Biologie

Biologie: Gegenstand und Bedeutung

Biologie ist die Wissenschaft von der belebten Materie, also von den Lebewesen. Sie untersucht allgemeine Gesetzmäßigkeiten des Lebens ebenso wie die Besonderheiten einzelner Organismen. Dazu gehören Entwicklung, Bauplan sowie physikalische und biochemische Vorgänge im Inneren von Lebewesen. Biologie ist ein Teilgebiet der Naturwissenschaften und überschneidet sich unter anderem mit Medizin, Psychologie und Ernährungswissenschaften; deshalb werden auch die Bezeichnungen Biowissenschaften, Life Sciences und Lebenswissenschaften verwendet.

Untersucht werden Moleküle, Zellorganellen, Zellen, Gewebe, Organe und ganze Organismen. Außerdem betrachtet die Biologie das Verhalten von Lebewesen und ihre Wechselwirkungen mit der Umwelt. Wegen dieser großen Vielfalt nutzt sie zahlreiche Methoden, Theorien und Modelle. Biologen werden an Universitäten ausgebildet; für angehende Lehrkräfte gehört auch die Biologiedidaktik zur Ausbildung.

Geschichte und wichtige Meilensteine

Überlegungen zum Leben gab es bereits um 600 v. Chr. bei Thales von Milet. Bis zur frühen Neuzeit beruhte die Biologie hauptsächlich auf Naturbeobachtung und war häufig mit der Vier-Elemente-Lehre oder religiösen Vorstellungen verbunden. Ab dem 16. und 17. Jahrhundert führten Sektionen, Mikroskope und Fortschritte der Chemie zu genaueren Untersuchungen von Anatomie, Fermentation und Fotosynthese.

Im 19. Jahrhundert begründeten Gregor Mendels Pflanzenkreuzungen die Vererbungslehre und die spätere Genetik. Jean-Baptiste de Lamarck, Charles Darwin und Alfred Russel Wallace entwickelten Evolutionstheorien. 1839 formulierten Theodor Schwann und Matthias Jacob Schleiden die Zelltheorie. Im 20. Jahrhundert entstanden unter anderem Physiologie, Molekularbiologie und mathematische Biologie. Wichtige Erkenntnisse waren der Nachweis der DNA als Träger der Erbinformation durch Oswald Avery (1944), die Veröffentlichung der DNA-Doppelhelixstruktur durch James D. Watson und Francis Crick (1953), die Erfindung der Polymerase-Kettenreaktion (PCR) durch Kary Mullis (1983) und das Humangenomprojekt zur Sequenzierung des menschlichen Erbguts (1990–2003).

Seit dem Ende des 20. Jahrhunderts entstehen neue angewandte Gebiete, insbesondere die Gentechnik. Die Zulassung von Frauen zum Studium war in der praktischen Biologie und Medizin im Deutschen Reich noch Ende des 19. Jahrhunderts stark umstritten, während beschreibende biologische Naturwissenschaften offener waren.

Fachgebiete und Organisationsebenen

Die Biologie kann nach Organismengruppen oder nach Hierarchieebenen geordnet werden. Beide Einteilungen überschneiden sich.

