生物學
生物學是生活的科學研究。這是一門自然科學，具有廣泛的範圍，但具有幾個統一的主題，它們將其綁架為一個連貫的領域。例如，所有生物都是由處理基因編碼的遺傳信息的細胞組成的，這些信息可以傳輸到子孫後代。另一個主要主題是進化，它解釋了生活的統一和多樣性。能量處理對生活也很重要，因為它允許生物體移動，生長和繁殖。最後，所有生物都能夠調節自己的內部環境。
從細胞的分子生物學到植物和動物的解剖學和生理學以及人群的進化，生物學家能夠研究多個組織的生命。因此，生物學中有多個子學科，每個學科都由其研究問題的性質及其使用的工具定義。像其他科學家一樣，生物學家使用科學方法來進行觀察，提出問題，產生假設，執行實驗並就周圍的世界得出結論。
超過37億年前出現的地球上的生活是多種多樣的。生物學家試圖研究和對各種形式的生命進行分類，從原核生物（如古細菌和細菌）到真核生物，例如生物，真菌，植物和動物。這些各種生物有助於生態系統的生物多樣性，在該生態系統中，它們在通過其生物物理環境的營養和能量循環中發揮了專門的作用。
歷史
包括醫學在內的最早的科學根源可以追溯到公元前3000年至1200年的美索不達米亞。他們的貢獻塑造了古希臘的自然哲學。古希臘哲學家，例如亞里士多德（公元前384 - 322年），為生物知識的發展做出了廣泛的貢獻。他探討了生物學因果關係和生命的多樣性。他的繼任者Theophrastus開始對植物的科學研究。關於生物學的文章的中世紀伊斯蘭世界學者包括Al-Jahiz （781-869）， Al-Dīnawarī （828-896），他在植物學上寫道， Rhazes （865-925）（865-925）在解剖學和生理學上寫道。在希臘哲學家傳統中工作的伊斯蘭學者對醫學進行了很好的研究，而自然歷史對亞里士多德的思想進行了巨大的研究。
Anton van Leeuwenhoek對顯微鏡的顯著改善開始迅速發展。那時，學者們發現了精子，細菌，注入性和微觀壽命的多樣性。 Jan Swmermdam的調查引起了人們對昆蟲學的新興趣，並有助於開發微觀解剖和染色技術。顯微鏡的進步對生物學思維產生了深遠的影響。在19世紀初期，生物學家指出了該細胞的重要性。 1838年，施萊登（Schleiden ）和施旺（ Schwann）開始宣傳現在的普遍觀念，即（1）（1）生物的基本單位是細胞，（2）單個細胞具有生命的所有特徵，儘管他們反對（3）所有細胞來了從其他細胞的分裂中，繼續支持自發產生。然而，羅伯特·雷姆克（Robert Remak）和魯道夫·維爾琴（Rudolf Virchow）能夠改善第三個宗旨，到1860年代，大多數生物學家都接受了整合到細胞理論中的所有三個宗旨。
同時，分類學和分類成為自然歷史學家的焦點。卡爾·林納（Carl Linnaeus）於1735年為自然世界發表了基本分類，並在1750年代為他的所有物種引入了科學名稱。喬治 - 路易斯·萊克萊克（Georges-Louis Leclerc），孔德·德布朗（Comte de Buffon） ，將物種視為人造類別和生命形式，甚至表明了常見下降的可能性。
認真的進化思想起源於讓·巴蒂斯特·拉馬克（Jean-Baptiste Lamarck）的作品，後者提出了連貫的進化論。英國博物學家查爾斯·達爾文（Charles Darwin ）結合了洪堡的生物地理學方法，萊爾（Lyell）的統一地質，馬爾薩斯（Malthus）關於人口增長的著作以及他自己的形態學專業知識和廣泛的自然觀察，偽造了基於自然選擇的更成功的進化論；類似的推理和證據導致阿爾弗雷德·羅素·華萊士（Alfred Russel Wallace）獨立得出相同的結論。
現代遺傳學的基礎始於1865年格雷戈爾·門德爾（Gregor Mendel）的工作。這概述了生物遺傳的原理。然而，直到20世紀初，他的工作的重要性才意識到，當進化成為一種統一的理論，因為現代合成與古典遺傳學調和了達爾文進化論。在1940年代和1950年代初， Alfred Hershey和Martha Chase的一系列實驗指出， DNA是染色體的組成部分，這些染色體具有攜帶特徵的單元，這些單元已被稱為基因。詹姆斯·沃森（James Watson）和弗朗西斯·克里克（Francis Crick）於1953年對新型模型生物（例如病毒和細菌）的重點，以及發現了DNA的雙螺旋結構，標誌著向分子遺傳學時代的過渡。從1950年代開始，生物學在分子結構域中大大擴展。 Har Gobind Khorana ， Robert W. Holley和Marshall Warren Nirenberg在DNA被認為包含密碼子之後破解了遺傳密碼。人類基因組項目於1990年啟動以繪製人類基因組。
