Biyoloji

Biyoloji ya da dirimbilimi, canlıları inceleyen bilim dalı. Biyoloji ya da dirimbilimi ile ilgilenen bilim insanına biyolog ya da dirimbilimci denir. ⓘ

Biyologlar, tüm canlıları; tüm gezegeni kaplayan küresel boyuttan, hücre ve molekülleri kapsayan mikroskobik boyuta kadar onları etkileyen önemli dinamik olaylarla birlikte inceleyen, biyoloji bilimiyle uğraşan kişilerdir. Birçok süreci bünyesinde barındıran hayati süreçlerden bazıları; enerji ve maddenin işlenmesi, vücudu oluşturan maddelerin sentezlenmesi, yaraların iyileşmesi ve tüm organizmanın çoğalmasıdır. ⓘ

Hayatın gizemleri, tarihteki tüm insanları etkilediğinden; insanın fiziksel yapısı, bitkiler ve hayvanlar hakkındaki araştırmalar tüm toplumların tarihlerinde yer bulur. Bu ilginin bir kısmı, insanların hayata hükmetme ve doğal kaynakları kullanma isteğinden gelmektedir. Soruların peşinden koşmak, insanlara, organizmaların yapıları hakkında bilgi kazandırmış ve yaşam standartları zamanla yükselmiştir. İlginin diğer kısmı ise, doğayı kontrol etme isteğinden çok, onu anlama isteğinden gelmektedir. Bu araştırmaların ilerletilmesi, bizim dünya hakkındaki düşüncelerimizi değiştirmiştir. ⓘ

Biyolojinin botanik, zooloji ve tıp gibi birçok dalı, eskidir. Bunları tek bir kategori altında toplayan "biyoloji" ise, ancak 19. yüzyılda ortaya çıkmıştır. Bu bilimin gelişmesiyle, bilim insanları, bütün yaşayan varlıkların, ortak bazı özellikler taşıdıklarını anlamışlardır. Bu nedenle de varlıkların bir bütün içerisinde incelenmesinin yararlarını kavramışlardır. Biyoloji, günümüzde, en önemli bilim dallarından biridir: Tüm yeryüzündeki biyoloji ve tıp dergilerinde, yıllık bir milyon makaleden fazla yayımlanmaktadır. Aynı zamanda, biyoloji, yeryüzündeki tüm okullarda öğretilen ana derslerden biridir. ⓘ

Biyoloji, bu kadar fazla konuyu kendi kapsamı altında topladığı için birçok dallara bölünmüştür. Organizma türüne göre bu bilim dalını bölen yöntem; bitkileri inceleyen botanik, Hayvanları inceleyen zooloji ve son olarak da mikroorganizmaları inceleyen mikrobiyolojiyi ana dallar olarak alır. Bazı bölme yöntemleri ise, incelenen organizmaların derecesine göre bu ayrımı yapmaktadır: Bu sistem; hayatın temel kimyasını inceleyen moleküler biyolojiyi, hayatın temel yapı taşları olan hücreleri inceleyen hücre biyolojisini, organizmaların iç organlarının çalışmasını inceleyen fizyolojiyi, organizmaların dış görünüşlerini inceleyen morfolojiyi ve organizmaların birbirleri ve çevreyle ilişkilerini inceleyen ekolojiyi, biyolojinin anaimesi, Yunanca hayat anlamına gelen βίος (bios)'la, 'incelemesi' anlamına gelen λόγος (logos)'un, birleşmesiyle oluşmuştur. Göründüğü kadarıyla kelime, günümüzde kullanılan anlamıyla ilk defa, Gottfried Reinhold Treviranus'un Biologie oder Philosophie der lebenden Natur'unda (Biyoloji ya da yaşayan Doğanın Felsefesi) (1802) ve Jean-Baptiste Lamarck'ın Hydrogéologie'sinde (Hidroloji) (1802) kullanılmıştır. Kelimenin kendisi ise 1800'de Karl Friedrich Burdach'a atfedilse de, kelime Michael Christoph Hanov'un 1766'da basılan Üçüncü Cilt'inde, Philosophiae naturalis sive physicae dogmaticae: Geologia, biologia, phytologia generalis et dendrologia başlığıyla yer bulmuştur. ⓘ

Biyoloji, yaşamın incelenmesi ile ilgilenir.

• Üstte: E. coli bakterisi ve ceylan
• Altta: Goliath böceği ve ağaç eğrelti otu ⓘ

Biyoloji, yaşamın bilimsel olarak incelenmesidir. Geniş bir kapsama sahip bir doğa bilimidir ancak onu tek ve tutarlı bir alan olarak birbirine bağlayan birkaç birleştirici teması vardır. Örneğin, tüm organizmalar, gelecek nesillere aktarılabilen genlerde kodlanmış kalıtsal bilgileri işleyen hücrelerden oluşur. Bir diğer ana tema ise yaşamın birliğini ve çeşitliliğini açıklayan evrimdir. Enerji işleme, organizmaların hareket etmesine, büyümesine ve çoğalmasına izin verdiği için yaşam için de önemlidir. Son olarak, tüm organizmalar kendi iç ortamlarını düzenleyebilmektedir. ⓘ

Biyologlar, bir hücrenin moleküler biyolojisinden bitki ve hayvanların anatomi ve fizyolojisine ve popülasyonların evrimine kadar yaşamı çoklu organizasyon seviyelerinde inceleyebilmektedir. Bu nedenle, biyoloji içinde her biri araştırma sorularının doğası ve kullandıkları araçlarla tanımlanan çok sayıda alt disiplin vardır. Diğer bilim insanları gibi biyologlar da gözlem yapmak, sorular sormak, hipotezler üretmek, deneyler yapmak ve çevrelerindeki dünya hakkında sonuçlar çıkarmak için bilimsel yöntemi kullanırlar. ⓘ

Dünya üzerinde 3,7 milyar yıldan daha uzun bir süre önce ortaya çıkan yaşam son derece çeşitlidir. Biyologlar, arkea ve bakteriler gibi prokaryotik organizmalardan protistler, mantarlar, bitkiler ve hayvanlar gibi ökaryotik organizmalara kadar çeşitli yaşam biçimlerini incelemeye ve sınıflandırmaya çalışmışlardır. Bu çeşitli organizmalar, biyofiziksel çevreleri aracılığıyla besin ve enerji döngüsünde özel roller oynadıkları bir ekosistemin biyolojik çeşitliliğine katkıda bulunurlar. ⓘ

Etimoloji

Biyoloji, Eski Yunanca'da 'yaşam' anlamına gelen βίος; romanize bíos ve 'çalışma dalı' ya da 'konuşmak' anlamına gelen -λογία; romanize -logía kelimelerinden türemiştir. Bunlar birleştiğinde Yunanca βιολογία 'biyoloji' anlamına gelen romanize biología kelimesini oluşturur. Buna rağmen, βιολογία terimi bir bütün olarak Antik Yunanca'da mevcut değildi. Onu ilk ödünç alan İngilizler ve Fransızlar olmuştur (biologie). Tarihsel olarak İngilizce'de biyoloji için başka bir terim vardı, lifelore; bugün nadiren kullanılmaktadır. ⓘ

Terimin Latince formu ilk kez 1736 yılında İsveçli bilim adamı Carl Linnaeus'un (Carl von Linné) Bibliotheca Botanica adlı eserinde biologi terimini kullanmasıyla ortaya çıkmıştır. Yine 1766 yılında Christian Wolff'un öğrencisi Michael Christoph Hanov tarafından Philosophiae naturalis sive physicae: tomus III, continens geologian, biologian, phytologian generalis adlı eserde kullanılmıştır. İlk Almanca kullanım olan Biologie, Linnaeus'un eserinin 1771 tarihli bir çevirisinde yer almıştır. 1797'de Theodor Georg August Roose bu terimi Grundzüge der Lehre van der Lebenskraft adlı kitabının önsözünde kullanmıştır. Karl Friedrich Burdach bu terimi 1800 yılında daha kısıtlı bir anlamda, insanın morfolojik, fizyolojik ve psikolojik açıdan incelenmesi anlamında kullanmıştır (Propädeutik zum Studien der gesammten Heilkunst). Terim, Gottfried Reinhold Treviranus'un altı ciltlik Biologie, oder Philosophie der lebenden Natur (1802-22) adlı eseriyle modern kullanımına kavuşmuştur:

Araştırmamızın nesneleri, yaşamın farklı biçimleri ve tezahürleri, bu fenomenlerin meydana geldiği koşullar ve yasalar ve etkilendikleri nedenler olacaktır. Bu nesnelerle ilgilenen bilime biyoloji [Biologie] ya da yaşam doktrini [Lebenslehre] adını vereceğiz.

Biyolojide bitkileri, hayvanları, hastalıkları ve ilaçları tanımlamak için kullanılan diğer birçok terim, Antik Yunan ve Roma uygarlıklarının tarihsel katkıları ve bu iki dilin Orta Çağ boyunca ve Rönesans'ın başlangıcında Avrupa üniversitelerinde kullanılmaya devam etmesi nedeniyle Yunanca ve Latince'den türetilmiştir. ⓘ

Tarih

Robert Hooke'un yenilikçi Micrographia'sından bir sinek diyagramı, 1665 ⓘ

Tıbbı da içeren bilimin en eski kökleri M.Ö. 3000 ila 1200 yıllarında eski Mısır ve Mezopotamya'ya kadar uzanmaktadır. Onların katkıları daha sonra klasik antik Yunan doğa felsefesine girmiş ve onu şekillendirmiştir. Aristoteles (M.Ö. 384-322) gibi Antik Yunan filozofları biyolojik bilginin gelişimine büyük katkıda bulunmuştur. Hayvanların Tarihi gibi eserleri, natüralist eğilimlerini ve daha sonra biyolojik nedenselliğe ve yaşamın çeşitliliğine odaklanan daha ampirik çalışmalarını ortaya koydukları için özellikle önemliydi. Aristoteles'in Lyceum'daki halefi Theophrastus, botanik üzerine bir dizi kitap yazmış ve bu kitaplar Ortaçağ'da bile bitki bilimlerine antik çağın en önemli katkısı olarak varlığını sürdürmüştür. ⓘ

Ortaçağ İslam dünyasında biyoloji üzerine yazan âlimler arasında Cahız (781-869), botanik üzerine yazan Dîneverî (828-896) ve anatomi ve fizyoloji üzerine yazan Rhazes (865-925) yer almaktadır. Tıp özellikle Yunan filozof geleneğinde çalışan İslam âlimleri tarafından iyi çalışılmış, doğa tarihi ise özellikle sabit bir yaşam hiyerarşisini savunurken büyük ölçüde Aristotelesçi düşünceye dayanmıştır. ⓘ

Biyoloji, Anton van Leeuwenhoek'un mikroskobu dramatik bir şekilde geliştirmesiyle hızla gelişmeye ve büyümeye başladı. O zaman bilim adamları spermatozoa, bakteri, infusoria ve mikroskobik yaşamın çeşitliliğini keşfetti. Jan Swammerdam'ın araştırmaları entomolojiye yeni bir ilgi duyulmasına yol açtı ve mikroskobik diseksiyon ve boyamanın temel tekniklerinin geliştirilmesine yardımcı oldu. ⓘ

Mikroskopi alanındaki gelişmelerin de biyolojik düşünce üzerinde derin bir etkisi olmuştur. 19. yüzyılın başlarında, bir dizi biyolog hücrenin merkezi önemine işaret etmiştir. Daha sonra, 1838'de Schleiden ve Schwann, (1) organizmaların temel biriminin hücre olduğu ve (2) tek tek hücrelerin yaşamın tüm özelliklerine sahip olduğu yönündeki evrensel fikirleri desteklemeye başladılar, ancak (3) tüm hücrelerin diğer hücrelerin bölünmesinden meydana geldiği fikrine karşı çıktılar. Bununla birlikte, Robert Remak ve Rudolf Virchow üçüncü ilkeyi somutlaştırmayı başardılar ve 1860'lara gelindiğinde çoğu biyolog hücre teorisinde birleşen üç ilkeyi de kabul etti. ⓘ

Bu arada, taksonomi ve sınıflandırma doğa tarihçilerinin odak noktası haline geldi. Carl Linnaeus 1735 yılında doğal dünya için temel bir taksonomi yayınladı (varyasyonları o zamandan beri kullanılmaktadır) ve 1750'lerde tüm türleri için bilimsel isimler ortaya koydu. Georges-Louis Leclerc, Comte de Buffon, türleri yapay kategoriler olarak ve canlı formları da şekillendirilebilir olarak ele almış, hatta ortak soy olasılığını öne sürmüştür. Evrime karşı olmasına rağmen Buffon, evrimsel düşünce tarihinde kilit bir figürdür; çalışmaları hem Lamarck hem de Darwin'in evrim teorilerini etkilemiştir. ⓘ

Charles Darwin 1842'de Türlerin Kökeni Üzerine'nin ilk taslağını kaleme aldı. ⓘ

Ciddi evrimsel düşünce, tutarlı bir evrim teorisi sunan ilk kişi olan Jean-Baptiste Lamarck'ın çalışmalarıyla ortaya çıkmıştır. Lamarck, evrimin hayvanların özellikleri üzerindeki çevresel baskının bir sonucu olduğunu, yani bir organ ne kadar sık ve titizlikle kullanılırsa o kadar karmaşık ve verimli hale geleceğini ve böylece hayvanın çevresine uyum sağlayacağını ileri sürmüştür. Lamarck, edinilen bu özelliklerin daha sonra bunları geliştirip mükemmelleştirecek olan hayvanın yavrularına aktarılabileceğine inanıyordu. Ancak, Humboldt'un biyocoğrafi yaklaşımını, Lyell'in tekdüze jeolojisini, Malthus'un nüfus artışı üzerine yazılarını ve kendi morfolojik uzmanlığını ve kapsamlı doğa gözlemlerini birleştirerek doğal seçilime dayalı daha başarılı bir evrim teorisi oluşturan İngiliz doğa bilimci Charles Darwin oldu; benzer akıl yürütme ve kanıtlar Alfred Russel Wallace'ın bağımsız olarak aynı sonuçlara ulaşmasını sağladı. Darwin'in doğal seçilim yoluyla evrim teorisi bilim camiasında hızla yayıldı ve kısa sürede hızla gelişen biyoloji biliminin temel aksiyomu haline geldi. ⓘ

Modern genetiğin temeli, Gregor Mendel'in 1865'te biyolojik kalıtım ilkelerini ana hatlarıyla ortaya koyan ve modern genetiğin temelini oluşturan "Versuche über Pflanzenhybriden" ("Bitki Hibridizasyonu Üzerine Deneyler") adlı makalesini sunmasıyla başladı. Ancak çalışmalarının önemi, modern sentezin Darwinci evrim ile klasik genetiği uzlaştırmasıyla evrimin birleşik bir teori haline geldiği 20. yüzyılın başlarına kadar anlaşılamadı. 1940'larda ve 1950'lerin başında Alfred Hershey ve Martha Chase tarafından yapılan bir dizi deney, genler olarak bilinen özellik taşıyıcı birimleri barındıran kromozomların bileşeni olarak DNA'ya işaret etti. James Watson ve Francis Crick'in 1953'te DNA'nın çift sarmal yapısını keşfetmeleriyle birlikte virüsler ve bakteriler gibi yeni tür model organizmalara odaklanılması, moleküler genetik çağına geçişi işaret etmiştir. 1950'lerden itibaren biyoloji, moleküler alanda büyük ölçüde genişlemiştir. DNA'nın kodonlar içerdiği anlaşıldıktan sonra genetik kod Har Gobind Khorana, Robert W. Holley ve Marshall Warren Nirenberg tarafından kırılmıştır. Son olarak, 1990 yılında genel insan genomunun haritasını çıkarmak amacıyla İnsan Genomu Projesi başlatıldı. Bu proje esasen 2003 yılında tamamlanmış olup, daha ileri analizler halen yayınlanmaktadır. İnsan Genom Projesi, birikmiş biyoloji bilgisini insan vücudunun ve diğer organizmaların vücutlarının işlevsel, moleküler bir tanımına dahil etmeye yönelik küresel bir çabanın ilk adımıydı. ⓘ

Kimyasal temel

Atomlar ve moleküller

Bohr atom modelinde elektronlar (mavi nokta) bir atom çekirdeğinin (kırmızı dolu daire) etrafında belirli atomik orbitallerde (gri boş daireler) yörüngeye girerler. ⓘ

Tüm organizmalar maddeden ve tüm maddeler de elementlerden oluşur. Oksijen, karbon, hidrojen ve nitrojen tüm organizmaların %96'sını oluşturan dört elementtir; kalsiyum, fosfor, sülfür, sodyum, klor ve magnezyum ise geri kalan %3,7'lik kısmı oluşturur. Farklı elementler birleşerek yaşam için temel olan su gibi bileşikler oluşturabilir. Dünya üzerindeki yaşam sudan başlamış ve karaya göç etmeden önce yaklaşık üç milyar yıl boyunca orada kalmıştır. Madde katı, sıvı ya da gaz olarak farklı hallerde bulunabilir. ⓘ

Bir elementin en küçük birimi, Bohr modelinde tanımlandığı gibi bir atom çekirdeği ve çekirdeğin etrafında hareket eden bir veya daha fazla elektrondan oluşan bir atomdur. Çekirdek bir veya daha fazla proton ve bir dizi nötrondan oluşur. Protonlar pozitif elektrik yüküne sahiptir, nötronlar elektriksel olarak nötrdür ve elektronlar negatif elektrik yüküne sahiptir. Eşit sayıda proton ve elektrona sahip atomlar elektriksel olarak nötrdür. Her bir elementin atomu, atom numarası olarak bilinen benzersiz bir proton sayısı içerir ve protonları ile nötronlarının toplamı bir atomun kütle numarasıdır. Tek tek protonların, nötronların ve elektronların kütleleri gram veya Dalton (Da) cinsinden ölçülebilir ve her proton veya nötronun kütlesi 1 Da'ya yuvarlanır. Belirli bir elementin tüm atomları aynı sayıda protona sahip olsa da, nötron sayıları farklı olabilir ve böylece izotoplar olarak var olabilirler. Örneğin karbon, kararlı bir izotop (karbon-12 veya karbon-13) veya radyoaktif bir izotop (karbon-14) olarak var olabilir; bunlardan ikincisi, organik malzemelerin yaşını belirlemek için radyometrik tarihlendirmede (özellikle radyokarbon tarihlendirme) kullanılabilir. ⓘ

Tek tek atomlar, moleküller ve iyonik bileşikler oluşturmak için kimyasal bağlarla bir arada tutulabilir. Yaygın kimyasal bağ türleri arasında iyonik bağlar, kovalent bağlar ve hidrojen bağları bulunur. İyonik bağ, zıt yüklü iyonlar arasındaki veya keskin bir şekilde farklı elektronegatifliklere sahip iki atom arasındaki elektrostatik çekimi içerir ve iyonik bileşiklerde meydana gelen birincil etkileşimdir. İyonlar, elektrostatik yüke sahip atomlardır (veya atom gruplarıdır). Elektron kazanan atomlar negatif yüklü iyonlar (anyonlar olarak adlandırılır) oluştururken, elektron kaybedenler pozitif yüklü iyonlar (katyonlar olarak adlandırılır) oluşturur. ⓘ

İyonik bağlardan farklı olarak kovalent bağ, atomlar arasında elektron çiftlerinin paylaşımını içerir. Bu elektron çiftleri ve elektronları paylaştıklarında atomlar arasındaki çekici ve itici kuvvetlerin kararlı dengesi kovalent bağ olarak bilinir. ⓘ

Hidrojen bağı, öncelikle oksijen gibi daha elektronegatif bir atom veya gruba kovalent olarak bağlı olan bir hidrojen atomu arasındaki elektrostatik çekim kuvvetidir. Hidrojen bağının her yerde rastlanan bir örneği su molekülleri arasında bulunur. Ayrık bir su molekülünde iki hidrojen atomu ve bir oksijen atomu vardır. İki su molekülü aralarında bir hidrojen bağı oluşturabilir. Sıvı suda olduğu gibi daha fazla molekül mevcut olduğunda, daha fazla bağ mümkündür çünkü bir su molekülünün oksijeni, her biri başka bir su molekülü üzerindeki bir hidrojenle hidrojen bağı oluşturabilen iki yalnız elektron çiftine sahiptir. ⓘ

Su

Su molekülleri arasındaki hidrojen bağları modeli (1) ⓘ

Yaşam, yaklaşık 3,8 milyar yıl önce oluşan Dünya'nın ilk okyanusundan ortaya çıktı. O zamandan beri su, her organizmada en bol bulunan molekül olmaya devam etmektedir. Su, sulu bir çözelti oluşturmak için sodyum ve klorür iyonları veya diğer küçük moleküller gibi çözünen maddeleri çözebilen etkili bir çözücü olduğu için yaşam için önemlidir. Suda çözündükten sonra, bu çözünen maddelerin birbirleriyle temas etme olasılığı daha yüksektir ve bu nedenle yaşamı sürdüren kimyasal reaksiyonlarda yer alırlar. ⓘ

Moleküler yapısı bakımından su, iki hidrojen (H) atomunun bir oksijen (O) atomuna (H₂O) polar kovalent bağlarla bağlanmasıyla oluşan bükülmüş bir şekle sahip küçük bir polar moleküldür. O-H bağları polar olduğundan, oksijen atomu hafif bir negatif yüke ve iki hidrojen atomu hafif bir pozitif yüke sahiptir. Suyun bu polar özelliği, hidrojen bağları yoluyla diğer su moleküllerini çekmesini sağlar ve bu da suyu yapışkan hale getirir. Yüzey gerilimi, sıvı yüzeyindeki moleküller arasındaki çekimden kaynaklanan kohezif kuvvetten kaynaklanır. Su aynı zamanda polar veya yüklü su dışı moleküllerin yüzeyine yapışabildiği için yapışkandır. ⓘ

Su, sıvı olarak katı (veya buz) olduğundan daha yoğundur. Suyun bu benzersiz özelliği, buzun göletler, göller ve okyanuslar gibi sıvı suyun üzerinde yüzmesine ve böylece aşağıdaki sıvıyı yukarıdaki soğuk havadan yalıtmasına olanak tanır. Buzun sıvı suya kıyasla daha düşük yoğunluğu, buzun kristal kafes yapısını oluşturan ve su molekülleri arasında büyük miktarda boşluk bırakan daha az sayıda su molekülünden kaynaklanmaktadır. Buna karşılık, sıvı suda kristal kafes yapısı yoktur, bu da daha fazla su molekülünün aynı miktarda hacim kaplamasına izin verir. ⓘ

Su aynı zamanda enerjiyi emme kapasitesine sahiptir, bu da ona etanol gibi diğer çözücülerden daha yüksek bir özgül ısı kapasitesi verir. Bu nedenle, sıvı suyu gaza (veya su buharına) dönüştürmek için su molekülleri arasındaki hidrojen bağlarını kırmak için büyük miktarda enerji gerekir. ⓘ

Bir molekül olarak su tamamen kararlı değildir, çünkü her bir su molekülü tekrar bir su molekülüne dönüşmeden önce sürekli olarak hidrojen ve hidroksil iyonlarına ayrışır. Saf suda, hidrojen iyonlarının sayısı hidroksil iyonlarının sayısını dengeler (veya eşitler), bu da nötr bir pH ile sonuçlanır. Hidrojen iyonları hidroksil iyonlarından fazla olsaydı, çözeltinin pH'ı asidik olurdu. Tersine, hidroksil iyonları hidrojen iyonlarını aşarsa çözeltinin pH'ı bazik olur. ⓘ

