Was man mit bloßem Auge nicht sehen kann

WINZIGE Staubteilchen schweben unsichtbar in der Luft. Doch dann scheint die Sonne durchs Fenster, und Unsichtbares wird plötzlich sichtbar. Die eindringenden Lichtstrahlen bewirken, daß die Staubteilchen jetzt für das menschliche Auge erkennbar sind.

Man denke auch an das sichtbare Licht, das dem bloßen Auge weiß oder farblos erscheint. Was geschieht, wenn Sonnenlicht in einem bestimmten Winkel durch Wassertröpfchen hindurchscheint? Das Wasser wirkt wie ein Prisma und erzeugt einen wunderschönen bunten Regenbogen.

In Wirklichkeit reflektieren die Gegenstände um uns herum Licht verschiedener Wellenlängen, das unser Auge als Farbe wahrnimmt. Grünes Gras erzeugt zum Beispiel nicht selbst grünes Licht, sondern es verschluckt alles außer dem grünen Anteil des Lichts. Das Gras wirft grünes Licht zurück und sieht daher für uns grün aus.

Mit von Menschen entwickelten Instrumenten ausgestattet

In den vergangenen Jahren ist durch Erfindungen vieles sichtbar geworden. Sieht man sich unter einem Lichtmikroskop einen scheinbar unbelebten Wassertropfen an, beobachtet man darin ein Gewimmel aller möglichen Tierchen. Und Haare, deren Oberfläche glatt erscheint, sehen nun sehr rauh aus. Mit leistungsfähigen Mikroskopen können 1 000 000fache Vergrößerungen erzielt werden; eine Briefmarke wäre dann so groß wie ein kleines Land.

Der Einsatz noch stärkerer Mikroskope liefert Forschern heute ein Bild von der Struktur der Oberfläche im atomaren Maßstab. Dadurch erhalten sie Einblick in Bereiche, die dem Menschen bis vor kurzem noch verschlossen waren.

Andererseits mögen wir abends zum Himmel schauen und viele Sterne sehen. Wie viele? Mit bloßem Auge sind es höchstens einige Tausend. Seit der Erfindung des Teleskops vor fast 400 Jahren erkennt man jedoch viel mehr Sterne. In den 1920er Jahren fand man am Mount Wilson Observatory mit Hilfe eines starken Teleskops heraus, daß jenseits unserer Galaxis andere Galaxien mit zahllosen Sternen existieren. Heute schätzen Wissenschaftler, die über hochentwickelte Weltraumbeobachtungsinstrumente verfügen, die Zahl der Galaxien auf zigmilliarden, und viele dieser Galaxien bestehen aus Hunderten von Milliarden Sternen.

Wie mit Teleskopen erstaunlicherweise festgestellt wurde, sind Milliarden von Sternen, die wie eine Milchstraße aussehen, weil sie so nah beieinander zu liegen scheinen, in Wirklichkeit unvorstellbar weit voneinander entfernt. Gleichermaßen haben starke Mikroskope es ermöglicht, mit dem Auge zu erkennen, daß Objekte, die massiv aussehen, in Wirklichkeit aus Atomen aufgebaut sind, die hauptsächlich aus leerem Raum bestehen.

Das unendlich Kleine

Das kleinste Pünktchen, das man unter einem herkömmlichen Lichtmikroskop sehen kann, besteht aus etwa zehn Milliarden Atomen. 1897 wurde entdeckt, daß das Atom winzige, kreisende Teilchen besitzt: die Elektronen. Mit der Zeit wurde nachgewiesen, daß der Kern, um den die Elektronen kreisen, aus größeren Teilchen besteht: den Neutronen und Protonen. Die verschiedenen Atome der 88 Elemente, die natürlich auf der Erde vorkommen, sind im Grunde genommen gleich groß, unterscheiden sich aber durch ihr Gewicht, weil jedes unterschiedlich viele dieser Grundbausteine besitzt.

