ชีววิทยา: การศึกษาสิ่งมีชีวิต

ชีววิทยาคือการศึกษาเกี่ยวกับชีวิตและชีวนินทรีย์ต่าง ๆ

• บน: แบคทีเรีย E. coli และกาเซลล์
• ล่าง: ด้วงโกไลแอธและเฟิร์น

นักชีววิทยาสามารถศึกษาชีวิตได้ในการจำแนกชั้นทางชีววิทยาที่หลากหลาย นับตั้งแต่อณูชีววิทยาของเซลล์จนถึงกายวิภาคศาสตร์และสรีรวิทยาของพืชและสัตว์ และ

บทความนี้อ้างอิงคริสต์ศักราช/คริสต์ทศวรรษ/คริสต์ศตวรรษ ซึ่งเป็นสาระสำคัญของเนื้อหา

วิวัฒนาการของประชากร ดังนั้นสาขาย่อยของชีววิทยามีหลายสาขา แต่ละสาขาถูกกำหนดโดยธรรมชาติของการตั้งถามเชิงวิจัยและเครื่องมือที่นักวิจัยใช้ เช่นเดียวกันกับนักวิทยาศาสตร์แขนงอื่น นักชีววิทยาใช้กระบวนการทางวิทยาศาสตร์ในการการสังเกต ตั้งคำถาม สร้างสมมติฐาน ทำการทดลองและสรุปเกี่ยวกับโลกรอบตัวพวกเขา

ชีวิตบนโลก ซึ่งเกิดขึ้นตั้งแต่เมื่อ 3.7 พันล้านปีก่อน มีความหลากหลายสูงมาก นักชีววิทยาได้แสวงหา ศึกษาและจัดจำแนกรูปแบบของชีวิตที่หลากหลาย ตั้งแต่สิ่งมีชีวิตกลุ่มโพรแคริโอตเช่น อาร์เคียและแบคทีเรียจนถึงสิ่งมีชีวิตกลุ่มยูแคริโอตเช่น โพรทิสต์ ฟังไจ พืชและสัตว์ สิ่งมีชีวิตที่หลากหลายนี้ทำให้เกิดความหลากหลายทางชีวภาพของระบบนิเวศ ซึ่งมีบทบาทในการหมุนเวียนของสารอาหารและพลังงาน ผ่านสิ่งแวดล้อมชีวกายภาพ

คำว่า ชีววิทยา (biology) มาจากภาษากรีก คือคำว่า "bios" แปลว่า สิ่งมีชีวิต และ "logos" แปลว่า วิชา หรือการศึกษาอย่างมีเหตุผล

 

รากฐานแรกเริ่มของวิทยาศาสตร์ รวมถึงการแพทย์ สามารถย้อนกลับไปในสมัยอียิปต์โบราณและเมโสโปเตเมียในช่วงประมาณ 3000 ถึง 1200 ก่อนคริสตกาล ผลงานของพวกเขาทำให้เกิดปรัชญาธรรมชาติของกรีกโบราณ นักปรัชญาชาวกรีกโบราณเช่น อาริสโตเติล (384–322 ก่อนคริสตกาล) มีส่วนช่วยอย่างยิ่งในการพัฒนาความรู้ด้านชีววิทยา เขาศึกษาสาเหตุของเหตุการณ์ในเชิงชีววิทยาและความหลากหลายทางชีวภาพ ทีโอแฟรสตัส ผู้สืบทอดของอาริสโตเติลเริ่มศึกษาพืชในทางวิทยาศาสตร์ นักวิชาการในยุคทองของอิสลามได้เขียนเกี่ยวกับชีววิทยา เช่นอัล-ญะฮิซ (ปี ค.ศ. 781–869) อาบู ฮานิฟา ดิโนรี (ปี ค.ศ. 828–896) ผู้ที่เขียนเกี่ยวกับพฤกษศาสตร์ และราซีส (ปี ค.ศ. 865–925) ผู้เขียนเกี่ยวกับกายวิภาคศาสตร์และสรีรวิทยา นักวิชาการในโลกอิสลามศึกษาการแพทย์เป็นอย่างดีบนธรรมเนียมของนักปรัชญาชาวกรีก ในขณะที่ประวัติศาสตร์ธรรมชาติจะเป็นไปตามแนวคิดของอาริสโตเติล

ชีววิทยาเริ่มพัฒนาอย่างรวดเร็วหลังการพัฒนากล้องจุลทรรศน์โดยอันโตนี ฟัน เลเวินฮุก ต่อมานักวิชาการได้ค้นพบตัวอสุจิ แบคทีเรีย อินฟูโซเรียและความหลากหลายของจุลชีพ การค้นพบของยาน สวัมเมอร์แดมนำไปสู่ชีววิทยาแขนงใหม่ นั่นคือกีฏวิทยาและช่วยพัฒนาเทคนิคการการผ่าและการย้อมสี. ความก้าวหน้าในด้านจุลทรรศน์มีผลอย่างมากต่อแนวคิดทางชีววิทยา ในช่วงต้นคริสต์ศตวรรษที่ 19 นักชีววิทยาชี้ให้เห็นถึงความสำคัญของเซลล์ ในปี ค.ศ. 1838 ชไลเดนและชวันน์เริ่มเสนอแนวคิดใหม่ที่ใช้ได้ทั่วไป นั่นคือ (1) หน่วยย่อยที่สุดของสิ่งมีชีวิตคือเซลล์และ (2) เซลล์แต่ละเซลล์มีคุณสมบัติของชีวิต ถึงแม้ว่าพวกเขาจะคัดค้านแนวคิดที่ว่า (3) เซลล์ทุกเซลล์เกิดจากบางส่วนของเซลล์อื่น นำไปสู่การสนับสนุน เชื่อว่าทฤษฎีการเกิดขึ้นเอง (Spontaneous generation) แต่อย่างไรก็ตามโรเบิร์ต รีมัคและรูดอล์ฟ วีร์โชว์สามารถยืนยันทฤษฎีที่สาม และในช่วงคริสต์ทศวรรษที่ 1860 นักชีววิทยาส่วนใหญ่ยอมรับทฤษฎีทั้งสามนี้และรวบรวมเป็นทฤษฎีเซลล์

