Zufälle in der Wissenschaft © MMCD; Hemera PhotoObjects; USDA

Was haben Plastikbecher, Penicillin, Mikrowellenherde, Radioaktivität, ein Medikament gegen Lepra, die Supraleitung, Bier, Amerika und Röntgenstrahlen gemeinsam? Sie alle wurden durch Zufall entdeckt.

Und das sind nur einige Beispiele. Vieles, was wir heute aus der Wissenschaft oder dem Alltag kennen, gäbe es ohne den Zufall möglicherweise nicht. Aber wie groß ist die Rolle des Zufalls tatsächlich und welche Rolle spielt dann noch der Entdecker selber?

„Gott würfelt nicht,“ davon war Albert Einstein überzeugt. Und auch Gotthold Ephraim Lessing wetterte: „Das Wort Zufall ist Gotteslästerung. Nichts unter der Sonne ist Zufall.“ Möglich. Vielleicht würfelt Gott tatsächlich nicht. Dennoch scheint der Zufall bei vielen Entdeckungen eine tragende Rolle zu spielen.

Kerstin Schmidt-Denter
Stand: 30.05.2000

Durch einen Apfel kam Newton auf die Idee mit der Schwerkraft © IMSI Masterclips

Klar, Amerika wurde von Kolumbus durch Zufall entdeckt. Archimedes bekam seine entscheidende Idee beim Baden und Newton ist doch angeblich dieser Apfel auf den Kopf gefallen, der ihn erst auf die Idee mit der Schwerkraft brachte. Aber mal abgesehen davon, dass die Apfel-Geschichte etwas an den Haaren herbeigezogen klingt, sind das doch eher Ausnahmen von der Regel, oder?

Tatsächlich aber wurden zahlreiche wissenschaftliche Entdeckungen durch Zufall gemacht. Entweder, weil irgend etwas schiefgegangen war, weil irgend jemand ganz einfach zur richtigen Zeit am richtigen Ort war oder sozusagen aus Versehen, wenn eigentlich etwas ganz anderes erforscht oder bewiesen werden sollte.

Der Zufall hat eine lange Tradition. Schon die alten Ägypter sollen zufällig das Bier erfunden haben, als einige Brotreste in einen Krug mit Wasser fielen und dort vergärten. Aber die Geschichte des Zufalls zieht sich bis heute noch auch durch moderne Labors, in denen hochkarätige Wissenschaftler eigentlich nichts dem Zufall überlassen sollten. Oft genug jedoch wurden gerade so grundlegende Entdeckungen wie die der Röntgenstrahlen oder des Penicillins nicht planmäßig, sondern eben eher zufällig gemacht.

Kann also Jeder einen Nobelpreis bekommen, wenn er einfach nur Glück hat? Und wozu brauchen wir dann die ganzen Wissenschaftler? Oder ist nicht so sehr der Zufall selber entscheidend, sondern eher die Person, der er begegnet? Die folgenden Beispiele über unplanmäßige Entdeckungen und Erfindungen mögen helfen, dieser Frage auf den Grund zu kommen…

Stand: 30.05.2000

In der Nacht zum achten November 1895 ist es kalt und dunkel in Würzburg. Viele Menschen schlafen schon, aber in einem Fenster brennt noch Licht. Der Physiker Wilhelm Conrad Röntgen arbeitet in seinem Labor. Noch ahnt er nicht, dass er durch Zufall gleich eine Entdeckung macht, die ihm sechs Jahre später, am zehnten Dezember 1901, den erstmals verliehenen Nobelpreis einbringen wird.

Wie viele seiner Kollegen experimentiert er mit den damals neu entdeckten Kathodenstrahlen. Dazu hat er eine der sogenannten Gasentladungsröhren (oder Hittorf-Crookessche Röhre) besorgt, in der eine hohe Spannung angelegt wird. Durch die starke Beschleunigung der Elektronen zwischen Anode und Kathode kann man einen schmalen, glühenden Streifen in der Röhre erkennen.

Röntgenbild © NCI

Doch Röntgen bemerkt noch einen weiteren Effekt: Im abgedunkelten Raum entdeckt er auf einem Leuchtschirm Lichtschimmer. Und auch einige Kristalle, die Reste der Bariumplatincyanid-Beschichtung des Schirmes, die noch auf dem Tisch liegen, beginnen zu leuchten. Das Licht der Kathodenstrahlen ist viel zu schwach, sie können nicht für diesen Effekt verantwortlich sein. Röntgen umhüllt die Röhre nun mit schwarzem Papier, der Schirm aber leuchtete weiter. Sogar aus einer Entfernung von zwei Metern erreichen ihn noch die geheimnisvollen und bis dahin unbekannten Strahlen aus der Röhre.

