Biologia tieteenalana
Biologia on nopeasti kehittyvä empiirinen luonnontiede. Sana biologia tulee kreikan kielen sanoista bios (elämä) ja logos(oppi). Biologia tutkii elävää luontoa, sen rakennetta, toimintaa ja vuorovaikutussuhteita molekyyleistä biosfääriin. Keskeisiä käsitteitä ovat toiminnalliset kokonaisuudet. Ne ovat sisäkkäisiä:
orgaaniset molekyylit
solu
kudos (kasveissa solukko)
elin
elimistö
(laji)yksilö
(laji)populaatio
eliöyhteisö
ekosysteemi
biosfääri.
Esimerkiksi DNA (deoksiribonukleiinihappo)-eläinsolu-maksakudos-maksa-ruuansulatuselimistö-siika(yksilo)-järven siikapopulaatio-järven eliöyhteisö-järven ekosysteemi – kuvaa sisäkkäisiä toiminnallisia kokonaisuuksia. Biologian oppimisen eräs keskeinen haaste on ymmärtää toiminnallisten kokonaisuuksien ja ympäriston vuorovaikutuksia, koska vain osa biologisista ilmiöistä on suoraan havaittavissa. Esimerkiksi valo, vesi ja ilman hiilidioksidi aikaansaavat kasvin kasvun, joka havaintoja tekevälle tarkkailijalle ilmenee kasviyksilön koon ja muodon muuttumisena, mutta sisältää solu- ja solukkotason tason prosesseja.Liikuttaessa lihakset tekevät työtä, mikä voidaan havaita hengityksen kiihtymisenä, hengästymisenä. Sen sijaan näkymättömäksi jää prosessin alkupää, kun liikkumiseen tarvittava energia lihassoluissa muuttuu hiilidioksidiksi ja vedeksija osin lämmöksi. Vielä monimutkaisemmaksi biologiset ilmiöt muuttaa se, että kaikilla rakenteilla, prosesseilla ja osin ekosysteemeillä (maa- ja vesiekosysteemit, eliöyhteisöt) on oma historiansa, ne ovat vähitellen muotouttuneet nykyisiksi evoluution kuluessa.
Yksikkörakenne
Elämälle ominaisia piirteitä ovat eliön yksikkörakenne, jonka perusmuoto on solu. Eliö kykenee reagoimaan ympäristöönsä esimerkiksi aistien avulla: kastemato kykenee aktiivisesti liikkumaan kuivasta ympäristöstä kohti kosteampaa multaa. Kasveilla reaktiot perustuvat mekaanisiin, fysikaalis-kemiallisiin vasteisiin, esim. syksyllä kasvin kuoltua ja kuivuttua siemenpalko repeää auki ja siemenet ponnahtavat maahan. Eliöllä on myös aineenvaihdunta eli kyky ottaa ympäristöstä energiaa ja käyttää sitä hyödyksi kasvussa ja lisääntymisessä; kyky kasvaa, eli lisätä biomassaa solujen määrää kasvattamalla; kyky lisääntyä eli tuottaa kaltaisiaan yksilöitä ja populaatiotasolla perinnöllisyysilmiöiden avulla sopeutua vallitseviin ympäristöolosuhteisiin. Eliön sisäinen homeostaasi eli tasapainotila pysyy yllä, koska eliö ja sen elimistöt, elimet, kudokset ja solut ovat jatkuvasti biokemiallisiin prosessien seurauksena toistensa kanssa jatkuvassa vuorovaikutuksessa. Myös yksilön fyysinen eli abiottinen ympäristö vaikuttaa yksilön biottiseen ympäristöön ja homeostaasiin. Esimerkiksi sokerin imeydyttyä ihmisen ruuansulatuskanavasta verenkieroon, tietyt maksasolut reagoivat kohonneeseen veren sokeripitoisuuteen ja erittävät vereen insuliinia. Insuliini puolestaan helpottaa sokerin käyttöä elimistössä ja säätelee veren sokeripitoisuutta. Jos elinten toimintaan tulee muutoksia, biokemiallinen säätely muuttuu ja seurauksena voi olla sairaus. Eliöt syntyvät, elävät lajityypillisen pituisen elämän ja kuolevat.
