Ohne die Ideen von Nobelpreisträgern gäbe es weder Computer noch Bluttests. Strikten Anwendungsbezug fordern viele von der Forschung. Wie dumm eine so einspurige Ausrichtung sein kann, zeigt ein Blick auf scheinbar wildfremde Grundlagenforschung. Selbst die Quantenmechanik hat zu Produkten geführt.
Ich habe schon früh entdeckt, daß man als Wissenschaftler die Welt stärker verändern kann, als Cäsar oder irgendein anderer Feldherr das vermocht haben. Und während man dies tut, kann man ganz ruhig in einer Ecke sitzen.” Diese Worte stammen von Nobelpreisträger Max Delbrück, und der hatte einen anderen Nobelpreisträger vor Augen, als er sich so äußerte: Albert Einstein, der sich 1905 um die Frage kümmerte, ob die Masse (m) eines Körpers eine unveränderliche Größe ist – wie in der gesamten Physik bis dato als selbstverständlich angenommen – oder ob sie von seiner Energie (E) abhängt.
Einstein stellte bei seinem Nachdenken fest, daß die Antwort auf letzteres “Ja” heißt und mathematisch im Ausdruck m = E/c2 steckt, wobei c die Lichtgeschwindigkeit darstellt.
Wie diese Formel nach einer kleinen Umstellung als E = m × c² die Welt verändert hat, weiß man spätestens seit der Zeit, als die ersten Atombomben am Ende des Zweiten Weltkriegs detonierten. Sie demonstrierten in furchtbarer Weise, wieviel Energie aus wenig Materie freigesetzt werden kann. Den Nobelpreis für Physik 1921 hat Einstein aber nicht bekommen, weil er als erster die Beziehung zwischen Energie und Masse erkannte.
Die Schwedische Akademie der Wissenschaften hat vielmehr seinen Beitrag zur Erklärung der Natur von Licht ausgezeichnet, der ebenfalls von 1905 stammt.
Einsteins Hypothese über die Existenz von Lichtpartikeln – den Photonen – ermöglichte einen maßgeblichen Schritt zur umfassenden Theorie der Materie, die heute unter dem Namen Quantenmechanik bekannt ist.
Erst durch die Quantenmechanik hat man verstanden, wie es um Aufbau und Stabilität der Atome bestellt ist. Erst durch die Quantenmechanik wurde das Periodensystem der Elemente verstanden, also das chemische Ordnungsprinzip durch eine atomare Erklärung plausibel. Dafür haben unter anderem Niels Bohr (1922), Wolfgang Pauli (1945) und Ernest Rutherford (1908) Nobelpreise bekommen – die ersten beiden für Physik und der andere für Chemie.
Ohne die Quantentheorie wären Festkörper und ihre Fähigkeiten in großen Teilen ein Rätsel geblieben, weil nur so zu verstehen ist, wie etwa in Metallen einzelne Elektronen ihr Atom verlassen können, um sich in der Kristallstruktur zu bewegen und so für Leitfähigkeit sorgen. Der Siegeszug der Halbleiter hätte nicht stattgefunden. Denn bis dahin wußte niemand, wie durch Einbau von Fremdatomen in eine Kristallstruktur das Angebot an Elektronen gesteuert und damit die Leitfähigkeit manipuliert werden können. Man hätte nie Transistoren austüfteln, keine großen Raketen bauen und nicht zum Mars fliegen können. Moderne Computer und integrierte Schaltkreise gäbe es bis heute nicht.
Wie abhängig wir von Transistoren sind, für deren Entwicklung 1956 der Nobelpreis der Physik an die Amerikaner William Shockley, John Bardeen und Walter Brattain verliehen wurde, offenbart ein Blick in einen Supercomputer. Der weltgrößte dieser Art steht bei den Sandia National Laboratories in New Mexico (USA) und enthält rund 40 Milliarden Stück davon.
