Kategorie: Biologie

Biologie, Studium der Lebewesen und ihrer Lebensprozesse. Das Feld beschäftigt sich mit allen physikalisch-chemischen Aspekten des Lebens. Die moderne Tendenz zur interdisziplinären Forschung und die Vereinheitlichung von wissenschaftlichen Erkenntnissen und Untersuchungen aus verschiedenen Bereichen hat zu erheblichen Überschneidungen des Fachgebiets der Biologie mit anderen wissenschaftlichen Disziplinen geführt. Moderne Prinzipien anderer Fachgebiete – zum Beispiel Chemie, Medizin und Physik – werden mit denen der Biologie in Bereichen wie Biochemie, Biomedizin und Biophysik integriert.

Die Biologie ist zur Erleichterung des Studiums in verschiedene Bereiche unterteilt, obwohl alle Unterbereiche durch Grundprinzipien miteinander verbunden sind. Während es also üblich ist, das Studium der Pflanzen (Botanik) von dem der Tiere (Zoologie) und das Studium der Struktur der Organismen (Morphologie) von dem der Funktion (Physiologie) zu trennen, teilen sich alle Lebewesen bestimmte biologische Phänomene – zum Beispiel verschiedene Mittel der Vermehrung, der Zellteilung und der Übertragung von genetischem Material.

Die Biologie wird oft auf der Grundlage von Ebenen angegangen, die sich mit grundlegenden Lebenseinheiten befassen. Auf der Ebene der Molekularbiologie wird das Leben beispielsweise als Manifestation chemischer und energetischer Transformationen betrachtet, die unter den vielen chemischen Bestandteilen, die einen Organismus ausmachen, auftreten. Durch die Entwicklung immer leistungsfähigerer und präziserer Laborgeräte und -techniken ist es möglich, nicht nur die ultimative physiochemische Organisation (Ultrastruktur) der Moleküle in lebender Materie, sondern auch die Art und Weise, wie sich lebende Materie auf molekularer Ebene vermehrt, mit hoher Präzision und Genauigkeit zu verstehen und zu definieren. Besonders entscheidend für diese Fortschritte war der Aufstieg der Genomik im späten 20. und frühen 21. Jahrhundert.

Zellbiologie ist die Erforschung von Zellen – den grundlegenden Einheiten von Struktur und Funktion in lebenden Organismen. Zellen wurden erstmals im 17. Jahrhundert beobachtet, als das Verbundmikroskop erfunden wurde. Vor dieser Zeit wurde der einzelne Organismus als Ganzes in einem Bereich untersucht, der als organismische Biologie bekannt ist; dieser Forschungsbereich bleibt ein wichtiger Bestandteil der Biowissenschaften. Die Populationsbiologie beschäftigt sich mit Gruppen oder Populationen von Organismen, die in einem bestimmten Gebiet oder einer bestimmten Region leben. Auf dieser Ebene sind Studien über die Rolle, die bestimmte Arten von Pflanzen und Tieren in den komplexen und sich selbst aufrechterhaltenden Wechselbeziehungen zwischen der lebenden und der nicht lebenden Welt spielen, sowie Studien über die eingebauten Kontrollen, die diese Beziehungen natürlich aufrechterhalten. Diese breit angelegten Ebenen – Moleküle, Zellen, ganze Organismen und Populationen – können für Studienzwecke weiter unterteilt werden, was zu Spezialisierungen wie Morphologie, Taxonomie, Biophysik, Biochemie, Genetik, Epigenetik und Ökologie führt. Ein Bereich der Biologie kann sich besonders mit der Erforschung einer Art von Lebewesen befassen – zum Beispiel mit der Erforschung von Vögeln in der Ornithologie, der Erforschung von Fischen in der Ichthyologie oder der Erforschung von Mikroorganismen in der Mikrobiologie.

Grundbegriffe der Biologie

Biologische Prinzipien

Homöostase

Das Konzept der Homöostase, dass Lebewesen eine konstante innere Umgebung beibehalten, wurde erstmals im 19. Jahrhundert vom französischen Physiologen Claude Bernard vorgeschlagen, der erklärte, dass “alle lebenswichtigen Mechanismen, so unterschiedlich sie auch sein mögen, nur ein Ziel haben: die Erhaltung konstanter Lebensbedingungen”.