化學基礎
原子和分子
所有生物都由化學元素組成。氧，碳，氫和氮佔所有生物體質量的大多數（96％），其中鈣，磷，硫，鈉，氯和鎂基本上構成了所有其餘部分。不同的元素可以組合形成對生命基礎的水等化合物。生物化學是對內部化學過程的研究，與生物體有關。分子生物學是生物學的分支，旨在了解細胞內和細胞之間生物學活性的分子基礎，包括分子合成，修飾，機制和相互作用。
水
生命源於地球的第一海，大約38億年前。從那時起，水仍然是每個生物體中最豐富的分子。水對生命很重要，因為它是一種有效的溶劑，能夠溶解溶質，例如鈉和氯離子或其他小分子形成水溶液。一旦溶解在水中，這些溶質就更有可能彼此接觸，因此參與了維持生命的化學反應。就其分子結構而言，水是一個小的極性分子，其彎曲形狀由兩個氫（H）原子與一個氧原子（O）原子（H 2 O）形成。由於O – H鍵是極性的，因此氧原子具有輕微的負電荷，並且兩個氫原子具有略有正電荷。水的極性特性使其可以通過氫鍵吸引其他水分子，從而使水具有內粘性。表面張力是由於分子在液體表面上的吸引力引起的凝聚力而產生的。水也具有粘合劑，因為它能夠粘附到任何極性或帶電的非水分子的表面。水比固體（或冰）更密集。這種獨特的水特性使冰可以漂浮在液體水上，例如池塘，湖泊和海洋，從而使下面的冷空氣從下面的液體中絕緣。水俱有吸收能量的能力，比其他溶劑（例如乙醇）具有更高的特異性熱容量。因此，需要大量能量來破壞水分子之間的氫鍵以將液體水轉化為水蒸氣。作為一個分子，水並不完全穩定，因為每個水分子在再次重構成水分子之前將連續分離成氫和羥基離子。在純水中，氫離子的數量平衡（或等於）羥基離子的數量，導致中性pH值。
有機化合物
有機化合物是含有碳鍵合到另一個元素（例如氫）的分子。除了水，幾乎所有構成每個生物的分子都包含碳。碳可以與多達四個原子形成共價鍵，從而使其形成多種，大和復雜的分子。例如，單個碳原子可以形成四個單一共價鍵，例如甲烷，兩個雙重共價鍵，例如二氧化碳（CO 2 ）或三個共價鍵，例如一氧化碳（CO）。此外，碳可以形成很長的鏈條鍊鍊- 碳鍵，例如辛烷值或葡萄糖等環狀結構。
有機分子的最簡單形式是碳氫化合物，它是由碳原子鏈粘合的氫原子組成的大型有機化合物家族。碳氫化合物骨架可以用其他元素取代，例如氧（O），氫（H），磷（P）和硫（S），這些元素可以改變該化合物的化學行為。包含這些元素（O-，H-，P-和S-）並與中央碳原子或骨骼鍵合的原子組稱為官能團。在生物體中可以找到六個突出的官能團：氨基組，羧基，羰基，羥基，羥基，磷酸組和硫酸基團。
1953年，米勒（Miller-urey）的實驗表明，在模仿早期地球條件的封閉系統中，有機化合物可以被依次合成，因此表明復雜的有機分子在早期的地球中可能自發產生（請參閱亞物質發生）。
大分子
大分子是由較小的亞基或單體組成的大分子。單體包括糖，氨基酸和核苷酸。碳水化合物包括單體和糖的聚合物。脂質是唯一不是由聚合物組成的大分子類。它們包括類固醇，磷脂和脂肪，在很大程度上是非極性和疏水（依賴水）物質。蛋白質是大分子中最多樣化的。它們包括酶，轉運蛋白，大信號分子，抗體和結構蛋白。蛋白質的基本單位（或單體）是氨基酸。蛋白質中使用了20個氨基酸。核酸是核苷酸的聚合物。他們的功能是存儲，傳輸和表達遺傳信息。
細胞
細胞理論指出，細胞是生命的基本單位，所有生物都是由一個或多個細胞組成的，所有細胞均來自先前存在的細胞通過細胞分裂而產生。大多數細胞非常小，直徑範圍從1到100微米，因此僅在光或電子顯微鏡下可見。通常有兩種類型的細胞：真核細胞，其中包含核和原核細胞，這些細胞沒有。原核生物是單細胞生物，例如細菌，而真核生物可以是單細胞或多細胞。在多細胞生物中，該生物體中的每個細胞最終都來自受精卵中的單個細胞。
細胞結構