ในขณะเดียวกัน อนุกรมวิธานและการจัดจำแนกกลายเป็นจุดสนใจของนักประวัติศาสตร์ธรรมชาติ คาร์ล ลินเนียสตีพิมพ์เกี่ยวกับอนุกรมวิธานพื้นฐานสำหรับการศึกษาธรรมชาติในปี ค.ศ. 1735 และในคริสต์ทศวรรษที่ 1750 เขาตั้งชื่อวิทยาศาสตร์สำหรับสิ่งมีชีวิตที่เขาศึกษาทุกสปีชีส์ ยอร์จ หลุยส์ เลอเคลร์ถือว่าแนวคิดของสปีชีส์เป็นเพียงการจัดจำแนกที่สมมติขึ้นและไม่ตายตัว—จึงเสนอแนวคิดของการสืบเชื้อสายร่วมกันแทน

 

แนวคิดเรื่องวิวัฒนาการเริ่มเป็นที่ถกเถียงอย่างจริงจังด้วยงานของฌอง แบพติสท์ เดอ ลามาร์ก ผู้เสนอทฤษฎีวิวัฒนาการที่สอดคล้องกัน ชาลส์ ดาร์วิน นักธรรมชาติวิทยาชาวบริติชได้รวบรวมผลการศึกษาทางชีวภูมิศาสตร์ของฮุมบ็อลท์ ภูมิศาสตร์เอกรูปนิยมของไลล์ งานเขียนเกี่ยวกับการเติบโตของประชากรของมาลธัส ประกอบกับความเชี่ยวชาญของดาร์วินเองในด้านสัณฐานวิทยาและการสำรวจธรรมชาติอย่างยาวนาน เกิดเป็นทฤษฎีวิวัฒนาการที่ประสบความสำเร็จกว่าคือการคัดเลือกโดยธรรมชาติ ด้วยการให้เหตุผลและหลักฐานเดียวกันทำให้อัลเฟรด รัสเซล วอลเลซนำไปสู่ข้อสรุปเดียวกัน ถึงแม้จะไม่ได้ทำงานกับดาร์วินก็ตาม

พื้นฐานของพันธุศาสตร์ยุคใหม่เริ่มจากงานของเกรกอร์ เม็นเดิลในปี ค.ศ. 1865 ทำให้เกิดหลักการของการถ่ายทอดในทางชีววิทยา แต่อย่างไรก็ตาม ความสำคัญของงานชิ้นนี้ไม่เป็นที่รู้จักจนเมื่อต้นคริสต์ศตวรรษที่ 20 ที่วิวัฒนาการกลายเป็นทฤษฎีเดียวกันรู้จักในนามทฤษฎีสังเคราะห์วิวัฒนาการ ที่ทฤษฎีวิวัฒนาการของดาร์วินรวมกับพันธุศาสตร์คลาสสิก ในช่วงคริสต์ทศวรรษที่ 1940 และต้นคริสต์ทศวรรษที่ 1950 การทดลองจำนวนมากโดยอัลเฟรด เฮอร์ชีย์และมาร์ธา เชสค้นพบว่าดีเอ็นเอซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของโครโมโซม บรรจุหน่วยข้อมูลเกี่ยวกับลักษณะซึ่งเป็นที่รู้จักภายหลังว่ายีน ความสนใจในโมเดลของสิ่งมีชีวิตใหม่เช่น ไวรัสและแบคทีเรีย ประกอบกับการค้นพบโครงสร้างเกลียวคู่ของดีเอ็นเอโดยเจมส์ ดี. วัตสันและฟรานซิส คริกในปี ค.ศ. 1953 เป็นตัวบ่งชี้ถึงการเปลี่ยนผ่านเข้าสู่ยุคอณูพันธุศาสตร์ นับตั้งแต่คริสต์ทศวรรษที่ 1950 เป็นต้นไป ชีววิทยาถูกขยายขอบเขตการศึกษาถึงระดับโมเลกุล รหัสพันธุกรรมถูกถอดรหัสโดยหร โคพินท์ โขรานา รอเบิร์ต ดับเบิลยู. ฮอลลีย์และมาร์แชลล์ วอร์เรน ไนเรนเบิร์กภายใต้แนวคิดของโคดอน โครงการจีโนมมนุษย์เริ่มในปี ค.ศ. 1990 เพื่อสร้างแผนที่จีโนมของมนุษย์

อะตอมและโมเลกุล

สิ่งมีชีวิตทุกชนิดสร้างขึ้นมาจากธาตุเช่น ออกซิเจน คาร์บอน ไฮโดรเจนและไนโตรเจน คิดเป็นมวลส่วนใหญ่ (ร้อยละ 96) ของสิ่งมีชีวิต นอกจากนี้ยังมีแคลเซียม ฟอสฟอรัส กำมะถัน โซเดียม คลอรีนและแมกนีเซียม ธาตุที่แตกต่างกันสามารถประกอบกันเป็นสารประกอบเช่น น้ำ ซึ่งเป็นพื้นฐานของชีวิตชีวเคมีคือการศึกษาเกี่ยวกับกระบวนการทางเคมีภายในและเกี่ยวกับสิ่งมีชีวิต อณูชีววิทยาเป็นแขนงหนึ่งในชีววิทยาที่ศึกษาเพื่อเข้าใจพื้นฐานทางโมเลกุลของกิจกรรมทางชีววิทยา ทั้งภายในและระหว่างเซลล์ รวมถึงการสังเคราะห์สารชีวโมเลกุล การดัดแปลง กลไกและการมีปฏิสัมพันธ์