• Die Mikrobiologie untersucht Mikroorganismen wie Bakterien, andere Einzeller, bestimmte Pilze, Mikroalgen und Viren. Die Botanik befasst sich mit Bau, Stammesgeschichte, Verbreitung und Stoffwechsel der Pflanzen; die Zoologie untersucht diese Aspekte sowie die Lebensäußerungen der Tiere.
• Die Humanbiologie behandelt die Biologie des Menschen und biologische Grundlagen der Humanmedizin. Die biologische Anthropologie untersucht die Verschiedenheit biologischer Merkmale der Hominiden.
• Die Molekularbiologie untersucht Nukleinsäuren, Proteine, Kohlenhydrate und Lipide. DNA und RNA speichern Erbinformationen; Proteine, etwa Enzyme, wirken als biologische Katalysatoren.
• Die Zellbiologie betrachtet Zellen als grundlegende strukturelle und funktionelle Einheiten. Prokaryotische Zellen besitzen keinen Zellkern, eukaryotische Zellen dagegen einen Zellkern und verschiedene Zellorganellen. Gewebe bestehen aus gleichartigen Zellen, mehrere funktionell verbundene Gewebe bilden ein Organ.
• Die Entwicklungsbiologie unterscheidet Phylogenese, die Entwicklung über Generationen, und Ontogenese, die Individualentwicklung von der Zeugung bis zum Tod. Die Physiologie untersucht physikalische, biochemische und informationsverarbeitende Funktionen.
• Genetik erforscht Erbgut und Vererbung; Gregor Mendel gilt als ihr Begründer. Die Verhaltensbiologie untersucht Verhalten, Vergleiche zwischen Individuen und Arten sowie dessen stammesgeschichtliche Entstehung.
• Ökologie untersucht Wechselwirkungen zwischen Organismen und abiotischen Faktoren wie Licht, Temperatur und Wasser sowie biotischen Faktoren. Eine Population ist eine Fortpflanzungsgemeinschaft innerhalb einer Art in einem zeitlich und räumlich begrenzten Gebiet. Biozönose und Biotop bilden zusammen ein Ökosystem. Beziehungen können positiv, etwa als Symbiose, negativ, etwa durch Parasitismus, oder ohne erkennbare Wirkung sein.
• Evolutionsbiologie untersucht Anpassung und Artaufspaltung. Die Taxonomie ordnet Lebewesen in die drei Domänen Archaeen, Bakterien und Eukaryoten ein. Ein phylogenetischer Baum stellt ihre evolutionäre Verwandtschaft dar.
• Synthetische Biologie entwickelt künstliche lebensfähige Systeme. Theoretische Biologie und Systembiologie nutzen mathematische Modelle und Computersimulationen, um biologische Systeme zu beschreiben beziehungsweise in ihrer Gesamtheit zu verstehen. Die Biologiedidaktik erforscht das Lehren und Lernen biologischer Inhalte.

Arbeitsmethoden der Biologie

Zu den Methoden gehören strukturiertes Beobachten, Dokumentation, Hypothesenbildung, Experimente, mathematische Modellierung, Abstraktion und Statistik. Licht-, Fluoreszenz- und Elektronenmikroskopie machen kleine Strukturen sichtbar. Die Biochemie untersucht chemische und physikalische Eigenschaften biologischer Bausteine; markierte Moleküle können durch Zellen, Organismen oder Nahrungsketten verfolgt werden. Bioinformatik verarbeitet biologische Daten und war für die Genomsequenzierung wesentlich. Mathematik, insbesondere gewöhnliche Differenzialgleichungen, beschreibt biologische Zusammenhänge in Evolution, Ökologie, Neurobiologie und Entwicklungsbiologie.

Die Annahme, dass wiederholte Versuche mit gleichem Ergebnis eine Aussage stützen, ist umstritten. Karl Popper betonte, dass Experimente Theorien nicht endgültig bestätigen, sondern nur untergraben können.

Anwendungen der Biologie

Biologische Forschung liefert Grundlagen für Medizin und Veterinärmedizin. Genetisch veränderte Mikroorganismen erzeugen unter anderem Insulin, Antibiotika und das für Käse verwendete Lab. In der Landwirtschaft werden Nutzpflanzen molekulargenetisch mit Schädlingsresistenzen sowie höherer Unempfindlichkeit gegen Trockenheit und Nährstoffmangel ausgestattet. Weitere Anwendungsfelder sind Ethnobiologie, Bionik, Bioökonomie, Bioinformatik und Biotechnologie. Die Galerie des Lebens veranschaulicht die Vielfalt von RNA- und DNA-Viren, Bakterien, Archaeen, Pilzen, Pflanzen und mehrzelligen Tieren.