Da das schwarze Papier die Strahlen nicht aufhalten konnte, versuchte Röntgen, sie durch andere Gegenstände dringen zu lassen. Er durchleuchtete eine Holztür, ein Whistspiel, Hartgummi, Silber, Gold und Blei. Als begeisterter Hobbyfotograf kam der Physiker auf die Idee, auch Fotopapier mit den Strahlen zu schwärzen. So entstanden die ersten Röntgenbilder, etwa das Bild der durchleuchteten Hand seiner Frau. Neben der Erkenntnis, daß die X-Strahlen, wie Röntgen seine Entdeckung nannte, weniger dichtes Material besser durchdringen als Knochen oder Metall, erkannte Röntgen auch bereits, dass Blei die Strahlen abschirmt und somit als Strahlenschutz geeignet ist. Seine Versuche waren so umfangreich, dass es über zehn Jahre dauerte, bis andere Physiker zu weiterführenden Kenntnissen über die X-Strahlen kamen.

Obwohl Röntgen seine neue Entdeckung zunächst nicht an die große Glocke hängte und erst Ende Dezember seine Versuche der Physikalisch-Medizinischen Gesellschaft mitteilte, erregten die X-Strahlen, die später nach ihrem Entdecker benannt wurden, doch bald schon große Aufmerksamkeit. Das Bild der Hand von Frau Röntgen mit den sichtbar gemachten Knochen verursachte vor allem in der Medizin viel Interesse. Ärzte waren von dem Gedanken begeistert, ihrem alten Traum – dem gläsernen Menschen – näher gekommen zu sein.

Nur vier Monate nach ihrer Entdeckung konnten in New York Besucher einer Ausstellung ihre Hände mit den Strahlen durchleuchten und erstmals ihre eigenen Knochen sehen. In Schuhgeschäften wurde es Mode, Röntgenapparate aufzustellen, mit denen die Kunden den Sitz neuer Schuhe überprüfen konnten und selbst auf Parties und Gesellschaften vergnügten sich die Gäste teils mit dem Durchleuchten ihrer eigenen Hände und Füße. Die schädliche Wirkung der Strahlung wurde erst später bekannt.

Stand: 30.05.2000

Hätte im Jahre 1896 in Paris die Sonne geschienen, gäbe es heute vielleicht weder Kernkraftwerke noch Atombomben. Denn ein bedeckter Himmel hat zufällig dazu geführt, dass das Phänomen der Radioaktivität entdeckt wurde.

Nachdem Wilhelm Conrad Röntgen bereits zuvor im Jahre 1895 die Röntgenstrahlung entdeckt hatte, experimentierten auch andere Forscher mit diesen geheimnisvollen Strahlen, deren Ursachen noch niemand so recht kannte. Auch Henri Bequerel, ein französischer Physiker, dessen Spezialgebiete Magnetismus und Fluoreszenz waren, beschäftigte sich mit den X-Strahlen. Er hatte die Vermutung, dass Sonnenlicht in der Lage sei, fluoreszierendes Material zur Abgabe von Röntgenstrahlen anzuregen. Als er diese Theorie mit Uran beweisen wollte, schien seine Ansicht bestätigt zu sein. Er umwickelte eine Photoplatte mit schwarzem Papier und Alu-Folie, legte die Uran-Kristalle (Uranylkaliumsulfat) darauf und ließ die Sonne darauf einwirken. Der Film wurde belichtet. Uransalz schien durch Sonneneinstrahlung Röntgenstrahlen abzugeben.

Einige Tage später wollte er das Experiment wiederholen, erneut umwickelte er die Photoplatte und beschwerte sie mit Uran. Zufällig aber war es in Paris drei Tage lang bedeckt, die Sonne schien nicht und der Versuch war nicht durchführbar. Bequerel bewahrte die Photoplatte während dieser Zeit in seiner Schublade auf und hoffte auf besseres Wetter. Als er die Photoplatte schließlich aus der dunklen Schublade holte, fand er darauf überraschend die dunklen Abdrücke der Uran-Kristalle. Das Uran hatte die Photoplatte ohne Anregung des Sonnenlichtes geschwärzt.

Diese bis dahin gänzlich unbekannte Strahlung ging ohne weitere Anregung aus dem Uran hervor, schwärzte Photoplatten und war in der Lage, durch die Abschirmung aus schwarzem Papier zu dringen. Henri Bequerel nannte sie „Uran-Strahlung“. Weitere Versuche zeigten, dass nur uranhaltiges Material die Photoplatte belichtete und daß die Strahlung durch Metallgegenstände wie etwa eine Münze abgeschirmt wird. An dieser Stelle blieb das Photopapier weiß.

