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Rektoratsrede gehalten am 16. November 1957 an der Eidgenössischen Technischen Hochschule
Polygraphischer Verlag AG. Zürich 1958
Im Jahre 1915 veröffentlichte Wolfgang Ostwald ein kleines Buch mit dem aufsehenerregenden Titel «Die Welt der vernachlässigten Dimensionen». Dabei handelte es sich allerdings nicht um Fragen des vier- oder höherdimensionalen Raumes, sondern lediglich um die Größenordnung von Kolloidteilchen, deren Abmessungen uns heute so geläufig sind, daß niemand mehr von «vernachlässigten Dimensionen» spricht. Aber vor nur 40 Jahren bedurfte es noch einer besonderen Werbeschrift, um die Chemiker und die Biologen recht eindrücklich auf ein damals ganz neues Forschungsgebiet aufmerksam zu machen.
Der Biologe war in seinen Bemühungen, den feineren Aufbau der Zellen abzuklären, durch die Auflösungsgrenze des Lichtmikroskopes an eine unüberwindliche Schranke gestoßen, die durch die Wellenlänge der verwendeten Lichtart gegeben ist und daher für sichtbares Licht bei etwa 1/2 Mikron oder 5 Zehntausendstel Millimetern liegt. Andererseits beschäftigten sich die Chemiker mit Teilchen, die wir heute als Mikromoleküle bezeichnen, deren Durchmesser weniger als 5 Millionstel Millimeter betragen. Es gab daher ein Gebiet zwischen der Welt der Moleküle und dem im Lichtmikroskop sichtbaren Mikrokosmos, das der Forschung nicht zugänglich oder, wie sich Wolfgang Ostwald ausdrückte, vernachlässigt worden war. Teilchen mit Dimensionen jener Region wurden als submikroskopisch und ihr besonderes, oft leimartiges Verhalten als kolloid bezeichnet.
Das Verdienst der Kolloidchemie liegt darin, Methoden geschaffen zu haben, die gestatteten, in das Gebiet der submikroskopischen Teilchen einzudringen und so ein Bild vorn Wesen der Kolloide zu gewinnen. Es waren im wesentlichen drei Prinzipien, die entwickelt wurden, um in dieses Neuland vorzustoßen: die Ultrafiltration, die Ultrazentrifugierung und die Ultramikroskopie.
Das Ultramikroskop erlaubt, die im Lichtmikroskop unsichtbaren Teilchen mit gewöhnlichem Lichte erkennbar zu machen. Dies scheint paradox; doch besteht deshalb kein Widerspruch, weil die Ultramikroskopie darauf verzichtet, die Teilchen formgerecht abzubilden,
und sich darauf beschränkt, sie wie Sonnenstäubchen als Beugungsscheibchen gegen einen dunkeln Hintergrund nachzuweisen. Man kann daher die Gegenwart der Kolloidteilchen feststellen, ihre Bewegungen verfolgen und ihre Anzahl bestimmen, ohne indessen ihre genaue Form zu erkennen; diese bleibt unsichtbar.
Dankbar erinnere ich mich daran, wie unser verehrter Lehrer, Georg Wiegner, zu Beginn der zwanziger Jahre in den von ihm eingeführten Vorlesungen über Kolloidchemie temperamentvoll und das Auditorium begeisternd über diese Fragen vortrug. Es schien verlockend, die neuen Forschungsmethoden auch an cytologischen Kolloidobjekten wie Zellwände, Chloroplasten, Zellkerne und Chromosomen zu erproben. Aber im Gegensatz zu den kolloiden Lösungen, bei denen die erwähnten Untersuchungsverfahren mit großem Erfolg zu ganz neuen Einsichten führten, blieben alle Bemühungen, Auskunft über den submikroskopischen Aufbau der erwähnten Zellbestandteile zu erhalten, erfolglos. Sie erwiesen sich im Ultramikroskop als «optisch leer». Auch mußte man die cytologischen Objekte durch Zertrümmerung ihrer Struktur in Homogenate oder gar durch Zerreiben in der Kugelmühle in Suspensoide überführen, wenn man sie der Ultrafiltration oder der Ultrazentrifugierung unterwerfen wollte. Enttäuscht wandten sich daher die Cytologen von dieser Art von «Strukturforschung» ab.