น้ำ

 

ชีวิตเกิดขึ้นมาจากมหาสมุทรแห่งแรกของโลก ซึ่งเกิดขึ้นเมื่อประมาณ 3.8 พันล้านปีก่อน ตั้งแต่สมัยนั้น น้ำค่อย ๆ เป็นโมเลกุลที่พบมากที่สุดในสิ่งมีชีวิตทุกชนิด น้ำสำคัญกับชีวิตเพราะว่าน้ำเป็นตัวทำละลายที่มีประสิทธิภาพ สามารถละลายสารเช่น โซเดียมและคลอไรด์ไอออนหรือสารโมเลกุลเล็ก เกิดเป็นสารละลายในน้ำ เมื่อละลายในน้ำแล้ว ตัวละลายมักสามารถมีปฏิสัมพันธ์กับตัวละลายอีกตัวจึงสามารถทำให้เกิดปฏิกิริยาเคมีซึ่งรักษาดุลยภาพของชีวิตได้ ในแง่ของโครงสร้างโมเลกุลของน้ำ น้ำเป็นโมเลกุลมีขั้ว รูปร่างมุมงอเกิดขึ้นพันธะโคเวเลนซ์มีขั้วระหว่างไฮโดรเจนสองอะตอม (H) กับออกซิเจนหนึ่งอะตอม (O) เป็นสูตร H₂O เนื่องจากพันธะ O–H มีขั้ว อะตอมออกซิเจนมีประจุลบเล็กน้อยและอะตอมไฮโดรเจนทั้งสองมีประจุบวกเล็กน้อย คุณสมบัติมีขั้วของน้ำทำให้มันสามารถดึงดูดกับโมเลกุลน้ำโมเลกุลอื่นได้ด้วยพันธะไฮโดรเจน ทำให้น้ำมีคุณสมบัติการเชื่อมแน่น (cohesive) แรงตึงผิวเกิดจากแรงเชื่อมแน่นจากการดึงดูดระหว่างโมเลกุลที่ผิวของเหลว น้ำยังมีคุณสมบัติการยึดติด โดยมันสามารถเกาะกับพื้นผิวของโมเลกุลอื่นที่ไม่ใช่น้ำ ซึ่งอาจมีขั้วหรือมีประจุ น้ำเมื่อเป็นของเหลวมีหนาแน่นกว่าตอนเป็นของแข็ง (หรือน้ำแข็ง) คุณสมบัติเฉพาะตัวนี้ทำให้น้ำแข็งสามารถลอยเหนือน้ำเช่น บ่อน้ำ ทะเลสาบและมหาสมุทร ทำหน้าที่เป็นฉนวนความร้อนให้ของเหลว ป้องกันความเย็นจากอากาศเย็นข้างบน น้ำมีความจุในการดูดซับพลังงาน ทำให้มีความจุความร้อนจำเพาะสูงกว่าตัวทำละลายอื่นเช่น เอทานอล ดังนั้นพลังงานปริมาณมากจึงจำเป็นในการทำลายพันธะไฮโดรเจนระหว่างโมเลกุลเพื่อเปลี่ยนสถานะจากน้ำของเหลวเป็นไอน้ำ น้ำมีโมเลกุลที่ไม่เสถียรอย่างสมบูรณ์ เนื่องจากโมเลกุลน้ำแต่ละโมเลกุลแตกตัวเป็นไฮโดรเจนไอออนและไฮดรอกซิลไอออน ก่อนกลับมาเป็นโมเลกุลน้ำอีกครั้ง ในน้ำบริสุทธิ์ จำนวนไฮโดรเจนไอออนจะสมดุล (หรือเท่ากับ) จำนวนไฮดรอกซิลไอออน ส่งผลให้มีค่าพีเอชเป็นกลาง

สารประกอบอินทรีย์

 

สารประกอบอินทรีย์คือโมเลกุลที่มีคาร์บอนสร้างพันธะกับฮาตุอื่นเช่น ไฮโดรเจน ทุกโมเลกุลที่เป็นส่วนประกอบของสิ่งมีชีวิตยกเว้นน้ำประกอบด้วยคาร์บอนทั้งสิ้น คาร์บอนสามารถสร้างพันธะโคเวเลนต์กับอะตอมได้สูงสุด 4 อะตอม ทำให้สามารถสร้างเป็นโมเลกุลที่หลากหลาย ขนาดใหญ่และซับซ้อนได้ ตัวอย่างเช่น อะตอมคาร์บอนหนึ่งอะตอมสามารถสร้างพันธะโคเวเลนต์ที่เป็นพันธะเดี่ยวสี่พันธะเช่นในมีเทน พันธะคู่สองพันธะเช่นคาร์บอนไดออกไซด์ (CO₂) หรือพันธะสามหนึ่งพันธะเช่นคาร์บอนมอนอกไซด์ (CO) นอกจากนี้คาร์บอนสามารถสร้างโครงสร้างโซ่ยาวจากพันธะคาร์บอน-คาร์บอนเช่นออกเทน หรือโครงสร้างคล้ายวงเช่นกลูโคส

