Max Perutz und das Geheimnis des Lebens

"1936 habe ich meine Heimatstadt Wien verlassen um den "großen Weisen" [Sage, Bernal] in Cambridge aufzusuchen. Ich habe ihn gefragt, 'Wie kann ich das Rätsel des Lebens aufklären?'. Er antwortete, 'Das Geheimnis des Lebes liegt in in der Struktur der Proteine, und Röntgenstrukturaufklärung ist die einzige Möglichkeit es zu lösen'"

Eine unbeschwerte Jugend in Wien

Max Perutz wird am 19. Mai 1914 in Wien in eine gutbürgerlicher Familie geboren. Sein Vater Hugo ist Textilfabrikant. Vater und Mutter Dely gehörten einer gebildeten und vergleichsweise wohlhabenden Gesellschaftsschicht an. Theater, Musik, Bücher umgaben Max von Kindheit an. Seine Eltern schicken ihn ins Theresianum in Wien, eine Schule mit dem Flair von Internationalität und Geld. Unter seinen Schulkameraden waren Söhne von Botschaftern und Adeligen. Und dennoch hatte gerade dieses Umfeld einen eher ernüchternden Einfluss auf Max. Der Umgang mit "Adeligen" hätte ihn für den Rest seines Leben von Snobismus jeder Art kuriert. Denn diese Leute waren keinen Deut gescheiter als alle anderen.

Trotz dieses Umfeldes sagt er von sich selbst, er wäre kein sehr ambitionierter Schüler gewesen; es hätte ihn wenig gekümmert, welche Noten er bekam. Einer der wenigen Lehrer, die Max beeinflusst hatten, war sein Chemielehrer. Dr. Arthur Praetorius hatte nicht nur an der Schule, sondern auch an der Technischen Universität in Wien unterrichtet. Max war von der Kompetenz des Lehrers beeindruckt. Eine Kompetenz und Motivation, die er offenbar bei anderen in dieser Form nicht wiederfand. Dr. Praetorius erlebte sogar noch den Nobelpreis seines ehemaligen Schülers Max Perutz. Aber wir greifen vor...

Das Interesse für Chemie hält nach der Schule an, und Max möchte Chemie studieren. Dieses Vorhaben stieß nicht gerade auf große Begeisterung bei seinen Eltern, besonders nicht bei seinem Vater. Denn sein Bruder studierte bereits ein Ingenieursstudium in der Schweiz (um die technische Seite der väterliche Firma übernehmen zu können). Für Max war das Jus-Studium vorgesehen. Welche Verschwendung eines naturwissenschaftlichen Talentes wäre das gewesen? 

Von Kindheit an war Max Perutz an den Bergen interessiert und ist in seiner Schulzeit auch hervorragender Skifahrer. Die Liebe für die Berge wird ihn bis an sein Lebensende nicht loslassen. Die Expedition im Sommer 1933 zeigt Perutz Verbundenheit mit der Natur. Er fährt mit studentischen Freunden in den Norden und gelangt bis zur arktischen Insel Jan Mayen, 600 km nördlich Islands, die nur eine meteorologischen Station beherbergte. Aber auch für seine spätere Karriere erweist sich der Bergsport als hilfreich. Max Eirich, einige Jahre älter als er selbst, lernt er beim Skifahren kennen. Eirich unterrichtet an der Universität Wien Chemie. Erst ihm gelingt es, Vater Hugo Perutz zu überzeugen, Max im Oktober 1932 Chemie studieren zu lassen. 

In einem späteren Interview sagt Perutz, er wäre nie besonders an Politik interessiert gewesen, sondern hätte sich lieber mit Bergsport beschäftigt. Ganz zutreffend dürfte diese späte Aussage besonders für die Zeit in Wien nicht gewesen sein. Es ist bekannt, dass er sich in den 30er Jahren sehr intensiv mit dem politischen Aufstieg Hitlers auseinandergesetzt hatte. Denn auch für jüdische Studenten begann das Leben in Wien zunehmend gefährlich zu werden. An den Universitäten patrouillierte nationalsozialistischer Mob, der nicht davor zurückschreckte, Studenten zu schikanieren oder zu verprügeln. Schon 1933 machte seine Familie erste Pläne nach Prag zu fliehen, sollten die Nazis in Österreich die Macht übernehmen. Aber noch bleibt die Familie Perutz in Wien.

1935 nahm er an einem Kurs für Eiweiß-Chemie des Chemikers Friedrich von Wessely teil. Dieser Kurs war für den weiteren wissenschaftlichen Weg wichtig, weil ihm zum ersten Mal klar wurde, welche Bedeutung die Chemie für das Verständnis biologischer Prozesse hat. Ausserdem stammten viele Beispiele aus diesem Kurs von Sir Frederick Gowland Hopkins aus Cambridge. In Wien wurde kaum nennenswerte Forschung in diesem Gebiet betrieben. So wuchs in Perutz der Wunsch nach Cambridge zu gehen, um sich in dieses Fach unter kompetenter Betreuung vertiefen zu können. Wieder erzählte er seinem Freund Eirich von seinen Plänen. Eirich hatte Kontakte nach Cambridge und verspach zu helfen. Nicht zuletzt galt es wieder die Bedenken seiner Eltern zu überwinden. Über mehrere Ecken wurde der Kontakt zu J. D. Bernal hergestellt, der sich auch bereit erklärte Perutz aufzunehmen. Damit war für Max Perutz die Entscheidung gefallen. Aber noch lange sind nicht alle Hindernisse überwunden... 

Auch fiel diese Entscheidung keinen Moment zu früh. Symbolhaft für die zunehmende Verschärfung  der Situation in Österreich – auch an den Universitäten – war die Ermordung eines Philosophen des Wiener Kreises. Moritz Schlick wurde im Juni 1936 von einem geistig verwirrten Studenten vor der Universität Wien erschossen. Zwar war Schlick kein Jude und der Student auch nicht politisch motiviert, aber Schlick hatte von seiner Ablehnung der Nazi-Ideologie in Vorlesungen keinen Hehl gemacht. Von faschistischer Seite wurde in der Folge die Tat des Mörders relativiert und sogar entschuldigt.

"It was Cambridge that made me" – Ankunft in Cambridge 

1936  kommt Max Perutz schließlich als Graduate Student  in das Labor von J. D. Bernal. Seine Eltern sorgten für die notwendige Ausstattung und finanziellen Mittel für die erste Zeit. Leiter des Cavendish Labs war Ernest Rutherford. Cambridge war aber nicht nur eine bedeutende Universitätsstadt, sondern auch ein Brennpunkt politischer Diskussion. So stellte er gleich bei seiner Ankunft fest, dass Bernal (und viele seiner Mitarbeiter) engagierte Sozialisten sind. Er war hauptsächlich an der wissenschaftlichen Arbeit interessiert und arrangierte sich mit den politischen Aktivitäten. 

Aber auch die Ankunft in Cambridge war nicht ohne Probleme. Denn seine Versuche schon vorweg in einem College aufgenommen zu werden waren nicht erfolgreich gewesen. Er entschied sich dennoch nach Cambridge zu kommen und zu versuchen, das Problem vor Ort zu lösen. Mit Hilfe eines Komilitonen und eines Empfehlungsschreibens vom "Weisen" Bernal gelang schliesslich die Aufnahme ins Peterhouse College, dem ältesten (1284 gegründeten) und kleinestem College in Cambridge.

Perutz macht sich an die (wissenschaftliche) Arbeit: Man hatte gerade entdeckt, dass chemische Rektionen in Zellen von Enzymen katalysiert werden, und dass Enzyme Proteine sind. Gene hielt man ebenfalls für Proteine. Man wusste aber so gut wie nichts über die Struktur von Proteinen, und schon gar keine Details über deren Funktionsweise. Die Aufklärung der Struktur von Proteinen wurde langsam als das zentrale Problem der Biologie erkannt. Bernal ist einer der Mentoren, die Perutz klar machen, wie bedeutsam die Struktur komplexer Moleküle für deren (biologisch) Funktion ist. Der Weg, die Struktur dieser Moleküle aufzuklären war, das betonte Bernal immer wieder, die Röntenstrukturanalyse. Bereits 1934 machte Bernal selbst einen bedeutenden Schritt mit der Aufnahme der ersten Protein-Kristalle (Pepsin).

