Welches sind die Prinzipien der Biologie?

Struktur und Funktion

Lebewesen und Lebensvorgänge sind an Strukturen gebunden; es gibt einen Zusammenhang von Struktur und Funktion.

Dieses Basiskonzept hilft z. B. beim Verständnis des Baues von Biomolekülen, der Funktion der Enzyme, der Organe und der Ökosysteme.

Es gehört zu den wesentlichen Besonderheiten der Biologie innerhalb der Naturwissenschaften, Strukturen von Lebewesen und Lebensprozessen eine biologische Bedeutung zuweisen zu können. Durch den Evolutionsprozess, dem Organismen unterliegen, werden Strukturen geformt und damit der jeweiligen biologischen Funktion gerecht. Insofern fügt sich dieser Zusammenhang zwischen Struktur und Funktion in die für die gesamte Biologie zentral bedeutsame Evolutionstheorie ein. Wichtige Prinzipien, die sich diesem Basiskonzept zuordnen lassen, sind zum Beispiel das Prinzip der Oberflächenvergrösserung, das Schlüssel-Schloss-Prinzip, das Gegenstromprinzip und das antagonistische Bewegungsprinzip.

Reproduktion

Dieses Basiskonzept hilft z. B. beim Verständnis der identischen Replikation der DNS, der Viren, der Mitose und der geschlechtlichen Fortpflanzung.

Lebewesen haben eine begrenzte Lebensdauer. Die Kontinuität des Lebens besteht in der Generationsfolge. Die Reproduktion führt durch die identische Replikation der DNA, aber auch durch Mutation und Rekombination zu Vielfalt innerhalb der Populationen. So bergen die Begrenztheit des Lebens und die Vielfalt die Möglichkeit der Veränderung von Populationen und damit die evolutive Anpassung an eine dynamische Umwelt in sich.

Kompartimentierung

Dieses Basiskonzept hilft z. B. beim Verständnis der Zellorganellen, der Organe und der Biosphäre.

Lebende Systeme zeigen abgegrenzte Reaktionsräume. Dieses Basiskonzept verdeutlicht die Rolle des Bausteinprinzips von Zellen und Geweben, hilft aber auch beim Verständnis der Zellorganellen und Organe als abgegrenzte Funktionsräume innerhalb eines Organismus.
Kompartimentierung spielt auch bei der Energiespeicherung im Organismus (Protonengradient an Membranen) eine wesentliche Rolle.
Kompartimentierung gibt es auf zellulärer Ebene (Organelle und Organe), aber auch auf der Ebene von Populationen (Arbeitsteilung bei sozial organisierten Arten) und von Ökosystemen.
Hier sind vor allem das Konzept der ökologischen Nische und das Konkurrenzausschlussprinzip von zentraler Bedeutung.

Steuerung und Regelung

Dieses Basiskonzept hilft z. B. beim Verständnis der Proteinbiosynthese, der hormonellen Regulation und der Populationsenticklung.

Lebende Systeme halten bestimmte Zustände durch Regulation aufrecht und reagieren auf Veränderungen. Regelung führt dazu, dass trotz wechselnder Umwelt- und Lebensbedingungen die inneren Zustände eines Lebewesens in einem funktionsgerechten Rahmen (Sollwert) bleiben. Typisch für Regelung ist die negative Rückkopplung. Pfeildiagramme und Regelkreismodelle erlauben ein Verständnis der Regelungsprozesse. Steuerung beschreibt die Möglichkeit eines Organismus, unabhängig von Sollwerten aktiv bestimmte Kenngrössen zu verändern.
Wichtig für das Grundverständnis dieses Basiskonzeptes ist die Unterscheidung von ökologischen Regelmechanismen, die zwar unter stabilen Umweltbedingungen zu annähernd stabile Populationen führen, die aber keinen Sollwert aufweisen, und physiologischen Mechanismen mit Sollwert.
Ein hilfreiches Konzept ist in diesem Zusammenhang die Unterscheidung von Regulierern und Konformern: Konformer passen ihr inneres Milieu (Temperatur, Osmolarität den jeweils herrschenden Umweltbedingungen an; dazu müssen die physiologischen Strukturen ein relativ hohes Mass an Toleranz aufweisen; das schränkt die physiologische Leistungsfähigkeit in der Regel ein.
Regulierer dagegen halten ihr inneres Milieu auch bei wechselnden Umweltbedingungen weitgehend konstant (Beispiel: gleichwarme Organismen). Das steigert die physiologische Leistungsfähigkeit, kostet aber in der Regel viel Energie.

