„Ich will Leben bauen“

Welt der Physik: Frau Schwille, was ist Leben?

Petra Schwille

Petra Schwille: Es gibt leider keine wirklich überzeugende, einfache Definition von Leben. Die einzige leichte Definition, die wir haben, stammt aus dem 19. Jahrhundert und besagt, dass Leben immer zellulär sein muss – also aus einer, mehreren oder ganz vielen Zellen besteht. Die Zelle ist die kleinste Einheit des Lebens. Sie ist in gewisser Weise das Atom der Biologie.

Welche Eigenschaften hat eine Zelle, die als Merkmale von Leben gelten?

Jede Zelle hat eine Informationseinheit – die DNA. Sie kann sich vervielfältigen und betreibt Stoffwechsel, tauscht also ständig ihre Bausteine gegen andere Bausteine aus. Was dann im 20. Jahrhundert als sehr wesentliches Kriterium zur Definition von Leben dazugekommen ist, ist die Fähigkeit zur darwinschen Evolution. Und das ist wahrscheinlich auch das, was uns am meisten fasziniert am Leben: Es kann lernen und sich an veränderte Umweltbedingungen anpassen.

Das heißt, Leben ist vielmehr eine Sammlung von vielen Kriterien, die erfüllt sein müssen?

Das ist richtig. Und die einzelnen Kriterien kann man messen und nachweisen. Wir können beispielsweise nachweisen, dass sich etwas fortpflanzt und den Stoffwechsel charakterisieren. Aber es ist eben immer eine Zusammenstellung von Eigenschaften und es kann gut sein, dass diese Zusammenstellung noch nicht komplett ist. Dass also ein System, das alle diese Kriterien einzeln erfüllt, möglicherweise immer noch nicht leben könnte.

Der Quantenphysiker Erwin Schrödinger hat in den 1940er-Jahren interessante Überlegungen zur Frage „Was ist Leben?“ angestellt. Wie definierte er Leben?

Erwin Schrödinger hat ein Buch geschrieben mit dem Titel „Was ist Leben? Die lebende Zelle mit den Augen des Physikers betrachtet“. Das Buch ist eigentlich eine Sammlung von Vorlesungen, die er in Dublin gehalten hat, während er dort im Exil lebte. Einige seiner Überlegungen sind mittlerweile von der biologischen Forschung überholt. Was Schrödinger aber das erste Mal auf den Punkt gebracht hat, ist das Prinzip der Ordnung. Denn die Strukturen in der Zelle bilden ein hochgeordnetes System. Und Leben ist darauf angewiesen, diese Ordnung permanent aufrechtzuerhalten.

Lässt sich diese Ordnung lebender Systeme irgendwie veranschaulichen?

Lebende Systeme müssen dauerhaft gegen den Effekt der Diffusion arbeiten. Diffusion sorgt dafür, dass alle Moleküle im Raum gleichverteilt sind. Wie die Milch in einer Tasse Kaffee: Wenn man Milch in einen Kaffee gießt, dann ist nach einiger Zeit die Milch überall. Lebende Systeme machen im Grunde genau das Umgekehrte: Sie schaffen es sozusagen, die gesamte Milch auf eine Seite zu sortieren, obwohl jedes einzelne Milchmolekül theoretisch überall hin diffundieren kann. Und genau das passiert andauernd in unseren Zellen, natürlich nicht mit Milch, sondern mit anderen Molekülen.

In der Physik beschreibt man das Maß an Ordnung mithilfe der Entropie: Ein geordneter Zustand entspricht einer geringen Entropie und ein ungeordneter Zustand hoher Entropie. Wie lässt sich das auf Lebewesen übertragen?

Man kann Ordnung innerhalb eines Systems nur erhalten, indem man außerhalb des Systems Unordnung schafft. Das heißt, die Entropie innerhalb des Systems verringert sich und gleichzeitig steigt die Entropie außerhalb des Systems an. Schrödinger hat genau das auf den Punkt gebracht: Er schrieb, etwas blumig ausgedrückt, dass sich Leben von negativer Entropie ernährt. Was er damit meinte, ist – und das ist nach wie vor vollkommen richtig – dass Leben seine Ordnung nur erhalten kann, wenn es Entropie umsetzt. Die Entropie, die es lokal erzeugt, muss irgendwohin. Und deshalb muss die Entropie in der Umwelt zunehmen. Doch damit das gelingt, braucht es Energie. Pflanzen nutzen als Energiequelle beispielsweise Sonnenenergie, andere Lebewesen ziehen ihre Energie aus der Nahrung, die sie zu sich nehmen. Leben muss also permanent Energie hineinstecken, um Entropie zu exportieren und damit seine Ordnung zu erhalten.

Trotz seiner zahlreichen Überlegungen ist es Schrödinger schlussendlich nicht gelungen, eine eindeutige Definition von Leben zu finden. Wie könnte so eine physikalische Definition von Leben überhaupt aussehen?

Aus physikalischer Sicht wäre es ideal, wenn man die Lebendigkeit eines Systems wirklich quantitativ messen könnte. In unserem normalen Umgang gibt es ja nur „Leben“ und „Nichtleben“. Entweder lebt etwas oder es lebt nicht. Doch so eine digitale Größe, die man messen kann und die im Fall nichtbelebter Natur „Null“ und im Fall belebter Natur „Eins“ ist, die gibt es nicht. Die hat noch keiner definiert. Und deswegen ist es so schwierig, Leben eindeutig zu definieren.

Wie versuchen Sie in Ihrer Forschung, dieser Frage auf den Grund zu gehen?

Künstliche Zellen

Wir versuchen, die Kriterien sozusagen einzeln nachzustellen. Also minimale Systeme zu bauen, die wir quantitativ analysieren können. Aber wir sind immer noch bei Kriterium eins. Das ist das, was man unter dem Mikroskop am allerbesten sehen kann: die Zellteilung. Das System soll sich aus sich selbst heraus teilen, nur durch Aufnahme von Energie aus der Umgebung. Das versuchen wir mittlerweile seit 20 Jahren in einer Minimalform nachzubauen.

Das heißt, Ihr Ansatz ist es, ein künstliches System zu bauen, das alle Kriterien erfüllt, die man derzeit Leben zuschreibt?

Im Prinzip ja: Ich will Leben bauen. Die Frage ist allerdings, ob wir wirklich ein Kriterium nach dem anderen abhaken können. Und ob wir das entsprechende System dann als Leben akzeptieren würden. Aber unser Ansatz ist tatsächlich, klein anzufangen, das Leben in seine minimalen Bestandteile zu zerlegen und zu schauen, ab welcher Komplexitätsstufe wir interessante Eigenschaften sehen. Uns fasziniert Leben ja deswegen, weil es Eigenschaften hat, die nichtbelebte Systeme nicht haben. Ob wir allerdings jemals einen Parameter finden werden, der quantitativ die Belebtheit eines Systems messen kann, ist unklar. Das ist für mich tatsächlich die spannendste Frage.