每個細胞都圍繞在細胞膜中，該細胞膜將其細胞質與細胞外空間分開。細胞膜由脂質雙層組成，其中包括位於磷脂之間的膽固醇，以在各種溫度下保持其流動性。細胞膜是可半滲透的，可以使小分子（例如氧，二氧化碳和水）通過限制較大分子和帶電顆粒（例如離子）的運動。細胞膜還含有膜蛋白，包括橫穿膜轉運蛋白的膜的整體膜蛋白，以及鬆散附著在細胞膜外側的外周蛋白，作用於細胞形成細胞的酶。細胞膜參與了各種細胞過程，例如細胞粘附，存儲電能和細胞信號傳導，並用作幾個細胞外結構（例如細胞壁，糖蛋白細胞和細胞骨架）的附著表面。
在細胞的細胞質中，有許多生物分子，例如蛋白質和核酸。除生物分子外，真核細胞還具有具有自己的脂質雙層或空間單位的專業結構。這些細胞器包括包含細胞DNA或線粒體的大部分細胞核，該細胞核會產生三磷酸腺苷（ATP）到功率細胞過程。其他細胞器（例如內質網和高爾基體）分別在蛋白質的合成和包裝中起作用。另一個專門的細胞器溶酶體可以吞噬諸如蛋白質之類的生物分子。植物細胞具有其他細胞器，可將它們與動物細胞區分開，例如為植物細胞提供支持的細胞壁，葉綠體，從而收集陽光能量以生產糖，以及提供儲存和結構支持的液泡，以及參與繁殖和分解植物種子。真核細胞還具有由微管，中間細絲和微絲組成的細胞骨架，所有這些都為細胞提供了支持，並參與了細胞及其細胞器的運動。在其結構組成方面，微管由微管蛋白組成（例如， α-微管蛋白和β-微管蛋白，而中間絲由纖維蛋白組成。微細胞纖維由肌動蛋白分子組成，由肌動蛋白分子與其他與其他蛋白質相互作用的肌動蛋白相互作用。
代謝
所有細胞都需要能量來維持細胞過程。代謝是生物體中的一組化學反應。代謝的三個主要目的是：將食物轉化為能量運行細胞過程；將食物/燃料轉換為單體構建塊；以及消除代謝廢物。這些酶催化的反應允許生物體生長和繁殖，維護其結構並對它們的環境做出反應。代謝反應可能被歸類為分解代謝- 化合物的分解（例如，通過細胞呼吸分解葡萄糖對丙酮酸的分解）；或合成代謝- 化合物（例如蛋白質，碳水化合物，脂質和核酸）的構建（合成）。通常，分解代謝會釋放能量，而合成代謝會消耗能量。代謝的化學反應被組織成代謝途徑，其中一種化學物質通過一系列的步驟轉化為另一種化學物質，每個步驟都由特定的酶促進。酶對新陳代謝至關重要，因為它們允許生物體通過將它們耦合到釋放能量的自發反應來驅動所需能量的理想反應。酶充當催化劑- 它們可以通過減少將反應物轉化為產品所需的激活能量來更快地進行反應。酶還允許調節代謝反應的速率，例如響應細胞環境的變化或來自其他細胞的信號。
細胞呼吸
細胞呼吸是在細胞中發生的一組代謝反應和過程，可將養分轉化為三磷酸腺苷（ATP），然後釋放廢物。呼吸中涉及的反應是分解代謝反應，將大分子分解成較小的分子，從而釋放能量。呼吸是細胞釋放化學能為燃料細胞活性的關鍵方法之一。總體反應發生在一系列的生化步驟中，其中一些是氧化還原反應。儘管細胞呼吸在技術上是一種燃燒反應，但由於從一系列反應中的能量釋放緩慢，受控的能量釋放緩慢，顯然不類似於細胞中的呼吸反應。
葡萄糖形式的糖是動物和植物細胞呼吸中使用的主要養分。涉及氧氣的細胞呼吸稱為有氧呼吸，有四個階段：糖酵解，檸檬酸循環（或克雷布斯循環），電子傳輸鏈和氧化磷酸化。糖酵解是一種代謝過程，發生在細胞質中，從而將葡萄糖轉化為兩個丙酮酸，同時產生兩個ATP的淨分子。然後，通過丙酮酸脫氫酶複合物將每種丙酮酸氧化為乙酰輔酶A ，這也會產生NADH和二氧化碳。乙酰輔酶A進入線粒體基質內的檸檬酸週期。在循環結束時，來自1個葡萄糖（或2個丙酮酸）的總產率為6 NADH，2個FADH 2和2個ATP分子。最後，下一個階段是氧化磷酸化，在真核生物中發生在線粒體cristae中。氧化磷酸化包含電子傳輸鏈，該鍊是一系列四種蛋白質複合物，它們將電子從一種複合物轉移到另一種絡合物，從而從NADH和FADH 2釋放了能量，並與質子（氫離子）互聯到內部線粒體膜膜的泵浦（氫離子）耦合（化學症），產生質子動力。來自質子動力的能量驅動酶ATP合酶通過磷酸化ADP合成更多ATP。電子的轉移以分子氧為最終電子受體終止。