Jako elävän ja elottoman välillä ei ole aina selkeää. Esimerkiksi viruksia ei luokitella kuuluvaksi eliöihin, koska niillä ei ole kaikkia elävän eliön ominaisuuksia. Eräät kemialliset molekyylit, kuten tarttuvia sairauksia aiheuttavat, soluissa itsestään lisääntyvät valkuaisaineet kuten prionit, eivät ole eliöitä, vaikka niillä on jokin eliölle tyypillinen ominaisuus, prionin kohdalla lisääntyvyys. Opetuksen kannalta pohtimista voi aiheuttaa esim. mansikkahillo ja polttopuu, ne ovat olleet eläviä mutta nyt erityyppisiä energianlähteitä.
Evoluutio
Biologiassa tutkitaan myös elollisen luonnon rakenteen ja toiminnan ajallisia muutoksia eli evoluutiota. Evoluution ymmärtäminen on perustekijä moninaisten biologisten ilmiöiden ja vuorovaikutusten syvälliselle ymmärtämiselle. Myös evoluutio perustuu siihen, että eliöt ovat jatkuvassa vuorovaikutuksessa ympäristönsä kanssa. Eri yksilöt selviytyvät ympäristössään eri tavoin. Joillakin eläinlajin yksilöillä voi olla esimerkiksi perinnöllisesti parempi kyky selviytyä kylmyydessä tai kyky käyttää ravintoa tehokkaammin hyödykseen. Jokin fyysinen ominaisuus on viimekädessä koko yksilönkehitystä ohjaavan, yksilön kaikissa soluissa olevien geenien ilmenemistä eli geenien toiminnan tulosta. Tällöin sopeutuneimmilla yksilöillä on luonnonvalinnan seurauksena paremmat mahdollisuudet lisääntyä ja tuottaa enemmän jälkeläisiä verrattuna muihin lajipopulaation yksilöihin. Parempi sopeutuvuus tiettyyn ympäristöön johtaa vähitellen siihen, että edullinen ominaisuus koko lajipopulaatiossa yleistyy kyseisessä ympäristössä. Tämä perustuu siihen, että edullisen ominaisuuden aiheuttaneet geenit yleistyvät koko populaatiossa. Jos lajipopulaatio aikojen kuluessa jakautuu kahteen osapopulaatioon, joiden abioottinen ja/tai biottinen ympäristö ovat toisistaan poikkeavat, osapopulaatiot sopeutuvat perinnöllisesti eri tavoin ympäristöihinsä ja pitkällä aikavälillä muuntuvat kahdeksi alalajiksi – ja edelleen lajeiksi. Myös sattuma voi vaikuttaa eristyksiin joutuneisiin pieniin osapopulaatioihin: pienessä populaatiossa on vain osa koko populaation geneettisestä vaihtelusta, mikä voi suurestikin määrätä populaation tulevaisuuden.
Evoluutio on viimekädessä ajan kuluessa tapahtuvaa muutosta lajipopulaation geenivarastossa. Suvullisesti lisääntyvissä eliöissä muutoksia eivät aiheuta vain erityyppiset mutaatiot, vaan myös rekombinaatio. Jokainen syntyvä yksilö on saanut omat piirteensä tämän mendelistisen rekombinaation kautta. Ominaisuusyhdistelmät syntyvät, kun yksilön vanhemmissa tapahtuvassa sukusolujen synnyssä eli meioosissa vastinkromosomit voivat päätyä satunnaisesti syntyviin sukusoluihin ja kun nämä sukusolut yhdistyvät satunnaisesti hedelmöityksessä. Esimerkiksi ihmisellä, jolla on 23 kromosomiparia, sukusolujen synnyssä mahdollisia vastinkromosomiyhdistelmiä on yli 8 miljardia sekä isällä että äidillä. Syntyvän ihmisyksilön ominaisuuksien kokoelma on tällöin yksi vaihtoehto 246:sta! Tällöin sisarukset eivät koskaan muistuttaa toisiaan täysin. Yksilönkehitys ja sen vuorovaikutus ympäristönsä kanssa ennen syntymää vaikuttaa myös monin tavoin yksilössä ilmeneviin ominaisuuksiin.
