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7.4 : Biotechnologie et génie génétique - Géosciences


Biotechnologie agricole est une gamme d'outils, y compris des techniques de sélection traditionnelles, qui modifient des organismes vivants, ou des parties d'organismes, pour fabriquer ou modifier des produits ; améliorer les plantes ou les animaux ; ou développer des micro-organismes pour des usages agricoles spécifiques. Ingénierie génétique est le nom de certaines méthodes utilisées par les scientifiques pour introduire de nouveaux traits ou caractéristiques dans un organisme (également appelées organisme génétiquement modifié ou alors organisme génétiquement modifié). Par exemple, les plantes peuvent être génétiquement modifiées pour produire des caractéristiques permettant d'améliorer la croissance ou le profil nutritionnel des cultures vivrières.

Avantages du génie génétique

Les défenseurs de la biotechnologie moderne et de l'ingénierie générique affirment que l'application de la biotechnologie à l'agriculture a été bénéfique pour les agriculteurs, les producteurs et les consommateurs.

Nutrition améliorée. Les progrès de la biotechnologie peuvent fournir aux consommateurs des aliments enrichis sur le plan nutritionnel (figure ci-dessous) ou qui durent plus longtemps, ou qui contiennent des niveaux inférieurs de certains toxiques naturels présents dans certaines plantes alimentaires. Les développeurs utilisent la biotechnologie pour essayer de réduire les graisses saturées dans les huiles de cuisson, de réduire les allergènes dans les aliments et d'augmenter les nutriments qui combattent les maladies dans les aliments. La biotechnologie peut également être utilisée pour conserver les ressources naturelles, permettre aux animaux d'utiliser plus efficacement les nutriments présents dans les aliments, réduire le ruissellement de nutriments dans les rivières et les baies et aider à répondre à la demande mondiale croissante en nourriture et en terres.

Figure (PageIndex{1}) : Riz blanc et riz doré. Le « riz doré » génétiquement modifié contient jusqu'à 35 g de β-carotène par gramme de riz.

Production moins chère et plus maniable. La biotechnologie peut fournir aux agriculteurs des outils qui peuvent rendre la production moins chère et plus gérable. Par exemple, certaines cultures biotechnologiques peuvent être conçues pour tolérer des herbicides spécifiques, ce qui rend le contrôle des mauvaises herbes plus simple et plus efficace. D'autres cultures ont été conçues pour être résistantes à des maladies végétales spécifiques et à des insectes nuisibles, ce qui peut rendre la lutte antiparasitaire plus fiable et efficace, et/ou peut réduire l'utilisation de pesticides synthétiques. Ces options de production agricole peuvent aider les pays à suivre le rythme de la demande alimentaire tout en réduisant les coûts de production.

Amélioration de la lutte antiparasitaire. La biotechnologie a contribué à rendre la lutte contre les insectes nuisibles et la gestion des mauvaises herbes plus sûres et plus faciles tout en protégeant les cultures contre les maladies. Par exemple, le coton génétiquement modifié résistant aux insectes a permis une réduction significative de l'utilisation de pesticides synthétiques persistants qui peuvent contaminer les eaux souterraines et l'environnement. En termes de contrôle amélioré des mauvaises herbes, le soja, le coton et le maïs tolérants aux herbicides permettent l'utilisation d'herbicides à risque réduit qui se décomposent plus rapidement dans le sol et ne sont pas toxiques pour la faune et les humains.

Préoccupations concernant les organismes génétiquement modifiés

La complexité des systèmes écologiques présente des défis considérables pour les expérimentations visant à évaluer les risques et les avantages et les inévitables incertitudes des OGM. L'évaluation de ces risques est extrêmement difficile, car les systèmes naturels et modifiés par l'homme sont très complexes et semés d'incertitudes qui peuvent ne pas être clarifiées avant la fin d'une introduction expérimentale. Les critiques des OGM avertissent que la culture des OGM, avec leurs avantages potentiels et leurs dangers pour l'environnement, devrait être soigneusement considérée dans des écosystèmes plus larges.

Croisement avec des espèces indigènes. Lorsque les organismes génétiquement modifiés sont autorisés à se reproduire avec les organismes qui ne sont pas génétiquement modifiés, alors ces organismes peuvent affecter la génétique des organismes non génétiquement modifiés. Pour cette raison, l'ensemble du système écologique pourrait être affecté. La principale préoccupation est que les organismes génétiquement modifiés pourraient conduire à l'extinction des organismes non GM et réduire la biodiversité.

Étiquetage des aliments GM. Afin de vérifier si des personnes ont subi des préjudices au fil des ans en consommant des GMF, en particulier dans des pays comme les États-Unis où l'alimentation des personnes est principalement composée de tels produits, la loi sur l'étiquetage obligatoire est fortement requise. Cependant, l'étiquetage n'est pas seulement une question de santé, il s'agit plutôt du droit des consommateurs à faire un choix éclairé. Bien qu'un système consensuel sur l'étiquetage des OGM soit crucial, il semble peu probable qu'un système d'étiquetage convenu au niveau international puisse être mis en place dans un avenir proche. Néanmoins, différents systèmes d'étiquetage des OGM ont été mis en place dans différents pays, allant de législations strictes à extrêmement clémentes voire inexistantes. Alors que l'UE a établi des réglementations strictes en matière d'étiquetage, aux États-Unis, au Canada et en Argentine, trois grands producteurs d'aliments OGM, de telles lois ont été proposées mais non adoptées par ces gouvernements. Un étiquetage approprié représente le mot « GM », ainsi que des informations supplémentaires sur les caractéristiques modifiées et la source externe du gène inséré. Un étiquetage négatif tel que « sans OGM » n'est pas suggéré, car il pourrait donner une mauvaise impression aux consommateurs. La loi pour l'étiquetage obligatoire des produits alimentaires génétiquement modifiés a été établie dans plus de 40 pays. Des sondages commandés par différentes organisations ont montré que les gens à travers le monde recherchent la transparence et le choix des consommateurs et pensent qu'un système d'étiquetage obligatoire sur les ingrédients GM est hautement requis : 88 % de Canadiens, 92 % d'Américains et 93 % de Français.

Les consommateurs ont le droit de choisir. La Fédération internationale du mouvement pour l'agriculture biologique a déployé des efforts rigoureux pour empêcher les OGM de la production biologique, mais certains agriculteurs biologiques américains ont découvert que leurs cultures de maïs (maïs), y compris les semences, contenaient des niveaux détectables d'ADN génétiquement modifié. Le mouvement biologique est fermement opposé à toute utilisation d'OGM dans l'agriculture, et les normes biologiques interdisent explicitement leur utilisation. Les agriculteurs, dont les semences sont contaminées, ont été soumis à une certification biologique stricte, qui garantit qu'ils n'ont utilisé aucun type de matériel génétiquement modifié dans leurs fermes. Toute trace d'OGM doit provenir de l'extérieur de leurs zones de production. Bien que l'origine exacte ne soit pas claire pour le moment, il est très probable que la pollution ait été causée par la dérive du pollen des champs d'OGM dans les zones environnantes. Cependant, la contamination peut également provenir de l'approvisionnement en semences. Les producteurs de semences, qui avaient l'intention de fournir des semences sans OGM, ont également été confrontés à une contamination génétique et ne peuvent garantir que leurs semences sont 100 % sans OGM.

Effets écologiques à long terme. Le maïs Bt produit du pollen transporté par le vent qui tue les chenilles du papillon monarque. Si les cycles de vie de ce papillon sont perturbés, les papillons monarques pourraient être en danger. L'agriculture pourrait être affectée à mesure que les mauvaises herbes acquièrent les gènes modifiés pour devenir plus compétitives. Le risque d'évolution de virus végétaux communs pour devenir plus résistants ou former de nouvelles souches sera considérablement accru. Si la modification génétique est effectuée à grande échelle, de nouveaux virus plus susceptibles de nuire à l'humanité peuvent évoluer, et la probabilité que cela se produise peut être assez élevée.

