WISSEN DER ZUKUNFT - Magazin Wissen TOPPX

Das kosmologische Standardmodell auf dem Prüfstand
Die meisten Astrophysiker und Kosmologen gehen davon aus, dass die so genannte Dunkle Materie den weitaus größten Teil der Materie im Universum stellt. “Normale” Materie, aus der Galaxien ebenso wie Planeten und auch Menschen bestehen, wäre demzufolge relativ selten. Doch es gibt ein Problem: Bislang konnte keines der zahlreichen Experimente, die weltweit nach Dunkle-Materie-Teilchen fahnden, diese auch nachweisen. Existiert die Dunkle Materie vielleicht doch nicht?
In der August-Ausgabe von Spektrum der Wissenschaft berichten die Astrophysiker Pavel Kroupa und Marcel Pawlowski von der Universität Bonn über ihre Forschung an Zwerggalaxien in unserer kosmischen Nachbarschaft. Solche kleinen Galaxien sollten sich gemäß dem kosmologischen Standardmodell, in dem die Dunkle Materie eine der zentralen Rollen spielt, inmitten großräumiger Ansammlungen von Dunkler Materie bilden.
Doch nun ist Kroupas Team, das seine Arbeit jüngst im angesehenen Wissenschaftsjournal “Astronomy and Astrophysics” publiziert hat, auf eine ganze Reihe von Widersprüchen gestoßen. Das Standardmodell sagt beispielsweise voraus, dass die unsere Milchstraße umkreisenden kleinen Satellitengalaxien rein zufällig in deren Umgebung verteilt sein sollten. Stattdessen bilden sie aber eine Art Scheibe, ihre Anordnung folgt also einer klaren Struktur. Auch sagen Simulationen weit mehr Satellitengalaxien vorher, als tatsächlich gefunden wurden. Und schließlich sollten die Satellitengalaxien dem Modell zufolge umso leuchtkräftiger sein, je mehr Dunkle Materie sie enthalten - dies bestätigen die Beobachtungen aber ebenfalls nicht. Im Rahmen der populären Dunklen-Materie Hypothese scheint es keine Lösungen zu diesen Problemen zu geben.
Für die Existenz der rätselhaften Materieform führen die Astronomen zwar gute Gründe an. Beobachtungen von Scheibengalaxien belegen, dass Sterne in deren Außenbereichen schneller um das Zentrum der Galaxien rotieren, als es das newtonsche Gravitationsgesetz vorhersagt. Infolge der dabei entstehenden Fliehkräfte müssten die Galaxien sogar in kürzester Zeit auseinanderfliegen. Erklären lässt sich dieses Rätsel bislang nur, wenn man annimmt, dass die Sternsysteme über wesentlich mehr Masse verfügen als wir beobachten. Diese Masse soll darum von Teilchen beigesteuert werden, die sich praktisch nur durch ihre Schwerkraftwirkung bemerkbar machen, aber kein Licht aussenden - weshalb sie als “dunkle” Materie bezeichnet werden.
Doch mit der Annahme dunkler Materie gerät man nun offenbar an anderer Stelle in große Widersprüche. Gibt es denn eine Alternative? Kroupa und Pawlowski zufolgen richten immer mehr Forscher ihre Hoffnungen auf die so genannte Modifizierte Newtonsche Dynamik (MOND) und ihre Varianten. Zwar ist das Newtonsche Gravitationsgesetz in gewissen Bereichen hervorragend bestätigt. Doch auf der Skala ganzer Galaxien konnte es noch nicht überprüft werden. Möglicherweise, so die Autoren, ist die Schwerkraft auf einer solchen Skala um ein weniges stärker als bislang gedacht. Denn dann ließe sich auch ohne die Annahme Dunkler Materie erklären, warum sich Sterne in den Außenbezirken von Galaxien so schnell bewegen.
“Der Ursprung dieser winzigen Abweichung könnte nach unserer Sicht möglicherweise in quantenmechanischen Prozessen liegen, die sich in der Raumzeit abspielen”, schreiben die Autoren, “oder in der Existenz zusätzlicher, noch unbekannter Felder.” Diese könnten die von Massen verursachten Störungen der Raumzeit weiter tragen, als dies die herkömmliche Theorie voraussagt. Aber auch andere Erklärungen seien denkbar.
Neue Erkenntnisse über die Satellitengalaxien der Milchstraße und anderer Galaxien in der kosmischen Nachbarschaft erhoffen sich die Forscher nun von der GAIA-Satellitenmission der Europäischen Weltraumagentur und vom australischen “Stromlo Milky Way Satellites Survey”. Sie könnten für spannende Erkenntnisse sorgen, schreiben die Bonner Forscher: “Noch ist nichts entschieden, eins aber ist schon jetzt sicher: Die wahre Geschichte des Universums muss erst noch geschrieben werden.”
Quelle: Spektrum der Wissenschaft, August 2010

