Von Erwin Schrödingers "Was ist Leben" zu "Alles Leben ist Chemie"

Do, 21.11.2019 — Peter Schuster

Als Begründer der Wellenmechanik, die eine mathematische Beschreibung atomarer Vorgänge ermöglicht, war der österreichische Physiker Erwin Schrödinger berühmt und 1933 mit dem Nobelpreis ausgezeichnet worden. Bestrebt ein alles umfassendes Weltbild zu schaffen hat er vor 75 Jahren einen schmalen Band "Was ist Leben? Die lebende Zelle mit den Augen des Physikers betrachtet" herausgegeben, der ungemein populär wurde, viele der bedeutendsten Naturwissenschafter inspirierte (aber auch ernstzunehmende Kritik erhielt) und den Boden für eine molekulare Betrachtungsweise biologischer Vorgänge bereitete. Der theoretische Chemiker Peter Schuster (emer. Univ Prof an der Universität Wien) spannt hier den Bogen von diesen Anfängen der Molekularbiologie hin zu ihrem aktuellen Status. *

Von Schrödinger's "Was ist Leben?"…

Basierend auf drei öffentlichen Vorlesungen, die Schrödinger in seiner Dubliner Zeit am Trinity College gehalten hatte, erschien 1944 „Was ist Leben“ [1] Abbildung 1. Das schmale Bändchen war enorm erfolgreich, inspirierend und einflussreich: „Bis 1948 wurden 65 Rezensionen verfasst und etwa 100.000 Exemplare verkauft“ , schreibt Max Perutz 1987. Für die enorm positive Bewertung des Büchleins durch die Öffentlichkeit, die für eine wissenschaftliche Veröffentlichung, ja sogar für eine populärwissenschaftliche Schrift außergewöhnlich ist, sehen Historiker drei Gründe: (i) Das Heft ist in einer eleganten, lebendigen und fast dichterischen Form verfasst , (ii) Die Zeit war reif für ein Überdenken der wissenschaftlichen Wurzeln, auf denen die Biologie aufbaute und (iii) Fragen nach dem Ursprung des Lebens oder auch nach dem Ursprung des Universums sind nach wie vor von großem öffentlichen Interesse, da sie ja Antworten auf die brennende Frage bieten : "Woher kommen wir Menschen?"

Abbildung 1. Erwin Schrödinger (1887 -1961) um 1933 - als er den Nobelpreis erhielt und sein bahnbrechendes, 1944 erschienenes kleines Büchlein "What is Life". (Beide Bilder sind gemeinfrei)

„Was ist Leben?“ erschien unmittelbar bevor die Revolution in der Biologie - das Denken in molekularen Strukturen - einsetzte. Zahlreiche der berühmtesten Forscher - darunter die Entdecker der Doppelhelix-Struktur der DNA, James Watson, Francis Crick, Maurice Wilkins, der Genetiker Max Delbrück, der Phagenforscher Gunter Stent und der Neurophysiologe Seymour Benzer - äusserten durch Schrödingers Buch maßgeblich inspiriert und zu ihren Arbeiten ermutigt worden zu sein.

Die Begeisterung für „Was ist Leben?“ und sein starker Einfluss auf junge Wissenschaftler, insbesondere auf Physiker, stehen allerdings in krassem Gegensatz dazu, wie einige Top-Experten den wissenschaftlichen Inhalt bewerteten. Der für seine Arbeiten zur "Natur der chemischen Bindung" berühmte Linus Pauling, Max Perutz, der die Kristallstruktur des Hämoglobins aufklärte und der oben erwähnte Francis Crick - alle drei waren für ihre Arbeiten mit dem Nobelpreis ausgezeichnet worden - äußerten sich sehr kritisch. So regte sich Linus Pauling über Schrödingers Metapher von Organismen auf, die sich von „Negentropie“ ernähren, d.i. dass diese - anstatt in einen Zustand wachsender Unordnung zu geraten (beschrieben durch die Zustandsgröße "Entropie") und schlussendlich zu zerfallen - sich selbst strukturieren und diese Ordnung auch an die Nachkommen weitergeben, indem sie "Ordnung aus der Umgebung" aufnehmen. Pauling's Hauptargument war, dass das energetische und entropische Gleichgewicht der lebenden Zelle bereits verstanden wurde, als Schrödinger seine Vorlesungen hielt, dass die durch das zelluläre Adenosintriphosphat (ATP) - die „energetische Währung des Lebens" - bereitgestellte freie Energie eine viel größere energetische als entropische Komponente hat, und damit Freie Energie anstelle von Entropie in isothermen Systemen eine geeignete thermodynamische Funktion darstellt.

