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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

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Presentation Transcript
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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?“
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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.
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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?

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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
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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?
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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
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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
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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.