Der Grund, warum die klassischen Methoden der Kolloidchemie versagten, liegt darin, daß die Zellbestandteile Kolloide im Gelzustande, d. h. Gallerten vorstellen, in denen die submikroskopischen Bausteine ein zusammenhängendes System bilden. Sie enthalten daher keine frei schwebenden Teilchen, die man wegzentrifugieren oder als individuelle Beugungsscheibchen nachweisen könnte. Für die Gele mußte deshalb nach anderen Untersuchungsmethoden gesucht werden.
In dieser Hinsicht war es jedoch schlecht bestellt; denn es gab zu jener Zeit nur eine einzige Möglichkeit, über die inneren Eigenschaften der Gele Auskunft zu erhalten, ohne ihren Feinbau zu zerstören, nämlich das Studium ihrer Doppelbrechungserscheinungen im Polarisationsmikroskop. Diese Methode konnte allerdings schon damals auf eine ansehnliche Tradition zurückblicken, denn sie wurde von Nägeli bereits vor 100 Jahren angewendet.
Carl Wilhelm Nägeli war der erste Inhaber des Lehrstuhles für Allgemeine Botanik an unserer Hochschule. Er amtete zur Zeit der Gründung des Polytechnikums in Freiburg im Breisgau und war als Zürcher einer der wenigen Schweizer, die aus dem Auslande an die neue Hochschule berufen werden konnten. Leider blieb dieser hervorragende Gelehrte nur zwei Jahre in Zürich, da die Inangriffnahme des Baues der polytechnischen Schule mit für ihn geeigneten Mikroskopierräumlichkeiten offenbar zu lange auf sich warten ließ, so daß er einen Ruf an die besser ausgerüstete Universität München annahm.
Das von Nägeli zu seinen Untersuchungen herangezogene Polarisationsmikroskop läßt doppelbrechende Kristalle auf schwarzem Hintergrund strahlend weiß oder in prächtigen Farben aufleuchten. Groß war das Erstaunen, als dieser auffallende Effekt auch bei Zellwänden, Stärkekörnern, Sehnen und Muskelfasern entdeckt wurde. Es erhob sich bald eine lebhafte Diskussion über die Frage, wodurch die Doppelbrechung solcher biologischer Objekte bedingt sei. Da amorphe Substanzen wie z. B. Glas unter Zug- oder Druckwirkungen das dunkle Gesichtsfeld des Polarisationsmikroskopes ebenfalls aufhellen, dachte man zuerst daran, daß in den doppelbrechenden Zellbestandteilen wachstumsbedingte Spannungen herrschten.
Nägeli wandte sich gegen diese Auffassung, weil es ihm nicht gelang, die vermeintlichen inneren Spannungen durch geeignete Objektzerlegung aufzuheben und doppelbrechungsfreie Bruchstücke zu gewinnen. Er kam daher zum Schlusse, daß keine Spannungsanisotropie vorliege, sondern daß die Doppelbrechung der organisierten Substanzen, wie er die gelartigen Zellbestandteile nannte, durch unsichtbare Kriställchen verursacht werde, die er sich in eine quellbare Grundsubstanz eingebettet vorstellte. Auf Grund der nach Richtungen verschiedenen Quellung der Zellwände und Stärkekörner schrieb er diesen Kriställchen Stäbchengestalt zu. Einen solchen Kristalliten nannte er ein Micell, d. h. ein Körnchen, abgeleitet vom Diminutiv des lateinischen Wortes mica, die Krume. Die stäbchenförmigen Micelle stellte er sich parallel gelagert vor.
Bevor Nägeli das Polytechnikum verließ, publizierte er seine Micellartheorie hier in Zürich. Trotzdem er damit die Doppelbrechung und die Quellungsanisotropie der gelartigen Zellbestandteile einleuchtend
erklären konnte, fanden seine neuartigen Anschauungen bei den wenigsten Zeitgenossen Zustimmung; denn andere merkwürdige Eigenschaften der organisierten Substanzen wie z. B. ihre auffallende Elastizität bei über 90%Wassergehalt oder die Zugfestigkeit von Faserzellwänden, die jener des Stahls beinahe gleichkommt, konnte ein System parallelisierter, in einer intermicellaren Substanz suspendierter submikroskopischer Stäbchen kaum verständlich machen. So versank die Theorie der kristallinen Micelle Nägelis bald in einen fünfzigjährigen Dornröschenschlaf.