Die Elektronen — beim Wasserstoff ist es ein einzelnes Elektron — rasen in jeder Millionstelsekunde Milliarden von Malen durch den Raum um den Kern des Atoms und verleihen dadurch dem Atom eine Form, die es als fest erscheinen läßt. Um ein Proton oder ein Neutron mit Elektronen aufzuwiegen, brauchte man etwa 1 840 Elektronen. Das Proton und das Neutron sind 100 000mal kleiner als das gesamte Atom.

Um eine gewisse Vorstellung davon zu erhalten, wie leer ein Atom ist, wollen wir uns den Kern eines Wasserstoffatoms und das Elektron, das ihn umkreist, vergrößert vorstellen. Wäre der Kern, der aus einem einzigen Proton besteht, so groß wie ein Tennisball, würde ihn das Elektron in etwa 3 Kilometer Entfernung umkreisen.

In einem Bericht über die Feiern anläßlich der Entdeckung des Elektrons vor hundert Jahren hieß es: „Kaum jemand stört es, etwas zu feiern, was keiner je gesehen hat, was keine erkennbare Größe, aber ein meßbares Gewicht besitzt sowie eine elektrische Ladung — und sich dreht wie ein Kreisel. ... Heute bezweifelt niemand mehr, daß Dinge, die nie zu sehen sein werden, dennoch existieren.“

Noch winzigere Objekte

Teilchenbeschleuniger, mit deren Hilfe man Materieteilchen aufeinanderprallen läßt, gewähren Wissenschaftlern heute einen Einblick in das Innere des Atomkerns. Demzufolge ist über viele Teilchen mit fremdartig klingenden Namen zu lesen wie Positronen, Photonen, Mesonen, Quarks und Gluonen, um nur einige anzuführen. Sie alle sind selbst mit den stärksten Mikroskopen nicht zu sehen. Aber mit Geräten wie Nebelkammern und Blasenkammern und Szintillationszählern werden Spuren ihrer Existenz beobachtet.

Forscher sehen heute, was zuvor unsichtbar war. Dabei erfassen sie die Bedeutung dessen, was sie für die vier Fundamentalkräfte halten: die Gravitation, die elektromagnetische Kraft und die zwei subnuklearen Kräfte, die als die schwache Kraft und als die starke Kraft bezeichnet werden. Einige Wissenschaftler sind auf der Suche nach einer „Theorie für alles“, von der sie sich eine umfassende Erklärung des Universums erhoffen — vom Makrokosmos bis zum Mikrokosmos.

Welche Lehre kann man daraus ziehen, daß man etwas sehen kann, was dem bloßen Auge verborgen bleibt? Und welche Schlüsse haben viele aus dem, was sie hinzugelernt haben, gezogen? In den folgenden Artikeln wird die Antwort gegeben.

[Bilder auf Seite 3]

Bilder von Nickelatomen (oben) und von Platinatomen

[Bildnachweis]

Mit frdl. Gen.: IBM Corporation, Research Division, Almaden Research Center

Ein Blick in das Unsichtbare — Was wird offenbar?

WAS wird dadurch bewirkt, daß Menschen mit Hilfe neuer Erfindungen sozusagen einen Vorhang aufziehen und sehen, was sie zuvor nicht sehen konnten? Ein solcher Blick trägt dazu bei, mit einem gewissen Maß an Sicherheit bislang Unbekanntes herauszufinden. (Siehe untenstehenden Kasten.)

Früher glaubte man, die Erde stehe im Mittelpunkt des Weltalls. Aber dann erkannte man mit Hilfe des Teleskops, daß die Planeten — die Erde nicht ausgenommen — sich auf festen Bahnen um die Sonne drehen. In jüngerer Zeit hat man mit starken Mikroskopen das Atom untersucht und gesehen, wie sich gewisse Arten von Atomen mit anderen Arten zu Molekülen verbinden.

Betrachten wir die Zusammensetzung des Moleküls einer lebenswichtigen Substanz: des Wassers. Zwei Wasserstoffatome verbinden sich zufolge ihres Aufbaus auf einzigartige Weise mit einem Sauerstoffatom zu einem Wassermolekül — wovon Milliarden in jedem Tropfen enthalten sind. Was können wir aus der Untersuchung eines Wassermoleküls und daraus, wie es sich unter verschiedenen Bedingungen verhält, lernen?