Abbildung oben
Zwerggalaxien

© NASA / ESA, H. Ford (JHU), G. Illingworth (UCSC / LO ), M. Clampin (STScI), G. Hartig (STScI) und das ACS Science Team]

Video: Schwarze Löcher - Materiefresser im All

Nackt trotz kosmischer Zensur? Wenn ein Schwarzes Loch die Hüllen fallen lässt

Ein Schwarzes Loch - singulärer Endpunkt eines massereichen Sterns - wird nach gängiger Meinung umhüllt vom Ereignishorizont, der die Grenze herkömmlicher Physik markiert. Aber muss das so sein?

Die moderne Naturwissenschaft hat viele höchst ungewohnte Ideen hervorgebracht, aber kaum eine ist so seltsam wie das Schicksal eines großen Sterns. Nachdem er im Lauf von Millionen Jahren seinen Brennstoff verbraucht hat, kann er seiner eigenen Schwere nicht mehr widerstehen und beginnt zu kollabieren. Bei einem genügend massereichen Himmelskörper überwindet seine Gravitation letztlich alle Kräfte, die den Kollaps aufhalten könnten, und ein Millionen Kilometer großes Objekt schrumpft praktisch auf einen Punkt zusammen.

Die meisten Physiker und Astronomen glauben, das Resultat sei ein Schwarzes Loch - ein Körper, dessen ungeheure Schwerkraft alles in seiner unmittelbaren Nachbarschaft verschlingt. Dieses Monstrum besteht aus zwei Teilen. In seinem Zentrum liegt eine Singularität - der unendlich kleine Punkt, in dem sich die gesamte Materie des Sterns zusammenballt. Rundherum liegt ein Gebiet, dessen Rand Ereignishorizont heißt und aus dem es kein Entkommen gibt. Sobald etwas in diese Zone eindringt, verschwindet es auf Nimmerwiedersehen. Falls das hineinstürzende Objekt Licht aussendet, wird auch dies von der Singularität eingefangen; ein äußerer Beobachter sieht es niemals wieder.

Aber ist dieses Bild wirklich wahr? Pankaj S. Joshi, Physikprofessor am Tata Institute of Fundamental Research in Mumbai (Indien) und Spezialist für Gravitation und Kosmologie, hat seine Zweifel, die er in der Dezember-Ausgabe von Spektrum der Wissenschaft begründet. Aus den bekannten physikalischen Gesetzen, so Joshi, geht zwar hervor, dass eine Singularität entsteht, aber über den Ereignishorizont sind die Aussagen verschwommen. Den meisten Physikern kommt der Horizont als wissenschaftliches Feigenblatt sehr gelegen, denn sie müssen erst herausfinden, was bei einer Singularität genau vor sich geht: Materie wird zermalmt, aber was wird dann aus ihr? Indem der Ereignishorizont die Singularität versteckt, kaschiert er diese Wissenslücke durch eine so genannte “kosmische Zensur”: Was auch immer in einem Schwarzen Loch geschehen mag - es bleibt drin.

Doch neue Forschungen ziehen diese Arbeitshypothese zunehmend in Zweifel. In manchen Kollaps-Szenarien bildet sich kein Ereignishorizont, und die Singularität bleibt sichtbar oder, wie Physiker sagen, nackt. Sowohl Materie als auch Strahlung können hineinfallen und wieder herauskommen. Während der Besuch der Singularität in einem Schwarzen Loch eine Reise ohne Wiederkehr wäre, könnte man sich im Prinzip einer nackten Singularität beliebig weit nähern und zurückkehren, um davon zu berichten.

Falls nackte Singularitäten existierten, wären die Folgen enorm; sie würden fast jeden Aspekt der Astro- und Grundlagenphysik berühren. Wenn es keine Horizonte gibt, können mysteriöse Vorgänge in der Nähe der Singularitäten die Außenwelt beeinflussen. Vielleicht erklären nackte Singularitäten gewisse rätselhafte astronomische Phänomene bei hohen Energien, und vielleicht bieten sie die Möglichkeit, das Gewebe der Raumzeit bei kleinsten Größenordnungen zu erforschen. Quelle: Spektrum der Wissenschaft, Dezember 2009

Was sich wie ein Delikt anhört, nämlich das »Tunneln« ist ein ganz normaler quantenphysikalischer Vorgang. Erstmals ist es nun gelungen Elektronen live zu beobachten, wie sie die Atome verließen, von denen sie gefangen gehalten wurden (Heraustunneln).

