Laser, Licht und Leben E-Book

Susanne Liedtke

• Herausgeber: Wiley-VCH
• Kategorie: Wissenschaft und neue Technologien
• Serie: Erlebnis Wissenschaft
• Sprache: Deutsch

Seitenzahl: 294

Veröffentlichungsjahr: 2012

Beschreibung

Der Mensch hat gelernt, Licht zu kontrollieren, in dem er beobachtete, wie Materie und Licht in der natürlichen Welt sich gegenseitig beeinflussen und verändern. Die neue Disziplin der Biophotonik setzt Licht als vielseitiges Werkzeug ein, um biologische Vorgänge verstehen zu lernen, Krankheiten besser diagnostizieren und heilen zu können. Mit Licht kann man berührungslos messen und Lebensvorgänge im wahrsten Sinne des Wortes 'live' beobachten. Mit Licht kann man aber auch gezielt eingreifen: Pinzetten aus Laserstrahlen halten einzelne Zellen und setzen sie zu künstlichen Geweben zusammen,. Licht kann zudem Schneiden, Bohren, Kleben oder als Katapult dienen.
Das Buch gibt kurze Einführungen in die Physik und Chemie des Lichtes und die Grundlagen der Zell- und Molekularbiologie und erzählt die ebenso spannende wie erfolgreiche Geschichte der Zusammenarbeit der beiden Disziplinen im Dienste der Gesundheit des Menschen. Unter dem Motto "Light meets Life Science" eröffnen Biophotoniker im 21. Jahrhundert der Infektionsbiologie, der Krebsforschung und der Gewebezucht völlig neue Möglichkeiten.

Leseprobe

Erlebnis Wissenschaft bei WILEY-VCH

Audretsch, Jürgen (ed.) Verschränkte WeltFaszination der Quanten2002, ISBN 3-527-40318-3

Bartels, Cornelia / Göllner, Heike / Koolman, Jan / Maser, Edmund / Röhm, Klaus-Heinrich Tabletten, Tropfen und Tinkturen2005, ISBN 3-527-30263-8

Emsley, John Parfum, Portwein, PVC …Chemie im Alltag2003, ISBN 3-527-30789-3

Emsley, John Fritten, Fett und FaltencremeNoch mehr Chemie im Alltag2004, ISBN 3-527-31147-5

Emsley, John Mörderische ElementeProminente Todesfälle2006, ISBN 3-527-31500-4

Froböse, Gabriele / Froböse, Rolf Lust und Liebe – alles nur Chemie ?2004, ISBN 3-527-30823-7

Froböse, Rolf / Jopp, Klaus Fußball, Fashion, FlachbildschirmeDie neueste Kunststoffgeneration2006, ISBN 3-527-31411-3

Froböse, Rolf Mein Auto repariert sich selbstUnd andere Technologien von übermorgen2004, ISBN 3-527-31168-8

Genz, Henning Nichts als das NichtsDie Physik des Vakuums2004, ISBN 3-527-40319-1

Koolman, Jan / Moeller, Hans / Röhm, Klaus-Heinrich (eds.) Kaffee, Käse, Karies …Biochemie im Alltag1998, ISBN 3-527-29530-5

Liedtke, Susanne / Popp, Jürgen Laser, Licht und LebenTechniken in der Medizin2006, ISBN 3-527-40636-0

Morsch, Oliver Licht und MaterieEine physikalische Beziehungsgeschichte2003, ISBN 3-527-30627-7

Morsch, Oliver Sandburgen, Staus und Seifenblasen2005, ISBN 3-527-31093-2

Reitz, Manfred Auf der Fährte der ZeitMit naturwissenschaftlichen Methodenvergangene Rätsel entschlüsseln2003, ISBN 3-527-30711-7

Renneberg, Reinhard / Reich, Jens Liebling, Du hast die Katze geklont !Biotechnologie im Alltag2004, ISBN 3-527-31075-4

Schwedt, Georg Was ist wirklich drin ?Produkte aus dem Supermarkt2006, ISBN 3-527-31437-7

Unger, Ekkehard Auweia Chemie!2004, ISBN 3-527-31238-2

Vowinkel, Bernd Maschinen mit Bewusstsein –Wohin führt künstliche Intelligenz?2006, ISBN 3-527-40630-1

Voss – de Haan, Patrick Physik auf der SpurKriminaltechnik heute2005, ISBN 3-527-40516-X

Zankl, Heinrich NobelpreiseBrisante Affairen, umstritteneEntscheidungen2005, ISBN 3-527-31182-3

Autoren

Dipl.-Biol. Susanne Liedtke

Institut für Physikalische Chemie Friedrich-Schiller-Universität Helmholtzweg 4 07743 Jena

Professor Jürgen Popp

Institut für Physikalische Chemie Friedrich-Schiller-Universität Helmholtzweg 4 07743 Jena

