוא יכול להשפיע על התנהגותו של תא אחר, בהתאם לסוג הקולטן. לדוגמה, נוירוטרנסמיטורים הנקשרים עם קולטן אינוטרופי יכולים לשנות את ההתרגשות של תא המטרה. סוגים אחרים של קולטנים כוללים קולטני חלבון קינאז (למשל, קולטן להורמון אינסולין) וקולטנים מצמידים חלבון G. הפעלה של קולטנים מצמידים חלבון G יכולה ליזום מפלי שליח שני. התהליך שבאמצעותו מועבר אות כימי או פיזי דרך תא כסדרה של אירועים מולקולריים נקרא התמרת אותות

          מחזור התא

          מחזור התא הוא סדרה של אירועים המתרחשים בתא שגורמים לו להתחלק לשני תאי בת. אירועים אלה כוללים את שכפול ה- DNA שלו וחלק מאברוניו, וחלוקה לאחר מכן של הציטופלזמה לשני תאי בת בתהליך הנקרא חלוקת תאים. [59] באיקריוטים (כלומר, בעלי חיים, צמחים, תאים פטרייתיים ופרוטסטיים), ישנם שני סוגים שונים של חלוקת תאים: מיטוזה ומיוזה. [60] מיטוזיס הוא חלק ממחזור התא, שבו הכרומוזומים המשוכפלים מופרדים לשני גרעינים חדשים. חלוקת תאים גורמת לתאים זהים גנטית שבהם נשמר המספר הכולל של הכרומוזומים. באופן כללי, למיטוזה (חלוקת הגרעין) קודמת שלב S של אינטרפאז (שבמהלכו ה- DNA משוכפל) ואחריו מגיעים לעתים קרובות טלופז וציטוקינסיס המחלק את הציטופלזמה, האברונים וקרום התא של תא אחד לשני תאים חדשים. המכיל חלקים שווים בערך של רכיבים סלולריים אלה. השלבים השונים של המיטוזה מגדירים יחד את השלב המיטוטי של מחזור תאים של בעלי חיים - חלוקת תא האם לשני תאי בת זהים גנטית. [61] מחזור התא הוא תהליך חיוני שבאמצעותו ביצית מופרית חד-תאית מתפתחת לאורגניזם בוגר, כמו גם התהליך בו מתחדשים שיער, עור, תאי דם וכמה איברים פנימיים. לאחר חלוקת התא, כל אחד מתאי הבת מתחיל בשלב המחזוריות של מחזור חדש. בניגוד למיטוזה, מיוזה גורמת לארבעה תאי בת הפלואידים על ידי ביצוע סיבוב אחד של שכפול DNA ואחריו שתי חטיבות. [62] כרומוזומים הומולוגיים מופרדים בחטיבה הראשונה (מיוזה I), וכרומטידות אחות מופרדות בחטיבה השנייה (מיוזה II). שני מחזורי חלוקת התא הללו משמשים בתהליך של רבייה מינית בשלב כלשהו במחזור חייהם. סבורים כי שניהם נמצאים באב קדמון המשותף האאוקריוטי האחרון.

          פרוקריוטים (כלומר, ארכאה וחיידקים) יכולים גם הם לעבור חלוקת תאים (או ביקוע בינארי). שלא כמו תהליכי המיטוזה ומיוזה באיקריוטים, ביקוע בינארי לוקח פרוקריוטים מתרחש ללא יצירת מנגנון ציר על התא. לפני ביקוע בינארי, ה- DNA בחיידק מפותל היטב. לאחר שהתפרק ושוכפל, הוא נמשך אל הקטבים הנפרדים של החיידק כשהוא מגדיל את הגודל כדי להתכונן לפיצול. צמיחה של דופן תא חדשה מתחילה להפריד בין החיידק (המופעל על ידי פילמור FtsZ והיווצרות "טבעת Z") [63] דופן התא החדשה (מחיצה) מתפתחת במלואה, וכתוצאה מכך הפיצול המלא של החיידק. לתאי הבת החדשים יש מוטות דנ"א, ריבוזומים ופלסמידים.

          גנטיקה

          יְרוּשָׁה

          גנטיקה היא מחקר מדעי בנושא ירושה. [64] [65] [66] תורשה מנדלית, ספציפית, היא התהליך שבו גנים ותכונות מועברים מהורים לצאצאים. [31] הוא נוסח על ידי גרגור מנדל, בהתבסס על עבודתו עם צמחי אפונה באמצע המאה התשע עשרה. מנדל קבע מספר עקרונות ירושה. הראשון הוא שמאפיינים גנטיים, הנקראים כיום אללים, הם נפרדים ובעלי צורות חלופיות (למשל סגול מול לבן או גבוה לעומת גמד), כל אחד ירש מאחד משני הורים. בהתבסס על חוק הדומיננטיות והאחידות שלו, הקובע שחלק מהאללים הם דומיננטיים בעוד שאחרים הם רצסיביים אורגניזם בעל אלל דומיננטי אחד לפחות יציג את הפנוטיפ של אותו אלל דומיננטי. [67] חריגים מכלל זה כוללים חדירה ואקספרסיביות. [31] מנדל ציין כי במהלך היווצרות גמטות, האללים של כל גן נפרדים זה מזה כך שכל גמט נושא רק אלל אחד לכל גן, מה שמצוין בחוק ההפרדה שלו. אנשים הטרוזיגוטיים מייצרים גמטות בתדירות שווה של שני אללים. לבסוף, מנדל גיבש את חוק המבחר העצמאי, הקובע כי גנים בעלי תכונות שונות יכולים להפריד באופן עצמאי במהלך היווצרות הגאמטים, כלומר, גנים אינם מקושרים. חריג לכלל זה יכלול תכונות הקשורות למין. ניתן לבצע הצלבות בדיקה כדי לקבוע בניסוי את הגנוטיפ הבסיסי של אורגניזם בעל פנוטיפ דומיננטי. [68] ניתן להשתמש בריבוע Punnett לחיזוי התוצאות של צלב מבחן. תורת הירושה של הכרומוזומים, הקובעת כי גנים נמצאים בכרומוזומים, נתמכה בניסויים של תומאס מורגנס בזבובי פירות, אשר ביססו את הקשר בין המין בין צבע העין למין בחרקים אלה. [69] בבני אדם ויונקים אחרים (למשל כלבים), אין אפשרות או מעשית לערוך ניסויים צולבים. במקום זאת, אילן יוחסין, שהם ייצוגים גנטיים של עצי משפחה, [70] משמשים במקום להתחקות אחר התורשה של תכונה או מחלה ספציפיים לאורך דורות מרובים. [71]

          חומצה Deoxyribonucleic (DNA) היא מולקולה המורכבת משתי שרשראות פולינוקלאוטידים המתפתלים זה סביב זה ליצירת סליל כפול הנושא מידע תורשתי גנטי. שני גדילי ה- DNA ידועים כפולינוקלאוטידים מכיוון שהם מורכבים ממונומרים הנקראים נוקלאוטידים. [72] [73] כל נוקלאוטיד מורכב מאחד מארבעה בסיסים חנקניים (ציטוזין [C], גואנין [G], אדנין [A] או תימין [T]), סוכר הנקרא deoxyribose, וקבוצת פוספט. הנוקלאוטידים מחוברים זה לזה בשרשרת על ידי קשרים קוולנטיים בין הסוכר של נוקלאוטיד אחד לפוספט של הבא, וכתוצאה מכך עמוד שדרה סוכר-פוספט מתחלף. רצף ארבעת הבסיסים הללו לאורך עמוד השדרה המקודד מידע גנטי. בסיסים של שני גדילים הפולינוקלאוטידים נקשרים יחדיו על ידי קשרי מימן, על פי כללי זיווג בסיס (A עם T ו- C עם G), ליצירת DNA דו-גדילי. הבסיסים מתחלקים לשתי קבוצות: פירימידינים ופורינים. ב- DNA, הפירימידינים הם תימין וציטוזין ואילו הפורינים הם אדנין וגואנין. שני חוטי ה- DNA פועלים בכיוונים מנוגדים זה לזה ולכן הם אנטי -מקבילים. DNA משוכפל ברגע ששני הגדילים נפרדים.

          גן הוא יחידת תורשה המתאימה לאזור של DNA המשפיע על צורתו או תפקודו של אורגניזם בדרכים ספציפיות. DNA נמצא כרומוזומים ליניאריים באאוקריוטים, כרומוזומים מעגליים בפרוקריוטים. כרומוזום הוא מבנה מאורגן המורכב מדנ"א והיסטונים. קבוצת הכרומוזומים בתא וכל מידע תורשתי אחר המצוי במיטוכונדריה, בכלורופלסטים או במקומות אחרים ידוע ביחד בשם הגנום של התא. באיקריוטים, ה- DNA הגנומי מתמקם בגרעין התא, או עם כמויות קטנות במיטוכונדריה ובכלורופלסטים. [74] בפרוקריוטים, ה- DNA מוחזק בתוך גוף המעוצב בצורה לא סדירה בציטופלזמה הנקראת נוקלאואיד. [75] המידע הגנטי בגנום מוחזק בתוך גנים, וההרכבה המלאה של מידע זה באורגניזם נקראת הגנוטיפ שלו. [76] גנים מקודדים את המידע הדרוש לתאים לסינתזת חלבונים, אשר בתורם ממלאים תפקיד מרכזי בהשפעה על הפנוטיפ הסופי של האורגניזם.

          ביטוי גנים

          ביטוי גנים הוא התהליך שבאמצעותו נעשה שימוש במידע מהגן בסינתזה של מוצר גנטי פונקציונלי המאפשר לו לייצר מוצרי קצה, חלבון או RNA שאינו מקודד, ובסופו של דבר להשפיע על פנוטיפ, כאפקט הסופי. התהליך מסוכם בדוגמה המרכזית של הביולוגיה המולקולרית שגיבש לראשונה פרנסיס קריק בשנת 1958. [77] [78] [79] ביטוי גנים הוא הרמה הבסיסית ביותר שבה גנוטיפ מוליד פנוטיפ, כלומר תכונה הנצפית. המידע הגנטי המאוחסן ב- DNA מייצג את הגנוטיפ, ואילו הפנוטיפ נובע מסינתזה של חלבונים השולטים במבנה והתפתחות האורגניזם, או הפועלים כאנזימים המזרזים מסלולים מטבוליים ספציפיים. חלק גדול מה- DNA (למשל, & gt98% בבני אדם) אינו מקודד, כלומר חלקים אלה אינם משמשים דוגמאות לרצפי חלבון. גדילים של Messenger RNA (mRNA) נוצרים באמצעות גדילים של DNA כתבנית בתהליך שנקרא שעתוק, כאשר בסיסי DNA מתחלפים בבסיסיהם המקבילים למעט במקרה של תימין (T), עבורו RNA מחליף uracil (U). [80] על פי הקוד הגנטי, גדילים mRNA אלה מציינים את רצף חומצות האמינו בתוך החלבונים בתהליך הנקרא תרגום, המתרחש בריבוזומים. תהליך זה משמש את כל החיים - אוקריוטים (כולל אורגניזמים רב תאיים), פרוקריוטים (חיידקים וארכאיות), ומנוצל על ידי וירוסים - ליצירת המנגנון המקרו -מולקולרי לכל החיים. מוצרי גנים הם לרוב חלבונים, אך בגנים שאינם מקודדים חלבון כגון RNA העברה (tRNA) ו- RNA גרעיני קטן (snRNA), המוצר הוא RNA פונקציונלי שאינו מקודד. [81] [82] ניתן לווסת את כל השלבים בתהליך ביטוי הגנים, כולל שעתוק, שחבור RNA, תרגום ושינוי פוסט-טרנסלציוני של חלבון. ויסות ביטוי הגנים נותן שליטה על התזמון, המיקום והכמות של מוצר גנטי נתון (חלבון או ncRNA) הנמצא בתא ויכול להשפיע באופן עמוק על מבנה ותפקוד התא.

          גנום

          גנום הוא מכלול ה- DNA השלם של האורגניזם, כולל כל הגנים שלו. [83] ניתן לבצע רצף וניתוח של גנום באמצעות רצף DNA בעל תפוקה גבוהה וביואינפורמטיקה כדי להרכיב ולנתח את הפונקציה והמבנה של הגנום כולו. [84] [85] [86] גנים רבים מקודדים ליותר מחלבון אחד, כאשר שינויים שלאחר התרגום מגבירים את מגוון החלבונים בתוך התא. פרוטום התא הוא כל מערך החלבונים שלו המתבטא בגנום שלו. [87] הגנום של הפרוקריוטים קטן, קומפקטי ומגוון. לעומת זאת, הגנום של האאוקריוטים גדול יותר ומורכב יותר כגון שיש להם יותר רצפים רגולטוריים וחלק גדול מהגנום שלו מורכב מרצפי DNA לא מקודדים ל- RNA פונקציונלי (rRNA, tRNA ו- mRNA) או רצפים רגולטוריים. הגנום של אורגניזמים מודליים שונים כגון ערבידופסיס, זבוב פירות, עכברים, נמטודות ושמרים בוצע ברצף. רצף הגנום האנושי כולו הניב יישומים מעשיים כגון טביעת אצבע DNA, שניתן להשתמש בהם לבדיקת אבהות ולזיהוי פלילי. ברפואה, רצף הגנום האנושי כולו איפשר את זיהוי מוטציות הגורמות לגידולים וכן גנים הגורמים להפרעה גנטית ספציפית. [87]

          ביוטכנולוגיה

          ביוטכנולוגיה היא שימוש בתאים או אורגניזמים חיים לפיתוח מוצרים לבני אדם. [88] הוא כולל כלים כגון DNA רקומביננטי, שהם מולקולות DNA שנוצרו בשיטות מעבדה של רקומבינציה גנטית כגון שיבוט מולקולרי, המאגדות חומר גנטי ממקורות מרובים, ויוצרות רצפים שאחרת לא היו נמצאים בגנום. כלים אחרים כוללים שימוש בספריות גנומיות, מיקרו -מערכי DNA, וקטורי ביטוי, גנומיקה סינתטית ועריכת גנים של CRISPR. [88] [89] לרבים מהכלים הללו יש יישומים רחבים כגון יצירת חלבונים שימושיים מבחינה רפואית, או שיפור גידול צמחים וגידול בעלי חיים. [88] אינסולין אנושי, למשל, היה התרופה הראשונה שיוצרה באמצעות טכנולוגיית DNA רקומביננטי. גישות אחרות כגון חימום יכולות לייצר כמויות גדולות של מוצרים שימושיים מבחינה רפואית באמצעות שימוש באורגניזמים מהונדסים גנטית. [88]

          גנים, התפתחות ואבולוציה

          התפתחות היא התהליך שבאמצעותו אורגניזם רב -תאי (צמח או בעל חיים) עובר סדרה של שינויים המתחילים מתא בודד ומתקבל צורות שונות האופייניות למחזור החיים שלו. [90] ישנם ארבעה תהליכים מרכזיים העומדים בבסיס ההתפתחות: קביעה, בידול, מורפוגנזה וצמיחה. הנחישות קובעת את גורלו ההתפתחותי של תא, שהופך למגביל יותר במהלך ההתפתחות. בידול הוא התהליך שבו תאים מיוחדים מתאי פחות מתמחים כגון תאי גזע. [91] [92] תאי גזע הם תאים לא מובחנים או מובחנים חלקית שיכולים להתמיין לסוגים שונים של תאים ולהתרבות ללא הגבלת זמן כדי לייצר יותר מאותו תא גזע. [93] התמיינות הסלולר משנה באופן דרמטי את גודל התא, צורתו, פוטנציאל הממברנה, הפעילות המטבולית והתגובתו לאותות, הנובעים במידה רבה משינויים מבוקרים ביותר בביטוי הגנים והאפיגנטיקה. למעט כמה יוצאים מן הכלל, בידול סלולרי כמעט ואינו כרוך בשינוי ברצף ה- DNA עצמו. [94] לפיכך, לתאים שונים יכולים להיות מאפיינים פיזיים שונים מאוד למרות שיש להם אותו גנום. מורפוגנזה, או התפתחות צורת הגוף, היא תוצאה של הבדלים מרחביים בביטוי הגנים. [90] באופן ספציפי, ארגון הרקמות המובחנות למבנים ספציפיים כגון זרועות או כנפיים, המכונה היווצרות תבניות, נשלט על ידי מורפוגנים, המעידים על מולקולות המעבירות מקבוצת תאים אחת לתאים שמסביב, ויוצרות שיפוע מורפוגני כמתואר לפי דגם הדגל הצרפתי. אפופטוזיס, או מוות מתוכנת של תאים, מתרחש גם במהלך המורפוגנזה, כמו מוות של תאים בין ספרות בהתפתחות העוברית האנושית, שמשחרר אצבעות בודדות ובוהן. ביטוי של גנים של גורם שעתוק יכול לקבוע את מיקום האיברים בצמח ומפל של גורמי שעתוק עצמם יכולים לבסס פילוח גוף בזבוב פירות. [90]

