Biologia (do grego antigo: βίος / bios "vida" e λόγος / logos "discurso") é o estudo científico da vida e dos organismos vivos. É uma ciência natural ampla que abrange uma vasta gama de campos e princípios unificadores que explicam a estrutura, função, crescimento, origem, evolução e distribuição da vida. No centro da biologia estão cinco temas fundamentais: a célula como unidade básica da vida, os genes e a hereditariedade como base da transmissão genética, a evolução como motor da diversidade biológica, a transformação de energia para sustentar os processos vitais e a manutenção da estabilidade interna (homeostase).
A biologia examina a vida em múltiplos níveis de organização, desde moléculas e células até organismos, populações e ecossistemas. As subdisciplinas incluem biologia molecular, fisiologia, ecologia, biologia evolutiva, biologia do desenvolvimento e sistemática, entre outras. Cada um desses campos aplica uma gama de métodos para investigar fenômenos biológicos, incluindo observação, experimentação e modelagem matemática.
A biologia moderna se fundamenta na teoria da evolução por seleção natural, articulada inicialmente por Charles Darwin, e na compreensão molecular dos genes codificados no DNA. A descoberta da estrutura do DNA e os avanços na genética molecular transformaram muitas áreas da biologia, levando a aplicações na medicina, agricultura, biotecnologia e ciências ambientais.
Acredita-se que a vida na Terra tenha se originado há mais de 3,7 bilhões de anos. Hoje, ela inclui uma vasta diversidade de organismos, desde arqueas e bactérias unicelulares até plantas, fungos e animais multicelulares complexos. Os biólogos classificam os organismos com base em características compartilhadas e relações evolutivas, usando estruturas taxonômicas e filogenéticas. Esses organismos interagem entre si e com seus ambientes em ecossistemas, onde desempenham papéis no fluxo de energia e na ciclagem de nutrientes. Como um campo em constante evolução, a biologia incorpora novas descobertas e tecnologias que aprimoram a compreensão da vida e seus processos, ao mesmo tempo que contribuem para soluções para desafios como doenças, mudanças climáticas e perda de biodiversidade.
Etimologia O termo biologia tem origem em duas palavras: bio, que sigifica "vida", e logos, que significa "estudo". Dessa forma, biologia pode ser entendida como o estudo da vida. A palavra deriva do grego βίος (bíos) 'vida', (da raiz proto-indo-européia *gwei-, viver) e λογία (logia) 'estudo de'. O composto aparece no título do Volume 3 de Philosophiae naturalis sive physicae dogmaticae: Geologia, biologia, phytologia generalis et dendrologia, de Michael Christoph Hanow, publicado em 1766. O termo biologia em seu sentido moderno parece ter sido introduzido independentemente por Thomas Beddoes (em 1799), Karl Friedrich Burdach (em 1800), Gottfried Reinhold Treviranus (Biologie oder Philosophie der lebenden Natur, 1802) e Jean-Baptiste Lamarck (Hydrogéologie, 1802).Junker Geschichte der Biologie, p8.Coleman, Biology in the Nineteenth Century, pp 1–2.
História
miniaturadaimagem|Desenho do que hoje são chamadas de células de Schwann, feito por um dos fundadores da teoria celular, Theodor Schwann
As raízes mais antigas da ciência, incluindo a medicina, podem ser rastreadas até o antigo Egito e Mesopotâmia, por volta de 3000 a 1200 a.C.. Suas contribuições moldaram a filosofia natural da Grécia Antiga. Filósofos da Grécia Antiga, como Aristóteles (384–322 a.C.), contribuíram extensivamente para o desenvolvimento do conhecimento biológico. Ele explorou a causalidade biológica e a diversidade da vida. Seu sucessor, Teofrasto, iniciou o estudo científico das plantas. Entre os estudiosos do mundo islâmico medieval que escreveram sobre biologia, incluem-se al-Jahiz (781–869), Al-Dīnawarī (828–896), que escreveu sobre botânica.
