



Die Biologie bestimmt unser Leben
Was haben der Schädlingsbefall im Kleingarten,
der Bakterien übertragende Zeckenbiss, das Waldsterben und die Suche
nach einem neuen Antibiotikum gemeinsam? Alle diese Erscheinungen und
Vorgänge sind biologischer Natur. Stets sind Lebewesen im Spiel.
Ihre Verschiedenartigkeit und ihre unterschiedlichen Lebensäußerungen
machen die enorme Vielfalt biologischer Phänomene aus. Ziel der Wissenschaft
Biologie ist es, diese Vielfalt auf allen Ebenen zu erforschen, das biologische
Wissen zu strukturieren und die in der belebten Natur wirkenden
Gesetzmäßigkeiten zu erkunden. Ging es dabei lange Zeit vor
allem um das Auffinden, Beschreiben und Ordnen von Lebewesen, so steht
heute die experimentelle Erforschung von Lebensvorgängen im Vordergrund.
Diese Untersuchungen reichen von der molekularen Ebene bis zur Erforschung
globaler Stoff- und Energieflüsse. Dabei haben die molekulargenetischen
Erkenntnisse, die durch das Modell der DNA symbolisiert werden, in den
letzten Jahrzehnten eine besondere Bedeutung erlangt. Technische Anwendungen
biologischer Forschungsergebnisse gewinnen zunehmend an wirtschaftlicher
Bedeutung. In der Medizin hofft man auf Heilung bisher unheilbarer Krankheiten
und Leiden, in der Pharmaindustrie setzt man auf neue effektive Verfahren
der Medikamentenherstellung, in der Landwirtschaft will man mit transgenen
Kulturpflanzen und Nutztieren neue Dimensionen der Agrarproduktion erreichen.
Der menschliche Drang nach Erklärungen
Von allen Lebewesen, die es jemals auf der Erde gab, besitzt der Mensch
die am weitesten entwickelten geistigen Fähigkeiten. Im Laufe der
Geschichte der Menschwerdung entwickelte sich das menschliche Gehirn zu
einem hoch spezialisierten, komplexen Organsystem, welches es uns u. a.
ermöglicht über uns und unsere Umwelt nachzudenken und Fragen
daran zu richten. Als sich die Menschen vor vielen Jahren Fragen über
die Welt, die sie umgab und in der sie lebten, stellten, gab es Begriffe
wie Biologie oder Wissenschaft natürlich noch nicht. Ausgehend von
existierenden Objekten wurden diese zunächst betrachtet oder beobachtet,
beschrieben (verbal oder bildlich, Höhlenzeichnungen), verglichen,
zusammengefasst und geordnet. Fast bis zum 18. Jahrhundert gab es keine
einheitliche oder zusammenfassende Begrifflichkeit für die Phänomene
der lebendigen Natur.
Trotzdem gab es auch damals schon Menschen, die sich mit dieser Erklärung allein nicht zufriedengaben und auf vernunftmäßigem Weg nach dem tieferen Sinn des Lebens und der Beschaffenheit der Natur suchten (erstmalig griechische Bewohner im 5. Jahrhundert v.Chr.). Diese Menschen nennt man auch Philosophen oder Naturphilosophen, jedoch war es ihnen ohne technische Hilfsmittel allein an Hand ihrer Beobachtungen nur möglich, Vermutungen darüber anzustellen. Dennoch enthalten einige Theorien früherer Philosophen schon grundlegende Gedanken, die in späterer Zeit lediglich vervollständigt, präzisiert oder korrigiert wurden. Beispielsweise beschäftigte den griechischen Philosophen Demokrit bereits die Idee, dass alle Phänomene auf der Erde aus gleichartigen Teilchen aufgebaut sind, den sogenannten Atomen (griech. atomos = unteilbar). Er nahm an, dass eine unterschiedliche Zusammensetzung dieser auch unterschiedlich gestalteten Teilchen die Vielfalt der Erscheinungen bedingt. Schließlich zerfallen laut DEMOKRIT die Atome einer Naturerscheinung (bei Lebewesen durch Tod), finden sich neu zusammen und bilden somit eine neue Existenzform.