1. Auflage 2006

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© 2006 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim

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ISBN: 978-3-527-40636-4 ePDF ISBN: 978-3-527-64102-4 ePub ISBN: 978-3-527-64101-7 mobi ISBN: 978-3-527-64103-1

Inhaltsverzeichnis

titelseiteErlebnis Wissenschaft bei WILEY-VCHTitelImpressumVorwort der Autoren1 - Am Anfang war das Licht2 - Das Unsichtbare sichtbar machen3 - Mehr Klarheit in der Krebsdiagnostik4 - Kampf gegen den unsichtbaren Feind5 - Durchatmen!6 - Licht an im ErsatzteillagerLiteraturRegister

Vorwort der Autoren

In den vergangenen Jahren haben uns die Naturwissenschaftler viele neue Begriffe beigebracht. Wir mussten Gene von Proteinen unterscheiden lernen, sind in den Mikrokosmos der Viren und Prionen entführt worden und begegneten in den Wissenschafts- und Wirtschaftsteilen der Zeitungen allerlei neuen Technologien, so etwa der Bio-, Informations- und Nanotechnologie, die neben Erkenntnis-Fortschritt auch hohe Börsenkurse versprachen. Dass die neuen Möglichkeiten auch Risiken und ethische Probleme bergen, haben die Diskussionen um Klonschafe und Embryo-Stammzellen gezeigt.

Nun präsentieren wir Ihnen noch einen neuen Begriff: Biophotonik. Diese wissenschaftliche Disziplin beschäftigt sich mit der Wechselwirkung von Licht mit biologischen Systemen. Der Begriff setzt sich zusammen aus den griechischen Silben bios für »Leben« und phos für »Licht«. »Photonik« ist der Fachausdruck für alle Verfahren und Technologien, die auf Lichtteilchen, Photonen, zurückgreifen. Insofern ist der Begriff Photonik ähnlich dem der Elektronik, die die Technologien des Elektrons umfasst, zu gebrauchen.

Es geht also, stark verkürzt, bei der Biophotonik um Licht und Leben. Beide Phänomene haben, wie wir in den ersten Kapiteln dieses Buches beschreiben werden, die Wissenschaft seit alters her ganz besonders fasziniert. Gerade weil beide für den Menschen so selbstverständlich und allgegenwärtig sind, war die Aufklärung der naturwissenschaftlichen Grundlagen von Licht und Leben für die Forschung eine besondere Herausforderung. Wie wir sehen werden, war es von den ersten Theorien der antiken Griechen über das Wesen des Lichtes bis hin zur Photonentheorie Albert Einsteins ein langer und oft verschlungener Weg. In gleicher Weise hat das Phänomen Leben Wissenschaftler und Philosophen beschäftigt, von den Lebensvorstellungen des Aristoteles bis zur molekularen Genetik des 20. Jahrhunderts.

Dass es Sinn macht, diese beiden Bereiche zusammenzubringen, können wir von der Natur lernen. Sie macht es uns vor, wie nutzbringend die Wechselwirkung zwischen Licht und biologischen Systemen, also die Biophotonik, wie wir sie oben definiert haben, für das Leben sein kann. Denken Sie nur an die »Ernte« von Photonen, die Pflanzen bei ihrer Photosynthese als Energiequelle nutzen oder die Umwandlung von Photonen in einer langen Reihe komplizierter Vorgänge, die schließlich über den Weg durch das Auge in unserem Kopf ein Bild von der Welt erzeugen.

Wir Wissenschaftler, die sich mit Biophotonik beschäftigen, versuchen, die Natur zu verstehen, indem wir eines ihrer Grundprinzipien imitieren und uns der gleichen Werkzeuge bedienen wie sie. Dass wir mit diesen uralten Prinzipien hochinnovative zukunftsgerichtete Technologien entwickeln können, macht die Sache für uns so richtig spannend. Denn die Biophotonik ist für uns kein wissenschaftlicher Selbstzweck. Vielmehr eröffnet sie großartige Möglichkeiten für die Grundlagenforschung, die Biotechnologie und die Medizin. Wir hoffen, mit ihrer Hilfe die Ursachen von Krankheiten besser verstehen zu lernen, um sie in Zukunft verhindern oder sie zumindest früher und präziser diagnostizieren und damit effektiver behandeln zu können. Dazu jedoch ist es notwendig, dass wir als Wissenschaftler lernen, über unseren eigenen akademischen Tellerrand zu blicken. Denn nur, wenn die Entwickler photonischer Technologien, meistens Physiker, Chemiker oder Ingenieure, sich mit den Anwendern in Biologie, Medizin, Pharma-, Lebensmittel- und Umweltforschung an einen Tisch setzen, können die Potenziale der Biophotonik optimal ausgeschöpft werden. Wie wir sehen werden, haben die Innovationen, die die Biophotonik hervorbringt, verschiedene Väter oder natürlich auch Mütter: Mal sind es Biologen oder Mediziner, die ein bestimmtes natürliches Phänomen beobachten und die Idee haben, es mit Hilfe photonischer Technologien zum Beispiel zu einer neuen Diagnosemethode auszubauen. Andere Fortschritte beruhen darauf, dass ein Physiker einen interessanten technischen Ansatz verfolgt und ihn dann auf geeignete biologische oder medizinische Fragestellungen anwendet.