Organik bileşikler

Glikoz gibi organik bileşikler organizmalar için hayati öneme sahiptir. ⓘ

Organik bileşikler, hidrojen gibi başka bir elemente bağlı karbon içeren moleküllerdir. Su haricinde, her organizmayı oluşturan neredeyse tüm moleküller karbon içerir. Karbonun altı elektronu vardır, bunlardan ikisi birinci kabuğunda bulunur ve değerlik kabuğunda dört elektron bırakır. Böylece karbon, diğer dört atomla kovalent bağlar oluşturabilir ve bu da onu çeşitli, büyük ve karmaşık moleküller oluşturabildiği için Dünya üzerindeki en çok yönlü atom haline getirir. Örneğin, tek bir karbon atomu metanda olduğu gibi dört tek kovalent bağ, karbondioksitte (CO₂) olduğu gibi iki çift kovalent bağ veya karbon monoksitte (CO) olduğu gibi üçlü kovalent bağ oluşturabilir. Ayrıca karbon, oktan gibi birbirine bağlı karbon-karbon bağlarından oluşan çok uzun zincirler veya glikoz gibi halka benzeri yapılar oluşturabilir. ⓘ

Organik bir molekülün en basit şekli, bir karbon atomu zincirine bağlanmış hidrojen atomlarından oluşan geniş bir organik bileşik ailesi olan hidrokarbondur. Bir hidrokarbon omurgası, oksijen (O), hidrojen (H), fosfor (P) ve kükürt (S) gibi diğer elementlerle ikame edilebilir ve bu da o bileşiğin kimyasal davranışını değiştirebilir. Bu elementleri (O-, H-, P- ve S-) içeren ve merkezi bir karbon atomuna veya iskeletine bağlanmış atom gruplarına fonksiyonel gruplar denir. Organizmalarda bulunabilen altı önemli fonksiyonel grup vardır: amino grubu, karboksil grubu, karbonil grubu, hidroksil grubu, fosfat grubu ve sülfhidril grubu. ⓘ

1953 yılında Stanley Miller ve Harold Urey, organik bileşiklerin erken Dünya koşullarını taklit eden kapalı bir sistem içinde abiyotik olarak sentezlenebileceğini gösteren klasik bir deney (Miller-Urey deneyi olarak da bilinir) gerçekleştirerek, karmaşık organik moleküllerin erken Dünya'da, büyük olasılıkla volkanların yakınında kendiliğinden ortaya çıkmış olabileceği ve abiyogenezin (veya yaşamın kökeni) erken aşamalarının bir parçası olabileceği sonucuna varmışlardır. ⓘ

Makromoleküller

Bir fosfolipid çift tabaka, hidrofilik kuyrukları içe bakan ve hidrofobik başları dışa bakan iki bitişik fosfolipid tabakasından oluşur. ⓘ

Makromoleküller, bir araya gelen daha küçük moleküler alt birimlerden oluşan büyük moleküllerdir. Şekerler, amino asitler ve nükleotidler gibi küçük moleküller, yoğunlaşma adı verilen kimyasal bir süreç yoluyla polimer adı verilen zincir benzeri moleküller oluşturmak için monomer adı verilen tek tekrarlayan birimler olarak hareket edebilir. Örneğin, amino asitler polipeptitleri oluşturabilirken, nükleotitler nükleik asit ipliklerini oluşturabilir. Polimerler, tüm organizmalarda bulunan dört makromolekülden (polisakkaritler, lipitler, proteinler ve nükleik asitler) üçünü oluşturur. Bu makromoleküllerin her biri, herhangi bir hücre içinde özel bir rol oynar. ⓘ

Karbonhidratlar (veya şeker) (CH₂O)n moleküler formülüne sahip moleküllerdir, n karbon-hidrat gruplarının sayısıdır. Monosakkaritler (monomer), oligosakkaritler (küçük polimerler) ve polisakkaritler (büyük polimerler) içerirler. Monosakkaritler, bir tür kovalent bağ olan glikozidik bağlarla birbirine bağlanabilir. Glikoz ve fruktoz gibi iki monosakkarit birbirine bağlandığında, sükroz gibi bir disakkarit oluşturabilirler. Birçok monosakkarit birbirine bağlandığında, monosakkarit sayısına bağlı olarak bir oligosakkarit veya bir polisakkarit oluşturabilirler. Polisakkaritler işlev bakımından farklılık gösterebilir. Glikoz gibi monosakkaritler bir enerji kaynağı olabilir ve bazı polisakkaritler, hücrelere şeker sağlamak için hidrolize edilebilen depolama malzemesi olarak hizmet edebilir. ⓘ

Lipidler, polimerlerden oluşmayan tek makromolekül sınıfıdır. Biyolojik açıdan en önemli lipidler steroidler, fosfolipidler ve yağlardır. Bu lipidler büyük ölçüde polar olmayan ve hidrofobik olan organik bileşiklerdir. Steroidler dört kaynaşmış halkadan oluşan organik bileşiklerdir. Fosfolipidler, bir fosfat grubuna bağlı gliserol ve iki hidrokarbon zincirinden (veya yağ asitlerinden) oluşur. Gliserol ve fosfat grubu birlikte molekülün polar ve hidrofilik (veya baş) bölgesini oluştururken, yağ asitleri polar olmayan ve hidrofobik (veya kuyruk) bölgeyi oluşturur. Bu nedenle, fosfolipidler su içindeyken, hidrofobik baş kısımlarının su molekülleriyle etkileşime girmek için dışa dönük olduğu bir fosfolipid çift tabaka oluşturma eğilimindedir. Tersine, hidrofobik kuyruklar su ile temastan kaçınmak için diğer hidrofobik kuyruklara doğru içe bakar. ⓘ

Bir hemoglobin proteininin (a) birincil, (b) ikincil, (c) üçüncül ve (d) dördüncül yapıları ⓘ

Proteinler makromoleküllerin en çeşitlileridir ve enzimleri, taşıma proteinlerini, büyük sinyal moleküllerini, antikorları ve yapısal proteinleri içerirler. Bir proteinin temel birimi (veya monomeri), bir hidrojen atomuna kovalent olarak bağlanmış merkezi bir karbon atomuna, bir amino grubuna, bir karboksil grubuna ve bir yan zincire (veya R grubuna, kalıntı için "R") sahip olan bir amino asittir. Proteinlerin yapı taşlarını oluşturan yirmi amino asit vardır ve her amino asidin kendine özgü bir yan zinciri vardır. Yan zincirlerin polaritesi ve yükü amino asitlerin çözünürlüğünü etkiler. Polar ve elektrik yüklü bir yan zincire sahip bir amino asit hidrofilik olduğu için çözünebilirken, yüklü veya elektronegatif bir atom içermeyen bir yan zincire sahip bir amino asit hidrofobiktir ve bu nedenle suda çözünmek yerine birleşme eğilimindedir. Proteinler dört farklı organizasyon seviyesine sahiptir (birincil, ikincil, üçüncül ve dördüncül). Birincil yapı, peptit bağları ile kovalent olarak birbirine bağlanmış benzersiz bir amino asit dizisinden oluşur. Tek tek amino asitlerin yan zincirleri daha sonra birbirleriyle etkileşime girerek bir proteinin ikincil yapısına yol açabilir. İki yaygın ikincil yapı türü alfa sarmalları ve beta tabakalarıdır. Alfa sarmallarının ve beta tabakalarının katlanması bir proteine üç boyutlu veya üçüncül yapısını verir. Son olarak, birden fazla tersiyer yapı birleşerek bir proteinin kuaterner yapısını oluşturabilir. ⓘ

Nükleik asitler, nükleotid adı verilen monomerlerden oluşan polimerlerdir. İşlevleri kalıtsal bilgiyi depolamak, iletmek ve ifade etmektir. Nükleotidler bir fosfat grubu, beş karbonlu bir şeker ve bir azotlu bazdan oluşur. Şeker olarak riboz içeren ribonükleotidler, ribonükleik asidin (RNA) monomerleridir. Buna karşılık deoksiribonükleotidler şeker olarak deoksiriboz içerir ve deoksiribonükleik asidin (DNA) monomerlerini oluşturur. RNA ve DNA ayrıca bazlarından biri bakımından da farklılık gösterir. İki tür baz vardır: pürinler ve pirimidinler. Pürinler guanin (G) ve adenin (A) içerirken pirimidinler sitozin (C), urasil (U) ve timinden (T) oluşur. Urasil RNA'da kullanılırken timin DNA'da kullanılır. Farklı şeker ve bazlar birlikte ele alındığında, iki tür nükleik asit oluşturabilen sekiz farklı nükleotid vardır: DNA (A, G, C ve T) ve RNA (A, G, C ve U). ⓘ

Hücreler

Hücre teorisi, hücrelerin yaşamın temel birimleri olduğunu, tüm canlıların bir veya daha fazla hücreden oluştuğunu ve tüm hücrelerin hücre bölünmesi yoluyla önceden var olan hücrelerden meydana geldiğini belirtir. Çoğu hücre çok küçüktür, çapları 1 ila 100 mikrometre arasında değişir ve bu nedenle yalnızca ışık veya elektron mikroskobu altında görülebilir. Genel olarak iki tür hücre vardır: çekirdek içeren ökaryotik hücreler ve çekirdek içermeyen prokaryotik hücreler. Prokaryotlar bakteri gibi tek hücreli organizmalardır, ökaryotlar ise tek hücreli veya çok hücreli olabilir. Çok hücreli organizmalarda, organizmanın vücudundaki her hücre nihayetinde döllenmiş bir yumurtadaki tek bir hücreden türemiştir. ⓘ

Hücre yapısı

Çeşitli organelleri gösteren bir hayvan hücresinin yapısı ⓘ

Her hücre, sitoplazmasını hücre dışı boşluktan ayıran bir hücre zarı içinde yer alır. Bir hücre zarı, çeşitli sıcaklıklarda akışkanlıklarını korumak için fosfolipidler arasında yer alan kolesteroller de dahil olmak üzere bir lipid çift tabakasından oluşur. Hücre zarları yarı geçirgendir; oksijen, karbondioksit ve su gibi küçük moleküllerin geçmesine izin verirken daha büyük moleküllerin ve iyonlar gibi yüklü parçacıkların hareketini kısıtlar. Hücre zarları ayrıca, zar taşıyıcıları olarak hizmet eden zar boyunca giden integral zar proteinleri ve hücre zarının dış tarafına gevşek bir şekilde bağlanan ve hücreyi şekillendiren enzimler olarak hareket eden periferik proteinler de dahil olmak üzere zar proteinleri içerir. Hücre zarları, hücre yapışması, elektrik enerjisinin depolanması ve hücre sinyalizasyonu gibi çeşitli hücresel süreçlerde yer alır ve hücre duvarı, glikokaliks ve hücre iskeleti gibi çeşitli hücre dışı yapılar için bağlantı yüzeyi görevi görür. ⓘ

Bir bitki hücresinin yapısı ⓘ

Bir hücrenin sitoplazması içinde proteinler ve nükleik asitler gibi birçok biyomolekül bulunur. Biyomoleküllere ek olarak, ökaryotik hücreler, kendi lipid çift tabakalarına sahip olan veya uzamsal olarak birimler olan organel adı verilen özel yapılara sahiptir. Bu organeller, hücrenin DNA'sının çoğunu içeren hücre çekirdeğini veya hücresel süreçlere güç sağlamak için adenozin trifosfat (ATP) üreten mitokondriyi içerir. Endoplazmik retikulum ve Golgi aparatı gibi diğer organeller sırasıyla proteinlerin sentezinde ve paketlenmesinde rol oynar. Proteinler gibi biyomoleküller, bir başka özelleşmiş organel olan lizozomlar tarafından yutulabilir. Bitki hücreleri, bitki hücresine destek sağlayan bir hücre duvarı, şeker üretmek için güneş ışığı enerjisini toplayan kloroplastlar ve bitki tohumlarının çoğaltılması ve parçalanmasında yer almanın yanı sıra depolama ve yapısal destek sağlayan vakuoller gibi onları hayvan hücrelerinden ayıran ek organellere sahiptir. Ökaryotik hücreler ayrıca mikrotübüller, ara filamentler ve mikrofilamentlerden oluşan hücre iskeletine sahiptir; bunların tümü hücreye destek sağlar ve hücre ile organellerinin hareketinde rol oynar. Yapısal bileşimleri açısından mikrotübüller tubulinden (örneğin α-tubulin ve β-tubulin) oluşurken, ara filamentler fibröz proteinlerden oluşur. Mikrofilamentler, diğer protein iplikleriyle etkileşime giren aktin moleküllerinden oluşur. ⓘ

Metabolizma

Enzim katalizli ekzotermik reaksiyon örneği ⓘ

Tüm hücreler, hücresel süreçleri sürdürebilmek için enerjiye ihtiyaç duyar. Enerji, termodinamikte Gibbs serbest enerjisi kullanılarak hesaplanabilen iş yapma kapasitesidir. Termodinamiğin birinci yasasına göre, enerji korunur, yani yaratılamaz veya yok edilemez. Bu nedenle, bir hücredeki kimyasal reaksiyonlar yeni enerji yaratmaz, bunun yerine enerjinin dönüşümü ve transferiyle ilgilidir. Bununla birlikte, tüm enerji transferleri, termodinamiğin ikinci yasasında belirtildiği gibi entropiyi (veya düzensizlik durumunu) artıran bir miktar kullanılabilir enerji kaybına yol açar. Sonuç olarak, bir organizma düşük entropi durumunu korumak için sürekli enerji girişine ihtiyaç duyar. Hücrelerde enerji, redoks (indirgeme-oksidasyon) reaksiyonları sırasında elektron olarak aktarılabilir, kovalent bağlarda depolanabilir ve iyonların (örneğin hidrojen, sodyum, potasyum) bir zar boyunca hareketiyle üretilebilir. ⓘ

Metabolizma, organizmalarda yaşamı sürdüren kimyasal reaksiyonlar bütünüdür. Metabolizmanın üç ana amacı şunlardır: hücresel süreçleri çalıştırmak için gıdanın enerjiye dönüştürülmesi; gıda/yakıtın proteinler, lipitler, nükleik asitler ve bazı karbonhidratlar için yapı taşlarına dönüştürülmesi; ve metabolik atıkların ortadan kaldırılması. Enzim katalizli bu reaksiyonlar organizmaların büyümesini ve çoğalmasını, yapılarını korumasını ve çevrelerine tepki vermesini sağlar. Metabolik reaksiyonlar katabolik - bileşiklerin parçalanması (örneğin, glikozun hücresel solunumla piruvata parçalanması); veya anabolik - bileşiklerin oluşturulması (sentez) (proteinler, karbonhidratlar, lipitler ve nükleik asitler gibi) olarak kategorize edilebilir. Genellikle katabolizma enerji açığa çıkarır ve anabolizma enerji tüketir. ⓘ

Metabolizmanın kimyasal reaksiyonları, bir kimyasalın bir dizi adımla başka bir kimyasala dönüştürüldüğü ve her adımın belirli bir enzim tarafından kolaylaştırıldığı metabolik yollar halinde düzenlenir. Enzimler metabolizma için çok önemlidir, çünkü organizmaların enerji gerektiren ve kendiliğinden gerçekleşmeyecek reaksiyonları, enerji açığa çıkaran spontane reaksiyonlara bağlayarak yürütmelerini sağlarlar. Enzimler, reaktanları ürünlere dönüştürmek için gereken aktivasyon enerjisi miktarını azaltarak katalizör görevi görürler - bir reaksiyonun, reaksiyon tarafından tüketilmeden daha hızlı ilerlemesini sağlarlar. Enzimler ayrıca, örneğin hücrenin çevresindeki değişikliklere veya diğer hücrelerden gelen sinyallere yanıt olarak metabolik bir reaksiyonun hızının düzenlenmesine izin verir. ⓘ

Hücresel solunum

Ökaryotik bir hücrede solunum ⓘ

Hücresel solunum, besinlerden gelen kimyasal enerjiyi adenozin trifosfata (ATP) dönüştürmek ve ardından atık ürünleri serbest bırakmak için organizmaların hücrelerinde gerçekleşen bir dizi metabolik reaksiyon ve süreçtir. Solunumda yer alan reaksiyonlar, büyük molekülleri daha küçük moleküllere ayırarak enerji açığa çıkaran katabolik reaksiyonlardır. Solunum, bir hücrenin hücresel aktiviteyi beslemek için kimyasal enerji açığa çıkarmasının temel yollarından biridir. Genel reaksiyon, bazıları redoks reaksiyonları olan bir dizi biyokimyasal adımda gerçekleşir. Hücresel solunum teknik olarak bir yanma reaksiyonu olsa da, bir dizi reaksiyondan yavaş ve kontrollü enerji salınımı nedeniyle bir hücrede gerçekleştiğinde açıkça bir yanma reaksiyonuna benzemez. ⓘ

Glikoz formundaki şeker, hayvan ve bitki hücreleri tarafından solunumda kullanılan ana besindir. Oksijen içeren hücresel solunuma aerobik solunum denir ve dört aşaması vardır: glikoliz, sitrik asit döngüsü (veya Krebs döngüsü), elektron taşıma zinciri ve oksidatif fosforilasyon. Glikoliz, glikozun iki pirüvata dönüştürüldüğü ve aynı anda iki net ATP molekülünün üretildiği sitoplazmada meydana gelen metabolik bir süreçtir. Her bir piruvat daha sonra piruvat dehidrojenaz kompleksi tarafından asetil-CoA'ya oksitlenir ve bu da NADH ve karbondioksit üretir. Asetil-Koa, mitokondriyal matriks içinde gerçekleşen sitrik asit döngüsüne girer. Döngünün sonunda, 1 glikozdan (veya 2 piruvattan) elde edilen toplam verim 6 NADH, 2 FADH₂ ve 2 ATP molekülüdür. Son olarak, bir sonraki aşama, ökaryotlarda mitokondriyal kristada meydana gelen oksidatif fosforilasyondur. Oksidatif fosforilasyon, elektronları bir kompleksten diğerine aktaran ve böylece protonların (hidrojen iyonları) iç mitokondriyal membran boyunca pompalanmasına (kemiyozmoz) bağlanan NADH ve FADH₂'den enerji açığa çıkaran dört protein kompleksi serisi olan elektron taşıma zincirini içerir ve bu da bir proton hareket kuvveti oluşturur. Proton hareket kuvvetinden gelen enerji, ATP sentaz enzimini ADP'leri fosforile ederek daha fazla ATP sentezlemesi için harekete geçirir. Elektron transferi, son elektron alıcısı olan moleküler oksijen ile sona erer. ⓘ

Eğer oksijen mevcut olmasaydı, pirüvat hücresel solunumla metabolize olmaz ancak bir fermantasyon sürecine girerdi. Piruvat mitokondriyona taşınmaz ancak sitoplazmada kalır ve burada hücreden uzaklaştırılabilecek atık ürünlere dönüştürülür. Bu, elektron taşıyıcılarının tekrar glikoliz yapabilmeleri için oksitlenmesi ve fazla piruvatın uzaklaştırılması amacına hizmet eder. Fermantasyon NADH'yi NAD⁺'ya okside eder, böylece glikolizde yeniden kullanılabilir. Oksijen yokluğunda, fermantasyon sitoplazmada NADH birikmesini önler ve glikoliz için NAD⁺ sağlar. Bu atık ürün organizmaya bağlı olarak değişir. İskelet kaslarında atık ürün laktik asittir. Bu tür fermantasyona laktik asit fermantasyonu denir. Yorucu egzersizlerde, enerji talepleri enerji arzını aştığında, solunum zinciri NADH tarafından birleştirilen tüm hidrojen atomlarını işleyemez. Anaerobik glikoliz sırasında, hidrojen çiftleri piruvat ile birleşerek laktat oluşturduğunda NAD⁺ yeniden üretilir. Laktat oluşumu, tersinir bir reaksiyonda laktat dehidrojenaz tarafından katalize edilir. Laktat ayrıca karaciğer glikojeni için dolaylı bir öncü olarak da kullanılabilir. İyileşme sırasında, oksijen kullanılabilir hale geldiğinde, NAD⁺ ATP oluşturmak için laktattan gelen hidrojene bağlanır. Mayada atık ürünler etanol ve karbondioksittir. Bu fermantasyon türü alkolik veya etanol fermantasyonu olarak bilinir. Bu süreçte üretilen ATP, oksijen gerektirmeyen substrat düzeyinde fosforilasyon ile yapılır. ⓘ

Fotosentez

Fotosentez, güneş ışığını kimyasal enerjiye dönüştürür, O₂'yi serbest bırakmak için suyu böler ve CO₂'yi şekere sabitler. ⓘ

Fotosentez, bitkiler ve diğer organizmalar tarafından ışık enerjisini kimyasal enerjiye dönüştürmek için kullanılan ve daha sonra hücresel solunum yoluyla organizmanın metabolik faaliyetlerini beslemek için serbest bırakılabilen bir süreçtir. Bu kimyasal enerji, karbondioksit ve sudan sentezlenen şekerler gibi karbonhidrat moleküllerinde depolanır. Çoğu durumda oksijen de atık ürün olarak açığa çıkar. Çoğu bitki, alg ve siyanobakteri, Dünya atmosferinin oksijen içeriğinin üretilmesinden ve korunmasından büyük ölçüde sorumlu olan fotosentezi gerçekleştirir ve Dünya'daki yaşam için gerekli enerjinin çoğunu sağlar. ⓘ

Fotosentezin dört aşaması vardır: Işık emilimi, elektron taşınımı, ATP sentezi ve karbon fiksasyonu. Işık emilimi fotosentezin ilk adımıdır ve ışık enerjisi tilakoid membranlardaki proteinlere bağlı klorofil pigmentleri tarafından emilir. Emilen ışık enerjisi, elektronları bir donörden (su) birincil elektron alıcısına, Q olarak adlandırılan bir kinona çıkarmak için kullanılır. İkinci aşamada elektronlar, fotosistem I (PSI) adı verilen bir protein kompleksinde gerçekleşen bir işlem olan NADPH'ye indirgenen genellikle NADP⁺'nin oksitlenmiş formu olan son bir elektron alıcısına ulaşana kadar kinon birincil elektron alıcısından bir dizi elektron taşıyıcısı aracılığıyla hareket eder. Elektronların taşınması, protonların (veya hidrojenin) stromadan tilakoid membrana hareketiyle bağlantılıdır, bu da hidrojen lümende stromaya göre daha konsantre hale geldikçe membran boyunca bir pH gradyanı oluşturur. Bu, aerobik solunumda iç mitokondriyal membran boyunca üretilen proton-motor kuvvetine benzer. ⓘ

Fotosentezin üçüncü aşamasında, protonların ATP sentaz aracılığıyla tilakoid lümeninden stromaya doğru konsantrasyon gradyanları boyunca hareketi, aynı ATP sentaz tarafından ATP sentezine bağlanır. Sırasıyla ikinci ve üçüncü aşamalardaki ışığa bağlı reaksiyonlar tarafından üretilen NADPH ve ATP'ler, Calvin döngüsü adı verilen ışıktan bağımsız (veya karanlık) reaksiyonlar dizisinde atmosferik karbondioksiti ribuloz bisfosfat (RuBP) gibi mevcut organik karbon bileşiklerine sabitleyerek glikoz sentezini yönlendirmek için enerji ve elektron sağlar. ⓘ

