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Rektorats Reden © Prof. Schwinges

Die Gestalt großer Moleküle als Beispiel für das Wesen spezieller und allgemeiner Forschung

Rektoratsrede gehalten an der Jahresfeier der Universität Basel

am 25. November 1955
von
Werner Kuhn
Verlag Helbing &Lichtenhahn —Basel 1955

Druck von Friedrich Reinhardt AG. Basel

Hochansehnliche Versammlung,

Die Bedingungen, unter denen sich das menschliche Lehen abspielt, haben sich für den größten Teil der Menschheit im Verlaufe der letzten Abschnitte der Erdgeschichte in hohem Maße gewandelt. Wenn wir daran denken, daß die Periode der Steinzeit nur etwa 15000 Jahre oder etwa 500 Generationen zurückliegt, so ist es erstaunlich, in einer wie kurzen Zeit sich die Wandlung von damals zu heute vollzogen hat. Es will scheinen, daß die Entwicklung in den letzten Jahrhunderten besonders schnell und tiefgreifend gewesen ist. Wir stehen wohl alle unter dem Eindruck, daß diese Entwicklung heute nicht abgeschlossen ist, sondern daß sie sich mit großer Intensität und Geschwindigkeit weiter vollzieht.

Diese Veränderung der äußeren Bedingungen ist auf das engste verknüpft mit Entwicklungen, die sich auf allen Gebieten des intellektuellen und geistigen Lebens vollzogen haben. Ein Vertreter der Naturwissenschaften denkt dabei, insbesondere was die letzten Jahrzehnte anbetrifft, an die Vorstellungen über die Struktur der Materie und an die Auffindung von Gesetzen, insbesondere von physikalischen und chemischen Gesetzen, welche die Umsetzungen der Materie beherrschen. Die Entwicklungen umfassen aber auch alle andern Gebiete, insbesondere die sämtlichen Gebiete der Geisteswissenschaften, auf denen sich ja ebenfalls Wandlungen vollzogen haben.

Es ist interessant festzustellen, daß die meisten dieser Wandlungen allmählich vor sich gehen und daß das Ergebnis

jeder speziellen oder allgemeinen Forschung kleinere oder größere Änderungen in der Vorstellungswelt des Einzelnen und dann auch der Allgemeinheit, zuerst jeweils auf einem speziellen Fachgebiet und dann auch in entfernteren Disziplinen nach sich zieht.

Ich möchte, bevor ich mich einem speziellen Gebiete meiner Tätigkeit zuwende und im Hinblick auf die oft hervorgehobene Aufspaltung der Wissenschaften in Einzeldisziplinen jetzt und nachher am Schluß auf das Vorhandensein verbindender Elemente, gegenseitiger Beeinflussung und gemeinsamer Ziele der verschiedenen Wissenszweige kurz hinweisen.

Mit Hinblick auf die gegenseitige Beeinflussung der Wissensgebiete sei daran erinnert, daß tatsächlich auf Grund von Fortschritten und Ergebnissen, die etwa auf dem Gebiete der Naturwissenschaften gefunden wurden, in der Vergangenheit große Umwandlungen der Begriffswelt, auch auf dem Gebiete der Geisteswissenschaften, stattgefunden haben. Beeinflussungen dieser Art brauchen nicht immer groß und auffallend zu sein; sie sind aber grundsätzlich immer vorhanden. Auch was die Triebfeder betrifft, welche die Fortschritte herbeigeführt hat, so wird man sehen, daß auf allen Gebieten, auch auf dem Gebiete der Naturbeschreibung die wichtigsten Fortschritte bei Arbeiten und Bestrebungen verwirklicht wurden, bei welchen das Bedürfnis nach Erkenntnis im Vordergrunde stand, das Bestreben, die Natur der Welt und dessen, was darin vorgeht, und das, was das Leben ist, zu ergründen. Es ist günstig, auch hier neben der Mannigfaltigkeit die Einheit nicht zu übersehen.

Wenn wir das bereits erwähnte Problem der Einwirkung der verschiedenen Zweige der Wissenschaft auf die in der weiteren Öffentlichkeit herrschenden Gedanken

und Vorstellungen ins Auge fassen, so wird man feststellen, daß dieser Einfluß im Falle bestimmter Wissenszweige fast von selbst, bei anderen dagegen, insbesondere bei den meisten Disziplinen der exakten Naturwissenschaften, schwieriger und zögernd vonstatten geht und daß bereits das Interesse der außerhalb der Forschungsstätten stehenden Öffentlichkeit, besonders wenn es sich um spezielle Mitteilungen handelt, für Beiträge aus gewissen Gebieten der Geisteswissenschaften offener und größer ist als für ebensolche Mitteilungen aus dem Gebiete der exakten Naturwissenschaften. Verschiedene Gründe, die teilweise zusammenwirken, dürften hierzu beitragen:

Einmal lassen die aus dem Gebiete der Geisteswissenschaften erfolgenden Mitteilungen schon äußerlich die Beziehungen zu den Problemen des einzelnen direkter erkennen als die meisten Feststellungen aus dem Gebiete der Naturwissenschaften.

