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Biologie

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Biologie bezeichnet die Naturwissenschaft, die sich mit Lebewesen befasst, mit der Organisation und Entwicklung ihrer Individuen sowie deren Interaktion untereinander und mit ihrer Umwelt. Es ist die "Lehre von der lebendigen Natur". Das Wort "Biologie" setzt sich aus den altgriechischen Wörtern βiοs (bios) = das Leben und λoγοs (logos) = die Lehre zusammen.

Die Biologie ist eine äußerst umfassende Wissenschaft, die sich in viele Fachgebiete unterteilen lässt. Die Betrachtungsebenen reichen von Molekülstrukturen über Organellen, Zellen, Zellverbänden, Geweben und Organen zu komplexen Organismen. In größeren Zusammenhängen wird das Verhalten einzelner Organismen sowie ihr Zusammenspiel mit anderen und ihrer Umwelt untersucht.

In der Biologie gibt es allgemeingültige Prinzipien, die überall in der Natur anzutreffen sind: Universalität, Evolution, Diversität, Kontinuität, Homöostase und Interaktion.

Dickkopffliege auf einer Blüte

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.

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 Zweige der Biologie 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.

Mit der Weiterentwicklung der Untersuchungsmethoden drang die Biologie in immer kleinere Dimensionen vor. Im 20. Jahrhundert kommen die Teilgebiete Physiologie und Molekularbiologie zur Entfaltung. Grundlegende Strukturen wie die DNA, Enzyme, Membransysteme und die gesamte Maschinerie der Zelle können auf atomarer Ebene sichtbar gemacht und in ihrer Funktion genauer untersucht werden.

Seit dem Ende des 20. Jahrhunderts beschreitet die Biologie neben dem Beobachten und Beschreiben neue Wege. Mit Hilfe der Gentechnik verlässt sie ihren passiven Standpunkt und beginnt die Natur zu verändern. Die Menschheit hat durch die Erkenntnisse der Biologie eine neue Möglichkeit gefunden, die Umwelt den eigenen Bedürfnissen anzupassen.

Charles Darwin

Meilensteine der Biologie

Einteilung der Fachgebiete

Datei:Biologie.jpg
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 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

Molekülstruktur einer DNA-Doppelhelix

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 als Enzyme 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 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.

Zellen und Zellorganellen

Das Wimpertierchen, ein eukaryotischer Einzeller

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):

Individuen

Individuen sind eigenständig lebensfähige Wesen, die innerhalb einer Art einander ähnlich, aber nie gleich sind. Jedes Individuum einer Art ist aus gleichen Bausteinen nach dem gleichen Grundbauplan zusammengesetzt. Dennoch ist jedes einzigartig.

Durch kleine Unterschiede sind manche Individuen besser an ihre Umwelt angepasst und haben einen Vorteil gegenüber anderen Artgenossen. Sie können sich besser vermehren und üben daher einen stärkeren Einfluss auf die Entwicklung ihrer Art aus, als ein schwächeres Exemplar.

Biologische Disziplinen, die diese Ebene auch betrachten sind beispielsweise die Anthropologie, Zoologie, Botanik und Verhaltensbiologie.

Populationen

Bienen auf ihrer Wabe

Eine Population ist eine Fortpflanzungsgemeinschaft innerhalb einer Art in einem zeitlich und räumlich begrenzten Gebiet.

Viele Arten bilden soziale Verbände unterschiedlichster Strukturierung. Die Organisationsformen reichen von einem riesigen Bienenvolk mit nur einer Königin über die strenge Hackordnung bei Hühnern zum gemeinschaftlichen Leben von Wölfen in einem Rudel. Neben den sozialen Strukturen innerhalb einer Population betrachtet man hier auch die evolutionäre Entwicklung. Eine abgegrenzte Population, die keinen Kontakt zu anderen ihrer Art hat, kann im Verlaufe von vielen Jahren durch Anpassung an spezielle Umwelteinflüsse eine eigene Art herausbilden.

Diese Ebenen werden u.a. von der Ökologie, Verhaltensbiologie und der Soziobiologie untersucht.

Geordnet nach den Gegenständen, sind auch die Gesellschaftswissenschaften Teilbereich der Biologie, denn auch sie betrachten Kombinationen biologischer Objekte. Auch die Gesellschaften haben eine evolutionäre Grundlage. Diese Wissenschaften werden jedoch derzeit nicht von allen Autoren unter die Biologie geordnet. Während Teilbereiche wie Sozialpsychologie, Ethnologie oder Demographie, welche einer weitgreifenden Anwendung der Ökologie auf den Menschen entspricht, noch als biologische Teildisziplinen durchgehen, werden Pädagogik, Kunstwissenschaft, Sprachwissenschaften oder auch die Rechtswissenschaft nicht unter die Biologie geordnet.

Biozönosen

Biozönosen stellen Gemeinschaften von Organismen dar. Pflanzen, Tiere, Pilze, Einzeller und Bakterien sind meist voneinander abhängig und beeinflussen sich gegenseitig sowohl in ihrer Individualentwicklung als auch in ihrer Evolution.

Die Lebewesen können sich positiv (z.B. Symbiose), negativ (z.B. Fressfeinde, Parasitismus) oder einfach gar nicht beeinflussen. Biozönose und Lebensraum (Biotop) bilden zusammen ein Ökosystem.

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

Die Entwicklung

Jedes Lebewesen ist Resultat einer Entwicklung. Nach Ernst Haeckel lässt sich diese Entwicklung auf zwei zeitlich unterschiedlichen Ebenen betrachten:

  • Die Ontogenese ist die Individualentwicklung eines einzelnen Organismus von seiner Zeugung über seine verschiedenen Lebensstadien bis hin zum Tod. Die Entwicklungsbiologie untersucht diesen Verlauf.
  • 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:

Datei:PhylogeneticTree.jpg
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.

Arbeitsmethoden der Biologie

Datei:431px-Revolving light microscope2.jpg
Lichtmikroskop

Die Biologie nutzt viele allgemein gebräuchliche wissenschaftliche Methoden, wie strukturiertes Beobachten, Dokumentation (Notizen, Fotos, Filme) und Hypothesenbildung und -testung durch Experimente. Bei der Formulierung von allgemeinen Prinzipien in der Biologie und der Knüpfung von Zusammenhängen stützt man sich ausschließlich auf empirische Daten. 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.

Als sehr eng verwandtes Gebiet ist die Chemie von der Biologie 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 unterschiedlichen biologischen Teildisziplinen nutzen verschiedene systematische Ansätze:

  • 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: Biologie – Übersicht zu Wikipedia-Inhalten zum Thema Biologie
Wiktionary: Biologie – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen
Wiktionary: biologie (in anderen Sprachen) – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen
Wikiquote: Biologie – Zitate

Literatur

Sachbücher

Fachbücher

  • Neil A. Campbell, Jane B. Reece und Jürgen Markl: Biologie. Spektrum Akademischer Verlag 2003, ISBN 3-8274-1352-4
  • Ilse Jahn (Hrsg.): Geschichte der Biologie. Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg 2000, ISBN 3-8274-1023-1
  • Martin Mahner, Mario Bunge: Philosophische Grundlagen der Biologie. Springer, Heidelberg 2000, ISBN 3-540-67649-X

Nachschlagewerke

Wikibooks: Biologie – Lern- und Lehrmaterialien
Commons: Biologie – Album mit Bildern, Videos und Audiodateien
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