โครงสร้างที่ง่ายที่สุดของสารประกอบอินทรีย์คือไฮโดรคาร์บอน ซึ่งเป็นสารประกอบอินทรีย์ที่ประกอบด้วยอะตอมไฮโดรเจนที่เชื่อมกับโซ่ของอะตอมคาร์บอน โซ่หลักของไฮโดรคาร์บอนสามารถถูกแทนที่ด้วยธาตุอื่นเช่น ออกซิเจน (O) ไฮโดรเจน (H) ฟอสฟอรัส (P) และกำมะถัน (S) ซึ่งสามารถเปลี่ยนแปลงสมบัติของสารประกอบนั้น กลุ่มของอะตอมที่ประกอบด้วยธาตุเหล่านี้ (O-, H-, P- และ S-) และเชื่อมพันธะกับอะตอมคาร์บอนกลางหรือโซ่หลักถูกเรียกว่าหมู่ฟังก์ชัน หมู่ฟังก์ชันที่พบมากในสิ่งมีชีวิตมี 6 หมู่ได้แก่ หมู่อะมิโน หมู่คาร์บอกซิล หมู่คาร์บอนิล หมู่ไฮดรอกซิล หมู่ฟอสเฟตและหมู่ซัลฟ์ไฮดริล

ในปี ค.ศ. 1953 การทดลองของมิลเลอร์-อูเรย์แสดงว่าสารประกอบอินทรีย์สามารถสังเคราะห์โดยไม่ต้องเริ่มด้วยสิ่งมีชีวิตภายใต้ระบบปิด โดยเลียนแบบสภาพแวดล้อมของโลกยุคแรกเริ่ม ดังนั้นสารประกอบอินทรีย์ที่ซับซ้อนสามารถเกิดขึ้นได้เองในโลกยุคแรกเริ่ม (ดูเพิ่มที่กำเนิดชีวิตจากสิ่งไร้ชีวิต

มาโครโมเลกุล

 

มาโครโมเลกุลคือโมเลกุลขนาดใหญ่ที่สร้างจากหน่วยย่อยหรือมอนอเมอร์ มอนอเมอร์ประกอบด้วยน้ำตาล กรดอะมิโนและนิวคลีโอไทด์ คาร์โบไฮเดรตสร้างจากมอนอเมอร์และพอลิเมอร์ของน้ำตาล ลิพิดเป็นมาโครโมเลกุลกลุ่มเดียวที่ไม่ได้ประกอบเป็นพอลิเมอร์ ลิพิดประกอบด้วยสเตอรอยด์ฟอสโฟลิพิดและไขมัน ซึ่งเป็นสารไม่มีขั้วและไฮโดรโฟบิก (ไม่ชอบน้ำ) โปรตีนเป็นมาโครโมเลกุลที่หลากหลายที่สุดเช่น เอนไซม์ โปรตีนขนส่ง โมเลกุลส่งสัญญาณขนาดใหญ่ แอนติบอดีและโปรตีนโครงสร้าง หน่วยย่อยของโปรตีนคือกรดอะมิโน กรดอะมิโน 20 ตัวถูกใช้ในการสร้างโปรตีน กรดนิวคลิอิกเป็นพอลิเมอร์ของนิวคลีโอไทด์ หน้าที่ของกรดนิวคลิอิกคือใช้เก็บ ส่งและแสดงข้อมูลพันธุกรรม

ทฤษฎีเซลล์กล่าวว่าเซลล์คือหน่วยย่อยที่สุดของสิ่งมีชีวิต สิ่งมีชีวิตทุกชนิดประกอบด้วยเซลล์หนึ่งเซลล์หรือมากกว่าและเซลล์ทุกเซลล์เกิดจากเซลล์ที่มีอยู่ก่อนโดยอาศัยกระบวนการแบ่งเซลล์ เซลล์ส่วนใหญ่มีขนาดเล็กมาก มีความยาวผ่าศูนย์กลางระหว่าง 1 ถึง 100 ไมโครเมตรและสามารถมองเห็นภายใต้กล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสงหรือกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนเท่านั้น เซลล์โดยทั่วไปมีสองประเภทได้แก่เซลล์ยูแคริโอต ซึ่งหมายถึงเซลล์ที่มีนิวเคลียส และเซลล์โพรแคริโอต ซึ่งไม่มีนิวเคลียส โพรแคริโอตคือสิ่งมีชีวิตเซลล์เดียวเช่นแบคทีเรีย ในขณะที่ยูแคริโอตอาจมีเซลล์เดียวหรือหลายเซลล์ก็ได้ ในสิ่งมีชีวิตหลายเซลล์ เซลล์ทุกเซลล์ในร่างกายของสิ่งมีชีวิตเกิดจากเซลล์เซลล์เดียวที่เกิดจากเซลล์ไข่ที่ปฏิสนธิแล้ว

โครงสร้างของเซลล์

การศึกษาสิ่งมีชีวิตในระดับอะตอมและโมเลกุล จัดอยู่ในสาขาวิชาอณูชีววิทยา ชีวเคมี และอณูพันธุศาสตร์ การศึกษาในระดับเซลล์ จัดอยู่ในสาขาวิชาเซลล์วิทยา และในระดับเนื้อเยื่อ จัดอยู่ในสาขาวิชาสรีรวิทยา กายวิภาคศาสตร์ และมิญชวิทยา สาขาวิชาคัพภวิทยาเป็นการศึกษาการเจริญเติบโตและพัฒนาการของตัวอ่อนของสิ่งมีชีวิต