Wie ursprünglich von Bernard konzipiert, bezog sich die Homöostase auf den Kampf eines einzelnen Organismus ums Überleben. Später wurde das Konzept auf jedes biologische System von der Zelle bis zur gesamten Biosphäre ausgeweitet, alle von Lebewesen bewohnten Bereiche der Erde.

Einheit

Alle lebenden Organismen, unabhängig von ihrer Einzigartigkeit, haben bestimmte biologische, chemische und physikalische Eigenschaften gemeinsam. Alle bestehen zum Beispiel aus Grundeinheiten, den sogenannten Zellen, und aus den gleichen chemischen Substanzen, die bei der Analyse bemerkenswerte Ähnlichkeiten aufweisen, auch bei so unterschiedlichen Organismen wie Bakterien und Menschen. Da die Wirkung eines jeden Organismus von der Art und Weise bestimmt wird, wie seine Zellen interagieren, und da alle Zellen in etwa gleichem Maße interagieren, ist auch die Grundfunktion aller Organismen ähnlich.

Es gibt nicht nur die Einheit der grundlegenden lebenden Substanz und des Funktionierens, sondern auch die Einheit der Herkunft aller Lebewesen. Nach einer 1855 vom deutschen Pathologen Rudolf Virchow vorgeschlagenen Theorie entstehen “alle lebenden Zellen aus bereits existierenden lebenden Zellen”. Diese Theorie scheint für alle Lebewesen zur Zeit unter den gegebenen Umweltbedingungen zu gelten. Wenn jedoch das Leben in der Vergangenheit mehr als einmal auf der Erde entstanden ist, deutet die Tatsache, dass alle Organismen eine Gleichartigkeit von Grundstruktur, Zusammensetzung und Funktion aufweisen, darauf hin, dass nur ein Originaltyp erfolgreich war.

Ein gemeinsamer Lebensursprung würde erklären, warum beim Menschen oder bei Bakterien – und in allen Lebensformen dazwischen – die gleiche chemische Substanz, die Desoxyribonukleinsäure (DNA), in Form von Genen, die Fähigkeit aller Lebewesen ausmacht, sich exakt zu replizieren und genetische Informationen von Eltern zu Nachkommen zu übertragen. Darüber hinaus folgen die Mechanismen für diese Übertragung einem Muster, das bei allen Organismen gleich ist.

Wann immer eine Veränderung in einem Gen (eine Mutation) auftritt, gibt es eine Veränderung in irgendeiner Form im Organismus, der das Gen enthält. Es ist dieses universelle Phänomen, das zu den Unterschieden (Variationen) in den Populationen der Organismen führt, aus denen die Natur diejenigen zum Überleben auswählt, die am besten in der Lage sind, mit den sich ändernden Bedingungen in der Umwelt umzugehen.

Entwicklung

In seiner Theorie der natürlichen Selektion, die später näher erläutert wird, schlug Charles Darwin vor, dass “Überleben des Stärkeren” die Grundlage für die organische Evolution (die Veränderung der Lebewesen mit der Zeit) sei. Die Evolution selbst ist ein biologisches Phänomen, das allen Lebewesen gemeinsam ist, auch wenn es zu ihren Unterschieden geführt hat. Beweise für die Unterstützung der Evolutionstheorie stammen in erster Linie aus der fossilen Aufzeichnung, aus vergleichenden Studien von Struktur und Funktion, aus Studien der embryonalen Entwicklung und aus Studien an DNA und RNA (Ribonukleinsäure).

Vielfalt

Trotz der grundlegenden biologischen, chemischen und physikalischen Ähnlichkeiten, die in allen Lebewesen zu finden sind, existiert eine Vielfalt des Lebens nicht nur zwischen und zwischen den Arten, sondern auch innerhalb jeder natürlichen Population. Das Phänomen der Vielfalt hat eine lange Geschichte der Untersuchung, weil so viele der Variationen, die in der Natur existieren, für das Auge sichtbar sind. Die Tatsache, dass sich Organismen in der Vorgeschichte verändert haben und sich ständig neue Variationen entwickeln, lässt sich sowohl durch paläontologische Aufzeichnungen als auch durch Züchtungsversuche im Labor nachweisen. Lange nachdem Darwin davon ausgegangen war, dass es Variationen gibt, entdeckten Biologen, dass sie durch eine Veränderung des genetischen Materials (DNA) verursacht werden. Diese Änderung kann eine leichte Änderung in der Reihenfolge der Bestandteile der DNA (Nukleotide), eine größere Änderung wie eine strukturelle Änderung eines Chromosoms oder eine vollständige Änderung der Anzahl der Chromosomen sein. Auf jeden Fall manifestiert sich eine Veränderung des Erbmaterials in den Fortpflanzungszellen als eine Art strukturelle oder chemische Veränderung bei den Nachkommen. Die Folge einer solchen Mutation hängt von der Interaktion der mutierten Nachkommen mit ihrer Umgebung ab.