Der Tunneleffekt erklärt unter anderem, wie es zur Kernfusion in der Sonne kommt oder auch die Funktionsweise des Raster-Tunnelmikroskops, mit dem man bis zu 100-Millionenfach vergrößern kann. Der Fernsehprofessor der Physik, Harald Lesch, demonstriert in der Bildungssendung Alpha Centauri eindrucksvoll, was es mit diesem Phänomen »Tunneleffekt« auf sich hat. Zu Beginn schwebt er durch die Tafelwand der Fernsehkulisse, so wie ein Geist, den keine Barriere von einem Spuk abhalten kann. Gleich darauf nimmt er wieder eine feste Gestalt an und erklärt, dass der Zuschauer seine Vorführung mit Vorsicht genießen soll. Mit dieser Warnung hat er wohl recht. Denn wenn ein Zuschauer es ihm gleich tun wollte, würde er nur Beulen und blaue Flecke davontragen. Die Wahrscheinlichkeit, dass Menschen durch Wände gehen können, ist verschwindend gering. Nur mikroskopischen Quantenobjekten wie Elektronen oder Protonen gelingt dieses Kunststück mit deutlich höherer Wahrscheinlichkeit.

Man kann den Effekt am Beispiel einer Kugel erklären, die ein Mensch mit Schwung einen Hügel hochrollen lässt. Wenn die Energie, welche der Kugel mitgegeben wird, nicht genügt, rollt die Kugel immer wieder zurück, anstatt die Kuppe zu überwinden und ins nächste Tal zu gelangen. In der Quantenphysik besteht dagegen für Quantenobjekte die Möglichkeit den Potentialwall, wie der Hügel genannt wird, zu durchtunneln. In einem Augenblick befindet sich das Quantenobjekt noch vor dem Potentialwall und im nächsten Augenblick schon dahinter im nächsten Tal. Es ist ein sprunghafter Übergang ohne Zwischenzustände.

Heraustunneln von Elektronen aus Atomen

Noch niemand konnte bisher das Quanten-Tunneln in Echtzeit beobachten. Dieses Kunststück ist nun Physikern des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik gelungen. Sie haben das Heraustunneln von Elektronen aus einem Atom erstmals in live verfolgt. Die elektrischen Kräfte innerhalb eines Atoms halten normalerweise jene Elektronen fest, die sich in seinem Inneren aufhalten. Die Kräfte bilden den Potentialwall, den es zu überwinden gilt, wenn sich ein Elektron aus dem Atom herauslösen soll.

Der Trick der Max-Planck-Physiker bestand darin, mit Hilfe von Attosekunden-Laserblitzen die Elektronen näher an den Rand ihres Atomgefängnisses zu bringen. Eine Attosekunde ist milliardster Teil einer milliardstel Sekunde und damit unvorstellbar kurz. Der Laserblitz vergrößert die Wahrscheinlichkeit, dass die Elektronen aus ihrem Atomgefängnis entkommen können. Und tatsächlich, nach einem zweiten Laserblitz, der die Breite des Potentialwalls ein wenig verringerte, nutzen die Elektronen die Gelegenheit, um herauszutunneln.

Atome, denen ein Elektron fehlt, sind positiv geladen. Als die Physiker im Anschluss an das Experiment die positiv geladenen Atome zählten, waren sie nicht schlecht überrascht, dass zahlreiche Elektronen entkommen waren. Noch interessanter ist aber die Feststellung, dass der Zeitbedarf für das Heraustunneln praktisch kaum messbar ist, sodass die Physiker annehmen, der Tunnelprozess benötige überhaupt keine Zeit. Die Erkenntnisse sollen helfen, bessere Röntgenlaser für die medizinische Therapie zu entwickeln.