สาขาวิชาพันธุศาสตร์เป็นการศึกษาการถ่ายทอดลักษณะทางพันธุกรรมของสิ่งมีชีวิตจากรุ่นหนึ่งไปสู่อีกรุ่นหนึ่ง สาขาวิชาพฤติกรรมวิทยาเป็นการศึกษาพฤติกรรมของกลุ่มสิ่งมีชีวิต สาขาวิชาพันธุศาสตร์ประชากรเป็นการศึกษาพันธุศาสตร์ในระดับประชากรของสิ่งมีชีวิต การศึกษาความสัมพันธ์ระหว่างสิ่งมีชีวิตชนิดหนึ่งกับสิ่งมีชีวิตอีกชนิดหนึ่ง และระหว่างสิ่งมีชีวิตกับถิ่นที่อยู่อาศัย จัดอยู่ในสาขาวิชานิเวศวิทยาและชีววิทยาของวิวัฒนาการปรากฏการณ์การเปลี่ยนแปลงจากทางธรรมชาติ เกิดจากการความแตกต่างของสภาพพื้นที่ และการใช้ชีวิตของการดำรงชีวิต เช่น นกนางแอ่น ในทะเล กับ นกนางแอ่น บนภาคพื้นที่อยู่ในวงศ์ตระกูลเดียวกันแต่ แตกต่างในการดำรงชีวิตและลักษณะของสภาพร่างกาย เป็นต้น

การแบ่งกลุ่มนี้เป็นเพียงการจัดหมวดหมู่ให้สาขาต่าง ๆ ในชีววิทยาให้เป็นระเบียบและเข้าใจง่าย แต่ความจริงแล้ว ขอบเขตของสาขาต่าง ๆ นั้นไม่แน่นอน และสาขาวิชาส่วนใหญ่ก็จำเป็นต้องใช้ความรู้จากสาขาอื่นด้วย ตัวอย่างเช่น สาขาชีววิทยาของวิวัฒนาการ ต้องใช้ความรู้จากสาขาอณูวิทยา เพื่อจัดลำดับของดีเอ็นเอ ซึ่งจะช่วยให้เข้าใจความแปรผันทางพันธุกรรมของประชากร หรือสาขาวิชาสรีรวิทยา ต้องใช้ความรู้จากสาขาชีววิทยาของเซลล์ เพื่ออธิบายการทำงานของระบบอวัยวะ

ปัจจุบันชีววิทยามีแขนงย่อย 3 กลุ่มได้แก่กลุ่มวิชาที่ศึกษาสิ่งมีชีวิตแต่ละกลุ่มสิ่งมีชีวิต กลุ่มวิชาที่ศึกษาโครงสร้าง หน้าที่และการทำงานของสิ่งมีชีวิตและกลุ่มวิชาอื่น ๆ ดังนี้

กลุ่มวิชาที่ศึกษาสิ่งมีชีวิตแต่ละกลุ่มสิ่งมีชีวิต

• สัตววิทยา (zoology) ศึกษาชีววิทยาของสัตว์ ตั้งแต่สัตว์ชั้นต่ำพวก ฟองน้ำ แมงกะพรุน พยาธิตัวแบน พยาธิตัวกลม กลุ่มหนอนปล้อง สัตว์ที่มีข้อปล้อง กลุ่มสัตว์พวกหอย ปลาดาว จนถึงสัตว์มีกระดูกสันหลังเช่น ปลา สัตว์เลื้อยคลาน สัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม
• พฤกษศาสตร์ (Botany) เป็นสาขาวิชาที่ศึกษาเกี่ยวกับพืช ศึกษาทั้งในด้านโครงสร้าง การเจริญเติบโต การสืบพันธุ์ กระบวนการสร้าง (แอแนบอลิซึม) และสลาย (แคแทบอลิซึม) โรค และคุณสมบัติทางเคมีและความสัมพันธ์ระหว่างกลุ่มต่าง ๆ การกระจายของพืชในส่วนต่าง ๆ ของโลก
• จุลชีววิทยา (Microbiology) คือการศึกษาเกี่ยวกับสิ่งมีชีวิตที่มีขนาดเล็ก ส่วนมากมองไม่เห็นด้วยตาเปล่าซึ่งเรียกว่าจุลินทรีย์ ได้แก่ แบคทีเรีย อาร์เคีย ไวรัส เชื้อราและยีสต์
• กีฏวิทยา (Entomology) เป็นสาขาวิชาที่ศึกษาเกี่ยวกับสัตว์ในกลุ่มของแมลง การจัดจำแนก สรีรวิทยา สัณฐานวิทยา และนิเวศวิทยาของแมลง
• ปักษีวิทยา (Ornithology) เป็นสาขาวิชาที่ศึกษาเกี่ยวกับนก
• เห็ดวิทยา ราวิทยาหรือ กิณวิทยา (Mycology) เป็นสาขาวิชาที่ศึกษาเกี่ยวกับเห็ดและรา
• มีนวิทยา (Ichthyology) ศึกษาปลา ลักษณะรูปร่างภายนอกของปลา ระบบต่าง ๆ ภายในตัวปลา การจัดจำแนกปลาออกเป็นกลุ่มหรือประเภทต่าง ๆ และเรื่องอื่น ๆ ที่เกี่ยวข้องกับปลา
• สังขวิทยา (Malacology) ศึกษาหอย โดยเฉพาะหอยน้ำจืดที่เป็นเจ้าบ้านส่งผ่านของพยาธิ
• ปรสิตวิทยา (Parasitology) ศึกษาปรสิต ซึ่งดำรงชีพโดยเป็นตัวเบียนของสิ่งมีชีวิตชนิดอื่น เช่น พยาธิตัวกลม พยาธิตัวแบน