Zunächst erfolgte also so etwas wie eine Bestandsaufnahme der existierenden Erscheinungen, sie wurden beschrieben, miteinander verglichen und schon nach Gemeinsamkeiten und Unterschieden klassifiziert. Da die äußere Betrachtung nur einen geringen Teil zur Erklärung vieler Phänomene beiträgt, stießen die Menschen noch an Grenzen und viele Fragen blieben ungeklärt oder ließen sich nur lückenhaft beantworten. Der menschliche Drang nach Erklärung ließ schon frühzeitig die Mythologie entstehen, das heißt die Deutung natürlicher Erscheinungen als Werk göttlicher Mächte.
So wurden eine lange Zeit viele Untersuchungen und Forschungen unabhängig
voneinander an verschiedenen Naturerscheinungen anhand unterschiedlicher
Hilfsmittel vorgenommen. Während der langen Zeit des Mittelalters
gab es nur wenige wissenschaftliche Unternehmungen, denn die Mächtigen
der Kirche unterbanden fortschrittliches Gedankengut zu Gunsten der religiösen
Vorstellungen über Art und Verlauf des Lebens. Trotzdem beschäftigte
die Frage nach der Entstehung des Daseins und das Phänomen des Lebendigen
die Menschen in allen Zeitepochen. Der Fortschritt auf physikalischem
und chemischem Gebiet brachte einige technische Erfindungen hervor, die
es ermöglichten, nun auch in innere Strukturen von Naturobjekten
vorzudringen.
Die Zelle als Ausgangspunkt alles
Lebendigen und der Biologie
1665 beschrieb erstmalig der englische Wissenschaftler ROBERT HOOK den
kleinsten Bestandteil eines lebenden Organismus: Er entdeckte nach der
Erfindung des Mikroskops zum Vergrößern
sehr kleiner Strukturen winzige Kästchen in einer Scheibe Eichenrinde
(Kork). Durch das mikroskopische Sehen konnte man nun in Ebenen vordringen,
die mit bloßem Auge nicht mehr zu erkennen waren. Da er glaubte,
diese Kästchen wären nur eine typische Eigenschaft von Kork,
wurde ihm die große Bedeutung seiner Entdeckung nie bewusst. Erst
als durch die Verbesserung der optischen Hilfsgeräte andere Wissenschaftler
ähnliche Strukturen in unterschiedlichen Objekten entdeckten (LEEUWENHOEK:
einzellige Organismen in Wassertropfen, Blutzellen und Spermazellen),
leiteten die deutschen Wissenschaftler THEODOR SCHWANN und MATTHIAS VON
SCHLEIDEN fast 200 Jahre später (1839) eine universelle Gültigkeit
und damit verallgemeinernde Aussage ab: Zellen sind die Grundbausteine
(und damit ein Muss) allen Lebens, d. h. alle
Lebewesen bestehen aus mehr oder weniger vielen Zellen.
Dieser Kern ihrer Zelltheorie wurde später erweitert um die Vorstellung, dass alle Zellen auch immer von Zellen abstammen. Die Fähigkeit von Zellen, sich zu teilen, nachzuwachsen und dadurch neue Zellen hervorzubringen bildet die Grundlage für jede Art von Fortpflanzung, Wachstum oder Reparatur vielzelliger Organismen. Mit dieser Theorie wurde der Ausgangspunkt für die Entstehung einer selbstständigen Wissenschaft für die Welt des Lebendigen geschaffen.
Der Begriff "Biologie"
Jetzt bestand also die Notwendigkeit und das Interesse, Lebewesen und
Lebenserscheinungen gesondert zu erforschen. So schlugen im Jahr 1802
JEAN-BAPTISTE DE LAMARCK (1744–1829) und LUDOLPH CHRISTIAN TREVIRANUS
(1779–1864) unabhängig voneinander die Bezeichnung "Biologie" für die Zusammenfassung und Weiterentwicklung der Kenntnisse über
die lebende Materie vor.
Der Begriff Biologie kommt aus dem Griechischen und bedeutet wörtlich
übersetzt "Lehre vom Leben" (bios = Leben, logos = Lehre).
