Biologie

Biologie (v. griech. βιός, bios, „Leben“ und λόγος, logos, „Lehre“) ist die Naturwissenschaft, die sich mit Gesetzmäßigkeiten der Lebewesen, ihrer Organisation und Entwicklung, ihren vielfältigen Strukturen und Prozessen befasst.

Die Biologie ist eine äußerst umfassende Wissenschaft, die sich in viele Fachgebiete unterteilen lässt. Die Betrachtungsebenen reichen von Molekülstrukturen über Organellen, Zellen, Zellverbände, Gewebe und Organe zu komplexen Organismen. In größeren Zusammenhängen wird das Verhalten einzelner Organismen sowie ihr Zusammenspiel mit anderen und ihrer Umwelt untersucht. Auch lässt sich zwischen experimenteller Biologie und theoretischer Biologie unterscheiden.

In neuerer Zeit haben sich infolge der Vielzahl an verschiedenen Disziplinen, der fließenden Übergänge in andere Wissenschaftsbereiche (z.B. Medizin, Psychologie) sowie des vielfach stark interdisziplinären Charakters der Forschung und Lehre auch die Begriffe Biowissenschaften, Life Sciences und Lebenswissenschaften etabliert.

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Geschichte

Hauptartikel: Geschichte der Biologie

Die Lehre vom Leben wurde bereits 600 v. Chr. von Thales von Milet entwickelt, der damals unter anderem glaubte, dass das Leben aus dem Wasser komme. Von der Antike bis ins Mittelalter beruhte die Biologie hauptsächlich auf Beobachtungen der Natur. In die Interpretation flossen häufig Dinge wie die Kraft der Elemente oder verschiedene spirituelle Ansätze ein, so auch der religiöse Schöpfungsmythos in der biblischen Genesis. Hierbei wird ein sorgfältig geformter Kloß Lehm (adam) mit dem "göttlichen Odem" behaucht - und also ward er eine lebendige Seele. (Näheres zu der damit verbunden Problematik: s. Leben.)

Erst mit Beginn der wissenschaftlichen Revolution begann man sich vom Übernatürlichen zu lösen und beschrieb reine Fakten. Im 16. Jahrhundert und im 17. Jahrhundert erweiterte sich das Wissen über die Anatomie durch die Wiederaufnahme von Sektionen und neue Erfindungen, wie das Mikroskop, enorm. Die Entwicklung der Chemie brachte auch in der Biologie Fortschritte. Experimente, die zur Entdeckung von molekularen Lebensvorgängen wie der Fermentation und der Photosynthese führten, wurden möglich. Im 19. Jahrhundert wurden die Grundsteine für zwei große neue Wissenschaftszweige der Naturforschung gelegt: Gregor Mendels Arbeiten an Pflanzenkreuzungen begründeten die Vererbungslehre und spätere Genetik und Werke von Jean-Baptiste de Lamarck, Charles Darwin und Alfred Russel Wallace beschrieben die Evolutionstheorie.

Der Begriff Biologie selbst, im modernen Sinne verwendet, scheint mehrfach unabhängig voneinander eingeführt worden zu sein. Gottfried Reinhold Treviranus (Biologie oder Philosophie der lebenden Natur, 1802) und Jean-Baptiste Lamarck (Hydrogéologie, 1802) verwenden und definieren ihn erstmals. Das Wort selbst wurde schon 1797 von Theodor Gustav August Roose im Vorwort seiner Schrift "Grundzüge der Lehre von der Lebenskraft" verwendet und taucht im Titel des dritten Bands von Michael Christoph Hanovs "Philosophiae naturalis sive physicae dogmaticae: Geologia, biologia, phytologia generalis et dendrologia" von 1766 auf. Zu den Ersten, die den Begriff der Biologie in einem umfassenden Sinn prägten, gehörte der deutsche Anatom und Physiologe Karl Friedrich Burdach.

Mit der Weiterentwicklung der Untersuchungsmethoden drang die Biologie in immer kleinere Dimensionen vor. Im 20. Jahrhundert kamen die Teilgebiete Physiologie und Molekularbiologie zur Entfaltung. Grundlegende Strukturen wie die DNA, Enzyme, Membransysteme und die gesamte Maschinerie der Zelle können seitdem auf atomarer Ebene sichtbar gemacht und in ihrer Funktion genauer untersucht werden. Zugleich gewann die Bewertung von Datenerhebungen mit Hilfe statistischer Methoden immer größere Bedeutung und verdrängte die zunehmend als bloß anekdotisch empfundene Beschreibung von Einzelphänomenen. Als Zweig der Theoretischen Biologie begann sich seit den 20er Jahren des 20. Jahrhunderts zudem eine Mathematische Biologie zu etablieren.

