Chemische Reaktionen im lebenden Organismus wie im Reagenzglas laufen oft so schnell ab, daß ihre Dynamik mit den bisher üblichen Methoden nicht erfaßt werden konnte. Die elementaren chemischen Ereignisse in Muskeln, Nerven oder Drüsen und die molekularen Vorgänge bei der Zellverdoppelung zu verstehen, ist aber ein zentrales Ziel der heutigen Biologie. Es hat daher in der Fachwelt großes Aufsehen erregt, als Manfred Eigen und Leo De Maeyer vom Max-Planck-Institut für physikalische Chemie und ihre Mitarbeiter in Göttingen und in den USA vor wenigen Jahren Methoden entwickelten, mit denen schnelle, ja sogar die schnellsten überhaupt vorkommenden chemischen Reaktionen von nur einer milliardstel Sekunde Dauer studiert und analysiert werden können. Erst ein kleiner Teil des neu entdeckten Kontinents ist bereits durchforscht, aber man kann schon von einer Reihe von Erfolgen berichten.

Man stellt sich häufig die chemische Reaktion von Stoffen, die miteinander in Berührung gebracht werden, so vor, als laufe sie so lange ab, bis die Substanzen aufgebraucht und in ihre Reaktionsprodukte umgewandelt sind. In Wirklichkeit aber gehen die Reaktionsprodukte ihrerseits wieder Rückreaktionen ein, das heißt, sie zerfallen wieder in die Ausgangsstoffe. Reaktion und Rückreaktion laufen zunächst gewissermaßen um die Wette, bis sich ein Gleichgewichtszustand einstellt, in dem pro Zeiteinheit gleichviel Moleküle der Ausgangsstoffe Reaktionen eingehen wie rückgebildet werden. Diesen zwar stationären, aber doch dynamischen Zustand, in dem sich Hin- und Rückreaktion die Waage halten, nennt man chemisches Gleichgewicht. Es tritt also dann ein, wenn die von der Natur und Konzentration der Ausgangsstoffe beziehungsweise des Reaktionsproduktes abhängigen Geschwindigkeiten, mit denen die Hin- und Rückreaktionen verlaufen, gleich groß geworden sind.

Nun sind Reaktionsgeschwindigkeiten auch vom Druck, der Temperatur und der elektrischen Feldstärke abhängig, denen das System ausgesetzt ist. Wenn man also eine dieser Größen verändert, muß sich ein neues Gleichgewicht einstellen. Hierauf beruht der Grundgedanke der von dem Göttinger Team entwickelten „Relaxationsmethoden“. Das bereits eingestellte chemische Gleichgewicht wird plötzlich durch eine sprungartige Veränderung der physikalischen Bedingungen gestört und der daraufhin erfolgende Ausgleichsvorgang, die „Relaxation“, beobachtet. Da sich beim Einpendeln des neuen Gleichgewichtszustandes auch das Lichtabsorptionsvermögen des Reaktionssystems und andere physikalisch meßbare Größen verändern, lassen sich durch zeitliches Verfolgen solcher Veränderungen die Reaktionsgeschwindigkeiten bestimmen.

Auch in komplizierten, aus vielen Einzelreaktionen zusammengesetzten Systemen lassen sich so die Geschwindigkeitskonstanten einzeln ermitteln, wenngleich nicht ohne mathematischen Aufwand. Das ist besonders wichtig, weil alle interessanteren biologischen Reaktionen sich aus vielen Einzelschritten zusammensetzen.

Außer einmaligen Druck- und Temperatursprüngen sowie elektrischen Impulsen sehr hoher Spannung hat man weiterhin mit großem Erfolg periodische Einwirkungen zur Störung des Gleichgewichts benutzt, so zum Beispiel Ultraschall; das periodische Nachhinken der chemischen Reaktionen hinter den Druckschwankungen läßt sich quantitativ etwa durch Messung der Absorption der Schallenergie nachweisen. Durch Variation der Schallfrequenz kann man einen Bereich von Reaktionszeiten zwischen einer zehntausendstel und einer milliardstel Sekunde überstreichen. Mit elektromagnetischen Wellen wird man auch die allerschnellsten Reaktionen erfassen können. Hier gibt es auch noch viele ungelöste Probleme, an denen im Göttinger Institut intensiv gearbeitet wird.

Was erreicht man mit der neuen Methode? Die biologisch wichtigsten Ergebnisse sind wohl die neuen Aufschlüsse über die molekularen Einzelschritte bei der Wirkungsweise der Enzyme. Enzyme sind Katalysatoren, das heißt Reaktionsbeschleuniger, die den gesamten Stoffwechsel und Energiehaushalt eines Lebewesens steuern. Man hat die Einzelschritte mancher Enzymreaktionen säuberlich trennen können. Für den Schritt der Anhängung eines Enzym-Moleküls an ein Substrat-Molekül hat man z. B. Zeiten zwischen einer hundertstel und einer millionstel Sekunde gemessen, während die Umwandlung in das Reaktionsprodukt im allgemeinen Zeiten von der Größenordnung einiger tausendstel Sekunden in Anspruch nehmen.

Erfolge haben die Relaxationsmethoden auch beim Studium der Elementarvorgänge gebracht, die mit der Informationsübertragung und Reduplikation der Nukleinsäuren zusammenhängen und die für die Genetik von fundamentaler Bedeutung sind. Auch Grundfragen der Immunologie, zum Beispiel die Dynamik der Komplexbildung zwischen Antikörper und Antigen wurden in Göttingen untersucht. Von besonderem Interesse ist hier die Frage der Bildung des molekularen Programms für die Erkennung eines „Fremdmoleküls“ durch den Antikörper. Es gibt ungezählte weitere (zum großen Teil noch nicht erschlossene) Anwendungsmöglichkeiten, die bis zu Fragen der Informationsspeicherung im Gehirn reichen. Ernst Ulrich v. Weizsäcker