Es ist zweitens die erwähnte, überaus starke Spezialisierung, in vielen Fällen noch überlagert durch die Anwendung zur Lösung raffinierter technischer Einzelprobleme, welche in vielen Zweigen der Naturwissenschaften ein solches Ausmaß erreicht hat, daß der Überblick über das Wesentliche und Grundlegende dem Außenstehenden und manchmal auch dem Fachmann verlorengeht.

Es ist drittens der Umstand, daß die physikalischen und chemischen Vorgänge, deren Gesetze wir ergründen wollen, zu einem großen Teil in Dimensionen verlaufen, welche der unmittelbaren Beobachtung nicht zugänglich sind. Das letztere hat zur Folge, daß des öfteren indirekte Schlußweisen und Argumente benützt werden müssen, was deren Eindringlichkeit und den unmittelbaren Eindruck der Sicherheit und Notwendigkeit herabsetzt.

Es ist möglich, daß die Lage der Dinge, insbesondere

was die Spezialisierung betrifft, in Wirklichkeit auf den Gebieten der Geisteswissenschaften ähnlich ist, vielleicht immerhin mit dem Unterschied, daß hier das Urteil dar. über, ob Aussagen und Bestrebungen von allgemeiner oder solche von sehr beschränkter Bedeutung vorliegen, auch dem Nichtfachmann eher möglich ist.

Nachdem wir damit auf gewisse gemeinsame Beweggründe und gemeinsame Ziele, welche jeder Forschung und jeder Wissenschaft zugrunde liegen, hingewiesen, aber auch das Problem der Spezialisierung und damit verbundene Schwierigkeiten hervorgehoben haben, möchte ich nun einiges über ein bestimmtes Gebiet meiner eigenen Tätigkeit mitteilen, und zwar über ein Gebiet, bei welchem die Rolle spezieller Fragestellungen für die Erreichung allgemeiner Ziele und damit die Beziehung der speziellen zur allgemeinen Forschung besonders gut zum Ausdruck kommt.

Es handelt sich um eine Frage, welche das Verhalten großer Moleküle, sogenannter Makromoleküle, betrifft. Es ist das Problem der Gestalt der großen Moleküle sowie die Bedeutung der teilweise enormen Gestaltänderungen, welche durch passende Einwirkungen auf sie erzielt werden können.

Die Frage betrifft ein sehr junges Gebiet, welches aber in der kurzen Zeit seiner Existenz zu einem zentralen Gebiet geworden ist, auf welchem sich die verschiedensten Wissensgebiete zusammenfinden. Es zeigt sich tatsächlich, daß es sich bei dieser Frage nicht nur um ein Spezialproblem, welches den Chemiker allein interessiert, handelt, daß die gestellte Frage vielmehr für die biologischen Wissenschaften, also für den Zoologen, Botaniker und für die Medizin ein Grundproblem darstellt und daß für die Lösung und Behandlung die Disziplinen der Mathematik

sowie die der theoretischen und praktischen Physik, die Thermodynamik und die Mechanik beizuziehen sind.

Der Grund für die weitreichende Bedeutung der Frage, insbesondere der Grund der Bedeutung für die biologischen Wissenschaften liegt darin, daß die Aufbaustoffe der lebenden Organismen zum allergrößten Teil aus großen Molekülen bestehen, so daß der größte Teil der Lebensfunktionen von solchen Molekülen getragen wird. Diese Feststellung zeigt, daß die Frage nach dem Verhalten der großen Moleküle und auch die Frage nach der Form und den Formveränderungen dieser Moleküle kein auf irgendwelche technische Spezialprodukte beschränktes Problem, sondern ein Problem ist, welches uns letzten Endes alle persönlich berührt.

Es ist ein Vorteil der physikalischen Chemie, daß wir uns einfache Versuchskörper oder Versuchssubstanzen wählen und an diesen unter einfachsten Bedingungen die uns interessierenden Fragen experimentell und theoretisch untersuchen können.

