Ich hätte Biologie lieben sollen (2020)
(jsomers.net)- Biologie in der Oberstufe wurde nicht als Entdeckungsreise zu den Geheimnissen des Lebens vermittelt, sondern als Auswendiglernen von Namen und Ergebnissen, wodurch das Staunen über Themen wie embryonale Differenzierung, Vererbung und Immunität verdeckt wurde
- Der Prozess, in dem Zellen mit derselben DNA unterschiedliche Schicksale annehmen, wird — betrachtet als chemischer Gradient, Veränderungen der Genexpression und Kaskaden von Proteinsignalen — zu einer Frage, die die gesamte Biologie öffnet
- Wie bei Oswald Averys Bakterienexperimenten beginnt echte Biologie mit Fragen und Experimenten; Schulbücher lassen jedoch den Entdeckungsprozess weg und behalten nur die Ergebnisse, ähnlich wie das Auswendiglernen von Formeln im Mathematikunterricht
- Moderne Biologie und Immunologie haben viele Begriffe und Ausnahmen, doch wenn man DNA, RNA, Proteine und Zellsignale als physische Strukturen und Bewegungen betrachtet, sind sie leichter zu verstehen als abstrakte Flussdiagramme
- Der Biologieunterricht braucht Werkzeuge für visuelles Denken wie Bilder, Animationen, zoombare Karten, Simulationen und physische Modelle — und Erzählungen, die das Ausprobieren und Scheitern von Wissenschaftlern zeigen
Das Problem einer Biologie, die als Auswendiglernen vermittelt wurde
- Der Biologieunterricht fühlte sich an wie lebloses Auswendiglernen einer Liste von Namen: Golgi apparatus, Krebs cycle, mitosis, meiosis, DNA, RNA, mRNA, tRNA
- Dass alle Zellen dieselbe DNA besitzen, ist an sich erstaunlich, doch das Schulbuch vermittelte dieses Wunder nicht ausreichend
- Lewis Thomas’ The Medusa and the Snail behandelt es als eines der großen Wunder der Erde, dass aus einer einzigen Zelle, entstanden durch die Verschmelzung von Spermium und Eizelle, eine Zelllinie hervorgeht, die das menschliche Gehirn hervorbringen wird
- Embryonale Differenzierung ist eine Frage, die die gesamte Biologie öffnet
- Der chemische Gradient in der Embryonalflüssigkeit verändert das Programm der Genexpression in einigen Zellen leicht
- Der Embryo beginnt, „oben“ und „unten“ zu unterscheiden
- Zellen an einem Ende produzieren andere Proteine, und diese Proteine setzen feinere chemische Signale frei
- Durch diese Kaskade entstehen Unterschiede wie die zwischen Gehirnzellen und Fußzellen
- Nach Douglas Hofstadters Gödel, Escher, Bach kann man Zellen als rekursiv sich selbst modifizierende Programme verstehen
- DNA erzeugt RNA, RNA erzeugt Proteine, und Proteine regulieren die Transkription von DNA zu RNA
- Diese Struktur wird mit kleinen Lisp-Programmen verglichen, in denen Makros wiederum Makros hervorbringen
Schulbücher ohne Fragen und Experimente
- Der Biologieunterricht war weniger eine Suche nach den Geheimnissen des Lebens als vielmehr eine Sammlung von Schlussfolgerungen, die die Fragen und Experimente echter Biologen übersprang
- Oswald Averys Experimente aus den 1940er-Jahren zeigen ein wichtiges Rätsel rund um das Erbmaterial
- Bei Streptococcus-Bakterien gab es Stämme, die auf einer Schale rau wuchsen, und Stämme, die glatt und glänzend waren
- Wenn man den glatten Stamm mit dem rauen mischte, wurde beobachtet, dass spätere Generationen alle glatt wurden
- Damals gingen viele Fachleute davon aus, dass Proteine für Merkmale verantwortlich seien, doch Avery vermutete eine Rolle der Nukleinsäuren
- Mit Zentrifuge, Wasser, Detergenzien und Säure reinigte er Nukleinsäuren aus dem glatten Stamm und fällte sie mit Alkohol aus, wodurch er faseriges Material erhielt
- Gab man ein wenig dieses Materials zu dem rauen Stamm, wurden die nächsten Generationen glatt; das Material erwies sich als transformierendes Prinzip
- Dieses Experiment löste eine Forschungswelle aus, die etwa zehn Jahre später zur Entdeckung der Doppelhelix führte
- Paul Lockharts „Mathematician’s Lament“ kritisiert, dass Schulmathematik den Fragen den Raum nimmt und Mathematik dadurch billig macht
- Statt eines Rätsels, bei dem man die Fläche eines Dreiecks selbst entdecken kann, bekommt man nur das Verfahren zur Flächenberechnung
- Biologie ist ein unordentlicheres Fach als Mathematik; wenn man ohne Fragen „lipid bilayers“ und „endoplasmic reticula“ unterscheiden soll, wirken die Fakten noch willkürlicher
- Große Themen lassen sich leichter lernen, wenn man sie über schmale, aber tiefe Ausschnitte angeht
- Beim Programmierenlernen wird ein kleines Projekt zur Motivation und zum Organisationsprinzip
- Auch abstrakte Konzepte wie „memoization“ verlieren ihre Abstraktheit, wenn man sie zur Lösung eines realen Problems braucht
- Auch in der Biologie beginnt Lernen mit Fragen wie „Wie differenziert sich ein Embryo?“, „Warum sind meine Augen blau?“, „Wie verwandelt ein Hamster Käse in Muskeln?“ oder „Warum macht das Coronavirus manche Menschen viel kränker?“
