Beziehungen zu anderen Naturwissenschaften

Biologische Forschungsvorhaben gehen heute im Allgemeinen von der Prämisse aus, dass ein über die reine Beschreibung hinausgehendes Verständnis der Lebensvorgänge nur auf der Basis von Chemie und Physik möglich ist. Diese Form des Reduktionismus wäre dann unzureichend, wenn man eine Lebenserscheinung angeben könnte, die sich mit den Gesetzmäßigkeiten der Physik und Chemie grundsätzlich nicht erklären lässt. Solche Beispiele sind bisher nicht bekannt. Allerdings gibt es deutliche Erklärungslücken, etwa im Grenzbereich von Psychologie und Neurobiologie oder bei der Erklärung der komplexen Wechselwirkungen in einer Zelle. Dies sind jedoch auch Schwerpunkte derzeitiger Forschungsaktivitäten.

Der reduktionistische Forschungsansatz beinhaltet, dass jeder Lebenserscheinung ein Bedingungskomplex aus Materie, Information und Organisation zugrunde liegt. Gesetzmäßigkeiten der exakten Naturwissenschaften reichen aus, um damit die Lebenserscheinungen zu erklären. Allerdings kann man bis heute selbst die einfachsten lebenden Zellen nicht vollständig künstlich herstellen. Dies gilt auch noch, nachdem es CRAIG VENTER und seiner Arbeitsgruppe 2010 gelungen ist, ein einfaches Bakterium der Gattung Mycoplasma mit einem künstlichen Genom auszustatten und so eine lebende Zelle mit synthetischen Erbanlagen zu schaffen.
Ein weiteres bisher nicht auf rein naturwissenschaftlicher Basis gelöstes Problem ist die Frage des Bewusstseins. Die materiellen Vorgänge, die menschliches Bewusstsein erzeugen, waren experimentellen Zugängen lange Zeit verschlossen. Erst durch computergestützte bildgebende Verfahren wurden gewisse Fortschritte erzielt. Es zeigte sich, dass man kein „Bewusstseinszentrum“ im Gehirn ausmachen kann, sondern dass viele Areale des Cortex in das Bewusstwerden einbezogen sind. So kann man sich vorstellen, dass eine Art Scanvorgang den Zustand der Neuronen abtastet und daraus die Grundlagen dessen liefert, was das momentane Bewusstsein ausmacht. Durch das Zusammenwirken vieler Teilbereiche kommt so eine neue Qualität zustande, die durch die Einzelaktivitäten alleine nicht erklärt werden kann. Eine solche spontane Herausbildung von neuen Eigenschaften oder Strukturen auf einer höheren Systemebene wird Emergenz genannt. Dabei bleibt allerdings eine Erklärungslücke zwischen den messbaren physiologischen Zuständen der Neuronen und der subjektiven Wahrnehmung. Auch wenn es vielleicht nie möglich sein wird, diese Lücke zu schließen, ist die in der Neurologie geltende Hypothese, dass psychische und neuronale Phänomene zwei Erscheinungsformen einer einzigen Wirklichkeit sind.

Ein Problem der reduktionistischen Methode ist zweifellos, dass sich lebende Systeme – anders als viele physikalische Systeme – nur über die Wechselwirkungen zahlreicher Variabler erklären lassen, die alle zugleich Ursache und Wirkung sein können.

Dabei stellt sich immer wieder die Frage der Selbstorganisation. Wie ist es naturwissenschaftlich erklärbar, dass sich derart komplexe Systeme aufbauen können, wie sie für Lebewesen typisch sind? In diesem Zusammenhang spielen die von dem belgischen Physikochemiker ILJA PRIGOGINE (geb. 1917) durchgeführten Untersuchungen zum Verhalten von Systemen, die weit von einem thermodynamischen Gleichgewicht entfernt sind, eine wichtige Rolle: In solchen offenen Systemen können sich relativ stabile Strukturen ausbilden, die auch als dissipative Strukturen bezeichnet werden.
Dissipative Strukturen bilden sich durch Selbstorganisation in thermodynamischen Systemen fern vom thermodynamischen Gleichgewicht. Voraussetzung dafür ist eine ausreichende Energie- und Stoffzufuhr.

Naturwissenschaftliche Methoden und Techniken in der Biologie

Von Beginn an haben in der wissenschaftlichen Biologie physikalische und chemische Methoden und Techniken eine entscheidende Rolle gespielt , z. B. die Mikroskopie, Färbe-, Nachweis- und Markierungsverfahren, Trennverfahren wie die Zentrifugation, die Chromatografie, die Gelelektrophorese, verschiedene Blotting-Verfahren, bildgebende Verfahren mithilfe von Ultraschall, Röntgenstrahlen, Magnetspinresonanz-Tomografie oder Positronen-Emissions-Tomografie. Dabei wurden für die Auswertung Verfahren der elektronischen Datenverarbeitung immer wichtiger.

Das Beispiel der Proteinforschung

Proteine sind Schlüsselmoleküle der Lebensvorgänge. Über die Aufklärung ihrer exakten räumlichen Konfiguration lassen sich weitreichende Schlüsse über ihre Funktion im Stoffwechsel oder bei der Aufnahme und Verarbeitung von Reizen ziehen. Die Aminosäuresequenz von Proteinen kann heute durch weitgehend automatisierte Analyseverfahren ermittelt werden. Für die Ermittlung der Sekundär- und Tertiärstruktur stehen Computerprogramme zur Verfügung, mit deren Hilfe räumliche Molekülmodelle entwickelt werden können, die sich von allen Seiten betrachten lassen.
(Beispiel: Alkoholdehydrogenase).

2008 wurde von den Abteilungen „Computer Science and Engineering“ und „Biochemistry“ der University of Washington ein experimentelles Videospiel mit Namen „Foldit“ entwickelt, dessen Ziel es ist, ein möglichst gut gefaltetes Protein zu erhalten, eine Tertiärstruktur des Proteins im Zustand des Energieminimums. Zum Spielen sind keinerlei Vorkenntnisse nötig, die Spieler werden durch eine Anzahl von Lehrpuzzles in die Arbeitsweise eingeführt. Dabei wird eine Ausgangsgrafik der Proteinstruktur angezeigt, die der Spieler mit verschiedenen Werkzeugen verändern kann. Für jede Strukturveränderung berechnet das Programm einen Punktwert, der sich danach richtet, wie „gut“ – d. h. dem energetischen Optimum angenähert – das Protein gefaltet ist. Die Hoffnung der Spieleentwickler ist, dass sich auf diese Weise die natürlichen menschlichen Fähigkeiten zur Erkennung von Raummustern nutzen lassen, um existierende Proteinfaltungssoftware zu verbessern. Die bisherigen Erfahrungen mit dem Spiel sind sehr Erfolg versprechend.