Mexiko: ein wichtiger Technologie-Standort

Zwei Stelen von der mexikanischen Ausgrabungsstätte Monte Alban. Auf ihnen ist einer der ältesten Kalender Amerikas dargestellt. Bild: Siyajkak, CC BY-SA 3.0

Zwei Stelen von der Ausgrabungsstätte Monte Alban im Bundesstaat Oaxaca in Südmexiko. Auf ihnen ist einer der ältesten Kalender Amerikas dargestellt. Bild: Siyajkak, CC BY-SA 3.0

Nicht viele Menschen wissen, dass Mexiko der weltweit größte Hersteller von Flachbildfernsehern ist, oder dass die erste Universität dort schon 1551 eingerichtet wurde. Mexiko kann auf eine lange und vielfältige Wissenschaftsgeschichte zurückblicken. Die Olmeken waren eines der wenigen Völker, die die Zahl ‘Null’ verwendeten. Die Astronomen und Mathematiker der Maya perfektionierten ihre Anwendung, zum Beispiel in dem berühmten Maya-Kalender. Mit dessen Hilfe wurde der Zeitpunkt für die meisten wichtigen Ereignisse bestimmt: von der Aussaat über Zeremonien und Feste bis hin zu politische Entscheidungen.

Daher gibt es also auf der einen Seite typisch mexikanische Forschungsthemen, wie die Erforschung der Kulturen der Maya, der Azteken und der Olmeken oder die Erforschung des Chicxulub-Kraters. Schon 1980 formulierte der amerikanische Physiknobelpreisträger Luis Alvarez die Theorie, dass ein gewaltiger Einschlag eines Asteroiden oder Kometen für das Aussterben der Dinosaurier vor ungefähr 66 Millionen Jahren mitverantwortlich sein könnte. Ein solcher Einschlag würde eine Art ‘Nuklearen Winter’ auslösen, der wiederum die Photosynthese von Pflanzen und Plankton weitgehend unterbindet, sodass die meisten Nahrungsketten zusammenbrechen würden. Er erarbeitete diese sogenannte Alvarez-Hypothese gemeinsam mit seinem Sohn Walter Alvarez, einem Professor für Geologie in Berkeley. Als in den 1990er Jahren der Chicxulub-Krater entdeckt wurde, bekam diese Theorie einen enormen Auftrieb.

Auf der anderen Seite hat Mexiko auch zahlreiche Beiträge zur internationalen Forschung geleistet. Ein frühes Beispiel aus der Chemie ist die Entdeckung des Elements Vanadium im Jahr 1801 durch Andrés Manuel del Río, Professor für Chemie und Mineralogie am 1792 eingerichteten Seminario de Minería, einer Bergakademie. Hundert Jahre später wurde Vanadium zur Verstärkung von Stahl eingesetzt, als Henry Ford das Fahrgestell seines Model-T aus Vanadium-Stahl fertigen ließ. Dieses Material war leichter als gewöhnlicher Stahl, hatte aber eine bessere Festigkeit und Zähigkeit und war deshalb auch besser gegen Verschleiß geschützt. Noch heute wird Vanadium zur Verstärkung von Stahl verwendet, außerdem ist Vanadiumpentoxid ein häufiger Katalysator in der Produktion von Schwefelsäure.

Henry Fords Auto ist ein frühes Beispiel der engen wirtschaftlichen und technischen Verflechtung mit den Vereinigten Staaten. Mexiko ist mittlerweile zum größten Hersteller von Flachbildfernsehern aufgestiegen, meist erfolgt die Endfertigung in Mexiko. Für die USA ist der Nachbar im Süden der zweitgrößte Lieferant technischer Geräte nach China, allen voran Smartphones und Tablets. Das amerikanische Freihandelsabkommen NAFTA, 1994 in Kraft getreten, hat diese engen Beziehungen in den letzten 20 Jahren noch intensiviert. Und obwohl der amtierende US-Präsident im Wahlkampf mit der Abschaffung dieses Abkommens drohte, bleibt es nun erst einmal bestehen.

 

Das Rektoratsgebäude des Monterrey Institute of Technology (links) und die modernen Gebäude von CETEC, einer weiterführenden Hochschule in Monterrey,. Foto: Creative Commons Monterrey, CC BY-SA 3.0

Das Rektoratsgebäude des Monterrey Institute of Technology (links) und die modernen Gebäude von CETEC, einer weiterführenden Hochschule in Monterrey. Foto: Creative Commons Monterrey, CC BY-SA 3.0

 

Der Aufschwung des Technologie-Sektors war nur möglich, weil Mexiko eine große Zahl gut ausgebildeter Arbeitskräfte hat, die in den vergangenen Jahrzehnten bei ausländischen Automobil- oder Pharmafirmen Erfahrungen sammeln konnten. Und die Nähe zu den USA ist natürlich unschlagbar. Aristóteles Sandoval, Regierungschef des Bundeslandes Jalisco, fasst zusammen: “Alle Produkte, die in Jalisco hergestellt werden, können in weniger als 24 Stunden an einem beliebigen Ort in den Vereinigten Staaten sein; und die Zeitzonen sind dazu noch fast identisch.” Neben der geografischen gibt es auch eine gewisse kulturelle Nähe: Mexikaner sprechen alle amerikanisches Englisch, wenn sie Englisch können, und nicht britisches Englisch wie viele Asiaten. Darüber hinaus sind viele Mexikaner mit der nordamerikanische Kultur vertraut.

Natürlich trägt auch das Bildungswesen entscheidend zu diesem Aufschwung bei. Allein das prestigeträchtige Monterrey Institute of Technology unterrichtet über 90.000 Studenten an 31 Standorte im ganzen Land. Und sogar in den entlegenen Ecken des Landes herrscht Aufbruchsstimmung: Der Gründer des ‘Oaxaca State Universities Systems’ beispielsweise, Modesto Seara-Vázquez, betont gerne, dass die Kenntnis einer der dort verbreiteten Indianersprachen seine Studenten für das Erlernen von höherer Mathematik und Computersprachen prädestiniere, da es sich um tonale Sprachen handelt, ähnlich wie das Mandarin. Alle Studenten in dem südlichen Bundesland sprechen in der Regel mindestens drei Sprachen: Mixteco oder Zapotekisch sowie Spanisch und Englisch.

Doch wie schon der Literaturnobelpreisträger Octavio Paz schrieb: Es existieren immer zwei Mexikos parallel, ein entwickeltes und ein unterentwickeltes. Und obwohl sich die Akteure und Themen seit 1950 geändert haben, ist seine Aussage leider immer noch aktuell. Die Nachrichten, die uns aus Mexiko erreichen, handeln viel zu oft von Drogenkriegen, Drogenbossen und politischen Morden.

 

Ingenieursstudenten von UNAM bauen einen mobilen Roboter. UNAM, die Nationale Autonome Universität Mexikos, ist eine der größten und prestigeträchtigsten Hochschulen des Landes. Foto: PumitasUNAM, CC BY-SA 4.0

Ingenieursstudentinnen von UNAM bauen einen mobilen Roboter. UNAM, die Nationale Autonome Universität Mexikos, ist eine der größten und prestigeträchtigsten Hochschulen des Landes. Foto: PumitasUNAM, CC BY-SA 4.0

Es gibt Orte, da treffen die beiden Mexikos direkt aufeinander. Ein solcher Ort ist die Schranke an der Straße, die zu dem einzigen Intel-Forschungsstandort in Lateinamerika führt. Sie sieht aus wie ein militärischer Checkpoint. Innerhalb dieser Schranke geht es nicht mehr um das Zusammenschrauben von Geräten, hier werden die Apps und Chips der Zukunft erfunden. Guadalajara, die Hauptstadt von Jalisco, wird auch das ‘Silicon Valley Mexikos’ genannt, ein Titel, den sie gelegentlich mit Monterrey im Nordosten teilen muss. Hier arbeiten über 25,000 Ingenieure an der Technik von morgen, und seit 2014 flossen mehr als 120 Million US-Dollar Investitionen in Start-Up Unternehmen.

Selbst wenn einem der Abstand zwischen dem Intel-Labor auf einem Hügel oberhalb von Guadalajara und dem Elendsviertel am Fuß des Hügels gewaltig erscheint, und nicht nur in Kilometern, so kann Bildung doch einen Ausweg aus der Teilung des Landes aufzeigen. Wie der neue Bürgermeister von Guadalajara Enrique Alfaro der Washington Post anvertraute: „Absolventen, um die sich sogar Google bemüht, greifen nicht zur Waffe.“ Er deutet damit an, dass es die weit verbreitete Jugendarbeitslosigkeit den Drogenkartellen allzu leicht macht, neue Mitglieder zu rekrutieren. Letztendlich kann nur Bildung den Teufelskreis aus Armut, Drogen und Gewalt durchbrechen. Deshalb setzt der neue Bürgermeister auf MINT-Fächer an den Schulen seiner Stadt, hat ein Hightech-Gewerbegebiet eingerichtet und möchte die lokale Infrastruktur für Unternehmer verbessern. Auf nationaler Ebene hatte Präsident Enrique Peña Nieto bereits 2013 angekündigt, die Ausgaben für Forschung und Bildung deutlich erhöhen zu wollen.

Mario Molina ist der erste Mexikaner, der einen wissenschaftlichen Nobelpreis erhielt. In den frühen 1970er Jahren formulierte er, zusammen mit seinem Chef F. Sherwood Rowland, eine Theorie, wie die Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW) aus Kühlschränken, Schaumstoffen und Spraydosen in der Stratosphäre die Ozonschicht zerstören. Die beiden Forscher beschrieben, wie FCKW so lange in der Atmosphäre aufsteigen, bis sie schließlich in großer Höhe durch die Sonnenstrahlung aufgespalten werden: Das so freigesetzte Chlor zerstört daraufhin das Ozon. Die Folge war das Ozonloch, eine Ausdünnung der Ozonschicht insbesondere über der Antarktis, die eine stark erhöhte Strahlenbelastung beispielsweise in Australien zur Folge hatte. Doch Molina und Rowland veröffentlichten nicht nur ihre Ergebnisse, sie setzten sich auch öffentlich für ein Verbot der Verwendung von FCKW ein.

Nachdem die Theorie der beiden Chemiker zunächst nicht ernst genommen wurde, unterstützten die Messungen des Ozonlochs in den frühen 1980er Jahren ihre Annahmen. Schließlich wurde im Montreal-Protokoll festgeschrieben, dass alle unterzeichnenden Staaten dafür sorgen, dass in ihren Ländern keine FCKW mehr verwendet werden dürfen. Dieses Protokoll wird von vielen Experten als „wohl der erfolgreichste internationale Vertrag der Welt“ bezeichnet. Molina, Rowland und Paul Josef Crutzen erhielten für ihre Forschung zum Schutz der Atmosphäre 1995 den Chemienobelpreis. In den letzten Jahrzehnten informiert Molina Politiker und die Öffentlichkeit über die Ursachen und Wirkungen des Klimawandels – ebenso leidenschaftlich, wie er seinen Kampf gegen die FCKW geführt hat. Er ist einer der 76 unterzeichnenden Nobelpreisträger, die in der Mainau Erklärung 2015 zum Klimawandel die Regierungen der Welt auffordern, endlich wirksame Klimaschutzpolitik zu betreiben. Diese Erklärung erhält aktuell eine neue Dringlichkeit, weil der amtierende US-Präsident Trump gerade den Klimaschutz seines Vorgängers rückgängig macht.

Molina hat bereits an sechs Lindauer Nobelpreisträgertagungen teilgenommen und vier Vorträge über Klimaschutz gehalten. Wir freuen uns schon auf seinen diesjährigen Vortrag ‘Climate Change: Science, Policy and Risks’, den er am 27. Juni 2017 halten wird.