Es wurde vermutet, dass die sexuelle Fortpflanzung die dominante Form der Fortpflanzung unter den Organismen wurde, weil sie den inhärenten Vorteil der Variabilität hat, die der Mechanismus ist, der es einer Art ermöglicht, sich an veränderte Bedingungen anzupassen. Neue Variationen sind potenziell in genetischen Unterschieden vorhanden, aber wie dominant eine Variation in einem Genpool wird, hängt von der Anzahl der Nachkommen ab, die die Mutanten oder Varianten produzieren (differentielle Reproduktion). Es ist möglich, dass sich eine genetische Neuheit (neue Variation) rechtzeitig auf alle Mitglieder einer Population ausbreitet, insbesondere wenn die Neuheit die Überlebenschancen der Population in der Umgebung, in der sie existiert, erhöht. Wenn eine Art also in einen neuen Lebensraum eingeführt wird, passt sie sich entweder der Veränderung durch natürliche Selektion oder durch einen anderen evolutionären Mechanismus an oder stirbt schließlich ab. Da jeder neue Lebensraum neue Anpassungen bedeutet, waren die Veränderungen des Lebensraums für die Millionen verschiedener Arten und für die Heterogenität innerhalb der einzelnen Arten verantwortlich.

Die Gesamtzahl der vorhandenen Tier- und Pflanzenarten wird auf etwa 5 bis 10 Millionen geschätzt; etwa 1,5 Millionen davon wurden von Wissenschaftlern beschrieben. Die Verwendung der Klassifizierung als Mittel, um aus der erstaunlichen Anzahl verschiedener Arten von Organismen eine Art Ordnung zu erzeugen, erschien bereits im Buch der Genesis – mit Hinweisen auf Rinder, Tiere, Geflügel, kriechende Dinge, Bäume und so weiter. Der erste wissenschaftliche Versuch zur Klassifizierung wird jedoch dem griechischen Philosophen Aristoteles zugeschrieben, der versuchte, ein System zu etablieren, das das Verhältnis aller Dinge zueinander anzeigt. Er arrangierte alles auf einer Skala, oder “Leiter der Natur”, mit nicht lebenden Dingen am Boden; Pflanzen wurden unter Tiere gestellt, und die Menschheit stand an der Spitze. Andere Systeme, die für die Gruppierung von Arten verwendet wurden, beinhalten große anatomische Ähnlichkeiten, wie Flügel oder Flossen, die auf eine natürliche Beziehung hinweisen, sowie Ähnlichkeiten in den Fortpflanzungsstrukturen.

Die Taxonomie basiert auf zwei Hauptannahmen: Zum einen, dass eine ähnliche Körperbauweise als Kriterium für eine Klassifikationsgruppierung herangezogen werden kann; zum anderen, dass neben strukturellen Ähnlichkeiten auch evolutionäre und molekulare Beziehungen zwischen Organismen als Mittel zur Bestimmung der Klassifizierung herangezogen werden können.

Verhalten und Zusammenhänge

Die Erforschung der Beziehungen von Lebewesen zueinander und zu ihrer Umwelt wird als Ökologie bezeichnet. Weil diese Zusammenhänge für das Wohlergehen der Erde so wichtig sind und durch menschliche Aktivitäten ernsthaft gestört werden können, ist die Ökologie zu einem wichtigen Zweig der Biologie geworden.

Kontinuität

Ob ein Organismus nun ein Mensch oder ein Bakterium ist, seine Fortpflanzungsfähigkeit ist eines der wichtigsten Merkmale des Lebens. Da das Leben nur aus dem bereits existierenden Leben stammt, können die nachfolgenden Generationen nur durch Fortpflanzung die Eigenschaften einer Art übernehmen.

Die Untersuchung der Struktur

Lebendige Dinge werden definiert als die Aktivitäten oder Funktionen, die in nicht-lebenden Dingen fehlen. Die Lebensprozesse jedes Organismus werden durch spezifische Materialien durchgeführt, die in bestimmten Strukturen zusammengesetzt sind. So kann ein Lebewesen als ein System oder eine Struktur definiert werden, das sich reproduziert, sich mit seiner Umgebung über einen bestimmten Zeitraum verändert und seine Individualität durch ständigen und kontinuierlichen Stoffwechsel aufrechterhält.