Die Komplexität der Immunologie und physisches Verstehen
- Bei der Vorbereitung eines Textes über SARS-CoV-2 und das Immunsystem waren die gelesenen Cell-Paper voller Begriffe wie MOI, ACE2, RNA-seq, TBK1, IFN-I, IFN-III, STAT1 und MX1, sodass man fast für jeden Satz Wikipedia nachschlagen musste
- Die Immunologie hat ein breites Benennungssystem, und auch Inklusionsbeziehungen wie bei leukocytes, monocytes und lymphocytes sind komplex
- Es gibt viele Beziehungen der Art: Alle interleukin sind cytokine, aber nicht alle cytokine sind interleukin
- Biologie verbirgt wie Computing überall Abstraktionen, hinter denen lebenslange Arbeit steckt, wirkt aber schwieriger, weil sie kein absichtlich entworfenes System ist
- Lebende Systeme erscheinen wie ein großer Klumpen globaler veränderlicher Zustände
- Kontrolle geschieht etwa dadurch, dass man etwas hochreguliert und den Promotor seines Inhibitors herunterreguliert
- Auch Frontspieler der angeborenen Immunität wie neutrophil gibt es in mehreren Typen, und manche scheinen ihrer bekannten Rolle zu widersprechen
- Am Grund der Biologie liegt keine Abstraktion, sondern die physische Welt
- Die große Offenbarung der Molekularbiologie des 20. Jahrhunderts war die Verbindung von Struktur und Funktion
- DNA wird zum Speicher der Vererbung, weil sie sich auf- und abwickeln und sich komplementär selbst replizieren kann
- Hemoglobin lässt sich dank einer Struktur, in die Sauerstoffatome wie Lego-Steine einrasten und dabei die verbleibenden Plätze erweitern, als effizienter Energiespeicher verstehen
- Auch Zellsignale funktionieren dadurch, dass Formen von Proteinen und Rezeptoren ineinandergreifen und sich verändern
- Mit dem schulischen Flussdiagramm DNA → RNA → protein allein ist schwer zu verstehen, wie Genexpression tatsächlich „eingeschaltet“ wird
- Säugetier-DNA liegt nicht als eine lange Doppelhelix ausgestreckt vor, sondern ist mehrfach um kleine runde Proteine namens histone gewickelt
- Die Transkriptionsmaschinerie muss tatsächlich an der DNA-Helix entlanglaufen; an aufgewickelte, nicht sichtbare Abschnitte kommt sie nur schwer heran
- Genexpression ist ein Zustand, in dem die Transkriptionsmaschinerie in einem bestimmten Moment Zugang zu bestimmten DNA-Abschnitten hat und viele RNA-Transkripte und Proteine erzeugt
- Wenn sich die Faserstruktur leicht biegt, ändert sich, welche Bereiche die Transkriptionsmaschinerie sehen kann, und damit auch die Verteilung der erzeugten Proteine
- Dass ein repressor auf der DNA sitzt und die Transkriptionsmaschinerie physisch blockiert, ist ein weiteres Beispiel für die Regulation der Genexpression
- RNA sequencing, also RNA-seq, zählt die RNA-Transkripte in eingefrorenen Zellen und erzeugt ein Ergebnis, das einem Schnappschuss der in diesem Moment exprimierten Proteine nahekommt
- Das Ergebnis ist eine große Tabelle, die Gene den Zahlen ihrer Transkripte zuordnet
- Unterschiede zwischen einem Zelltyp und einem anderen oder zwischen gesundem und krankem Zustand lassen sich als Unterschiede in der Verteilung dieser Tabelle betrachten
- RNA-seq-Ergebnisse werden als Vektoren in einem hochdimensionalen Raum dargestellt; Zellen bewegen sich entsprechend ihrer Selbstregulation und Anpassung an die Umgebung durch diesen Expressionsraum
Biologie lernen mit Bildern, Methoden und Geschichte
- David Goodsells The Machinery of Life ist ein Buch, das Zellen mit handgezeichneten Illustrationen neu zeigt: als schnelle, überfüllte Orte, als Welt voller Proteinmaschinen
- Es zeigt den Flagellenmotor von Bakterien im Kontext und verbindet unterschiedliche Maßstäbe über vergrößerte Abbildungen und Funktionsskizzen
- Es macht Größenordnungen sinnlich erfahrbar, etwa mit dem Vergleich: „Wenn man sich einen Raum voller Reiskörner vorstellt, kann man sich die rund eine Milliarde Zellen vorstellen, aus denen eine Fingerspitze besteht“
- In der Welt der Zellen geschieht Bewegung hauptsächlich durch zufällige Diffusion
- Proteine in der Zelle werden von umgebenden Wassermolekülen von allen Seiten bombardiert und springen schnell herum, brauchen aber lange, um weit zu kommen
- Für große Distanzen ist das sehr langsam, für die Suche über kurze Distanzen jedoch sehr schnell
- Proteine in der Zelle werden mit einer Situation verglichen, in der man auf einer überfüllten Party eine Stunde braucht, um den Raum zu durchqueren, dabei aber 600.000-mal mit allen zusammenstößt
- William W. Cohens A Computer Scientist’s Guide to Cell Biology ist ein Buch, das „reading knowledge“ zum Ziel hat — genug Wissen, um biologische Paper lesen zu können
- Da ein Objekt von Zellgröße viele Male an den umgebenden Molekülen vorbeistreift, kann es selbst dann etwa halb so effizient sein wie eine vollständig mit Rezeptoren bedeckte Oberfläche, wenn nur 0,02 % der Membranoberfläche Rezeptoren für ein bestimmtes Protein p sind