Hücre sinyalizasyonu

Hücre iletişimi (veya sinyalleşme), hücrelerin çevreleriyle ve kendileriyle sinyal alma, işleme ve iletme yeteneğidir. Sinyaller ışık, elektriksel uyarılar ve ısı gibi kimyasal olmayan sinyaller olabileceği gibi, başka bir hücrenin hücre zarında gömülü olarak bulunan veya bir hücrenin derinliklerinde yer alan reseptörlerle etkileşime giren kimyasal sinyaller (veya ligandlar) de olabilir. Genel olarak dört tür kimyasal sinyal vardır: otokrin, parakrin, jukstakrin ve hormonlar. Otokrin sinyalde, ligand onu salan hücreyi etkiler. Örneğin tümör hücreleri, kendi bölünmelerini başlatan sinyaller salgıladıkları için kontrolsüz bir şekilde çoğalabilirler. Parakrin sinyalizasyonda, ligand yakındaki hücrelere yayılır ve onları etkiler. Örneğin, nöron adı verilen beyin hücreleri, başka bir nöron veya kas hücresi gibi bitişik bir hücre üzerindeki bir reseptöre bağlanmak için sinaptik bir yarık boyunca yayılan nörotransmitter adı verilen ligandları serbest bırakır. Jukstakrin sinyalizasyonda, sinyal veren ve yanıt veren hücreler arasında doğrudan temas vardır. Son olarak, hormonlar, hedef hücrelerine ulaşmak için hayvanların dolaşım sistemleri veya bitkilerin vasküler sistemleri boyunca seyahat eden ligandlardır. Bir ligand bir reseptöre bağlandığında, reseptörün türüne bağlı olarak başka bir hücrenin davranışını etkileyebilir. Örneğin, inotropik bir reseptöre bağlanan nörotransmitterler hedef hücrenin uyarılabilirliğini değiştirebilir. Diğer reseptör türleri arasında protein kinaz reseptörleri (örneğin, insülin hormonu reseptörü) ve G proteinine bağlı reseptörler bulunur. G proteinine bağlı reseptörlerin aktivasyonu ikinci haberci kaskadlarını başlatabilir. Kimyasal veya fiziksel bir sinyalin bir dizi moleküler olay olarak bir hücre boyunca iletildiği sürece sinyal iletimi denir ⓘ

Hücre döngüsü

Mayoz bölünmede, kromozomlar çiftleşir ve homolog kromozomlar mayoz I sırasında genetik bilgi alışverişinde bulunur. Yavru hücreler haploid gametleri oluşturmak için mayoz II'de tekrar bölünür. ⓘ

Hücre döngüsü, bir hücrede gerçekleşen ve hücrenin iki yavru hücreye bölünmesine neden olan bir dizi olaydır. Bu olaylar, DNA'sının ve bazı organellerinin çoğalmasını ve ardından hücre bölünmesi adı verilen bir süreçte sitoplazmasının iki yavru hücreye ayrılmasını içerir. Ökaryotlarda (yani hayvan, bitki, mantar ve protist hücrelerinde) iki farklı hücre bölünmesi tipi vardır: mitoz ve mayoz. Mitoz, çoğaltılmış kromozomların iki yeni çekirdeğe ayrıldığı hücre döngüsünün bir parçasıdır. Hücre bölünmesi, toplam kromozom sayısının korunduğu genetik olarak özdeş hücrelerin ortaya çıkmasını sağlar. Genel olarak mitozdan (çekirdeğin bölünmesi) önce interfazın S aşaması (DNA'nın kopyalandığı aşama) gelir ve genellikle bunu telofaz ve sitokinez izler; bu da bir hücrenin sitoplazmasını, organellerini ve hücre zarını bu hücresel bileşenlerin kabaca eşit paylarını içeren iki yeni hücreye böler. Mitozun farklı aşamaları hep birlikte bir hayvan hücre döngüsünün mitotik aşamasını tanımlar - ana hücrenin genetik olarak özdeş iki yavru hücreye bölünmesi. Hücre döngüsü, tek hücreli döllenmiş bir yumurtanın olgun bir organizmaya dönüşmesinin yanı sıra saç, deri, kan hücreleri ve bazı iç organların yenilendiği hayati bir süreçtir. Hücre bölünmesinden sonra, yavru hücrelerin her biri yeni bir döngünün interfazına başlar. Mitozun aksine mayoz, bir tur DNA replikasyonunun ardından iki bölünme geçirerek dört haploid yavru hücre ile sonuçlanır. Homolog kromozomlar ilk bölünmede (mayoz I) ayrılır ve kardeş kromatidler ikinci bölünmede (mayoz II) ayrılır. Bu hücre bölünmesi döngülerinin her ikisi de yaşam döngülerinin bir noktasında eşeyli üreme sürecinde kullanılır. Her ikisinin de son ökaryotik ortak atada mevcut olduğuna inanılmaktadır. ⓘ

Prokaryotlar (yani arkea ve bakteriler) da hücre bölünmesi (veya ikili fisyon) geçirebilir. Ökaryotlardaki mitoz ve mayoz süreçlerinden farklı olarak, prokaryotlarda ikili fisyon hücre üzerinde bir iğ aparatı oluşmadan gerçekleşir. İkili bölünmeden önce, bakterideki DNA sıkıca sarılmıştır. Sarmalı çözüldükten ve çoğaldıktan sonra, bölünmeye hazırlanmak için boyutu arttıkça bakterinin ayrı kutuplarına çekilir. Bakteriyi ayırmak için yeni bir hücre duvarının büyümesi başlar (FtsZ polimerizasyonu ve "Z halkası" oluşumu ile tetiklenir) Yeni hücre duvarı (septum) tamamen gelişir ve bakterinin tamamen bölünmesiyle sonuçlanır. Yeni yavru hücreler sıkıca sarılmış DNA çubuklarına, ribozomlara ve plazmidlere sahiptir. ⓘ

Genetik

Kalıtım

Mor (B) ve beyaz (b) çiçekler için heterozigot iki bezelye bitkisi arasındaki çaprazlamayı gösteren Punnett karesi ⓘ

Genetik, kalıtım üzerine yapılan bilimsel bir çalışmadır. Özellikle Mendel kalıtımı, genlerin ve özelliklerin ebeveynlerden yavrulara aktarıldığı süreçtir. On dokuzuncu yüzyılın ortalarında bezelye bitkileriyle yaptığı çalışmalara dayanarak Gregor Mendel tarafından formüle edilmiştir. Mendel kalıtımın birkaç ilkesini ortaya koymuştur. Bunlardan ilki, şimdi alel olarak adlandırılan genetik özelliklerin ayrı olduğu ve her biri iki ebeveynden birinden miras alınan alternatif formlara (örneğin, mor ve beyaz veya uzun ve cüce) sahip olduğudur. Bazı alellerin baskın, diğerlerinin ise çekinik olduğunu belirten baskınlık ve tekdüzelik yasasına göre; en az bir baskın alele sahip bir organizma, bu baskın alelin fenotipini sergileyecektir. Bu kuralın istisnaları arasında penetrans ve ekspresivite yer alır. Mendel, gamet oluşumu sırasında her bir gen için alellerin birbirinden ayrıldığını, böylece her bir gametin her bir gen için yalnızca bir alel taşıdığını belirtmiştir. Heterozigotik bireyler eşit sıklıkta iki alele sahip gametler üretir. Son olarak Mendel, farklı özellikteki genlerin gametlerin oluşumu sırasında bağımsız olarak ayrışabileceğini, yani genlerin bağlantısız olduğunu belirten bağımsız asorti yasasını formüle etmiştir. Bu kuralın bir istisnası, cinsiyete bağlı olan özellikleri içerir. Baskın bir fenotipe sahip bir organizmanın altta yatan genotipini deneysel olarak belirlemek için test çaprazlamaları yapılabilir. Bir test çaprazlamasının sonuçlarını tahmin etmek için bir Punnett karesi kullanılabilir. Genlerin kromozomlar üzerinde bulunduğunu belirten kromozom kalıtım teorisi, Thomas Morgans'ın meyve sinekleriyle yaptığı ve bu böceklerde göz rengi ile cinsiyet arasındaki bağlantıyı ortaya koyan deneylerle desteklenmiştir. İnsanlarda ve diğer memelilerde (örneğin köpekler), test çaprazlama deneyleri yapmak mümkün veya pratik değildir. Bunun yerine, aile ağaçlarının genetik temsilleri olan soyağaçları, belirli bir özelliğin veya hastalığın kalıtımını birden fazla nesil boyunca izlemek için kullanılır. ⓘ

DNA

Bazlar iki spiral DNA ipliği arasında uzanır. ⓘ

Gen, bir organizmanın biçimini veya işlevini belirli şekillerde etkileyen genetik bilgiyi taşıyan bir deoksiribonükleik asit (DNA) bölgesine karşılık gelen bir kalıtım birimidir. DNA, ilk kez 1953 yılında James Watson ve Francis Crick tarafından tanımlanan çift sarmal oluşturmak üzere birbiri etrafında sarılan iki polinükleotid zincirinden oluşan bir moleküldür. Ökaryotlarda doğrusal kromozomlar, prokaryotlarda ise dairesel kromozomlar halinde bulunur. Kromozom, DNA ve histonlardan oluşan organize bir yapıdır. Bir hücredeki kromozom seti ve mitokondri, kloroplast veya diğer yerlerde bulunan diğer kalıtsal bilgiler topluca bir hücrenin genomu olarak bilinir. Ökaryotlarda genomik DNA hücre çekirdeğinde ya da az miktarda mitokondri ve kloroplastlarda bulunur. Prokaryotlarda DNA, sitoplazmada nükleoid adı verilen düzensiz şekilli bir cisim içinde tutulur. Bir genomdaki genetik bilgi genler içinde tutulur ve bu bilginin bir organizmadaki tam topluluğuna genotip denir. Genler, proteinlerin sentezi için hücreler tarafından ihtiyaç duyulan bilgileri kodlar ve bunlar da organizmanın nihai fenotipini etkilemede merkezi bir rol oynar. ⓘ

DNA'yı oluşturan iki polinükleotid iplikçik birbirine zıt yönlerde ilerler ve bu nedenle antiparaleldir. Her iplik nükleotidlerden oluşur ve her nükleotid dört azotlu bazdan birini (sitozin [C], guanin [G], adenin [A] veya timin [T]), deoksiriboz adı verilen bir şekeri ve bir fosfat grubunu içerir. Nükleotidler, bir nükleotidin şekeri ile diğerinin fosfatı arasındaki kovalent bağlarla bir zincir halinde birbirine bağlanır ve bu da dönüşümlü bir şeker-fosfat omurgası ile sonuçlanır. Genetik bilgiyi kodlayan, omurga boyunca uzanan bu dört bazın dizilimidir. İki polinükleotid ipliğin bazları, çift sarmallı DNA oluşturmak için baz eşleştirme kurallarına göre (A ile T ve C ile G) hidrojen bağlarıyla birbirine bağlanır. Bazlar iki gruba ayrılır: pirimidinler ve pürinler. DNA'da pirimidinler timin ve sitozin iken pürinler adenin ve guanindir. ⓘ

DNA ipliklerinin birbirlerine göre eşit olmayan aralıkları nedeniyle çift sarmalın tüm uzunluğu boyunca uzanan oluklar vardır. Her iki oluğun da boyutları farklıdır; büyük oluk daha büyüktür ve bu nedenle proteinlerin bağlanması için küçük oluktan daha erişilebilirdir. Bazların dış kenarları bu oluklara maruz kalır ve bu nedenle ek hidrojen bağı için erişilebilirdir. Her oluk iki olası baz çifti konfigürasyonuna (G-C ve A-T) sahip olabileceğinden, tüm çift sarmal içinde her biri kimyasal olarak diğerinden farklı olan dört olası baz çifti konfigürasyonu vardır. Sonuç olarak, protein molekülleri spesifik DNA-protein etkileşimlerinin temelini oluşturan spesifik baz çifti dizilerini tanıyabilir ve bunlara bağlanabilir. ⓘ

DNA replikasyonu, her bir ipliğin yeni bir DNA ipliği için şablon görevi gördüğü yarı korunumlu bir süreçtir. Süreç, iki ipliği ayıran ve böylece onları iki şablon olarak kullanılabilir hale getiren bir replikasyon kökeninde çift sarmalın çözülmesiyle başlar. Bunu takiben primaz enzimi şablona bağlanarak 5' ila 3' konumundan primer adı verilen bir başlangıç RNA (veya bazı virüslerde DNA) ipliği sentezlenir. Primer tamamlandığında, primaz şablondan serbest bırakılır, ardından yeni DNA sentezlemek için DNA polimeraz enzimi aynı şablona bağlanır. Canlı bir hücrede DNA replikasyon hızı, ideal koşullar altında saniyede eklenen 749 nükleotid olarak ölçülmüştür. ⓘ

DNA polimeraz bazen şablona tamamlayıcı olmayan bazlar eklediği için DNA replikasyonu mükemmel değildir (örneğin, şablon sarmalındaki G'nin karşısındaki sarmala A koymak). Ökaryotlarda başlangıçtaki hata veya mutasyon oranı yaklaşık 100.000'de 1'dir. Proofreading ve mismatch onarımı bu hataları onaran iki mekanizmadır, bu da mutasyon oranını özellikle hücre döngüsünden önce ve sonra 10-10'a düşürür. ⓘ

Mutasyonlar DNA'daki kalıtsal değişikliklerdir. Proofreading ile düzeltilmeyen replikasyon hatalarının bir sonucu olarak kendiliğinden ortaya çıkabilir veya bir kimyasal (örneğin nitröz asit, benzopiren) veya radyasyon (örneğin x-ışını, gama ışını, ultraviyole radyasyon, kararsız izotoplar tarafından yayılan parçacıklar) gibi çevresel bir mutajen tarafından indüklenebilirler. Mutasyonlar tek bir bazda değişiklik olarak veya delesyonlar, inversiyonlar veya translokasyonlar gibi kromozomal mutasyonları içeren daha büyük bir ölçekte ortaya çıkabilir. ⓘ

Çok hücreli organizmalarda mutasyonlar somatik veya germline hücrelerde meydana gelebilir. Somatik hücrelerde mutasyonlar mitoz bölünme sırasında yavru hücrelere aktarılır. Sperm veya yumurta gibi bir germ hattı hücresinde, mutasyon döllenme sırasında bir organizmada ortaya çıkacaktır. Mutasyonlar sessiz, işlev kaybı, işlev kazanımı ve koşullu mutasyonlar gibi çeşitli fenotipik etkilere yol açabilir. ⓘ

Bazı mutasyonlar, evrim için genetik varyasyon kaynağı olduklarından faydalı olabilirler. Diğerleri ise hayatta kalmak için gerekli genlerin işlev kaybına yol açmaları halinde zararlı olabilirler. Kanserojenler gibi mutajenlerden genellikle halk sağlığı politikası hedefleri doğrultusunda kaçınılır. Montreal Protokolü ile kloroflorokarbonların (CFC) yasaklanması buna bir örnektir, çünkü CFC'ler ozon tabakasını inceltme eğilimindedir, bu da güneşten gelen ultraviyole radyasyonun Dünya'nın üst atmosferinden daha fazla geçmesine ve böylece cilt kanserine yol açabilecek somatik mutasyonlara neden olur. Benzer şekilde, akciğer kanseri insidansını azaltmak amacıyla dünya genelinde sigara içme yasakları uygulanmaktadır. ⓘ

Gen ifadesi

Moleküler biyolojinin genişletilmiş merkezi dogması, genetik bilgi akışında yer alan tüm süreçleri içerir. ⓘ

Gen ifadesi, bir genotipin bir fenotipe, yani gözlemlenebilir bir özelliğe yol açtığı moleküler süreçtir. DNA'da depolanan genetik bilgi genotipi temsil ederken, fenotip bir organizmanın yapısını ve gelişimini kontrol eden veya belirli metabolik yolları katalize eden enzimler olarak hareket eden proteinlerin sentezinden kaynaklanır. Bu süreç, 1958 yılında Francis Crick tarafından formüle edilen moleküler biyolojinin merkezi dogması ile özetlenmektedir. Merkezi Dogma'ya göre genetik bilgi DNA'dan RNA'ya oradan da proteine akar. Dolayısıyla, iki gen ifade süreci vardır: transkripsiyon (DNA'dan RNA'ya) ve translasyon (RNA'dan proteine). Bu süreçler tüm yaşam-ökaryotlar (çok hücreli organizmalar dahil), prokaryotlar (bakteriler ve arkeler) tarafından kullanılır ve yaşam için makromoleküler mekanizmayı oluşturmak üzere virüsler tarafından istismar edilir. ⓘ

Transkripsiyon sırasında, haberci RNA (mRNA) iplikleri, şablon olarak DNA iplikleri kullanılarak oluşturulur; bu, RNA polimerazın promotör adı verilen ve RNA'ya iki DNA ipliğinden birinin transkripsiyonuna başlaması talimatını veren bir DNA dizisine bağlanmasıyla başlatılır. DNA bazları, RNA'nın urasil (U) yerine geçtiği timin (T) hariç, karşılık gelen bazlarla değiştirilir. Ökaryotlarda, DNA'nın büyük bir kısmı (örneğin, insanlarda >%98), protein dizileri için kalıp görevi görmeyen, kodlama yapmayan intronlar içerir. Kodlama bölgeleri veya ekzonlar, birincil transkriptteki (veya pre-mRNA) intronlarla birlikte serpiştirilir. Translasyondan önce, pre-mRNA daha ileri bir işleme tabi tutularak intronlar çıkarılır (veya eklenir) ve olgun mRNA ipliğinde sadece eklenmiş eksonlar kalır. ⓘ

mRNA'nın proteine çevrilmesi ribozomlarda gerçekleşir, bu sayede transkripsiyonu yapılan mRNA ipliği genetik kodu kullanarak proteinler içindeki amino asitlerin sırasını belirler. Gen ürünleri genellikle proteinlerdir, ancak transfer RNA (tRNA) ve küçük nükleer RNA (snRNA) gibi protein kodlamayan genlerde ürün, işlevsel bir kodlamayan RNA'dır. ⓘ

Gen düzenlemesi

Gen ifadesinin çeşitli aşamalarının düzenlenmesi ⓘ

Gen ifadesinin (veya gen düzenlemesinin) çevresel faktörler tarafından ve gelişimin farklı aşamalarında düzenlenmesi, transkripsiyon, RNA ekleme, çeviri ve bir proteinin translasyon sonrası modifikasyonu gibi sürecin her adımında gerçekleşebilir. ⓘ

Gen transkripsiyonunun düzenlenebilmesi, hücreler sadece ihtiyaç duyulduğunda protein üreteceğinden enerjinin korunmasını sağlar. Gen ifadesi, transkripsiyon faktörleri olarak adlandırılan iki tip düzenleyici proteinden hangisinin bir promotöre yakın veya promotördeki DNA dizisine bağlandığına bağlı olarak pozitif veya negatif düzenlemeden etkilenebilir. Aynı promotörü paylaşan bir gen kümesine operon denir ve çoğunlukla prokaryotlarda ve bazı alt ökaryotlarda (örneğin Caenorhabditis elegans) bulunur. İlk olarak 1960'larda François Jacob ve Jacques Monod tarafından insan ve diğer hayvanların bağırsaklarında bulunabilen prokaryotik bir hücre olan Escherichia coli'de tanımlanmıştır. Prokaryotik hücrenin laktoz metabolize eden üç enzimi (β-galaktosidaz, β-galaktosid permeaz ve β-galaktosid transasetilaz) kodlayan üç genin (lacZ, lacY ve lacA) bir parçası olan lac operonunu incelediler. Gen ifadesinin pozitif düzenlenmesinde, aktivatör, promotörün yakınındaki veya promotördeki diziye bağlandığında transkripsiyonu uyaran transkripsiyon faktörüdür. Buna karşılık, negatif düzenleme, represör adı verilen başka bir transkripsiyon faktörü, transkripsiyonu önlemek için bir operonun parçası olan operatör adı verilen bir DNA dizisine bağlandığında meydana gelir. Bir represör baskılanabilir bir operona (örneğin trp operonu) bağlandığında, bunu yalnızca bir corepressor varlığında yapar. Represörler, bir operatöre bağlanmasını önlemek için bir represöre bağlanarak etkilerini gösteren ve böylece transkripsiyonun gerçekleşmesine izin veren indükleyiciler (örneğin allolaktoz) adı verilen bileşikler tarafından inhibe edilebilir. İndükleyiciler tarafından aktive edilebilen spesifik genlere indüklenebilir genler denir (örneğin, E. coli'de lacZ veya lacA), bunlar neredeyse her zaman aktif olan konstitütif genlerin tersidir. Her ikisinin aksine, yapısal genler gen düzenlemesinde yer almayan proteinleri kodlar. ⓘ

Prokaryotik hücrelerde transkripsiyon, RNA polimeraza bağlanan ve onu belirli promotörlere yönlendiren sigma faktörleri adı verilen proteinler tarafından düzenlenir. Benzer şekilde, ökaryotik hücrelerdeki transkripsiyon faktörleri de, genlerin kendileri farklı kromozomlar üzerinde bulunsa bile, bir grup genin ifadesini koordine edebilir. Bu genlerin koordinasyonu, aynı transkripsiyon faktörlerine bağlanan aynı düzenleyici DNA dizisini paylaştıkları sürece gerçekleşebilir. Ökaryotik hücrelerdeki promotörler daha çeşitlidir, ancak RNA polimerazın bağlanabileceği bir çekirdek sekans içerme eğilimindedir; en yaygın sekans, çoklu tekrarlayan A ve T bazları içeren TATA kutusudur. Spesifik olarak, RNA polimeraz II, ökaryotlarda protein kodlayan genlerin transkripsiyonunu başlatmak için bir promotöre bağlanan RNA polimerazdır, ancak yalnızca düzenleyici etkileri olan transkripsiyon faktörlerinden farklı olan çoklu genel transkripsiyon faktörlerinin varlığında, yani aktivatörler ve represörler. Ökaryotik hücrelerde, aktivatörlerle bağlanan DNA dizileri güçlendirici olarak adlandırılırken, represörlerle bağlanan diziler susturucu olarak adlandırılır. Aktive T hücrelerinin nükleer faktörü (NFAT) gibi transkripsiyon faktörleri, bağlanma bölgesinin baz dizisine (örneğin, NFAT için CGAGGAAAATTG) dayalı olarak spesifik nükleotid dizisini tanımlayabilir ve bu dizi içindeki kimyasal grupların belirli DNA-protein etkileşimlerine izin veren düzenini belirler. Transkripsiyon faktörlerinin ifadesi, gelişmekte olan bir embriyoda hücresel farklılaşmanın altında yatan şeydir. ⓘ

Promoteri içeren düzenleyici olaylara ek olarak, gen ifadesi, ökaryotik hücrelerde bulunan bir DNA ve protein kompleksi olan kromatindeki epigenetik değişikliklerle de düzenlenebilir. ⓘ

mRNA'nın transkripsiyon sonrası kontrolü, birincil mRNA transkriptlerinin alternatif eklenmesini içerebilir, bu da tek bir genin farklı protein ailelerini kodlayan farklı olgun mRNA'lara yol açmasına neden olur. İyi çalışılmış bir örnek, Drosophila'da bulunan ve bu hayvanlarda cinsiyeti belirleyen Sxl genidir. Genin kendisi dört ekzon içerir ve pre-mRNA transkriptinin alternatif eklenmesi, dişi sineklerde Sxl proteininin iki aktif formunu ve erkeklerde proteinin bir inaktif formunu oluşturabilir. Bir başka örnek de, alternatif birleştirme sonucunda dokuz proteine kadar üretebilen tek bir pre-mRNA transkriptine sahip olan insan immün yetmezlik virüsüdür (HIV). İnsanlarda 21.000 genin yüzde sekseni alternatif olarak eklenmiştir. Hem şempanzelerin hem de insanların benzer sayıda gene sahip olduğu göz önünde bulundurulduğunda, insan beyninde şempanze beynine kıyasla daha fazla sayıda alternatif ekleme olması nedeniyle, alternatif eklemenin ikincisinin karmaşıklığına katkıda bulunmuş olabileceği düşünülmektedir. ⓘ

