Big Bang, zweiter Akt

bleiben die Bruchstücke jedoch immer Gestein. Luft und Wasser können einer äußeren Kraft ausweichen. Luft und Wasser verdrücken sich, könnte man sagen. Tote Materie ist willenlos und damit passiv. Doch das Leben hat einen Willen, es will überleben! Eine einfache Zelle kann sich äußeren Einflüssen anpassen, vorausgesetzt, diese Einflüsse sind nicht so gravierend, dass sie zu ihrer Zerstörung führen. Leben kann sich mit seiner Umgebung arrangieren, es kann sogar seine Umwelt langfristig verändern, sodass für das Leben günstigere Umstände entstehen. Leben ist ein aktiver Prozess, der sich nicht zufrieden gibt mit dem, was ist. Diese Unzufriedenheit und Unruhe, die der lebenden Materie eigen sind, führen zu einem Vorgang, der in der Natur einzigartig ist: nämlich zur Vermehrung von Leben. Organismen reproduzieren sich, sie erzeugen Duplikate von sich selbst. Leben ist ein Generationenvertrag, der nie gekündigt wird.

Die Kraft für immerwährende Veränderung, Vermehrung und Anpassung bezieht das Leben aus der Sonne. Die Sonnenenergie treibt in den Pflanzen die Stoffwechselprozesse der Photosynthese an. Atome und Moleküle bilden Verbindungen, deren gespeicherte Energie für die Aktivitäten des Lebens benötigt wird. Dabei entsteht freier Sauerstoff, der in die Atmosphäre entweicht. Teilweise werden die Sauerstoffmoleküle in Höhen von einigen Kilometern über der Erdoberfläche durch die Ultraviolettstrahlung der Sonne gespalten, und es bildet sich Ozon, der einen Teil des energiereichen Sonnenlichts schluckt. Dieser Ozonschirm schützt die komplizierten Molekülverbände lebendiger Wesen auf der Erde vor der zerstörerisch wirkenden Ultraviolettstrahlung der Sonne.

Doch vor einigen Milliarden Jahren sahen die Erde und das Leben hier ganz anders aus: Es gab keinen freien Sauerstoff in der Atmosphäre, keine Pflanzen und keine Tiere, nur winzige einzellige Organismen, die von dem reichen Vorrat an Substanzen lebten, die in den Wassern der Meere enthalten waren. Als dieses chemische Futter zur Neige ging und der Bedarf der Zellen nicht mehr zu decken war, kam es zur ersten Energiekrise auf der Erde. Jetzt gewannen jene Lebewesen die Oberhand, welche gelernt hatten, das Licht der Sonne als Energiequelle zu nutzen. Damit hatten sie fortan eine unerschöpfliche Quelle zur Verfügung. Dieses uralte Rezept, aus Sonnenenergie Lebenskraft zu schöpfen, ist noch heute das eigentliche Geheimnis des Lebens auf der Erde. Aber das ist noch nicht alles, denn mit der Nutzung des Sonnenlichts bei gleichzeitiger Freisetzung des sehr aggressiven Gases Sauerstoff schuf sich das Leben seinen eigenen Schutzschild gegen die todbringenden Einflüsse aus dem Weltall - die Ozonschicht. Das Leben hat sich also in gewisser Weise mit der Sonne und ihrem Licht arrangiert. Die Pflanzen, die Algen und das Plankton dienen wiederum den Tieren und Menschen als Nahrung. Letztlich aber kommt alle Lebensenergie von der Sonne. Das Leben auf der Erde ist geronnenes Sonnenlicht, ist Manifestation kosmischer Energie. Auch eventuelles Leben anderswo im Universum braucht Sterne als Energiespender, braucht Quellen, die sehr lange sprudeln. Denn bis aus einer einfachen Zelle ein denkendes, möglicherweise sogar ein nachdenkendes Wesen geworden ist, braucht es schon eine gewisse Zeit: "Gut' Ding will Weile haben." Der Sprung vom Atom über Moleküle zum reflektierenden Gehirn ist so gewaltig wie vom Atom in die Dimensionen des Weltalls.