如果不存在氧氣，則丙酮酸不會通過細胞呼吸代謝，而是經歷發酵過程。丙酮酸未轉運到線粒體中，而是保留在細胞質中，將其轉化為可能從細胞中去除的廢物。這是將電子載體氧化的目的，以便它們可以再次進行糖酵解並去除多餘的丙酮酸。發酵將NADH氧化為NAD + ，因此可以在糖酵解中重複使用。在沒有氧氣的情況下，發酵可防止NADH在細胞質中的積聚，並為糖酵解提供NAD + 。該廢物的產品取決於生物體。在骨骼肌中，廢物是乳酸。這種發酵稱為乳酸發酵。在劇烈運動中，當能量需求超過能源供應時，呼吸鏈無法處理NADH連接的所有氫原子。在厭氧性糖酵解過程中，當氫與丙酮酸成對形成乳酸時，NAD +再生。乳酸形成是通過可逆反應中乳酸脫氫酶催化的。乳酸也可以用作肝醣原的間接前體。在恢復過程中，當氧氣可用時，NAD +從乳酸上附著至形成ATP。在酵母中，廢物是乙醇和二氧化碳。這種發酵稱為酒精或乙醇發酵。在此過程中產生的ATP是由底物級磷酸化製成的，該磷酸化不需要氧氣。
光合作用
光合作用是植物和其他生物使用的過程，可將光能轉化為化學能，後來可以通過細胞呼吸釋放出來為有機體的代謝活性增強。該化學能儲存在碳水化合物分子中，例如糖，這些分子是由二氧化碳和水合成的。在大多數情況下，氧氣被釋放為廢品。大多數植物，藻類和藍細菌都會進行光合作用，這在很大程度上是為了產生和維持地球大氣的氧氣含量，並提供了地球上生命所需的大部分能量。
光合作用有四個階段：光吸收，電子傳輸，ATP合成和碳固定。光吸收是光合作用的初始步驟，從而通過附著在類囊體膜上的蛋白質吸收光能。吸收的光能用於將電子從供體（水）中取出到主電子受體，這是一種指定為Q的奎因酮。在第二階段，電子從奎因酮主電子受體通過一系列電子載體移動，直到到達它們到達最終電子受體，通常是NADP +的氧化形式，該形式還原為NADPH，該過程發生在稱為光系統I （PSI）的蛋白質複合物中。電子的轉運與質子（或氫）從基質到類囊體膜的運動相結合，該膜在整個膜上形成pH梯度，因為氫在腔中的濃縮比在基質中更濃縮。這類似於有氧呼吸中線粒體內部膜上產生的質子 - 動力。
在光合作用的第三階段，質子的濃度梯度從類囊體管腔向基質到基質通過ATP合酶的運動與該ATP合酶的合成ATP的合成。第二階段和第三階段的光依賴性反應產生的NADPH和ATP提供了通過將大氣二氧化碳固定到現有有機碳化合物中的能量和電子，以驅動葡萄糖的合成，例如核糖雙磷酸鹽（RUBP）一系列被稱為加爾文循環的光（或黑暗）反應序列。
細胞信號傳導
細胞信號傳導（或通信）是細胞接收，處理和傳輸其環境和自身傳輸信號的能力。信號可以是非化學的，例如光，電脈衝和熱量，或與受體相互作用的化學信號（或配體），這些信號可以在另一個細胞的細胞膜中或位於細胞深處發現。通常有四種類型的化學信號：自分泌，旁分泌，近二氨酸和激素。在自分泌信號中，配體會影響釋放其釋放的單元。例如，腫瘤細胞可以無法控制地再現，因為它們釋放了啟動自己的自身分割的信號。在旁分泌信號傳導中，配體擴散到附近的細胞並影響它們。例如，稱為神經元的腦細胞釋放稱為神經遞質的配體，它們在突觸裂隙中擴散，與相鄰細胞上的受體（例如另一個神經元或肌肉細胞）結合。在近距離信號傳導中，信號傳導和響應細胞之間存在直接接觸。最後，激素是穿過動物或植物血管系統的循環系統的配體，以達到目標細胞。一旦配體與受體結合，它會根據受體的類型影響另一個細胞的行為。例如，與肌力受體結合的神經遞質可以改變靶細胞的興奮性。其他類型的受體包括蛋白激酶受體（例如，激素胰島素的受體）和G蛋白偶聯受體。 G蛋白偶聯受體的激活可以啟動第二信使級聯。作為一系列分子事件，通過細胞傳輸化學或物理信號的過程稱為信號轉導
細胞週期
細胞週期是在細胞中發生的一系列事件，使其分為兩個子細胞。這些事件包括其DNA及其某些細胞器的重複，以及隨後在稱為細胞分裂的過程中將其細胞質分配為兩個子細胞。在真核生物（即動物，植物，真菌和原生細胞）中，細胞分裂有兩種不同的類型：有絲分裂和減數分裂。有絲分裂是細胞週期的一部分，其中復制的染色體分為兩個新核。細胞分裂產生了遺傳上相同的細胞，其中染色體的總數維持。通常，有絲分裂（細胞核的分裂）先於相間的S階段（在該階段複製DNA），並且通常是末期和細胞因子。將一個細胞的細胞質，細胞器和細胞膜劃分為兩個新細胞，這些細胞包含這些細胞成分大致相等的新細胞。有絲分裂的不同階段共同定義了動物細胞週期的有絲分裂階段，即母細胞分為兩個遺傳相同的子細胞。細胞週期是一個至關重要的過程，通過該過程，單細胞受精卵會形成成熟的生物，以及續簽頭髮，皮膚，血細胞和某些內部器官的過程。在細胞分裂之後，每個子細胞開始了一個新循環的相間。與有絲分裂相反，減數分裂通過進行一輪DNA複製，然後是兩個分裂，從而導致四個單倍體子細胞。同源染色體在第一分區（減數分裂I ）分離，姐妹染色質素在第二分區分開（減數分裂II ）。這兩個細胞分裂循環均在其生命週期的某個時刻的有性繁殖過程中使用。據信兩者都存在於最後一個真核共同的祖先中。