Mehrere Disziplinen erfolgreich zusammenzubringen, ist einer der großen Ansprüche, die die Biophotonik-Forschung an sich selbst stellt. Obwohl das auch in anderen Technologiebereichen sehr sinnvoll wäre, hat sich ein solches Vorgehen in Deutschland noch nicht weit genug durchgesetzt. Die Biophotoniker werden in ihren Bemühungen aber von der Bundesregierung sehr unterstützt. Diese hat schon früh den Trend erkannt, dass in Zukunft so viele Aufgaben wie möglich mit Hilfe von Licht, also von Photonen, erledigt werden und fördert die Optischen Technologien bereits seit einigen Jahren. »Licht bietet Optionen, für die es in der Technikgeschichte keine Vorbilder gibt«, heißt es in einem Bericht des Bundesministeriums für Bildung und Forschung. Die Optischen Technologien sieht das Ministerium als Schrittmacher für andere Entwicklungen an und weist ihnen einer Schlüsselfunktion bei der Lösung wichtiger Aufgaben für die Gesellschaft zu.

Biophotonik – dieser Wissenschaftszweig verheißt Patienten Durchbrüche für die Bekämpfung von Krankheiten, verspricht der Grundlagenforschung neue Werkzeuge und uns allen großen volkswirtschaftlichen Nutzen. Denn Fortschritte in Prävention, Diagnostik und Therapie der großen Volkskrankheiten wie Krebs oder Infektionen werden das Gesundheitssystem spürbar entlasten; außerdem werden die neuen Anwendungsmöglichkeiten dafür sorgen, dass in den Optischen Technologien, aber auch in den verschiedenen Zweigen der Bio- und Medizintechnik neue hochqualifizierte und zukunftssichere Arbeitsplätze entstehen, was letztlich zu einer allgemeinen Stärkung des Wirtschaftsstandortes Deutschland führt. Das klingt, mögen Sie einwenden, fast zu schön, um wahr zu sein. Doch werden Sie nach der Lektüre dieses Buches feststellen, dass die Ziele der Biophotonik zwar sehr hoch gesteckt sind, aber dank der engagierten interdisziplinären Arbeit vieler Forscher schon heute erreicht bzw. in greifbare Nähe gerückt sind.

In Deutschland wird das Forschungsgebiet Biophotonik im besonderen Maße durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) in Form von speziellen Förderprogrammen gefördert. Der so genannte Forschungsschwerpunkt Biophotonik bringt  – mit Unterstützung des Bundesministeriums für Forschung und Bildung und des VDI-Technologiezentrums – Wissenschaft und Industrie in zur Zeit 13 Forschungsverbünden zusammen, um optische Lösungen für biologische und medizinische Probleme zu erarbeiten. Gemeinsames Ziel ist es, mit Hilfe photonischer Technologien Krankheiten in ihren Ursachen zu verstehen, sie früh und präzise zu diagnostizieren und gezielt behandeln zu können.

Wir laden Sie ein auf eine Reise in die faszinierende Welt der Biophotonik. Sie werden »alten Bekannten« begegnen, dem Physiker Albert Einstein ebenso wie den Entdeckern der DNS-Doppelhelix, James Watson und Francis Crick; dem Erbauer des ersten Mikroskops, Antoni van Leeuwenhoek sowie den Jenaer Wissenschaftlern und Industriellen Abbe und Zeiss. Ihre wissenschaftlichen Leistungen bilden neben vielen anderen die Grundlage für unsere erfolgreiche Biophotonik-Forschung heute. In den einleitenden Kapiteln unseres Buches wollen wir ihre Theorien und Entdeckungen in neuem Licht betrachten. Außerdem werden wir Ihnen im zweiten Teil des Buches Labortüren öffnen und Forscher und Firmen vorstellen, die optisches Know-how in den Dienst der Gesundheit stellen, Antworten auf wissenschaftliche Fragen finden und dabei auch noch wirtschaftlich erfolgreich sind. Am Ende dieses Buches werden Sie verstehen, warum gerade die Biophotonik für Wissenschaftler und Ingenieure, Patienten und Verbraucher gleichermaßen konkrete Verbesserungen bringt. Hierbei werden wir die eine oder andere spannende Geschichte aus den Forschungsaktivitäten des BMBF-Forschungsschwerpunktes Biophotonik berichten.