- Cohen sieht Objekte von Zellgröße als etwas mit hoher Bandbreite, das Hunderte chemischer Signale erkennen oder aufnehmen kann
- Biologische Methoden zu lernen ist mindestens so nützlich wie das Lernen einzelner Fakten, manchmal sogar nützlicher
- Mit einer Zentrifuge trennt man Teile unterschiedlicher Dichte
- Mit gel electrophoresis trennt man Stoffe unterschiedlicher Größe
- Ein Western blot überträgt das Gel auf Spezialpapier und verwendet einen Antikörper, der an ein bestimmtes Protein bindet, sowie einen weiteren Antikörper, der an diesen Antikörper bindet und fluoresziert
- Flow cytometry markiert Zellen mit fluoreszierenden Antikörpern und lässt sie einzeln durch eine Röhre laufen, wo sie mit Laser und Ladung sortiert und gezählt werden
- Durch gentechnische Manipulation erzeugt man gewünschte molekulare Maschinen, schaltet Gene einzeln aus oder editiert das Genom ganzer Tiere zur Beobachtung
- Methoden wie Western blot, flow cytometry und RNA-seq tauchen in vielen Paper immer wieder auf
- Horace Freeland Judsons The Eighth Day of Creation: Makers of the Revolution in Biology ist ein Buch, das die Wissenschaft vor der Entdeckung zeigt
- Es behandelt die Revolution der Molekularbiologie auf Basis von Gesprächen mit Francis Crick, Jacques Monod, François Jacob und Menschen in ihrem Umfeld sowie anhand von Paper und Briefen
- Vor der Entdeckung von tRNA wurden Modelle ernsthaft erwogen, nach denen RNA für jede Aminosäure Taschen bildet und so Proteine synthetisiert
- Die Vorstellung, dass Proteinsynthese über Adapter geschieht und Nukleinsäuren eher einem digitalen Code als einer Vorlage ähneln, war eine große Überraschung
- Von der Gegenseite des Schulbuchs her bietet es den Blick der Praktiker, einschließlich der Missverständnisse und Umwege vor der Entdeckung
Werkzeuge und Erzählungen für ein Verständnis der Biologie
- Beim Studium des Immunsystems entstand immer wieder der Gedanke, dass man Werkzeuge im Stil von Bret Victor braucht, die das Verstehen der Biologie erleichtern
- Auf YouTube gibt es starke Erklärer, die Unsichtbares sichtbar machen
- Die Videos zum Immunsystem von Ninja Nerd Science sind stark darin, Unsichtbares sichtbar zu machen
- Goodsells Buch und die 3D-Animation „Inner Life of a Cell“ haben dieselbe Kraft
- Im Web lassen sich Dokumente schon mit einem Markdown-Eingabefeld relativ einfach erstellen und teilen; Bilder und Animationen zu produzieren ist dagegen viel schwieriger
- Für das Verständnis biologischer Prozesse sind Bilder und Animationen unverzichtbar
- RNA-seq auf einem iPad Pro live zeichnend zu erklären, erzeugt eine Erfahrung ähnlich einer Vorlesung im Stil der Khan Academy
- Es braucht einfachere Visualisierungstools für Biologie
- Software, die das Zeichnen komplexer Objekte weniger mühsam macht, etwa pattern brushes in Adobe Illustrator, BioRender oder CellPAINT
- Tools wie Molecular Maya müssten einfacher werden, sodass sich Animationen per Gesten erstellen lassen, wie in Bret Victors Stop Drawing Dead Fish
- Mit Vektorgrafiken und Undo-Historie sollten kollaborativ editierte Bilder möglich sein, die sich in Wissensprojekten wie Wikipedia oder Stack Exchange schrittweise verbessern
- Auch eine zoombare hierarchische Karte sollte möglich sein: Man wählt Teile der Whiteboard-Zeichnungen aus Ninja-Nerd-Vorlesungen aus, verknüpft sie mit Unterdiagrammen und lässt mehrere Menschen sie ausfüllen
- Biologie ist eine Welt unsichtbar kleiner Maschinen und eignet sich daher gut für Simulationen
- Für die Erstellung interaktiver 3D-Simulationen ist zu viel Spezialwissen nötig
- Es braucht biologiezentrierte Tools wie MockMechanics oder Minecraft — oder besser
- Auch Watsons und Cricks Entdeckung stützte sich auf eigens gebaute physische Modelle
- Bret Victors Dynamicland stellt sich einen immersiven kollaborativen Raum vor, in dem man mit Computern wie im Gespräch schnell Modelle bauen kann
- Beim Schreiben des Textes über das Immunsystem brauchte es Ideen wie Modelle, die man in die Hand nehmen und manipulieren kann, ein Museum, durch das man während einer Immunreaktion im Epithel spaziert, oder physische Räume, die sich wie Text durchsuchen, kopieren, teilen und kombinieren lassen
- Biologie hat wie andere Wissenschaften ihre Romantik; wer in einer Pandemie leistungsfähige Impfstoffe oder günstige, schnelle und verlässliche Tests bereitstellt, sollte zu einem Namen werden, von dem Kinder träumen können
Lesestoff
- The Machinery of Life, David Goodsell
- Bionanotechnology: Lessons from Nature, David Goodsell
- A Computer Scientist’s Guide to Cell Biology, William W. Cohen
- The Eighth Day of Creation: Makers of the Revolution in Biology, Horace Freeland Judson