Durch diesen Zufall – drei Tage ohne Sonne zur richtigen Zeit – hatte Henri Bequerel somit die Radioaktivität entdeckt, den spontanen Zerfall des Urans unter Aussendung von Strahlen. Ab 1897 wurde er bei der weiteren Erforschung dieser Strahlen von seiner Doktorandin Marie Curie unterstützt. Sie entdeckten noch weitere strahlende Elemente wie Thorium, Polonium und Radium. 1903 erhielten sie gemeinsam mit Maries Ehemann Pierre Curie den Nobelpreis für Physik. Heute findet man den Namen Bequerel in der Physik noch als Einheit, die die Aktivität mit der Zahl der Zerfälle pro Zeiteinheit umschreibt.

Stand: 30.05.2000

Fasziniert sah der niederländische Physiker Heike Kamerlingh-Onnes zu, wie das flüssige Helium seltsame Formen annahm. Unerwartet bewegte es sich an den Wänden des Behälters nach oben und sammelte sich in Tropfen unten an der Außenseite des Gefäßes. Er ahnte noch nicht, dass ihn das Erforschen des Verhaltens von Stoffen bei extrem niedrigen Temperaturen auf ganz andere Wege führen sollte.

Als der niederländische Wissenschaftler wenig später im Jahr 1910 mit Quecksilber experimentierte, dass er mit flüssigem Helium auf minus 269 Grad herunter gekühlt hatte, machte er durch Zufall eine Entdeckung. Bei diesen tiefen Temperaturen verschwand der elektrische Widerstand des Metalls. Der Strom konnte nun völlig ohne Verluste fließen – das Phänomen der Supraleitung war entdeckt.

Stromfluß völlig ohne Widerstand? Wie ist das möglich? Stromfluß durch Metalle entsteht durch frei bewegliche Elektronen, die innerhalb des Metalles wandern. Normalerweise werden diese Elektronen durch die Bewegung der Atome behindert. Je höher die Temperatur ist, desto mehr bewegt sich das Atomgitter des Metalles und desto häufiger verlieren die Elektronen bei einem Zusammenstoß einen Teil ihrer Energie. Bei extrem niedrigen Temperaturen dagegen schwingen die Metall-Atome nur noch ganz leicht auf ihren Plätzen, die Elektronen werden in ihrer Bewegung kaum mehr behindert. Ein weiteres Phänomen besteht darin, dass sich die Atome zu Paaren, sogenannten Cooper-Paaren, zusammenschließen. Bewegen sie sich gemeinsam durch das Gitter, entsteht eine Art Tunnel, durch den die Elektronen sich reibungsfrei bewegen. Der elektrische Widerstand ist gleich Null.

Zahlreiche Metalle zeigen diese supraleitenden Eigenschaften, die von großem Vorteil für die technische Anwendung wäre. Ohne Widerstand entstehen keine Verluste durch Reibungswärme, das heißt, ein einmal induzierter Strom bleibt sehr lange Zeit ohne weitere Energiezufuhr bestehen. Allerdings gibt es ein Problem: Die extreme Kühlung. Um Materialien auf solche niedrigen Temperaturen herunterzukühlen, werden große Menge an flüssigem Helium benötigt. Und das ist teuer, circa zehn Mark kostet ein Liter. Kein Wunder, dass Wissenschaftler sich lange mit dem Problem beschäftigten, die niedrige Sprungtemperatur, ab der das Metall supraleitend wird, höher zu setzen.

Eine Sensation war es daher, als die Wissenschaftler Bednorz und Müller in den 80er Jahren, übrigens auch nicht völlig ohne Glück oder Zufall, keramische Stoffe fanden, die schon bei einer Kühlung auf „nur“ minus 196 Grad Supraleitung zeigten. Für solche Temperaturen braucht man nicht mehr unbedingt flüssiges Helium, da reicht auch der viel billigere Stickstoff. Mit der Zeit fanden Forscher Materialien mit noch höheren Sprungtemperaturen, die technische Anwendung war schlagartig viel billiger und einfacher geworden.

Heute benutzt man beispielsweise supraleitende Magnete bei der Untersuchung hochenergetischer Teilchen in der Elementarteilchenphysik, in der organischen Chemie bei Strukturuntersuchungen mit Hilfe der Kernresonanz und in der Medizin bei den Kernspintomographen. Innerhalb der nächsten Jahrzehnte werden die Anwendungsgebiete vermutlich weiter wachsen. So sind supraleitende Motoren und Generatoren in Planung und auch in Großrechnern plant man den Einsatz von Supraleitung.

Was auch immer die Supraleitung der Menschheit noch bescheren wird, ihrem Entdecker Kamerlingh-Onnes sowie den Weiterentwicklern Bednorz und Müller brachte sie immerhin den Nobelpreis ein.

Stand: 30.05.2000

Grampositive Bakterien © CDC

Alleine und vergessen stehen einige Petrischalen in einem verlassenen Labor. In ihnen wachsen Staphylokokken-Kulturen und eigentlich müßten sie im Kühlschrank aufbewahrt werden. Aber Alexander Fleming, der Mikrobiologe, der einen Versuch mit den Kulturen durchführt, hat sie versehentlich stehengelassen – und ist in den Urlaub gefahren. Unbemerkt können einige Pilzsporen in die Schalen eindringen und beginnen dort zu wachsen.