Tunneleffekt und Hirnforschung

In der Hirnforschung kann das quantenmechanische Tunneln möglicherweise eine Erklärung für die Geschwindigkeit von bewussten Denkprozessen liefern. Die einzelnen Neuronen des Gehirns werden durch Schnittstellen verbunden, die Synapsen heißen. Diese besitzen einen winzigen Spalt, der überwunden werden muss, wenn ein Signal von Neuron zu Neuron übertragen werden soll. Die herkömmliche Theorie besagt nun, dass zur Übertragung von Signalen an den Synapsen, das ursprünglich elektrische Signal in ein chemisches umgewandelt werden muss. Die Theorie kann aber nicht die Geschwindigkeit von bewussten Denkprozessen erklären. Wie jeder weiß, der schon mal einen Akku am Stromnetz geladen hat, benötigt die Umwandlung von elektrischer Energie in chemische erhebliche Zeit. Würde die herkömmliche Theorie stimmen, müsste Denken schneckengleich langsam sein. Weil das der Erfahrung widerspricht, nehmen einige Hirnforscher an, dass der extrem schnelle quantenmechanische Tunneleffekt zur Überwindung des synaptischen Spalts eine Rolle spielt. Sollte man das experimentell bestätigen können, hätte man gleichzeitig eine Verbindung von Bewusstsein zur Welt der Quanten mit all ihren seltsamen Phänomenen gefunden. - Klaus-Dieter Sedlacek - (Foto: R.Motti via flickr.com)

Der Autor ist Verfasser des Buchs mit dem Titel »Unsterbliches Bewusstsein, Raumzeit-Phänomene, Beweise und Visionen« in dem aufgrund quantenphysikalischer Phänomene die Existenz von Bewusstsein auch außerhalb des Gehirns nachgewiesen wird.

Video: Die Quantenphysik

In einer Art molekularem Doppelspaltexperiment haben Wissenschaftler des Fritz-Haber-Instituts (FHI) der Max-Planck Gesellschaft in Zusammenarbeit mit Forschern vom California Institute of Technology in Pasadena/USA erstmals an Elektronen nachgewiesen, dass diese gleichzeitig Eigenschaften von Welle und Teilchen besitzen und quasi per Knopfdruck zwischen beiden Zuständen hin- und hergeschaltet.

Vor hundert Jahren begann man den in der Naturphilosophie postulierten dualen Charakter der Natur auch auf der Ebene elementarer physikalischer Vorgänge schrittweise zu erkennen. Albert Einstein war der erste, der 1905 diese Konsequenz aus Plancks Quantenhypothese zog. Er ordnete dem eindeutig als elektromagnetische Welle bekannten Photon Teilchencharakter zu. Dies ist die Quintessenz seiner Arbeit zum Photoeffekt. Später war es vor allem deBroglie, der 1926 erkannte, dass alle uns als Teilchen bekannten Bausteine der Natur - Elektronen, Protonen etc. - sich unter bestimmten Bedingungen wie Wellen verhalten.
Die Natur in ihrer Gesamtheit ist also dual; kein einziger ihrer Bestandteile ist nur Teilchen oder Welle. Niels Bohr führte zum Verständnis dieser Tatsache 1923 das Korrespondenz-Prinzip ein, das vereinfacht besagt: Jeder Bestandteil der Natur hat sowohl Teilchen- als auch Wellencharakter und es hängt nur vom Beobachter ab, welchen Charakter er gerade sieht. Anders gesagt: Es hängt vom Experiment ab, welche Eigenschaft - Teilchen oder Welle - man gerade misst. Dieses Prinzip ist als Komplementaritätsprinzip in die Geschichte der Physik eingegangen.

Albert Einstein war diese Abhängigkeit der Natureigenschaften vom Beobachter Zeit seines Lebens suspekt. Er glaubte, es müsse eine vom Beobachter unabhängige Realität geben. Doch die Quantenphysik hat die Tatsache, dass es keine unabhängige Realität zu geben scheint, im Laufe der Jahre einfach als gegeben akzeptiert, ohne sie weiter zu hinterfragen, da alle Experimente sie immer wieder und mit wachsender Genauigkeit bestätigt haben.

Bestes Beispiel ist das Young’sche Doppelspaltexperiment. Bei diesem Doppelspaltexperiment lässt man kohärentes Licht auf eine Blende mit zwei Schlitzen fallen. Auf einem Beobachtungsschirm hinter der Blende zeigt sich dann ein Interferenzmuster aus hellen und dunklen Streifen. Das Experiment kann aber nicht nur mit Licht, sondern auch mit Teilchen wie z. B. Elektronen durchgeführt werden. Schickt man einzelne Elektronen nacheinander durch den offenen Young’schen Doppelspalt, erscheint auf der dahinterstehenden Photoplatte ein streifenförmiges Interferenzmuster, das keinerlei Information über den Weg, den das Elektron genommen hat, enthält. Schließt man jedoch einen der beiden Spalte, so erscheint auf der Photoplatte ein verwaschenes Abbild des jeweils offenen Spaltes, aus dem man den Weg des Elektrons direkt ablesen kann. Eine Kombination aus Streifenmuster und Lagebild ist in diesem Doppelspaltexperiment jedoch nicht möglich, dazu bedarf es eines molekularen Doppelspaltexperiments.

