Biologi adalah kajian ilmiah tentang kehidupan dan makhluk hidup. Biologi merupakan salah satu cabang ilmu alam yang luas, mencakup beragam bidang dan prinsip-prinsip pemersatu yang menjelaskan struktur, fungsi, pertumbuhan, asal mula, evolusi, serta persebaran kehidupan. Inti dari biologi bertumpu pada lima tema mendasar: sel sebagai unit dasar kehidupan; gen dan hereditas sebagai dasar pewarisan sifat; evolusi sebagai penggerak keanekaragaman hayati; transformasi energi untuk menopang proses kehidupan; serta pemeliharaan kestabilan internal (homeostasis).
Sumber: Lihat artikel asli di Wikipedia
| Bagian dari seri |
| Biologi |
|---|
 |
Biologi adalah kajian ilmiah tentang kehidupan dan makhluk hidup. Biologi merupakan salah satu cabang ilmu alam yang luas, mencakup beragam bidang dan prinsip-prinsip pemersatu yang menjelaskan struktur, fungsi, pertumbuhan, asal mula, evolusi, serta persebaran kehidupan. Inti dari biologi bertumpu pada lima tema mendasar: sel sebagai unit dasar kehidupan; gen dan hereditas sebagai dasar pewarisan sifat; evolusi sebagai penggerak keanekaragaman hayati; transformasi energi untuk menopang proses kehidupan; serta pemeliharaan kestabilan internal (homeostasis).[1][2]
Biologi menelaah kehidupan pada berbagai tingkatan organisasi biologis, mulai dari molekul dan sel hingga organisme, populasi, dan ekosistem. Cabang-cabangnya meliputi biologi molekuler, fisiologi, ekologi, biologi evolusi, biologi perkembangan, serta sistematika, di antara banyak bidang lainnya. Setiap bidang menerapkan beragam metode untuk menyelidiki fenomena biologis, termasuk pengamatan, eksperimen, dan pemodelan matematis. Biologi modern berakar pada teori evolusi melalui seleksi alam yang pertama kali dirumuskan oleh Charles Darwin, serta pada pemahaman molekuler tentang gen yang tersandi dalam DNA. Penemuan struktur DNA dan kemajuan dalam genetika molekuler telah mengubah banyak bidang biologi, membuka jalan bagi penerapan di kedokteran, pertanian, bioteknologi, dan ilmu lingkungan.
Kehidupan di Bumi diyakini telah muncul lebih dari 3,7 miliar tahun yang lalu.[3] Kini, kehidupan mencakup keberagaman organisme yang luar biasa, mulai dari arkea dan bakteri bersel tunggal hingga tumbuhan, jamur, dan hewan multiseluler yang kompleks. Para ahli biologi mengklasifikasikan organisme berdasarkan kesamaan ciri dan hubungan evolusionernya, menggunakan kerangka taksonomi dan filogenetik. Organisme-organisme ini saling berinteraksi satu sama lain dan dengan lingkungannya di dalam ekosistem, tempat mereka memainkan peran penting dalam aliran energi dan daur nutrien. Sebagai disiplin ilmu yang senantiasa berkembang, biologi terus menyerap penemuan dan teknologi baru yang memperdalam pemahaman kita tentang kehidupan dan prosesnya, sekaligus berkontribusi pada solusi terhadap tantangan global seperti penyakit, perubahan iklim, dan hilangnya keanekaragaman hayati.
Berasal dari bahasa Yunani βίος (bíos) yang berarti ‘kehidupan’ (dari akar bahasa Proto-Indo-Eropa *gwei-, yang bermakna “hidup”), serta λογία (logía) yang berarti ‘kajian’ atau ‘ilmu’. Gabungan kedua unsur ini pertama kali muncul dalam judul jilid ketiga karya Michael Christoph Hanow berjudul Philosophiae naturalis sive physicae dogmaticae: Geologia, biologia, phytologia generalis et dendrologia, yang diterbitkan pada tahun 1766.
