زیست‌شناسی از علوم طبیعی و دانش مربوط به مطالعه جانداران زنده است. این دانش به بررسی ویژگی‌ها و رفتار سازواره‌ها، چگونگی پیدایش گونه‌ها و افراد، و نیز به بررسی برهمکنش جانداران با یکدیگر و محیط پیرامونشان می‌پردازد. زیست‌شناسی شامل موضوعات وسیعی است که دارای تقسیم‌بندی بسیاری از مباحث و رشته‌های مختلف است. از جمله مهم ترین موضوعات آن عبارت از پنج اصل به‌هم‌وابسته است که می‌توان آنها را اساس زیست‌شناسی مدرن نامید:[۱]
سلول‌ها به عنوان واحد اصلی حیات هستند.
گونه‌های جدید و صفات موروثی، محصول فرگشت هستند.
ژن‌ها واحد اصلی وراثت هستند.
ارگانیسم‌ها محیط داخلی خود را برای حفظ یک وضعیت پایدار و ثابت، حفظ می‌کنند.
موجودات زنده انرژی مصرف می‌کنند و آن را به صورت دیگری تبدیل می‌کنند.
رشته‌های فرعی زیست‌شناسی به وسیله مقیاسی که در آن موجودات زنده‌ای که قبلا مطالعه شده‌اند، انواع موجودات زنده مورد مطالعه و روشهای استفاده شده در مطالعه آنها، تعریف می‌شود: بیوشیمی، مطالعه شیمی اولیه زندگی؛ زیست‌شناسی مولکولی، مطالعه فعل و انفعالات پیچیده در میان مولکول‌های زیستی؛ گیاه‌شناسی، مطالعه زیست‌شناسی گیاهان؛ زیست‌شناسی سلولی، بررسی واحدهای ساختمانی همه حیات، سلول؛ فیزیولوژی، بررسی عملکردهای فیزیکی و شیمیایی بافت‌ها، اندام‌ها و دستگاه زیستی هر موجود زنده؛ زیست‌شناسی فرگشتی، بررسی فرآیندهایی که تنوع زیستی را ایجاد می‌کنند؛ و بوم شناسی بررسی فعل و انفعالات موجودات زنده در محیط خود.[۲]
محتویات
۱ تاریخچه
۲ مبانی زیست‌شناسی مدرن
۲.۱ نظریه سلولی
۲.۲ تکامل
۲.۳ ژنتیک
۲.۴ هموستازی
۲.۵ انرژی
۳ پژوهش
۳.۱ ساختار
۳.۲ فیزیولوژیکی
۳.۳ تکاملی
۳.۴ سیستماتیک
۳.۵ بوم شناسی
۴ مشکلات عمومی حل نشده در زیست‌شناسی
۵ سطوح زیست‌شناسی
۶ شاخه‌ها
۷ جستارهای وابسته
۸ منابع
تاریخچه
نوشتار اصلی: تاریخ زیست‌شناسی
درخت حیات ارنست هکل به سال ۱۸۷۹
اصطلاح بیولوژی (به انگلیسی: biology) از واژه یونانی βίος- بیوس «به معنی زندگی»، و پسوند λογία- لوژیا «به معنی مطالعه چیزی»، مشتق شده‌است. این واژه در آلمان در اوایل سال ۱۷۹۱ ممکن است از پسین‌سازی واژه قدیمی‌تر دوزیستان‌شناسی با حذف واژه دوزیستان، به وجود آمده باشد.
فرم لاتین این اصطلاح نخستین بار در ۱۷۳۶ زمانی که کارل لینه، از واژه biologi در کتاب Bibliotheca botanica خود استفاده کرد، ظاهر شده است.
اگرچه زیست‌شناسی در قالب مدرن خود پیشترفت‌های بسیاری یافته‌است، اماعلوم مرتبط و وابسته به آن، از زمان‌های قدیم مورد مطالعه قرار گرفته‌اند. فلسفه طبیعی در اوایل تمدن‌های باستانی میان‌رودان، مصر، شبه‌قاره هند و چین مورد مطالعه قرار گرفت. با این حال، ریشه‌های زیست‌شناسی مدرن و گرایش به مطالعه طبیعت اغلب به یونان باستان برمی‌گردد.[۳] در حالی که مطالعه رسمی پزشکی به بقراط (حدود ۴۶۰ سال قبل از میلاد – حدود ۳۷۰ سال قبل از میلاد) برمی گردد، اما ارسطو (۳۲۲ سال قبل از میلاد – ۳۸۴ پیش از میلاد) گسترده‌ترین سهم را برای توسعه زیست‌شناسی به کار گرفت. نقش برجسته او در تاریخچه جانوران و کارهای دیگری با تکیه بر طبیعت‌گرایی، و فعالیت‌های تجربی دیگری که بر روی علت و معلولی زیستی و تنوع زندگی متمرکز بود، از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. ثئوفراستوس جانشین ارسطو در لیسه، سلسله کتاب‌هایی در زمینه گیاه‌شناسی نوشت که تا به امروز سالم مانده‌اند و به عنوان مهمترین سهم از دوران باستان و حتی قرون وسطی از علوم گیاهی به حساب می‌آید.
دانشمندان قرون وسطی جهان اسلام که در مورد زیست‌شناسی کتاب نوشته‌اند شامل جاحظ (۸۶۹-۷۸۱)، ابوحنیفه دینوری (۸۹۶-۸۲۸)، که در مورد گیاه‌شناسی کتاب نوشته است،[۴] و رازی (۹۲۵-۸۶۵) که در مورد کالبدشناسی و فیزیولوژی کتاب نوشته است، می‌باشند. دانش پزشکی با تحقیقات دانشمندان اسلامی در مورد سنت‌های فیلسوف یونانی، به خوبی مطالعه شده است، در حالیکه تاریخ طبیعی، تفکر ارسطو را به خصوص در حفظ سلسله مراتب ثابت زندگی، به شدت جذب کرده بود.