Um die Frage nach der Form großer Moleküle zu behandeln, betrachten wir als besonders einfachen und verhältnismäßig unkomplizierten Fall ein Riesenmolekül, das aus gleichartigen Bestandteilen, aus Atomen aufgebaut ist, welche wie in einer Perlenkette zu einem großen eindimensionalen Faden miteinander verbunden sind. Sowohl die Natur als auch die chemische Technik liefern solche Verbindungen, in welchen z. B. 100000 oder 400000 Atome perlschnurartig zu einer Kette miteinander verbunden sind. Der Gegenstand, über den ich sprechen möchte, ist die Gestalt, welche eine solche Kette, welche nicht starr, sondern flexibel und gelenkig sein wird, unter verschiedenen Bedingungen annehmen wird. Die absoluten Abmessungen der Kette sind so klein, daß

eine unmittelbare Beobachtung derselben, zur Zeit wenigstens, nicht möglich ist, so daß unsere Vorstellungen zunächst spekulativen Charakter besitzen.

Um die Beschreibung in die unserem Vorstellungsvermögen angepaßten Größenordnungen zu übertragen, denken wir uns das Gebilde etwa 10- bis 20millionenfach vergrößert. Wir erhalten dann einen Faden von etwa 3 Millimeter Dicke und einer Länge von etwa 100 Metern. Wir beschreiben das Formproblem unter Zugrundelegung des vergrößerten Modells. Infolge der Biegsamkeit der zwischen den Gliedern der losen Kette bestehenden Bindungen wird der Faden nicht als gestreckte Schnur von 100 m Länge vorliegen, sondern er wird, wenn er etwa in einer Flüssigkeit suspendiert ist, unter dem Einfluß der dauernd auf ihn einwirkenden Störungen andere Formen annehmen, und zwar in dem von uns betrachteten speziellen Beispiel der Polyacrylsäure in Wasser etwa so, daß er nach Durchlaufung von etwa 5 Centimeter in Richtung der Fadenachse eine Richtungsänderung um durchschnittlich 90°, also eine Knickung um einen rechten Winkel aufweist. Das Ergebnis besteht darin, daß der 100 m lange Faden etwa 2000 Knickungen um je einen rechten Winkel besitzen wird. Die Frage nach der Form des Fadens ist die Frage nach dem Gebilde, welches entsteht, wenn der 100 m lange Faden an 2000 Stellen in der besagten Weise geknickt wird.

Das so entstehende Formproblem ist mit dem Problem des Irrweges verglichen worden, welches sich dann stellt, wenn ein Wanderer in einer Ebene, wir würden sagen planlos, geht, indem er kurze Wegstrecken in gerader Linie zurücklegt, dann ausruht, in einer neuen Richtung wiederum ein gerades Wegstück zurücklegt, die Richtung wieder ändert usf. Das Problem der Gestalt des Molekülfadens

wäre hiernach zu vergleichen mit dem Problem des aus etwa 2000 Geraden zusammengesetzten Irrweges, wobei natürlich im Falle des Molekülfadens der Irrweg im Raume, nicht in einer Ebene zurückgelegt wird.

Mit dieser Formulierung wird die Frage nach der mittleren Gestalt, etwa die Frage nach dem mittleren Abstand der Enden des 2000fach geknickten Fadens einer zuverlässigen mathematischen Behandlung zugänglich. Das Ergebnis lautet bei unserem Beispiel, daß der Abstand der Fadenenden im Mittel anstatt 100 m etwa 2 m betragen wird und daß das ganze von dem in sich verschlungenen und gebogenen Faden gebildete Gebilde in einer Kugel oder in einem Ellipsoid von entsprechend kleineren Abmessungen, sagen wir von etwa 3 m äußeren Abmessungen, Platz finden würde. Wenn der ganze Faden ganz in sich zusammensinken würde, würde er in einer Kugel von etwa 20 cm Durchmesser Platz finden. Die äußeren Abmessungen, welche der in einer Flüssigkeit suspendierte Faden besitzt, sind also in unserem Beispiel im Mittel 50mal kleiner, als der Länge des gestreckten Fadens entsprechen würde, aber 100mal größer als der Abstand, der bei völligem Zusammensinken des Fadens in sich selber auftreten würde. Wir erwarten das Bild eines äußerst lose im Raume liegenden, stark in sich verschlungenen Gebildes, welches im übrigen, da die Knickungen keine Starrheit haben, die Einzelheiten seiner Formen ständig verändert und erneuert und dessen Enden den durchschnittlichen Abstand von etwa 2 m von selber infolge der ständig sich ändernden Knickungen aufsuchen und regenerieren würden, wenn dieser Abstand durch irgendwelche äußere Eingriffe geändert worden sein sollte.