Die Grundlagen der Röntgenstrukturaufklärung  wurden schon rund 20 Jahre zuvor gelegt. Kristalle sind sehr regelmässige Strukturen, in denen bestimmte Strukturen (Einheitszellen) sich immer wieder in großer Regelmässigkeit wiederholen. Max von Laue vermutete, dass die Wellenlänge von Röntgenstrahlung ungefähr in der Dimension dieser Strukturen liegen müsste. Daraus ergaben sich folgenreiche Experimente: bestrahlt man Kristalle mit Röntgenstrahlung so werden diese von den Atomen gebeugt. Aufgrund der Regelmässigkeit der Kristallstruktur erhält man (im Idealfall) sehr regelmässige Beugungsmuster auf einer fotografischen Platte. William Bragg erarbeiteten in der Folge grundlegene mathematische Prinzipien der Röntgenbeugung an Kristallgittern. All dies war zu der Zeit, als Max Perutz nach Cambridge kam, bereits bekannt. Aber bislang wurde im wesentlichen an einfachen (anorganischen) Kristallen gearbeitet. Bernal vermutete frühzeitig, dass sich diese Methode auch auf komplexere Moleküle anwenden ließe.

Strukturformel des Häm B
(Wikimedia Commons)

Die Strukturaufklärung von Proteinen ist aber im Gegensatz zur  Untersuchung einfacher anorganischer Salze eine wesentlich komplexere Problemstellung. Perutz war von diesen Fragestellungen begeistert und begann mit Hämoglobin zu arbeiten, einem komplexen Proteine, das bei vielen Tieren und auch beim Menschen die Funktion hat, Sauerstoff zu transportieren. Hämoglobin hatte den Vorteil leicht verfügbar zu sein und ist gleichzeitig eines der wenigen Proteine, das man kristallisieren konnte. Kristalle sind, wie gesagt, eine Voraussetzung für die Röntgenstrukturanalyse. Diesem Vorteil stehen aber erhebliche Probleme gegenüber: Jedes Hämoglobin Molekül besteht aus vier komplexen Untereinheiten. Jede dieser Einheiten enthält eine (nicht Protein) Häm-Gruppe. Diese Häm-Gruppe hat im Zentrum ein Eisen-Molekül an dem sich ein Sauerstoff Molekül binden kann. Ein Hämoglobin-Protein kann daher vier Sauerstoff-Moleküle transportieren. Wenn man sich vor Augen führt, dass die Masse der Häm-Gruppen nur rund 4 Prozent der Gesamtmasse des Hämoglobins ausmacht und Hämoglobin aus tausenden Atomen zusammengesetzt ist, kann man ermessen, wie komplex dieses Protein ist, und welche Herausforderung die Strukturaufklärung darstellte.

Bändermodell des Hämoglobins. Die vier grünen Teile sind die Häme (s.o.).
(Wikimedia Commons) 

Daher wurde die Arbeit an derart komplexen Molekülen von den meisten Wissenschaftern der Zeit auch als zu komplex erachtet. Als Perutz nach Cambridge kam, hatte man noch nicht einmal einfache Zuckermoleküle mit Röntgenstrukturaufklärung untersucht, und dennoch machte er sich an Proteine, die aus tausende von Atomen bestehen – vielleicht getrieben von jugendlichem Leichtsinn.  Derartiger "Leichtsinn" war schon des öfteren die Voraussetzung völlig neue Wege zu versuchen und dabei in manchen Fällen auch große Entdeckungen zu machen. Man denke nur an Marie Curie die jahrelang Tonnen von Gestein "auskochte" um kleinste Mengen von Radium darzustellen. Daran sieht man aber auch, dass  Begeisterung alleine natürlich nicht ausreicht. Was für Max Perutz folgt, ist über viele Jahre harte, oftmals repetitive und auch frustrierende Arbeit im Labor. Er stand auch mit Bernal in regelmässigem Kontakt. Er teilte ihm seine Forschungsergebnisse mit und bat ihn 1937 um Unterstützung, weil seine finanziellen Mittel zu Ende gingen.

1937 starb Ernest Rutherford. Sir Lawrence Bragg, der Begründer der Röntgenstrukturanalyse, folgt ihm als Cavendish-Professor nach. Sofern man dies über einen Todesfall sagen darf, war dieser Wechsel an der Spitze des Labors für Perutz ein Glücksfall. Die Schwerpunktsetzung des Labors änderte sich nun zu seinen Gunsten. Rutherford war als Entdecker des Atomkerns stark on Atomphysik interessiert. Bragg hingegen (als Begründer der Röntgenanalyse) interessierte sich besonders für die Arbeiten von Perutz. Bragg hatte die Methodik entwickelt und auf einfache anorganische Salze angewendet. Die Idee, dass diese Methode auch komplexe organische Moleküle untersuchen kann faszinierte ihn. 

Kriegswirren

Diese neue Anerkennung kommt für Perutz gerade zur richtigen Zeit. Denn mit der Machtübernahme Hitlers verfügt er über keine eigenen finanziellen Mittel mehr. Von seinen Eltern hatte er einen fixen Betrag für die erste Zeit erhalten, aber das Geld wird knapp. Bragg half ihm nun ein Stipendium der Rockefeller-Foundation zu bekommen. Aber nicht nur seine eigene, auch die Lage seiner Eltern wurde sehr schwierig. Sie waren mittlerweile vor den Nazis nach Prag geflohen. Es gelang Perutz mit erheblichem Aufwand seine Eltern nach Cambridge zu holen, wo sie gemeinsam in Emanuel Road 15 wohnten. Seine Mutter, gewöhnt an ein Leben in Wien mit großer Wohnung und hinreichend finanziellen Mitteln, konnte sich an die kleinen britischen Wohnungen und die neue Lebenssituation, geprägt von finanziellen Sorgen und neuer Umgebung, nicht gewöhnen. 

"Christ's Piece" Park in Cambridge mit Blick auf das ehemalige Haus von Max Perutz (links) 

Der Krieg brachte weitere Schwierigkeiten mit sich. Perutz wird als Österreicher mit einer Zahl anderer Einwanderer aus Österreich und Deutschland in Großbritannien interniert. Da viele der anderen ebenfalls Wissenschafter waren, gründeten sie eine Art Universität in ihrem Lager. Der langweiligen, aber vergeleichsweise gemütlichen Internierung in England folgt eine Abschiebung nach Kanada. Bernal und Bragg versuchten ihr Möglichstes Perutz das Lager in Kanada zu ersparen. Sie schrieben amerikanischen Kollegen um ihm zu einem Job an einer amerikanischen Universität zu verhelfen. Der Versuch scheiterte aber zunächst. Die Überfahrt und die Lager in Kanada waren alles andere als angenehm. Dazu kommt, dass von allen Kriegsgefangenen die Juden die schlechtesten Bedingungen erfahren. Nach etlichen Monaten sind die Bemühungen verschiedenster Professoren (unter ihnen auch Linus Pauling und die Rockefeller Foundation) erfolgreich. Perutz darf zurück nach Cambridge. In England lernte er dann auch seine spätere Frau Gisela Peiser (eine Deutsche) kennen.

Ende 1942 wurde er, obwohl er Österreicher war, und kurz zuvor noch interniert war, für die Kriegsforschung im Projekt Habbakuk eingesetzt. Allerdings wurden ihm die meisten Details des Projektes (wie er in einem Interview knapp vor seinem Tod erzählt) vorenthalten. Er machte sich dennoch einen Reim vom Umfang des Vorhabens. Der Kopf hinter Projekt Habbakuk war Geoffrey Pyke, ein eher unkonventioneller Charakter; ein Journalist, Lehrer und Erfinder. Das Projekt galt als streng geheime militärische Forschung. Kritiker sahen es eher als Science Fiction. Die Idee war, eine Art Flugzeugträger aus mit Holzstoff verstärktem Eis anzufertigen. Dieses bewaffnete Riesen-Schiff (oder schwimmende Hafen) hätte in der Mitte des Atlantik stationiert werden sollen. Perutz wurde als "Experte für Eis" hinzugegzogen, weil er 1938 bei einer Gletscher-Forschungs-Expedition in der Schweiz teilgenommen hatte.  Diese Arbeit erforderte nun längere Aufenthalte in London. Auch Bernal ist diesem Projekt zugeordnet. Letztlich schlief dieses Unterfangen nach etlichen Tests wieder ein. Die Idee war viel zu komplex, und das Herstellen eines derartig großen, künstlichen Eisberges wäre viel zu energieaufwändig gewesen.