Da wurde kurz vor dem ersten Weltkrieg durch Hermann Ambronn in Jena ein bis dahin unbeachtet gebliebener optischer Effekt der Gele entdeckt. Ihre Doppelbrechung erwies sich nämlich von der Natur des Einbettungsmittels, in welchem sie untersucht wurden, abhängig. Nach der Mischkörpertheorie von Wiener läßt sich aus dem Verlaufe der aus Imbibitionsversuchen gewonnenen Doppelbrechungskurven ableiten, ob im Gele stäbchen- oder plättchenförmige Bausteine vorkommen. Ambronn zeigte mit dieser Methode für Tonerdefasern, Gelatine und Cellulosegele, daß es sich um Stäbchenmischkörper, d. h. also um Systeme mit stäbchenförmigen Kolloidteilchen handelt. In der Folge wurde der gleiche Nachweis auch für die von Nägeli untersuchten Zellwände und Stärkekörner sowie für Muskelfasern, Sehnen und Knochen erbracht, während sich die Chlorophyllkörner und die Sehstäbchen des Auges als typische Schichtenmischkörper erwiesen.
Kaum war festgestellt, daß die doppelbrechenden Zellbestandteile meistens eine Komponente aus submikroskopischen Stäbchen enthalten, gelang auch der Nachweis ihrer kristallinen Natur. Denn unterdessen war das Röntgenverfahren von Debye und Scherrer zur Untersuchung mikrokristalliner Substanzen ausgearbeitet worden. Die meisten biologischen Objekte mit Stäbchendoppelbrechung erwiesen sich auf Grund dieser Methode als kryptokristallin. 1920 veröffentlichte Paul Scherrer seine epochemachende Röntgenaufnahme von Pflanzenfasern mit Interferenzen der kristallinen Cellulose. Damit schien die bereits in Vergessenheit geratene Theorie Nägelis bestätigt, und die ungewöhnliche Voraussicht dieses genialen Botanikers, der 1858 behauptet hatte, was erst 1918 bewiesen werden konnte,
feierte vorübergehend große Triumphe. Doch die alten Einwände gegen die Micellartheorie blieben bestehen und führten bald zu dramatischen Auseinandersetzungen.
Mit der Röntgenanalyse war eine zweite, sehr leistungsfähige Forschungsmethode gefunden, um in den Feinbau der Gele einzudringen. Namentlich in den Händen der Textilforscher ergaben sich wichtige neue Erkenntnisse; denn mit der Untersuchung von Seide und Wolle zeigten sich die ersten und vielversprechenden Ansätze zur Abklärung des rätselhaften Feinbaus der Eiweißstoffe. Vorerst drehte sich die Diskussion jedoch um die Feinstruktur der Cellulose, die den pflanzlichen Fasern ihre wertvollen Eigenschaften —Zugfestigkeit, Biegefestigkeit, Spinnbarkeit, Saugvermögen und Färbbarkeit — verleiht. Wir sind an alle diese Eigenschaften so gewöhnt, daß wir sie als selbstverständlich hinnehmen. Aber im Grunde genommen sind sie nicht nur merkwürdig, sondern ich möchte fast sagen wunderbar, wenn wir bedenken, daß ihr Träger eine kristalline Substanz ist.
Kein Laie wundert sich darüber, daß die auf Textilien aufgezogenen Farbstoffe nicht abgescheuert werden können; und noch viel weniger dachte das breite Publikum an die großartige von der Watteindustrie ausgenützte Saugfähigkeit und die Undurchsichtigkeit der Baumwolle, bis die ersten aus den neuen vollsynthetischen Fasern hergestellten Gewebe durch ihre Transparenz und ihr fehlendes Saugvermögen unangenehm auffielen. Der Wissenschafter nimmt jedoch solche Tatsachen nicht einfach zur Kenntnis, sondern er wundert sich, und seine Frage lautet, wie ist Durchtränkbarkeit und Quellbarkeit mit einem kristallinen Aufbau vereinbar? Es wäre möglich, daß im Gitterbau der Cellulose sehr große Netzebenenabstände vorliegen würden wie in gewissen Zeolithen und Tonen, so daß Wasser und andere Moleküle in ihr Kristallgitter eindringen könnten. So setzte denn eine intensive Erforschung des Kristallbaus der Cellulose ein, und das Ergebnis war aufsehenerregend. Man fand lauter kleine Gitterabstände, ähnlich wie in Kristallzucker. Auch die morphologische Grundeinheit des Gitters, d. h. die sich durch Translation nach den drei Richtungen des Raumes stets wiederholende Elementarzelle, erwies sich als erstaunlich klein. Sie bietet nur vier Glukosemolekülen
Platz, und man erörterte ernstlich die Frage, ob und wie die Cellulose aus einem solchen Tetrasaccharid aufgebaut sein könne.