Max Perutz und Francis Crick kritisierten insbesondere Schrödinger's Verwendung des Begriffs „aperiodischer Kristall“. Makromoleküle und Polymere waren ja bereits seit Anfang der zwanziger Jahre durch die Arbeiten von Hermann Staudinger, Hermann Mark und anderen bekannt und sind keine Kristalle in dem Sinne, dass sie flexibel sind und keine Festkörperstruktur aufweisen. Laut dem Wissenschaftshistoriker Horace Judson erschienen Francis Crick einige Details von Schrödingers Wissenschaft „in ihrer Unbeholfenheit fast peinlich", er ätzte: "ich nehme an, der Mann hatte noch nie von einem Polymer gehört!"

Ein wichtiges Thema, auf das Schrödinger richtig hinwies: Wann immer eine Sequenz mittlerer Länge vorliegt, die aus mehreren Arten von Monomeren aufgebaut ist, kann aufgrund der „kombinatorischen Komplexität“ die Zahl möglicher Kombinationen das Universum leicht füllen. Wie wir aus dem Morse-Alphabet oder den Computercodes wissen, reichen zwei Symbole aus.

Wichtig und einflussreich war auch Schrödingers Ansicht, dass das Chromosom die Informationen für die nachkommenden Zellen der Zukunft in codierter Form zusammen mit der Maschinerie zur Herstellung der Zelle enthält. Damit formulierte Schrödinger hier erstmals das Konzept eines genetischen Codes; er irrte aber - wie es der britische Evolutionsbiologe Sidney Brenner ausdrückte "insofern als Chromosomen zwar die Information über den zukünftigen Organismus und eine Beschreibung der Mittel enthalten, um diese umzusetzen, aber nicht die Mittel selbst".

…zu Strukturen biologischer Makromoleküle…

Vor der Möglichkeit die Schrödinger-Gleichung auf Probleme in der Quantenchemie anzuwenden wurden Strukturen von Molekülen im Wesentlichen mittels "Haken und Ösen"-Modellen aufgebaut, wobei die Bindungseigenschaften der Atome aus empirischen Beobachtungen und dem Periodensystem abgeleitet wurden. Schrödingers Wellengleichungen erwiesen sich als sehr nützlich für die Analyse und Beschreibung chemischer Bindungen in kleinen und mittelgroßen Molekülen. Forscher wie Linus Pauling (s.o.) und der theoretische Chemiker Charles Coulson machten die Quantenchemie populär und der Erfolg in den Anwendungen führte zu den berühmten Aussagen:

"Es besteht kein Zweifel, dass die Schrödinger-Gleichung die theoretische Grundlage der Chemie darstellt.“ (Linus Pauling)

"Die grundlegenden Gesetze, die für die mathematische Behandlung eines großen Teils der Physik und der gesamten Chemie erforderlich sind, sind somit vollständig bekannt, und die Schwierigkeit liegt nur in der Tatsache, dass die Anwendung dieser Gesetze zu Gleichungen führt, die zu komplex sind, um gelöst zu werden." (Paul Dirac)

Die Natur chemischer Bindungen wurde korrekt als quantenmechanische Eigenschaft verstanden. Da Chemiker Struktur mit Reaktivität und Funktion korrelieren, wurden und werden viele und große Anstrengungen unternommen, um präzise molekulare Strukturen zu bestimmen. Die im Zentrum der zellulären Biologie stehenden Moleküle, insbesondere Proteine (später auch Nukleinsäuren), wurden als lineare Polymere mit einem periodischen Molekülgerüst und Seitenketten erkannt, die aus mehreren Klassen von Monomeren - d.i. aus 20 Aminosäuren bereitgestellt wurden. Anfangs wurden bekannte, aus kleinen Untereinheiten bestehende Strukturen mittels Modellen zusammengesetzt: der erste Triumph der Strukturvorhersage durch Modellierung war Paulings α-Helix, die später in Polypeptiden und Proteinen nachgewiesen wurde (s.u.).

