Geral

Termos e Conceitos de Biologia

Biologia é a ciência que estuda a vida. O que exatamente é a vida? Isso pode soar como uma pergunta tola com uma resposta óbvia, mas não é fácil definir a vida. Por exemplo, um ramo da biologia chamado vírus da virologia estuda, que exibe algumas das características de entidades vivas, mas falta outras. Acontece que, embora os vírus possam atacar organismos vivos, causar doenças e até se reproduzir, eles não atendem aos critérios que os biólogos usam para definir a vida.

Desde seus primórdios, a biologia tem lutado com quatro questões: Quais são as propriedades compartilhadas que tornam algo “vivo”? Como esses vários seres vivos funcionam? Quando nos deparamos com a notável diversidade da vida, como organizamos os diferentes tipos de organismos para melhor compreendê-los? E, finalmente, o que os biólogos acabam procurando entender – como surgiu essa diversidade e como ela continua? À medida que novos organismos são descobertos todos os dias, os biólogos continuam buscando respostas para essas e outras questões.

Propriedades da Vida

Todos os grupos de organismos vivos compartilham várias características ou funções principais: ordem, sensibilidade ou resposta a estímulos, reprodução, adaptação, crescimento e desenvolvimento, regulação, homeostase e processamento de energia. Quando vistas juntas, essas oito características servem para definir a vida.

Ordem

Organismos são estruturas altamente organizadas que consistem em uma ou mais células. Mesmo muito simples, os organismos unicelulares são incrivelmente complexos. Dentro de cada célula, os átomos formam moléculas. Estes, por sua vez, formam componentes celulares ou organelas.

Os organismos multicelulares, que podem consistir em milhões de células individuais, têm uma vantagem sobre os organismos unicelulares, na medida em que suas células podem ser especializadas para realizar funções específicas e até sacrificadas em certas situações para o bem do organismo como um todo. Como essas células especializadas se juntam para formar órgãos como o coração, o pulmão ou a pele em organismos como o sapo mostrado na Figura serão discutidos mais adiante.

Uma foto mostra um sapo de cor clara coberto de pontos verdes brilhantes.
Um sapo representa uma estrutura altamente organizada que consiste em células, tecidos, órgãos e sistemas de órgãos. (crédito: “Ivengo (RUS)” / Wikimedia Commons)
Para entender melhor veja também:

Sensibilidade ou Resposta aos Estímulos

Organismos respondem a diversos estímulos. Por exemplo, as plantas podem dobrar em direção a uma fonte de luz ou responder ao toque ( Figura ). Mesmo minúsculas bactérias podem se mover em direção a ou longe de produtos químicos (um processo chamado de quimiotaxia) ou luz (fototaxia). O movimento em direção a um estímulo é considerado uma resposta positiva, enquanto o afastamento de um estímulo é considerado uma resposta negativa.

Uma fotografia da Mimosa pudica mostra uma planta com muitas folhas minúsculas.
As folhas desta planta sensível ( Mimosa pudica ) irão cair e dobrar instantaneamente quando tocadas. Após alguns minutos, a planta retorna ao seu estado normal. (crédito: Alex Lomas)

Reprodução

Os organismos unicelulares se reproduzem primeiro duplicando seu DNA, que é o material genético, e então dividindo-o igualmente à medida que a célula se prepara para se dividir para formar duas novas células. Muitos organismos multicelulares (aqueles compostos por mais de uma célula) produzem células reprodutivas especializadas que formarão novos indivíduos.

Quando a reprodução ocorre, o DNA contendo genes é transmitido para os descendentes de um organismo. Esses genes são a razão pela qual os descendentes pertencerão à mesma espécie e terão características semelhantes às dos pais, como a cor da pele e o tipo sanguíneo.

Adaptação

Todos os organismos vivos exibem um “ajuste” ao seu ambiente. Os biólogos referem-se a este ajuste como adaptação e é uma consequência da evolução pela seleção natural, que opera em todas as linhagens de organismos reprodutores.

Exemplos de adaptações são diversas e únicas, desde Archaea resistente ao calor que vivem em fontes termais ferventes até o comprimento da língua de uma mariposa de alimentação de néctar que corresponde ao tamanho da flor da qual ela se alimenta.

