Archiv der Kategorie: Leben aus Quantenstaub

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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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

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