Geschichte der Biologie

Grundlinien der Entwicklung

Die Geschichte der Biologie beschreibt die Bemühungen, die Welt des Lebendigen zu verstehen – von medizinischen und naturkundlichen Beobachtungen der Antike bis zu molekularen, computergestützten Forschungsmethoden der Gegenwart. Biologie entstand erst im 19. Jahrhundert als einheitliche Naturwissenschaft. Zuvor wurden Pflanzen, Tiere, Menschen und Fossilien vor allem in Medizin, Naturgeschichte, Naturphilosophie, Botanik, Zoologie und Geologie untersucht.

Wichtig wurde der Übergang von Autoritäten und spekulativen Erklärungen zu Empirie: Erkenntnisse sollten auf genauer Beobachtung, Messung und Experimenten beruhen. Mikroskope erschlossen die Welt der Zellen und Mikroorganismen; Evolutionstheorie, Genetik und Molekularbiologie erklärten zunehmend Vererbung, Entwicklung und Verwandtschaft von Organismen. Seit dem späten 20. Jahrhundert verbinden Genomforschung und Proteomik – die Untersuchung aller Gene beziehungsweise Proteine – wieder unterschiedliche biologische Teilgebiete.

Antike und Mittelalter: Medizin, Naturbeobachtung und Überlieferung

Frühe Kulturen in Mesopotamien, Ägypten, Indien und China verfügten über medizinische und naturkundliche Kenntnisse. Das indische Ayurveda wurde um 1500 v. Chr. aus der Weisheitslehre des Atharvaveda entwickelt. Die Sushruta Samhita beschrieb 700 medizinisch verwendbare Pflanzen, 64 mineralische und 57 tierische Präparate. In China verbanden Kräuterkunde, Medizin, Alchemie und Philosophie biologische Vorstellungen; Zhuangzi verneinte im 4. Jahrhundert v. Chr. die Unveränderlichkeit biologischer Arten.

In der griechischen Tradition prägten Hippokrates und die Humoralpathologie, also die Lehre von den Körpersäften, lange das medizinische Denken. Aristoteles wurde zum einflussreichsten Naturforscher der Antike: Er beschrieb 540 Tierarten, führte bei mindestens 50 Arten Vivisektionen durch und ordnete Lebewesen in eine aufsteigende Hierarchie von Pflanzen über Tiere bis zum Menschen ein. Er deutete Naturvorgänge teleologisch, also als auf Zwecke gerichtet. Theophrastos schrieb bedeutende botanische Werke; Galenos wurde zur maßgeblichen Autorität für Medizin und Anatomie.

Nach dem Untergang Westroms gingen im westlichen Europa Kenntnisse verloren. In der islamischen Welt wurden griechische Schriften übersetzt und weiterentwickelt. Al-Dschahiz formulierte Vorstellungen vom „Kampf ums Dasein“ und von Nahrungsketten. Avicenna beschrieb klinische Pharmakologie im Qanun at-Tibb, das bis ins 17. Jahrhundert in Europa ein Lehrbuch blieb. Ibn an-Nafis entdeckte 1242 den Lungenkreislauf und die Koronargefäße. Arabische Gelehrte nutzten zunehmend empirische und experimentelle Methoden, etwa in Botanik, Anatomie und Arzneimittelkunde.

Renaissance, Mikroskopie und Ordnung der Natur

In der Renaissance rückten direkte Beobachtung und Untersuchung in den Vordergrund. Andreas Vesalius veröffentlichte 1543 De humani corporis fabrica auf Grundlage menschlicher Leichenuntersuchungen. William Harvey untersuchte Blut und Blutgefäße experimentell; sein Werk De motu cordis von 1628 widerlegte zentrale Vorstellungen Galens. Botaniker wie Otto Brunfels, Hieronymus Bock und Leonhart Fuchs begründeten eine stärker naturbeobachtende Botanik.