原核生物（IE，古細菌和細菌）也可以進行細胞分裂（或二元裂變）。與真核生物中有絲分裂和減數分裂的過程不同，二元裂變進行原核生物發生，而沒有在細胞上形成紡錘體。在二進制裂變之前，細菌中的DNA緊密盤繞。在未上油和復制後，將其拉到細菌的單獨桿上，因為它會增加大小以準備分裂。新細胞壁的生長開始分離細菌（由FTSZ聚合和“ Z-RING”形成觸發）新細胞壁（隔膜）充分發育，從而使細菌的完全分裂。新的子細胞具有緊密盤繞的DNA棒，核醣體和質粒。
遺傳學
遺產
遺傳學是遺傳的科學研究。孟德爾的繼承是，基因和特徵從父母傳給後代的過程。它有幾個原則。首先是遺傳特徵，等位基因是離散的，並且具有替代形式（例如，紫色，白色或高矮人與矮人），每個形式都來自兩個父母之一。根據統治與統一的定律，該法則指出有些等位基因是統治的，而另一些等位基因是隱性的。具有至少一個主導等位基因的生物會顯示該主要等位基因的表型。在配子形成期間，每個基因分離的等位基因，因此每個配子僅攜帶一個等位基因的每個基因。雜合子個體產生的配子相等的兩個等位基因。最後，獨立種類的定律指出，不同特徵的基因在配子的形成過程中可以獨立隔離，即基因是未鏈接的。該規則的例外將包括與性別聯繫的特徵。可以進行測試雜交以實驗確定具有顯性表型的生物體的基本型。 Punnett正方形可用於預測測試交叉的結果。托馬斯·摩根（Thomas Morgans）對果蠅的實驗支持了染色體的遺傳理論，該理論指出基因是在染色體上發現的。
基因和DNA
基因是遺傳單位，對應於一個含有遺傳信息的脫氧核糖核酸（DNA）區域，該遺傳信息控制了有機體的形式或功能。 DNA由兩個圍繞圍繞的多核苷酸鏈組成，形成雙螺旋。它被發現為真核生物中的線性染色體，而原核生物中的圓形染色體。細胞中的一組染色體集體稱為其基因組。在真核生物中，DNA主要在細胞核中。在原核生物中，DNA持有核苷內。遺傳信息保存在基因中，並且在生物體中的完整組合稱為其基因型。 DNA複製是一個半保守過程，每個鏈都可以用作新的DNA鏈的模板。突變是DNA的可遺傳變化。它們可能是由於未通過校對而無法糾正的複制誤差而自發出現的，或者可以由環境誘變者（例如化學物質（例如，亞硝酸，苯二吡啶）或輻射）誘導，不穩定的同位素發出的顆粒）。突變會導致表型效應，例如功能喪失，功能獲得和條件突變。某些突變是有益的，因為它們是進化的遺傳變異來源。其他人則是有害的，如果它們導致生存所需的基因功能喪失。通常避免使用公共衛生政策目標，例如致癌物。
基因表達
基因表達是一種分子過程，通過該過程，在DNA中編碼的基因型產生了有機體體內蛋白質的可觀察表型。分子生物學的中央教條總結了這一過程，該過程由弗朗西斯·克里克（Francis Crick）於1958年制定。有兩個基因表達過程：轉錄（DNA至RNA）和翻譯（RNA為蛋白質）。
基因調節
通過環境因素和在不同的發育階段對基因表達的調節可能會在過程的每個步驟中發生，例如轉錄， RNA剪接，翻譯，翻譯和蛋白質的翻譯後修飾。基因表達可以受正調控或陰性調節的影響，這取決於兩種類型的調節蛋白中的哪種稱為轉錄因子與啟動子接近或啟動子接近的DNA序列結合。共有相同啟動子的一組基因稱為操縱子，主要在原核生物和一些較低的真核生物（例如秀麗隱桿線蟲）中發現。在基因表達的陽性調節中，激活因子是轉錄因子與啟動子附近或處於啟動子附近或處的序列結合時刺激轉錄的轉錄因子。當另一個稱為阻遏物的轉錄因子與稱為操作子的DNA序列結合以防止轉錄的DNA序列時，就會發生負調節。阻遏物可以被稱為誘導劑的化合物（例如，同卵糖）抑制，從而允許進行轉錄。與幾乎不斷活躍的構成基因相比，可以被誘導劑激活的特定基因稱為誘導基因。與兩者相反，結構基因編碼與基因調節無關的蛋白質。除了涉及啟動子的調節事件外，基因表達還可以通過對染色質的表觀遺傳變化來調節，這是真核細胞中發現的DNA和蛋白質的複合物。
基因，發展和進化