Nimmt man es mit der Wortbedeutung genau, müsste die Biologie eigentlich
Zoologie heißen, denn das griechische Wort "zoe" bezieht
sich auf die Gesamtheit des organischen Lebens (nicht nur der Tiere),
während unter "bios" die Weise zu verstehen ist, wie vor
allem ein Mensch lebt. So war in der griechischen Antike der "Biologos"
kein Wissenschaftler, sondern ein Schauspieler, der das menschliche Leben
darstellte.
Bezug nehmend auf die bisherigen Forschungsmethoden und -ergebnisse stand
anfangs die spezielle Biologie einzelner Lebewesen
und die Abgrenzung der Bereiche Botanik (Pflanzenkunde) und Zoologie (Tierkunde)
im Vordergrund. Etwa 50 Jahre später setzte sich die Vorstellung
durch, dass eine allgemeine Biologie den Gemeinsamkeiten der Lebenserscheinungen
aller Organismen am besten gerecht wird. Dabei beinhaltet sie natürlich
nicht nur die Erfassung der jeweils gegenwärtigen Besiedlung der
Erde sondern schließt frühere und bereits ausgestorbene Lebewesen
mit ein. Sie betrachtet also die gesamte lebendige Welt von der Entstehung
der ersten Lebensformen bis heute.
TREVIRANUS definiert die Inhalte der Biologie wie folgt: ,,Sie erforscht
die verschiedenen Formen und Erscheinungen des Lebens, die Bedingungen
und Gesetze, unter welchen dieser Zustand
stattfindet, und die Ursachen, wodurch derselbe bewirkt wird''.
Methoden der Erkenntnisgewinnung in
der Biologie
Mit der Physik, der Chemie und den Geowissenschaften gehört die Biologie
zu den Naturwissenschaften.
Ähnlich wie die Vorgehensweise der Menschen beim Erforschen ihrer
selbst und ihrer Umwelt gestaltet sich der Ablauf beim wissenschaftlichen
Vorgehen und Arbeiten in der Biologie: Auf Grund von Beobachtungen an
Objekten wird eine Hypothese (vorläufige Antwort auf eine Frage)
formuliert, die es nun zu bestätigen oder zu verwerfen gilt. Diesen
Test erreicht man meistens durch die Anlegung eines Experimentes.
Dieses Vorgehen wird auch als empirische
Vorgehensweise bezeichnet und meint damit den Erkenntnisgewinn aus eigenem
Erfahren (von griech. Empeiros
für "erfahren, kundig"). Die Ergebnisse lassen dann eine
Deutung und Schlussfolgerung zu, die in der Biologie nicht auf ihren Wahrheitsgehalt,
sondern ihre Logik und Widerspruchsfreiheit gegenüber bekannten Daten
und logischen Anschauungen überprüft wird (hypothetisch-deduktives
Denken: Wenn-dann-Beziehung). Durch das Vergleichen der erhaltenen Resultate
mit anderen Befunden kann man Beziehungen zwischen Organismen feststellen
und die Entstehung und den Verlauf von Veränderungen nachvollziehen.
Die Biologie ist also eine Erfahrungswissenschaft: Ihre Methoden sind die Beobachtung, die Untersuchung, das Experiment und der Vergleich.
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Beobachtung ist das Erfassen von Objekten oder Vorgängen mit Hilfe der Sinnesorgane oder Hilfsmittel (z. B. Lupe oder Mikroskop) ohne Beeinflussung und Veränderung derselben. Auf diese Weise können Merkmale, Eigenschaften, Beziehungen oder Prozesse biologischer Erscheinungen ermittelt werden. |
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Beim Untersuchen erforscht man zielgerichtet innere Zusammenhänge von Objekten und Erscheinungen. Weil für diese Arbeitsweise entsprechende Hilfsmittel wie z. B. Sezierbesteck notwendig sind, kann man sie auch als Beobachten mit Hilfsmitteln bezeichnen. |
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Im Experiment werden biologische Erscheinungen unter ausgewählten, kontrollierbaren, wiederholbaren und veränderbaren Bedingungen beobachtet (Laborexperiment, Freilandexperiment). Von entscheidender Bedeutung dabei ist die Formulierung von Fragestellungen an die Natur. Sie basieren auf einer Vermutung oder Hypothese, die wiederum meist auf Beobachtungen zurückgeht. Die Ergebnisse werden registriert und bewertet. |
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Der Vergleich kennzeichnet
die Biologie als historische Wissenschaft: er ermöglicht es,
die Evolutionskette teilweise zu rekonstruieren. Durch das Herausstellen
gemeinsamer und unterschiedlicher Merkmale von zwei oder mehreren
Versuchsobjekten lassen sich Beziehungen zwischen ihnen aufdecken
und evolutionäre Zusammenhänge herstellen. So lassen sich
historische Ursachen der Merkmale der Organismen erklären. |
Seit Aufklärung der Erbsubstanz zu Beginn der 1950er-Jahre, durchdringt
diese Molekularbiologie zunehmend alle Gebiete der Biologie. Die Biologie
heute untersucht, beschreibt und analysiert die Strukturen und Funktionen
der Organismen vor allem in einem immer größer werdenden Gesamtkontext
verbunden mit vielen Bereichen des täglichen Lebens. Die Zahl der
biologischen Einzeldisziplinen, die sich gegenseitig durchdringen und
ergänzen sowie die auf andere Bereiche übergreifenden Zweige,
wachsen mit dem Verständnis der biologischen Bedeutung für fast
alle menschlichen Lebensbereiche.