Stoff- und Energieumwandlung

Dieses Basiskonzept hilft z. B. beim Verständnis der Photosynthese, der Ernährung und der Stoffkreisläufe.

Lebewesen sind offene Systeme; sie sind gebunden an Stoff- und Energieumwandlungen. Die Instabilität von lebenden Organismen beruht auf permanenter Energieabgabe, die durch ständige Energiezufuhr (Sonnenenergie oder energiereiche Nahrungsstoffe) im Sinne eines Fliessgleichgewichtes ausgeglichen wird. Dieses Basiskonzept hilft z. B. beim Verständnis der Fotosynthese, der Ernährung und der Stoffkreisläufe.

Information und Kommunikation

Dieses Basiskonzept hilft z. B. beim Verständnis der Verschlüsselung von Information auf der Ebene der Makromoleküle, der Erregungsleitung, des Lernens und des Territorialverhaltens,

Lebewesen nehmen Informationen von aussen und über innere Zustände auf, speichern und verarbeiten sie. Ferner bedürfen Anatomie und Physiologie eines Organismus einer schon von Anbeginn des individuellen Lebens vorhandenen Basisinformation, die als Erbinformation auf die Folgegeneration weitergegeben wird. Kommunikation ist der Informationsaustausch unter Lebewesen. Sie setzt eine gemeinsame Codierung (Sprache) voraus, die vom Empfänger decodiert werden kann. Dieses Basiskonzept hilft z.B. beim Verständnis der Verschlüsselung von Information auf der Ebene der Makromoleküle, der Erregungsleitung, des Lernens und des Sozialverhaltens.

Variabilität und Angepasstheit

Dieses Basiskonzept hilft z. B. beim Verständnis der Sichelzellanämie, der ökologischen Nische und der Artbildung.

Lebewesen sind bezüglich Bau und Funktion an ihre Umwelt angepasst. Beschreibt das Basiskonzept Struktur und Funktion den inneren Zusammenhang, thematisiert das Basiskonzept Angepasstheit die Beziehung von Bau und Funktion zur Umwelt. Angepasstheit beschreibt einen durch Anlagen bestimmten Zustand, Anpassung dagegen einen Prozess. Dabei gilt Angepasstheit als gegeben, wenn eine Struktur und die damit verbundene Funktion das Überleben eines Organismus bzw. die Weitergabe seines Genoms fördert.
Anpassung ist auf der Ebene des einzelnen Individuums (Modifikation) und auf der Ebene von Populationen (Evolutionsprozess) möglich. Der Zusammenhang zwischen Variabilität und evolutivem Anpassungsprozess setzt die Kenntnisse von Evolutionsmechanismen voraus.
Eine besonders wichtiges Konzept ist in diesem Zusammenhang das Optimierungsprinzip: Ursprünglich nur auf Energiebilanzen (Energiebedarf als Kosten, Energiegewinn als Nutzen) bei Entscheidungswahlen von Individuen bezogen kann dieses Konzept gut auf Anpassungen und Angepasstheiten von Indivuduen allgemein angewandt werden: In diesem Sinne können als Kosten alle fitnessmindernden und als Nutzen alle fitnessfördernden Faktoren angesehen werden. Damit kann ein sinnvolles Verständnis von komplexen Selektionswirkungen im Evolutionsprozess entwickelt werden.
Enge Beziehungen gibt es auch zum Basiskonzept Reproduktion (als Ursache der Vielfalt) und der stammesgeschichtlichen Verwandtschaft (Ergebnis gemeinsamer Evolutionsgeschichte).

Geschichte und Verwandtschaft

Ähnlichkeit und Vielfalt von Lebewesen sind das Ergebnis stammesgeschichtlicher Entwicklungsprozesse. Dieses Basiskonzept hilft z.B. beim Verständnis der Evolutionsprozesse, die zur heute beobachtbaren Vielfalt der Lebewesen geführt haben. Letztlich führt es zu einem Verständnis der Herkunft des Menschen und unsere Eingebundenheit in die Welt der übrigen Lebewesen (Verwandtschaft).