กลุ่มวิชาที่ศึกษาจากโครงสร้าง หน้าที่และการทำงานของสิ่งมีชีวิต

• กายวิภาคศาสตร์ (Anatomy) เป็นการศึกษาโครงสร้างและการจัดเรียงตัวของร่างกายมนุษย์ สาขาวิชาหลักของกายวิภาคศาสตร์ได้แก่
  • มหกายวิภาคศาสตร์ (Gross anatomy) ซึ่งเกี่ยวข้องกับโครงสร้างที่สามารถมองเห็นได้ด้วยตาเปล่า
  • จุลกายวิภาคศาสตร์ หรือมิญชวิทยา หรือวิทยาเนื้อเยื่อ (Histology) ซึ่งเกี่ยวข้องกับการศึกษากายวิภาคศาสตร์ในระดับจุลภาคซึ่งต้องใช้กล้องจุลทรรศน์
• สัณฐานวิทยา (Morphology) ศึกษาโครงสร้างและรูปร่างของสิ่งมีชีวิต
• สรีรวิทยา (Physiology) เป็นสาขาวิชาที่ศึกษาเกี่ยวกับการทำงานของระบบต่าง ๆ ในสิ่งมีชีวิต ทั้งในด้านกลศาสตร์ ด้านกายภาพ และด้านชีวเคมี แบ่งเป็น 2 สาขาย่อย คือ สรีรวิทยาของพืช และสรีรวิทยาของสัตว์
• อณูชีววิทยา (Molecular biology) หรือ ชีววิทยาโมเลกุล เป็นสาขาย่อย ที่แตกออกมาจากชีวเคมี เน้นศึกษาโครงสร้างและการทำงานของยีน (gene) ซึ่งเป็นรหัสพันธุกรรมบนสายดีเอ็นเอ หรือ อาร์เอ็นเอ ตลอดจนการควบคุมการทำงานของยีน ในระดับต่าง ๆ จนออกมาเป็น สาย อาร์เอ็นเอ และ เป็น โปรตีน
• พันธุศาสตร์ (Genetics) คือ สาขาแขนงหนึ่งของวิทยาศาสตร์ ซึ่งว่าด้วยการศึกษาหน่วยพันธุกรรม หรือ ยีน, กรรมพันธุ์ (heredity) , และวิวัฒนาการในสิ่งมีชีวิตต่าง ๆ ลักษณะทางพันธุกรรม การถ่ายทอดลักษณะพันธุกรรมในสิ่งมีชีวิต จากชั่วชีวิตหนึ่งไปอีกชั่วชีวิตหนึ่ง
  • เซลล์พันธุศาสตร์ (Cytogenetics) ศึกษาพันธุศาสตร์ในระดับเซลล์ รูปร่าง ลักษณะ และจำนวนของโครโมโซมในสิ่งมีชีวิต ตำแหน่งที่ตั้งของยีนบนโครโมโซม และการแบ่งเซลล์ในสิ่งมีชีวิต
• นิเวศวิทยา (Ecology) คือ วิชาที่ศึกษาเกี่ยวกับความสัมพันธ์ระหว่างสิ่งมีชีวิตกับถิ่นที่อยู่และสิ่งแวดล้อม
• คัพภวิทยา หรือ วิทยาเอ็มบริโอ (Embryology) เป็นการศึกษาการเจริญของเอ็มบริโอ เอ็มบริโอคือขั้นหนึ่งของการเจริญของสิ่งมีชีวิตก่อนคลอดหรือออกจากไข่ หรือในพืชคือในระยะก่อนการงอก (germination)
• ชีววิทยาของเซลล์ (cell biology) หรือ วิทยาเซลล์ (cytology) เป็นวิชาที่ศึกษาเกี่ยวกับเซลล์ ทั้งในด้านคุณสมบัติทางสรีรวิทยา, โครงสร้าง, ออร์แกเนลล์ที่อยู่ภายใน, ปฏิสัมพันธ์กับสิ่งแวดล้อม, วัฎจักรเซลล์, การแบ่งเซลล์, และการตายของเซลล์
• มหพยาธิวิทยา (Gross pathology) หมายถึงลักษณะแสดงในระดับมหัพภาค (หรือระดับตาเปล่า) ของโรคที่เกิดในอวัยวะ, เนื้อเยื่อ และช่องตัว ศัพท์ดังกล่าวใช้กันทั่วไปในวิชาพยาธิกายวิภาค (anatomical pathology) เพื่อหมายถึงการตรวจเพื่อวินิจฉัยหาข้อมูลในชิ้นเนื้อตัวอย่างหรือการชันสูตรพลิกศพ (autopsy)

