Archiv der Kategorie: Biowissen u. Grenzbereiche

Die ersten Spuren psychischer Erscheinungen

Buchvorstellung: ‘Das psychische Leben von Mikroorganismen – Eine Studie in experimenteller Psychologie’. Es geht unter Anderem darum, dass alle lebenswichtigen Phänomene bereits in den allereinfachsten Zellen und Lebewesen vorhanden sind.

Es gibt mikroskopisch winzige Lebewesen, die kein Gehirn haben und dennoch so etwas wie ein Gedächtnis. Diesen Lebewesen fehlen alle Sinnesorgane, dennoch können sie anscheinend sehen, hören, riechen und fühlen. Sie haben keine Arme oder Beine, dennoch können sie laufen und bei Bedarf so etwas wie Ärmchen nachbilden, um sich damit das zu greifen, was sie wollen. Sie können jagen, sich verteidigen, ja sie haben sogar ein ausgeprägtes Sexualleben.
Alfred Binet führt uns im Rahmen seiner Studie über das psychische Leben der einzelligen Mikroorganismen in diese geheimnisvolle Welt ein, die vielseitiger ist, als die Welt der uns bekannten Tiere. Er weiß fundierte Antworten auf Fragen über die grundlegenden Phänomene des Lebens, beispielsweise auf die Frage, ob psychisches Leben überhaupt eine Eigenschaft der lebenden Materie ist. Der erfahrene Forscher und Psychologe Binet weiß nicht nur die Antworten, er nimmt den Leser mit auf seiner Entdeckungsreise durch die wunderbare Welt des psychischen Lebens der Mikroorganismen.

Bibliographische Angaben:
Buchtitel: Die ersten Spuren psychischer Erscheinungen: Das psychische Leben von Mikroorganismen – Eine Studie in experimenteller Psychologie
Autor(en): Alfred Binet; Klaus-Dieter Sedlacek
Taschenbuch: 144 Seiten
Verlag: Books on Demand
ISBN 978-3-7431-8088-8
Ebook:
Bezug über alle relevanten Buchhandlungen, Online-Shops und Großhändler – z. B. Amazon, Apple iBooks, Tolino, Google Play, Thalia, Hugendubel uvm.

Rezensionsexemplar: presse(at)bod.de

Der französische Psychologe Alfred Binet (1857 – 1911) gilt als Begründer der Psychometrie. Er studierte unter anderem Medizin und Biologie an der Sorbonne. Seine Forschungsergebnisse auf dem Gebiet der Intelligenzmessung und der Mikroorganismen sind eine Arbeitsgrundlage für Psychologen und Naturforscher auf der ganzen Welt.

Die Vitalseele der Pflanzen

Wie intelligent sind Pflanzen?Die aktuelle Buchveröffentlichung von Klaus-Dieter Sedlacek behandelt das Thema ‘Sensationelle Einblicke in die geheime Seite des pflanzlichen Wesens’. Der folgende Textauschnitt gibt dazu einen ersten Eindruck.

Der Gedanke der Beseeltheit alles Lebendigen ist nichts weniger als neu. Aber auch im Rahmen des engeren naturwissenschaftlichen Denkens war er schon aufgetaucht. Fechners „Nanna oder über das Seelenleben der Pflanzen“ war in dieser Hinsicht ein erster und schon weitgehender Versuch. Damals nahm man das nicht „ernst“. Man betrachtete es bloß als poetische Schrulle eines sonst hochverdienten Gelehrten.
Heute ist uns die Vorstellung von der Beseeltheit der ganzen Organismenwelt, also auch der Pflanze, schon viel, viel mehr als eine poetische Schrulle oder ein poetisches „Gleichnis“, — sie ist für viele, welche an den Dingen der Natur mehr zu sehen verstehen als bloß äußere Hüllen, eine Erkenntnis, ein tiefes Erfassen des dem Leben Wesentlichen geworden.

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Gen für das Gefühlsleben von Pflanzen entdeckt

Pflanzen zu drücken oder zu streicheln ist eine jahrhundertealte Methode im japanischen Landbau. Die mechanische Stressbehandlung erhöht die Widerstandsfähigkeit der Pflanzen und steigert damit auch den Ertrag, führt aber auch zu gedrungenem Wachstum und verzögertem Blühen. Verantwortlich dafür ist ein Gen, das nun von Dr. Maria Pimenta Lange und Prof. Theo Lange vom Institut für Pflanzenbiologie der Technischen Universität Braunschweig entdeckt wurde.

Die positive Auswirkung mechanischer Stressbehandlung von Pflanzen wurde erst vor wenigen Jahren in den westlichen Industrienationen bekannt. Bis dahin ging die Forschung davon aus, dass sich die sogenannte Thigmomorphogenese vor allem durch gedrungenes Wachstum und verzögertes Blühen auf Pflanzen auswirke, erläutert Prof. Theo Lange. Forschungsergebnisse aus den USA und der Schweiz wiesen in den vergangenen Jahren auch auf nützliche Effekte hin, wie etwa eine bessere Schädlingsabwehr, jedoch ohne den Wirkmechanismus aufzuklären, so der Braunschweiger Pflanzenbiologe.