A biologia começou a se desenvolver rapidamente com a drástica melhoria do microscópio por Anton van Leeuwenhoek. Foi então que os estudiosos descobriram os espermatozoides, as bactérias, os infusórios e a diversidade da vida microscópica. As investigações de Jan Swammerdam levaram a um novo interesse pela entomologia e ajudaram a desenvolver técnicas de dissecção e coloração microscópicas. Os avanços na microscopia tiveram um profundo impacto no pensamento biológico. No início do século XIX, os biólogos apontaram para a importância central da célula . Em 1838, Schleiden e Schwann começaram a promover as ideias agora universais de que (1) a unidade básica dos organismos é a célula e (2) que as células individuais possuem todas as características da vida, embora se opusessem à ideia de que (3) todas as células provêm da divisão de outras células, continuando a sustentar a geração espontânea. No entanto, Robert Remak e Rudolf Virchow conseguiram reificar o terceiro princípio e, na década de 1860, a maioria dos biólogos aceitava os três princípios, que se consolidaram na teoria celular.
Entretanto, a taxonomia e a classificação tornaram-se o foco dos naturalistas. Carl Linnaeus publicou uma taxonomia básica para o mundo natural em 1735 e, na década de 1750, introduziu nomes científicos para todas as suas espécies. Georges-Louis Leclerc, Conde de Buffon, tratou as espécies como categorias artificiais e as formas de vida como maleáveis, chegando mesmo a sugerir a possibilidade de descendência comum.Mayr, Ernst. The Growth of Biological Thought, chapter 7
miniaturadaimagem|Em 1842, Charles Darwin escreveu seu primeiro esboço de Sobre a Origem das Espécies*
O pensamento evolucionista sério teve origem nos trabalhos de Jean-Baptiste Lamarck, que apresentou uma teoria coerente da evolução.Gould, Stephen Jay. The Structure of Evolutionary Theory. The Belknap Press of Harvard University Press: Cambridge, 2002. . p. 187. O naturalista britânico Charles Darwin, combinando a abordagem biogeográfica de Humboldt, a geologia uniformitarista de Lyell, os escritos de Malthus sobre crescimento populacional e sua própria experiência morfológica e extensas observações naturais, forjou uma teoria evolucionista mais bem-sucedida baseada na seleção natural; raciocínio e evidências semelhantes levaram Alfred Russel Wallace a chegar independentemente às mesmas conclusões.Mayr, Ernst. The Growth of Biological Thought, chapter 10: "Darwin's evidence for evolution and common descent"; and chapter 11: "The causation of evolution: natural selection"
A base da genética moderna começou com o trabalho de Gregor Mendel em 1865. Este delineou os princípios da hereditariedade biológica. No entanto, a importância de seu trabalho só foi percebida no início do século XX, quando a evolução se tornou uma teoria unificada, à medida que a síntese moderna reconciliou a evolução darwiniana com a genética clássica. Nas décadas de 1940 e início de 1950, uma série de experimentos realizados por Alfred Hershey e Martha Chase apontou o DNA como o componente dos cromossomos que continha as unidades portadoras de características que ficaram conhecidas como genes. O foco em novos tipos de organismos modelo, como vírus e bactérias, juntamente com a descoberta da estrutura de dupla hélice do DNA por James Watson e Francis Crick em 1953, marcou a transição para a era da genética molecular. A partir da década de 1950, a biologia expandiu-se enormemente no domínio molecular. O código genético foi decifrado por Har Gobind Khorana, Robert W. Holley e Marshall Warren Nirenberg depois que se compreendeu que o DNA continha códons. O Projeto Genoma Humano foi lançado em 1990 para mapear o genoma humano.
