Die Neugier
Die Suche nach plausiblen Erklärungen für uns geheimnisvoll
erscheinender Naturphänomene ist Grundintention von Naturwissenschaften.
Der Motor, der dieses Vehikel des Suchens bewegt, ist die uns eingepflanzte
Neugier, die schon Aristoteles - Begründer der Logik, Biologie und
Physik - als Urquell aller Naturwissenschaften und der Philosophie genannt
hatte. Wissenschaftliche Neugier und der Wissensdrang der Menschen ist
Antrieb für die Entstehung der Naturwissenschaften, insbesondere
der Biologie. Diese Neugier rechtfertigt jedoch nicht alles. Die Wissenschaft
hat sich an die allgemeinen Grundregeln der Menschenrechte, der Ethik
und an die Tier- und Naturschutzgesetze zu halten.
Ein Ziel der Biologie ist, Zusammenhänge in der Natur und Wechselwirkungen
zwischen den Organismen und ihrer Umwelt zu erkennen und zu begreifen,
die Vielfalt der Lebewesen zu entdecken und diese und ihre Teilsysteme
zu beschreiben und zu erforschen. Dabei spielt sie mittlerweile auch eine
große Rolle im Natur- und Umweltschutz und in der Medizin.
Die Fachsprache
Zur Erforschung der Natur werden biologische Prozesse beobachtet, beschrieben
und Experimente durchgeführt, über deren Ergebnisse sich die
Biologen untereinander verständigen und wechselseitig Anregungen
geben und Kritik üben und ihre neu erlangten Kenntnisse weitergeben.
Zu diesem Zweck hat die Biologie in ihrem Entwicklungsverlauf ein spezifisches
Begriffssystem entwickelt.
Ein Begriff ist die gedankliche und sprachliche Widerspiegelung einer
Klasse von Objekten (Stoffe, Vorgänge, Erscheinungen, usw.) auf der
Grundlage gemeinsam festgelegter Merkmale.
Merkmale sind hervorgehobene und vorher festgelegte Eigenschaften einer
Klasse von Objekten. Auf der Grundlage gemeinsamer, invarianter Merkmale
werden naturwissenschaftliche Begriffe eindeutig definiert und so von
anderen Begriffen unterschieden. Diese nennt man Fachbegriffe. Fachbegriffe
knüpfen häufig an Alltagsbegriffe an. Die fachliche Definition
ist aber exakter und unterscheidet sich oft von der Bedeutung, die diese
Begriffe im Alltag haben. Die einzelnen Fachbegriffe sind in ihrer inhaltlichen
Aussage aufeinander abgestimmt und bilden in ihrer Gesamtheit ein wissenschaftliches
Begriffssystem, welches die Grundlage für die Fachsprache in der
Naturwissenschaft darstellt. Im heutigen globalen Zeitalter ist die allgemeingültige
Wissenschaftssprache Englisch, damit können sich Wissenschaftler
weltweit miteinander verständigen und Missverständnisse durch
Übersetzungsfehler werden ausgeschlossen.
Die Definition eines Begriffes erfolgt in den einzelnen Wissenschaften
danach, welches gemeinsame Merkmal von Objekten als wesentlich festgelegt
wird. Deshalb können Fachbegriffe in den verschiedenen Naturwissenschaften
durchaus unterschiedlich definiert sein.
Die Weitergabe von Erfahrungen, die in Gehirn, Büchern oder anderen Datenträgern gespeichert und an andere Individuen weitergegeben werden, bezeichnet man als kulturelle Evolution.
Der Forschungsprozess
Der Biologe durchstreift die unterschiedlichsten Lebensräume wie
z. B. Meere, Wüsten oder Dschungelwälder in denen vielfältige
Lebensformen zu komplexen Netzwerken verwoben sind, die man auch als Ökosysteme
bezeichnet.
Um das Leben zu erforschen, untersucht der Mensch in der Natur und Laboratorien,
wie ein Organismus aufgebaut ist und funktioniert oder wie biologische
Prozesse ablaufen. Seine geistigen Fähigkeiten und technischen Leistungen
ermöglichen es ihm, sowohl die submikroskopische Welt der Moleküle,
aus denen die Bausteine der einzelnen Organismen - die Zellen - sich zusammensetzen,
als auch das mikroskopische Reich der Zellen zu entdecken. Die Durchdringung
oder aber das Begreifen der Strukturen und Prozesse des Lebens erfordert
einige Hilfsmittel (z. B. Mikroskop, Chemikalien, Computer) und Methoden
(Nachweismethoden). Außerdem sind bestimmte Tätigkeiten in
der Biologie erforderlich, um Erkenntnisse über Vorgänge, Zusammenhänge
und Gesetze in der Natur zu gewinnen, zu begreifen und letztendlich auch
darzustellen.