Das alles schreibt sich so leicht hin. Doch wissen wir damit wirklich mehr über das Leben? Eigentlich nicht. Wollen wir als Naturwissenschaftler dem Leben als eine spezielle Struktur der Materie auf die Spur kommen, so müssen wir einen ziemlich großen Bogen schlagen - vor allem wenn uns die Frage interessiert, ob denn im Universum noch anderswo lebendige Wesen vorkommen können. Da es immer noch keinen Zoo gibt, in dem außerirdische Pflanzen und Tiere betrachtet werden können, müssen wir auf extraterrestrische Botanik und Tierkunde verzichten. Es gibt noch keine außerirdischen Zellen, die wir mit dem Mikroskop untersuchen können. Was also bleibt zu tun, beziehungsweise was können wir überhaupt Sinnvolles über außerirdisches Leben sagen, wenn doch nichts, aber auch gar nichts über außerirdisches Leben bekannt ist? Andersherum gefragt: Inwieweit kann denn das Leben auf der Erde als Beispiel für Leben im Universum herhalten? Die Methoden der Biologie können wir nur sehr eingeschränkt anwenden, denn sie orientiert sich ja gerade am Anschauungsmaterial des irdischen Lebens.

Wie sich zeigen wird, sind hier die Methoden der Chemie und Physik weit besser geeignet. Die Ergebnisse dieser beiden Disziplinen lassen sich nämlich im Rahmen der Astronomie auf das gesamte Universum übertragen. Daher wollen wir zunächst damit beginnen, irdische Lebewesen auf ihre nüchternen, weil allgemeinen physikalisch-chemischen Eigenschaften zu reduzieren. Natürlich wird das dem Leben und seiner wunderbaren Artenvielfalt nicht gerecht. Aber wenn wir über unseren engen irdischen Horizont hinausschauen wollen, bieten nur die Physik und die Chemie genügend Spielraum für sinnvolle Spekulationen. Fragen wir also nicht als Mensch, sondern als Physiker: Was ist das Leben?

Leben - ein physikalisches Phänomen

Im Jahre 1943 hielt der in Wien geborene Physik-Nobelpreisträger Erwin Schrödinger in Dublin einige öffentliche Vorträge zum Thema: "Was ist Leben?" Sein Buch mit gleichem Titel, hervorgegangen aus diesen für ein Laienpublikum gehaltenen Vorträgen, gilt noch heute als Meisterwerk der naturwissenschaftlichen Literatur und als Meilenstein in der Geschichte der Molekularbiologie. Schrödinger versuchte als Erster die physikalischen Gesetze auf das Phänomen Leben anzuwenden. Als einer der Väter der modernen Quantenmechanik bemühte er sich, anhand der damals noch spärlichen Kenntnisse über die Grundlagen des irdischen Lebens ein sinnvolles, naturwissenschaftlich fundiertes Schema zu entwickeln, das sowohl den physikalischen Gesetzen gehorcht als auch die speziellen Eigenschaften lebender Organismen berücksichtigt.

Natürlich war Schrödinger die Komplexität des Lebens bewusst und damit auch die Tatsache, dass jeder Versuch, es rein physikalisch zu fassen, im Grunde aussichtslos erscheinen muss. Vor allem wenn man versucht ist, einen lebenden Organismus als eine biophysikalische Maschine aufzufassen und ihre Funktion nur aus ihren Einzelteilen zu erschließen. Abgesehen von Verschleißerscheinungen funktionieren physikalische Maschinen stets auf die gleiche Art. Das gilt auch für Systeme, die aus vielen einzelnen Teilen bestehen. Trotz statistischer Schwankungen verhalten sich solche Vielteilchensysteme immer berechenbar, das heißt deterministisch. Dass man mit der Quantenmechanik die Einzelprozesse und mit der statistischen Mechanik die Vielteilchensysteme im Griff zu haben schien, war ja gerade der Stolz der Physik der 1930er- und 1940er-Jahre. Doch auf das Leben angewandt, gilt das nicht mehr. Lebewesen sind unberechenbar! Welche Entwicklung sie nehmen, ist prinzipiell nicht vorherzusehen. Lebewesen funktionieren zwar in Übereinstimmung mit den Naturgesetzen, doch die unmittelbare Erfahrung lehrt uns, dass sich jedes Lebewesen individuell verhält und entwickelt.