Çeviri bilinen üç yolla düzenlenebilir; bunlardan biri mikroRNA (miRNA) adı verilen küçük RNA moleküllerinin bir hedef mRNA transkriptine bağlanmasını içerir, bu da çevirisini engeller ve bozulmasına neden olur. Çeviri ayrıca, bir mRNA'nın 5' ucundaki modifiye edilmiş guanozin trifosfatın (GTP) modifiye edilmemiş bir GTP molekülü ile yer değiştirmesi yoluyla 5' başlığının modifikasyonu ile de engellenebilir. Son olarak, translasyonel baskılayıcı proteinler mRNA'lara bağlanabilir ve bunların bir ribozoma bağlanmasını önleyerek translasyonu engelleyebilir. ⓘ

Translasyona uğradıktan sonra, proteinlerin stabilitesi degradasyon için hedeflenerek düzenlenebilir. Yaygın bir örnek, bir enzimin hedeflenen bir proteinin lizin kalıntısına ubikitin adı verilen düzenleyici bir protein bağlamasıdır. Daha sonra diğer ubikitinler birincil ubikitine bağlanarak poliubikitinlenmiş bir protein oluşturur ve bu protein proteazom adı verilen çok daha büyük bir protein kompleksine girer. Poliubikitinlenmiş protein proteazoma girdiğinde, poliubikitin hedef proteinden ayrılır ve proteazom tarafından ATP'ye bağlı bir şekilde açılarak üç proteaz tarafından hidrolize edilmesine izin verir. ⓘ

Genomlar

İnsan genomunun bileşimi ⓘ

Genom, bir organizmanın tüm genleri de dahil olmak üzere eksiksiz DNA setidir. Genomların dizilenmesi ve analizi, tüm genomların işlevini ve yapısını bir araya getirmek ve analiz etmek için yüksek verimli DNA dizileme ve biyoinformatik kullanılarak yapılabilir. Prokaryotların genomları küçük, kompakt ve çeşitlidir. Buna karşılık, ökaryotların genomları daha büyük ve daha karmaşıktır, örneğin daha fazla düzenleyici diziye sahiptir ve genomunun çoğu, işlevsel RNA (rRNA, tRNA ve mRNA) veya düzenleyici diziler için kodlamayan DNA dizilerinden oluşur. Arabidopsis, meyve sineği, fare, nematod ve maya gibi çeşitli model organizmaların genomları dizilenmiştir. İnsan Genom Projesi, 2003 yılında tamamlanan tüm insan genomunu dizilemek için uluslararası bilim topluluğu tarafından yapılan büyük bir girişimdi. İnsan genomunun dizilenmesi, babalık testi ve adli tıp için kullanılabilen DNA parmak izi gibi pratik uygulamalar ortaya çıkarmıştır. Tıpta, tüm insan genomunun dizilenmesi, tümörlere neden olan mutasyonların yanı sıra belirli bir genetik bozukluğa neden olan genlerin tanımlanmasına olanak sağlamıştır. Çeşitli organizmalardan genomların dizilenmesi, bu farklı organizmaların genomlarından genlerin karşılaştırılmasını amaçlayan karşılaştırmalı genomiğin ortaya çıkmasına yol açmıştır. ⓘ

Birçok gen birden fazla protein kodlar ve posttranslasyonel modifikasyonlar bir hücre içindeki proteinlerin çeşitliliğini artırır. Bir organizmanın proteomu, genomu tarafından ifade edilen proteinlerin tamamıdır ve proteomik, bir organizma tarafından üretilen proteinlerin tamamını incelemeyi amaçlar. Birçok protein enzim olduğundan, aktiviteleri substrat ve ürün konsantrasyonlarını etkileme eğilimindedir. Dolayısıyla, proteom değiştikçe küçük moleküllerin veya metabolitlerin miktarı da değişir. Bir hücre veya organizmadaki küçük moleküllerin tamamına metabolom denir ve metabolomik, bir hücre veya organizmanın fizyolojik aktivitesiyle ilişkili olarak metabolomun incelenmesidir. ⓘ

Biyoteknoloji

Yabancı bir DNA parçasının bir plazmid vektörüne yerleştirildiği rekombinant DNA yapımı ⓘ

Biyoteknoloji, insanlar için ürünler geliştirmek amacıyla hücrelerin veya organizmaların kullanılmasıdır. Geniş uygulamaları olan ve yaygın olarak kullanılan bir teknoloji, bir laboratuvarda iki veya daha fazla kaynaktan bir araya getirilmiş bir DNA molekülü olan rekombinant DNA'nın oluşturulmasıdır. Polimeraz zincir reaksiyonunun ortaya çıkmasından önce, biyologlar DNA'yı kısıtlama enzimleri kullanarak daha küçük parçalara ayırarak manipüle ederlerdi. Daha sonra jel elektroforezi kullanarak parçaları saflaştırır ve analiz ederler ve daha sonra DNA ligaz kullanarak parçaları yeni bir DNA dizisine yeniden birleştirirlerdi. Rekombinant DNA daha sonra bir konakçı hücreye yerleştirilerek klonlanır; bu işlem, konakçı hücreler E. coli gibi bakteriler ise transformasyon, maya, bitki veya hayvan hücreleri gibi ökaryotik hücreler ise transfeksiyon olarak bilinir. Konak hücre veya organizma rekombinant DNA'yı aldıktan ve entegre ettikten sonra transgenik olarak tanımlanır. ⓘ

Bir rekombinant DNA iki yoldan biriyle yerleştirilebilir. Yaygın bir yöntem, DNA'yı basitçe bir konak kromozomuna yerleştirmek ve yerleştirme bölgesinin rastgele olmasıdır. Diğer bir yaklaşım ise rekombinant DNA'yı vektör adı verilen başka bir DNA dizisinin bir parçası olarak yerleştirmektir; bu DNA daha sonra konak kromozomuna entegre olur veya kendi DNA replikasyon orijinine sahiptir, böylece konak kromozomundan bağımsız olarak replike olmasına izin verir. E. coli gibi bakteri hücrelerinden elde edilen plazmidler, nispeten küçük boyutları (örneğin E. coli'de 2000-6000 baz çifti), restriksiyon enzimlerinin varlığı, antibiyotiklere dirençli genler ve bir replikasyon orijininin varlığı nedeniyle tipik olarak vektör olarak kullanılır. Antibiyotik direnci gibi seçilebilir bir işaretleyiciyi kodlayan bir gen de vektöre dahil edilir. Bu pazarın dahil edilmesi, sadece rekombinant DNA içeren konak hücrelerin seçilmesine ve içermeyenlerin atılmasına olanak tanır. Ayrıca işaretleyici, bir kez ifade edildiğinde kolayca tespit edilebilen ve ölçülebilen bir raportör gen görevi de görür. ⓘ

Rekombinant DNA tek tek bakteri hücrelerinin içine yerleştirildikten sonra, bu hücreler çoğaltılır ve aynı rekombinant DNA'yı taşıyan milyonlarca transgenik hücre içeren bir koloni halinde büyümelerine izin verilir. Bu transgenik hücreler daha sonra rekombinant DNA teknolojisi kullanılarak yapılan ilk ilaç olan insan insülini gibi transgen ürününden büyük miktarlarda üretir. ⓘ

Moleküler klonlamanın amaçlarından biri, belirli DNA dizilerinin ve kodladıkları proteinlerin işlevini tanımlamaktır. Belirli bir DNA dizisinin incelenmesi ve manipüle edilmesi için, bu DNA dizisini içeren DNA parçalarının milyonlarca kopyasının yapılması gerekir. Bu, bir konakçı hücreye sokulamayacak kadar büyük olan bozulmamış bir genomun daha küçük DNA parçalarına ayrılmasını içerir. Artık bozulmamış olsa da, bu DNA parçalarının koleksiyonu hala bir organizmanın genomunu oluşturur ve koleksiyonun kendisi, normal bir kütüphaneden bir kitap alma sürecine benzer şekilde, daha fazla çalışma için belirli DNA parçalarını arama ve alma yeteneği nedeniyle genomik bir kütüphane olarak adlandırılır. DNA parçaları, restriksiyon enzimleri ve mekanik kesme gibi diğer işlemler kullanılarak elde edilebilir. Elde edilen her parça daha sonra bakteriyel bir konak hücre tarafından alınan bir vektöre yerleştirilir. Daha sonra konakçı hücrenin seçici bir ortamda (örneğin antibiyotik direnci) çoğalmasına izin verilir, bu da her biri aynı DNA parçasının birçok kopyasını içeren bu rekombinant hücrelerden oluşan bir koloni üretir. Bu koloniler, uygun bir sıcaklıkta inkübe edilen Petri kaplarında katı bir ortam üzerine yayılarak büyütülebilir. Tek bir kapta binlerce bakteri kolonisi bulunabilir ve bunlar belirli bir DNA dizisi için kolayca taranabilir. Sekans, önce bir Petri kabını bakteri kolonileriyle çoğaltarak ve daha sonra çoğaltılmış kolonilerin DNA'sını hibridizasyon için açığa çıkararak tanımlanabilir; bu da onları tamamlayıcı radyoaktif veya floresan nükleotidlerle etiketlemeyi içerir. ⓘ

Belirli bir dokudan genler içeren daha küçük DNA kütüphaneleri tamamlayıcı DNA (cDNA) kullanılarak oluşturulabilir. Bu cDNA'ların belirli bir zamanda belirli bir dokudan toplanmasına cDNA kütüphanesi denir ve bu da belirli bir yer ve zamanda hücrelerin transkripsiyon modellerinin bir "anlık görüntüsünü" sağlar. ⓘ

Diğer biyoteknoloji araçları arasında DNA mikro dizileri, ekspresyon vektörleri, sentetik genomik ve CRISPR gen düzenlemesi bulunmaktadır. İlaçlama gibi diğer yaklaşımlar, genetiği değiştirilmiş organizmaların kullanımı yoluyla büyük miktarlarda tıbbi açıdan yararlı ürünler üretebilir. Bu diğer araçların birçoğu, tıbbi açıdan yararlı proteinler oluşturmak veya bitki yetiştiriciliğini ve hayvancılığı geliştirmek gibi geniş uygulamalara da sahiptir. ⓘ

Genler, gelişim ve evrim

Oluşan konsantrasyon gradyanı modeli; ince sarı-turuncu hatlar hücre sınırlarıdır. ⓘ

Gelişim, çok hücreli bir organizmanın (bitki veya hayvan) tek bir hücreden başlayarak bir dizi değişim geçirdiği ve yaşam döngüsünün karakteristiği olan çeşitli formlara büründüğü süreçtir. Gelişimin altında yatan dört temel süreç vardır: Belirleme, farklılaşma, morfogenez ve büyüme. Belirleme, bir hücrenin gelişimsel kaderini belirler ve bu kader gelişim sırasında daha kısıtlayıcı hale gelir. Farklılaşma, kök hücreler gibi daha az özelleşmiş hücrelerden özelleşmiş hücrelerin oluşması sürecidir. Kök hücreler, çeşitli hücre türlerine farklılaşabilen ve aynı kök hücreden daha fazla üretmek için süresiz olarak çoğalabilen farklılaşmamış veya kısmen farklılaşmış hücrelerdir. Hücresel farklılaşma bir hücrenin boyutunu, şeklini, membran potansiyelini, metabolik aktivitesini ve sinyallere duyarlılığını önemli ölçüde değiştirir ve bunlar büyük ölçüde gen ifadesi ve epigenetikteki yüksek kontrollü değişikliklere bağlıdır. Birkaç istisna dışında, hücresel farklılaşma neredeyse hiçbir zaman DNA dizisinin kendisinde bir değişiklik içermez. Bu nedenle, farklı hücreler aynı genoma sahip olmalarına rağmen çok farklı fiziksel özelliklere sahip olabilirler. Morfogenez veya vücut formunun gelişimi, gen ifadesindeki uzamsal farklılıkların sonucudur. Özellikle, desen oluşumu olarak bilinen farklılaşmış dokuların kollar veya kanatlar gibi spesifik yapılara organizasyonu, Fransız bayrağı modelinde tanımlandığı gibi bir morfojen gradyanı oluşturarak bir grup hücreden çevre hücrelere hareket eden sinyal molekülleri olan morfojenler tarafından yönetilir. Apoptoz veya programlı hücre ölümü de morfogenez sırasında meydana gelir; örneğin insan embriyonik gelişiminde parmaklar arasındaki hücrelerin ölümü, tek tek el ve ayak parmaklarını serbest bırakır. Transkripsiyon faktörü genlerinin ekspresyonu bir bitkide organ yerleşimini belirleyebilir ve transkripsiyon faktörlerinin bir kaskadı bir meyve sineğinde vücut segmentasyonunu oluşturabilir. ⓘ

Bir organizmanın genomunda bulunan ve gelişimsel-genetik araç seti olarak adlandırılan genlerin küçük bir kısmı o organizmanın gelişimini kontrol eder. Bu alet takımı genleri, filumlar arasında yüksek oranda korunur, yani çok eski ve geniş ölçüde ayrılmış hayvan gruplarında çok benzerdirler. Araç genlerinin konuşlandırılmasındaki farklılıklar vücut planını ve vücut parçalarının sayısını, kimliğini ve düzenini etkiler. En önemli araç genleri arasında Hox genleri yer alır. Hox genleri, yılanların birçok omuru gibi tekrar eden parçaların, gelişmekte olan bir embriyo veya larvada nerede büyüyeceğini belirler. Araç setindeki varyasyonlar hayvanların morfolojik evriminin büyük bir kısmını oluşturmuş olabilir. Araç seti evrimi iki şekilde yönlendirebilir. Darwin'in büyük yer kuşunun gagası BMP geni tarafından büyütüldüğünde ya da yılanlar bacaklarını kaybettiğinde Distal-less (Dlx) genleri diğer sürüngenlerin uzuvlarını oluşturmaya devam ettiği yerlerde az ifade edildiğinde ya da hiç ifade edilmediğinde olduğu gibi bir araç seti geni farklı bir düzende ifade edilebilir. Ya da bir araç geni, omurgalılarda çene kemiği, meyve sineğinde bacaklar ve antenler ve kelebek kanatlarında göz lekesi deseni gibi çeşitli yapıları kontrol eden aynı genin, distal-less'in birçok işlevinde görüldüğü gibi yeni bir işlev kazanabilir. Alet kutusu genlerindeki küçük değişikliklerin vücut yapılarında önemli değişikliklere neden olabileceği göz önüne alındığında, bunlar genellikle yakınsak veya paralel evrimi mümkün kılmıştır. ⓘ

Evrim

Evrimsel süreçler

Daha koyu renkli özellikler için doğal seçilim ⓘ

Biyolojide merkezi bir düzenleme kavramı, yaşamın evrim yoluyla değiştiği ve geliştiğidir; bu, birbirini izleyen nesiller boyunca popülasyonların kalıtsal özelliklerinde meydana gelen değişimdir. Evrim artık Dünya üzerindeki yaşamın büyük çeşitliliğini açıklamak için kullanılmaktadır. Evrim terimi, 1809 yılında Jean-Baptiste de Lamarck tarafından bilimsel sözlüğe kazandırılmıştır. Lamarck, evrimin edinilmiş özelliklerin kalıtımı sonucunda meydana geldiğini öne sürmüştü; bu görüş ikna edici değildi ancak o dönemde alternatif bir açıklama da yoktu. İngiliz doğa bilimci Charles Darwin, kayaları incelediği ve Galápagos Adaları gibi dünyanın çeşitli yerlerinden bitki ve hayvan topladığı HMS Beagle gemisiyle beş yıl süren seyahatinden 1836'da İngiltere'ye dönmüştü. Ayrıca Charles Lyell'in Principles of Geology ve Thomas Malthus'un An Essay on the Principle of Population adlı kitaplarını okumuş ve bunlardan etkilenmiştir. Gözlemlerine ve okuduklarına dayanarak Darwin, dünyanın farklı bölgelerindeki bitki ve hayvan çeşitliliğini açıklamak için doğal seçilim yoluyla evrim teorisini formüle etmeye başladı. Malay Takımadaları'ndaki bitki ve hayvanları inceleyen bir başka İngiliz doğa bilimci Alfred Russel Wallace da aynı fikre vardı, ancak daha sonra ve Darwin'den bağımsız olarak. Hem Darwin hem de Wallace, 1858'de Londra Linnaean Derneği'nde sırasıyla makalelerini ve el yazmalarını birlikte sunarak, doğal seçilim yoluyla evrimi keşfettikleri için her ikisine de itibar kazandırdılar. Darwin daha sonra 1859'da doğal seçilim yoluyla evrim sürecinin nasıl işlediğini ayrıntılı olarak açıklayan Türlerin Kökeni Üzerine adlı kitabını yayınlayacaktır. ⓘ

Doğal seçilimi açıklamak için Darwin, insanların yapay seçilim yoluyla hayvanları değiştirmesiyle bir benzetme yapmıştır; bu yolla hayvanlar belirli özellikler için seçici olarak yetiştirilmiş ve bu da artık vahşi atalarına benzemeyen bireylerin ortaya çıkmasına neden olmuştur. Darwin, doğal dünyada, insanların belirli özellikler için seçici olma rolünü oynayanın doğa olduğunu savunmuştur. Bu sonuca iki gözlem ve iki çıkarıma dayanarak varmıştır. Birincisi, herhangi bir popülasyonun üyeleri kalıtsal özelliklerine göre farklılık gösterme eğilimindedir. İkincisi, tüm türler kendi çevrelerinin destekleyebileceğinden daha fazla yavru üretme eğilimindedir ve bu da birçok bireyin hayatta kalamamasına ve üreyememesine neden olur. Bu gözlemlere dayanarak Darwin, çevrelerine daha iyi adapte olan kalıtsal özelliklere sahip bireylerin hayatta kalma ve diğer bireylere göre daha fazla yavru üretme olasılığının daha yüksek olduğu sonucuna varmıştır. Ayrıca, bazı bireylerin diğerlerine göre eşit olmayan veya farklı şekilde hayatta kalması ve üremesinin, birbirini izleyen nesiller boyunca olumlu özelliklerin birikmesine yol açacağı ve böylece organizmalar ile çevreleri arasındaki uyumu artıracağı sonucuna varmıştır. Dolayısıyla, birlikte ele alındığında, doğal seçilim, kalıtsal özelliklerdeki farklılıklar veya daha fazlası nedeniyle bireylerin sonraki nesillerde farklı şekilde hayatta kalması ve çoğalmasıdır. ⓘ

Darwin, Mendel'in kalıtım konusundaki çalışmalarından haberdar değildi ve bu nedenle doğal seçilimin altında yatan kalıtım mekanizması, modern sentezin Darwinci evrim ile klasik genetiği uzlaştırdığı ve doğal seçilim yoluyla evrime dair neo-Darwinci bir bakış açısı oluşturduğu 20. yüzyılın başlarına kadar tam olarak anlaşılamamıştır. Bu bakış açısına göre evrim, birbiriyle melezleşen organizmalardan oluşan bir popülasyondaki alel frekanslarında değişiklikler olduğunda gerçekleşir. Büyük bir rastgele çiftleşme popülasyonu üzerinde etkili olan herhangi bir evrimsel sürecin yokluğunda, alel frekansları Hardy-Weinberg ilkesi tarafından tanımlandığı gibi nesiller boyunca sabit kalacaktır. ⓘ

Evrimi yönlendiren bir başka süreç de genetik sürüklenmedir; bu da bir popülasyondaki alel frekanslarının bir nesilden diğerine rastgele dalgalanmasıdır. Seçici güçler olmadığında veya nispeten zayıf olduğunda, alel frekanslarının birbirini izleyen her nesilde yukarı veya aşağı doğru kayması eşit derecede olasıdır çünkü aleller örnekleme hatasına tabidir. Bu sürüklenme, bir alelin popülasyondan kaybolması ya da diğer alellerin yerini tamamen alması sonucunda sabit hale gelmesiyle durur. Dolayısıyla genetik sürüklenme, sadece şans eseri bazı alelleri popülasyondan eleyebilir. ⓘ

Türleşme

Allopatrik, peripatrik, parapatrik ve sempatrik türleşmenin karşılaştırılması ⓘ

Tür, birbiriyle çiftleşen bir grup organizmadır ve türleşme, bir soyun birbirinden bağımsız olarak evrimleşmesi sonucunda iki soya ayrılması sürecidir. Türleşmenin gerçekleşmesi için üreme izolasyonunun olması gerekir. Üreme izolasyonu, Bateson-Dobzhansky-Muller modelinde tanımlandığı gibi genler arasındaki uyumsuzluklardan kaynaklanabilir. Üreme izolasyonu da genetik farklılaşmayla birlikte artma eğilimindedir. Türleşme, allopatrik türleşme olarak bilinen bir süreç olan atasal bir türü bölen fiziksel engeller olduğunda meydana gelebilir. Buna karşılık, sempatrik türleşme fiziksel engellerin olmadığı durumlarda gerçekleşir. ⓘ

Mekanik, zamansal, davranışsal, habitat ve gametik izolasyonlar gibi zigotik öncesi izolasyon, farklı türlerin melezleşmesini önleyebilir. Benzer şekilde, zigot sonrası izolasyonlar, melezlerin daha düşük yaşayabilirliği veya melez kısırlığı (örneğin, katır) nedeniyle melezleşmeye karşı seçilmeyle sonuçlanabilir. Yakın akraba iki tür arasında eksik üreme izolasyonu olması durumunda hibrit bölgeler ortaya çıkabilir. ⓘ

Filogeni

Filogeni, belirli bir organizma grubunun veya genlerinin evrimsel geçmişidir. Organizmalar veya genleri arasındaki soy çizgilerini gösteren bir diyagram olan filogenetik bir ağaç kullanılarak temsil edilebilir. Bir ağacın zaman ekseninde çizilen her çizgi, belirli bir türün veya popülasyonun soyundan gelen bir soyu temsil eder. Bir soy ikiye ayrıldığında, filogenetik ağaç üzerinde bir düğüm (veya bölünme) olarak temsil edilir. Zaman içinde ne kadar çok bölünme olursa, ağaçta o kadar çok dal olacaktır ve bu ağaçtaki tüm organizmaların ortak atası o ağacın kökü tarafından temsil edilir. Filogenetik ağaçlar, tüm yaşam formlarının, büyük bir evrimsel grubun (örneğin böcekler) veya yakın akraba türlerden oluşan daha da küçük bir grubun evrimsel geçmişini tasvir edebilir. Bir ağaçta, bir isimle belirtilen herhangi bir tür grubu bir takson (örneğin, insanlar, primatlar, memeliler veya omurgalılar) ve tüm evrimsel torunlarından oluşan bir takson bir kladdır, aksi takdirde monofiletik bir takson olarak bilinir. Yakından ilişkili türler kardeş türler olarak adlandırılır ve yakından ilişkili kladlar kardeş kladlardır. Monofiletik bir grubun aksine, polifiletik bir grup ortak atasını içermezken, parafiletik bir grup ortak bir atanın tüm torunlarını içermez. ⓘ