- The Medusa and the Snail: More Notes of a Biology Watcher, Lewis Thomas
1 Kommentare
Hacker-News-Kommentare
Der Unterricht ist zu sehr auf „das, was wir wissen“ ausgerichtet, das sich leicht in Prüfungen abfragen lässt, wie der Krebszyklus; eigentlich sollte der Fokus darauf liegen, „wie wir es herausgefunden haben“
Zum Beispiel ist der Prozess wichtiger, etwa so, wie ihn A Brief History of Everything nachzeichnet: „Wir haben Isotope mit unterschiedlicher Masse verwendet, um etwas über den Phosphor in der DNA herauszufinden“
Im Allgemeinen hat das „Was“ ohne Geschichte keine Bedeutung. Für Kinder ist es viel nützlicher, Wissenschaft wie eine Ermittlung nachzuvollziehen: warum man Mitte des 20. Jahrhunderts nach DNA suchte und was man davor wusste. Die Fähigkeit, den Weg der Untersuchung zu verstehen, ist viel besser übertragbar als ein paar Fakten über Zellorganellen
Der eigentliche Grund, warum ich Biologie als Wahlfach abgewählt habe, war allerdings, dass Biologie im Vergleich zu Physik und Chemie nicht als Fach für kluge Schüler galt. Sicher, biochemische Zyklen kann man mit Auswendiglernen durchziehen, und sie sind meist einfacher als die Analysis, die man für Physik braucht; aber es ist auch schlicht ein Reputationsproblem, und das ist nicht rational
Ich habe einen Freund, der als Postdoc in Statistik in der Biologie arbeitet, und tatsächlich gibt es in der Biologie einen tiefen Bedarf an mathematischen Fähigkeiten. Nur scheint man das in der Schule kaum mitzubekommen
Wenn man es nicht ausdrücklich erklärt, denken sich die Leute selbst Gründe aus, und die sind manchmal falsch. Zum Beispiel: „Es ist Pause, also arbeitet niemand über uns; deshalb kann ich den Gefahrenbereich betreten = es gibt keine Absturzgefahr.“ Dabei könnten schlecht gesicherte Gegenstände herunterfallen, eine radiografische Prüfung geplant sein oder ein Loch im Boden sein
Wenn man den Grund einer Regel kennt, kann man sie sich auch leichter merken
Aber die Geschichte der Physik ist faszinierend. Wenn man weiß, warum jedes Experiment durchgeführt wurde, von wem und was damit bewiesen werden sollte, wird jede Wissenschaft viel spannender und einprägsamer, fast wie eine Soap Opera mit Figuren und Streitfragen
Die Formulierung „schmaler, tiefer Ausschnitt“ bringt es wirklich gut auf den Punkt. Man bekommt nur Dinge zum Auswendiglernen hingeworfen, ohne Kontext
Meiner Meinung nach sollte man Physikstudenten Brian Greenes The Fabric of the Cosmos lesen lassen, bevor sie richtig einsteigen. Für Biologie muss es ein ähnliches Buch geben, das zeigt, „was wir bisher wissen und was wir noch nicht wissen“; wenn jemand eines kennt, würde ich mich über Hinweise freuen
Damals verstand ich Wissenschaft plötzlich und erkannte, dass ich in den vergangenen 20 Jahren zwar unter dem Namen „Wissenschaft“ Fakten gelernt hatte, Wissenschaft selbst aber eigentlich nicht verstanden hatte
Ein gutes Beispiel ist das Hershey-Chase-Experiment. Wissenschaft bedeutet nicht, Fakten zu lernen und auswendig zu behalten, sondern ist ein kreativer Prozess, bei dem man das Universum genau auf die richtige Weise anstupst, um etwas herauszufinden. Mir wurde auch klar, dass Wissenschaftler eher Künstlern als Ingenieuren ähneln und dass ich eindeutig eher auf der Ingenieurseite stehe
Diese Methode nutze ich bis heute, wenn ich ein neues Konzept lerne. Ich versuche zu verstehen, was vorher da war und warum die Veränderung sinnvoll war
Denn dadurch sieht man Wissenschaft nicht als Liste von Fakten über die Welt, sondern als Prozess. Das Buch behandelt den damaligen Wissensstand in verschiedenen Bereichen als eine Reihe von Entwicklungen, von denen jede neue Fragen und Probleme hervorbringt, die dann weiter erforscht werden
Die Stelle „Für Informatiker können die Methoden von Biologen verrückt wirken. Das Problem ist, dass Zellen zu klein, zu zahlreich und zu komplex sind, um sie so zu analysieren, wie ein Programmierer sie mit einem Step-by-Step-Debugger betrachten würde“ scheint mir der Punkt zu sein, den Menschen außerhalb der Biologie am meisten unterschätzen.
Wir wissen heute viel darüber, wie Zellen und Proteine funktionieren, aber es ist nach wie vor extrem schwierig zu verstehen, was in einer bestimmten Zelle an Ort und Stelle genau passiert. Viele Messmethoden zerstören oder verändern mit hoher Wahrscheinlichkeit genau das, was sie messen sollen. Wie beim Heisenbergschen Unschärfeprinzip verändert der Akt der Messung den Zustand.
Alles reagiert empfindlich auf Temperatur, Scherkräfte, Ionenstärke, pH-Wert usw., und die meisten Methoden drehen genau an solchen Stellschrauben, um Auflösung und Signal zu bekommen. Deshalb muss man schon vor der Wahl der Messtechnik klar haben, was man für das Geschehen hält, damit man es nicht kaputtmacht.