Base química Átomos e moléculas
Todos os organismos são constituídos por elementos químicos; o oxigênio, o carbono, o hidrogênio e o azoto constituem a maior parte (96%) da massa de todos os organismos, sendo o cálcio, o fósforo, o enxofre, o sódio, o cloro e o magnésio essencialmente o restante. Diferentes elementos podem combinar-se para formar compostos como a água, que é fundamental para a vida.
Água
miniaturadaimagem|Modelo de ligações de hidrogênio (1) entre moléculas de água A vida surgiu do primeiro oceano da Terra, que se formou há cerca de 3,8 bilhões de anos. Desde então, a água continua sendo a molécula mais abundante em todos os organismos. A água é importante para a vida porque é um solvente eficaz, capaz de dissolver solutos como íons de sódio e cloreto ou outras moléculas pequenas para formar uma solução aquosa. Uma vez dissolvidos em água, esses solutos têm maior probabilidade de entrar em contato uns com os outros e, portanto, participar de reações químicas que sustentam a vida. Em termos de sua estrutura molecular, a água é uma pequena molécula polar com uma forma angular formada pelas ligações covalentes polares de dois átomos de hidrogênio (H) a um átomo de oxigênio (O) (H 2 O). Como as ligações O–H são polares, o átomo de oxigênio tem uma leve carga negativa e os dois átomos de hidrogênio têm uma leve carga positiva. Essa propriedade polar da água permite que ela atraia outras moléculas de água por meio de ligações de hidrogênio, o que torna a água coesa. A tensão superficial resulta da força coesiva devido à atração entre as moléculas na superfície do líquido. A água também é adesiva, pois é capaz de aderir à superfície de quaisquer moléculas polares ou carregadas que não sejam de água. A água é mais densa no estado líquido do que no estado sólido (gelo). Essa propriedade única da água permite que o gelo flutue sobre a água líquida, como em lagoas, lagos e oceanos, isolando assim o líquido abaixo do ar frio acima. A água tem a capacidade de absorver energia, o que lhe confere uma capacidade térmica específica maior do que outros solventes, como o etanol. Assim, uma grande quantidade de energia é necessária para quebrar as ligações de hidrogênio entre as moléculas de água para converter a água líquida em vapor de água. Como molécula, a água não é completamente estável, pois cada molécula se dissocia continuamente em íons de hidrogênio e hidroxila antes de se reformar novamente em uma molécula de água.
Compostos orgânicos
miniaturadaimagem|Compostos orgânicos como a glicose são vitais para os organismos Compostos orgânicos são moléculas que contêm carbono ligado a outro elemento, como o hidrogênio. Com exceção da água, quase todas as moléculas que compõem cada organismo contêm carbono, que pode formar ligações covalentes com até quatro outros átomos, permitindo a formação de moléculas diversas, grandes e complexas.
A forma mais simples de uma molécula orgânica é o hidrocarboneto, que é uma grande família de compostos orgânicos compostos por átomos de hidrogênio ligados a uma cadeia de átomos de carbono. Uma estrutura de hidrocarboneto pode ser substituída por outros elementos, como oxigênio (O), hidrogênio (H), fósforo (P) e enxofre (S), que podem alterar o comportamento químico desse composto. Grupos de átomos que contêm esses elementos (O-, H-, P- e S-) e estão ligados a um átomo de carbono central ou esqueleto são chamados de grupos funcionais. Existem seis grupos funcionais proeminentes que podem ser encontrados nos organismos: amina, ácido carboxílico, carbonila, hidroxila, fosfato e tiol.
Em 1953, o experimento de Miller-Urey mostrou que compostos orgânicos poderiam ser sintetizados abioticamente dentro de um sistema fechado imitando as condições da Terra primitiva, sugerindo assim que moléculas orgânicas complexas poderiam ter surgido espontaneamente na Terra primitiva (ver abiogênese).
Macromoléculas
miniaturadaimagem|As estruturas (a) primária, (b) secundária, (c) terciária e (d) quaternária de uma proteína hemoglobina