„Jedes Ding hat eine Form – eigentlich eine Selbstverständlichkeit“, beginnt Cătălin Vasilescu, Präsident des Humboldt Clubs Rumänien, seine Motivation für das erste interdisziplinäre Symposium zum Thema „Über Form und Muster“, das vom 29.-31. Mai in Bukarest stattfand (siehe auch hier). „Doch was haben Landschaften, archäologische Artefakte und Tumoren gemeinsam?“ fragt er provozierend und versetzt: „Wir haben eigentlich gar keine Ahnung, was Form überhaupt ist!“

Ähnlich verhält es sich mit dem Begriff Muster, der ein sich wiederholendes Modell suggeriert, eine Regelmäßigkeit, die Form hervorbringt. Die Vorschrift für seine Entstehung garantiert auch seinen Fortbestand. Mathematische Algorithmen oder genetische Codes sind Blaupausen für solche Formen erschaffenden Muster. Beispiele für komplexe Muster sind Morphogenese, Kristallisation, Molekülbindung, Differenzierung der Gewebe – etwa in der Embryonalentwicklung oder Krebsentstehung.

Doch warum wiederholen sich bestimmte Muster in völlig unterschiedlichen Disziplinen? Was hat das mathematisch erzeugte Fraktal-Farnblatt auf dem Bildschirm mit seinem realen Pendant in der Natur gemein? Warum kann man mit derselben Technik die Form von Küstenlandschaften, Schnecken, Galaxien oder das Mandelbrotsche „Apfelmännchen“, benannt nach Benoît Mandelbrot,  erzeugen? Können wir annehmen, dass ähnliche Formen auf ähnlichen Entstehungsprinzipien beruhen? Ist Form eher das Resultat eines Mechanismus zur Selbstorganisation (z. B. Kristallisation) oder eines zentralen Befehls (genetischer Code)?

Fragen, die Wissenschaftler aus verschiedensten Disziplinen, die sich normalerweise nicht über die Füße laufen würden, an einen Diskussionstisch bringen: drei Tage Denken außerhalb der gewohnten Bahnen. Verlassen der eigenen Muster. Zeit für einen Blick in Nachbars Garten, weil dort neben all dem Fremden immer wieder seltsam Vertrautes zum Vorschein kommt.

Gemeinschaft der Humboldtianer

Nichts ist naheliegender für ein solches Experiment als der Kreis der „Humboldtianer“ – einer wissenschaftlichen Großfamilie mit Mitgliedern aus verschiedensten Forschungsgebieten, versprengt über Länder der ganzen Welt. Ihre Gemeinsamkeit besteht darin, dass sie einmal Stipendiaten der Alexander von Humboldt Stiftung in Deutschland waren und diese Verbindung nach Philosophie der Humboldt-Stiftung zum Zwecke von gegenseitiger Unterstützung und Networking weiterpflegen. Für manche mag es auch ein Grund sein, einmal kultivierte Deutschkenntnisse zu vertiefen. Seit 1990 reicht der Kreis der „Humboldtianer“ auch nach Rumänien, wo auf Initiative von Prof. Mircea Babeş und Marcel Lupu der Humboldt Club mit heute etwa 90 Mitgliedern entstand.

Der deutsche Botschafter Werner Hans Lauk würdigte diese fünfte Zusammenkunft des Humboldt-Kollegs in Rumänien mit einer Ansprache und begrüßte die Idee, ein faszinierendes Thema einmal aus völlig unterschiedlichen Blickwinkeln zu beleuchten. Vertreten sind Fachrichtungen aus Physik, Chemie, Medizin, Linguistik, Archäologie, Architektur und mehr. Nach dem ersten gemeinsamen Konferenztag in der Aula Magna der Rumänischen Akademie wurde die Veranstaltung am zweiten und dritten Tag in das Caro Hotel verlegt und teilweise in zwei Arbeitsgruppen zu Naturwissenschaft und Sprachforschung aufgespalten.
Fünf ausgewählte Kostproben aus den unterschiedlichen Hexenküchen sollen hier einen kleinen Einblick in die faszinierende Welt der Naturwissenschaften liefern.

1. Neurophysiologie: Wir sehen nicht dieselbe Realität

Maria-Luisa Flonta von der Universität Bukarest räumt in ihrem Vortrag gleich mit zwei Vorurteilen auf. Erstens: Es gibt keine Farben! Was wir als solche wahrnehmen, ist das Interpretationsergebnis des Gehirns auf einen Nervenreiz. Rezeptoren auf der Netzhaut registrieren ein Lichtquant und leiten die Information je nach Frequenz und Intensität weiter – oder eben nicht. Zweitens: Jeder lebt in seiner eigenen Wahrnehmungswelt. Denn je nach Anzahl, Verteilung und Empfindlichkeit der unterschiedlichen Rezeptorzellen, die von Individuum zu Individuum variieren, sieht jeder Mensch anders. „Grün“ ist lediglich eine sprachliche Übereinkunft – wie jeder „sein Grün“ sieht, ist relativ.