          חלק קטן מהגנים בגנום של אורגניזם המכונה ערכת הכלים ההתפתחותית-גנטית שולטים בהתפתחותו של אותו אורגניזם. גנים אלה של כלי עבודה נשמרים מאוד בקרב הפילות, כלומר הם עתיקים ודומים מאוד בקבוצות של בעלי חיים המופרדים. הבדלים בפריסת גנים של ערכת כלים משפיעים על תכנית הגוף ועל מספר, זהות ודפוס חלקי הגוף. בין הגנים החשובים ביותר של ערכת הכלים ניתן למנות את הוקס גנים. גנים של Hox קובעים היכן יגדלו חלקים שחוזרים על עצמם, כגון חוליות הנחשים הרבות, בעובר או בזחל המתפתח. [95] ייתכן וריאציות בערכת הכלים ייצרו חלק גדול מההתפתחות המורפולוגית של בעלי חיים. ערכת הכלים יכולה להניע את האבולוציה בשתי דרכים. גן ערכת כלים יכול להתבטא בדפוס אחר, כמו כאשר מקורו של חוחית הקרקע הגדולה של דרווין הוגדל על ידי BMP גן, [96] או כאשר נחשים איבדו את רגליהם כמו פחות דיסטלי (Dlx) גנים התבטאו בתת-או לא התבטאו כלל במקומות שבהם זוחלים אחרים המשיכו ליצור את איבריהם. [97] או, גן ערכת כלים יכול לרכוש פונקציה חדשה, כפי שניתן לראות בפונקציות הרבות של אותו הגן, פחות דיסטלי, השולט במבנים מגוונים כגון הלסת התחתונה בחולייתנים, [98] [99] רגליים ואנטנות בזבוב הפירות, [100] ותבנית נקודת העיניים בכנפי פרפר. [101] בהתחשב בכך ששינויים קטנים בגנים של ארגז הכלים יכולים לגרום לשינויים משמעותיים במבני הגוף, הם אפשרו לעתים קרובות אבולוציה מתכנסת או מקבילה.

          אבולוציה

          תהליכים אבולוציוניים

          מושג מארגן מרכזי בביולוגיה הוא שחיים משתנים ומתפתחים באמצעות אבולוציה, שהם השינוי במאפייני התורשה של אוכלוסיות לאורך דורות רצופים. [102] [103] האבולוציה משמשת כעת להסברת הווריאציות הגדולות של החיים על פני כדור הארץ. התנאי אבולוציה הוכנס ללקסיקון המדעי על ידי ז'אן-בטיסט דה למרק בשנת 1809, [104] וחמישים שנה לאחר מכן גיבשו צ'ארלס דרווין ואלפרד רוסל וואלאס את תורת האבולוציה על ידי הברירה הטבעית. [105] [106] [107] [108] על פי תיאוריה זו, אנשים שונים זה מזה ביחס לתכונות התורשה שלהם, וכתוצאה מכך שיעורי הישרדות ורבייה שונים.כתוצאה מכך סביר להניח שתכונות המותאמות טוב יותר לסביבתן יועברו לדורות הבאים. [109] [110] דרווין לא היה מודע לעבודת הירושה של מנדל ולכן מנגנון הירושה המדויק שעומד בבסיס הברירה הטבעית לא הובן היטב [111] עד תחילת המאה ה -20, כאשר הסינתזה המודרנית השלימה את האבולוציה הדרווינית עם הגנטיקה הקלאסית, אשר ביססה נקודת מבט של אבולוציה ניאו-דרווינית על ידי הברירה הטבעית. [112] נקודת מבט זו גורסת כי האבולוציה מתרחשת כאשר ישנם שינויים בתדרי האלל בתוך אוכלוסייה של אורגניזמים בין -רבייתיים. בהיעדר כל תהליך אבולוציוני הפועל על אוכלוסיית הזדווגות אקראית גדולה, תדרי האלל יישארו קבועים לאורך הדורות כפי שמתואר על פי עקרון הרדי -ויינברג. [113]

          תהליך נוסף המניע את האבולוציה הוא סחף גנטי, שהוא התנודות האקראיות של תדרי האלל בתוך אוכלוסייה מדור לדור. [114] כאשר כוחות סלקטיביים נעדרים או חלשים יחסית, סביר שגם תדרי האלל סְחִיפָה כלפי מעלה או כלפי מטה בכל דור עוקב מכיוון שהאללים כפופים לשגיאת דגימה. [115] היסחפות זו נעצרת כאשר אלל בסופו של דבר מתוקן, בין אם הוא נעלם מהאוכלוסייה או מחליף את האללים האחרים לחלוטין. לכן סחיפה גנטית עשויה לחסל כמה אללים מאוכלוסייה בגלל הסיכוי בלבד.

          ייחוס

          ייחוס הוא תהליך פיצול שושלת אחת לשתי שושלות המתפתחות באופן עצמאי זו מזו. [116] כדי שיתרחשו סוגים שונים, חייב להיות בידוד רבייה. [116] בידוד רבייה יכול לנבוע מאי -תאימות בין גנים כפי שתואר על ידי מודל בייטסון -דובז'נסקי -מולר. בידוד הרבייה נוטה גם הוא להתגבר עם ההבדל הגנטי. ייחוס יכול להתרחש כשיש מחסומים פיזיים המחלקים בין מין אבות, תהליך המכונה התמיינות אלופטית. [116] לעומת זאת, ייצוג סימפטרי מתרחש בהעדר מחסומים פיזיים.

          בידוד טרום זיגוטי כגון בידוד מכני, זמני, התנהגותי, בית גידול וגמטיים יכול למנוע ממינים שונים להיכלא. [116] באופן דומה, בידודים פוסט-זיגוטיים יכולים לגרום לבחירת הכלאה כנגדה עקב הכדאיות הנמוכה יותר של כלאיים או עקרות היברידית (למשל פרד). אזורים היברידיים יכולים לצוץ אם יהיה בידוד רבייה לא שלם בין שני מינים קרובים.

          פילוגניות

          פילוגניה היא היסטוריה אבולוציונית של קבוצה מסוימת של אורגניזמים או הגנים שלהם. [117] ניתן לייצג פילוגניה באמצעות עץ פילוגנטי, שהוא תרשים המציג קווי ירידה בין אורגניזמים או הגנים שלהם. כל קו המצויר בציר הזמן של עץ מייצג שושלת של צאצאים ממין או אוכלוסייה מסוימת. כאשר השושלת מתחלקת לשניים, היא מיוצגת כצומת (או מפוצלת) על העץ הפילוגנטי. ככל שיש יותר פיצולים לאורך זמן, כך יהיו יותר ענפים על העץ, כאשר האב הקדמון המשותף של כל האורגניזמים בעץ זה מיוצג על ידי שורש העץ. עצים פילוגנטיים עשויים לתאר את ההיסטוריה האבולוציונית של כל צורות החיים, קבוצה אבולוציונית מרכזית (למשל חרקים) או קבוצה קטנה עוד יותר של מינים קרובים. בתוך עץ, כל קבוצת מינים המיועדים לשם היא טקסון (למשל בני אדם, פרימטים, יונקים או בעלי חוליות) וטקסון המורכב מכל צאצאיו האבולוציוניים הוא מצע. מינים קרובים קרובים מכונים מינים אחיות ושארדים קרובים הם מצעדי אחות.

          עצים פילוגנטיים הם הבסיס להשוואה וקיבוץ מינים שונים. [117] מינים שונים החולקים תכונה המורשת מאב קדמון משותף מתוארים כבעלי תכונות הומולוגיות. תכונות הומולוגיות עשויות להיות כל תכונות תורשתיות כגון רצף DNA, מבני חלבון, תכונות אנטומיות ודפוסי התנהגות. עמוד חוליות הוא דוגמה לתכונה הומולוגית המשותפת לכל חיות החוליות. תכונות בעלות צורה או פונקציה דומות אך לא נגזרו מאב קדמון משותף מתוארות כתכונות אנלוגיות. ניתן לשחזר פילוגניות לקבוצה של אורגניזמים בעלי אינטרסים ראשוניים, הנקראים קבוצת החבורה. מין או קבוצה אשר קשורים קשר הדוק לקבוצה החקלאית אך נמצאים מחוץ לה פילוגנטית נקראים קבוצת החוץ, המשרתת נקודת התייחסות בעץ. שורש העץ ממוקם בין הקבוצה החוצה לקבוצה החוצה. [117] כאשר משוחזרים עצים פילוגנטיים, ניתן לייצר עצים מרובים בעלי היסטוריה אבולוציונית שונה. בהתבסס על עקרון הפרסימוני (או סכין הגילוח של אוקאם), העץ המועדף הוא זה בעל השינויים האבולוציוניים המעטים ביותר שצריך להניח על פני כל התכונות בכל הקבוצות. ניתן להשתמש באלגוריתמים חישוביים כדי לקבוע כיצד עץ עשוי להתפתח בהתחשב בראיות. [117]

          פילוגניה מספקת בסיס לסיווג ביולוגי, המבוסס על הטקסונומיה הלינארית שפותחה על ידי קרל לינאוס במאה ה -18. [117] מערכת סיווג זו מבוססת דרגה, כאשר הדירוג הגבוה ביותר הוא התחום שאחריו ממלכה, קבוצה, מעמד, סדר, משפחה, סוג ומינים. [117] ניתן לסווג את כל האורגניזמים החיים כשייכים לאחד משלושה תחומים: חיידקי ארכאה (במקור ארכבקטריה) (במקור eubacteria), או eukarya (כולל ממלכות הפרוטסט, פטריות, צמחים ובעלי חיים). [118] משתמשים במינוח בינומי לסיווג מינים שונים. בהתבסס על מערכת זו, לכל מין ניתנים שני שמות, אחד לסוגו ושני למינו. [117] למשל, בני אדם כן הומו ספיינס, עם הומו להיות הסוג ו sapiens להיות המינים. לפי ההסכמה, שמותיהם המדעיים של אורגניזמים מוכתבים באותיות נטויות, כאשר האות הראשונה בסוג היא רק באותיות גדולות. [119] [120]

          היסטוריה של החיים

          ההיסטוריה של החיים על פני כדור הארץ עוקבת אחר התהליכים שבהם התפתחו אורגניזמים מהופעת החיים המוקדמת ביותר ועד היום. כדור הארץ נוצר לפני כ -4.5 מיליארד שנים וכל החיים על פני כדור הארץ, חיים ונכחדים, צאצאים מאב קדמון אוניברסלי אחרון שחי לפני כ -3.5 מיליארד שנים. [121] [122] הדמיון בין כל המינים הידועים בימינו מצביע על כך שהם סטו בתהליך האבולוציה מאביהם המשותף. [123] ביולוגים רואים בכל מקום של הקוד הגנטי עדות לירידה משותפת אוניברסלית לכל החיידקים, ארכאיות ואיקריוטים. [124] [10] [125] [126]

          מחצלות מיקרוגליים של חיידקים וארכאיות שהתקיימו יחד היו צורת החיים הדומיננטית בתקופה הארכיאנית המוקדמת, ורבים מהשלבים העיקריים באבולוציה המוקדמת התרחשו בסביבה זו. [127] הראיות המוקדמות ביותר לאיקריוטים נובעות מלפני 1.85 מיליארד שנים, [128] [129] ובעוד שהן היו קיימות קודם לכן, הגיוון שלהן הואץ כשהתחילו להשתמש בחמצן בחילוף החומרים שלהן. מאוחר יותר, לפני כ -1.7 מיליארד שנים, החלו להופיע אורגניזמים רב -תאיים, כאשר תאים מובחנים מבצעים פונקציות מיוחדות. [130]

          צמחי קרקע רב תאיים דמויי אצות מתוארכים עוד לפני כמיליארד שנה, [131] למרות שהראיות מצביעות על כך שמיקרואורגניזמים יצרו את המערכות האקולוגיות היבשתיות הקדומות ביותר, לפני 2.7 מיליארד שנים לפחות. [132] סבורים כי מיקרואורגניזמים סללו את הדרך להקמתם של צמחי יבשה בתקופה האורדוביסטית. צמחי האדמה הצליחו עד כדי כך שסבורים שהם תרמו לאירוע ההכחדה הדוונית המאוחרת. [133]

          ביוטה אדיאקרה מופיעה בתקופת האדיאקאראן, [134] בעוד שחולייתנים, יחד עם רוב הפילות המודרניות האחרות, מקורן לפני כ -525 מיליון שנה במהלך הפיצוץ הקמברי. [135] במהלך התקופה הפרמית, הסינפסדים, כולל אבותיהם של היונקים, שלטו בארץ, [136] אך רוב קבוצה זו נכחדה באירוע ההכחדה הפרמית -טריאסית לפני 252 מיליון שנה. [137] במהלך ההתאוששות מאסון זה, הפכו הארכוזאורים לחוליות היבשה הנפוצות ביותר [138] קבוצת ארכוזאורים אחת, הדינוזאורים, שלטו בתקופות היורה והקרטיקון. [139] לאחר אירוע ההכחדה של קרטיקון-פלאוגן לפני 66 מיליון שנה נהרגו הדינוזאורים הלא-עופות, [140] יונקים גדלו במהירות בגודלם ובשונותם. [141] הכחדות המוניות מסוג זה עשויות להאיץ את האבולוציה על ידי מתן הזדמנויות לקבוצות חדשות של אורגניזמים להתגוון. [142]

          מגוון

          חיידקים וארכאה

          חיידקים הם סוג של תא המהווים תחום גדול של מיקרואורגניזמים פרוקריוטים. בדרך כלל כמה מיקרומטר באורך, לחיידקים יש מספר צורות, החל מכדורים ועד מוטות וספירלות. חיידקים היו בין צורות החיים הראשונות שהופיעו על פני כדור הארץ, והן נמצאות ברוב בתי הגידול שלה. חיידקים מאכלסים אדמה, מים, מעיינות חמים חומציים, פסולת רדיואקטיבית [143] והביוספרה העמוקה של קרום כדור הארץ. חיידקים חיים גם במערכות יחסים סימביוטיות וטפיליות עם צמחים ובעלי חיים. רוב החיידקים לא אופיינו, ורק בכ -27 אחוזים מהפילות החיידקיות יש מינים שניתן לגדל במעבדה. [144]

          ארכאיה מהווים את התחום השני של תאים פרוקריוטים וסווגו בתחילה כחיידקים, וקיבלו את השם ארכבקטריה (בממלכת הארכבקטריה), מונח שיצא מכלל שימוש. [145] לתאים ארכאיים יש תכונות ייחודיות המפרידות אותם משני התחומים האחרים, Bacteria ו- Eukaryota. ארכאיה מתחלקים עוד למספר רב של פילות מוכרות. ארכאה וחיידקים דומים בדרך כלל בגודלם ובצורתם, אם כי לכמה ארכאות יש צורות שונות מאוד, כגון התאים השטוחים והמרובעים של Haloquadratum walsbyi. [146] למרות הדמיון המורפולוגי הזה לחיידקים, ארכאה מחזיקה בגנים ובמספר מסלולים מטבוליים הקשורים יותר לאלה של אוקריוטים, בעיקר לאנזימים המעורבים בתעתיק ובתרגום. היבטים אחרים של הביוכימיה הארכיאלית הם ייחודיים, כגון הסתמכותם על שומני אתר בקרום התא שלהם, [147] כולל ארכיאולים. ארכאיות משתמשות במקורות אנרגיה רבים יותר מאיקריוטים: אלה נעות בין תרכובות אורגניות, כגון סוכרים, לאמוניה, יוני מתכת או אפילו גז מימן. ארכאיות בעלות סובלנות למלח (Haloarchaea) משתמשות באור השמש כמקור אנרגיה, ומינים אחרים של ארכאה מתקנים פחמן, אך בניגוד לצמחים ולציאנובקטריה, אף אחד מהארכאים הידועים אינו עושה את שניהם. ארכאיה מתרבים א -מינית על ידי ביקוע בינארי, פיצול או ניצנים שלא כמו חיידקים, אף מינים לא ידועים של ארכאה יוצרים אנדוספורות.