Obwohl jedes Elektron einzeln durch einen der beiden Spalte zu laufen scheint, baut sich am Ende ein wellenartiges Interferenzmuster auf, als ob sich das Elektron beim Durchgang durch den Doppelspalt geteilt hätte, um sich danach wieder zu vereinen. Hält man aber einen Spalt zu oder beobachtet man, durch welchen Spalt das Elektron geht, verhält es sich wie ein ganz normales Teilchen, das sich zu einer bestimmten Zeit nur an einem bestimmten Ort aufhält, nicht aber an beiden gleichzeitig. Je nachdem also, wie man das Experiment ausführt, befindet sich das Elektron entweder an Ort A oder an Ort B oder an beiden gleichzeitig.
Das diese Doppeldeutigkeit erklärende Bohrsche Komplementaritäts-Prinzip fordert aber zumindest, dass man nur eine der beiden Erscheinungsformen zu einer gegebenen Zeit in einem gegebenen Experiment beobachten kann - entweder Welle oder Teilchen, aber nicht beides zugleich. Entweder ist ein System in einem Zustand des wellenartigen “Sowohl-als-auch” oder aber des teilchenartigen “Entweder-oder” in Bezug auf seine Lokalisierung.

In jüngster Zeit hat eine Klasse von Experimenten ergeben, dass diese verschiedenen Erscheinungsformen der Materie ineinander überführbar sind, das heißt, man kann von einer Form in die andere schalten und unter bestimmten Bedingungen wieder zurück. Diese Klasse von Experimenten nennt man Quantenmarker und Quantenradierer. Sie haben in den letzten Jahren an Atomen und Photonen und seit jüngstem auch an Elektronen gezeigt, das es ein Nebeneinander von “Sowohl-als-auch” und “Entweder-oder” für alle Formen der Materie gibt, also eine Grauzone der Komplementarität. Es gibt demzufolge experimentell nachweisbare Situationen, in denen die Materie sowohl als Welle aber auch als Teilchen gleichzeitig in Erscheinung tritt.

Beispiele dafür sind die Atom-Interferometrie, wo dieses Verhalten 1997 erstmalig bei Atomen, d.h. zusammengesetzten Teilchen, gefunden wurde. In der Ausgabe [nature, 29. September 2005] berichten die Berliner Max-Planck-Forscher gemeinsam mit Forschern vom California Institute of Technology in Pasadena/USA nun von molekularen Doppelspaltexperimenten. Diese beruhen darauf, dass sich Moleküle mit identischen und damit spiegelsymmetrischen Atomen wie ein von der Natur aufgebauter mikroskopisch kleiner Doppelspalt verhalten. Dazu gehört Stickstoff, wo sich jedes Elektron - auch die hochlokalisierten inneren Elektronen - an beiden Atomen gleichzeitig aufhält. Ionisiert man nun ein solches Molekül etwa mit weicher Röntgenstrahlung, führt diese Eigenschaft zu einer wellenartig streng gekoppelten Emission eines Elektrons von beiden atomaren Seiten, genauso wie im Doppelspaltexperiment mit Einzelelektronen.

Die Experimente wurden von Mitarbeitern der Arbeitsgruppe “Atomphysik” des FHI an den Synchrotronstrahlungslaboren BESSY in Berlin und HASYLAB bei DESY in Hamburg durchgeführt. Die Messungen mittels einer Multi-Detektoranordnung für kombinierten Elektronen- und Ionen-Nachweis fanden hinter so genannten Undulator-Strahlrohren statt, die weiche Röntgenstrahlung mit hoher Intensität und spektraler Auflösung liefern. Quelle: idw

Wenn sich jedes Elektron an zwei Orten gleichzeitig aufhalten kann, wie im vorletzten Absatz angeführt, dann hat das Folgen für unser Weltbild. Welche Folgen das sind, ist im Sachbuch mit dem Titel  Unsterbliches Bewusstsein: Raumzeit-Phänomene, Beweise und Visionen näher beschrieben.