Als Fleming aus dem Urlaub zurückkommt, ist er entsetzt. Seine Kulturen sind teilweise abgestorben, der Versuch hinüber. Statt dessen hat sich ein Pilz, eine Art grünlicher Schimmel, in den Petrischalen ausgebreitet. Es handelt sich um den Schimmelpilz Penicillinum notatum, Penicillinum genannt wegen seiner Pinselform. Fleming entsorgt die Kulturen nicht direkt, sondern sieht sie sich genauer an. Um die Schimmelkolonien herum befindet sich eine klare Zone, eine „Todeszone“, in der keine Bakterien wachsen. Der Pilz produziert eine bakterizide Substanz.

Diese zufällige Entdeckung war eine Sensation zu jener Zeit, im Jahre 1929. Der Erste Weltkrieg war vorüber und hatte unzählige Todesopfer gefordert. Viele waren gestorben, weil sich ihre Wunden infiziert hatten, es gab kein wirksames Mittel. Aber auch nach dem Krieg breiteten sich Krankheiten wie Diphterie, Tuberkulose und Typhus unter der Bevölkerung aus.

Um so erstaunlicher ist es, dass das enorme Potential des Penicillins kaum genutzt wurde. Zunächst dauerte es eine Weile, bis Fleming den Pilz eindeutig identifiziert und isoliert hatte. Dann machte er einige Versuche mit verschiedenen Bakterienstämmen und fand heraus, dass Staphylokokken, Streptokokken, die Erreger von Milzbrand, Diphterie, Pfeifferschem Drüsenfieber und Starrkrampf von dem Penicillin-Extrakt vernichtet wurden. Bei diesen Bakterien handelt es sich um sogenannte grampositive Bakterien. Grampositive Bakterien besitzen eine äußere Zellwand, die aus einem Peptidoglycan aufgebaut ist, das aus vielen, miteinander verketteten Zuckermolekülen besteht. Penicillin verhindert diese Verknüpfung der Zucker und somit den Aufbau einer Zellwand.

So viel wußte Fleming damals natürlich noch nicht über die Wirkung des entdeckten Stoffes. Er stellte aber fest, dass Penicillin keine weißen Blutkörperchen angreift und daher für die Behandlung von Infektionskrankheiten geeignet ist. Fleming veröffentlichte seine Ergebnisse in einem Londoner Fachblatt, aber kaum jemand nahm Notiz von seinem Artikel. So wurde Penicillin zunächst nur oberflächlich zur Desinfektion von Wunden eingesetzt.

Ein paar Jahre später dann stand Gerhard Domagk im Rampenlicht. Er stellte ein wirksames Medikament aus Sulfonamiden gegen Infektionskrankheiten vor – das Prontosil. Im Gegensatz zu Penicillin wurde dieser Stoff schon in verschiedenen Labors gründlich auf seine Wirksamkeit getestet worden, aber Fleming war überzeugt, dass sein Penicillin mehr leisten kann.

Letztendlich sorgte der näher rückende Zweite Weltkrieg dafür, dass mehr Energien in die weitere Erforschung von Flemings Entdeckung gesteckt werden. Im Krieg wird ein Medikament gegen Infektionen besonders benötigt, zudem fürchtete England, von den in Deutschland produzierten Sulfonamiden abgeschnitten zu werden. Der Pathologe Walther Florey leitete nun die Arbeitsgruppe um das Penicillin. Es gelingt, den Stoff in größeren Mengen zu isolieren. 25 Mäuse überlebten glücklich eine Streptokokkeninfektion dank einer Impfung mit Penicillin, es ging voran. Allerdings wuchsen die Kulturen zu langsam, um Penicillin in industriellem Maßstab zu produzieren.

1941 konnte eine deutsche Invasion in England nicht mehr ausgeschlossen werden, die Penicillin-Forschung wurde in die USA verlegt und von der Rockefeller-Stiftung finanziert. Hier begann nun die Suche nach einem Stamm, der schneller wächst, als die zufälligen Besucher in Flemings Petrischale. Überall auf der Welt sammelte die amerikanische Luftwaffe Bodenproben, Erde von zahlreichen Flughäfen wurde auf diese Weise nach geeigneten Penicillium-Stämmen untersucht. Doch wieder hatte der Zufall seine Hand im Spiel: Der ergiebigste Stamm wurde schließlich direkt vor dem Forschungsinstitut auf einer verschimmelten Melone entdeckt.

Die industrielle Großproduktion konnte ab 1944 beginnen, noch rechtzeitig, um im Krieg reichlich Anwendung zu finden.