Es ist eine für das praktische Verhalten wichtige Tatsache, daß sich die Form der Fäden tatsächlich bei geeigneten

Verbindungen durch milde und umkehrbare chemische Änderungen in weitestem Ausmaße verändern läßt. Kleine Zusätze zum Einbettungsmedium genügen in geeigneten Fällen, um an einzelnen Kettengliedern des Kettenmoleküls kleine Änderungen, z. B. eine Änderung des elektrolytischen Dissoziationsgrades zu erzeugen mit der Folge, daß zwischen Kettengliedern, die sich vorher indifferent verhielten, Abstoßungskräfte auftreten. Die abstoßenden Kräfte haben, wie es leicht verständlich ist, eine Aufwertung des vom Faden gebildeten Linienzuges zur Folge. Es muß also die ganze Frage nach der Gestalt des Fadens von neuem gestellt und mit wenigstens teilweise neuen Mitteln beantwortet werden.

Theoretisch und experimentell durch Beobachtung der Eigenschaften von Lösungen der Molekülfäden zeigt es sich, daß durch die genannten milden Einwirkungen, insbesondere durch Erhöhung des elektrolytischen Dissoziationsgrades starke Änderungen der Fadengestalt rasch und sicher erzielt werden können, etwa so, daß der Endenabstand in dem 100 m langen Faden von 2 m, d. h. von dem Abstand, welcher dem Irrwegmodell entsprochen hatte, auf 4 oder 6 bis 10, unter Umständen sogar auf nahezu 100 m übergeht, eine Änderung, welche dem Übergang vom Normalzustand zum fast völlig gestreckten Zustand entspricht.

In dem eben erwähnten Falle ist es weiter möglich, die chemischen Änderungen, welche die Abstoßungskräfte zur Folge hatten, rückgängig zu machen mit der Folge, daß der Faden aus dem gestreckten Zustande in den dem Irrweg entsprechenden normalen, relativ zusammengezogenen Zustand zurückkehrt. D. h. es läßt sich die Form des Molekülfadens aus der Form des dem Irrweg entsprechenden tausendfach geknickten Linienzuges in die Form eines

fast gestreckten Stabes und wieder zurück in die dem Irrwegproblem entsprechende Form durch jeweils schwache chemische Änderungen beliebig oft hin und her führen.

Wenn sich diese Formänderungen an Suspensionen der Molekülfäden vollziehen, geben sie sich durch starke Änderungen des physikalischen und chemischen Verhaltens der Lösungen zu erkennen. Ein besonderes weiteres Interesse erhalten aber die Gestaltänderungen dadurch, daß sie sich ins Große, in das für uns Sichtbare übertragen lassen, wenn die Molekülfäden nicht als Einzelteilchen in der Lösung belassen, sondern durch punktweise Verknüpfung zu räumlichen Netzen mit makroskopischen Gesamtabmessungen vereinigt werden. Das Versuchsobjekt besteht dann nicht mehr aus einzelnen unabhängig voneinander in der Lösung befindlichen Teilchen, sondern aus einem zusammenhängenden gelartigen Körper, dem wir die äußere Form einer Lamelle oder eines Zylinders geben können. Eine als Folge der chemischen Änderungen eintretende Streckung der Fäden macht sich als Längsdehnung der gesamten Lamelle oder des gesamten Zylinders bemerkbar, und umgekehrt wirkt sich die an der Lösung bei Behebung der chemischen Änderung eintretende Rückkehr der Einzelfäden in den verkürzten Zustand als eine Verkürzung der gesamten Lamelle oder des gesamten Zylinders aus. Die Verlängerungen und Verkürzungen des Zylinders betragen dabei ohne weiteres 50 bis 100% der ursprünglichen Länge des Versuchskörpers, wobei diese großen Längenänderungen natürlich mit den großen Änderungen zusammenhängen, welche der Abstand der Enden eines das Netzgerüst bildenden Fadens beim Übergang aus dem fast gestreckten in den tausendfach geknickten Zustand erfährt. Die Verkürzung der Lamelle erfolgt auch dann, wenn der durch eine chemische Einwirkung

verlängerte Versuchskörper mit einem Gewicht verbunden wird; d. h. es können als Folge der Formänderungen der großen Moleküle Gewichte gehoben oder es kann eine Maschine in Bewegung gesetzt werden. Von der Frage nach der Gestalt der großen Moleküle ausgehend, von der Frage, unter welchen Umständen diese großen Moleküle gestreckte Fäden oder 1000fach in sich geknickte Linienzüge darstellen, werden wir zu einer Erscheinung ganz anderer Art, zu einem Mittel, ein Gewicht zu heben oder eine Maschine in Gang zu setzen, hingeführt. Die Gestalt oder die Gestaltänderung der großen Moleküle ist zu einem Mittel der Erzeugung mechanischer Energie, das Makromolekül gewissermaßen zu einer mechanische Energie erzeugenden Maschine geworden.