Zellen und ihre Bestandteile

Biologen waren einst auf das Lichtmikroskop angewiesen, um die Morphologie von Zellen in höheren Pflanzen und Tieren zu untersuchen. Die Funktionsweise von Zellen in ein- und mehrzelligen Organismen wurde dann aus der Beobachtung der Struktur postuliert; die Entdeckung der Chloroplastiden in der Zelle führte beispielsweise zur Untersuchung des Prozesses der Photosynthese. Mit der Erfindung des Elektronenmikroskops könnte die feine Organisation der Plastide für weitere quantitative Untersuchungen der verschiedenen Teile dieses Prozesses genutzt werden.

Qualitative und quantitative Analysen in der Biologie nutzen eine Vielzahl von Techniken und Ansätzen, um Nukleinsäuren, Proteine, Kohlenhydrate und andere chemische Bestandteile von Zellen und Geweben zu identifizieren und zu schätzen. Viele dieser Techniken verwenden Antikörper oder Sonden, die an bestimmte Moleküle in Zellen binden und mit einer Chemikalie, allgemein einem Fluoreszenzfarbstoff, einem radioaktiven Isotop oder einem biologischen Farbstoff markiert sind, wodurch die mikroskopische Visualisierung oder der Nachweis der interessierenden Moleküle ermöglicht oder verbessert wird.

Chemische Kennzeichnungen sind ein wirksames Mittel, mit dem Biologen Substanzen in lebenden Organismen identifizieren, lokalisieren oder verfolgen können. Einige Beispiele für weit verbreitete Assays, die Markierungen beinhalten, sind der Gram-Farbstoff, der für die Identifizierung und Charakterisierung von Bakterien verwendet wird; die Fluoreszenz-in-situ-Hybridisierung, die für den Nachweis spezifischer genetischer Sequenzen in Chromosomen verwendet wird; und Luciferase-Tests, die die Biolumineszenz messen, die aus Luciferin-Luciferase-Reaktionen erzeugt wird und die die Quantifizierung einer breiten Palette von Molekülen ermöglichen.

Gewebe und Organe

Frühe Biologen betrachteten ihre Arbeit als eine Studie des Organismus. Der Organismus, der damals als die grundlegende Einheit des Lebens galt, ist nach wie vor das Hauptanliegen einiger moderner Biologen, und das Verständnis, wie Organismen ihre innere Umwelt erhalten, bleibt ein wichtiger Teil der biologischen Forschung. Um die Physiologie von Organismen besser zu verstehen, untersuchen die Forscher die Gewebe und Organe, aus denen Organismen bestehen. Der Schlüssel zu dieser Arbeit ist die Fähigkeit, Zellen in vitro (“in Glas”), auch bekannt als Gewebekultur, zu erhalten und zu züchten.

Einige der ersten Versuche zur Gewebekultur wurden Ende des 19. Jahrhunderts unternommen. 1885 pflegte der deutsche Zoologe Wilhelm Roux das Gewebe eines Kükenembryos in einer Salzlösung. Der erste große Durchbruch in der Gewebekultur gelang jedoch 1907 mit dem Wachstum von Froschnervenzellprozessen durch den amerikanischen Zoologe Ross G. Harrison. Einige Jahre später hatten die französischen Forscher Alexis Carrel und Montrose Burrows Harrisons Methoden verfeinert und den Begriff Gewebekultur eingeführt. Mit strengen Labortechniken konnten die Mitarbeiter Zellen und Gewebe unter Kulturbedingungen über einen langen Zeitraum am Leben erhalten. Aus solchen Experimenten stammen Techniken zur Organerhaltung zur Vorbereitung auf Transplantationen.

Fortschritte in der Gewebekultur haben unzählige Entdeckungen in der Biologie ermöglicht. Zum Beispiel wurden viele Experimente durchgeführt, um ein tieferes Verständnis der biologischen Differenzierung zu erreichen, insbesondere der Faktoren, die die Differenzierung steuern. Entscheidend für diese Studien war die Entwicklung von Gewebekulturmethoden im späten 20. Jahrhundert, die das Wachstum von embryonalen Säugetierstammzellen – und letztlich von menschlichen embryonalen Stammzellen – auf Kulturplatten ermöglichten.

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