سیستم‌های بیولوژیکی شبکه‌های پیچیده‌ای از اجزای بیولوژیکی را در بر می‌گیرند که در درون موجودات زنده تعامل دارند. این سیستم ها در سطوح مختلف، از سلول های میکروسکوپی و اندامک های داخلی آنها تا اکوسیستم های بزرگ مقیاس عمل می کنند. در این درس، جنبه های مختلف و پیچیدگی های سیستم های بیولوژیکی را از طریق یک سری موضوعات فرعی بررسی خواهیم کرد.
همه موجودات زنده از سلول هایی تشکیل شده اند که واحدهای اساسی حیات محسوب می شوند. سلول‌ها خود سیستم‌های پیچیده‌ای هستند که از اندامک‌های مختلفی تشکیل شده‌اند که عملکردهای خاصی را برای بقا و عملکرد سلول انجام می‌دهند. هسته، میتوکندری و ریبوزوم ها نمونه هایی از اندامک های سلولی هستند که هر کدام نقش منحصر به فرد خود را دارند. هسته حاوی مواد ژنتیکی سلول است، میتوکندری ها انرژی تولید می کنند و ریبوزوم ها در سنتز پروتئین نقش دارند.
در سطح مولکولی، زندگی توسط ماکرومولکول های بیولوژیکی، یعنی پروتئین ها، اسیدهای نوکلئیک (DNA و RNA)، کربوهیدرات ها و لیپیدها اداره می شود. این مولکول ها ساختار سلول ها و اندامک ها را می سازند و فرآیندهای بیوشیمیایی حیاتی برای زندگی را انجام می دهند. برای مثال، پروتئین‌ها طیف وسیعی از عملکردها را انجام می‌دهند، از کاتالیزور واکنش‌های متابولیک به عنوان آنزیم‌ها تا ارائه پشتیبانی ساختاری.
ژنتیک با دیکته کردن چگونگی به ارث بردن و بیان صفات در موجودات، نقش اصلی را در سیستم های بیولوژیکی ایفا می کند. واحد اصلی وراثت، ژن، بخش هایی از DNA است که پروتئین ها را کد می کند. رابطه بین ژن ها و صفات را می توان با معادله ژنتیکی ساده نشان داد:
\( \textrm{DNA} \rightarrow \textrm{RNA} \rightarrow \textrm{پروتئین} \rightarrow \textrm{صفت} \)مکانیسم های تکاملی، از جمله انتخاب طبیعی، جهش، جریان ژن، و رانش ژنتیکی، تنوع و سازگاری زندگی را هدایت می کنند. انتخاب طبیعی، به ویژه، توضیح می دهد که چگونه صفاتی که بقا و تولیدمثل را افزایش می دهند در طول نسل ها در جمعیت ها رایج تر می شوند.
ارگانیسم‌های برتر، از جمله انسان، دارای سیستم‌های اندامی سازمان‌یافته هستند که هر کدام دارای عملکردهای خاصی هستند که به بقای کلی ارگانیسم کمک می‌کنند. نمونه هایی از سیستم های اندام شامل سیستم گردش خون، تنفسی، گوارشی و عصبی است. این سیستم ها برای حفظ هموستاز، محیط داخلی پایدار مورد نیاز برای عملکرد بهینه، هماهنگ عمل می کنند. به عنوان مثال، سیستم گردش خون و تنفس با هم کار می کنند تا اکسیژن و مواد مغذی را به سلول ها برسانند، در حالی که دی اکسید کربن و سایر مواد زائد را حذف می کنند.
در مقیاس وسیع‌تر، سیستم‌های بیولوژیکی به اکوسیستم‌ها گسترش می‌یابند، که جوامعی از موجودات زنده در تعامل با یکدیگر و محیطشان هستند. اکوسیستم ها با جریان انرژی و چرخه های مواد مغذی مشخص می شوند. تولیدکنندگانی مانند گیاهان، انرژی خورشید را می گیرند و آن را به ماده آلی تبدیل می کنند - فرآیندی که به عنوان فتوسنتز شناخته می شود. مصرف کنندگان، مانند حیوانات، از تولیدکنندگان یا سایر مصرف کنندگان تغذیه می کنند و انرژی و مواد مغذی را از طریق اکوسیستم منتقل می کنند. تجزیه کننده ها موجودات مرده را تجزیه می کنند و مواد مغذی را به محیط باز می گرداند.
اکوسیستم ها بیشتر تحت تأثیر عوامل زنده (زنده) و غیر زنده (غیر زنده) هستند. عوامل بیوتیک شامل فعل و انفعالات بین موجودات، مانند شکار و رقابت است. عوامل غیر زنده شرایط محیطی مانند دما، آب و نور خورشید را در بر می گیرند.
تنوع زیستی به تنوع و تنوع حیات روی زمین اشاره دارد. این یک جنبه حیاتی از سیستم های بیولوژیکی است که بر بهره وری، ثبات و انعطاف پذیری اکوسیستم تأثیر می گذارد. تنوع زیستی بالا می تواند به خدمات اکوسیستمی مانند گرده افشانی، چرخه مواد مغذی و تصفیه آب کمک کند. حفاظت از تنوع زیستی برای حفظ عملکرد اکوسیستم و خدماتی که انسان ها و سایر موجودات به آن متکی هستند ضروری است.
پیچیدگی و مقیاس وسیع سیستم های بیولوژیکی چالش های مهمی را برای محققان ایجاد می کند. پیشرفت‌های فناوری، مانند توالی‌یابی ژنومی و بیوانفورماتیک، درک ما را از سیستم‌های بیولوژیکی، از سطح مولکولی تا اکوسیستم، متحول کرده است. تحقیقات در حال انجام با هدف تعمیق درک ما از فرآیندها و مکانیسم های اساسی زندگی، از جمله کاربرد بالقوه زیست شناسی مصنوعی برای مقابله با چالش های جهانی مانند بیماری، امنیت غذایی و پایداری محیطی است.
نمونه‌ها و آزمایش‌ها در مطالعه سیستم‌های بیولوژیکی از تکنیک‌های ویرایش ژنوم مانند CRISPR-Cas9 که به دانشمندان اجازه می‌دهد DNA موجودات را با دقت اصلاح کنند تا مطالعات میدانی اکولوژیکی که تأثیر فعالیت‌های انسانی بر تنوع زیستی و عملکرد اکوسیستم را بررسی می‌کنند، را شامل می‌شود.
سیستم‌های بیولوژیکی ماتریس‌های پیچیده‌ای از حیات هستند، از فعل و انفعالات مولکولی درون سلول‌ها تا شبکه‌های پیچیده اکوسیستم‌ها. درک این سیستم ها مستلزم یک رویکرد بین رشته ای، ادغام دانش از ژنتیک، فیزیولوژی، بوم شناسی و زیست شناسی تکاملی است. همانطور که به کشف پیچیدگی‌های زندگی ادامه می‌دهیم، برای مقابله با چالش‌های پیش روی سیستم‌های بیولوژیکی و استفاده از پتانسیل آنها برای بهبود بشریت و سیاره، مجهزتر هستیم.