Gemeinsam mit Dr. Maria Pimenta Lange ist es dem Leiter der Abteilung Biochemie und Physiologie der Pflanzen am Institut für Pflanzenbiologie der TU Braunschweig nun gelungen, das Gen zu identifizieren, das für die Berührungsreaktion von Pflanzen verantwortlich ist. Das Gen „AtGA2ox7“ kodiert ein Protein, das für den Abbau eines bestimmten Pflanzenhormons, den Gibberellinen, zuständig ist. Ohne dieses Gen, so die aktuellen Forschungsergebnisse der Braunschweiger Pflanzenbiologen, reagiere die Pflanze auf den Berührungsreiz nicht mehr mit morphologischen Veränderungen und wachse wie eine unbeeinflusste Vergleichspflanze.

In den kommenden Monaten setzt das Braunschweiger Forscherteam seine Arbeit fort und untersucht, inwieweit in genveränderten Pflanzen nach einer Berührung gewünschte Eigenschaften, wie gesteigerte Stressresistenz, erhalten geblieben sind. Auch soll untersucht werden, wie das identifizierte Gen als Marker beispielsweise in Züchtungsprogrammen eingesetzt werden kann. „Langfristig bietet unsere Grundlagenforschung die Möglichkeit, die jahrhundertealte japanische Methode als Anwendung im ökologischen Landbau weiterzuentwickeln und nachteilige Auswirkungen mit Mitteln der Biotechnologie zu lindern“, erklärt Prof. Lange. (Quelle: idw)

Zur Publikation
Maria João Pimenta Lange, Theo Lange: Touch-induced changes in Arabidopsis morphology dependent on gibberellin breakdown. Nature Plants, doi: 10.1038/nplants.2014.25 (2015).

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Gedächtnisforschung: Hemmender Botenstoff am Lernprozess beteiligt


Honigbienen lernen sehr schnell und haben ein hervorragendes Gedächtnis. Daher sind sie als Modellorganismen für die Forschung interessant. Da die Lernprozesse beim Menschen ähnlich ablaufen, können Erkenntnisse aus der Bienenforschung übertragen werden. Wissenschaftler der Saar-Uni haben nun erstmals an Nervenzellen von Bienen experimentell belegt, dass der Neurotransmitter Gamma-Aminobuttersäure (GABA) eine bedeutende Rolle bei Lernprozessen spielt. GABA ist einer der wichtigsten hemmenden Botenstoffe im Gehirn und spielt unter anderem bei Krankheiten wie Alzheimer und Epilepsie eine Rolle. Die Studie wurde in der renommierten Fachzeitschrift „Journal of Neuroscience“ veröffentlicht.
Mit einem Gehirn kleiner als ein Stecknadelkopf und mit weniger als einer Million Nervenzellen können sich Bienen hervorragend in der Umgebung orientieren und lernen, wo für sie wichtige Futterquellen liegen. Hierbei verknüpft ihr Nervensystem spezifische Informationen wie Düfte, Farben und Landmarken mit einer Belohnung in Form von Nektar. Dies wird im Gedächtnis gespeichert, sodass die Biene die Futterstelle auch Tage später wiederfindet.
„Bei diesen Lernprozessen spielen chemische Botenstoffe eine wichtige Rolle“, sagt Uli Müller, Professor für Zoologie und Physiologie an der Universität des Saarlandes. „Diese Neurotransmitter übermitteln Informationen zwischen Nervenzellen, wobei zwischen erregenden und hemmenden Transmittern unterschieden wird.“ Ein erregender Botenstoff wie Acetylcholin (ACh) aktiviert die nächste Nervenzelle, während ein hemmender Transmitter wie GABA die Signalübermittlung herunterregelt. Kommen nun zwei Reize wenige Millisekunden hintereinander an einer Nervenzelle an, „verrechnet“ die Zelle diese miteinander. So kann das Signal bei der Verrechnung zweier Reize besonders verstärkt oder abgemildert werden, je nachdem, welche Transmitter beteiligt sind.
Kommt es bei der Reizweiterleitung zu Änderungen, sind Nervenzellen in der Lage, darauf zu reagieren – eine Eigenschaft, die Fachleute als neuronale Plastizität bezeichnen. Sie ist maßgebend für das Lernen und die Gedächtnisbildung.
„Beim Lernen spielt die zeitliche Abfolge der Informationen, also etwa die zeitliche Paarung von Duft und der anschließenden Nektarbelohnung, eine entscheidende Rolle“, so Müller weiter. „Bei bisherigen Untersuchungen von Lernprozessen stand vor allem die zeitliche Verrechnung von erregenden Neurotransmittern im Fokus. Obwohl bekannt war, dass der hemmende Neurotransmitter GABA beim Lernen eine Rolle spielt, wurde er nicht mit diesen Prozessen in Verbindung gebracht.“

