Như đã nói, có 4 nguyên lý tạo thành nền tảng cho sinh học hiện đại: lý thuyết tế bào, tiến hóa, di truyền và cân bằng nội môi (homeostasis )[1]. Ta sẽ xem xét kỹ hơn ở dưới đây:

Học thuyết tế bào

Ảnh chụp tế bào ung thư đang phân chia, với nhân (đặc biệt là DNA được nhuộm xanh). Tế bào giữa và bên phải đang ở kỳ trung gian nên DNA duỗi. Còn tế bào ở bên trái đang trải qua nguyên phân nên DNA đã cô đặc.

Học thuyết tế bào phát biểu rằng: tế bào là đơn vị cơ bản của sự sống, rằng tất cả các sinh vật sống cấu tạo từ một tế bào (đơn bào) hoặc nhiều tế bào (đa bào), và tất cả các tế bào đều sinh ra từ các tế bào trước đó thông qua sự phân bào. Trong các sinh vật đa bào, mỗi tế bào trong cơ thể của cơ thể xuất phát từ một tế bào hợp tử duy nhất. Tế bào cũng được coi là đơn vị cơ bản liên quan đến nhiều quá trình bệnh lý[20]. Ngoài ra, dòng năng lượng diễn ra ở các tế bào trong các quá trình khác nhau là một phần của chức năng quan trọng: trao đổi chất. Cuối cùng, các tế bào chứa thông tin di truyền (DNA), được truyền từ tế bào sang tế bào trong quá trình phân bào. Nghiên cứu về nguồn gốc của sự sống, thuyết tự phát sinh (abiogenesis), là những nỗ lực lớn để khám phá nguồn gốc của các tế bào khởi nguyên.

Tiến hóa

Một khái niệm đóng vai trò trung tâm trong sinh học là sự sống thay đổi và phát triển thông qua quá trình tiến hóa, và cho rằng tất cả các dạng sống đều có nguồn gốc chung. Lý thuyết tiến hóa phát biểu rằng tất cả các sinh vật trên trái đất, dù còn tồn tại hay đã tuyệt chủng, đều có nguồn gốc từ một tổ tiên chung hoặc vốn gen chung. Tổ tiên chung nhất (last universal common ancestor viết tắt là LUCA) này của tất cả các sinh vật được cho là xuất hiện vào khoảng 3,5 tỷ năm trước[21]. Các nhà sinh học coi tính phổ biến của mã di truyền là bằng chứng thuyết phục để ủng hộ lý thuyết tổ tiên chung nhất cho tất cả các vi khuẩn, cổ khuẩn, và các sinh vật nhân thực (Xem: Nguồn gốc của sự sống)[22].

Mô hình đơn giản cho chọn lọc tự nhiên, ở đây, chọn lọc tự nhiên đã ủng hộ tính trạng màu tối

Thuật ngữ "tiến hóa" đã bước vào từ điển thuật ngữ khoa học nhờ Jean-Baptiste de Lamarck năm 1809[23], và năm mươi năm sau, Charles Darwin đã đưa ra một mô hình khoa học về chọn lọc tự nhiên là động lực cho tiến hóa.[24][25][26] (Alfred Russel Wallace cũng được coi là người đồng khám phá ra khái niệm này khi ông giúp nghiên cứu và thử nghiệm với ý tưởng tiến hóa, xem: Nguồn gốc các loài)[27] Sự tiến hóa bây giờ được sử dụng để giải thích những đa dạng lớn của sự sống được tìm thấy trên Trái đất.

Darwin đã giả thuyết rằng các loài sinh sôi hoặc diệt vong chịu tác dụng của chọn lọc tự nhiên hoặc giao phối chọn lọc[28]. Phiêu bạt di truyền được coi là một cơ chế bổ sung cho sự phát triển của lý thuyết tiến hóa hay thuyết tiến hóa tổng hợp hiện đại[29].

Lịch sử tiến hóa của loài - mô tả các đặc tính của các loài khác nhau mà từ hậu duệ loài đó - cùng với mối quan hệ gia phả của nó với mọi loài khác được gọi là phát sinh chủng loại (phylogeny) loài đó. Các phương pháp tiếp cận khác nhau trong sinh học cho ta các thông tin về phát sinh chủng loại. Có thể bao kể đến như so sánh trình tự ADN (đặc biệt là so sánh bộ gen), thuộc lĩnh vực sinh học phân tử, và so sánh hóa thạch hoặc các di chỉ khác của sinh vật cổ đại, thuộc về cổ sinh vật học[30]. Các nhà sinh học tổ chức và phân tích mối quan hệ tiến hóa thông qua nhiều phương pháp khác nhau, bao gồm phát sinh chủng loài học (phylogenetics), phân loại theo ngoại hình (phenetics) và phân loại theo nhánh (cladistics). (Để tóm tắt các sự kiện lớn trong sự tiến hóa của sự sống theo như các nhà sinh vật học hiện đại, xem Tiến trình tiến hóa)

Sự tiến hoá có liên quan đến việc hiểu về lịch sử tự nhiên của các dạng sống và sự hiểu về tổ chức của các dạng sống hiện tại. Tuy nhiên, sự tổ chức này chỉ có thể hiểu được bằng cách hiểu chúng đã trải qua quá trình tiến hóa như thế nào. Do đó, tiến hóa là trung tâm của mọi lĩnh vực sinh học[31].

Mặc dù thuyết tiến hóa được phổ biến rộng rãi, nhưng vẫn chưa có chắc chắn một bằng chứng thuyết phục nào cho lý thuyết này (thậm chí có những bằng chứng làm giả), và có nhiều ý kiến trái chiều, phản đối thuyết tiến hóa.

