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Das Zusammenwirken von Biologie und Chemie

Jede einzelne naturwissenschaftliche Disziplin beschäftigt sich nur mit Teilbereichen der Natur unter ganz bestimmten, ausgewählten Gesichtspunkten. Unsere natürliche Umwelt ist aber ein einheitliches Ganzes. Um Erscheinungen der Natur richtig und vollständig zu verstehen, müssen meist Erkenntnisse aus verschiedenen naturwissenschaftlichen Gebieten einbezogen werden. So erfolgt zwar sowohl in der Biologie als auch in der Chemie eine Schwerpunktsetzung und die Herausstellung eines Hauptuntersuchungsfelds, jedoch kommt es immer mehr zu inhaltlichen und methodischen Überschneidungen. In der Biochemie ist das besonders ausgeprägt.

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Die modernen Naturwissenschaften erforschen und beschreiben häufig gleiche Objekte aus unterschiedlichem Blickwinkel. So können beispielsweise bestimmte Lebenserscheinungen aus chemischer und biologischer Sicht erforscht werden. Die Naturwissenschaften haben einen Objektbereich – nämlich die Natur . Zur Natur zählen alle materiellen Gegenstände, Strukturen und Prozesse in der unendlichen Mannigfaltigkeit ihrer Erscheinungsformen. Problematisch bzw. fast unmöglich hierbei gestaltet sich mittlerweile eine klare Abgrenzung dieser Wissenschaftsbereiche. So erfolgt zwar eine Schwerpunktsetzung und die Herausstellung eines Hauptuntersuchungsfelds, jedoch werden immer mehr (und das auch gewünscht) inhaltliche und methodische Überschneidungen existieren.
Für die Biologie ist z. B. die Frage von Interesse, wie ein Fisch an die Lebensbedingungen im Wasser angepasst ist oder welche Nahrung er aufnimmt. Eine chemische Fragestellung wäre die nach der Qualität des Wasser und seiner Zusammensetzung.

Schon die Frage nach der Entstehung des Lebens lässt die Wissenschaften Biologie und Chemie untrennbar zusammenrücken.
STANLEY LLOYD MILLER (1930-2007) simulierte in einer Experimentalanordnung die vermutete Zusammensetzung der Erd-Uratmosphäre, indem er Wasserstoff mit Methan, Schwefelwasserstoff, Kohlenstoffdioxid und Ammoniak mischte und in dieses Gemisch elektrische Funkenentladungen („Blitze“) einschlagen ließ. Die dabei entstandenen Gase wurden in einer wässrigen Phase aufgefangen. Nach mehreren Versuchszyklen konnten Ameisensäure, Essigsäure, Harnstoff und Aminosäuren – einfache Bausteine des Lebens – nachgewiesen werden. Damit war bewiesen, dass unter Bedingungen, wie sie auf der Urerde geherrscht haben könnten, Bausteine des Lebens entstehen konnten.
Neben Kohlenstoff sind nur wenige Elemente des Periodensystems, wie z. B. Sauerstoff, Wasserstoff, Stickstoff, Phosphor und Schwefel, in organischen Verbindungen vertreten. Sie dienen als Baustoffe für Lebewesen: Kohlenhydrate, Proteine, Nucleinsäuren, Lipide und einige andere.
In der Biochemie sind Biologie und Chemie besonders stark miteinander verknüpft.

Biochemie

Nach der wissenschaftlichen Fundierung der Chemie am Ende des 19. Jahrhunderts begann sich sehr schnell die Brückendisziplin Biochemie zu entwickeln, die ursprünglich mit den Methoden der Chemie die Zusammensetzung und Funktion von Lebewesen bzw. Teilen derselben untersuchte. Zunächst war die Biochemie weitgehend identisch mit Naturstoffchemie und organischer Chemie, später rückten Stoffwechselvorgänge in den Blickpunkt des Interesses.
Durch die Möglichkeit, Naturstoffe zu isolieren und ihre Struktur aufzuklären, schließlich sogar synthetisch nachzubilden, gelang es immer besser, Stoffwechselwege in Organismen chemisch zu verstehen. Im Stoff- und Energiewechsel vollziehen sich vielfältige biochemische Reaktionen. Es erfolgen Stoffaufbau, Umbau und Abbau. Sir HANS ADOLF KREBS (1900-1981) klärte so entscheidende Stoffwechselzyklen, wie den Harnstoffzyklus (1932) und – zusammen mit anderen Biochemikern – den Citronensäurezyklus auf.