          הארכיאה הראשונה שנצפתה הייתה אקסטרופילים, החיים בסביבות קיצוניות, כגון מעיינות חמים ואגמי מלח ללא אורגניזמים אחרים. כלי איתור מולקולריים משופרים הובילו לגילוי ארכאיות כמעט בכל בית גידול, כולל אדמה, אוקיינוסים ושדות ביצות. ארכאיות רבות במיוחד באוקיינוסים, והארכאיות בפלנקטון עשויות להיות אחת מקבוצות האורגניזמים הנפוצות ביותר על פני כדור הארץ.

          ארכא הם חלק מרכזי בחיי כדור הארץ. הם חלק מהמיקרוביוטה של ​​כל האורגניזמים. במיקרוביום האנושי הם חשובים במעיים, בפה ובעור. [148] המגוון המורפולוגי, המטבולי והגיאוגרפי שלהם מאפשר להם לשחק תפקידים אקולוגיים מרובים: קיבוע פחמן חנקן רכיבה על מחזור תרכובות אורגניות ושמירה על קהילות סימביוטיות וסינטרופיות מיקרוביאליות, למשל. [149]

          פרוטסטים

          פרוטיסטים הם אורגניזם אוקריוטי שאינו בעל חיים, צמח או פטרייה. אף על פי שסביר להניח שפרוטיסטים חולקים אב קדמון משותף (האב הקדמון האאוקריוטי האחרון), [150] אי הכללתם של אאוקריוטים אחרים פירושה שפרוטיסטים אינם יוצרים קבוצה טבעית, או מצעדים. [א] אז כמה פרוטיסטים עשויים להיות קשורים יותר לבעלי חיים, צמחים או פטריות מאשר לפרוטיסטים אחרים, אולם כמו אצות, חסרי חוליות או פרוטוזואנים, הקיבוץ משמש לנוחות. [151]

          הטקסונומיה של הפרוטסטים עדיין משתנה. סיווגים חדשים יותר מנסים להציג קבוצות מונופילטיות המבוססות על מידע מורפולוגי (במיוחד אולטרה -מבני), [152] [153] [154] ביוכימי (כימוטקסונומי) [155] [156] ו- DNA (מחקר מולקולרי). [157] [158] מכיוון שהפרוטסטים כמכלול הם פרפילטים, מערכות חדשות מתפצלות לעתים קרובות או נוטשות את הממלכה, במקום להתייחס לקבוצות הפרוטסטיות כשורות נפרדות של אוקריוטים.

          גיוון צמחי

          צמחים הם בעיקר אורגניזמים רב תאיים, בעיקר אוקריוטים פוטוסינתטיים של ממלכת הפלנטה. בוטניקה היא חקר חיי הצומח, אשר לא יכלול פטריות וכמה אצות. בוטנאים חקרו כ -410,000 מיני צמחי יבשה מתוכם כ- 391,000 מינים הם צמחי כלי דם (כולל כ -369,000 מיני צמחים פורחים), [159] וכ -20,000 בריופיטים. [160]

          אצות הן קבוצה גדולה ומגוונת של אורגניזמים אוקריוטיים פוטוסינתטיים. אורגניזמים כלולים נעים בין מיקרו אצות חד -תאיות, כגון כלורלה, פרוטוטקה והקשקשים, לצורות רב תאיות, כגון אצה ענקית, אצה חומה גדולה. רובם ימיים ואוטוטרופיים וחסרים רבים מסוגי התא והרקמות המובחנים, כגון סטומה, קסילום ופלום, הנמצאים בצמחי יבשה. האצות הימיות הגדולות והמורכבות ביותר נקראות אצות ים, ואילו צורות המים המתוקים המורכבות ביותר הן Charophyta.

          צמחים לא -וסקולריים הם צמחים ללא מערכת כלי דם המורכבת מקסיל ופלום. במקום זאת, הם עשויים להחזיק ברקמות פשוטות יותר בעלות פונקציות מיוחדות להובלה פנימית של מים. צמחי כלי דם, לעומת זאת, הם קבוצה גדולה של צמחים (כ -300,000 מינים ידועים ומקובלים) [161] המוגדרים כצמחי יבשה עם רקמות מזוהמות (האקסילם) להובלת מים ומינרלים ברחבי הצמח. [162] יש להם גם רקמה מיוחדת שאינה מזוהה (הפלום) לניהול תוצרי פוטוסינתזה. צמחי כלי הדם כוללים את הטחבים, זנבות סוס, שרכים, גימנוספרמים (כולל עצי מחט) ואנגוספרמים (צמחים פורחים).

          צמחי זרעים (או זרעונים) מורכבים מחמש מחלקות, ארבע מהן מקובצות כגימנוספרמות ואחת היא אנגיוספרמות. גימנוספרמים כוללים עצי מחט, ציקדים, גִינקוֹו- gnetophytes. זרעי ג'ימנוספרם מתפתחים על פני השטח של קשקשים או עלים, אשר משתנים לעתים קרובות ליצירת קונוסים, או בודדים כמו בטקס, טורייה, גִינקוֹ. [163] אנגיוספרמים הם קבוצת צמחי היבשה המגוונים ביותר, עם 64 מסדרים, 416 משפחות, כ -13,000 סוגים ידועים ו -300,000 מינים ידועים. [161] כמו גימנוספרמים, אנגיוספרמים הם צמחים המייצרים זרעים. הם נבדלים מגימנוספרמים על ידי תכונות כגון פרחים, אנדוספרם בתוך זרעיהם וייצור פירות המכילים את הזרעים.

          פטריות

          פטריות הן אורגניזמים אוקריוטיים הכוללים מיקרואורגניזמים כגון שמרים ותבניות, כמו גם את הפטריות המוכרות יותר. מאפיין המציב פטריות בממלכה אחרת מצמחים, חיידקים, וכמה פרוטיסטים הוא ציטין בדפנות התא שלהם. פטריות, כמו בעלי חיים, הן הטרוטרופים שהם רוכשים את מזונם על ידי קליטת מולקולות מומסות, בדרך כלל על ידי הפרשת אנזימי עיכול לסביבתם. פטריות אינן פוטוסינתזיות. הצמיחה היא אמצעי הניידות שלהם, למעט נבגים (כמה מהם מסומנים), שעשויים לנסוע באוויר או במים. פטריות הן המפרקות העיקריות במערכות אקולוגיות. הבדלים אלה ואחרים ממקמים פטריות בקבוצה אחת של אורגניזמים קשורים, בשם Eumycota (פטריות אמיתיות אוֹ Eumycetes), החולקים אב קדמון משותף (מתוך א קבוצה מונופילטית). קבוצה פטרייתית זו נבדלת מהמיקסומיצטים (תבניות סליים) ודומות מבחינה מבנית (oomcetes) (תבניות מים).

          רוב הפטריות אינן בולטות בשל גודלם הקטן של המבנים שלהן, ואורחות חייהן הקריפטיים באדמה או בחומר מת. פטריות כוללות סימביונים של צמחים, בעלי חיים או פטריות אחרות וגם טפילים. הם עשויים להבחין בעת ​​הפרי, כפטריות או כתבניות. פטריות ממלאות תפקיד חיוני בפירוק החומרים האורגניים ויש להן תפקידים בסיסיים במחזור החומרים המזינים והחלפה בסביבה.

          ממלכת הפטריות מקיפה מגוון עצום של טקסים עם אקולוגיות מגוונות, אסטרטגיות מחזור חיים ומורפולוגיות החל מצ'יטרידים ימיים חד -תאיים ועד פטריות גדולות. עם זאת, מעט מאוד ידוע על המגוון הביולוגי האמיתי של ממלכת פטריות, אשר נאמד ב -2.2 עד 3.8 מיליון מינים. [164] מתוכם תוארו רק כ -148,000, [165] עם למעלה מ -8,000 מינים הידועים כמזיקים לצמחים ולפחות 300 שעלולים להיות פתוגניים לבני אדם. [166]

          מגוון בעלי חיים

          בעלי חיים הם אורגניזמים אוקריוטים רב תאיים היוצרים את ממלכת Animalia. למעט יוצאים מן הכלל, בעלי חיים צורכים חומר אורגני, נושמים חמצן, מסוגלים לזוז, יכולים להתרבות מינית ולצמוח מכדור תאים חלול, הפיצוץ, במהלך ההתפתחות העוברית. תוארו למעלה מ -1.5 מיליון מינים של בעלי חיים חיים - מתוכם כמיליון חרקים - אך ההערכה היא כי ישנם יותר מ -7 מיליון מיני בעלי חיים בסך הכל. יש להם אינטראקציות מורכבות אחד עם השני וסביבתם, ויוצרים קורי מזון מורכבים.

          ספוגים, החברים בפילה Porifera, הם צלב מטזואה (בעל חיים) בסיסי כאחות של הדיפלובלסטים. [167] [168] [169] [170] [171] הם אורגניזמים רב-תאיים שיש בהם גופים מלאים בנקבוביות ובתעלות המאפשרים למים להסתובב דרכם, המורכבת ממזוהיל דמוי ג'לי הדחוס בין שתי שכבות תאים דקות.

          97%) ממיני בעלי חיים הם חסרי חוליות, [172] שהם בעלי חיים שאינם מחזיקים ולא מפתחים עמוד חוליות (הידוע בכינויו עמוד שדרה אוֹ עַמוּד הַשִׁדרָה), נגזר מהנוצ'ורד. זה כולל את כל בעלי החיים מלבד תת -החוליות. דוגמאות מוכרות לחסרי חוליות כוללות פרוקי רגליים (חרקים, ערכנידים, סרטנים ומיריאפודים), רכיכות (צ'יטונים, חלזונות, דו -כינים, דיונונים ותמנונים), דוחני -דם (תולעי אדמה ועלוקות), וקרנידים (הידרות, מדוזות, כלניות ים ואלמוגים) ). למסות רבות של חסרות חוליות יש מספר ומגוון רב יותר של מינים מאשר כל תת -הקטע של חוליות. [173]

          לעומת זאת, בעלי החוליות כוללים את כל מיני בעלי החיים בתוך תת -החוליות (חלילים עם עמוד שדרה). חוליות מייצגות את הרוב המכריע של Chordata הפילה, כאשר כיום מתוארים כ -69,963 מינים. [174] חוליות כוללות קבוצות כגון דגים נטולי לסת, חוליות לסתות כגון דגים סחוסיים (כרישים, קרניים ודגי חולדה), דגים גרמיים, טרפודים כגון דו -חיים, זוחלים, ציפורים ויונקים.

          וירוסים

          וירוסים הם חומרים זיהומיים תת -מיקרוסקופיים המשתכפלים בתוך התאים החיים של אורגניזמים. [175] וירוסים מדביקים את כל סוגי צורות החיים, מבעלי חיים וצמחים ועד מיקרואורגניזמים, כולל חיידקים וארכאים. [176] [177] יותר מ -6,000 מיני וירוסים תוארו בפירוט. [178] וירוסים נמצאים כמעט בכל מערכת אקולוגית על פני כדור הארץ והם סוג הישות הביולוגית הרבים ביותר. [179] [180]

          כאשר הוא נדבק, תא מארח נאלץ לייצר במהירות אלפי עותקים זהים של הנגיף המקורי. כאשר הם אינם נמצאים בתוך תא נגוע או בתהליך הדבקה של תא, קיימים וירוסים בצורה של חלקיקים עצמאיים, או virions, המורכב מהחומר הגנטי (DNA או RNA), מעיל חלבון הנקרא קפסיד, ובמקרים מסוימים מעטפת חיצונית של שומנים. הצורות של חלקיקי הנגיף האלה נעות בין צורות סליליות ופשוטות לאיקוסאהדראליות למבנים מורכבים יותר. לרוב מיני הנגיפים יש וירונים קטנים מכדי שניתן לראותם במיקרוסקופ אופטי, מכיוון שהם בגודל של מאית מרוב החיידקים.

          מקורות הווירוסים בהיסטוריה האבולוציונית של החיים אינם ברורים: ייתכן שחלקם התפתחו מפלסמידים - פיסות DNA שיכולות לנוע בין תאים - בעוד שאחרים התפתחו מחיידקים. באבולוציה, וירוסים הם אמצעי חשוב להעברת גנים אופקית, המגבירה את המגוון הגנטי באופן מקביל להתרבות מינית. [181] מכיוון שלוירוסים יש כמה מאפייני חיים אך לא כולם, הם תוארו כ"אורגניזמים בקצה החיים ", [182] וכמשכפלים עצמיים. [183]

          וירוסים יכולים להתפשט בדרכים רבות. מסלול העברה אחד הוא דרך אורגניזמים נושאי מחלות המכונים וקטורים: לדוגמא, וירוסים מועברים לעתים קרובות מצמח לצמח על ידי חרקים הניזונים ממיץ צמחי, כגון כנימות ונגיפים בבעלי חיים יכולים להינשא על ידי חרקים מוצצי דם. נגיפי השפעת מופצים על ידי שיעול והתעטשות. נורו וירוס ורוטא וירוס, הגורמים השכיחים לדלקת גסטרואנטריטיס ויראלית, מועברים בדרך הצואה-אוראלית, עוברים במגע יד לפה או במזון או במים. זיהומים ויראליים בבעלי חיים מעוררים תגובה חיסונית שבדרך כלל מבטלת את הנגיף המדבק. תגובות חיסוניות יכולות להיווצר גם על ידי חיסונים, המעניקים חסינות נרכשת באופן מלאכותי לזיהום הנגיפי הספציפי.

          צורת הצמח ותפקודו

          גוף צמחי

          גוף הצמח מורכב מאיברים שניתן לארגן לשתי מערכות איברים עיקריות: מערכת שורש ומערכת יורה. [184] מערכת השורשים עוגנת את הצמחים במקומם. השורשים עצמם סופגים מים ומינרלים ומאחסנים מוצרים פוטוסינתטיים. מערכת הצילומים מורכבת מגבעול, עלים ופרחים. הגבעולים מחזיקים ומכוונים את העלים לשמש, מה שמאפשר לעלים לבצע פוטוסינתזה. הפרחים הם יורה שהשתנתה לצורך רבייה. יורה מורכב מפיטומרים, שהם יחידות פונקציונאליות המורכבות מצומת הנושא עלה אחד או יותר, פנימה וניצן אחד או יותר.

          לגוף צמחי יש שני דפוסים בסיסיים (צירים אפיים -בסיסיים ורדיאליים) שהוקמו במהלך האמבריוגנזה. [184] תאים ורקמות מסודרים לאורך הציר האפסיק-בסיסי משורש לירי ואילו שלוש מערכות הרקמות (עוריות, קרקעיות וסקולריות) המרכיבות את גוף הצמח מסודרות באופן ריכוזי סביב הציר הרדיאלי שלו. [184] מערכת הרקמות העורית יוצרת את האפידרמיס (או הכיסוי החיצוני) של צמח, שהוא בדרך כלל שכבת תאים בודדת המורכבת מתאים שהתמיינו לשלושה מבנים מיוחדים: סטומה לחילופי גזים בעלים, טריכומים (או שיער עלים. ) להגנה מפני חרקים וקרינת השמש, ושערות שורש לשטחי שטח מוגדלים וספיגת מים וחומרים מזינים. רקמת הקרקע מהווה כמעט את כל הרקמה הנמצאת בין הרקמות העוריות לכלי הדם ביריות ובשורשים. הוא מורכב משלושה סוגי תאים: פרנצ'ימה, קולנצ'ימה ותאי סקלרנכימה. לבסוף, רקמות כלי הדם מורכבות משתי רקמות המרכיבות: קסילום ופלום. האקסילם מורכב משני תאים מוליכים הנקראים טרכאידים ואלמנטים של כלי ואילו הפלום מתאפיין בנוכחות אלמנטים של צינור מסננת ותאים נלווים. [184]

          תזונה צמחים והובלה

          כמו כל שאר האורגניזמים, צמחים מורכבים בעיקר ממים וממולקולות אחרות המכילות יסודות חיוניים לחיים. [185] היעדר חומרים מזינים (או יסודות חיוניים) ספציפיים, שרבים מהם זוהו בניסויים הידרופוניים, עלול להפריע לצמיחת הרבייה ולרבייה. רוב הצמחים מסוגלים להשיג חומרים מזינים אלה מתמיסות המקיפות את שורשיהם בקרקע. [185] שטיפה שוטפת וקציר של גידולים עלולים לדלל את אדמת חומרי התזונה שלה, אותם ניתן לשקם בעזרת דשן. צמחים טורפים כגון נגימות נוגה מסוגלים להשיג חומרים מזינים על ידי עיכול פרוקי רגליים אחרות ואילו צמחים טפילים כגון דבקונים יכולים לטפיל צמחים אחרים במים וחומרים מזינים.