Istilah biologi dalam pengertian modern tampaknya diperkenalkan secara terpisah oleh Thomas Beddoes (pada tahun 1799),[4] Karl Friedrich Burdach (pada tahun 1800), Gottfried Reinhold Treviranus melalui karyanya Biologie oder Philosophie der lebenden Natur (1802), dan Jean-Baptiste Lamarck melalui Hydrogéologie (1802).[5][6][7]
Akar tertua dari ilmu pengetahuan, termasuk bidang kedokteran, dapat ditelusuri kembali hingga era Mesir Kuno dan Mesopotamia sekitar tahun 3000 hingga 1200 SM.[8][9] Sumbangan peradaban-peradaban tersebut membentuk dasar filsafat alam Yunani kuno.[8][9][10][11][12] Para filsuf Yunani Kuno, seperti Aristoteles (384–322 SM), memberikan sumbangan besar terhadap perkembangan pengetahuan biologis.[13] Ia menelaah sebab-sebab biologis dan keragaman kehidupan. Penerusnya, Theophrastus, memulai kajian ilmiah terhadap tumbuhan.[14]
Para ilmuwan dari dunia Islam pada Abad Pertengahan juga berperan penting dalam pengembangan biologi. Di antara mereka ialah al-Jahiz (781–869), Al-Dīnawarī (828–896) yang menulis tentang botani,[15] dan ar-Razi (865–925) yang menulis tentang anatomi dan fisiologi. Bidang kedokteran sangat berkembang di tangan para sarjana Islam yang bekerja dalam tradisi filsafat Yunani, sementara kajian sejarah alam mereka sangat dipengaruhi oleh pemikiran Aristoteles.
Perkembangan pesat biologi dimulai ketika Anton van Leeuwenhoek menyempurnakan mikroskop secara drastis. Saat itulah para ilmuwan menemukan spermatozoa, bakteri, infusoria, dan berbagai bentuk kehidupan mikroskopis lainnya. Penelitian Jan Swammerdam menumbuhkan minat baru terhadap entomologi serta memperkenalkan teknik diseksi dan pewarnaan mikroskopis yang inovatif.[16] Kemajuan dalam mikroskopi membawa pengaruh besar terhadap cara pandang biologis. Pada awal abad ke-19, para ahli biologi mulai menekankan pentingnya sel sebagai dasar kehidupan. Pada tahun 1838, Matthias Jakob Schleiden dan Theodor Schwann mengemukakan gagasan universal bahwa (1) unit dasar semua organisme adalah sel, dan (2) setiap sel memiliki semua ciri kehidupan. Meski mereka menolak gagasan bahwa (3) semua sel berasal dari pembelahan sel lain, mendukung teori generasi spontan, pandangan terakhir ini kemudian dibantah oleh Robert Remak dan Rudolf Virchow. Menjelang tahun 1860-an, ketiga prinsip tersebut diterima luas dan dirumuskan sebagai teori sel.[17][18]
Sementara itu, bidang taksonomi dan klasifikasi menjadi pusat perhatian para ahli sejarah alam. Carl Linnaeus menerbitkan sistem taksonomi dasar bagi dunia alam pada tahun 1735, dan pada 1750-an ia memperkenalkan penamaan ilmiah bagi seluruh spesies yang ia deskripsikan.[19] Georges-Louis Leclerc, Comte de Buffon memandang spesies sebagai kategori buatan dan bentuk kehidupan sebagai sesuatu yang lentur, bahkan mengisyaratkan kemungkinan adanya nenek moyang bersama.[20]
Pemikiran evolusi yang serius bermula dari karya Jean-Baptiste Lamarck, yang pertama kali mengemukakan teori evolusi yang terstruktur.[22] Charles Darwin, seorang ahli sejarah alam asal Inggris, menggabungkan pendekatan biogeografi dari Alexander von Humboldt, prinsip geologi uniformitarian dari Charles Lyell, gagasan Thomas Malthus tentang pertumbuhan populasi, serta keahliannya dalam morfologi dan pengamatan alam yang luas, untuk merumuskan teori evolusi yang lebih kokoh berdasarkan seleksi alam. Pemikiran dan bukti serupa secara independen juga dicapai oleh Alfred Russel Wallace.[23][24]
