Laser, Licht und Leben

Techniken in der Medizin

Susanne Liedtke, Jürgen Popp

• Verlag: Wiley-VCH
• Jahr: 2012
• ISBN:
  9783527641017
• Auflage: 1
• Thema: Naturwissenschaften
• Thema: Chemie

Der Mensch hat gelernt, Licht zu kontrollieren, in dem er beobachtete, wie Materie und Licht in der natürlichen Welt sich gegenseitig beeinflussen und verändern. Die neue Disziplin der Biophotonik setzt Licht als vielseitiges Werkzeug ein, um biologische Vorgänge verstehen zu lernen, Krankheiten besser diagnostizieren und heilen zu können. Mit Licht kann man berührungslos messen und Lebensvorgänge im wahrsten Sinne des Wortes 'live' beobachten. Mit Licht kann man aber auch gezielt eingreifen: Pinzetten aus Laserstrahlen halten einzelne Zellen und setzen sie zu künstlichen Geweben zusammen,. Licht kann zudem Schneiden, Bohren, Kleben oder als Katapult dienen.
Das Buch gibt kurze Einführungen in die Physik und Chemie des Lichtes und die Grundlagen der Zell- und Molekularbiologie und erzählt die ebenso spannende wie erfolgreiche Geschichte der Zusammenarbeit der beiden Disziplinen im Dienste der Gesundheit des Menschen. Unter dem Motto "Light meets Life Science" eröffnen Biophotoniker im 21. Jahrhundert der Infektionsbiologie, der Krebsforschung und der Gewebezucht völlig neue Möglichkeiten.

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Am Anfang war das Licht

Von Euklid bis Einstein: Licht fordert Philosophie und Wissenschaft heraus

»Licht! Liebe! Leben!«

Lebensdevise und Grabinschrift von J. G. Herder (1744–1803)

»Unter alles natürlichen Ursachen und Gesetzen weiß das Licht den Lernbegierigen am meisten zu entzücken.«

John Peckham, Erzbischof von Canterbury (1220–1292)

Als Sie heute Morgen aufgewacht sind, haben Sie sicher zunächst das Licht angeknipst. Oder die Vorhänge zurück gezogen, um das Tageslicht ins Zimmer zu lassen. Schien Ihnen die Sonne wärmend ins Gesicht, hat das vermutlich Ihre Laune gehoben. Verdunkelten dichte Wolken den Himmel, hat das Ihre Stimmung wahrscheinlich eher getrübt.

Licht spielt in unser aller Leben eine ganz zentrale Rolle. Das fängt dabei an, dass es ohne das Sonnenlicht überhaupt kein Leben in der uns bekannten Form auf der Erde gäbe – keine Bakterien, keine Pflanzen oder Tiere und damit auch keine Menschen. Auch unsere Spezies hätte es ohne Licht nicht dahin bringen können, wo sie heute steht. Ohne Fackeln hätten unsere Vorfahren nicht in dunklen Höhlen Schutz suchen können, ohne den wärmenden Schein des Feuers wären sie bald erfroren und verhungert und wenn sie nicht gelernt hätten, Werkzeuge zu erhitzen und dann zu bearbeiten, wären sie in ihrer kulturellen Entwicklung nicht weit gekommen.

Faszination Licht – Technik und Mythos

Wenn Sie darüber nachdenken, welche Rolle Licht in Ihrem Leben spielt, denken Sie wahrscheinlich an den am Anfang erwähnten Lichtschalter oder die Sonne. Licht hat ganz klar etwas mit sehen zu tun, besonders dort, wo unsere Augen allein die Dunkelheit nicht mehr durchdringen können. Aber sind sie sich bewusst, dass Sie ohne Licht auch weniger hören würden? Ihre Lieblings-CD können Sie nur abspielen, wenn ein Infrarotlaser die schillernde Scheibe abtastet. Und die Stimme ihrer Tante aus Amerika kommt nur deshalb so klar aus dem Telefonhörer, weil in Glasfaserkabeln genauestens kontrollierte Lichtstrahlen Stimmen über viele Kilometer ohne Qualitätsverlust transportieren. Auf gleiche Weise finden übrigens auch die großen Mengen digitaler Daten den Weg auf den Bildschirm Ihres Computers – ohne Licht kein Internet!