Im 17. und 18. Jahrhundert versuchten Naturforscher, die wachsende Zahl bekannter Arten zu benennen und zu klassifizieren. Carolus Linnaeus veröffentlichte 1735 eine grundlegende Taxonomie und entwickelte in den 1750er Jahren eine wissenschaftliche Namensgebung für Arten. Während Linnaeus Arten als unveränderliche Teile einer Schöpfungsordnung auffasste, hielt Georges-Louis Leclerc, Comte de Buffon, Arten für veränderlich und zog eine Abstammungstheorie in Betracht.

Das Mikroskop veränderte die Biologie grundlegend. Robert Hooke verwendete 1665 in Micrographia den Begriff „Zelle“ für kleine Strukturen im Korkkambium. Antoni van Leeuwenhoek erreichte in den 1670er Jahren mit einlinsigen Mikroskopen mehr als 200-fache Vergrößerung und beobachtete unter anderem Spermien, Bakterien und Infusorien. Damit wurde die mikroskopische Welt zugänglich. Zugleich förderten Fossilienfunde die Paläontologie: Nicolaus Steno beschrieb 1669 die Ablagerung organischer Reste in Sedimenten und ihre Mineralisierung zu Fossilien.

Das 19. Jahrhundert: Zellen, Evolution und experimentelle Biologie

Im 19. Jahrhundert entstanden spezialisierte Disziplinen wie Zellbiologie, Bakteriologie, Embryologie, Morphologie, Biogeographie und Geologie. Alexander von Humboldt verband Naturbeobachtung mit Messungen physikalischer Größen wie Temperatur und Luftdruck. Dadurch begründete er die Biogeographie, die Verbreitung von Organismen in geographischen Räumen untersucht.

Geologie und Paläontologie zeigten, dass Fossilien Überreste ausgestorbener Arten sind. Georges Cuvier belegte dies durch vergleichende Anatomie. Charles Lyells Principles of Geology von 1830 machte den Aktualismus populär: Geologische Veränderungen werden vor allem durch heute beobachtbare Prozesse erklärt, nicht nur durch Katastrophen.

Charles Darwin entwickelte aus Biogeographie, Geologie, Populationslehre und Morphologie die Evolutionstheorie durch natürliche Selektion. Sie besagt, dass sich besser an ihre Umwelt angepasste Varianten häufiger fortpflanzen und dadurch ihre Merkmale weitergeben. Darwins On the Origin of Species by Means of Natural Selection erschien 1859. Alfred Russel Wallace kam unabhängig zu einem ähnlichen Ansatz. Bis Ende des 19. Jahrhunderts akzeptierten die meisten Wissenschaftler Evolution und Abstammung, bezweifelten aber häufig die natürliche Selektion als Mechanismus, weil die genetischen Grundlagen noch unklar waren.

Die Zelltheorie lieferte eine neue Grundlage: Schleiden und Schwann erklärten 1838/39 Zellen zur Grundeinheit der Organismen. Ab 1860 galten drei Grundannahmen als gesichert, darunter die Erkenntnis, dass Zellen durch Teilung aus Zellen entstehen. Robert Brown beschrieb 1831 den Zellkern. Walther Flemming untersuchte zwischen 1874 und 1884 die Mitose, die Zellteilung; August Weismann deutete Chromosomen als Träger des Erbmaterials und formulierte das Konzept der Meiose, bei der die Chromosomenzahl in Keimzellen halbiert wird.

Louis Pasteur widerlegte die Vorstellung der Spontanzeugung aus toter Materie. Zusammen mit Robert Koch trug er zur Keimtheorie der Krankheitsentstehung bei: Mikroorganismen können Krankheiten verursachen. Die organische Chemie stellte den Vitalismus infrage, also die Annahme einer besonderen Lebenskraft. Friedrich Wöhler synthetisierte 1829 Harnstoff aus anorganischen Stoffen. Eduard Buchner zeigte 1897, dass das Hefeenzyme Zymase auch außerhalb lebender Hefezellen wirken kann.