زیست‌شناسی با ساخت میکروسکوپ آنتونی وان لیوون هوک، شروع به رشد و پیشرفت سریع کرد. اینگونه بود که دانشمندان اسپرم، باکتری، مژه‌داران و تنوع زندگی میکروسکوپی را کشف کردند. تحقیقات انجام شده توسط جان سوامردام منجر به اطلاعات جدید در حشره‌شناسی شده و به توسعه روشهای اساسی کالبدشکافی میکروسکوپی و رنگ آمیزی کمک بسیاری کرده است.[۵]
پیشرفت در تکنیک‌های میکروسکوپی تاثیر بسیاری در تفکرات زیست‌شناسی داشت. در آغاز سده ۱۹، تعدادی از زیست‌شناسان به اهمیت سلول اشاره کردند. سپس، در ۱۸۳۸، اشلایدن و تئودور شوان شروع به ترویج ایده‌های کنونی جهانی کردند که شامل این موارد بودند: (۱) واحد اصلی موجودات زنده سلول می‌باشد و (۲) سلول‌های هر موجود تمام ویژگی‌های زندگی را دارد، اگرچه آنها با این ایده مخالف بودند که (۳) همه سلول‌ها از تقسیم دیگر سلول‌ها به وجود می‌آیند. به لطف کارهای رابرت ریمارک و رودولف فیرخو، در ۱۸۶۰ بیشتر زیست‌شناسان همه سه اصولی را که به عنوان نظریه یاخته شناخته می‌شد، قبول کردند.[۶][۷]
در همین هنگام، طبقه‌بندی موجودات زنده و رده‌بندی آن ها عامل تمرکز تاریخ‌دانان طبیعی شد. کارل لینه، طبقه‌بندی اساسی برای جهان طبیعی را در سال ۱۷۳۵ (گونه‌هایی که تا آن زمان شناخته شده بودند) منتشر کرد، و در سال‌های ۱۷۵۰ نام‌های علمی را برای تمام گونه‌های خود معرفی کرد.[۸] ژرژ-لوئی لکرک کنت دو بوفون، جانوران را به عنوان طبقه‌بندی‌های مصنوعی و گونه‌های زنده را به عنوان تطبیق‌پذیر معرفی کرد – حتی پیشنهاد داد که آن ها احتمالا از نسب مشترک هستند. اگرچه او با فرگشت مخالف بود، بوفون یک چهره کلیدی در تاریخچه اندیشه فرگشتی بود چرا که کارهایش بعدها بر نظریه‌های فرگشتی لامارک و داروین تاثیر گذاشت.[۹]
آغاز جدی اندیشه فرگشتی با آثار ژان-باتیست لامارک می‌باشد، که برای نخستین بار یک نظریه منسجم از فرگشت را ارائه کرد.[۱۰] او فرض کرد که فرگشت نتیجه فشارهای محیطی بر ویژگی های جانوران می‌باشد، به این معنی که هرچه یک عضو بیشتر مورد استفاده قرار می‌گیرد، پیچیده‌تر و کارآمدتر می‌شود، بنابراین جانور با محیط خود سازگار می‌شود. لامارک اعتقاد داشت که این صفات به دست آمده می‌تواند به فرزندان منتقل شود، و آنها را کامل کرده و توسعه دهد.[۱۱] با این حال، این زیست‌شناس بریتانیایی چارلز داروین بود که روشهای جغرافیایی زیستی هومبولت، زمین‌شناسی مبتنی بر شکل‌گیری یکتای چارلز لایل، نوشته‌های رشد جمعیت رابرت مالتوس، و تخصص ریخت‌شناسی و مشاهدات طبیعی خود را ترکیب کرد، و با موفقیت نظریه فرگشت بر پایه سازوکار انتخاب طبیعی را ارائه داد. دلایل و شواهد مشابه نیز، آلفرد راسل والاس را به طور مستقل به همان نتایج رسانید.[۱۲][۱۳] هرچند که این موضوع باعث بحث فراوان شد (که تا امروز نیز ادامه دارد)، اما نگره ی داروین به سرعت از طریق جامعه علمی گسترش یافته و به زودی به یک اصل مرکزی در سرعت توسعه علم زیست‌شناسی تبدیل شد.
کشف دلیل فیزیکی روی دادن وراثت همزمان با کشف اصول فرگشتی و ژنتیک جمعیت شد. در سال‌های ۱۹۴۰ و اوایل سال‌های ۱۹۵۰، آزمایش‌ها به دی ان ای به عنوان بخشی از کروموزوم اشاره کردند که واحدهای صفاتی را حمل می‌کنند که به نام ژن شناخته می‌شوند. تمرکز بر روی انواع جدیدی از مدل‌های موجودات زنده مانند ویروس‌ها و باکتری‌ها، همراه با کشف ساختار مارپیچ دو رشته‌ای دی ان ای در ۱۹۵۳، راه را بر گذار به ژنتیک مولکولی باز کردند. از سال‌های ۱۹۵۰ تا زمان حال، زیست‌شناسی در حوزه مولکولی بسیاری گسترده شده است. رمز ژنتیکی توسط هار گوبیند کورانا، رابرت دبلیو. هالی و مارشال وارن نایرنبرگ بعد از درک اینکه دی ان ای از واحدهایی به نام کودون تشکیل شده است، شکسته شد. در نهایت، پروژه ژنوم انسان در سال ۱۹۹۰ با هدف ترسیم نقشه ژنتیکی انسان به طور کلی راه‌اندازی شد. این پروژه در اصل در سال ۲۰۰۳ تکمیل شد، و تجزیه و تحلیل بیشتر آن هنوز در حال انتشار است.[۱۴] پروژه ژنوم انسان نخستین تلاش جهانی در ترکیب دانش زیست‌شناسی عملکردی، با تعریف مولکولی برای توضیح چگونگی کارکرد بدن انسان و دیگر موجودات بود.