Zur Anwendung kommt Pencillin auch heute noch – leider viel zu häufig. Zahlreiche Krankheitserreger sind bereits resistent gegen viele Antibiotika. Wissenschaftler befürchten, dass multiresistente Bakterien eines Tages von keinem der bekannten Antibiotika beeinträchtigt werden. Sie könnten sich dann ungehemmt ausbreiten. Fleming warnte schon 1947 vor dem Phänomen der Resistenzbildung, wurde aber weitgehend ignoriert – bis heute noch. Während Ärzte in den Niederlanden zum Beispiel bei einer Mittelohrentzündung erst einige Tage abwarten, ob die Entzündung spontan ausheilt, werden in den USA in der Regel sofort Antibiotika verschrieben. Das hat zur Folge, dass in Holland nahezu keine resistenten Keime entstehen, in den USA dagegen mehr als 350.000 Mittelohrentzündungen auf resistente Bakterien zurückgehen.

Stand: 30.05.2000

Alexander Fleming war das Glück sozusagen in die Petrischale gefallen. Diese Geschichte über die zufällige Entdeckung des Penicillins sprach sich natürlich rum. Noch immer bestand Bedarf nach neuen Antibiotika und daher gab es bald Firmen, die dem Zufall ein wenig auf die Sprünge helfen wollten. Im Schweizer Konzern Sandoz wartete man nicht, bis sich ein Pilz in eine Bakterienkultur verirrte, sondern musterte gezielt verschiedene Bodenproben auf potentielle Antibiotika durch. Eine einfache Bodenprobe aus Norwegen sollte bald eine der größten medizinischen Errungenschaften des 20. Jahrhunderts revolutionieren: Die Organtransplantation.

Zunächst wurde die Probe routinemäßig getestet. Die im Boden enthaltenen Schimmelpilze wurden auf einem Nährboden gezüchtet und dann auf eine bakterientötende Wirkung untersucht. In jener norwegischen Bodenprobe aus der Hardanger-Region wurden die Wissenschaftler jedoch zunächst nicht fündig. Keiner der enthaltenen Pilzstämme war zur Entwicklung eines Antibiotikums geeignet. Glücklicherweise war noch ein weiteres Programm vorgesehen, bei dem einige Substanzen auf pharmakologische Wirkungen hin untersucht wurden. Dabei stellte sich heraus, dass die Substanz die Immunabwehr des Körpers beeinflusst.

Bis zu der Entdeckung dieses Pilzes waren Organtransplantationen eher ein riskantes Glücksspiel, denn eine erfolgversprechende Lösung. Zu häufig wurden die transplantierten Organe vom Immunsystem des Körpers als fremd erkannt und angegriffen. Um ein Abstoßen der Organe zu verhindern, wurde daher das ganze Immunsystem lahmgelegt. Die fremden Antigene konnten so nicht mehr erkannt werden, allerdings waren die Patienten dadurch sehr anfällig für Infektionen.

Die Besonderheit des 1970 entdeckten Cyclosporins besteht darin, dass diese Substanz selektiv Lymphozytenkulturen hemmt. Somit werden nur Teile der Immunabwehr unterbunden, das Infektionsrisiko ist geringer und die Organe werden nicht als fremd erkannt. Schnell erkannte man das Potential des neuen Wirkstoffes, bereits 1982 wurde Cyclosporin mit Erfolg weltweit bei Transplantationen eingesetzt. Die Überlebensraten von Patienten nach Leber-, Herz- und Pankreastransplantationen verbesserten sich schlagartig, 1989 wurde die 100.000 Niere transplantiert.

Die Rechnung von Sandoz war aufgegangen, der geplante Zufall bescherte dem Konzern Millionengewinne.

Stand: 30.05.2000

Da staunte Edward Lorenz nicht schlecht, als er aus einer kurzen Kaffeepause zurück an seinen Computer kam: Der Computer druckte und druckte Daten, die gar nicht stimmen konnten. Dies war der Beginn einer völlig neuen Disziplin der Wissenschaft – der Chaosforschung. Da der Zufall in der Chaostheorie eine entscheidende Rolle spielt, scheint es angebracht, dass auch das Phänomen des chaotischen Systems durch einen Zufall entdeckt wurde.

Nach der Chaostheorie kann der Flügelschlag eines Schmetterlings einen Hurrikan auslösen © IMSI Masterclips

Aber was war nun eigentlich los mit dem Computer? Als Meteorologe interessierte Lorenz sich für die Entwicklung des Wetters. Daher experimentierte er mit einem Computerprogramm, das das Wetter simulieren sollte. Er hatte dem Computer verschiedenen Daten wie Temperatur oder Luftfeuchtigkeit eingegeben, so dass dieser jetzt mithilfe von Gleichungen das Wetter vorausberechnen sollte. Dazu nutzte der Computer den jeweils errechneten Wert, setzte ihn erneut in die Gleichung ein und rechnete mit dem Ergebnis weiter. Allerdings waren die Computer im Jahre 1960 noch nicht besonders leistungsstark. Als die Daten immer mehr Stellen hinter dem Komma anzeigten, war der Rechner überlastet.