1944 kehrte Perutz wieder zu seiner regulären Forschungstätigkeit nach Cambridge zurück. In diesem Jahr wird auch seine Tochter Viviene geboren.

Das Geheimnis des Lebens

"Die gesamte Chemie der Zelle hängt an Proteinen, sie sind die Arbeitstiere der Zelle. Alles Leben hängt an ihnen. In den 1930er Jahren war das prinzipiell klar, aber nur sehr wenig über die Funktion der Proteine bekannt.", Max Perutz

Das änderte sich nach dem zweiten Weltkrieg, und Max Perutz hatte wesentlichen Anteil an den neuen Erkenntnissen. Auch wuchs das Team um Perutz stetig. John Kendrew stieß 1945 hinzu und arbeitete mit einem zweijährigen Stipendium an einem sehr komplexen Problem, ebenfalls an Hämoglobin. Er verglich fötales mit adultem Hämoglobin. Dann drohte sowohl Perutz wie auch Kendrew wieder einmal das Geld auszugehen. Auch diesmal haben sie Glück und einflussreiche Fürsprecher: David Keilin, der mit Sir Edward Mellanby (Leiter des Medical Research Council) befreundet war, setzte sich für die beiden ein. In der Folge erhalten sie finanzielle Unterstützung vom MRC. Sie gründeten die erste Abteilung für Molekulare Biologie. Ein bedeutender Schritt vorwärts! Aber nicht nur für ihre Forschungstätigkeit in Cambridge. Ebenso bedeutend war die Tatsache, dass sich molekulare Biologie als eigenständige Disziplin zu formieren beginnt.

Diese neue Forschungsrichtung zog zahlreiche talentierte junge Forscher an. Zu den ersten zählten Francis Crick, James Watson und Hugh Huxley; allesamt begabte junge Wissenschafter, hoch motiviert aber noch mit (zu) wenig Kompetenz in Biochemie. Die Idee ein interdisziplinäres Labor zu gründen stand im Raum. In den späten 1950er Jahren stieß dann der bedeutende Biochemiker Fred Sanger, der gerade das Insulin sequenziert hatte, zu ihnen. (Insulin war das erste Protein, das man sequenzieren konnte. Unter Sequenzierung versteht man die Bestimmung der Reihenfolge der Aminosäuren, die ein Protein aufbauen.)

Obwohl es nach außen hin stetig voran geht, waren die 50er Jahre für Perutz eine schwierige Zeit. Bragg verlässt Cambridge und wird Direktor der Royal Institution in London und versucht mit allen Mitteln John Kendrew und dessen ganze Arbeitsgruppe nach London zu holen. Kendrew möchte einerseits Cambridge nicht verlassen, andererseits scheint er nicht besonders gerne mit Perutz zusammenzuarbeiten. Warum, ist für mich nicht mehr leicht nachzuvollziehen. Jedenfalls hatte Perutz kein Problem mit Kendrew, sondern unterstützte ihn nach Kräften bei dessen Forschungstätigkeit. Er selbst hatte in dieser Zeit verschiedenste private Probleme. Der Stress über die ungeklärte Zukunft des MRC macht ihm stark zu schaffen und wird immer wieder krank. Vielfach wird angenommen, dass es sich um psychosomatische Erkrankungen gehandelt hatte.

Trotz der Schwierigkeiten ist Max Perutz angesehen. Während Bragg Francis Crick nicht ausstehen konnte, erkannte Perutz dessen Talent. Crick bestätigt später, dass es eines von Max Perutz Talenten war, eine gute Arbeitsamtosphäre zu schaffen. Auch wird Perutz 1954 Fellow der Royal Society und gilt damit als einer der Top-Forscher Großbritanniens. (Die Initiative zur Ernennung kam wohl von "Sage", J. D. Bernal.)

Max Perutz
(c) Bildarchive der Nationalbibliothek Österreich

Perutz selbst kämpfte immer noch mit der Strukturaufklärung des Hämoglobins. Als er im Jahr 1937 mit der Strukturaufklärung eines Proteins begonnen hatte, glaubte außer Bernal kaum jemand daran, dass diese Arbeit von Erfolg gekrönt sein könnte. Und tatsächlich ist die Komplexität, das zeigt sich nach Jahren der Forschungsarbeit, enorm. Die Arbeit am sauerstofftransportierenden Hämoglobin begleitete ihn und sein Team auch noch für die nächsten 60 Jahre. Aber im Jahr 1951 gelingt ein entscheidener Durchbruch. Perutz kann einen Strukturvorschlag von Linus Pauling (Alpha-Helix) experimentell belegen! Er verfeinerte seine Methode und legte auch die experimentelle Grundlage für die Strukturaufklärung von Myoglobin durch John Kendrew. Perutz selbst beschreibt die Aufklärung der Proteinstruktur nach der langen Durststrecke mit der Entdeckung eines neuen Kontinents.

Perutz und Kendrew teilten sich für die Strukturaufklärung der ersten Proteine den Nobelpreis 1962. Perutz ist 48 Jahre alt und er empfand den Nobelpreis als große Anerkennung für lange Jahre der Forschungstätigkeit, in der er selbst häufig an seinen Fähigkeiten gezweifelt hatte.

Die Arbeit von Wissenschaftern wie Perutz und Kendrew machten aber eine weitere Sache deutlich: Rund hundert Jahre zuvor, hatte Charles Darwin ein neues Zeitalter der Biologie eingeläutet: Evolution ist seit damals das Fundament moderner Biologie. Nun wurde deutlich, dass sich Evolution nicht nur auf der Ebene von Lebewesen, Tieren, Menschen, Pflanzen abspielt, sondern auch auf molekularer Ebene zu beobachten ist. Ein Beispiel, das von Perutz immer wieder gebracht wurde, sind Mutationen des Hämoglobins, die es dem Lama erst ermöglichen in höher gelegenen Regionen zu leben. Denn diese Mutationen erlauben eine höhere Sauerstoffsättigung im Blut.

Das "neue" Medical Research Council Laboratory of Molecular Biology

Nach den Nobelpreisen 1962 stand der Finanzierung eines neuen Labors südlich von Cambridge nichts mehr im Wege. Noch 1962 zogen die Wissenschafter ein. Dieses neue Labor war tatsächlich die Zusammenlegung von 4 Labors:  Fred Sanger vom Biochemie Labor in Chambridge, vom Cavendish Labor John Kendrew, Francis Crick und seine eigene Gruppe, vom Birkbeck College Aaron Klug, Hugh Huxley vom University College London. Das neue Labor für Molekulare Biologie startete mit etwa 30 Mitarbeitern, die alle vom Medical Research Council bezahlt wurden und hatte nochmals etwa dieselbe Zahl an Studenten, und Besuchern. Auch die technische Ausstattung des Labors war beachtlich.

Die Verbesserung der Kommunikation zwischen Wissenschaftern und vor allem auch zwischen den Teams war immer ein Ziel von Perutz. Das begann beim Entwurf der Cafeteria und endet bei der Nutzung von Geräten. Diese wurden nicht einzelnen Gruppen oder Personen zugeordnet, sondern sollten gemeinschaftliche genutzt werden. Auch waren alle Türen ohne Schlösser. Dies galt selbst für Perutz, der seine Tür direkt auf den Gang, für alle zugänglich öffnete. Ein Gegensatz zur früher üblichen Abschirmung durch das Sekretariat.

Bemerkenswert ist auch die Weitsicht und der damit verbundene lange Atem, den das Medical Research Council unter Harold Himsworth an den Tag legte. Denn gerade in den ersten Jahren gab es wenig herzeigbare Erfolge. Nicht endloser Papierkrieg, sondern direkte Gespräche waren die Regel. Perutz schreibt später:

"Dieses System garantierte effiziente Arbeit, aber der Thatcherism hat nun viel davon zerstört. Unter der alles durchdringenden Regel der 'Rechenschaftspflicht' hat sich die Bürokratie vervielfacht und die Direktoren werden unter Bergen von Papier begraben, was ihnen kaum mehr Zeit für eigene Forschung lässt. Und Forschung war es, wofür sie ihre Positionen erhalten hatten, nicht  für das Ausfüllen von Formularen."