مبانی زیست‌شناسی مدرن
بخش عمده‌ای از زیست‌شناسی مدرن را می‌توان متشکل از پنج اصل به‌هم وابسته دانست که شامل: نظریه سلولی، تکامل، ژنتیک، هموستازی، و انرژی است.[۱]
نظریه سلولی
نوشتار اصلی: نظریه سلولی
نظریه سلولی بیان می‌کند که سلول واحد اساسی زندگی است، و همه موجودات زنده از یک یا چندین سلول تشکیل شده‌اند یا موادی را از سلول‌های خود ترشح می‌کنند (به عنوان مثال، پوسته، استخوان بندی بیرونی). همه سلول‌ها از طریق تقسیم سلولی از سلول‌های دیگر به وجود می‌آیند. در موجودات پر سلولی، هر سلول بدن موجود زنده از یک سلول تخم بارور مشتق شده است. همچنین سلول به عنوان واحد اساسی در بسیاری از فرآیندهای پاتولوژیک نیز در نظر گرفته می‌شود.[۱۵] به علاوه، پدیده جریان انرژی در سلول‌ها طی فرایند سوخت ساز اتفاق می‌افتد. در نهایت، سلول‌های حاوی اطلاعات وراثتی (دی ان ای)، در طول تقسیم سلولی از یک سلول به سلول دیگر منتقل می‌شوند.
این بخش نوشتار نیازمند گسترش است.
سلول‌های رنگ‌آمیزی شده، کراتین(قرمز) و دی‌ان‌ای (سبز) در محیط کشت
تکامل
نوشتار اصلی: تکامل
مفهوم سازماندهی مرکزی در زیست‌شناسی این است که تغییر و توسعه در زندگی در طول تکامل اتفاق می‌افتد، و تمام موجودات زنده شناخته شده نسب مشترک دارند. نظریه تکامل ادعا می‌کند که تمام موجودات زنده روی زمین، موجودات زنده و منقرض شده، از یک نیای مشترک یا یک خزانه ژنی نیایی به وجود آمده‌اند. این باور وجود دارد که آخرین نیای مشترک تمام موجودات زنده حدود ۳٫۵ میلیارد سال پیش ظاهر شده است.[۱۶] به طور کلی زیست‌شناسان حضور همه‌جانبه و جهانی رمز ژنتیکی را به عنوان شاهد قطعی در حمایت از نظریه نیای مشترک جهانی برای همه باکتری‌ها، آرکی باکتری‌ها (باستانیان) و یوکاریوت‌ها در نظر میگیرند (پیدایش حیات را ببینید).
معرفی در واژه نامه علمی توسط ژان-باتیست لامارک در ۱۸۰۹، نظریه تکامل تدریجی توسط چارلز داروین ۵۰ سال بعد به عنوان مدل علمی، زمانی که او نیروی محرکه را بیان می‌کرد، ایجاد شد: انتخاب طبیعی.[۱۷][۱۸] (آلفرد راسل والاس به عنوان همکار کاشف، زمانی که به تحقیق و پژوهش مفهوم تکامل کمک می‌کرد، شناخته شد).[۱۹] در حال حاضر، تکامل برای توضیح تغییرات بزرگ یافته شده بر روی زمین استفاده می‌شود.
نظریه داروین بیان می‌کند که گونه‌ها و نژادها در طول فرآیندهای انتخاب طبیعی و انتخاب مصنوعی یا پرورش انتخابی توسعه یافته‌اند.[۲۰] رانش ژن به عنوان یک مکانیسم اضافی از توسعه تکاملی در سنتز مدرن نظریه بیان می‌شود.[۲۱]
تاریخچه تکاملی گونه‌ها – که ویژگی‌های گونه‌های مختلف را از جایی که آمده‌اند توصیف می‌کند – همراه با رابطه شجره نامه شان با دیگر گونه‌ها به عنوان تبارزایش شناخته می‌شود. با روشهای گسترده متفاوت زیست‌شناسی، اطلاعاتی درباره تبارزایش به دست آمده است. این اطلاعات عبارتند از مقایسه توالی اسید نوکلئیک در زیست‌شناسی مولکولی یا ژنومیک، و مقایسه فسیل‌ها یا دیگر موجودات باستانی در دیرینه شناسی.[۲۲] زیست‌شناسان روابط تکاملی را با روشهای مختلف از جمله تبارزایش، فنوتیک و شاخه بندی سازماندهی و تجزیه و تحلیل می‌کنند. (برای مشاهده خلاصه‌ای از رویدادهای مهم در تکامل زندگی که در حال حاضر توسط زیست‌شناسان درک شده است جدول زمانی تکاملی را مطالعه کنید)
ژنتیک
نوشتار اصلی: ژنتیک
ژن‌ها واحد اصلی وراثت در تمام موجودات زنده هستند. یک ژن واحد اصلی وراثت بوده و قسمتی از دی ان ای می‌باشد که شکل یا عملکرد یک موجود را با روشهای خاص تحت تاثیر قرار میدهد. تمام موجودات زنده، از باکتری‌ها تا جانوران، دستگاههای اساسی یکسانی که توسط دی ان ای کپی شده و به پروتئین ترجمه می‌شوند را به اشتراک می‌گذارند. سلول‌ها ژن دی ان ای را به نسخه آران‌ای ژن رونویسی می‌کنند، و سپس ریبوزوم آران‌ای را به پروتئین ترجمه می‌کند، و یک توالی اسید آمینه به وجود می‌آید. رمز ترجمه از کدون آر ان ای به اسید آمینه در بیشتر موجودات زنده مشابه است، اما در بعضی از آنها تفاوت‌های کمی دارد. به عنوان مثال، توالی از دی ان ای که انسولین را در انسان‌ها کد می‌کند وقتی درون موجود زنده دیگری مثل گیاهان قرار بگیرد نیز انسولین را کد می‌کند.[۲۳]
