Denk- en werkwijzen bij biologie

Onderstaande beschrijving geeft een karakterisering van biologie met de daarbij behorende werk- en denkwijzen.

1. Biologie bestudeert levende organismen. Deze zijn als volgt te karakteriseren:

1. Levende organismen zijn altijd complexe systemen, opgebouwd uit deelsystemen op verschillende organisatieniveaus. Deze systemen bouwen zichzelf en blijven in stand door een constante toevoer en omzetting van energie en materie. Deze omzettingen vinden plaats op het celniveau, waarin de activiteit wordt geregeld via aflezing van het erfelijk materiaal DNA.
2. Levende organismen planten zich voort en zijn dus altijd afstammelingen. Dat betekent dat ze via een ononderbroken reeks celdelingen verbonden zijn met het eerste leven, waarbij bij iedere celdeling het erfelijk materiaal wordt gekopieerd. Kleine veranderingen in het erfelijk materiaal leiden tot variatie in eigenschappen. Daarbij krijgen de best aangepasten ook de meeste nakomelingen, wat leidt tot geleidelijke veranderingen in een populatie. De nu levende organismen zijn dus succesvol gebleken in het overleven binnen de randvoorwaarden van hun omgeving en dragen de in het verleden verworven aanpassingen met zich mee.
3. Levende organismen zijn niet los te zien van hun omgeving. De omgeving levert de energie en materie die nodig zijn voor de instandhouding, en wordt zelf veranderd door de activiteiten van het organisme. De uitwendige omgeving verschilt van het inwendige milieu van een organisme. Daarom is een afgrenzing nodig, en mechanismen om de veranderingen die de omgeving uitoefent op het inwendige milieu tegen te gaan.  Naast de fysische en chemische omstandigheden horen ook de andere organismen bij de omgeving. De omgeving beïnvloedt ook voor een groot deel hoe het organisme eruit komt te zien en wat de overlevingskansen zijn.

Wat betreft de manier waarop biologen dit onderzoeken is er grote overeenkomst met de overige bètavakken; veel kennis is opgedaan via experimenten die hypothesen en modellen toetsen. Daarnaast zijn observeren en inventariseren in de biologie ook (nog steeds) noodzakelijke manieren van kennisverwerving, juist doordat biologische structuren, processen en gedrag vaak complex zijn en zich ontwikkelen in de tijd.

2. Verschillende werk- en denkwijzen komen terug binnen de biologie.

In het ontwikkelen en gebruiken van deze inzichten zijn de afzonderlijke denkwijzen belangrijk geweest, en andersom heeft het bestuderen van deze verschijnselen geleid tot de ontwikkeling van deze denkwijzen.
Bij het beschrijven van biologische verschijnselen en structuren zijn patronen ontdekt en gebruikt voor verdere inzichten zoals:

• Groepen planten en dieren vertonen verwantschap
• Planten, dieren en mensen bestaan uit cellen en ontstaan door differentiatie uit 1 cel
• De moleculen waar organismen uit zijn opgebouwd zijn vrijwel hetzelfde in alle leven, en kunnen ook buiten organismen worden gemaakt
• Levende wezens lijken ontworpen om te overleven in hun omgeving

Systeemdenken en het onderscheiden van organisatieniveaus in de biologie hebben elkaar gevoed. Levende wezens kunnen gezien worden als systemen met deelsystemen, waarbij elk niveau een eigen regulatie kent. 
Deze regulatieprocessen geven tevens een voorbeeld van de denkwijze verandering en constantie; door te reageren op een verandering met een gereguleerd tegengesteld proces (negatieve feedback, bijvoorbeeld meer afvoer van warmte als het organisme warmer wordt) kan in een organisme een vrij constante waarde worden bereikt van fysische en chemische grootheden in een organisme (homeostase). Een ander aspect van verandering en constantie is dat levende wezens tijdens hun ontwikkeling voortdurend veranderen, maar toch steeds nakomelingen voortbrengen die op de ouders lijken. De constantie die hierin zichtbaar is, wordt grotendeels veroorzaakt door het genetisch materiaal, dat veel constanter is dan het organisme waar het voor codeert.

Ook op populatie- en ecosysteemniveau zien we vaak een zekere stabiliteit. De soortensamenstelling van een bos kan geruime tijd redelijk constant blijven ondanks een overmaat aan nakomelingen, en de humuslaag kan eveneens gelijk blijven ondanks de jaarlijkse hoeveelheid gevallen bladeren. Dit soort stabiliteit mag echter niet verward worden met regulatie op organismeniveau.

Een organisme zet voortdurend energie en materie om, maar doordat binnen een ecosysteem tegengestelde omzettingen plaatsvinden door andere organismen, is er op dat hogere niveau vaak sprake van een vorm van behoud van materie via kringlopen zoals de koolstofkringloop. Een ander voorbeeld van de denkwijze behoud van materie zijn beschrijvingen van input en output van een biologisch systeem die met elkaar in balans moeten zijn.

Bij het verklaren van biologische verschijnselen zijn naast vormen van oorzaak-gevolg redeneren steeds ook structuur-functie redeneringen van belang, omdat biologische structuren en processen altijd in de evolutie geselecteerd zijn en daarmee de vraag oproepen welke rol zij spelen in de overleving van het organisme. In de biologie is een ‘waarom-vraag’ daardoor steeds te specificeren als hetzij een ‘waardoor-vraag’, hetzij een ‘waartoe-vraag’. De complexiteit van de verschillende organisatieniveaus maakt dat zowel de vraag naar de oorzaak als de vraag naar de functie vaak op verschillende niveaus gesteld kan worden.

Bij het gebruiken van biologische kennis in persoonlijke of maatschappelijke besluitvorming zijn het denken in duurzaamheid en veiligheid belangrijk gebleken. Ook hierbij geldt dat deze denkwijzen gebruikt worden in de praktijk, maar zich daarin ook  ontwikkeld hebben. Ervaringen met onverwachte gevolgen van technologische ingrepen hebben geleid tot inzichten in de draagkracht van biologische systemen en van effecten en omzettingen van stoffen in het milieu, die het denken over duurzaamheid en veiligheid sterk hebben beïnvloed.

3. Biologie is interdisciplinair

Hoewel biologen eigen vraagstukken hebben, is biologie is qua concepten en methoden een interdisciplinair vak. Het is zelfs vaak onmogelijk biologische verschijnselen volledig te beschrijven zonder gebruik te maken van de andere bètavakken. Fotosynthese is niet te beschrijven zonder de fysica van straling en de chemie van redoxreacties hierbij te betrekken. Wiskunde is nodig bij de beschrijving van groei, de berekening van een concentratieverloop en bij de kansen op een fenotype. Daarnaast hebben de overige bètavakken en de daarop gebaseerde technologie de biologie instrumenten en methoden verschaft om beter waar te nemen, van microscopen en scheidingsreacties tot aan de software die gebruikt wordt bij ecologische modellen en bij genetisch onderzoek. Tenslotte zijn er ook vele interdisciplinaire onderzoeksrichtingen zoals biochemie, biofysica, bodemkunde en bioinformatica.