          צמחים זקוקים למים כדי לבצע פוטוסינתזה, להעביר מומסים בין איברים, לצנן את העלים שלהם על ידי אידוי ולשמור על לחצים פנימיים התומכים בגופם. [185] מים מסוגלים להתפזר פנימה ומחוצה לה מתאי הצמח על ידי אוסמוזה. כיוון תנועת המים על פני קרום חדיר למחצה נקבע על ידי פוטנציאל המים על פני הממברנה. [185] מים מסוגלים להתפזר על פני קרום תא שורש דרך אקוופורנינים ואילו מומסים מועברים על ידי הממברנה על ידי תעלות יונים ומשאבות. בצמחי כלי דם, מים ומומסים מסוגלים להיכנס לצילום, רקמת כלי דם, באמצעות אפופלסט וסימפלסט. כאשר הם נמצאים בקסילם, המים והמינרלים מופצים כלפי מעלה על ידי טרנספורמציה מהאדמה לחלקי האוויר של הצמח. [162] [185] לעומת זאת, הפלום, רקמת כלי דם נוספת, מפיץ פחמימות (למשל, סוכרוז) ומומסים אחרים כגון הורמונים על ידי טרנסלוקציה ממקור (למשל עלה בוגר או שורש) בהם הם הופקו לכיור. (למשל, שורש, פרח או פרי מתפתח) בו הם ישמשו ויאוחסנו. [185] מקורות וכיורים יכולים להחליף תפקידים, בהתאם לכמות הפחמימות המצטברות או המגויסות להזנה של איברים אחרים.

          פיתוח צמחים

          התפתחות הצמחים מוסדרת על ידי רמזים סביבתיים והקולטנים של הצמח, הורמונים וגנום. [186] יתר על כן, יש להם מספר מאפיינים המאפשרים להם להשיג משאבים לצמיחה ורבייה כגון מריסטמים, היווצרות איברים פוסט-עובריים וצמיחה דיפרנציאלית.

          ההתפתחות מתחילה בזרע, שהוא צמח עוברי הסגור בכיסוי חיצוני מגן. רוב זרעי הצמחים בדרך כלל רדומים, מצב בו הפעילות הרגילה של הזרע מושעה. [186] תרדמת זרעים עשויה להימשך שבועות, חודשים, שנים ואפילו מאות שנים. התרדמה נשברת ברגע שהתנאים נוחים לצמיחה, והזרע יתחיל לנבוט, תהליך שנקרא נביטה. האימביביציה היא השלב הראשון בנביטה, לפיה מים נספגים בזרע. ברגע שהמים נספגים, הזרע עובר שינויים מטבוליים שבאמצעותם מופעלים אנזימים ומסונתזים RNA וחלבונים. ברגע שהזרע נובט, הוא משיג פחמימות, חומצות אמינו ושומנים קטנים המשמשים אבני בניין להתפתחותו. מונומרים אלה מתקבלים מהידרוליזה של עמילן, חלבונים ושומנים המאוחסנים בצמיחת הזרע או באנדוספרם. הנביטה מסתיימת לאחר ששורשים עובריים הנקראים ראדיקל יצאו ממעיל הזרע. בשלב זה, הצמח המתפתח נקרא שתיל וצמיחתו מוסדרת על ידי חלבונים והורמונים פוטורצפטיים משלו. [186]

          בניגוד לבעלי חיים בהם הצמיחה נחרצת, כלומר, מפסיקה כאשר מגיעים למצב הבוגר, צמיחת הצמח אינה מוגדרת מכיוון שהיא תהליך פתוח שיכול להיות לכל החיים. [184] צמחים גדלים בשתי דרכים: ראשוני ומשני. בצמיחה ראשונית, היורה והשורשים נוצרים ומתארכים. מריסטם האפיק מייצר את גוף הצמח העיקרי, אותו ניתן למצוא בכל צמחי הזרעים. במהלך הצמיחה המשנית, עובי הצמח גדל כאשר המריסטם הרוחבי מייצר את גוף הצמח המשני, אותו ניתן למצוא באודיקוטי וודי כגון עצים ושיחים. חד פעמיות אינן עוברות צמיחה משנית. [184] גוף הצמח נוצר על ידי היררכיה של מריסטמים. המריסטמים האפיקיים במערכות השורש והיורה מעוררים מריסטמים ראשוניים (פרוטודרם, מריסטם טחון ופרוקמביום), אשר בתורם מולידים את שלוש מערכות הרקמות (עור, קרקע וכלי דם).

          רבייה של צמחים

          רוב angiosperms (או צמחים פורחים) עוסקים רבייה מינית. [187] הפרחים שלהם הם איברים המקלים על רבייה, בדרך כלל על ידי מתן מנגנון לאיחוד הזרע עם ביצים. פרחים עשויים להקל על שני סוגי האבקה: האבקה עצמית והאבקה צולבת. האבקה עצמית מתרחשת כאשר האבקה מהעפרון מופקדת על הסטיגמה של אותו פרח, או פרח אחר על אותו צמח. האבקה צולבת היא העברת אבקה מהעפרון של פרח אחד לסטיגמה של פרח אחר על אדם אחר מאותו מין. האבקה עצמית התרחשה בפרחים שבהם האבקן והקרפל מתבגרים במקביל, וממוקמים כך שהאבקה תוכל לנחות על סטיגמת הפרח. האבקה זו אינה דורשת השקעה מהצמח לאספקת צוף ואבקנים כמזון למאביקים. [188]

          תגובות צמחים

          בדומה לבעלי חיים, צמחים מייצרים הורמונים בחלק אחד של גופו כדי לאותת לתאים בחלק אחר להגיב. הבשלת הפרי ואיבוד העלים בחורף נשלטים בין השאר על ידי ייצור האתילן הגז על ידי המפעל. מתח כתוצאה מאיבוד מים, שינויים בכימיה האווירית או צפיפות של צמחים אחרים יכולים להוביל לשינויים בתפקוד הצמח. שינויים אלה עשויים להיות מושפעים מגורמים גנטיים, כימיים ופיזיים.

          כדי לתפקד ולשרוד, הצמחים מייצרים מגוון רחב של תרכובות כימיות שאינן נמצאות באורגניזמים אחרים. מכיוון שהם אינם יכולים לזוז, הצמחים חייבים להתגונן גם באופן כימי מפני אוכלי עשב, פתוגנים ותחרות מצמחים אחרים. הם עושים זאת על ידי ייצור רעלים וכימיקלים רעים או ריח רע. תרכובות אחרות מגינות על צמחים מפני מחלות, מאפשרות הישרדות בזמן בצורת, ומכינות צמחים לתרדמה, בעוד שתרכובות אחרות משמשות למשוך מאביקים או אוכלי עשב להפיץ זרעים בשלים.

          איברים צמחיים רבים מכילים סוגים שונים של חלבוני פוטורצפטור, שכל אחד מהם מגיב באופן ספציפי מאוד לאורכי גל מסוימים של אור. [189] חלבוני הפוטורצפטור מעבירים מידע כגון האם זהו יום או לילה, משך היום, עוצמת האור הזמינה ומקור האור. יורה בדרך כלל צומח לעבר האור, בעוד ששורשים צומחים ממנו, תגובות המכונות פוטוטרופיזם וסקוטוטרופיזם, בהתאמה. הם נוצרים על ידי פיגמנטים רגישים לאור כמו פוטוטרופינים ופיטוכרום והורמון הצומח אוקסין. [190] צמחים פורחים רבים פורחים בזמן המתאים בגלל תרכובות רגישות לאור המגיבות לאורך הלילה, תופעה הידועה בשם פוטו-פדיודיזם.

          בנוסף לאור, הצמחים יכולים להגיב לסוגים אחרים של גירויים. למשל, צמחים יכולים לחוש את כיוון הכבידה כדי להתמצא נכון. הם יכולים להגיב לגירוי מכני. [191]

          צורת בעלי חיים ותפקודם

          עקרונות

          התאים בכל גוף של בעלי חיים שטופים בנוזל ביניים, המרכיבים את סביבת התא. ניתן לתאר את הנוזל הזה ואת כל המאפיינים שלו (למשל, טמפרטורה, הרכב יוני) כסביבה הפנימית של החיה, בניגוד לסביבה החיצונית המקיפה את העולם החיצוני של החיה. [192] ניתן לסווג בעלי חיים כרגולטורים או כקונפורמציות. בעלי חיים כמו יונקים וציפורים הם רגולטורים מכיוון שהם מסוגלים לשמור על סביבה פנימית קבועה כמו טמפרטורת הגוף למרות שהסביבה שלהם משתנה. בעלי חיים אלה מתוארים גם כהומותרמות מכיוון שהם מפגינים ויסות תרמי על ידי שמירה על טמפרטורת גופם הפנימית קבועה. לעומת זאת, בעלי חיים כגון דגים וצפרדעים הם קונפורמים כשהם מתאימים את סביבתם הפנימית (למשל, טמפרטורת הגוף) כך שיתאימו לסביבתם החיצונית. בעלי חיים אלה מתוארים גם כפוקילותרמות או אקטותרמות מכיוון שהם מאפשרים לטמפרטורות גופם להתאים את סביבתם החיצונית. מבחינת אנרגיה, הרגולציה יקרה יותר מהקונפורמיות שכן בעל חיים מרחיב יותר אנרגיה כדי לשמור על סביבה פנימית קבועה כגון הגדלת קצב חילוף החומרים הבסיסי שלה, שהוא קצב צריכת האנרגיה. [192] באופן דומה הומאותרמיה יקרה יותר מפוקילותרמיה. הומאוסטזיס היא יציבות הסביבה הפנימית של בעל חיים, הנשמרת על ידי לולאות משוב שליליות. [192] [193]

          גודל גופם של בעלי חיים יבשתיים משתנה בין מינים שונים אך השימוש בהם באנרגיה אינו משתנה באופן לינארי בהתאם לגודלם. [192] עכברים, למשל, מסוגלים לצרוך מזון פי שלוש יותר מארנבים ביחס למשקלם שכן קצב חילוף החומרים הבסיסי ליחידת משקל בעכברים גדול יותר מאשר בארנבים. [192] פעילות גופנית יכולה גם להגביר את קצב חילוף החומרים של בעל חיים. כאשר בעל חיים רץ, קצב חילוף החומרים שלו עולה לינארית עם המהירות. [192] אולם הקשר אינו ליניארי בבעלי חיים ששוחים או עפים. כאשר דג שוחה מהר יותר, הוא נתקל בעמידות גבוהה יותר בפני מים ולכן קצבי חילוף החומרים שלו גדלים מעריכים. [192] לחלופין, הקשר בין מהירות הטיסה וקצב חילוף החומרים הוא בצורת U אצל ציפורים. [192] במהירויות טיסה נמוכות, על הציפור לשמור על קצב חילוף חומרים גבוה כדי להישאר מוטסת. כאשר הוא מאיץ את טיסתו, קצב חילוף החומרים שלו יורד בעזרת אוויר הזורם במהירות על כנפיו. עם זאת, ככל שהוא מגביר את מהירותו עוד יותר, קצבי חילוף החומרים הגבוהים שלו עולים שוב בשל המאמץ המוגבר הקשור למהירויות טיסה מהירות. ניתן למדוד את קצב חילוף החומרים הבסיסי בהתבסס על קצב ייצור החום של בעל חיים.

          איזון מים ומלח

          לנוזלי הגוף של בעל חיים יש שלוש תכונות: לחץ אוסמוטי, הרכב יוני, ונפח. [194] לחצים אוסמוטיים קובעים את כיוון הדיפוזיה של המים (או האוסמוזה), הנעים מאזור בו הלחץ האוסמוטי (ריכוז המומס הכולל) נמוך לאזור בו הלחץ האוסמוטי (ריכוז המומס הכולל) גבוה. בעלי חיים ימיים מגוונים ביחס להרכבי נוזלי גופם וסביבתם. לדוגמה, לרוב בעלי החיים חסרי החוליות באוקיינוס ​​יש נוזלי גוף שהם איזוסמוטיים עם מי ים. לעומת זאת, לדגים הגרמיים באוקיינוס ​​יש נוזלי גוף שהם היפוזמוטיים למי הים. לבסוף, לבעלי חיים במים מתוקים יש נוזלי גוף שהם היפרוזמוטיים למים מתוקים. יונים אופייניים שניתן למצוא בנוזלי הגוף של בעל חיים הם נתרן, אשלגן, סידן וכלוריד. ניתן לווסת את נפח נוזלי הגוף על ידי הפרשה. לבעלי חיים של חוליות יש כליות, שהן איברי הפרשה המורכבים ממבנים צינורי זעירים הנקראים נפרונים, היוצרים שתן מפלזמת הדם. התפקיד העיקרי של הכליות הוא לווסת את הרכב והנפח של פלזמת הדם על ידי הסרה סלקטיבית של חומר מהפלזמה בדם עצמה. היכולת של בעלי חיים קסיריים כגון חולדות קנגורו למזער את אובדן המים על ידי ייצור שתן המרוכז פי 10-20 מאשר פלזמת הדם שלהם מאפשרת להם להסתגל בסביבות מדבר שמקבלים מעט מאוד משקעים. [194]

          תזונה ועיכול

          בעלי חיים הם הטרוטרופים כשהם ניזונים מאורגניזמים חיים אחרים כדי להשיג אנרגיה ותרכובות אורגניות. [195] הם מסוגלים להשיג מזון בשלוש דרכים עיקריות כגון מיקוד לחפצי מזון גלויים, איסוף חלקיקי מזון זעירים, או תלוי בחיידקים לצרכי מזון קריטיים. ניתן לכמת את כמות האנרגיה המאוחסנת במזון על סמך כמות החום (הנמדדת בקלוריות או קילוג'ול) הנפלטת כאשר המזון נשרף בנוכחות חמצן. אם חיה הייתה צורכת מזון המכיל כמות עודפת של אנרגיה כימית, היא תאחסן את רוב האנרגיה בצורה של שומנים לשימוש עתידי וחלק מהאנרגיה הזו כגליקוגן לשימוש מיידי יותר (למשל, לענות על צרכי האנרגיה של המוח. ). [195] המולקולות במזון הן אבני בניין כימיות הדרושות לצמיחה והתפתחות. מולקולות אלה כוללות חומרים מזינים כגון פחמימות, שומנים וחלבונים. ויטמינים ומינרלים (למשל, סידן, מגנזיום, נתרן וזרחן) הם גם חיוניים. מערכת העיכול, המורכבת בדרך כלל ממערכת צינורית המשתרעת מהפה אל פי הטבעת, מעורבת בפירוק (או בעיכול) המזון למולקולות קטנות כשהיא עוברת למטה באופן פריסטאלי דרך לומן המעיים זמן קצר לאחר בליעתו. מולקולות מזון קטנות אלה נספגות לאחר מכן לדם מהלומן, שם הן מופצות לשאר הגוף כאבני בניין (למשל חומצות אמינו) או כמקורות אנרגיה (למשל, גלוקוז). [195]

          בנוסף למערכת העיכול שלהם, לבעלי חוליות יש בלוטות אביזר כגון כבד ולבלב כחלק ממערכות העיכול שלהן. [195] עיבוד המזון בבעלי חיים אלה מתחיל בקודמת, הכוללת את הפה, הוושט והקיבה. עיכול מכני של מזון מתחיל בפה כאשר הוושט משמש כמעבר למזון להגיע לקיבה, שם הוא מאוחסן ומתפורר (על ידי חומצת הקיבה) להמשך עיבוד. ביציאה מהקיבה, מזון נכנס למעי האמצע, שהוא החלק הראשון של המעי (או המעי הדק ביונקים) והוא אתר העיכול והספיגה העיקרי. מזון שאינו נספג מאוחסן כפסולת (או צואה) בלתי ניתנת לעיכול במעי האחורי, שהוא החלק השני של המעי (או המעי הגס ביונקים). המעי האחורי משלים את הספיגה מחדש של המים והמלח הדרושים לפני חיסול הצואה מהחלחולת. [195]

          נְשִׁימָה

          מערכת הנשימה מורכבת מאיברים ומבנים ספציפיים המשמשים לחילופי גזים בבעלי חיים וצמחים. האנטומיה והפיזיולוגיה הגורמת לכך לקרות משתנים מאוד, בהתאם לגודל האורגניזם, הסביבה שבה הוא חי וההיסטוריה האבולוציונית שלו. בבעלי חיים יבשתיים פני השטח מונשמים כציפויים של הריאות. [196] החלפת גז בריאות מתרחשת במיליוני שקי אוויר קטנים ביונקים ובזוחלים אלה נקראים אלוואולי, ובעופות הם מכונים אטריה. לשקי אוויר מיקרוסקופיים אלה יש אספקת דם עשירה מאוד, ובכך מביאים את האוויר למגע הדוק עם הדם. [197] שקי אוויר אלה מתקשרים עם הסביבה החיצונית באמצעות מערכת של דרכי אוויר, או צינורות חלולים, שהגדול ביותר מהם הוא קנה הנשימה, המסתעף באמצע החזה לשתי הסימפונות העיקריות. אלה נכנסים לריאות שבהן הם מסתעפים לברונכים משניים ושלישיים צרים יותר והולכים, המסתעפים לצינורות קטנים יותר, הסימפונות. בציפורים הסימפונות מכונות parabronchi. זה הסימפונות, או parabronchi כי בדרך כלל להיפתח לתוך alveoli מיקרוסקופיים אצל יונקים אטריה בציפורים. אוויר צריך להישאב מהסביבה לאלוואולי או לאטריה על ידי תהליך הנשימה הכולל את שרירי הנשימה.