An vielen anderen Stellen profitieren Sie indirekt vom Einsatz des Lichtes. Die moderne Medizin wäre nicht denkbar ohne Generationen von Forschern, die mit optischen Instrumenten, wie zum Beispiel immer raffinierteren Mikroskopen, in die winzige Welt von Infektionserregern und Blutzellen vorgedrungen sind. Und dass Chirurgen heute beim Operieren nicht mehr notwendigerweise rot sehen, liegt daran, dass sie statt Messer und Skalpell präzise Laserwerkzeuge einsetzen können.

Licht und Finsternis gehören zu den religiösen Ursymbolen der Menschheit. Das christliche Weihnachtsfest ist ohne Stern und Kerzen nicht komplett, die Juden feiern zur gleichen Jahreszeit das »Lichterfest« Chanukka, bei dem sie acht Tage lang täglich eine Kerze an einem Leuchter entzünden und diesen ins Fenster stellen. Der Buddhismus stützt sich auf die Erkenntnis der vier edlen Wahrheiten, die Buddha bei seiner »Erleuchtung« erfuhr und der japanische Kaiser galt noch bis 1945 als direkter Nachfahre der licht- und lebensspendenden Sonnengöttin.

Licht ist auch in aller Munde – zumindest im übertragenen Sinne. Angelehnt an biblische Textstellen »tappen wir im Dunkeln« bis uns endlich »ein Licht aufgeht«. Will uns jemand betrügen, dann »führt er uns hinters Licht« und nach schweren Zeiten sind wir erleichtert, wenn wir das »Licht am Ende des Tunnels« sehen.

Da die Biophotonik schon in ihrem Namen die Begriffe »Leben« (griechisch bios) und »Lichtteilchen« (Photon) verbindet, werden wir in diesem Buch davon erzählen, wie eng die Beziehung zwischen Licht und Leben in der Natur ist und wie stark deshalb die Lebenswissenschaften vom Einsatz von Licht als Werkzeug profitieren können. Doch bilden nicht nur Licht und Leben ein untrennbares Paar, sondern auch Licht und Erkenntnis. Das Feuer als Licht- und Wärmequelle war ursprünglich ein kostbarer Besitz der Götter, den diese streng hüteten. Als die Menschen in den Besitz dieses wichtigen Instrumentes kamen, erlangten sie auch Unabhängigkeit, verbunden mit der Möglichkeit zur Erkenntnis. Prometheus, der in der griechischen Mythologie den Menschen das Feuer brachte, wurde dafür hart bestraft. In der christlichen Vorstellung ist es der »Lichtbringer« Luzifer, der die Menschen dazu verführt, vom Baum der Erkenntnis zu essen und damit die Vertreibung aus dem Paradies verursacht. Er selbst wird aus dem Kreis der Engel auf die Erde verbannt. Für die Möglichkeit zur Erkenntnis mussten die Menschen also einen hohen Preis bezahlen. Und dennoch kann man es so sehen: Licht war der Anfang von allem – nicht nur für das Leben an sich, sondern auch für den Weg des Menschen aus der Höhle ins Hightech-Labor. Unsere fähigsten Wissenschaftler bezeichnen wir nicht ohne Grund gerne als die »hellsten Köpfe«.

