Kampf der Kulturen in der Biologie

Evelyn Fox Keller

Im letzten Sommer trafen sich einige Duzend Physiker nahe bei Aspen, Colorado. Sie wollten etwas feiern, was die Zeitschrift Nature als das "wachsende Gefühl" bezeichnete, ,,dass die geistigen Grundlagen ihrer Disziplin dafür entscheidend sein werden, die Ernte der Ära nach dem Genom einzufahren". Da sich die Genetik tatsächlich anschickt, alles von der menschlichen Gesundheit bis hin zur Landwirtschaft zu verbessern, drängen sich überall in der Welt Physiker und Mathematiker in die biologischen Wissenschaften. Die Biologie wird es sein, wohin im nächsten Jahrhundert die wissenschaftliche Aktivität - und die Forschungsgelder - hinfließen werden.

Doch ist dies nicht das erste Mal, dass Physiker und Mathematiker in der Biologie nach neuen Arbeitsfeldern Ausschau halten. Aber die Geschichte dieser Bemühungen sah bisher ziemlich trübe aus. Biologen und Physiker haben unterschiedliche Ziele und Traditionen und suchen nach recht verschiedenen Antworten, weil sie Fragen ganz anderer Art stellen.

Ich bekam vor vielen Jahren den ersten Eindruck von der Trennungslinie zwischen den Disziplinen. Damals gab ich einen Kurs über mathematische Methoden in der Biologie. Nachdem ich ein biologisches Problem mit 11 Variablen eingeführt hatte, benutzte ich eine einfache Methode - die so genannte dimensionale Analyse - um zu zeigen, dass nur drei der Variablen empirisch untersucht werden mussten; auf die Beziehungen zu den restlichen Variablen konnte mit Hilfe der Logik geschlossen werden. "Aber Sie haben doch keine Versuche gemacht", beklagten sich die Studenten, "wie können Sie es dann wissen"?

Seither habe ich über diese Frage immer wieder nachgedacht. Als theoretische Physikerin war ich darin geübt, nur mathematischen und logischen Argumenten zu trauen und experimentelle Beweise für fehlbar zu halten. Doch für viele, wenn nicht die meisten Biologen, sind Experimente, so unzuverlässig sie auch sein mögen, noch immer der sicherere Weg zu Wahrheit. Wo wäre auch in einer ausschließlich deduktiven Argumentation Platz für die Überraschungen der Natur, für Mechanismen, die nicht das sind, was wir uns in unseren ursprünglichen Annahmen vorgestellt haben?

Wissenschaftsphilosophen sind traditioneller Weise die Fragen, was als Wissen, Erklärung und Theorie gelten könnte, so angegangen, als ob sie im allgemeinen beantwortet werden könnten. Aber die Verständigungslücke zwischen den experimentierenden und mathematischen Biologen deutet an, dass ihre Antworten von den besonderen Kulturen ihrer Disziplinen abhängig sind.

Betrachten Sie einmal die interdisziplinären Bemühungen und letztendlich das Scheitern von Nicolas Rashevsky, einem russischen theoretischen Physiker, der nach 1924 in die Vereinigten Staaten ausgewandert war. Rashevsky fragte sich, ob ein ähnlicher Mechanismus wie der für das Einsetzen von Instabilitäten in flüssigen Tröpfchen verantwortliche auch die Teilung biologischer Zellen erklären könne. Bald darauf begann er "eine systematische mathematische Biologie zu entwickeln, die in ihrer Struktur und ihren Zielen der mathematischen Physik ähnlich wäre". Um 1940 hatte er sein großes Werk Mathematische Biophysik veröffentlicht, unter gleicher Bezeichnung ein Forschungsprogramm an der Universität von Chicago eingerichtet und das Bulletin der Mathematischen Biophysik gegründet .

Doch um 1954 hatte Rashevsky seine Fördergelder und seinen Forschungsetat wieder verloren. Heute erinnert wenig an seine institutionellen und wissenschaftlichen Anstrengungen. Die Hauptkritik an ihm war, versäumt zu haben, sich bei praktizierenden Biologen zu engagieren. Doch Rashevsky hatte wenigstens einen frühen Versuch unternommen, Biologen an seiner Arbeit zu interessieren. 1934 legte er eine "physikalisch-mathematische" Analyse der Kräfte vor, die auf eine idealisierte sphärischen Zelle einwirken. Das Modell, so argumentierte er, reiche aus, die Zellteilung zu erklären.