Deshalb ist es selbst dann, wenn man viele Grundprinzipien kennt, weiterhin schwierig, Funktionen für eine bestimmte Umgebung ingenieurmäßig zu entwerfen. Engineering braucht viele Messungen und Feedback.
Hier sieht man auch, warum Software so schnell ingenieurmäßig beherrschbar werden konnte. Es ist ein Bereich, in dem man relativ leicht Sonden an den gewünschten Stellen ansetzen und manchmal deterministisch genau verstehen kann, was passiert. Im Vergleich zu Software stochern alle anderen Bereiche im nebligen Dunkel herum.
Man muss sich nur vorstellen, beim Debuggen eines Programms darüber nachdenken zu müssen, wie viele Wiederholungsversuche nötig sind. In Software wäre es absurd, Code, der gerade fehlgeschlagen ist, ohne jede Änderung erneut auszuführen; in anderen Ingenieurdisziplinen gibt es dagegen sogar Meetings darüber, wie oft man etwas, das gerade fehlgeschlagen ist, noch einmal versuchen soll.
Was die Informatik besonders macht, könnte sein, dass sie außergewöhnlich erfolgreich darin war, physikalische Phänomene zu Maschinen zu zähmen, die scheinbar mathematische Gesetze ausführen. Natürlich meldet sich die Physik manchmal zurück, etwa bei Rowhammer oder Single-Event-Upsets, aber es ist wirklich beeindruckend, wie wenig wir heute die physische Natur der Maschine berücksichtigen müssen.
Allerdings versuchen auch andere Ingenieurdisziplinen, mit unterschiedlichem Erfolg ähnliche Abstraktionen zu schaffen. Elektrotechniker auf der ganzen Welt haben bereits ein einfaches Regelwerk der Elektrik geschaffen, mit dem sie Stromsysteme bauen und darüber nachdenken können, ohne den seltsamen quantenhaften Geist des Elektrons verstehen zu müssen. Die Biologie wird vermutlich irgendwann auch so weit sein, aber es scheint noch etwa ein Jahrhundert zu früh zu sein.
Ich habe inzwischen keine Albträume von analytischer Chemie mehr, aber wenn man das Maß an Selbsthass erlebt hat, das entsteht, wenn Experimente aus unverständlichen Gründen immer wieder scheitern, wirkt der Ärger beim Debuggen von Code fast niedlich.
Allerdings leben wir jetzt in einer Zeit, in der lokale LLM-Aufrufe bei scheinbar gleichen sonstigen Bedingungen völlig andere Antworten liefern als die deployte Softwareversion; vielleicht muss man also sagen: „Früher war das so.“
Das Unschärfeprinzip bedeutet, dass zwei physikalische Größen wie Ort und Impuls, also konjugierte Variablen, nicht gleichzeitig mit beliebiger Genauigkeit bekannt sein können. Anders gesagt: Zwei Wellenfunktionen lassen sich in ihren jeweiligen Räumen nicht gleichzeitig auf beliebig kleine Bereiche lokalisieren.
Das gilt für zwei Funktionen, die Fourier-Transformierte voneinander sind, und hängt damit zusammen, dass Ort und Impuls genau so zueinander stehen. Die Formulierung ist etwas grob, aber für den Zweck ausreichend richtig. Mit der Veränderung der Wellenfunktion durch Messung hat das nichts zu tun.
Man kann sie in einen Schredder stecken, die Stücke analysieren und daraus rückwärts die Größe der Zahnräder schätzen, aber man kann nicht nur eine einzelne Uhr zermahlen. Man muss hunderttausend auf einmal zermahlen, und darin sind zwangsläufig verschiedene Uhrenmodelle mit unterschiedlich langen Minuten- und Stundenzeigern komplex vermischt.
Eines der Dinge, von denen ich finde, dass sie in Einführungskursen zur Biologie zu wenig vermittelt werden, ist, wie unbekannt menschliche Zellen immer noch sind. Lehrbücher wollen vermutlich keine tausend Proteine auflisten und daneben „Funktion unbekannt“ schreiben. Aber erstaunlich große Bereiche sind noch immer unerforschtes Terrain.
Selbst in den letzten Jahren entdecken wir völlig neue Arten von RNA: https://www.science.org/content/blog-post/enter-glycornas
Quantenfeld → Atom, Atom → Chemie, Chemie → Biochemie, Biochemie → zelluläres Leben, zelluläres Leben → vielzelliges Leben, vielzelliges Leben → Bewusstsein, individuelles Bewusstsein → soziale Phänomene.
https://podcasts.apple.com/en/podcast/ask-a-spaceman/id958825741?i=1000651175650
Die Stelle „Große Themen nähert man sich am besten über schmale, tiefe Ausschnitte“ hat mich sehr angesprochen.
Als ich Programmieren lernte, halfen Lehrbücher auch nicht; erst als ich anfing, kleine persönliche Projekte zu bauen, begann ich es zu verstehen. Projekte waren nicht nur Motivation, sondern ein Organisationsprinzip, wie ein Magnet, der zufällig vom Weg aufgesammelte Eisenspäne ausrichtet.
Auch abstrakte Konzepte wie „Memoisierung“ wollte ich lernen, weil ich sie brauchte, um mein Problem zu lösen, und im Licht meines eigenen Beispiels verschwand ihre Abstraktheit.
Ich glaube, ich habe das fast nie erlebt, ohne tief in eine konkrete Motivation und einen Problemraum einzutauchen. Gute Texte können einen bis an diese Schwelle bringen.