Einen Tag zuvor ist Mexiko der Gastgeber des International Day. In aller Früh wird Mario Molina am Science Breakfast teilnehmen, das von Christian González Laporte, dem Brüsseler Vertreter der mexikanischen Wissenschaftsorganisation CONACYT, moderiert wird. Am Abend hält CONACYT-Generaldirektor Enrique Cabrero Mendoza einen Vortrag über Forschung in Mexiko. Die Musikgruppe Mariachi El Dorado wird für die passende mexikanische Stimmung sorgen.

 

Mario Molina während seines Lindau-Vortrags über Klimawandel 2012. Molina studierte zuerst an der Universität UNAM, nach Auslandsstudien wurde er dort Hochschulassistent. Seit 2004 unterrichtet er an der University of California in San Diego, zuvor forschte er an der UC in Irvine, am Jet Propulsion Laboratory der NASA, sowie am MIT. In Mexico City hat er ein Institut zur Erforschung der Umwelt und der Energieversorgung gegründet. Foto:

Mario Molina während seines Lindau-Vortrags über Klimawandel 2012. Molina studierte zuerst an der Universität UNAM, nach Auslandsstudien wurde er dort Hochschulassistent. Seit 2004 unterrichtet er an der University of California in San Diego, zuvor forschte er an der UC in Irvine, am Jet Propulsion Laboratory der NASA, sowie am MIT. In Mexico City hat er ein Institut zur Erforschung der Umwelt und der Energieversorgung gegründet. Foto: Christian Flemming/LNLM

Tomas Lindahl, Entdecker der DNA-Reparatur

Heute wissen wir, dass unsere DNA jeden Tag durch UV-Strahlung, freie Radikale und andere schädliche Substanzen beschädigt wird. Und selbst ohne äußere Einflüsse unterliegt das Erbgut in unseren Zellen ständigen Veränderungen, beispielsweise während der Zellteilung. Doch in den 1960er Jahren dachte man, die DNA-Doppelhelix sei extrem stabil – ihre Struktur war erst ein Jahrzehnt zuvor entdeckt worden.

 

Tomas Lindahl bei der Nobelpressekonferenz in Stockholm im Dezember 2015. Er arbeitete viele Jahrzehnte in Großbritannien und jetzt emeritierter Direktor von Cancer Research UK/Clare Hall Laboratory. Foto: Holger Motzkau, CC BY-SA 3.0

Tomas Lindahl bei der Nobelpreis-Pressekonferenz in Stockholm im Dezember 2015. Er forschte viele Jahrzehnte in Großbritannien und ist jetzt emeritierter Direktor von Cancer Research UK/Clare Hall Laboratory. Foto: Holger Motzkau, CC BY-SA 3.0

Im Jahr 1969 machte sich Tomas Lindahl nun daran, die Stabilität oder Instabilität der menschlichen DNA experimentell zu erforschen. Diese Fragestellung galt damals als derartig abwegig, dass er sich nicht traute, Forschungsgelder hierfür zu beantragen. Stattdessen verwendete er andere Gelder, die bereits bewilligt waren.

Schon als Postdoc in den USA hatte er festgestellt, dass tRNA unter bestimmten Bedingungen erstaunlich instabil sein kann. Das widersprach zwar der herrschenden Vorstellung, dass DNA sehr stabil ist, doch da RNA in der Regel einsträngig vorkommt, könnte der fehlende Strang eine Erklärung hierfür liefern. Seine Kollegen vermuteten sogar, er hätte die Probe mit seinen Fingern verunreinigt und so unwissentlich die Ergebnisse verfälscht. Trotz aller Zweifel konnte Lindahl diese Entdeckung nicht vergessen, ebenso wenig die Frage, ob DNA nun stabil ist oder nicht.

In den USA hatte er als Erster die bis dahin unbekannten Enzyme DNA-Ligase und DNA-Exonuclease beschrieben, beide sind wichtige Komponenten der DNA-Reparatur. Doch damals „hatten wir nicht die Technik, die wir gebraucht hätten, um zu versuchen, ihre genaue Rolle in den Vorgängen im Zellinnern zu entschlüsseln“, schreibt Tomas Lindahl in seiner Autobiografie auf Nobelprize.org.

Zurück in Stockholm begann Lindahl nun ernsthaft mit der Suche nach DNA-Abbauprozessen, er hatte mittlerweile sein eigenes kleines Labor. Zunächst führte er ein paar Vorversuche durch, und „wenn diese nicht aussagekräftig gewesen wären, dann hätte ich das Projekt sang- und klanglos beerdigt“, erklärt er in seiner Nobel Lecture in Stockholm Ende 2015. Diese Versuche stellten sich jedoch als sehr vielversprechend heraus, daher plante er als nächstes eine aufwändige Versuchsreihe „um die langsame Zersetzung von DNA unter physiologischen Bedingungen zu charakterisieren und zu quantifizieren“.

Er stellte fest, dass tatsächlich einige Bausteine der DNA-Basen sich in seinen Proben von der DNA lösten. Als Konsequenz davon veränderten sich auch die verbliebenen Basen; „die wichtigste Veränderung stellt hierbei die Desaminierung von Cytosin zu Urasil dar“. Dieser Prozess wird in der Grafik unten beschrieben. ‘Desaminierung’ beschreibt den Verlust einer Aminogruppe.

Als sich Lindahl nun daran machte, die gefundenen Veränderungen zu quantifizieren, stellte er fest, dass es in jeder Säugetierzelle jeden Tag tausende DNA-Veränderungen gibt – eine Größenordnung, die die Entwicklung von Leben auf der Erde eigentlich hätte verhindern müssen. Die zwingende Schlussfolgerung war: Es muss ausgefeilte DNA-Reparaturmechanismen geben, die rund um die Uhr Fehler aufstöbern und beseitigen.

 

Base excision repair

 

Schritt für Schritt gelang es Lindahl nun, den DNA-Reparaturweg zu beschreiben, der heute als Basen-Exzisionsreparatur (base excision repair) bekannt ist. Damit das Finden, Entfernen und Ersetzen von beschädigten Nukleotiden funktionieren, müssen viele verschiedene Enzyme zusammenarbeiten. Wie bereits erwähnt, neigt das Nukleotid Cytosin dazu, eine Aminogruppe zu verlieren, das Ergebnis ist eine Base namens Uracil. Nur leider kann Uracil mit dem gegenüberliegenden Guanin keine Wasserstoffbrücken bilden. Das Enzym DNA-Glykolase entdeckt diesen Defekt und entfernt das Uracil. Weitere Enzyme beseitigen die letzten Basenreste. Das Enzym DNA-Polymerase füllt nun die Lücke mit Cytosin und DNA-Ligase verschließt am Ende den Strang: Endlich konnte Lindahl die Funktion jenes Enzyms beschreiben, das er Jahre zuvor entdeckt hatte.

Im Jahr 2015 erhielten Tomas Lindahl, Paul Modrich und Aziz Sancar den Chemienobelpreis für ihre Studien zur DNA-Reparatur. Während sich Lindahl vor allem mit dem Austausch einzelner Basen befasste, untersuchte Sancar den Austausch von größeren DNA-Abschnitten von bis zu 30 Basenpaaren. Nötig wird dieser Austausch vor allem bei typischen UV-Schäden. Modrich wiederum studierte den Prozess der Zellteilung, hierbei vor allem Basenfehlpaarungen und wie diese repariert werden können (mismatch repair).

Die von Lindahl entschlüsselte ‘Basen-Exzisionsreparatur’ ist also nicht der einzige DNA-Reparaturweg: Er ist einer unter vielen, wenn auch ein sehr wichtiger. Und wir dürfen auch nicht vergessen, dass noch nicht alle Reparaturwege bekannt sind. Wenn es also zahlreiche Reparaturwege gibt, dann benötigen diese eine noch unbekannte Anzahl von Enzymen, damit sie funktionieren. Und jedes dieser Enzyme stellt wiederum einen vielversprechenden Ansatzpunkt für neue Krebstherapien dar, denn wer die Bildung eines dieser Enzyme unterdrücken kann, der unterdrückt damit oft auch die DNA-Reparatur. Da Krebszellen ebenfalls auf solche Reparaturwege angewiesen sind, kann dies als Ansatzpunkt zur Entwicklung neuer Medikamente genutzt werden, die weniger Nebenwirkungen haben, das ist zumindest die Hoffnung. Tomas Lindahl selbst bezeichnet die DNA-Reparatur als ein ‘zweischneidiges Schwert’: Einerseits brauchen gesunde Zellen diese Reparaturwege um gesund zu bleiben, andererseits benutzen Krebszelle dieselben Mechanismen, um weiterhin Schaden anrichten zu können.

 

Schauspielerin Angelina Jolie im Mai 2012. Ein Jahr später machte sie ihre Entscheidung öffentlich, sich aufgrund einer BRCA-Mutation mehreren Operationen zu unterziehen, um ihr Krebsrisiko zu senken. Foreign and Commonwealth Office, Open Government Licence v1.0 (OGL)

Schauspielerin Angelina Jolie im Mai 2012. Ein Jahr später machte sie ihre Entscheidung öffentlich, sich aufgrund einer BRCA-Mutation mehreren Operationen zu unterziehen um ihr Krebsrisiko zu senken. Foto: Foreign and Commonwealth Office, Open Government Licence v1.0 (OGL)

Auf Grundlage dieser Forschung werden nun konkrete Krebsmedikamente entwickelt, die möglichst die Reparatur von Krebszellen verhindern und gleichzeitig gesunde Zellen so wenig wie nötig belasten sollen. Ein solches Medikament wird in dem wissenschaftlichen Begleitmaterial der Königlichen Schwedischen Akademie der Wissenschaften genannt: Olaparib, ein sogenannter PARP-Inhibitor, der ein bestimmtes Enzym der DNA-Reparatur hemmt. Es ist zugelassen zur Behandlung von Eierstockkrebs, wenn eine der beiden Genmutationen BRCA1 oder BRCA2 vorliegt.

Frauen mit einer dieser Mutationen haben im Durchschnitt ein fünffach erhöhtes Brustkrebsrisiko und ein bis zu 30-fach erhöhtes Risiko an Eierstockkrebs zu erkranken. Die BRCA-Mutationen wurden weltweit bekannt, als die berühmte Hollywood-Schauspielerin Angelina Jolie im Jahr 2013 öffentlich machte, dass sie selbst Trägerin der Mutation BRCA1 ist und sich deshalb präventiv das Brustgewebe und später auch die Eierstöcke entfernen ließ. Nach dieser öffentlichen Erklärung stieg weltweit die Nachfrage nach solchen Tests, mit denen vor allem Frauen aus Risikogruppen oder -familien Klarheit über ihren Genstatus bekommen können.

In seiner Nobel Lecture erklärte Tomas Lindahl, dass es wahrscheinlich viele kleine Moleküle gibt, die unsere DNA schädigen können, die aber noch gar nicht als dafür bekannt sind. „Deshalb gibt es auch noch zahlreiche DNA-Reparaturwege, die darauf warten entdeckt zu werden.“ Und jeder einzelne neu entdeckte Reparaturprozess kann als neue Chance für Krebspatienten gesehen werden. Lindahls Hoffnung für die Zukunft ist, dass Krebs „eine Alterskrankheit wird, ähnlich wie Typ-2-Diabetes“: Man muss Medikamente dagegen nehmen, aber man kann mit der Erkrankung leben und sich dabei einer hohen Lebensqualität erfreuen.

Diesen Sommer wird Tomas Lindahl zum ersten Mal die Lindauer Nobelpreisträgertagung besuchen. Wir freuen uns sehr darauf, ihn in Lindau begrüßen zu dürfen, und freuen uns auf seinen Vortrag über DNA-Reparatur.

