היסטוריה.
חקר הטבע היה נהוג כבר ביוון הקדומה. אולם אז הוא לא התנהל על פי קריטריונים מודרניים. גם אוניברסיטאות או מוסדות דומים להם, הוקמו ברחבי העולם, בתקופות קדומות. אולם, אוניברסיטאות, בצורתן המודרנית ובמספרים הולכים וגדלים, החלו לקום באירופה למן המאה העשירית. באוניברסיטאות המודרניות, בניגוד למרבית אוניברסיטאות הקדומות, הייתה פקולטה למדעי טבע, שהייתה נפרדת מהפקולטה לרפואה ולתאולוגיה.
מדע הטבע המודרני החל להתגבש בראשית העת החדשה וכלל את ידיעת הטבע, שנוסחה לכדי תאוריה אחת במאה ה-16 וריכזה את הסיווג והתיאור של צמחים, בעלי חיים, מינרלים ופרטים טבעיים נוספים, כמו גם שימושים ראשוניים במיקרוסקופים ובטלסקופים. מעל לכול, גיבוש המדע המודרני נעזר בהמצאת הדפוס, שאיפשרה הפצה ענפה של ספרות מקצועית.
במאה ה-20, חל גידול מהיר בידע ושיכלול תחומי ההתמחות במדעי הטבע. עקב כך, ובשל סיבות נוספות, פוצלה באוניברסיטאות הוראת מדעי הטבע בשתי פקולטות נפרדות, מדעים מדויקים ומדעי החיים.
קריטריונים.
הפילוסופים של המדע הציעו קריטריונים, הכרחיים למחקר מדעי. חלק מהקריטריונים נוגע לתאוריות מדעיות וכולל, לדוגמה, את "עקרון ההפרכה" של קרל פופר. עיקרון המבחין בין תאוריות, שניתנות לבדיקה בניסיונות מדעיים או בתצפיות מדעיות לתאוריות שאינן בדיקות. עיקרון אחר הוא הישענות על תחומי מידע, שנתפשים בסיסיים יותר. לדוגמה, שימוש במודלים מתמטיים במדעי הטבע או שימוש בידיעות מתחום הפיזיקה ומדעי היקום להצדקת תאוריות מתחומי הכימיה - מדעי החומר או הביולוגיה - מדעי החיים.
עקרונות אחרים קשורים באותן דרכי האישוש או הפרכה של תאוריות. עיקרון מרכזי אחד, קובע, שניסוי מדעי חייב להיות מדווח באופן פרטני, כך שכול מי שמעוניין לחזור עליו בעצמו יכול לעשות זאת. עוד עיקרון קובע, שעדיף להשתמש בכלי ניסוי המוכרים למדענים מעבודות קודמות מאשר בכלים חדשים (למשל באורגניזם מודל מוכר ולא באורגניזם מודל נדיר, כל עוד יש ברירה). עיקרון אחר קובע, שהניסוי או התצפית חייבים להיערך בעזרת כלים אובייקטיביים, כך שכל מי שצופה בהם יראה את אותה תוצאה - דהיינו, שהתוצאה לא תהיה עניין של דעה. עקרונות אחרים הקשורים לדרכי התצפית והניסוי הם עקרון התוקף, דיוק ונכונות.
סדרת עקרונות נוספת עוסקת בדרכי הפרסום של התאוריות, של שיטות הניסויים והתצפיות ושל תוצאותיהם. העקרונות כוללים מנגנונים חברתיים שיבטיחו בקרת איכות, כמו ביקורת עמיתים וכוללים תקנים לדרכי עיצוב וניסוח של מאמרים מדעיים, שמונעים משחקי מילים והתחמקויות, שמסתירים את המציאות.
תחומי מדעי הטבע.
ביולוגיה - מדעי החי.
תחום זה כולל קבוצת דיסציפלינות המתארות תופעות המיוחסות לעולם החי. קנה המידה של המחקר מצוי בטווח רחב שבין תת-רכיבים בביופיזיקה למבנים מורכבים באקולוגיה. הביולוגיה מתייחסת גם למאפיינים, סיווג והתנהגות של אורגניזמים, במינים שהתפתחו ויחסי הגומלין שבין פרטים בתוך אותו מין, יחסי הגומלין שבין המינים ויחסי הגומלין שבין מין לסביבתו.
ראשית ההתפתחות של ענפי הביולוגיה, כמו בוטניקה, זואולוגיה ורפואה, החלה בתקופה מוקדמת מאוד של הציוויליזציה, בעוד שהמיקרוביולוגיה החלה במאה ה-17 עם המצאת המיקרוסקופ.