Dies ist nun erstmals Müller und seinem Mitarbeiter Davide Raccuglia in ihrer aktuellen Studie gelungen. Die Biologen haben die für das Lernen bei Insekten verantwortlichen Nervenzellen, die Kenyonzellen, isoliert und die zeitliche Verrechnung bei erregenden und hemmenden Botenstoffen untersucht. Dazu haben die Forscher die Zellen von Honigbienen und Fruchtfliegen zuerst mit dem erregenden Transmitter ACh und Sekunden später mit dem hemmenden Botenstoff GABA als auch in umgekehrter Reihenfolge stimuliert. Zur Kontrolle haben sie die Versuche jeweils nur mit dem hemmenden oder dem erregenden Botenstoff durchgeführt. Anschließend haben sie gemessen, ob sich die Signalverarbeitung der Zellen verändert hat.
„Wir haben beobachtet, dass es bei der Stimulation mit beiden Transmittern im Gegensatz zu den Kontrollversuchen noch Minuten später zu Änderungen in der Signalverarbeitung der Kenyonzellen kommt“, sagt der Neurobiologe. Durch diese zeitliche Verrechnung haben die Zellen, so Müller weiter, ein „molekulares Gedächtnis“ gebildet. Dabei hänge das Ausmaß dieser Änderungen davon ab, welcher Transmitter zuerst stimuliert und wie viele Rezeptoren die Zellen für den Neurotransmitter GABA besitzen.
Folgestudien müssen jetzt klären, welche Rolle GABA-Rezeptoren bei der Signalverrechnung beim Lernen genau spielen und ob diese beispielsweise mit Krankheiten wie Alzheimer in Zusammenhang stehen. GABA ist einer der wichtigsten Botenstoffe des menschlichen Zentralnervensystems. Er wird auch mit weiteren neurologischen Krankheiten wie Epilepsie in Verbindung gebracht.
Die Studie wurde in der Fachzeitung „Journal of Neuroscience“
veröffentlicht:
„Temporal Integration of Cholinergic and GABAergic Inputs in Isolated Insect Mushroom Body Neurons Exposes Pairing-Specific Signal Processing”.  DOI: 10.1523/JNEUROSCI.0714-14.2014

Was uns eine Meeresschnecke über Evolution und Bewusstsein verrät?

Schlundsackschnecken zu denen Elysia timida gehört, sind hauptsächlich in der Algenzone der Meeresküsten zu finden. Die Schnecken ernähren sich fast ausschließlich von Algen, deren Chloroplasten sie aufnehmen und in ihre Haut oder vergrößerte Mitteldarmdrüse einlagern können (Kleptoplastiden). Elysia timida hat einen Weg gefunden, sich die Photosynthese von Algen nutzbar zu machen. Wie ist das möglich? Als Naturwissenschaftler gehen wir davon aus, dass sich alle komplexen biologischen Systeme durch evolutionäre Prozesse gebildet haben.

Ein Evolutionsprozess besteht aus drei Schritten, die ich kurz charakterisieren möchte: Zuerst entsteht Neues, möglicherweise noch nie Dagewesenes. Im zweiten Schritt wird das Neue mit Vorhandenem kombiniert und zur Auswahl dargeboten. Im dritten und letzten Schritt wird eine Auswahl unter dem Dargebotenen getroffen. Die Auswahl kann passiv durch Wechselwirkungen mit der Umwelt geschehen oder aktiv unter Berücksichtigung der individuellen Neigung, bestimmte Ziele zu verfolgen (= Bedürfnisse).

Das Verdauungsorgan der Schnecke zerkleinert und zerlegt die gefressenen Algen. Neu im Sinn von Schritt 1 der Evolution ist wohl, dass die Schnecke und speziell ihr Darm zwischen verschiedenen Zellbestandteilen der zerlegten Algen unterscheiden kann. Die Schnecke verfügt ganz offensichtlich über die Möglichkeit, selektiv bestimmte Zellbestandteile zu verdauen, oder auch nicht, obwohl sich die einzelnen Bestandteile nicht prinzipiell unterscheiden und andere Meeresschnecken ungeachtet der unterschiedlichen Algenbestandteile die komplette Alge verdauen.

Für den zweiten Schritt des Evolutionsprozesses ergeben sich daraus folgende Kombinationen: a. alle Zellbestandteile verdauen, b. Chloroplasten verdauen, c. alles verdauen außer Chloroplasten.

Im dritten Schritt des Evolutionsprozesses kommt es zu einer Auswahl unter den drei dargebotenen Möglichkeiten. Bei einer passiven Auswahl durch die Umwelt bleibt entweder alles beim Alten (Kombination a) oder das Neue ist im Regelfall von entscheidendem Vorteil für Lebenserhalt und Fortpflanzung. Bei einer aktiven Auswahl können Bedürfnisse die Wahl bestimmen und es kann b oder c zum Tragen kommen.