Risque pour la santé humaine. Au moins certains des gènes utilisés dans les OGM peuvent ne pas avoir été utilisés dans l'approvisionnement alimentaire auparavant, de sorte que les aliments GM peuvent présenter un risque potentiel pour la santé humaine. Une grande partie de la production GM actuellement cultivée dans le monde est destinée à l'alimentation animale. La FAO a conclu que les risques pour la santé humaine et animale liés à l'utilisation de cultures GM et d'enzymes dérivées de micro-organismes GM comme aliments pour animaux sont négligeables. Mais les scientifiques reconnaissent que l'on sait peu de choses sur la sécurité à long terme de la consommation d'aliments fabriqués à partir de produits GM. L'OMS reconnaît la nécessité de continuer à évaluer la sécurité des aliments génétiquement modifiés avant leur commercialisation afin de prévenir les risques pour la santé humaine et d'assurer une surveillance continue.

Le potentiel allergène des cultures GM est l'un des principaux effets indésirables suspectés sur la santé. De nombreuses données scientifiques indiquent que des animaux nourris avec des cultures OGM ont été blessés ou même morts. Les rats exposés à des pommes de terre ou du soja transgéniques présentaient des jeunes spermatozoïdes anormaux; les vaches, les chèvres, les buffles, les porcs et d'autres animaux pâturant du maïs Bt, des graines de coton GM et certains maïs biotech ont présenté des complications, notamment des accouchements précoces, des avortements, l'infertilité et de nombreux décès. Cependant, il s'agit d'un sujet controversé car les études menées par la société produisant les cultures biotechnologiques n'ont montré aucun effet négatif des cultures GM sur les souris.

Bien que les entreprises agro-biotechnologiques n'acceptent pas le lien direct entre la consommation d'OGM et les problèmes de santé humaine, il y a quelques exemples donnés par les opposants. Par exemple : Les maladies d'origine alimentaire telles que les allergies au soja ont augmenté au cours des 10 dernières années aux États-Unis et au Royaume-Uni et une épidémie de maladie de Morgellons aux États-Unis. Il existe également des rapports sur des centaines de villageois et de manipulateurs de coton qui ont développé une allergie cutanée en Inde. Des études récentes ont révélé que le maïs Bacillus thuringiensis exprime une protéine allergène qui modifie les réactions immunologiques globales dans le corps. Les rapports susmentionnés réalisés par des chercheurs indépendants sur les OGM ont suscité une inquiétude quant aux risques des OGM et aux risques inhérents associés à la technologie génétique.

Droits de propriété intellectuelle sont l'un des éléments importants du débat actuel sur les OGM. Les cultures GM sont brevetées par des entreprises agro-industrielles, ce qui conduit à la monopolisation de la nourriture agricole mondiale et au contrôle de la distribution de l'approvisionnement alimentaire mondial. Les activistes sociaux pensent que la raison cachée pour laquelle les entreprises de biotechnologie sont désireuses de produire des cultures OGM est qu'elles peuvent être privatisées, contrairement aux cultures ordinaires qui sont la propriété naturelle de toute l'humanité. On prétend par exemple que pour obtenir ce monopole, la grande entreprise agro-biotechnologique, Monsanto, a racheté de petites entreprises semencières au cours des 10 dernières années et est devenue la plus grande entreprise agro-biotechnologique au monde. Le droit de brevet pour les formes de vie végétales affecte également les moyens de subsistance des agriculteurs familiaux car ils sont tenus de signer un contrat les empêchant de conserver et de replanter les semences, ils doivent donc payer pour les semences chaque année.

Les critiques conseillent donc que les risques d'introduction d'un OGM dans chaque nouvel écosystème doivent être examinés au cas par cas, parallèlement à des mesures de gestion des risques appropriées, telles que le principe de précaution du protocole de Cartagena et la directive antiparasitaire de la CIPV. Évaluation des risques (ARP).


Les microbiologistes étudient les organismes microscopiques dans un large éventail de milieux scientifiques et de laboratoire, mais ceux qui font carrière en biotechnologie sont généralement impliqués dans le développement de médicaments pour prévenir ou traiter des maladies. Par exemple, en mai 2019, environ 13 pour cent travaillaient dans des laboratoires universitaires, le gouvernement fédéral représentait 7 pour cent des emplois de microbiologiste dans les États et le gouvernement local, 7 pour cent et 23 pour cent étaient employés dans la recherche et le développement. Selon le Bureau of Labor Statistics, ou BLS, les microbiologistes gagnaient un salaire annuel médian de ​$75,650​ en mai 2019. Le BLS prévoit une croissance de l'emploi de 3% dans le domaine entre 2019 et 2029, à peu près aussi rapide que la moyenne.

Les biochimistes et les biophysiciens étudient les principes chimiques et physiques sous-jacents des organismes et des processus biologiques connexes, y compris le développement, la croissance et la génétique cellulaires. Les activités typiques comprennent l'isolement et la synthèse de protéines, d'enzymes et d'ADN, ou l'étude de l'effet de médicaments, d'hormones ou de produits alimentaires sur les processus biologiques. Certains biochimistes travaillent au développement d'antidotes aux poisons ou d'anti-venin pour les traitements contre les morsures de serpents ou d'araignées, par exemple. En mai 2019, les biochimistes et les biophysiciens ont remporté un salaire médian de ​$94,490​ par an et par an, a rapporté le BLS. Les professionnels des domaines de la biochimie et de la biophysique devraient connaître une croissance de l'emploi de 4 % prévue pour 2019 à 2029.


Biotechnologie appliquée

La biotechnologie appliquée offre l'opportunité majeure d'étudier la science à la pointe de la technologie, de l'innovation et même de la science elle-même. La microbiologie appliquée et la biotechnologie se concentrent sur les cellules procaryotes ou eucaryotes, les enzymes et protéines pertinentes, la génétique appliquée et la biotechnologie moléculaire, la génomique et la protéomique, la physiologie microbienne et cellulaire appliquée, les processus et produits de biotechnologie environnementale et plus encore.

Revues connexes de biotechnologie appliquée

Opinion actuelle sur la biotechnologie, les progrès de la biotechnologie, la biotechnologie pour les biocarburants, le Journal of Bioprocessing & Biotechniques, le Journal of Bioterrorism & Biodefense, la biologie moléculaire, la biologie et la médecine, la sélection végétale et la biotechnologie appliquée, la mycologie et la biotechnologie appliquées, la revue asiatique de la biotechnologie et du développement, les applications de la biotechnologie Journaux, Journal of Applied Biomaterials & Fundamental Materials.


Industrie mondiale du biohacking jusqu'en 2027 - Les acteurs incluent Thync Global, Apple et Synbiota, entre autres - ResearchAndMarkets.com

La taille du marché mondial du biohacking devrait atteindre 52 779,36 millions de dollars d'ici 2027, selon l'étude. Le rapport donne un aperçu détaillé de la dynamique actuelle du marché et fournit une analyse de la croissance future du marché.

Le biohacking est une expérience biologique menée dans un petit laboratoire et effectuée par un individu ou une petite communauté. C'est pourquoi le biohacking est aussi appelé Do-It-Yourself (DIY). Les expériences biologiques réalisées dans les garages labos pourraient être du génie génétique, de l'impression 3D utilisant des bactéries sensibles à la lumière. De plus, les biohackers sont en cours et ont développé divers produits pour explorer le corps et l'esprit humains, tels que des médicaments intelligents, des puces électroniques, des capteurs cérébraux, des empreintes digitales magnétiques, des implants RFID, des souches bactériennes et de levure, un tensiomètre intelligent et un suivi de la santé.

Pour les changements fonctionnels ou esthétiques, les biohackers ont mis en œuvre la technologie dans leur propre corps. Par exemple, l'artiste Neil Harbission a un daltonisme exceptionnel en raison duquel il ne voyait chaque objet qu'en gris. Plus tard, lui et son équipe ont développé un logiciel qui transpose les couleurs en vibration à l'aide d'une extension de caméra montée sur la tête.

La prise de conscience croissante du biohacking et la prévalence croissante des maladies chroniques à travers le monde sont les facteurs qui stimulent la croissance du marché. Actuellement, la crise du COVID-19 a entraîné une augmentation de la croissance du marché pour les industries pharmaceutiques, et plusieurs activités de R&D ont été menées par les sociétés pour développer un médicament approprié et contrôler la crise. Par conséquent, l'augmentation des activités de recherche et de développement de la société est le facteur prévu pour alimenter le marché.