מספר פיתוחים חשובים בביולוגיה כוללים את גילוי הגנים, תורת האבולוציה של דרווין והברירה הטבעית, התאוריה החיידקית של המחלות ויישום טכניקות בכימיה ופיזיקה בתרכובות אורגניות ותאים.
הביולוגיה המודרנית מחולקת למספר תת-דיסציפלינות בהתאם לסוג האורגניזם וקנה המידה של המחקר. ביולוגיה מולקולרית היא ענף החוקר את הכימיה הבסיסית וחמרי החיים בעוד שביולוגיה של התא היא ענף החוקר את התא הבודד, היחידה הבסיסית ביותר ממנה בנויים כל היצורים החיים, ומנגנוניו. הפיזיולוגיה חוקרת את המבנה הפנימי השלם של האורגניזם והאקולוגיה חוקרת את ניהול מערכות יחסים הדדיות בין מגוון המינים.
כימיה - מדעי החומר.
תחום זה חוקר את החומר בקנה מידה אטומי ומולקולרי ועוסק בעיקר בתרכובות ותערובות מהן בנויים גזים, נוזלים, מוצקים, קריסטלים ומתכות.
מדעי החומר - הכימיה מתעסקת בהרכב, במאפיינים הסטטיסטיים, בהתמרות ובתגובות הכימיות של חומרים אלו עם חומרים אחרים ברמת האטומים הבודדים כדי להשתמש בידע הנצבר ליישומים בקנה מידה גדול יותר.
תהליכים כימיים רבים נחקרים במהלך ניסויי מעבדה ובמהלכם משתמשים בסדרת טכניקות המשפיעה על החומרים הנחקרים כדי להבין טוב יותר תהליכים בסיסיים שמתרחשים. הכימיה נקראת גם "המדע המרכזי" בזכות העובדה שהיא מקשרת בין המדעים המדויקים למדעי החיים - הביולוגיה ולמדעים שימושיים.
הניסויים הראשונים במדעי החומר - הכימיה בראשית דרכה, נעוצים בעת העתיקה ונמשך במסורת גם בימי הביניים תחת השם אלכימיה - שילוב של כימיה, פיזיקה, רפואה, מיסטיקה ודת. הכימיה המודרנית החלה להתפתח עם פרסום עבודותיהם של רוברט בויל, מגלה מצב הצבירה הגזי, ואנטואן לבואזיה, מפתח חוק שימור החומר.
עם גילוי היסודות הכימיים ופיתוח התורה האטומית החלה הכימיה להתגבש למדעי החומר המודרניים המדע אותו אנו מכירים כיום. חוקרים החלו לפתח את ההבנה כי קיימים מספר מצבי צבירה לכל חומר, ושיש יסודות שמשקלם הסגולי תמיד ביחס שלם לחומרים אחרים ובפרט למשקלו של מימן שהוא 1. מכאן הסיקו שהיסודות בנויים מאטומים ובהם חלקיק יסוד של משקל (הפרוטון). עם גילוי החשמל וחקירתו שיערו שהאטומים נושאים מטען חשמלי, מטענים אלו נקראים יונים. בנוסף הבינו החוקרים כי קיימים גם קשרים כימיים ותגובות כימיות בין אטומים ומולקולות. הידע הרב שנצבר הוביל לפיתוח תעשייה כימית שהיא כיום חלק בלתי נפרד מהכלכלה העולמית.
פיזיקה - מדעי היקום.
תחום זה חוקר את המרכיבים הבסיסיים של היקום, הכוחות ויחסי הגומלין שהם מפעילים אלו על אלו ותוצאות תהליכים הנגרמים עקב יחסי הגומלין ביניהם. באופן כללי, הפיזיקה נחשבת למדע בסיסי בזכות העובדה שכל שאר מדעי הטבע משתמשים ומצייתים לעקרונות ולחוקים שהיא מייצגת. הפיזיקה נשענת ברובה על המתמטיקה כדי לנסח לכמת את העקרונות.
לחקר העקרונות הפיזיקליים של היקום יש היסטוריה ארוכה ונגזרות רבות משמעות שהושגו הן באמצעות תצפיות והן במהלך ניסויים שנבנו לאורך ההיסטוריה האנושית. ניסוח תאוריות לגבי החוקים ששולטים ביקום הוא תחום מחקר ראשי המעלה שאלות פילוסופיות מראשית ההיסטוריה אנושית. פיתוחים בעלי משמעות היסטורית כוללים את המכניקה הקלאסית ותאוריית הכבידה האוניברסלית של אייזק ניוטון, חשמל ומגנטיות, תורת היחסות הפרטית והכללית של אלברט איינשטיין, פיתוח התרמודינמיקה, אופטיקה ופיתוח התאוריה של מכניקת הקוונטים.