Interessant auch, wie das Gehirn Formen erkennt: Mithilfe von Zellen, die auf abrupte Kontraständerungen reagieren, ermittelt es die Kontur eines Objekts. Wieder andere Zellen sind auf Bewegung spezialisiert. Wer nicht ausreichend davon hat, verarbeitet visuelle Eindrücke nicht als kontinuierlichen Ablauf, sondern als Serie aufeinanderfolgender Schnappschüsse. Solche Menschen sehen nicht, wenn der Kaffee beim Eingießen den Tassenrand erreicht. Eine weitere Spezialfunktion im Gehirn ist der Gesichtserkennungsmechanismus. Ist dieser zu schwach ausgeprägt, fällt das Erkennen von Gesichtern schwer – in dem Doppelbild mit zwei schwarzen, sich anblickenden Gesichtern, deren Konturen die Form einer weißen Vase erzeugen, wird zuerst die Vase erkannt.

Optische Illusionen, die gezielt bestimmte Verarbeitungsmuster im Gehirn ansprechen, helfen, deren Funktionalität zu testen. Fazit: Dasselbe Bild kann bei verschiedenen Personen zu einem völlig unterschiedlichen Wahrnehmungsergebnis führen! Noch größere Unterschiede bestehen zwischen dem menschlichen und dem tierischen Auge, weil sie unterschiedliche Wellenspektren wahrnehmen: Die Schlange sieht die Welt im Infrarotbereich, die Biene ultraviolett.

Wahrnehmung ist aber auch kulturell geprägt. Ein drastisches Beispiel: Afrikanische Eingeborene, die nur im Flachland leben, sind nicht in der Lage, die visuellen Auswirkungen von Höhe zu interpretieren. Für sie sind Gnus, vom Flugzeug aus gesehen, merkwürdige, neuartige Ameisen...

2. Krebsforschung und Genetik: Code oder Form, was ist wichtiger?

Um Formerkennung geht es auch in dem Vortrag von George Călin vom Anderson Krebszentrum in Houston. Seine Forschungen befassen sich mit der „dunklen Materie“ des Genoms, den Abschnitten zwischen den Genen, die kein Protein codieren. Lange wurden diese als funktionsloser Erbgutmüll betrachtet. Neuesten Erkenntnissen zufolge spielen jedoch Mini-RNAs, die viel zu kurz sind, um einen Code zu enthalten, eine wichtige Rolle im Krebsgeschehen – dies wohl aufgrund ihrer außergewöhnlichen, haarnadelartigen Molekülform. Mini-RNAs wurden vermehrt in Krebspatienten entdeckt, wobei ihre Konzentration die Resistenz der Krebszellen gegenüber konventionellen Therapien – Chemotherapie, Bestrahlung etc. – anzeigt.

Man kann also allein durch Plasmauntersuchung feststellen, wie der Patient auf diese Therapien ansprechen wird. Auch beim septischen Schock, an dem noch heute 50 Prozent sterben, spielen Mini-RNAs eine entscheidende Rolle. Je höher ihre Konzentration im Plasma, desto schlechter die Prognose. Zudem wurde entdeckt, dass Mini-RNAs im Zellplasma hormonähnliche Wirkung entfalten. Entstehungsgeschichtlich handelt es sich bei diesen sogar um die ältesten Hormone! Sie binden nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip an Zellrezeptoren oder fungieren als Genschalter. In der Krebsforschung konzentriert man sich nun auf Methoden, die Mini-RNAs zu eliminieren, bevor man mit der Behandlung beginnt.

3. Theoretische Physik: Schwingendes Vakuum statt Teilchenmodell

Einen der interessantesten Vorträge lieferte Vasile Brînzănescu vom Mathematikinstitut der Rumänischen Akademie mit einem Einblick in die Stringtheorie. Es handelt sich hierbei um eine Alternative zum Standardmodell, dass versucht, die vier physikalischen Grundkräfte auf eine Urkraft zu reduzieren und mit einer Art „Weltformel“ zu beschreiben. Eine der Schwierigkeiten ist dabei die Skaleninvarianz: Jede Theorie zur Beschreibung einer Kraft funktioniert nur innerhalb einer bestimmten Größenskala. Verlässt man diese, gibt es keinen nahtlosen Übergang zu der nächsten. Aufwendige Renormalisierungsverfahren müssen für diese Brüche an den Skalengrenzen geschaffen werden. Andere Probleme sind die Einbindung der Gravitation und der unüberschaubare Teilchenzoo.