Ohne die Quantenmechanik gäbe es schließlich weder Maser noch Laser, weil ein sogenannter angeregter Zustand, aus dem heraus Atome durch Quantensprünge Licht oder andere Strahlung abgeben, gar nicht wissenschaftlich zur Debatte gestanden hätte. Für die Entdekkung des Laser/Maser-Prinzips wurden 1964 zwei russische und ein amerikanischer Physiker vom schwedischen König ausgezeichnet: Nikolai Gennadiewitsch Bassow, Alexander Michailowitsch Prochorow sowie Charles H. Townes.
Laser prägen unsere heutige Welt grundlegend: Ihr Einsatz revolutionierte die Operationstechnik in der Medizin, und sie führten zu ungekannten Klangqualitäten bei Musikkonserven. Sie ermöglichten freilich auch völlig neue Waffensysteme.
Es gibt nur noch einen Zweig der Nobel-notablen Naturwissenschaft, der unsere moderne Zivilisation ähnlich stark geprägt hat wie die Quantenmechanik: die Molekularbiologie. Ihr Wegbereiter waren Leute wie der Deutsche Max Delbrück, der Italo-Amerikaner Salvador Luria oder der Amerikaner Alfred Hershey, die 1969 mit dem Nobelpreis für “Physiologie oder Medizin” (so heißt der Preis offiziell) ausgezeichnet wurden. Neue Medikamente, Pflanzen, die sich selber düngen oder die Gentherapie als letzte Hoffnung für Schwerstkranke sind Beispiele für den Anwendungsbezug der theo-retischen Vorarbeiten.
Delbrück und seine Kollegen haben gezeigt, daß auch Bakterien und Viren Gene haben, daß man also auch mit diesen Mikroorganismen Genetik treiben und so die Wissenschaft von der Vererbung erheblich präzisieren und zugleich beschleunigen kann. Zum einen vermehren sich diese mikroskopischen Formen des Lebens sehr rasch. Zum zweiten kann man gewaltige Mengen davon züchten, was zu stichhaltigen Ergebnissen führt.
Als Delbrück Mitte der dreißiger Jahre die Tür zur heutigen Molekularbiologie einen Spalt öffnete, dachte er in Berlin darüber nach, ob die neue Theorie der Atome – die Quantenmechanik – auch in der Lage sei, zu einer Theorie der Gene beizutragen. Bis dahin wußten die Biologen, daß eine Mutation ebenso stabil sein kann wie die ursprüngliche Form des Gens. Andererseits sahen die Forscher, daß Röntgenstrahlen Gene verändern. Delbrück zeigte damals, daß beide Eigenschaften zu erklären waren, wenn man annahm, daß Gene aus vielen Atomen bestehen. Unter dieser Voraussetzung gelang es, die bis dahin getrennt von den physikalischen und chemischen Wissenschaften betriebene Genetik unter ein gemeinsames Dach zu bringen: die Molekularbiologie.
Natürlich reicht das reine Denken nicht, um die Welt zu verändern. Anschließend müssen Praktiker die Sache in die Hand nehmen, um zu zeigen, daß der Gedanke tragfähig ist. Sie hat es in der Biologie beziehungsweise der Genetik bald auch gegeben, zum Beispiel in dem amerikanischen Gespann Edward Tatum und George Beadle, die 1958 mit dem Medizin-Nobelpreis ausgezeichnet wurden für ihren Nachweis, daß Gene für Enzyme sorgen, wobei unter “Enzym” ein Molekül verstanden wird, das chemische Reaktionen in biologischen Zellen katalysieren kann.
Beadle und Tatum haben damit erstmals gezeigt, daß eine zentrale Einheit der Biologie – ein Gen – mit einer Grundgröße der Chemie – einem Enzym – verbunden ist, daß also Gene als Moleküle verstanden und vermessen werden können, genau wie der Physiker Delbrück gezeigt hatte.