Da griff hier an unserer Hochschule Hermann Staudinger in die Diskussion ein. Er war durch seine Untersuchungen zur Überzeugung gelangt, daß ähnlich wie beim polymerisierenden Formaldehyd auch in den polymeren Naturstoffen die chemisch erfaßbaren Grundmoleküle nicht bloß zu vieren oder in einer ähnlich kleinen Anzahl vereinigt, sondern in sehr großer Zahl durch Kékulésche Hauptvalenzen miteinander zu sogenannten Makromolekülen mit riesigen Molekulargewichten verknüpft seien. Für Stärke und Cellulose postulierte er sehr langausgedehnte Fadenmoleküle.
Ich erinnere mich an eine Diskussion in der Zürcher Chemischen Gesellschaft, als Staudinger um 1923 seine Hypothese vorbrachte. In der sehr lebhaften Debatte, die sich entspann, sprachen sich die anwesenden Physiker, Mineralogen, Kolloidchemiker und selbst die organischen Chemiker gegen solche Riesenmoleküle aus. Alle stützten sich auf den unwiderleglichen röntgenometrischen Nachweis der kleinen Elementarzellen von Cellulose und Seidenfibroin, die keinen Raum für Makromoleküle bieten. Diesem scheinbar hochwissenschaftlichen Argument konnte der Referent nur seine vorläufigen Befunde über die sehr hohe Viskosität der Lösungen polymerer Naturstoffe entgegenhalten, die mit der Gegenwart kleiner Moleküle unvereinbar waren. Am Schluß der Diskussion stand der große Neuerer wie ein von allen Seiten angegriffener Prophet da, und wir Studenten brachten unser Vertrauen je nach Veranlagung mehr den gewichtigen Klassikern oder dem revolutionären Romantiker entgegen.
Bald stellte sich indessen heraus, daß wie so oft bei wissenschaftlichen Auseinandersetzungen die Argumente beider Parteien richtig waren; denn als neue Einsicht setzte sich die Erkenntnis durch, daß ein Molekül größer sein kann als der Elementarbereich des Kristallgitters. Voraussetzung ist allerdings, daß das Molekül streng periodisch gebaut ist, was für die Fadenmoleküle der Cellulose zutrifft. Diese durchziehen die aneinanderstoßenden Elementarzellen über weite Strecken, wobei sie Molekulargewichte von 100'000 bis 1'000'000 erreichen können. Das resultierende Kettengitter ist bandförmig, und in seiner Längsrichtung sind Hauptvalenzbindungen als
Gitterkräfte wirksam. Die auffallend hohe Zugfestigkeit der Textilfasern ist auf diese Tatsache zurückzuführen. Die übrigen merkwürdigen Eigenschaften der Pflanzenfasern erklären sich aus der sehr unvollkommenen Entwicklung des Kettengitters. Es gibt nur submikroskopische Bereiche, die richtig kristallisiert sind, zwischen die sich jedoch Spalträume schlecht geordneter Cellulose einschieben. Diese Zwischengebiete sind durchtränkbar und quellbar und machen so die erstaunliche Lockerstruktur bei gleichzeitiger höchster Festigkeit verständlich.
Durch Kombination der Ergebnisse der Polarisations- und der Röntgenanalyse mit den Erkenntnissen der makromolekularen Chemie gelang es somit, ein einleuchtendes, widerspruchsfreies Bild des submikroskopischen Faserbaues aus Micellarsträngen und Mikrofibrillen zu entwerfen.
Die erwähnten Untersuchungsverfahren, mit denen die geschilderten Erkenntnisse über die Formgestaltung im submikroskopischen Gebiete errungen worden sind, gelten als indirekte Methoden, weil sie die Ultrastrukturen nicht direkt abzubilden vermögen, sondern nur mittelbar Auskunft über deren Wesen geben. Die an direkte Beobachtung gewöhnten Biologen brachten daher der auf diese Weise erarbeiteten submikroskopischen Morphologie nur allmählich ihr Vertrauen entgegen.