Perutz Motto war es, talentierte Leute einzustellen und sie das machen zu lassen, was sie interessierte. Seine Rechnung ging auf. Das von ihm gegründete Labor "produzierte" 13 (!) Nobelpreisträger.

Wissenschaft und Gesellschaft

Ein gerne übersehener Aspekt großer Forscher ist die Arbeit, die sie für die nicht-wissenschaftliche Öffentlichkeit leisten. Einen Einblick in seine wissenschaftlichen Erkenntnisse aber auch in die Arbeit eines Wissenschafters gibt Max Perutz in mehreren Bücher wie: "Is Science Necessary" (1989), "Science is Not a Quiet Life" (1997), "I Wish I'd Made You Angry Earlier" (1998, 2002). 

In den 1960er Jahren stelltE er seine Forschung gemeinsam mit John Kendrew einer breiteren Öffentlichkeit in der BBC Serie "Eye on Science" vor. Auch war Perutz über die zunehmend wissenschaftsfeindliche Haltung der 1970er Jahre beunruhigt. Die Ansicht, Wissenschaft würde mehr Schaden als Nutzen anrichten, war ein (Mode-) Trend, vielleicht auch eine Gegenbewegung zu der Haltung der 50er und 60er Jahre. Sie schoss – so sah es wohl auch Perutz – weit übers Ziel hinaus. Er bemühte sich hier zu einer Objektivierung und Versachlichung der Diskussion beizutragen. Als Beispiel kann man einen Artikel im New Scientist nennen: "Why we need Science".

Er räumte sehr deutlich mit dem Mythos einer idyllischen und romantisierten Vergangenheit auf. Ein Bild, das wir leider bis heute in vielen Diskussionen implizit oder explizit wiederfinden. Er leugnete nicht die Gefahren, die neue Erkenntnisse und Technologien bringen können, stellt aber klar, dass diese immer im Verhältnis zum Nutzen betrachtet werden müssen. Ebenfalls eine Aussage, die wir uns heute wieder stärker zu Herzen nehmen sollten. Vielen Menschen ist überhaupt nicht klar, wie unser Leben ohne moderne Wissenschaft aussehen würde.

Gleichzeitig war Perutz aber kein Phantast, wie so manche Wissenschafter, die heute Bestseller schreiben, in denen alleine Wissenschaft und Technik die zunehmenden Probleme der Menschheit lösen werden und zu einer vermeintlichen Singularität, einer merkwürdig verklärten und romantisierten totalen Verschmelzung von Mensch und Maschine führen soll. Er war sich der Grenzen moderner Wissenschaft bewusst und kritisierte übertriebene Versprechungen anderer.

Die letzten Jahre

Wie viele Forscher seines Kalibers kannte er das Wort Ruhestand oder Pension nicht. 2001, im Alter von 87 veröffentlicht er noch eine wissenschaftliche Arbeit, gemeinsam mit Alan Windle, im angesehenen Fachmagazin Nature. Im gleichen Jahr wurde Leberkrebs diagnostiziert. Er arbeitete dennoch bis fast zum Ende.

Max Perutz stirbt nach einem langen Leben für die Wissenschaft im Februar 2002.

Liste aller Artikel dieser Serie

Weitere Informationen

• Georgina Ferry, Max Perutz and the Secret of Life 
• Andrew Brown, J. D. Bernal, The Sage of Science
• Ermanno Gherardi, One Man and His Molecule, Nature, Vol. 449, 13 September 2007
• Nobelpreis-Begründung, Cracking the Phase Problem
• Max Perutz, The Medical Research Council Laboratory of Molecular Biology
• History of LMB
• Interview mit Max Perutz, Desert Island Discs, BBC

Röntgenbeugung und Strukturanalyse (Röntgendiffraktometrie)

Die von Bernal und anderen entwickelte Röntgenstrukturanalyse ist eine bis heute wichtige Methode um die Struktur Moleküle aufzuklären. Die zu untersuchenden Moleküle müssen in Kristallform vorliegen und werden Röntgenstrahlung ausgesetzt. Die Röntgenstrahlen werden von den Atomen (genauer gesagt von den Elektronenwolken) an der dreidimensionalen Kristallstruktur gebeugt. Dabei interferieren die gebeugten Strahlen der verschienenen Gitterpunkte miteinander. Das Ergebnis ist ein komplexes Beugungsmuster, das auf fotografischen Platten (oder heute auf elektronischen Detektoren) festgehalten werden kann. Die Winkel und Intensität der Ablenkung lassen Rückschlüsse auf die Struktur des Moleküls zu. 

Prinzipielle Anordnung eines Experiments

Allerdings tritt Beugung nur dann auf, wenn die Wellenlänge der Strahlung in etwa in der Größenordnung des Kristallgitters liegt. Dies trifft auf Röntenstrahlung, nicht aber auf sichtbares Licht zu. Denn sichtbares Licht hat eine Wellenlänge die zwischen rund 400nm und 800nm liegt. Die Abstände in einem Kristallgitter liegen aber etwa zwischen 1pm und 10nm, genau wie die energiereiche Röntgenstrahlung. Zum Vergleich:

10.000.000 Nanometer (nm) = 1 cm
1.000 Picometer (pm) = 1 Nanometer (nm)
10.000.000.000 Picometer (pm) = 1 cm

Ganz grob kann man sich das Verhältnis eines Nanometers zu einem Zentimeter mit dem Verhältnis der Höhe eines größeren Wohnhauses zur Distanz zwischen Erde und Mond vorstellen. Ein Picometer ist nochmals 1.000 mal kleiner als ein Nanometer.

Auch Neutronen können zur Strukturaufklärung verwendet werden. Neutronen werden allerdings an den Atomkernen gebeugt, während Röntgenstrahlung mit den Elektronenwolken wechselwirken. Beide Verfahren lassen daher leicht unterschiedliche Rückschlüsse auf die Struktur zu und werden fallweise ergänzend eingesetzt. Es ist allerdings deutlich aufwändiger Neutronenstrahlen als Röntgenstrahlen zu erzeugen. 

Natriumchlorid (NaCl, Kochsalz) Kristallgitter.
[H. Hoffmeister, Wikimedia Commons] 

Da die Streuung von einzelnen Atomen viel zu schwach ausfällt, muss die Probe als Kristall vorliegen, um Aufnahmen mit hinreichender Intensität erzielen zu können. Dann dann addiert sich die Beugung vieler Atome zu einem intensiveren Muster. Dies ist möglich, weil in einem Kristall Atome in einer regelmässigen Anordnung vorliegen. Die obige Abbildung des Kochsalz-Kristalles zeigt eine solche, sehr einfache Anordnung. Proteine haben natürlich eine wesentlich komplexere Kristallstruktur. Die kleinste sich wiederholende geometrische Einheit  als Einheitszelle bezeichnet. Um klare Aufnahmen neuartiger Substanzen zu erhalten sollte man möglichst regelmässige Kristalle untersuchen. Nicht nur die Aufnahme und Auswertung, sondern auch die Präparation der Probe, besonders bei komplexen Molekülen wie Proteinen, kann folglich sehr aufwändig ausfallen.

Diffraktionsmuster eines Protein-Kristalls einer
SARS Protease [Wikimedia]

Die Strukturaufklärung mittels Röntgenstrahlung wurde zunächst auf genannte einfache anorganische Substanzen wie Kochsalz (NaCl) oder Flussspat angewandt. Dort hat man es mit Substanzen mit nur wenigen Atomen zu tun (genau zwei beim Kochsalz). Die Auswertung ist auch händisch noch ohne größere Probleme zu bewältigen. Die Grundlagen dieser Methodik wurden zu Beginn des 20. Jahrhunderts unter anderem durch Max von Laue gelegt. Er erhielt 1914 den Nobelpreis "für die Entdeckung der Diffraktion von Röntgenstrahlen an Kristallen." William Henry Bragg und Lawrence Henry Bragg (Vater und Sohn) arbeiteten an den mathematischen Prinzipien und begannen diese Methode zur Strukturaufklärung einzusetzen. 