Die Anfänge der Molekularbiologie sind eng mit der Strukturaufklärung von Biomolekülen in kristallisierter Form mittels Röntgenanalyse verbunden. Die einflussreichste und spektakulärste Strukturvorhersage für ein Biopolymer - der DNA - gelang Watson und Crick aus den Daten der Röntgenbeugung und löste eine wahre Revolution in der Biologie aus. Die postulierte Struktur der DNA in Form einer Doppelhelix weist auf mögliche Mechanismen für zwei biologische Schlüsselprozesse hin (Abbildung 2):

(i) wie genetisches Material dupliziert wird (dazu Watson und Crick (1953): "Es ist unserer Aufmerksamkeit nicht entgangen, dass die von uns postulierte spezifische Paarung, einen möglichen Kopiermechanismus für das genetische Material nahelegt.)" und

(ii) die einfachste Art von Mutationen, sogenannter Punktmutationen, durch Ersatz eines einzelnen Nukleotids.

Abbildung 2 . Die von Watson und Crick postulierte Basenpaarung von Adenin (A)-Thymin (T) und von Guanin (G) - Cytosin (C) legt einen möglichen Kopiermechanismus für das genetische Material nahe und macht Punktmutationen (roter Stern) verständlich (die Replikation erfolgt hier mit Hilfe der Polymerase-Kettenreaktion unter Verwendung der bakteriellen Taq-Polymerase).

Etwa zur gleichen Zeit wie die DNA-Struktur wurden die ersten vollständigen Proteinstrukturen in molekularer Auflösung veröffentlicht - eine übliche Unterstruktur globulärer Proteine waren die von Pauling vorhergesagten α-Helices. Der schnelle technische Fortschritt in der Kristallstrukturanalyse, insbesondere als bald Computer für die umfassende Berechnung der Beugungsspektren eingesetzt wurden, machte nur das Wachstum ausreichend großer Einkristalle zum zeitlich limitierenden Schritt in der Bestimmung von immer mehr Proteinstrukturen.

…und wie ihre Funktionen zusammenhängen

Nicht zuletzt von Schrödingers „Was ist Leben?“ inspiriert suchten Molekularbiologen nach einem Code, mit welchem die in der DNA gespeicherten Informationen in Proteine übersetzt werden. Ein derartiger Code wurde bald identifiziert : eine Kombination von jeweils drei der vier Nukleobasen - Adenin (A), Thymin (T), Guanin (G) und Cytosin (C) - kodieren für jeweils eine Aminosäure; die Zuordnung dieser Triplettcodons zu den zwanzig einzelnen Aminosäuren wurde in wenigen Jahren entschlüsselt .

Die nächste wichtige Erkenntnis war, dass der Code für alle Organismen universell ist (eine kleine Zahl von Modifikationen ausgenommen, die später in den Standardcode aufgenommen wurden) . Jede Nachricht kann von der genetischen Maschinerie interpretiert werden: Drei „Nonsense Triplets“ kodieren für das Ende der Polypeptidkette.

Mit der Entdeckung der Genregulation in Bakterien durch François Jacob und Jacques Monod war ein zunächst noch vereinfachte, aber dennoch vollständiges dynamisches Bild der primitiven Zelle fertiggestellt.

Alle Strukturen und Prozesse konnten und können mit Hilfe der Chemie vollständig verstanden und interpretiert werden (Abbildung 3): Proteine wirken als vielseitige und enorm spezifische Katalysatoren für die verschiedenen Reaktionen in der Zelle, die Nukleinsäurechemie erklärt den Zusammenhang zwischen Genetik und Proteinsynthese.