Die Situation veränderte sich jedoch mit einem Schlage, als 1939 das Elektronenmikroskop für die morphologische Forschung zugänglich wurde. Dieses im eigentlichen und im bildlichen Sinne kostbare Instrument erlaubt Teilchen und Strukturen abzubilden, die 100mal kleiner sind als die kleinsten im Lichtmikroskope darstellbaren Objekte. Die Auflösungsgrenze wurde von einigen Zehntausendstel Millimetern um zwei Größenordnungen auf einige Millionstel Millimeter vorgeschoben. Dieser erweiterte Auflösungsbereich eröffnet gewaltige Perspektiven, denn er umfaßt die ganze Welt der vernachlässigten Dimensionen Ostwalds bis hinunter zu den Mikromolekülen, die allerdings auch weiterhin unsichtbar bleiben. Mit Ausnahme der Fadenmoleküle mit mikromolekularem Durchmesser sind alle Makromoleküle im Sinne Staudingers theoretisch abbildbar, und das ganze Kolloidreich ist der direkten morphologischen Erforschung zugänglich geworden.
Obwohl das Elektronenmikroskop ein sehr kompliziertes Hochspannungs- und Hochvakuumgerät ist und die wenigsten Biologen in allen Einzelheiten darüber Auskunft geben könnten, mit welchen Spezialpumpen das notwendige Vakuum von weniger als ein Millionstel Atmosphären erreicht wird, welche Vor- und Nachteile die Verwendung elektrischer oder magnetischer Linsen mit sich bringt oder wie die Hochspannung von über 50'000 Volt elektronisch auf ein Volt genau stabilisiert wird, verwenden sie dieses Instrument oft mit der gleichen Unbekümmertheit, mit der ein Weltreisender in einem Flugzeug Platz nimmt. Während früher die Zahl der Biologen, die mit dem Polarisationsmikroskop in Europa, Amerika und Japan forschend tätig waren, an den Fingern abgezählt werden konnten, gibt es heute schon Tausende von Elektronenmikroskopikern auf der Welt, wobei namentlich auch die sogenannten entwicklungsfähigen Gebiete namhafte Kontingente stellen.
Die Erforschung der Ultrastrukturen mit diesem neuartigen Gerät hat bisher drei Stufen durchlaufen. Zuerst machte sich bei Nichteingeweihten ein Erstaunen darüber geltend, daß das Bild, welches man auf indirektem Wege von der submikroskopischen Morphologie erarbeitet hatte, offenbar mit der Wirklichkeit übereinstimmt. Denn anorganische und organische Gele erweisen sich tatsächlich aus submikroskopischen Strängen aufgebaut. Die Nägelischen Micelle der organisierten Substanzen sind allerdings viel längere Stäbchen, als man sie sich ursprünglich vorstellte, so daß sie heute als Elementarfibrillen bezeichnet werden; aber sie besitzen doch die wesentlichen von Nägeli postulierten Micelleigenschaften, nämlich Stäbchengestalt und Kristallinität. Neu ist nur die Feststellung ihrer praktisch unbegrenzten Länge. Ferner konnte die auf Grund der Schichtendoppelbrechung vorausgesagte Lamellierung der Chloroplasten und Sehstäbchen abgebildet werden. Ebenso schlagend waren die Erfolge der Virusforschung, die an Hand fehlender oder vorhandener Strömungsdoppelbrechung neben kugeligen auch stäbchenförmige submikroskopische Krankheitserreger postuliert hatte; beide Virustypen können heute sichtbar gemacht werden. Auch gelang es Wyckoff, den von Stanley 1935 entdeckten Kristallisationsprozeß der Virusteilchen im Elektronenmikroskop zu verfolgen.
Als zweite Phase in der jungen Geschichte des Elektronenmikroskopes mit seinen überraschenden Möglichkeiten setzte ein Wettlauf nach leichter Entdeckerbeute ein. Man sagte sich, daß nun wie zu Antonie van Leeuwenhoeks Zeiten alles, was man in dem neuen Instrument sehe, erstmalig und epochemachend sei. Aber wie bei einem Goldrush gab es nur wenige wirklich gute Funde, während namentlich von Leuten, die noch gar keine Erfahrung auf dem Gebiete der submikroskopischen Morphologie hatten, in aller Hast allerlei Bilder publiziert wurden, die von denaturierten Strukturen und Artefakten stammten.