Biologisches Denken und Arbeiten versucht, ausgehend von bekanntem Wissen
neue Erkenntnisbereiche durch theoretische Überlegungen und praktische
Techniken systematisch zu erschließen. Diese neu geschaffenen Erkenntnisse
sollen bestehende Vorstellungen, Theorien, Regeln, Gesetze oder Modelle
erweitern oder ggf. auch negieren. Sie sollen beobachtbar und reproduzierbar
sein. Der wissenschaftliche Prozess basiert auf theoriegeleitetem und
systematischen Vorgehen.
Wesentliche Kennzeichen sind die Verwendung allgemein anerkannter Praktiken
und Methoden.
Durch das permanente systematische Erweitern von allgemein anerkanntem
Wissen und dessen Weitergabe an andere wird das vorhandene Wissensgebäude
schrittweise aufgebaut. Aus gewonnenen Ergebnissen formen sich meist wieder
neue Probleme und Fragestellungen.
Es muss aber auch betont werden, das nicht allein die systematische Vorgehensweise
für die Forschungsentwicklung Grundlage ist. Eine wichtige Rolle
spielen - vor allem wenn es um "Neuland" geht, wie dies meist
in der Grundlagenforschung der Fall ist - auch das Probieren, die Intuition
und der Zufall. Das wird besonders deutlich, wenn man sich ansieht, wie
bedeutende Wissenschaftler zu ihren Entdeckungen
gekommen sind.
Gerade die großen wissenschaftlichen Leistungen sind häufig
nicht nur Ergebnis jahrelanger, zielstrebiger Forschung, sondern erst
durch ungeplante Zufälle im Labor möglich geworden. Aus so manchem
Zufall wurde bald eine Legende. Etwa die um den Schimmelpilz Penicillium
notatum, der im November 1928 die Bakterienkulturen Alexander Flemings
verunreinigt hat und so zum Geburtshelfer des Penicillins wurde und seinem
Entdecker den Nobelpreis (1945) einbrachte.
Mit dem reinen Zufall ist es allerdings höchst selten getan, es ist
meist erst der Anfang jahrelanger harter Arbeit.
Zusammenfassend kann man sagen: Systematische und zielstrebige Arbeit
in Verbindung mit Intuition, Glück und Zufall können in der
Biologie zu bemerkenswerten Ergebnissen führen.
GALILEO GALILEI (1564-1642) zeigte als einer der ersten Wissenschaftler,
dass man zu neuen Erkenntnissen nicht allein durch logische oder andere
theoretische Überlegungen kommt, sondern dass man seine Überlegungen
mit Experimenten überprüfen muss. Damit führte er eine
neue Denk- und Arbeitsweise in die Naturwissenschaft ein.
Das Verdienst GALILEIs besteht aber nicht nur darin, das Experiment als
Arbeitsweise in die Naturwissenschaft eingeführt zu haben, denn Beobachtungen
und Versuche gab es schon vor seiner Zeit. Er hat vor allem die Stellung
des Experiments im Erkenntnisprozess neu bestimmt. GALILEI führte
Experimente auf der Grundlage klar formulierter Hypothesen durch. Eine
Hypothese ist eine wissenschaftlich begründete Annahme, wie das Ergebnis
aussehen könnte. Das Experiment wurde eine gezielte Frage an die
Natur, die von der Natur beantwortet wird.
In der Biologie führt die Erkenntnis heute in erster Linie über
das Experiment, mit denen wissenschaftliche Annahmen - die Hypothesen
- überprüft werden. Wird die Hypothese experimentell oder durch
Beobachtung bestätigt, kann daraus eine neue Erkenntnis abgeleitet
werden. Aber auch wenn sich die Annahme als nicht zutreffend herausstellt,
wird aus dem Experiment eine Erkenntnis gewonnen.
Der biologisch experimentelle Forschungsprozess:
Wissenschaftliches Arbeiten ist mit dem Lösen eines Kriminalfalles
vergleichbar.