Das erstaunliche Wasser

Einzelne Wassertropfen scheinen zwar etwas sehr Einfaches zu sein, aber in Wirklichkeit ist Wasser ein äußerst komplexer Stoff. Wie Dr. John Emsley, Wissenschaftsautor am Imperial College in London (England), sagte, ist Wasser zwar „eine der meistuntersuchten chemischen Verbindungen, aber sie wird immer noch am wenigsten verstanden“. In der Zeitschrift New Scientist hieß es: „Wasser ist die bekannteste Flüssigkeit auf der Erde, aber auch eine der geheimnisvollsten.“

Dr. Emsley erklärte, daß Wasser zwar einfach aufgebaut ist, aber „nichts anderes ein derart komplexes Verhalten aufweist“. Er sagte zum Beispiel: „H₂O müßte ein Gas sein, ... ist indes eine Flüssigkeit. Hinzu kommt, daß, wenn es gefriert, ... es in fester Form — als Eis — schwimmt und nicht sinkt“, wie zu erwarten wäre. Dieses ungewöhnliche Verhalten von Wasser kommentierte Dr. Paul E. Klopsteg, ehemaliger Präsident der American Association for the Advancement of Science, wie folgt:

„Die bemerkenswerte Struktur scheint der Erhaltung der Lebewesen im Wasser zu dienen, wie zum Beispiel der Fische. Man stelle sich vor, was geschähe, wenn sich Wasser beim Abkühlen auf den Gefrierpunkt nicht so verhielte, wie beschrieben. Es würde sich anhaltend Eis bilden, bis der ganze See damit ausgefüllt wäre, so daß die meisten Wasserlebewesen, wenn nicht gar alle, umkämen.“ Dr. Klopsteg sagte, dieses ungewöhnliche Verhalten des Wassers sei „ein Anzeichen für das Wirken eines großartigen, zielstrebigen Wesens im Universum“.

Laut New Scientist glauben Forscher jetzt, den Grund für das ungewöhnliche Verhalten des Wassers zu kennen. Sie haben das erste theoretische Modell entwickelt, mit dem die Ausdehnung des Wassers exakt beschrieben werden kann. „Des Rätsels Lösung lag“, so erkannten die Forscher, „in dem Abstand der Sauerstoffatome innerhalb dieser Strukturen.“

Ist das nicht bemerkenswert? Ein scheinbar so einfaches Molekül macht dem menschlichen Begriffsvermögen zu schaffen. Dabei besteht unser Körper hauptsächlich aus Wasser! Sehen wir in diesem geheimnisvollen Molekül, das aus nur drei Atomen zweier Elemente besteht, nicht „ein Anzeichen für das Wirken eines großartigen, zielstrebigen Wesens“? Ein Wassermolekül ist allerdings überaus klein und weit weniger komplex als viele andere Moleküle.

Überaus komplexe Moleküle

Einige Moleküle bestehen aus Tausenden Atomen vieler Elemente, von denen 88 natürlich vorkommen. Zum Beispiel kann ein DNS-Molekül (Desoxyribonukleinsäure), das in allen Lebewesen Träger der verschlüsselten Erbinformation ist, aus Millionen Atomen mehrerer Elemente aufgebaut sein.

Trotz des unglaublich komplexen Aufbaus hat das DNS-Molekül nur einen Durchmesser von 0,0000025 Millimetern und ist nur mit Hilfe eines starken Mikroskops zu sehen. Erst 1944 haben Wissenschaftler die DNS als Träger der Erbmerkmale eines Menschen erkannt. Diese neue Erkenntnis setzte eine intensive Erforschung jenes extrem komplexen Moleküls in Gang.

Das DNS- und das Wassermolekül sind jedoch nur zwei von zahlreichen Molekülarten, aus denen Stoffe bestehen. Sollte man wirklich schlußfolgern, es sei nur ein kleiner Schritt von der unbelebten Materie bis in die belebte Welt oder es gäbe dazwischen eine einfache Brücke, da doch in belebten wie unbelebten Stoffen viele verschiedene Moleküle zu finden sind?