Bald legte sich jedoch dieser Taumel, so daß wir heute von einer dritten Phase sprechen können, die nicht mehr auf Augenblickserfolge ausgeht, sondern in mühseliger und zäher Arbeit neue Fixations-, Schneide- und Präparationsmethoden ausarbeitet, die den Anforderungen der Elektronenoptik entsprechen. Es ist nämlich so, daß das große Auflösungsvermögen des Elektronenmikroskopes nur ausgenützt werden kann, wenn die histologischen Schnitte dünner als fünf Hunderttausendstel Millimeter sind. Bemerkenswerterweise gelingt es, solche Ultrafeinschnitte herzustellen; sie sind so hauchdünn, daß man sie nur noch an den Newtonschen Interferenzfarben dünnster Blättchen erkennen kann. Aber mit abnehmender Schnittdicke geht der Kontrast der verschiedenen Zellbestandteile verloren, so daß man ihn durch Einführung von Schwermetallen wie Osmium, Wolfram oder Uran künstlich verstärken muß.
Aus diesen skizzenhaften Angaben geht hervor, wie sich die Elektronenmikroskopie seit 1939 in weniger als 20 Jahren, wovon ein Drittel auf die Kriegszeit entfiel, als wichtige und heute bereits unentbehrliche Forschungsmethode eingebürgert hat. Im Gegensatz zu diesem Triumphzug fand das Lichtmikroskop seinerzeit nur zögernd Eingang in die biologische Forschung, denn das Urteil des Morphologen Goethe, der das Mikroskop als Forschungsinstrument kategorisch ablehnte, stand nicht vereinzelt da. So brauchte es in der Mitte des letzten Jahrhunderts besondere Anstrengungen, das schon längst bekannte Mikroskop richtig in die Biologie einzuführen und die neue Wissenschaft der Histologie zu begründen. Erst anschließend folgte dann die bekannte Vertiefung der theoretischen Grundlagen
der Abbildungstheorie und die klare Erkenntnis der Auflösungsgrenze durch Abbe, der die Herstellung des Immersions- und des Ultraviolettmikroskopes veranlaßte und so die Grundlagen für die moderne Cytologie schuf. Parallel zu dieser schrittweisen Entwicklung können wir auf eine stetige Vervollkommnung der Mikrotechnik zurückblicken, die sich hundert Jahre Zeit ließ, um ihren heutigen Stand zu erreichen. Im Gegensatz zu jener beschaulichen Evolution hat nun die Elektronenmikroskopie die verschiedenen Entwicklungsphasen mit sich überstürzenden Neuerungen in schwindelnder Eile zurückgelegt, so daß wir schon nach 20 Jahren ein Fazit ziehen können, das voraussichtlich für längere Zeit Gültigkeit haben wird.
Zwei grundlegende und wegweisende Feststellungen können gemacht werden. Erstens fällt auf, daß im Reiche der submikroskopischen Morphologie keine neuartigen Gestaltungsprinzipien auftreten. Wie im Lichtmikroskop finden wir Fibrillenbündel, Lamellenpakete, poröse Membranen und Siebplatten, Grenzlamellen mit Aus- und Einstülpungen, Flechtwerke, nach Art der Sperrplatten angelegte Überkreuzungstexturen, sowie Einzelteilchen von kugeliger, stäbchenförmiger oder schraubiger Gestalt. Viele der erschlossenen Texturen können sich an Schönheit und Ebenmaß mit der vielbewunderten mikroskopischen Formenwelt der Kieselalgen und Radiolarien messen. In einer Tüpfelschließhaut mit ihren submikroskopischen Poren schlingen sich z. B. die Mikrofibrillen so kunstvoll um die ausgesparten Öffnungen, daß das Ganze wie das Maßwerk eines gotischen Fensters wirkt; der zweckentsprechende Bau dieser Ultratextur befriedigt unser ästhetisches Gefühl in gleicher Weise wie ein makroskopisches Kunstwerk!
Da die neue Formenwelt mit der uns bekannten Formgestaltung im mikroskopischen Gebiete übereinstimmt, kommen wir zum Schlusse, daß die Einteilung in mikroskopische und submikroskopische Strukturen eigentlich zufällig durch die Auflösungsgrenze des Lichtmikroskopes entstanden und daher künstlich ist. Einen prinzipiellen Unterschied zwischen der Morphogenese im mikroskopischen und im ultramikroskopischen Gebiete gibt es offenbar nicht. Die Feinstrukturen, die zum Teil vorausgesagt und nun in ihrer großen Mannigfaltigkeit im Elektronenmikroskop sichtbar geworden sind, gehorchen
altbekannten Grundsätzen der Histologie, wie z. B. Verfestigung von Membranen durch Einziehung von Fibrillen in die vorhandene Grundmasse, Oberflächenvergrößerung zur Schaffung eines vermehrten Kontaktes, Aussparung von Poren zur Erleichterung des Stoffaustausches usw.
