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Allgemein

Ungeteilte Ehre

So wenige Nobelpreisträger wie 1999 gab es zuletzt 1992. Nur vier Grundlagenforscher werden am 10. Dezember die Medaillen für Chemie, Medizin und Physik mit den dazugehörigen Schecks entgegennehmen.

CHEMIE Atome statt Pferde

Der Nobelpreisträger für Chemie Ahmed Zewail nutzte die schnellste Kamera der Welt, um Moleküle zu beobachten, während sie reagieren. Es kommt selten vor, daß ein Wissenschaftler in seinem Heimatland bereits ein Star ist, bevor er den Nobelpreis bekommen hat – wie der Ägypter Ahmed Zewail. Äußeres Zeichen seiner Popularität: Seit 1998 ziert das Konterfei des diesjährigen Preisträgers für Chemie zwei ägyptische Briefmarken.

Dabei lebt Zewail bereits seit mehr als 25 Jahren in den USA. Dort hat er ein eigenes Imperium errichtet: das Femtoland. So nennt der Professor seine Labors am California Institute of Technology in Pasadena – in Anspielung darauf, daß die Vorgänge, die er und sein Team dort untersuchen, innerhalb von Femtosekunden (0,000000000000001 Sekunden) ablaufen. Zewail erklärt gerne mit einer Anekdote, in welcher Tradition seine Arbeit steht: 1872 wettete der Eisenbahnmagnat und Politiker Leland Stanford mit einem Freund um 25000 Dollar, daß Pferde während des Galopps einen Moment lang alle vier Hufe vom Boden abheben. Sechs Jahre später gewann der Fotograf Eadweard Muybridge die Wette für Stanford, nachdem er eine Bildserie mit einer Kamera geschossen hatte, deren eigens entwickelter Verschluß sich nur für eine Zweitausendstelsekunde öffnete. Die Fotos bewiesen, daß Pferde tatsächlich kurzzeitig „fliegen“. Statt für Vierbeiner interessiert sich der ägyptische Chemiker für die Bewegung in Molekülen während einer chemischen Reaktion. So begann er in den achtziger Jahren, mit einer neu entwikkelten „Kamera“ zu arbeiten, die zwei Laserblitze verwendet: Der erste liefert die Energie, um die jeweilige Reaktion auszulösen. Dann folgt innerhalb von Femtosekunden der zweite Blitz, dessen Energie von den Stoffen aufgenommen und anschließend wieder abgestrahlt wird. Das so entstehende Spektrum ist zwar kein echtes Foto, liefert aber eine Art Fingerabdruck der Moleküle. Indem Zewail die Zeitspanne zwischen erstem und zweitem Blitz veränderte, konnte er die Vorgänge verfolgen, die zur Bildung eines neuen Stoffes führen. Die Schnappschüsse des Ägypters offenbaren, welche Elektronen während einer Reaktion verschoben wurden, wie sich die Reaktionspartner räumlich anordneten und welche Bindungen sich öffneten oder schlossen. Mit Zewails Technik können äußerst kurzlebige Substanzen und Übergangszustände identifiziert werden, die auf dem Weg zwischen ursprünglichen Stoffen und Endprodukt liegen.

Experten schätzen, daß es allein in Deutschland inzwischen mehrere Hundert Forscherteams gibt, die mit Femtosekundenlasern arbeiten. „Zewails Arbeiten haben das Interesse an den Ultrakurzzeit-Untersuchungen geweckt“, sagt Dr. Arnulf Materny vom Institut für Physikalische Chemie der Universität Würzburg. 1993, während eines einjährigen Aufenthaltes am California Institute of Technology, lernte er die zeitaufgelöste Laserspektroskopie von Zewail. Daß Femtosekunden-Apparaturen immer leichter bedienbar werden und heute schon für weniger als eine Million Mark zu kaufen sind, hat ihre Verbreitung gefördert. Mit ihrer Hilfe erforschen Wissenschaftler zum Beispiel, welche Vorgänge bei der Photosynthese in Pflanzen ablaufen oder untersuchen das Verhalten von Katalysatoren. Zewail war schon oft in Deutschland – vor allem, um geehrt zu werden: „Ich kenne fast keinen Forschungspreis, den Zewail nicht schon bekommen hat“, sagt Materny. Als sich der Ägypter letztes Jahr zur Zeit der Nobelpreis-Bekanntgabe am Garchinger Max-Planck-Institut für Quantenoptik aufhielt, standen die Forscher dort schon bereit zum Feiern. Doch damals entschied sich das Nobel-Komitee anders – selbst jemand, der wie Zewail die Zeit in Femtosekunden mißt, muß manchmal geduldig sein.

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PHYSIK

Ordnung im Teilchenzoo

Die Physik-Nobelpreisträger Martinus Veltman und Gerardus ‚t Hooft entwickelten das mathematische Werkzeug, um die Bausteine der Materie zu berechnen. Trocken kommentiert Martinus Veltman seinen Erfolg: „Keiner kann deshalb ein Butterbrot mehr oder weniger essen“, sagte der 1931 geborene, inzwischen pensionierte Physik-Professor in einem Radio-Interview. Die gesellschaftliche Wirkung seiner Arbeit sei „gleich null“. Damit mag er vielleicht recht haben. Aber für die Physik und das Verständnis vom Aufbau unserer Welt waren die Rechnungen Veltmans und seines heute 53jährigen Kollegen Gerardus ‚t Hooft ein unglaublicher Durchbruch: Die beiden Holländer entwarfen ein Theorie-Gerüst, mit dem sich Elementarteilchen vorhersagen ließen, die man später tatsächlich fand. Veltman war von 1966 bis 1981 Professor an der Universität Utrecht. Danach arbeitete er bis zu seiner Emeritierung an der Universität von Michigan. Gerardus ‚t Hooft, der seit 1977 Professor an der Universität Utrecht ist, stieß Ende der sechziger Jahre als Doktorand zu Veltman. Die beiden Männer kümmerten sich um die mathematische Beschreibung des sogenannten Standardmodells, das Ordnung in den unübersichtlichen Zoo subatomarer Bausteine bringt. Es gruppiert alle Elementarteilchen in drei Familien aus Quarks und Leptonen, die über Austauschteilchen – die Träger der Naturkräfte – wechselwirken. Die damalige Theorie berücksichtigte zwei der vier Naturkräfte: die elektromagnetische Kraft, die für chemische Bindungen, Magnetismus und Elektrizität sorgt sowie die schwache Wechselwirkung, die sich beim radioaktiven Zerfall zeigt.