Die Ansicht, es müsse einen solchen Übergang geben, war lange verbreitet. „Die Erwartung, angesichts zunehmender biochemischer Kenntnisse werde die Lücke geschlossen, wurde in den 1920er und den 1930er Jahren vor allem von vielen Fachleuten geäußert“, erklärte der Mikrobiologe Michael Denton. Was wurde aber im Laufe der Zeit wirklich entdeckt?

Die belebte Welt ist von besonderer Art und ohnegleichen

Die Wissenschaftler rechneten zwar damit, zwischen lebloser Materie und Lebewesen Übergänge zu finden, das heißt eine Reihe von allmählichen Schritten, aber Denton bemerkte, daß „nach den umwälzenden Entdeckungen in der Molekularbiologie Anfang der 1950er Jahre schließlich das Vorhandensein einer Diskontinuität eindeutig feststand“. Denton kam dann in seiner Erklärung auf einen bemerkenswerten, für Wissenschaftler jetzt erwiesenen Umstand zu sprechen:

„Heute wissen wir nicht nur, daß zwischen der belebten und der unbelebten Welt eine Lücke klafft, sondern, daß sie die dramatischste und fundamentalste aller Diskontinuitäten in der Natur darstellt. Zwischen einer lebenden Zelle und dem kompliziertesten nichtbiologischen System wie einem Kristall oder einer Schneeflocke besteht unbestreitbar eine Kluft, die man sich nicht größer vorstellen könnte.“

Das soll nicht heißen, daß ein Molekül einfach herzustellen ist. In dem Buch Molecules to Living Cells wird erklärt, daß „schon die Synthese der niedermolekularen Bausteine kompliziert ist“. Es heißt jedoch weiter, daß die Herstellung solcher Moleküle „im Vergleich zu dem, was danach abgelaufen sein muß, damit die erste lebende Zelle ins Dasein kommen konnte, ein Kinderspiel ist“.

Zellen, wie zum Beispiel Bakterien, können als voneinander unabhängig lebende Organismen existieren. Sie können aber auch als Bestandteil vielzelliger Organismen vorkommen, wie der Mensch einer ist. 500 Zellen durchschnittlicher Größe wären zusammen erst so groß wie der Punkt am Ende dieses Satzes. Daher überrascht es nicht, daß die Abläufe in der Zelle mit unbewaffnetem Auge nicht wahrnehmbar sind. Was tritt denn zutage, wenn man eine Zelle des menschlichen Körpers unter dem Mikroskop betrachtet?

Die Zelle — zufällig entstanden oder entworfen? 

Vor allem kommt man nicht umhin, die Komplexität der lebenden Zellen zu bestaunen. Ein Wissenschaftsautor schrieb: „Das normale Wachstum der einfachsten Zelle erfordert den koordinierten Ablauf Zehntausender chemischer Reaktionen.“ Er fragte: „Wie nur werden 20 000 Reaktionen innerhalb einer winzigen Zelle alle auf einmal gesteuert?“

Michael Denton betrachtet selbst die winzigste Zelle als „eine echte Mikrominiaturfabrik mit Tausenden brillant entworfenen Teilsystemen einer komplizierten Molekularmaschinerie, die insgesamt aus hundert Milliarden Atomen besteht, an Kompliziertheit jede von Menschen gefertigte Maschine in den Schatten stellt und in der unbelebten Welt ohne Parallele ist“.

Wissenschaftlern ist die Komplexität der Zelle nach wie vor ein Rätsel, wie es in der New York Times vom 15. Februar 2000 zu lesen war: „Je besser Biologen die Zellen verstehen, um so entmutigender scheint die Aufgabe zu sein, alles herauszufinden, was darin abläuft. Eine durchschnittlich große menschliche Zelle ist zu winzig, als daß man sie sehen könnte, doch schalten sich alle Augenblicke 30 000 ihrer 100 000 Gene ein oder aus, um Anweisungen für den Betrieb der Zelle herauszugeben oder auf Botschaften von anderen Zellen zu reagieren.“

