What is Life? - Was ist Leben ?

1. What is Life? - Was ist Leben ? Erwin Schrödinger (1887-1961): • Professor für Physik in Zürich, Berlin, Oxford, Graz, Dublin und Wien • Hauptarbeitsgebiete: Wellenmechanik, relativistische Quantentheorie, Gravitationstheorie und einheitliche Feldtheorie • Nobelpreis 1933 mit Paul Dirac für ihren Beitrag zur Quantentheorie • 1944 Veröffentlichung einer Vorlesungsreihe von 1943 als Buch: „What is Life?“

2. What is Life? – Was ist Leben? Warum interessiert einen Physiker das Phänomen des Lebens? • 1900 Entdeckung des Wirkungsquantums durch Max Planck und Wiederentdeckung der Mendelschen Gesetze der Vererbung • => Untersuchungen zur Stabilität der Atome • 1925/26 Heisenberg und Schrödinger formulieren Quantenmechanik, • Bohr interpretiert daraus die Komplementarität des Atoms als Welle und Teilchen und vermutet weitere Anwendungen z.B. im Bereich der lebenden Systeme • Mitte der 30er Jahre untersucht Max Delbrück die Größe und Stabilität der (Mendelschen) Erbfaktoren (=Gene): Unter welchen Bedingungen können Gene Moleküle sein ? • => Vorschlag: Gene sind Moleküle.

3. What is Life? – Was ist Leben? Die Größe von Atomen und die Gesetze der Physik • Atome sind (relativ zu Lebewesen) sehr klein • Wechselwirkungen mit einzelnen Atomen (z.B. Wärmebewegung) haben auf Physiologie der Lebewesen (im Allgemeinen) keine direkten Wirkungen • Physiologie erfordert hohen Ordnungsgrad der Materie in Lebewesen • Gesetze der Physik sind statistischer Natur • Verhalten einzelner Atome ist nur mit Wahrscheinlichkeiten bestimmbar • Erst bei große Anzahlen von Atomen folgen daraus die (makroskopischen) Gesetze der Thermodynamik Hängt daher Leben (und dessen Stabilität) von der (makroskopischen) Größe der Lebewesen ab?

4. What is Life? – Was ist Leben? • Lebewesen bestehen nicht in jeder Phase ihrer Existenz aus riesigen Mengen von Atomen. (Erbfaktoren sind klein) • Dann können einzelne Atomgruppen eine wesentliche Rolle spielen! • Der Vererbungsmechanismus I • Chromosomen stellen in einem Code das Muster des vollständigen Individuums, seiner Entwicklung und Physiologie bereit. Jeder Chromosomensatz enthält den vollständigen Code • In der Ontogenese erfolgt eine identische Vervielfachung der Chromosomensätze für jede neue Zelle (etwa 50 bis 60 aufeinanderfolgende Teilungen in der gesamten Lebenszeit) => Mitose • Reservierte Zellen aus früher Teilungsphase dienen später der Erzeugung von Keimzellen => Meiose mit haploidem Chromosomensatz • Erbanlagen der Eizelle (nach Befruchtung) stammen von beiden Elternteilen

5. What is Life? – Was ist Leben? Der Vererbungsmechanismus II • Kombination der Chromosomen erfolgt in den Keimzellen unabhängig • Möglichkeit des „Crossing-over“ (homologe Chromosomen tauschen Abschnitte aus) erhöht die Anzahl möglicher Kombinationen • Möglichkeit zur Untersuchung der Lage (Locus) von Erbanlangen (Genen) auf den Chromosomen! • Größe eines Gens lässt sich auf etwa 300 ÅE (100-150 Atomdistanzen) abschätzen • Damit gelangt man in den Anwendungsbereich mikroskopischer Theorien der Physik (Statistische Mechanik, Quantenmechanik) • Was folgt aus diesen (damals neuen Theorien) zur Frage der Stabilität von Erbfaktoren? • Unter welchen Bedingungen können Moleküle als Erb-faktoren wirken?

6. What is Life? – Was ist Leben? • Quantenmechanik I • Stabilität von (Molekül getragenen) Erbfaktoren und die Eigenschaften von Mutationen lassen sich mit klassischer Physik nicht erklären • Atome (und andere subatomare Teilchen) besitzen diskrete Zustände, die sie unter Energieaustausch wechseln können • Zwischen den Zuständen existieren keine kontinuierlichen Übergänge in den Energie, sondern • Quantensprünge

7. What is Life? – Was ist Leben? Der aperiodische Kristall • Molekül = Fester Körper = Kristall  Gas = Flüssigkeit = amorph • „Wir betrachten ein Gen – oder vielleicht das ganze Chromosom – als einen aperiodischen festen Körper“ • Isomerie erlaubt die Verschlüsselung großer Informationsmengen auf engstem Raum • Stabilität aufgrund des erforderlichen Energiebedarfs in praktikablen Zeiträumen gewährleistet • Instabile Gene entfallen durch Selektion

8. What is Life? – Was ist Leben? Die Folgen des Buches • Schrödinger erkennt die Rolle der Quantenmechanik für die Erklärung der Stabilitäts Eigenschaften mikroskopischer Erbfaktoren • Der Begriff des „aperiodischen Kristalls“ antizipiert viele Eigenschaften der DNS vor deren Entdeckung durch Watson and Crick (1953). • Die von Delbrück aufgeworfenen Frage: „Kann es sich bei Erbfaktoren um Moleküle handeln?“ wird in diesem Sinne gelöst • Die umgekehrte Frage: „Unter welchen Bedingungen können Moleküle als Erbfaktoren wirken?“ weist nach Schrödinger aus dem damaligen Bereich der physikalischen Modelle hinaus. • Er vermutet zur Beantwortung ist „neue Physik“ nötig. • Robert Rosen (1998): Daran hat sich bis heute nichts geändert und das macht die Aktualität des Schrödinger Buches aus.