Cependant, le manque de pratiques et d'expertise en matière de cybersécurité, les réglementations sévères qui régissent les expériences de génie génétique devraient freiner la croissance du marché au cours de la période de projection. D'autre part, le manque de financement de la recherche et du développement par le gouvernement reste un autre facteur qui limite la croissance du marché. De plus, Salvia Bioelectronics, une start-up néerlandaise, développe un dispositif implantable de neurostimulation pour arrêter les migraines chroniques. À ses débuts en R&D, la société a levé avec succès un fonds de 1,8 million d'euros en 2019. De plus, de plus petites startups américaines comme CVRx ont levé 340,6 millions de dollars tandis que Setpoint a levé 84,3 millions de dollars. CVRx fabrique des implants pour le traitement de l'insuffisance cardiaque tandis que Setpoint développe des dispositifs neuronaux pour le traitement de l'arthrite et de la maladie de Crohn. Cela montre une grande opportunité pour les biohackers.

Entreprises mentionnées

  • Thync Global Inc.
  • Pomme
  • HVMN inc.
  • Synbiote
  • Produits humides Grindhouse
  • MoodMetric
  • L'ODIN
  • Fitbit Inc

Principaux sujets abordés :

1. Introduction

2. Résumé exécutif

3. Méthodologie de recherche

4. Aperçu du marché du biohacking

4.1. Biohacking - Aperçu de l'industrie

4.2. Dynamique du marché du biohacking

4.2.1. Moteurs et opportunités

4.2.1.1. Les progrès technologiques

4.2.1.2. Financement soutenu par le gouvernement

4.2.2. Contraintes et défis

4.3. Analyse des cinq forces de Porter

4.5. Marché du biohacking Tendances de l'industrie

5. Évaluation du marché du biohacking par type

6. Marché mondial du biohacking, par produit

7. Marché mondial du biohacking, par application

7.2.1. Marché mondial du biohacking, par application, 2016-2027 (millions USD)

7.3.1. Marché mondial du biohacking, par biologie synthétique, par région, 2016-2027 (millions USD)

7.4.1. Marché mondial du biohacking, par génie génétique, par région, 2016-2027 (millions USD)

7.5.1. Marché mondial du biohacking, par science médico-légale, par région, 2016-2027 (millions USD)

7.6.1. Marché mondial du biohacking, par diagnostic et traitement, par région, 2016-2027 (millions USD)

7.7.1. Marché mondial du biohacking, par test de dépistage de drogues, par région, 2016-2027 (millions USD)

8. Évaluation du marché du biohacking par utilisation finale

8.2.1. Marché mondial du biohacking, par utilisation finale, 2016-2027 (millions USD)

8.3. Entreprises pharmaceutiques et biotechnologiques

8.3.1. Marché mondial du biohacking, par sociétés pharmaceutiques et de biotechnologie, par région, 2016-2027 (millions USD)

8.4.1. Marché mondial du biohacking, par laboratoires médico-légaux, par région, 2016-2027 (millions USD)

8.5.1. Marché mondial du biohacking, par d'autres, par région, 2016-2027 (millions USD)


La science biomédicale est l'étude du corps humain, de sa structure et de sa fonction dans la santé et les maladies. L'objectif principal de la science biomédicale est de comprendre les mécanismes des maladies (à l'aide de techniques sophistiquées) et de travailler au diagnostic et au traitement de ces maladies. La science biomédicale traite principalement des faits, des théories et des modèles décrivant des phénomènes biologiques et cliniques.

En tant qu'étudiant de premier cycle en sciences biomédicales, vous étudierez un large éventail de sujets - biologie humaine, physiologie, anatomie, pathologie, biologie moléculaire et cellulaire, biochimie, microbiologie, pharmacologie, biostatistique, maladies infectieuses, immunologie, neurosciences, chimie analytique , bioinformatique, protéomique, etc. Votre objectif sera de comprendre comment les cellules, les organes et les systèmes fonctionnent dans le corps humain dans des états sains et malades.


Trop d'informations? Le paradoxe de l'élargissement des ensembles de données génétiques pour l'évaluation des embryons humains lors de la fécondation in vitro (FIV)

Introduction

Le diagnostic génétique préimplantatoire (DPI) permet le diagnostic génétique des embryons issus de la fécondation in vitro (FIV), dans le but d'éviter la transmission de maladies génétiques à la descendance. Le DPI représente une alternative au diagnostic prénatal et à l'interruption de grossesse chez les couples à risque de transmettre ces troubles. Depuis la première application du DPI [1] , il est disponible pour un grand nombre de maladies génétiques rares, et le nombre de cycles augmente chaque année [2] . Le DPI peut être réalisé aujourd'hui pour toute maladie génétique lorsque le gène spécifique et/ou la mutation familiale sont connus. En outre, il est effectué pour les anomalies chromosomiques (porteurs de translocations équilibrées, d'inversions et de chromosomes en anneau) à l'aide de nouvelles technologies (puce et séquençage de nouvelle génération) pour l'évaluation du nombre de copies de chromosomes (par exemple, test d'aneuploïdie, dépistage génétique préimplantatoire). La question de savoir s'il faut autoriser ou même suggérer le DPI pour les personnes à risque de maladies non létales chez la progéniture a commencé à émerger dans la communauté médicale. Au début de la pratique du DPI, il était clair que l'objectif principal de la technologie était de prévenir les affections mortelles de l'enfance (c'est-à-dire Tay-Sachs, amyotrophie spinale, thalassémies).


Contenu

Les premiers humains doivent avoir eu et transmis des connaissances sur les plantes et les animaux pour augmenter leurs chances de survie. Cela peut avoir inclus la connaissance de l'anatomie humaine et animale et des aspects du comportement animal (tels que les schémas de migration). Cependant, le premier tournant majeur dans les connaissances biologiques est venu avec la révolution néolithique il y a environ 10 000 ans. L'homme a d'abord domestiqué les plantes pour l'agriculture, puis les animaux d'élevage pour accompagner les sociétés sédentaires qui en ont résulté. [1]

Vers 3000 à 1200 avant notre ère, les anciens Égyptiens et Mésopotamiens ont apporté des contributions à l'astronomie, aux mathématiques et à la médecine, [2] [3] qui plus tard sont entrés et ont façonné la philosophie naturelle grecque de l'antiquité classique, une période qui a profondément influencé le développement de ce qui est venu être connu sous le nom de biologie. [1]

Egypte Ancienne Modifier

Plus d'une douzaine de papyrus médicaux ont été conservés, notamment le papyrus Edwin Smith (le plus ancien manuel chirurgical existant) et le papyrus Ebers (un manuel de préparation et d'utilisation de la matière médicale pour diverses maladies), tous deux datant d'environ 1600 avant notre ère. [2]

L'Egypte ancienne est également connue pour développer l'embaumement, qui était utilisé pour la momification, afin de préserver les restes humains et de prévenir la décomposition. [1]

Mésopotamie Modifier

Les Mésopotamiens semblent avoir eu peu d'intérêt pour le monde naturel en tant que tel, préférant étudier comment les dieux avaient ordonné l'univers. La physiologie animale a été étudiée pour la divination, notamment l'anatomie du foie, considérée comme un organe important dans l'haruspicy. Le comportement animal a également été étudié à des fins divinatoires. La plupart des informations sur l'entraînement et la domestication des animaux ont probablement été transmises oralement, mais un texte traitant de l'entraînement des chevaux a survécu. [4]

Les anciens Mésopotamiens n'avaient aucune distinction entre la « science rationnelle » et la magie. [5] [6] [7] Lorsqu'une personne tombait malade, les médecins prescrivaient à la fois des formules magiques à réciter et des traitements médicinaux. [5] [6] [7] Les premières prescriptions médicales apparaissent en sumérien pendant la troisième dynastie d'Ur (vers 2112 – vers 2004 avant notre ère). [8] Le texte médical babylonien le plus complet, cependant, est le Manuel de diagnostic écrit par le ummânū, ou érudit en chef, Esagil-kin-apli de Borsippa, [9] pendant le règne du roi babylonien Adad-apla-iddina (1069 - 1046 avant notre ère). [10] Dans les cultures sémitiques orientales, la principale autorité médicinale était un exorciste-guérisseur connu sous le nom de āšipu. [5] [6] [7] La ​​profession a été transmise de père en fils et a été tenue en haute estime. [5] Parmi les recours moins fréquents, le asu, un guérisseur qui traitait les symptômes physiques en utilisant des remèdes composés d'herbes, de produits d'origine animale et de minéraux, ainsi que des potions, des lavements et des onguents ou des cataplasmes. Ces médecins, qui pouvaient être des hommes ou des femmes, pansaient également les plaies, réparaient les membres et pratiquaient des interventions chirurgicales simples. Les anciens Mésopotamiens pratiquaient également la prophylaxie et prenaient des mesures pour empêcher la propagation des maladies. [4]