Dasar bagi genetika modern diletakkan oleh Gregor Mendel pada tahun 1865.[25] Ia merumuskan prinsip-prinsip pewarisan sifat biologis.[26] Namun, arti penting penemuannya baru disadari pada awal abad ke-20, ketika teori evolusi disatukan dengan genetika klasik dalam sintesis modern yang menyatukan Darwinisme dengan genetika.[27] Pada 1940-an dan awal 1950-an, serangkaian eksperimen Hershey–Chase oleh Alfred Hershey dan Martha Chase menunjukkan bahwa DNA merupakan komponen utama kromosom yang membawa unit pewarisan sifat, atau gen. Fokus pada organisme model baru seperti virus dan bakteri, serta penemuan struktur heliks ganda DNA oleh James Watson dan Francis Crick pada tahun 1953, menandai awal era genetika molekuler. Sejak 1950-an, biologi berkembang pesat dalam ranah biologi molekuler. Kode genetik berhasil diuraikan oleh Har Gobind Khorana, Robert W. Holley, dan Marshall Warren Nirenberg setelah diketahui bahwa DNA mengandung kodon. Pada tahun 1990, Proyek Genom Manusia diluncurkan untuk memetakan keseluruhan genom manusia.[28]
Menurut teori sel, sel merupakan satuan dasar kehidupan, dan semua kehidupan terdiri dari satu atau lebih atau produk sel yang disekresikan (seperti tempurung). Semua sel terbelah dari sel lain. Pada akhirnya, setiap sel di tubuh organisme multiseluler berasal dari satu sel di dalam sel telur yang terfertilisasi. Sel juga dianggap sebagai satuan dasar dalam proses patologis,[29] dan fenomena aliran energi terjadi di sel sebagai bagian dari proses metabolisme. Selain itu, sel mengandung satuan pewarisan yang diwariskan dari satu sel ke sel lain selama proses pembelahan sel.
Sebagian besar sel berukuran sangat kecil, dengan diameter berkisar antara 1 hingga 100 mikrometer, sehingga hanya dapat diamati menggunakan mikroskop cahaya atau mikroskop elektron. Secara umum, terdapat dua jenis sel: sel eukariotik, yang memiliki inti sel, dan sel prokariotik, yang tidak memiliki inti sel. Organisme prokariotik merupakan organisme uniseluler seperti bakteri, sedangkan organisme eukariotik dapat berupa uniseluler maupun multiseluler. Pada organisme multiseluler, setiap sel dalam tubuhnya pada akhirnya berasal dari satu sel tunggal yang terdapat dalam zigot hasil fertilisasi.[30]
Salah satu konsep penting dalam biologi adalah konsep bahwa kehidupan berubah melalui mekanisme evolusi, dan bahwa semua organisme punya nenek moyang bersama. Berdasarkan teori evolusi, semua organisme di bumi, baik yang masih hidup maupun yang sudah punah, berasal dari satu nenek moyang atau lungkang gen bersama. Nenek moyang bersama terakhir diyakini muncul sekitar 3,5 miliar tahun yang lalu.[31] Ahli biologi biasanya memandang keseragaman kode genetik sebagai bukti yang mendukung teori nenek moyang bersama semua bakteri, archaea, dan eukariot.[32]
Walaupun diperkenalkan dalam kamus ilmiah oleh Jean-Baptiste de Lamarck pada tahun 1809,[33] evolusi baru dikukuhkan sebagai teori ilmiah lima puluh tahun kemudian oleh Charles Darwin dengan menjelaskan mekanisme pendorongnya: seleksi alam[34][35] (Alfred Russel Wallace juga diakui sebagai salah satu penemu evolusi karena ia membantu penelitian, dan percobaan yang terkait dengan konsep ini).[36] Darwin menjelaskan bahwa spesies, dan ras berkembang melalui proses seleksi alam, dan seleksi buatan atau pengembangbiakan selektif.[37] Hanyutan genetik dianggap sebagai mekanisme tambahan dalam sintesis modern teori evolusi.[38] Evolusi kini digunakan untuk menjelaskan keanekaragaman kehidupan di Bumi.
Sejarah evolusioner spesies, dan hubungan genealogisnya dengan spesies lain disebut filogeni. Informasi tentang filogeni dihasilkan dari berbagai macam pendekatan, seperti perbandingan rangkaian ADN yang dilakukan dalam bidang biologi molekuler atau genomika, dan perbandingan fosil dalam bidang paleontologi.[39] Untuk memperkirakan jangka waktu terjadinya evolusi, ilmuwan juga menggunakan berbagai metode, seperti penanggalan radiokarbon.[40] Ahli biologi menganalisis hubungan evolusioner dengan metode filogenetika, fenetika, dan kladistika.