Ebenfalls seit dem Ende des 20. Jahrhunderts entwickeln sich aus der Biologie auch neue angewandte Disziplinen: Beispielsweise ergänzt die Gentechnik u.a. die klassischen Methoden der Tier und Pflanzenzucht und eröffnet zusätzliche Möglichkeiten, die Umwelt den menschlichen Bedürfnissen anzupassen.

  Meilensteine der Biologie

• 600 v. Chr. Thales von Milet - stellt die erste Theorie zur Entstehung des Lebens auf
• 350 v. Chr. Aristoteles - diverse Schriften zur Zoologie
• 50-70 v. Chr. Plinius - veröffentlicht die 37-bändige Historia Naturalis zur Botanik und Zoologie
• 1665 Hooke - Beschreibung von Zellen in Korkgewebe
• 1683 van Leeuwenhoek - entdeckt Bakterien, Einzeller und Blutzellen durch Mikroskopie
• 1758 Linné - entwickelt die bis heute gültige Taxonomie im Tier- und Pflanzenreich
• 1839 Schwann und Schleiden - Begründer der Zelltheorie
• 1858 Darwin (1842, unveröffentlicht) und Wallace - begründen unabhängig voneinander die Evolutionstheorie
• 1866 Mendel - Arbeiten über Versuche mit Pflanzenhybriden begründen die Genetik
• 1925 mit der Aufstellung der Lotka-Volterra-Gleichungen beginnt das Zeitalter der mathematischen Biologie
• 1952 Hershey und Chase - identifizieren die DNA als Träger der Erbinformation
• 1952 Hodkin und Huxley stellen die Grundgleichungen der Elektrophysiologie auf.
• 1962 James D. Watson und Francis Crick erhalten den Nobelpreis für die Entdeckung der Doppelhelixstruktur der DNA.
• 1983 Kary Mullis erfindet die Polymerase-Kettenreaktion (PCR). DNA-Moleküle können fortan im Labor millionenfach vervielfältigt werden.
• 1990 Beginn der Erforschung des menschlichen Erbguts durch das Human-Genom-Projekt.
• 2003 Abschluss des Human-Genom-Projekts.

Einteilung der Fachgebiete

  Die Biologie als Wissenschaft lässt sich durch die Vielzahl von Lebewesen, Untersuchungstechniken und Fragestellungen nach verschiedenen Kriterien in Teilbereiche untergliedern: Zum einen kann man die Fachrichtungen nach den jeweils betrachteten Organismengruppen (Pflanzen in der Botanik, Bakterien in der Mikrobiologie) einteilen. Andererseits kann sie auch anhand der bearbeiteten mikro- und makroskopischen Hierarchie-Ebenen (Molekülstrukturen in der Molekularbiologie, Zellen in der Zellbiologie) geordnet werden.

Die verschiedenen Systeme überschneiden sich jedoch, da beispielsweise die Genetik viele Organismengruppen betrachtet und in der Zoologie sowohl die molekulare Ebene der Tiere als auch ihr Verhalten untereinander erforscht wird. Die Abbildung zeigt in kompakter Form eine Ordnung, die beide Systeme miteinander verbindet.

Im Folgenden wird ein Überblick über die verschiedenen Hierarchie-Ebenen und die zugehörigen Gegenstände der Biologie gegeben. In seiner Einteilung orientiert er sich an der Abbildung. Beispielhaft sind Fachgebiete aufgeführt, die vornehmlich die jeweilige Ebene betrachten.

Molekularbiologie

  Die grundlegende Stufe der Hierarchie bildet die Molekularbiologie. Sie ist jene biologische Teildisziplin, die sich mit Molekülen in lebenden Systemen beschäftigt. Zu den biologisch wichtigen Molekülklassen gehören Nukleinsäuren, Proteine, Kohlenhydrate und Lipide.

Die Nukleinsäuren DNA und RNA sind als Speicher der Erbinformation ein wichtiges Objekt der Forschung. Es werden die verschiedenen Gene und ihre Regulation entschlüsselt sowie die darin codierten Proteine untersucht. Eine weitere große Bedeutung kommt den Proteinen zu. Sie sind z. B. in Form von Enzymen als biologische Katalysatoren für beinahe alle stoffumsetzenden Reaktionen in Lebewesen verantwortlich. Neben den aufgeführten Gruppen gibt es noch viele weitere, wie Alkaloide, Terpene und Steroide. Allen gemeinsam ist ein Grundgerüst aus Kohlenstoff, Wasserstoff und oft auch Sauerstoff, Stickstoff und Schwefel. Auch Metalle spielen in sehr geringen Mengen in manchen Biomolekülen (z. B. Chlorophyll oder Hämoglobin) eine Rolle.