Todas as adaptações aumentam o potencial reprodutivo do indivíduo que as exibe, incluindo sua capacidade de sobreviver para se reproduzir. Adaptações não são constantes. À medida que um ambiente muda, a seleção natural faz com que as características dos indivíduos de uma população acompanhem essas mudanças.

Crescimento e desenvolvimento

Organismos crescem e se desenvolvem de acordo com instruções específicas codificadas por seus genes. Esses genes fornecem instruções que direcionam o crescimento e o desenvolvimento celular, assegurando que os jovens de uma espécie ( Figura ) cresçam para exibir muitas das mesmas características que seus pais.

Uma fotografia retrata quatro gatinhos: um tem um casaco laranja e branco, outro é totalmente preto, o terceiro e quarto casaco preto, branco e laranja, mas com diferentes padrões.
Embora não haja dois parecidos, esses gatinhos herdaram genes de ambos os pais e compartilham muitas das mesmas características. (crédito: Pieter & Renée Lanser)

Regulamento

Mesmo os organismos menores são complexos e exigem múltiplos mecanismos regulatórios para coordenar funções internas, como o transporte de nutrientes, resposta a estímulos e o enfrentamento de tensões ambientais. Por exemplo, sistemas de órgãos, como os sistemas digestivo ou circulatório, desempenham funções específicas, como transportar oxigênio por todo o corpo, remover resíduos, distribuir nutrientes para todas as células e resfriar o corpo.

Homeostase

Para funcionar adequadamente, as células requerem condições adequadas, como temperatura, pH e concentrações adequadas de diversos produtos químicos. Essas condições podem, no entanto, mudar de um momento para o outro.

Os organismos são capazes de manter as condições internas dentro de uma faixa estreita quase que constantemente, apesar das mudanças ambientais, através de um processo chamado homeostase ou “estado estacionário” – a capacidade de um organismo de manter condições internas constantes. Por exemplo, muitos organismos regulam sua temperatura corporal em um processo conhecido como termorregulação.

Organismos que vivem em climas frios, como o urso polar ( Figura), têm estruturas corporais que os ajudam a resistir a baixas temperaturas e a conservar o calor do corpo. Em climas quentes, os organismos têm métodos (como a transpiração em humanos ou ofegantes em cães) que os ajudam a eliminar o excesso de calor corporal.

Esta foto mostra um urso polar branco, peludo.
Os ursos polares e outros mamíferos que vivem em regiões cobertas de gelo mantêm a temperatura corporal gerando calor e reduzindo a perda de calor através de pêlos grossos e uma camada densa de gordura sob a pele. (crédito: “longhorndave” / Flickr)

Processamento de Energia

Todos os organismos (como o condor da Califórnia mostrado na figura ) usam uma fonte de energia para suas atividades metabólicas. Alguns organismos captam energia do Sol e a convertem em energia química nos alimentos; outros usam energia química de moléculas que absorvem.

Esta foto mostra um condor da Califórnia em vôo com uma etiqueta em sua asa.
Muita energia é necessária para um condor da Califórnia voar. A energia química derivada da comida é usada para impulsionar o vôo. Condores da Califórnia são uma espécie em extinção; cientistas tentaram colocar uma etiqueta de asa em cada ave para ajudá-los a identificar e localizar cada ave individualmente. (crédito: Pacific Southwest Region US Fish and Wildlife)

Níveis de organização de coisas vivas

As coisas vivas são altamente organizadas e estruturadas, seguindo uma hierarquia em escala de pequena a grande. O átomo é a menor e mais fundamental unidade de matéria. Consiste em um núcleo cercado por elétrons.

Átomos formam moléculas. Uma molécula é uma estrutura química que consiste em pelo menos dois átomos mantidos juntos por uma ligação química. Muitas moléculas que são biologicamente importantes são macromoléculas , moléculas grandes que são tipicamente formadas pela combinação de unidades menores chamadas monômeros. Um exemplo de uma macromolécula é o ácido desoxirribonucleico (DNA) ( Figura ), que contém as instruções para o funcionamento do organismo que o contém.

