La biologia (neologismo scientifico del XVIII secolo, composto dalle parole greche βίος, bìos = "vita" e λόγος, lògos = "studio") è la scienza che studia la vita, ovvero i processi fisici e chimici dei fenomeni che caratterizzano i sistemi viventi, inclusa la loro biochimica, meccanismi molecolari, genetica, anatomia, fisiologia, nonché processi emergenti come adattamento, sviluppo, evoluzione, interazione tra gli organismi e comportamento. È una scienza naturale con un'ampia portata ma ha diversi temi unificanti che la legano insieme come un campo unico e coerente.
Nonostante l'elevata complessità della disciplina, vi sono alcuni concetti unificanti all'interno di essa che ne regolano lo studio e la ricerca: la biologia riconosce infatti la cellula come l'unità di base della vita, i geni come la struttura di base dell'ereditarietà e l'evoluzione darwiniana per selezione naturale come il processo che regola la nascita e l'estinzione delle specie. Tutti gli organismi viventi, sia unicellulari che pluricellulari, sono sistemi aperti che sopravvivono trasformando l'energia e diminuendo l'entropia locale del sistema per regolare il loro ambiente interno e mantenere una condizione stabile e vitale definita omeostasi. La biologia conduce ricerche utilizzando il metodo scientifico per testare la validità di una teoria in modo razionale, imparziale e riproducibile che consiste nella formazione di ipotesi, nella sperimentazione e nell'analisi dei dati per stabilire la validità o l'invalidità di una teoria scientifica.
Le sottodiscipline della biologia sono definite dall'approccio d'indagine e dal tipo di sistema studiato: la biologia teorica utilizza metodi matematici per formulare modelli quantitativi mentre la biologia sperimentale effettua esperimenti empirici per testare la validità delle teorie proposte ed avanzare la conoscenza umana riguardo ai meccanismi alla base della vita e come questa sia comparsa e si sia evoluta da materia non vivente circa 4 miliardi di anni fa mediante un graduale aumento della complessità del sistema. A margine, la nanobiologia è lo studio dei sistemi biologici su scala nanometrica focalizzato in particolare sulle loro proprietà fisico-chimiche. Vedi anche settori della biologia.
Storia della biologia
Il termine biologia deriva dalla parola greca βιολογία, composto da βίος, bìos = "vita" e λόγος, lògos = studio. La forma latina del termine fece la sua prima apparizione nel 1736, quando Linneo (Carl von Linné) utilizzò "biologi" nella sua Bibliotheca botanica. Tale termine fu nuovamente utilizzato trent'anni dopo, nel 1766, in un'opera intitolata Philosophiae naturalis sive physicae: tomus III, continens geologian, biologian, phytologian generali, scritta da Michael Christoph Hanov, un discepolo di Christian Wolff. Il primo uso in tedesco, Biologie, è stato utilizzato in una traduzione del 1771 del lavoro di Linneo. Nel 1797, Theodor Georg August Roose utilizzò tale termine nella prefazione del libro Grundzüge der Lehre van der Lebenskraft. Karl Friedrich Burdach lo utilizzò nel 1800 con un senso più ristretto allo studio degli esseri umani da un punto di vista morfologico, fisiologico e psicologico (Propädeutik zum Studien der gesammten Heilkunst). Il termine è quindi entrato nell'uso moderno grazie al trattato di sei volumi Biologie, oder Philosophie der lebenden Natur (1802-1822) di Gottfried Reinhold Treviranus, che così sentenziava:
Sebbene la biologia moderna si sia sviluppata relativamente di recente, le scienze collegate e comprese al suo interno furono studiate fin dai tempi antichi. Lo studio della filosofia naturale fu affrontato a partire dalle antiche civiltà della Mesopotamia, dell'Egitto, del subcontinente indiano e della Cina. Tuttavia, le origini della biologia moderna e il suo approccio allo studio della natura sono spesso riconducibili all'antica Grecia, mentre lo studio formale della medicina risale a Ippocrate di Coo (circa 460 a.C. - 370 a.C. Circa). Il filosofo e matematico Talete (624 a.C. - 548 a.C.) fu il primo ad intuire che molti fenomeni non avevano origine divina. I filosofi della scuola ionica, di cui proprio Talete è ritenuto il fondatore, sostenevano che ogni evento avesse una causa, senza che una volontà esterna al mondo potesse intervenire. Ma fu Aristotele (384 a.C. - 322 a.C.) a contribuire maggiormente allo sviluppo di questa disciplina.