Die Evolution ist das zentrale Thema
der Biologie
Eine der Hauptfragen der Biologie ist die Frage nach der Entstehung des
Lebens und seiner unendlichen Vielfalt
(Diversität). Bisher haben Biologen
über 1,5 Millionen Arten von Lebewesen entdeckt und beschrieben (darunter
über 260 00 Pflanzen, fast 50 000 Wirbeltiere und mehr als 750 000
Insekten) und das sind bei Weitem nicht alle. Jährlich wird diese
Liste durch Tausende von neuentdeckten Arten erweitert. Schätzungen
über die gesamte Diversität des Lebens (Biodiversität) reichen von fünf
Millionen bis zu über 30 Millionen Arten.
Schon sehr lange denken die Menschen darüber nach, woher die enorme Fülle und Vielfalt kommt. Betrachten wir einen Schmetterling, einen Schimmelpilz, eine Rose und einen Wal – man könnte denken diese vier Lebewesen hätten nichts gemeinsam. Natürlich ist die Vermutung naheliegend, dass alle diese Individuen in ihrer großen Unterschiedlichkeit völlig unabhängig voneinander entstanden sind und dass ihr jeweiliger Entstehungsprozess in keinem Zusammenhang mit dem der anderen Lebewesen steht. Welche Bedingungen haben nun aber jene Lebewesen vorgefunden, um sich ihrer Art entsprechend entwickeln und ausbreiten zu können?
An diese Gedanken schließt sich unmittelbar die Frage an, wie und wann das Phänomen Leben entstanden sein könnte (Was war zuerst da: das Huhn oder das Ei?). Dass es nicht schon immer lebende Materie gab (sondern dass sie eben irgendwann einmal irgendwie entstanden sein musste), darüber herrschte relativ schnell Einigkeit. Über den Weg und die Art der Entstehung stritten sich die Menschen jedoch lange Zeit (und tun es bis heute). Viele frühe Theorien begründen dieses Phänomen als "Schöpfungsakt" göttlicher Kräfte. Diese Lehren nehmen die unabhängige Erschaffung der Lebewesen ohne offensichtlichen Zusammenhang zwischen den einzelnen Arten an ("Am vierten Tag schuf Gott die Lichter am Himmel: Sonne, Mond und Sterne. Sie sollten über die Erde leuchten und Tag und Nacht anzeigen. Danach machte Gott die Wassertiere und auch die Vögel in der Luft. Am sechsten Tag dann schuf Gott die Landtiere und als den Höhepunkt der Schöpfung den Menschen.").
Viele alte Völker vor unserer Zeitrechnung hatten für fast
jede Naturerscheinung einen verantwortlichen Gott, sei es nun für
Klima, Unwetter, Ernte, Krieg oder Liebe (Mythologie). Auch in der heutigen
Zeit wird die Erschaffung der lebendigen Welt noch als Tat Gottes beschrieben:
"Das Leben ist das größte Geschenk
Gottes an das menschliche Wesen. Weil es nach dem Bilde Gottes geschaffen
ist, gehört es IHM, und wir haben kein Recht, es zu zerstören."