O modelo molecular descreve uma molécula de DNA, mostrando sua estrutura de dupla hélice.
Uma molécula, como essa grande molécula de DNA, é composta de átomos. (crédito: “Brian0918” / Wikimedia Commons)

Algumas células contêm agregados de macromoléculas rodeados por membranas; estes são chamados organelas . Organelas são pequenas estruturas que existem dentro das células e executam funções especializadas.

Todas as coisas vivas são feitas de células; a própria célula é a menor unidade fundamental de estrutura e função nos organismos vivos. (Esse requisito é por que os vírus não são considerados vivos: eles não são feitos de células. Para criar novos vírus, eles precisam invadir e sequestrar uma célula viva; só então conseguem os materiais de que precisam para se reproduzir). uma única célula e outras são multicelulares.

As células são classificadas como procarióticas ou eucarióticas. Procariontessão organismos unicelulares que não possuem organelas circundados por uma membrana e não possuem núcleos circundados por membranas nucleares; Em contraste, as células dos eucariotos têm organelas e núcleos ligados à membrana.

Na maioria dos organismos multicelulares, as células se combinam para formar tecidos , que são grupos de células semelhantes realizando a mesma função. Órgãos são coleções de tecidos agrupados com base em uma função comum.

Os órgãos estão presentes não apenas em animais, mas também em plantas. Um sistema de órgãos é um nível superior de organização que consiste em órgãos funcionalmente relacionados. Por exemplo, os animais vertebrados têm muitos sistemas de órgãos, como o sistema circulatório que transporta o sangue por todo o corpo e de e para os pulmões; Inclui órgãos como o coração e os vasos sanguíneos.

Organismos são entidades vivas individuais. Por exemplo, cada árvore em uma floresta é um organismo. Procariontes unicelulares e eucariotos unicelulares são também considerados organismos e são tipicamente referidos como microrganismos.

CONEXÃO VISUAL
Um fluxograma mostra a hierarquia dos organismos vivos. Do menor para o maior, essa hierarquia inclui: 1 Um átomo, com prótons, nêutrons e elétrons. 2 Moléculas como o fosfolipídio mostrado, composto de átomos. 3 Organelas, como o aparelho e os núcleos de Golgi, que existem dentro das células. 4 Células, como um glóbulo vermelho. 5 Tecidos, como tecido da pele humana. 6 Órgãos como o estômago e o intestino compõem o sistema digestivo humano, um exemplo de sistema orgânico. 7 Organismos, populações e comunidades. Em um parque, cada pessoa é um organismo. Juntos, todas as pessoas compõem uma população. Todas as espécies de plantas e animais do parque formam uma comunidade. 8 Ecossistemas: O ecossistema do Central Park, em Nova York, inclui organismos vivos e o ambiente em que eles vivem. 9 A biosfera: abrange todos os ecossistemas da Terra.
De um átomo a toda a Terra, a biologia examina todos os aspectos da vida. (crédito “molécula”: modificação do trabalho por Jane Whitney; crédito “organelas”: modificação do trabalho por Louisa Howard; crédito “células”: modificação do trabalho por Bruce Wetzel, Harry Schaefer, Instituto Nacional do Câncer; crédito “tecido”: modificação de trabalho por “Kilbad” / Wikimedia Commons; “órgãos” de crédito: modificação de trabalho de Mariana Ruiz Villareal, Joaquim Alves Gaspar; “organismos” de crédito: modificação do trabalho de Peter Dutton; “ecossistema” de crédito: modificação do trabalho por “gigi4791 “/ Biografia do Flickr; crédito”: modificação do trabalho pela NASA)

Qual das seguintes afirmações é falsa?

  1. Existem tecidos dentro de órgãos que existem dentro de sistemas de órgãos.
  2. As comunidades existem dentro das populações que existem dentro dos ecossistemas.
  3. Organelas existem dentro das células que existem dentro dos tecidos.
  4. As comunidades existem dentro dos ecossistemas que existem na biosfera.

Todos os indivíduos de uma espécie que vivem dentro de uma área específica são chamados coletivamente de população . Por exemplo, uma floresta pode incluir muitos pinheiros brancos. Todos esses pinheiros representam a população de pinheiros brancos nesta floresta.