Die Tendenz zur Zusammenziehung der Lamelle oder des Zylinders entspricht genau der Tendenz der einzelnen Molekülfäden, welche in dem Netzwerk enthalten sind, aus einer mehr oder weniger gestreckten Form in die Gestalt des 1000fach geknickten Linienzuges zurückzukehren. Dabei ist es möglich, wiederum durch genaue Untersuchung des besprochenen Irrwegproblems, ein Maß für die Tendenz der Rückkehr des Einzelfadens aus der gestreckten in die 1000fach geknickte Form zu finden und die Kraft anzugeben, welche dieser Tendenz entspricht, und dann auch die Gesamtkraft, welche die aus einem Netzwerk bestehende Lamelle im Sinne einer Kontraktion hervorbringen kann.

Es ist, um diese Betrachtung durchzuführen, notwendig, ein weiteres Spezialgebiet der Physik und der Physikalischen Chemie, nämlich die statistische Thermodynamik, auf die Formänderungen der großen Moleküle zu übertragen und sinngemäß anzuwenden. Die statistische Thermodynamik ist ein Zweig der theoretischen Physik,

welcher insbesondere zur Deutung der Eigenschaften von Gasen entwickelt worden ist und dessen Prinzipien und Ergebnisse auf das Gestaltproblem der großen Moleküle übertragen werden mußte und konnte. Bei den mit chemischen Mitteln praktisch erreichbaren Streckungsgraden ist eine aus Molekülfäden gebildete Lamelle in der Lage, ein Gewicht von der Unterlage emporzuheben, welches etwa 50000 bis 70000mal so groß ist als das Gewicht der pro Centimeter der Lamelle vorhandenen Fadensubstanz. Eine Lamelle, welche zu 80 % aus Wasser, zu 20% aus einem von Molekülfäden gebildeten Netzwerk besteht und welche einen Querschnitt von 1 cm2 besitzt, ergibt bei dem mit chemischen Mitteln praktisch erreichbaren Streckungsgraden eine kontraktile Kraft, welche ein Gewicht von etwa 10 kg von der Unterlage emporheben kann.

Es zeigt sich, daß diese an den Lamellen tatsächlich gemessene Kraft mit dem für diese Versuchskörper aus der statistisch thermodynamischen Betrachtung unter Zugrundelegung des Irrwegmodells erhaltenen Betrag innerhalb der zu erwartenden Grenzen genau übereinstimmt. Die Feststellung dieser Kontraktilität an künstlichen Lamellen und die völlige Übereinstimmung der gefundenen Kräfte mit den auf Grund der Vorstellungen qualitativ und quantitativ erwarteten Kräften ist für diejenigen, die sich um dieses Problem bemühten, ein wenn auch erwartetes, so doch nicht absolut selbstverständliches Ereignis gewesen. Tatsächlich beruhen die Angaben über die Molekülgröße, die Angaben über das Vorliegen von Kettenmolekülen, in welchen die Atome perlschnurartig aneinander angereiht sind, die Angaben über die Irrweggestalt der einzelnen Fäden, die Überführung dieser Irrweggestalt durch chemische Mittel in fast gestreckte Fäden, auf Aussagen oder Methoden, welche wir zwar für sicher und

zuverlässig halten, welche aber doch indirekt sind und keine direkte Beobachtung beispielsweise der Molekülgröße oder der Molekülgestalt in sich schließen. Außerdem waren die Aussagen über die Kräfte, welche mit dem Übergang aus der einen in die andere nicht unmittelbar beobachtete Molekülgestalt verbunden sind, durch Anwendung von Prinzipien, die nicht auf dem Gebiete der Molekülformbetrachtung gewonnen wurden, erhalten worden.

Die Vorstellungen und Methoden betreffend die Art und Weise, wie aus den einzelnen in Lösung befindlichen Kettenmolekülen räumliche Netzwerke zustande gebracht werden, beruhen auf den von der organischen Chemie entwickelten sicheren Methoden und Erfahrungen und damit wiederum auf Schlußfolgerungen und Vorstellungen, welche ohne unmittelbare Beobachtung des Einzelvorganges gewonnen worden sind. Obwohl jeder einzelne der benützten Schritte und jede einzelne Vorstellung als gut begründet angesehen werden kann, stellt es eine Art Erlebnis dar, wenn an einem makroskopischen Körper, nämlich an der aus dem Netzwerk gebildeten Lamelle unter der Wirkung chemischer Agentien Dehnungen und Kontraktionen, welche auf Grund der besagten Vorstellungen gefordert werden, eintreten und wenn die die Kontraktionen bewirkenden Kräfte die Größe, sagen wir die Kraft von 10 kg pro cm2, die erwartet wurde, tatsächlich besitzen.