Durch Beobachtung eines Phänomens oder durch mündliche oder
schriftliche Informationen werden wir mit einem Problem konfrontiert und
erfassen dieses möglichst genau. Schon Albert Einstein sagte: "Die
Formulierung eines Problems ist oft wichtiger als seine Lösung.".
Wir versuchen, diesen "Fall" aufzuklären, indem wir nach
möglichen Erklärungen (Hypothesen) suchen. Die Hypothesenbildung
ist Grundlage eines jeden biologischen Forschungsprozesses. Oftmals werden
neben der Arbeitshypothese auch Alternativhypothesen aufgestellt. Denn
mit dem Beweis einer Hypothese ist die Problemlösung meist nicht
vollständig aufgeklärt. Es ist zu überlegen, ob es sinnvoller
ist ein Experiment zu wählen, das die Hypothese beweist oder widerlegt.
In vielen Fällen sollte man zudem ein Kontrollexperiment entwickeln,
in dem die sogenannte Störgröße ausgeschlossen wird.
Es empfiehlt sich, für das Experiment das einfachste System zu benutzen,
welches noch die zu untersuchenden Eigenschaften besitzt. Dazu werden
in der Biologie oftmals Modellorganismen
genutzt, einfache Organismen, die sich durch unkomplizierte und überschaubare
Strukturen auszeichnen. Dies sind meist Bakterien, Tiere oder Pflanzen,
die mit einfachen Methoden zu untersuchen, leicht zu züchten und
zu halten sind. In der Entwicklungsbiologie und Genetik hat sich z. B.
die Taufliege Drosophila melanogaster und der
Fadenwurm Caenorhabditis elegans bewährt,
in der Physiologie wird häufig mit der Heuschrecke Locusta
migratoria und dem medizinischen Blutegel Hirudo
medicinalis gearbeitet. Ratten und Mäuse sind ebenfalls auf
grund ihrer leichten Züchtung, Haltung und ihrer kurzen Generationszeit
viel untersuchte Lebewesen. Die, mit diesen Modellorganismen, gewonnenen
Erkenntnisse sind in vielen Fällen auf den Menschen und andere Organismen
übertragbar. (Modellorganismen sind die am besten untersuchten Organismen.)
Ein Experiment geht immer einher mit einem detailliertem Versuchsprotokoll,
damit es später rekonstruierbar ist und von jedem nachvollzogen werden
kann. Darin werden alle Überlegungen formuliert und sämtliche
Geräte, Bedingungen, Techniken und Methoden beschrieben. Die gemessenen
Daten, oder beobachteten Reaktionen und der gesamte Verlauf des Experiments
werden notiert. Die Ergebnisse werden interpretiert, beurteilt, überschaubar
und aussagekräftig dargestellt und durch begründete Schlussfolgerungen
kommentiert, mit anderen Erkenntnissen verglichen und diskutiert und anderen
in mündlicher (z. B. Vortrag) oder schriftlicher (wissenschaftliche
Veröffentlichung) Form präsentiert.
Induktion und Deduktion
Ein Schluss vom Besonderen, also von vielen Einzelfällen, auf eine
allgemeine Regel oder Gesetzmäßigkeit wird als Induktion
bezeichnet. Der umgekehrte Schluss vom Allgemeinen auf das Besondere heißt
Deduktion.
Induktive und deduktive Vorgehensweisen sind im naturwissenschaftlichen
Erkenntnisprozess eng miteinander verknüpft.
An einem Beispiel soll das erklärt werden: Der Bau zahlreicher Blüten
wird untersucht, dabei wird festgestellt, dass mehrere Arten denselben
Blütenaufbau haben. Aus dem ähnlichen Bauplan kann man auf eine
Zusammengehörigkeit schließen, die man auf eine gemeinsame
Abstammung (Familie Lippenblütengewächse)
zurückführt (Induktion). Findet man bei weiteren Arten denselben
Blütenaufbau, kann man daraus folgern, dass es sich bei diesen Arten
um Lippenblütengewächse handelt (Deduktion).