Diferentes populações podem viver na mesma área específica. Por exemplo, a floresta com os pinheiros inclui populações de plantas com flores e também insetos e populações microbianas. Uma comunidade é o conjunto de populações que habitam uma área específica. Por exemplo, todas as árvores, flores, insetos e outras populações em uma floresta formam a comunidade da floresta. A floresta em si é um ecossistema. Um ecossistemaConsiste em todos os seres vivos de uma determinada área, juntamente com as partes abióticas ou não-vivas do ambiente, como o nitrogênio no solo ou a água da chuva. No nível mais alto de organização ( Figura ), a biosfera é a coleção de todos os ecossistemas e representa as zonas da vida na Terra. Inclui terra, água e porções da atmosfera.

A diversidade da vida

A ciência da biologia é muito ampla porque existe uma tremenda diversidade de vida na Terra. A fonte dessa diversidade é a evolução , o processo de mudança gradual durante o qual novas espécies surgem de espécies mais antigas. Os biólogos evolucionistas estudam a evolução dos seres vivos em tudo, desde o mundo microscópico até os ecossistemas.

No século XVIII, um cientista chamado Carl Linnaeus propôs pela primeira vez organizar as espécies conhecidas de organismos em uma taxonomia hierárquica. Neste sistema, espécies que são mais semelhantes entre si são reunidas dentro de um agrupamento conhecido como gênero. Além disso, gêneros semelhantes (o plural do gênero) são reunidos dentro de uma família.

Esse agrupamento continua até que todos os organismos sejam reunidos em grupos no mais alto nível. O sistema taxonômico atual tem agora oito níveis em sua hierarquia, do mais baixo ao mais alto, eles são: espécie, gênero, família, ordem, classe, filo, reino, domínio. Assim, as espécies são agrupadas dentro dos gêneros, os gêneros são agrupados dentro das famílias, as famílias são agrupadas dentro das ordens e assim por diante ( Figura ).

Um gráfico mostra os oito níveis de hierarquia taxonômica para o cão Canis lupus.
Este diagrama mostra os níveis de hierarquia taxonômica para um cão, da mais ampla categoria – domínio – às espécies mais específicas.

O nível mais alto, domínio, é uma adição relativamente nova ao sistema desde os anos 90. Os cientistas agora reconhecem três domínios da vida, o Eukarya, o Archaea e as Bactérias. O domínio Eukarya contém organismos que possuem células com núcleos. Inclui os reinos de fungos, plantas, animais e vários reinos de protistas.

Os Archaea, são organismos unicelulares sem núcleo e incluem muitos extremófilos que vivem em ambientes hostis como fontes termais. As Bactérias são outro grupo bastante diferente de organismos unicelulares sem núcleo. Tanto a Archaea quanto a Bactéria são procariontes, um nome informal para células sem núcleo.

O reconhecimento nos anos 1990 de que certas “bactérias”, agora conhecidas como Archaea, eram tão diferentes geneticamente e bioquimicamente de outras células bacterianas quanto eram de eucariotos, motivaram a recomendação de dividir a vida em três domínios. Essa mudança dramática em nosso conhecimento da árvore da vida demonstra que as classificações não são permanentes e mudam quando novas informações se tornam disponíveis.

Além do sistema taxonômico hierárquico, Linnaeus foi o primeiro a nomear organismos usando dois nomes únicos, agora chamados de sistema de nomenclatura binomial. Antes de Linnaeus, o uso de nomes comuns para se referir a organismos causou confusão, porque havia diferenças regionais nesses nomes comuns. Os nomes binomiais consistem no nome do gênero (que é capitalizado) e o nome da espécie (todos em letras minúsculas).

Ambos os nomes são definidos em itálico quando são impressos. Cada espécie recebe um binômio único que é reconhecido em todo o mundo, para que um cientista em qualquer local possa saber a que organismo está sendo referido. Por exemplo, o gaio-azul-americano é conhecido exclusivamente como Cyanocitta cristata . Nossa espécie é o Homo sapiens .