Des observations et des théories concernant la nature et la santé humaine, distinctes des traditions occidentales, avaient émergé indépendamment dans d'autres civilisations telles que celles de la Chine et du sous-continent indien. [1] Dans la Chine ancienne, les conceptions antérieures peuvent être trouvées dispersées dans plusieurs disciplines différentes, y compris le travail des herboristes, des médecins, des alchimistes et des philosophes. La tradition taoïste de l'alchimie chinoise, par exemple, mettait l'accent sur la santé (le but ultime étant l'élixir de vie). Le système de la médecine chinoise classique tournait généralement autour de la théorie du yin et du yang et des cinq phases. [1] Les philosophes taoïstes, tels que Zhuangzi au 4ème siècle avant notre ère, ont également exprimé des idées liées à l'évolution, telles que nier la fixité des espèces biologiques et spéculer que les espèces avaient développé des attributs différents en réponse à des environnements différents. [11]

L'un des plus anciens systèmes de médecine organisés est connu du sous-continent indien sous la forme de l'Ayurveda, originaire d'Atharvaveda vers 1500 avant notre ère (l'un des quatre livres les plus anciens de la connaissance, de la sagesse et de la culture indiennes).

L'ancienne tradition ayurvédique indienne a développé indépendamment le concept de trois humeurs, ressemblant à celui des quatre humeurs de la médecine grecque antique, bien que le système ayurvédique incluait d'autres complications, telles que le corps étant composé de cinq éléments et de sept tissus de base. Les auteurs ayurvédiques ont également classé les êtres vivants en quatre catégories en fonction de la méthode de naissance (de l'utérus, des œufs, de la chaleur et de l'humidité et des graines) et ont expliqué en détail la conception d'un fœtus. Ils ont également fait des progrès considérables dans le domaine de la chirurgie, souvent sans l'utilisation de la dissection humaine ou de la vivisection animale. [1] L'un des premiers traités ayurvédiques était le Sushruta Samhita, attribué à Sushruta au 6ème siècle avant notre ère. C'était aussi une première matière médicale, décrivant 700 plantes médicinales, 64 préparations d'origine minérale et 57 préparations d'origine animale. [12]

Les philosophes présocratiques posaient de nombreuses questions sur la vie mais produisaient peu de connaissances systématiques d'intérêt spécifiquement biologique, bien que les tentatives des atomistes pour expliquer la vie en termes purement physiques se reproduisent périodiquement à travers l'histoire de la biologie. Cependant, les théories médicales d'Hippocrate et de ses disciples, en particulier l'humour, ont eu un impact durable. [1]

Le philosophe Aristote était le savant le plus influent du monde vivant de l'antiquité classique. Bien que ses premiers travaux en philosophie naturelle aient été spéculatifs, les écrits biologiques ultérieurs d'Aristote étaient plus empiriques, se concentrant sur la causalité biologique et la diversité de la vie. Il a fait d'innombrables observations de la nature, en particulier les habitudes et les attributs des plantes et des animaux du monde qui l'entoure, qu'il a consacré une attention considérable à la catégorisation. En tout, Aristote a classé 540 espèces animales et en a disséqué au moins 50. Il croyait que les objectifs intellectuels, les causes formelles, guidaient tous les processus naturels. [13]

Aristote, et presque tous les savants occidentaux après lui jusqu'au XVIIIe siècle, croyaient que les créatures étaient arrangées selon une échelle graduée de perfection allant des plantes jusqu'aux humains : le scala naturae ou Grande Chaîne de l'Être. [14] Le successeur d'Aristote au Lycée, Théophraste, a écrit une série de livres sur la botanique - le Histoire des plantes-qui a survécu comme la contribution la plus importante de l'antiquité à la botanique, même au Moyen Âge. Beaucoup de noms de Théophraste survivent jusqu'aux temps modernes, tels que carpos pour les fruits, et péricarpe pour navire semencier. Dioscoride a écrit une pharmacopée pionnière et encyclopédique, De la matière médicale, incorporant des descriptions de quelque 600 plantes et de leurs utilisations en médecine. Pline l'Ancien, dans son Histoire naturelle, a rassemblé un compte rendu encyclopédique similaire des choses dans la nature, y compris des comptes rendus de nombreuses plantes et animaux. [15]

Quelques érudits de la période hellénistique sous les Ptolémées, en particulier Hérophile de Chalcédoine et Érasistrate de Chios, ont amendé les travaux physiologiques d'Aristote, allant même jusqu'à effectuer des dissections et des vivisections. [16] Claudius Galen est devenu l'autorité la plus importante sur la médecine et l'anatomie. Bien que quelques atomistes anciens tels que Lucrèce aient contesté le point de vue téléologique aristotélicien selon lequel tous les aspects de la vie sont le résultat d'un dessein ou d'un but, la téléologie (et après la montée du christianisme, la théologie naturelle) resterait au cœur de la pensée biologique essentiellement jusqu'aux 18 et 19 des siècles. Ernst W. Mayr a soutenu que "Rien de réelle conséquence ne s'est produit en biologie après Lucrèce et Galien jusqu'à la Renaissance." [17] Les idées des traditions grecques d'histoire naturelle et de médecine ont survécu, mais elles ont été généralement prises sans questionnement dans l'Europe médiévale. [18]

Le déclin de l'Empire romain a conduit à la disparition ou à la destruction de nombreuses connaissances, bien que les médecins aient encore incorporé de nombreux aspects de la tradition grecque dans la formation et la pratique. À Byzance et dans le monde islamique, de nombreuses œuvres grecques ont été traduites en arabe et de nombreuses œuvres d'Aristote ont été conservées. [19]

Pendant le haut Moyen Âge, quelques savants européens tels que Hildegarde de Bingen, Albertus Magnus et Frédéric II ont écrit sur l'histoire naturelle. L'essor des universités européennes, bien qu'important pour le développement de la physique et de la philosophie, a eu peu d'impact sur l'érudition biologique. [20]

La Renaissance européenne a suscité un intérêt accru pour l'histoire naturelle empirique et la physiologie. En 1543, Andreas Vesalius a inauguré l'ère moderne de la médecine occidentale avec son traité d'anatomie humaine séminal De humani corporis fabrica, qui était basé sur la dissection de cadavres. Vésale a été le premier d'une série d'anatomistes qui ont progressivement remplacé la scolastique par l'empirisme en physiologie et en médecine, s'appuyant sur l'expérience de première main plutôt que sur l'autorité et le raisonnement abstrait. Via l'herboristerie, la médecine fut aussi indirectement la source d'un nouvel empirisme dans l'étude des plantes. Otto Brunfels, Hieronymus Bock et Leonhart Fuchs ont beaucoup écrit sur les plantes sauvages, le début d'une approche basée sur la nature de l'ensemble de la vie végétale. [21] Les bestiaires, genre qui combine à la fois la connaissance naturelle et figurative des animaux, se sont également perfectionnés, notamment avec les travaux de William Turner, Pierre Belon, Guillaume Rondelet, Conrad Gessner et Ulisse Aldrovandi. [22]

Des artistes tels qu'Albrecht Dürer et Léonard de Vinci, travaillant souvent avec des naturalistes, s'intéressaient également aux corps des animaux et des humains, étudiant la physiologie en détail et contribuant à la croissance des connaissances anatomiques. [23] Les traditions de l'alchimie et de la magie naturelle, en particulier dans l'œuvre de Paracelse, revendiquaient également la connaissance du monde vivant. Les alchimistes soumettaient la matière organique à une analyse chimique et expérimentaient généreusement la pharmacologie biologique et minérale. [24] Cela faisait partie d'une transition plus large dans les visions du monde (la montée de la philosophie mécanique) qui s'est poursuivie au 17ème siècle, comme la métaphore traditionnelle de la nature comme organisme a été remplacé par le la nature comme machine métaphore. [25]

