Die Vermessung des Lebendigen
In der modernen Biophysik ist die Forschung von Hermann von Helmholtz allgegenwärtig. Und auch die Fragen von damals haben sich nicht grundlegend verändert – allem großen Erkenntnisfortschritt zum Trotz.
Selbstorganisation: Wie Nervenzellen mit den sogenannten Gliazellen kommunizieren, erforscht die Neurobiologin Christine Rose. Bild: Jan Meyer
Was ist Leben und woher kommt es? Für den Physiologen Emil Heinrich du Bois-Reymond, Mitbegründer der Deutschen Physikalischen Gesellschaft (DPG) und enger Freund und Mitstreiter von Hermann von Helmholtz, gehörte diese Fragestellung zu einem der sieben „Welträtsel“. Und auch Hermann von Helmholtz beschäftigte sich intensiv damit. Die Mehrzahl der Physiologen seiner Zeit sahen als Ursache für das Leben eine „Lebensseele“ an, die in einem Organismus die chemischen und physikalischen Kräfte im Gleichgewicht hält. Hermann von Helmholtz aber gab sich mit dieser metaphysischen Erklärung nicht zufrieden. Eine Lebensseele, die wie ein Perpetuum mobile aus dem Nichts Energie erzeugt? Das war für ihn als Erklärung inakzeptabel. Er zeigte, dass Energie weder erzeugt noch vernichtet, sondern nur in andere Formen umgewandelt werden kann – der erste Hauptsatz der Thermodynamik auf universeller Ebene war geboren.
Helmholtz belegte als Erster das Gesetz der Energieerhaltung und -umwandlung und konnte überdies beweisen, dass sich äußere Energie im Organismus speichern lässt.
„Helmholtz’ Schlussfolgerung, dass lebende Systeme eine äußere Energiequelle benötigen, stellt einen ganz grundlegenden Erkenntnisfortschritt dar“, sagt die Biophysikerin Petra Schwille vom Max-Planck-Institut für Biochemie (MPIB) bei München. Sie untersucht gemeinsam mit ihrer Arbeitsgruppe die fundamentalen Merkmale des Lebens auf molekularer Ebene. „Helmholtz belegte als Erster das Gesetz der Energieerhaltung und -umwandlung und konnte überdies beweisen, dass sich äußere Energie im Organismus speichern lässt. Das Leben schafft es unter Aufnahme von Energie von außen, eigene Strukturen aufzubauen und zu erhalten.“ Für Petra Schwille ist das nach wie vor ein Wunder der Natur. Denn: „Die Natur ist eigentlich auf Durchmischung aus, sprich auf ein thermisches Gleichgewicht.“ Das lässt sich gut an einer Tasse Kaffee veranschaulichen: Gießt man etwas kalte Milch in einen heißen Kaffee, vermischen sich die beiden Flüssigkeiten und tauschen ihre Wärmeenergie aus – bis eine Gleichgewichtstemperatur erreicht ist, der Kaffee sich durch die Milch abgekühlt hat.
„Die Grundbausteine von Zellen aber, also lebende Materie, können sich entmischen und eine langfristige Ordnung aufbauen“, erklärt Petra Schwille. Das „Anstrampeln“ gegen die eigentlich natürliche spontane Durchmischung gelingt laut der Biophysikerin nur dadurch, dass das Leben auf Musterbildung setzt und Energie in Ordnung und komplexe Strukturen umwandelt – also ein organisiertes Zusammenspiel von unterschiedlichen Proteinen in einem vielschichtigen Gesamtsystem. Eine grundlegende Erkenntnis, die Hermann von Helmholtz ganz wesentlich vorbereitet hat.
Dynamik in biologischen Systemen: Andreas Stadler (rechts) und Tobias Schrader untersuchen den Zusammenhang zwischen Proteinfaltung und -dynamik am Neutronen-Spin-Echo-Spektrometer an der Spallation Neutron Source (Oak Ridge National Lab, USA). Bild: Piotr Zolnierczuk
„Helmholtz’ Schlussfolgerung, dass lebende Systeme eine äußere Energiequelle benötigen, stellt einen ganz grundlegenden Erkenntnisfortschritt dar“, sagt die Biophysikerin Petra Schwille vom Max-Planck-Institut für Biochemie (MPIB) bei München. Sie untersucht gemeinsam mit ihrer Arbeitsgruppe die fundamentalen Merkmale des Lebens auf molekularer Ebene. „Helmholtz belegte als Erster das Gesetz der Energieerhaltung und -umwandlung und konnte überdies beweisen, dass sich äußere Energie im Organismus speichern lässt. Das Leben schafft es unter Aufnahme von Energie von außen, eigene Strukturen aufzubauen und zu erhalten.“ Für Petra Schwille ist das nach wie vor ein Wunder der Natur. Denn: „Die Natur ist eigentlich auf Durchmischung aus, sprich auf ein thermisches Gleichgewicht.“ Das lässt sich gut an einer Tasse Kaffee veranschaulichen: Gießt man etwas kalte Milch in einen heißen Kaffee, vermischen sich die beiden Flüssigkeiten und tauschen ihre Wärmeenergie aus – bis eine Gleichgewichtstemperatur erreicht ist, der Kaffee sich durch die Milch abgekühlt hat.