הפיזיקה המודרנית מתפתחת כיום במהירות רבה מאחר שכל חוקר מתמקד בנושאים בודדים, בשונה מאייזק ניוטון, אלברט איינשטיין ולב לנדאו שעסקו בנושאים רבים.
אסטרונומיה - מדעי החלל.
תחום זה חוקר את ההתפתחות, הפיזיקה, הכימיה, שינוי ותנועתם של גרמי שמיים הנמצאים מחוץ לאטמוספירת כדור הארץ וגם את צורתו והתפתחותו של היקום כולו.
האסטרונומיה בוחנת וחוקרת את הכוכבים, כוכבי הלכת, שביטים, גלקסיות והיקום. רוב המידע שנמצא כיום בידי האסטרונומים הושג באמצעות תצפיות על כוכבים מרוחקים אף על פי שחלק מהמידע נחזה מראש והוכח רק לאחר מכן (לדוגמה: כימיה מולקולרית של תווך בין-כוכבי או הרוח הסולארית).
בעוד שהעיסוק באסטרונומיה החל בימי קדם, תחילה לצורך ניווט, ואחר כך מתוך אמונה דתית, הגישה המדעית החלה להתפתח באמצע המאה ה-17 עם המצאת הטלסקופ וגילויו הרבים של גלילאו גליליי באמצעותו.
הפיתוחים והנוסחאות מתמטיות של הידע שנצבר עד אז, נמנים עם עבודותיו של אייזק ניוטון על מכניקה שמיימית ותאוריית הכבידה, אולם ישנם תיעודים מוקדמים יותר של אסטרונומים כדוגמת קפלר. במאה ה-19, הפכה האסטרונומיה למדע באופן רשמי עם המצאת הספקטרומטר והצילום לצד שכלול והגדלת עוצמתם של הטלסקופים.
מדעי כדור הארץ.
תחום זה חוקר את כל הקשור לגאולוגיה, גיאופיזיקה, הידרולוגיה, מטאורולוגיה, גאוגרפיה פיזית, אוקיינוגרפיה ומדע הקרקע.
למרות העיסוק של האדם בכרייה וגמולוגיה לאורך ההיסטוריה כולה, התפתחות מדעים בנושאים אלו כמו גאולוגיה כלכלית ומינרלוגיה החלו רק במאה ה-18. המחקר של כדור הארץ, ובייחוד פלאונטולוגיה, התפתח במאה ה-19. התפתחותם של תחומים אחרים, כמו גאופיזיקה, במאה ה-20 הובילו לפיתוח תאוריית טקטוניקת הלוחות בשנות השישים של המאה ה-20 והייתה לה השפעה על מדעי כדור הארץ שניתן לדמותה להשפעה של תאוריית האבולוציה על הביולוגיה. יישומים של מדעי כדור הארץ כיום מצויים בתחום חיפוש מקורות נפט ומינרלים, מחקרי אקלים והשפעת האדם על הסביבה ושיקומה.
מדעי האטמוספירה.
אף על פי שלעיתים נחשב כחלק ממדעי כדור הארץ, מדעי האטמוספירה נחשבים לענף נפרד של מדעי טבע בשל ההתפתחות העצמאית של המושגים, הטכניקות והפרקטיקות שלו וגם העובדה שיש לו מגוון רחב של תת-דיסציפלינות תחת חסותו. תחום זה בוחן את המאפיינים של שכבות שונות של האטמוספירה מגובה פני הקרקע ועד לקצה החלל. גם טווח הזמן של המחקר משתנה מיום למאה שנה. לעיתים התחום כולל גם חקר דפוסי אקלים בכוכבי לכת שאינם כדור הארץ.
אוקיינוגרפיה.
המחקר הרציני של האוקיינוסים החל בתחילת עד אמצע המאה ה-20. זהו תחום צעיר יחסית במדעי הטבע, אך תוכניות עצמאיות מציעות התמחויות בנושא. למרות שעדיין נותרו מחלוקות באשר לסיווג התחום תחת מדעי כדור הארץ, מדעים בין-תחומיים או כתחום נפרד בפני עצמו, רוב העובדים המודרניים בתחום מסכימים שהוא הבשיל למצב שיש לו פרדיגמות ופרקטיקות משלו.
מדעי האטמוספירה