Biologische Disziplinen, die sich auf dieser Ebene beschäftigen, sind Biochemie, Molekularbiologie, Genetik und Epigenetik (DNA-unabhängige Vererbung von Merkmalen), Pharmazeutische Biologie und Toxikologie.

Zellbiologie

  Zellen sind grundlegende strukturelle und funktionelle Einheiten von Lebewesen. Man unterscheidet zwischen prokaryotischen Zellen, die keinen Zellkern besitzen und wenig untergliedert sind, und eukaryotischen Zellen, deren Erbinformation sich in einem Zellkern befindet und die verschiedenste Zellorganellen enthalten. Zellorganellen sind durch einfache oder doppelte Membranen abgegrenzte Reaktionsräume innerhalb einer Zelle. Sie ermöglichen den gleichzeitigen Ablauf verschiedener, auch entgegengesetzter chemischer Reaktionen. Einen großen Teil der belebten Welt stellen Organismen, die nur aus einer Zelle bestehen, die Einzeller. Sie können dabei aus einer prokaryotischen Zelle bestehen (die Bakterien), oder aus einer eukaryotischen (wie manche Pilze).

In mehrzelligen Organismen schließen sich viele Zellen gleicher Bauart und mit gleicher Funktion zu Geweben zusammen. Mehrere Gewebe mit Funktionen, die ineinandergreifen, bilden ein Organ.

Biologische Disziplinen, vornehmlich auf dieser Ebene (Beispiele):

• Zellbiologie, Zellphysiologie
• Mykologie, Mikrobiologie, Protozoologie, Phykologie
• Immunologie, Infektionsbiologie, Neurobiologie
• Histologie, Anatomie

Entwicklungsbiologie

Jedes Lebewesen ist Resultat einer Entwicklung. Nach Ernst Haeckel lässt sich diese Entwicklung auf zwei zeitlich unterschiedlichen Ebenen betrachten:
- Durch die Evolution kann sich die Form von Organismen in Laufe der Generationen weiterentwickeln (Phylogenese)
- Die Ontogenese ist die Individualentwicklung eines einzelnen Organismus von seiner Zeugung über seine verschiedenen Lebensstadien bis hin zum Tod. Die Entwicklungsbiologie untersucht diesen Verlauf.

Hauptartikel: Entwicklungsbiologie

Physiologie

Die Physiologie befasst sich mit den physikalischen, biochemischen und informationsverarbeitenden Funktionen der Lebewesen. Physiologisch geforscht und ausgebildet wird sowohl in den akademischen Fachrichtungen Biologie und Medizin als auch in der Psychologie.

Hauptartikel: Physiologie

Verhaltensbiologie

Die Verhaltensbiologie erforscht das Verhalten der Tiere und des Menschen. Sie beschreibt das Verhalten, stellt Vergleiche zwischen Individuen und Arten an und versucht, das Entstehen bestimmter Verhaltensweisen im Verlauf der Stammesgeschichte zu erklären, also den "Nutzen" für das Individuum.

Hauptartikel: Verhaltensbiologie

Hauptartikel: Ethologie

Ökologie

Das Fachgebiet Ökologie setzt sich mit den Wechselwirkungen zwischen den Organismen und den abiotischen und biotischen Faktoren ihres Lebensraumes auf verschiedenen Organisationsebenen auseinander.

• Individuen: Die Autökologie betrachtet vor allem Auswirkungen der abiotischen Faktoren wie Licht, Temperatur, Wasserversorgung oder jahreszeitlichen Wandel auf das Individuum. Biologische Disziplinen, die diese Ebene ebenfalls betrachten, sind beispielsweise die Anthropologie, Zoologie, Botanik und Verhaltensbiologie.
• Populationen (Demökologie):

  Eine Population ist eine Fortpflanzungsgemeinschaft innerhalb einer Art in einem zeitlich und räumlich begrenzten Gebiet. Die Populationsökologie betrachtet vor allem die Dynamik der Populationen eines Lebensraumes auf Grund der Veränderungen der Geburten- und Sterberate, durch Veränderungen im Nahrungsangebot oder abiotischer Umweltfaktoren. Diese Ebene werden auch von der Verhaltensbiologie und der Soziobiologie untersucht.

Im Zusammenhang mit der Beschreibung und Untersuchung sozialer Verbände wie Herden oder Rudel können auch die auf den Menschen angewandten Gesellschaftswissenschaften gesehen werden.