Auch die Gentechnik ist von einem Wissenschaftler ersonnen worden, der zunächst nicht praktische Anwendungen im Sinn hatte. Der Schweizer Werner Arber bemerkte in den späten sechziger Jahren als erster, daß in Zellen Erbmaterial gezielt zerschnitten wird.
Später wiesen er und seine Kollegen nicht nur nach, daß dies im Reagenzglas ebenfalls geht. Sie begriffen auch, was dabei mit den Erbmolekülen passiert. Die Gentechnik war geboren, für deren Grundlegung es 1978 und 1980 Nobelpreise gab. Ausgezeichnet wurden dabei neben Arber die Amerikaner Paul Berg, Daniel Nathans und Hamilton Smith.
Man mag sich fragen, warum es zwar Nobelpreise für Physik und Chemie, nicht aber für Biologie und auch nicht für Genetik gibt. Zum einen kam das Wort “Genetik” erst auf, als der Preisstifter Alfred Nobel längst tot war. Zum zweiten waren von der Biologie zu Nobels Lebzeiten keinerlei Fortschritte für die Menschheit zu erwarten, die Nobel auszeichnen und somit fördern wollte. Die von ihm eingeführte Sparte “Physiologie oder Medizin” ist zum Glück dehnbar genug, um molekularbiologische Arbeiten zu würdigen.
Auch die Biochemie gab es damals noch nicht. Trotzdem haben inzwischen eine Reihe von Biochemikern Nobelpreise bekommen. Einer der größten Biochemiker aller Zeiten war Otto Warburg, der 1931 den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin erhielt.
Warburg hat wie kein anderer biochemische Nachweisverfahren ersonnen und einsatzfähig gemacht. Sie veränderten den Alltag – nicht nur in medizinischen Labors und ärztlichen Sprechzimmern, sondern auch im Straßenverkehr. Selbst der Blutalkoholtest geht auf Warburg zurück.
Während der Biochemiker Warburg nur als Mediziner zu Nobelehren kommen konnte, werden in jüngerer Zeit molekularbiologische Nachweisverfahren auch mit dem Chemiepreis geehrt. 1980 wurde der Brite Frederick Sanger und der Amerikaner Walter Gilbert für zwei Methoden zur Analyse von DNA ausgezeichnet. 1993 erhielt der US-Forscher Kary Mullis für seine inzwischen berühmte Polymerase-Ketten-Reaktion zur beliebig großen Anreicherung von DNA-Molekülen den Preis.
Ihren Anfang hatte die Molekularbiologie genommen, als die Struktur der genetischen Moleküle durch Francis Crick und James Watson beschrieben wurde. 1953 schlugen die beiden die legendäre Doppelhelix vor, für die sie 1962 vom schwedischen König den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin bekamen.
Die Doppelhelix konnte nur entdeckt werden, weil man mit Hilfe der Quantenphysik gelernt hatte, daß Gene Moleküle sind. Die Quantenphysik stand schließlich auch Pate, als man erstmals versuchte, die Struktur von kristallinen Molekülen mit Röntgenstrahlen zu analysieren.
Entdeckt wurden diese überraschenden Beziehungen mit Hilfe der Quantenmechanik. Diese Theorie ist mit den Namen Werner Heisenberg (Nobelpreis 1932) und Erwin Schrödinger (1933) verbunden. Vor allem die Form, die Schrödinger mit der nach ihm benannten Gleichung der neuen Atomphysik geben konnte, brachte ein phantastisches Ergebnis.
Die Schrödinger-Gleichung, zunächst nur für die Bewegung eines Elektrons in einem Atom konzipiert, war so umfassend, daß sie auch das Umlaufen von zwei und mehr Elektronen um zwei und mehr Atomkerne beschreiben konnte und verdeutlichte, was man “chemische Bindung” nennt. Das heißt, Physik und Chemie hatten auf einmal eine gemeinsame Wurzel. Als später die Biologie noch hinzukam, erwies sich die Quantenmechanik als universelle Theorie der Materie, die von den Kernen bis zu den Sternen reicht. Sie hat sich bis heute in Millionen Experimenten als verläßlich und korrekt erwiesen.