Als die Biologen dagegen mit der Behauptung widersprachen, dass nicht alle Zellen sphärisch seien, antwortete Rashevsky, die Theorie müsse zuerst auf die einfachsten Fälle angewandt werden. E. B. Wilson, die legendäre Koryphäe der Zellbiologie, behielt das letzte Wort. In einem kurzen Papier zog er aufgrund von Rashevskys Darlegungen den Schluss, die Mathematik könne hilfreich sein, wenn man das Wachstum von Bevölkerungen untersuche, aber nicht das von Individuen. Wilsons Kollege, Eric Ponder, war sogar noch schärfer und sagte, nötig seien "mehr Messungen und weniger Theorie".

Anfang der 1950er Jahre konnten die Biologen allerdings noch immer nicht erklären, wie ein Organismus seine charakteristische Form von einer Generation zur nächsten weitergibt. 1952 schlug Alan Turing, der vor allem durch seine Arbeit über Berechnung und Geist bekannt geworden ist, ein mathematisches Modell vor, das aus einer Reihe von Gleichungen bestehen sollte, welche die Reaktion und Diffusion zweier imaginärer Chemikalien beschreiben. Sein Modell, von dem er zugab, dass es sich um "eine Vereinfachung und Idealisierung" handele, zielte darauf ab, die "wichtigsten Merkmale" in der Entwicklung eines Embryos hervorzuheben. Er hob dabei hervor, dass die Reaktionen, die er beschrieb, keine Ähnlichkeit mit jenen in der Natur hätten. Sie spiegelten nur das Verlangen wider, "dass die Erklärung leicht zu verstehen sein solle".

Turing erweist sich hier als eine Karikatur des mathematischen Physikers. Wie Rashevsky war er dem Glauben des mathematisch-physikalischen Wissenschaftlers verfallen, dass eine Gedankenkonstruktion, die nicht vorgibt, buchstäblich die Wahrheit zu sein, trotzdem "Merkmale von größter Bedeutung" einfangen und daher eine nützliche erklärende Funktion ausüben könne.

Doch die Experimentalbiologen hat eine andere Fragestellung. Sie fragen nicht, ob Organismen sich so bilden könnten wie es ein Gedankenmodell vorschlägt, sondern ob sie es tatsächlich auch so tun . In dieser Hinsicht hat Turings Reaktions-Diffusionsmodell sehr enttäuscht. In den letzten 20 Jahren haben Molekularbiologen herausgefunden, dass die fortschreitende Aktivierung einer Hierarchie von Genen, die in Turing's Modell keine Rolle spielen, die endgültige Struktur eines Organismus und seine Form bestimmen. Allgemeiner ausgedrückt: Die besten Erklärungen dafür, wie biologische Systeme besondere Probleme lösen, stammen von der experimentellen Genetik und nicht von der Mathematik und Logik.

Trotzdem haben Physiker und Mathematiker Grund zum Feiern. Seit 1983 haben die Forschungsgelder für mathematische und rechnergestützte Forschung, die von der Biologischen Abteilung der Nationalen Wissenschaftsstiftung der USA stammen, um etwa das 50-Fache zugenommen.

Zu ihren Gunsten sei gesagt, viele neue Programme in der mathematischen Biologie ermutigen Forscher aus den mathematischen Wissenschaften, selbst praktizierende Biologen zu werden. Inzwischen befähigen "benutzerfreundliche" Rechnerprogramme auch Biologen, ihre eigenen mathematisch/theoretischen Modelle zu schreiben.

Im Endeffekt könnte eine neue Kultur der Disziplin entstehen, welche die Ziele, Methoden und epistemologischen Grundlagen der Forschung umformen. Die Modelle der theoretischen Biologie werden nicht in ein paar einfachen Gleichungen ausgedrückt, sondern in einem Komplex von Algorithmen, statistischen Analysen und Simulationen. Und mit Rücksicht auf die allgegenwärtige Möglichkeit von Ausnahmen, werden sie eher nach "allgemeinen Aussagen" suchen als nach "Gesetzen". Sie lassen somit Raum für die zufälligen Eigentümlichkeiten biologischer Strukturen. Biologie ist nicht Physik; ihre Evolutionsgeschichte zu ignorieren, hieße sich der Unerheblichkeit auszusetzen.