Particolarmente importanti sono la sua "storia degli animali" e altre opere in cui ha mostrato interesse verso la natura. Successore di Aristotele al Lyceum, Teofrasto dedicò una serie di libri alla botanica che rappresentarono il più importante contributo dell'antichità alle scienze vegetali fin dopo il Medioevo. Gli studiosi appartenuti al mondo islamico medievale che si occuparono di biologia inclusero: al-Jāḥiẓ (781-869), Al-Dinawari (828-896) che si occupò di botanica e Rhazes (865-925) che scrisse riguardo all'anatomia e alla fisiologia. La medicina fu ben approfondita dagli studiosi islamici che lavorarono a traduzioni dei testi greci e il pensiero aristotelico influì molto sulla storia naturale, soprattutto nel sostenere una gerarchia fissa della vita.
Il Rinascimento fu un periodo florido per gli studi biologici. William Harvey dimostrò la circolazione del sangue umano, mentre Leonardo da Vinci si dedicò, tra l'altro, allo studio dell'anatomia umana. Di Leonardo ci sono rimaste tavole anatomiche molto dettagliate, frutto delle autopsie che egli, contro la legge, svolgeva. Un altro importante personaggio di quest'epoca fu Paracelso (1493 - 1541). Egli era un chimico o, più precisamente, un alchimista, conoscitore dei principi curativi di vegetali e minerali. Una grande svolta nello studio della biologia, come di tante altre scienze, fu data da Galileo Galilei (1564 - 1642), che introdusse il metodo scientifico, basato su osservazione, descrizione e riproduzione in laboratorio dei fenomeni naturali. In Francia, Cartesio formulò la teoria del meccanicismo, paragonando l'uomo ad una macchina e sostenendo quindi che potessero essere studiate e riprodotte le singole parti del corpo; Georg Ernst Stahl, con la "teoria del vitalismo", si contrappose a Cartesio affermando che le parti che compongono l'uomo sono indivisibili e irriproducibili perché tenute insieme da un'anima.
La biologia incontrò un notevole sviluppo grazie alla scoperta del microscopio da parte di Anton van Leeuwenhoek. Per mezzo di esso gli studiosi scoprirono gli spermatozoi, i batteri e le diversità della vita microscopica. Le indagini di Jan Swammerdam portarono a sviluppare un certo interesse verso l'entomologia e contribuirono al progresso delle tecniche di base della dissezione microscopica e della colorazione.
I progressi nella microscopia hanno prodotto un profondo impatto sul pensiero biologico. Nel XIX secolo, un certo numero di biologi sottolineava l'importanza centrale della cellula. Nel 1838, Schleiden e Schwann iniziarono a promuovere le idee ormai universali che: (1) l'unità di base di tutti gli organismi era la cellula e che (2) le singole cellule hanno tutte le caratteristiche proprie di una forma di vita, anche se si opposero all'idea (3) che esse provenissero tutte dalla divisione di altre cellule. Grazie al lavoro di Robert Remak e Rudolf Virchow, tuttavia, nel 1860 la maggior parte dei biologi accettava tutti e tre i principi che divennero noti come teoria cellulare.