Mal ganz ehrlich: Könnten Sie spontan erklären, was das eigentlich ist, »das Licht«? »Licht«, so würden Sie vielleicht sagen, »ist Helligkeit und Wärme«. Damit liegen Sie sicher nicht falsch, doch hinreichend erklärt ist das Phänomen Licht damit nicht. Denn Licht ist eigentlich gar nicht »hell« in dem Sinne, dass man es sehen kann. Der amerikanische Quantenphysiker Arthur Zajonc hat sich dazu ein interessantes Experiment ausgedacht. Er konstruierte einen Kasten, in den er mit Hilfe eines leistungsfähigen Projektors Licht hineinwirft. Das Licht kann allerdings keine Objekte oder Wände im Inneren des Kastens berühren. Es gibt in dem Kasten nichts als Licht. Zajonc wollte damit die spannende Frage beantworten, wie das Licht an sich aussieht. Die verblüffende Antwort: Absolut dunkel! Der Projektor schickt zwar helles Licht in den Kasten und man kann durch ein Loch in das Innere hineinblicken. Aber man sieht nur tiefschwarze Dunkelheit. An der Außenseite des Kastens hat Zajonc einen Griff angebracht, mit dessen Hilfe sich ein Stab ins Innere hinein- und herausbewegen lässt. Zieht man an dem Griff, gleitet der Stab in den angeblich dunklen Raum und man sieht, dass er an einer Seite hell erleuchtet ist. Offenkundig ist der Raum also gar nicht dunkel, sondern mit Licht gefüllt. Doch ohne ein Objekt, auf das das Licht fallen kann, sieht man nur Dunkelheit. Das Licht selbst ist für unser Auge nur dann sichtbar, wenn es auch in unser Auge fällt – und das kann außer auf direktem Wege von der Lichtquelle nur durch Reflexion, Brechung, Streuung oder Beugung (auf diese Begriffe werden wir später noch in Detail eingehen) an einem Gegenstand wie dem Stab im Experiment geschehen. Das ist übrigens auch der Grund, warum Astronauten in der sonnenbeleuchteten Leere des Weltraums nur die tiefe Dunkelheit des Alls wahrnehmen.

Licht ist auch nicht immer mit Wärme gleichzusetzen. Im Gegenteil – man kann es sogar recht effektiv als Kühlmittel einsetzen. Die Temperatur eines Gases zum Beispiel hängt von der Geschwindigkeit seiner Atome bzw. Moleküle ab – je schneller, desto wärmer. Bestrahlt man solche Atome aus vielen verschiedenen Richtungen mit Laserlicht, so kann man sie abbremsen. Und dann geht es den Atomen oder Molekülen wie uns, wenn wir uns nicht mehr bewegen können – es wird ihnen langsam kalt. Es entsteht ein »optischer Sirup«, der so zäh ist, dass die Geschwindigkeit der Atome auf ein Millionstel des Ausgangswertes reduziert wird – sie frieren regelrecht fest. Und das bei äußerst ungemütlichen Temperaturen in der Nähe des absoluten Nullpunktes, also bei 273 Grad unter Null.

Rätselhaftes »Augenlicht«

Kehren wir aber schnell wieder in die warme helle Welt eines Sommertages zurück. Denn natürlich waren es aber am Anfang gerade diese Eigenschaften des Lichtes – Helligkeit und Wärme –, die den Menschen zunächst beschäftigten. Das Sonnenlicht teilte seinen Tag und sein Jahr ein, ließ Pflanzen und Tiere gedeihen, die Nahrung und Kleidung boten. Das Licht des Feuers spendete Wärme, die auch zum Zubereiten der Nahrung oder bei der Bearbeitung von Werkzeugen half. Das Licht der Sterne schließlich diente Reisenden zur Orientierung.

Aber nicht nur als Landwirt oder Wanderer hat sich der Mensch schon immer für das Licht interessiert, sondern auch als Philosoph und Wissenschaftler.

Der griechische Mathematiker Euklid lebte im 3. Jahrhundert vor Christus in Alexandria und beschäftigte sich als Lehrer an der Platonischen Akademie vor allem mit der Geometrie. In seinen Werken finden sich wichtige Grundsätze der so genannten geometrischen Optik, die er aus der gradlinigen Ausbreitung des Lichtes herleitete.