Als erster Quantenphysiker wurde Max Planck 1918 mit dem Nobelpreis ausgezeichnet. Planck hatte im Jahr 1900 entdeckt, daß Energie nicht in beliebig kleinen Mengen auftreten kann, sondern nur in Paketen bestimmter Mindestgröße: den Quanten. Planck mußte das sogenannte Wirkungsquantum in die Physik einführen, um zu verstehen, welche Farben ein schwarzer Körper annehmen kann, wenn man ihn so stark erhitzt, daß er zu glühen beginnt. Zunächst dachte er nur an eine mathematische Hilfsgröße. Daß es dieses unstete Element der Natur aber tatsächlich gibt, hat Einstein mit seinen Überlegungen zur Natur des Lichts klargemacht.
Durch die Arbeiten von Planck und Einstein zu Beginn des 20. Jahrhunderts wandelte sich die Physik vollständig. Warum brauchte das Nobelkomitee dann so lange, um diese Leistungen auszuzeichnen? – Bei Planck immerhin 18 und bei Einstein 16 Jahre.
Die Antwort steckt in der Tatsache, daß Planck, Einstein sowie deren Nachfolger Bohr, Pauli, Heisenberg oder Schrödinger die traditionelle Physik völlig umkrempelten und so zu den Vätern einer neuen Physik wurden – der Theoretischen Physik. Dies mußte von der etablierten Wissenschaft erst mal akzeptiert werden.
Als Nobel an seinem Testament und damit an seiner Stiftung arbeitete, gab es diesen Teil der Wissenschaft noch nicht. Der schwedische Industrielle glaubte, daß nur praktische Beobachtungen und Ergebnisse zu den Verbesserungen für die Menschheit führten, die er fördern und auszeichnen wollte.
Der erste Physik-Preisträger überhaupt war denn auch ein idealer Fall. Wilhelm Conrad Röntgen legte die physikalische Grundlage für ein inzwischen unentbehrliches Diagnoseverfahren, das längst über die Kreise der Medizin hinaus wirkt und selbst in der Werkstoff-Forschung eine bedeutende Rolle spielt. Kein anderer Nobelpreisträger – ausgenommen vielleicht Einstein – wurde je populärer. Manche mit dem Nobelpreis gekürten Wissenschaftler fanden immerhin Eingang in die Fachsprache: Radioaktivität wird in Curie und Becquerel gemessen – die Träger der Namen haben ihre Preise 1903 bekommen. Molekulare Wechselwir-kungen werden als Van-der-Waals-Kräfte bezeichnet – der holländische Träger des Namens wurde 1910 geehrt. Es gibt einen Krebs-Zyklus in der Biochemie des Stoffwechsels – dessen Entdecker, Hans Adolf Krebs, wurde 1953 ausgezeichnet.
Heute, da fast alles nach ökonomischen Gesichtspunkten bewertet wird, hat es die Grundlagenforschung schwer, sich Gehör zu verschaffen. Institute werden geschlossen, wenn die Verantwortlichen nicht rasch mit praktischen Ergebnissen zur Hand sind. Die eindimensionale Sicht vieler Manager und Politiker – nur angewandte Forschung ist bezahlbare Forschung – führt dazu, daß es auch guten Forschern immer weniger vergönnt ist, scheinbar ruhig in einer Ecke zu sitzen und sich etwas auszudenken, von dem niemand auch nur ahnt, wie sehr es die Welt verändern wird.
Infos im Internet Die offizielle Web-Site der Stiftung: http://www.nobel.se/
Preisträger im Überblick: http://www.almaz.com/nobel/
Ernst Peter Fischer
