Biologin

Biologie (griechisch βίος bios, „Leben“ und griechisch λόγος logos, „Lehre“) ist die Naturwissenschaft, die sich mit allgemeinen Gesetzmäßigkeiten des Lebendigen, aber auch mit den speziellen Besonderheiten der Lebewesen, ihrer Organisation und Entwicklung sowie ihren vielfältigen Strukturen und Prozessen befasst.

Die Biologie ist eine äußerst umfassende Wissenschaft, die sich in viele Fachgebiete unterteilen lässt. Zu den auf Allgemeinheit ausgerichteten Teilgebieten der Biologie gehören insbesondere die allgemeine Zoologie, allgemeine Botanik, aber auch Physiologie, Biochemie, Ökologie und Theoretische Biologie. In neuerer Zeit haben sich infolge der fließenden Übergänge in andere Wissenschaftsbereiche (z. B. Medizin und Psychologie) sowie des vielfach stark interdisziplinären Charakters der Forschung auch die Begriffe Biowissenschaften, Life Sciences und Lebenswissenschaften etabliert.

Die Betrachtungsebenen der Biologen 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.

Die Ausbildung von Biologen erfolgt an den Hochschulen im Rahmen eines Biologiestudiums.

Dickkopffliege auf einer Blüte

Inhaltsverzeichnis

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 siehe Leben.)

Erst mit Beginn der wissenschaftlichen Revolution begann man sich vom Übernatürlichen zu lösen und beschrieb 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) verwendeten und definierten 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 Hanows 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 neue angewandte Disziplinen: Beispielsweise ergänzt die Gentechnik unter anderem die klassischen Methoden der Tier und Pflanzenzucht und eröffnet zusätzliche Möglichkeiten, die Umwelt den menschlichen Bedürfnissen anzupassen.

Die praktische Biologie und Medizin gehörten zu den Disziplinen, in denen im Deutschen Reich noch Ende des 19. Jhs. im Vergleich mit anderen Disziplinen am vehementesten Gegenwehr gegen die Zulassung von Frauen geübt wurde. So versuchten u. a. E. Huschke, C. Vogt, P. J. Möbius und T. L. W. von Bischoff die geistige Inferiorität von Frauen nachzuweisen, um deren Zulassung zum Studium zu verhindern. [1] [2] Hingegen waren die beschreibenden biologischen Naturwissenschaften (aber auch andere beschreibende Naturwissenschaften wie Physik und Mathematik) weiter. Hier zeigten sich die noch ausschließlich männlichen Lehrenden in einer Studie A. Kirchhoffs (1897) zumeist offen für die Zulassung von Frauen zum Studium. [3] [4] Mittlerweile ist der Anteil von Frauen und Männern, die das Studium der Biologie beginnen gleich; auch in prestigeträchtigeren und gut bezahlten Positionen nimmt langsam der Anteil von Frauen in der Biologie zu (bei Professuren liegt er derzeit bei knapp 15 %).[5]

Charles Darwin

Meilensteine der Biologie

Einteilung der Fachgebiete

Fachsystematik der Biologie

Die Biologie als Wissenschaft lässt sich durch die Vielzahl von Lebewesen, Untersuchungstechniken und Fragestellungen nach verschiedenen Kriterien in Teilbereiche untergliedern: Zum einen kann die Fachrichtungen nach den jeweils betrachteten Organismengruppen (Pflanzen in der Botanik, Bakterien in der Mikrobiologie) eingeteilt werden. 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.

Botanik

Hauptartikel: Botanik

Die Botanik ging aus der Heilpflanzenkunde hervor und beschäftigt sich vor allem mit dem Bau, der Stammesgeschichte, der Verbreitung und dem Stoffwechsel der Pflanzen.

Zoologie

Hauptartikel: Zoologie

Die Zoologie beschäftigt sich vor allem mit dem Bau, der Stammesgeschichte, der Verbreitung und den Lebensäußerungen der Tiere.

Molekularbiologie

Molekülstruktur einer DNA-Doppelhelix

Hauptartikel: 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:

Zellbiologie (Cytologie)

Hauptartikel: 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 verschiedene 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):

Entwicklungsbiologie

Hauptartikel: 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.

Physiologie

Hauptartikel: 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.

Verhaltensbiologie

Hauptartikel: Verhaltensbiologie und Ethologie

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.

Ökologie

Hauptartikel: 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):
Bienen auf ihrer Wabe

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):

Da die Evolution der Organismen 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

Hauptartikel: Evolution, biologische Systematik und Taxonomie

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:

Phylogenetischer Baum, der die Einteilung der Lebewesen in die drei Domänen zeigt

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 gewissem 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.

Theoretische Biologie

Hauptartikel: Theoretische Biologie

Die Theoretische Biologie befasst sich mit mathematisch formulierbaren Grundprinzipien biologischer Systeme auf allen Organisationstufen.

Arbeitsmethoden der Biologie

Die Biologie nutzt viele allgemein gebräuchliche wissenschaftliche Methoden, wie strukturiertes Beobachten, Dokumentation (Notizen, Fotos, Filme), Hypothesenbildung, 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 sowohl auf empirische Daten als auch auf mathematische Sätze. Je mehr Versuche mit verschiedenen Ansatzpunkten auf das gleiche Ergebnis hinweisen, desto eher wird es als gültig anerkannt. Diese pragmatische Sicht ist allerdings umstritten; insbesondere Karl Popper hat sich gegen sie gestellt. Aus seiner Sicht können Theorien durch Experimente oder Beobachtungen und selbst durch erfolglose Versuche, eine Theorie zu widerlegen, nicht untermauert, sondern nur untergraben werden (siehe Unterdeterminierung von Theorien durch Evidenz).

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.

Als eigenständiges Fach zwischen den Wissenschaften Biologie und Chemie 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 ist es möglich, 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

Portal
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Einzelnachweise

  1. Londa Schiebinger: Schöne Geister – Frauen in den Anfängen der modernen Wissenschaft. Klett-Cotta, Stuttgart, 1993 (engl. 1989)
  2. Katrin Schmersahl: Medizin und Geschlecht. Zur Konstruktion der Kategorie Geschlecht im medizinischen Diskurs des 19. Jahrhunderts (Sozialwissenschaftliche Studien, Heft 36). Leske und Budrich, Opladen, 1998.
  3. Arthur Kirchhoff: Die Akademische Frau. Gutachten hervorragender Universitätsprofessoren, Frauenlehrer und Schriftsteller über die Befähigung der Frau zum wissenschaftlichen Studium und Berufe. H. Steinitz Verlag, Berlin, 1897.
  4. Heinz-Jürgen Voß: Feministische Wissenschaftskritik. Am Beispiel der Naturwissenschaft Biologie. In: Ulrike Freikamp et al. (Hrsg.): Kritik mit Methode? Forschungsmethoden und Gesellschaftskritik (Texte 42). Karl Dietz Verlag, 2008, S. 233–252, ISBN 978-3-320-02136-8 (Online als pdf-Datei: [1])
  5. Hochschul-Informations-System GmbH (Hrsg.): Studienanfänger in den Wintersemestern 2003/04 und 2004/05 – Wege zum Studium, Studien- und Hochschulwahl, Situation bei Studienbeginn, H. 180, 2005.
  6. Brenda Maddox: Rosalind Franklin. Die Entdeckung der DNA oder der Kamof einer Frau um wissenschaftliche Anerkennung. Campus Verlag, Frankfurt/Main, New York 2003, ISBN 3-593-37192-8

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
  • Campbell, Reece: Biologie. Pearson Studium, München 2006, ISBN 3-8273-7180-5

Weblinks


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