Aus FUSION 3/2001:


Biophysik und das Leben


Weitere Experimente

Von Dr. Wolfgang Lillge

Dr. Wolfgang Lillge ist Chefredakteur des Wissenschaftsmagazins FUSION - Forschung und Technik für das 21. Jahrhundert.

Es war das Vermächtnis Wernadskij an die heutige Welt, die von ihm begonnenen breiten Forschungsanstrengungen zur Aufdeckung der physikalischen Prinzipien hinter dem Unterschied zwischen lebenden und nichtlebenden Prozessen fortzusetzen. Wie wir bereits in Jonathan Tennenbaums Vortrag gehört haben, hatte Wernadskij immer einen universalen Ansatz an das Problem gefordert: Wir brauchen ein Verständnis von den physikalischen Charakteristika des Lebens, die man auf verschiedene Weise messen kann: nach unterschiedlichen Strahlungsarten, verschiedenen Wellenlängen, magneto-biologischen Kriterien, der Kopplung zwischen verschiedenen lebenden Systemen, zwischen lebenden und nichtlebenden Systemen, zwischen lebenden und astrophysikalischen Systemen usw.

Ich möchte hier einige biologische Technologien vorstellen, die in den letzten 30 Jahren völlig außerhalb der molekularbiologischen Hauptströmung entwickelt worden sind und faszinierende Einsichten in den inneren Zustand der Zellen bieten. Dadurch hat man erkannt, daß Zellen eine besondere Art der Kommunikation aufweisen, die eng mit extrem schwachen, aber biologisch überaus wirksamen elektromagnetischen Signalen verbunden sind. Durch diese Erkenntnisse eröffnete sich ein neuer Weg der biophysikalischen Forschung, der sich genau mit jenen Aspekten des Lebensprozesses beschäftigt, welcher von den gängigen Methoden der Molekularbiologie und Genetik systematisch ignoriert werden.

Die Frage "Was ist Leben?" ist praktisch aus dem etablierten Denken in der Biologie verbannt worden. Die Molekularbiologie, die sich ausschließlich mit der Erforschung der "Bausteine" der Natur beschäftigt, hat die charakteristischen Unterschiede zwischen belebter und unbelebter Materie völlig aus den Augen verloren. Für die Molekularbiologie gibt es keinen qualitativen Unterschied zwischen einer lebenden und einer toten Zelle. Vor und unmittelbar nach ihrem Tod besteht eine Zelle nach wie vor aus den gleichen Molekülen und Strukturen. Aber was geschieht dazwischen? Wo ist die "Lebenskraft" oder der "animus vitae", über den früher soviel spekuliert wurde?

Bevor wir uns eingehender mit einigen wichtigen biophysikalischen Lebensäußerungen (den sog "Biophotonen") beschäftigen wollen, sollten wir uns einige phänomenale Leistungen ansehen, denen der Lebensprozeß fähig ist:

In wachsenden Geweben, so läßt sich schätzen, werden in einer einzelnen Zelle einige Millionen Moleküle pro Sekunde synthetisiert - eine Leistung, die im Laborexperiment in vergleichbarem Maßstab nie erreicht werden kann.

Es gibt noch eine weitere erstaunliche Zahl: Im Schnitt besteht der Mensch aus etwa 10 Billionen (1013) Zellen, die aus einer befruchteten Eizelle in 43 aufeinanderfolgenden Zellverdopplungen entstehen. Erst nach dieser beeindruckenden Präzisionsarbeit, bei der sämtliche Organe ausgebildet werden und keine Zelle überflüssig ist, ist ein Mensch ausgewachsen.

Gleichzeitig jedoch erlebt der Körper ein ständiges Kommen und Gehen zahlloser Zellen: In jedem Menschen gehen pro Sekunde etwa 10 Millionen Zellen unter und müssen innerhalb kürzester Zeit ersetzt werden, um einen entropischen Verfall zu verhindern. Dabei läßt sich nicht vorhersagen, wo und wann eine Zelle sterben wird, aber wenn die Ersetzungsrate nur geringfügig kleiner (oder größer) wäre, würde der Körper sehr schnell desintegrieren. Wenn zum Beispiel die Wachstumsrate von Darmzellen, die einen ganz besonders hohen Austausch haben, die Absterberate nur um wenige Prozent überstiege, würde der Körper schnell an einem Darmverschluß zugrunde gehen.

Der Biophysiker Fritz Popp hat auf die Bedingungen aufmerksam gemacht, die erfüllt sein müssen, daß alle diese komplexen Prozesse auf kontrollierte Weise ablaufen. Es muß hierbei eine enge und extrem effektive Kopplung der Zellkommunikation geben, die nach seinen Berechnungen nur dann möglich ist, wenn diese wichtigen Regulierungsprozesse mit Lichtgeschwindigkeit ablaufen. Jede andere Form der "Informationsübertragung", einschließlich Biomoleküle, chemische Botenstoffe usw., würden nicht ausreichen. Sie wären zu langsam, um den Zusammenhalt des Organismus zu gewährleisten. Allein aus diesen einfachen Betrachtungen folgt, daß Licht oder elektromagnetische Wirkungen in irgendeiner Form an der Organisation des Lebensprozesses beteiligt sein müssen.