Die Kraft von etwa 10 Kilogramm, welche eine Lamelle von einem cm²Querschnitt zustande bringen kann, wird besonders anschaulich und erhält einen zusätzlichen Inhalt, wenn wir diese Kraft sowie andere Eigenschaften der Lamelle mit den entsprechenden Eigenschaften eines natürlichen Muskels vergleichen. Interessanterweise ergibt

dieser Vergleich eine große Ähnlichkeit der Verhältnisse. Der natürliche Muskel, beispielsweise der Muskel eines Frosches oder der menschliche Muskel besteht, ähnlich wie das vorerwähnte aus künstlichen Molekülfäden bestehende Netzwerk, zu etwa 80% aus Wasser, und es beträgt das Gewicht, welches von der Unterlage emporgehoben werden kann, auch beim natürlichen Muskel, genau wie beim künstlichen Netzwerk, etwa 10 bis 13 kg pro cm²des Querschnitts. Auch das Ausmaß des Betrages, um den sich der natürliche Muskel kontrahiert, ist etwa 50% der Länge des gestreckten Muskels. Es besteht somit hinsichtlich dieser wichtigen Merkmale eine fast völlige Gleichheit zwischen dem natürlichen Muskel und den künstlichen aus Molekülfäden gebildeten Netzwerken. Die Arbeitsleistung des natürlichen Muskels wird dadurch ermöglicht, daß die Energie durch Verbrennungsvorgänge, die sich im arbeitenden Muskel abspielen, im wesentlichen durch die Verbrennung von Zucker geliefert wird. Bei den künstlichen aus Molekülfäden gebildeten Netzwerken wird die Arbeitsleistung in ähnlicher Weise durch die chemischen Vorgänge ermöglicht, welche die Netzfäden zur Streckung oder zur Kontraktion veranlassen. Es liegt also in den beiden Fällen eine Vorrichtung vor, durch welche unmittelbar chemische Energie in mechanische Arbeitsleistung, z. B. durch Heben von Gewichten, umgesetzt wird. In einem der beiden Fälle, bei den aus Molekülfäden aufgebauten künstlichen Netzwerken, wissen wir mit Bestimmtheit, daß diese Arbeitsleistung durch die mit Hilfe der chemischen Vorgänge bewirkte Änderung der Form großer Moleküle, durch den Übergang aus der Irrweggestalt in die gestreckte Gestalt und umgekehrt bewirkt wird. Der Umstand, daß auch der nichtwässerige Teil der Muskelsubstanz zum größten Teil aus kettenförmigen Molekülen

besteht, und die erwähnte zahlenmäßige Übereinstimmung der Daten des Muskels mit mehreren für die Arbeitsleistung wichtigen Eigenschaften des künstlichen Netzwerkes legt die Vermutung nahe, daß auch beim Muskel die Arbeitsleistung in ähnlicher Weise wie beim künstlichen Netzwerk, also durch die Änderung der Form großer Moleküle bewirkt wird.

Wie dem auch sei, so ist sicher durch die Eigenschaften der aus künstlichen Fäden aufgebauten Netzwerke die Möglichkeit einer mechanischen Arbeitsleistung durch Gestaltänderung von großen Molekülen sichergestellt.

Sie ist von Bedeutung, weil sie als grundsätzlich neue Möglichkeit zu den in der Technik zur Energieerzeugung verwendeten Vorrichtungen, nämlich zum Elektromotor und zum Dampf- oder Gasmotor hinzutritt. Der Elektromotor und die Dampfmaschine sind in keinem lebenden Organismus eingesetzt. Dagegen enthalten viele lebende Organismen die großen kettenförmig gebauten Moleküle, und es kann als sicher betrachtet werden, daß die Gestaltänderung derselben wenigstens zu einem Teil für die Energieerzeugung und in reichem Maße für die Ausführung von Bewegungen und Gestaltänderungen in der Welt der lebenden Organismen eingesetzt wird.

Das Problem der Gestalt großer Moleküle, welches wir in den Grundzügen und in einem kleinen Teil seiner Auswirkungen beschrieben haben, ist für die Fragestellungen und die Methoden zunächst auf dem Gebiete der Erforschung der Eigenschaften der großen Moleküle. darüber hinaus aber für weitere Gebiete der physikalisch-chemischen Forschung und zum Teil auch anderer Forschungs-Zweige kennzeichnend. Gewisse Punkte lassen sich auf jede Forschung überhaupt verallgemeinern.

Eine Bemerkung, welche sich zunächst aufdrängt, betrifft

die bereits im ersten Teil dieser Ausführungen erwähnte, in Diskussionen oft hervorgehobene Aufspaltung der wissenschaftlichen Forschung in eine Vielzahl von voneinander unabhängigen Einzeldisziplinen. Ich glaube, daß die Bearbeitung der Molekülformveränderungen ein eindringliches Beispiel dafür ist, wie die einzelnen Spezialgebiete sich zunächst getrennt entwickeln können und müssen, um sich dann bei neuen, zunächst nicht vorhergesehenen Aufgaben zusammenzufinden.