Mit besserem Verständnis der Zusammenhänge konnten zunehmend komplexere Moleküle untersucht werden. Die Röntgenstrukturaufklärung wird damit Mitte des 20. Jahrhunderts zu einem bestimmenden Instrument der Aufklärung komplexer Biomoleküle wie Vitamine, Proteine, Nukleinsäuren und schliesslich auch die DNS. Der Prozess der Strukturaufklärung von Proteinen umfasst (daran hat sich bis heute nichts geändert) mehrere Schritte:

1. Reinigung des Proteins (Dauer: 3-6 Monate). Unter Reinheit versteht man sowohl die chemische Reinheit, als auch die Anordnung des Proteins.
2. Kristallisation (1-12 Monate)
3. Erfassen der Daten (Röntgendiffraktometrie) (1 Monat)
4. Ermitteln der Elektronendichte 
5. Ableiten der Struktur (3 Monate)

Jeder dieser Schritte ist komplex, besonders bei großen Molekülen wie Proteinen. In den 1940er und 1950er Jahren kommt hinzu, dass es noch keine leistungsfähigen Computer gab. Für die Auswertung der Aufnahmen sind aber zum Teil komplexe mathematische Verfahren wie Fouriertransformationen (zur Ermittlung der Elektronendichte) durchzuführen. Was ein Smartphone heute in wenigen Sekunden erledigen könnte, war händisch eine (mühsame) Arbeit von Monaten.

Dennoch ist der gesamte Prozess für eine neue (komplexe) Substanz auch heute noch sehr zeitaufwändig (wie die Zeitangaben in der Liste zeigen) und liegt typischerweise zwischen einem halben Jahr und zwei Jahren. Um beispielsweise die richtigen Bedingungen, unter denen sich Kristalle bilden zu finden, müssen bis zu 1.000 verschiedene Experimente durchgeführt werden (verschiedenste Parameter werden getestet, wie Art des Lösungsmittels, pH-Wert, usw.). Bis heute eine teure Angelegenheit!

Röntgendiffraktometrie ist also durchaus kein historisches Verfahren, sondern wird nach wie vor im analytischen Alltag eingesetzt, selbstverständlich mit wesentlich besserer Unterstützung durch Computer und entsprechender Software. Neben Röntgendiffraktometrie werden heute routinemässig auch Kernresonanzspektrometrie eingesetzt. Auch Elektronenmikroskopie kann zur Strukturaufklärung verwendet werden, hat allerdings geringere Auflösung als Röntgenstrahlung. Ergänzend wird fallweise Neutronenbeugung verwendet.

Liste aller Artikel dieser Serie

"Der Weise" und die Röntgenstrukturaufklärung

Der Weg nach Cambridge

Im zweiten Artikel dieser Serie steht der Kristallograph John Desmond Bernal im Mittelpunkt. Bernal, später von Kollegen und Freunden "Sage", "Der Weise" genannt, wurde am 10. Mai 1901 in Irland geboren. Seine Mutter war eine der ersten Studentinnen der Stanford Universität in Kalifornien. Bernal kam so früh in Kontakt mit Wissenschaft. Er las Ausschnitte der Vorlesungen von Faraday und kaufte von seinem Taschengeld ein Mikroskop. Auch in der Bedford School in Midlands, auf die er später geschickt wird, wurde auf Naturwissenschaft viel Wert gelegt. Seine Schulzeit aber war vom ersten Weltkrieg überschattet. Älteren Burschen ziehen in Krieg und viele fallen in Frankreich. Bernal erlebt beide Weltkriege. Den ersten als Schüler, den zweiten als Wissenschafter.

Emmanuel College, Cambridge

Der Weltkrieg verändert aber auch Cambridge. Was zuvor eine lebendige Universitätsstadt war, ist jetzt ein freudloser Ort. Soldaten trainieren in Cambridge bevor sie an die Front geschickt werden. Der Krieg verschont auch die geistige Elite des Landes nicht. 16.000 Cambridge-Studenten und junge Absolventen ziehen in den Krieg. Ein Drittel fällt oder wird schwer verwundet. Diese Erfahrungen prägten das Denken Bernals und seine später durchaus umstrittenen politischen Aktivitäten.

Auf wissenschaftlicher Ebene interessierte er sich vor allem für für Kristallografie, Chemie, Physik und Mathematik. Und es waren gerade diese Naturwissenschaften, die in den 40er und 50er Jahren den Umbruch in der Biologie begründen. Wie Ernst Peter Fischer im Vorwort zu der Neuauflage Schrödingers Was ist Leben? schreibt:

"Die moderne Biologie ist nicht das Werk von Biologen. Sie ließen sich in den 40er Jahren das Heft ihrer Wissenschaft aus der Hand nehmen."

Aber greifen wir nicht zu weit vor: Bernal bekam ein Stipendium am Emmanuel College in Cambridge, das als Hochburg des Puritanismus gilt. Wie sich zeigen wird, hätte es Bernal möglicherweise gar nicht geschadet, hätte ein wenig davon abgefärbt. In Emmanuel studierte er zunächst Mathematik und wechselte erst später (aufgrund recht schwacher Leistungen in Mathematik und dem Rat seines Tutors folgend) zu den Naturwissenschaften. Er studierte Physik, Chemie, Geologie, später Mineralogie. Bernal fühlte sich aber am meisten zur Physik hingezogen denn: 

"Chemie ist voll von Gerüchen, Geologie von Namen." ("Chemistry is too full of smells, Geology of names")

Die intensive Beschäftigung mit Physik und die Kenntnisse in Chemie und Mineralogie sind das Fundament für seine späteren wissenschaftlichen Arbeiten in der Röntgenstrukturaufklärung und Kristallographie.

Politik und Liebesleben 

Die Erfahrungen der Weltkriege und der Nachkriegsjahre führten bei Bernal neben der Wissenschaft zu einem leidenschaftlichen Interesse an Politik. Sein "Erweckungserlebnis" lässt sich auf den 7. November 1919 datieren. In dieser Nacht führte er eine lange Diskussion mit einem Komilitonen, H. Douglas Dickinson, dessen Vater Kurator des Science Museums in London, sowie Experte der Geschichte der Industriellen Revolution war. Bernal schreibt in seinem Tagebuch:

"Dieser Sozialismus ist eine wunderbare Sache. Warum hat mir noch niemand zuvor davon erzählt? Und Dick weiß alles darüber und erklärt es mir in wenigen Stunden. Die Theorie des Marxismus, das große russische Experiment, was wir hier und jetzt tun könnten. Es war alles so klar und einleuchtend, so universell."

Später, während seiner Zeit in London, trat er mit seiner Frau der kommunistischen Partie bei. In dieser Zeit verlor er auch endgültig seinen Bezug zur Religion. Zahllose Diskussionen (viele politischer Natur) brachten ihm den Spitznamen "Sage" ("Der Weise") ein. 

Auch seine Frau Eileen lernte er auf einer politischen Veranstaltung in Cambridge kennen. Die Ideen des Sozialismus sind nicht nur in elitären und universitären Zirkeln wie Cambridge heiß diskutiert, sondern griffen in Folge der Wirtschaftskrise nach dem Krieg auf die gesamte britische Insel über.

Apropos Eileen: Das Liebesleben Bernals böte genug Stoff für eine Verfilmung im Geiste der 60er Jahre mit Woody Allen in der Hauptrolle. Zwar hatte er mit Eileen zwei Söhne und die Beziehung zu seiner Frau blieb bis an sein Lebensende bestehen, aber beide Ehepartner nahmen es mit der Treue nicht so genau. Vor allem Bernal nahm sich eine Menge Freiheiten heraus. Liest man seine Biographie, so kann man den Eindruck gewinnen, dass er mit jeder zweiten Kollegin, die seinen Weg kreuzte, auch eine Affäre angefangen hatte. Zu seinen Beziehungen zählten Frauen wie Margaret Gardiner, mit der er einen Sohn hat, Margot Heinemann, eine Tochter und der späteren Nobelpreisträgerin Dorothy Crowfoot-Hodgkin. Besonders die Beziehung zu Crowfoot-Hodgkin erscheint problematisch, da sie zur Zeit ihrer Affaire auch seine Dissertantin war.

Bernals freizügige Einstellung zur Sexualität und wohl auch seine politischen Ansichten helfen ihm nicht gerade im eher konservativen Cambridge eine bessere Position zu erlangen.