Die synthetische Biologie ist ein junger Forschungszweig, der sich anschickt, in einer Art zweiter Schöpfung nach vier Milliarden Jahren ein künstliches Lebewesen aus der Retorte zu erschaffen. Forscher wie Tom Knight, Drew Endy und Randy Rettberg (MIT Cambridge, USA) entwerfen nach dem Legoprinzip zunächst modulare biologische Bausteine die sogenannten »BioBricks«. Diese Biobricks erfüllen definierte biologische Aufgaben, analog den elektronischen Schaltkreisen, wie sie in Mikroprozessoren (Computer) zu finden sind.

Biobricks befinden sich in der experimentellen Phase und werden bereits in die »Baupläne des Lebens« von Bakterien eingebaut. In ersten Erfolgen hat die kalifornische Firma LS9 das Darmbakterium Escherichia coli reprogrammiert. Nun erzeugt das Bakterium Biosprit aus Mais-Sirup und Zuckerrohr.

Als Bauplan des Lebens oder DNA bezeichnet man ein in allen Lebewesen vorkommendes Biomolekül, welches die komplette Erbinformation (Genom) trägt. DNA besteht aus zwei parallelen Strängen, die einander schraubenartig umlaufen (Doppelhelix). Die Stränge sind durch Sprossen miteinander verbunden. So eine Sprosse wird als Basenpaar bezeichnet, weil sie aus zwei sich ergänzenden Basen und einer Wasserstoffbrücke gebildet wird. Chemisch gesehen handelt es sich bei der Base um ein Nukleotid, welches zu den vier Gruppen der Biomoleküle gehört. Ein Basenpaar stellt die unterste Informationseinheit der DNA dar und entspricht zwei Bit herkömmlicher Information. Die Abschnitte der DNA, welche die Information über die einzelnen Erbanlagen enthalten, werden Gene genannt. Bei Katzen kann beispielsweise ein Gen das Merkmal kurzer oder langer Schwanz bedeuten, ein anderes Gen braunes oder weißes Haar. Menschen besitzen ca. 25.000 Gene mit 3 Billionen Basenpaaren, ein Bakterium 500 bis 7000 Gene mit 1 – 10 Millionen Basenpaaren.

Video: Craig Venter (in englisch)

Schöpfung oder bekanntes Verfahren?

Einer, dem es kürzlich gelungen ist, das komplette Erbgut eines Bakteriums im Labor synthetisch herzustellen und zusammenzusetzen, ist der US-amerikanische Biochemiker Craig Venter. Venter hatte sich bereits früher einen Namen gemacht, als er im Jahr 2000 das menschliche Genom entschlüsselte. Auch wenn die Synthese von DNA unter den Forschern als allseits bekanntes Verfahren gilt, ist das von Venter erzeugte synthetische Genom mit rund 500.000 Basenpaaren nach seinen Angaben zwanzig Mal größer als alles, was man bisher zusammenhängend produziert hat.

Im nächsten Schritt will Venter das synthetische Genom in eine lebende Bakterienzelle einschleusen. In dieser soll es anstelle des natürlichen Genoms die Kontrolle übernehmen. Dadurch würde er nach seiner Ansicht einen neuen künstlich hergestellten Organismus schaffen. Das wäre ein Durchbruch gegenüber der herkömmlichen Gentechnologie, die nur einzelne Gene verändern kann, aber nicht ganze Gen-Systeme.

Komplette biologische Systeme nach Maß

Noch einen Schritt weiter geht das Zusammenstellen kompletter biologischer Systeme aus Biobricks nach Maß. Die Forscher am Massachusetts Institute for Technology (MIT) haben, um das Ziel zu erreichen, schon mehr als zweitausend Biobricks in einer Datenbank gesammelt. Wie Elektroingenieure ein Schaltbild aus elektronischen Komponenten am Reißbrett zeichnen, wollen die MIT-Zellingenieure nun aus den Genabschnitten der Biobricks komplette Gen-Systeme zusammenstellen. Das so entworfene Genom wird nach Plan produziert und anschließend sollen leere Zellhüllen mit dem künstlichen Erbgut bestückt werden. Das auf diese Weise künstlich geschaffene »Lebewesen« soll dann die geplanten Substanzen produzieren, beispielsweise Biokraftstoffe, Medikamente oder Biokunststoffe.