In der Times wurde die Frage gestellt: „Wie soll eine so winzige und komplizierte Maschine je untersucht werden können? Und selbst wenn nach ungeheurem Aufwand eine Zelle des Menschen ganz verstanden werden sollte, so hat der menschliche Körper noch mindestens 200 weitere Arten.“

Die Zeitschrift Nature berichtete in dem Artikel „Echte Schöpfungsmaschinen“ von der Entdeckung winziger Motoren im Innern jeder Körperzelle. Diese drehen sich, um Adenosintriphosphat zu erzeugen, den Energieträger der Zellen. Ein Wissenschaftler sinnierte über folgendes: „Was wird uns möglich sein, wenn wir es lernen, molekulare Maschinerien zu entwerfen und zu bauen, die den molekularen Systemen im Innern unserer Zellen gleichen?“

Denken wir einmal über die Kreativität der Zelle nach! Die Datenmenge in der DNS nur einer einzigen Körperzelle würde etwa eine Million Seiten von der Größe der Seiten dieser Zeitschrift füllen. Darüber hinaus wird jedesmal, wenn sich eine Zelle teilt, um eine neue zu erzeugen, die gleiche Informationsmenge an die neue Zelle weitergereicht. Wie wurden wohl all jene Zellen — alle 100 Billionen Zellen des Körpers — mit dieser Information versehen? Geschah es rein zufällig, oder steht meisterhaftes Können dahinter?

Vielleicht sind wir zu dem gleichen Schluß gelangt wie der Biologe Russell Charles Artist, der sagte: „Wir stehen vor gewaltigen, ja unüberwindlichen Schwierigkeiten, den Anfang [der Zelle] und eigentlich ihre anhaltende Funktion zu erklären, es sei denn, wir behaupten mit Vernunft und Verstand, daß eine Intelligenz, ein Wesen, sie ins Dasein brachte.“

Eine wunderbare Ordnung

Vor Jahren gelangte Kirtley F. Mather, damals Professor der Geologie an der Harvarduniversität, zu folgendem Schluß: „Wir leben in einem Universum, in dem weder Zufall noch Laune, sondern Gesetz und Ordnung walten. Alles ist äußerst zweckmäßig und verdient den größten Respekt. Man denke nur an die systematische Anordnung der Natur, die uns erlaubt, jedem chemischen Element eine fortlaufende Ordnungszahl zu geben.“

Streifen wir kurz jene wunderbare „systematische Anordnung der Natur“. Zu den Elementena, die im Altertum bekannt waren, zählten Gold, Silber, Kupfer, Zinn und Eisen. Arsen, Wismut und Antimon wurden im Mittelalter von den Alchimisten nachgewiesen, und später, im 18. Jahrhundert, wurden viele weitere Elemente entdeckt. Im Jahre 1863 wurde mit Hilfe eines Spektroskops, mit dem die für jedes Element charakteristischen Spektren zerlegt werden können, das 63. Element, Indium, entdeckt.

Zu jener Zeit folgerte der russische Chemiker Dmitri Iwanowitsch Mendelejew, daß die Elemente nicht willkürlich gebildet worden sind. Schließlich wurde der Russischen Chemischen Gesellschaft am 18. März 1869 seine Abhandlung „Ein Abriß des Systems der Elemente“ vorgetragen. Darin erklärte er: „Ich möchte eine Art System aufstellen, das nicht dem Zufall folgt, sondern einer Art festgelegter, genauer Gesetzlichkeit.“

In seiner berühmten Arbeit sagte Mendelejew vorher: „Wir dürfen mit der Entdeckung vieler unbekannter Stoffe rechnen; zum Beispiel solcher, die dem Aluminium und dem Silizium ähneln, Elemente mit Atomgewichten von 65 bis 75.“ Mendelejew ließ Platz für 16 unbekannte Elemente frei. Als er nach Beweisen für seine Vorhersagen gefragt wurde, antwortete er: „Ich brauche keinen Beweis. Die Naturgesetze erlauben im Unterschied zu den Gesetzen der Grammatik keine Ausnahme.“ Er sagte weiter: „Ich vermute, daß uns mehr Beachtung gezollt werden wird, wenn meine unbekannten Elemente gefunden worden sind.“

Genauso kam es! „In den nächsten 15 Jahren“, so wird in der Encyclopedia Americana erklärt, „verlieh die Entdeckung von Gallium, Scandium und Germanium, deren Eigenschaften den von Mendelejew vorausgesagten recht genau entsprachen, dem Periodensystem Gültigkeit und seinem Autor Ruhm.“ In den Anfangsjahren des 20. Jahrhunderts wurden schließlich alle vorkommenden Elemente gefunden.