Systématiser, nommer et classer l'histoire naturelle a dominé pendant une grande partie des XVIIe et XVIIIe siècles. Carl Linnaeus a publié une taxonomie de base pour le monde naturel en 1735 (dont des variantes ont été utilisées depuis), et dans les années 1750, il a introduit des noms scientifiques pour toutes ses espèces. [26] Alors que Linné concevait les espèces comme des parties immuables d'une hiérarchie conçue, l'autre grand naturaliste du XVIIIe siècle, Georges-Louis Leclerc, comte de Buffon, traitait les espèces comme des catégories artificielles et les formes vivantes comme malléables — suggérant même la possibilité de descendance commune. Bien qu'il soit opposé à l'évolution, Buffon est une figure clé dans l'histoire de la pensée évolutionniste, son travail influencerait les théories évolutionnistes de Lamarck et de Darwin. [27]

La découverte et la description de nouvelles espèces et la collecte de spécimens sont devenues une passion de messieurs scientifiques et une entreprise lucrative pour les entrepreneurs de nombreux naturalistes ont parcouru le monde à la recherche de connaissances scientifiques et d'aventures. [28]

Extending the work of Vesalius into experiments on still living bodies (of both humans and animals), William Harvey and other natural philosophers investigated the roles of blood, veins and arteries. Harvey's De motu cordis in 1628 was the beginning of the end for Galenic theory, and alongside Santorio Santorio's studies of metabolism, it served as an influential model of quantitative approaches to physiology. [29]

In the early 17th century, the micro-world of biology was just beginning to open up. A few lensmakers and natural philosophers had been creating crude microscopes since the late 16th century, and Robert Hooke published the seminal Micrographia based on observations with his own compound microscope in 1665. But it was not until Antonie van Leeuwenhoek's dramatic improvements in lensmaking beginning in the 1670s—ultimately producing up to 200-fold magnification with a single lens—that scholars discovered spermatozoa, bacteria, infusoria and the sheer strangeness and diversity of microscopic life. Similar investigations by Jan Swammerdam led to new interest in entomology and built the basic techniques of microscopic dissection and staining. [30]

As the microscopic world was expanding, the macroscopic world was shrinking. Botanists such as John Ray worked to incorporate the flood of newly discovered organisms shipped from across the globe into a coherent taxonomy, and a coherent theology (natural theology). [31] Debate over another flood, the Noachian, catalyzed the development of paleontology in 1669 Nicholas Steno published an essay on how the remains of living organisms could be trapped in layers of sediment and mineralized to produce fossils. Although Steno's ideas about fossilization were well known and much debated among natural philosophers, an organic origin for all fossils would not be accepted by all naturalists until the end of the 18th century due to philosophical and theological debate about issues such as the age of the earth and extinction. [32]

Up through the 19th century, the scope of biology was largely divided between medicine, which investigated questions of form and function (i.e., physiology), and natural history, which was concerned with the diversity of life and interactions among different forms of life and between life and non-life. By 1900, much of these domains overlapped, while natural history (and its counterpart natural philosophy) had largely given way to more specialized scientific disciplines—cytology, bacteriology, morphology, embryology, geography, and geology.

Use of the term biology Éditer

Le terme biology in its modern sense appears to have been introduced independently by Thomas Beddoes (in 1799), [33] Karl Friedrich Burdach (in 1800), Gottfried Reinhold Treviranus (Biologie oder Philosophie der lebenden Natur, 1802) and Jean-Baptiste Lamarck (Hydrogéologie, 1802). [34] [35] The word itself appears in the title of Volume 3 of Michael Christoph Hanow's Philosophiae naturalis sive physicae dogmaticae: Geologia, biologia, phytologia generalis et dendrologia, published in 1766.

Before biology, there were several terms used for the study of animals and plants. Natural history referred to the descriptive aspects of biology, though it also included mineralogy and other non-biological fields from the Middle Ages through the Renaissance, the unifying framework of natural history was the scala naturae or Great Chain of Being. Natural philosophy et natural theology encompassed the conceptual and metaphysical basis of plant and animal life, dealing with problems of why organisms exist and behave the way they do, though these subjects also included what is now geology, physics, chemistry, and astronomy. Physiology and (botanical) pharmacology were the province of medicine. Botany, zoology, and (in the case of fossils) geology replaced natural history et natural philosophy in the 18th and 19th centuries before biology was widely adopted. [36] [37] To this day, "botany" and "zoology" are widely used, although they have been joined by other sub-disciplines of biology.

Natural history and natural philosophy Edit

Widespread travel by naturalists in the early-to-mid-19th century resulted in a wealth of new information about the diversity and distribution of living organisms. Of particular importance was the work of Alexander von Humboldt, which analyzed the relationship between organisms and their environment (i.e., the domain of natural history) using the quantitative approaches of natural philosophy (i.e., physics and chemistry). Humboldt's work laid the foundations of biogeography and inspired several generations of scientists. [38]

Geology and paleontology Edit

The emerging discipline of geology also brought natural history and natural philosophy closer together the establishment of the stratigraphic column linked the spatial distribution of organisms to their temporal distribution, a key precursor to concepts of evolution. Georges Cuvier and others made great strides in comparative anatomy and paleontology in the late 1790s and early 19th century. In a series of lectures and papers that made detailed comparisons between living mammals and fossil remains Cuvier was able to establish that the fossils were remains of species that had become extinct—rather than being remains of species still alive elsewhere in the world, as had been widely believed. [39] Fossils discovered and described by Gideon Mantell, William Buckland, Mary Anning, and Richard Owen among others helped establish that there had been an 'age of reptiles' that had preceded even the prehistoric mammals. These discoveries captured the public imagination and focused attention on the history of life on earth. [40] Most of these geologists held to catastrophism, but Charles Lyell's influential Principles of Geology (1830) popularised Hutton's uniformitarianism, a theory that explained the geological past and present on equal terms. [41]

Evolution and biogeography Edit

The most significant evolutionary theory before Darwin's was that of Jean-Baptiste Lamarck based on the inheritance of acquired characteristics (an inheritance mechanism that was widely accepted until the 20th century), it described a chain of development stretching from the lowliest microbe to humans. [42] The British naturalist Charles Darwin, combining the biogeographical approach of Humboldt, the uniformitarian geology of Lyell, Thomas Malthus's writings on population growth, and his own morphological expertise, created a more successful evolutionary theory based on natural selection similar evidence led Alfred Russel Wallace to independently reach the same conclusions. [43]

The 1859 publication of Darwin's theory in On the Origin of Species by Means of Natural Selection, or the Preservation of Favoured Races in the Struggle for Life is often considered the central event in the history of modern biology. Darwin's established credibility as a naturalist, the sober tone of the work, and most of all the sheer strength and volume of evidence presented, allowed Origin to succeed where previous evolutionary works such as the anonymous Vestiges of Creation had failed. Most scientists were convinced of evolution and common descent by the end of the 19th century. However, natural selection would not be accepted as the primary mechanism of evolution until well into the 20th century, as most contemporary theories of heredity seemed incompatible with the inheritance of random variation. [44]

Wallace, following on earlier work by de Candolle, Humboldt and Darwin, made major contributions to zoogeography. Because of his interest in the transmutation hypothesis, he paid particular attention to the geographical distribution of closely allied species during his field work first in South America and then in the Malay archipelago. While in the archipelago he identified the Wallace line, which runs through the Spice Islands dividing the fauna of the archipelago between an Asian zone and a New Guinea/Australian zone. His key question, as to why the fauna of islands with such similar climates should be so different, could only be answered by considering their origin. In 1876 he wrote The Geographical Distribution of Animals, which was the standard reference work for over half a century, and a sequel, Island Life, in 1880 that focused on island biogeography. He extended the six-zone system developed by Philip Sclater for describing the geographical distribution of birds to animals of all kinds. His method of tabulating data on animal groups in geographic zones highlighted the discontinuities and his appreciation of evolution allowed him to propose rational explanations, which had not been done before. [45] [46]

The scientific study of heredity grew rapidly in the wake of Darwin's Origin of Species with the work of Francis Galton and the biometricians. The origin of genetics is usually traced to the 1866 work of the monk Gregor Mendel, who would later be credited with the laws of inheritance. However, his work was not recognized as significant until 35 years afterward. In the meantime, a variety of theories of inheritance (based on pangenesis, orthogenesis, or other mechanisms) were debated and investigated vigorously. [47] Embryology and ecology also became central biological fields, especially as linked to evolution and popularized in the work of Ernst Haeckel. Most of the 19th century work on heredity, however, was not in the realm of natural history, but that of experimental physiology.