Als erster hat der russische Wissenschaftler Alexander Gurwitsch (Bild rechts), ein Zeitgenosse Wernadskijs, in den 20er Jahren die Rolle des Lichtes systematisch erforscht.

Er etablierte als schlüssige Hypothese, daß jede lebende Zelle Licht abstrahlt, allerdings ein sehr schwaches. Sein ursprüngliches Experiment war sehr einfach (Abbildung 1).

Er ordnete eine Zwiebelwurzel auf eine Weise an, daß die Spitze dieser ersten Zwiebelwurzel auf die Seite einer anderen Zwiebelwurzel zeigte, ohne diese aber zu berühren. Als die zweite Zwiebelwurzel nach einer bestimmten Zeit unter dem Mikroskop untersucht wurde, stellte sich heraus, daß genau an dem Punkt der Einwirkung die Zellteilungen (Mitosen) im Vergleich zu der anderen Seite deutlich zugenommen hatten.

Abbildung 1. Versuchsanordnung von Gurwitschs berühmten "Zwiebelexperiment": Zwei Zwiebelwurzeln sind so aufeinander gerichtet, daß die Wachstumsspitze der einen Wurzel (links) am Schaft der zweiten Wurzel eine vermehrte Zellteilung auslöst (in der Zeichnung vergrößert dargestellt als vermehrte Zellteilungen an der zugewendeten Seite des Wurzelquerschnitts).

Dieser "mitogenetische Effekt", wie Gurwitsch ihn nannte, blieb erhalten, als ein kleines Quarzfenster, das für ultraviolettes Licht durchlässig ist, zwischen die beiden Zwiebelwurzeln geschoben wurde. Er verschwand jedoch, wenn statt Quarzglas normales Fensterglas oder anderes Material verwendet wurde, das ultraviolettes Licht abschirmt. Mit verschiedenen anderen Experimenten konnte Gurwitsch definitiv nachweisen, daß der mitogenetische Effekt tatsächlich auf den Einfluß sehr schwacher ultravioletter Strahlung zurückgeht, die von der Spitze der ersten Zwiebelwurzel ausgeht. Er nannte diese Strahlung "mitogenetische Strahlung".

Später entwickelten Gurwitsch und seine Mitarbeiter auch eine Methode, mit der sie indirekt die Stärke und die spektrale Verteilung dieser "mitogenetischen Strahlung" messen konnten. Diese Technik zusammen mit Gurwitschs übrigen Beiträgen zur Biologie, darunter sein Begriff des biologischen Feldes und die Existenz einer Fernwirkung zwischen den Zellen bei der Mitose, wurde eines der Hauptfelder in der biologischen Forschung während der 30er Jahre in der damaligen Sowjetunion und anderswo.

Zunehmend geriet dieses Denken in der Biologie unter vehemente Angriffe seitens der Verfechter der Genetik und Molekularbiologie, die dann nach dem Zweiten Weltkrieg zum beherrschenden Forschungsfeld gemacht wurde. Der Hauptkritikpunkt aus diesen Kreisen an Gurwitsch war, daß die mitogenetische Strahlung ein Artefakt sei, oder, wenn sie es doch geben sollte, keinerlei biologische Wirksamkeit hätte.

Zu Gurwitschs Zeit war es technisch noch nicht möglich, die schwache Lichtabstrahlung der Zellen direkt zu messen. Dies wurde erst in den 50er Jahren möglich, als eine Gruppe italienischer Astronomen einen sehr empfindlichen
Abbildung 2. 3,4-Benzpyren, eine starke krebserregende Substanz, unterscheidet sich chemisch von dem als harmlos geltenden 1,2-Benzpyren nur durch die Stellung eines Benzolringes.
Photonenverstärker baute, den sie dafür benutzten, entfernte schwache Sterne sichtbar zu machen. Als das Gerät auch auf biologische Proben wie Blätter, Weizen-, Mais- und Bohnenkeime angewendet wurde, wurde eine konstante, wenn auch sehr schwache Strahlung sichtbar. Diese Ergebnisse lösten im Westen kurzzeitig einige Aufregung aus, wurden aber schnell wieder vergessen.

Erst in den 70er Jahren wurden diese Erkenntnisse wieder aufgegriffen, als Fritz Popp im Rahmen seiner Arbeit in der Krebsforschung auf einige auffällige Eigenschaften besonders starker krebsauslösender Stoffe stieß, z.B. in 3,4-Benzpyren, das im Teer und auch im Zigarettenrauch vorkommt (Abbildung 2).