Die Biologen gehen davon aus, dass die Elysia-Schnecken in Hungerphasen Energie von den Chloroplasten beziehen, die im Darm weiterhin Photosynthese betreiben. Ein Experiment zeigte allerdings, dass die Schnecken auch ohne Photosynthese der Chloroplasten überleben. Nach zwei Monaten im Dunkeln waren die Schnecken so lebendig wie zuvor. Jetzt vermuten die Forscher, die Schnecke profitiert nicht unbedingt sofort von den Chloroplasten, sondern erst dann, wenn die Darmzellen diese in Hungerphasen abbauen.

Für eine passive Auswahl durch die Umwelt im dritten Schritt der Evolution spricht, dass man aus dem Vorhandensein der Chloroplasten im Darm einen geringfügigen Vorteil für den Lebenserhalt ableiten kann. Doch ist dieser Vorteil entscheidend?

Gegen das Wirken eines passiven Prozesses spricht das Erkennen des Unterschieds verschiedener Zellbestandteile der Algen durch die Schnecke selbst bzw. durch ihre Darmzellen. Es gibt also etwas, was sich auf unterschiedliche Anforderungen einstellen kann.

Was die Auswahl im Evolutionsprozess betrifft, so ist die Wahl der Evolution auf Kombination c gefallen, alles wird verdaut außer den Chloroplasten. Allerdings hat die Schnecke anscheinend die Möglichkeit, in Hungerphasen die Kombination b zu wählen, nämlich die Chloroplasten zu verdauen. Es existiert eine nicht determinierte Entscheidungsmöglichkeit zwischen Handlungsalternativen.

Wenn man zudem davon ausgeht, dass die Schnecke das ganz einfache Bedürfnis hat, sich ihr Leben etwas komfortabler zu gestalten, indem sie die Chloroplasten Sauerstoff und Zucker produzieren lässt, dann sind alle Kriterien für den informationsverarbeitenden Prozess erfüllt, den ich in meinen Schriften als Bewusstsein bezeichnet habe.

Der gleiche Bewusstseinsprozess, der Entscheidungen trifft, wann die Chloroplasten Sauerstoff und Zucker produzieren sollen und wann sie zu verdauen sind, hat auch beim dritten Evolutionsschritt die aktive Auswahl durchgeführt.

Sicher handelt es sich nicht um einen hoch entwickelten Bewusstseinsprozess wie das Selbst- oder Oberbewusstsein beim Menschen. Es ist eher ein dem Unterbewusstsein vergleichbarer Prozess. Beim Menschen führt das Unterbewusstsein viele Entscheidungen und körperliche Steuerungen durch. Nur das Wichtigste wird zur Entscheidung dem Oberbewusstsein zugeführt. Und was das Wichtigste ist, das entscheidet ebenfalls das Unterbewusstsein.

Die Elysia-Schnecke zeigt uns mit hoher Wahrscheinlichkeit, dass einfache Bewusstseinsprozesse selbst auf ihrer nicht allzu hohen Entwicklungsstufe wirken.
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Physik sorgt für Entwicklungsschub in der Biologie

Geschichte der Biophysik

Physik und Biologie haben gemeinsame Wurzeln und haben sich oft gegenseitig inspiriert. Neue physikalische Messmethoden führten zu einem Entwicklungsschub in der Biologie und Beobachtungen der Biologen dienten als Denkanstöße in der Physik.

Kann die Physik auch prinzipielle Fragen der Biologie klären? Einige Experten hegten einst starke Zweifel. So erklärte der französische Genetiker und Medizin-Nobelpreisträger von 1965, Jacques Monod, lange Zeit, dass Leben zwar mit den Gesetzen der Physik kompatibel sei, aber nicht durch physikalische Gesetze kontrolliert werde. Ernst Walter Mayr, der große Entwicklungsbiologe, behauptete, Physik spiele in der Biologie überhaupt keine Rolle und habe praktisch nichts zur Deutung lebender Materie beigetragen. Die historischen Beispiele zeigen jedoch das Gegenteil.

Mit Physik die Zelle entdecken

Ein erster Begründer der modernen Biologie war der Delfter Kaufmann und Hobbyforscher Antoni van Leeuwenhoek, der um 1670 einfache Mikroskope baute, mit denen er eine bis zu 200-fache Vergrößerung erreichte. Die Mikroskope bestanden aus einer auf einem Kupferring ruhenden Glaskugel, als Beleuchtung diente eine Kerze. Leeuwenhoek beobachtete damit erstmals lebende Zellen – wahrscheinlich sogar große Bakterien.

Historische Skizze des Mikroskops von Robert Hooke.
Mikroskop nach Hooke

Als zweiter Entdecker der Zelle kann der englische Physiker Robert Hooke angesehen werden. Der Experimentator, dessen Name vor allem durch sein Gesetz der Elastizität bekannt ist, beobachttee im 17. Jahrhundert die Struktur von Kork und prägte den Begriff der Zelle. Seine und Leeuwenhoeks Beobachtungen über die Existenz und Bewegung von Zellen wurden von den Biologen lange als Spielerei abgetan und so dauerte es noch gut 200 Jahre, bis die Idee der Zelle vollständig akzeptiert wurde.