Die Biochemie ist eine traditionelle Wissenschaft, welche die chemischen Vorgänge innerhalb der Lebenserscheinungen (Biologie) untersucht. Dazu zählt auch der molekulare Aufbau der Lebensvorgänge lebender Organismen und Teile von ihnen. Aber auch die bei den Lebensvorgängen ablaufenden Reaktionen einschließlich aller organischen und anorganischen Substanzen des Organismus gehören dazu.

1845 formulierte JULIUS ROBERT MAYER (1814-1878) zum ersten Mal, dass Pflanzen Sonnenenergie in chemische Energie umwandeln.
JEAN B. BOUSSINGAULT (1802-1887) konnte 1864 nachweisen, dass bei der Fotosynthese etwa gleich viel Sauerstoff freigesetzt wie CO 2 verbraucht wird.
Der Physiologe ARCHIBALD V. HILL (1886-1977) konnte mit isolierten Chlorophyllkörnern grüner Blätter durch Zugabe eines Oxidationsmittels die Spaltung von Wasser und die Abtrennung von Sauerstoff erreichen (HILL-Reaktion). Er bewies, dass die CO 2 -Reduktion und die O2 -Erzeugung zwei getrennte Teilreaktionen der Fotosynthese sind.
OTTO HEINRICH WARBURG (1883-1970) entwickelte mit dem „WARBURG-Manometer“ eine neue Technik der quantitativen Messung von Gasentwicklungen bei Stoffwechselvorgängen. Damit gelang ihm die weitgehende Aufklärung der biochemischen Vorgänge bei der Zellatmung und bei Gärungen.
Die weitgehende Aufklärung der Lichtreaktionen der Fotosynthese gelang DANIEL I. ARNON (1910-1994) in den 50er-Jahren. Der amerikanische Biochemiker MELVIN CALVIN (1911-1997) klärte zwischen 1950 und 1960 den Reaktionszyklus auf, der zur Fixierung des Kohlenstoffdioxidmoleküls als Zucker in der Zelle führt.

Die biochemische Aufklärung betrifft also Struktur, Zusammensetzung und Zusammenwirken von Molekülen, die Lebewesen aufbauen. Die Untersuchungsmethoden wurden ursprünglich aus der Chemie übernommen, mittlerweile überschneiden sich mathematische, physikalische, biologische und chemische Methoden je nach Zielstellung der Untersuchung in ihrer Anwendung. Nach der Erforschung der Stoffwechselvorgänge unter Berücksichtigung der beteiligten Enzyme liegt der Schwerpunkt der Biochemie heute bei der Aufklärung biochemischer Prozesse auf intra- und interzellulärer Ebene.

Lernhelfer (Duden Learnattack GmbH): "Das Zusammenwirken von Biologie und Chemie." In: Lernhelfer (Duden Learnattack GmbH). URL: http://www.lernhelfer.de/schuelerlexikon/chemie-abitur/artikel/das-zusammenwirken-von-biologie-und-chemie (Abgerufen: 20. May 2025, 20:00 UTC)

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Entwicklung der chemischen Industrie (1851-1900)

In der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts wurde die klassische Chemie vollendet. Den Anorganikern gelang die Systematisierung der Elemente im Periodensystem. In der organischen Chemie erkannte man die Vierwertigkeit des Kohlenstoffs und die daraus resultierende tetraedrische Konfiguration des Kohlenstoffatoms. Die verschiedenen Formen der Isomerie und ihre Bedeutung wurden nachgewiesen und richtig interpretiert, darunter auch das Schlüssel-Schloss-Prinzip enzymatischer Reaktionen. Die Physikochemiker formulierten die Hauptsätze der Thermodynamik und begründeten die chemische Kinetik.
Die fundamentalen naturwissenschaftlichen Entdeckungen führten auch dazu, dass großtechnische Prozesse immer besser beherrscht wurden und riesige Gewinne abwarfen. Die Verfahren zur Herstellung von Stahl und Schwefelsäure wurden revolutioniert. Eine besondere Entwicklung nahm die organische Synthesechemie durch die erfolgreiche technische Realisierung der Synthesen von Farbstoffen wie Indigo oder Arzneistoffen wie Aspirin. Dadurch bedingt erfolgte die Gründung vieler großer Chemieunternehmen wie der BASF und der BAYER AG, die heute noch führende Unternehmen in ihrer Branche sind.