กลุ่มวิชาอื่น ๆ

• ชีวเคมี (Biochemistry) เป็นการศึกษาความเป็นไปในระดับชีวโมเลกุลของสิ่งมีชีวิต ทั้งองค์ประกอบทางชีวเคมีของเซลล์หรืออนุภาค รวมถึงไวรัส โครงสร้างและการเปลี่ยนแปลง การสร้างและทำลายโมเลกุลทั้งสารโมเลกุลเล็กและโมเลกุลใหญ่เช่น โปรตีน ดีเอ็นเอ อาร์เอ็นเอ การควบคุมการเปลี่ยนแปลงของโมเลกุล การควบคุมการทำงานในระดับต่าง ๆ การสร้างพลังงานและการใช้พลังงาน อันเป็นปรากฏการณ์ของชีวิต
• สัณฐานวิทยา (Morphology) ศึกษารูปพรรณสัณฐานของสิ่งมีชีวิต ไม่ว่าจะเป็นจุลชีพ สัตว์หรือพืช เพื่อประกอบการระบุชนิด เช่น ลักษณะรูปร่างของดอกไม้หรือการจัดเรียงตัวของใบ
• อนุกรมวิธาน (Taxonomy) ศึกษาการจัดจำแนกสิ่งมีชีวิต ออกเป็นหมวดหมู่ ในทางวิวัฒนาการ (evolution) สมัยก่อนเน้นข้อมูลสัณฐานวิทยา ปัจจุบันใช้ข้อมูลระดับโมเลกุลมากขึ้น กลายเป็นวิชา Molecular Systematics
• บรรพชีวินวิทยา (Paleontology) ศึกษาฟอสซิล (fossils)
• ชีวสารสนเทศศาสตร์ (Bioinformatics) หรือ ชีววิทยาเชิงคำนวณ (computational biology) เป็นบูรณาการของสหวิชา ศึกษาโดยใช้ความรู้จาก อณูชีววิทยา ชีวเคมี คณิตศาสตร์ประยุกต์, สถิติศาสตร์, สารสนเทศศาสตร์ และวิทยาการคอมพิวเตอร์ เพื่อจัดเก็บข้อมูลอย่างเป็นระบบ สืบค้น ประมวลผลข้อมูลทางชีววิทยา เพื่อตอบปัญหาทางชีววิทยา หรือทำแบบจำลองเพื่อทำนายความเป็นไปได้ทางชีววิทยา ทำให้เกิดศาสตร์ใหม่ต่อ ๆ มา เช่น จีโนมิกส์ (Genomics) โปรตีโอมิส์ (Proteomics) เมตะโบโลมิกส์ (Metabolomics) ฯลฯ
• ชีววิทยาระบบ (Systems biology) เป็นศาสตร์ที่อาศัยความรู้ทางชีวสารสนเทศศาสตร์ คณิตศาสตร์ชั้นสูง วิทยาการคอมพิวเตอร์ และ ชีวเคมี เพื่อทำแบบจำลองของปราฏการณ์ภายในเซลล์ หรือในสิ่งมีชีวิต บนคอมพิวเตอร์ โดยอาศัยการคำนวณ จุดมุ่งหมายก็เพื่อทำนายปรากฏการณ์ของชีวิตในเรื่องต่าง ๆ อาทิ การตอบสนองของเซลล์ต่อยา หรือ ต่อสภาวะต่าง ๆ เป็นต้น ก่อนการทำการทดลองจริงในห้องปฏิบัติการ (wet lab)
• ประสาทวิทยาศาสตร์ เป็นการศึกษาเกี่ยวกับ โครงสร้าง หน้าที่ การเจริญเติบโต พันธุกรรมศาสตร์ ชีวเคมี สรีรวิทยา, เภสัชวิทยา และ พยาธิวิทยา ของระบบประสาท นอกจากนี้การศึกษาเกี่ยวกับ พฤติกรรม และ การเรียนรู้ ยังถือว่าเป็นสาขาของประสาทวิทยาอีกด้วย

ชีววิทยาเป็นสาขาวิชาที่ใหญ่มากจนไม่อาจศึกษาเป็นสาขาเดียวได้ จึงต้องแยกออกเป็นสาขาย่อยต่าง ๆ ในหัวข้อนี้จะแบ่งสาขาย่อยออกเป็น 4 กลุ่ม กลุ่มที่หนึ่งเป็นสาขาที่ศึกษาโครงสร้างพื้นฐานของสิ่งมีชีวิต อย่างเช่นเซลล์ ยีน เป็นต้น กลุ่มที่สองศึกษาการทำงานของโครงสร้างต่าง ๆ ตั้งแต่ระดับเนื้อเยื่อ ระดับอวัยวะ จนถึงระดับร่างกาย กลุ่มที่สามศึกษาประวัติศาสตร์ของสิ่งมีชีวิต กลุ่มที่สี่ศึกษาความสัมพันธ์ในระหว่างสิ่งมีชีวิต อย่างไรก็ตาม การแบ่งกลุ่มนี้เป็นเพียงการจัดหมวดหมู่ให้สาขาต่าง ๆ ในชีววิทยาให้เป็นระเบียบและเข้าใจง่าย แต่ความจริงแล้ว ขอบเขตของสาขาต่าง ๆ นั้นไม่แน่นอน และสาขาวิชาส่วนใหญ่ก็จำเป็นต้องใช้ความรู้จากสาขาอื่นด้วย ตัวอย่างเช่น สาขาชีววิทยาของวิวัฒนาการ ต้องใช้ความรู้จากสาขาอณูวิทยา เพื่อจัดลำดับของดีเอ็นเอ ซึ่งจะช่วยให้เข้าใจความแปรผันทางพันธุกรรมของประชากร หรือสาขาวิชาสรีรวิทยา ต้องใช้ความรู้จากสาขาชีววิทยาของเซลล์ เพื่ออธิบายการทำงานของระบบอวัยวะ

โครงสร้างของชีวิต

 

อณูชีววิทยาเป็นสาขาหนึ่งในชีววิทยา ซึ่งศึกษาในระดับโมเลกุล สาขานี้มีความสอดคล้องกับสาขาอื่น ๆ ในชีววิทยา โดยเฉพาะสาขาพันธุศาสตร์และชีวเคมี อณูชีววิทยาเป็นการศึกษาปฏิสัมพันธ์ของระบบต่าง ๆ ในเซลล์ ซึ่งได้แก่ ความสัมพันธ์ระหว่าง ดีเอ็นเอ อาร์เอ็นเอ การสังเคราะห์โปรตีน และการควบคุมความสัมพันธ์เหล่านี้

ชีววิทยาของเซลล์เป็นสาขาที่ศึกษาลักษณะทางสรีรวิทยาของเซลล์ รวมไปถึงพฤติกรรม ปฏิสัมพันธ์ และสิ่งแวดล้อมของเซลล์ ทั้งระดับจุลภาคและระดับโมเลกุล สาขาวิชานี้จะศึกษาวิจัยทั้งสิ่งมีชีวิตเซลล์เดียว อย่างเช่นแบคทีเรีย และเซลล์ที่ทำหน้าที่พิเศษในสิ่งมีชีวิตหลายเซลล์ อย่างเช่นมนุษย์