Auf der Website Smart Biology gibt es hervorragende 3D-Animationsvideos zu zellulären Systemen.
https://www.smart-biology.com/
Der Preis für Privatpersonen ist auch recht günstig: https://smart-biology-academy.getlearnworlds.com/courses
Ich arbeite nicht für dieses Unternehmen und habe kein finanzielles Interesse daran. Sie machen einfach wirklich großartige Arbeit, und ich wünschte, sie wäre bekannter. Ich hätte mir solche Videos gewünscht, als ich in der Schule war.
In der Highschool mochte ich Biologie. Der Lehrer war wirklich eher langweilig, deshalb habe ich die Hälfte der Unterrichtszeit tatsächlich geschlafen, aber wenn ich nach Hause ging und für die Hausaufgaben das Lehrbuch las, war ich völlig fasziniert.
Es wurde zu einer Art Running Gag, den meine Mitschüler amüsant fanden, weil der Lehrer mich jederzeit wecken und mir eine Frage stellen konnte und ich immer die Antwort wusste. Das Geheimnis war schlicht, dass ich es interessant fand und es leicht aufgenommen habe.
Ich mag den Gedanken nicht besonders, mangelnde Neugier auf ein Thema anderen anzulasten. Wie aufnahmefähig wir dafür sind, etwas zu lernen, hängt stark von Faktoren außerhalb der Lehrmethode ab: aktuellen Interessen, Lebenserfahrung, dem Entwicklungsstand des Gehirns usw.
Zum Beispiel weiß ich Geologie heute viel mehr zu schätzen als zu Schulzeiten, und ich bin ziemlich sicher, dass sich nicht die Art geändert hat, wie Plattentektonik gelehrt wird, sondern ich mich verändert habe.
Sie sagten: „Wenn sie Thema X unterrichtet hätten, hätte es mir gefallen“, „wenn sie es aus Perspektive Y unterrichtet hätten, hätte es mir gefallen“ – aber unser Highschool-Lehrer hatte es genau so unterrichtet.
Wenn wir auf die Zeit zurückblicken, als wir 15 waren, ist es wohl schwer, sich daran zu erinnern, wie anders wir damals im Vergleich zu heute waren. Wir rekonstruieren unsere Erinnerungen so, dass die damaligen Gefühle auch aus unserer heutigen Erfahrungsweise heraus Sinn ergeben.
Meist betreuen sie drei bis fünf Klassen mit 20 bis 40 im Großen und Ganzen nervigen Kindern und sollen ihnen ein breites Spektrum an Inhalten beibringen, das andere festgelegt haben. Gleichzeitig müssen sie Verhaltensprobleme korrigieren und sich mit Eltern oder Verwaltung auseinandersetzen.
Die meisten sind keine Fachexperten, die für jeden einzelnen Schüler eine tiefgehende Erkundung maßschneidern könnten, und selbst wenn sie es wären, würde eine ohnehin schwierige Aufgabe unmöglich werden. Dass es überhaupt irgendeine Form von individualisierter Bildung gibt, ist erstaunlich.
Einer meiner Physiklehrer hatte eine so ansteckende Begeisterung, dass die ohnehin neugierigen Schüler viel lernten und selbst die widerwilligen von Vorführungen und Experimenten hineingezogen wurden.
Ich war von Biologie fasziniert, bis ich zwei Biologiekurse in der Highschool belegte, und danach brauchte ich Jahre, um mich davon zu erholen. Mit mangelnder Neugier hatte das nichts zu tun. Zumindest in meinem Unterricht lag der Fokus darauf, die Namen von Dingen auswendig zu lernen. Es gab keine Zeit, Staunen zu empfinden; wichtig war, ob man ein Diagramm des endoplasmatischen Retikulums beschriften konnte.
Ich habe den Text weniger als Schuldzuweisung gelesen, sondern als Aussage, dass das Fach Biologie im Allgemeinen sehr viel besser unterrichtet werden könnte. Das passt zu meiner Erfahrung und scheint auch zu dem zu passen, was du sagst. Du hast das Fach trotz der miserablen Präsentation gemocht.
Der Autor scheint in diese Richtung zu argumentieren. Als Essayist oder Kolumnist braucht man vielleicht bis zu einem gewissen Grad eine solche Überzeugung.
Ich stimme allerdings zu, dass diese Erwartung nicht zur Grundlinie werden sollte.
Ich mag Bert Huberts Formulierung: „Ein prächtiges Raumschiff landet im Hinterhof, die Tür öffnet sich, und man wird eingeladen, alles zu untersuchen, was es zu lernen gibt. Die Technologie ist Millionen Jahre weiter als alles, was wir bauen können. Das ist Biologie.“
Ich nenne Biologie oft Nanotechnologie jenseits menschlichen Verständnisses, gefunden auf einem Planeten, der eine Grey-Goo-Apokalypse erlebt hat. Jede mögliche Nische an der Oberfläche ist inzwischen von ausgebrochenen Einheiten infiziert, die in einem ständigen Entwicklungs-Wettrüsten stehen. Manche haben sich sogar zu riesigen beweglichen Megastrukturen und schwer begreiflichen Schwarmintelligenzen zusammengeschlossen.
Wenn wir über die Bionik menschlicher Gliedmaßen nachdenken, sollten wir daran denken, dass man zugunsten eines Systems, das viele Kompromisse enthält, die die moderne Wissenschaft nur schwer nachbilden kann, reine Kraft und Geschwindigkeit opfert.