Zeittafel 1 Feuer, Spiegel, Schattenspiele.

1,4 Millionen Jahre v. Chr.	Aus dieser Zeit stammen die frühesten Hinweise darauf, dass Menschen Feuer kontrolliert benutzen können.
12.000 Jahre v. Chr.	Der Mensch beginnt, Öllampen zu nutzen.
3000 v. Chr.	Kulturen des Mittleren und Fernen Ostens studieren Licht und Schatten, vermutlich zunächst, um deren unterhaltende Wirkung zu nutzen. In Asien macht man die ersten Spiegel.
1500 v. Chr.	Ein Brei aus einer gemahlenen Saat und das Sonnenlicht werden zur Behandlung der Vitiligo und Leikodeokritis eingesetzt (Vorläufer der photodynamischen Therapie).
400 bis 300 v. Chr.	Griechische Gelehrte beschäftigen sich mit Licht und Optik:
	–	Plato glaubt, dass die Seele der Sitz des Sehens ist und dass Lichtstrahlen aus dem Auge treten und die Objekte der Welt beleuchten.
	–	Euklid veröffentlicht seine »Optica«, in der er das Reflexionsgesetz formuliert und beschreibt, dass Licht sich gerade ausbreitet.
	–	Aristoteles denkt über Wahrnehmung nach, lehnt aber die Theorie ab, dass das menschliche Sehen mit Strahlen, die vom Auge ausgehen, zusammenhängt.
280 v. Chr.	Die Ägypter vollenden in Alexandria den ersten Leuchtturm der Welt, der als eines der Sieben Weltwunder als Vorbild für alle zukünftigen Leuchttürme gilt.
250 v. Chr. bis 100 n. Chr.	Die Menschen entdecken die nützlichen Eigenschaften von Linsen:
	–	Die Chinesen waren vermutlich die ersten, die Linsen nutzten und ihre korrigierenden Eigenschaften dokumentierten. Gleichzeitig etablierte der Magiker Shao Ong das Schattenspiel als festen Bestandteil seiner Aufführungen.
	–	Der römische Philosoph Seneca beschreibt die Vergrößerungseffekte, die ihm auffallen, als er kleine Objekte durch mit Wasser gefüllte Kugeln betrachtet.
	–	Hero von Alexandria veröffentlicht sein Werk » Catoptica« (»Reflexionen«) und zeigt darin, dass der Ausfallwinkel des reflektierten Lichtes gleich dem Einfallwinkel ist.
999 n. Chr.	Alhazen, auch bekannt als Abu Ali Hasan Ibn al-Haitham, nutzte sphärische und parabolische Spiegel, um die sphärische Aberration zu studieren und gab eine erste akkurate Beschreibung des Sehvorgangs, nämlich, dass das Auge das Licht eher aufnimmt als aussendet. Außerdem schilderte er in seinem »Opticae Thesaurus« die Anatomie des menschlichen Auges und wie die Linsen ein Bild auf der Netzhaut erzeugen.

Auch der Naturforscher Ptolemäus, der rund 500 Jahre nach Euklid in Alexandria lebte und lehrte, beschäftigte sich mit geometrischer Optik und beschrieb bereits die Brechung des Lichtes beim Übergang von Luft nach Wasser oder von Luft nach Glas.