Eine chemisch sehr ähnliche Substanz, 1,2-Benzpyren, gilt dagegen als harmlos. Der einzige wesentliche Unterschied zwischen den beiden Substanzen liegt darin, daß 3,4-Benzpyren eine starke Anomalie im Absorptions/Emissionsspektrum von UV-Licht hat. Popp fragte sich, ob diese ungewöhnliche Eigenschaft des Moleküls die direkte Ursache seiner Krebsgefährlichkeit wäre und gar nichts mit einem vermuteten chemischen (molekularen) Effekt zu tun hätte. Diese Idee einer optischen Karzinogenität lief natürlich der etablierten Position in der Krebsforschung direkt zuwider.

Abbildung 3. Schematische Darstellung des von Popp entwickelten Lichtverstärkers hoher Empfindlichkeit, mit dem die extrem schwache Lichtemission biologischer Proben zuverlässig gemessen werden kann (aus Popp, "Biologie des Lichtes", 1984).

In diesem Zusammenhang lernte Popp die früheren Arbeiten Gurwitschs über die mitogenetische Strahlung kennen, und schloß daraus, daß, wenn der angenommene optische Effekt des Benzpyrens zuträfe, sich dann in der Zelle notwendigerweise eine Art Lichtquelle befinden müßte und sehr schwache Photonensignale in der Lage sein müßten, drastische Veränderungen im Verhalten der Zelle auszulösen.

Daraufhin gingen Popp und seine Mitarbeiter daran, einen sehr empfindlichen Lichtverstärker zu bauen, der geeignet wäre, die schwache Photonenemission von Zellen zu messen (Abbildung 3).

Es entbehrt nicht einer gewissen Ironie, daß Popp, nachdem er seine Ideen vor führenden deutschen Krebsforschern vorgetragen hatte, zunächst keine Forschungsgelder erhielt, da er sagte, er wolle Licht in der Zelle finden - für diese Leute eine abwegige Idee! Erst als er sich darauf einließ, er wolle herausfinden, daß es kein Licht in der Zelle gebe, gab man ihm einige Gelder!

Abbildung 4. Photonenemission von Gurkenkeimen. Die von Gurkenkeimen in Realzeit emittierten Photonen pro Sekunde, Ausschnitt aus der Zeitskala zwischen Sekunde 250 und 500.

Mit seiner Maschine war es Popp möglich, zweifelsfrei zu beweisen, daß die schwache Lichtabstrahlung eine gemeinsame Eigenschaft aller lebenden Zellen ist (Abbildung 4). Sie ist unterschiedlich stark in Tier- oder Pflanzenzellen, bei unterschiedlichen Zellarten und kann sich von einem Augenblick auf den anderen ändern. Sie ist nicht regelmäßig, sondern es kommt häufig zu ausgemachten "Photonenexplosionen" (Spitzen), besonders wenn die Zellen von außen gestört werden.

Wirklich interessant und weitaus bedeutsamer für die Rolle der Biophotonen im wirklichen Leben waren Experimente, in denen die Wechselwirkung zwischen zwei verschiedenen Proben lebender Organismen deutlich werden.

Zu diesem Zweck entwickelte Popp ein System zweier unabhängiger Lichtverstärker und einen Mechanismus, mit dem die zwei untersuchten Proben optisch voneinander getrennt werden können. Im ersten Teil des Experiments mit "Gonyaulax polyedra" (einem winzigen Dinoflagellaten), war die Trennwand geschlossen und zwei völlig unterschiedliche Strahlungsmuster entstanden. Wenn jedoch die Trennwand entfernt wurde und die beiden Proben in optischen Kontakt zueinander gerieten, änderte sich die Situation dramatisch. Die bisher völlig wahllosen Ereignisse wurden plötzlich ein koordinierter, abgestimmter Prozeß bei deutlich erhöhter Intensität. Gleichzeitige Spitzen von Photonenemissionen entstanden, als wenn sie abgesprochen wären (Abbildung 5).

Abbildung 5. Versuchsanordnung zur Untersuchung der Zellkommunikation. Die Photonenemission von zwei Proben mit Gonyaulax polyedra wird einmal mit geschlossener und einmal mit geöffneter Trennwand im Photonenverstärker gemessen. Die Messung ohne Kontakt (ganz oben) zeigt keinerlei Koordinierung der Signale, während die Proben mit Kontakt (darunter) deutliche simultane Emissionen aufweisen.

Man könnte hier eine Analogie zur Musik ziehen und sagen, daß eine Disharmonie zu einer Harmonie wurde. So wie Johannes Kepler die Beziehungen der Planeten als eine musikalische Sphärenharmonie verstand, so kann man auch im Fall der Biophotonen diese Harmonie hörbar machen. Tatsächlich machte sich Fritz Popp daran, die elektromagnetische Kommunikation zwischen Zellen in Musik zu setzen!