 

Die Helix-Brücke in Singapur. Ihr Design wurde von der DNA-Doppelhelix inspiriert. Das sieht man besonders gut bei Nacht, wenn die vier Buchstaben G, C, A und T in verschiedenen Farben leuchten. Sie stehen für Cytosin, Guanin, Adenin und Thymin, die vier Grundbausteine der DNA. Foto: joyt/iStock.com

Das Design der Helix-Brücke in Singapur wurde von der DNA-Doppelhelix inspiriert. Das sieht man besonders gut bei Nacht, wenn die vier Buchstaben G, C, A und T in verschiedenen Farben leuchten. Sie stehen für Cytosin, Guanin, Adenin und Thymin, die vier Grundbausteine der DNA. Foto: joyt/iStock.com

Michael Levitt: Pionier der Computerbiologie

Chemische Reaktionen laufen mit unvorstellbarer Geschwindigkeit ab, beispielsweise springen Elektronen in Bruchteilen von Millisekunden von einem Atom zum anderen. Die experimentelle Chemie stößt hier an ihre Grenzen, sie kann nicht jeden einzelnen Reaktionsschritt nachzeichnen. Und selbst die klassische Physik kommt an ihre Grenzen, wenn mit ihrer Hilfe versucht wird, diese komplizierten Reaktionen Schritt für Schritt zu simulieren. Dank der Pionierarbeit von Michael Levitt, zusammen mit Arieh Warshel und ihrem Harvard-Kollegen Martin Karplus, kann seit den 1970er Jahren die klassische Physik gemeinsam mit quantenphysikalischen Modellen benutzt werden, um die Reaktionen an großen Molekülen im Detail zu modellieren.

Davor waren Chemiker gezwungen, sich bei Simulationen zwischen der klassischen und der Quantenphysik zu entscheiden. Die Vorteile der ersteren liegen auf der Hand: Die Modelle sind einfach und es können große Moleküle dargestellt werden. Der Nachteil: Chemische Reaktionen dieser Moleküle konnten nicht simuliert werden, auch nicht mit den leistungsstärksten Rechnern vor über vierzig Jahren. Hierfür braucht man die Quantenphysik, mit deren Hilfe jedes Elektron, jeder Atomkern usw. modelliert werden kann. Die vergleichsweise geringe Rechnerleistung ließ damals jedoch nur Kalkulationen mit kleinen Molekülen zu.

Die Arbeiten von Levitt und anderen ermöglichen es Forschern, diese quantenphysikalischen Modelle nur dort anzuwenden, wo sie gebraucht werden, nämlich im Herzen der chemischen Reaktion, im sogenannten Reaktionszentrum. Alle übrigen Moleküle werden mit den Modellen der klassischen Newtonschen Physik berechnet. Aus Rücksicht auf die damaligen Rechnerkapazitäten vereinfachten Levitt und Warshel ihr Modell noch weiter, indem sie mehrere Atome in ihrem Modell zusammenfassten. „Woher wir allerdings den Mut nahmen, neunzig Prozent der Atome schlicht wegzulassen, ist schon eine interessante Geschichte“, erinnert sich Michael Levitt in seinen autobiografischen Ausführungen auf Nobelprize.org. Offensichtlich haben die beiden jungen Forscher „das richtige Maß an Vereinfachung“ getroffen: Ihr Modell war nicht so kompliziert, dass sie damit nicht mehr arbeiten konnten, aber auch nicht so stark vereinfacht, dass es nutzlos geworden wäre.

Doch wie entwickelte sich ein kleiner, schüchterner Jungen aus Südafrika zu einem Weltklasse-Forscher? An allererster Stelle muss hier natürlich sein außergewöhnliches intellektuelles Talent genannt werden, doch seine eiserne Beharrlichkeit half ebenfalls, sowie etliche glückliche Zufälle, von denen ich drei hier beschreiben möchte.

 

Michael Levitt hält eine Rede in dem Park um das 'Museum of Natural History' in New York City. Dort steht eine Marmorsäule, in die alle Namen der amerikanischen Nobelpreisträger eingraviert werden. Dieses Foto entstand während der Eingravierungs-Zeremonie für Levitt im Jahr 2014. Foto:  Consulate General of Sweden in New York City, 2014, CC BY-SA 2.0

Michael Levitt hält eine Rede in dem Park um das ‘Museum of Natural History’ in New York City. Dort steht eine Marmorsäule, in welche die Namen aller amerikanischen Nobelpreisträger eingraviert werden. Dieses Bild entstand während der Eingravierungs-Zeremonie für Levitt im Jahr 2014. Foto: Consulate General of Sweden in New York City, 2014, CC BY-SA 2.0

 

Zunächst einmal hatte er eine Tante und einen Onkel in London, Tikvah Alper und Max Sterne, die beide angesehene Forscher waren. Die Ärztin Alper entdeckte, dass die Erreger von Scrapie, einer Schaf- und Ziegenseuche, keine Nukleinsäure enthielt. Dies war ein wichtiger Schritt, um die Übertragungswege von spongiformen Enzephalopathien („schwammförmigen Hirnleiden“) zu verstehen, zu denen auch die Creutzfeldt-Jakob-Krankheit beim Menschen gehört. Ihr Mann Max Sterne entwickelte in Südafrika einen sicheren und zuverlässigen Impfstoff gegen Milzbrand, der heute noch verwendet wird. Als der junge Michael Levitt beide Ende 1963 in London besuchte, war es also kaum zu vermeiden, dass sein Interesse an Lebenswissenschaften geweckt wurde. Heute gilt er als Pionier der Computerbiologie – das Programmieren in Fortran lernte er während eines Praktikums in Berkeley, das ihm seine Tante Jahre später vermittelt hatte.

Obwohl Levitt 1963 gerade einmal 16 Jahre alt war, hatte er schon mehrere Monate an der Pretoria University studiert. Die ersten Monate in England verbrachte er jedoch „wie gebannt vor dem Fernseher [seines] Onkels und [seiner] Tante sitzend“: Ihn faszinierte die Winterolympiade Anfang 1964, weil er noch nie Schnee gesehen hatte. Und weil es damals in Südafrika kein Fernsehen gab, konnte er gar nicht genug von diesem neuen Medium bekommen. Am liebsten schaute er die BBC-Serie „The Thread of Life“, in der Nobelpreisträger John Kendrew die neuesten Entwicklungen der Lebenswissenschaften erklärte; Kendrew hatte den Chemienobelpreis erst ein Jahr zuvor erhalten. Diese Serie war „eine hervorragende Einführung in die Molekularbiologie“, weil erst kurze Zeit klar war, dass „das Leben zeitlich und räumlich exakt strukturiert ist, wie ein Uhrwerk, aber milliardenfach kleiner und unendlich komplizierter“. Schon damals faszinierte Levitt die Vorstellung, welchen Beitrag die Physik leisten könnte, um diese winzigen und super schnellen Prozesse zu entschlüsseln.

Um an einer guten britischen Universität studieren zu können, musste er das englische Abitur nachholen, denn sein Immatrikulations-Examen aus Pretoria reichte hierfür nicht. Gute Noten waren kein Problem für ihn, und nach dieser Extrarunde begann er am King’s College in London Biophysik zu studieren. Nach seinem Abschluss wollte er gerne eine Doktorarbeit am Laboratory of Molecular Biology (LMB) in Cambridge schreiben, am liebsten bei John Kendrew. Dieser lehnte sein Bewerbungsschreiben an – doch Levitt gab sich nicht geschlagen. Er schrieb erneut und bat, ein Jahr später als Doktorand anfangen zu dürfen. Hierauf erhielt er nur eine vage Antwort. Schließlich lieh er sich das Auto seiner Mutter, zog seinen Bar-Mitzvah-Anzug an und fuhr nach Cambridge, um Kendrew oder Max Perutz, dem zweiten Direktor, aufzulauern. Als erster ließ sich Perutz blicken. Er bat Levitt in sein Büro und versprach ihm, sein Anliegen zu prüfen. Schließlich bekam Levitt die Zusage, im darauffolgenden Jahr am LMB seine Doktorarbeit beginnen zu dürfen. Doch statt der erhofften Weltreise bekam er den Auftrag, ein Jahr nach Israel zu Shneior Lifson an das renommierte Weizmann-Institut zu gehen, um mehr über dessen Kraftfeld-Methode (Englisch „force field“) zu lernen. Diese Theorie wurde als Meilenstein zur Modellierung großer Moleküle gesehen, und ist nicht mit den Kraftfeldern der klassischen Physik zu verwechseln.

 

Die Verwandlung von

Die Verwandlung von “einem gewöhnlichen Sterblichen zu einem Nobelpreisträger” hat laut Michael Levitt viele Facetten, beispielsweise folgende: “Es ist nicht so einfach, wenn plötzlich jeder Unsinn, den man erzählt, von allen geglaubt wird.” Foto: Peter Badge/Lindau Nobel Laureate Meetings

 

Nach Israel geschickt zu werden, entpuppte sich als ein weiterer Glücksfall. Michael Levitt selbst beschreibt, dass sein erstes Jahr dort „einen echter Wendepunkt“ in seinem Leben bedeutete: In nur zehn Monaten legte er den Grundstein sowohl für eine erfolgreiche Wissenschaftskarriere als auch für ein glückliches Familienleben. In den ersten Wochen in Israel lernte er seine Frau Rina kennen, eine studierte Biologin, die später als Künstlerin Erfolge feierte. Das Paar heiratete noch vor der gemeinsamen Rückkehr nach England. Am Weizmann-Institut schrieb Levitt ein Computerprogramm zur Modellierung großer Moleküle unter Verwendung der Kraftfeld-Methode, zusammen mit Arieh Warshel; gemeinsam erhielten sie 2013 den Chemienobelpreis für diese bahnbrechende Entwicklung.

Der dritte glückliche Zufall ereignete sich Mitte der 1980er Jahre, also viele Jahre, zahlreiche Entdeckungen und viele Publikationen später. Die Familie Levitt war mehrfach von England nach Israel gezogen und zurück, es gab auch noch andere Zwischenstationen. Als sie nun in Cambridge, Massachusetts, an einer privaten Cocktailparty teilnahmen, rief zufällig an diesem Abend sein alter Freund Roger Kornberg an, Nobelpreisträger an der Stanford University. Als dieser hörte, dass die Levitts Israel verlassen wollten, schlug Kornberg sofort vor, sie sollten nach Stanford kommen: Seit 1987 forscht Michael Levitt dort, bis heute. „Mein erster Eindruck in Stanford war: Hier ist alles so einfach“, erinnert er sich. „Es war, als wären wir auf dem Jupiter aufgewachsen und würden nun zum ersten Mal die Erdanziehung spüren“, was so viel bedeutet wie: Alles fühlte sich total leicht an. Levitt gründete seine erste Forschungsgruppe und seine erste Firma, der älteste Sohn besuchte Berkeley. Nach ein paar Jahren zog seine Frau mit den Kindern zurück nach Israel, damit die Söhne dort ihren Militärdienst ableisten konnten. Danach kam sie nach Stanford zurück, zog dann aber wieder nach Israel, um dort mehr Zeit mit dem ersten Enkelkind verbringen zu können.

„Als ich dachte, mein Leben könne gar nicht mehr besser werden, erhielt ich am 9. Oktober 2013 um 02:16 Uhr einen Anruf aus Stockholm“, erinnert sich Levitt. In den Jahren zuvor hatte er sich häufig gesagt: „Kein Mensch darf damit rechnen, einen Nobelpreis zu bekommen.“ Deshalb war dieser Anruf mitten in der Nacht eine echte Überraschung. Wir haben uns damals mit ihm gefreut und hoffen, dass Michael Levitt in den kommenden Jahren an einer Nobelpreisträgertagung in Lindau teilnehmen wird.

 

Roger Tsien über Leuchtfarben, Quallen und Korallen

Roger Tsien gehörte zweifellos zu den kreativsten und produktivsten Forschern der Gegenwart. Er erhielt den Chemienobelpreis 2008 „für die Entdeckung und Entwicklung des grün fluoreszierenden Proteins GFP“, gemeinsam mit Martin Chalfie und Osamu Shimomura. Mit der Hilfe von GFP können Forscher lebene Zellen in Echtzeit bei ihrer ganz normalen Zellaktivität beobachten. Haben sie an einem bestimmten Protein Interesse, das ein Organismus herstellen kann, können sie das GFP-Gen mit jenem Gen verbinden, das genau dieses Protein herstellt. Ab diesem Moment kann der ganze Weg dieses Proteins verfolgt werden, weil es unter blauem oder ultravioletten Licht leuchtet, also fluoresziert.