دی ان ای معمولا به شکل کروموزوم خطی در یوکاریوت‌ها و کروموزوم حلقوی در پروکاریوت‌ها وجود دارد. کروموزوم ساختاری سازمان یافته متشکل از دی ان ای و هیستون‌ها می‌باشد. مجموعه‌ای از کروموزوم‌ها در یک سلول و دیگر اطلاعات وراثتی یافت شده در میتوکندری‌ها، کلروپلاست‌ها، یا دیگر مکان‌ها در مجموع به عنوان ژنوم شناخته می‌شوند. در یوکاریوت‌ها، ژنوم دی ان ای در هسته سلول و به مقدار کم همراه میتوکندری و کلروپلاست وجود دارد. در پروکاریوت‌ها، دی ان ای درون منطقه‌ای نامنظم از سیتوپلاسم به نام نوکلئوئید (ناحیه هسته) قرار گرفته است.[۲۴] اطلاعات ژنتیکی در یک ژنوم درون ژن‌ها قرار دارند، و مجموعه کاملی از این اطلاعات را در یک موجود زنده ژنوتیپ می‌نامند.[۲۵]
هموستازی
نوشتار اصلی: هموستازی
هومئوستازی توانایی یک سیستم باز در تنظیم محیط داخلی برای حفظ شرایط پایدار با استفاده از تعادل پویای چندگانه می‌باشد که با مکانیسم‌های تنظیمی مرتبط می‌باشد. در تمام موجودات زنده، خواه جانداران تک یاخته‌ای یا چند یاخته‌ای، هومئوستاز وجود دارد.[۲۶]
برای حفظ تعادل پویا و انجام موثر عملکردهای خاص، یک سیستم باید اختلال را شناسایی و به آن پاسخ دهد. پس از تشخیص یک اختلال، یک سیستم بیولوژیکی به طور معمول از طریق خودتنظیمی منفی به آن پاسخ میدهد. به این معنی که با کاهش یا افزایش فعالیت هر اندام یا سیستم، شرایط ثابت می‌شود. به عنوان مثال آزاد شدن گلوکاگون در زمان کاهش شدید سطح قند.
انرژی
بقای یک موجود زنده بستگی به ورود مداوم انرژی دارد. واکنش‌های شیمیایی که مسئول این ساختارها و عملکردها هستند انرژی را برای کمک به سلول‌های جدید و حفظ آنها از موادی که به عنوان غذا عمل می‌کنند استخراج می‌کنند. در این فرایند مولکول‌های مواد شیمیایی که غذا را تشکیل می‌دهند نقش دارند؛ اول، آنها حاوی انرژی هستند که می‌توانند مبدل واکنش‌های شیمیایی باشند؛ دوم، آنها ساختارهای مولکولی جدید را از مولکول‌های زیستی می‌سازند.
موجودات زنده‌ای که مسئول تولید انرژی به اکوسیستم هستند به نام تولیدکننده یا اتوتروف شناخته می‌شوند. تقریبا تمام این موجودات انرژی اولیه را از خورشید به دست می‌آورند.[۲۷] گیاهان یا نورپروردها (فتواتوتروف) با انجام فرآیندی به نام فتوسنتز از انرژی خورشید برای تبدیل مواد خام به مولکول‌های آلی استفاده می‌کنند، از جمله ATP (آدنوزین تری فسفات)، که با شکستن پیوندهایش انرژی آزاد می‌شود.[۲۸] هرچند در بعضی اکوسیستم‌ها استخراج انرژی توسط شیمی پروردها از متان، سولفید یا دیگر منابع انرژی غیر خورشیدی صورت می‌گیرد.[۲۹]
برخی از انرژی‌های بدست آمده برای تولید زیست توده‌ها برای حفظ حیات و تامین انرژی برای رشد و توسعه استفاده می‌شوند. اکثریت باقیمانده این انرژی به عنوان گرما و مولکول‌های زاید از دست می‌رود. مهمترین فرآیندهایی که انرژی به دام افتاده در مواد شیمیایی را برای حفظ حیات استفاده می‌کنند متابولیزم[۳۰] و تنفس یاخته‌ای (تنفس سلولی) هستند.[۳۱]
پژوهش
این بخش نوشتار نیازمند گسترش است.
ساختار
نوشتارهای اصلی: زیست‌شناسی مولکولی، زیست‌شناسی سلولی، ژنتیک، و زیست‌شناسی رشد
زیست‌شناسی مولکولی، مطالعه زیست‌شناسی در سطح مولکولی می‌باشد.[۳۲] این زمینه، با دیگر موضوعات زیست‌شناسی همپوشانی دارد، به خصوص با ژنتیک و بیوشیمی. زیست‌شناسی مولکولی عمدتا به درک فعل و انفعالات بین سیستمهای مختلف یک سلول می‌پردازد، از جمله ارتباطات دی ان ای، آر ان ای، و سنتز پروتئین و یادگیری اینکه چگونه این فعل و انفعالات تنظیم می‌شوند.
زیست‌شناسی سلولی، به مطالعه ساختاری و فیزیولوژیکی خواص سلول‌ها از جمله، رفتار آنها، فعل و انفعالات، و محیط می‌پردازد. این مطالعات در سطح میکروسکوپی و مولکولی برای جانداران تک یاخته‌ای مثل باکتری‌ها، همچنین، سلول‌های تخصص یافته جانداران چندیاخته‌ای مثل انسان‌ها، انجام می‌شوند. درک ساختار و عملکرد سلول‌ها برای تمام علوم زیستی اساسی می‌باشد. شباهت‌ها و تفاوت‌های بین انواع سلول‌ها به زیست‌شناسی مولکولی مربوط می‌باشد.