Wenn wir nach der Ursache der nachgewiesenen Übereinstimmung der Formenwelt im Bereiche zweier verschiedener Größenordnungen fragen, kommen wir zum Schlusse, daß in beiden die gleichen formativen Kräfte wirksam sein müssen. Vom mikroskopischen Gebiete wissen wir, daß die physikalischen Kohäsionskräfte für den Zusammenschluß und den Zusammenhalt der Zellen im Gewebe maßgebend sind. Für die gegenseitige Anziehung der submikroskopischen Teilchen hatte man anfänglich neuartige Kräfte postuliert. Wenn z.B. Virusteilchen kristallisieren, wirken die Kristallisationskräfte, welche die einzelnen Partikel anziehen und zusammenhalten, über Abstände, die mehr als 100mal größer sind als bei Entstehung eines Kristalles aus Mikromolekülen. Man bezeichnet jene Kräfte, die die Anordnung von Makromolekülen und auf diese Weise die Formgestaltung im submikroskopischen Bereiche regeln, daher als «long range forces» oder molekulare Fernkräfte, im Gegensatz zu den «short range forces» oder chemischen Nahkräften, die nur über sehr kurze Abstände wirksam sind. In neuerer Zeit stellte es sich jedoch heraus, daß jene Fernkräfte nichts prinzipiell Neues vorstellen, sondern daß es sich wie bei den Kohäsionskräften um unabgesättigte Dipolmomente handelt, die sich über größere Gebiete summieren und dadurch weitreichend werden können. So besteht hinsichtlich der Formbildungskräfte eine Einheit zwischen der Welt der vernachlässigten Dimensionen und dem Reiche der Mikroskopie, woraus auch eine Übereinstimmung der Formbildungen resultiert.
Anders verhält es sich dagegen, wenn wir eine Stufe tiefer in den amikroskopischen Bereich hinuntersteigen. Dort finden wir neuartige Kräfte chemischer Natur, die elektronisch bedingt sind. Diese begünstigen besondere morphologische Motive, wie z. B. die tetraedrische Anordnung der C-Atome oder die Sechserringbildung der aromatischen Verbindungen. Eine weitere neue Welt öffnet sich, wenn wir ins Innere der Atome vordringen, deren Aufbau durch die außerordentlich
kurz reichenden Kernkräfte beherrscht wird. Verglichen mit dem grundsätzlichen Unterschiede zwischen den Bauplänen der Atome und der Moleküle, können die bescheidenen Verschiedenheiten zwischen mikroskopischer und submikroskopischer Formgestaltung füglich außer acht bleiben, so daß das Elektronenmikroskop die Welt der vernachlässigten Dimensionen für den Cytologen der Vernachlässigung entrissen und harmonisch in die biologische Wissenschaft der Morphologie eingefügt hat.
Noch wichtiger als diese Vereinheitlichung ist jedoch die zweite Grunderkenntnis, welche die Bemühungen um die Aufklärung der Ultrastrukturen mit sich gebracht hat. Die Möglichkeit, Viren und Apoenzyme in Form globularer Riesenmoleküle abzubilden, erlaubt nämlich in gewissen Fällen, den makromolekularen Aufbau der cytologischen Objekte aus kugeligen Proteidteilchen sichtbar zu machen. Auf den submikroskopischen Lamellen der für den assimilatorischen Stoffwechsel verantwortlichen Chloroplasten lassen sich nämlich Körnchen mit den Abmessungen makromolekularer Chromoproteidmoleküle erkennen, über deren gegenseitige Orientierung sich plausible Hypothesen aufstellen lassen, die zur Zeit lebhaft diskutiert werden. Vor allem die Biochemiker, welche die pflanzliche Photosynthese mit Hilfe der Isotopenchemie erforschen, bekunden ein erstaunliches Interesse für den submikroskopischen Feinbau der Chloroplasten.
Dieses Interesse der Chemiker für morphologische Fragen der Cytologie ist etwas ganz Neues. Man darf wohl sagen, daß es früher weitgehend fehlte. Als ich studierte, herrschte zwischen den Histologen als Morphologen und den physiologischen Chemikern sogar eine Spannung. Die letzteren nannten die Histologen verächtlich «Markensammler», weil es ihr Ziel sei, Präparate von makellos gefärbten Gewebeschnitten in Mappen zu sammeln. Umgekehrt konnte sich der Histologe eines Lächelns nicht enthalten, wenn der Biochemiker aus hochorganisierten Geweben Homogenate herstellte und trachtete, aus dem erhaltenen Zellenbrei Schlüsse auf die Lebensvorgänge zu ziehen.