Abbildung 3. Zentrale Vorgänge in der lebenden Zelle: Replikation (pink), die exakte Verdoppelung des Informationsträgers DNA, Proteinsynthese (gelb), die in zwei Gruppen von Prozessen abläuft i) der Transkription, in der von einem DNA-Abschnitt eine komplementäre RNA-Kopie erstellt wird und ii) die Translation welche die RNA-Sequenz entsprechend dem genetischen Code in eine Proteinsequenz übersetzt, Metabolismus (blau), der die Bausteine zur Synthese der Biopolymeren herstellt.

Sowohl von der wissenschaftlichen Gemeinschaft als auch von der Öffentlichkeit wurde die neue Disziplin Molekularbiologie mit großer Begeisterung aufgenommen. Ein anschauliches Beispiel ist eine österreichische Fernsehproduktion in zehn Teilen im Jahr 1978 mit dem Titel "Alles Leben ist Chemie", die von dem Historiker Hellmut Andics produziert und dem berühmten, bereits erwähnten Polymerenchemiker Herrmann Mark vorgestellt wurde und enormes öffentliches Interesse erweckte.

Was ist anders in Chemie und Biologie?

Schrödingers Traum von neuen physikalischen Gesetzen, die in der Biologie zu entdecken wären, ist zumindest bis jetzt nicht Wirklichkeit geworden.

Ist Biologie also nichts anderes als Chemie mit größeren Molekülen, die aus einer Gruppierung von Atomen des Periodensystems aufgebaut sind?

Ist die Zelle eine viel komplexere chemische Fabrik - im Sinne der Theorie des sich selbst reproduzierendem Automaten, die der Mathematiker John von Neumann entwickelte?

Oder gibt es in der Biologie grundlegende Merkmale, die in der Chemie unbekannt oder zumindest ungewöhnlich sind? Zweifellos könnte man eine große Anzahl solcher Merkmale aufzählen, aber ich werde mich hier auf drei beschränken, die mit Schrödingers "Was ist Leben?" zusammenhängen: (i) biologische Evolution, (ii) Komplexität molekularer Strukturen, und (iii) Digitalisierung chemischer Informationen:

Biologische Evolution

Die erste charakteristische Eigenschaft biologischer Einheiten - Viren, Bakterien, Zellen und höhere Organismen - ist ihre Fähigkeit zur Evolution. Zwangsläufig hat die Biologie eine historische Komponente, nicht aber die Chemie. Jeder Organismus ist Träger von Informationen über seine Phylogenese und der Vergleich von DNA-Sequenzen hat sich bei der Rekonstruktion von genetischen Stammbäumen als äußerst nützlich erwiesen. Abbildung 4.

Abbildung 4. Ein hypothetischer phylogenetischer Baum der Lebewesen (basierend auf den ribosomalen RNA-Genen) zeigt die drei Domänen Bakterien, Archaea und Eukaryoten (Bild: aus Wikipedia, gemeinfrei)

Basis für die Evolution ist das Zusammenspiel von Variation und Selektion in einem über viele Generationen gehenden Multiplikationsprozess.

Variation in der Natur ist das Ergebnis zweier Prozesse: (i) Mutation- d.i. eine Änderung der Nukleotidsequenz und (ii) Rekombination - d.i. Mischen von Genvarianten.

Für Selektion ist allein die Anzahl der Nachkommen in den kommenden Generationen - die sogenannte Fitness - maßgeblich. Natürliche Selektion kann in Form von zwei Prozessen leicht mathematisch dargestellt werden: als Reproduktion unter begrenzten Ressourcen(Verhulst-Gleichung) und als chemische Kinetik der einfachen Replikation in einer Population.

Häufig wird nach der Optimalität der durch einen evolutionären Prozess erzeugten Entitäten, gefragt. Diese ist für das Überleben zukünftiger Generationen als solche nicht erforderlich. Erfolgreicher Wettbewerb muss nur besser sein, d. i. mehr Nachkommen als die Konkurrenten erzeugen. Im Gegensatz zu Ingenieuren kann die Natur nicht von Grund auf neu designen, sondern muss mit oder ohne geringfügige Modifikationen aus den vorhandenen Materialien bauen. Der Genetiker François Jacob hat dies so ausgedrückt: „Die Evolution entwirft nicht mit den Augen eines Ingenieurs, die Evolution arbeitet wie ein Bastler.“