آناتومی، اشکال میکروسکوپی ساختارها از جمله اندام‌ها و دستگاههای اندام‌ها را در نظر می‌گیرد.[۳۳]
ژنتیک، علم مربوط به ژن، وراثت و گوناگونی ارگانیسم‌ها است.[۳۴][۳۵] ژن‌ها اطلاعات لازم برای سنتز پروتئین‌ها را کد می‌کنند، که به نوبه خود نقش مهمی در فنوتیپ نهایی ارگانیسم دارند. در تحقیقات جدید، ژنتیک ابزار مهمی در بررسی عملکرد یک ژن خاص یا بررسی فعل و انفعالات ژنتیکی فراهم می‌کند. در بدن جانداران، اطلاعات ژنتیکی معمولا در کروموزوم‌ها حمل می‌شوند، جایی که ساختار شیمیایی مولکول دی ان ای خاص ارائه شده است.
زیست‌شناسی رشد، در مورد فرآیندهایی که در آن اندام‌ها رشد و توسعه می‌یابند، مطالعه می‌کند. در منشا رویان شناسی، زیست‌شناسی رشد مدرن در مورد کنترل ژنتیکی رشد یاخته، دگرگونی یاخته، و "ریخت زایی" و اینکه کدام فرایند به تدریج باعث افزایش بافت‌ها، اندام‌ها، و کالبدشناسی می‌شود، مطالعه می‌کند. مدل ارگانیسم برای زیست‌شناسی رشد شامل کرم گرد سینورابدیتیس الگانس،[۳۶] مگس سرکه،[۳۷] ماهی گورخری دانیو رریو،[۳۸] موش خانگی،[۳۹] و علف هرز رشادی گوش موشی[۴۰][۴۱] می‌باشند. (یک ارگانیسم مدل، گونه ای است که مطالعه گسترده برای درک پدیده زیستی خاص روی آن انجام می‌شود، با انتظار اینکه این اکتشافات بینشی از ارگانیسم را نسبت به ارگانیسسم‌های دیگر ارائه میدهد)[۴۲]
فیزیولوژیکی
نوشتار اصلی: کاراندام‌شناسی
فیزیولوژی در مورد فرآیندهای مکانیکی، فیزیکی و بیوشیمیایی موجودات زنده و تلاش برای درک این موضوع که چگونه تمام ساختارها به عنوان یک کل عمل می‌کنند، مطالعه می‌کند. موضوع «ساختار به عملکرد» در زیست‌شناسی اساسی است. مطالعات فیزیولوژیکی به طور سنتی به فیزیولوژی گیاهی و فیزیولوژی جانوری تقسیم شده است، اما بعضی از اصول فیزیولوژی بدون توجه به اینکه کدام ارگانیسم خاص مطالعه می‌شود، جهانی هستند. به عنوان مثال، آنچه که در مورد فیزیولوژی سلول‌های مخمری آموخته شده می‌تواند در مورد سلول‌های انسانی نیز به کار برده شود. زمینه فیزیولوژی جانوری ابزارها و روشهای فیزیولوژی انسانی را به گونه‌های غیر انسانی گسترش میدهد. فیزیولوژی گیاهی روش‌ها را از هر دو زمینه تحقیقات اقتباس می‌کند.
فیزیولوژی چگونگی تعاملات و عملکردهای دستگاه عصبی، دستگاه ایمنی، دستگاه درون ریز، دستگاه تنفس، و دستگاه گردش خون را مطالعه می‌کند. مطالعه این دستگاه‌ها با رشته‌های مرتبط پزشکی مثل عصب شناسی و ایمنی شناسی به اشتراک گذاشته شده است
تکاملی
پژوهشهای تکاملی به اصل و نسب گونه‌ها علاقه مند است، و در طول زمان تغییر می‌کند، و شامل دانشمندان بسیاری از رشته‌های طبقه‌بندی می‌باشد. به عنوان مثال، به طور کلی شامل دانشمندانی می‌شود که آموزش ویژه‌ای در مورد ارگانیسم‌های خاص دیده‌اند از جمله پستاندارشناسی، پرنده‌شناسی، گیاه‌شناسی، یا خزنده‌شناسی، اما از آن ارگانیسم‌ها به عنوان سیستم‌هایی برای پاسخگویی به سوالات اصلی درباره تکامل استفاده می‌کنند.
زیست‌شناسی تکاملی تاحدودی بر اساس دیرینه شناسی می‌باشد، که با استفاده از سنگواره‌ها به پرسش‌هایی در مورد حالت و سرعت تکامل،[۴۳] و تا حدی بر تحولاتی در زمینه ژنتیک جمعیت پاسخ میدهد.[۴۴] در سال‌های ۱۹۸۰، زیست‌شناسی رشد، با حذف اولیه از سنتز مدرن، از طریق مطالعه زیست‌شناسی رشد تکاملی، دوباره وارد زیست‌شناسی تکاملی شد.[۴۵] رشته‌های مرتبط که اغلب بخشی از زیست‌شناسی تکاملی در نظر گرفته می‌شوند تبارزایش، سامانه‌شناسی و آرایه‌شناسی می‌باشند.