Die Vorteile gegenüber anderern Markierungsmethoden liegt auf der Hand: GFP ist für den Organismus ungifitig, und auch das Licht, das man braucht um es zu sehen, ist unschädlich, anders als beispielsweise radioaktive Strahlung. GFPs und ähnliche fluoreszierende Marker sind schon in zahlreiche Organismen eingefügt worden, von Hefepilzen über Fische und Insekten bis hin zu Säugetieren und menschlichen Zellkulturen. Ursprünglich stammt das GFP-Gen von der Qualle Aeguorea victoria, daher bedankte sich Tsien in seiner Festrede beim offiziellen Nobelpreisbankett am 10. Dezember 2008 in Stockholm bei diesem Tier: „Meine letzte Danksagung gilt sowohl den Quallen als auch den Korallen: Möget ihr für lange Zeit intakte Habitate haben, in denen ihr ungestört leuchten könnt!“ Weitere Fluoreszensmarker stammen nämlich von Korallen, andere wiederum von speziellen Bakterien.

 

Ein Gen dieser Maus ist dem GFP-Gen markiert worden. Nun leuchtet sie grün unter ultrabviolettem Licht - und alle ihre Nachkommen! Die Abbildung stammt aus dem 2010er Vortrag von Roger Tsien in Lindau. Foto: Bastian Greshake, CC BY-SA 2.0

Ein Gen dieser Maus ist dem GFP-Gen markiert worden. Nun leuchtet sie grün unter ultrabviolettem Licht – und alle ihre Nachkommen! Die Abbildung stammt aus dem 2010er Vortrag von Roger Tsien in Lindau. Foto: Bastian Greshake, CC BY-SA 2.0

 

Bereits als Physiologie-Doktorand in Cambridge in Großbritannien entwickelte Roger Tsien seine ersten Farbstoffe, zunächst für die Kennzeichnung der Kalziumaktivität in Zellen. Sicherheitshalber hatte er seinem Doktorvater nichts von seinem neuen Steckenpferd erzählt, weil er befürchten musste, dieser würde ihm einen langen Vortrag darüber halten, wie wichtig es sei, zuerst das eine Projekt abzuschließen bevor man das nächste beginnt. Manche dieser Farbstoffe werden heute noch verwendet, zum Beispiel BAPTA und Fura-2; letzteren entwickelte Tsien als Assistenzprofessor in Berkeley.

Im Jahr 1989 wechselte er dann an die University of California in San Diego, in erster Linie wegen der deutlich besseren Laborausstattung dort. In den folgenden Jahren entwickelte seine Arbeitsgruppe zahlreiche Fluoreszenzfarbstoffe die “in allen Farben des Regenbogens leuchten”, so das Nobelpreiskomitee in Stockholm. Seine Forschungsgruppe fand außerdem Fluoreszenzindikatoren für zahlreiche Ionen wie Kupfer, Magnesium, Eisen, Blei, Kadmium und viele weitere.

Anlässlich der Nobelpreisverleihung 2008 erzählte er der Zeitung San Diego Union-Tribune, dass er schon als Kind von Farben fasziniert war. „Wäre ich farbenblind auf die Welt gekommen, hätte ich mir bestimmt ein anderes Thema gesucht.“ Schon als Schulkind führte er im Keller seiner Eltern in Livingston, New Jersey zahlreiche chemische Experimente durch, so schreibt er in seinem autobiografischen Essay für die Website Nobelprize.org, und auch damals motivierte ihn „eine frühe und langanhaltende Begeisterung für schöne Farben“. Am Anfang dieses Essays steht ein Witz: „Was haben Grundschüler und Nobelpreisträger gemeinsam? Beide müssen auf Knopfdruck autobiografische Aufsätze schreiben.“

 

Roger Tsien giving his 2014 lecture at the 64. Lindau Nobel Laureate Meeting. Photo: Rolf Schultes/Lindau Nobel Laureate Meetings

Roger Tsien giving his 2014 lecture at the 64. Lindau Nobel Laureate Meeting. Photo: Rolf Schultes/Lindau Nobel Laureate Meetings

Roger Tsiens Vater war ein Luftfahrtingenieur, der in den USA keine passende Anstellung finden konnte, trotz eines Abschluss von der amerikanischen Eliteuniversität MIT, weil er als Chinese keine Sicherheitsfreigabe bekam. Nach verschiedenen Jobs fand er schließlich eine Anstellung in der Abteilung für Vakuumröhren der Firma RCA, kurz für Radio Corporation of America, in New Jersey. Nun wollten die Eltern ein Haus in der Nähe kaufen, Roger war zu dieser Zeit sieben Jahre alt. Doch der Bauunternehmer wollte ihnen das Haus ihrer Wahl nicht verkaufen mit dem Argument, dann würden die anderen Häuser unverkäuflich, weil niemand neben Chinesen wohnen wollte. Daraufhin schrieb das Ehepaar Tsien einen Brief an den Gouverneur von New Jersey, der wiederum dem Bauunternehmer schriftlich mitteilte, dass Diskriminierung aufgrund der Herkunft in den USA illegal sei. So kam die Familie Tsien schließlich zu ihrem Haus.

Und nur neun Jahre später machte derselbe Bauunternehmer mit einem Foto von Roger Tsien Werbung für seine Häuser! Anlass war der erste Preis eines landesweiten Forschungswettbewerbs, den der sechzehnjährige Roger gewonnen hatte. Der Bauunternehmer wollte mit seinem Foto für die guten öffentlichen Schulen werben, dabei hatte sich Roger die anorganische Chemie anhand von Lehrbüchern überwiegend selbst beigebracht. Für den Westinghouse-Talentwettbewerb hatte er die Ergebnisse eines kleinen Projekts zusammengefasst, das er im Rahmen eines NSF-Nachwuchsprogramms an der Ohio University durchführen durfte. Er hatte dort die Aufgabe zu erforschen, wie sich verschiedene Metalle an Thiocyanate binden. „Weil ich nichts anderes vorzuweisen hatte, versuchte ich, aus dem Chaos unklarer Daten irgendwelche Schlüsse zu ziehen,“ schrieb er bescheiden im Nachhinein. Zu seiner großen Überraschung gewann er damit den ersten Preis.

 

Kunst aus der Petrischale: Mit verschiedenen fluoreszierenden Bakterien hat Nathan Shaner im Jahr 2006 im Labor von Roger Tsien in San Diego eine Strandszene in eine Petrischale 'gemalt'. Verwendet werden Farbstoffe, die auf dem GFP-Gen basieren, sowie Korallenfarbstoffe. Photo: Paul Steinbach, Credit: Nathan Shaner, CC BY-SA 3.0

Kunst aus der Petrischale: Mit verschiedenen fluoreszierenden Bakterien hat Nathan Shaner im Jahr 2006 im Labor von Roger Tsien eine Strandszene in eine Petrischale ‘gemalt’; das Labor befindet sich in San Diego, daher das Motiv. Verwendet wurden Farbstoffe, die auf dem GFP-Gen basieren, sowie Korallenfarbstoffe. Photo: Paul Steinbach, Credit: Nathan Shaner, CC BY-SA 3.0

Im selben Jahr, mit gerade mal 16 Jahren, begann Roger Tsien mit Hilfe eines Stipendiums in Harvard zu studieren. Mit einem Bachelor of Science in Chemie und Physik schloss er dieses Studium ab und ging nach England, um dort im Fach Physiologie zu promovieren. Er interessierte sich für die Schnittstelle zwischen Chemie und Biologie und wollte sich nicht auf ein Fach festlegen. Danach entfaltete sich seine unglaublich produktive Forscherkarriere. Roger Tsien nahm an fünf Lindauer Nobelpreisträgertreffen teil, und seine fünf Vorträge dort spiegeln sein breites Interesse an verschiedenen Forschungsthemen wider. In seinem 2015er Vortrag beispielsweise sprach er über zwei ganz unterschiedliche Themen: Krebsforschung und Langzeitgedächtnis. Auch wenn beide Themen scheinbar nichts mit einander zu tun haben, so handeln doch beide auf molekularer Ebene von Proteasen, also von Enzymen, die andere Proteine spalten können. Tsien selbst erklärt, dass seine Motivation, sich mit Krebsforschung zu beschäftigen durch den Krebstod seines Vaters ausgelöst wurde. Gemeinsam mit dem Arzt Quyen T. Nguyen entwickelte er eine fluoreszensgestützten Operationstechnik, bei der nicht nur alle Tumorzellen eingefärbt werden, damit der Chirurg sie möglichst vollständig entfernen kann, sondern auch alle wichtigen Strukturen wie Nerven, die nicht verletzt werden dürfen, gefärbt werden.

Das zweite Thema seines Vortrags war die Speicherung von Langzeiterinnerungen im sogenannten Perineuronalen Netz, kurz PNN, das als Matrix zwischen den Zellen für die Stabilität des erwachsenen menschlichen Gehirns sorgt. Nachdem Tsien sich sein ganzes Forscherleben hindurch mit Vorgängen innerhalb von Zellen befasst hat, „musste ich mich jetzt plötzlich mit der extrazellulärer Matrix beschäftigen“, ergänzte er in seinem Vortrag. Löcher in der PNN sind die eigentlichen Speichermedien, „wie in einer 3D Lochkarte“ – erst da wurde ihm klar, dass die meisten Nachwuchsforscher im Raum noch nie eine Lochkarte benutzt hatten. Im Mausmodell gelang ihm, ungefähr die Hälfte aller Langzeiterinnerungen durch die Gabe einer bestimmten Matrix-Metalloprotease (MMP) zu löschen. Er geht davon aus, dass ein deutlich größerer Anteil gelöscht werden kann, wenn die weiteren beteiligten Proteasen bekannt sind. Klingt ein bisschen nach dem ‘Neuralyzer’ aus dem Film Men in Black, oder?

Am 24. August 2016 starb Roger Tsien völlig unerwartet auf einem Radwanderweg in Eugene, Oregon im Alter von nur 64 Jahren. An diesem Tag verlor die Welt einen genialen Forscher sowie eine faszinierende Persönlichkeit mit einem großartigen Sinn für Humor.

 

Roger Tsien (1952 - 2016) während der traditionellen Bootsfahrt zur Insel Mainau am letzten Tag des Lindauer Nobelpreisträgertreffens 2009. Foto: Christian Flemming/Lindau Nobel Laureate Meetings

Roger Tsien (1952 – 2016) mit Nachwuchsforschern während der traditionellen Bootsfahrt zur Insel Mainau am letzten Tag des Lindauer Nobelpreisträgertreffens 2009. Foto: Christian Flemming/Lindau Nobel Laureate Meetings

Zum Tode von Roman Herzog (1934 – 2017)

Die Mitglieder des Kuratoriums und der Stiftung Lindauer Nobelpreisträgertagungen trauern um Bundespräsident a.D. Prof. Dr. Roman Herzog.

Roman Herzog besuchte als erster Bundespräsident 1995 die Lindauer Nobelpreisträgertagung. „Seitdem wissen wir ihn als ebenso treuen wie kritischen Begleiter an unserer Seite, der uns anspornt, die Weiterentwicklung der Tagung mutig und zielgerichtet anzugehen“, erklärte Bettina Gräfin Bernadotte, Präsidentin des Kuratoriums der Tagungen, anlässlich der Verleihung der Lennart-Bernadotte-Medaille an Herzog 2010 auf Burg Jagsthausen, wo er mit seiner Ehefrau Alexandra Freifrau von Berlichingen lebte.