Bevor wir jedoch in unsere Erzählung einsteigen, möchten wir die Gelegenheit nutzen, besonders auf die Personen die Aufmerksamkeit zu lenken und unseren besonderen Dank diesen zu kommen zu lassen, die zur Enstehung dieses Buches beigetragen haben. Unseren Kollegen Prof. Dr. Walter-Ulrich Grummt und PD. Dr. Michael Schmitt möchten wir recht herzlich für sehr konstruktive und kritische Diskussionen zu dem Buch danken. Der Versuch, naturwissenschaftliche Phänomene herunter zu brechen, so dass sich die Geheimnisse auch einem interessierten Laien erschließen, ist alles andere als leicht. Schnell überschreitet man die Grenze zur Unwissenschaftlichkeit. Durch ständige Diskussionen mit unseren Kollegen und ihre kritischen Anmerkungen bzw. Korrekturen hoffen wir, wissenschaftlich korrekt und dennoch anschaulich geblieben zu sein. Für die Erstellung der Vielzahl an Abbildungen sei unserer Mitarbeiterin Dana Cialla recht herzlich gedankt. In vielen Stunden hat sie die Graphiken nach unseren Wünschen erstellt. Besonderen Dank gilt es den Verantwortlichen des BMBF, des VDI, den Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern der Verbünde des Forschungsschwerpunktes Biophotonik auszusprechen, ohne die es dieses Buch gar nicht gäbe und denen wir eine Vielzahl unserer spannenden Geschichten zu verdanken haben. »Last but not least« geht unser herzlicher Dank an unsere Familien Jens und Pia Hellwage sowie Elisabeth, Ann-Kathrin, Maximilian, Hanna und Christian Popp. Dieses Buch sei ihnen gewidmet.

Wir wünschen Ihnen viel Spaß und neue Einsichten in die Biophotonik, einer Technologie, die viel Segensreiches verspricht.

Jena, im Dezember 2005

Susanne LiedtkeJürgen Popp

1

Am Anfang war das Licht

Von Euklid bis Einstein: Licht fordert Philosophie und Wissenschaft heraus

»Licht! Liebe! Leben!«

Lebensdevise und Grabinschrift von J. G. Herder (1744–1803)

»Unter alles natürlichen Ursachen und Gesetzen weiß das Licht den Lernbegierigen am meisten zu entzücken.«

John Peckham, Erzbischof von Canterbury (1220–1292)

Als Sie heute Morgen aufgewacht sind, haben Sie sicher zunächst das Licht angeknipst. Oder die Vorhänge zurück gezogen, um das Tageslicht ins Zimmer zu lassen. Schien Ihnen die Sonne wärmend ins Gesicht, hat das vermutlich Ihre Laune gehoben. Verdunkelten dichte Wolken den Himmel, hat das Ihre Stimmung wahrscheinlich eher getrübt.

Licht spielt in unser aller Leben eine ganz zentrale Rolle. Das fängt dabei an, dass es ohne das Sonnenlicht überhaupt kein Leben in der uns bekannten Form auf der Erde gäbe – keine Bakterien, keine Pflanzen oder Tiere und damit auch keine Menschen. Auch unsere Spezies hätte es ohne Licht nicht dahin bringen können, wo sie heute steht. Ohne Fackeln hätten unsere Vorfahren nicht in dunklen Höhlen Schutz suchen können, ohne den wärmenden Schein des Feuers wären sie bald erfroren und verhungert und wenn sie nicht gelernt hätten, Werkzeuge zu erhitzen und dann zu bearbeiten, wären sie in ihrer kulturellen Entwicklung nicht weit gekommen.

Faszination Licht – Technik und Mythos

Wenn Sie darüber nachdenken, welche Rolle Licht in Ihrem Leben spielt, denken Sie wahrscheinlich an den am Anfang erwähnten Lichtschalter oder die Sonne. Licht hat ganz klar etwas mit zu tun, besonders dort, wo unsere Augen allein die Dunkelheit nicht mehr durchdringen können. Aber sind sie sich bewusst, dass Sie ohne Licht auch weniger würden? Ihre Lieblings-CD können Sie nur abspielen, wenn ein Infrarotlaser die schillernde Scheibe abtastet. Und die Stimme ihrer Tante aus Amerika kommt nur deshalb so klar aus dem Telefonhörer, weil in Glasfaserkabeln genauestens kontrollierte Lichtstrahlen Stimmen über viele Kilometer ohne Qualitätsverlust transportieren. Auf gleiche Weise finden übrigens auch die großen Mengen digitaler Daten den Weg auf den Bildschirm Ihres Computers  – ohne Licht kein Internet!