생명의 연구는 생물체를 구성하는 분자, 세포 등의 현미경적 수준에서 생명체가 살아가는 행성 전체의 지구적 수준에 이르기까지 확장된다. 그리고 분자 수준에서 높은 수준으로 한 단계씩 되돌려 올려가 보면, 한 단계 올라갈 때마다 바로 아래 단계에서는 볼 수 없었던 새로운 특성이 각 단계엣 나타나는 것을 볼 수 있다. 이러한 창발적 특성(emergent propeprty)들은 복잡성이 증가함에 따라 나타나는 부분들의 배열 및 상호작용에 기인한다.
1. 생물학적 구성의 단계들
1) 생물권
대륙과 대양이 분명히 인식되기 시작할 정도로 지구에 가까이 다가오면 생명체의 자취, 즉 지구행성의 숲에 의해 나타나는 초록색 모자이크가 보이기 시작하는데, 이것이 생물권의 광경이다. 즉 생물권은 생명체가 살고 있는 지구상의 모든 환경으로 대부분의 육상 지역과 바다, 호수, 강 등을 포함한다. 여기에는 대부분의 물, 수 km의 고도에 이르는 대기가 있다.
2) 생태계
초원, 사막, 바닷속 산호초 등은 다른 종류의 생태계이다. 생태계는 특정 지역에 살아 앗는 모든 생물종뿐만 아니라 토양, 물, 대기 가스, 빛 등 생물체와 상호작용하는 무생물을 포함한다. 지구상의 모든 생태계를 다 합하면 생물권이 된다.
3) 군집
특정 생태계에 거주는 모든 생물체의 집단을 생물학적 군집이라고 한다. 숲 생태계에는 많은 종류의 나무와 다른 식물들, 다양한 동물, 버섯, 곰팡이 등을 포함할 뿐만 아니라 박테리아와 같은 미생물을 포함한다. 이러한 형태 각각을 종이라고 부른다.
4) 개체군
개체군이란 특정한 지역 내에 생존하는 한 종을 구성하는 모든 개체의 집합을 말한다. 군집은ㄴ 특정 지역에 거주하는 개체군의 집합이다.
5) 생물
각각의 생명체를 생물이라고 한다. 동물, 식물, 미생물 등이 생물이다.
6) 기관과 기관계
신체의 일부, 기관은 예컨대 줄기와 뿌리는 식물의 주요 기관이다. 인간 기관의 예로는 뇌, 심장, 간 등이 있고, 인간이나 다른 복잡한 동물의 기관들은 특별한 기능을 수행하도록 조직되어 기관계를 형성한다.
7) 조직
조직은 표피 조직이나 광합성 조직처럼 유사한 세포들이 그룹을 이룬 것이다. 에컨대 근육조직은 근육세포다발로 이루어져 있다.
8) 세포
세포는 생명체의 근본적인 구조 및 기능의 단위이다. 아메바는 단세포로 동물 및 식물은 다세포로 이루어져 있다.
9) 세포소기관
세포를 구성하는 다양한 기능적 단위이다.
10) 분자
분자는 원자라고 불리는 작은 화학적 단위가 둘 이상으로 구성되어 있는 화학적 구조를 말한다.
2. 환원주의의 한계와 창발적 특성
예컨대 엽록체에 존재하는 엽록소와 다른 모든 분자들을 시험관에 섞어준다고 해서 이들이 광합성을 수행하지는 않는다. 광합성 과정은 엽록소와 다른 분자들이 완전한 형태의 엽록체에 특별한 방법으로 배열되어 있기 때문에 가능한 것이다. 또한 사람 뇌에 외상이 생기면, 비록 모든 뇌의 부분들은 여전히 있지만 정신이 정상적으로 기능하지 못하게 된다. 인간의 생각과 기억은 신경세포의 복잡한 네트워크가 나타내는 창발적 특성이다. 그리고 생태계 수준에서 보면 탄소와 같은 영양원의 순환은 다양한 생물체들 서로 간의, 그리고 토양, 물, 공기와의 상호작용 네트워크에 의존한다. 이러한 창발적 특성으로 인해 해부한 동물은 더 이상 기능을 할 수 없고, 화학성분으로 분해된 세포는 더 이상 세포가 아닌다. 그렇지만 생물 혹은 세포처럼 복잡한 체게는 이를 분해하지 않고서는 분석할 수 없다. 환원주의(reductionism)는 연구를 보다 원활하게 하기 위해 복잡한 체계를 단순한 구성요소로 환원하는 것이다. 그래서 생물학자들은 보다 높은 수준의 환원주의 전략과 창발성을 이해하는 전체주의적인 시각을 균형 있게 갖추어야 한다.
3. 시스템생물학
시스템은 단순히 함께 기능하는 요소들의 조합이 아니다. 시스템생물학(system biology)는 전체 생물 체계의 역학적 성질을 모형화하는 것이다. 성공적인 모형은 하나 이상의 변수가 변할 때 다른 구성요소 혹은 전체 시스템이 어떻게 영향을 받는지를 예측하게 해 준다. 예를 들어 생물체는 환경과 상호작용하며, 물질과 에너지를 교환한다, 생물학적 체계의 모든 수준에서 구조와 기능은 깊은 연관성을 가진다 등을 이 모형은 반영한다는 의미이다.