Lorenz stoppte das Programm und rundete die Daten in der dritten Stelle hinter dem Komma ab, dann ließ er das Programm erneut am Anfang der Berechnung starten. Während der Computer wieder loslegte, ging Lorenz in die besagte Kaffeepause. Wieder zurück bemerkte er, dass der Computer zwar die selben Rechnungen durchgeführt hatte, diesmal aber völlig andere Ergebnisse erhalten. Dabei waren die Ausgangsdaten identisch – bis auf die winzige Ungenauigkeit der Abrundung, die die Zahl um weniger als ein Tausendstel beeinflusste.

So bemerkte Edward Lorenz als einer der Ersten, dass kleine Änderungen der Ausgangsdaten bei einem komplexen Programm völlig unterschiedliche Endergebnisse verursachen können. Das Wetter kann demnach nicht über einen längeren Zeitraum vorhergesagt werden.

Dieses Phänomen war etwas Neues. Bis dahin hatte man angenommen, dass auch in der Natur in der Regel deterministische Systeme vorherrschen. Bei diesen linearen Systemen lässt sich jeder Zustand genau berechnen, wenn alle Parameter zu einem bestimmten Zeitpunkt bekannt sind. Würde das Wetter also einem solchen System folgen, wäre es ein Leichtes gewesen, durch Kenntnis der aktuellen Daten die Wetterentwicklung genau voraus zu berechnen. Bei zufälligen System ist dies nicht der Fall, vor dem Wurf eines Würfels kann niemand mit Gewißheit voraussagen, welche Seite oben liegen wird.

Im deterministischen Chaos ist das System zwar vollständig durch Gleichungen beschrieben, diese sind aber nicht linear und damit ist die Entwicklung nicht völlig vorhersehbar. Nahezu alle Vorgänge in der Natur zählen zu diesen Systemen. Anschaulich beschrieben wurde diese „sensitive Abhängigkeit von den Anfangsbedingungen“ mit dem sogenannten Schmetterlingseffekt. Demnach kann ein Schmetterlingsschlag in China einen Hurrikan in der Karibik auslösen.

Stand: 30.05.2000

Ende der 50er, Anfang der 60er Jahre wurden Tausende von Kindern auf der ganzen Welt mit Fehlbildungen der Organe und verkürzten Gliedmaßen geboren. Allein in Deutschland starben über 1.000 dieser Kinder an den angeborenen Missbildungen. Eltern waren verzweifelt, die Ärzte ratlos. Im November 1961 kam der Verdacht auf, das Schlafmittel „Contergan“ sei verantwortlich für die Fehlbildungen. Ein Medikament, das sämtliche Vortests mit Zellkulturen und Tierversuchen bestanden hatte, ohne eine Nebenwirkung zu zeigen. Was war schiefgelaufen?

Der fatale Irrtum hatte entstehen können, weil das Thalidomid, aus dem Contergan besteht, in zwei verschiedenen Formen auftritt. Wie bei Milchsäure gibt es eine rechts- und eine linksdrehende Komponente, es handelt sich um eine chirale Substanz. Die beiden Moleküle sind gleich aufgebaut, verhalten sich aber zueinander wie Bild und Spiegelbild. Solche Enantiomere haben zwar identische chemische und physikalische Eigenschaften, unterscheiden sich aber in ihrer biologischen Wirkung.

Bei vielen pharmazeutisch wirksamen Substanzen handelt es sich um solche chiralen Moleküle. Oft ist nur eines der beiden Enantiomere wirksam. Die andere Form beeinflusst im günstigeren Fall den Organismus gar nicht, im ungünstigeren Fall hat sie eine negative Wirkung. Beim Thalidomid trifft Letzteres zu: Die rechtsdrehende Form wirkt als gut verträgliches Schlafmittel, das kaum Nebenwirkungen aufweist, die linksdrehende Form dagegen wirkt fruchtschädigend und führt bei Einnahme während der Schwangerschaft zu den bekannten Fehlbildungen.

Die Entwickler des Contergans testeten jedoch nur die ungefährliche Komponente des Medikaments, bei der Synthese des Mittels bildete sich jedoch ein Racemat, ein Gemisch aus beiden Enantiomeren im Verhältnis 50:50. Das Wissen um chirale Moleküle war damals noch nicht so ausgebildet wie heute, trotzdem wollen viele nicht an einen tragischen Zufall glauben, den keiner hätte vorhersagen können. Der Leitung des Konzerns Grünenthal, der das Schlafmittel herstellte, wurde vorgeworfen, zu wenige Tests durchgeführt zu haben. Als Derivat des Schlafmittels Doriden gehört auch Thalidomid zur chemischen Gruppe der Barbiturate. Bei diesen Präparaten spielt Chiralität in der Regel eine bedeutende Rolle, oft müssen die Enantiomere voneinander getrennt werden, um eine optimale Wirkung zu erzielen. Die wissenschaftlichen Leiter von Grünenthal hätten also vorgewarnt sein sollen.