Fotos retratam: A: células bacterianas. B: uma saída quente natural. C: um girassol. D: um leão.
Essas imagens representam domínios diferentes. A micrografia eletrônica de varredura mostra que (a) as células bacterianas pertencem ao domínio Bacteria, enquanto que os (b) extremófilos, vistos juntos como tapetes coloridos nesta fonte termal, pertencem ao domínio Archaea. Tanto o (c) girassol e (d) leão fazem parte do domínio Eukarya. (credit a: modificação do trabalho do Rocky Mountain Laboratories, NIAID, NIH; crédito b: modificação do trabalho de Steve Jurvetson; crédito c: modificação do trabalho de Michael Arrighi; crédito d: modificação do trabalho de Frank Vassen)

EVOLUÇÃO EM AÇÃO

Carl Woese e a árvore filogenéticaAs relações evolutivas de várias formas de vida na Terra podem ser resumidas em uma árvore filogenética. Uma árvore filogenética é um diagrama que mostra as relações evolutivas entre espécies biológicas baseadas em semelhanças e diferenças em características genéticas ou físicas ou em ambas.
Uma árvore filogenética é composta de pontos de ramificação, nós e ramos. Os nós internos representam ancestrais e são pontos em evolução quando, com base em evidências científicas, acredita-se que um ancestral tenha divergido para formar duas novas espécies. O comprimento de cada ramo pode ser considerado como uma estimativa do tempo relativo.
No passado, os biólogos agrupavam organismos vivos em cinco reinos: animais, plantas, fungos, protistas e bactérias. O trabalho pioneiro do microbiologista americano Carl Woese, no início dos anos 70, mostrou, no entanto, que a vida na Terra evoluiu ao longo de três linhagens, agora chamadas de domínios – Bactéria, Archaea e Eukarya. Woese propôs o domínio como um novo nível taxonômico e Archaea como um novo domínio, para refletir a nova árvore filogenética.
Muitos organismos pertencentes ao domínio Archaea vivem sob condições extremas e são chamados extremófilos. Para construir sua árvore, Woese usou relações genéticas, em vez de semelhanças com base na morfologia (forma). Vários genes foram utilizados em estudos filogenéticos. A árvore de Woese foi construída a partir do sequenciamento comparativo dos genes que são distribuídos universalmente, encontrados em alguma forma ligeiramente alterada em todos os organismos, conservados (significando que esses genes permaneceram apenas ligeiramente alterados ao longo da evolução) e de um comprimento apropriado.

Esta árvore filogenética mostra que os três domínios da vida, bactérias, archaea e eucarya, todos surgiram de um ancestral comum.
Esta árvore filogenética foi construída pelo microbiologista Carl Woese usando relações genéticas. A árvore mostra a separação dos organismos vivos em três domínios: Bactéria, Archaea e Eukarya. Bactérias e Archaea são organismos sem um núcleo ou outras organelas envolvidas por uma membrana e, portanto, são procariontes. (crédito: modificação do trabalho de Eric Gaba)
Para entender melhor veja também:

Ramos do Estudo Biológico

O escopo da biologia é amplo e, portanto, contém muitos ramos e sub-disciplinas. Os biólogos podem buscar uma dessas sub-disciplinas e trabalhar em um campo mais focado. Por exemplo, a biologia molecular estuda processos biológicos em nível molecular, incluindo interações entre moléculas como DNA, RNA e proteínas, bem como a maneira como elas são reguladas.

Microbiologia é o estudo da estrutura e função dos microrganismos. É um ramo bastante amplo, e dependendo do assunto do estudo, há também fisiologistas microbianos, ecologistas e geneticistas, entre outros.

Outro campo do estudo biológico, a neurobiologia, estuda a biologia do sistema nervoso e, embora seja considerado um ramo da biologia, também é reconhecido como um campo de estudo interdisciplinar conhecido como neurociência. Devido à sua natureza interdisciplinar, esta sub-disciplina estuda diferentes funções do sistema nervoso usando abordagens moleculares, celulares, de desenvolvimento, médicas e computacionais.