Zurück zur Wissenschaft

Sein Doktorat machte er unter William Bragg, dem Direktor der Royal Institution in London. In dieser Zeit leistete er wesentliche Beiträge zur Röntgenkristallographie komplexer Moleküle. Er kehrte nach Cambridge zurück und unterrichtete Kristallographie und Strukturaufklärung. Dabei arbeitete er gemeinsam mit Dorothy Hodgkin. Mit seiner Arbeit legte er die ersten Grundlagen der sogenannten molekularen Biologie. Er beschäftigte sich dabei unter anderem mit der Aufklärung der chemischen Struktur der Steroide. Zu seinen Schülern zählen Größen wie Max Perutz aber ebenso Rosalind Franklin. Mit beiden werden wir uns in späteren Artikeln noch beschäftigen. Bernal untersuchte zunehmend komplexere chemische Strukturen. Bereits 1934 machte er den nächsten großen Schritt und erstellte erste Aufnahmenen von Protein-Kristallen wie Pepsin. Andere Proteine und Viren folgten. Er identifizierte dabei den Typus der spirallförmigen Strukturen, die später zur Entschlüsselung der DNS-Struktur führen wird.

1931 waren Gene und Chromosome bekannt. Auch wurde vermutet, dass diese aus Proteinen aufgebaut sind, denn alleine die ungeheure Vielzahl an möglichen Proteinen erlaube die Variabilität die benötigt wird. Doch die meisten der heute allgemein bekannten Zusammenhänge liegen zu Beginn der 1930er Jahre noch weitgehend im Dunkel. Etwa wurde die Frage heiß diskutiert, an welcher Stelle die Erbinformation gespeichert würde, oder wie diese Information von Generation zu Generation weitergegeben wird. Bernal schrieb: 

"Was wir nach J.B.S Haldane über Genetik wissen setzt voraus, dass individuelle Protein Moleküle in einem Chromosom exakt dupliziert werden. [...] Nur ein göttlicher Kopierer aber könnte ein komplexes dreidimensionales Molekül fehlerfrei kopieren. [...] Ziehen wir aber eine natürliche Lösung vor, so müssen wir uns vorstellen, dass dieses Molekül in zwei Dimensionen oder gar in einer Kette gestreckt wird. In dieser Form können sich gegengleiche Partner an diese Ebene oder Kette anpassen und chemisch gebunden werden." 

Er schloss allerdings die zwei-dimensionale Version aus chemischen Gründen aus. Im Jahr 1931 war dies noch eine unbelegte, wenngleich enorm weitsichtige Vermutung. Erst 20 Jahre später wird es James Watson und Francis Crick mit Hilfe der Daten von Rosalind Franklin und Linus Pauling gelingen diesen Mechanismus darzustellen.

Im Jahr 1936 wurde ihm Max Perutz, der aus Wien kommt als Student vorgestellt. Beide bleiben für viele Jahre in Kontakt; zunächst als Student, später als wissenschaftlicher Kollege. Auch dazu später mehr.

Krieg und Wissenschaft – Wissenschaft für den Krieg 

1937 wurde Bernal Fellow der Royal Society und 1938 als Professor am Birkbeck College in London nominiert. Aber nun kommt der zweite Weltkrieg dazwischen und er wurde zum wissenschaftlichen Berater im Ministerium für Homeland Security berufen. Seine kommunistische Gesinnung störte dabei nicht. Er wendet die wissenschaftliche Methode auf die strategische Kriegsführung an und beschäftigte sich unter anderem mit der Optimierung der Bombardierung durch Flugzeuge und riet vom Flächenbombardment deutscher Städte ab. Dies allerdings weniger aus humanitären Erwägungen, sondern vielmehr aus Gründen der Effizienz. Ein Bomberpiloten zu Bernal: "Wir schätzen uns schon glücklich, alter Junge, dass wir die Bomben ins richtige Land werfen."

Später im Krieg wude Bernal Louis Mountbatten's Team, das den "D-Day" plante, zugewiesen. Bernal kartographierte die Strände der Normandie. Der Krieg führte ihn an der Seite Mountbattens bis nach Südost-Asien, wo er Seite an Seite mit John Kendrew arbeitete. Kendrew erhielt später gemeinsam mit Max Perutz den Nobelpreis für die Arbeit an Hämoglobins. Auch an der Planung des sogenannten "Mulberry" Hafens, einem temporärer Hafen und dem eher obskuren Projekt Habbakuk, das eine Art von Flugzeugträger für die Invasion in der Normandie werden sollte war Bernal beteiligt. Auch der junge Max Perutz wurde eine zeitlang dem Projekt Habbakuk zugewiesen.

Bernal sah Wissenschaft aber immer mehr im Kontext der Auswirkungen auf die Gesellschaft. Sie sollte nach seiner Ansicht neben dem besseren Verständnis der Natur aber auch dem Wohlergehen der Menschen dienen. Im Jahr 1939 erschien sein einflussreiches Buch The Social Function of Science (Die soziale Funktion der Wissenschaft). Dieses Buch wird vielfach rezipiert. Auch der amerikanische Wissenschafter Linus Pauling äußerte sich sehr wohlwollen zu Bernals Ansichten und verwendete es als Literatur in Seminaren am California Institute of Technology in den USA. 

Nach dem Krieg kehrt Bernal nach London zurück. Er war schockiert von der Vorstellung der Auswirkungen eines Atomkrieges. Gemeinsam mit Frédéric Joliot-Curie gründete er das Welt-Friedens Konzil, das allerdings zu einem Instrument russischer Propaganda wurde. Auch schrieb er weiterhin viel über die Rolle von Wissenschaft und Gesellschaft und brachte sich sehr einflussreich in Kampagnen für soziale Verantwortung der Wissenschaft ein. Aber auch die Unterstützung der Grundlagenforschung war ihm ein stetes Anliegen.

Wegbereiter der modernen molekularen Biologie

Bernals Team 1946.
hinten: Sam Levene, G. Jeffrey, Hirsh, Pit, Helena Scouludi.
vorne: Anita Rimel, Ehrenberg,
John Desmond Bernal, Helen Megaw, Harry Carlisle.

Bernal war nicht nur ein Pionier der Röntgenkristallographie (dazu mehr in einem kurzen eigenen Artikel), er erkannte gemeinsam mit Dorothy Hodgkin sehr früh die Möglichkeiten, die in Computern stecken. Röntgen-Kristallographie erzeugt Daten, die erst mit komplexen mathematischen Verfahren aufbereitet werden müssen um konkrete Aussagen über die Struktur der untersuchten Substanzen zu erlauben. Eine der komplexen mathematischen Methoden ist die sogenannte Fourier-Transformation. Da die verschiedenen Atome den Röntenstrahl in unterschiedlicher Weise beugen, kommt es zu einer darauffolgenden Überlagerung der gebeugten Wellen. Das Ergebnis, das gemessen wird, spiegelt daher die Summe dieser überlagerten Wellen wieder. Mithilfe der Fourier-Transformation kann man versuchen, die ursprünglichen Wellenformen wieder zu rekonstruieren. Eine komplexe und zeitaufwändige Arbeit, besonders wenn diese händisch erledigt werden muss!

Andrew Donald Booth
(Foto von der International Union of Cristallographers)

Hodgkin und Bernal experimentierten mit den Möglichkeiten, Computer für diese Fourier-Transformationen einzusetzen und erkannten, wie sehr Computer diese mühsamen Berechnungen beschleunigen können. 1950 wurde der dritte Computer Großbritanniens am Birkbeck College entwickelt um Bernals Kristallographie-Forschung zu unterstützen. Andrew Donald Booth, einer der frühen Computer-Pioniere, hat bereits in Birmingham Analog-Computer gebaut. 1946 ermöglichte ihm Bernal eine Reise in die USA, wo er die wichtigsten Computer-Center besuchte, darunter Harvard, MIT, Bell Labs. Am meisten begeisterte Booth allerdings von Neumann in Princeton. Booth arbeitete an Speichertechnologien, die man als Vorläufer der modernen Festplatte bezeichnen kann. Diese Technologie wurde in die ersten Computer verwendet, auch im APEX. Dieser Rechner wurde am Birkbeck College für kristallographische Berechnungen getestet. Obwohl Booth sich auch weiter mit Kristallographie beschäftigte, hatten die damaligen Computer letztlich noch nicht genügend Speicherplatz um für die Strukturaufklärung von Proteinen eingesetzt werden zu können.

