What is Life? - Was ist Leben ?

• 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?“

Erwin Schrödinger (1887-1961):

What is Life? – Was ist Leben?

• 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.

Warum interessiert einen Physiker das Phänomen des Lebens?

What is Life? – Was ist Leben?

• 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?

Die Größe von Atomen und die Gesetze der Physik

What is Life? – Was ist Leben?

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

Lebewesen bestehen nicht in jeder Phase ihrer Existenz aus riesigen Mengen von Atomen. (Erbfaktoren sind klein)Dann können einzelne Atomgruppen eine wesentliche Rolle spielen!

What is Life? – Was ist Leben?

• 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)1. Was folgt aus diesen (damals neuen Theorien) zur

Frage der Stabilität von Erbfaktoren?2. Unter welchen Bedingungen können Moleküle als

Erb-faktoren wirken?

Der Vererbungsmechanismus II

What is Life? – Was ist Leben?

• 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

Quantenmechanik I

What is Life? – Was ist Leben?

• 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

Der aperiodische Kristall

What is Life? – Was ist Leben?

• 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.

Die Folgen des Buches