Gen adalah satuan pewarisan utama semua organisme. Gen merupakan bagian dari ADN yang memengaruhi bentuk atau fungsi organisme. Semua organisme, dari bakteri hingga hewan, memiliki mekanisme yang mentranslasi ADN menjadi protein. Sel mentranskripsi ADN menjadi asam ribonukleat (ARN), dan ribosom kemudian mentranslasi ARN menjadi protein, sebuah rangkaian asam amino. Kode translasi semua organisme pada dasarnya sama. Misalnya, rangkaian ADN yang menyandikan insulin dalam tubuh manusia juga menyandikan insulin ketika dimasukkan ke organisme lain seperti tumbuhan.[41]
ADN biasanya berbentuk kromosom linear dalam eukariota, dan kromosom lingkaran dalam prokariota. Kromosom adalah struktur yang terdiri dari ADN, dan histon. Rangkaian kromosom dalam sel, dan satuan pewarisan lain yang dapat ditemui dalam mitokondria, kloroplas, dan tempat lain secara kolektif disebut genom. Dalam eukariota, ADN genomik terletak di nukleus sel, bersama dengan sejumlah mitokondria, dan kloroplas. Dalam prokariota, ADN ada di dalam sitoplasma yang disebut nukleoid.[42] Informasi genetik dalam sebuah genom disimpan dalam gen, dan himpunan informasi tersebut dalam suatu organisme disebut genotip.[43]
Homeostasis adalah kemampuan suatu sistem terbuka dalam meregulasi stabilitas lingkungan dengan melakukan penyesuaian keseimbangan dinamika yang diatur oleh mekanisme regulasi yang terkait. Semua organisme hidup, baik uniseluler maupun multiseluler, mengalami homeostasis.[45]
Untuk menjaga keseimbangan dinamika, dan melakukan fungsi tertentu secara efektif, suatu sistem harus melacak, dan menanggapi gangguan. Setelah melacak gangguan, sistem biologis biasanya menanggapi melalui proses umpan balik negatif. Artinya, sistem tersebut menstabilkan keadaan dengan mengurangi atau meningkatkan aktivitas suatu organ atau sistem. Contohnya adalah pelepasan glukagon ketika kadar gula dalam tubuh terlalu rendah.
Keberlangsungan suatu organisme bergantung pada masukan energi secara terus menerus. Reaksi kimia yang membentuk struktur, dan fungsi tertentu dapat mengambil energi dari suatu substansi yang menjadi makanannya untuk membantu membentuk, dan mempertahankan sel baru. Dalam proses ini, molekul bahan kimia yang menjadi makanan memainkan dua peran; pertama, makanan tersebut mengandung energi yang dapat diubah untuk mendukung reaksi kimia biologis; kedua, makanan tersebut mengembangkan struktur molekuler baru.
Organisme yang berperan dalam menghantarkan energi ke suatu ekosistem disebut autotrof. Hampir semua organisme autotrof memperoleh energi dari matahari.[46] Tumbuhan, dan fototrof lainnya menggunakan energi matahari melalui proses fotosintesis yang mengubah bahan baku menjadi molekul organik, seperti ATP, yang dapat dipecahkan ikatannya untuk menghasilkan energi.[47] Namun, beberapa ekosistem hanya bergantung pada kemotrof yang mendapatkan energi dari metana, sulfida, atau sumber energi non-matahari lainnya.[48]
Beberapa energi yang diperoleh digunakan untuk menghasilkan biomassa yang dapat mempertahankan kehidupan, dan mendukung pertumbuhan, dan perkembangan. Kebanyakan sisa energi hanya menjadi panas, dan molekul buangan. Proses penting yang mengubah energi yang terperangkap dalam substansi kimia menjadi energi yang berguna untuk kehidupan disebut metabolisme,[49] dan respirasi sel.[50]
Biologi molekuler mempelajari biologi dalam tingkatan molekul.[51] Bidang ini bersentuhan dengan bidang biologi lainnya, terutama genetika dan biokimia. Biologi molekuler mencoba memahami interaksi antara berbagai sistem sel, termasuk hubungan antar ADN, ARN, dan sintesis protein. Selain itu, bidang ini juga membelajari bagaimana interaksi tersebut diatur.