Physikalische Prinzipien in der Biologie

Weitere Pioniere der Biophysik waren Thomas Young und Hermann von Helmholtz, die beide über die Medizin zur Physik kamen. Der Augenarzt Thomas Young lieferte Anfang des 19. Jahrhundert mit seinem Beugungsversuch am Doppelspalt den ersten experimentellen Beweis für die Wellennatur des Lichts – gegen den Widerstand des wissenschaftlichen Establishments. In Selbstversuchen lieferte er außerdem den Beweis, dass die Adaption des Auges auf der Verformung der Augenlinse beruht und belegte die Ursache des Astigmatismus, eines optischen Abbildungsfehlers, der sich im Auge als Hornhautverkrümmung äußert. Er stellte auch die Dreifarben-Hypothese des Farbsehens auf, ausgebaut von Helmholtz und heute voll bestätigt. Ebenso wichtig für die Biologie ist Youngs Entdeckung des nach ihm benannten Gesetzes der Kapillarität.

Dargestellt ist die von Helmholtz und Young vermutete Empfindlichkeit des Auges für die drei Farbtöne rot, grün und blau/violett.
Dreifarben-Hypothese

Der Physiologe Helmholtz maß als erster die Transportgeschwindigkeit von Nervensignalen. Seine Formulierung des Energieerhaltungssatzes der Physik und die Entdeckung der zentralen Bedeutung der Zirkulationsströmung für das Fliegen wurden durch die Biologie inspiriert. Dabei ist seine Entwicklung vom Mediziner zum theoretischen Physiker außergewöhnlich: Als Mediziner begründete er die moderne Physiologie und als Physiker legte er den Grundstein für die zum Ende des 19. Jahrhunderts einsetzende enorme Entwicklung der Physik in Deutschland.

Energie und Bewegung

Die prominentesten Beispiele für die Auswirkungen der Biologie auf die Physik sind die Entdeckung des allgemeinen Energieerhaltungsssatzes durch den deutschen Arzt und Physiker Julius von Mayer und den Physiologen Hermann von Helmholtz sowie die Theorie der Brownschen Bewegung durch Albert Einstein. Mayer beobachtete als Schiffsarzt auf Java, dass das in den Venen zum Herzen zurückfließende Blut der Hafenarbeiter in den Tropen heller ist als in gemäßigten Zonen. Er wusste bereits, dass Blut umso heller ist, je mehr Sauerstoff es enthält. Daraus schloss er, dass die Arbeiter in den Tropen bei gleicher Arbeitsleistung weniger Sauerstoff – und damit Energie – verbrauchten als in gemäßigten Zonen, da weniger Wärme an die Umgebung abgegeben wird. Dies brachte ihn auf die Idee, dass Wärme und mechanische Arbeit äquivalente Energieformen sind und er bestimmte aus physiologischen Messungen sogar das mechanische Wärmeäquivalent.

Die Grafik ist zweigeteilt und zeigt statistische Bewegungen von Teilchen, die sich bei höherer Temperatur schneller bewegen.
Brownsche Bewegung

Seine Intuition allein reichte jedoch nicht aus, um der Idee in der Physik zum Durchbruch zu verhelfen. Erst dem Theoretiker Helmholtz gelang 1847 die allgemeine Formulierung des Energieerhaltungssatzes. Seine im Alter von 26 Jahren verfasste Arbeit wurde allerdings nicht zur Publikation in den Annalen für Physik und Chemie angenommen, und so setzte sich der Energieerhaltungssatz eher zögernd durch. Einsteins Deutung der Beobachtung des britischen Botanikers Robert Brown, dass Bärlappsamen in Wasser wirre Bewegungen ausführen, beeinflusste die Physik zu Beginn des Jahrhunderts fast ähnlich stark wie die Plancksche Strahlungsformel. Nach dem experimentellen Beweis der Theorie der Brownschen Bewegung durch den französischen Physiker Jean-Baptiste Perrin, der 1926 den Physik-Nobelpreis erhielt, akzeptierten auch skeptische Physiker das Konzept der atomistischen Struktur der Materie. (Quelle: Welt der Physik, Lizenz: CC by-nc-nd)
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Komponenten des Lebens und ihre Funktion

Die Biophysik bildet die Brücke zwischen der Physik und den Lebenswissenschaften. Sie ist eng mit der Physik Weicher Materie und Komplexer Systeme verknüpft und viele Fragestellungen sind Bestandteil der Statistischen Physik geworden. Dabei verfolgt die Biophysik mehrere Stoßrichtungen.

Die eine versucht, Methoden zu entwickeln, um die Architektur biologischer Materialien von molekularen bis makroskopischen Skalen zu untersuchen und ihre physikalischen Eigenschaften unter möglichst natürlichen Bedingungen zu messen – in „vivo“, sagt der Biologe. Entdeckungsfreudige Physiker finden eine breite Spielwiese, um mit einfachen Methoden wie optischen und magnetischen Pinzetten oder einer Glaspipette, gepaart mit einem guten Mikroskop, die physikalischen Eigenschaften der Zellen zu studieren.