سیستماتیک
نوشتار اصلی: سامانه شناسی
رویداد گونه‌زایی چندگانه یک ساختار درختی از رابطه بین گونه‌ها ایجاد می‌کند. نقش سامانه‌شناسی مطالعه این روابط و در نتیجه شباهت‌ها و تفاوت‌های بین گونه‌ها و گروه‌های گونه‌ای است.[۴۶] هرچند، سامانه‌شناسی یک زمینه فعال پژوهشی طولانی قبل از اینکه تفکر تکاملی عمومی شود، دارد.[۴۷]
به طور سنتی، موجودات زنده به پنج فرمانرو تقسیم می‌شوند: تک یاخته‌ها، آغازیان، قارچ‌ها، گیاهان، جانوران.[۴۸] هرچند، امروزه بیشتر دانشمندان این پنج فرمانرو را سیستمی قدیمی در نظر میگیرند. سیستمهای جایگزین مدرن طبقه‌بندی به طور کلی با سیستم سه قلمرو آغاز می‌شوند: باستانیان (در اصل آرکی باکتری‌ها)؛ باکتری‌ها (در اصل یوباکتری‌ها) و یوکاریوت‌ها (شامل آغازیان، قارچ‌ها، گیاهان و جانوران).[۴۹] این قلمروها داشتن یا نداشتن هسته سلول را منعکس می‌کنند، همچنین تفاوت در ترکیب شیمیایی مولکول‌های زیستی کلیدی مثل ریبوزوم‌ها را نشان می‌دهند.
علاوه بر این، هر قلمرو به صورت برگشت‌پذیر شکسته می‌شود تا هر گونه‌ای جداگانه دسته بندی شود. به این صورت که:حوزه؛فرمانرو،شاخه،رده،راسته،تیره،سرده،گونه.
خارج از این دسته‌بندی، انگل‌های دورن سلولی اجباری وجود دارند که در اصطلاح فعالیت‌های متابولیکی «بر روی لبه زندگی»[۵۰] قرار دارند، به این معنی که بسیاری از دانشمندان این موجودات را به عنوان موجود زنده دسته بندی نکرده‌اند، با توجه به عدم یا حداقل نیاز به یک یا بیشتر توابع اساسی یا مشخصاتی که حیات را تعریف می‌کنند، آنها به عنوان ویروس‌ها، ویروئیدها، پریون‌ها یا حامل‌ها طبقه‌بندی می‌شوند.
نام علمی یک ارگانیسم از جنس و گونه اش به وجود می‌آید. به عنوان مثال، انسان‌ها به عنوان انسان اندیشه ورز (Homo sapiens) ذکر شده‌اند. انسان جنس، و اندیشه ورز گونه است. زمانی که دانشمندان نام یک ارگانیسم را می‌نویسند، اولین حرف جنس را با حروف بزرگ نوشته و بقیه جنس را با حروف کوچک می‌نویسند.[۵۱] علاوه بر این، تمام اصطلاح به شکل ایتالیک یا زیر خط دار نوشته می‌شود.[۵۲]
سیستم طبقه‌بندی غالب را طبقه‌بندی لینائن می‌نامند. این طبقه‌بندی شامل رتبه و نام علمی می‌باشد. چگونگی نامگذاری این ارگانیسم‌ها توسط توافقنامه‌های بین‌المللی از جمله قوانین جهانی نامگذاری برای جلبک‌ها، قارچ‌ها و گیاهان (ICN)، قوانین جهانی نامگذاری برای جانوران (ICZN)، و قوانین جهانی نامگذاری برای باکتری‌ها (ICNB) اداره می‌شود. طبقه‌بندی ویروس‌ها، ویروئیدها، پریون‌ها و تمام عوامل زیر-ویروسی که ویژگی‌های بیولوژیکی را نشان می‌دهند توسط کمیته بین‌المللی طبقه‌بندی ویروس‌ها (ICTV) اداره شده و به نام قوانین جهانی طبقه‌بندی و نامگذاری ویروس‌ها شناخته می‌شود (ICVCN).[۵۳][۵۴][۵۵][۵۶] هر چند، چندین سیستم طبقه‌بندی ویروسی وجود دارند.
بوم شناسی
نوشتارهای اصلی: بوم‌شناسی، رفتارشناسی جانوران، رفتار، و زیست‌جغرافی
اکولوژی به مطالعه توزیع و فراوانی موجودات زنده، و فعل و انفعالات بین موجودات و محیط زیست می‌پردازد.[۵۷] زیستگاه یک ارگانیسم می‌تواند به عنوان عوامل غیر زنده محلی توصیف شود از جمله اقلیم و بوم‌شناسی، به علاوه سایر ارگانیسم‌ها و اجزاء حیاتی نیز محیط زیست خود را به اشتراک می‌گذارند.[۵۸] یکی از دلایلی که سیستمهای بیولوژیکی برای مطالعه مشکل هستند این است که بسیاری از فعل و انفعالات مختلف با دیگر موجودات زنده و محیط زیست حتی در مقیاس‌های کوچک امکان‌پذیر است. یک باکتری میکروسکوپی در شیب قند مورد نیاز خود به اندازه یک شیر در ساوانای آفریقا که برای یافتن غذا تلاش می‌کند در قبال محیط مسئول است. رفتارهای هر گونه، می‌تواند همکاری، رقابتی، انگلی، هم‌زیستی باشد. وقتی که دو یا چند گونه در یک اکوسیستم تداخل می‌کنند مسایل پیچیده تر می‌شود.
سیستمهای زیست محیطی در چند سطح مختلف از افراد و جمعیت به اکوسیستم و زیست‌کره مورد مطالعه قرار میگیرند. اصطلاح زیست‌شناسی جمعیت اغلب به جای بوم‌شناسی جمعیت استفاده می‌شود، اگرچه زیست‌شناسی جمعیت اغلب زمانی که در مورد بیماری‌ها، ویروس‌ها و میکروب‌ها مطالعه می‌شود استفاده می‌شود در حالیکه بوم‌شناسی جمعیت معمولا در زمان مطالعه گیاهان و جانوران استفاده می‌شود. بوم‌شناسی به دیگر رشته‌های فرعی متصل است.