Nel frattempo, la tassonomia e la classificazione diventarono il focus degli storici naturalistici. Linneo, nel 1735, pubblicò una tassonomia di base per il mondo naturale (la quale, seppur con variazioni, è tuttora in uso) e nel 1750 introdusse i nomi scientifici per tutte le specie da lui conosciute.. Georges-Louis Leclerc de Buffon, in un suo lavoro, rilevò le somiglianze tra l'uomo e la scimmia e la possibilità di una genealogia comune. L'attenzione che Buffon accordava all'anatomia interna lo pone tra gli iniziatori dell'anatomia comparativa. Anche se era contrario alla teoria dell'evoluzione, Buffon fu una figura chiave nella storia del pensiero evoluzionistico; il suo lavoro influenzò le teorie evolutive sia di Lamarck che di Charles Darwin..
Il pensiero evoluzionistico ebbe origine con le opere di Jean-Baptiste Lamarck che fu il primo a presentare una teoria coerente dell'evoluzione. Egli postulò che l'evoluzione fosse il risultato di una pressione ambientale sulle proprietà degli animali, il che significa che una maggior frequenza e importanza nell'uso di un organo o di un apparato lo avrebbe fatto diventare più complesso ed efficiente, adattando così l'animale al suo ambiente. Lamarck credeva che questi tratti acquisiti potessero poi essere trasmessi alla prole che poi li avrebbe ulteriormente sviluppati e perfezionati. Tuttavia, il naturalista inglese Charles Darwin, che correlò l'approccio biogeografico di Alexander von Humboldt, l'uniformitarismo di Charles Lyell, gli scritti di Thomas Robert Malthus sulla crescita demografica e la sua esperienza proveniente da estese osservazioni naturali, permisero di forgiare in lui una teoria evoluzionistica di maggior successo, basata sulla selezione naturale. Un simile ragionamento portò Alfred Russel Wallace a raggiungere le medesime conclusioni in modo indipendente.. Anche se tale teoria è stata oggetto di polemiche (che continuano ancora oggi), essa si diffuse rapidamente attraverso la comunità scientifica e presto divenne un assioma basilare della biologia.
La scoperta della dimostrazione fisica dell'ereditarietà genetica è arrivata con i principi evolutivi e genetica delle popolazioni.
Negli anni 1940 e primi anni 1950, i vari esperimenti hanno indicato il DNA come la componente dei cromosomi che conteneva le unità base della ereditarietà genetica, oggi noti come geni. L'inquadramento di nuovi tipi di organismi, come virus e batteri, insieme alla scoperta della struttura a doppia elica del DNA nel 1953, furono eventi che segnarono la transizione verso l'era della genetica molecolare. Dal 1950 a oggi, la biologia è notevolmente cresciuta nell'ambito molecolare. Il codice genetico è stato decifrato da Har Gobind Khorana, Robert W. Holley e Marshall Warren Nirenberg e nel 1990 è iniziato il Progetto Genoma Umano con l'obiettivo di mappare tutto il genoma umano. Questo progetto è stato sostanzialmente completato nel 2003, con ulteriori analisi, al 2014, ancora in corso di pubblicazione. Tale progetto è stato il primo passo di un impegno globalizzato di incorporare tramite una definizione funzionale e molecolare del corpo umano e degli altri organismi la conoscenza accumulata della biologia.
Fondamenti della biologia moderna Scale di indagine della biologia
La biologia studia la vita a molteplici livelli di scala: su scala molecolare con la biologia molecolare e la biochimica; su scala cellulare con la citologia; su scala multi-cellulare con l'istologia; su scala sistemica con le neuroscienze, l'immunologia ecc.; su scala di processi chimici e fisici dell'organismo con la fisiologia; su scala dello sviluppo di un organismo mediante la biologia dello sviluppo; su scala di singolo organismo con la zoologia, botanica, microbiologia ecc.; su scala di popolazione di organismi con l'ecologia, ed esame delle interazioni fra di essi con l'etologia e la psicobiologia; su scala evoluzionistica con la sistematica e la biologia evoluzionistica.
Teoria cellulare