Dreidimensionale Darstellung der Struktur des Proteins GGA1.
Struktur eines Proteins

Große Maschinen hingegen sind notwendig, um die Struktur und Dynamik biologischer Materialien mittels Neutronen- und Röntgenbeugung zu erforschen. Moderne Methoden der Röntgenbeugung mit fokussierten Strahlen eröffnen dabei auch völlig neue Einblicke in die molekulare Architektur von Gewebe, Knochen oder Holz. Zudem verspricht die Entwicklung der Spallations-Neutronenquellen und des Freien Elektronenlasers neue Einsichten in die molekulare Basis des molekularen Erkennens zwischen Proteinen und DNS oder die physikalischen Grundlagen der Proteinfaltung.

Biologie als Vorbild

Eine zweite Forschungsrichtung ist die von der Biologie inspirierte Physik. Sie versucht möglichst realistische Modelle lebender Materie – wie Membranen, Gewebe oder Knochen – aufzubauen, um spezifische biologische Prozesse zu imitieren. Solche Modelle spielen eine wichtige Rolle, um etwa die Verlässlichkeit neuer physikalischer Methoden zu testen oder um nach den wesentlichen physikalischen Parametern zu suchen, welche das biologische Verhalten eines Systems bestimmen.

Parallele Untersuchungen natürlicher Systeme und von Modellen helfen auch, Bezüge zur Physik Kondensierter Materie herzustellen. Im Hintergrund steht der Gedanke, die Strategie der biologischen Selbstorganisation zur Herstellung neuartiger smarter Materialien einzusetzen. Beispiele dieses Bionik genannten Gebietes sind Materialien, die ihre Eigenschaften an wechselnde Umgebungsbedingungen anpassen können, wie selbst reinigende Oberflächen oder bruchfeste Keramiken, wie sie in Prozessen der Biomineralisierung entstehen.

Im Grenzbereich zwischen Physik und Technik sind Bemühungen angesiedelt, Methoden der Navigation in der Tierwelt zu imitieren. Beispielsweise inspirierte die Echoortung der Fledermaus die Radartechniker zum Bau des Zirp-Radars. Auch beim Bau von Robotern lässt man sich gern von der Biologie inspirieren: Zahlreiche Arbeitsgruppen versuchen, die Fähigkeit der Insekten und Salamander des Hochlaufens an Wänden zu imitieren. Roboter zum Fensterputzen wären eine passende Umsetzung des Prinzips.

Ein anderer zukunftsträchtiger Zweig der angewandten Biologischen Physik ist der Bau von Biosensoren durch den Aufbau von Enzymsystemen, Biomembranen oder Nervenzellen auf elektro-optischen Bauelementen. Ein Beispiel sind zweidimensionale Anordnungen von Punkt-Transistoren, die als Nano-Voltmeter fungieren. Hier sitzen auch zahlreiche Querverbindungen zur Nanotechnik oder Mikrooptik, denn die dort entwickelten Methoden eröffnen neue Möglichkeiten zur Messung physikalischer Eigenschaften der Zellen in natürlicher Umgebung.

Komplexe Wechselwirkungen erfassen

Dargestellt ist eine Nervenzelle mit Axonen.
Neuron

Auf fundamentalere Fragen der Biologie zielt die oft als Systembiophysik bezeichnete Erforschung der Regulation biologischer Prozesse durch das Wechselspiel zwischen biochemischen und genetischen Signalkaskaden, der dadurch bedingten Modifikation der Materialeigenschaften und der biologischen Funktion. Hier arbeiten Physiker, Mathematiker und Ingenieure miteinander. Eine besonders faszinierende Fragestellung dieser Kategorie ist die Entwicklung vom befruchteten Ei zum Embryo, oft Morphogenese genannt. Was steuert die Differenzierung der zunächst völlig identisch erscheinenden Zellen des befruchteten Eis in Neuronen oder Muskelzellen und was legt den Zeitplan der embryonalen Entwicklung fest? Ist dies alles im genetischen Code vorbestimmt oder bestimmt die Kopplung zwischen externen äußeren Kräften – wie chemischen Potentialen oder mechanischen Kräften – und dem genetischen Apparat den Prozess der Morphogenese?

Alan Turing, der geistige Vater des Programmierens, lehrte erstmals, wie raum-zeitliche Muster, etwa von Signalmolekülen, die dann die Entwicklung von Organen steuern, allein durch das Zusammenspiel chemischer Potenziale und autokatalytischer Prozesse entstehen können. Zwar ist die Entwicklung vom befruchteten Ei zum ausgewachsenen Lebewesen vor allem durch die zeitliche Folge der Gen-Expression bestimmt, doch zeigt sich auch immer mehr, dass die Zell-Zell-Erkennung und insbesondere mechanische Kräfte die Differenzierung und räumliche Organisation der Zellen steuern können. Die Aufklärung des Wechselspiels zwischen Morphogenese und der Physik der Zelle ist eine besonders reizvolle Aufgabe für Experimentatoren und Theoretiker.