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Rationalisierung der chemischen Denk- und Arbeitsweisen (1700- 1800)

Das 18. Jahrhundert ist aus chemischer Sicht das Jahrhundert der Verbrennungstheorien und in den ersten 75 Jahren geprägt durch die „Phlogistontheorie“. Obwohl diese durch LAVOISIER 1777 eindeutig widerlegt wurde, trug sie wesentlich zur Weiterentwicklung der Chemie bei. In ihrem Bestreben, das Phlogiston nachzuweisen, entdeckten die Forscher 20 neue Elemente, darunter Sauerstoff und Chlor, sowie eine Vielzahl neuer Verbindungen. Experimentelle Techniken wurden weiterentwickelt und die Chemie zunehmend in den Dienst der sich entwickelnden Industrie gestellt. Vor allem aus ökonomischen Gründen lehnten die Phlogistiker die Alchemie ab und stellten sich neue, rationale Ziele.
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Alchemie – von der römischen Antike bis ins Mittelalter (0001-1500)

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Ihre theoretischen Wurzeln hat die Alchemie in der Elementelehre chinesischer und griechischer Naturphilosophen, die sie jedoch nur unwesentlich weiter entwickelten. Die Kunst des Goldmachens wurde stattdessen mit phantastisch-mystischen Formulierungen umschrieben und streng geheim gehalten. Anders als die Naturphilosophen experimentierten die Alchemisten jedoch selbst und entwickelten dazu eine Reihe spezieller chemischer Geräte und Arbeitstechniken. Mehr oder weniger zufällig entdeckte man beim Experimentieren z. B. die Mineralsäuren und das Schießpulver.

Aufgrund der vielen kriegerischen Auseinandersetzungen im ersten Jahrtausend und der Konflikte der Naturwissenschaften mit den herrschenden Religionen (Christentum, Islam) konnte sich die Alchemie nur langsam entwickeln. Besonderen Aufschwung erfuhr die „schwarze Kunst“ in Arabien im 8. bis 10. Jahrhundert und – trotz der Inquisition – im mittelalterlichen Europa nach der Gründung der ersten Universitäten. Erst in dieser Zeit wurde der Begriff „Alchemie“ (vermutlich aus dem arabischen Wort al-kimiya) geprägt. Einige „Philosophen“ vertraten alchemistische Theorien noch im 19. Jahrhundert, obwohl diese in der Neuzeit schnell wissenschaftlich widerlegt werden konnten.

Anfänge der Chemie im Altertum (250 000 v. Chr. bis zum Beginn der Zeitrechnung)

Mit Beginn seines Auftretens in der Natur strebte der Mensch nach einer Verbesserung seiner Lebensbedingungen und nutzte dabei von Beginn an unbewusst chemische Prozesse. Begonnen hat diese Entwicklung mit der Entdeckung des Feuers durch Umwandlung von mechanischer Arbeit in Wärme. Die Beherrschung des Feuers erlaubte die Gewinnung von Metallen sowie keramischen Baumaterialien und trug somit wesentlich zur Sesshaftwerdung der Menschen bei.

Natürlich vorkommende Stoffe wurden schon in frühester Zeit als Arzneistoffe, Farbpigmente, Kosmetika oder wie das Papyrus in Ägypten als Schreibunterlage genutzt. Durch Beeinflussung natürlicher, freiwillig ablaufender Reaktionen gelang den Menschen im Altertum die Herstellung von Wein, Bier oder Essig. Auch natürliche Farbstoffe wurden schon vor Beginn der Zeitrechnung durch „chemische Handwerker“ aufgrund ihrer praktischen Erfahrungen gewonnen.

Die Frage nach dem wissenschaftlichen Hintergrund der Prozesse und dem Aufbau der Stoffe stellten sich griechische und chinesische Naturphilosophen erst kurz vor der Zeitenwende und legten damit den Grundstein für die Herausbildung der Alchemie als Vorläufer der Chemie im Mittelalter.

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