کردارشناسی رفتارهای جانوران را مطالعه می‌کند (بخصوص جانوران اجتماعی مثل نخستی سانان و سگ‌سانان)، و گاهی اوقات شاخه‌ای از جانورشناسی در نظر گرفته می‌شود. کردارشناسان بخصوص علاقه‌مند به تکامل رفتار و درک رفتار در اصطلاحات نظریه انتخاب طبیعی هستند. به یک معنا، اولین کردارشناس مدرن چارلز داروین، کسی که کتاب بیان احساسات در انسان و جانوران را نوشته است و بسیاری از کردارشناسان را تحت تاثیر قرار داده‌است.[۵۹]
جغرافیای‌زیستی توزیع فضایی ارگانیسم‌های روی زمین، با تمرکز بر موضوعاتی مانند زمین‌ساخت بشقابی، تغییر اقلیم، پراکندگی و مهاجرت و شاخه‌بندی را مطالعه می‌کند.
مشکلات عمومی حل نشده در زیست‌شناسی
با وجود پیشرفتهای عمیقی که در درک ما از فرآیندهای اساسی زندگی در دهه‌های اخیر به دست آمده، برخی از مشکلات اساسی حل نشده باقی مانده است. به عنوان مثال، یکی از بزرگترین مشکلات حل نشده عملکرد انطباقی اولیه در جنس، و به ویژه فرآیندهای کلیدی در یوکاریوت‌ها، میوز و نوترکیبی همولوگ می‌باشد. یک دیدگاه این است که رابطه جنسی تکامل یافته در درجه اول به عنوان یک سازگاری برای افزایش تنوع ژنتیکی می‌باشد (منابع را ببینید).[۶۰][۶۱]) دیدگاه دیگر این است که رابطه جنسی برای ترویج دقیق اصلاح دی ان ای در خط اصلی دی ان ای می‌باشد، که افزایش تنوع ژنتیکی در درجه اول یک محصول جانبی است که ممکن است در دراز مدت مفید باشد.[۶۲][۶۳]
یکی دیگر از مشکلات اساسی حل نشده در زیست‌شناسی، اساس بیولوژیک سالخوردی است. در حال حاضر، هیچ توافقی بر علت سالخوردگی وجود ندارد. نظریه‌های مختلف رقابتی در سالخوردگی مشخص شده است.
سطوح زیست‌شناسی
زیست‌شناسی گستره پهناوری از رشته‌های تحصیلی دانشگاهی را دربرمی‌گیرد. بسیاری از این عرصه‌ها گاه خود به عنوان رشته‌های جدا و مستقلی قلمداد می‌گردند. روی‌هم‌رفته این رشته‌ها به مطالعه زیست در مقیاس‌ها و سطوح گوناگون می‌پردازند از جمله:
در مقیاس هسته‌ای از راه زیست‌شناسی مولکولی، زیست شیمی، و تا اندازه‌ای ژنتیک
در مقیاس یاخته‌ای از طریق زیست‌شناسی یاخته‌ای
در مقیاس چندیاخته‌ای از راه فیزیولوژی، کالبدشناسی، و بافت‌شناسی
در سطح شکل‌گیری یا ریخت زایی (اونتوژنی) یک سازواره مفرد از راه پژوهش در رشته زیست‌شناسی تکاملی
در سطح وراثت میان زایندگان و زادگان از راه دانش ژنتیک
در سطح رفتار گروهی از راه رفتارشناسی
در سطح بررسی مجموعه یک جمعیت از طریق ژنتیک جمعیت و در مقیاس چندگونه‌ای‌تبارها از راه دانش سامانه‌شناسی
در سطح جمعیت‌های وابسته‌به‌هم و زیستگاه‌های ایشان از راه بوم‌شناسی و زیست‌شناسی فرگشتی و نیز احتمالاً از راه دانش دگرزیست‌شناسی که به بررسی وجود زیست در ورای کره زمین می‌پردازد.
شاخه‌ها
موارد زیر شاخه‌های اصلی زیست‌شناسی می‌باشند:
هوازیستی: مطالعه ذرات آلی موجود در هوا
کشاورزی: مطالعه تولید محصولات کشاورزی و پرورش دام، با تاکید بر برنامه‌های علمی
کالبدشناسی: مطالعه فرم و عملکرد، در گیاهان، جانوران، و دیگر ارگانیسم‌ها، یا به طور خاص در انسان
بافت‌شناسی: مطالعه یاخته‌ها و بافت‌ها، یک شاخه از کالبدشناسی
اخترزیست‌شناسی (که به عنوان دگرزیست‌شناسی نیز شناخته می‌شود): مطالعه تکامل، توزیع و آینده زندگی در جهان
بیوشیمی: مطالعه واکنش‌های شیمیایی مورد نیاز برای زندگی و عملکرد موجودات زنده، معمولا تمرکز بر سطح سلولی
مهندسی زیستی: مطالعه زیست‌شناسی از طریق استفاده از مهندسی با تاکید بر دانش کاربردی و به خصوص مرتبط با بیوتکنولوژی
جغرافیای زیستی: مطالعه توزیع فضایی و زمانی یک گونه
بیوانفورماتیک: استفاده از فن‌آوری اطلاعات برای مطالعه، جمع‌آوری، و ذخیره‌سازی داده‌های بیولوژیکی و ژنومی
زیست‌شناسی ریاضی: مطالعه کمی یا ریاضی فرآیندهای زیست‌شناسی، با تاکید بر مدل‌سازی
بیومکانیک: اغلب به عنوان شاخه‌ای از پزشکی در نظر گرفته می‌شود، مطالعه مکانیکی موجودات زنده، با تاکید بر استفاده کاربردی از طریق اندام ساختگی یا اُرتِز
تحقیقات پزشکی: مطالعه سلامتی و بیماری‌ها
داروشناسی: مطالعه و کاربرد عملی آماده‌سازی، استفاده و اثرات داروها و داروهای مصنوعی
زیست‌موسیقی: مطالعه موسیقی از دیدگاه زیست‌شناسی
زیست‌فیزیک: مطالعه فرآیندهای زیستی از طریق فیزیک، با استفاده از نظریه‌ها و روش‌هایی که به طور سنتی در علم فیزیک استفاده می‌شود.