開發是多細胞生物（動植物或動物）經歷一系列變化的過程，從單個細胞開始，並採用其生命週期特徵的各種形式。有四個關鍵過程是發展的基礎：確定，分化，形態發生和生長。確定設定了細胞的發育命運，這在發育過程中變得更加限制。分化是來自較少專業細胞（例如幹細胞）的專門細胞的過程。幹細胞是未分化或部分分化的細胞，可以分化為各種類型的細胞並無限期增殖以產生更多的同一干細胞。細胞分化極大地改變了細胞的大小，形狀，膜電位，代謝活性和對信號的反應，這在很大程度上是由於基因表達和表觀遺傳學的高度控制的修飾。除少數例外，細胞分化幾乎不涉及DNA序列本身的變化。因此，儘管具有相同的基因組，但不同的細胞可以具有非常不同的物理特徵。形態發生或身體形式的發展是基因表達空間差異的結果。生物體基因組中的一小部分基因稱為發育遺傳工具包控制該生物體的發育。這些工具包在門中是高度保守的，這意味著它們在廣泛分離的動物組中很古老並且非常相似。工具包的部署基因的差異會影響身體計劃以及身體部位的數量，身份和模式。最重要的工具包中的基因是HOX基因。 HOX基因決定了重複的部分，例如許多蛇的椎骨，將在發育中的胚胎或幼蟲中生長。
進化
進化過程
進化是生物學中的一個核心組織概念。這是連續幾代人種群的可遺傳特徵的變化。在人工選擇中，針對特定性狀有選擇性地育種動物。鑑於特徵是繼承的，人口包含各種特徵，而繁殖能夠增加任何人口，達爾文認為，在自然世界中，大自然在選擇特定特徵方面發揮了人類的作用。達爾文（Darwin）推斷，擁有更好適應其環境的人的特徵的人比其他人更容易生存並產生更多的後代。他進一步推斷，這將導致連續幾代人的有利特徵的積累，從而增加了生物體與其環境之間的匹配。
物種形成
一種物種是一組生物體，它們相互交配，形成性是一個譜係由於彼此獨立進化而分成兩個譜系的過程。為了進行物種形成，必須存在生殖隔離。如Bateson – Dobzhansky -Muller模型所述，基因之間的不兼容可能導致生殖分離。生殖分離也傾向於隨著遺傳差異的增加而增加。當存在分裂祖先物種的物理障礙時，可能會發生物種形成，這一過程稱為同種異體物種。
系統發育
系統發育是特定生物或其基因的進化史。它可以使用系統發育樹表示，該圖顯示了生物體或其基因之間的下降線。在樹的時間軸上繪製的每條線代表特定物種或種群後代的血統。當譜系分為兩個時，將其表示為叉子或在系統發育樹上的分裂。系統發育樹是比較和分組不同物種的基礎。共享從共同祖先繼承的特徵的不同物種被描述為具有同源特徵（或同形）。系統發育提供了生物學分類的基礎。該分類系統是基於等級的，最高等級是領域，其次是王國，門，階級，秩序，家庭，屬和物種。所有生物都可以歸類為屬於三個領域之一：古細菌（最初是古細菌）；細菌（最初是Eubacteria）或Eukarya （包括原則，真菌，植物和動物界）。
生命的歷史
地球生命的歷史追溯了生物從生命的最早出現到當今的發展。地球成立於大約45億年前，地球上的所有生命（無論是生命還是滅絕），源於大約35億年前的最後一個普遍共同祖先。地質學家已經開發了一個地質時間尺度，將地球的歷史分為主要分區，從四個EON（ Hadean ， Archean ， Proterorokoic和Phanerozoic ）開始，其中前三個統稱為前三個，持續了大約40億年。每個EON都可以分為時代，而5.39億年前的Phanerozoic EON被細分為古生代，中生代和新生代時代。這三個時代共同組成了11個時期（寒武紀，奧陶紀，志留式，泥盆紀，石炭紀，二疊紀，三疊紀，侏羅紀，白堊紀，第三紀和季季）。
所有已知的當今物種之間的相似性表明，它們與共同祖先的進化過程有所不同。生物學家將遺傳密碼的普遍存在視為所有細菌，古細菌和真核生物的普遍下降的證據。共存細菌和古細菌的微生物墊是早期大帝時代的主要生命形式，而早期進化的許多主要步驟都被認為是在這種環境中發生的。真核生物的最早證據的歷史可以追溯到18.5億年前，儘管它們可能更早地存在，但當他們開始在新陳代謝中使用氧氣時，它們的多樣化加速了。後來，大約17億年前，多細胞生物開始出現，分化的細胞執行專業功能。
藻類樣的多細胞土地植物的歷史可以追溯到大約10億年前，儘管有證據表明，微生物形成了最早的陸地生態系統，至少是27億年前。人們認為，在奧陶紀時期，微生物為陸地植物的成立鋪平了道路。土地植物是如此成功，以至於他們被認為為晚期的泥盆紀滅絕事件做出了貢獻。