          מחזור

          מערכת הדם מורכבת בדרך כלל ממשאבת שרירים כגון לב, נוזל (דם) ומערכת כלי דם המספקים אותה. [198] [199] תפקידו העיקרי הוא להעביר דם וחומרים אחרים אל התא (והביולוגיה) והרקמות.ישנם שני סוגים של מערכות הדם: פתוחות וסגורות. במערכות הדם הפתוחות, הדם יוצא מכלי הדם כשהוא מסתובב בכל הגוף ואילו במערכת הדם הסגורה, הדם נמצא בתוך כלי הדם בזמן שהוא מסתובב. ניתן לראות מערכות הדם פתוחות בבעלי חיים חסרי חוליות כגון פרוקי רגליים (למשל חרקים, עכבישים ולובסטרים) ואילו מערכות הדם הסגורות ניתן למצוא בבעלי חוליות כגון דגים, דו -חיים ויונקים. מחזור הדם בבעלי חיים מתרחש בין שני סוגי רקמות: רקמות מערכתיות ואיברים (או ריאתיים) נושמים. [198] רקמות מערכתיות הן כל הרקמות והאיברים המרכיבים את גוף החיה מלבד איברי הנשימה שלה. רקמות מערכתיות תופסות חמצן אך מוסיפות פחמן דו חמצני לדם ואילו איברי נשימה תופסים פחמן דו חמצני אך מוסיפים חמצן לדם. [200] בציפורים ויונקים, המערכות המערכתיות והריאתיות מחוברות בסדרות.

          במערכת הדם, הדם חשוב מכיוון שהוא האמצעי שבו מועברים חמצן, פחמן דו חמצני, חומרים מזינים, הורמונים, סוכני מערכת חיסון, חום, פסולת ושאר מצרכים. [198] במפרשים כגון תולעי אדמה ועלוקות, הדם מונע על ידי גלי התכווצויות פריסטלטיים של שרירי הלב המרכיבים את כלי הדם. לבעלי חיים אחרים כגון סרטנים (למשל סרטנים ולובסטרים), יש יותר מלב אחד להניע דם בכל גופם. לבבות חוליות הם מרובי תאיים ומסוגלים לשאוב דם כאשר החדרים שלהם מתכווצים בכל מחזור לב, המניע דם דרך כלי הדם. [198] אף על פי שליבות חוליות הן מיוגניות, ניתן לווסת את קצב ההתכווצות (או קצב הלב) שלהן על ידי קלט עצבי ממערכת העצבים האוטונומית של הגוף.

          שרירים ותנועה

          אצל בעלי חוליות מערכת השרירים מורכבת משרירי שלד, חלקים ולבביים. הוא מאפשר תנועה של הגוף, שומר על יציבה ומפיץ דם בכל הגוף. [201] יחד עם מערכת השלד, היא יוצרת את מערכת השלד והשרירים, האחראית לתנועת בעלי חיים בעלי חוליות. [202] התכווצויות שרירי השלד הן נוירוגניות מכיוון שהן דורשות קלט סינפטי מהנוירונים המוטוריים. נוירון מוטורי יחיד מסוגל לעצב את סיבי השריר המרובים, ובכך לגרום להתכווצות הסיבים בו זמנית. לאחר העצבנות, חוטי החלבון בתוך כל סיב שריר השלד גולשים זה על פני זה כדי לייצר התכווצות, המוסברת על ידי תיאוריית נימה הזזה. ניתן לתאר את ההתכווצות שנוצרה כעווית, סיכום או טטנוס, בהתאם לתדירות פוטנציאל הפעולה. בניגוד לשרירי השלד, התכווצויות של שרירים חלקים ולביים הם מיוגניים מכיוון שהם יוזמים על ידי תאי השריר החלקים או שרירי הלב עצמם במקום נוירון מוטורי. עם זאת, ניתן לווסת את עוצמת ההתכווצויות שלהם על ידי קלט ממערכת העצבים האוטונומית. מנגנוני ההתכווצות דומים בכל שלוש רקמות השריר.

          בחסרי חוליות כגון תולעי אדמה ועלוקות, תאי שריר מעגליים ואורכיים יוצרים את דופן גופם של בעלי חיים אלה ואחראים לתנועתם. [203] בתולעת אדמה הנעת דרך אדמה, למשל, התכווצויות של שרירים מעגליים ואורךיים מתרחשים הדדיות בעוד הנוזל הקלומי משמש כידרוסקלטון על ידי שמירה על עכירות של התולעת. [204] בעלי חיים אחרים כגון רכיכות ונמטודות, בעלי שרירים מפוספסים באלכסון, המכילים רצועות נימים עבים ודקים המסודרים באופן סלילי ולא רוחבי, כמו בשרירי השלד או הלב. [205] חרקים מתקדמים כגון צרעות, זבובים, דבורים וחיפושיות הם בעלי שרירים אסינכרוניים המהווים את שרירי המעוף בבעלי חיים אלה. [205] שרירי המעוף הללו נקראים לעתים קרובות שרירי פיברילר מכיוון שהם מכילים מיופיברילים עבים ובולטים. [206]

          מערכת עצבים

          מערכת העצבים היא רשת תאים המעבדת מידע חושי ומייצרת התנהגויות. ברמה התאית מערכת העצבים מוגדרת על ידי נוכחותם של נוירונים, שהם תאים המתמחים לטיפול במידע. [208] הם יכולים לשדר או לקבל מידע באתרי אנשי קשר שנקראים סינפסות. [208] ליתר דיוק, נוירונים יכולים לנהל דחפים עצביים (או פוטנציאל פעולה) הנוסעים לאורך הסיבים הדקים שלהם הנקראים אקסונים, שאחר כך יכולים להיות מועברים ישירות לתא סמוך באמצעות סינפסות חשמליות או לגרום לשחרור כימיקלים הנקראים נוירוטרנסמיטורים בעת סינפסות כימיות. על פי תורת הנתרן, פוטנציאל פעולה זה יכול להיווצר על ידי חדירות מוגברת של קרום התא של הנוירון ליוני נתרן. [209] תאים כגון נוירונים או תאי שריר עשויים להתרגש או להיעכב עם קבלת אות מנוירון אחר. הקשרים בין נוירונים יכולים ליצור מסלולים עצביים, מעגלים עצביים ורשתות גדולות יותר המייצרות את תפיסת העולם של האורגניזם וקובעות את התנהגותו. יחד עם נוירונים, מערכת העצבים מכילה תאים מיוחדים אחרים הנקראים גליה או תאי גליה, המספקים תמיכה מבנית ומטבולית.

          מערכות עצבים נמצאות ברוב בעלי החיים הרב -תאיים, אך משתנות מאוד במורכבותן. [210] בחולייתנים מערכת העצבים מורכבת ממערכת העצבים המרכזית (CNS), הכוללת את המוח וחוט השדרה, וממערכת העצבים ההיקפית (PNS), המורכבת מעצבים המחברים את מערכת העצבים המרכזית לכל חלק אחר של גוּף. עצבים המעבירים אותות ממערכת העצבים המרכזית נקראים עצבים מוטוריים או עצבים מתפתחים, ואילו עצבים אלה המעבירים מידע מהגוף אל מערכת העצבים נקראים עצבים תחושתיים או עצבים אפרנריים. עצבי עמוד השדרה הם עצבים מעורבים המשרתים את שתי הפונקציות. ה- PNS מחולק לשלוש מערכות משנה נפרדות, מערכות העצבים הסומטיות, האוטונומיות והאנטריות. עצבים סומטיים מתווכים תנועה מרצון. מערכת העצבים האוטונומית מחולקת עוד יותר למערכת העצבים הסימפתטית והפאראסימפתטית. מערכת העצבים הסימפתטית מופעלת במקרי חירום כדי לגייס אנרגיה, בעוד שמערכת העצבים הפאראסימפתטית מופעלת כאשר האורגניזמים נמצאים במצב נינוח. מערכת העצבים האנטרית מתפקדת לשליטה על מערכת העיכול. הן מערכות העצבים האוטונומיות והן האנטרוניות פועלות באופן לא רצוני. עצבים היוצאים ישירות מהמוח נקראים עצבים גולגולתיים ואילו היוצאים מחוט השדרה נקראים עצבי עמוד השדרה.

          לבעלי חיים רבים יש איברי חוש שיכולים לזהות את סביבתם. איברי חישה אלה מכילים קולטנים חושיים, שהם נוירונים חיישיים הממירים גירויים לאותות חשמליים. [211] קולטני מנגנון, למשל, שניתן למצוא בעור, בשרירים ובאיברי שמיעה, מייצרים פוטנציאל פעולה כתגובה לשינויים בלחצים. [211] [212] תאי קולטן צילום כגון מוטות וחרוטים, המהווים חלק מרשתית החוליות, יכולים להגיב לאורכי גל ספציפיים של אור. [211] [212] קולטנים כימיים מזהים כימיקלים בפה (טעם) או באוויר (ריח). [212]

          שליטה הורמונלית

          הורמונים הם איתות מולקולות המועברות בדם לאיברים רחוקים כדי לווסת את תפקודן. [213] [214] הורמונים מופרשים על ידי בלוטות פנימיות המהוות חלק מהמערכת האנדוקרינית של בעל חיים. בחולייתנים ההיפותלמוס הוא מרכז הבקרה העצבי לכל המערכות האנדוקריניות. בבני אדם במיוחד, הבלוטות האנדוקריניות העיקריות הן בלוטת התריס ובלוטת יותרת הכליה. לאיברים רבים אחרים המהווים חלק ממערכות גוף אחרות יש פונקציות אנדוקריניות משניות, כולל עצם, כליות, כבד, לב וגונדות. לדוגמה, הכליות מפרישות את ההורמון האנדוקריני אריתרופויטין. הורמונים יכולים להיות מתחמי חומצות אמינו, סטרואידים, איקוסנואידים, לוקוטריאנים או פרוסטגלנדינים. [215] המערכת האנדוקרינית ניתנת להבדיל הן לבלוטות האקסוקריניות, המפרישות הורמונים לחלק החיצוני של הגוף, והן לאיתות פראקרין בין תאים למרחק קצר יחסית. בבלוטות האנדוקריניות אין צינורות, הן כלי דם, ובדרך כלל יש להן vacuoles או גרגירים תאיים המאחסנים את ההורמונים שלהם. לעומת זאת, בלוטות אקסוקריניות, כגון בלוטות הרוק, בלוטות הזיעה ובלוטות במערכת העיכול, נוטות להיות הרבה פחות כלי דם ויש להן צינורות או לומן חלול.

          רבייה של בעלי חיים

          בעלי חיים יכולים להתרבות באחת משתי דרכים: א -מיניות ומיניות. כמעט כל בעלי החיים עוסקים בצורה כלשהי של רבייה מינית. [216] הם מייצרים גמטות הפלואידיות על ידי מיוזה. הגמטים הקטנים והתנועתיות הם זרעונים והגמטים הגדולים והלא-ניעים הם ביציות. [217] אלה מתמזגים ליצירת זיגוטות, [218] המתפתחים באמצעות מיטוזה לכדור חלול, הנקרא blastula. בספוגים, זחלי blastula שוחים למיקום חדש, מתחברים לקרקעית הים ומתפתחים לספוג חדש. [219] ברוב הקבוצות האחרות, הפיצוץ עובר סידור מחדש מסובך יותר. [220] תחילה הוא ממציא ויוצר גסטולה עם תא עיכול ושתי שכבות נבט נפרדות, אקטודרם חיצוני ואנדודרם פנימי. [221] ברוב המקרים מתפתחת ביניהם גם שכבת נבט שלישית, המזודרם. [222] שכבות הנבט הללו מתבדלות אז ליצירת רקמות ואיברים. [223] בעלי חיים מסוימים מסוגלים להתרבות א -מינית, מה שמביא לעתים קרובות לשכפול גנטי של ההורה. זה עשוי להתרחש באמצעות התפרצות של פיצול, כגון ב הידרה וקנידריות אחרות או פרתנוגנזה, בהן מיוצרות ביצים פוריות ללא הזדווגות, כגון בכנימות. [224] [225]

          התפתחות בעלי חיים

          התפתחות בעלי חיים מתחילה בהיווצרות זיגוטה הנובעת מהיתוך של זרע וביצה במהלך ההפריה. [226] הזיגוטה עוברת מספר סיבובים מהירים של תקופת תאים מיטוטיים של חלוקות תאים הנקראות מחשוף, היוצרות כדור של תאים דומים הנקראים blastula. מתרחשת קיבה, לפיה תנועות מורפוגנטיות ממירות את מסת התא לשלוש שכבות נבט המרכיבות את האקטודרם, המזודרם והאנדודרם.

          סיום הקיבה מסמן את תחילתה של האורגנוגנזה, לפיה שלוש שכבות הנבט יוצרות את האיברים הפנימיים של האורגניזם. [227] התאים של כל אחת משלוש שכבות הנבטים עוברים בידול, תהליך שבו תאים פחות מתמחים הופכים למומחים יותר באמצעות ביטוי של קבוצה מסוימת של גנים. ההתמיינות התאית מושפעת מאיתות חוץ -תאי כגון גורמי גדילה שמחליפים לתאים סמוכים, הנקראים איתות juxtracrine, או מתאים שכנים למרחקים קצרים, הנקראים איתות paracrine. [228] [229] אותות תוך -תאיים מורכבים מתא המאותת את עצמו (איתות אוטוקריני), ממלאים גם הם תפקיד ביצירת איברים. מסלולי איתות אלה מאפשרים סידור מחדש של תאים ומבטיחים שנוצרים איברים באתרים ספציפיים בתוך האורגניזם. [227] [230]

          מערכת החיסון

          מערכת החיסון היא רשת של תהליכים ביולוגיים המזהה ומגיבה למגוון רחב של פתוגנים. למינים רבים יש שתי תת מערכות עיקריות של המערכת החיסונית. מערכת החיסון המולדת מספקת תגובה מוגדרת מראש לקבוצות נרחבות של מצבים וגירויים. המערכת החיסונית ההסתגלותית מספקת תגובה מותאמת לכל גירוי על ידי למידה לזהות מולקולות בהן נתקלה בעבר. שניהם משתמשים במולקולות ותאים לביצוע תפקידם.