Wenn es im Beispiel der Erforschung der Molekülform möglich war, Systeme aufzubauen, welche die Verwandlung von chemischer Energie in mechanische Energie in gleichem Ausmaße und vielleicht in ähnlicher Weise wie der natürliche Muskel zustande bringen, so war es, um dies in systematischer Weise zu erzielen, notwendig, durch geeignete chemische Methoden die Kettenmoleküle aufzubauen und zu Netzwerken zu vereinigen. Es war weiter notwendig, chemische Änderungen herbeizuführen, um eine gegenseitige Abstoßung der Kettenteile zu bewirken, und weitere Änderungen, um sie wieder zu beseitigen. Es war notwendig, die Form des suspendierten Fadens mit Hilfe des Irrwegmodells mathematisch zu erfassen und die Betrachtung vom Falle nicht vorhandener auf den Fall vorhandener Abstoßung zu erweitern. Es war notwendig, zur Berechnung der kontraktilen Kraft die statistische Thermodynamik herbeizuziehen, schließlich haben wir die kontraktile Kraft an den künstlichen Netzwerken experimentell festgestellt, und wir haben sie mit der vom natürlichen Muskel hervorgebrachten Kraft verglichen.

Es waren der Reihe nach die Beiträge von ganz bestimmten experimentellen und theoretischen Spezialgebieten der Mathematik, der theoretischen und experimentellen

Physik, der organischen und der physikalischen Chemie und der Physiologie und ein wenig auch von der Medizin herbeizuziehen.

Während oft und mit Recht festgestellt wird, daß die Spezialwissenschaften als isolierte Wissensgebiete ihren eigenen Weg gehen und von den außerhalb des Spezialgebietes stehenden Fachleuten nicht verfolgt und verstanden werden können, -vollzieht sich, wie wir sehen, auf gewissen anderen Gebieten eine Synthese der speziellen Wissenschaften, und diese Synthese scheint am intensivsten und auch am fruchtbarsten zu sein bei den Fragen, welche wie die Form der großen Moleküle an die materiellen Grundlagen der Lebensvorgänge herankommen.

Es darf bei der Betrachtung dieser Synthese, insbesondere in dem von uns betrachteten Beispiel der Molekülform, hervorgehoben werden, daß die Spezialgebiete um ihren Anteil zu geben, nicht nur mittelmäßige Beiträge zu geben, sondern zum Teil wenigstens, das derzeit Mögliche zu leisten hatten. Das gilt z. B. für die Aussagen über die für alles andere so wichtige Gestalt des Irrwegmodells, ein Problem, für welches auch bis heute nur im einfachsten Fall eine genaue Lösung möglich gewesen ist. Schon bei kleinen Abweichungen vom Idealfall treten größte Schwierigkeiten auf.

Wir berühren mit der Feststellung, daß wir Idealisierungen benützen und benützen mußten, einen Punkt, dessen Bedeutung weit über unser Beispiel hinausreicht. Die Benützung von idealisierenden Vorstellungen und Definitionen bedeutet, daß alle auf diesen Begriffen beruhenden Aussagen und Beschreibungen Näherungen sind, welche nur in Grenzfällen richtig sind, in den Grenzfällen nämlich, in denen die von uns geschaffenen Idealisierungen und damit die willkürlich von uns selbst in die Beschreibung

hineingetragenen Voraussetzungen zutreffen. Es ist dies eine tiefgehende Beschränkung, welche nicht nur den komplizierten, sondern auch den einfachsten Problemen der Naturbeschreibung anhaftet, weil im Grunde jeder Begriff und jede Definition, mit der wir arbeiten und mit deren Hilfe wir uns verständlich machen, in Wirklichkeit eine künstliche, mit Hinblick auf gewisse Grenzfälle geschaffene Konstruktion ist. Wenn aber unsere Begriffe, wie es tatsächlich der Fall ist, im Hinblick auf Grenzfälle geschaffene Konstruktionen sind, so haftet allen unseren Aussagen die durch diese Willkür bedingte eventuell latente Naturwidrigkeit und Beschränkung an. Es ist mir kein Gebiet bekannt, bei welchem nicht auf Grund der in den Definitionen liegenden Willkür und Gewalttätigkeit Schwierigkeiten entstanden sind. Die mit den Komplementaritätsaussagen in der Physik verbundenen Sachverhalte hängen mit solchen Schwierigkeiten, in diesem Fall mit der durch die Unterscheidung von Subjekt und Objekt in die Naturbeschreibung hineingebrachten Willkür, bzw. Idealisierung, bzw. Unrichtigkeit eng zusammen.