Maan elämän on arvioitu olevan n. 3-4 miljardia vuotta vanhaa. Valtavan pitkien ajanjaksojen aikana evoluutio on johtanut yhä uusien lajien viuhkamaiseen kehittymiseen varhemmista kantamuodoistaan johtaen kasvaneeseen biodiversiteettiin eli monimuotoisuuteen. Elämän kirjo on vähentynyt kuitenkin Maan historian monissa mullistuksissa, noustakseen taas pitkien ajanjaksojen sopeutumisen ja evoluution kautta uusiin kukoistuskausiinsa. Evoluutio voidaan havaita mm. eliöiden rakenteita ja toimintaa sekä fossiileja vertailemalla sekä yhä enenevässä määrin DNA-tutkimuksen avulla. Myös nykyinen eliökunta on evoluution vaikutuksen alaisena. Nykyisin biodiversiteetti vähenee huolestuttavalla nopeudella monien lajien kuollessa sukupuuttoon, lähinnä ihmisen luonnon elinympäristöjä muuttavan toiminnan seurauksena.
Biologiset tutkimuksen historiaa pähkinänkuoressa
Biologinen tieto on sidoksissa kunkin aikakauden ajatteluun ja keksintöihin. Jo Aristoteles luokitteli eliöitä “korkeampiin” ja “alempiin” ja hänen sanotaan luoneen käsitteen “laji”. Tosin ihmiset lienevät kautta aikojen luokitelleet eliölajeja erilaisiin ylä- ja alaryhmiin kuten kasveihin ja eläimiin, koiriin, lehmiin jne. Olemme myös nimenneet erikseen itsellemme tärkeitä lajeja, kuten saaliseläimiä ja lääkeyrttejä. Tieteen kannalta suurimmat harppaukset biologiassa tehtiin keskiajalta lähtien tieteellisen vallankumouksen aikana (1500-1700), vaikka biologisia prosesseja osattiin käyttää hyödyksi jo tuhansien vuosia aiemmin esimerkiksi leivän, viinin, oluen ja juustojen valmistuksessa. Esimerkiksi hollantilainen Antonie Van Leeuwenhoek (1632-1723) keksi mikroskoopin, jonka avulla hän havaitsi jotakin ennennäkemätöntä: yksisoluisia eliöitä ja muita mikro-organismeja. Tämä keksintö oli biologian kannalta erittäin tärkeä, koska kaikki elolliset olennot ovat koostuneet soluista. Myös moni muu, nykyisin itsestään selvänä pidetty asia on tutkimuksessa tehtyjen yllättävien havaintojen tulosta. Luis Pasteur (1822-1895) havaitsi, että käyminen ei ole kemiallinen prosessi ja että pieneliöt, kuten bakteerit, eivät synny itsestään elatusliemeen. Itävaltalainen Gregory Mendel (1822-1884), perinnällisyystieteen “isoisä”, tutki herneiden ominaisuuksien peritymistä sukupolvesta toiseen, ja havaitsi että tietyt ominaisuudet periytyvät ja niiden taustalla olevat, sukupolvesta toiseen kulkeutuvat perintötekijät voivat olla joko vallitsevia tai peittyviä. Englantilainen Charles Darwin (1809-1882) päätteli pitkällisen eliöiden rakennetta, vuorovaikutusta ja levinneisyyttä vertailevan työnsä tuloksena, että eliölajit ovat kehittyneet yhteisestä kantamuodosta jatkuvan luonnonvalinnan ja sopetumisen kautta. Biologian ja evoluution ymmärtämisen kannalta tärkeitä havainto oli myös 1950-luvulla tehty DNA:n rakenteen selvittäminen ja sen ymmärtäminen, että perintätekijät sijaitsevat DNA:n emäsjärjestyksessä eli geeneissä. DNA:n rakenteen selvittäminen lähti liikkeelle Rosalyn Franklinin ottamista (1920 -1958) röntgenkuvista. James Watson ja Francis Crick (1916-2004) rakensivat kuvien pohjalta DNA-mallin ja saivat yhdessä Maurice Wilkinsin kanssa Nobelin palkinnon vuonna 1952. Biologian kehittyminen jatkuu edelleen ja tuo esille tarkentavia tietoja mm. ihmisen ja muiden lajien genomista ja evoluutiosta
Biologisen tiedon merkityksestä
Biologisella tiedolla on vaikutusta maailmankuvan muotoutumisessa. Biologia tuottaa tietoa meitä ympäröivästä maailmasta, jonka osia itsekin olemme. Biologia ja sen sovellusalueiden tutkimus vaikuttavat monilla alueilla kuten terveydenhuollossa, lääketieteessä, ympäristötutkimuksessa, maa- ja metsätaloudessa, elintarviketuotannossa ja teollisuudessa. Biologia tuottaa tietoa myös kestävän kehityksen toteuttamista varten.