          כמעט לכל האורגניזמים יש מערכת חיסונית כלשהי. לחיידקים מערכת חיסונית בסיסית בצורה של אנזימים המגינים מפני זיהומים בנגיפים. מנגנוני חיסון בסיסיים אחרים התפתחו בצמחים ובעלי חיים עתיקים ונשארים בצאצאיהם המודרניים. מנגנונים אלה כוללים פגוציטוזיס, פפטידים מיקרוביאליים הנקראים דיפנסינים ומערכת המשלים. לחוליות הלסתות, כולל בני אדם, יש מנגנוני הגנה מתוחכמים עוד יותר, כולל היכולת להסתגל לזיהוי פתוגנים ביעילות רבה יותר. חסינות מסתגלת (או נרכשת) יוצרת זיכרון אימונולוגי המוביל לתגובה משופרת למפגשים הבאים עם אותו הפתוגן. תהליך זה של חסינות נרכשת הוא הבסיס לחיסון.

          התנהגות חייתית

          להתנהגויות יש תפקיד מרכזי באינטראקציה של בעלי חיים זה עם זה ועם סביבתם. [231] הם מסוגלים להשתמש בשריריהם כדי להתקרב זה לזה, להשמיע קולות, לחפש מחסה ולנדוד. מערכת העצבים של בעל חיים מפעילה ומתאמת את התנהגויותיה. דוגמאות פעולה קבועות, למשל, הן התנהגויות גנטיות וסטריאוטיפיות המתרחשות ללא למידה. [231] [232] התנהגויות אלה נמצאות בשליטת מערכת העצבים ויכולות להיות די משוכללות. [231] דוגמאות כוללות מנקרים של אפרוחי שחפר אצות בנקודה האדומה על מקור אמה. התנהגויות אחרות שצצו כתוצאה מברירה טבעית כוללות חיפוש מזון, הזדווגות ואלטרואיזם. [233] בנוסף להתנהגות שהתפתחה, בעלי חיים פיתחו את היכולת ללמוד על ידי שינוי התנהגותם כתוצאה מחוויות אינדיבידואליות מוקדמות. [231]

          אֵקוֹלוֹגִיָה

          מערכות אקולוגיות

          אקולוגיה היא חקר התפוצה ושפע של אורגניזמים חיים, האינטראקציה בינם לבין סביבתם. [234] קהילת האורגניזמים החיים (הביוטיים) יחד עם המרכיבים הלא -חיים (האביוטיים) (למשל מים, אור, קרינה, טמפרטורה, לחות, אטמוספירה, חומציות וקרקע) של סביבתם נקראת מערכת אקולוגית. [235] [236] [237] רכיבים ביוטיים ואביוטיים אלה מקושרים זה לזה באמצעות מחזורי הזנה ותזרימי אנרגיה. [238] אנרגיה מהשמש נכנסת למערכת באמצעות פוטוסינתזה ומשולבת ברקמת הצמחים. על ידי האכלה מצמחים ואחד על השני, בעלי חיים ממלאים תפקיד חשוב בתנועת החומר והאנרגיה דרך המערכת. הם משפיעים גם על כמות הביומסה הצמחית והמיקרוביאלית. על ידי פירוק חומרים אורגניים מתים, מפרקים משחררים פחמן חזרה לאטמוספירה ומקלים על מחזור חומרים מזינים על ידי המרת חומרים מזינים המאוחסנים ביומסה מתה לצורה שניתן להשתמש בהם בקלות על ידי צמחים וחיידקים אחרים. [239]

          הסביבה הפיזית של כדור הארץ מעוצבת על ידי אנרגיה סולארית וטופוגרפיה. [237] כמות הכניסה לאנרגיה סולארית משתנה במרחב ובזמן בשל צורתו הכדורית של כדור הארץ והטיה הצירית שלו. שונות בכניסה לאנרגיה סולארית מניעה את מזג האוויר ודפוסי האקלים. מזג האוויר הוא טמפרטורת היום ופעילות המשקעים היומיומית, ואילו האקלים הוא הממוצע לטווח הארוך של מזג האוויר, הממוצע בדרך כלל לאורך 30 שנה. [240] [241] שונות בטופוגרפיה מייצרת גם הטרוגניות סביבתית. בצידו הרוח של ההר, למשל, האוויר עולה ומתקרר, כאשר המים משתנים מצורת גזים לנוזלים או מוצקים, וכתוצאה מכך משקעים כגון גשם או שלג. [237] כתוצאה מכך, סביבות רטובות מאפשרות צמחייה עבותה לצמוח. לעומת זאת, התנאים נוטים להיות יבשים בצד ההר של ההר בשל היעדר משקעים כאשר האוויר יורד ומתחמם, והלחות נשארת כאדי מים באטמוספירה. טמפרטורה ומשקעים הם הגורמים העיקריים המעצבים ביומות יבשתיות.

          אוכלוסיות

          אוכלוסייה היא מספר האורגניזמים מאותו מין שתופסים שטח ומתרבים מדור לדור. [242] [243] [244] [245] [246] ניתן למדוד את שפעו באמצעות צפיפות האוכלוסייה, שהיא מספר הפרטים ליחידת שטח (למשל, אדמה או עץ) או נפח (למשל, ים או אוויר). [242] בהתחשב בכך שבדרך כלל לא מעשי לספור כל אדם בתוך אוכלוסייה גדולה כדי לקבוע את גודלו, ניתן לאמוד את גודל האוכלוסייה על ידי הכפלת צפיפות האוכלוסייה בשטח או בנפח. ניתן לקבוע את גידול האוכלוסייה בפרקי זמן קצרים באמצעות משוואת קצב גידול האוכלוסייה, המתחשבת בשיעורי לידה, מוות ושיעורי הגירה. בטווח הארוך יותר, הגידול האקספוננציאלי של אוכלוסייה נוטה להאט ככל שהיא מגיעה ליכולת הנשיאה שלה, הניתנת למודל באמצעות המשוואה הלוגיסטית. [243] כושר הנשיאה של סביבה הוא גודל האוכלוסייה המרבי של מין שיכול להתקיים על ידי אותה סביבה ספציפית, בהתחשב במזון, בית הגידול, המים ומשאבים אחרים הקיימים. [247] כושר הנשיאה של אוכלוסייה יכול להיות מושפע משינוי תנאי הסביבה כגון שינויים במשאבי הזמינות ועלות אחזקתם. באוכלוסיות אנושיות, טכנולוגיות חדשות כמו המהפכה הירוקה סייעו להגדיל את כושר הנשיאה של כדור הארץ לבני אדם לאורך זמן, מה שעורר את ניסיונות הניבוי של ירידת אוכלוסייה מתקרבת, שהמפורסם שבהם היה על ידי תומאס מאלתוס במאה ה -18. [242]

          קהילות

          קהילה היא קבוצת אוכלוסיות של שני מינים או יותר השוכנים באותו אזור גיאוגרפי בו זמנית. אינטראקציה ביולוגית היא ההשפעה שיש לזוג אורגניזמים החיים יחד בקהילה זה על זה. הם יכולים להיות מאותו מין (אינטראקציות בין -ספציפיות), או של מינים שונים (אינטראקציות בין -ספציפיות). השפעות אלה עשויות להיות לטווח קצר, כמו האבקה וטריפה, או לטווח הארוך משפיעות לעתים קרובות מאוד על התפתחות המינים המעורבים. אינטראקציה ארוכת טווח נקראת סימביוזה. הסימביוסים נעים בין הדדיות, מועילה לשני השותפים, לתחרות, מזיקה לשני השותפים. [249]

          כל מין משתתף כצרכן, משאב, או שניהם באינטראקציות בין צרכנים ומשאבים, המהווים את ליבת שרשראות המזון או קורי המזון. [250] ישנן רמות טרופיות שונות בתוך כל רשת מזון, כאשר הרמה הנמוכה ביותר היא היצרנים העיקריים (או האוטוטרופים) כגון צמחים ואצות הממירים אנרגיה וחומר אנאורגני לתרכובות אורגניות, אשר לאחר מכן יוכלו לשמש את שאר המדינות. קהילה. [54] [251] [252] ברמה הבאה נמצאים הטרוטרופים, שהם המינים שמקבלים אנרגיה על ידי פירוק תרכובות אורגניות מאורגניזמים אחרים. [250] הטרוטרופים הצורכים צמחים הם צרכנים ראשוניים (או אוכלי עשב) ואילו הטרוטרופים הצורכים אוכלי עשב הם צרכנים משניים (או טורפים). ואלו שאוכלים צרכנים משניים הם צרכנים שלישוניים וכן הלאה. הטרוטרופים אוכלים מסוגלים לצרוך בכמה רמות. לבסוף, ישנם מפרקים הניזונים מתוצרי הפסולת או גופות של אורגניזמים. [250]

          בממוצע, כמות האנרגיה הכוללת המשולבת בביומסה של רמה טרופית ליחידת זמן היא כעשירית מהאנרגיה של הרמה הטרופית שהיא צורכת. פסולת וחומרים מתים המשמשים את המפרקים, כמו גם את החום שאבד מהמטבוליזם מהווים את התשעים האחוזים האחרים של האנרגיה שאינה נצרכת ברמה הטרופית הבאה. [253]

          ביוספירה

          במערכת האקולוגית (או הביוספירה) הגלובלית, החומר קיים כתאי אינטראקציה שונים, שיכולים להיות ביוטיים או אביוטיים כמו גם נגישים או בלתי נגישים, בהתאם לצורותיהם ולמיקומם. [255] לדוגמה, חומר מאוטוטרופים יבשתיים הוא ביוטי ונגיש לאורגניזמים חיים אחרים ואילו החומר בסלעים ומינרלים הוא אביוטי ובלתי נגיש לאורגניזמים חיים.מחזור ביוכימימי הוא מסלול שבאמצעותו מתהפכים רכיבים מסוימים של החומר או מועברים דרך הביוטיקה (הביוספרה) והתאים האביוטיים (ליתוספירה, אטמוספירה והידרוספרה) של כדור הארץ. ישנם מחזורים ביוכימיים של חנקן, פחמן ומים. בחלק מהמחזורים יש מאגרים היכן שחומר נשאר או מופרש לתקופה ארוכה.

          שינויי האקלים כוללים הן את ההתחממות הגלובלית המונעת כתוצאה מפליטות גזי חממה הנגרמות על ידי האדם והן את השינויים הגדולים הנובעים מדפוסי מזג האוויר. למרות שהיו תקופות קודמות של שינויי אקלים, מאז אמצע המאה ה -20 לבני אדם הייתה השפעה חסרת תקדים על מערכת האקלים של כדור הארץ וגרמה לשינוי בקנה מידה עולמי. [256] המניע הגדול ביותר להתחממות הוא פליטת גזי חממה, מתוכם יותר מ -90% הם פחמן דו חמצני ומתאן. [257] שריפת דלק מאובנים (פחם, נפט וגז טבעי) לצריכת אנרגיה היא המקור העיקרי לפליטות אלה, עם תרומות נוספות מחקלאות, כריתת יערות וייצור. [258] עליית הטמפרטורה מואצת או מתמתנת על ידי פידבקים של אקלים, כגון אובדן שלג שמשקף אור שמש וכיסוי קרח, אדי מים מוגברים (גז חממה עצמו), ושינויים ביור ופחמן יבשתי.

          שימור

          ביולוגיה לשימור היא מחקר על שימור המגוון הביולוגי של כדור הארץ במטרה להגן על מינים, בתי הגידול שלהם ומערכות אקולוגיות מפני שיעורי הכחדה מוגזמים ושחיקת אינטראקציות ביוטיות. [259] [260] [261] היא עוסקת בגורמים המשפיעים על תחזוקה, אובדן ושחזור של המגוון הביולוגי ועל המדע של קיום תהליכים אבולוציוניים המולידים מגוון גנטי, אוכלוסייה, מינים ומערכות אקולוגיות. [262] [263] [264] [265] החשש נובע מהערכות המרמזות כי עד 50% מכלל המינים על פני כדור הארץ ייעלמו בתוך 50 השנים הבאות, [266] מה שתרם לעוני, רעב ורצון לאפס את מהלך האבולוציה בכוכב הלכת הזה. [267] [268] המגוון הביולוגי משפיע על תפקודן של מערכות אקולוגיות, המספקות מגוון שירותים שאנשים תלויים בהם.

          ביולוגים לשימור חוקרים ומחנכים את המגמות של אובדן המגוון הביולוגי, הכחדות מינים וההשפעה השלילית שיש לזה על היכולות שלנו לקיים את רווחת החברה האנושית. ארגונים ואזרחים מגיבים למשבר המגוון הביולוגי הנוכחי באמצעות תוכניות פעולה לשימור המנחות תוכניות מחקר, ניטור וחינוך שמעוררות חששות מקומיים באמצעות קנה מידה עולמי. [269] [262] [263] [264]


          תחומים בין -תחומיים

          האקולוגיה גם ממלאת תפקידים חשובים בתחומים בין-תחומיים רבים:

          • עיצוב אקולוגי והנדסה אקולוגית
          • כלכלה אקולוגית
          • אקולוגיה חגיגית
          • אקולוגיה אנושית ואנתרופולוגיה אקולוגית
          • אקולוגיה חברתית, בריאות אקולוגית ופסיכולוגיה סביבתית

          האקולוגיה גם נתנה השראה (והעניקה את שמה) לדיסציפלינות לא ביולוגיות אחרות כגון

          לבסוף, אקולוגיה משמשת לתיאור מספר פילוסופיות או אידיאולוגיות, כגון


          1.1F: ענפים ותחומי ביולוגיה - ביולוגיה

          בחלק זה תחקור את השאלות הבאות:

          • מהם המאפיינים המשותפים למדעי הטבע?
          • מה הם שלבי השיטה המדעית?

          חיבור לקורסי AP ®

          ביולוגיה היא המדע החוקר אורגניזמים חיים ואת יחסי הגומלין שלהם זה עם זה ועם סביבתם. תהליך המדע מנסה לתאר ולהבין את טבע היקום באמצעים רציונליים. למדע יש תחומים רבים אותם תחומים הקשורים לעולם הפיזי, כולל ביולוגיה, נחשבים למדעי הטבע. כל מדעי הטבע פועלים לפי חוקי הכימיה והפיזיקה. לדוגמה, כאשר לומדים ביולוגיה, עליך לזכור כי אורגניזמים חיים מצייתים לחוקי התרמודינמיקה תוך שימוש באנרגיה חופשית וחומר מהסביבה לביצוע תהליכי חיים הנחקרים בפרקים מאוחרים יותר, כגון חילוף חומרים ורבייה.

          שני סוגים של חשיבה לוגית משמשים במדע: חשיבה אינדוקטיבית וחשיבה דדוקטיבית. חשיבה אינדוקטיבית משתמשת בתוצאות מסוימות כדי לייצר עקרונות מדעיים כלליים. חשיבה דדוקטיבית משתמשת בחשיבה לוגית לחיזוי תוצאות על ידי יישום עקרונות או שיטות מדעיות. השיטה המדעית הינה תהליך שלב אחר שלב המורכב מ: ביצוע תצפיות, הגדרת בעיה, הצבת השערות, בדיקת השערות אלו על ידי תכנון וביצוע חקירות והסקת מסקנות מנתונים ומתוצאות. לאחר מכן מדענים מעבירים את תוצאותיהם לקהילה המדעית. תיאוריות מדעיות כפופות לשינוי ככל שנאסף מידע חדש.

          התוכן המוצג בחלק זה תומך ביעדי הלמידה המתוארים ב- Big Idea 2 של מסגרת הלימודים לביולוגיה של AP ®. מטרות הלמידה ממזגות תוכן ידע חיוני עם אחד או יותר משבעת שיטות המדע. מטרות אלה מהוות בסיס שקוף לקורס AP ® ביולוגיה, יחד עם חוויות מעבדה מבוססות חקירה, פעילויות הדרכה ושאלות בחינת AP ®.