Filogenetik ağaçlar, farklı türlerin karşılaştırılması ve gruplandırılması için temel oluşturur. Ortak bir atadan miras kalan bir özelliği paylaşan farklı türler, homolog özelliklere (veya sinapomorfi) sahip olarak tanımlanır. Homolog özellikler DNA dizisi, protein yapıları, anatomik özellikler ve davranış kalıpları gibi herhangi bir kalıtsal özellik olabilir. Omurga sütunu, tüm omurgalı hayvanlar tarafından paylaşılan homolog bir özelliğe örnektir. Benzer bir biçime veya işleve sahip olan ancak ortak bir atadan türetilmeyen özellikler analog özellikler olarak tanımlanır. Filogeniler, iç grup olarak adlandırılan birincil ilgi alanlarına sahip bir grup organizma için yeniden oluşturulabilir. İç grupla yakın akraba olan ancak filogenetik olarak bu grubun dışında kalan bir tür veya gruba dış grup adı verilir ve bu grup ağaçta bir referans noktası görevi görür. Ağacın kökü, iç grup ile dış grup arasında yer alır. Filogenetik ağaçlar yeniden yapılandırıldığında, farklı evrimsel geçmişlere sahip birden fazla ağaç oluşturulabilir. Parsimoni (veya Occam'ın usturası) ilkesine dayanarak, tercih edilen ağaç, tüm gruplardaki tüm özellikler üzerinde varsayılması gereken en az evrimsel değişikliğe sahip olandır. Hesaplamalı algoritmalar, kanıtlar göz önüne alındığında bir ağacın nasıl evrimleşmiş olabileceğini belirlemek için kullanılabilir. ⓘ

Filogeni, 18. yüzyılda Carl Linnaeus tarafından geliştirilen Linnaean taksonomisine dayanan biyolojik sınıflandırmanın temelini oluşturur. Bu sınıflandırma sistemi sıralamaya dayalıdır; en üst sıradaki alanın ardından krallık, filum, sınıf, takım, aile, cins ve tür gelir. Tüm organizmalar üç alandan birine ait olarak sınıflandırılabilir: Archaea (aslen Archaebacteria); bakteriler (aslen eubacteria) veya eukarya (protist, mantar, bitki ve hayvan krallıklarını içerir). Farklı türleri sınıflandırmak için binomiyal bir isimlendirme kullanılır. Bu sisteme göre, her türe biri cinsi diğeri türü için olmak üzere iki isim verilir. Örneğin, insanlar Homo sapiens'tir, Homo cins ve sapiens türdür. Geleneksel olarak, organizmaların bilimsel isimleri italik olarak yazılır ve sadece cinsin ilk harfi büyük yazılır. ⓘ

Ağaçlar, Plantea şubesinde sınıflandırılan canlılardır. ⓘ

Sistematik ve taksonominin ilgi alanı olan sınıflandırma, birbirinden farklı yöntemler izler. Taksonomi, organizmaları, taxa adı verilen gruplarda sınıflandırırken, sistematik, organizmaların birbirleriyle ilişkilerini inceler. Bu bilim dalları, genetik dallarında da gelişmişlerdir. ⓘ

Geleneksel olarak, canlılar beş büyük âleme bölünürler:

Monera -- Protista -- Fungi -- Plantae -- Animalia ⓘ

Ancak, çoğu bilim insanı, bu sistemi demode bulmakta ve modern alternatifler getirmektedirler. Modern sistemler, üç-âlemli bir sistem kullanırlar:

Archaea -- Bacteria -- Eukaryota ⓘ

Bu âlemler, hücrelerin çekirdeklerinin olup olmamasına ve hücrelerin iç yapılarının farklılıklarına göre bölünmüştür. ⓘ

Aynı zamanda, metabolik anlamda, daha az canlı olan bazı hücre içi parazitler de biyolojide ayrı bir âlem olarak incelenirler:

Virüsler -- Viroidler -- Prionlar. ⓘ

Yaşam tarihi

Dünya üzerindeki yaşamın tarihi, yaşamın ilk ortaya çıkışından günümüze kadar organizmaların evrimleştiği süreçlerin izini sürer. Dünya yaklaşık 4,5 milyar yıl önce oluşmuştur ve hem yaşayan hem de soyu tükenmiş olan Dünya üzerindeki tüm yaşam, yaklaşık 3,5 milyar yıl önce yaşamış olan son evrensel ortak atadan türemiştir. Dünya tarihinin tarihlendirilmesi stratigrafi, radyometrik tarihlendirme ve paleomanyetik tarihlendirme gibi çeşitli jeolojik yöntemler kullanılarak yapılabilir. Bu yöntemlere dayanarak jeologlar, Dünya tarihini, ilk üçü topluca Prekambriyen olarak bilinen ve yaklaşık 4 milyar yıl süren dört çağdan (Hadiyen, Arkean, Proterozoik ve Fanerozoik) başlayarak ana bölümlere ayıran jeolojik bir zaman ölçeği geliştirmişlerdir. Her çağ kendi içinde dönemlere ayrılabilir; 539 milyon yıl önce başlayan Fanerozoik çağ Paleozoik, Mezozoik ve Senozoik çağlara bölünmüştür. Bu üç dönem birlikte on bir dönemi (Kambriyen, Ordovisyen, Silüryen, Devoniyen, Karbonifer, Permiyen, Triyas, Jura, Kretase, Tersiyer ve Kuvaterner) ve her bir dönem de çağları kapsamaktadır. ⓘ

Günümüzün bilinen tüm türleri arasındaki benzerlikler, ortak atalarından evrim süreci yoluyla ayrıldıklarını göstermektedir. Biyologlar genetik kodun her yerde bulunmasını tüm bakteri, arkea ve ökaryotlar için evrensel ortak soyun kanıtı olarak görmektedir. Bir arada var olan bakteri ve arkelerden oluşan mikrobiyal matlar, erken Arkean çağında baskın yaşam biçimiydi ve erken evrimdeki önemli adımların çoğunun bu ortamda gerçekleştiği düşünülmektedir. Ökaryotlara dair en eski kanıtlar 1,85 milyar yıl öncesine aittir ve daha önce de mevcut olsalar da metabolizmalarında oksijen kullanmaya başladıklarında çeşitlenmeleri hızlanmıştır. Daha sonra, yaklaşık 1,7 milyar yıl önce, özelleşmiş işlevleri yerine getiren farklılaşmış hücrelere sahip çok hücreli organizmalar ortaya çıkmaya başlamıştır. ⓘ

Alg benzeri çok hücreli kara bitkileri yaklaşık 1 milyar yıl öncesine kadar tarihlendirilse de, kanıtlar mikroorganizmaların en az 2,7 milyar yıl önce en eski karasal ekosistemleri oluşturduğunu göstermektedir. Mikroorganizmaların Ordovisyen döneminde kara bitkilerinin ortaya çıkmasına zemin hazırladığı düşünülmektedir. Kara bitkileri o kadar başarılı olmuştur ki, Geç Devoniyen yok oluş olayına katkıda bulundukları düşünülmektedir. ⓘ

Ediacara biyotası Ediacaran döneminde ortaya çıkarken, omurgalılar, diğer modern filumların çoğu ile birlikte yaklaşık 525 milyon yıl önce Kambriyen patlaması sırasında ortaya çıkmıştır. Permiyen döneminde, memelilerin ataları da dahil olmak üzere sinapsidler karaya hakim oldu, ancak bu grubun çoğu 252 milyon yıl önce Permiyen-Triyas yok olma olayında yok oldu. Bu felaketin ardından yaşanan toparlanma sürecinde, arkozorlar en bol bulunan kara omurgalıları haline gelmiş; bir arkozor grubu olan dinozorlar Jura ve Kretase dönemlerine hakim olmuştur. Kretase-Paleojen yok oluş olayının 66 milyon yıl önce kuş olmayan dinozorları öldürmesinin ardından, memeliler boyut ve çeşitlilik açısından hızla artmıştır. Bu tür kitlesel yok oluşlar, yeni organizma gruplarının çeşitlenmesi için fırsatlar sağlayarak evrimi hızlandırmış olabilir. ⓘ

Çeşitlilik

Bakteriler ve Arkealar

Bakteriler - Gemmatimonas aurantiaca (-=1 Mikrometre) ⓘ

Bakteriler, prokaryotik mikroorganizmaların geniş bir alanını oluşturan bir hücre türüdür. Tipik olarak birkaç mikrometre uzunluğunda olan bakteriler, kürelerden çubuklara ve spirallere kadar değişen çeşitli şekillere sahiptir. Bakteriler, Dünya'da ortaya çıkan ilk yaşam formları arasındadır ve yaşam alanlarının çoğunda bulunurlar. Bakteriler toprakta, suda, asidik kaplıcalarda, radyoaktif atıklarda ve yer kabuğunun derin biyosferinde yaşarlar. Bakteriler ayrıca bitki ve hayvanlarla simbiyotik ve parazit ilişkiler içinde yaşarlar. Bakterilerin çoğu karakterize edilmemiştir ve bakteri filumunun sadece yaklaşık yüzde 27'sinin laboratuvarda yetiştirilebilen türleri vardır. ⓘ

Archaea - Halobacteria ⓘ

Arkeler, prokaryotik hücrelerin diğer alanını oluşturur ve başlangıçta bakteri olarak sınıflandırılmış ve kullanımdan düşmüş bir terim olan arkebakteri (Archaebacteria krallığında) adını almıştır. Arkeal hücreler, onları diğer iki alem olan Bakteriler ve Ökaryotalardan ayıran benzersiz özelliklere sahiptir. Arkeler ayrıca birden fazla tanınmış filuma ayrılır. Haloquadratum walsbyi'nin düz ve kare hücreleri gibi birkaç arke çok farklı şekillere sahip olsa da, arke ve bakteriler genellikle boyut ve şekil bakımından benzerdir. Bakterilerle olan bu morfolojik benzerliğe rağmen, arkeler, özellikle transkripsiyon ve translasyonda yer alan enzimler için ökaryotlarla daha yakından ilişkili genlere ve çeşitli metabolik yollara sahiptir. Arkeal biyokimyanın diğer yönleri benzersizdir, örneğin hücre zarlarında arkeoller de dahil olmak üzere eter lipitlere bağımlılıkları gibi. Arkeler ökaryotlardan daha fazla enerji kaynağı kullanır: bunlar şekerler gibi organik bileşiklerden amonyak, metal iyonları ve hatta hidrojen gazına kadar uzanır. Tuza toleranslı arkeler (Haloarchaea) güneş ışığını enerji kaynağı olarak kullanır ve diğer arke türleri karbonu sabitler, ancak bitkiler ve siyanobakterilerin aksine, bilinen hiçbir arke türü her ikisini de yapmaz. Arkeler ikili bölünme, parçalanma veya tomurcuklanma yoluyla eşeysiz olarak ürerler; bakterilerin aksine, bilinen hiçbir Arkeler türü endospor oluşturmaz. ⓘ

Gözlemlenen ilk arkeler, başka organizmaların bulunmadığı sıcak su kaynakları ve tuz gölleri gibi ekstrem ortamlarda yaşayan ekstremofillerdir. Geliştirilmiş moleküler tespit araçları, toprak, okyanuslar ve bataklıklar da dahil olmak üzere hemen hemen her habitatta arkelerin keşfedilmesine yol açmıştır. Arkealar özellikle okyanuslarda çok sayıdadır ve planktonlardaki arkealar gezegendeki en bol organizma gruplarından biri olabilir. ⓘ

Arkeler Dünya yaşamının önemli bir parçasıdır. Tüm organizmaların mikrobiyotasının bir parçasıdırlar. İnsan mikrobiyomunda, bağırsakta, ağızda ve ciltte önemlidirler. Morfolojik, metabolik ve coğrafi çeşitlilikleri, çoklu ekolojik roller oynamalarına izin verir: örneğin karbon fiksasyonu; nitrojen döngüsü; organik bileşik devri; ve mikrobiyal simbiyotik ve sentrofik toplulukların sürdürülmesi. ⓘ

Protistler

Protistlerin çeşitliliği ⓘ

Ökaryotların arkelerden ayrıldığı ve bunu bakterilerle yaptıkları endosimbiyozların (ya da simbiyogenezin) takip ettiği ve her ikisi de günümüz ökaryotik hücrelerinin bir parçası olan mitokondri ve kloroplastların ortaya çıktığı varsayılmaktadır. Ökaryotların ana soyları yaklaşık 1,5 milyar yıl önce Prekambriyen'de çeşitlenmiştir ve sekiz ana klad olarak sınıflandırılabilir: alveolatlar, ekskavatlar, stramenopiller, bitkiler, rizaryanlar, amipozoanlar, mantarlar ve hayvanlar. Bu kladlardan beşi toplu olarak protistler olarak bilinir; bunlar çoğunlukla bitki, mantar veya hayvan olmayan mikroskobik ökaryotik organizmalardır. Protistlerin ortak bir atayı (son ökaryotik ortak ata) paylaşması muhtemel olsa da, bazı protistler bitkiler, mantarlar veya hayvanlarla diğer protistlere göre daha yakından ilişkili olabileceğinden, protistler kendi başlarına ayrı bir klad oluşturmazlar. Algler, omurgasızlar veya protozoanlar gibi gruplandırmalar gibi, protist gruplandırması da resmi bir taksonomik grup değildir, ancak kolaylık sağlamak için kullanılır. Protistlerin çoğu tek hücrelidir ve mikrobiyal ökaryotlar olarak da bilinirler. ⓘ

Alveolatlar çoğunlukla fotosentetik tek hücreli protistlerdir ve hücre zarlarının altında bulunan ve hücre yüzeyine destek sağlayan alveol adı verilen keselere (dolayısıyla alveolat adını alırlar) sahiptirler. Alveolatlar dinoflagellatlar, apikompleksanlar ve siliyatlar gibi çeşitli gruplardan oluşur. Dinoflagellatlar fotosentetiktir ve organik maddenin birincil üreticileri olarak rol oynadıkları okyanusta bulunabilirler. Apikompleksanlar, hücrenin apikal ucunda bulunan bir grup organel olan apikal komplekse sahip parazitik alveolatlardır. Bu kompleks apikompleksanların konakçılarının dokularını istila etmesini sağlar. Siliyatlar, sil adı verilen çok sayıda kıl benzeri yapıya sahip alveolatlardır. Siliyatların tanımlayıcı bir özelliği, her bir siliyat hücresinde iki tip çekirdek bulunmasıdır. Yaygın olarak incelenen bir siliyat paramecium'dur. ⓘ

Ekskavatlar, ökaryotların ortaya çıkışından kısa bir süre sonra yaklaşık 1,5 milyar yıl önce çeşitlenmeye başlayan protist gruplarıdır. Bazı ekskavatlar mitokondriye sahip değildir, bu protistlerin hala mitokondri ile ilişkili nükleer genlere sahip olması nedeniyle evrim sürecinde kaybolduğu düşünülmektedir. Ekskavatlar diplomonadlar, parabasalidler, heterolobozanlar, öglenidler ve kinetoplastidler gibi çeşitli gruplardan oluşur. ⓘ

Çoğu, iki kamçılarından uzun olanında boru şeklinde kılların bulunmasıyla karakterize edilebilen stramenopiller, diyatomları ve kahverengi algleri içerir. Diyatomlar birincil üreticilerdir ve tüm fotosentetik karbon fiksasyonunun yaklaşık beşte birine katkıda bulunurlar, bu da onları fitoplanktonun ana bileşeni yapar. ⓘ

Rizaryenler çoğunlukla tek hücreli ve suda yaşayan protistlerdir ve tipik olarak uzun, ince psödopodlar içerirler. Rizaryenler üç ana gruptan oluşur: cercozoans, foraminiferans ve radiolarians. ⓘ

Amipozoanlar, hareket etmelerine yardımcı olan lob şeklindeki psödopodların varlığı ile karakterize edilen bir vücut formuna sahip protistlerdir. Lobozoanlar ve balçık küfleri (örneğin, plazmodiyal balçık küfü ve hücresel balçık küfleri) gibi grupları içerirler. ⓘ

Bitki çeşitliliği

Bitki çeşitliliği ⓘ

Bitkiler, mantarlar ve bazı algleri dışarıda bırakan Plantae aleminin ağırlıklı olarak fotosentetik ökaryotları olan çok hücreli organizmalardır. Plantae'nin ortak bir türetilmiş özelliği (veya sinapomorfi), yaklaşık bir milyar yıl önce bir siyanobakterinin erken bir ökaryota birincil endosimbiyozudur ve bu da kloroplastların ortaya çıkmasına neden olmuştur. Birincil endosimbiyozu takiben ortaya çıkan ilk birkaç klad suculdur ve sucul fotosentetik ökaryotik organizmaların çoğu toplu olarak alg olarak tanımlanır; bu, tüm algler yakından ilişkili olmadığı için kolaylık sağlayan bir terimdir. Algler, Plantae'nin erken tek hücreli atasına biçim olarak benzeyen mikroskobik tatlı su algleri olan glaucophytes gibi birkaç farklı kladdan oluşur. Glokofitlerin aksine, kırmızı ve yeşil algler gibi diğer alg kladları çok hücrelidir. Yeşil algler üç ana kladdan oluşur: klorofitler, koleokasetofitler ve taş otları. ⓘ

Kara bitkileri (embriyofitler) ilk olarak yaklaşık 450 ila 500 milyon yıl önce karasal ortamlarda ortaya çıkmıştır. Kara bitkilerinin sinapomorfi, ana bitkinin dokularının koruması altında gelişen bir embriyodur. Kara bitkileri on ana kladdan oluşur; bunlardan yedisi vasküler bitkiler (veya trakeofitler) olarak bilinen tek bir klad oluşturur, çünkü hepsinde sıvı ileten hücreler olan trakeidler ve vücutları boyunca materyalleri taşıyan iyi gelişmiş bir sistem vardır. Buna karşılık, diğer üç klad trakeidlere sahip olmadıkları için nonvasküler bitkilerdir. Ayrıca tek bir klad oluşturmazlar. ⓘ

Damarsız bitkiler arasında ciğerotları, yosunlar ve boynuzotları bulunur. Suyun kolaylıkla bulunabildiği alanlarda bulunma eğilimindedirler. Çoğu toprakta ve hatta damarlı bitkilerin üzerinde yaşar. Bazıları çıplak kayalarda, ölmüş ya da devrilmiş ağaç gövdelerinde ve hatta binalarda yetişebilir. Damarsız bitkilerin çoğu karasaldır, birkaçı tatlı su ortamlarında yaşar ve hiçbiri okyanuslarda yaşamaz. ⓘ

Vasküler bitkileri oluşturan yedi klad (veya bölüm), birlikte monilofit adı verilen tek bir klad olarak gruplandırılabilen atkuyrukları ve eğrelti otlarını içerir. Tohumlu bitkiler (veya spermatofit), dördü açık tohumlular ve biri kapalı tohumlular olarak gruplandırılan diğer beş bölümü oluşturur. Gymnospermler kozalaklı ağaçları, sikadları, Ginkgo'yu ve gnetofitleri içerir. Gymnosperm tohumları ya pulların ya da yaprakların yüzeyinde gelişir, bunlar genellikle koni oluşturacak şekilde modifiye edilir ya da porsuk, Torreya, Ginkgo'da olduğu gibi tek başına gelişir. Kapalı tohumlular, 64 takım, 416 familya, yaklaşık 13.000 bilinen cins ve 300.000 bilinen tür ile kara bitkilerinin en çeşitli grubudur. Açık tohumlular gibi kapalı tohumlular da tohum üreten bitkilerdir. Çiçekler, tohumlarında endosperm ve tohumları içeren meyvelerin üretimi gibi özelliklere sahip olmaları ile açık tohumlulardan ayrılırlar. ⓘ

Mantarlar

Mantar çeşitliliği. Sol üstten saat yönünde: Bir basidiomycete olan Amanita muscaria; bir ascomycete olan Sarcoscypha coccinea; küfle kaplı ekmek; chytrid; Aspergillus conidiophore. ⓘ

Mantarlar, besinleri vücutlarının dışında sindiren ökaryotik organizmalardır. Bunu absorptif heterotrofi adı verilen bir süreçle yaparlar; bu süreçte önce büyük gıda moleküllerini parçalayan sindirim enzimleri salgılar, ardından bunları hücre zarlarından emerler. Birçok mantar aynı zamanda ölü organik maddelerden besin alabildikleri için saprobtur ve bu nedenle ekolojik sistemlerdeki başlıca ayrıştırıcılardır. Bazı mantarlar canlı konaklardan besin emerek parazit olurken, diğerleri mutualisttir. Mantarlar, diğer iki soy olan koanoflagellatlar ve hayvanlar ile birlikte opisthokontlar olarak gruplandırılabilir. Mantarları diğer iki opisthokonttan ayıran bir sinapomorfi, hücre duvarlarında kitin bulunmasıdır. ⓘ

Mantarların çoğu çok hücrelidir, ancak sıvı veya nemli ortamlarda yaşayan ve besinleri doğrudan hücre yüzeylerine emebilen mayalar gibi bazıları tek hücrelidir. Çok hücreli mantarlar ise miselyum adı verilen ve besin emiliminin gerçekleşmesini sağlayan hif adı verilen bireysel boru şeklindeki filamentlerden oluşan bir gövdeye sahiptir. ⓘ

Mantarlar yaşam döngülerine göre altı ana gruba ayrılabilir: mikrosporidia, chytrids, zygospore mantarlar (Zygomycota), arbuscular mycorrhizal mantarlar (Glomeromycota), kese mantarları (Ascomycota) ve kulüp mantarları (Basidiomycota). Mantarlar, kullandıkları özel eşeyli üreme süreçlerine göre sınıflandırılır. Eşeyli üreme sırasında mayoz bölünmenin olağan hücresel ürünleri, sert zamanlarda hayatta kalmak ve yayılmak için uyarlanmış sporlardır. Ascomycota ve Basidiomycota'da eşeyli üreme sırasında mayoz bölünmenin başlıca adaptif faydasının, mayotik rekombinasyon yoluyla DNA hasarının onarılması olduğu öne sürülmüştür. ⓘ

Mantar krallığı, çeşitli ekolojilere, yaşam döngüsü stratejilerine ve tek hücreli sucul chytridlerden büyük mantarlara kadar değişen morfolojilere sahip muazzam bir takson çeşitliliğini kapsar. Bununla birlikte, 2,2 milyon ila 3,8 milyon tür olduğu tahmin edilen Fungi Krallığı'nın gerçek biyoçeşitliliği hakkında çok az şey bilinmektedir. Bunlardan sadece yaklaşık 148.000'i tanımlanmış olup, bitkiler için zararlı olduğu bilinen 8.000'den fazla tür ve insanlar için patojenik olabilen en az 300 tür bulunmaktadır. ⓘ

Hayvan çeşitliliği

Hayvan çeşitliliği. Yukarıdan aşağıya, ilk sütun: Echinoderm, cnidaria, bivalve, tardigrade, crustacean ve arachnid. İkinci sütun: Sünger, böcek, memeli, bryozoa, acanthocephala ve yassı solucan. Üçüncü sütun: Kafadanbacaklı, annelid, tunikat, balık, kuş ve phoronida.