Der Philosoph Platon (427–327 v. Chr.) interessierte sich mehr für das Phänomen des Sehens. Hatte sein Landsmann Empedokles noch die höchst romantische Vorstellung vertreten, dass die Liebes-Göttin Aphrodite die Augen des Menschen schuf, indem sie die Elemente Erde, Wasser, Luft und Feuer mit der Liebe verband und schließlich das Augen-Licht am Herdfeuer des Universums entzündete, so dachte Platon etwas nüchterner: Er ging davon aus, dass das Auge ein eigenes Licht habe, das es als eine Art Radarstrahl aussendet und mit dem es die äußere Welt abtastet. Als Beleg für diese Annahme diente den antiken Optikern das Glühen des Katzenauges in der Dunkelheit, das sie als Augen-Licht interpretierten. Das ließ jedoch die Frage aufkommen, warum man nachts oder in unbeleuchteten Räumen nicht sehen kann. Aristoteles gab darauf eine sehr einfache Antwort: Dunkle Luft ist undurchsichtig. Sobald man aber eine Lampe anzündet, würde sie durchsichtig. So seltsam, ja komisch das für uns heute klingen mag – wir nutzen fast täglich eine Technik, die auf dieser Vorstellung beruht, für unsere modernen Taschenrechner und Computerbildschirme. Diese haben häufig so genannte LCD (Liquid Cristall Displays) oder auf deutsch Flüssigkristallanzeigen. Deren Wirkung beruht darauf, dass Elektrizität den Zustand der Flüssigkeit von undurchsichtig zu durchsichtig ändert.

Doch zurück in die Antike: Auch Licht als Werkzeug war damals schon bekannt. Archimedes, der berühmte von Sizilien stammende Mathematiker, benutzte es sogar als Waffe: Er soll um 280 v. Chr. durch die Bündelung des Sonnenlichtes mit großen Brennspiegeln Teile der römischen Flotte vernichtet haben, als diese Syrakus erobern wollte.

Von den Arbeiten Archimedes’ beeinflusst verwendete Heron von Alexandria bereits im 1. Jahrhundert n. Chr. das Licht zur Wegevermessung und entwickelte dazu ein spezielles Instrument, »Dioptra« genannt.

Ein mittelalterlicher Spezialist in Sachen Optik war der aus Basra stammende Wissenschaftler Ibn al Haitham, der auch unter dem lateinischen Namen Alhazen bekannt ist. Er lebte um 1000 n. Chr. und beschreibt bereits recht detailliert den Vorgang des Sehens, kannte die vergrößernde Wirkung von Linsen, konnte beweisen, dass das Licht des Mondes von der Sonne herrührt und beschrieb den Regenbogen und die atmosphärische Brechung des Lichtes.

Auch mit Platons »Augen-Licht«-Theorie setzte sich der Gelehrte auseinander. Die Tatsache, dass einem die Augen wehtun, wenn man zu lange in die Sonne guckt, war für ihn nur schwer mit einem aus dem Auge kommenden Sehstrahl zu vereinen. Vielmehr nahm das Auge wohl eher etwas von außen auf, das das Sehen ermöglichte – oder eben, wenn es zu viel des Guten ist, Schmerzen bereitet.

Alhazens Schriften bildeten zusammen mit den Erkenntnissen von Ptolemäus bis ins 17. Jahrhundert hinein die Grundlagen der Optik.

Ob das Licht nun rauskommt aus dem Auge oder hinein – der französische Universalgelehrte René Descartes wollte es im 17. Jahrhundert ganz genau wissen und schaute einfach nach: Er sezierte ein Ochsenauge, um dem Sehvorgang auf die Spur zu kommen. Und er fand natürlich keinen Scheinwerfer, sondern sah auf der Netzhaut des Ochsen ein maßstabgetreues Abbild der Außenwelt. Damit war für Descartes klar, dass Licht von außen den Sinneseindruck im Auge erzeugt. Das Sehvermögen sei, so schreibt Descartes, wie der Stock eines Blinden. Ein Gegenstand, der das eine Ende des Stockes berührt, erzeugt einen Stoß am ...

Inhaltsverzeichnis

• titelseite
• Erlebnis Wissenschaft bei WILEY-VCH
• Titel
• Impressum
• Inhaltsverzeichnis
• Vorwort der Autoren
• 1 - Am Anfang war das Licht
• 2 - Das Unsichtbare sichtbar machen
• 3 - Mehr Klarheit in der Krebsdiagnostik
• 4 - Kampf gegen den unsichtbaren Feind
• 5 - Durchatmen!
• 6 - Licht an im Ersatzteillager
• Literatur
• Register