Біологія (від грец. біос — життя, логос — учення) — це система наук про життя в усіх його проявах та на всіх рівнях організації живого, яка сформувалася на початку XIX сторіччя. Раніше біологію у складі інших природничих наук називали натурфілософією.

Об'єктами дослідження біологічних дисциплін є живі організми — тварини, рослини, гриби, бактерії та різні сторони їх життєдіяльності, а також віруси — неклітинна форма живого.

Анатомія вивчає будову живих організмів (іл. 1.1), фізіологія — процеси, які в них відбуваються (іл. 1.2). Особливим завданням, наприклад, екології є дослідження взаємодії організмів між собою і з навколишнім середовищем.

Сучасна біологія сформувалася завдяки експериментальним методам, що були розроблені завдяки досягненням хімії, фізики й математики. їх використання дало можливість досліджувати клітинну будову організмів, вивчити хімічний склад клітин, установити закони спадкування.

Біологія має значний вплив на життя людини. Невипадково на стику суспільних наук і біології виникають нові міждисциплінарні наукові напрями: біоетика, соціобіологія, еволюційна психологія тощо.

Головні принципи сучасної біології. В основу сучасної біології покладено п'ять наукових принципів.

Іл. 1.1. Будову скелета жаби вивчає анатомія

Іл. 1.2. Як працює кровоносна система вивчає фізіологія

Іл. 1.3. Клітинна будова листка рослини (а) та шкіри людини (б)

1. Клітинна будова організмів. Усі живі організми складаються з клітин, а нові клітини утворюються зі старих шляхом поділу материнської клітини (іл. 1.3).

2. Еволюційне походження живого на Землі. Різноманітність живих організмів і спосіб їхнього життя сформувались у процесі еволюції — історичного розвитку живого на Землі.

3. Принцип генного успадкування. Спадкова інформація про всі ознаки й властивості живих організмів закодована в генах — ділянках ДНК.

4. Забезпечення організму речовиною та енергією (принцип живлення).

Для підтримування процесів життєдіяльності необхідна речовина, з якої будується тіло організмів, та енергія, яку вони отримують з навколишнього середовища: рослини — від Сонця, а тварини — поїдаючи інші організми або їх залишки.

5. Принцип стійкості організмів. Біологічні процеси, що відбуваються в організмі, спрямовані насамперед на збереження його стабільного стану.

Засвоєння й перетворення енергії — це перебіг хімічних реакцій, що відбуваються в клітинах.

Система біологічних наук. Спочатку біологічні науки виокремлювалися залежно від організмів, які вони досліджували: ботаніка — наука про рослини, зоологія — про тварин, мікробіологія — про мікроорганізми. Пізніше виникли науки, об'єктами дослідження яких стали біологічні процеси. Екологія вивчає взаємодію організмів одні з одними і середовищем існування. Генетика досліджує закономірності успадкування ознак організму. Фізіологія накопичує знання про процеси, які відбуваються в організмах. Систематика має на меті класифікацію видів і різних форм живих організмів. Форму тіла організмів в усіх її деталях вивчає морфологія, будову органів тіла — анатомія, а будову й особливості життя клітин — клітинна біологія. Зміни організму протягом його існування досліджує біологія розвитку. Зародження та історичний розвиток живої природи перебуває в полі зору еволюційної біології.

Рівні організації біологічних систем. Живі організми є системами, тобто вони побудовані зі структурних одиниць — елементів різного ступеня упорядкованості. Клітини складаються з молекул, організми — з клітин; організми одного виду утворюють популяції, а популяції різних видів, у свою чергу, формують екосистеми. Сукупність екосистем усієї Земної кулі утворює біосферу — живу оболонку нашої планети.

Цю структурованість живого зазвичай називають рівнями організації.

Молекулярно-генетичний рівень — це біологічні макромолекули, передусім — білки та нуклеїнові кислоти (іл. 1.4). Процеси, що відбуваються на цьому рівні, не мають біологічної специфіки, оскільки є хімічними перетвореннями молекул.

Клітинний рівень — це вже рівень справжньої життєдіяльності, який відбувається лише на рівні клітин (іл. 1.3). Власне, із цього рівня розпочинаються біологічні процеси життєдіяльності.

Організмовий рівень. Його структурна одиниця — організм, хоча зрозуміло, що для одноклітинних істот клітина та організм — поняття тотожні.

Іл. 1.4. Модель молекули білка, що входить до складу кришталика ока

Процеси, що відбуваються на організмовому рівні, пов'язані з живленням, ростом та індивідуальним розвитком.

Популяційно-видовий рівень. Елементом цього рівня є популяція — сукупність особин одного виду, що довгий час живуть на певній території і які ізольовані від інших поселень цього виду (іл. 1.5).

Іл. 1.5 Колотя пінгвінів є одним із прикладів популяції Процеси, які відбуваються на цьому рівні, пов'язані з розмноженням і первинними еволюційними перетвореннями організмів.

Біогеоценотичний (екосистемний) рівень. Одиницею цього рівня є біогеоценоз. Це популяції організмів різних видів, що живуть у певних умовах існування та пов'язані одні з одними харчовими відносинами.