1953 wurd die Doppel-Helix Struktur der DNS von Watson und Crick erfolgreich entschlüsselt. Dazu mehr in einem späteren Artikel. Diese Aufklärung der DNS-Struktur war nur durch den Einsatz der Röntgenstrukturaufklärung, die Bernal mitbegründet hatte, und das enorme experimentelle Geschickt in der Anwendung dieser Methodik durch Rosalind Franklin möglich. Der Strukturvorschlag von Watson und Crick fand international aber vor 1956 wenig Anerkennung. Bernal hingegen erkannte die Bedeutung sofort und nannte sie "die bedeutendste alleinstehende Entdeckung in der Biologie".

Weisheit bis zum Ende?

"Bernal betrieb [nach dem Krieg] zwar noch hier und da ein bißchen Protein-Kristallographie, kümmerte sich aber mehr um die Verbesserung der Beziehung zu den kommunistischen Staaten.", James Watson, Die Doppelhelix

Gerade in den letzten Jahrzehnten seines Lebens ist von der sprichwörtliche Weisheit Bernals manchmal wenig zu spüren. Seine politischen Aktivitäten, vor allem die mangelnde Abgrenzung von sowjetischer Propaganda, wirkten sich negativ auch auf seine Glaubwürdigkeit als Wissenschafter aus. Er war zunehmend isoliert. Bernal ließ sich – für viele seiner Kollegen unverständlich – in die russische Propaganda einspannen. So saß er bei einer russischen Friedenskonferenz neben Chruschtschow. Auch gelten seine Äußerungen über die Rolle Stalins als problematisch. Aus wissenschaftlicher Sicht besonders negativ aufgenommen wurden auch seine Stellungnahmen zum russischen "Wissenschafter" Lysenko.

Trofim Denisovich Lysenko war ein Bauernsohn, der über keine konventionelle Ausbildung in Biologie verfügte, der aber erste Experimente mit Saatgut im Dorf seines Vaters durchführte. Sein Ziel war es, die landwirtschaftliche Produktivität zu verbessern. Seine Experimente waren  nie wirklich erfolgreich. Auch hat er sie nie gründlich genug durchgeführt und zumeist frühzeitig abgebrochen. Er war, kurz gesagt, ein schlechter Wissenschafter, gleichzeitig aber ein äußerst begabter Selbstvermarkter. Er bewarb sich und seine Ideen in den höchsten Tönen bis es ihm letztlich gelang bei Stalin Gehör zu finden. Seine Thesen sind und waren grundfalsch, passten aber hervorragend in das politische Gedankengut der Kommunisten der 1940er Jahren. So waren etwa Gregor Mendel und Thomas Morgan Feindbilder, vor allem die Idee, dass Erbinformation (vergleichsweise unveränderlich) in Chromosomen abgelegt ist. Lysenko behauptete, dass es keinen fixen Ort für die Erbinformation gäbe und dass man Eigenschaften in einem Individuum ändern und an die Nachfolgegeneration weitergeben kann. Er vertrat gewissermaßen eine Version des Lamarckismus. Dies passte gut in die Ideologie der Zeit, die zum Ziel hat die menschliche Natur zu verändern. 

Trofim Denisovich Lysenko spricht im Kreml. Im Hintergrund Joseph Stalin.

Falsche Ideen zu haben ist zunächst noch kein Problem, das passiert vielen Wissenschaftern. Lysenko war allerdings an ernsthafter Wissenschaft nicht interessiert und gewann dennoch zunehmend politischen Einfluss. Stalin sah die Bedeutung von Wissenschaft und Technologie und forcierte deren Anwendung auf die Gesellschaft, Industrie, Militär und Landwirtschaft.  Stalin glaubte aber bereitwillig völlig falschen Behauptungen, wenn sie ideologisch in sein Weltbild passten. Mit Lysenko hatte er einen willigen Partner gefunden. Seine Behauptungen passten hervorragend in die ersten 5-Jahrespläne. So schlecht Lysenkos Wissenschaft war, so groß war sein Einfluss den er auch gegen Kollegen ausübte. Viele angesehene Wissenschafter litten unter Lysenko oder wurden gar (wie der bedeutende Biologe Nikolai Vavilov) verhaftet und zum Tode verurteilt. Dieser Terror führte natürlich dazu, dass Wissenschafter und Verantwortliche der Landwirtschaft eher logen und falsche Angaben machten als darzulegen, dass Lysenkos Methoden nicht funktionieren. Lysenkos Einfluss reichte noch nach Stalins Tod bis in die 60er Jahre. Selbst in den 50er Jahren war es in der Sowjetunion praktisch nicht möglich ernsthafte Forschung im Bereich der Genetik durchzuführen. Nicht nur die Biologie und Genetik Russlands wurde durch Lysenko für Jahrzehnte beschädigt, sondern auch deren Landwirtschaft. Erst nach den 50er Jahren werden langsam die falschen Praktiken durch moderne Methoden, wie sie in den USA praktiziert werden, ersetzt.

Unter diesen Gesichtspunkten erscheint es doch sehr unangebracht, dass gerade ein herausragender Wissenschafter und Intellektueller wie Bernal einen solchen Scharlatan in Schutz nahm. Bernal war es immerhin, der selbst die Grundlagen legte, auf deren Basis Wissenschafter wie James Watson und Francis Crick mit der Aufklärung der Struktur und Funktion der DNS den Ansichten Lysenkos ins Reich der Mythen verwies. Für seine Ansichten wurde Bernal auch von Julian Huxley, dem Direktor der UNESCO offen kritisiert. Bernals Faszination für Russland, den Kommunismus und die Planwirtschaft scheinen mit seinem Intellekt eigentlich nicht vereinbar zu sein. 1953 erhielt er gar den Stalin-Friedenspreis. Möglicherweise hatten die Ideale seiner Jugend ihn noch im späteren Leben geblendet. Selbst Max Perutz scherzte über Bernals Eintreten für die Planwirtschaft, denn Bernal "war ein Mann der niemals irgendetwas plante. Er war total unorganisiert."

Mag er auch auf dem linken Auge blind gewesen sein, so muss sein Eintreten für Frieden respektiert werden. Von 1959-1965 folgt er dem Chemienobelpreisträger Frédéric Joliot-Curie als Präsident des Weltfriedensrates nach.

Bernal war, wie wir auch noch bei Persönlichkeiten wie James Watson oder Linus Pauling sehen werden, nicht der einzige Wissenschafter, der Spitzenleistungen in seinem Fach leistet und gleichzeitig in anderen intellektuellen oder menschlichen Aspekten nicht denselben hohen Standards genügt. Daher sind auch Aussage von Nobelpreisträgern und anderen Spitzenforschern immer gründlich zu hinterfragen, ganz besonders wenn diese aus Bereichen stammen, die nicht der Kernkompetenz der jeweiligen Person entspricht.

John Desmond Bernal starb am 15. September 1971.

Liste aller Artikel dieser Serie

Weiterführende Literatur

• Artikel in Nature
• J. D. Bernal, The Sage of Science, Andrew Brown: Book, Article
• International Union of Crystallography
• A life in Science, Andrew D. Booth
• Andrew D Booth - Britain’s Other "Fourth Man", Roger G. Johnson
• Bernals X-Ray Diffraction Camera, Science Museum London
• Century of Endeavour, JD Bernal and the 'Science and Society' Theme, Roy Johnston
• Max Perutz and the Secret of Life, Georgina Ferry
• BBC In Our Time: Crystallography

Die "Cambridge-Gang": Das Jahrhundert der Biologie

Das Jahrhundert der Biologie

Brenda Maddox schreibt in ihrer ausgezeichneten Biographie über Rosalind Franklin nicht ganz zu unrecht: "Die erste Hälfte des 20. Jahrhunderts gehörte der Physik, die zweite der Biologie." 