Eine weitere Feststellung, welche sich aus dem Beispiel der Gestalt großer Moleküle mit Eindringlichkeit ergibt, ist gerade dann, wenn allgemeine Beziehungen das eigentliche Ziel bilden, die Notwendigkeit der sorgfältigen Feststellung konkreter Tatsachen. Wenn wir die Aussage, daß die Gestalt der großen Moleküle von ihrem Bau abhängt und daß von dieser Gestalt die Eigenschaften, auch die für die Lebensvorgänge wichtigen Eigenschaften irgendwie abhängen, vom konkreten Inhalt, daß die Gestalt unter bestimmt angebbaren Bedingungen, z. B. die des Irrwegs oder die des gestreckten Fadens sein wird, entkleiden, so läuft die allgemeine Aussage auf die triviale Feststellung

hinaus, daß irgendwie alles von allem abhängt. Erst das Bewußtsein, an die Stelle der allgemeinen Aussage präzise konkrete Zusammenhänge setzen und genaue Folgerungen angeben zu können, gibt uns das Gefühl, daß die allgemeine Aussage einen Inhalt besitzt.

Es ist in diesem Sinne jedes allgemeine Gesetz und jede allgemeine Aussage die Verallgemeinerung von bestimmten speziellen Erfahrungstatsachen, von Erfahrungstatsachen, deren sorgfältige Sicherstellung ebenso wichtig ist wie die Formulierung der auf Grund von Erfahrungstatsachen beanspruchten Verallgemeinerungen. Es ist tatsächlich in der Geschichte der Wissenschaften wiederholt festzustellen, daß die Lösung von Einzelproblemen den Anstoß und die Möglichkeit zur Formulierung allgemeiner Gesetze gegeben hat, und man kann sich darüber streiten, welcher Schritt der wichtigere und entscheidendere gewesen ist. Im individuellen Leben des einzelnen Forschers ist die Reihenfolge meistens die, daß der Hauptteil der Arbeitskraft in den jungen Jahren der Ermittlung neuer individueller Sachverhalte, in den späteren Jahren mehr den allgemeinen Aussagen und oft auch einfach der Organisation zugewendet wird.

Wir dürfen, indem wir Allgemeines und Spezielles zusammenziehen, feststellen, daß das praktische Verhalten von Substanzen, die aus großen Molekülen gebildet werden, und insbesondere auch viele Lebensvorgänge von der Gestalt und den Gestaltänderungen der großen Moleküle wesentlich abhängen, und daß diese Aussage einen konkreten Inhalt und ihre Berechtigung durch die Tatsache erhält, daß wir die Formen dieser großen Moleküle und die Formänderungen in bestimmten Fällen wirklich in der Hand haben, und daß es gelingt, beispielsweise mit ihrer Hilfe mechanische Energie in einer Weise zu erzeugen,

welche wir voraussagen und grundsätzlich verstehen können. Wir weisen, indem wir zum Ausgangspunkt der Betrachtung zurückkehren, darauf hin, daß in solcher Art auf einem Spezialgebiet bestimmte Vorstellungen entwickelt und gefestigt werden und daß diese Vorstellungen zusammen mit dem, was auf allen andern Wissensgebieten vor sich geht, zur langsamen Wandlung unserer Lebensbedingungen und unserer gesamten Vorstellungswelt beitragen.

Für genauere Ausführungen über die Gestalt und die Gestaltänderungen großer Moleküle sowie für Literaturhinweise sei auf die folgenden Veröffentlichungen des Verfassers verwiesen:

W. Kuhn: Ober die Gestalt fadenförmiger Moleküle, Kolloid-Zeitschrift, 68, 2 (1934).

W. Kahn: Beziehungen zwischen Molekülgröße, statistischer Molekülgestalt und elastischen Eigenschaften. hochpolymerer Stoffe. Kolloid-Zeitschrift 76, 258 (1936).

W. Kuhn und H. Kuhn: Die Frage nach der Aufrollung von Fadenmolekülen in strömenden Lösungen, Helvetica Chimica Acta, 26, 1394 (1943).

W. Kuhn und B. Hargitay: Muskelähnliche Kontraktion und Dehnung von Netzwerken polyvalenter Fadenmolekülionen. Experientia 7, 1 (1951), sowie Zeitschrift f. Elektrochemie, 55, 490 (1951).

W. Kuhn, H. Kuhn und P. Buchner: Hydrodynamisches Verhalten von Makromolekülen in Lösung, Ergebn. der exakten Naturwissenschaften, 25, 1 (1951).