Anche se la biologia è generalmente considerata una scienza moderna con origini tardive all’inizio o alla metà del XIX secolo, ha attinto a varie tradizioni, pratiche e aree di indagine a partire dall’antichità. Le storie tradizionali della biologia si concentrano generalmente su due aree che si sono fuse nella moderna scienza biologica: la medicina e la storia naturale. La tradizione della medicina risale al lavoro degli antichi medici greci come Ippocrate di Kos (460 a.C.) e a figure come Galeno di Pergamo (130 ca. – 200), che ha contribuito molto alla comprensione dell’anatomia e della fisiologia. La tradizione della storia naturale risale al lavoro di Aristotele (384-322 a.C.). Particolarmente importanti sono la sua Storia degli animali e altre opere in cui mostrò inclinazioni naturaliste. È importante anche il lavoro dell’allievo di Aristotele, Teofrasto (morto nel 287 a.C.), che contribuì alla comprensione delle piante. Aristotele e Teofrasto contribuirono non solo alla zoologia e alla botanica, rispettivamente, ma anche alla biologia comparata, all’ecologia e soprattutto alla tassonomia (la scienza della classificazione).
Sia la storia naturale che la medicina fiorirono nel Medioevo, sebbene il lavoro in queste aree procedesse spesso in modo indipendente. La medicina era particolarmente ben studiata dagli studiosi islamici che lavoravano nella tradizione galenica e aristotelica, mentre la storia naturale attingeva molto alla filosofia aristotelica, specialmente nel sostenere una gerarchia fissa della vita. Anche il naturalista romano Caio Plinio Secondo (23-79), noto come Plinio, ebbe una grande influenza sulla storia naturale durante il Medioevo, in particolare attraverso il suo compendio di Storia Naturale (che in seguito si dimostrò essere pieno di errori di fatto). Senza dubbio il più importante contributore alla storia naturale del Medioevo è Alberto Magno (1206-1280), riconosciuto per i suoi superbi studi botanici e per il suo lavoro in fisiologia e zoologia. Una figura meno conosciuta è l’imperatore del Sacro Romano Impero Federico II (1194-1250), il cui trattato L’arte della falconeria è uno dei primi resoconti seri di ornitologia.
Anche se gli animali hanno tradizionalmente attirato l’attenzione di molti naturalisti, lo studio della zoologia è rimasto poco sviluppato durante il Medioevo, basandosi molto su libri illustrati di animali modellati sui bestiari medievali. La botanica, d’altra parte, fiorì nel Rinascimento e nel primo periodo moderno. Lo studio delle piante era importante in medicina, così come nella storia naturale (e infatti costituiva uno dei pochi punti iniziali di attenzione comune nelle due aree), perché le piante erano considerate materia medica, sostanze con note proprietà medicinali. Queste proprietà medicinali attiravano l’attenzione medica sulle piante. Quindi divenne una pratica standard piantare giardini vicino ai centri primari di istruzione medica, e i professori di medicina erano molto spesso esperti in materia medica e servivano come curatori di giardini. Infatti, noti tassonomisti del primo periodo moderno – individui come Andrea Cesalpino (1519-1603) e Carl Linnaeus (1707-1778), entrambi considerati padri della botanica moderna per il loro lavoro di riforma della tassonomia – erano contemporaneamente medici e botanici. Un’eccezione fu John Ray (1627-1705), un tassonomista inglese che lavorava anche con gli animali.
Anche i viaggi di esplorazione associati alla creazione di colonie dalla fine del XV secolo portarono al crescente interesse e bisogno di tassonomia e ad uno sviluppo senza precedenti della storia naturale. In gran parte per soddisfare la richiesta di classificare le collezioni fatte da esploratori e viaggiatori per sfruttare questi beni naturali, furono creati giardini e musei di storia naturale nei centri europei associati alle conquiste coloniali, specialmente Madrid, Parigi e Londra. Un nuovo periodo di esplorazione scientifica iniziò con il primo viaggio del capitano James Cook, le cui spedizioni includevano non solo astronomi e artisti ma anche botanici, come Joseph Banks (1743-1820). Tornato a Londra, Banks fu determinante nell’aiutare a fondare la Royal Institution of Great Britain, così come nel continuare ad espandere il Kew Garden e la Royal Society. Egli incoraggiò anche queste istituzioni a servire gli interessi sia della storia naturale che dell’impero britannico in espansione alla fine del XVIII e all’inizio del XIX secolo.