Biologi sel adalah ilmu yang terkait dengan properti struktural dan fisiologis sel, termasuk perilaku, interaksi, dan lingkungan. Hal ini dilakukan dalam tingkatan mikroskopik, dan molekuler untuk mempelajari organisme bersel satu seperti bakteri serta sel dalam organisme multiseluler seperti manusia. Pemahaman akan fungsi dan struktur sel berperan penting dalam ilmu biologi. Kemiripan dan pebedaan antara berbagai jenis sel juga sangat terkait dengan bidang biologi molekuler.
Anatomi mempelajari struktur makroskopik seperti organ dan sistem organ,[52] sementara genetika merupakan ilmu gen, pewarisan, dan variasi dalam organisme.[53][54] Gen menyandikan informasi yang penting untuk mensintesiskan protein, yang kemudian membentuk fenotip organisme. Dalam penelitian modern, genetika juga menyelidiki fungsi gen tertentu, dan menganalisis interaksi genetik. Di dalam tubuh organisme, informasi genetik biasanya ada di dalam kromosom, di dalam struktur kimia molekul ADN tertentu.
Biologi perkembangan mempelajari proses pertumbuhan, dan perkembangan organisme. Bidang ini berasal dari embriologi, dan menyelidiki kuasa genetik atas pertumbuhan sel, diferensiasi sel, dan morfogenesis, yang merupakan proses yang menghasilkan jaringan, organ, dan anatomi. Organisme yang biasanya menjadi model dalam bidang ini meliputi cacing Caenorhabditis elegans,[55] lalat buah Drosophila melanogaster,[56] ikan zebra Danio rerio,[57] tikus Mus musculus,[58] dan tumbuhan Arabidopsis thaliana.[59][60] Organisme-organisme tersebut dipelajari untuk memahami fenomena biologi tertentu, dengan harapan penemuan pada organisme tersebut dapat menambah pengetahuan tentang cara kerja organisme lain.[61]
Fisiologi adalah cabang ilmu yang secara khusus meneliti berbagai aktivitas fungsional dalam tubuh makhluk hidup untuk menjaga kelangsungan hidupnya. Oleh karena itu, cakupan fisiologi sangat luas, mencakup berbagai proses seperti respirasi, metabolisme, pencernaan, regulasi, koordinasi, reproduksi, adaptasi, dan evolusi. Sebagai ilmu yang berfokus pada fungsi makhluk hidup, fisiologi bertujuan untuk menganalisis, memahami, dan memperoleh wawasan yang lebih mendalam mengenai berbagai proses yang terjadi dalam tubuh. Keanekaragaman makhluk hidup di bumi, mulai dari organisme uniseluler hingga multiseluler dengan lebih dari satu juta spesies, menunjukkan bahwa setiap spesies memiliki karakteristik unik.[62]
Keanekaragaman ini juga terlihat dalam berbagai tingkatan organisasi biologis, mulai dari populasi, individu, organ, jaringan, sel, organel, hingga tingkat atom. Setiap tingkatan memiliki aktivitas spesifik yang memerlukan pendekatan tersendiri untuk dipahami, menjadikan fisiologi sebagai bidang yang kompleks. Seiring dengan perkembangan zaman, konsep dan metode dalam fisiologi terus mengalami perubahan.[62]
Fisiologi berkembang pesat berkat kemajuan teknologi dan peralatan sejak tahun 1940-an. Perkembangan ini memungkinkan ilmuwan untuk melakukan isolasi, observasi, identifikasi, serta eksperimen pada sel tunggal, bagian sel, atau makromolekul. Akibatnya, pemahaman mengenai prinsip-prinsip dasar fisiologi menjadi lebih maju dibandingkan sebelumnya. Selain itu, kemajuan dalam analisis dan rekayasa, termasuk dalam bidang sistem komunikasi, komputer, dan alat matematis, turut meningkatkan kemampuan manusia dalam mempelajari sistem biologis pada tubuh hewan.[62]
Penelitian evolusioner terkait dengan asal-usul dan nenek moyang spesies dan juga perubahannya seiring berjalannya waktu. Bidang ini juga meliputi ilmuwan dari berbagai bidang yang terkait dengan taksonomi. Contohnya adalah ilmuwan yang berspesialisasi dalam organisme tertentu seperti mamalogi, ornitologi, botani dan herpetologi. Organisme-organisme tersebut digunakan untuk menjawab pertanyaan-pertanyaan evolusi yang umum.