          רעיון גדול 2 מערכות ביולוגיות מנצלות אנרגיה חופשית ואבני בניין מולקולריות כדי לצמוח, להתרבות ולשמור על הומאוסטזיס דינאמי.
          הבנה מתמשכת 2. א צמיחה, רבייה ותחזוקה של מערכות חיים דורשות אנרגיה וחומר חופשיים.
          ידע חיוני 2. א .1 כל מערכות החיים דורשות קלט קבוע של אנרגיה חופשית.
          תרגול מדעי 6.4 התלמיד יכול לטעון ולנבא לגבי תופעות טבע המבוססות על תיאוריות ומודלים מדעיים
          מטרות למידה 2.3 התלמיד מסוגל לחזות כיצד שינויים בזמינות האנרגיה החופשית משפיעים על אורגניזמים, אוכלוסיות ומערכות אקולוגיות.

          מהי ביולוגיה? במילים פשוטות, ביולוגיה היא חקר אורגניזמים חיים ואינטראקציות שלהם זה עם זה וסביבתם. זוהי הגדרה רחבה מאוד מכיוון שהיקפה של הביולוגיה הוא עצום. ביולוגים רשאים ללמוד כל דבר, החל מההשקפה המיקרוסקופית או התת -מיקרוסקופית של התא ועד למערכות אקולוגיות ולכל כדור הארץ החי (איור 1.2). בהאזנה לחדשות היומיות, תבינו במהירות כמה היבטים של הביולוגיה נדונים מדי יום. לדוגמה, נושאי חדשות אחרונים כוללים אי קולי (איור 1.3) התפרצויות בתרד ו סלמונלה זיהום בחמאת בוטנים. בקנה מידה עולמי, חוקרים רבים מחויבים למצוא דרכים להגן על כדור הארץ, לפתור בעיות סביבתיות ולהפחית את ההשפעות של שינויי אקלים. כל המאמצים המגוונים הללו קשורים להיבטים שונים של תחום הביולוגיה.

          תהליך המדע

          ביולוגיה היא מדע, אבל מהו בעצם מדע? מה משתף מחקר הביולוגיה עם תחומים מדעיים אחרים? מדע (מהלטינית scientia, כלומר "ידע") יכול להיות מוגדר כידע המכסה אמיתות כלליות או הפעלת חוקים כלליים, במיוחד כאשר הם נרכשים ונבדקים בשיטה המדעית. מתברר מהגדרה זו כי יישום השיטה המדעית ממלא תפקיד מרכזי במדע. השיטה המדעית היא שיטת מחקר עם שלבים מוגדרים הכוללים ניסויים והתבוננות קפדנית.

          שלבי השיטה המדעית ייבחנו בפירוט מאוחר יותר, אך אחד ההיבטים החשובים ביותר בשיטה זו הוא בדיקת השערות באמצעות ניסויים הניתנים לחיזור. השערה היא הסבר מוצע לאירוע שניתן לבדוק. למרות שהשיטה המדעית אינה מובנית למדע, היא אינה מספקת לקבוע מהו מדע. הסיבה לכך היא שקל יחסית ליישם את השיטה המדעית על דיסציפלינות כגון פיזיקה וכימיה, אך בכל הנוגע לתחומים כמו ארכיאולוגיה, פסיכולוגיה וגיאולוגיה, השיטה המדעית הופכת פחות ישימה ככל שקשה יותר לחזור על ניסויים.

          תחומי לימוד אלה הם עדיין מדעים. קחו בחשבון ארכיאולוגיה - למרות שלא ניתן לבצע ניסויים ניתנים להחזרה, עדיין ניתן לתמוך בהשערות. למשל, ארכיאולוג יכול לשער כי קיימת תרבות עתיקה המבוססת על מציאת כלי חרס. ניתן להעלות השערות נוספות לגבי מאפיינים שונים של תרבות זו, וייתכן כי השערות אלה נכונות או שקריות באמצעות תמיכה מתמשכת או סתירות מממצאים אחרים. השערה עשויה להפוך לתיאוריה מאומתת. תיאוריה היא הסבר שנבדק ואישר לתצפיות או תופעות. המדע עשוי להיות מוגדר טוב יותר כתחומי לימוד המנסים להבין את טבע היקום.

          מדעי הטבע

          מה היית מצפה לראות במוזיאון למדעי הטבע? צפרדעים? צמחים? שלדי דינוזאור? מוצגים כיצד המוח מתפקד? פלנטריום? אבני חן ומינרלים? או, אולי כל האמור לעיל? המדע כולל תחומים מגוונים כגון אסטרונומיה, ביולוגיה, מדעי המחשב, גיאולוגיה, לוגיקה, פיזיקה, כימיה ומתמטיקה (איור 1.4). עם זאת, אותם תחומי מדע הקשורים לעולם הפיזי ותופעותיו ותהליכיו נחשבים למדעי הטבע. לפיכך, מוזיאון למדעי הטבע עשוי להכיל כל אחד מהפריטים המפורטים למעלה.

          עם זאת, אין הסכמה מלאה בכל הנוגע להגדרה מה כולל מדעי הטבע. עבור כמה מומחים, מדעי הטבע הם אסטרונומיה, ביולוגיה, כימיה, מדעי כדור הארץ ופיזיקה. חוקרים אחרים בוחרים לחלק את מדעי הטבע למדעי החיים, הלומדים יצורים חיים וכוללים ביולוגיה, ומדעי הפיזיקה, הלומדים חומר לא חי וכוללים אסטרונומיה, גיאולוגיה, פיזיקה וכימיה. כמה דיסציפלינות כגון ביופיזיקה וביוכימיה נבנות הן על מדעי החיים והן על מדעי הפיסיקה והן בין -תחומיות. מדעי הטבע מכונים לעתים "מדע קשה" מכיוון שהם מסתמכים על שימוש במדעי נתונים כמותיים החוקרים את החברה והתנהגות אנושית נוטים יותר להשתמש בהערכות איכותיות כדי להניע חקירות וממצאים.

          באופן לא מפתיע, למדעי הטבע של הביולוגיה יש ענפים או תת -תחומים רבים. ביולוגים של תאים חוקרים את מבנה התא ואת תפקודם, ואילו ביולוגים הלומדים אנטומיה חוקרים את המבנה של אורגניזם שלם. אולם אותם ביולוגים הלומדים פיזיולוגיה מתמקדים בתפקוד הפנימי של אורגניזם. תחומי ביולוגיה מסוימים מתמקדים רק בסוגים מסוימים של יצורים חיים. לדוגמה, בוטנאים חוקרים צמחים, ואילו זואולוגים מתמחים בבעלי חיים.

          נימוק מדעי

          דבר אחד משותף לכל צורות המדע: מטרה סופית "לדעת". סקרנות וחקירה הם הכוחות המניעים לפיתוח המדע. מדענים מבקשים להבין את העולם ואת אופן פעולתו. לשם כך הם משתמשים בשתי שיטות חשיבה לוגית: חשיבה אינדוקטיבית וחשיבה דדוקטיבית.

          חשיבה אינדוקטיבית היא צורה של חשיבה לוגית שמשתמשת בתצפיות קשורות כדי להגיע למסקנה כללית. סוג זה של היגיון נפוץ במדע התיאור. מדען חיים כמו ביולוג מבצע תצפיות ומתעד אותן. נתונים אלה יכולים להיות איכותיים או כמותיים, וניתן להשלים את הנתונים הגולמיים בציורים, תמונות, תמונות או סרטונים. מתוך תצפיות רבות, המדען יכול להסיק מסקנות (אינדוקציות) המבוססות על עדויות. חשיבה אינדוקטיבית כרוכה בניסוח הכללות הנובעות מהתבוננות מדוקדקת וניתוח כמות נתונים גדולה. לימודי המוח נותנים דוגמא לכך. במחקר מסוג זה נצפים מוח חי רבים בזמן שאנשים מבצעים פעילות מסוימת, כגון צפייה בתמונות מזון. לאחר מכן, החלק של המוח ש"נדלק "במהלך פעילות זו צפוי להיות החלק השולט בתגובה לגירוי הנבחר, במקרה זה, תמונות של מזון. "הארת" האזורים השונים במוח נגרמת כתוצאה מספיגה עודפת של נגזרות סוכר רדיואקטיבי על ידי אזורים פעילים במוח. הגידול המתקבל ברדיואקטיביות נצפה על ידי סורק. לאחר מכן, חוקרים יכולים לעורר את החלק הזה של המוח כדי לראות אם נוצרות תגובות דומות.

          נימוק או ניכוי דדוקטיביים הוא סוג ההיגיון המשמש במדע מבוסס השערות. בהגיון דדוקטיבי, דפוס החשיבה נע בכיוון ההפוך לעומת חשיבה אינדוקטיבית. חשיבה דדוקטיבית היא סוג של חשיבה לוגית העושה שימוש בעקרון או בחוק כללי כדי לחזות תוצאות ספציפיות. מתוך אותם עקרונות כלליים, מדען יכול לבצע אקסטרפולציה ולחזות את התוצאות הספציפיות שיהיו תקפות כל עוד העקרונות הכלליים תקפים. מחקרים בנושא שינויי אקלים יכולים להמחיש סוג זה של נימוקים. לדוגמה, מדענים עשויים לחזות שאם האקלים יתחמם באזור מסוים, אזי חלוקת הצמחים ובעלי החיים צריכה להשתנות. תחזיות אלו נעשו ונבדקו, ונמצאו שינויים רבים כאלה, כגון שינוי שטחי חקלאות לחקלאות, עם שינוי המבוסס על ממוצעי טמפרטורה.

          שני סוגי החשיבה ההגיונית קשורים לשני מסלולי המחקר המדעיים העיקריים: מדע תיאורי ומדע מבוסס השערות. מדע תיאורי (או גילוי), שהוא בדרך כלל אינדוקטיבי, שואף להתבונן, לחקור ולגלות, בעוד שמדע מבוסס השערות, שהוא בדרך כלל דדוקטיבי, מתחיל בשאלה או בעיה ספציפית ובתשובה או פתרון אפשרי שניתן לבדוק. הגבול בין שתי צורות הלימוד הללו מטושטש לרוב, ורוב המאמצים המדעיים משלבים את שתי הגישות. הגבול המטושטש מתגלה כאשר חושבים על כמה קל תצפית יכולה להוביל לשאלות ספציפיות. לדוגמה, ג'נטלמן בשנות ה -40 הבחין שלזרעי הברג שנדבקו לבגדיו ולפרווה של כלבו יש מבנה וו זעיר. בבדיקה מעמיקה יותר, הוא גילה כי מכשיר האחיזה של המחבטים אמין יותר מאשר רוכסן. בסופו של דבר הוא פיתח חברה והפיק את סוגר הלולאה המשמש לעתים קרובות על נעלי ספורט ללא תחרה ופלטות אתלטיות. מדע תיאורי ומדע מבוסס השערות נמצאים בדיאלוג מתמשך.

          השיטה המדעית

          ביולוגים חוקרים את עולם החי על ידי הצבת שאלות לגביו וחיפוש אחר תגובות מבוססות מדע. גישה זו משותפת גם למדעים אחרים ומכונה לעתים קרובות השיטה המדעית. השיטה המדעית שימשה אפילו בימי קדם, אך היא תועדה לראשונה על ידי סר פרנסיס בייקון האנגלי (1561–1626) (איור 1.5), שהקים שיטות אינדוקטיביות לחקירה מדעית. השיטה המדעית אינה משמשת אך ורק ביולוגים, אך ניתן ליישמה כמעט על כל תחומי הלימוד כשיטה הגיונית ורציונלית לפתרון בעיות.

          התהליך המדעי מתחיל בדרך כלל בהתבוננות (שלעתים קרובות יש לפתור בעיה) המובילה לשאלה. בואו נחשוב על בעיה פשוטה שמתחילה בהתבוננות וניישם את השיטה המדעית לפתרון הבעיה. יום שני אחד בבוקר, תלמיד מגיע לכיתה ומגלה מהר שהכיתה חמה מדי. זוהי התבוננות המתארת ​​גם בעיה: הכיתה חמה מדי. לאחר מכן התלמיד שואל שאלה: "מדוע הכיתה כל כך חמה?"

          הצעת השערה

          נזכיר כי השערה היא הסבר מוצע שניתן לבחון. כדי לפתור בעיה, אפשר להציע מספר השערות. לדוגמה, השערה אחת יכולה להיות, "הכיתה חמה כי אף אחד לא הדליק את מיזוג האוויר." אבל יכולות להיות תגובות אחרות לשאלה, ולכן יתכן שיציעו השערות אחרות. השערה שנייה עשויה להיות, "הכיתה חמה כי יש הפסקת חשמל, ולכן המיזוג לא עובד."

          לאחר שנבחרה השערה, התלמיד יכול לחזות. תחזית דומה להשערה אך בדרך כלל יש לה את הפורמט "אם. . . לאחר מכן . . . . ” לדוגמה, התחזית להשערה הראשונה עשויה להיות, "אם התלמיד מפעיל את מיזוג האוויר, לאחר מכןהכיתה כבר לא תהיה חמה מדי. "

          בדיקת השערה

          השערה תקפה חייבת להיות ניתנת לבחינה. זה צריך להיות גם ניפוי, כלומר ניתן להפריך אותו על ידי תוצאות ניסיוניות. חשוב לציין, המדע אינו מתיימר "להוכיח" דבר משום שהבנות מדעיות נתונות תמיד לשינוי עם מידע נוסף. שלב זה-פתיחות לרעיונות מפריכים-הוא זה שמבדיל בין מדעים לבין לא-מדעים. נוכחותו של העל -טבעי, למשל, אינה ניתנת לבדיקה ואינה ניתנת לתיקון. כדי לבדוק השערה, חוקר יערוך ניסוי אחד או יותר שנועד לחסל אחת או יותר מההשערות. לכל ניסוי יהיו משתנה אחד או יותר ואחד או יותר פקדים. משתנה הוא כל חלק של הניסוי שיכול להשתנות או להשתנות במהלך הניסוי. קבוצת הביקורת מכילה כל מאפיין של קבוצת הניסוי, למעט שלא ניתנת לה מניפולציה עליה משוערים. לכן, אם התוצאות של קבוצת הניסוי נבדלות מקבוצת הביקורת, ההבדל חייב לנבוע ממניפולציה משוערת, ולא מגורם חיצוני כלשהו. חפש את המשתנים והפקדים בדוגמאות הבאות. כדי לבדוק את ההשערה הראשונה, התלמיד יברר אם מיזוג האוויר פועל. אם מיזוג האוויר מופעל אך אינו פועל, צריכה להיות סיבה נוספת, ויש לדחות השערה זו. כדי לבדוק את ההשערה השנייה, התלמיד יכול לבדוק אם הנורות בכיתה תפקודיות. אם כן, אין הפסקת חשמל ויש לדחות השערה זו. יש לבדוק כל השערה על ידי ביצוע ניסויים מתאימים. שים לב שדחיית השערה אחת אינה קובעת אם ניתן לקבל את ההשערות האחרות או לא, היא פשוט מבטלת השערה אחת שאינה תקפה (ראה איור זה). באמצעות השיטה המדעית, ההשערות שאינן תואמות נתונים ניסיוניים נדחות.

          בעוד שדוגמא זו של "כיתה חמה" מבוססת על תוצאות תצפית, השערות וניסויים אחרים עשויים להיות בעלי פקדים ברורים יותר. למשל, תלמיד עשוי להשתתף בשיעור ביום שני ולהבין שהיא מתקשה להתרכז בהרצאה. תצפית אחת להסברת התופעה הזו יכולה להיות: "כשאני אוכלת ארוחת בוקר לפני השיעור, אני יותר מסוגלת לשים לב." לאחר מכן התלמיד יכול לעצב ניסוי עם פקד לבדיקת השערה זו.