Immer mehr Physiker finden außerdem Interesse an der Hirnforschung und versuchen zu verstehen, wie das Gehirn die Umwelt wahrnimmt. Ein Meilenstein auf dem Weg zur quantitativen Hirnforschung war die Entdeckung, dass optische Muster, die auf die Netzhaut der Augen projiziert werden, im visuellen Cortex als Erregungsmuster abgebildet werden. Diese Experimente brachten der Physik neuronaler Netzwerke einen enormen Aufschwung. (Quelle: Welt der Physik, Lizenz: CC by-nc-nd)

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Primäres Bewusstsein bei Mikroben entdeckt

Prokaryoten umfassen die Bakterien und Archaeen, also die einfachsten und frühesten Lebewesen, die wir kennen. Es sind Mikroben ohne Zellkern, die aber ein Chromosom besitzen, mit dessen Hilfe sie sich fortpflanzen. Im Rahmen der Bewusstseinsforschung stellt sich die Frage, ab welcher Stufe der Evolution sich ein rudimentäres Bewusstsein zeigt. Durch raffinierte Tests hat man vor einigen Jahren herausgefunden, dass Schimpansen, Elefanten oder Raben Bewusstsein zeigen. Nun kann man aber auch primäres Bewusstsein bei Prokaryoten nachweisen.

Primäres Bewusstsein ist eine einfache Bewusstseinsform, die etwa mit den Funktionen eines Unterbewusstseins vergleichbar ist. Es beinhaltet nicht das Selbst- oder Ich-Bewusstsein, das wir von uns Menschen kennen. Bewusstsein ist ein informationsverarbeitender Prozess und dient einem Lebewesen dazu, sich auf neue Anforderungen oder geänderte äußere Umstände einzustellen. Wenn das Lebewesen zwischen möglichen Handlungsalternativen auf nicht determinierte Weise entscheidet und die Entscheidung zur Befriedigung seiner Bedürfnisse dient, dann kann man zumindest von primärem Bewusstsein ausgehen (zur Definition von Bewusstsein siehe: Klaus-Dieter Sedlacek, „Der Widerhall des Urknalls“, Norderstedt 2012, S. 148). Andererseits kann man nicht von primärem Bewusstsein ausgehen, wenn Handlungen ausschließlich eine automatische Reaktion auf Umweltreize sind und keinerlei Entscheidungen zwischen Alternativen erkennen lassen.

Prokaryoten haben Geißeln, um sich schwimmend fortbewegen zu können. Die Beweglichkeit kann ihnen nur nützen, wenn sie erkennen, wohin sie schwimmen sollen. Aus ihrer Orientierungsreaktion (Taxis), das heißt, ihrer Ausrichtung nach einem Reiz oder einem Umweltfaktor lassen sich Rückschlüsse auf jenen informationsverarbeitenden Prozess ziehen, der eine Voraussetzung für Bewusstsein ist. Man unterscheidet zum Reiz gerichtete Reaktionen und vom Reiz weggerichtete Meide- oder Schreckreaktionen (negative Taxis).

Bei einer Chemotaxis erfolgt beispielsweise die Ausrichtung nach der Konzentration eines Stoffes. Aerotaxis ist die Orientierung zum Sauerstoff. Es handelt sich um eine besondere Form von Chemotaxis oder Energietaxis. Phototaxis ist die Orientierung an der Helligkeit und Farbe des Lichts und Galvanotaxis die Orientierung an elektrischen Feldern um nur ein paar Taxisarten zu nennen. Im Internet findet sich ein kleines Video über das Pantoffeltierchen (Paramecium), wie es sich an einem elektrischen Feld ausrichtet (https://youtu.be/-U9G0Xhp3Iw).

Viele Bakterien können gleichzeitig die Konzentration von Futtersubstanzen, Sauerstoff oder Licht erkennen und sich danach ausrichten. Solange sie z.B. keine Futtersubstanz erkennen, schwimmen sie eine Zeit lang in eine zufällige Richtung und wechseln anschließend die Richtung, um wieder eine Zeit lang in eine andere Richtung weiterzuschwimmen. Bei geringer werdender Konzentration wechseln sie häufig die Richtung, bei zunehmender Konzentration schwimmen sie dagegen zielgerichteter zum Ort der höheren Konzentration. Sie zeigen ein gleiches Verhalten in Bezug auf die Sauerstoffkonzentration und auf Licht (vgl. Cypionka, „Grundlagen der Mikrobiologie“, 3. Aufl., Springer 2006, S. 33f.)

Aus dem Verhalten kann man ableiten, dass die Bakterien zeitlich auflösen können, ob die Konzentration geringer oder stärker wird. Sie können also Änderungen in den Umweltbedingungen feststellen, indem sie einen vorherigen Zustand auf irgendeine Weise speichern. Schon allein dadurch erkennt man das Vorhandensein eines informationsverarbeitenden Prozesses. Die Mikroben zeigen zudem ein Bedürfnis (= Neigung ein Ziel zu verfolgen), zum Ort der höheren Futter- oder Sauerstoffkonzentration zu schwimmen.