พันธุศาสตร์เป็นสาขาที่ศึกษายีน พันธุกรรม และการผันแปรของสิ่งมีชีวิต ในการศึกษาวิจัยสมัยใหม่ มีเครื่องมือที่สำคัญในการศึกษาหน้าที่ของยีน หรือความสัมพันธ์ทางพันธุกรรม ในสิ่งมีชีวิต ข้อมูลทางพันธุกรรมจะอยู่ในโครโมโซม ซึ่งข้อมูลจะแทนที่ด้วยโครงสร้างทางเคมีของโมเลกุลของดีเอ็นเอ

สรีรวิทยาของสิ่งมีชีวิต

สรีรวิทยาเป็นสาขาที่ศึกษาเกี่ยวกับกระบวนการทางกายภาพและทางชีวเคมีในสิ่งมีชีวิต เพื่อให้เข้าใจหน้าที่ของโครงสร้างต่าง ๆ ซึ่งเป็นหลักการสำคัญในการศึกษาทางชีววิทยา การศึกษาทางสรีรวิทยาสามารถแบ่งออกได้เป็นสรีรวิทยาของพืชและสรีรวิทยาของสัตว์ แต่หลักของสรีรวิทยาในสิ่งมีชีวิตทุกชนิดล้วนแต่เหมือนกัน ตัวอย่างเช่น การศึกษาสรีรวิทยาของเซลล์ยีสต์สามารถประยุกต์ใช้กับการศึกษาในเซลล์มนุษย์ได้ สรีรวิทยาของสัตว์เป็นการศึกษาทั้งในมนุษย์และสิ่งมีชีวิตชนิดอื่น ๆ สรีรวิทยาของพืชก็มีวิธีการศึกษาเช่นเดียวกับในสัตว์

กายวิภาคศาสตร์เป็นสาขาที่สำคัญในสรีรวิทยา ซึ่งศึกษาเกี่ยวกับหน้าที่และความสัมพันธ์ของระบบอวัยวะในสิ่งมีชีวิต เช่น ระบบประสาท ระบบภูมิคุ้มกัน ระบบต่อมไร้ท่อ ระบบหายใจ ระบบไหลเวียนโลหิต การศึกษาเกี่ยวกับระบบเหล่านี้สามารถแบ่งออกเป็นสาขาวิชาต่าง ๆ ได้อีก เช่น ประสาทวิทยา วิทยาภูมิคุ้มกัน

ความหลากหลายและวิวัฒนาการของสิ่งมีชีวิต

การศึกษาวิวัฒนาการมีความเกี่ยวข้องกับต้นกำเนิดและการสืบทอดลักษณะของสปีชี่ส์ รวมถึงการเปลี่ยนแปลงลักษณะที่ผ่านมา และต้องอาศัยนักวิทยาศาสตร์จากหลายสาขาที่เกี่ยวข้องกับอนุกรมวิธานของสิ่งมีชีวิต สาขาวิวิฒนาการมีรากฐานจากสาขาบรรพชีวินวิทยา ซึ่งอาศัยซากดึกดำบรรพ์ในการตอบคำถามเกี่ยวกับรูปแบบและจังหวะของวิวิฒนาการ

สาขาวิชาหลักใหญ่ที่เกี่ยวกับอนุกรมวิธานมี 2 สาขา คือ พฤกษศาสตร์ และสัตววิทยา พฤกษศาสตร์เป็นสาขาที่ศึกษาเกี่ยวพืช มีเนื้อหาครอบคลุมกว้างขวางตั้งแต่การเจริญเติบโต การสืบพันธุ์ เมแทบอลิซึม โรค และวิวัฒนาการของพืช ส่วนสัตววิทยาจะศึกษาเกี่ยวกับสัตว์ รวมทั้งลักษณะทางสรีรวิทยาของสัตว์ซึ่งอยู่ในสาขากายวิภาคศาสตร์และคัพภวิทยา กลไกทางพันธุศาสตร์และการเจริญของพืชและสัตว์จะศึกษาในสาขาอณูชีววิทยา อณูพันธุศาสตร์ และชีววิทยาของการเจริญ

ความสัมพันธ์ระหว่างสิ่งมีชีวิต

 

สาขานิเวศวิทยาจะศึกษาการกระจายและความหนาแน่นของสิ่งมีชีวิต รวมทั้งความสัมพันธ์ระหว่างสิ่งมีชีวิตกับสิ่งแวดล้อม สิ่งแวดล้อมของสิ่งมีชีวิตจะหมายถึงถิ่นที่อยู่อาศัย ซึ่งจะรวมไปถึงปัจจัยทางกายภาพอย่างสภาพภูมิอากาศและลักษณะทางภูมิศาสตร์ รวมทั้งสิ่งมีชีวิตอื่น ๆ ที่อาศัยอยู่ในบริเวณเดียวกัน การศึกษาระบบทางนิเวศวิทยามีหลายระดับ ตั้งแต่ระดับสิ่งมีชีวิต ระดับประชากร ระดับระบบนิเวศ ไปจนถึงระดับโลกของสิ่งมีชีวิต จึงจะเห็นได้ว่า นิเวศวิทยาเป็นสาขาที่ครอบคลุมถึงสาขาอื่น ๆ อีกมากมาย

สาขาพฤติกรรมวิทยาจะศึกษาพฤติกรรมของสัตว์ (โดยเฉพาะสัตว์สังคมอย่างสัตว์จำพวกลิงและสัตว์กินเนื้อ) บางครั้งอาจจัดเป็นสาขาหนึ่งในสัตววิทยา นักพฤติกรรมวิทยาจะเน้นศึกษาที่วิวัฒนาการของพฤติกรรม และความเข้าใจในพฤติกรรม โดยตั้งอยู่บนทฤษฎีการคัดเลือกโดยธรรมชาติ