Genetik, Molekularbiologie, Ökologie und Biotechnologie im 20. Jahrhundert

1900 wurden die Mendelschen Regeln durch Hugo de Vries, Carl Correns und Erich Tschermak-Seysenegg wiederentdeckt. Thomas Hunt Morgan und seine Schüler zeigten mit Drosophila melanogaster, dass Gene auf Chromosomen angeordnet sind. Beim Crossing-over werden dabei Abschnitte zwischen Chromosomen ausgetauscht. Zwischen 1920 und 1930 verband die Populationsgenetik von Ronald Aylmer Fisher, J. B. S. Haldane und Sewall Wright Mendelsche Regeln und natürliche Selektion zur synthetischen Evolutionstheorie.

Die Molekularbiologie erklärte die stoffliche Grundlage der Vererbung. Oswald Avery zeigte 1943, dass DNA das genetische Material ist; das Hershey-Chase-Experiment bestätigte dies 1952. James D. Watson und Francis Crick schlugen 1953 unter Kenntnis der Arbeiten von Rosalind Franklin das Doppelhelix-Modell der DNA vor. Der Meselson-Stahl-Versuch bestätigte 1958 die semikonservative Replikation: Jede neue DNA enthält einen alten und einen neu gebildeten Strang. Nirenberg und Khorana entschlüsselten 1961–1966 den genetischen Code, der Basenfolgen der DNA mit Aminosäurefolgen von Proteinen verbindet.

Ökologie entwickelte sich zur eigenständigen Disziplin und untersucht Beziehungen zwischen Organismen sowie Stoff- und Energieflüsse in Ökosystemen. Eugene P. Odum prägte in den 1940er und 1950er Jahren viele Konzepte der Ökosystemforschung. Parallel entstanden Verfahren der Gentechnik: 1972 stellte Paul Berg erste transgene Organismen her. Nach einem Forschungsmoratorium wurden 1975 auf der Asilomar Conference on Recombinant DNA Regeln für den sicheren Umgang mit genetisch veränderten Organismen vereinbart. Für die Herstellung menschlicher Proteine in Bakterien wurden cDNA-Bibliotheken nötig, weil eukaryotische Gene Introns enthalten und in Bakterien kein entsprechendes Splicing stattfindet.

Die NS-Zeit zeigt, dass Biologie politisch missbraucht werden kann. Lehrende „nicht arischer Abstammung“ wurden nach 1933 entlassen, Forschungseinrichtungen gleichgeschaltet und eine „Deutsche Biologie“ sollte die NS-Ideologie scheinbar wissenschaftlich legitimieren.

Genomics und vernetzte Biowissenschaften

Molekulare Systematik nutzt DNA- und RNA-Sequenzen zur Bestimmung von Verwandtschaft. Das Konzept von fünf Reichen wurde in den 1990er Jahren durch drei Reiche ersetzt: Archaeen, Bakterien und Eukaryoten. Die Polymerase-Kettenreaktion (PCR), Mitte der 1980er Jahre durch Kary Mullis und andere entwickelt, vereinfachte DNA-Analysen stark. Das Human Genome Project startete 1988 unter James D. Watson; 2000 stellten das öffentliche Projekt und Celera Genomics gleichzeitig Ergebnisse zur Sequenzierung des menschlichen Genoms vor.

Im 21. Jahrhundert werden Biologie, Biophysik, Chemie und Informatik stärker verbunden. Verbesserte Sensoren, optische Methoden, Roboter, digitale Datenanalyse und Computersimulationen unterstützen Forschung von der molekularen Biochemie bis zur Ökosystemforschung. Daraus entstanden unter anderem Bioinformatik, theoretische Biologie, evolutionäre Entwicklungsbiologie, Astrobiologie und synthetische Biologie.