Dennoch wurde der Prozess 1970 eingestellt, die Firma Grünenthal zahlte freiwillig 114 Millionen Mark an die Opfer. Seitdem ist das Bewusstsein um die Gefährlichkeit von Medikamenten besonders während der Schwangerschaft stark gestiegen. In Deutschland wurde das Arzneimittelrecht wegen des Contergan-Falles verschärft.

Inzwischen wird die unschädliche Form des Contergans nicht mehr als Schlafmittel benutzt. Kurioserweise wird dagegen noch die andere, linksdrehende Form weiter produziert. Da es sich als Zellgift auf die Zellteilung auswirkt, ist das linksdrehende Enantiomer inzwischen zu einem Medikament gegen Lepraerkrankungen weiterentwickelt worden.

Stand: 30.05.2000

Blickt man nachts zum Sternenhimmel, so sieht man nur einen Teil des von den Sternen ausgestrahlten Lichtes. Der Rest wird vom interstellaren Staub absorbiert. Aber woraus besteht eigentlich dieser Sternenstaub? Diese Frage beschäftigte auch die Arbeitsgruppe des Astrophysikers Wolfgang Krätschmer vom Heidelberger Max-Planck-Institut für Kernphysik. Gefunden haben sie dann aber etwas ganz anderes.

Die Heidelberger Wissenschaftler brachten zwei angespitzte Graphitstäbe in einer Kohlenstoff-Aufdampfanlage miteinander in Kontakt und schickten starken elektrischen Strom hindurch. Auf diese Weise entstand Kohlenstoffdampf, der zu Ruß auskondensierte. Das Spektrum von Ruß ist dem des interstellaren Staubes ähnlich, daher hofften die Forscher auf neue Erkenntnisse über die Zusammensetzung des Staubes. Leider vergeblich. Stattdessen entdeckten sie merkwürdige Absorptionslinien im UV-Bereich des Spektrums, die nicht von Graphit stammen konnten. Da sie keine weitere Erklärung fanden, schoben sie den Effekt auf eine Verunreinigung. Ohne es zu wissen, hatten sie damit den Nobelpreis verspielt.

1985, knapp drei Jahre später, beschäftigten sich die amerikanischen Forscher Harold Kroto von der Universität Sussex, sowie Robert Curl und Richard Smalley von der Rice Universität in Texas ebenfalls mit dem Staub im Weltraum. Statt mit elektrischem Strom verdampften sie das Graphit mit Lasern und auch sie entdeckten seltsame Formen. Im Massenspektrum fanden sie erstaunlich viele Moleküle, die aus genau 60 Kohlenstoffatomen aufgebaut waren. Die Wissenschaftler waren sich bald einig, dass diese genaue Wiederholung von jeweils 60 Atomen nur auf eine runde, geschlossene käfigförmige Struktur zurückzuführen sei. Die Struktur müsste theoretisch aus Fünf- und Sechsecken bestehen, um eine Kugelform zu bilden, eine Art molekularer Fußball. In Anlehnung an die geodätischen Kuppelbauten des Architekten Buckminster Fuller nannte man dieses neue Molekül Buckminsterfulleren.

Da die Ausbeute an Fulleren mit dem Laser-Verfahren sehr gering war, konnten Curl, Rice und Smalley nicht genügend davon herstellen, um die vorhergesagte Struktur auch wirklich beweisen zu können. Dennoch veröffentlichten sie ihre Ergebnisse und Theorien hinsichtlich der Struktur 1985 in der Zeitschrift „Nature“. Bis dahin waren Graphit und Diamant die beiden einzigen bekannten Existenzformen des Kohlenstoffs gewesen.

Diesen Artikel lasen auch Krätschmer und sein Kollege Donald Huffmann in Heidelberg. Zum ersten Mal begannen sie zu ahnen, dass die „Verschmutzung“, die ihre Mess-Ergebnisse beeinträchtigt hatte, doch auf ein anderes Phänomen zurückzuführen war. 1988 analysierten die Heidelberger das Infrarot-Spektrum der Rußteilchen – die Werte entsprachen genau den theoretisch vorhergesagten Werten für das Fulleren-Molekül. Aber Krätschmer und Huffmann waren vorsichtig. Erst nachdem das Fulleren durch Sublimation (also dem Übergang vom gasförmigen in den festen Zustand) gewonnen werden konnte, veröffentlichten sie ihre Ergebnisse. Kurz darauf bestätigten die Texaner ihre Ergebnisse. Der Gruppe um Krätschmer war es tatsächlich schon vor Jahren unbeabsichtigt gelungen, große Mengen des Fullerens herzustellen. Diese einfache, durch Zufall entdeckte Methode, machte eine weitere Erforschung der Fußball-Moleküle möglich.