Der Vorteil der Stringtheorie hingegen, die jedes Teilchen als Vibration eines unendlich dünnen kosmischen „Fadens“ beschreibt, ist nicht nur der Wegfall der Skaleninvarianz, sondern auch die Tatsache, dass Gravitation bereits automatisch enthalten ist. Die größtmögliche Länge eines kosmischen Strings ist der Durchmesser des Universums, die kleinstmögliche die Plancklänge, eine von Einstein definierte Größe von 10-33 Zentimetern, unterhalb derer unsere Physik zusammenbricht. Die Stringtheorie erlaubt die Existenz von bis zu 10.500 Paralleluniversen, die dem unseren überlagert sind und in denen andere Naturkonstanten – und damit auch eine kleinere Plancklänge – gelten könnten. Da diese auf verschiedenen Ener-gieniveaus schwingen, haben wir freilich keinen direkten physikalischen Zugriff. Ihre Auswirkungen auf unsere Welt sind dennoch spürbar, denn sie erzeugen unser Vakuum! Der leere Raum unseres Universums, der die dunkle Energie hervorbringt, die den Raum immer weiter expandieren lässt, obwohl er sich aufgrund der Gravitationswirkung der normalen und dunklen Materie (das Gegenstück zur dunklen Energie) zusammenziehen müsste.

4. Physik: Wenn Oszillatoren kommunizieren

Ein Thema mit Relevanz für viele Fachbereiche präsentierte Katharina Krischer von der TU München mit ihrem Vortrag über das Verhalten gekoppelter Oszillatoren. Beispiele sind oszillierende chemische Reaktionen, Pendeluhren, Metronome oder – verliebte Glühwürmchen! Die Synchronisierung anfangs chaotisch nebeneinander schwingender Oszillatoren hängt von ihrer Koppelung ab. Dies kann man eindrucksvoll an Metronomen – einmal freistehend nebeneinander, dann auf einer verbindenden, aber beweglichen Stange fixiert – demonstrieren. Letzteres Ensemble schwingt nach kurzer Zeit in Phase. Unter bestimmten Bedingungen kann sich eine Vielzahl an Oszillatoren auch in zwei synchronisierte Gruppen aufspalten, wie das Glühwürmchenexperiment zeigt. Dies nennt man Chimärenzustand. Die Kopplung der blinkenden Leuchtkäfer geschieht in diesem Fall natürlich nicht mechanisch, sondern biologisch. Das Phänomen dieses Chimärenzustands wurde auch an Gehirnwellen von Delphinen beobachtet, die niemals mit dem ganzen Gehirn schlafen.

5. Supramolekülchemie: Lego- oder Puzzleprinzip

Über Form und Schönheit von Molekülen referierte Marius Andruh von der Universität Bukarest. Supramolekülchemie nennt sich der Zweig, der sich mit der Synthetisierung von Riesenmolekülen bestimmter Formen und Symmetrien befasst. Die an Schmetterlinge, Eiffeltürme, Krönchen, Propeller, Fußbälle oder gar Ziegelwände erinnernden Gebilde wechselwirken durch ihre Form anstatt durch kovalente Bindungen, entweder nach dem Puzzleprinzip mit nur einer Lösung oder dem Lego-Prinzip mit mehreren Varianten. Auf diese Weise lassen sich völlig neue Materialien bauen, in denen sich Moleküle nur auf der Basis schwacher Wechselwirkungen kristallartig zum Festkörper anordnen. Designermaterialien mit ganz neuen Eigenschaften sind die Folge.

Versuch eines Resümees

Flontas Vortrags zeigt: Formen und Muster sind relativ, wenn es um ihre Wahrnehmung geht. Doch selbst ihre Messung ist relativ – denn ob Teilchen- oder Stringmodell, beide Theorien beschreiben dieselbe physikalische Realität. Sie verwenden jedoch auch Kunstgriffe, deren Legitimität sich – noch – nicht feststellen lässt. Beim einen sind es noch aufzuspürende Teilchen, beim anderen Zusatzdimensionen, die nicht beobachtbar sind und daher elegant in den unzugänglichen Raum unterhalb der Plancklänge verbannt werden. Oder ist ein Teilchen gleichzeitig ein String? So wie Vase und Gesichter legitime Teile desselben Bildes sind? Wiederholen sich Formen und Muster scheinbar ohne Zusammenhang in verschiedenen Disziplinen, weil wir aus unterschiedlichen Richtungen – Physik, Chemie, Medizin etc. – auf etwas blicken, das tatsächlich Teil einer Einheit ist? Dann wird der Blick über den Tellerrand auch unsere Wahrnehmungsfähigkeit schärfen. Bis wir eines Tages keine Ameisen und Gnus, Teilchen und Wellen, Moleküle und Oszillatoren mehr sehen, sondern es wie Schuppen von unseren Augen fällt: Das ist ja nur eine andere Sicht auf ein und dieselben Tiere – es sind alles Gnus!