 

Roman Herzog mit Freifrau

Roman Herzog mit Alexandra Freifrau von Berlichingen 2001 bei der 51. Lindauer Nobelpreisträgertagung. Foto: Archiv Jacobs/Lindau Nobel Laureate Meetings

Herzog kannte und schätzte die Nobelpreisträgertagungen bereits aus seiner Zeit als baden-württembergischer Kultusminister Ende der 1970er Jahre und fühlte sich Lennart Graf Bernadotte und seinem Lebenswerk verbunden. Nach dem Ende seiner Präsidentschaft 1999 engagierte er sich verstärkt für die Tagung, die jeden Sommer zahlreiche Nobelpreisträger und hunderte Nachwuchswissenschaftler zu einem inspirierenden Gedankenaustausch an den Bodensee einlädt. Doch Ende der 1990er Jahre bestand Reformbedarf: Die Tagungen brauchten einen festeren finanziellen Boden, und sie sollten im In- und Ausland bekannter und zu einem Leuchtturm für Wissenschaftsförderung in Europa werden.

„Die von ihm mitangeregte Einrichtung der Stiftung Lindauer Nobelpreisträgertagungen war eine entscheidende Wegmarke, um dem Lindauer Dialog eine langfristige und nachhaltige Perspektive zu geben“, so Bettina Gräfin Bernadotte weiter. Er entwickelte einerseits Ideen und Pläne, um die Lindauer Tagungen fit für die Zukunft zu machen, und er stellte andererseits den Beteiligten Persönlichkeiten vor, die als neue Akteure die Entwicklung der Tagung in den folgenden Jahren maßgeblich prägen sollten, insbesondere Professor Wolfgang Schürer und Thomas Ellerbeck. Ellerbeck war 1999 Leiter des persönlichen Büros von Herzog und übernahm als Mitglied des Kuratoriums und später Mitgründer und Vorstand der Stiftung unter anderem die Aufgabe, die Bekanntheit der Tagungen zu steigern. Professor Schürer begleitete die Lindauer Tagungen von 2000-2015 als Vorsitzender des Vorstands der Stiftung. Nach Gründung der Stiftung Lindauer Nobelpreisträgertagungen Ende 2000 wurde Roman Herzog selbst deren Ehrenpräsident und Mitglied im Ehrensenat. „Seine Art, Themen anzupacken und sich einzubringen, für die Nobelpreisträgertagungen in Lindau wie auch als Bundespräsident, hat mich nachhaltig beeindruckt, und die Treffen mit diesem humorvollen, bescheidenen und klugen Menschen waren für mich immer sehr inspirierend“, blickt Bettina Gräfin Bernadotte heute auf ihre Begegnungen mit Roman Herzog zurück.

 

Roman Herzog (rechts) mit Nobelpreisträger Zhores Alferos 2001 in Lindau. Foto: Peter Badge

Roman Herzog (rechts) mit Nobelpreisträger Zhores Alferov 2001 in Lindau. Foto: Peter Badge/Lindau Nobel Laureate Meetings

Wenn heute von Roman Herzog gesprochen oder geschrieben wird, erinnern alle gerne an seine berühmte Ruck-Rede aus dem Jahr 1997, in der Herzog die Deutschen aufforderte, weniger bequem zu sein und von einigen liebgewordenen Besitzständen Abschied zu nehmen: „Ich rufe auf zu mehr Flexibilität! In der Wissensgesellschaft des 21. Jahrhunderts werden wir alle lebenslang lernen, neue Techniken und Fertigkeiten erwerben und uns an den Gedanken gewöhnen müssen, später einmal in zwei, drei oder sogar vier verschiedenen Berufen zu arbeiten.“ Heute kommt uns dieses Thema zwar wichtig vor, aber viele Menschen haben sich daran gewöhnt, dass sie sich immer wieder neu orientieren müssen. Doch vor zwanzig Jahren klangen diese Sätze geradezu revolutionär, wurden öffentlich diskutiert – und werden heute noch regelmäßig zitiert. Herzog war es auch, der bereits Mitte der 1990er Jahre für einen ernsthaften Dialog der Kulturen zwischen Westen und Islam warb. Auch hier leisten die Lindauer Tagungen bis heute einen wichtigen Beitrag, wenn Nachwuchswissenschaftler verschiedenster Nationen, Kulturen und Religionen zusammentreffen.

Roman Herzog lagen die Wissenschaft, die technische und wirtschaftliche Innovation sowie die Bildung der Jugend sehr am Herzen. Als Bundespräsident a.D. und ehemaliger Präsident des Bundesverfassungsgerichts nahm er zahlreiche Aufgaben im In- und Ausland wahr und brachte sich immer wieder aktiv für die Lindauer Nobelpreisträgertagungen ein. “Die Nobelpreisträger, die Gremien der Lindauer Tagungen und die Familie Bernadotte sind ihm dankbar”, erklärte Bettina Gräfin Bernadotte.

Roman Herzog verstarb am 10. Januar 2017. Das Mitgefühl in dieser schweren Zeit der Trauer und des Abschieds gilt seiner Frau und den Angehörigen.

Physiknobelpreis 2016: “Seltsame und erstaunliche Dinge”

Der berühmte Anruf aus Stockholm, der ihr Forscherleben für immer verändert, erreicht die Betroffenen in ganz unterschiedlichen Situationen: Bruce Beutler wurde aus dem Bett geholt, Hiroshi Amano saß im Flugzeug und verpasste deshalb den Anruf. Michael Kosterlitz seinerseits nahm den Anruf von Adam Smith von Nobel Media in einer Tiefgarage in Helsinki entgegen, er war gerade auf dem Weg zum Mittagessen. Seine spontane Reaktion war: Schweigen. Jeder Zuhörer des Gesprächmitschnitts denkt: Die Telefonverbindung ist also wirklich so schlecht wie Kosterlitz angedeutet hatte. Dann: “Jesus. That’s incredible… that’s amazing!” Mit dieser Nachricht hatte er nicht gerechnet. Continue reading

Langlebigkeit: zehn erstaunliche Aspekte

Steigende Lebenserwartung seit 1840: anfangs sank vor allem die Kindersterblichkeit, ab Ende des 19. Jahrhunderts wurden Infektionen mit Impfungen bekämpft, im 20. Jahrhundert mit Antibiotika. Quelle: US National Institute on Aging, mit Daten von der Human Mortality Database

Steigende Lebenserwartung seit 1840: Anfangs sank vor allem die Kindersterblichkeit, ab Ende des 19. Jahrhunderts wurden Infektionskrankheiten mit Impfungen bekämpft, im 20. Jahrhundert mit Antibiotika. Quelle: US National Institute on Aging, mit Daten von der Human Mortality Database

In den entwickelten Ländern steigt die durchschnittliche Lebenserwartung weiterhin unbeirrt um drei Monate pro Jahr für Frauen, etwas langsamer für Männer. Auch die Entwicklungsländer konnten seit der Mitte des 20. Jahrhunderts deutliche Anstiege verzeichnen, aber es gab auch Rückschläge wie die HIV-Epidemie in Afrika.
Diesen Trend der linear steigenden Lebenserwartung existiert in Europa und den USA seit dem mittleren 19. Jahrhundert, und er hat eine langlebige wissenschaftliche Debatte ausgelöst: Wird es endlos so weitergehen? Oder gibt es eine natürliche Obergrenze für menschliches Leben? Der neueste Beitrag zu diesen Fragen stammt aus dem Albert Einstein College of Medicine in New York.

 

1. Älteste Gruppe wächst nicht mehr
In dieser Studie analysiert der amerikanisch-niederländische Genetiker Jan Vijg die Daten der ‘Human Mortality Database’, einer Datenbank mit Sterbedaten aus 38 Ländern, die von deutschen und amerikanischen Forschern gemeinsam betrieben wird. Da die durchschnittliche Lebenserwartung weiterhin ansteigt, benötigten die Forscher eine andere These, um einer möglichen künftigen Abremsung auf die Schliche zu kommen. Sie sagten sich: Wenn es keine absolute Obergrenze gäbe, dann müsste eigentlich die Gruppe mit dem größten Zuwachs immer älter werden. Das stimmt aber nicht. Stattdessen stellten sie fest, dass diese Gruppe seit ungefähr 1980 bei 99 Jahren stagniert, seitdem ist deren Alter nur minimal gestiegen. Diesen Plateau-Effekt interpretieren sie als einen ersten Hinweis auf eine Verlangsamung des Anstiegs.

 

2. Hochbetagte selten älter als 115
Um weitere Effekte in diese Richtung zu finden, untersuchte Jan Vijg und seine Mitarbeiter als nächstes die Daten der Langlebigkeits-Datenbank (International Database on Longevity), die vom Max-Planck-Institut für demografische Forschung in Rostock betrieben wird. Achtung: Jetzt geht es um das Alter einzelner Individuum, im vorigen Punkt ging es um Altersgruppen. Das Vijg-Team fand heraus, dass seit den 1990er Jahren kaum jemand älter als 115 Jahre wurde, mit wenigen Ausnahmen. Das maximale Alter steigt also kaum noch – ein weiterer Hinweis auf eine Verlangsamung. “Es erscheint mir sehr wahrscheinlich, dass wir eine ‘Decke’ erreicht haben”, kommentiert Vijg. “Wir müssen konstatieren: Das war’s. Die Menschen werden nicht mehr älter werden als 115.”

 

3. In Japan laufen die Uhren anders
Die Langlebigkeits-Datenbank, auf deren Daten sich das Team von Vijg bezieht, wurde vom Max-Planck-Institut für demografische Forschung eingerichtet, das auch die ‘Human Mortality Database’ mit betreibt. Gründungsdirektor James Vaupel teilt allerdings die Interpretation seiner Kollegen aus New York nicht. Einer seiner Einwände lautet: In Japan, einem sehr wichtigen Land für Demografen, wird die Altergruppe mit der höchsten Wachstumsrate weiterhin immer älter, ebenso in einzelnen europäischen Ländern. In einem früheren Artikel schrieb Direktor Vaupel zusammen mit Jim Oeppen: Vorhersagen, dass “die steigende Lebenserwartung an eine Decke stößt… wurden bereits vielfach gemacht und widerlegt.”

 

Jedes dritte Baby, das heute in Großbritannien zur Welt kommt, wird voraussichtlich seinen 100. Geburtstag feiern können, mein die britische Nationale Statistikbehörde. Foto:  iStock.com/David Freund

Jedes dritte Baby, das heute in Großbritannien zur Welt kommt, wird voraussichtlich seinen 100. Geburtstag feiern können, laut der britischen Nationale Statistikbehörde ONS. Foto: iStock.com/David Freund

4. Höchste Lebenserwartung, niedrigste Geburtenrate
Wegen der höchsten Lebenserwartung weltweit kann Japan als Lieblingsland der Demografen bezeichnet werden: Gegenwärtig beträgt sie 86,8 Jahre für Frauen und 80,5 Jahre für Männer. Gleichzeitig weist Japan eine der niedrigsten Geburtenraten der Welt auf, zusammen mit Südkorea, Deutschland, Italien, Spanien und Griechenland. Die Zahlen einer Art Bevölkerungs-Uhr, kürzlich auf einer Website der Universität Tokyo installiert, ergeben, dass voraussichtlich im Jahr 3776 das letzte japanische Kind geboren werden wird, wenn kein Trend sich umkehrt – und spätestens hundert Jahre später werden die Japaner komplett aussterben. Manche Hochrechnungen ergeben auch, dass in Japan bereits 2050 über eine Million Hundertjährige leben könnten.

 

5. Kann Altern rückgängig gemacht werden?
In allen Tiermodellen kann die Lebensspanne verlängert werden, sei es durch genetische Veränderungen, durch Nahrungsumstellung oder bestimmte Proteine. Viele Forscherteams weltweit arbeiten mit unterschiedlichen Spezies an dieser Frage, so auch mehrere Gruppen an Vaupels Institut in Rostock. Warum sollten Menschen bei diesem Thema die absolute Ausnahme sein? “Es gibt keine Zeitbombe, die in einem bestimmten Alter losgeht”, kommentiert Direktorin Linda Partridge vom Max-Planck-Institut für Biologie des Alterns die Ergebnisse ihrer New Yorker Kollegen. Auch sie hat sich auf Alterungsprozesse spezialisiert und darauf, wie man diese aufhalten oder rückgängig machen kann. In den letzten Jahren gab es tatsächlich ein paar spektakuläre Versuche, bei denen das Altern von Mäusen und von menschlichen Zellkulturen mit Telomerase rückgängig gemacht werden konnte.