Physiology Edit

Over the course of the 19th century, the scope of physiology expanded greatly, from a primarily medically oriented field to a wide-ranging investigation of the physical and chemical processes of life—including plants, animals, and even microorganisms in addition to man. Living things as machines became a dominant metaphor in biological (and social) thinking. [48]

Cell theory, embryology and germ theory Edit

Advances in microscopy also had a profound impact on biological thinking. In the early 19th century, a number of biologists pointed to the central importance of the cell. In 1838 and 1839, Schleiden and Schwann began promoting the ideas that (1) the basic unit of organisms is the cell and (2) that individual cells have all the characteristics of life, though they opposed the idea that (3) all cells come from the division of other cells. Thanks to the work of Robert Remak and Rudolf Virchow, however, by the 1860s most biologists accepted all three tenets of what came to be known as cell theory. [49]

Cell theory led biologists to re-envision individual organisms as interdependent assemblages of individual cells. Scientists in the rising field of cytology, armed with increasingly powerful microscopes and new staining methods, soon found that even single cells were far more complex than the homogeneous fluid-filled chambers described by earlier microscopists. Robert Brown had described the nucleus in 1831, and by the end of the 19th century cytologists identified many of the key cell components: chromosomes, centrosomes mitochondria, chloroplasts, and other structures made visible through staining. Between 1874 and 1884 Walther Flemming described the discrete stages of mitosis, showing that they were not artifacts of staining but occurred in living cells, and moreover, that chromosomes doubled in number just before the cell divided and a daughter cell was produced. Much of the research on cell reproduction came together in August Weismann's theory of heredity: he identified the nucleus (in particular chromosomes) as the hereditary material, proposed the distinction between somatic cells and germ cells (arguing that chromosome number must be halved for germ cells, a precursor to the concept of meiosis), and adopted Hugo de Vries's theory of pangenes. Weismannism was extremely influential, especially in the new field of experimental embryology. [50]

By the mid-1850s the miasma theory of disease was largely superseded by the germ theory of disease, creating extensive interest in microorganisms and their interactions with other forms of life. By the 1880s, bacteriology was becoming a coherent discipline, especially through the work of Robert Koch, who introduced methods for growing pure cultures on agar gels containing specific nutrients in Petri dishes. The long-held idea that living organisms could easily originate from nonliving matter (spontaneous generation) was attacked in a series of experiments carried out by Louis Pasteur, while debates over vitalism vs. mechanism (a perennial issue since the time of Aristotle and the Greek atomists) continued apace. [51]

Rise of organic chemistry and experimental physiology Edit

In chemistry, one central issue was the distinction between organic and inorganic substances, especially in the context of organic transformations such as fermentation and putrefaction. Since Aristotle these had been considered essentially biological (vital) processes. However, Friedrich Wöhler, Justus Liebig and other pioneers of the rising field of organic chemistry—building on the work of Lavoisier—showed that the organic world could often be analyzed by physical and chemical methods. In 1828 Wöhler showed that the organic substance urea could be created by chemical means that do not involve life, providing a powerful challenge to vitalism. Cell extracts ("ferments") that could effect chemical transformations were discovered, beginning with diastase in 1833. By the end of the 19th century the concept of enzymes was well established, though equations of chemical kinetics would not be applied to enzymatic reactions until the early 20th century. [52]

Physiologists such as Claude Bernard explored (through vivisection and other experimental methods) the chemical and physical functions of living bodies to an unprecedented degree, laying the groundwork for endocrinology (a field that developed quickly after the discovery of the first hormone, secretin, in 1902), biomechanics, and the study of nutrition and digestion. The importance and diversity of experimental physiology methods, within both medicine and biology, grew dramatically over the second half of the 19th century. The control and manipulation of life processes became a central concern, and experiment was placed at the center of biological education. [53]

At the beginning of the 20th century, biological research was largely a professional endeavour. Most work was still done in the natural history mode, which emphasized morphological and phylogenetic analysis over experiment-based causal explanations. However, anti-vitalist experimental physiologists and embryologists, especially in Europe, were increasingly influential. The tremendous success of experimental approaches to development, heredity, and metabolism in the 1900s and 1910s demonstrated the power of experimentation in biology. In the following decades, experimental work replaced natural history as the dominant mode of research. [54]

Ecology and environmental science Edit

In the early 20th century, naturalists were faced with increasing pressure to add rigor and preferably experimentation to their methods, as the newly prominent laboratory-based biological disciplines had done. Ecology had emerged as a combination of biogeography with the biogeochemical cycle concept pioneered by chemists field biologists developed quantitative methods such as the quadrat and adapted laboratory instruments and cameras for the field to further set their work apart from traditional natural history. Zoologists and botanists did what they could to mitigate the unpredictability of the living world, performing laboratory experiments and studying semi-controlled natural environments such as gardens new institutions like the Carnegie Station for Experimental Evolution and the Marine Biological Laboratory provided more controlled environments for studying organisms through their entire life cycles. [55]

The ecological succession concept, pioneered in the 1900s and 1910s by Henry Chandler Cowles and Frederic Clements, was important in early plant ecology. [56] Alfred Lotka's predator-prey equations, G. Evelyn Hutchinson's studies of the biogeography and biogeochemical structure of lakes and rivers (limnology) and Charles Elton's studies of animal food chains were pioneers among the succession of quantitative methods that colonized the developing ecological specialties. Ecology became an independent discipline in the 1940s and 1950s after Eugene P. Odum synthesized many of the concepts of ecosystem ecology, placing relationships between groups of organisms (especially material and energy relationships) at the center of the field. [57]

In the 1960s, as evolutionary theorists explored the possibility of multiple units of selection, ecologists turned to evolutionary approaches. In population ecology, debate over group selection was brief but vigorous by 1970, most biologists agreed that natural selection was rarely effective above the level of individual organisms. The evolution of ecosystems, however, became a lasting research focus. Ecology expanded rapidly with the rise of the environmental movement the International Biological Program attempted to apply the methods of big science (which had been so successful in the physical sciences) to ecosystem ecology and pressing environmental issues, while smaller-scale independent efforts such as island biogeography and the Hubbard Brook Experimental Forest helped redefine the scope of an increasingly diverse discipline. [58]

Classical genetics, the modern synthesis, and evolutionary theory Edit

1900 marked the so-called rediscovery of Mendel: Hugo de Vries, Carl Correns, and Erich von Tschermak independently arrived at Mendel's laws (which were not actually present in Mendel's work). [59] Soon after, cytologists (cell biologists) proposed that chromosomes were the hereditary material. Between 1910 and 1915, Thomas Hunt Morgan and the "Drosophilists" in his fly lab forged these two ideas—both controversial—into the "Mendelian-chromosome theory" of heredity. [60] They quantified the phenomenon of genetic linkage and postulated that genes reside on chromosomes like beads on string they hypothesized crossing over to explain linkage and constructed genetic maps of the fruit fly Drosophila melanogaster, which became a widely used model organism. [61]

Hugo de Vries tried to link the new genetics with evolution building on his work with heredity and hybridization, he proposed a theory of mutationism, which was widely accepted in the early 20th century. Lamarckism, or the theory of inheritance of acquired characteristics also had many adherents. Darwinism was seen as incompatible with the continuously variable traits studied by biometricians, which seemed only partially heritable. In the 1920s and 1930s—following the acceptance of the Mendelian-chromosome theory— the emergence of the discipline of population genetics, with the work of R.A. Fisher, J.B.S. Haldane and Sewall Wright, unified the idea of evolution by natural selection with Mendelian genetics, producing the modern synthesis. The inheritance of acquired characters was rejected, while mutationism gave way as genetic theories matured. [62]

In the second half of the century the ideas of population genetics began to be applied in the new discipline of the genetics of behavior, sociobiology, and, especially in humans, evolutionary psychology. In the 1960s W.D. Hamilton and others developed game theory approaches to explain altruism from an evolutionary perspective through kin selection. The possible origin of higher organisms through endosymbiosis, and contrasting approaches to molecular evolution in the gene-centered view (which held selection as the predominant cause of evolution) and the neutral theory (which made genetic drift a key factor) spawned perennial debates over the proper balance of adaptationism and contingency in evolutionary theory. [63]