• Biozönosen (Synökologie): Sie stellen Gemeinschaften von Organismen dar. Pflanzen, Tiere, Pilze, Einzeller und Bakterien sind in einem Ökosystem meist voneinander abhängig und beeinflussen sich gegenseitig. Sie sind Teil von Stoffkreisläufen in ihrem Lebensraum bis hin zu den globalen Stoffkreisläufen wie dem Kohlenstoffzyklus

Die Lebewesen können sich positiv (z. B. Symbiose), negativ (z. B. Fressfeinde, Parasitismus) oder einfach gar nicht beeinflussen.

Lebensgemeinschaft (Biozönose) und Lebensraum (Biotop) bilden zusammen ein Ökosystem.

Biologische Disziplinen, die sich mit Ökosystemen beschäftigen (Beispiele):

• Biogeographie, Biozönologie
• Ökologie, Chorologie, Geobotanik, Pflanzensoziologie

Da die Evolution der Organismen auch zu einer Anpassung an eine bestimmte Umwelt führen kann, besteht ein intensiver Austausch zwischen beiden Fachdisziplinen, was insbesondere in der Disziplin der Evolutionsökologie zum Ausdruck kommt.

Evolutionsbiologie und Systematik

• Die Phylogenese beschreibt die Entwicklung einer Art im Verlauf von Generationen. Hier betrachtet die Evolutionsbiologie die langfristige Anpassung an Umweltbedingungen und die Aufspaltung in neue Arten.

Auf der Grundlage der phylogenetischen Entwicklung ordnet die biologische Taxonomie alle Lebewesen in ein Schema ein. Die Gesamtheit aller Organismen wird in drei Gruppen, die Domänen, unterteilt, welche wiederum weiter untergliedert werden:

• Archaebakterien (Archaea)
• Bakterien (Bacteria)
• Eukaryoten (Eukarya)

Mit der Klassifizierung der Tiere in diesem System beschäftigt sich die Spezielle Zoologie, mit der Einteilung der Pflanzen die Spezielle Botanik, mit der Einteilung der Archaeen, Bakterien und Pilze die Mikrobiologie.

Als häufige Darstellung wird ein phylogenetischer Baum gezeichnet. Die Verbindungslinien zwischen den einzelnen Gruppen stellen dabei die evolutionäre Verwandtschaft dar. Je kürzer der Weg zwischen zwei Arten in einem solchen Baum, desto enger sind sie miteinander verwandt. Als Maß für die Verwandtschaft wird häufig die Sequenz eines weit verbreiteten Gens herangezogen.

Als in gewisssem Sinne eine Synthese von Ökologie, Evolutionsbiologie und Systematik hat sich seit Ende der 1980er Jahren die Biodiversitätsforschung etabliert, die auch den Brückenschlag zu Schutzbestrebungen für die biologische Vielfalt und zu politischen Abkommen über Schutz und Nachhaltigkeit bildet.

Arbeitsmethoden der Biologie

  Die Biologie nutzt viele allgemein gebräuchliche wissenschaftliche Methoden, wie strukturiertes Beobachten, Dokumentation (Notizen, Fotos, Filme) und Hypothesenbildung und mathematische Modellierung und Abstraktion. Notwendiger Prüfstein der formulierten Hypothesen und Theorien sind stets Experimente. Bei der Formulierung von allgemeinen Prinzipien in der Biologie und der Knüpfung von Zusammenhängen stützt man sich auf empirische Daten ebenso wie auf mathematische Sätze. Je mehr Versuche mit verschiedenen Ansatzpunkten auf das gleiche Ergebnis hinweisen, desto eher wird es als richtig anerkannt. Naturgesetze sind nicht beweisbar, sondern werden durch Experimente und Beobachtungen in großem Umfang untermauert.

Einsichten in die wichtigsten Strukturen und Funktionen der Lebewesen sind mit Hilfe von Nachbarwissenschaften möglich. Die Physik beispielsweise liefert eine Vielzahl Untersuchungsmethoden. Einfache optische Geräte wie das Lichtmikroskop ermöglichen das Beobachten von kleineren Strukturen wie Zellen und Zellorganellen. Das brachte neues Verständnis über den Aufbau von Organismen und mit der Zellbiologie eröffnete sich ein neues Forschungsfeld. Mittlerweile gehört eine Palette hochauflösender bildgebender Verfahren, wie Fluoreszenzmikroskopie oder Elektronenmikroskopie, zum Standard.