Luonnon rakenteen ja toiminnan ymmärtäminen on tärkeää myönteisen luontosuhteen kehittymiselle sekä ympäristövastuullisuuden, elämäntapojen ja kestävän kehityksen mukaisen toiminnan merkityksen tajuamiselle. Biologisella tiedolla on merkitystä myös itsetuntemuksen kehittymisen kannalta. Oman fyysisen kehon rakenteen ja toiminnan tunteminen ja hyväksyminen on jokaiselle tärkeää fyysisen, psyykkisen ja sosiaalisen hyvinvoinnin kannalta.
Biologisella tiedolla on yhä enemmän myös yhteiskunnallisia merkityksiä. Biologian opetuksen tavoitteisiin kuuluu taito soveltaa biologiaan liittyvää tietämystä ja merkityksiä myös oppilaan omassa elämässä. Yhteiskuntapainotteisilla aiheilla (socio-scientific issues, SSI) tarkoitetaan aiheita tai ongelmia, joiden käsitteet liittyvät jollakin tavalla luonnontieteeseen, mutta joita ei ratkaista luonnontieteen avulla. Kysymykset ja ongelmat ovat usein kiistanalaisia, avoimia ja moniselitteisiä. Taloudelliset näkökohdat tai eettiset kysymykset voivat liittyä aiheisiin, tai niihin liittyy arvopohdintoja (Sadler, 2011). Keskeistä on ymmärtää, että biologiasta, kuten muustakaan tieteenalasta, ei voi suoraan johtaa arvoja tai menettelytapojen oikeutuksia. Tietoa on kuitekin osattava käyttää päätöstenteon tukena. Esimerkiksi tieto biodiversiteetin köytymisestä ja elinympäristöjen tuhoutumisesta voi johtaa luonnonsuojeluun, jos sitä pidetään yhteiskunnassa tärkeänä. Samoin tieto riskeistä sairastua tiettyihin sairauksiin mahdollistaa testien tekemisen, joilla perinnöllinen riski voidaan selvittää tarkastikin.Toinen asia sitten on, haluammeko tietää riskeistä, kuka meitä saa testata, kuka tietoa käyttää. Asiat muuttuvatkin monimutkaisiksi. Tärkeää kuitenkin on, että itse ilmiöön, kuten geenin käsitteeseen, ei liitetä arvolatauksia. Olennaista on ymmärää, mitä tieteellinen tieto on.
Biologian tutkimusalueita:
Biokemia
Fysiologia
Ekologia
Eläintiede
Evoluutiobiologia
Hydrobiologia
Kasvitiede
Mikrobiologia
Molekyylibiologia
Perinnöllisyystiede
Solubiologia
Biologian sovellusalueita:
Biotekniikka
Elintarviketieteet
Lääketiede
Maa-ja metsätieteet
Ympäristötieteet
Kirjallisuutta:
Bargum, K. ja Kokko, H. (2008). Kutistuva turska ja muita evoluution ihmeitä. Helsinki: WSOY.
Hanski, I. ja Niiniluoto, I. (toim.)(2009). Kaikki Evoluutiosta. Helsinki: Gaudeamus.
Mayr, E. (1999). Biologia – Elämän tiede. Helsinki: Art House.
Portin, P. ja Vuorisalo, T. (2008) (toim). Evoluutio NYT! Charles Darwinin juhlaa. Keuruu: Otavan kirjapaino
Sintonen, M. (1998). Biologian filosofian näkökulmia. Tampere: Gaudeamus.