In the 1970s Stephen Jay Gould and Niles Eldredge proposed the theory of punctuated equilibrium which holds that stasis is the most prominent feature of the fossil record, and that most evolutionary changes occur rapidly over relatively short periods of time. [64] In 1980 Luis Alvarez and Walter Alvarez proposed the hypothesis that an impact event was responsible for the Cretaceous–Paleogene extinction event. [65] Also in the early 1980s, statistical analysis of the fossil record of marine organisms published by Jack Sepkoski and David M. Raup led to a better appreciation of the importance of mass extinction events to the history of life on earth. [66]

Biochemistry, microbiology, and molecular biology Edit

By the end of the 19th century all of the major pathways of drug metabolism had been discovered, along with the outlines of protein and fatty acid metabolism and urea synthesis. [67] In the early decades of the 20th century, the minor components of foods in human nutrition, the vitamins, began to be isolated and synthesized. Improved laboratory techniques such as chromatography and electrophoresis led to rapid advances in physiological chemistry, which—as biochemistry—began to achieve independence from its medical origins. In the 1920s and 1930s, biochemists—led by Hans Krebs and Carl and Gerty Cori—began to work out many of the central metabolic pathways of life: the citric acid cycle, glycogenesis and glycolysis, and the synthesis of steroids and porphyrins. Between the 1930s and 1950s, Fritz Lipmann and others established the role of ATP as the universal carrier of energy in the cell, and mitochondria as the powerhouse of the cell. Such traditionally biochemical work continued to be very actively pursued throughout the 20th century and into the 21st. [68]

Origins of molecular biology Edit

Following the rise of classical genetics, many biologists—including a new wave of physical scientists in biology—pursued the question of the gene and its physical nature. Warren Weaver—head of the science division of the Rockefeller Foundation—issued grants to promote research that applied the methods of physics and chemistry to basic biological problems, coining the term molecular biology for this approach in 1938 many of the significant biological breakthroughs of the 1930s and 1940s were funded by the Rockefeller Foundation. [69]

Like biochemistry, the overlapping disciplines of bacteriology and virology (later combined as microbiology), situated between science and medicine, developed rapidly in the early 20th century. Félix d'Herelle's isolation of bacteriophage during World War I initiated a long line of research focused on phage viruses and the bacteria they infect. [70]

The development of standard, genetically uniform organisms that could produce repeatable experimental results was essential for the development of molecular genetics. After early work with Drosophila and maize, the adoption of simpler model systems like the bread mold Neurospora crassa made it possible to connect genetics to biochemistry, most importantly with Beadle and Tatum's one gene-one enzyme hypothesis in 1941. Genetics experiments on even simpler systems like tobacco mosaic virus and bacteriophage, aided by the new technologies of electron microscopy and ultracentrifugation, forced scientists to re-evaluate the literal meaning of life virus heredity and reproducing nucleoprotein cell structures outside the nucleus ("plasmagenes") complicated the accepted Mendelian-chromosome theory. [71]

Oswald Avery showed in 1943 that DNA was likely the genetic material of the chromosome, not its protein the issue was settled decisively with the 1952 Hershey–Chase experiment—one of many contributions from the so-called phage group centered around physicist-turned-biologist Max Delbrück. In 1953 James Watson and Francis Crick, building on the work of Maurice Wilkins and Rosalind Franklin, suggested that the structure of DNA was a double helix. In their famous paper "Molecular structure of Nucleic Acids", Watson and Crick noted coyly, "It has not escaped our notice that the specific pairing we have postulated immediately suggests a possible copying mechanism for the genetic material." [73] After the 1958 Meselson–Stahl experiment confirmed the semiconservative replication of DNA, it was clear to most biologists that nucleic acid sequence must somehow determine amino acid sequence in proteins physicist George Gamow proposed that a fixed genetic code connected proteins and DNA. Between 1953 and 1961, there were few known biological sequences—either DNA or protein—but an abundance of proposed code systems, a situation made even more complicated by expanding knowledge of the intermediate role of RNA. To actually decipher the code, it took an extensive series of experiments in biochemistry and bacterial genetics, between 1961 and 1966—most importantly the work of Nirenberg and Khorana. [74]

Expansion of molecular biology Edit

In addition to the Division of Biology at Caltech, the Laboratory of Molecular Biology (and its precursors) at Cambridge, and a handful of other institutions, the Pasteur Institute became a major center for molecular biology research in the late 1950s. [75] Scientists at Cambridge, led by Max Perutz and John Kendrew, focused on the rapidly developing field of structural biology, combining X-ray crystallography with Molecular modelling and the new computational possibilities of digital computing (benefiting both directly and indirectly from the military funding of science). A number of biochemists led by Frederick Sanger later joined the Cambridge lab, bringing together the study of macromolecular structure and function. [76] At the Pasteur Institute, François Jacob and Jacques Monod followed the 1959 PaJaMo experiment with a series of publications regarding the lac operon that established the concept of gene regulation and identified what came to be known as messenger RNA. [77] By the mid-1960s, the intellectual core of molecular biology—a model for the molecular basis of metabolism and reproduction— was largely complete. [78]

The late 1950s to the early 1970s was a period of intense research and institutional expansion for molecular biology, which had only recently become a somewhat coherent discipline. In what organismic biologist E. O. Wilson called "The Molecular Wars", the methods and practitioners of molecular biology spread rapidly, often coming to dominate departments and even entire disciplines. [79] Molecularization was particularly important in genetics, immunology, embryology, and neurobiology, while the idea that life is controlled by a "genetic program"—a metaphor Jacob and Monod introduced from the emerging fields of cybernetics and computer science—became an influential perspective throughout biology. [80] Immunology in particular became linked with molecular biology, with innovation flowing both ways: the clonal selection theory developed by Niels Jerne and Frank Macfarlane Burnet in the mid-1950s helped shed light on the general mechanisms of protein synthesis. [81]

Resistance to the growing influence of molecular biology was especially evident in evolutionary biology. Protein sequencing had great potential for the quantitative study of evolution (through the molecular clock hypothesis), but leading evolutionary biologists questioned the relevance of molecular biology for answering the big questions of evolutionary causation. Departments and disciplines fractured as organismic biologists asserted their importance and independence: Theodosius Dobzhansky made the famous statement that "nothing in biology makes sense except in the light of evolution" as a response to the molecular challenge. The issue became even more critical after 1968 Motoo Kimura's neutral theory of molecular evolution suggested that natural selection was not the ubiquitous cause of evolution, at least at the molecular level, and that molecular evolution might be a fundamentally different process from morphological evolution. (Resolving this "molecular/morphological paradox" has been a central focus of molecular evolution research since the 1960s.) [82]

Biotechnology, genetic engineering, and genomics Edit

Biotechnology in the general sense has been an important part of biology since the late 19th century. With the industrialization of brewing and agriculture, chemists and biologists became aware of the great potential of human-controlled biological processes. In particular, fermentation proved a great boon to chemical industries. By the early 1970s, a wide range of biotechnologies were being developed, from drugs like penicillin and steroids to foods like Chlorella and single-cell protein to gasohol—as well as a wide range of hybrid high-yield crops and agricultural technologies, the basis for the Green Revolution. [83]

Recombinant DNA Edit

Biotechnology in the modern sense of genetic engineering began in the 1970s, with the invention of recombinant DNA techniques. [84] Restriction enzymes were discovered and characterized in the late 1960s, following on the heels of the isolation, then duplication, then synthesis of viral genes. Beginning with the lab of Paul Berg in 1972 (aided by EcoRI from Herbert Boyer's lab, building on work with ligase by Arthur Kornberg's lab), molecular biologists put these pieces together to produce the first transgenic organisms. Soon after, others began using plasmid vectors and adding genes for antibiotic resistance, greatly increasing the reach of the recombinant techniques. [85]

Wary of the potential dangers (particularly the possibility of a prolific bacteria with a viral cancer-causing gene), the scientific community as well as a wide range of scientific outsiders reacted to these developments with both enthusiasm and fearful restraint. Prominent molecular biologists led by Berg suggested a temporary moratorium on recombinant DNA research until the dangers could be assessed and policies could be created. This moratorium was largely respected, until the participants in the 1975 Asilomar Conference on Recombinant DNA created policy recommendations and concluded that the technology could be used safely. [86]