Biologi evolusioner sebagian didasarkan dari paleontologi (yang menggunakan catatan fosil untuk menjawab pertanyaan tentang cara dan tempo evolusi),[63] dan sebagian lagi dari genetika populasi,[64] dan teori evolusioner. Pada tahun 1980-an, biologi perkembangan memasuki kembali bidang biologi evolusioner setelah sebelumnya dikeluarkan dari sintesis modern akibat penelitian biologi perkembangan evolusioner.[65] Bidang lain yang terkait, dan sering dianggap sebagai bagian dari biologi evolusioner adalah filogenetika, sistematika dan taksonomi.
Peristiwa spesiasi menghasilkan hubungan antar spesies yang dapat distrukturisasi seperti pohon. Sistematika mempelajari hubungan tersebut, perbedaan, kemiripan antara spesies, dan sekelompok spesies.[66] Namun, sistematika sudah menjadi bidang penelitian yang aktif jauh sebelum pemikiran evolusi menyebar luas.[67]
Secara tradisional, kehidupan dibagi menjadi lima kingdom: Monera, Protista, Fungi, Plantae, Animalia.[68] Namun, banyak ilmuwan yang menganggap sistem lima kingdom ini sudah ketinggalan zaman. Sistem klasifikasi modern biasanya dimulai dengan sistem tiga domain: Archaea (awalnya Archaebacteria); Bacteria (awalnya Eubacteria), dan Eukaryota (termasuk protista, fungi, tumbuhan, dan hewan)[69] Domain tersebut didasarkan pada keberadaan nuklei pada sel dan perbedaan komposisi kimia bagian luar sel.[69]
Selain itu, setiap kingdom dibagi hingga pada tingkatan spesies. Urutannya adalah: Domain, Kingdom, Filum, Kelas, Ordo, Famili, Genus, Spesies.
Di luar kategori ini terdapat sejumlah parasit intraseluler yang ada “di tepi kehidupan",[70] yang berarti banyak ilmuwan yang tidak mengklasifikasikan struktur tersebut sebagai kehidupan karena ketiadaan satu atau lebih fungsi atau ciri kehidupan (contohnya ketiadaan aktivitas metabolisme). Struktur tersebut diklasifikasikan sebagai virus, viroid, prion, atau satelit.
Nama ilmiah organisme berasal dari genus dan spesiesnya. Misalnya, nama ilmiah spesies manusia adalah Homo sapiens. Homo adalah genusnya dan sapiens adalah spesiesnya. Ketika menulis nama ilmiah suatu organisme, huruf pertama harus ditulis dengan menggunakan huruf besar, dan selebihnya dalam huruf kecil. Selain itu, nama ilmiah dapat dimiringkan atau digarisbawahi.[71][72]
Sistem klasifikasi yang banyak digunakan saat ini adalah taksonomi Linnaeus. Sistem ini meliputi tingkatan dan tatanama binomial. Cara penamaan organisme diatur oleh persetujuan internasional seperti International Code of Botanical Nomenclature (ICBN), International Code of Zoological Nomenclature (ICZN), dan International Code of Nomenclature of Bacteria (ICNB). Klasifikasi virus, viroid, prion, dan agen sub-viral ditentukan oleh International Committee on Taxonomy of Viruses (ICTV) dan sistemnya disebut International Code of Viral Classification and Nomenclature (ICVCN).[73][74][75][76]
Sebuah usulan yang disebut BioCode diterbitkan pada tahun 1997 dengan maksud untuk menstandardisasi tata nama di tiga bidang tersebut, namun usulan ini masih belum diterapkan.[77] BioCode tidak banyak diperhatikan semenjak tahun 1997; rencana penerapannya pada tahun 1 Januari 2000 tidak banyak disadari. Revisi BioCode yang tidak mengganti kode yang ada dan hanya menyediakan konteks pemersatu diusulkan pada tahun 2011.[78][79][80] Namun, International Botanical Congress pada tahun 2011 menolak mempertimbangkan usulan BioCode. ICVCN berada di luar ranah BioCode karena BioCode tidak meliputi klasifikasi virus.