Es kann aber auch vorkommen, dass zwei unterschiedliche Bedürfnisse nicht miteinander vereinbar sind. Beispielsweise kann die höhere Sauerstoffkonzentration entgegengesetzt vom Ort der höheren Futterkonzentration liegen. Zwischen den beiden Orten, an denen je ein anderes Bedürfnis befriedigt wird, gibt es eine Stelle, an der die Bewertung, welcher Reiz stärker ist, gleich ausfällt. Der Mikrobe muss sich entscheiden, welchem Reiz sie nachgeht, d.h., zu welchem Ort sie schwimmen soll. Die Entscheidung kann nicht determiniert fallen, weil vorausgesetzt wird, dass die Stärke der Reize von der Mikrobe gleich bewertet wird. Wir haben es in diesem Fall mit einer nicht determinierte Entscheidung zwischen Handlungsalternativen zu tun. Es ist die Entscheidung in die eine oder in die andere Richtung zur Befriedigung eines Bedürfnisses zu schwimmen.

Zusammenfassend gilt: Im Verhalten der Mikroben kann man einen informationsverarbeitenden Prozess erkennen, der bei Änderungen der Konzentration verschiedener Stoffe, also der Umweltbedingungen, eine nicht determinierte Entscheidung zwischen Handlungsalternativen trifft, die zum zielgerichteten Verhalten zur Befriedigung von Bedürfnissen führt. Das bedeutet: Mikroben zeigen primäres Bewusstsein. – Klaus-Dieter Sedlacek

Buchtipps:

 

Biotechnologie: Bakterien sollen Bio-Nylon produzieren

Schätzungen zur Folge sollen die Erdölvorkommen Mitte des Jahrhunderts zur Neige gehen. Für Erdöl, das nicht nur als Ausgangssubstanz für Benzin oder Heizöl dient, sondern etwa auch für Farben, Kosmetik und Kunststoff, müsste spätestens dann eine Alternative her. Weltweit sind Forscher daher bemüht, neue und nachhaltige Wege für die industrielle Produktion zu erschließen. Auch an der Universität des Saarlandes beschäftigen sich Professor Christoph Wittmann und seine Arbeitsgruppe damit, etwa Chemikalien und Wirkstoffe auf Basis nachwachsender Rohstoffe herzustellen.

In einem neuartigen Ansatz arbeiten die Saarbrücker Forscher nun daran, Nylon mittels biotechnologischer Methoden zu produzieren. Nylon ist einer der weltweit wichtigsten Kunststoffe – er kommt nicht nur in Strumpfhosen, sondern auch in vielen Verbundwerkstoffen vor, die zum Beispiel beim Autobau verwendet werden. Bei seinem Verfahren setzt das Team um Wittmann auf die zentrale Vorstufe des Kunststoffs – die Adipinsäure. „Adipinsäure hat in den vergangenen Jahrzehnten vor allem als Baustein für Nylon-Kunststoffe, aber auch für Lebensmittelzusätze, Pharmazeutika, Dünger und Pflanzenschutzmittel einen Weltmarkt von jährlich mehreren Milliarden Euro pro Jahr erreicht“, sagt Professor Christoph Wittmann. Bislang sei die Säure aber nur unter hohem Energieverbrauch aus Erdöl zu gewinnen. Wittmann und sein Team wollen die Substanz künftig aus Abfallstoffen gewinnen. „In der Holz- und Papierindustrie sowie bei der Herstellung von Biotreibstoffen fällt viel Lignin an“, erläutert Wittmann. „Mangels Alternativen wird dies bislang meist nur verbrannt.“

Die Forscher möchten bei ihrem Vorhaben Stoffwechselwege von Bakterien ausnutzen, die verarbeitetes Lignin zu einer Vorstufe der Adipinsäure zusammensetzen können. „In einer chemischen Nachbehandlung, einer sogenannten Hydrierung, wollen wir diese Vorstufe direkt in Adipinsäure umwandeln und daraus dann den hochwertigen Kunststoff zusammenbauen – vollständig biobasiert aus Abfallstoffen“, so Wittmann weiter.

Zudem möchten die Saarbrücker Wissenschaftler ihren innovativen Prozess in den kommenden Jahren derart optimieren, dass die Technologie in der Industrie zum Einsatz kommen kann. „Wir werden daran arbeiten, dass die Bakterien als maßgeschneiderte Zellfabriken den natürlichen Kunststoff mit hoher Ausbeute und Reinheit fertigen“, erläutert der Professor. „Erste Analysen haben bereits gezeigt, dass das Verfahren sowohl sehr umweltschonend als auch wirtschaftlich rentabel sein kann. Es gibt bereits Nachfragen aus der Industrie nach Bio-Nylon.“ Das Bundesministerium für Bildung und Forschung stellt für das Vorhaben in den nächsten drei Jahren insgesamt 1,4 Millionen Euro bereit.