Mentre la botanica e la medicina erano strettamente legate, l’anatomia e la fisiologia seguirono altre traiettorie. Dopo Galeno, la figura più importante nella storia dell’anatomia è il belga Andreas Vesalius (1514-1564). A differenza di molti anatomisti (come Galeno, che si basava su dissezioni di animali come maiali e scimmie barbare), Vesalio trasse la sua conoscenza del corpo umano da dissezioni dettagliate su cadaveri umani. Era insolito per il suo tempo nel credere che l’autorità della natura dovesse superare l’autorità dei testi antichi. Il suo atlante di anatomia umana in sette volumi, De Humani Corporis Fabrica (Sulla struttura del corpo umano), copriva l’anatomia scheletrica e muscolare così come i principali sistemi di organi del corpo. Abilmente illustrato da alcuni dei principali artisti rinascimentali, l’atlante era considerato un’opera d’arte oltre che di scienza anatomica. Sebbene Vesalio sfidasse molti dei principi sostenuti da Galeno e dai suoi numerosi commentatori, egli mantenne comunque alcune convenzioni errate presenti nell’anatomia di Galeno, come l’esistenza di pori nel setto del cuore e di appendici “cornute” nell’utero (presenti nell’utero di maiale ma non in quello umano). L’opera di Vesalio fu presto seguita da quella di specialisti anatomici come Bartolomeo Eustachio (1510-1574) e Gabriele Falloppio (1523-1562). Eustachio si specializzò nell’anatomia dell’orecchio, e Falloppio nel tratto riproduttivo femminile.
Gli sviluppi dell’anatomia che rivolgevano l’interesse alle parti e agli organi del corpo erano accompagnati da questioni che riguardavano la funzione degli organi. Nel XVI secolo, la fisiologia, la scienza che si occupa specificamente del funzionamento dei corpi viventi, cominciò a fiorire. Il maggiore fisiologo animale di questo periodo fu William Harvey (1578-1657). Harvey eseguì numerose dissezioni e vivisezioni su una serie di animali per determinare che il sangue circola attraverso il corpo e non è prodotto de novo, come la tradizione galenica aveva imposto. L’influenza di Harvey si è sentita non solo nella medicina, ma anche nella fisiologia comparata e nella biologia comparata, dato che ha eseguito i suoi esperimenti su diversi sistemi animali. I suoi esperimenti e il suo principale trattato, An Anatomical Disputation concerning the Movement of the Heart and Blood in Living Creatures (1628), sono considerati una delle prime dimostrazioni del metodo di verifica delle ipotesi e della sperimentazione. Mentre Harvey tracciava spesso analogie tra l’azione di pompaggio del cuore e le pompe meccaniche, egli resisteva all’idea che il corpo obbedisse interamente a principi meccanicistici. A differenza del suo contemporaneo René Descartes (1596-1650), che sosteneva teorie meccanicistiche sul funzionamento dei corpi animali, Harvey sosteneva che un qualche tipo di forze speciali non meccanicistiche, poi chiamate “vitalistiche”, fossero responsabili dei processi vitali della materia animata.
La filosofia meccanica – la convinzione che l’universo e le sue parti costituenti obbedissero a principi meccanici che potevano essere compresi e determinati attraverso l’osservazione ragionata e il nuovo metodo scientifico – si fece così strada nella storia della biologia. Questo generò una vivace discussione tra meccanismo e vitalismo, tra l’idea che la vita obbedisse a principi meccanicistici e l’idea che la vita dipendesse da principi “vitali” non meccanicistici o acquisisse in qualche modo “proprietà emergenti”. Il dibattito è andato avanti e indietro per gran parte della storia successiva della biologia, fino ai decenni centrali del ventesimo secolo.
Durante il Rinascimento, la filosofia meccanica guadagnò alcuni sostenitori in anatomia e fisiologia, la figura più notevole fu Giovanni Borelli (1608-1679), che cercò di capire l’azione muscolare nei corpi animali in termini di leve e carrucole. Alcuni dei primi embriologi, come seguaci di Cartesio, sposarono la convinzione che anche lo sviluppo seguisse principi meccanicistici. In quella che divenne nota come teoria della preformazione o “emboitement”, i semi di forme adulte mature ma miniaturizzate o homunculi si pensava fossero incorporati interamente intatti negli organismi maturi (come se fossero racchiusi in una scatola dentro una scatola, da cui il nome “emboitement”). Tra i principali sostenitori di questa visione c’erano Marcello Malpighi (1628-1694) e Jan Swammerdam (1637-1680). Questo era in contrasto con l’idea di “epigenesi”, la convinzione risalente ad Aristotele e ai suoi commentatori che lo sviluppo iniziasse da materiale inizialmente indifferenziato (di solito l’ovulo) e poi seguisse un percorso di sviluppo epigeneticamente determinato dopo la fecondazione. Uno dei più importanti sostenitori di questa teoria fu Pierre Louis Maupertuis (1698-1759), che sosteneva che le teorie preformative non potevano spiegare perché la prole portasse caratteristiche di entrambi i genitori.