Ekologi mempelajari persebaran, berlimpahnya kehidupan, dan interaksi antara organisme dengan lingkungannya.[81] Habitat suatu organisme dapat dideskripsikan sebagai faktor abiotik lokal seperti iklim, di samping keberadaan organisme dan faktor biotik lainnya.[82] Sistem biologis cukup sulit dipelajari karena ada sangat banyak interaksi yang mungkin terjadi antara organisme dengan lingkungan, bahkan dalam skala kecil. Bakteri di dalam gradien gula memberikan tanggapan terhadap lingkungan sama seperti seekor singa yang sedang mencari makanan di Sabana Afrika. Spesies apapun juga dapat menunjukkan berbagai macam perilaku, seperti kerjasama, agresi, parasitisme, atau mutualisme. Masalah menjadi semakin rumit ketika dua atau lebih spesies berinteraksi dalam suatu ekosistem.
Sistem ekologi dipelajari dalam beberapa tingkatan yang berbeda, dari individu hingga populasi, ekosistem, dan biosfer. Istilah biologi populasi sering digunakan bergantian dengan ekologi populasi, meskipun istilah biologi populasi lebih sering digunakan ketika mempelajari penyakit, virus, dan mikrob, sementara ekologi populasi lebih sering dipakai ketika mempelajari tumbuhan dan hewan. Ekologi juga mengacu pada berbagai subdisiplin yang ada.
Etologi menyelidiki perilaku hewan (terutama hewan sosial seperti primata dan canid), dan kadang-kadang dianggap sebagai cabang zoologi. Etolog juga mempelajari evolusi perilaku dan mencoba memahami perilaku dalam konteks seleksi alam. Salah satu etolog modern pertama adalah Charles Darwin, karena bukunya yang berjudul The Expression of the Emotions in Man and Animals memengaruhi etolog-etolog penerusnya.[83]
Biogeografi terkait dengan persebaran organisme di Bumi[84] dan memusatkan perhatian pada topik seperti tektonika lempeng, perubahan iklim, persebaran, migrasi, dan kladistika.
Ekosistem merupakan komunitas makhluk hidup (biotik) yang berinteraksi dengan komponen tak hidup (abiotik) di lingkungan mereka, seperti air, cahaya, radiasi, suhu, kelembapan, atmosfer, tingkat keasaman, dan tanah. Komponen biotik dan abiotik ini saling terhubung melalui siklus nutrisi dan aliran energi.[85] Energi dari matahari masuk ke ekosistem melalui proses fotosintesis dan tersimpan dalam jaringan tanaman. Hewan memperoleh energi dengan mengonsumsi tumbuhan maupun sesama hewan, sehingga energi dan materi terus berpindah dalam ekosistem. Hewan juga memengaruhi jumlah biomassa tanaman dan mikroba yang tersedia. Sementara itu, pengurai berperan dalam mendekomposisi materi organik mati, melepaskan karbon ke atmosfer, serta mendaur ulang nutrisi sehingga dapat digunakan kembali oleh tanaman dan mikroorganisme lainnya.[85][86]
Populasi merujuk pada sekelompok individu dari spesies yang sama yang tinggal di suatu wilayah dan berkembang biak dari generasi ke generasi. Ukuran populasi dapat diperkirakan dengan mengalikan kepadatan populasi dengan luas atau volume habitatnya. Kapasitas daya dukung suatu lingkungan adalah jumlah maksimum individu dari suatu spesies yang dapat bertahan hidup dalam lingkungan tersebut berdasarkan ketersediaan sumber daya seperti makanan, habitat, dan air. Kapasitas ini dapat berubah seiring dengan kondisi lingkungan, misalnya ketersediaan sumber daya dan biaya pemeliharaannya. Dalam populasi manusia, perkembangan teknologi seperti Revolusi Hijau telah meningkatkan kapasitas daya dukung Bumi, sehingga banyak prediksi tentang penurunan populasi manusia, termasuk oleh Thomas Malthus pada abad ke-18.[87]