Komplexität molekularer Strukturen

Das zweite Merkmal von zellulären Katalysatoren - Proteinen oder RNA-Molekülen - ist eine enorme strukturelle Komplexität, die sonst in der Chemie nicht anzutreffen ist. Zwei natürliche "molekulare Maschinen", die biologische Kernprozesse ausführen, können hier als Beispiele dienen: i) Die ungemein effiziente DNA-Replikationsmaschinerie der Zelle, welche Enzyme aus mindestens sechs Klassen umfasst, RNA-Primer und Einzelstrang-Bindungsproteine (Abbildung 5a) und ii) die Proteinsynthese-Fabrik des Ribosoms, ein großer Komplex von RNA-Molekülen und Proteinen, die durch Übersetzung (Translation) einer kodierenden Messenger-RNA mittels sogenannter Transfer-RNAs eine neue Polypeptidkette synthetisieren. (Abbildung 5b)Die katalytische Aktivität des Ribosoms wird von den ribosomalen RNA-Molekülen ausgeübt, während die Proteine die Aufgabe erfüllen, die RNA in präzisen räumlichen Positionen zu halten.

Abbildung 5. Hochkomplexe molekulare Maschinen, die Schlüsselfunktionen in der Zelle innehaben: A) die Replikation der DNA und B) die Peptid/Proteinsynthese am Ribosom. (Beide Bilder stammen aus Wikipedia und sind gemeinfrei.)

Digitalisierung chemischer Informationen

Die Unterschiede welche die Stärke von Molekül-Wechselwirkungen in der Chemie bewirken, können in der Biologie durch Ja-Nein-Entscheidungen ersetzt werden. Als Beispiel diene die Basenpaarung in der DNA-Doppelhelix: Die Stärke mit der die beiden Basenpaare A - T (über zwei Wasserstoffbrücken) und G -C (über drei Wasserstoffbrücken) binden, unterscheidet sich um eine Größenordnung (Abbildung 6). Dennoch erscheinen die beiden Paare in der Doppelhelix mehr oder weniger äquivalent. Die Wasserstoffbindungen bestimmen zwar die Geometrie der Doppelhelix, haben aber fast keinen Einfluss auf ihre Stabilität, da in den Einzelsträngen Wasserstoffbrücken zum Wasser gebildet werden. Fazit: zwei Nukleotide bilden ein Basenpaar oder bilden eben kein Basenpaar.

Abbildung 6: Ausschnitt aus der DNA-Doppelhelix: Die Bindung des Guanin-Cytosin Basenpaares über 3 Wasserstoffbrücken ist um eine Größenordnung fester als die Bindung des Adenin-Thymin Basepaares über 2 Wasserstoffbrücken. (Bild: gemeinfrei)

[1] Erwin Schrödinger (1944): What is Life? The Physical Aspect of the Living Cell. http://www.whatislife.ie/downloads/What-is-Life.pdf (open access)

*Der vorliegende Artikel ist eine stark gekürzte, vereinfachte Fassung des Vortrags , den der Autor anlässlich des 75 jährigen Jubiläums von Schrödingers "What is Life?" am 18.11.2019 im Erwin Schrödinger Institut (Wien) gehalten. Eine reich bebilderte und mit vielen Literaturzitaten versehene ausführliche Fassung (in Englisch) findet sich auf der Homepage des Autors: https://www.tbi.univie.ac.at/~pks/Presentation/wien-esi19text.pdf und https://www.tbi.univie.ac.at/~pks/Presentation/wien-esi19.pdf .

Weiterführende Links

Erwin Schrödinger - Unsere Vorstellungen von der Materie (Originalvortrag 1952). Video 1:10: 53 h.
What is Life? Hommage an Erwin Schrödinger von Sir Paul Nurse (Nobelpreis 2001 für die Entdeckung von Schlüsselregulatoren der Zellteilung und -reifung). Imperial College, London, Video (2011) 1:05:25 h.
The Double Helix: Aufklärung der Struktur durch Crick & Watson, alte Archivaufnahmen und Interviews; 16:53 min.
Entstehung des Lebens – Abiogenese (10 minütige Diashow in deutsch; dies ist eine Übersetzung von "The Origin of Life - Abiogenesis"