Ediacara Biota出現在Ediacaran時期，而脊椎動物以及大多數其他現代門的起源於大約5.25億年前的寒武紀爆炸期間。在二疊紀時期，包括哺乳動物的祖先在內的突觸統治了這片土地，但大多數人在25200萬年前的二疊紀三疊紀滅絕事件中滅絕了。在從這場災難中恢復的過程中，大型屍體成為最豐富的陸地脊椎動物。一個Archosaur群體，即恐龍，統治了侏羅紀和白堊紀時期。在6600萬年前的白堊紀 - 銷去石滅絕事件被殺死的恐龍之後，哺乳動物的大小和多樣性迅速增加。這樣的大規模滅絕可能通過為新生物體多樣化提供機會加速了進化。
多樣性
細菌和古細菌
細菌是構成原核生物微生物的大域的一種細胞。通常，幾微米長，細菌具有多種形狀，範圍從球到桿和螺旋。細菌是最早出現在地球上的生命形式之一，並且存在於其大多數棲息地中。細菌居住在土壤，水，酸性溫泉，放射性廢物以及地殼的深層生物圈。細菌還生活在與動植物的共生和寄生關係中。大多數細菌尚未表徵，只有約27％的細菌門具有可以在實驗室中生長的物種。
古細菌構成了原核細胞的另一個領域，最初被歸類為細菌，並接受了古細菌的名稱（在古細菌王國中），該術語已被墮落。古細胞具有獨特的特性，將它們與細菌和真核生物的其他兩個結構域分開。古細菌進一步分為多個公認的門。古細菌和細菌的大小和形狀通常相似，儘管一些古細菌的形狀非常不同，例如haloquadratum walsbyi的平坦和方形細胞。儘管與細菌的形態相似，但古細菌具有與真核生物更緊密相關的基因和幾種代謝途徑，特別是對於參與轉錄和翻譯的酶。古細菌生物化學的其他方面是獨特的，例如它們依賴於包括考古學在內的細胞膜中的乙醚脂質。古細菌使用的能源多於真核生物：從糖等有機化合物到氨，金屬離子甚至氫氣。耐鹽的古細菌（ haloarchaea ）將陽光用作能源，而其他古細菌固定碳，但與植物和藍細菌不同，古細菌的種類卻沒有。古細菌通過二進制裂變，分裂或萌芽無性繁殖；與細菌不同，沒有已知的古細菌形成內生孢子。
第一個觀察到的古細菌是極端粒子，生活在極端環境中，例如沒有其他生物體的溫泉和鹽湖。改進的分子檢測工具導致幾乎每個棲息地都發現了古細菌，包括土壤，海洋和沼澤地。古細菌在海洋中尤其多，浮游生物的古細菌可能是地球上最豐富的生物群之一。
古細菌是地球生命的主要部分。它們是所有生物的菌群的一部分。在人類的微生物組中，它們在腸道，嘴和皮膚上很重要。他們的形態學，代謝和地理多樣性使他們扮演多種生態角色：碳固定；氮循環；有機複合周轉；例如，維持微生物共生和綜合社區。
真核生物
假設真核生物與古細菌分開，隨後是其內共生的細菌（或共生髮生），導致線粒體和葉綠體產生，這兩者現在都是現代真核生物細胞的一部分。大約15億年前，真核生物的主要譜系在前寒武紀中多樣化，可以分為八個主要進化枝：肺泡，挖掘，斯特拉米諾植物，植物，河流，河流，變形蟲，動物，真菌和動物。這些進化枝中的五個是統稱為生物的，它們主要是微小的真核生物，不是植物，真菌或動物。雖然生物可能有一個共同的祖先（最後一個真核共同祖先），但生物本身並不構成單獨的進化枝，因為某些生物可能與植物，真菌或動物更緊密地相關，而不是與其他生物學家。像藻類，無脊椎動物或原生動物等分組一樣，原始人分組不是正式的分類組，而是為了方便起見。大多數生物是單細胞的；這些稱為微生物真核生物。
植物主要是多細胞生物，主要是王國植物學的光合作用真核生物，它們將排除真菌和一些藻類。植物細胞是通過大約十億年前的早期真核生物的內共生菌病衍生成的，這引起了葉綠體。原發性內共生後出現的前幾個進化枝是水生的，大多數水生光合的真核生物都被統稱為藻類，這是一個便利的術語，因為並非所有藻類都密切相關。藻類包含幾個不同的進化枝，例如綠木菌，它們是微觀淡水藻類，可能與植物學的早期單細胞祖先形式相似。與青光眼不同，其他藻類進化枝（例如紅色和綠藻）是多細胞的。綠色藻類包括三個主要進化枝：葉綠素，鞘翅目植物和石匠。
真菌是真核生物，它們在其體內消化食物，分泌消化酶，這些酶在通過細胞膜吸收大量食物分子之前分解了大型食物分子。許多真菌也是腐爛的，以死亡的有機物為食，使其在生態系統中的重要分解劑。
動物是多細胞真核生物。除少數例外，動物消耗有機材料，呼吸氧，能夠移動，可以在胚胎髮育過程中從細胞，胚泡的空心範圍內生長。已經描述了超過150萬隻活物種- 約有100萬是昆蟲，但據估計，總共有700萬種動物物種。他們相互互動及其環境，形成了複雜的食物網。
