Die Vermessung des Universums: Wie die Physik von morgen den letzten Geheimnissen auf der Spur ist (German Edition)

Größenskala bis zu einem Zehntel eines Mikrometers hinabsteigen – zehn Millionen Mal kleiner als ein Meter –, stoßen wir auf die DNA, den grundlegenden Baustein von Lebewesen, der genetische Information kodiert. Diese Größe ist zwar immer noch ungefähr tausendmal größer als ein Atom, aber es handelt sich doch um einen Größenbereich, in dem die Molekularphysik (d.h. die Chemie) eine wichtige Rolle spielt. Obwohl man sie noch nicht vollständig versteht, liegen die molekularen Prozesse, die innerhalb der DNA stattfinden, dem überaus breiten Spektrum von Lebewesen zugrunde, die den Erdball bevölkern. DNA-Moleküle enthalten Millionen von Nukleotiden, weshalb die bedeutende Rolle quantenmechanischer atomarer Bindungen nicht überraschen sollte.
    Die DNA selbst kann auf verschiedenen Größenskalen untersucht werden. Mit ihrer gewundenen, spiralförmigen Molekularstruktur kann die gesamte Länge der menschlichen DNA in Metern gemessen werden. Aber die DNA-Fäden sind nur etwa zwei Tausendstel eines Mikrometers – zwei Nanometer – breit. Das ist etwas kleiner als die zur Zeit kleinste Transistorstruktur eines Mikroprozessors, deren Größe etwa 30 Nanometer beträgt. Ein einzelnes Nukleotid ist nur 0,33 nm lang und in seiner Größe mit einem Wassermolekül vergleichbar. Ein Gen ist etwa 1000–100 000 Nukleotide lang. Die brauchbarste Beschreibung eines Gens wird noch weitere Fragen abdecken als nur diejenigen, die wir im Hinblick auf einzelne Nukleotide stellen würden. Denn die DNA verhält sich auf verschiedenen Skalen auf unterschiedliche Weise. Bei der DNA stellen Naturwissenschaftler in verschiedenen Größenbereichen unterschiedliche Fragen und verwenden unterschiedliche Beschreibungen.
    Die Biologie ist der Physik insofern ähnlich, als kleinere Einheiten die Struktur erzeugen, die wir auf größeren Skalen sehen. Aber die Biologie umfasst viel mehr als das Verständnis der einzelnen Elemente lebender Systeme. Die Ziele der Biologie sind weitaus ehrgeiziger. Obwohl wir letztendlich glauben, dass die Gesetze der Physik den Prozessen, die im menschlichen Körper stattfinden, zugrunde liegen, sind funktionale biologische Systeme komplex und verworren und weisen häufig Auswirkungen auf, die nur schwer vorherzusagen sind. Die Entwirrung der elementaren Einheiten und der komplizierten Rückkoppelungsmechanismen ist äußerst schwierig und wird durch die kombinatorischen Zusammenhänge des genetischen Kodes noch weiter verkompliziert. Auch wenn wir die elementaren Einheiten kennen, stehen wir immer noch der ungeheuren Aufgabe gegenüber, eine kompliziertere emergente Wissenschaft zu ergründen, insbesondere diejenige, die sich dem Leben widmet.
    Auch Physiker können sich Prozesse auf größeren Skalen nicht immer durch ein Verständnis der Struktur der einzelnen Untereinheiten klarmachen, aber die meisten physikalischen Systeme sind in dieser Hinsicht einfacher als biologische. Obwohl die zusammengesetzte Struktur komplex ist und ganz andere Eigenschaften als die kleineren Einheiten haben kann, spielen Rückkoppelungsmechanismen und eine sich entwickelnde Struktur normalerweise eine geringere Rolle. Für Physiker ist das Auffinden des einfachsten elementarsten Bestandteils ein wichtiges Ziel.
    Atomare Skalen
    Wenn wir uns von den Mechanismen lebender Systeme entfernen und die Skala weiter hinabsteigen, um die grundlegenden physikalischen Elemente an sich zu verstehen, ist die nächste Länge, bei der wir einen Augenblick Rast machen, die atomare Skala, 100 Pikometer, was etwa zehn Milliarden Mal (10 10 ) kleiner ist als ein Meter. Die genaue Skala eines Atoms ist schwierig festzulegen, da hier Elektronen eine Rolle spielen, die um einen Kern kreisen, aber nie unbewegt sind. Es ist jedoch üblich, den durchschnittlichen Abstand des Elektrons vom Kern zu bestimmen und diesen als die Größe des Atoms zu bezeichnen.
    Menschen denken sich zwar Bilder zur Erklärung physikalischer Prozesse auf diesen kleinen Skalen aus, aber diese beruhen notwendig auf Analogien. Wir haben keine andere Wahl, als Beschreibungen zu verwenden, mit denen wir aus unseren Erfahrungen bei üblichen Längenskalen vertraut sind, um eine völlig andere Struktur zu beschreiben, die ein sonderbares und unserer Intuition nicht entsprechendes Verhalten aufweist.
    Mit der Physiologie, die uns ohne weiteres zur Verfügung steht – nämlich unseren Sinnen und der menschlichen Handfertigkeit –, ist es unmöglich, das Innere eines