Die Sachlage jener Zeit wird am besten durch eine Anekdote gekennzeichnet, die mir der Londoner Muskelphysiologe A. V. Hill erzählte: Ein Neurochemiker nannte das Gehirnhomogenat, mit dem
er arbeitete, «the natural brain» und erst nachdem er Blausäure dazugefügt hatte, betrachtete er seinen Gewebebrei als «a denatured brain». Für den Histologen besteht jedoch der Inbegriff des «natürlichen» Gehirns keineswegs in einer homogenen, breiartigen Masse, sondern gerade umgekehrt in dessen hochkomplizierter Struktur. Hieraus geht wohl am besten hervor, wie weit sich die beiden Grunddisziplinen der Biologie, nämlich die Morphologie als Formlehre und die Biochemie als Stofflehre entfremdet hatten. Ihre Vertreter machten sich offensichtlich nur deshalb gegenseitig lächerlich, weil die Größenordnung der Objekte, mit denen sie arbeiteten, auf so verschiedenen Ebenen lagen, daß ein gegenseitiges Verständnis erschwert und gemeinsame Bemühungen verunmöglicht waren. Als Folge wurde die Einheit der Biologie bedroht, da ihre beiden wichtigsten Teilwissenschaften selbständige Wege beschritten und sich ohne inneren Zusammenhang erst nebeneinander und später immer weiter auseinander entwickelten.
Heute stehen wir jedoch vor einer völlig neuen Situation, indem sich die Interessen der beiden Wissenschaftszweige auf dem Gebiete der submikroskopischen Morphologie begegnen. Dadurch, daß es der Morphologie gelungen ist, die Makromoleküle abzubilden, hat sie den Anschluß an die Chemie gefunden, und umgekehrt müssen sich die Biochemiker mit der Anordnung dieser Makromoleküle beschäftigen, wenn sie verständlich machen wollen, wie die komplizierten enzymatischen Kettenreaktionen, die sie entdeckt haben, in der lebenden Zelle gleichzeitig nebeneinanderher laufen. So können wir feststellen, wie die beiden ursprünglich verschiedenen Standpunkte sich in erfreulicher Weise einander nähern, indem sich die Chemiker für biologische Strukturfragen und umgekehrt die Morphologen für den inneren chemischen Aufbau der im Elektronenmikroskop sichtbaren Makromoleküle zu interessieren beginnen.
Wenn man von den submikroskopischen Stäbchen des Tabakmosaikvirus, die chemisch ein Nukleoproteid vorstellen, die Nukleinsäure abspaltet, erhält man einen Hohlzylinder, der in Scheiben mit einem zentralen Loch zerfällt. Die chemische Reaktion hat also eine morphologische Veränderung des ursprünglich massiven Zylindermoleküls zur Folge; und umgekehrt darf vorausgesetzt werden, daß
auf der Stufe der Makromoleküle jede morphologisch nachweisbare Veränderung, die nicht auf einfacher Deformation beruht, mit einer chemischen Umsetzung verbunden sein muß. Zwischen chemischer und morphologischer Veränderung gibt es deshalb keinen prinzipiellen Unterschied, wenn man nur die betrachteten Objekte klein genug wählt. Im Bestreben, die biologischen Strukturen aufzuklären, an die die Lebensprozesse gebunden sind, läßt sich daher kaum entscheiden, was typisch morphologisch oder was klassisch chemisch ist.
Auf diese Weise ergibt sich auf dem Gebiete der ursprünglich «vernachlässigten Dimensionen» eine willkommene Synthese zwischen Morphologie und Biochemie. Künftig wird die Biologie nicht mehr in zwei Grunddisziplinen zerrissen sein, sondern es bahnt sich dank den neuesten Erkenntnissen der makromolekularen Chemie und der Feinbaulehre eine Gesamtschau an, die nicht mehr getrennt nach Stoff und Form der lebenden Zelle fragt. Im Gegensatz zu der immer weiter fortschreitenden Spezialisierung und Zersplitterung der Naturwissenschaften macht sich somit auf dem Gebiete der submikroskopischen Morphologie eine rückläufige Tendenz geltend, indem zwei großartige, sich bisher fremd gegenüberstehende Teillehren verschmelzen zu einer einzigen biologischen Wissenschaft von imponierender Einheit.