Schrödinger erkannte, dass dahinter ein grundlegendes Problem steckt. Wie es scheint, verstößt das Leben gegen grundlegende Regeln der Physik, zwar nicht gegen die Naturgesetze, aber doch gegen die experimentell bestätigten Eigenschaften physikalischer Systeme. Regeln sind experimentell gefundene Teileigenschaften eines physikalischen Systems. In ihrer Aussagekraft ist eine Regel nicht so scharf wie ein Gesetz. "Die Ausnahme bestätigt die Regel", sagt ein Sprichwort. Ein Gesetz aber kennt keine Ausnahme - und ein Naturgesetz erst recht nicht.

Betrachten wir zwei Körper mit unterschiedlichen Temperaturen: Bringen wir sie miteinander in Kontakt, so wird sich entsprechend der Regel die Temperatur ausgleichen, und nach einer gewissen Zeit werden beide Körper gleich warm oder auch kalt sein. Diese Regel kann außer Kraft gesetzt werden, indem man die Körper durch entsprechende Kühlung beziehungsweise Erwärmung auf ihrer ursprünglichen Temperatur hält. Das System der beiden Körper gehorcht der Regel also nur dann, wenn es keinen äußeren Einflüssen unterliegt.

Ein Naturgesetz hingegen ist unumstößlich, es gilt immer, überall und ohne Einschränkungen. Beispielsweise ist es ein Naturgesetz, dass sich zwei Körper gegenseitig anziehen. Seit Isaac Newton ist bekannt, dass die Stärke dieser so genannten Schwerkraft umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstands ist. Für dieses Gesetz gibt es keine Ausnahmen, es gilt überall im Universum. Gleiches trifft auch auf die Anziehung zwischen einer positiven und einer negativen elektrischen Ladung zu. Auch diese Kraft ist umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstands zwischen den beiden Ladungen.

Auch das Leben kann nicht gegen Naturgesetze verstoßen. Folglich sollte man es - zumindest im Prinzip - mithilfe der bekannten physikalischen Grundgesetze beschreiben können. Physikalische Systeme, besonders die einfachen, kann man gut untersuchen und ihre grundlegenden Eigenschaften studieren. Deshalb lieben die Physiker vor allem die einfachen Systeme. Doch Leben ist kein einfaches System! Es ist vielmehr eine höchst komplexe Erscheinungsform der Materie. Deshalb ist es ziemlich schwierig, Aussagen über die Regeln des Lebens zu machen. Fast scheint es, als steckten wir in einer Sackgasse fest. Wenn es darum geht, den Begriff Leben zu definieren, schleichen wir wie eine Katze um den heißen Brei.

Versuchen wir es mal aus der Sicht eines Physikers: Für ihn ist das Leben ein sich selbst organisierendes, dissipatives Nichtgleichgewichtssystem. Besser kann man es kaum formulieren. Jede Art von Leben, auch außerirdisches, muss ein dissipatives, sich selbst organisierendes Nichtgleichgewichtssystem sein. Auf den ersten Blick sind das sicher prägnante, aber auch ziemlich unverständliche Schlagwörter, die uns nicht zufrieden stellen. Wovon ist da eigentlich die Rede? Was versteht man denn unter einem Nichtgleichgewichtssystem? Bevor wir dem Phänomen Leben weiter nachspüren, brauchen wir hier zunächst einmal Klarheit.

Im Gleichgewicht ist alles gleich, das sagt ja schon das Wort. In der Physik ist der einfachste Zustand, den ein System erreichen kann, ein Gleichgewichtszustand. Ist das Gleichgewicht hergestellt, so geht nichts mehr - "rien ne va plus" -, denn es ist ja alles ausgeglichen. Betrachten wir wieder die beiden sich berührenden Körper unterschiedlicher Temperatur: Solange ein Temperaturunterschied besteht, fließt vom heißen Körper Wärme auf den kälteren über. Die beiden Körper sind so lange im Ungleichgewicht, wie der eine noch wärmer ist als der andere. Haben sich jedoch die Temperaturen ausgeglichen, so passiert gar nichts mehr - Gleichgewicht eben. Prinzipiell gilt: Je näher ein System am Gleichgewicht ist, desto weniger tut sich in ihm. Ist das Gleichgewicht schließlich erreicht, so sind alle treibenden Kräfte erlahmt, und das System ist tot. Dass alle Systeme einem Gleichgewicht zustreben, ist eine der wichtigsten Grundregeln der Physik.