Nei secoli XVII e XVIII, le teorie dell’embriologia e dello sviluppo furono sovrapposte alle teorie della riproduzione sessuale, insieme a una serie di teorie sulle origini della vita, la maggior parte delle quali sosteneva l’idea della generazione spontanea. Durante questo periodo infuriarono i dibattiti sulla generazione spontanea, l’idea che la vita sia stata creata spontaneamente dalla materia inanimata. La credenza popolare che gli organismi viventi si propagassero dal fango dei corsi d’acqua, dallo sporco e dai detriti, o da ambienti come la carne in decomposizione, fu sostenuta da un certo numero di studiosi fin dall’antichità. Le ricerche di William Harvey sulla riproduzione, pubblicate nel 1651 come Exercitationes de Generatione Animalium (Saggi sulla generazione degli animali), iniziarono a mettere in dubbio la generazione spontanea. Harvey credeva che tutte le forme di vita si riproducessero sessualmente, un’opinione che enunciava in modo pittoresco con il suo famoso dictum Ex ovo omnia (“Tutto viene dall’uovo”). Nel 1668 il medico italiano Francesco Redi (1626-1697) eseguì un famoso esperimento che smentì ulteriormente la teoria della generazione spontanea. Coprendo accuratamente la carne in decomposizione in modo che non fosse accessibile alle mosche, dimostrò che i vermi non emergevano spontaneamente. L’idea che la riproduzione sessuale caratterizzasse gran parte della vita fu ulteriormente rafforzata quando Nehemiah Grew (1641-1711) dimostrò la sessualità nelle piante nel 1682. Più tardi, nel 1768, il fisiologo italiano Lazzaro Spallanzani (1729-1799) offrì ulteriori prove che smentivano la generazione spontanea, e nel 1779 diede un resoconto della funzione sessuale dell’ovulo e dello sperma. Nonostante l’accumulo di prove sperimentali contro la generazione spontanea, nuovi sviluppi continuarono ad alimentare la credenza nella generazione spontanea. Nel 1740, per esempio, Charles Bonnet (1720-1793) scoprì la partenogenesi (“nascita vergine” – una forma asessuata di riproduzione) negli afidi, e nel 1748 John Turberville Needham (1731-1781) offrì la prova di ciò che pensava fossero microbi generati spontaneamente in un pallone di brodo sigillato (questo fu poi contestato da Pierre-Louis Moreau de Maupertuis). Infine, la scoperta della vita microbica sostenne l’idea che gli organismi viventi emergevano spontaneamente da ambienti naturali come l’acqua dello stagno. I secoli XVII e XVIII furono quindi testimoni di una serie di dibattiti che furono risolti solo molto più tardi, alla fine del XIX secolo, quando furono fatte distinzioni tra i processi molto diversi associati alla riproduzione, alle origini della vita e allo svolgimento embriologico o dello sviluppo. La credenza nella generazione spontanea fu finalmente messa a tacere nel 1860 dai celebri esperimenti del “pallone a collo di cigno” di Louis Pasteur (1822-1895).
Altri sviluppi notevoli nelle origini della biologia vennero come risultato di nuovi strumenti e tecnologie, il più importante dei quali fu il microscopio. Sviluppato indipendentemente da Robert Hooke (1635-1703) in Inghilterra e Antony Van Leeuwenhoek (1632-1723) nei Paesi Bassi, il microscopio ha rivelato un universo di vita mai visto prima e completamente inimmaginato. Robert Hooke osservò per la prima volta unità ripetute che descrisse come “cellule” nella sua Micrographia (1665), mentre Leeuwenhoek osservò vari organismi mobili che descrisse come “animaletti”. Mentre il microscopio ha aperto le esplorazioni citologiche e microbiologiche, ha anche distrutto la nozione di Aristotele che la vita è organizzata lungo una scala naturae (scala della natura), poiché nuove e minuscole forme animali non erano facilmente localizzabili sulla scala della creazione. Ha anche alimentato la credenza nella generazione spontanea. Pioniere dell’uso del microscopio e della sua applicazione all’anatomia, Marcello Malphighi (1628-1694), professore italiano di medicina e medico personale di Papa Innocenzo XII, basandosi sul precedente lavoro di Andrea Cesalpino e William Harvey, studiò il sistema circolatorio e respiratorio di una serie di animali (soprattutto insetti). Fu uno dei primi a studiare grandi gruppi di organi come il cervello, i polmoni e i reni in diversi organismi.