Kritiker wie Professor André Rosenthal sind allerdings der Ansicht, dass man von der Schaffung künstlichen Lebens noch Jahrhunderte entfernt ist. Rosenthal ist Leiter der Signature Diagnostics AG in Potsdam, die Gen-Tests zur Krebs-Früherkennung erstellt. Auch wenn das Genom synthetisiert werden kann, ist doch die Hülle der Zelle nicht künstlich hergestellt und das ist für ihn entscheidend. Nach seiner Meinung wäre Craig Venters Arbeit nur interessant, wenn er eine künstliche Zelle mit den entsprechenden Zellorganellen im Reagenzglas erzeugen könnte. Wie die Zeitschrift »Bild der Wissenschaft« in ihrer Ausgabe 3/2009 berichtet, gibt es aber bereits Ansätze zur Erschaffung einer kompletten funktionstüchtigen Zelle einschließlich Hülle, wenn auch noch ein langer Weg vor den Forschern liegt. - Klaus-Dieter Sedlacek

Der Autor ist Verfasser des Buchs »Unsterbliches Bewusstsein: Raumzeit-Phänomene, Beweise und Visionen«. In dem Buch wird unter anderem der Zusammenhang zwischen den fundamentalen Bausteinen der Welt und Bewusstsein aufgedeckt.

Video: Gedaechtnis Giganten

»Solange wir das Savant-Syndrom nicht erklären können, können wir uns selbst nicht erklären«, meint Professor Darold Treffert, Chef der psychiatrischen Abteilung am St. Agnes Hospital in Fond du Lac (Wisconsin). Er ist seit mehr als 40 Jahren damit beschäftigt, inselbegabte Menschen, wie die Savants auch genannt werden, zu untersuchen. Inselbegabte sind oft behindert und hilfsbedürftig, verblüffen aber mit einem unglaublichen Gedächtnis, phänomenalen Rechenleistungen oder genialen künstlerischen Werken. Erklärungsversuche für Inselbegabung und Bewusstsein gibt es, aber können sie auch überzeugen?

Einer der alle anderen Inselbegabten übertrifft, ist Kim Peek. Schätzungsweise zwei Millionen Menschen haben ihn bei seinen öffentlichen Auftritten an Universitäten bestaunt. Kim hat sich den Inhalt von 7600 Sachbüchern Wort für Wort gemerkt. Dazu kennt er Detailinformationen ganzer Regionen: alle Städte, alle Straßen, alle Fahrpläne, dazu jeden Namen mit Adresse und Telefonnummer aus allen Telefonbüchern, die ihm jemals in die Hände gekommen sind. Nur mit Romanen fängt er nichts an. Dagegen ist für ihn die Wiedergabe der Baseball-Ergebnisse der letzten 40 Jahre und der Daten der meisten klassischen Musikstücke, wie Erstaufführung, Komponist oder Geburtsort des Komponisten eine leichte Übung. Aber wenn Kim sich selbst anziehen soll oder die Schuhe zubinden, dann scheitert er.

Kims Kopf ist von Geburt um ein Drittel größer, als der normaler Menschen. Eine enzephalografische Untersuchung zeigt aber in der Mitte seines Gehirns eine gähnende Leere. Ihm fehlt die Verbindung beider Hirnhälften und sein Kleinhirn ist verkümmert. Dagegen ist seine Leistung beim »Scannen« von Büchern, wie er es nennt, mehr als olympiareif. Er zieht beispielsweise die Telefonbücher ganz nah an seinen Augen vorbei. Die linke Seite am linken, die rechte am rechten Auge. So schafft er es, acht Seiten in 53 Sekunden zu scannen. Das sind weniger als 7 Sekunden pro Seite und ist damit schneller als der Scanner am heimischen PC. Wenn man glaubt, so schnell kann sich kein Mensch den Seiteninhalt merken, täuscht man sich. Kim kann es und er vergisst fast nichts.

»Kein Modell über Gehirnfunktionen ist komplett, bevor es nicht Kim mit einbezieht«, sagt Professor Treffert. Aber wie kann man die Leistungen der Inselbegabten erklären? Der Prozess der Signalübertragung im Gehirn funktioniert mithilfe von Nervenzellen. Diese nutzen eine Kombination aus elektrischen und chemischen Signalen, um miteinander zu kommunizieren. Wenn eine Zelle ihre elektrische Spannung ändert, führt das zur Freisetzung chemischer Botenstoffe. Diese wirken auf die nachfolgende Zelle ein. Daraufhin reagiert die nachfolgende Zelle ebenfalls mit einer Spannungsänderung und Freisetzung von Botenstoffen. Durch die Nutzung der chemischen Botenstoffe ist das ein schneckengleicher Prozess und nicht zu vergleichen mit der Hochgeschwindigkeit der Prozessoren heutiger Heimcomputer.