Hayvanlar, Animalia alemini oluşturan çok hücreli ökaryotik organizmalardır. Birkaç istisna dışında, hayvanlar organik madde tüketir, oksijen solur, hareket edebilir, cinsel yolla üreyebilir ve embriyonik gelişim sırasında içi boş bir hücre küresi olan blastuladan büyürler. Yaklaşık 1 milyonu böcek olmak üzere 1,5 milyondan fazla canlı hayvan türü tanımlanmıştır; ancak toplamda 7 milyondan fazla hayvan türü olduğu tahmin edilmektedir. Birbirleriyle ve çevreleriyle karmaşık etkileşimleri vardır ve karmaşık besin ağları oluştururlar. ⓘ

Hayvanlar gelişim özelliklerine göre iki gruba ayrılabilir. Örneğin, ctenophores, placeozoans ve cnidarians gibi diploblastik hayvanların embriyoları iki hücre katmanına (ektoderm ve endoderm) sahipken, triploblastik hayvanların embriyoları bu hayvanların bir sinapomorfi olan üç doku katmanına (ektoderm, mezoderm ve endoderm) sahiptir. Triploblastik hayvanlar, blastula girintisinden blastopor adı verilen bir boşluğun oluştuğu gastrulasyon modeline dayalı olarak iki ana klasta ayrılabilir. Protostomlarda, blastopor ağzı meydana getirir ve bunu anüs oluşumu takip eder. Döterostomlarda, blastopor anüse yol açar ve bunu ağız oluşumu takip eder. ⓘ

Hayvanlar ayrıca vücut planlarına, özellikle de dört temel özelliğe göre ayırt edilebilir: simetri, vücut boşluğu, segmentasyon ve uzantılar. Çoğu hayvanın vücudu simetriktir ve simetri radyal ya da bilateraldir. Triploblastik hayvanlar vücut boşluklarına göre üç türe ayrılabilir: akoelomat, pseudokoelomat ve koelomat. Segmentasyon birçok hayvanın vücudunda gözlemlenebilir, bu da vücudun farklı bölümlerinin uzmanlaşmasına ve hayvanın hareketlerini kontrol etmek için vücudunun şeklini değiştirmesine izin verir. Son olarak, hayvanlar, çevreyi algılamak için antenler veya avı yakalamak için pençeler gibi uzantılarının türüne ve konumuna göre ayırt edilebilir. ⓘ

Porifera filumunun üyeleri olan süngerler, diploblastların kardeşi olarak bazal bir Metazoa (hayvan) kladdır. İki ince hücre tabakası arasına sıkışmış jöle benzeri mezohilden oluşan, suyun içlerinde dolaşmasını sağlayan gözenekler ve kanallarla dolu gövdelere sahip çok hücreli organizmalardır. ⓘ

Hayvan türlerinin çoğunluğu (~%97), notokorddan türetilen bir omurga sütununa (veya omurga veya omurga) sahip olmayan hayvanlar olan omurgasızlardır. Bu, Vertebrata alt filumu dışındaki tüm hayvanları içerir. Omurgasızların bilinen örnekleri arasında süngerler, sölenterler (hidralar, denizanaları, deniz şakayıkları ve mercanlar), yumuşakçalar (kitonlar, salyangoz, çift kabuklular, mürekkep balıkları ve ahtapotlar), annelidler (solucanlar ve sülükler) ve eklembacaklılar (böcekler, araknidler, kabuklular ve myriapodlar) yer alır. Birçok omurgasız taksonu, Omurgalılar alt filumunun tamamından daha fazla sayıda ve çeşitte türe sahiptir. ⓘ

Buna karşılık omurgalılar, omurga sütunlarına sahip kordalılar olan Vertebrata alt filumundaki tüm hayvan türlerini kapsar. Bu hayvanların dört temel özelliği vardır: beyinli bir ön kafatası, omuriliği çevreleyen bir omur sütunu tarafından desteklenen sert bir iç iskelet, bir karyola içinde asılı duran iç organlar ve tek bir büyük kalp tarafından yönlendirilen iyi gelişmiş bir dolaşım sistemi. Omurgalılar, şu anda tanımlanmış yaklaşık 69.963 tür ile Chordata filumunun ezici çoğunluğunu temsil etmektedir. Omurgalılar, çenesiz balıklar (hagfishes hariç), kıkırdaklı balıklar (köpekbalıkları, vatozlar ve sıçan balıkları) gibi çeneli omurgalılar, kemikli balıklar, amfibiler, sürüngenler, kuşlar ve memeliler gibi tetrapodları içeren farklı ana gruplardan oluşur. ⓘ

Devoniyen döneminin ötesinde hayatta kalan iki çenesiz balık grubu, toplu olarak siklostomlar (daire şeklinde ağızlar için) olarak bilinen hagfishes ve lamprey'dir. Her iki hayvan grubu da yılan balığı benzeri uzun vücutlara sahiptir ve çift yüzgeçleri yoktur. Bununla birlikte, hagfishler üç aksesuar kalbe sahip zayıf bir dolaşım sistemine, beyinciksiz kısmi bir kafatasına, çene veya mideye ve eklemli omurlara sahip olmadıkları için, bazı biyologlar onları omurgalı olarak değil, omurgalıların kardeş grubu olarak sınıflandırmaktadır. Buna karşılık, lampreylerin tam bir kafatası ve kıkırdaklı belirgin bir omurgası vardır. ⓘ

Memeliler, kendilerini diğer hayvanlardan ayıran ter bezleri, meme bezleri, kıl ve dört odacıklı kalp gibi dört temel özelliğe sahiptir. Küçük ve orta büyüklükteki memeliler Mezozoik çağın büyük bölümünde büyük dinozorlarla birlikte var olmuş, ancak Kretase döneminin sonunda dinozorların kitlesel yok oluşunun ardından kısa sürede yayılmışlardır. Yaklaşık 57.000 memeli türü vardır ve bunlar iki ana gruba ayrılabilir: prototherianlar ve therianlar. Prototeriyenlerin memelerinde meme ucu bulunmaz, bunun yerine sütlerini derilerine salgılarlar ve yavrularının kürklerini yalamasına izin verirler. Ayrıca plasentaları yoktur, yumurtlarlar ve yayılan bacaklara sahiptirler. Şu anda bilinen sadece beş prototeryan türü vardır (ornitorenk ve dört ekidna türü). Therian klade canlıdır ve ayrıca iki gruba ayrılabilir: keseliler ve öteryalılar. Keseli dişilerin yavrularını taşımak ve beslemek için ventral bir keseleri vardır. Öteriyenler memelilerin çoğunluğunu oluşturur ve kemirgenler, yarasalar, çift parmaklı toynaklılar ve deniz memelileri, sivri fareler ve köstebekler, primatlar, etoburlar, tavşanlar, Afrika böcekçilleri, dikenli böcekçiller, armadillolar, ağaç fareleri, tek parmaklı toynaklılar, uzun burunlu böcekçiller, karıncayiyenler ve tembel hayvanlar, pangolinler, hyraxlar, sirenler, filler, kolugolar ve aardvarklar gibi ana grupları içerir. ⓘ

Primat soyunda yaklaşık 90 milyon yıl önce Kretase döneminde bir bölünme meydana gelmiş ve bu bölünme iki ana kladın ortaya çıkmasına neden olmuştur: prosimiyenler ve antropoidler. Prosimiyenler lemurları, lorisleri ve galagoları içerirken, antropoidler tarsiyerleri, Yeni Dünya maymunlarını, Eski Dünya maymunlarını ve maymunları içerir. Maymunlar yaklaşık 35 milyon yıl önce Eski Dünya maymunlarından ayrılmış, 22 ila 5,5 milyon yıl önce Afrika, Avrupa ve Asya'da çeşitli türleri yaşamıştır. Bu hayvanların modern torunları arasında Afrika'da şempanzeler ve goriller, Asya'da gibonlar ve orangutanlar ve dünya çapında insanlar bulunmaktadır. Yaklaşık altı milyon yıl önce Afrika'da maymun soyunda bir bölünme meydana gelmiş ve bunun sonucunda bir grup olarak şempanzeler, diğer bir grup olarak da insanları ve soyu tükenmiş akrabalarını içeren hominid klad ortaya çıkmıştır. İki ayaklılık, ardipithecines olarak bilinen en erken protohominidlerde ortaya çıkmıştır. Bir adaptasyon olarak iki ayaklılık üç avantaj sağlamıştır. Birincisi, ardipithecinelerin çalışırken nesneleri manipüle etmek ve taşımak için ön ayaklarını kullanmalarını sağlamıştır. İkincisi, uzun bitki örtüsü üzerinde avları ya da yırtıcıları tespit etmek için hayvanın gözlerini yükseltmiştir. Son olarak, iki ayaklılık dört ayaklı hareketten enerjik olarak daha verimlidir. ⓘ

Virüsler

Bakteriyel hücre duvarına bağlı bakteriyofajlar ⓘ

Virüsler, organizmaların hücreleri içinde çoğalan submikroskopik enfeksiyöz ajanlardır. Virüsler, hayvan ve bitkilerden bakteri ve arkea dahil mikroorganizmalara kadar her tür yaşam formunu enfekte eder. 6.000'den fazla virüs türü ayrıntılı olarak tanımlanmıştır. Virüsler Dünya üzerindeki hemen hemen her ekosistemde bulunur ve en çok sayıdaki biyolojik varlık türüdür. ⓘ

Bir konak hücre enfekte olduğunda, orijinal virüsün binlerce özdeş kopyasını hızla üretmek zorunda kalır. Virüsler, enfekte olmuş bir hücrenin içinde değilken veya bir hücreyi enfekte etme sürecindeyken, genetik materyal (DNA veya RNA), kapsid adı verilen bir protein kılıfı ve bazı durumlarda lipidlerden oluşan bir dış zarftan oluşan bağımsız partiküller veya virionlar şeklinde bulunurlar. Bu virüs partiküllerinin şekilleri basit sarmal ve ikozahedral formlardan daha karmaşık yapılara kadar değişir. Çoğu virüs türünün viryonları, çoğu bakterinin yüzde biri büyüklüğünde olduğundan optik mikroskopla görülemeyecek kadar küçüktür. ⓘ

Yaşamın evrimsel tarihinde virüslerin kökenleri belirsizdir: bazıları plazmidlerden (hücreler arasında hareket edebilen DNA parçaları) evrilmiş olabilirken, diğerleri bakterilerden evrilmiş olabilir. Evrimde virüsler, eşeyli üremeye benzer bir şekilde genetik çeşitliliği artıran önemli bir yatay gen transferi aracıdır. Virüsler yaşamın tüm özelliklerine olmasa da bazı özelliklerine sahip olduklarından, "yaşamın sınırındaki organizmalar" ve kendi kendini kopyalayanlar olarak tanımlanmışlardır. ⓘ

Virüsler birçok yolla yayılabilir. Bulaşma yollarından biri vektör olarak bilinen hastalık taşıyan organizmalar aracılığıyla gerçekleşir: örneğin, virüsler genellikle yaprak bitleri gibi bitki özsuyuyla beslenen böcekler tarafından bitkiden bitkiye bulaştırılır; ve hayvanlardaki virüsler kan emici böcekler tarafından taşınabilir. İnfluenza virüsleri öksürme ve hapşırma yoluyla yayılır. Viral gastroenteritin yaygın nedenleri olan norovirüs ve rotavirüs, fekal-oral yolla, elden ağza temasla veya yiyecek ya da su ile bulaşır. Hayvanlardaki viral enfeksiyonlar, genellikle enfekte eden virüsü ortadan kaldıran bir bağışıklık tepkisine neden olur. Bağışıklık tepkileri, spesifik viral enfeksiyona karşı yapay olarak edinilmiş bir bağışıklık sağlayan aşılar tarafından da üretilebilir. ⓘ

Bitki formu ve işlevi

Bitki gövdesi

Bir eudicot'ta kök ve sürgün sistemleri ⓘ

Bitki gövdesi, iki ana organ sistemi halinde organize edilebilen organlardan oluşur: kök sistemi ve sürgün sistemi. Kök sistemi bitkileri yerlerine sabitler. Kökler su ve mineralleri emer ve fotosentetik ürünleri depolar. Sürgün sistemi gövde, yapraklar ve çiçeklerden oluşur. Gövdeler yaprakları tutar ve güneşe doğru yönlendirir, bu da yaprakların fotosentez yapmasını sağlar. Çiçekler üreme için modifiye edilmiş sürgünlerdir. Sürgünler, bir veya daha fazla yaprak taşıyan bir düğüm, boğum arası ve bir veya daha fazla tomurcuktan oluşan işlevsel birimler olan fitomerlerden oluşur. ⓘ

Bir bitki gövdesi, embriyogenez sırasında oluşturulan iki temel modele (apikal-bazal ve radyal eksenler) sahiptir. Hücreler ve dokular kökten sürgüne kadar apikal-bazal eksen boyunca düzenlenirken, bir bitkinin gövdesini oluşturan üç doku sistemi (dermal, toprak ve vasküler) radyal eksen etrafında eş merkezli olarak düzenlenir. Dermal doku sistemi, bir bitkinin epidermisini (veya dış örtüsünü) oluşturur ve genellikle üç özel yapıya farklılaşmış hücrelerden oluşan tek bir hücre tabakasıdır: yapraklarda gaz değişimi için stomalar, böceklere ve güneş radyasyonuna karşı koruma için trikomlar (veya yaprak tüyleri) ve artan yüzey alanları ile su ve besin emilimi için kök tüyleri. Toprak dokusu, sürgünlerde ve köklerde dermal ve vasküler dokular arasında kalan neredeyse tüm dokuyu oluşturur. Üç hücre tipinden oluşur: Parankima, kollenkima ve sklerankima hücreleri. Son olarak, vasküler dokular iki kurucu dokudan oluşur: ksilem ve floem. Ksilem, trakeid adı verilen iki iletken hücre ve damar elemanlarından oluşurken, floem elek tüpü elemanları ve eşlik eden hücrelerin varlığı ile karakterize edilir. ⓘ

Bitki beslenmesi ve taşınması

Ksilem (mavi) su ve mineralleri köklerden yukarıya doğru taşırken floem (turuncu) karbonhidratları organlar arasında taşır. ⓘ

Diğer tüm organizmalar gibi bitkiler de öncelikle sudan ve yaşam için gerekli olan elementleri içeren diğer moleküllerden oluşur. Birçoğu hidroponik deneylerde tanımlanmış olan belirli besinlerin (veya temel elementlerin) yokluğu, bitki büyümesini ve üremesini bozabilir. Bitkilerin çoğu bu besinleri topraktaki köklerini çevreleyen çözeltilerden elde edebilmektedir. Ürünlerin sürekli olarak süzülmesi ve hasat edilmesi, toprağın besin maddelerini tüketebilir ve bu da gübre kullanımıyla geri kazanılabilir. Sinekkapan gibi etobur bitkiler diğer eklembacaklıları sindirerek besin elde edebilirken, ökseotu gibi parazit bitkiler su ve besin için diğer bitkileri parazitleyebilir. ⓘ

Bitkiler fotosentez yapmak, solütleri organlar arasında taşımak, buharlaşma yoluyla yapraklarını soğutmak ve vücutlarını destekleyen iç basınçları korumak için suya ihtiyaç duyar. Su, ozmoz yoluyla bitki hücrelerinin içine ve dışına difüze olabilir. Yarı geçirgen bir zar boyunca su hareketinin yönü, bu zar boyunca su potansiyeli tarafından belirlenir. Su, akuaporinler aracılığıyla bir kök hücresinin zarı boyunca difüze olabilirken, solütler iyon kanalları ve pompalar aracılığıyla zar boyunca taşınır. Vasküler bitkilerde, su ve solütler bir apoplast ve simplast yoluyla vasküler bir doku olan ksileme girebilir. Ksileme girdikten sonra, su ve mineraller transpirasyon yoluyla topraktan bitkinin toprak üstü kısımlarına doğru dağıtılır. Buna karşılık, başka bir vasküler doku olan floem, karbonhidratları (örneğin sükroz) ve hormonlar gibi diğer çözünen maddeleri, üretildikleri bir kaynaktan (örneğin olgun yaprak veya kök) kullanılacakları ve depolanacakları bir lavaboya (örneğin kök, çiçek veya gelişmekte olan meyve) translokasyon yoluyla dağıtır. Kaynaklar ve yutaklar, diğer organların beslenmesi için biriktirilen veya harekete geçirilen karbonhidrat miktarına bağlı olarak rol değiştirebilir. ⓘ

Bitki gelişimi

Bitki gelişimi çevresel ipuçları ve bitkinin kendi reseptörleri, hormonları ve genomu tarafından düzenlenir. Ayrıca, meristemler, embriyonik organ oluşumu ve diferansiyel büyüme gibi büyüme ve üreme için kaynak elde etmelerini sağlayan çeşitli özelliklere sahiptirler. ⓘ

Gelişim, koruyucu bir dış örtü içine alınmış embriyonik bir bitki olan tohumla başlar. Çoğu bitki tohumu, tohumun normal aktivitesinin askıya alındığı bir durum olan uyku halindedir. Tohum uyku hali haftalar, aylar, yıllar ve hatta yüzyıllar sürebilir. Uyku hali, koşullar büyüme için uygun olduğunda bozulur ve tohum çimlenme adı verilen bir süreçle filizlenmeye başlar. Emme, çimlenmenin ilk adımıdır ve suyun tohum tarafından emilmesini sağlar. Su emildikten sonra tohum, enzimlerin aktive olduğu ve RNA ile proteinlerin sentezlendiği metabolik değişikliklere uğrar. Tohum çimlendikten sonra, gelişimi için yapı taşı görevi gören karbonhidratlar, amino asitler ve küçük lipitler elde eder. Bu monomerler, kotiledonlarda ya da endospermde depolanan nişasta, protein ve lipitlerin hidrolizinden elde edilir. Çimlenme, tohum kabuğundan radikül adı verilen embriyonik kökler çıktıktan sonra tamamlanır. Bu noktada, gelişmekte olan bitki fide olarak adlandırılır ve büyümesi kendi fotoreseptör proteinleri ve hormonları tarafından düzenlenir. ⓘ

Büyümenin belirli olduğu, yani yetişkin durumuna ulaşıldığında sona erdiği hayvanların aksine, bitki büyümesi belirsizdir, çünkü potansiyel olarak ömür boyu sürebilecek açık uçlu bir süreçtir. Bitkiler iki şekilde büyür: birincil ve ikincil. Birincil büyümede sürgünler ve kökler oluşur ve uzar. Apikal meristem, tüm tohumlu bitkilerde bulunabilen birincil bitki gövdesini üretir. İkincil büyüme sırasında, yanal meristem ikincil bitki gövdesini üretirken bitkinin kalınlığı artar, bu da ağaçlar ve çalılar gibi odunsu eudicotlarda bulunabilir. Tek çenekliler ikincil büyümeden geçmez. Bitki gövdesi bir meristemler hiyerarşisi tarafından oluşturulur. Kök ve sürgün sistemlerindeki apikal meristemler birincil meristemlere (protoderm, zemin meristemi ve prokambiyum) yol açar, bunlar da üç doku sistemine (dermal, zemin ve vasküler) yol açar. ⓘ

Bitki üremesi

Sporofitlerde üreme ve gelişme ⓘ

Angiospermlerin (veya çiçekli bitkilerin) çoğu eşeyli üreme gerçekleştirir. Çiçekleri, genellikle spermlerin yumurtalarla birleşmesi için bir mekanizma sağlayarak üremeyi kolaylaştıran organlardır. Çiçekler iki tür tozlaşmayı kolaylaştırabilir: kendi kendine tozlaşma ve çapraz tozlaşma. Kendi kendine tozlaşma, anterden gelen polen aynı çiçeğin stigması veya aynı bitki üzerindeki başka bir çiçek üzerinde biriktirildiğinde meydana gelir. Çapraz tozlaşma ise polenlerin bir çiçeğin anterinden aynı türün farklı bir bireyindeki başka bir çiçeğin stigmasına aktarılmasıdır. Kendi kendine tozlaşma, ercik ve karpelin aynı anda olgunlaştığı ve polenin çiçeğin stigmasına inebileceği şekilde konumlandığı çiçeklerde gerçekleşir. Bu tozlaşma, tozlayıcılara besin olarak nektar ve polen sağlamak için bitkinin bir yatırım yapmasını gerektirmez. ⓘ

Bitki tepkileri

Hayvanlar gibi bitkiler de vücutlarının bir bölümünde hormon üreterek başka bir bölümündeki hücrelere tepki vermeleri için sinyal gönderir. Meyvelerin olgunlaşması ve kışın yaprakların dökülmesi kısmen bitki tarafından etilen gazının üretilmesiyle kontrol edilir. Su kaybından, hava kimyasındaki değişikliklerden veya diğer bitkiler tarafından kalabalıklaştırılmaktan kaynaklanan stres, bir bitkinin işlev görme biçiminde değişikliklere yol açabilir. Bu değişiklikler genetik, kimyasal ve fiziksel faktörlerden etkilenebilir. ⓘ

Bitkiler, işlevlerini yerine getirmek ve hayatta kalmak için diğer organizmalarda bulunmayan çok çeşitli kimyasal bileşikler üretir. Hareket edemedikleri için bitkiler kendilerini otçullardan, patojenlerden ve diğer bitkilerin rekabetinden kimyasal olarak da korumak zorundadır. Bunu toksinler ve kötü tat ya da kokuya sahip kimyasallar üreterek yaparlar. Diğer bileşikler bitkileri hastalıklara karşı korur, kuraklık sırasında hayatta kalmalarını sağlar ve bitkileri uyku haline hazırlarken, diğer bileşikler olgun tohumları yaymak için tozlayıcıları veya otçulları çekmek için kullanılır. ⓘ

Birçok bitki organı, her biri ışığın belirli dalga boylarına çok özel tepki veren farklı tipte fotoreseptör proteinleri içerir. Fotoreseptör proteinler, gece mi gündüz mü olduğu, günün süresi, mevcut ışığın yoğunluğu ve ışığın kaynağı gibi bilgileri aktarır. Sürgünler genellikle ışığa doğru büyürken, kökler ışıktan uzaklaşır; bu tepkiler sırasıyla fototropizm ve skototropizm olarak bilinir. Bunlar fototropinler ve fitokromlar gibi ışığa duyarlı pigmentler ve bitki hormonu oksin tarafından meydana getirilir. Birçok çiçekli bitki, fotoperiyodizm olarak bilinen bir olgu olan gecenin uzunluğuna yanıt veren ışığa duyarlı bileşikler nedeniyle uygun zamanda çiçek açar. ⓘ

Işığa ek olarak, bitkiler diğer uyaran türlerine de yanıt verebilir. Örneğin, bitkiler kendilerini doğru yönlendirmek için yerçekiminin yönünü algılayabilir. Mekanik uyarımlara yanıt verebilirler. ⓘ

Hayvan biçimi ve işlevi

Genel özellikler

Negatif geri besleme, vücut sıcaklığını sabit tutmak gibi homeostazın sürdürülmesi için gereklidir. ⓘ

Her bir hayvan vücudundaki hücreler, hücrenin çevresini oluşturan interstisyel sıvı ile yıkanır. Bu sıvı ve tüm özellikleri (örneğin sıcaklık, iyonik bileşim), hayvanın dış dünyasını kapsayan dış ortamın aksine, hayvanın iç ortamı olarak tanımlanabilir. Hayvanlar ya düzenleyici ya da uyum sağlayıcı olarak sınıflandırılabilir. Memeliler ve kuşlar gibi hayvanlar, çevreleri değişmesine rağmen vücut sıcaklığı gibi sabit bir iç ortamı koruyabildikleri için düzenleyicidir. Bu hayvanlar, iç vücut sıcaklıklarını sabit tutarak termoregülasyon sergiledikleri için homeoterm olarak da tanımlanırlar. Buna karşılık, balıklar ve kurbağalar gibi hayvanlar, iç ortamlarını (örneğin vücut sıcaklığı) dış ortamlarına uyacak şekilde uyarladıkları için uyumludurlar. Bu hayvanlar, vücut sıcaklıklarının dış ortamlarına uymasına izin verdikleri için poikilotermler veya ektotermler olarak da tanımlanır. Enerji açısından bakıldığında, bir hayvan enerji tüketim oranı olan bazal metabolizma hızını artırmak gibi sabit bir iç ortamı korumak için daha fazla enerji harcadığından, düzenleme uygunluktan daha maliyetlidir. Benzer şekilde, homeotermi poikilotermiden daha maliyetlidir. Homeostaz, bir hayvanın iç ortamının negatif geri besleme döngüleriyle korunan istikrarıdır. ⓘ