Gleichgewicht hat etwas mit Energieausgleich zu tun. Bisher ist uns der physikalische Begriff "Energie" nur bei der Behandlung der elektromagnetischen Strahlung begegnet, aber auch Wärme ist eine Form von Energie. Es wird also Zeit, sich ein wenig näher mit dem Begriff "Energie" zu befassen. Was Energie eigentlich ist, kann man nur schwer erklären. Wir sind hier in einer ähnlichen sprachlichen Falle wie bei der Frage nach Leben. Beide Begriffe umfassen gewisse Zustände und Prozesse, die nicht wirklich greifbar sind. Das Leben beispielsweise erhält sich, repariert, erholt und erneuert sich. Auch Energie wandelt sich ständig. Aus der Energie der Lage, der so genannten potenziellen Energie, kann Bewegungsenergie, sprich: kinetische Energie, werden. Wenn wir im Winter einen Schlitten einen Hügel hinaufziehen, so haben wir oben eine gewisse Energie der Lage erreicht. Sausen wir anschließend wieder den Hügel hinunter, dann wird aus der Energie der Lage Bewegungsenergie. Doch der Schlitten bleibt nur so lange in Fahrt, bis die Reibung zwischen Schnee und Schlittenkufen die Geschwindigkeit auf null heruntergebremst hat. Damit kommen wir schon zur nächsten Energieform. Die gesamte Energie, die wir im Schweiße unseres Angesichts beim Hinaufziehen des Schlittens erworben und in schneller Fahrt den Hügel hinunter genossen haben, ist letztlich als Reibungswärme oder Wärmeenergie im Untergrund versackt. Darauf können wir nicht mehr zugreifen, diese Energie ist weg. Was uns betrifft, so zehrt das Hinaufziehen des Schlittens natürlich an unseren Kräften, und wir müssen zwischendurch etwas essen. Damit tankt unser Körper chemische Energie, die dann wieder in mechanische Energie umgewandelt werden kann. Wir können also den Schlitten immer wieder den Hügel hinaufziehen, und das Spiel der Transformation von chemischer in potenzielle, dann in kinetische Energie und schließlich in Wärmeenergie beginnt von neuem.

Doch die unterschiedlichen Energieformen haben unterschiedliche Auswirkungen. Ein Körper mit kinetischer Energie ist in Bewegung. Ein Körper mit potenzieller Energie kann von einem Tisch herabfallen und dabei Bewegungsenergie gewinnen. Doch letztendlich haben alle Energieformen das Bestreben, sich in Wärmeenergie umzuwandeln. Wärme aber führt in der Materie zu einer Erhöhung der Unordnung. Kommen wir nochmals zurück zu unserem Schlittenfahrer. Abgekämpft nach der zwanzigsten Abfahrt, bleibt er unten auf seinem Schlitten hocken und nimmt etwas Schnee in die Hand. Der Schnee ist kristallisiertes Wasser. Die Wassermoleküle haben sich zu Kristallen geformt. Kaum aber liegen sie auf der warmen Hand, wird aus den schönen Kristallen eine Flüssigkeit - Wasser. Die Stege und Brücken aus Wassermolekülen, in denen sich eben noch das Sonnenlicht gespiegelt hat, sind dahingeschmolzen - es bleibt ein feuchter Händedruck. Die Ordnung ist verschwunden; durch die Wärme der Hand ist Unordnung entstanden. Konnte man im Schneekristall noch genau lokalisieren, wo sich Wassermoleküle verbunden hatten, so ist beim flüssigen Wasser jede Ortsinformation verwischt. Alles ist in Unordnung.

Gehen wir noch einen Schritt weiter: Was geschieht, wenn wir dem Wasser noch mehr Wärmeenergie zuführen? Verändert es sich dann in einen noch unordentlicheren Zustand? Nehmen wir an, unser Schlittenfahrer will später noch einen heißen Tee trinken und bringt dazu Wasser zum Kochen. Das Wasser beginnt zu verdampfen. In der Tat sind die Wassermoleküle im Wasserdampf noch ungeordneter verteilt als in der Flüssigkeit. Das Gleichgewicht des Wassers hängt direkt mit der Umgebungstemperatur zusammen. Materie versucht immer ins Gleichgewicht mit ihrer Umgebung zu kommen, indem sie alle Energieformen letztlich in Wärme verwandelt.