Di truyền

Bảng Punnett minh họa thí nghiệm lai của Mendel về cây dị hợp F1 hoa tím (Bb) tự thụ phấn.

Gen là đơn vị cơ bản của di truyền ở tất cả các sinh vật. Gen là một đơn vị di truyền và tương ứng với một đoạn DNA có ảnh hưởng đến hình thái hoặc chức năng của một cơ thể theo những cách cụ thể. Tất cả các sinh vật, dù là vi khuẩn hay động vật, chia sẻ cùng một bộ máy cơ bản sao chép và 'dịch' DNA thành các protein. Các tế bào sẽ phiên mã một gen DNA thành một phiên bản RNA của gen, và một ribosome sau đó dịch mã RNA thành một chuỗi các axit amin trước khi uốn gấp thành một protein. Mã để dịch từ RNA đến axit amin là khá giống nhau đối với hầu hết các sinh vật. Chẳng hạn, một dãy trình tự DNA mã hóa cho protein insulin ở người cũng mã hóa cho insulin nếu chèn vào các sinh vật khác, ví dụ như thực vật.[32]

DNA được tìm thấy là ở dạng các sợi thẳng nhiễm sắc thể trong sinh vật nhân thực và các vòng nhiễm sắc thể trong sinh vật nhân sơ. Một nhiễm sắc thể là một cấu trúc được tổ chức bao gồm DNA và protein histone. Bộ nhiễm sắc thể định vị trong tế bào và bất kỳ thông tin di truyền nào tìm thấy trong ty thể, lục lạp, hoặc tại các địa điểm khác được gọi chung là bộ gen của tế bào. Trong sinh vật nhân thực, DNA mang gen nằm trong nhân tế bào, và có một lượng nhỏ nằm trong ti thể và lục lạp. Trong sinh vật nhân sơ, DNA được giữ trong hình dạng không cố định ở tế bào chất gọi là chất nhân[33]. Thông tin di truyền của một bộ gen lưu giữ bên trong các gen và tập hợp hoàn chỉnh của bộ thông tin này ở một sinh vật được gọi là kiểu gen của nó.[34]

Cân bằng nội môi

Điều hòa ngược âm tính của hormone cortisone ở vỏ tuyến thượng thận.[35]

Cân bằng nội môi là khả năng của một hệ thống mở điều chỉnh môi trường bên trong của nó nhằm duy trì các điều kiện ổn định. Chúng làm được điều này bằng cách thông qua các điều chỉnh cân bằng động được điều khiển bởi các cơ chế điều hòa tương quan. Tất cả các sinh vật sống, dù là đơn bào hoặc đa bào, đều có sự cân bằng nội môi.[36]

Để duy trì trạng thái cân bằng động-cân bằng nội môi và thực hiện một cách hiệu quả các chức năng nhất định, một hệ thống phải phát hiện và đáp ứng các thay đổi, kích thích. Sau khi phát hiện các thay đổi hoặc kích thích, một hệ thống sinh học thường phản ứng thông qua vòng phản hồi âm tính nhằm ổn định các điều kiện bằng cách làm giảm hoặc tăng hoạt động của cơ quan hoặc hệ cơ quan. Một ví dụ là việc phóng glucagon giúp phân giải glycogen thành đường khi lượng đường huyết quá thấp.

Năng lượng

Sự sống còn của một sinh vật sống phụ thuộc vào tiếp nhận liên tục dòng năng lượng. Các phản ứng hóa học chịu trách nhiệm về cấu trúc và chức năng của sinh vật được điều chỉnh để lấy năng lượng từ các chất trong thức ăn của chúng và biến đổi các chất này giúp hình thành các tế bào mới cũng như duy trì các tế bào này. Trong quá trình này, các phân tử của các chất hóa học trong thức ăn đóng hai vai trò; thứ nhất, chúng chứa năng lượng có thể biến đổi và tái sử dụng trong các phản ứng sinh học, hóa học của sinh vật đó; thứ hai, thức ăn có thể được biến đổi thành các phân tử với cấu trúc mới (các phân tử sinh học mới) và sẽ sử dụng cho sinh vật đó.

ATP, đồng tiền năng lượng của tế bào

Các sinh vật chịu trách nhiệm về việc đưa năng lượng vào một hệ sinh thái được gọi là các sinh vật sản xuất hoặc các sinh vật tự dưỡng. Gần như tất cả các sinh vật như vậy lấy năng lượng ban đầu của chúng từ mặt trời.[37] Thực vật và một số sinh vật quang dưỡng khác sử dụng năng lượng mặt trời thông qua một quá trình gọi là quang hợp để chuyển đổi nguyên liệu thô thành các phân tử hữu cơ, như ATP, phân tử có liên kết có thể bị phá vỡ để giải phóng năng lượng.[38] Tuy nhiên, một số hệ sinh thái phụ thuộc hoàn toàn vào năng lượng do sinh vật hóa dưỡng lấy từ ​​mêtan, sunfit, hoặc các nguồn năng lượng khác ngoài ánh sáng.[39]

Một số năng lượng do đó, được giữ lại tạo sinh khối và năng lượng giúp cho sự sinh trưởng và phát triển của các dạng sống khác. Đa số phần còn lại (tức không được chuyển thành sinh khối và năng lượng) bị mất đi dưới dạng các phân tử thừa thải và nhiệt năng. Các quá trình quan trọng nhất để chuyển đổi năng lượng dự trữ trong các chất hoá học thành năng lượng hữu ích để duy trì sự sống là sự trao đổi chất[40] và hô hấp tế bào.[41]