In der Zeit nach dem zweiten Weltkrieg gehörten Fragen, etwa wie Erbinformation weitergegeben wird, zu den großen Themen der Wissenschaft. Die Verbungslehre nach Mendel ist etabliert. Sie beschreibt mit drei Regeln wie Merkmale vererbt werden, deren Ausprägung durch ein Gen bestimmt wird. Auch eben der Begriff des Gens wird seit Anfang des 20. Jahrhunderts verwendet, wenngleich die Definition sich immer wieder ändert. Selbst heute gibt es noch keine wirklich wasserdichte Definition, mit der sich alle Genetiker gleichermassen identifizieren. Unter einem Gen wurde und wird im allgemeinen eine "Erbeinheit" verstanden, die für bestimmte Eigenschaften des Organismus verantwortlich ist. Oder anders ausgedrückt, ein Gen ist ein Stück DNS und enthält die Information, die notwendig ist, ein bestimmtes Protein zu erzeugen. Seit Beginn des 20. Jahrhunderts wird spekuliert, wie genau die Vererbung stattfinden würde, und ob es eine molekulare Basis dafür gäbe. Ebenso ist die Desoxyribonukleinsäure (DNS) des längeren bekannt. Das erste Mal konnte sie im Jahr 1869 vom schweizer Arzt Friedrich Miescher isoliert werden. Miescher hatte jedoch keine korrekte Idee über die Funktion dieser  Substanz.

Bereits in den 1920er Jahren war die Ansicht vorherrschend, dass Gene aus Proteinen bestehen. Proteine sind lange Ketten aus 20 verschieden Molekülen aufgebaut und wären in der Lage auch komplexe Information zu speichern. DNS enthält hingegen nur 4 verschiedene Moleküle. Viele Genetiker vermuteten daher, dass die DNS zu einfach wäre um die komplexe Erbinformation speichern zu können. Die genaue Funktion der DNS und die Aufklärung der Frage wo und wie die Erbinformation gespeichert wird, bleibt bis in die 40er und 50er Jahre unklar. Mit den Arbeiten von Bernal, Chargaff, Pauling, Franklin, Watson, Crick und vielen anderen beginnt das Verständnis der Genetik und in weiterer Folge der molekularen Biologie konkretere Formen anzunehmen.

Erwin Schrödinger: Was ist Leben?

Erwin Schrödinger

Eine wichtige Inspiration für viele waren in den 1940er Jahren die Dublin Lectures von Erwin Schrödinger, einem österreichischen Physiker. Einer breiteren Öffentlichkeit werden sie durch Schrödingers Buch "Was ist Leben" bekannt.  Schrödinger stellt eine wichtige Frage: warum wird Biologie immer noch so betrieben, als hätte sie nichts mit Physik und Chemie zu tun. Vielmehr sollten die chemischen Prinzipien, die der Biologie zugrunde liegen, ernsthaft untersucht werden. Die Überschrift des siebente Kapitel des Buches lautet etwa "Beruht Leben auf physikalischen Gesetzen?" Auch ist besonders das Vorwort des Buches in hohem Maße empfehlenswert. Was Schrödinger in den 1940er Jahren schreibt, trifft bis heute zu:

"Bei einem Mann der Wissenschaft darf man ein unmittelbares, durchdringendes und vollständiges Wissen in einem begrenzten Stoffgebiet voraussetzen. Darum erwartet man von ihm gewöhnlich, dass er von einem Thema, das er nicht beherrscht, die Finger lässt. [...]
Aber das Wachstum in die Weite und Tiefe, das die mannigfaltigen Wissenszweige seit etwa einem Jahrhundert zeigen, stellt uns vor ein seltsames Dilemma. Es wird uns klar, dass wir erst jetzt beginnen, verlässliches Material zu sammeln, um unser gesamtes Wissensgut zu einer Ganzheit zu verbinden. Andererseits aber ist es einem einzelnen Verstande beinahe unmöglich geworden, mehr als nur einen kleinen spezialisierten Teil zu beherrschen.
Wenn wir unser wahres Ziel nicht für immer aufgeben wollen, dann dürfte es nur den einen Ausweg aus dem Dilemma geben: daß einge von uns sich an die Zusammenschau von Tatsachen und Theorien wagen, auch wenn ihr Wissen teilweise aus zweiter Hand stammt und unvollständig ist – und sie Gefahr laufen, sich lächerlich zu machen."

Das Buch Schrödingers wurde von bedeutenden Wissenschaftern der Zeit kritisiert. Linus Pauling etwa schrieb: "Meiner Ansicht nach, hat Schrödinger keinen Beitrag zum Verständnis des Lebens geleistet." Max Perutz ist noch pointierter: "[...] was in diesem Buch richtig ist, stammt nicht von Schrödinger, und was von Schrödinger stammt, war schon zur Zeit der Veröffentlichung nicht richtig." Trotz dieser harten Worte einzelner, wird dieses Buch von vielen (jungen) Wissenschaftern der Zeit als bedeutende Inspiration bezeichnet. Für einige gilt es als Startschuss für eine neue Sicht auf die Biologie. Mag Schrödingers Buch vielleicht (nach Pauling) keinen direkten Beitrag zum Verständnis des Lebens geleistet haben, mag er sich nach der Ansicht mancher auch lächerlich gemacht haben, der indirekte Beitrag seines Werkes war erheblich. 

Fünf Nobelpreisträger (und einige, die leer ausgehen)

Die Verfolgung eben dieser Frage "Was ist Leben" führt vor genau 50 Jahren, also im Jahr 1962, zu fünf Nobelpreisen. Alle fünf Preisträger haben wesentliche Beiträge zur Aufklärung der komplexer Strukuren und Wirkweise von Biomolekülen geleistet: Max Perutz und John Kendrew in Chemie, James Watson, Francis Crick und Maurice Wilkins in Medizin.

Ich möchte mich in einer kleinen Serie von Blog-Artikeln mit der Geschichte (vor allem aber auch den nicht so bekannten Hintergründen) eine der wesentlichen wissenschaftlichen Durchbrüche des 20. Jahrhunderts, beschäftigen. Jede Woche wird ein neuer Artikel erscheinen. In dieser Serie steht natürlich auch die immer noch häufig vorherrschende Idee zur Diskussion, zwei junge Genies (Watson und Crick) hätten dieses komplexe Rätsel mehr oder weniger im Alleingang gelöst. Im Grunde genommen ist die Frage aber eine grundsätzlichere: Wird Wissenschaft von Individuen, von Genies vorangetrieben, denen wir dann Nobelpreise verleihen, oder ist die Sache etwas komplizierter? Wäre ohne Watson, Crick und Wilkins die Struktur der DNS nicht, oder zumindest wesentlich später gefunden worden? Welcher Teil des "Kuchens" ist ihnen zuzuschreiben? Sind sie gar nur die Fassade eines viel komplexeren Gebildes? Um diese Frage zu diskutieren, möchte ich zwei weitere Persönlichkeiten in den Vordergrund rücken, deren Leistungen einer breiteren Öffentlichkeit im wesentlichen unbekannt sind: John Desmond Bernal und Rosalind Franklin, die beide keinen Nobelpreis bekommen haben. Zu Recht?

Aber die Strukturaufklärung der DNA steht nicht alleine im Mittelpunkt. In den 50er Jahren, und damit im Herzen dieser Geschichte, steht die Entstehung eines neuen Paradigmas, einer neuen Wissenschaftsdisziplin, der Molekulargenetik. Eine entscheidende Persönlichkeit die diese Entwicklungen vorangetrieben hat, war der aus Österreich stammende Max Perutz. Perutz arbeitet nicht nur aktiv an der Aufklärung des Hämoglobins, sondern kann als Gründer des ersten Labors für molekulare Genetik gelten. Und damit sind wir in Cambridge angelangt.

Geschichte und Tradition ist in Cambridge allgegenwärtig. Ein College reiht
sich an das andere. Hier im Bild das Kings College.

Die meisten Wissenschafter, die ich in dieser Serie betrachte, sind eng mit der Universität von Cambridge verbunden. Wurde Cambridge auch im Jahr 1209 von Abtrünnigen aus Oxford gegründet, so zählt Cambridge heute zu den fünf besten Universitäten der Welt. Das Cavendish Lab ist eine der Forschungseinrichtungen Cambridges und bringt alleine fast 30 Nobelpreisträger hervor, darunter eben auch Watson, Crick, Perutz, Kendrew.

Begeben wir uns in den nächsten Wochen auf eine Reise in die Zeit des zweiten Weltkrieges und die Konflikte zwischen Wissenschaftern und Institutionen in den 40er und 50er Jahren, die die Erforschung der DNS und die Gründung der molekularen Biologie begleitet haben. Nicht zuletzt werden wir sehen, dass große Wissenschafter – öfter als man denken möchte – auch dunkle Seiten haben, die kaum mit deren sonstiger intellektuellen Seite vereinbar zu sein scheinen.

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