1996 erhielten Richard Smalley, Robert Curl und Sir Harold Kroto für ihre Entdeckung den Nobelpreis. Wolfgang Krätschmer und Donald Huffmann gingen leer aus.

Die Fullerene besitzen eine große Zahl von Anwendungsmöglichkeiten. Durch ihre späte Entdeckung werden zahlreiche der möglichen Einsatzbereiche bereits von anderen Materialien ausgefüllt. Trotzdem haben die runden Moleküle das Potential, in verschiedenen Gebieten von Nutzen zu sein. Unter anderem erhoffen sich Wisenschaftler von den Fullerenen eine wirksame Bekämpfungsmethode gegen Aids. Durch seinen hydrophoben Charakter wäre das 60-Kohlenstoff-Molekül theoretisch in der Lage, das HI-Virus durch starke van der Waals-Bindungen abzufangen und damit unschädlich zu machen.

Zudem gibt es Ansätze, die Fullerene als Halbleiter zu nutzen. Im Gegensatz zu anderen Molekülen können sich hier die Ladungsträger in alle drei Dimensionen bewegen. Außerdem vermuten Forscher, dass sich Supraleiter herstellen lassen könnten, die auch an der Luft stabil sind. Weitere Anwendungsmöglichkeiten der Moleküle liegen in der Photovoltaik, Diamantenzucht oder der Herstellung neuer, extrem stabiler Materialien.

Stand: 30.05.2000

Die Raumfahrt verschlingt zwar jede Menge Geld und wir haben noch immer keine Siedlungen auf dem Mond oder Mars, aber immerhin brennt in den Teflon-Pfannen, einem Abfallprodukt der Weltraumforschung, nichts mehr an. Nicht ganz. In den Pfannen brät zwar nur selten was fest, der Weltraumforschung aber haben wir das Teflon nicht zu verdanken.

Die Geschichte des Teflon beginnt viel früher und auch hier spielt der Zufall eine entscheidende Rolle. Als der amerikanische Chemiker Roy Plunkett im Jahre 1938 abends sein Labor verließ, vergaß er, eine Gasflasche in den Kühlschrank zu stellen. Zu der Zeit beschäftigte er sich mit der Suche nach einem neuen Kältemittel für Kühlschränke und experimentierte dazu mit verschiedenen Fluor-Verbindungen. Die Flasche mit dem Tetra-Fluor-Ethylen blieb somit über Nacht im Labor stehen.

Am nächsten Morgen schien kein Gas mehr in der Flasche zu sein. Plunkett wunderte sich, denn am Vorabend war die Gasflasche noch fast voll gewesen. Als Wissenschaftler war er neugierig genug, die Flasche aufzusägen, um der Sache auf den Grund zu gehen. Im Innern des Gefäßes fand Plunkett ein weißes Pulver. Daraus folgerte er, dass sich die einzelnen Moleküle des Gases miteinander verbunden hatten und nun zu langen Ketten polymerisiert vorlagen. Poly-Tetrafluor-Ethylen war entstanden. Dieser neue Kunststoff hatte zwar einige chemisch interessante Eigenschaften, zum Beispiel reagierte er mit keinem bekannten Stoff, schien aber sonst zu nichts zu gebrauchen.

Erst 22 Jahre später kam eine finnische Firma auf die Idee, das Material als Beschichtung von Pfannen zu verwenden. Davor war der nun unter dem Namen Teflon verkaufte Kunststoff schon als Korrosionsschicht in Uranbehältern eingesetzt worden. Ein Jahr nachdem die Teflonpfanne die Küchen erobert hatte, wurde Teflon auch in der Raumfahrt genutzt – bei der Veredelung von Raumkapseln, als Kabelisolierung oder Schutzschicht auf den Raumanzügen. Auch die Sammeltüten für Mondgestein bestanden aus Teflon.

Von der Raumfahrt zurück in den Alltag gelangte der Kunststoff als Bob Gore entdeckte, dass man das Material zu einer dünnen Membran strecken kann. Eigentlich stellte er Dichtungen aus Teflon her, nun aber war er Erfinder des wasserabweisenden Gore-Tex. Auch die Deutsche Bahn hofft nun, mit der Hilfe von Teflon Graffiti-Sprayern beizukommen. Eine Schicht des Stoffes soll den Wagen eine abweisende Oberfläche verleihen und aufgesprühten Lack zerlaufen oder zumindest leicht abspülen lassen. Weitere Anwendung findet Teflon in der Medizin. Implantate aus Gore-Tex wie Herzklappen oder künstliche Gelenke nutzen den unangreifbaren Kunststoff.

Ein Glück also, dass Plunkett damals die Gasflasche im Labor stehenließ.

Stand: 30.05.2000