Karasal hayvanların vücut büyüklükleri farklı türler arasında değişiklik gösterir ancak enerji kullanımları büyüklüklerine göre doğrusal olarak ölçeklenmez. Örneğin fareler, ağırlıklarına oranla tavşanlardan üç kat daha fazla yiyecek tüketebilir, çünkü farelerde birim ağırlık başına düşen bazal metabolizma hızı tavşanlardan daha fazladır. Fiziksel aktivite de bir hayvanın metabolizma hızını artırabilir. Bir hayvan koştuğunda, metabolizma hızı hız ile doğrusal olarak artar. Ancak, yüzen veya uçan hayvanlarda bu ilişki doğrusal değildir. Bir balık daha hızlı yüzdüğünde, daha fazla su direnciyle karşılaşır ve bu nedenle metabolik oranları üstel olarak artar. Alternatif olarak, kuşlarda uçuş hızları ve metabolik hızlar arasındaki ilişki U şeklindedir. Düşük uçuş hızlarında, bir kuş havada kalabilmek için yüksek metabolik hızları korumalıdır. Uçuşunu hızlandırdıkça, kanatlarının üzerinden hızla akan havanın yardımıyla metabolizma hızı düşer. Bununla birlikte, hızını daha da artırdıkça, yüksek uçuş hızlarıyla ilişkili artan çaba nedeniyle yüksek metabolik oranları tekrar yükselir. Bazal metabolizma hızları bir hayvanın ısı üretim hızına göre ölçülebilir. ⓘ

Su ve tuz dengesi

Bir tatlı su balığının içinde ve dışında su ve iyonların difüzyonu ⓘ

Bir hayvanın vücut sıvılarının üç özelliği vardır: ozmotik basınç, iyonik bileşim ve hacim. Ozmotik basınçlar, ozmotik basıncın (toplam çözünen madde konsantrasyonu) düşük olduğu bir bölgeden ozmotik basıncın (toplam çözünen madde konsantrasyonu) yüksek olduğu bir bölgeye hareket eden suyun difüzyonunun (veya ozmozun) yönünü belirler. Suda yaşayan hayvanlar vücut sıvısı bileşimleri ve çevreleri bakımından çeşitlilik gösterir. Örneğin, okyanustaki omurgasız hayvanların çoğunun vücut sıvıları deniz suyu ile izosmotiktir. Buna karşılık, okyanus kemikli balıklarının vücut sıvıları deniz suyuna göre hiposmotiktir. Son olarak, tatlı su hayvanlarının vücut sıvıları tatlı su ile hiperosmotiktir. Bir hayvanın vücut sıvılarında bulunabilecek tipik iyonlar sodyum, potasyum, kalsiyum ve klorürdür. Vücut sıvılarının hacmi boşaltım yoluyla düzenlenebilir. Omurgalı hayvanlarda, kan plazmasından idrar yapan nefron adı verilen küçük tübüler yapılardan oluşan boşaltım organları olan böbrekler bulunur. Böbreklerin birincil işlevi, kan plazmasındaki maddeleri seçici olarak uzaklaştırarak kan plazmasının bileşimini ve hacmini düzenlemektir. Kanguru sıçanları gibi kserik hayvanların kan plazmalarından 10-20 kat daha konsantre idrar üreterek su kaybını en aza indirme yeteneği, çok az yağış alan çöl ortamlarına uyum sağlamalarına olanak tanır. ⓘ

Beslenme ve sindirim

Deniz balıklarında farklı sindirim sistemleri ⓘ

Hayvanlar, enerji ve organik bileşikler elde etmek için diğer organizmalarla beslendiklerinden heterotrofturlar. Görünür gıda nesnelerini hedef almak, küçük gıda parçacıklarını toplamak veya kritik gıda ihtiyaçları için mikroplara bağlı olmak gibi üç ana yolla gıda elde edebilirler. Gıdada depolanan enerji miktarı, gıda oksijen varlığında yakıldığında yayılan ısı miktarına (kalori veya kilojul olarak ölçülür) göre ölçülebilir. Bir hayvan fazla miktarda kimyasal enerji içeren bir gıda tüketirse, bu enerjinin çoğunu ileride kullanmak üzere lipit şeklinde, bir kısmını da daha acil kullanım için (örneğin beynin enerji ihtiyacını karşılamak için) glikojen olarak depolayacaktır. Gıdalardaki moleküller, büyüme ve gelişme için gerekli olan kimyasal yapı taşlarıdır. Bu moleküller karbonhidratlar, yağlar ve proteinler gibi besin maddelerini içerir. Vitaminler ve mineraller (örneğin kalsiyum, magnezyum, sodyum ve fosfor) de gereklidir. Tipik olarak ağızdan anüse kadar uzanan boru şeklindeki bir kanaldan oluşan sindirim sistemi, gıdaların alındıktan kısa bir süre sonra bağırsak lümeninden peristaltik olarak aşağı inerken küçük moleküllere parçalanmasında (veya sindirilmesinde) rol oynar. Bu küçük gıda molekülleri daha sonra lümenden kana emilir ve burada yapı taşları (örneğin amino asitler) veya enerji kaynakları (örneğin glikoz) olarak vücudun geri kalanına dağıtılır. ⓘ

Omurgalı hayvanlarda sindirim sistemlerinin bir parçası olarak sindirim kanallarına ek olarak karaciğer ve pankreas gibi yardımcı bezler de bulunur. Bu hayvanlarda gıdanın işlenmesi ağız, yemek borusu ve mideyi içeren ön bağırsakta başlar. Yiyeceklerin mekanik sindirimi ağızda başlar ve yemek borusu yiyeceklerin mideye ulaşması için bir geçiş yolu görevi görür, burada depolanır ve daha ileri işlemler için parçalanır (mide asidi tarafından). Mideden çıktıktan sonra yiyecekler bağırsağın (memelilerde ince bağırsak) ilk kısmı olan ve sindirim ve emilimin ana bölgesi olan midgut'a girer. Emilemeyen yiyecekler, bağırsağın (veya memelilerde kalın bağırsağın) ikinci kısmı olan arka bağırsakta sindirilemeyen atık (veya dışkı) olarak depolanır. Arka bağırsak daha sonra dışkıyı rektumdan atmadan önce gerekli su ve tuzun yeniden emilimini tamamlar. ⓘ

Solunum

Bir kuşta solunum sistemi ⓘ

Solunum sistemi, hayvanlarda gaz alışverişi için kullanılan belirli organ ve yapılardan oluşur. Bunun gerçekleşmesini sağlayan anatomi ve fizyoloji, organizmanın büyüklüğüne, yaşadığı çevreye ve evrimsel geçmişine bağlı olarak büyük farklılıklar gösterir. Kara hayvanlarında solunum yüzeyi akciğerlerin astarları olarak içselleştirilmiştir. Akciğerlerdeki gaz alışverişi milyonlarca küçük hava kesesinde gerçekleşir; memelilerde ve sürüngenlerde bunlara alveol, kuşlarda ise atriyum adı verilir. Bu mikroskobik hava kesecikleri çok zengin bir kan kaynağına sahiptir, böylece havayı kanla yakın temas haline getirir. Bu hava kesecikleri dış ortamla, en büyüğü göğsün ortasında iki ana bronşa ayrılan trakea olan bir hava yolları veya içi boş tüpler sistemi aracılığıyla iletişim kurar. Bunlar akciğerlere girer ve burada giderek daralan ikincil ve üçüncül bronşlara, bunlar da çok sayıda daha küçük tüp olan bronşiyollere ayrılır. Kuşlarda bronşiyoller parabronş olarak adlandırılır. Memelilerde genellikle mikroskobik alveollere, kuşlarda ise kulakçıklara açılan bronşiyoller ya da parabronşlardır. Hava, solunum kaslarını içeren nefes alma işlemi ile çevreden alveollere veya kulakçıklara pompalanmalıdır. ⓘ

Dolaşım

Eklembacaklılarda, balıklarda, sürüngenlerde ve kuşlarda/memelilerde dolaşım sistemleri ⓘ

Bir dolaşım sistemi genellikle kalp gibi bir kas pompası, bir sıvı (kan) ve onu ileten kan damarları sisteminden oluşur. Temel işlevi kanı ve diğer maddeleri hücrelere ve dokulara taşımaktır. İki tür dolaşım sistemi vardır: açık ve kapalı. Açık dolaşım sistemlerinde kan vücutta dolaşırken kan damarlarından çıkar, kapalı dolaşım sisteminde ise kan dolaşırken kan damarları içinde tutulur. Açık dolaşım sistemleri eklembacaklılar (örneğin böcekler, örümcekler ve ıstakozlar) gibi omurgasız hayvanlarda gözlemlenebilirken, kapalı dolaşım sistemleri balıklar, amfibiler ve memeliler gibi omurgalı hayvanlarda bulunabilir. Hayvanlarda dolaşım iki tür doku arasında gerçekleşir: sistemik dokular ve solunum (veya pulmoner) organları. Sistemik dokular, solunum organları dışında bir hayvanın vücudunu oluşturan tüm doku ve organlardır. Sistemik dokular oksijen alır ancak kana karbondioksit eklerken, solunum organları karbondioksit alır ancak kana oksijen ekler. Kuşlarda ve memelilerde sistemik ve pulmoner sistemler seri olarak birbirine bağlıdır. ⓘ

Dolaşım sisteminde kan önemlidir çünkü oksijen, karbondioksit, besinler, hormonlar, bağışıklık sistemi ajanları, ısı, atıklar ve diğer malların taşındığı araçtır. Toprak solucanları ve sülükler gibi annelidlerde kan, kan damarlarını oluşturan kalp kaslarının peristaltik kasılma dalgaları ile itilir. Kabuklular (kerevit ve ıstakoz gibi) gibi diğer hayvanlarda, kanı vücutları boyunca itmek için birden fazla kalp bulunur. Omurgalı kalpleri çok odacıklıdır ve her kalp döngüsünde karıncıklar kasıldığında kan pompalayabilir, bu da kanı kan damarları boyunca ilerletir. Omurgalı kalpleri miyojenik olmasına rağmen, kasılma hızları (veya kalp atış hızları) vücudun otonom sinir sisteminden gelen nöral girdi ile modüle edilebilir. ⓘ

Kas ve hareket

Asenkron kaslar çoğu böcekte uçuşa güç verir. a: Kanatlar b: Kanat eklemi c: Dorsoventral kaslar yukarı vuruşlara güç verir d: Dorsolongitudinal kaslar aşağı vuruşlara güç verir. ⓘ

Omurgalılarda kas sistemi iskelet, düz ve kalp kaslarından oluşur. Vücudun hareket etmesini sağlar, duruşu korur ve kanı vücutta dolaştırır. İskelet sistemi ile birlikte, omurgalı hayvanların hareketinden sorumlu olan kas-iskelet sistemini oluşturur. İskelet kası kasılmaları, motor nöronlardan sinaptik girdi gerektirdiğinden nörojeniktir. Tek bir motor nöron birden fazla kas lifini innerve edebilir ve böylece liflerin aynı anda kasılmasına neden olabilir. İnerve edildikten sonra, her bir iskelet kası lifi içindeki protein filamentleri, kayan filament teorisi ile açıklanan bir kasılma üretmek için birbirlerinin yanından kayar. Üretilen kasılma, aksiyon potansiyellerinin frekansına bağlı olarak bir seğirme, toplama veya tetanoz olarak tanımlanabilir. İskelet kaslarının aksine, düz ve kalp kaslarının kasılmaları miyojeniktir çünkü bir motor nöron yerine düz veya kalp kası hücrelerinin kendileri tarafından başlatılırlar. Bununla birlikte, kasılmalarının gücü otonom sinir sisteminden gelen girdi ile modüle edilebilir. Kasılma mekanizmaları her üç kas dokusunda da benzerdir. ⓘ

Toprak solucanları ve sülükler gibi omurgasızlarda, dairesel ve uzunlamasına kas hücreleri bu hayvanların vücut duvarını oluşturur ve hareketlerinden sorumludur. Örneğin toprakta hareket eden bir toprak solucanında, dairesel ve uzunlamasına kasların kasılmaları karşılıklı olarak gerçekleşirken, koelomik sıvı toprak solucanının turgiditesini koruyarak bir hidroskeleton görevi görür. Yumuşakçalar ve nematodlar gibi diğer hayvanlar, omurgalı iskelet veya kalp kaslarında olduğu gibi enine değil sarmal olarak düzenlenmiş kalın ve ince filament bantları içeren eğik çizgili kaslara sahiptir. Eşek arıları, sinekler, arılar ve böcekler gibi gelişmiş böcekler, bu hayvanlarda uçuş kaslarını oluşturan asenkron kaslara sahiptir. Bu uçuş kasları genellikle fibriller kaslar olarak adlandırılır çünkü kalın ve göze çarpan miyofibriller içerirler. ⓘ

Sinir sistemi

Fare piramidal nöronları (yeşil) ve GABAerjik nöronları (kırmızı) ⓘ

Çok hücreli hayvanların çoğu, çevrelerini algılamalarını ve çevrelerine yanıt vermelerini sağlayan sinir sistemlerine sahiptir. Sinir sistemi, duyusal bilgileri işleyen ve davranışlar üreten bir hücre ağıdır. Hücresel düzeyde sinir sistemi, bilgiyi işlemek için özelleşmiş hücreler olan nöronların varlığıyla tanımlanır. Sinaps adı verilen temas bölgelerinde bilgi iletebilir veya alabilirler. Daha spesifik olarak, nöronlar akson adı verilen ince lifleri boyunca ilerleyen sinir uyarılarını (ya da aksiyon potansiyellerini) iletebilir, bunlar daha sonra elektrik sinapsları yoluyla doğrudan komşu bir hücreye iletilebilir ya da kimyasal sinapslarda nörotransmitter adı verilen kimyasalların salınmasına neden olabilir. Sodyum teorisine göre, bu aksiyon potansiyelleri nöronun hücre zarının sodyum iyonlarına karşı artan geçirgenliği ile üretilebilir. Nöronlar veya kas hücreleri gibi hücreler, başka bir nörondan sinyal aldıktan sonra uyarılabilir veya inhibe edilebilir. Nöronlar arasındaki bağlantılar, bir organizmanın dünya algısını oluşturan ve davranışını belirleyen sinirsel yollar, sinir devreleri ve daha büyük ağlar oluşturabilir. Nöronların yanı sıra sinir sistemi, yapısal ve metabolik destek sağlayan glia veya glial hücreler adı verilen diğer özelleşmiş hücreleri de içerir. ⓘ

Omurgalılarda sinir sistemi, beyin ve omuriliği içeren merkezi sinir sistemi (MSS) ve MSS'yi vücudun diğer tüm bölümlerine bağlayan sinirlerden oluşan çevresel sinir sisteminden (PNS) oluşur. MSS'den gelen sinyalleri ileten sinirlere motor sinirler veya efferent sinirler, vücuttan MSS'ye bilgi ileten sinirlere ise duyusal sinirler veya afferent sinirler denir. Spinal sinirler her iki işleve de hizmet eden karışık sinirlerdir. PNS somatik, otonom ve enterik sinir sistemleri olmak üzere üç ayrı alt sisteme ayrılır. Somatik sinirler istemli harekete aracılık eder. Otonom sinir sistemi ayrıca sempatik ve parasempatik sinir sistemleri olarak alt bölümlere ayrılır. Sempatik sinir sistemi acil durumlarda enerjiyi harekete geçirmek için aktive olurken, parasempatik sinir sistemi organizmalar rahat bir durumdayken aktive olur. Enterik sinir sistemi gastrointestinal sistemi kontrol etmek için işlev görür. Hem otonomik hem de enterik sinir sistemleri istemsiz olarak çalışır. Doğrudan beyinden çıkan sinirlere kraniyal sinirler, omurilikten çıkanlara ise spinal sinirler denir. ⓘ

Birçok hayvan çevrelerini algılayabilen duyu organlarına sahiptir. Bu duyu organları, uyaranları elektrik sinyallerine dönüştüren duyusal nöronlar olan duyusal reseptörler içerir. Örneğin deri, kas ve işitme organlarında bulunabilen mekanoreseptörler, basınçtaki değişikliklere yanıt olarak aksiyon potansiyelleri üretir. Omurgalı retinasının bir parçası olan çubuklar ve koniler gibi fotoreseptör hücreler, belirli ışık dalga boylarına yanıt verebilir. Kemoreseptörler ağızdaki (tat) veya havadaki (koku) kimyasalları tespit eder. ⓘ

Hormonal kontrol

Hormonlar, işlevlerini düzenlemek için kan yoluyla uzak organlara taşınan sinyal molekülleridir. Hormonlar, bir hayvanın endokrin sisteminin parçası olan iç salgı bezleri tarafından salgılanır. Omurgalılarda hipotalamus, tüm endokrin sistemler için sinirsel kontrol merkezidir. Özellikle insanlarda, başlıca endokrin bezler tiroid bezi ve böbrek üstü bezleridir. Diğer vücut sistemlerinin parçası olan birçok organın kemik, böbrekler, karaciğer, kalp ve gonadlar dahil olmak üzere ikincil endokrin işlevleri vardır. Örneğin, böbrekler endokrin hormon eritropoietin salgılar. Hormonlar amino asit kompleksleri, steroidler, eikosanoidler, lökotrienler veya prostaglandinler olabilir. Endokrin sistem, hem vücudun dışına hormon salgılayan ekzokrin bezler hem de nispeten kısa bir mesafe boyunca hücreler arasında parakrin sinyalizasyon ile karşılaştırılabilir. Endokrin bezlerin kanalları yoktur, damarlıdır ve genellikle hormonlarını depolayan hücre içi vakuollere veya granüllere sahiptir. Buna karşılık, tükürük bezleri, ter bezleri ve gastrointestinal sistemdeki bezler gibi ekzokrin bezler çok daha az vasküler olma eğilimindedir ve kanallara veya içi boş bir lümene sahiptir. ⓘ

Hayvan üremesi

Yusufçuklarda eşeyli üreme ⓘ

Hayvanlar iki şekilde üreyebilir: eşeysiz ve eşeyli. Neredeyse tüm hayvanlar bir çeşit eşeyli üreme gerçekleştirir. Mayoz bölünme ile haploid gametler üretirler. Daha küçük, hareketli gametler spermatozoa ve daha büyük, hareketsiz gametler ovalardır. Bunlar birleşerek zigotları oluşturur ve mitoz bölünme yoluyla blastula adı verilen içi boş bir küreye dönüşür. Süngerlerde, blastula larvaları yeni bir yere yüzer, deniz tabanına tutunur ve yeni bir süngere dönüşür. Diğer grupların çoğunda, blastula daha karmaşık bir yeniden düzenlemeye uğrar. Önce bir sindirim odası ve iki ayrı germ tabakası, bir dış ektoderm ve bir iç endoderm içeren bir gastrula oluşturmak üzere invajine olur. Çoğu durumda, aralarında üçüncü bir germ tabakası olan mezoderm de gelişir. Bu germ tabakaları daha sonra doku ve organları oluşturmak üzere farklılaşır. Bazı hayvanlar eşeysiz üreme yeteneğine sahiptir, bu da genellikle ebeveynin genetik bir klonuyla sonuçlanır. Bu, parçalanma; Hydra ve diğer cnidarianlarda olduğu gibi tomurcuklanma; veya yaprak bitlerinde olduğu gibi çiftleşme olmadan verimli yumurtaların üretildiği partenogenez yoluyla gerçekleşebilir. ⓘ

Hayvan gelişimi

Zebra balığı embriyosunda bölünme ⓘ

Hayvan gelişimi, döllenme sırasında bir sperm ve yumurtanın birleşmesinden kaynaklanan bir zigotun oluşmasıyla başlar. Zigot, bölünme adı verilen ve blastula adı verilen benzer hücrelerden oluşan bir yumak oluşturan mitotik hücre bölünmelerinin hızlı bir çok turuna maruz kalır. Morfogenetik hareketlerin hücre kütlesini ektoderm, mezoderm ve endodermden oluşan üç germ tabakasına dönüştürdüğü gastrulasyon meydana gelir. ⓘ

Gastrulasyonun sona ermesi organogenezin başlangıcını işaret eder ve bu sayede üç germ tabakası organizmanın iç organlarını oluşturur. Üç germ tabakasının her birinin hücreleri, daha az uzmanlaşmış hücrelerin belirli bir dizi genin ekspresyonu yoluyla daha uzmanlaşmış hale geldiği bir süreç olan farklılaşmaya uğrar. Hücresel farklılaşma, juktrakrin sinyalizasyon olarak adlandırılan komşu hücrelere veya parakrin sinyalizasyon olarak adlandırılan kısa mesafelerdeki komşu hücrelere değiş tokuş edilen büyüme faktörleri gibi hücre dışı sinyallerden etkilenir. Hücre içi sinyaller, bir hücrenin kendi kendine sinyal vermesinden (otokrin sinyal) oluşur ve organ oluşumunda da rol oynar. Bu sinyal yolları hücrelerin yeniden düzenlenmesine olanak tanır ve organların organizma içinde belirli bölgelerde oluşmasını sağlar. ⓘ

Bağışıklık sistemi

Birincil bağışıklık yanıtındaki süreçler ⓘ

Bağışıklık sistemi, çok çeşitli patojenleri tespit eden ve bunlara yanıt veren bir biyolojik süreçler ağıdır. Birçok türde bağışıklık sisteminin iki ana alt sistemi vardır. Doğuştan gelen bağışıklık sistemi, geniş durum ve uyaran gruplarına önceden yapılandırılmış bir yanıt sağlar. Adaptif bağışıklık sistemi ise daha önce karşılaştığı molekülleri tanımayı öğrenerek her bir uyarana özel bir yanıt verir. Her ikisi de işlevlerini yerine getirmek için moleküller ve hücreler kullanır. ⓘ

Neredeyse tüm organizmalar bir çeşit bağışıklık sistemine sahiptir. Bakteriler, virüs enfeksiyonlarına karşı koruma sağlayan enzimler şeklinde ilkel bir bağışıklık sistemine sahiptir. Diğer temel bağışıklık mekanizmaları eski bitki ve hayvanlarda evrimleşmiş ve modern torunlarında kalmıştır. Bu mekanizmalar arasında fagositoz, defensin adı verilen antimikrobiyal peptitler ve kompleman sistemi yer alır. İnsanlar da dahil olmak üzere çeneli omurgalılar, patojenleri daha etkili bir şekilde tanımak için uyum sağlama yeteneği de dahil olmak üzere daha da gelişmiş savunma mekanizmalarına sahiptir. Adaptif (veya edinilmiş) bağışıklık, aynı patojenle daha sonraki karşılaşmalarda gelişmiş bir tepkiye yol açan immünolojik bir hafıza oluşturur. Bu kazanılmış bağışıklık süreci aşılamanın temelini oluşturur. ⓘ