 

6. Tiere, die nicht altern
Manche Spezies altern nicht, das heißt, ihre Sterblichkeit steigt mit zunehmendem Alter nicht an und sie erfreuen sich gleichbleibender Gesundheit. Prof. Annette Baudisch studierte solche Tiere, zum Beispiel Rotkelchen oder den Süßwasserpolyp Hydra vulgaris. Leider gehören wir Menschen nicht in diese Gruppe, auch den meisten Labortieren ist das nicht vergönnt. Doch diese ungewöhnlichen Tiere könnten manche Eigenschaften haben, die Wege zeigen, wie man das menschliche Altern bekämpfen kann, das sich aus vielen verschiedenen Faktoren zusammensetzt: verlangsamte biologische Prozesse, schrumpfende Organe, Ablagerung von Alterspigment, angesammelte Gendefekte, usw.

 

Rita Levi Montalcini war eine italienische Neurobiologin. Sie erhielt den Medizinnobelpreis 1986 für die Entdeckung des Nervenwachstumsfaktors, zusammen mit Stanley Cohen. Im April 2012 feierte sie ihren 103. Geburtstag. Foto: Peter Badge

Rita Levi Montalcini war eine italienische Neurobiologin. Sie erhielt den Medizinnobelpreis 1986 für die Entdeckung des Nervenwachstumsfaktors, zusammen mit Stanley Cohen. Im April 2012 feierte sie ihren 103. Geburtstag. Foto: Peter Badge

7. Medizinischer Fortschritt
Mehrere Forscher haben kritisch angemerkt, dass das Team um Jan Vijg künftige Fortschritte in der Medizin nicht eingerechnet hätte, die sich auch gegen die genannten Alterungsprozesse richten könnten, sowie die Behandlung heute tödlicher Krankheiten stark verbessern werden. “Die Ergebnisse dieser Studie sind absolut korrekt, sie besagt allerdings nichts über die Medizin der Zukunft, sie bewertet nur die Fähigkeiten der heutigen und gestrigen Medizin”, erklärt Aubrey de Grey, ein Gerontologe von der SENS Research Foundation in Mountain View, Kalifornien. Umgekehrt sind aber potentiell negative Trends auch nicht eingerechnet, wie die weltweit um sich greifende Epidemie der Fettleibigkeit, die einen steilen Anstieg von Diabetes-Fällen nach sich zieht, ebenso die neue Erkrankung Nicht-alkoholische Fettleber, die bald die häufigste Ursache für Lebertransplantationen in den USA sein wird.

 

8. Unerwartet sinkende Lebenserwartung
Schon heute gibt es bei bestimmten Bevölkerungsgruppen in der entwickelten Welt einen Rückgang der Lebenserwartung. Wirtschaftsnobelpreisträger Angus Deaton konnte zusammen mit Prof. Anne Case zeigen, dass weiße Amerikaner mittleren Alters ohne höhere Bildung heute früher sterben als in vergangenen Jahren. Alle anderen US-amerikanischen Bevölkerungsgruppen erfreuen sich nach wie vor einer steigenden Lebenserwartung, nur für diese Gruppe hat sich der Trend umgekehrt. Die Forscher fanden heraus, dass vor allem Alkohol-, Drogen- und Medikamentenmissbrauch, sowie Selbstmorde für diese erschreckende Trendumkehr verantwortlich sind.

 

9. Hundertjährige sind Ausnahmen
Eine neue Studie der AOK Nordost zeigte mal wieder, dass Hundertjährige eine ganz besondere Gruppe sind: Ein Drittel der untersuchten Patienten über 100 zeigte keinerlei Anzeichen von Demenz, drei Viertel waren überhaupt nicht depressiv, knapp ein Viertel nahm nicht regelmäßig Medikamente, und erstaunliche 65 Prozent hatte im Studienjahr 2015 keinen Tag im Krankenhaus verbracht. Gerontologen können sicher viel von dieser ungewöhnlichen Gruppe lernen – aber sie eignet sich nicht unbedingt, um den allgemeinen Alterungsprozess zu beschreiben.

 

10. Länger leben mit Nobelpreis
Wer einen Nobelpreis erhält, bekommt gleichzeitig bis zu zwei Jahre Lebenszeit hinzu. Die beiden britischen Ökonomen Matthew Rablen und Andrew Oswald wollten der Frage nachgehen, warum weltweit die Reichen und Berühmten länger leben als die Armen und Unbekannten. Das Phänomen ist zwar seit Jahrhunderten bekannt, aber die ursächliche Erklärung ist nur unzureichend erforscht. Also suchten sie eine Gruppe, die schlagartig eine große Portion ‘Status’ erhält – und fanden die Nobelpreisträger. Tatsächlich bedeutet der prestigeträchtige Preis, dass die Empfänger durch den ‘positiven Status-Schock’ bis zu zwei Lebensjahre dazugewinnen, sogar verglichen mit Forschern gleichen Alters aus dem gleichen Land, die ebenfalls für einen Nobelpreis nominiert waren.

 

Nur die Zukunft und künftige Studien werden klären können, ob die Menschheit tatsächlich schon die ‘Decke’ der Lebenserwartung erreicht hat oder nicht. Wenn man jedoch nicht nur die Menge an Jahren betrachtet, sondern auch die Lebensqualität, wird schnell klar, dass zusätzliche Jahre nicht immer auch gesunde Jahre sind. Ganz im Gegenteil: Mehr Lebensjahre bedeuten häufig auch mehr Krankheitsjahre. Deshalb schließt Jan Vijg seine Studie auch mit dem Hinweise auf die ‘Gesundheitsspanne’, Englisch ‘health span’, auf die wir uns künftig konzentrieren sollten, anstatt immer nur auf die quantitative Lebensspanne zu achten.

 

Bewegung und Sport sind unverzichtbar, wenn man gesund alt werden möchte. Ferner ist es wichtig, sein Gewicht zu halten, wenig Zucker und rotes Fleisch, dafür aber viele Ballaststoffe zu essen, wie sie in Rohkost, Obst, Gemüse und Vollkornprodukten enthalten sind. Und man sollte häufig andere Menschen treffen, Spaß haben und Spiele Speilen - um eine beginnende Demenz im Zaum zu halten. Foto: iStock.com/Horsche

Bewegung und Sport sind unverzichtbar, wenn man gesund alt werden möchte. Ferner ist es wichtig, das Gewicht zu halten, wenig Zucker und rotes Fleisch, dafür aber viele Ballaststoffe zu essen. Und man sollte regelmäßig andere Menschen treffen, mit ihnen Spaß haben und Spiele spielen – auch, um einer Demenz vorzubeugen. Foto: iStock.com/Horsche

Die Genies werden älter

Als Lawrence Bragg im Jahr 1915 den Nobelpreis für Physik erhielt, war er gerade mal 25 Jahre alt. Die preisgekrönte Arbeit – die Erforschung von Kristallstrukturen mittels Röntgenstrahlen – hatte er schon zwei Jahre zuvor im Alter von 23 Jahren durchgeführt. Damit bestätigt er eine bekannte Aussage von Albert Einstein:

Wer noch keinen großen Beitrag zur Wissenschaft geleistet hat bevor er 30 Jahre alt ist, wird das niemals tun.

Der große Physiker ist selbst ein weiteres Beispiel. Auch Einstein hat die spezielle Relativitätstheorie entwickelt, bevor er 30 Jahre alt war; ebenso wie die 1921 mit dem Nobelpreis ausgezeichnete Forschung zum photoelektrischen Effekt.

Werden die wissenschaftlichen Durchbrüche aber tatsächlich alle von jungen Forscherinnen und Forschern gemacht? Benjamin Jones und Bruce Weinberg vom National Bureau of Economic Research in Cambridge haben diese Frage untersucht (“Age dynamics in scientific creativity“, PNAS 108/47, 2011). Ihre Analyse basiert auf der Arbeit der Nobelpreisträger in den Kategorien Physik, Chemie und Medizin in der Zeit von 1901 bis 2008. Sie bestimmten das Alter, in dem die jeweiligen Wissenschaftler ihre preisgekrönten Arbeiten durchgeführt haben und fanden, dass Einsteins Aussage über die “jungen Genies” nicht ganz aus der Luft gegriffen ist. Allerdings nur für die Vergangenheit.

Das durchschnittliche Alter, in dem Physiker eine Entdeckung machten, die später mit dem Nobelpreis ausgezeichnet wurde, liegt bei 37,2 Jahren. Bei den Chemikern sind es 40,2 Jahre und bei den Medizinern 39,9. Vergleicht man aber die ganz frühen Preisträger (die ihre Entdeckungen vor 1905 gemacht haben) mit den späteren (deren Forschung nach 1985 durchgeführt wurde), dann zeigen sich deutliche Unterschiede. In der Medizin liegt das Durchschnittsalter zum Zeitpunkt der großen Entdeckungen in der frühen Phase bei 37,6 Jahren und bei 45 Jahren in der späten Phase. In der Chemie ist der Unterschied mit 36,1 zu 46,3 Jahren noch ausgeprägter und die größten Unterschiede sieht man in der Physik, wo die Preisträger früher ihre Entdeckungen mit 36,9 Jahren machten, später aber im Durchschnitt 50,3 Jahre alt waren.

Seit der Jahrtausendwende machen die Entdeckungen von unter 40jährigen in der Physik nur noch 19 Prozent aus; früher waren es 60 Prozent. Unter den Chemikern wurden im 21. Jahrhundert sogar überhaupt keine Entdeckungen ausgezeichnet, die von unter 40jährigen Wissenschaftlern gemacht wurden (während es früher noch 66 Prozent waren).

 

Nobel Laureate Peter Doherty giving advice to young scientist Julia Nepper at the 65th Lindau Nobel Laureate Meeting.

Nobelpreisträger Peter Doherty mit Nachwuchswissenschaftlerin Julia Nepper bei der 65. Lindauer Nobelpreisträgertagung.

Über die Gründe für diese Altersverschiebung bei den wissenschaftlichen Durchbrüchen lässt sich derzeit nur spekulieren. Vermutlich liegt es daran, dass es heute einfach mehr zu lernen gibt als früher. In der Physik fand in der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts durch die Entwicklung der Quantenmechanik eine Revolution statt, an der besonders viele junge Wissenschaftler (zum Beispiel Albert Einstein, Paul Dirac oder Werner Heisenberg) beteiligt waren. Junge Wissenschaftler, die vielleicht gerade deshalb einen Vorteil hatten, weil sich die Quantenmechanik so sehr von der zuvor gelehrten und erforschten klassischen Physik unterschied. Es spielte kaum eine Rolle, ob sie sich ausführlich mit der “alten” Wissenschaft beschäftigte oder nicht. Junge Wissenschaftler konnten direkt in die neue Physik einsteigen und auch ohne Vorwissen große Beiträge leisten.

Das Bild des brillanten jungen Wissenschaftlers, der bedeutende Entdeckungen macht, ist immer weniger aktuell,

fasst Bruce Weinberg die Ergebnisse zusammen. Im Durchschnitt bekommt man heute einen Nobelpreis für Forschung verliehen, die im Alter von etwa 48 Jahren durchgeführt worden ist.

All die jungen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, die sich in den nächsten Tagen wieder in Lindau einfinden um dort mit den Nobelpreisträgern über ihre Forschung zu diskutieren, haben also noch genug Zeit. Wer es dennoch eilig hat, sollte sich auf theoretische Forschung verlegen. Denn, wie Jones und Weinberg ebenfalls herausgefunden haben: Theoretikern gelingen ihre großen Durchbrüche im Durchschnitt 4,4 Jahre vor den Experimentalwissenschaftlern.