          במדע המבוסס על השערות, תוצאות ספציפיות צפויות מתוך הנחה כללית. סוג זה של נימוקים נקרא נימוק דדוקטיבי: ניכוי יוצא מהכלל לפרטי. אך גם ההיפך של התהליך אפשרי: לפעמים, מדענים מגיעים למסקנה כללית ממספר תצפיות ספציפיות. סוג זה של חשיבה נקרא חשיבה אינדוקטיבית, והוא יוצא מהפרט אל הכללי. נימוקים אינדוקטיביים ודדוקטיביים משמשים לעתים קרובות במקביל לקידום הידע המדעי (ראו איור זה). בשנים האחרונות התפתחה גישה חדשה לבדיקת השערות כתוצאה מגידול מעריכי של נתונים המופקדים במאגרי מידע שונים.שימוש באלגוריתמים ממוחשבים וניתוחים סטטיסטיים של נתונים במאגרי מידע, תחום חדש של מה שמכונה "מחקר נתונים" (המכונה גם מחקר "בסיליקו") מספק שיטות חדשות לניתוח נתונים ופרשנותם. זה יגדיל את הביקוש למומחים בביולוגיה וגם במדעי המחשב, הזדמנות קריירה מבטיחה.

          חיבור תרגול מדעי לקורסי AP®

          תחשוב על זה

          כמעט כל הצמחים משתמשים במים, פחמן דו חמצני ואנרגיה מהשמש לייצור סוכרים. תחשוב מה יקרה לצמחים שאין להם אור שמש כמקור אנרגיה או מספיק מים. מה יקרה לאורגניזמים התלויים בצמחים אלה לצורך הישרדותם?

          תן תחזית לגבי מה יקרה לאורגניזמים החיים ביער גשם אם 50% מעציו יושמדו. איך היית בודק את התחזית שלך?

          חיבור ויזואלי

          בדוגמה להלן, השיטה המדעית משמשת לפתרון בעיה יומיומית. הזמינו את שלבי השיטה המדעית (פריטים ממוספרים) בתהליך פתרון הבעיה היומיומית (פריטים באותיות). האם בהתבסס על תוצאות הניסוי, האם ההשערה נכונה? אם זה לא נכון, הציע כמה השערות חלופיות.

          שיטה מדעית תהליך יומיומי
          1 תַצְפִּית א משהו לא תקין בשקע החשמל.
          2 שְׁאֵלָה ב אם משהו לא תקין בשקע, מכונת הקפה שלי גם לא תעבוד כשהיא מחוברת אליו.
          3 השערה (תשובה) ג הטוסטר שלי לא קלוי את הלחם שלי.
          4 נְבוּאָה ד אני מחבר את מכונת הקפה לשקע.
          5 לְנַסוֹת ה מכונת הקפה שלי עובדת.
          6 תוֹצָאָה ו מה מונע מהטוסטר שלי לעבוד?
          1. ההשערה המקורית נכונה. יש משהו לא בסדר בשקע החשמל ולכן הטוסטר לא עובד.
          2. ההשערה המקורית לא נכונה. השערה חלופית כוללת כי טוסטר לא הופעל.
          3. ההשערה המקורית נכונה. מכונת הקפה והטוסטר אינם פועלים כאשר הם מחוברים לשקע.
          4. ההשערה המקורית לא נכונה. השערות חלופיות כוללות כי הן מכונת הקפה והן הטוסטר נשברו.

          חיבור ויזואלי

          1. לכל הציפורים והחרקים המעופפים יש כנפיים. ציפורים וחרקים מנפנפים בכנפיים כשהם נעים באוויר. לכן כנפיים מאפשרות טיסה.
          2. חרקים שורדים בדרך כלל חורפים קלים יותר מאשר קשים. לכן מזיקי החרקים יהפכו לבעייתיים יותר אם הטמפרטורות העולמיות יעלו.
          3. כרומוזומים, נשאי ה- DNA, נפרדים לתאי הבת במהלך חלוקת התא. לכן, ה- DNA הוא החומר הגנטי.
          4. בעלי חיים מגוונים כמו חרקים וזאבים כולם מפגינים התנהגות חברתית. לכן, להתנהגות חברתית חייב להיות יתרון אבולוציוני לבני אדם.
          1. 1- אינדוקטיבי, 2- דדוקטיבי, 3- דדוקטיבי, 4- אינדוקטיבי
          2. 1- דדוקטיבי, 2- אינדוקטיבי, 3- דדוקטיבי, 4- אינדוקטיבי
          3. 1- אינדוקטיבי, 2- דדוקטיבי, 3- אינדוקטיבי, 4- דדוקטיבי
          4. 1- אינדוקטיבי, 2-אינדוקטיבי, 3- אינדוקטיבי, 4- דדוקטיבי

          השיטה המדעית עשויה להיראות נוקשה ומובנית מדי. חשוב לזכור כי למרות שמדענים בדרך כלל עוקבים אחר הרצף הזה, קיימת גמישות. לפעמים ניסוי מוביל למסקנות המעדיפות שינוי בגישה לעתים קרובות, ניסוי מביא שאלות מדעיות חדשות לגמרי לפאזל. פעמים רבות, המדע אינו פועל באופן לינארי, מדענים ממשיכים להסיק מסקנות ולבצע הכללות, ומוצאים דפוסים ככל שהמחקר שלהם מתקדם. חשיבה מדעית מורכבת יותר ממה שהשיטה המדעית לבדה מרמזת. שימו לב גם כי ניתן ליישם את השיטה המדעית בפתרון בעיות שאינן בהכרח מדעיות באופיין.

          שני סוגי מדע: מדעי יסוד ומדע שימושי

          הקהילה המדעית מתלבטת בעשורים האחרונים על ערכם של סוגי מדע שונים. האם יש ערך לעסוק במדע לשם צבירת ידע פשוט, או שמא לידע מדעי יש ערך רק אם נוכל ליישם אותו בפתרון בעיה ספציפית או לשיפור חיינו? שאלה זו מתמקדת בהבדלים בין שני סוגי מדע: מדע בסיסי ומדע שימושי.

          מדע בסיסי או מדע "טהור" מבקש להרחיב את הידע ללא קשר ליישום הטווח הקצר של ידע זה. הוא אינו מתמקד בפיתוח מוצר או שירות בעל ערך ציבורי או מסחרי מיידי. המטרה המיידית של מדע בסיסי היא ידע למען הידע, אם כי אין זה אומר שבסופו של דבר הוא עלול שלא לגרום ליישום מעשי.

          לעומת זאת, מדע יישומי או "טכנולוגיה", נועד להשתמש במדע כדי לפתור בעיות בעולם האמיתי, ומאפשר למשל לשפר את תפוקת היבול, למצוא תרופה למחלה מסוימת או להציל בעלי חיים המאוימים מאסון טבע. (איור 1.8). במדע השימושי, הבעיה מוגדרת בדרך כלל עבור החוקר.

          חלק מהאנשים עשויים לתפוס את המדע השימושי כ"שימושי "ומדע בסיסי כ"חסר תועלת". שאלה שאנשים אלה עשויים להציב בפני מדען הדוגל ברכישת ידע תהיה: "לשם מה?" אולם עיון מעמיק בהיסטוריה של המדע מגלה כי ידע בסיסי הביא ליישומים מרשימים בעלי ערך רב. מדענים רבים חושבים שיש צורך בהבנה בסיסית של המדע לפני פיתוח יישום ולכן מדע יישומי מסתמך על התוצאות שנוצרו באמצעות מדע בסיסי. מדענים אחרים חושבים שהגיע הזמן לעבור מהמדע הבסיסי ובמקום זאת למצוא פתרונות לבעיות ממשיות. שתי הגישות תקפות. נכון שיש בעיות הדורשות תשומת לב מיידית אולם כמה פתרונות יימצאו ללא עזרת בסיס הידע הרחב שנוצר באמצעות מדע בסיסי.

          דוגמה אחת לאופן בו מדע בסיסי ושימושי יכולים לפעול יחד לפתרון בעיות מעשיות אירעה לאחר גילוי מבנה ה- DNA הוביל להבנה של המנגנונים המולקולריים המסדירים את שכפול ה- DNA. קווצות DNA, ייחודיות בכל אדם, נמצאות בתאים שלנו, שם הן מספקות את ההנחיות הדרושות לחיים. במהלך שכפול ה- DNA, ה- DNA עושה עותקים חדשים של עצמו, זמן קצר לפני שהתא מתחלק. הבנת מנגנוני שכפול ה- DNA אפשרה למדענים לפתח טכניקות מעבדה המשמשות כעת לזיהוי מחלות גנטיות. ללא מדע בסיסי, אין זה סביר שמדע יישומי יתקיים.

          דוגמה נוספת לקשר בין מחקר בסיסי למחקר יישומי הוא פרויקט הגנום האנושי, מחקר שבו כל כרומוזום אנושי נותח ומיפה כדי לקבוע את הרצף המדויק של יחידות משנה של DNA ואת המיקום המדויק של כל גן. (הגן הוא יחידת התורשה הבסיסית שאוסף הגנים המלא של הפרט הוא הגנום שלו.) אורגניזמים אחרים פחות מורכבים נחקרו גם הם במסגרת פרויקט זה על מנת להשיג הבנה טובה יותר של הכרומוזומים האנושיים. פרויקט הגנום האנושי (איור 1.9) הסתמך על מחקר בסיסי שנערך עם אורגניזמים פשוטים, ומאוחר יותר, על הגנום האנושי. מטרת סיום חשובה הפכה בסופו של דבר לשימוש בנתונים למחקר יישומי, לחיפוש תרופות ואבחונים מוקדמים למחלות הקשורות לגנטיקה.

          בעוד שמאמצי המחקר הן במדעי היסוד והן במדע היישומי מתוכננים בדרך כלל בקפידה, חשוב לציין שחלק מהתגליות מתבצעות בשגרה, כלומר באמצעות תאונה בר מזל או הפתעת מזל. פניצילין התגלה כאשר הביולוג אלכסנדר פלמינג השאיר בטעות מנת פטרי של סטפילוקוקוס חיידקים פתוחים. תבנית לא רצויה גדלה על המנה והורגת את החיידקים. התבנית התגלתה ככזו פניציליום, והתגלתה אנטיביוטיקה חדשה. אפילו בעולם המדע המאורגן ביותר, המזל - בשילובו עם נפש שומרת, סקרן - יכול להוביל לפריצות דרך בלתי צפויות.

          דיווח על עבודה מדעית

          בין אם מחקר מדעי הוא מדע בסיסי או מדע יישומי, מדענים חייבים לשתף את ממצאיהם על מנת שחוקרים אחרים יוכלו להתרחב ולהתבסס על תגליותיהם. שיתוף פעולה עם מדענים אחרים - בעת תכנון, ביצוע וניתוח תוצאות - כולם חשובים למחקר מדעי. מסיבה זו, היבטים חשובים בעבודתו של מדען הם תקשורת עם עמיתים והפצת תוצאות לעמיתים. מדענים יכולים לשתף תוצאות על ידי הצגתם בפגישה או בכנס מדעי, אך גישה זו יכולה להגיע רק למעטים הנבחרים הנוכחים. במקום זאת, רוב המדענים מציגים את תוצאותיהם בכתבי יד שנבדקו על ידי עמיתים המתפרסמים בכתבי עת מדעיים. כתבי יד שנבדקו על ידי עמיתים הם מאמרים מדעיים הנבדקים על ידי עמיתיו או עמיתיו של מדען. עמיתים אלה הם אנשים מוסמכים, לרוב מומחים באותו תחום מחקר, השופטים אם עבודתו של המדען מתאימה לפרסום או לא. תהליך סקירת העמיתים מסייע להבטיח שהמחקר המתואר במאמר מדעי או בהצעת מענק יהיה מקורי, משמעותי, הגיוני ויסודי. הצעות מענקים, שהן בקשות למימון מחקר, נתונות גם הן לביקורת עמיתים. מדענים מפרסמים את עבודתם כדי שמדענים אחרים יוכלו לשחזר את הניסויים שלהם בתנאים דומים או שונים כדי להרחיב את הממצאים. תוצאות הניסוי חייבות להיות תואמות את ממצאיהם של מדענים אחרים.

          מאמר מדעי שונה מאוד מכתיבה יצירתית. למרות שנדרשת יצירתיות לעיצוב ניסויים, ישנן קווים מנחים קבועים בכל הנוגע להצגת תוצאות מדעיות. ראשית, הכתיבה המדעית חייבת להיות קצרה, תמציתית ומדויקת. מאמר מדעי צריך להיות תמציתי אך מפורט מספיק כדי לאפשר לעמיתים לשחזר את הניסויים.

          המאמר המדעי מורכב מכמה קטעים ספציפיים - מבוא, חומרים ושיטות, תוצאות ודיון. מבנה זה נקרא לעתים פורמט "IMRaD". בדרך כלל ישנם קטעי הכרה והתייחסות וכן תקציר (סיכום תמציתי) בתחילת המאמר. ייתכנו קטעים נוספים בהתאם לסוג העיתון ולכתב העת שבו הוא יתפרסם, למשל, חלק ממאמרי הביקורת דורשים מתווה.

          ההקדמה מתחילה במידע רקע קצר, אך רחב, על מה שידוע בתחום. הקדמה טובה גם נותנת את הרציונל של העבודה היא מצדיקה את העבודה שבוצעה וגם מזכירה בקצרה את סוף המאמר, שם תוצג ההשערה או שאלת המחקר המניעה את המחקר. ההקדמה מתייחסת לעבודות המדעיות שפורסמו של אחרים ולכן דורשת ציטוטים בהתאם לסגנון כתב העת. שימוש ביצירה או ברעיונות של אחרים ללא ציטוט מתאים נחשב לגניבה.

          סעיף החומרים והשיטות כולל תיאור מלא ומדויק של החומרים בהם נעשה שימוש, והשיטה והטכניקות בהן השתמשו החוקרים לאיסוף נתונים. התיאור צריך להיות יסודי מספיק כדי לאפשר לחוקר אחר לחזור על הניסוי ולהשיג תוצאות דומות, אך הוא אינו חייב להיות מפורט. חלק זה יכלול גם מידע על אופן ביצוע המדידות ועל אילו סוגי חישובים וניתוחים סטטיסטיים שימשו לבחינת נתונים גולמיים. למרות שקטע החומרים והשיטות נותן תיאור מדויק של הניסויים, הוא אינו דן בהם.

          כמה כתבי עת דורשים קטע תוצאות ואחריו קטע דיון, אך מקובל יותר לשלב את שניהם. אם כתב העת אינו מאפשר שילוב של שני הסעיפים, סעיף התוצאות פשוט מספר את הממצאים ללא כל פרשנות נוספת. התוצאות מוצגות באמצעות טבלאות או גרפים, אך אין להציג מידע כפול. בחלק הדיון, החוקר יפרש את התוצאות, יתאר כיצד משתנים עשויים להיות קשורים, וינסה להסביר את התצפיות. חיוני לערוך חיפוש ספרותי נרחב כדי לשים את התוצאות בהקשר של מחקר מדעי שפורסם בעבר. לכן, ציטוטים נאותים כלולים גם בסעיף זה.

          לבסוף, חלק המסקנה מסכם את חשיבות הממצאים הניסיוניים. בעוד שהמאמר המדעי כמעט ודאי ענה על שאלה מדעית אחת או יותר שנאמרו, כל מחקר טוב צריך להוביל ליותר שאלות. לכן, מאמר מדעי שעשה היטב משאיר דלתות פתוחות בפני החוקר ואחרים להמשיך ולהרחיב את הממצאים.

          מאמרי סקירה אינם עוקבים אחר פורמט IMRAD מכיוון שהם אינם מציגים ממצאים מדעיים מקוריים, או ספרות ראשית במקום זאת, הם מסכמים ומגיבים על ממצאים שפורסמו כספרות ראשונית וכוללים בדרך כלל קטעי עזר נרחבים.


          פָּלֵאוֹנטוֹלוֹגִיָה

          חוקרים עובדים על חפירת מאובני דינוזאורים באתר בקסטלון שבספרד.

          הביולוגיה היא שיא ההישגים של מדעי הטבע מראשיתם ועד היום. באופן מרגש, ערש המדעים המתפתחים כגון הביולוגיה של פעילות המוח, הנדסה גנטית של אורגניזמים מותאמים אישית וביולוגיה של האבולוציה היא שמשתמשת בכלים המעבדה של הביולוגיה המולקולרית כדי לחזור על שלבי החיים המוקדמים ביותר על פני כדור הארץ. סריקה של כותרות חדשות-בין אם דיווח על חיסונים, מין שהתגלה לאחרונה, סימום ספורט או מזון מהונדס גנטית-מדגים את האופן שבו הביולוגיה פעילה וחשובה לעולם היומיומי שלנו.