Es unterstützt sehr viele einzelne Bewegungen und Gelenke, erfüllt Gewichtsbeschränkungen und führt mehrere Selbstreparaturtechniken aus, ohne den Betrieb einzustellen. Es wird aus häufigen Rohmaterialien durch ungelernte, vielleicht sogar unbewusste Arbeit produziert und instand gehalten und enthält ein umfassendes Sensorpaket.
Es ist nicht allzu fragil, biegt sich so, dass es mechanische Energie aus Stößen speichert und wieder abgibt, und verstärkt sich selektiv, wenn Verformung erkannt wird. Langzeit-Energiespeicher dienen zugleich als Stoßdämpfer, enthalten kleine Fertiger, die einen Teil der eigenen Betriebsflüssigkeit nachfüllen, und verfügen außerdem über Subsysteme für das Wärmemanagement wie Verdunstungskühlung und automatische Mikroaktivierung.
Dass eine Zelle ein weicher, wabbeliger Beutel ist, ist kein Gegenargument mehr dagegen, dass sie „Technik“ oder „robotisch“ sei. Das ist beabsichtigtes Engineering. Komplexe Stützstrukturen aus Nanotechnologie-Leitern werden fortlaufend umgebaut und imitieren „Weichheit“ als Funktion.
Der Kern am Ende des Textes – nämlich dass wir bessere Werkzeuge brauchen, um über Biologie zu schließen, und dass die Kluft zwischen Realität und Lehrstoff im Fach Biologie besonders groß ist – scheint nicht gut behandelt zu werden.
Dem stimme ich vollkommen zu. Im Moment saugen wir die komplexesten Gedanken der natürlichen Welt durch den Strohhalm einfacher Sprache und statischer Diagramme Stück für Stück auf, und die Einschränkungen dieser Medien zusammen mit denen der Schule selbst lassen Biologie ganz natürlich in Richtung Auswendiglernfach kippen.
Über Biologie so nachzudenken, wie sie in der Natur auftritt, läuft diesen Medien gegen den Strich. Es ist möglich, aber nicht der Normalfall. Geschichten über gute Biologielehrer sind Ausnahmen, nicht die Regel.
Komplexe Dinge brauchen Systeme, die diese Komplexität widerspiegeln und trotzdem leicht zu benutzen sind. Entscheidend ist, wie man Methoden der Kommunikation und des Verstehens schafft.
Biologie ist einfach wirklich komplex. Vielleicht wird es so etwas wie ein „leicht zu benutzendes System“ nie geben. Wir stehen noch am Strand dieses Ozeans und zählen die Farben der Steine.
Nehmen wir zum Beispiel die Entwicklungsbiologie, also den Prozess, in dem aus einer Zelle ein funktionsfähiges Baby wird: Es gibt drei Theorien dazu, wie Zellen entscheiden, wozu sie sich entwickeln. Das britische Modell besagt, dass die Tochterzelle von der Mutterzelle angewiesen wird, was sie werden soll; das amerikanische Modell besagt, dass die Tochterzelle sich umschaut und anhand einer Meinungsumfrage der nahegelegenen Zellen entscheidet; das Las-Vegas-Modell besagt, dass alles zufällig ist, mit viel Apoptose und Bankrott dazwischen.
Das Problem ist, dass schon die Tatsache, dass wir diese Modelle für richtig halten, für das Fach beunruhigend ist. Tief im Inneren wissen wir, dass keines davon stimmen kann, aber wir konnten sie nicht sauber widerlegen.
Um es klar zu sagen: Entwicklungsbiologen sind sich ziemlich sicher, dass ihre Theorien Murks sind, und die Grundlage dafür ist fast ausschließlich Intuition. Dass Biologen schon beim bloßen Geruch einer „Großtheorie“ so vorsichtig werden, zeigt, wie komplex das Ganze ist.
Es gibt keine Garantie, dass Biologie auf etwas reduziert werden kann, das zugleich ihren tatsächlichen Zustand widerspiegelt und verständlich ist. Die Natur ist nicht verpflichtet, uns so etwas zu liefern.
Heute gibt es viele Menschen, die mit Zeichensystemen schwach sind, aber hervorragend verstehen, und ebenso viele Experten für Zeichensysteme, die beim Verstehen Anfänger sind.
Ich bin mir nicht sicher, ob uns eine Zeichenform entgeht, die besser zum Verstehen passt, oder ob wir Zeichensysteme überbewertet und dafür Verständnis geopfert haben.
Allerdings könnte das Schlussfolgern weiterhin unsere Aufgabe bleiben.
Menschen haben die kognitive Fähigkeit, Beziehungen zwischen etwa 150 Personen nachzuvollziehen. Wenn das eine plausible Obergrenze für die Zahl der Gene ist, die wir im Kopf behalten können, sind wir erledigt. In jeder Zelle gibt es Tausende verschiedener Proteine und noch viel mehr kleine Moleküle. Entfernt man ein einzelnes Gen, ändern sich als Reaktion häufig Hunderte andere.
Wir können ein so großes System nicht im Kopf halten. Teile davon vielleicht, aber Gene sind so stark miteinander vernetzt, dass es sehr schwer ist, plausible Grenzen zwischen getrennten „Teilen“ zu ziehen.
Biologie verhält sich auch auf kontraintuitive Weise. Feedbackschleifen, Zufälligkeit und Long-Tail-Verteilungen sind in biologischen Systemen sehr wichtige Konzepte, und Menschen sind bekanntermaßen schlecht darin, über solche Dinge nachzudenken.
Schon eine einzige Zelle ist zu groß und zu seltsam. Gewebe oder Organe kann man gleich vergessen.