病毒
病毒是在生物體內部複製的微觀傳染劑。病毒感染各種生命形式，從動物和植物到微生物，包括細菌和古細菌。已詳細描述了6,000多種病毒。病毒幾乎在地球上的每個生態系統中都發現，並且是最多的生物實體類型。
病毒在生命的進化史上的起源尚不清楚：有些可能是從質粒（可以在細胞之間移動的DNA）演變而來的，而其他人可能是從細菌中演變而來的。在進化中，病毒是水平基因轉移的重要手段，它以類似於有性繁殖的方式增加了遺傳多樣性。由於病毒具有生命的某些但並非全部的特徵，因此被描述為“生命邊緣的生物”，也被描述為自我複制者。
生態
生態學是對生命的分佈和豐度，生物體與其環境之間的相互作用的研究。
生態系統
生物（生物）生物的社區與非生命（非生物）成分（例如水，光，輻射，溫度，溫度，濕度，大氣，酸度和土壤）共同被稱為生態系統。這些生物和非生物成分通過營養週期和能量流將其連接在一起。來自太陽的能量通過光合作用進入系統，並摻入植物組織中。通過以植物為食，動物通過系統移動物質和能量。它們還影響存在的植物和微生物生物量的數量。通過分解死去的有機物，分解劑將碳釋放回大氣，並通過將儲存在死物質中的營養轉化為植物和其他微生物可以很容易使用的形式來促進營養循環。
人群
人群是同一物種的生物群，這些物種佔據了一個區域，並世代相傳地繁殖。可以通過將種群密度乘以面積或體積來估算人口規模。環境的承載能力是鑑於食品，棲息地，水和其他可用資源，該物種可以維持的物種的最大種群規模。人口的承載能力可能會受到不斷變化的環境條件（例如可用性資源的變化和維護成本）的影響。在人類人群中，諸如綠色革命之類的新技術隨著時間的流逝有助於提高地球的承載能力，這阻礙了即將來臨的人口下降的嘗試預測，其中最著名的是托馬斯·馬爾薩斯（Thomas Malthus ）在18世紀。
社區
一個社區是一群佔據相同地理區域的物種人群。生物互動是生活在一個社區中的一對生物相互彼此之間的效果。它們可以是相同的物種（種內相互作用），也可以是不同物種（種間相互作用）。這些影響可能是短期的，例如授粉和捕食或長期；兩者通常都會強烈影響所涉及的物種的演變。長期互動稱為共生。共生範圍從互惠，對雙方有益，到對雙方有害的競爭。每個物種都以消費者，資源或兩者兼而有之參與消費者 - 資源互動，這是食品鏈或食物網的核心。任何食物網絡中都有不同的營養水平，最低水平是主要生產者（或自養生物），例如植物和藻類，這些植物和藻類將能量和無機材料轉化為有機化合物，然後將其其他社區使用。在下一個層面上是異養育物，它們是通過從其他生物體中分解有機化合物來獲得能量的物種。食用植物的異性繁殖是主要消費者（或食草動物），而食用食草動物的異育是次要消費者（或食肉動物）。那些吃二級消費者的人是第三級消費者，依此類推。雜食性的異嗜性能夠在多個級別上食用。最後，有一些分解劑以廢物或生物體屍體為食。平均而言，每單位時間的營養水平的生物量中納入的能量總量約為其消耗的營養水平的十分之一。分解劑使用的廢物和死亡材料以及代謝流失的熱量構成了下一個營養水平並未消耗的其他百分之九十的能量。
生物圈
在全球生態系統或生物圈中，物質作為不同的相互作用隔室存在，這些隔室可以是生物或非生物，以及可訪問或無法訪問的，具體取決於它們的形式和位置。例如，陸生自養的物質是生物性的，其他生物可以訪問，而岩石和礦物質中的物質是非生物和無法接近的。生物地球化學循環是一條途徑，通過該途徑，物質的特定要素通過生物（生物圈）和地球的非生物（生物圈）和非生物（岩石圈，大氣層和水圈）隔室移動或移動。有用於氮，碳和水的生物地球化學週期。
保護
保護生物學是對地球生物多樣性保護的研究，目的是保護物種，其棲息地和生態系統免受過度滅絕率和生物相互作用的侵蝕。它關注的是影響生物多樣性的維持，損失和恢復的因素，以及持續進化過程的科學，從而導致遺傳，種群，物種和生態系統多樣性。問題源於估計表明，地球上所有物種中有多達50％的物種將在未來50年內消失，這導致了貧困，飢餓，並將重置該星球上的進化進化。生物多樣性影響生態系統的功能，這些生態系統提供了人們依賴的各種服務。保護生物學家研究和教育生物多樣性喪失，物種滅絕以及這些對維持人類社會福祉的能力的負面影響。組織和公民正在通過保護，監測和教育計劃來回應當前的生物多樣性危機，這些計劃通過全球規模吸引當地的關注點。