„Diese wunderschöne Anordnung ist schwerlich eine Sache des Zufalls“, bemerkte der Chemiker und Forscher Elmer W. Maurer. Über die Möglichkeit, daß die harmonische Ordnung der Elemente eine Sache des Zufalls ist, sagte John Cleveland Cothran, Professor der Chemie: „Die nachträgliche Entdeckung all jener Elemente, deren Existenz ... [Mendelejew] vorhergesagt hatte und die fast genau die von ihm vorausgesagten Eigenschaften besaßen, schloß eine solche Möglichkeit ein für allemal aus. Seine großartige Ableitung ist nie als ‚Das Periodensystem der Zufälligkeit der Elemente‘ bezeichnet worden, wohl aber als ‚Die periodische Gesetzlichkeit der Elemente‘.“

Ein gründliches Studium der Elemente und wie sie sich zu all dem verbinden, was es im Universum gibt, veranlaßte den berühmten Physiker P. A. M. Dirac, ehemaliger Professor der Mathematik an der Universität Cambridge, zu sagen: „Man könnte die Situation vielleicht beschreiben, indem man sagt: Gott ist ein Mathematiker höchsten Ranges, und er hat zur Konstruktion des Universums fortgeschrittenste mathematische Kenntnisse angewandt.“

Es ist wirklich begeisternd, einen Blick in die ansonsten unsichtbare Welt der unendlich kleinen Atome, Moleküle und Zellen zu werfen sowie in die Welt der gigantischen Galaxien außerhalb des normalen Sehbereichs. Es ist ein demütig stimmendes Erlebnis. Wie berührt es uns persönlich? Was erkennen wir aus alldem? Sehen wir mehr, als mit bloßem Auge zu erkennen ist?

[Fußnote]

[Kasten/Bilder auf Seite 5]

Für das Auge zu schnell

Weil ein galoppierendes Pferd so schnell ist, diskutierte man im 19. Jahrhundert darüber, ob zu irgendeinem Zeitpunkt alle Hufe gleichzeitig ohne Bodenkontakt seien. Schließlich begann 1872 Eadweard Muybridge mit fotografischen Versuchen, die die Auseinandersetzung beilegten. Er entwickelte das erste Verfahren für Hochgeschwindigkeitsaufnahmen.

Muybridge stellte 24 Fotoapparate in geringem Abstand voneinander auf. Mit jedem Auslöser war ein Faden verbunden, der über die Strecke gespannt war, so daß das Pferd beim Entlanggaloppieren die Fäden berührte und die Auslöser betätigte. Eine Auswertung der entstandenen Bilder ergab, daß das Pferd manchmal keinen Kontakt mehr zum Boden hatte.

[Bildnachweis]

Mit frdl. Gen.: George Eastman House

[Bild auf Seite 7]

Warum schwimmt gefrorenes Wasser, statt zu sinken?

[Bild auf Seite 7]

Ein DNS-Molekül hat nur einen Durchmesser von 0,0000025 Millimetern, doch es birgt Informationen, die eine Million Seiten füllen würden

[Bildnachweis]

Computerdarstellung der DNS: Donald Struthers/Tony Stone Images

[Bild auf Seite 8]

In jeder Zelle des Körpers — in allen 100 Billionen Zellen — laufen Zehntausende von chemischen Reaktionen koordiniert ab

[Bildnachweis]

Copyright Dennis Kunkel, University of Hawaii

[Bilder auf Seite 9]

Der russische Chemiker Mendelejew folgerte mit Hilfe seines Periodensystems, daß sich die Elemente nicht willkürlich gebildet haben

[Bildnachweis]

Mit frdl. Gen. des National Library of Medicine