Following Asilomar, new genetic engineering techniques and applications developed rapidly. DNA sequencing methods improved greatly (pioneered by Frederick Sanger and Walter Gilbert), as did oligonucleotide synthesis and transfection techniques. [87] Researchers learned to control the expression of transgenes, and were soon racing—in both academic and industrial contexts—to create organisms capable of expressing human genes for the production of human hormones. However, this was a more daunting task than molecular biologists had expected developments between 1977 and 1980 showed that, due to the phenomena of split genes and splicing, higher organisms had a much more complex system of gene expression than the bacteria models of earlier studies. [88] The first such race, for synthesizing human insulin, was won by Genentech. This marked the beginning of the biotech boom (and with it, the era of gene patents), with an unprecedented level of overlap between biology, industry, and law. [89]

Molecular systematics and genomics Edit

By the 1980s, protein sequencing had already transformed methods of scientific classification of organisms (especially cladistics) but biologists soon began to use RNA and DNA sequences as characters this expanded the significance of molecular evolution within evolutionary biology, as the results of molecular systematics could be compared with traditional evolutionary trees based on morphology. Following the pioneering ideas of Lynn Margulis on endosymbiotic theory, which holds that some of the organelles of eukaryotic cells originated from free living prokaryotic organisms through symbiotic relationships, even the overall division of the tree of life was revised. Into the 1990s, the five domains (Plants, Animals, Fungi, Protists, and Monerans) became three (the Archaea, the Bacteria, and the Eukarya) based on Carl Woese's pioneering molecular systematics work with 16S rRNA sequencing. [90]

The development and popularization of the polymerase chain reaction (PCR) in mid-1980s (by Kary Mullis and others at Cetus Corp.) marked another watershed in the history of modern biotechnology, greatly increasing the ease and speed of genetic analysis. [91] Coupled with the use of expressed sequence tags, PCR led to the discovery of many more genes than could be found through traditional biochemical or genetic methods and opened the possibility of sequencing entire genomes. [92]

The unity of much of the morphogenesis of organisms from fertilized egg to adult began to be unraveled after the discovery of the homeobox genes, first in fruit flies, then in other insects and animals, including humans. These developments led to advances in the field of evolutionary developmental biology towards understanding how the various body plans of the animal phyla have evolved and how they are related to one another. [93]

The Human Genome Project—the largest, most costly single biological study ever undertaken—began in 1988 under the leadership of James D. Watson, after preliminary work with genetically simpler model organisms such as E. coli, S. cerevisiae et C. elegans. Shotgun sequencing and gene discovery methods pioneered by Craig Venter—and fueled by the financial promise of gene patents with Celera Genomics— led to a public–private sequencing competition that ended in compromise with the first draft of the human DNA sequence announced in 2000. [94]

At the beginning of the 21st century, biological sciences converged with previously differentiated new and classic disciplines like Physics into research fields like Biophysics. Advances were made in analytical chemistry and physics instrumentation including improved sensors, optics, tracers, instrumentation, signal processing, networks, robots, satellites, and compute power for data collection, storage, analysis, modeling, visualization, and simulations. These technology advances allowed theoretical and experimental research including internet publication of molecular biochemistry, biological systems, and ecosystems science. This enabled worldwide access to better measurements, theoretical models, complex simulations, theory predictive model experimentation, analysis, worldwide internet observational data reporting, open peer-review, collaboration, and internet publication. New fields of biological sciences research emerged including Bioinformatics, Neuroscience, Theoretical biology, Computational genomics, Astrobiology and Synthetic Biology.

Citations Edit

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  25. ^ Mayr, The Growth of Biological Thought, pp 90–91 Mason, A History of the Sciences, p 46
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  27. ^ Mayr, The Growth of Biological Thought, pp 90–94 quotation from p 91
  28. ^ Annas, Classical Greek Philosophy, p 252
  29. ^ Mayr, The Growth of Biological Thought, pp 91–94
  30. ^ Mayr, The Growth of Biological Thought, pp 91–94:

"As far as biology as a whole is concerned, it was not until the late eighteenth and early nineteenth century that the universities became centers of biological research."


A more detailed definition of synthetic biology

Synthetic biology is the design and construction of new biological entities such as enzymes, genetic circuits, and cells or the redesign of existing biological systems. Synthetic biology builds on the advances in molecular, cell, and systems biology and seeks to transform biology in the same way that synthesis transformed chemistry and integrated circuit design transformed computing. The element that distinguishes synthetic biology from traditional molecular and cellular biology is the focus on the design and construction of core components (parts of enzymes, genetic circuits, metabolic pathways, etc.) that can be modeled, understood, and tuned to meet specific performance criteria, and the assembly of these smaller parts and devices into larger integrated systems to solve specific problems. Just as engineers now design integrated circuits based on the known physical properties of materials and then fabricate functioning circuits and entire processors (with relatively high reliability), synthetic biologists will soon design and build engineered biological systems. Unlike many other areas of engineering, biology is incredibly non-linear and less predictable, and there is less knowledge of the parts and how they interact. Hence, the overwhelming physical details of natural biology (gene sequences, protein properties, biological systems) must be organized and recast via a set of design rules that hide information and manage complexity, thereby enabling the engineering of many-component integrated biological systems. It is only when this is accomplished that designs of significant scale will be possible.

Synthetic biology arose from four different intellectual agendas. The first is the scientific idea that one practical test of understanding is an ability to reconstitute a functional system from its basic parts. Using synthetic biology, scientists are testing models of how biology works by building systems based on models and measuring differences between expectation and observation. Second, the idea arose that, to some, biology is an extension of chemistry and thus synthetic biology is an extension of synthetic chemistry. Attempts to manipulate living systems at the molecular level will likely lead to a better understanding, and new types, of biological components and systems. Third is the concept that natural living systems have evolved to continue to exist, rather than being optimized for human understanding and intention. By thoughtfully redesigning natural living systems it is possible to simultaneously test our current understanding, and may become possible to implement engineered systems that are easier to study and interact with. Fourth, the idea emerged that biology can be used as a technology, and that biotechnology can be broadly redefined to include the engineering of integrated biological systems for the purposes of processing information, producing energy, manufacturing chemicals, and fabricating materials.

While the emergence of the discipline of synthetic biology is motivated by these agendas, progress towards synthetic biology has only been made practical by the more recent advent of two foundational technologies, DNA sequencing and synthesis. Sequencing has increased our understanding of the components and organization of natural biological systems and synthesis has provided the ability to begin to test the designs of new, synthetic biological parts and systems. While these examples each individually demonstrate the incredible potential of synthetic biology, they also illustrate that many foundational scientific and engineering challenges must be solved in order to make the engineering of biology routine. Progress on these foundational challenges requires the work of many investigators via a coordinated and constructive international effort.


Jack Gilbert is probing the trillions of microbes that live in and on us

The trillions of microorganisms, known as microbiomes, that live in the gut are composed differently for every person and can influence a number of things, including seasonal allergies and autism. By collecting microbiome samples for everything from plants to dogs, Jack Gilbert hopes to figure out how unique combinations of genetics and environments affect our health.

His many projects, including the Home and Hospital Microbiome projects, collect samples from different people and surfaces, analyze each, and provide every person with customized results. He's also launched the kittybiome project on Kickstarter, to study the gut bacteria of cats around the world.

Gilbert is an associate professor at the University of Chicago in the department of ecology and evolution and leader of a research group at Argonne National Laboratory in Lemont, Illinois.


B.Sc in Biotechnology (B.Sc Biotechnology)

Bachelor of Science (B.Sc) in Biotechnology is one of the most popular undergraduate programmes in India. The course is the intersection of two broad subjects- Biology and Technology. In simple parlance, Biotechnology is a field of applied biology that makes use of living organisms or biological systems to make technological advances and use them in various fields. It basically seeks to improve the quality of human life and the health of the planet.

B.Sc in Biotechnology is a three-year undergraduate course divided into six semesters that provides detailed knowledge of the bi-molecular and cellular activities and be informed about the different technologies to study them. It includes a wide spectrum of subjects like genetics, molecular biology and chemistry.

Candidates who are fascinated by biological sciences and have good problem-solving skills and are proficient with computers should definitely go for this programme. Biotechnology graduates invite a number of high-paying job opportunities across the country. The sector is ever-evolving and after completing the course, one can become a research scientist, Biotech analysts, specialists in their respective fields.


Voir la vidéo: Le génie génétique avec QCM (Octobre 2021).