Aufgrund der großen fachlichen Nähe ist die Biologie von der Chemie kaum zu trennen. Als eigenständiges Fach zwischen diesen beiden Wissenschaften hat sich die Biochemie herausgebildet. Sie verbindet das Wissen um die chemischen und physikalischen Eigenschaften von den Bausteinen des Lebens mit der Wirkung auf das biologische Gesamtgefüge. Mit chemischen Methoden kann man bei biologischer Versuchsführung zum Beispiel Biomoleküle mit einem Farbstoff oder einem radioaktiven Isotop versehen. Das ermöglicht ihre Verfolgung durch verschiedene Zellorganellen, den Organismus oder durch eine ganze Nahrungskette.

Die Mathematik liefert viel verwendete Werkzeuge zur Beschreibung und Analyse allgemeinerer Zusammenhänge der Biologie. Beispielsweise erweist sich die Modellierung durch Differentialgleichungen in vielen Bereichen der Biologie (etwa der Evolutionstheorie,Ökologie, Neurobiologie und Entwicklungsbiologie) als nützlich. Zur Zwecken der Versuchsplanung und Analyse finden Methoden der Statistik Anwendung.

Die unterschiedlichen biologischen Teildisziplinen nutzen verschiedene systematische Ansätze:

• Mathematische Biologie: Aufstellen und Beweisen allgemeiner Sätze der Biologie.
• Biologische Systematik: Lebewesen charakterisieren und anhand ihrer Eigenschaften und Merkmale in ein System einordnen
• Physiologie: Zerlegung und Beschreibung von Organismen und ihren Bestandteilen mit anschließendem Vergleich mit anderen Organismen, woraus eine Funktionserklärung folgen kann
• Genetik: Katalogisieren und analysieren des Erbgutes und der Vererbung
• Verhaltensbiologie, Soziobiologie: Das Verhalten von Individuen, von artgleichen Tieren in der Gruppe und zu anderen Tierarten beobachten und erklären
• Ökologie: Beobachten einer oder mehrerer Arten in ihrem Lebensraum, ihrer Wechselbeziehung und den Auswirkungen biotischer und abiotischer Faktoren auf ihre Lebensweise
• Nutzansatz: die Zucht und Haltung von Nutzpflanzen, Nutztiere und Nutzmikroorganismen untersuchen und durch Variation der Haltungsbedingungen optimieren

Anwendungsbereiche der Biologie

Die Biologie ist eine naturwissenschaftliche Disziplin, die sehr viele Anwendungsbereiche hat. Durch biologische Forschung werden Erkenntnisse über den Aufbau des Körpers und die funktionellen Zusammenhänge gewonnen. Sie bilden die Grundlage, auf der die Medizin/Veterinärmedizin Ursachen und Auswirkungen von Krankheiten bei Mensch und Tier untersucht. Auf dem Gebiet der Pharmazie werden Medikamente, wie beispielsweise Insulin oder zahlreiche Antibiotika, aus genetisch veränderten Mikroorganismen statt aus ihrer natürlichen biologischen Quelle gewonnen, weil diese Verfahren preisgünstiger und um ein vielfaches produktiver sind. Für die Landwirtschaft werden Nutzpflanzen mittels Molekulargenetik mit Resistenzen gegen Schädlinge versehen und unempfindlicher gegen Trockenheit und Nährstoffmangel gemacht. In der Nahrungs- und Genussmittelindustrie sorgt die Biologie für eine breite Palette länger haltbarer und biologisch hochwertigerer Nahrungsmittel. Einzelne Lebensmittelbestandteile stammen auch hier von genetisch veränderten Mikroorganismen. So wird das Lab zur Herstellung von Käse heute nicht mehr aus Kälbermagen extrahiert, sondern mikrobiell erzeugt.

Weitere angrenzende Fachgebiete, die ihre eigenen Anwendungsfelder haben, sind Bionik, Bioinformatik und Biotechnologie.

Siehe auch

Literatur

• Ilse Jahn: Geschichte der Biologie. Spektrum, Heidelberg 2000, ISBN 3-8274-1023-1
• Ernst Mayr: Das ist Biologie. Die Wissenschaft des Lebens. Spektrum, Heidelberg 2004, ISBN 978-3-8274-1015-3
• Dieter Klämbt, Horst Kreiskott, Bruno Streit: Angewandte Biologie. VCH, Weinheim 1991, ISBN 3-527-28170-3
• Martin Mahner, Mario Bunge: Philosophische Grundlagen der Biologie. Springer, Heidelberg 2000, ISBN 3-540-67649-X
• William K. Purves u. a.: Biologie. 7. Auflage. Spektrum, Heidelberg 2006, ISBN 3-8274-1630-2
• Nicholas F. Britton: Essential Mathematical Biology. Springer, London 2003, ISBN 1-85233-536-X