(Mutter Teresa (1910–97), indische Ordensgründerin albanischer Herkunft, 1979
Friedensnobelpreis)
Eine Erklärung für dieses Denken liefert vielleicht ein Zitat
von MAX PLANCK:
"Die Naturwissenschaft braucht der Mensch zum
Erkennen, die Religion zum Handeln, weil wir mit unseren Willensentscheidungen
nicht warten können, bis die Erkenntnisse vollständig, und bis
wir allwissend geworden sind." (Max Planck (1858–1947), dt.
Physiker (Quantentheorie), 1918 Nobelpreis)
Erst die technische Entwicklung und der zunehmende wissenschaftliche
Fortschritt brachten die Gemeinsamkeiten
aller Lebewesen zu Tage: die Kennzeichen des
Lebendigen. In ihnen spiegelt sich (neben der unüberschaubaren
Vielfalt) die Einheitlichkeit des Lebens auf der Erde wider, die ihre
Anordnung und Untersuchung innerhalb einer übergeordneten Wissenschaftsdisziplin
möglich macht.
Ausgangspunkt allen irdischen Daseins ist die Natur
mit all ihren Erscheinungen. Dazu gehören die Beschaffenheit der
Lebensräume sowie der Objekte, die sich darin befinden bzw. bewegen.
Laut der Theorie des "Urknalls" entstand das Sonnensystem mit
unserem Planeten vor einigen Milliarden Jahren als Folge einer enormen
Kräfteveränderung im Weltall. Zunächst gab es nur anorganische
(leblose) Materie, nämlich Gesteine, Sand, Wasser, Feuer und Luft.
Dazu kam die Existenz verschiedener Energieformen wie Sonnenlicht, Wind,
Blitze etc. Nach den Erkenntnissen von OPARIN (1894–1980) und MILLER (1930–2007)
haben sich vor ca. 4–6 Milliarden Jahren aus diesen anorganischen Verbindungen
durch Zufuhr von Energie die ersten sogenannten Lebensformen
entwickelt.
Diese Theorie lässt den Entstehungsprozess des Lebens erahnen, jedoch
erklärt er sich erst unter Hinzunahme bedeutender Entdeckungen aus
anderen Forschungsbereichen dieser Zeit.
Andere Wissenschaftler vermuten wiederum, dass organische Lebensformen
mit Meteoriten aus dem Weltall
auf die Erde gelangten und sich von da aus weiterentwickelten. Erneute
Untersuchungen über organische Substanzen ergaben, dass in der Anfangszeit
der Erdentwicklung Lebensbausteine aus dem Weltraum auf unseren Planeten
gelangten. Wie schon erwähnt enthält der interstellare Staub,
der das All durchzieht, eine Reihe potenziell lebenserzeugender Moleküle,
die sich u. a. aus Kohlenstoff, Wasserstoff, Stickstoff, Sauerstoff oder
Schwefel zusammensetzen. Meteoriten die auf die Erde niedergehen sind
Träger solcher organischen Substanzen. Über eine halbe Milliarden
Jahre wurde die Erde nach ihrer Entstehung unablässig von Meteoriteneinschlägen
überschüttet. Schon bald überzog den leblosen Planeten
eine dunkle organische, schmierige Schicht, ein kohlenstoffreicher Film,
von Regen und Meteoriten abgelagert. Nach Ansicht des belgischen Biochemikers
und Nobelpreisträgers CHRISTIAN DE DUVE ist es möglich, dass
sich irgendwo auf der Urerde in diesem organischen Schmierfilm eine größere
Molekühlanordnung formte, die sich irgendwann selbst vervielfältigte
und schließlich zu den ersten Einzellern führte.
Das Geheimnis um die Entstehung
des Lebens wird wohl auch in Zukunft noch genügend Stoff für
die Wissenschaften bieten.
Besonderheiten der Biologie
"Wer die Welt nicht von Kind auf gewohnt wäre,
müßte über ihr den Verstand verlieren. Das Wunder eines
einzigen Baumes würde genügen, ihn zu vernichten."