Den meisten Inselbegabten scheint eine gewisse Schädigung der linken Gehirnhälfte gemeinsam zu sein. Möglicherweise gibt es deshalb eine Überkompensation durch die rechte Gehirnhälfte, die für künstlerische, visuelle Fähigkeiten und konkrete Fakten zuständig ist. Was eine Überkompensation aber nicht zu erklären vermag, ist die hohe Geschwindigkeit der Gedächtnisleistungen eines Kim Peek. Und wenn man schon eine vollständige Erklärung für die Gehirnfunktion haben will, dann kann man das Bewusstsein nicht außen vor lassen. Denn eines scheint sicher: Ohne Bewusstsein wäre keine der Geistesleistungen der Inselbegabten möglich.

Als interdisziplinäre Arbeitsrichtung von Biologie und der Physik gehört es zum Aufgabenbereich der Quantenbiologie, geeignete quantenmechanische Erklärungsmodelle für die Gehirnfunktionen und Bewusstsein zu finden. Zu den bisherigen Erfolgen der Quantenbiologie zählt die Erklärung des Sehprozesses. Danach ist Sehen ein rein quantenmechanischer Prozess. Die Lichtteilchen (Photonen), die ins Auge fallen, werden von den zahlreichen Elektronen innerhalb der Netzhaut absorbiert. Das löst eine biochemische Kettenreaktion aus, die am Ende zu einem elektrischen Signal führt, welches im Gehirn weiterverarbeitet wird.

Was für die Erklärung des Sehprozesses vollbracht wurde, ist für die Beschreibung der Gehirnfunktion erst ansatzweise in Sicht. Zu sehr haben sich klassische Erklärungsmodelle ohne Quantenmechanik in den Köpfen der Forscher festgesetzt, als dass von heute auf morgen eine Änderung möglich wäre. Lieber werden unerklärliche Messwerte als sogenannte Messfehler in Kauf genommen, als dass vom klassischen Modell abgewichen wird. Ein Beispiel für eine klassische, aber falsche Erklärung ist das, was in dtv-Lexikon der Physik aus dem Jahre 1970 über die Elektrolyse (z. B. Wasserspaltung) steht: » [...] Die Stromleitung innerhalb des Elektrolyten besteht in der Wanderung der positiven und negativen Ionen, die unter dem Einfluss des elektrischen Feldes zu den Elektroden gelangen [...]«

Wenn alle Ionen, d. h. also elektrisch geladene Atome oder Moleküle sich tatsächlich einen Weg durch den flüssigen Elektrolyten bahnen müssten, wäre die hohe Effizienz des Vorgangs nicht zu erklären. Zumindest bei der Wasserspaltung stimmt die klassische Erklärung nicht, wie Jan Sperling in seiner Dissertation 1999 an der Freien Universität Berlin nachwies: »Es besteht keine Möglichkeit, die anomalen Abweichungen der Messwerte [...] klassisch widerspruchslos zu erklären. Dagegen ist, unter Einbeziehung von Quantenkorrelation [...] ein direkter Zusammenhang [...] ableitbar.«

Ist aber die Quantenmechanik und Quantenbiologie einschließlich ihrer unerklärlichen ’spukhaften Fernwirkung’, wie Albert Einstein die Quantenkorrelation bezeichnete, tatsächlich die letzte Erklärungsebene für Gehirnfunktionen und Bewusstsein, so wie im 19. Jahrhundert die angeblich unteilbaren Atome eine letzte Erklärungsebene für die physikalische Welt waren? Quantenmechanik ist in Wirklichkeit nur ein abstrakter mathematischer Formalismus, wenn auch dessen Vorhersagen beeindruckend gut bestätigt werden. Aber möchte man einem Formalismus tatsächlich den Status der letzten physikalischen Erklärungsebene zugestehen? Der Autor und Verfasser des Sachbuchs Unsterbliches Bewusstsein: Raumzeit-Phänomene, Beweise und Visionen beantwortet die Frage, indem er eine weitere Erklärungsebene hinzufügt. Für ihn sind es Bewusstseinseinheiten, welche die letzte physikalische Erklärungsebene darstellen: »Bewusstsein ist der fundamentale Baustein von allem was existiert«. Auf der Basis dieser Bewusstseinseinheiten beschreibt er das ‘wahre Gesicht der Wirklichkeit’. So kommt man zu dem Schluss, dass die Quantenbiologie zwar die richtige wissenschaftliche Disziplin ist, um ein komplettes Modell der Gehirnfunktionen und des Bewusstseins zu liefern, dass dieses Modell aber noch einer weiteren physikalischen Erklärungsebene bedarf, wenn man sich nicht mit einem rein mathematischen Formalismus als Erklärung zufriedengeben möchte.