زیست‌فناوری: مطالعه دستکاری ماده زندگی، شامل اصلاح ژنتیکی و زیست‌شناسی مصنوعی
زیست‌شناسی مصنوعی: پژوهش ادغام زیست‌شناسی و مهندسی؛ ساخت و ساز عملکردهایی که در طبیعت یافت نمی‌شوند.
زیست‌شناسی ساختمانی: مطالعه محیط زندگی در محیط داخلی
گیاه‌شناسی: مطالعه گیاهان
زیست‌شناسی یاخته‌ای: مطالعه سلول به عنوان واحد کامل، و فعل و انفعالات مولکولی و شیمیایی که درون سلول زنده اتفاق می‌افتد
زیست‌شناسی شناختی: مطالعه شناخت به عنوان عملکرد زیست شناختی
زیست‌شناسی بقا: مطالعه نگهداری، حفاظت و یا ترمیم محیط زیست، اکوسیستم طبیعی، پوشش گیاهی و حیات وحش
سرمازیست‌شناسی: مطالعه تاثیرات دمای پایین‌تر از حد نرمال بر روی موجودات زنده
زیست‌شناسی رشد: مطالعه فرآیندهایی که از طریق آن فرم‌های ارگانیسم‌ها از تخم تا ساختار کامل تبدیل می‌شوند
رویان‌شناسی: مطالعه رشد رویان (از لقاح تا تولد)
بوم‌شناسی: مطالعه فعل و انفعالات موجودات زنده با موجود دیگر و با عناصر غیر زنده محیط آنها
زیست‌شناسی محیطی: مطالعه محیط طبیعی به صورت کلی و یا یک منطقه خاص، به خصوص که توسط فعالیت‌های انسانی تحت تاثیر قرار گرفته باشد.
همه‌گیرشناسی: تحقیقات بر روی یکی از اجزا مهم سلامت عمومی، مطالعه عوامل موثر بر روی سلامت جمعیت
زیست‌شناسی تکاملی: مطالعه منشا و اجداد گونه‌ها در طول زمان
ژنتیک: مطالعه ژن‌ها و وراثت
وراژنتیک: مطالعه تغییرات وراثتی در بیان ژن یا فنوتیپ سلولی ناشی از مکانیسم‌های دیگری که در توالی دی ان ای تغییرات ایجاد می‌کنند
خون‌شناسی: مطالعه خون و اندام‌های تشکیل دهنده خون
زیست‌شناسی یکپارچه: مطالعه تمامی ارگانیسم‌ها
لیمنولوژی: مطالعه آب‌های داخلی
زیست دریا (یا اقیانوس‌شناسی بیولوژیکی): مطالعه اکوسیستم‌های اقیانوس، گیاهان، جانوران و دیگر موجودات زنده
میکروبیولوژی: مطالعه ارگانیسم‌های میکروسکوپی (میکروارگانیسم‌ها) و فعل و انفعالات آنها با دیگر موجودات زنده
انگل‌شناسی: مطالعه انگل‌ها و زندگی انگلی
ویروس‌شناسی: مطالعه ویروس‌ها و سایر عوامل شبه‌ویروسی
زیست‌شناسی مولکولی: مطالعه زیست‌شناسی و عملکردهای زیستی در سطح مولکولی، جدا از بیوشیمی
قارچ شناسی: مطالعه قارچ‌ها
علوم اعصاب: مطالعه دستگاه عصبی، شامل کالبدشناسی، فیزیولوژی و آسیب‌شناسی
زیست‌شناسی جمعیت: مطالعه گروه‌هایی از ارگانیسم‌های همنوع، شامل
بوم‌شناسی جمعیت: مطالعه چگونگی پویایی و انقراض جمعیت
ژنتیک جمعیت: مطالعه تغییرات توالی ژن‌ها در جمعیتی از موجودات زنده
دیرینه‌شناسی: مطالعه فسیل‌ها و گاهی اوقات شواهد جغرافیایی از زندگی ماقبل تاریخ
آسیب‌شناسی: مطالعه بیماری‌ها، و دلایل، فرآیندها، طبیعت و توسعه بیماری
فیزیولوژی: مطالعه عملکردهای موجودات زنده و اندام‌ها و بخش‌هایی از موجودات زنده
گیاه‌پزشکی: مطالعه بیماری‌های گیاهان (همچنین آسیب‌شناسی گیاهان نیز نامیده می‌شود)
علوم اعصاب رفتاری: مطالعه زیستی بر اساس روانشناسی
زیست‌جامعه‌شناسی: مططالعه زیستی بر اساس جامعه‌شناسی
زیست‌شناسی سازه: شاخه‌ای از زیست‌شناسی مولکولی، بیوشیمی و زیست‌فیزیک که نسبت به ساختارهای مولکولی ماکرومولکول‌های زیستی توجه دارد.
جانورشناسی: مطالعه جانوران، شامل طبقه‌بندی، فیزیولوژی، توسعه و رفتار. زیرشاخه‌ها شامل: کردارشناسی (رفتار جانوران)، حشره‌شناسی (حشرات)، خزنده‌شناسی (خزندگان و دوزیستان)، آبزی‌شناسی (ماهی)، پستاندارشناسی (پستانداران) و پرنده‌شناسی (پرنده‌ها)