Forschungsprofil
Thermodynamik auf den Schultern Einsteins
Eine Theorie ist desto eindrucksvoller, je größer die Einfachheit ihrer Prämissen ist, je verschiedenartigere Dinge sie verknüpft, und je weiter ihr Anwendungsbereich ist. Deshalb der tiefe Eindruck, den die klassische Thermodynamik auf mich machte. Es ist die einzige physikalische Theorie allgemeinen Inhaltes, von der ich überzeugt bin, dass sie im Rahmen der Anwendbarkeit ihrer Grundbegriffe niemals umgestossen werden wird (zur besonderen Beachtung der grundsätzlichen Skeptiker).
- Albert Einstein, 1946 (Autobiographical Notes)
Forschung und Motivation
Sind physikalische Gesetze in der Lage lebende Systeme zu erklären?
Während die Molekularbiologie die Grundbausteine des Lebens (causa materialis) liefert, hat die Physik die Aufgabe zu erklären, warum Dinge geschehen (causa efficiens). Unser Ziel ist es, biologische Abläufe auf der Basis physikalischer Prinzipien zu verstehen oder, in anderen Worten, biologische Funktionen aus der Physik abzuleiten.
Ein wichtiger Ansatz dabei ist, nach einer Idee von Konrad Kaufmann den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik auf biologische Grenzflächen anzuwenden. Auf diese Art können verschiedene biologische Effekte auf der Grundlage des zweiten Hauptsatzes für verschiedene thermodynamische Zustände erklärt werden.
Kommunikation und Integration in der Biologie – Was macht eine Zelle zur Zelle?
Was macht die Zelle zur Einheit? Was steuert sie und woher ‘weiß’ das eine Ende, was am anderen Ende passiert? Wir haben gezeigt, dass lineare und nichtlineare, akustische Pulse sich durch hydratisierte Grenzflächen (z.B. Lipidmonolagen) ausbreiten können und dass diese Pulse durch den thermodynamischen Zustand der Umgebung reguliert werden. Insbesondere ist es für die Stabilität von Pulsen von Vorteil, wenn das System in der Nähe eines Phasenübergangs ist.
Einsteins Sicht auf die Thermodynamik folgend werden Pulse als das Ergebnis erster Ableitungen des Entropiepotentials interpretiert (Einstein 1910). Es wird vermutet, dass diese Pulse eine entscheidende Rolle in der Biologie spielen, indem sie die Grundlage für Integration und Kommunikation bilden – in Zellen, multizellulären Strukturen, Organen bis hin zum Gehirn. Nach dieser Hypothese repräsentieren diese Pulse den physikalischen Ursprung der Neurowissenschaft.
Die Kontrolle katalytischer Aktivität durch den thermodynamischen Zustand (Fluktuationen, d.h. zweite Ableitungen des Entropiepotentials) ist ein weiterer Schritt, der den Hauptpfeiler der Biochemie integriert: Enzyme. Isotherme oder adiabatische Zustandsänderungen sind in der Lage, enzymatische Aktivität zu regulieren (Kaufmann 1996). Diese Änderung wirkt wiederum auf den Zustand ein, indem sie beispielsweise die Struktur von Lipiden und damit den Zustand der Membran verändert. Die Integration der Biochemie in ein thermodynamisches Modell wird experimentell durch Fluoreszenzkorrelationsspektroskopie (fluorescence correlation spectroscopy, FCS) betrachtet. Durch diesen Ansatz erwarten wir tiefere Einblicke in die physikalischen Grundlagen von Zellen.
Gesundheit und das Abweichen davon – Physikalisch kontrollierte (Zell-)Adaption
Die oben beschriebene Integration von thermodynamischem Zustand, Pulsen und Biochemie eröffnet die Möglichkeit, Adaption, Wachstum und Strukturformation biologischer Systeme zu untersuchen. Bestimmte Zustände (z.B. in der Nähe eines Phasenübergangs) können für das System von Vorteil sein, d.h. das System auf eine bestimmte Weise optimieren. Ausgehend von einem solchen Zustand könnten externe Störungen Prozesse auslösen, die das System zurück in den optimierten Zustand bringen. In anderen Worten, das System passt sich an seine Umgebung an.
Wir werden diese Hypothese in lebenden Systemen testen, sowie seine Rolle in Sucht- und Entzugsphänomenen erforschen. Außerdem soll untersucht werden, wie zelluläre Netzwerke entstehen und wie Wachstum und Konnektivität mit der Existenz von Pulsen und ihrer Verbindung zur Enzymaktivität zusammenhängen. Damit soll getestet werden, ob diese Ideen sich auch für eine physikalische Grundlage des Gehirns eignen.