Komunitas ekologi terdiri dari populasi berbagai spesies yang hidup dalam suatu wilayah pada waktu yang sama. Dalam komunitas ini, terjadi interaksi biologis yang memengaruhi satu sama lain, baik antarindividu dalam spesies yang sama (interaksi intraspesifik) maupun antarindividu dari spesies yang berbeda (interaksi interspesifik). Interaksi ini dapat bersifat jangka pendek, seperti penyerbukan dan predasi, atau jangka panjang yang dapat memengaruhi evolusi spesies yang terlibat. Interaksi jangka panjang disebut simbiosis, yang mencakup berbagai bentuk hubungan, mulai dari mutualisme (menguntungkan kedua pihak) hingga kompetisi (merugikan kedua pihak).[88]
Setiap spesies berperan sebagai konsumen, sumber daya, atau keduanya dalam interaksi konsumen-sumber daya yang membentuk rantai atau jaringan makanan. Dalam jaringan makanan, terdapat tingkatan trofik, dengan produsen primer (autotrof) seperti tumbuhan dan alga sebagai dasar rantai makanan. Organisme ini mengubah energi dan bahan anorganik menjadi senyawa organik yang dapat digunakan oleh organisme lain. Konsumen primer (herbivora) memakan produsen, sedangkan konsumen sekunder (karnivora) memangsa herbivora. Konsumen tersier dan seterusnya berada di tingkat yang lebih tinggi. Omnivora dapat berperan di berbagai tingkat trofik. Sementara itu, dekomposer mendaur ulang energi dengan menguraikan limbah dan organisme yang telah mati. Hanya sekitar 10% energi dari satu tingkat trofik yang berpindah ke tingkat berikutnya, sementara sisanya hilang dalam bentuk panas dan material organik yang tidak dikonsumsi.[87]
Dalam ekosistem global atau biosfer, materi terdapat dalam berbagai bentuk yang dapat dikategorikan sebagai biotik atau abiotik serta dapat diakses atau tidak tergantung pada bentuk dan lokasinya. Misalnya, materi dari autotrof darat bersifat biotik dan dapat dimanfaatkan oleh organisme lain, sementara materi dalam batuan dan mineral bersifat abiotik dan tidak dapat langsung diakses. Siklus biogeokimia merupakan jalur pergerakan unsur-unsur tertentu melalui kompartemen biotik (biosfer) dan abiotik (litosfer, atmosfer, dan hidrosfer) di Bumi. Siklus ini mencakup perputaran unsur nitrogen, karbon, dan air, yang memainkan peran penting dalam keseimbangan ekosistem.[89]
Biologi konservasi adalah cabang ilmu yang berfokus pada pelestarian keanekaragaman hayati dengan tujuan melindungi spesies, habitat, dan ekosistem dari tingkat kepunahan yang tinggi serta hilangnya interaksi biologis.[90][91] Bidang ini mempelajari faktor-faktor yang memengaruhi pemeliharaan, kehilangan, dan pemulihan keanekaragaman hayati serta upaya mempertahankan proses evolusi yang menjaga keragaman genetik, populasi, spesies, dan ekosistem.[92][93][94]
Kekhawatiran terhadap kepunahan berasal dari perkiraan bahwa hingga 50% spesies di planet ini bisa hilang dalam 50 tahun ke depan, yang dapat berdampak pada meningkatnya kemiskinan, kelaparan, dan perubahan besar dalam jalur evolusi kehidupan di Bumi. Keanekaragaman hayati berperan dalam menjaga fungsi ekosistem yang menyediakan berbagai layanan ekologi bagi manusia. Para ahli biologi konservasi meneliti tren kehilangan keanekaragaman hayati, kepunahan spesies, serta dampaknya terhadap kesejahteraan manusia. Organisasi serta individu di seluruh dunia telah mengambil langkah-langkah konservasi melalui program penelitian, pemantauan, dan edukasi yang mencakup skala lokal hingga global untuk menghadapi krisis keanekaragaman hayati saat ini.[92][93][94][95]
Satu atau lebih kalimat sebelum ini menyertakan teks dari suatu terbitan yang sekarang berada pada ranah publik: Chisholm, Hugh, ed. (1911). . Encyclopædia Britannica (Edisi 11). Cambridge University Press. ; Photosynthesis–the synthesis by organisms of organic chemical compounds, esp. carbohydrates, from carbon dioxide using energy obtained from light rather than the oxidation of chemical compounds.