So getroffene Verallgemeinerungen müssen der experimentellen Prüfung
im Einzelfall Stand halten (bei der Verwandtschaft von Pflanzenarten etwa
einer DNA-Analyse). Voraussetzung für die Wirksamkeit einer solchen
Vorgehensweise ist die nicht überprüfbare Annahme, dass es eine
vorhandene Naturordnung gibt, die mit der induktiven Methode aufgedeckt
werden kann (MAX HARTMANN, 1953). Nach KARL POPPER (1966, 1984) werden
jedoch vom Wissenschaftler immer nur diejenigen Aspekte der Wirklichkeit
erfasst, die er aufgrund seiner eingeschränkten Fragestellung überhaupt
beachtet. Erkenntnisse sind deshalb immer von Vorannahmen (Hypothesen,
Theorien) abhängig.
Wissenschaftliche Hypothesen
sind stets so formuliert, dass Folgerungen aus ihnen durch Beobachtungen
oder Experimente überprüfbar und auch widerlegbar sind. Wissenschaftlicher
Fortschritt kommt dadurch zustande, dass Ergebnisse den Vorhersagen einer
Hypothese widersprechen und diese deshalb verworfen oder abgewandelt werden
muss, um sie mit den Ergebnissen in Übereinstimmung zu bringen (hypothetisch
deduktives Verfahren)
Der biologisch theoretische Forschungsprozess:
Der experimentellen Biologie wird die deskriptive
(beschreibende) Biologie gegenübergestellt. Sie wird meist etwas
negativ bewertet, dabei wird oft vergessen, dass sich die komplexen Strukturen
von Organismen oft nur beschreibend erfassen lassen und die unverzichtbare
Grundlage jeder biologischen Disziplin bildet. KONRAD LORENZ nannte es
einen modernen Irrglauben, auf Beschreibung
verzichten zu können.
Die Beschreibung von Lebewesen erfolgt nach ihren wesentlichen morphologischen,
anatomischen oder Verhaltens-Mekmalen. Der Vergleich mit anderen Lebewesen
dient ihrer genauen Zuordnung in taxonomische Gruppen, z. B. bedient
sich die Homologieforschung der Beschreibung und dem Vergleich komplexer
Strukturen. Die Aussage, allen Säugetieren ist ein sekundäres
Kiefergelenk gemeinsam, ist eine qualitative Gesetzesaussage, die ausschließlich
durch die Beschreibung und Vergleich zu ermitteln ist.
Die Beschreibung und Analyse von Bauplänen führt z. B.
zur Erschließung phylogenetischer Zusammenhänge und zu regionalen
und systematischen Gliederungsversuche der Verbreitung von Lebewesen auf
der Erde.
Eine weitere theoretische Arbeitsweise ist die Modellbildung.
Manche Zusammenhänge sind zu komplex, um sie gedanklich zu erfassen.
Für die Forschung innerhalb eines solch kompliziert strukturierten
Sachverhaltes ist die Entwicklung eines abstrakten Modells hilfreich.
Voraussetzung für die Modell-Bildung ist eine möglichst exakte
Beschreibung und Analyse des zu untersuchenden Sachverhaltes. Modelle
werden aus bekannten Zusammenhängen gebildet um Zusammenhänge
anderer Wirkungsbereiche zu erklären und um Phänomene zu simulieren
damit zukünftige Auswirkungen abgeschätzt und erklärt
werden können.
Beschreibungsmodelle veranschaulichen Abläufe, Erklärungsmodelle
machen Abläufe verständlich und begründbar, Entscheidungsmodelle
helfen bei der Vorhersage zukünftiger Entwicklungen und liefern Grundlagen
für notwendige Entscheidungen. Die in der Biologie ermittelte Gesetzlichkeiten
werden dabei als einheitliche Gesetze der realen Welt verallgemeinert.
Ein bekanntes Modell ist das Instinktmodell von NIKOLAAS TINBERGEN, das
angeborene Verhaltensmuster veranschaulichen soll.
Bei diesem theoretischen Prozess wird genauso vorgegangen wie beim experimentellen
Forschungsprozess, das Experiment wird dabei durch die Arbeit des Betrachtens,
Beschreibens, Vergleichens und der Modellbildung ersetzt.
Grundlage ist ebenfalls die Erkennung eines Problems und die Bildung von,
auf Gesetzen, Regeln und Modellen begründeten Hypothesen. Diese werden
bewiesen oder widerlegt und die gefundenen Erkenntnisse geprüft,
beurteilt, dargestellt und mit anderen Erkenntnissen verglichen. Schlussfolgerungen
werden gezogen, diskutiert und die Ergebnisse präsentiert.