A foto mostra cientistas escavando fósseis da terra.
Pesquisadores trabalham na escavação de fósseis de dinossauros em um local em Castellón, na Espanha. (crédito: Mario Modesto)

A paleontologia, outro ramo da biologia, usa fósseis para estudar a história da vida ( Figura). Zoologia e botânica são o estudo de animais e plantas, respectivamente. Os biólogos também podem se especializar como biotecnologistas, ecologistas ou fisiologistas, para citar apenas algumas áreas. Os biotecnólogos aplicam o conhecimento da biologia para criar produtos úteis.

Os ecologistas estudam as interações dos organismos em seus ambientes. Os fisiologistas estudam o funcionamento de células, tecidos e órgãos. Esta é apenas uma pequena amostra dos muitos campos que os biólogos podem seguir. De nossos próprios corpos para o mundo em que vivemos, as descobertas na biologia podem nos afetar de maneiras muito diretas e importantes.

Dependemos dessas descobertas para nossa saúde, nossas fontes de alimento e os benefícios proporcionados pelo nosso ecossistema. Por isso, o conhecimento da biologia pode nos beneficiar na tomada de decisões no nosso dia a dia.

O desenvolvimento da tecnologia no século XX, que continua até hoje, particularmente a tecnologia para descrever e manipular o material genético, o DNA, transformou a biologia. Essa transformação permitirá que os biólogos continuem a compreender a história da vida em maior detalhe, como o corpo humano funciona, nossas origens humanas e como os seres humanos podem sobreviver como uma espécie neste planeta, apesar das tensões causadas por nossos números crescentes.

Os biólogos continuam a decifrar enormes mistérios sobre a vida, sugerindo que só começamos a entender a vida no planeta, sua história e nossa relação com ela. Por essa e outras razões, o conhecimento da biologia adquirido através deste livro e de outras mídias impressas e eletrônicas deve ser um benefício em qualquer campo que você entrar.

CARREIRAS EM AÇÃO

Cientista Forense A ciência forense é a aplicação da ciência para responder questões relacionadas à lei. Biólogos, químicos e bioquímicos podem ser cientistas forenses. Cientistas forenses fornecem evidências científicas para uso em tribunais, e seu trabalho envolve o exame de materiais associados a crimes.

O interesse em ciência forense aumentou nos últimos anos, possivelmente por causa de programas de televisão populares que apresentam cientistas forenses no trabalho. Além disso, o desenvolvimento de técnicas moleculares e o estabelecimento de bancos de dados de DNA atualizaram os tipos de trabalho que os cientistas forenses podem fazer.

Suas atividades de trabalho estão relacionadas principalmente a crimes contra pessoas como assassinato, estupro e agressão. Seu trabalho envolve a análise de amostras, como cabelos, sangue e outros fluidos corporais, e também o processamento de DNA encontrada em muitos ambientes e materiais diferentes. Cientistas forenses também analisam outras evidências biológicas deixadas em cenas de crime, como partes de insetos ou grãos de pólen. Os estudantes que querem seguir carreiras em ciência forense provavelmente serão obrigados a fazer cursos de química e biologia, bem como alguns cursos intensivos de matemática.

A foto mostra um cientista trabalhando em um laboratório.
Este cientista forense trabalha em uma sala de extração de DNA no Laboratório de Investigação Criminal do Exército dos EUA. (crédito: Assuntos Públicos do Comando CID do Exército dos EUA)

Resumo da seção

Biologia é a ciência da vida. Todos os organismos vivos compartilham várias propriedades importantes, como ordem, sensibilidade ou resposta a estímulos, reprodução, adaptação, crescimento e desenvolvimento, regulação, homeostase e processamento de energia.

As coisas vivas são altamente organizadas seguindo uma hierarquia que inclui átomos, moléculas, organelas, células, tecidos, órgãos e sistemas de órgãos. Organismos, por sua vez, são agrupados como populações, comunidades, ecossistemas e a biosfera.

A evolução é a fonte da tremenda diversidade biológica na Terra hoje. Um diagrama chamado árvore filogenética pode ser usado para mostrar as relações evolutivas entre os organismos. A biologia é muito ampla e inclui muitos ramos e sub-disciplinas. Exemplos incluem biologia molecular, microbiologia, neurobiologia, zoologia e botânica, entre outros.

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