Hayvan davranışları

Guguk kuşu gibi kuluçka parazitleri, ebeveyn türlere normal üstü bir uyaran sağlar. ⓘ

Davranışlar, hayvanların birbirleriyle ve çevreleriyle etkileşimlerinde merkezi bir rol oynar. Birbirlerine yaklaşmak, ses çıkarmak, barınak aramak ve göç etmek için kaslarını kullanabilirler. Bir hayvanın sinir sistemi davranışlarını harekete geçirir ve koordine eder. Örneğin sabit eylem kalıpları, öğrenme olmaksızın ortaya çıkan, genetik olarak belirlenmiş ve kalıplaşmış davranışlardır. Bu davranışlar sinir sisteminin kontrolü altındadır ve oldukça ayrıntılı olabilir. Yosun martısı yavrularının annelerinin gagasındaki kırmızı noktayı gagalamaları buna örnektir. Doğal seçilimin bir sonucu olarak ortaya çıkan diğer davranışlar arasında yiyecek arama, çiftleşme ve fedakarlık yer alır. Evrimleşmiş davranışlara ek olarak, hayvanlar erken bireysel deneyimlerin bir sonucu olarak davranışlarını değiştirerek öğrenme yeteneğini de geliştirmişlerdir. ⓘ

Ekoloji

Ekosistemler

Karasal biyomlar sıcaklık ve yağışa göre şekillenir. ⓘ

Ekoloji, yaşamın dağılımı ve bolluğu, organizmalar ve çevreleri arasındaki etkileşimin incelenmesidir. Yaşayan (biyotik) organizmaların, çevrelerindeki cansız (abiyotik) bileşenlerle (örn. su, ışık, radyasyon, sıcaklık, nem, atmosfer, asitlik ve toprak) birlikte oluşturduğu topluluğa ekosistem denir. Bu biyotik ve abiyotik bileşenler besin döngüleri ve enerji akışları yoluyla birbirine bağlıdır. Güneşten gelen enerji fotosentez yoluyla sisteme girer ve bitki dokusuna dahil edilir. Hayvanlar bitkilerle ve birbirleriyle beslenerek madde ve enerjinin sistem içindeki hareketinde önemli bir rol oynarlar. Ayrıca mevcut bitki ve mikrobiyal biyokütle miktarını da etkilerler. Ölü organik maddeleri parçalayarak, ayrıştırıcılar karbonu atmosfere geri salar ve ölü biyokütlede depolanan besinleri bitkiler ve diğer mikroplar tarafından kolayca kullanılabilecek bir forma dönüştürerek besin döngüsünü kolaylaştırır. ⓘ

Dünya'nın fiziksel çevresi güneş enerjisi ve topografya tarafından şekillendirilir. Güneş enerjisi girdisinin miktarı, Dünya'nın küresel şekli ve eksenel eğimi nedeniyle uzayda ve zamanda değişiklik gösterir. Güneş enerjisi girdisindeki değişim, hava ve iklim modellerini yönlendirir. Hava durumu günlük sıcaklık ve yağış aktivitesidir, iklim ise tipik olarak 30 yıllık bir süre boyunca ortalaması alınan uzun vadeli hava durumu ortalamasıdır. Topografyadaki değişim de çevresel heterojenlik yaratır. Örneğin bir dağın rüzgar alan tarafında hava yükselir ve soğur, su gaz halinden sıvı veya katı hale geçerek yağmur veya kar gibi yağışlara neden olur. Sonuç olarak, ıslak ortamlar gür bitki örtüsünün büyümesine izin verir. Buna karşılık, hava alçalıp ısındıkça ve nem atmosferde su buharı olarak kaldıkça yağış olmaması nedeniyle bir dağın leeward tarafında koşullar kuru olma eğilimindedir. Sıcaklık ve yağış, karasal biyomları şekillendiren ana faktörlerdir. ⓘ

Popülasyonlar

Lojistik büyüme eğrisi ile taşıma kapasitesine ulaşma ⓘ

Bir popülasyon, bir alanı işgal eden ve nesilden nesile üreyen aynı türden organizmaların sayısıdır. Popülasyonun bolluğu, birim alan (örneğin kara veya ağaç) veya hacim (örneğin deniz veya hava) başına düşen birey sayısı olan popülasyon yoğunluğu kullanılarak ölçülebilir. Büyük bir popülasyonun büyüklüğünü belirlemek için her bir bireyi saymanın genellikle pratik olmadığı göz önüne alındığında, popülasyon yoğunluğu alan veya hacim ile çarpılarak popülasyon büyüklüğü tahmin edilebilir. Kısa vadeli aralıklardaki nüfus artışı, doğum, ölüm ve göç oranlarını dikkate alan nüfus artış hızı denklemi kullanılarak belirlenebilir. Uzun vadede, bir nüfusun üstel büyümesi, taşıma kapasitesine ulaştığında yavaşlama eğilimindedir ve bu da lojistik denklem kullanılarak modellenebilir. Bir ortamın taşıma kapasitesi, mevcut gıda, habitat, su ve diğer kaynaklar göz önüne alındığında, söz konusu ortam tarafından sürdürülebilen bir türün maksimum nüfus büyüklüğüdür. Bir popülasyonun taşıma kapasitesi, kaynakların mevcudiyetindeki değişiklikler ve bunları korumanın maliyeti gibi değişen çevresel koşullardan etkilenebilir. İnsan popülasyonlarında, Yeşil devrim gibi yeni teknolojiler, Dünya'nın insanlar için taşıma kapasitesinin zaman içinde artmasına yardımcı olmuş, bu da 18. yüzyılda Thomas Malthus tarafından yapılan ünlü yaklaşan nüfus düşüşü tahminlerini engellemiştir. ⓘ

Topluluklar

Bir (a) trofik piramit ve bir (b) basitleştirilmiş besin ağı. Trofik piramit her seviyedeki biyokütleyi temsil eder. ⓘ

Topluluk, aynı anda aynı coğrafi alanı işgal eden iki veya daha fazla farklı türün popülasyonlarından oluşan bir gruptur. Biyolojik etkileşim, bir toplulukta birlikte yaşayan bir çift organizmanın birbirleri üzerindeki etkisidir. Aynı türden (tür içi etkileşimler) ya da farklı türlerden (türler arası etkileşimler) olabilirler. Bu etkiler tozlaşma ve avlanma gibi kısa vadeli veya uzun vadeli olabilir; her ikisi de genellikle ilgili türlerin evrimini güçlü bir şekilde etkiler. Uzun vadeli etkileşime simbiyoz denir. Simbiyozlar, her iki taraf için de faydalı olan mutualizmden, her iki taraf için de zararlı olan rekabete kadar çeşitlilik gösterir. ⓘ

Her tür, besin zincirlerinin veya besin ağlarının çekirdeğini oluşturan tüketici-kaynak etkileşimlerine tüketici, kaynak veya her ikisi olarak katılır. Herhangi bir besin ağında farklı trofik seviyeler vardır; en düşük seviye, enerji ve inorganik maddeleri organik bileşiklere dönüştüren ve daha sonra topluluğun geri kalanı tarafından kullanılabilen bitkiler ve algler gibi birincil üreticilerdir (veya ototroflar). Bir sonraki seviyede, diğer organizmalardan organik bileşikleri parçalayarak enerji elde eden türler olan heterotroflar yer alır. Bitkileri tüketen heterotroflar birincil tüketiciler (ya da otoburlar) iken, otoburları tüketen heterotroflar ikincil tüketicilerdir (ya da etoburlar). İkincil tüketicileri yiyenler ise üçüncül tüketicilerdir ve bu böyle devam eder. Omnivor heterotroflar birden fazla seviyede tüketim yapabilmektedir. Son olarak, atık ürünlerle veya organizmaların ölü bedenleriyle beslenen ayrıştırıcılar vardır. ⓘ

Ortalama olarak, birim zaman başına bir trofik seviyenin biyokütlesine dahil edilen toplam enerji miktarı, tükettiği trofik seviyenin enerjisinin yaklaşık onda biridir. Ayrıştırıcılar tarafından kullanılan atık ve ölü maddelerin yanı sıra metabolizmadan kaybedilen ısı, bir sonraki trofik seviye tarafından tüketilmeyen enerjinin diğer yüzde doksanını oluşturur. ⓘ

Biyosfer

Karbonun kara, atmosfer ve okyanuslar arasındaki hareketini yılda milyarlarca ton olarak gösteren hızlı karbon döngüsü. Sarı sayılar doğal akışları, kırmızılar insan katkısını, beyazlar ise depolanan karbonu göstermektedir. Volkanik ve tektonik faaliyetler gibi yavaş karbon döngüsünün etkileri dahil edilmemiştir. ⓘ

Küresel ekosistemde (veya biyosferde) madde, biçimlerine ve konumlarına bağlı olarak biyotik veya abiyotik, erişilebilir veya erişilemez olabilen farklı etkileşimli bölmeler halinde mevcuttur. Örneğin, karasal ototroflardan gelen madde hem biyotik hem de diğer organizmalar tarafından erişilebilirken, kaya ve minerallerdeki madde abiyotik ve erişilemezdir. Biyojeokimyasal döngü, belirli madde unsurlarının Dünya'nın biyotik (biyosfer) ve abiyotik (litosfer, atmosfer ve hidrosfer) bölümleri arasında yer değiştirdiği veya hareket ettiği bir yoldur. Azot, karbon ve su için biyojeokimyasal döngüler vardır. Bazı döngülerde, bir maddenin uzun bir süre boyunca kaldığı veya tutulduğu rezervuarlar vardır. ⓘ

İklim değişikliği, hem insan kaynaklı sera gazı emisyonlarının yol açtığı küresel ısınmayı hem de bunun sonucunda hava koşullarında meydana gelen büyük ölçekli değişimleri kapsamaktadır. Daha önce de iklim değişikliği dönemleri yaşanmış olsa da, 20. yüzyılın ortalarından bu yana insanlar Dünya'nın iklim sistemi üzerinde benzeri görülmemiş bir etki yaratmış ve küresel ölçekte değişime neden olmuştur. Isınmanın en büyük itici gücü, %90'ından fazlası karbondioksit ve metan olan sera gazlarının emisyonudur. Enerji tüketimi için fosil yakıt yakılması (kömür, petrol ve doğal gaz) bu emisyonların ana kaynağıdır ve tarım, ormansızlaşma ve üretimden kaynaklanan ek katkılar da söz konusudur. Sıcaklık artışı, güneş ışığını yansıtan kar ve buz örtüsünün kaybı, artan su buharı (kendisi de bir sera gazıdır) ve kara ve okyanus karbon yutaklarındaki değişiklikler gibi iklim geri bildirimleriyle hızlanır veya hafifler. ⓘ

Koruma

Hopetoun Falls, Avustralya'nın doğal özelliklerini ziyaretçilerin erişimini etkilemeden korumak için çaba gösterilmektedir. ⓘ

Koruma biyolojisi, türleri, yaşam alanlarını ve ekosistemleri aşırı yok olma oranlarından ve biyotik etkileşimlerin erozyonundan korumak amacıyla Dünya'nın biyolojik çeşitliliğinin korunması çalışmasıdır. Biyoçeşitliliğin korunması, kaybı ve restorasyonunu etkileyen faktörlerle ve genetik, popülasyon, tür ve ekosistem çeşitliliğini sağlayan evrimsel süreçleri sürdürme bilimiyle ilgilenir. Endişe, gezegendeki tüm türlerin %50'sinin önümüzdeki 50 yıl içinde yok olacağını ve bunun da yoksulluğa, açlığa katkıda bulunduğunu ve bu gezegendeki evrimin seyrini sıfırlayacağını öne süren tahminlerden kaynaklanmaktadır. Biyoçeşitlilik, insanların bağımlı olduğu çeşitli hizmetleri sağlayan ekosistemlerin işleyişini etkiler. ⓘ

Koruma biyologları biyoçeşitlilik kaybı, türlerin yok olması ve bunların insan toplumunun refahını sürdürme kapasitemiz üzerindeki olumsuz etkileri konusunda araştırma yapmakta ve eğitim vermektedir. Kuruluşlar ve vatandaşlar, mevcut biyoçeşitlilik krizine, yerelden küresel ölçeklere kadar endişeleri ele alan araştırma, izleme ve eğitim programlarını yönlendiren koruma eylem planları aracılığıyla yanıt vermektedir. ⓘ

Biyolojinin ilkeleri

Biyoloji, bilgiye ulaşmak için bilimsel metodu kullanır. Bilimsel teoriler, bilimsel gözlemlere dayanır ve bu teoriler, yeni araştırmalarla bazen geliştirilirler. Bilimsel teoriler aynı zamanda, daha gözlenmemiş bir fenomenin tahmin edilebilmesi için de kullanılabilir. Biyolojik sistemler, bazen sistematik olarak modellenir; ancak yine de - diğer bilim dallarında da olduğu gibi - teoriler sadece matematik kullanarak açıklanmazlar. ⓘ

Biyolojik bilimler, birkaç temel ilkenin altında toplanılabilir: evrensellik, evrim, çeşitlilik, devamlılık, genetik, homeostasis ve etkileşimler. ⓘ

Evrensellik

Karbon, bütün canlıların temel yapı taşıdır. ⓘ

Organizmalar; görüntüde, doğal ortamında ve davranışlarında fazlaca farklılık göstermelerine rağmen, aslında tüm canlılar bazı evrensel temelleri paylaşırlar. Bütün canlı yaşamının karbon bazlı bir biyokimyası vardır: Karbon, tüm canlıları oluşturan temel yapı taşıdır. Aynı şekilde, su da, temel çözendir. Dünya'daki tüm organizmalar, genetik bilgiyi depolamak için DNA ve RNA-bazlı mekanizmalar kullanırlar. Bir diğer evrensel ilke ise, virüslerin dışındaki tüm canlıların hücrelerden oluştuğudur. Aynı şekilde, tüm organizmalar, benzer büyüme süreçleri geçirirler. ⓘ

Tüm bu sayılanlar, Dünya'daki tüm organizmalar için geçerli olsa da, teoride alternatif bir yaşam türü de var olabileceğinden, bilim insanları, alternatif bir biyokimyayı araştırmaktadır. ⓘ

Devamlılık

Her canlı kalıtsal bilgisini değişmeden gelecek nesile aktarmaya çalışır. Bitkiler çiçek, çiçekler tohum üretir. ⓘ

19. yüzyıla kadar, yaşamsal formların bazı şartlarda aniden ortaya çıkabileceği düşünülüyordu. William Harvey, bu yanlış kavramı, "tüm yaşam bir yumurtadan gelir" (Latince'de Omne vivum ex ovo) sözüyle düzeltmiş ve modern biyolojinin temellerini atmıştır. Kısaca anlatmak gerekirse, bu söz, hayatın bir kaynaktan kırılmayan bir devamlılıkla geldiğini söyler. ⓘ

Aynı ataya sahip birkaç organizma benzer özellikler gösterir. Dünya'daki tüm organizmalar, ortak bir atadan ya da ortak bir gen havuzundan gelir. Tüm dünyanın en son ortak atasının 3,5 milyar yıl önce ortaya çıktığı düşünülmektedir. Biyologlar, genetik kodun evrenselliğini; Bacteria, archaea ve eukaryotun hepsinin aynı atadan geldiğinin önemli bir kanıtı olarak düşünmektedirler. ⓘ

Homeostazi (Homeostasis)

İnsan kan hücreleri, insan "homeostasis"ini sağlamaya yardımcı olurlar. ⓘ

Homeostazi (denge), açık bir sistemin, bağlantılı kontrol mekanizmaları tarafından kontrol edilen dinamik eşitlikler aracılığıyla, kendi iç ortamının sabit bir hâl sağlayabilmesidir. Tek hücreli ya da çok hücreli tüm organizmalar, homeostasis gösterir: Hücresel düzeyde pH değerinin ayarlanması, organizma düzeyinde vücut sıcaklığının sabit tutulması ve ekosistem düzeyinde bitkilerin karbondioksit fazlalığında daha hızlı büyümesi buna örnek olarak gösterilebilir. Doku ve organlar da homeostasis sergilerler. ⓘ

Etkileşimler

Her şey diğer organizmalar ve çevreyle etkileşim içerisindedir. Biyolojik sistemleri incelemenin zor bir kısmı da, incelenen organizmanın diğer faktörlerle çok sayıda etkileşim içerisinde olmasıdır. Mikroskobik bir bakterinin lokal şeker eğimine tepkide bulunması, aslında, bir aslanın Afrika savanasında yemek aramasından farklı değildir. Herhangi bir tür için, davranışlar; agresif, yardımcı, parazitsel ya da simbiyotik olabilir. İşler, herhangi bir ekosistemde, birden fazla tür etkileşime girdiğinde karışır. Bu türdeki çalışmalar, ekolojinin çalışma alanındadır. ⓘ

Çalışma alanları

Biyoloji o kadar büyük bir araştırma sahası hâline gelmiştir ki, genellikle bir dal olarak değil de, birbirine geçmiş birçok alt dal olarak görülür. Bu madde, dört ana grubu incelemektedir. İlk grup; hücre, gen vb. temel yapı taşlarını inceleyen dallardan oluşmaktadır. İkincisi; doku, organ ve vücut düzeyindeki yapıları inceleyen dallardan oluşmaktadır. Üçüncüsü, organizmalar ve onların geçmişlerini incelerken, sonuncusu da onların etkileşimlerini inceler. Bu sınırların, gruplaşmaların ve açıklamaların sadece biyolojik araştırmanın basitleştirilmiş bir betimlemesi olduğu unutulmamalıdır. Gerçekte, bu dallar arasındaki sınırlar belirli değildir ve birçok dal, birbirinin yöntemlerini kullanırlar. Mesela, evrimsel biyoloji, DNA zincirlerini belirlemede moleküler biyolojiden fazlaca etkilenir. Başka bir örnek vermek gerekirse, fizyoloji, organ sistemlerinin görevlerini açıklarken hücre biyolojisinden oldukça yararlanır. Bunun dışında, etoloji ve karşılaştırmalı psikoloji, hayvan davranışlarının incelenmesi ve düşünsel özelliklerini incelemesiyle biyolojinin sınırlarını genişletirler. Nitekim, evrimsel psikoloji, psikolojinin de bir biyoloji dalını savunmaktadır. ⓘ

Organizmaların fizyolojisi

Fizyoloji, tüm yapıların birlikte nasıl çalıştığını anlamaya çalışarak, organizmaların mekanik, fiziksel ve biyokimyasal süreçlerini inceler. "Yapıdan göreve" anlayışı, biyoloji için çok önemlidir. Fizyolojik çalışmalar genellikle, bitki fizyolojisi ve hayvan fizyolojisi olarak ikiye ayrılır; ancak fizyolojinin ilkeleri evrenseldir ve her tür organizma üzerinde incelenebilir. Mesela, maya hücresi hakkında öğrenilen bir özellik, insan hücresi üzerinde de incelenebilir. Hayvan fizyolojisi, insan fizyolojisinin metot ve araçlarını insan olmayan türlere taşır. Bitki fizyolojisi bile, bu türlerden bazı fikirleri ödünç alır. ⓘ

Anatomi, fizyolojinin önemli bir dalıdır ve sinir, bağışıklık, hormon, dolaşım ve solunum gibi organ sistemlerini inceler. Bu daldan öğrenilenler, tıbbın nöroloji ve immünoloji gibi dallarına büyük yarar sağlar. ⓘ

Organizmaların çeşitliliği ve evrimi

Evrimsel biyoloji, organizmaların zamanla değişmeleri de dâhil, onların kökleriyle ilgilenir ve birçok taksonomiyle ilintili bilim insanını bünyesinde bulundurur. Mesela, genellikle belirli bir organizma hakkında eğitim almış - mammaloji, ornitoloji ya da herpetoloji gibi - birçok bilim insanını içine alıp evrim hakkındaki daha genel sorulara cevap arar. Evrimsel biyoloji, fosil kalıntılarını inceleyerek evrimin hızı ve türünü inceleyen paleontoloji üzerine kurulmuştur. 1990'larda, daha önceden modern sentezden dışlanmış olan gelişim biyolojisi, evrim biyolojisinin sahasına, evrimsel-gelişimsel biyolojinin çalışmalarıyla tekrar girdi. Evrimsel biyolojiyle alakalı dalların bazıları; filojenetik, sistematik ve taksonomidir. ⓘ

Taksonomik açıdan ilintili iki büyük geleneksel bölüm, botanik ve zoolojidir. Botanik, bitkilerin bilimidir. Bu bilim dalı, bitkilerin gelişim, üreme, metabolizma, hastalık ve evrimlerini inceleyen birçok daldan oluşmaktadır. Zooloji ise Hayvanlarla ilgilidir. Bu bilim dalı, anatomi ve embriyolojinin dalları olan fizyolojiyi de kapsar. Hayvanların ve bitkilerin genel genetik ve gelişimsel mekanizmaları; moleküler biyoloji, moleküler genetik ve gelişim biyolojisi altında yapılır. Hayvanların ekolojisi ise davranışsal ekoloji ve diğer dallarla incelenebilir. ⓘ

Hayatın sınıflandırılması

Çoğunlukla kullanılan sınıflandırma sisteminin adı, rütbe ve iki isim içeren "Linnaean taksonomi"dir. Organizmaların isimlendirilmesi ise "International Code of Botanical Nomenclature (ICBN)", "International Code of Zoological Nomenclature (ICZN)", "International Code of Nomenclature of Bacteria (ICNB)" gibi uluslararası anlaşmalarla yapılır. Bu üç alandaki isimlendirmeyi standart hâline getirmeye çalışan Draft BioCode 1997'de yayımlansa da resmî olarak kabul görmeyi beklemektedir. "International Code of Virus Classification and Nomenclature (ICVCN)" ise BioCode'un dışında kalmaktadır. ⓘ

Organizmaların etkileşimleri

Doğadaki bütün canlılar birbirleriyle etkileşim içindedirler. ⓘ

Ekoloji, yaşayan organizmaların dağılım ve sıklığıyla birlikte organizmaların aralarındaki ve çevreleriyle ilişkilerini de inceler. Bir organizmanın çevresi, hem onun doğal ortamını hem de iklim ve jeoloji gibi abiyotik faktörlerin toplamını kapsar. Ekolojik sistemler, birçok düzeyde incelenir: birey, nüfus, topluluk, ekosistem ve biyosfer. Tahmin edilebileceği gibi ekolojinin de birçok alt bilim dalı vardır. ⓘ

Etoloji, hayvan davranışını (özellikle de primatlar ve Canidae familyaları gibi sosyal hayvanları) incelemekle beraber, bazen zoolojinin bir alt bilim dalı olarak görülür. Etologlar, özellikle, davranışın evrimi ve doğal seleksiyon gözüyle davranışı anlamakla ilgilidirler. Bir anlamda, Charles Darwin ilk etologdur ki kitabı The expression of the emotions in animals and men'le (Hayvan ve insanlarda duyguların gösterilmesi) birçok etoloğu etkilemiştir. Biyocoğrafya, plaka tektoniği, iklim değişimleri, göç ve yer değiştirme gibi konulara özel bir yer vererek organizmaların Dünya'ya yayılışını inceler. ⓘ

Fotoğraf galerisi

• 

  Animalia - Bos primigenius taurus

• 

  Planta - Triticum

• 

  Fungi - Morchella esculenta

• 

  Stramenopila/Chromista - Fucus serratus

• 

  Bacteria - Gemmatimonas aurantiaca (- = 1 Micrometer)

• 

  Archaea - Halobacteria

• 

  Virus - Gamma phage ⓘ