Erwarten Sie bitte nicht, daß diese Töne so schön klingen wie das gestrige Konzert, aber schließlich sind Lebewesen wie diese winzigen Dinoflagellaten auch keine Menschen! Hören wir zuerst die Dissonanz der getrennten Proben und dann die Harmonie der wechselseitigen Photonenemissionen. Anzumerken sei, daß die Töne nicht direkt den emittierten einzelnen Photonen entsprechen, sondern eine Korrelation der Signale in beiden Proben wiedergeben. Je höher die Töne, desto höher ist auch die Korrelation. Photonenemissionen als mp3-Datei abspielen (ca 1 Min. 45 Sek.).

Alle diese Erkenntnisse weisen auf eine spezifische Form elektromagnetischer Kopplungen hin und zeigen eine spezifische Art der Kommunikation zwischen lebenden Zellen. Wenn auch noch nicht genau bekannt ist, was die tatsächliche Quelle dieser Photonenemissionen in der Zelle ist - und man sollte sich auch keinen voreiligen Spekulationen über diese Frage hingeben, es können dabei auch äußere, astrophysikalische Einflüsse eine Rolle spielen - haben sie doch eine definitive biologische Wirksamkeit. Tatsächlich hat Popp gezeigt, daß diese schwache Strahlung die Qualität eines multimodalen Multifrequenzlasers haben muß, d.h. räumlich und zeitlich kohärent ist.

Wenn wir noch einmal auf die Krebsforschung zurückkommen, so ist es nicht überraschend, daß man mit Hilfe der Photonenemission eine deutliche Unterscheidung zwischen gesunden und Krebszellen aufzeigen kann (Abbildung 6).

Weitere Experimente

Ich kann im folgenden nur zusammenfassend über jüngste beeindruckende Arbeiten des russischen Biophysikers Burlakow berichten. Er zeigte beispielhaft, daß die Biophotonenmethode dem molekularbiologischen Dogma überlegen ist.

Burlakow brachte verschiedene Proben befruchteter Fischeier in verschiedenen Entwicklungsphasen in optischen Kontakt zueinander und beobachtete die eintretenden Effekte. Er berichtete die folgenden Ergebnisse (Abbildung 7).

Abbildung 6. Normale Leberzellen (untere Kurve) haben eine relativ stabile oder sogar abnehmende Photonenzählung bei wachsender Zelldichte, während Krebszellen des gleichen Zelltyps eine immer höhere Photonenzählung zeigen. Daraus kann geschlossen werden, daß Populationen von Krebszellen genau jene Harmonie und Kohärenz verloren haben, die für gesundes Gewebe typisch sind.

Abbildung 7. In Behältern, die optischen Kontakt zwischeneinander gestatten, ließ Burlakow befruchtete Fischeier verschiedener Entwicklungsstadien aufeinander einwirken.

Diese letzteren Ergebnisse könnten in der Tat der Beginn einer Ära der "Biophotonentechnologie" sein, wie Burlakow sich selbst ausdrückte, deren Potential weitaus größer wäre als die der heutigen Biotechnologie, der es immer schwerer fällt, ihre großmundigen Versprechungen zu halten. Offensichtlich war es in Burlakows Experimenten zu keinerlei Veränderungen des Erbgutes gekommen, wohingegen die Biophotonen auf der Ebene des Lebensprozesses selbst wirken.

Am Ende sollten wir in die Liste der Technologien zur Untersuchung des Lebensprozesses auch die Möglichkeiten der Magnetobiologie aufnehmen. Forschungen dieser Art haben eine lange Tradition, vor allem in Rußland. Z.B. hat Tschitschewskij in den 50er und 60er Jahren intensive Studien über die Korrelation zwischen Veränderungen des Erdmagnetfeldes und z.B. dem Auftreten von Epidemien angestellt. Auch unser Freund Prof. Brandimarte in Italien ist seit vielen Jahren ein Pionier auf diesem Feld. Er hat gezeigt, daß man mit oszillierenden Magnetfeldern verschiedener Formen beeindruckende Effekte bei der Heilung von Wunden und der Verbesserung der Durchblutung erzielen kann.

Abschließend sollte gesagt werden, daß wir erst am Beginn der Ära der "Biophotonentechnologie" stehen. Viele weitere Ansätze neben dem mitogenetischen Effekt, dem Biophotonen/Laser-Prinzip und der Magnetobiologie müssen entdeckt werden. Das Ziel ist, Methoden zu entwickeln, die es uns erlauben, all diese vielfach verbundenen Ebenen, auf denen sich die charakteristischen Merkmale des Lebens abspielen, gleichzeitig zu untersuchen.