„Die Grundbausteine von Zellen aber, also lebende Materie, können sich entmischen und eine langfristige Ordnung aufbauen“, erklärt Petra Schwille. Das „Anstrampeln“ gegen die eigentlich natürliche spontane Durchmischung gelingt laut der Biophysikerin nur dadurch, dass das Leben auf Musterbildung setzt und Energie in Ordnung und komplexe Strukturen umwandelt – also ein organisiertes Zusammenspiel von unterschiedlichen Proteinen in einem vielschichtigen Gesamtsystem. Eine grundlegende Erkenntnis, die Hermann von Helmholtz ganz wesentlich vorbereitet hat.
Das hätte Hermann von Helmholtz bestimmt erstaunt, aber sicherlich auch sehr erfreut.
Was ist Leben? Die Biophysikerin Petra Schwille versucht zu ergründen, was fundamentale Merkmale des Lebens auf molekularer Ebene sind. Bild: Axel Griesch für MPG
Heute werden Helmholtz’ Entwicklungen auf hochkomplexe biologische Systeme wie Bio- und Makromoleküle übertragen. „Das hätte Hermann von Helmholtz bestimmt erstaunt, aber sicherlich auch sehr erfreut“, sagt der Biophysiker. Aber was ist nun Leben? Diese Frage hält Petra Schwille, die Münchner Max-Planck-Forscherin, nach wie vor für ungeklärt. Es gebe zwar diverse Anhaltspunkte wie etwa die Fähigkeit zum Metabolismus (Stoffwechsel) und zur Replikation (Nachwuchserzeugung) oder die Informationsverarbeitung und die Bewegung – „aber einen festen Satz an Kriterien, um Leben zu kategorisieren, haben wir nach wie vor nicht“.
Wie es zu den komplexer werdenden, sich weiterentwickelnden Strukturen in lebenden Systemen kommt, von Zellen zu Geweben und Organen bis zu einem komplexen Organismus, ist noch völlig unverstanden.
Die eigentlich spannende Frage ist für Petra Schwille, was das Leben zur Strukturbildung antreibt. „Sie lässt sich zwar auf molekularer Ebene gut nachvollziehen, sprich auf Ebene von Proteinen und Enzymen. Aber wie es zu den komplexer werdenden, sich weiterentwickelnden Strukturen in lebenden Systemen kommt, von Zellen zu Geweben und Organen bis zu einem komplexen Organismus, ist noch völlig unverstanden.“ Nach welchen Prinzipien organsiert und strukturiert sich also lebende Materie? Obwohl die Antwort darauf essenziell ist, um letztlich die Kernfrage „Was ist Leben?“ beantworten zu können, geht laut Petra Schwille die Weiterentwicklung auf diesem Gebiet nur sehr schleppend voran. „Uns fehlt noch ein fundamental neuer theoretischer Ansatz, um das Phänomen ‚Leben‘ und die entsprechende ‚Physik im Ungleichgewicht‘ wirklich grundlegend zu begreifen.“ Petra Schwille ist deshalb fest davon überzeugt, dass es auf dem Gebiet der Thermodynamik noch zu einem Paradigmenwechsel kommen wird. Das wäre Hermann von Helmholtz nur recht gewesen. Er war Neuem gegenüber stets aufgeschlossen und wusste: „Jedoch das Gebiet, welches der unbedingten Herrschaft der vollendeten Wissenschaft unterworfen werden kann, ist leider sehr eng, und schon die organische Welt entzieht sich ihm größtenteils.“ Das hat ihn aber nicht von der Vermessung des Lebendigen abhalten können – und ihn zu fundamentalen Erkenntnissen geführt, die die Forschung bis heute beschäftigen.
Autor: Ilja Bohnet
Leser:innenkommentare