Hiroshi Amano: Wie blaues Licht die Welt veränderte

Welchen Gegenstand legen wir nur äußerst ungern aus der Hand? Richtig, bei den meisten ist es das Smartphone. Diese Aussage trifft sogar in weiten Teilen Afrikas zu, wo das Handynetz hilft, eine oft unzureichende Infrastruktur zu umgehen. Doch Smartphones sind nur deshalb so schmal, leicht und haben bunte Dislays, weil drei japanische Forscher in den 1980er Jahren eine Herstellungsmethode für blaue Leuchtdioden erfanden. Dadurch wurden Flachbildfernseher, moderne Monitore und Smartphones erst möglich, gleichzeitig konnten aber auch energiesparende weiße Leuchtmittel entwickelt werden, die LEDs. Deren weißes Licht entsteht aus der Kombination von blauen, grünen und roten Leuchtdioden.

 

Hiroshi Amano mit weißen LEDs, die im Grunde aus einer Mischung blauer, roter und grüner LEDs zusammengesetzt sind. Amano studierte und promovierte in Nagoya, heute ist er dort Professor und Chef eines eigenen Labors. Foto: Peter Badge/LNLM

Hiroshi Amano mit weißen LEDs, die in Wirklichkeit aus blauen, roten und grünen LEDs zusammengesetzt sind. Amano studierte und promovierte in Nagoya, heute ist er dort Professor und Chef seines eigenen Labors. Foto: Peter Badge/LNLM

Als Anfang Oktober 2014 in Stockholm feierlich die Physiknobelpreisträger verkündet wurden, saß Hiroshi Amano gerade im Flugzeug von Japan nach Europa. Bei der Zwischenlandung in Frankfurt schaute er kurz auf seine Emails und sah zahllose Betreffzeilen mit dem Stichwort ‘Gratulation!’, hatte aber keine Zeit, die Mails zu öffnen. Seltsam, dachte er, das muss ein Scherz sein, oder Spam-Mail. In der Ankunftshalle seines französischen Reiseziels sah er dann eine größere Menschenmenge, die offensichtlich angespannt auf jemanden warteten. Da fiel ihm ein, dass am 07. Oktober die Physiknobelpreise verkündet werden, also fragte er sich, ob sein Mentor Prof. Akasaki vielleicht einen Preis erhalten hatte und die wartenden Journalisten ein paar kommentierende Sätze von ihm hören wollten. Am Ende gehörte er selbst zu den Preisträgern, zusammen mit Isamu Akasaki und Shuji Nakamura, und die Presse wartete auf ihn!

Der bescheidene Physiker aus Nagoya kam aus dem Staunen nicht mehr heraus. Auch zwei Monate später, am Anfang seines Nobel-Vortrags in Stockholm, ist ihm deutlich anzumerken, dass er immer noch nicht ganz glauben kann, was ihm da widerfahren ist. Damals war er 54 Jahre alt, für gegenwärte Nobelpreis-Maßstäbe geradezu ein Jüngling. Und es war tatsächlich kaum vorherzusehen, dass dieser Preis an anwendungsorientierte Forscher gehen würde. Im Vorjahr wurde nämlich die Entdeckung des Higgs-Bosons geehrt – zweifellos eine bahnbrechende Entdeckung, allerdings ohne direkte praktischen Konsequenzen außerhalb der Forschung.

Weshalb war es überhaupt so schwierig gewesen, blaue Leuchtdioden herzustellen? Schon seit den 1970er Jahren war bekannt, dass Galliumnitrid (GaN) ein geeignetes Material für blaues Licht war, doch seine Verarbeitung entpuppte sich als sehr kompliziert. Als der junge Student Amano das Thema ‘Nitrid-basierte blaue LEDs’ als Themenvorschlag für eine Abschlussarbeit im Labor von Prof. Akasaki aushängen sah, dachte “der sehr naive Grundstudiums-Student”, dass dieses Thema “einfach zu verstehen und bearbeiten” sei. Als nächstes stellte er sich damals schon vor, was mit blauen LEDs erreicht werden könnte: flache Monitore und Fernseher, verbesserte Handys, und so weiter. “Mit blauen LEDs kann ich die Welt verändern”, dachte er damals.

Es folgten rund zwei Jahre erfolgloser Versuche. Amano nutzte eine Gasabscheidungsmethode, genannt MOVPE, um dünne Kristallfilme zu erzeugen. Das ist ein üblicher Herstellungsprozess für Halbleiter, und LEDs sind im Grunde Halbleiter. Doch für diese Methode braucht man ein Trägermaterial, das gut zu dem aufgetragenen Material passt – und genau daran haperte es: Es gab keinen geeigneten Träger für GaN. Amano entschied sich für Saphir, weil dieses Mineral bei den hohen Temperaturen stabil ist, die für die GaN-Synthese nötig sind, und kaum mit Ammoniak reagiert, der in diesem Experiment als Stickstoffquelle dient. Zwischen Saphir und GaN besteht jedoch eine ‘Gitterfehlanpassung’ (Englisch: ‘lattice mismatch’) von 16 Prozent, was schlicht bedeutet, dass der geometrische Aufbau beider Kristalle nicht zusammenpasst. Dadurch erschien eine Synthese von GaN auf Saphir zunächst unmöglich.

 

Blaue LEDs zeigen an, ob dieser Großrechner problemlos läuft - eine von zahllosen Anwendungsfeldern blauer LEDs. Sie haben uns nicht nur moderne Fernseher, Monitore und Smartphones ermöglicht, sondern auch energiesparendes weißes Licht. Foto: iStock.com/Vladimir Timofeev

Blaue LEDs zeigen an, ob dieser Großrechner problemlos läuft – eines von zahllosen Anwendungsfeldern. Darüber hinaus haben uns blaue Leuchtdioden moderne Fernseher, Monitore und Smartphones ermöglicht, sowie energiesparendes weißes Licht. Foto: iStock.com/Vladimir Timofeev

Ein Doktorand im Akasaki-Labor arbeitete zur gleichen Zeit mit Aluminiumgalliumnitrid (AlGaN) und erzielte etwas bessere Ergebnisse als Amano. So kam dieser auf die Idee, zunächst eine dünne Schicht Aluminiumnitrid (AlN), ein Ausgangsstoff von AlGaN, auf seinen Träger aufzubringen. Doch sein Gerät konnte die notwendige Temperatur von 1200 Grad Celsius nicht erreichen, also suchte er nach einem gangbaren Niedertemperaturverfahren. Dieses fand er mit Hilfe eines weiteren Kollegen, der gute Erfahrungen mit dem Aufbringen einzelner Atome gemacht hatte, um welche herum sich dann die gewünschten Filme bildeten. Mit diesem zusätzlichen Arbeitsschritt schaffte es Hiroshi Amano, im Jahr 1985 den ersten GaN-Film überhaupt herzustellen. Er war damals 24 Jahre alt, der Kristallfilm war Teil seiner Master-Arbeit. Da er sich schon entschieden hatte zu promovieren, führte er dieses Experiment ganz alleine im Labor durch, während alle anderen eine Abschluss-Exkursion genossen. Knapp dreißig Jahre später sicherte ihm dieser einsame Versuch den Physiknobelpreis.

Wie schon erwähnt, sind LEDs Halbleiter: Sie haben p-leitende und n-leitende Schichten. Die n-Schichen haben mehr Elektronen und sind daher negativ geladen, die p-Schichten haben stattdessen ‘Löcher’. Wenn nun an einen solchen Halbleiter Strom angelegt wird, ‘springen’ Elektronen aus der n-Schicht am p-n-Übergang in die Löchter, wobei sie Licht in Form von Photonen abgeben. Diesen Vorgang nennt man Elektroluminiszenz, und Leuchtkörper, die damit arbeiten, verbrauchen erheblich weniger Strom als herkömmliche Glühbirnen. Leider waren die von Amano hergestellten GaN-Filme alle n-leitend oder hochohmig, keiner war p-leitend.
Am Ende war es fast genauso schwierig, eine p-leitende GaN-Schicht herzustellen, wie die allererste Herstellung eines GaN-Films überhaupt. Zunächst musste Amano die Dotierung seines Materials ändern, von Zink auf Magnesium. Eine Dotierung ist in diesem Fall eine minimale Beimischung, die jedoch die elektrische Leitfähigkeit massiv verändert. Doch das ‘Mg-dotierte GaN’ war immer noch nicht p-leitend. Erst durch einen speziellen Elektronenstrahl konnte ein p-leitender GaN-Film erzeugt werden: der entscheidende letzte Schritt zur Herstellung blauer Leuchtdioden. Diesen zweiten Durchbruch schaffte Amano 1989 im Alter von 28 Jahren.

Dr. Kaddour Lekhal ist ein Postdoc-Forscher im Amano Lab in Nagoya. Er studierte in Algerien an der Es-Senia Universität und promovierte in Frankreich. Foto: Ye Zheng, Amano Lab

Dr. Kaddour Lekhal ist ein Postdoc-Forscher im Amano Lab in Nagoya. Er studierte in Algerien an der Es-Senia Universität und promovierte in Frankreich. Foto: Ye Zheng, Amano Lab

Andere Forschergruppen hatten ebenfalls nach einer Lösung für das GaN-Problem gesucht, doch Amano hielt durch. “Mindestens drei Mal am Tag führte ich meine Experimente durch”, erzählte er der Japan Times nach der Verkündung der Nobelpreise, “und alle gingen schief. Jeden Abend ging ich entäuscht nach Hause, doch jeden Morgen wachte ich mit neuen Ideen auf.” Als er dann nach über tausend Versuchen doch Erfolg hatte, konnte er kaum glauben. Er dachte, er hätte eine Komponente vergessen, so glatt und dünn war der erste GaN-Film. Auf seinem Weg war Amano stets neugierig für die Ergebnisse anderer Forscher geblieben, und er scheute sich nie, diese um Rat zu fragen und deren Ergebnisse in seine Experimente zu integrieren.

“Als Person ist Hiroshi Amano bescheiden und freundlich, unkompliziert im Umgang, aufgeschlossen und sympathisch”, beschreibt ihn Kaddour Lekhal, ein Postdoc-Forscher in seinem Labor und Nachwuchswissenschaftler auf dem 66. Lindauer Nobelpreisträgertreffen diesen Sommer, das dem Thema Physik gewidmet ist. “Als Chef unterstützt und motiviert er uns, wo er nur kann, und spornt uns jeden Tag zu Höchstleistungen an.” Dr. Lekhal arbeitet an der Herstellung ultralanger Nanodrähte mit Hilfe der MOVPE- und HPVE-Methoden (beide ähneln sich, die letzte verwendet zusätzlich Chlorwasserstoff). Lekhal geht davon aus, dass solche Drähte in Zukunft eine entscheidende Rolle in der Herstellung verbesserter LEDs, Solarzellen oder bei der Wasserstoffgewinnung spielen könnten.

Diesen Sommer wird auch Hiroshi Amano selbst nach Lindau reisen. Er hält am Montag, den 27. Juni um 09:00 Uhr den Eröffnungsvortrag des Nobelpreisträgertreffens mit dem Titel “Lighting the Earth by LEDs” – die Welt mit LEDs erleuchten.