(CHRISTIAN MORGENSTERN (1871–1914), dt. Lyriker)
| Besonderheiten der Biologie ergeben sich aus den Besonderheiten ihrer Objekte, der Lebewesen: | |
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Organismen sind die kompliziertesten Systeme, die wir kennen. Sie sind nicht nur aus einer unvorstellbar großen Zahl von Bauelementen wie Molekülen, Organellen und Zellen aufgebaut. Diese sind selbst auch komplex strukturiert und miteinander durch vielfältige Wechselwirkungen verknüpft. |
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Auf Grund ihrer Komplexität können Lebewesen in größter Verschiedenheit existieren. Millionen verschiedener Arten und eine nicht zu beziffernde Zahl unterschiedlicher Individuen zeugen davon. |
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Leben kann ohne Information nicht existieren. Die in
den Molekülen der DNA gespeicherte Erbinformation programmiert
nicht nur den regelmäßigen Ablauf und die große Ordnung
der Lebensprozesse, sie garantiert auch den Fluss des Lebens von Generation
zu Generation. Diese Information hindert lebende Organismen daran,
sich – wie leblose Objekte – dem Gleichgewichtszustand völliger
Unordnung (= maximale Entropie) zu nähern. Dem hohen Organisationsgrad
entspricht ihre niedrige Entropie. Da geordnete Zustände sehr
leicht in ungeordnete übergehen, erfordert der unwahrscheinliche,
geordnete Zustand permanente Zufuhr von Energie sowie die Abgabe von
Entropie (Geordnete Teilchenzustände werden aufgenommen, umgewandelt
und als ungeordnete Teilchen wieder abgegeben). Um den Zustand der
Ordnung also längerfristig aufrecht zu erhalten, unterliegen
Lebewesen einer ständigen Energiezufuhr durch Nahrung oder Sonnenlicht.
Lebewesen sind Systeme hoher Ordnung bis in mit bloßem Auge
nicht sichtbare Ebenen. Sie bilden eine Hierarchie von Strukturebenen,
wobei jede auf der darunterliegenden Ebene aufbaut: Atome
Moleküle (Proteine)
Organellen
Zellen Gewebe
Organe
Organsystem (Gehirn)
Organismus (einzelner)
Population (Gruppe von Organismen der gleichen Art)
biologische Gemeinschaft (Populationen verschiedener Arten im selben
Lebensraum)
Ökosystem (Wechselbeziehungen mit unbelebten Faktoren)
Biosphäre (Summe aller Ökosysteme). Mit jeder Stufe in der
Hierarchie treten neue
Eigenschaften auf, die auf den einfacheren Ebenen noch nicht vorhanden
waren. Dies bewirkt gleichzeitig eine neue Qualität (= emergente
Eigenschaften). Sie resultieren aus Anordnung und Wechselwirkungen
(ihrer Teile) zwischen den Komponenten (z. B. ist eine Zelle mehr,
als nur eine Menge einzelner Moleküle auf einem Platz). |
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Die Information lebender Systeme ist darauf angelegt, sich selbst zu erhalten. Damit hat sie einen Zweck. Dies ist der Grund, warum es in der Biologie – und unter allen Naturwissenschaften nur in der Biologie – Sinn macht, nach der Funktion eines Sachverhaltes zu fragen. Jede biologische Erscheinung hat also eine Ursache, nichts existiert ohne einen Zweck. |
| "Der Zweck des
Lebens ist das Leben selbst."( JOHANN WOLFGANG VON GOETHE
(1749–1832), dt. Dichter). Als Besonderheiten der Wissenschaft Biologie ergeben sich demnach folgende Sachverhalte: |
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1.
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Erkenntnisse der Biologie sind weniger allgemeingültig, selten als "Gesetze" zu formulieren und kaum oder nur annähernd mathematisch zu beschreiben. |
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2.
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Biologische Sachverhalte lassen sich oft nicht begründend erklären. |
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3.
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Das Verhalten biologischer Systeme vorher zu sagen, ist schwierig oder unmöglich. |
Aufgrund des einzigartig hohen Komplexitätsgrades von Lebewesen,
aufgrund ihrer Individualität und aufgrund von Zufallsfaktoren wie
Mutationen, Populationsschwankungen und Umweltveränderungen lassen
sich viele biologische Phänomene nicht durch streng mathematisch
exakte Gesetze erklären: "Das Schlüsselwort
der physikalischen Wissenschaft ist das Muß, das der Wissenschaft
vom Lebendigen ist das Kann". (W. ELSASSER)