Die Gleichungen bereiteten den Wissenschaftlern allerdings einiges Kopfzerbrechen. Denn an den entscheidenden Stellen – dort, wo die Eigenschaften von Teilchen ablesbar sein sollten – stand immer ein Wert ohne physikalische Realität: unendlich. Veltman und ‚t Hooft gelang es mit viel mathematischem Geschick, die Gleichungen so umzuformulieren, daß die Unendlichkeiten verschwanden. Damit konnten sie zum Beispiel Bosonen, die Träger der schwachen Kraft, berechnen. 1983 wurden diese Teilchen am Genfer Beschleunigerring CERN entdeckt.

MEDIZIN

Platzanweiser für Proteine

Der Medizin-Nobelpreisträger Günther Blobel hat den komplexen Eiweißtransport in der Zelle erforscht. Störungen darin lösen schwere Krankheiten aus – wie die Mukoviszidose. Der Biochemiker Günther Blobel entdeckte, daß Proteine eine Art Adreßaufkleber besitzen. Dadurch finden Eiweiße ihren Bestimmungsort in einer Zelle (unten) und durchdringen die Membranhüllen der Zellbestandteile. In jeder einzelnen Zelle eines Menschen schwirren mehr als eine Milliarde Proteine herum, die regelmäßig erneuert werden. Trotzdem herrscht im Organismus nicht das blanke Chaos. Jedes Eiweißmolekül gelangt genau zur richtigen Zeit an seinen Einsatzort und erledigt dort seine Aufgabe: als Hormon beispielsweise übermittelt es Nachrichten und als Enzym beschleunigt es chemische Reaktionen. Auf dem Weg zu ihrem Bestimmungsort müssen die Proteine Hindernisse überwinden: Sämtliche Bestandteile einer Zelle, die Organellen, sind von fetthaltigen Schutzhüllen umgeben. Nur dem jeweils passenden Eiweißmolekül gelingt es, diese Membran zu durchdringen. Der deutschstämmige Biochemiker Günther Blobel, seit 1967 an der New Yorker Rockefeller University, entschlüsselte die Details des komplizierten Verteiler- und Transportsystems in der Zelle. Er stellte fest, daß viele Eiweißstoffe eine Art Adreßaufkleber besitzen – meist eine Kette von Aminosäuren am Ende des Proteins. Mit Hilfe dieses Etiketts, das Wissenschaftler als topogenes Signal bezeichnen, finden die Proteine den richtigen Weg.

Außerdem steht auf dem Aufkleber der Einlaßcode, mit dem Proteine in Zellen gelangen können: In der Membranhülle prüfen spezialisierte Moleküle – Rezeptoren – die Zugangsberechtigung der ankommenden Eiweißmoleküle. Falls der Code stimmt, darf das Protein passieren. Häufig wird nach der Ankunft am Bestimmungsort das Etikett abgetrennt und damit der Rückweg versperrt. Ende der siebziger Jahre wies Blobel nach, daß neben Einzellern wie der Hefe auch pflanzliche, tierische und menschliche Proteine über topogene Signale verfügen. Inzwischen haben Mediziner und Physiologen herausgefunden, daß einige bislang unheilbare Krankheiten auf unzulängliche Adreßaufkleber in Proteinen zurückzuführen sind. Sonst funktionsfähige Eiweißmoleküle verlieren dann die Orientierung. Mit fatalen Folgen: Bei der Mukoviszidose etwa füllt sich die Lunge des Kranken mit klebrigem Schleim, der Erstickungsanfälle verursacht. „Wissenschaftler weltweit erforschen derzeit die Möglichkeit, die fehlerhaften topogenen Signale zu reparieren, um so die Mukoviszidose behandeln zu können“, sagt Ernst App, Leiter der Mukoviszidoseambulanz an der Universitätsklinik Freiburg. Verantwortlich für die falschen Informationen auf den Adreßzetteln ist ein defektes Gen. Von Blobels Erkenntnissen profitiert auch die Alzheimerforschung. Nach aktuellen Untersuchungen scheinen die typischen Eiweißablagerungen im Gehirn der Kranken abgetrennte topogene Signale bestimmter Proteine zu sein. „Wir arbeiten derzeit daran, diese Abtrennung zu hemmen. Möglicherweise stehen wir kurz vor einem Durchbruch“, sagt Konrad Beyreuther, Direktor der molekularbiologischen Abteilung der Universität Heidelberg. Wenn der 63jährige Blobel am 10. Dezember zusammen mit der Nobel-Medaille einen Scheck im Wert von über 1,8 Millionen Mark entgegennehmen wird, kann sich ganz Dresden mit ihm freuen. Denn der in Schlesien geborene Blobel wird einen großen Teil seines Preisgeldes für den Wiederaufbau der Frauenkirche stiften. Als Achtjähriger hatte Bobel 1945 miterlebt, wie Dresden von der englischen Luftwaffe bombardiert wurde.

Frank Frick / Carola Pfeifer / Frank Fleschner

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