 

Enrico Fermi und der Beginn des Atomzeitalters

Chicago 1942: An einem kalten Dezembermorgen versammelten sich 49 Forscher und einige Gäste unterhalb der Zuschauertribüne eines stillgelegten Footballstadions. Eigentlich bot der Haufen aus Graphit und Uran keinen besonders aufregenden Anblick, alle Augen starrten jedoch gebannt auf die Anzeigen der Messgeräte. Leona Woods, die einzige Forscherin im ‘Chicago Pile-1’ Team, übernahm mit lauter Stimme den Countdown, doch kleine technische Probleme verzögerten das eigentliche Experiment immer wieder, bis in den Nachmittag hinein. Dann endlich zeigte das Messinstrument eine ausreichend große Menge freier Neutronen an: Erstmals war es Menschen gelungen, eine selbsterhaltende Kernspaltungs-Kettenreaktion in Gang zu setzen. Mit Hilfe der Cadmium-Kontrollstäbe konnte sie von den Physikern auch wie geplant wieder gestoppt werden. Nobelpreisträger Eugene Wigner hatte eine Flasche Chianti mitgebracht, den die Anwesenden zur Belohnung aus Papierbechern tranken. Zwar hatte es keinen großen Knall gegeben, trotzdem wurde an diesem Tag Geschichte geschrieben: der Beginn des Atomzeitalters.

Der erste Atomreaktor der Welt besaß weder Strahlenschutz-Vorrichtungen noch ein Kühlsystem, weil er nur eine sehr geringe Leistung hatte. Der 'pile', also 'Haufen' wurde nach dem Experiment außerhalb von Chicago wieder aufgebaut, dort entstand in Folge das Argonne National Laboratory. Heute erinnert eine Statue von Henry Moore an die erste nukleare Kettenreakton. Zeichnung: Melvin A. Miller of the Argonne National Laboratory, public domain

Der erste Atomreaktor der Welt besaß weder Strahlenschutz-Vorrichtungen noch ein Kühlsystem, weil er nur eine sehr geringe Leistung hatte. Der ‘pile’, also ‘Haufen’, wurde nach dem Experiment außerhalb von Chicago wieder aufgebaut, dort entstand in Folge das Argonne National Laboratory. Heute erinnert eine Statue von Henry Moore auf dem Uni-Campus an die erste nukleare Kettenreakton dort. Zeichnung: Melvin A. Miller of the Argonne National Laboratory, public domain

Nach diesem Erfolg rief Physikprofessor Arthur Compton, ebenfalls Nobelpreisträger, den Vorsitzenden des NDRC, also des National Defense Research Committee an, James Conant. Beide unterhielten sich in einem improvisierten Code. Compton: “Der italienische Steuermann ist in der Neuen Welt gelandet.” Conant: “Wie verhielten sich die Einheimischen?”, die Antwort lautete: “sehr freundlich”. Der ‘italienische Steuermann’ war Enrico Fermi, Chef des Pile-1 Teams und ein italienischer Physiker, der sowohl im theoretischen als auch im experimentellen Fach glänzen konnte. Seine bahnbrechende Forschung in Rom über den Beschuss von chemischen Elementen mit Neutronen, insbesondere seine Entdeckung, dass abgebremste Neutronen reaktionsfreudiger sind als schnelle, wurde 1938 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet. Die Preisverleihung in Stockholm nutzte er, um mit seiner ganzen Familie Italien zu verlassen. Seine Frau Laura Capon war jüdischer Herkunft, wegen der neuen Rassegesetze konnte sie nicht im faschistischen Italien bleiben. Also bestieg die ganze Familie Fermi in Stockholm ein Schiff nach New York – amerikanische Elite-Universitäten überschlugen sich mit Angeboten für dieses Ausnahmetalent.

So funktioniert Kernspaltung: oben sieht man ein freies Neutron, das gleich vom Kern eines Uranatoms aufgenommen wird (U-235). In der Mitte haben die beiden ein instabiles Uran-Isotop gebildet (U-236).  Dieses teilt sich in zwei kurzlebige Barium- bzw. Krypton-Isotope (Ba-141 und Kr-92), zudem werden drei weitere freie Neutronen und eine Menge Energie freigesetzt. Grafik: Fastfission, public domain

So funktioniert Kernspaltung: oben sieht man ein freies Neutron, das gleich vom Kern eines Uranatoms aufgenommen wird (U-235). In der Mitte haben die beiden ein instabiles Uran-Isotop gebildet (U-236). Dieses teilt sich in zwei kurzlebige Barium- bzw. Krypton-Isotope (Ba-141 und Kr-92), zudem werden drei weitere Neutronen und eine Menge Energie freigesetzt. Grafik: Fastfission, public domain

Zurück nach Chicago: Der dortige erste Reaktor bestand aus 360 Tonnen Graphit, der als ‘Neutronenmoderator’ die Aufgabe hatte, freigesetzte Neutronen abzubremsen, sowie aus 45 Tonnen Uranoxid plus 5,4 Tonnen Uranmetall. Graphit- und Uranschichten wechselten sich ab, beginnend mit Graphit, sodass schließlich das Uran komplett eingeschlossen wurde. Die Forscher nahmen an, dass die Neutronen, die durch den natürlichen Zerfall des Uran freigesetzt werden, mit anderen Uranatomen instabile Isotope bilden, die wiederum in zwei unterschiedliche Elemente zerfallen und durch diese ‘Kernspaltung’ nicht nur weitere Neutronen, sondern auch eine große Energiemenge freisetzen (s. Grafik links). Das war jedoch alles nur graue Theorie – was wirklich geschehen würde, wenn die Kontrollstäbe fehlten, wusste kein Mensch. Um überhaupt zu erfahren, ob der Reaktor läuft, hatte Leona Woods einen Neutronenmesser entwickelt, der in die 15. Reaktor-Schicht eingebaut war.

Fast zwanzig Jahre zuvor hatte Fermi intensiv Einsteins Relativitätstheorie studiert und entdeckt, dass sich in dem Formelwerk eine enorme Energiequelle verbirgt: die Kernkraft der Atomkerne. Er schrieb 1923: “Es scheint nicht möglich, zumindest in naher Zukunft, einen Weg zu finden, diese schreckliche Energiemenge freizusetzen, weil die erste Wirkung eine solch fürchterliche Explosion wäre, dass sie den Physiker, der dies versucht, in tausend Stücke reißen würde.” Als er dies schrieb, war er gerade mal 22 Jahre alt. Im Endeffekt war Fermi selbst derjenige, der diese schreckliche Energiemenge freisetzte, freilich ohne sich und seine Kollegen zu zerfetzen.

In den frühen 1920er Jahren befasste er sich außerdem mit der Statistik idealer Gase, das Ergebnis war die berühmte Fermi-Dirac-Statistik aus dem Jahr 1925. Im selben Jahr bekam er, im Alter von nur 24 Jahren, eine der ersten Professuren für theoretische Physik in Italien an der Sapienza Universität in Rom, wo er seine berühmten Neutronen-Versuche durchführte. Ausgehend von seiner Entdeckung, dass langsame Neutronen besser mit anderen Atomen reagieren als schnelle, entwickelte er die Fermische Altersgleichung. Damals glaubte er noch, er habe durch das Neutronenbombardement neue radioaktive Elemente geschaffen, unter anderem für dieses Ergebnis bekam er den Nobelpreis. Als er seinen Irrtum erkannte, ergänzte er seine Nobelpreisrede um eine entsprechende Fußnote.

Enrico Fermi in den 1940er Jahren in den USA. Er hatte seinen Universitätsabschluss 'laurea', das war der höchste akademische Abschluss in Italien zu seiner Zeit, bereits mit 20 Jahren geschafft, mit 37 folgte der Nobelpreis für Physik. Foto: US Department of Energy, public domain

Enrico Fermi (1901-1954) in den 1940er Jahren in den USA. Fermi hatte seinen Universitätsabschluss ‘laurea’, das war der höchste akademische Abschluss in Italien zu dieser Zeit, bereits mit 20 Jahren geschafft, mit 24 war er ordentlicher Professor, den Nobelpreis erhielt er mit 37 Jahren. Foto: US Department of Energy, public domain

Als Enrico Fermi samt Familie im Januar 1939 in New York landete, begann er sogleich in den Pupin Laboratories der Columbia Universität zu forschen. Im selben Monat erreichte die Nachricht von Otto Hahns erfolgreicher Uranspaltung die USA; Lise Meitner im schwedischen Exil hatte Hahns Versuche korrekt als Kernspaltung interpretiert. Plötzlich wurde die Physik politisch: Fermi gehörte zu den Ersten, die vor einem Deutschland mit Kernreaktoren und Atomwaffen warnte. Nur wenige Monate später schrieb Leó Szilárd den berühmten Brief an US-Präsident Roosevelt, unterschrieben von Albert Einstein, in dem er ebenfalls vor dieser Gefahr warnte. Fermi und Szilárd hatten bereits in New York erste gemeinsame Versuche zur Kernspaltung durchgeführt, doch Anfang 1942 wurden die verschiedenen Teams, die zu diesen Themen arbeiteten, nach Chicago verlegt und schließlich Teil des Manhattan-Projekts zum Bau einer amerikanischen Atombombe.

Enrico und Laura Fermi erhielten beide 1944 die amerikanische Staatsbürgerschaft. Im selben Jahr zog die ganze Familie nach Los Alamos, von dort betreute Fermi die verschiedenen Reaktoren des Manhattan-Projekts. Ende 1945 kehrte die Familie nach Chicago zurück, wo Fermi eine Professur annahm und Mitbegründer des Institut für Nuklearstudien wurde. Nach seinem frühen Tod im Jahr 1954 wurde es in Enrico-Fermi-Institut umbenannt. Dort befasst man sich nicht nur mit Teilchenphysik, sondern beispielsweise auch mit astrophysikalischen Themen. Zudem wurde einer der größten Teilchenbeschleuniger der Welt nach Fermi benannt, das Fermilab unweit von Chicago, ebenso das künstliche Element Fermium mit der Ordnungszahl 100. Auch der Enrico-Fermi-Award des US-Energieministerium und noch viele weitere Preise und Institute tragen seinen Namen.

Laura und Enrico Fermi im Jahr 1954, er starb am Jahresende an Magenkrebs. Das Paar hatte zwei Kinder, einen Sohn und eine Tochter. Nach dem Tod ihres Mann arbeitete seine Frau als Autorin und engagierte sich als Friedensaktivistin. Foto: Fotograf unbekannt, Copyright: Mondadori Publishers, public domain

Laura und Enrico Fermi im Jahr 1954, er starb am Ende desselben Jahres an Magenkrebs. Das Paar hatte zwei Kinder, einen Sohn und eine Tochter. Nach dem Tod ihres Mann arbeitete seine Frau als Autorin und engagierte sich als Friedensaktivistin. Foto: Fotograf unbekannt, Copyright: Mondadori Publishers, public domain

Heutzutage wird Fermi häufig im Zusammenhang mit dem Fermi-Paradox erwähnt, zumindest außerhalb von Physik-Vorlesungen. Dieses Paradox beschreibt den Widerspruch zwischen der geschätzten Vielzahl außerirdischer Zivilisationen und den fehlenden Belegen für deren Existenz. Dabei hat Fermi nie zu diesem Thema publiziert, das ‘Paradox’ ist das Ergebnis einer Diskussion beim Mittagessen im Jahr 1950 mit Emil Konopinski, Edward Teller und Herbert York, allesamt ehemalige Forscher des Manhattan-Projekts. Dieses Thema war jedoch nicht völlig aus der Luft gegriffen, denn in seinen letzten Lebensjahren interessierte sich Fermi stark für astronomische Forschung, insbesondere für hochenergetische Strahlung im Sonnensystem und darüber hinaus. 2008 wurde deshalb das NASA-Gammastrahlenteleskop umbenannt in ‘Fermi Gamma-ray Space Telescope’. Es beobachtet Gammablitze, die von den weit entfernten, aber gewaltigen Explosionen im Universum ausgesandt werden.

 

Falls Sie Teilnehmer des 66. Lindauer Nobelpreisträgertreffens diesen Sommer sein sollten: Verpassen Sie nicht Roy Glaubers Vortrag über seine Zeit im Manhattan-Projekt mit dem Titel ‘Recollections of Los Alamos – And the Nuclear Era’ am Donnerstag, den 30. Juni 2016 um 09:30 Uhr oder später als Video-on-Demand in der Mediathek. Das komplette Programm der Tagung erhalten Sie hier.