현대 생물학의 기초

생물학에서 중심 개념은 생명은 진화를 통해 변화하고 성장하며, 알려진 모든 생명체는 공통적인 기원을 하고 있다는 것이다. 진화학은 지구 상의 모든 생명체들이(현존하는 것과 멸종된 것 모두) 공통 조상 또는 공통 조상의 유전자 풀로부터 유래했다는 것을 연구하는 학문이다. 모든 생명체의 공통 조상은 약 35억 년 전에 출현한 것으로 보인다. 생물학자들은 모든 세균, 고세균, 진핵생물들이 공통적인 유전 암호를 사용하는 것을 모든 생물이 공통 조상으로부터 유래한 결정적인 증거로 제시한다. "진화(evolution)"라는 용어는 1809년에 장바티스트 라마르크가 과학 용어로 도입하였고, 50년 후인 1859년에 찰스 다윈은 자신의 저서 《종의 기원》에서 자연선택에 의한 과학적 모델을 진화의 원동력으로 제시했다. 생명의 기원에 관한 연구는 최초 세포의 기원을 밝히기 위한 시도이다. 진화가 일어나는 근본적인 원인은 생물 종이나 개체군 내에 대립하는 유전형질이 다양하게 존재하는 유전적 다양성 때문이다. 동적 평형을 유지하고 특정 기능을 효과적으로 실행하기 위해서 생명체는 환경의 변화를 감지하고 반응할 수 있어야 한다. 환경 변화가 감지되면, 생명체는 일반적으로 음성 피드백을 통해 기관이나 기관계의 활동을 증가시키거나 감소시켜서 환경 변화에 반응한다. 혈당량이 낮아지면, 글루카곤을 분비하여 혈당량을 높이는 것은 항상성 조절의 한 예이다. 생물의 유전형질은 세대에서 세대로 이어지면서 유전적 부동, 자연선택과 같은 외부의 작용 때문에 변화하게 된다. 앨프리드 러셀 월리스도 진화에 관한 연구와 실험에 이바지했기 때문에 다윈이 주장한 개념의 공동발견자로 인정받고 있다. 진화는 현재 지구 상에서 발견되는 생명체의 변화를 설명하기 위해 사용되며, 현대에서 진화는 직접 관찰이 가능해지게 되면서 "관찰 가능한 현상"으로 인정받고 있다. 다윈은 자연선택이나 선택적 교배 과정을 통해 생물 종이 번성하거나 도태된다는 것을 이론화했다. 현대 종합설에서 유전적 부동은 진화의 추가적인 메커니즘으로 받아들여졌다. 현대 종합설에서는 지구의 모든 생물이 하나의 공통 조상에서 분화되어 오늘날과 같은 생물 다양성을 이루게 되었다고 설명한다. 세포설에 따르면 세포는 생명체의 기본 단위이며, 모든 생명체는 하나 이상의 세포로 구성되며, 모든 세포는 세포 분열을 통해 기존의 세포로부터 생성된다고 발표한다. 다세포 생물에서 모든 세포는 궁극적으로 단일 세포인 수정란으로부터 유래한다. 세포는 또한 많은 병리학적 과정에서 기본 단위로 정의한다. 세포에서는 물질대사가 일어나며, 물질대사 중에 에너지 흡수 또는 에너지 방출이 일어난다. 세포는 세포 분열 동안 세포에서 세포로 전달되는 유전 정보(DNA)를 가지고 있다. 그 결과 생물 개체군은 환경 적응에 유리한 형질은 유전되고, 그렇지 않은 형질은 사라지는 변화를 겪게 된다. 이것이 진화의 과정이다. 현재는 진화의 과정을 직접 관찰하기도 함으로써, 진화는 관찰 가능한 자연현상의 하나로 집단유전학 등을 통해 연구되고 있다. 유전자는 모든 생명체에서 유전의 기본 단위이다. 유전자는 유전의 단위이며, 특정 방식으로 생명체의 형태 또는 기능에 영향을 미치는 DNA 상의 특정 분야이다. 세균에서 동물에 이르기까지 모든 생명체는 DNA를 복제하고, RNA로 전사하고, 단백질로 번역하는 같은 메커니즘을 사용한다. DNA는 진핵생물에서는 선형 염색체로, 원핵생물에서는 원형 염색체로 존재한다. 염색체는 DNA와 히스톤 단백질로 구성되어 있다. 세포 내의 염색체 세트와 미토콘드리아, 엽록체 또는 다른 장소에서 발견되는 유전 정보는 세포의 게놈으로 알려졌다. 진핵생물에서 DNA는 세포핵에 국한되어 있거나 미토콘드리아와 엽록체에 소량으로 존재한다. 원핵생물에서 DNA는 세포질에 핵양체라고 불리는 불규칙한 형태로 존재한다. 유전체의 유전 정보는 유전자 내에 존재하며, 생명체에서 이러한 정보의 완전한 통합을 유전자형이라고 부른다. 계통은 생물이 진화해 온 경로를 바탕으로 한 생물 종 간의 유연관계이며, 생물 종의 진화 과정이다. 세포는 DNA의 정보를 RNA로 전사하고, 리보솜은 RNA로 전사된 정보를 단백질로 알려진 일련의 아미노산 서열로 번역한다. RNA 코돈으로부터 아미노산으로의 유전 암호는 생명체 대부분에서 같다. 예를 들어, 사람의 인슐린을 암호화하는 DNA 염기서열을 식물과 같은 다른 생명체에 삽입하면 인슐린을 생성시킬 수 있다. 계통수는 생물의 계통을 알 수 있도록 나뭇가지 모양으로 나타낸 것으로, 생물 종 간의 진화적 유연관계를 알 수 있다. 생물학에 대한 다양한 접근법은 계통 발생에 대한 정보를 생성하도록 한다. 여기에는 분자생물학(특히 유전체학)의 산물인 DNA 염기서열의 비교와 고생물학의 산물인 고대 생명체의 화석이나 다른 증거들이 포함된다. 생물학자들은 계통학, 표형분류학, 분지학 등 다양한 방법들을 통해 진화적 유연관계를 정리하고 분석한다. 항상성은 상호 연관된 조절 메커니즘에 의해 통제되는 여러 동적 평형 조절을 통해 안정된 상태를 유지하기 위한 생명체의 내부 환경을 조절하는 생명체(개방계의 일종)의 능력을 의미한다. 모든 생명체는 단세포 생물이든 다세포 생물이든 항상성을 유지하려고 한다. 진화는 생명체의 자연사에 대한 이해와 현존하는 생명체의 구성에 대한 이해와 관련이 있다. 이러한 구성은 생명체가 어떠한 진화 과정을 거쳐왔는지를 알아야만 이해될 수 있다. 결론적으로 진화는 모든 생물학 분야의 중심을 차지하고 있다.