Deshalb halte ich es für wirklich wichtig, Studierenden früh Computational Modeling beizubringen. Für unser Gehirn ist das zu komplex, also müssen wir uns auf Computermodelle stützen.
Der Text ist schön geschrieben, aber ich stimme der Prämisse nicht zu.
Zumindest in Großbritannien – in den USA mag das anders sein – lernt man tatsächlich viele der Konzepte und zugrunde liegenden Schlussfolgerungen, deren Fehlen der Autor bedauert.
Auf A-Level-Niveau lernt man die physikalische Grundlage epigenetischer Modifikationen. Das ist der Teil, den der Autor als An- und Abschalten von Genen beschreibt, was an sich schon eine zu binäre Vereinfachung ist; tatsächlich geht es eher um Hoch- und Herunterregulierung der Expression. Man lernt auch interessante Prozesse wie alternatives Spleißen, bei dem ein einzelnes Gen mehrere verschiedene Proteine exprimieren kann.
Selbst im ersten Studienjahr an einer gewöhnlichen Russell-Group-Universität nahm die Geschichte der Biologie in den Vorlesungen einen großen Raum ein, besonders im Hinblick darauf, wie sich die Genetik als Fachgebiet entwickelt hat. Auch dass die Kategorien und Konzepte der Biologie ihrem Wesen nach unscharf sind, wurde sehr deutlich vermittelt.
Ich erinnere mich noch gut an die Antwort eines Dozenten, als jemand fragte, warum er sage, Bakterien hätten keine membranumhüllten Organellen, obwohl das Magnetosom, das Thema der Vorlesung, eindeutig eine Ausnahme sei. Er sagte: Wenn man in der Biologie „immer wahr“ sagt, bedeutet das, dass es in mehr als 80 % der Fälle passiert; wenn man „passiert nie“ sagt, bedeutet es in Wirklichkeit, dass es in weniger als 20 % der Fälle passiert.
Ich stimme zu, dass manchmal zu stark auf das Auswendiglernen chemischer Details fokussiert wird, zulasten breiterer und wichtigerer Konzepte – etwa beim Krebszyklus. Aber ich denke, der Autor hat diesen Fall überzeichnet.
Es stimmt sowohl, dass man die Konzepte und zugrunde liegenden Schlussfolgerungen tatsächlich lernt, deren Fehlen der Autor bedauert, als auch, dass manchmal zu sehr das Auswendiglernen chemischer Details gegenüber den größeren Konzepten betont wird.
Allerdings meinte der Autor fast sicher nur Highschool-Biologie.
In den USA müssen AP-Biology-Lehrer einen Kompromiss finden zwischen dem Vermitteln von Konzepten und dem Unterrichten auf die AP-Prüfung hin, die die Zwölftklässler ablegen. Zur Vorbereitung darauf gehört, Dinge wie den Krebszyklus auswendig zu lernen und direkt nach der Prüfung wieder zu vergessen.
Mein Lehrer hat diese Balance ziemlich gut hinbekommen, und ich habe viel daraus mitgenommen, aber das kann je nach Person unterschiedlich sein. Die Schüler können in der Prüfung gut abschneiden und dadurch die Biologie-Pflichtveranstaltung an der Uni umgehen – und dieser Unikurs wäre wahrscheinlich deutlich besser gewesen. Bei mir war es genau so.
Mein Biologielehrer in der Highschool, Mr. Dinnetz, war wirklich großartig.
Er hatte eine Art, den Unterrichtsstoff lebendig werden zu lassen – oder genauer gesagt: ihn zum Tod führen zu lassen. Jedes Mal, wenn er ein neues Konzept unterrichtete, erklärte er, wie wir sterben würden, wenn es dieses Konzept nicht gäbe. Das war extrem einprägsam.
Ich stimme voll und ganz der Aussage zu, dass Biologie im Biologieunterricht nicht als Suche nach den Geheimnissen des Lebens dargestellt wurde und dass die Lehrbücher den Forschungscharakter herausgepresst haben.
Wir kamen nicht mit echten Biologen in Berührung, mit den wirklichen Fragen, die sie hatten, oder mit den realen Experimenten, die sie durchführten, um Antworten zu finden; wir bekamen nur die Schlussfolgerungen serviert.
Nicht nur für Biologie frage ich mich, welche guten Bücher oder Lernmaterialien Forschung, Neugier und Staunen fördern.
Als Erstes fallen mir Feynman’s Lectures ein.
Biologie ist eine undichte Abstraktion; wenn die Grundlagen nicht solide sind, ist es sehr schwierig, etwas mit Strenge zu tun. Das ähnelt auch den Diskussionen über Musik auf Hacker News. Die Leute interessieren sich mehr dafür, Programmierkonzepte mit Notation zu verknüpfen und sich über die westliche Art der Musikdarstellung zu beschweren, als für die Musik selbst.
Wenn man in der Biologie über oberflächliches empirisches Trial-and-Error hinaus etwas tun will, muss man das zentrale Dogma und die Biochemie wirklich verstehen. Besonders die meisten „Hacker-Typen“ kennen Ersteres, also DNA-Translation und -Transkription, nur vage, und damit endet es.
Wenn man ernsthaft präzise arbeiten will, muss man unbedingt eine Intuition für Biochemie entwickeln. Sonst wird man in der Biotech-Welt am Ende nur für Arbeiten wie Reagenzgläserwaschen taugen, wie ein Bootcamp-Webentwickler.
A Brief History of Nearly Everything - Bill Bryson
Entangled Life - Merlin Sheldrake
The Hidden Life of Trees - Peter Wohlleben