Найвищим рівнем організації живої матерії є біосферний рівень. Характерний для нього процес — кругообіг речовину біосфері (іл. 1.6), який забезпечує цілісність життя на Землі.

Методи біології. Кожна наука має свою методологію — сукупність принципів та ідей, а також способів отримання нової інформації. Конкретні прийоми набування нових знань — це і є наукові методи.

Первісними методами наукового пошуку є спостереження та опис нових видів живих істот, досі невідомих способів життя чи розмноження, нез'ясованих механізмів клітинного транспорту чи мутацій — змін генетичного апарату.

Іл. 1.6. Кругообіг води в біосфері

Спостереження та опис більш притаманні для біологічних наук, які вивчають біологічні процеси, що відбуваються в природі. Наприклад, важливими способом набування нових знань у зоології є спостереження за сезонними міграціями птахів. Аналіз фаз цвітіння та плодоношення рослин є ключовими методами ботаніки.

Ці методи не втратили свого значення й дотепер, більш того — спостереження та опис сьогодні широко використовують майже в усіх біологічних науках.

Подальшою основою будь-якого наукового пошуку є експеримент, тобто дослідження будь-якого об'єкта в чітко визначених умовах. Це може бути розмноження бактерій у спеціальному штучному середовищі, цілеспрямоване схрещування рослин з різним забарвленням пелюсток тощо.

Слід зазначити, що біологія як наука сформувалася лише завдяки експериментам, у яких використовували методи точних наук — фізики, хімії та математики.

Експеримент як метод дослідження більш властивий наукам, що розвиваються в лабораторії. Фізіологи й біохіміки в лабораторних умовах вивчають вплив біологічно активних речовин на швидкість метаболізму в окремих клітинах; молекулярні біологи — структуру та функції білків і ДНК. Усі ці явища й процеси краще вивчати в лабораторії, де їх можна відстежувати у спеціально створених умовах та надалі практично використовувати. У медицині опромінення застосовують у боротьбі зі злоякісними пухлинами, а в селекції рослин у результаті радіаційного впливу на насіння отримують організми-мутанти з новими біологічними властивостями.

Особливе місце в біології належить методам дослідження в часі. Це, насамперед, історичний метод, який широко використовують у палеонтології та еволюційній біології, коли за викопними рештками вимерлих тварин (іл. 1.7) та рослин визначають спорідненість і походження сучасних видів.

Ще одним методом біологічних досліджень у часі є моніторинг, тобто спостереження за будь-яким біологічним об'єктом протягом доволі тривалого часу. Моніторингові дослідження переважно спрямовані на вивчення динаміки популяцій або змін структури екосистем. Ці наукові спостереження тривають десятиліттями.

Залежно від накопичення фактів виникає необхідність в їх систематизації та класифікації. Для виявлення певних закономірностей використовують статистичні методи, які дають змогу розробити правила збору інформації й допомагають аналізувати величезні масиви даних. Сьогодні для цього використовують комп'ютерну техніку і спеціальні програми.

Іл. 1.7. Рештки викопної саламандри

Розвиток будь-якого наукового пошуку завжди пов'язаний з виникненням наукового припущення — гіпотези, яка обов'язково потребує перевірки. Найчастіше роблять так: створюють модель біологічного явища та порівнюють процеси, які в ній протікають, з тими подіями, що за схожих умов відбуваються у природі. За допомогою таких порівнянь можна підтвердити чи спростувати гіпотезу. Цей підхід називають моделюванням.

У сучасній біології для створення біологічних моделей дедалі частіше замість фізичних об'єктів використовують математику та за допомогою комп'ютерних технологій проводять імітування біологічних процесів, що відбуваються в клітині, організмі чи екосистемі. Такий підхід отримав назву математичне моделювання (іл. 1.8).

Іл. 1.8. Змодельована крива росту числа інфузорій у пробірці (червоні кубики) на фоні реальних змін (блакитні ромбики) дозволяє розрахувати не лише швидкість зростання чисельності популяції, але й передбачати її розміри через певний період часу

За такого підходу і гіпотезу, і реальні події подають у вигляді математичних закономірностей. Якщо теоретичні закономірності й реальні графіки збігаються — це означає, що гіпотеза, покладена в основу моделі, адекватна, і припущення, сформульоване науковцем, правильне. Якщо такої відповідності немає, то за характером різниці між реальним і гіпотетичним процесами можна з'ясувати, якої саме помилки припустився науковець у своєму припущенні.

Біологія — одна з найважливіших наук сучасності. Це система набування нових знань, засіб вивчення живої природи та водночас знаряддя впливу на неї. Розвиток біологічних досліджень є пріоритетом й ознакою цивілізованого суспільства. Жива природа — це сукупність ієрархічно побудованих рівнів організації: молекулярно-генетичного, клітинного, організмового, популяційно-видового, екосистемного та біосферного. У розвитку біології важливу роль відіграють не лише експериментальні методи, засновані на досягненнях фізики та хімії, а й класичні, серед яких головне місце посідають спостереження та опис.