Manchmal darf man ja auch seine Wissenslücken teilen – bzw. seine Irrtümer, und am besten noch deren Aufklärung. Ich muss gestehen: Ich hatte bis vor kurzem kaum darüber nachgedacht, wie Muskeln funktionieren. Eine vage Vorstellung davon, dass man mit elektrischen Impulsen über die Nerven zusammenziehen bewirken kann – kennt man ja als Physiker aus der Historie der Elektrodynamik, mit Galvani und seinen Froschschenkeln (“bilden Sie mal ein Wort mit Doppel-sch”):

Einige Details, nämlich Galvanis Vorstellungen von der “tierischen Elektrizität”, die späteren Experimente an Hingerichteten und den direkten Einfluss auf Mary Shelleys Roman über Frankensteins künstlichen Menschen, habe ich erst jetzt beim Blogartikelschreiben aus dem Wikipedia-Eintrag zu Galvanismus gelernt, aber um diese sekundären Elemente des Unwissens geht es mir hier nicht.

Mir geht es um die Ebene darunter, denn auch wenn Galvani da vielleicht andere Vorstellungen hatte: Muskeln werden schließlich nicht mit elektrischer Energie betrieben. Auf molekularer Ebene wusste ich nur vage: da gibt es dieses komplexes Molekül namens ATP, das wir fortwährend mithilfe von Ernährung und Atmung erzeugen und das dann nutzbare Energie in alle Zellen trägt, die so etwas benötigen, um ihren Aufgaben nachzukommen.

Ich erinner mich auch noch an einen Film, den einer der Laureaten bei einem der Lindau-Treffen gezeigt hat (ich weiß, keine sehr detaillierten Quellenangaben!); ich glaube, es war dieser Film hier:

Daran hat mich nicht nur die Komplexität beeindruckt, sondern vor allem auch die molekulare Rotationsmaschinerie am Anfang. Leben ist schon beeindruckend kompliziert im Vergleich mit dem, was einen sonst so als Astrophysiker beschäftigt.

Über den Rest hatte ich mir allerdings keine Gedanken gemacht. Anders gesagt schien da alles physikalisch klar: Nutzbare Energie wird produziert und dann eben in den Zellen für mechanische Arbeit genutzt. Simpel genug.

Darauf aufmerksam gemacht, dass es eigentlich ganz anders ist, hat mich mein geschätzter Heidelberger Kollege Björn Malte Schäfer in einem Gespräch am Rande der WE Heraeus-Vier-Städte-Sommerschule dieses Jahr in Jena. Wenn ich recht erinnere, war unser Thema sogar: Dinge, die ganz anders sind, als man denkt. (Zu diesem Stichwort war uns beim Thema der Sommerschule, Gravitationswellen, im Laufe der Woche so einiges untergekommen.)

Björn nannte als Beispiel gerade die Frage, woher Muskeln die nötige Energie nehmen, um Arbeit zu verrichten. Nicht direkt aus dem ATP, wie sich herausstellt, sondern auf trickreichere Weise.

Björn hat das vor ein paar Jahren in diesem Gastbeitrag im Blog The Trenches of Discovery beschrieben. Leseempfehlung! Das coole an der Erklärung ist, dass man als Physiker immer wieder zwischen “Das kann doch gar nicht gehen!” und, “Oh, geht doch, weil…” hin- und heroszilliert. Das schöne Bild vom zielgerichtet entlangwandernden Kinesin auf einem Mikrotubulus wie in dieser Animation aus The Inner Life of a Cell (Harvard University)…

https://youtube.com/watch?v=wJyUtbn0O5Y%23t%3D1m15s

…kann eigentlich nicht so einfach funktionieren, weil die thermische Energie, die da am Fluktuieren ist, viel größer ist als das bisschen nutzbare Energie, das ATP liefern kann. Stattdessen machen sich Muskeln eben diese thermische Energie zunutze. Aber Moment mal, das kann doch eigentlich nicht gehen, denn thermische Energie fluktuiert auf alle möglichen Weisen – die Moleküle würden damit eine Art Zufallsbewegung durchführen, aber nicht in eine Richtung vorankommen? Doch, wenn die Natur so eine Art Sperrklinke eingebaut hat, die nur Bewegungen in eine Richtung zulässt und so die thermischen Fluktuationen sozusagen gleichrichtet. (In den Feynman Lectures kommt solch ein System vor, dort aber in Analogie zur Alltagsmechanik realisiert.)

Aber Moment mal, ist das nicht genau so unmöglich wie der Maxwell’sche Dämon, der aus der Unordnung thermischer Bewegung gezielt bestimmte Unterkomponenten herausfiltern und so die Temperatur widerthermodynamisch senken soll? Nur im thermodynamischen Gleichgewicht; ergo muss es sich um ein Ungleichgewicht handeln. Und zwar um ein chemisches; da schließt sich der Kreis, denn das chemische Ungleichgewicht (sprich: die beteiligten Stoffe liegen in anderen Konzentrationen vor, als wenn man sie ganz lange hin- und herreagieren lässt) kommt eben zustande, weil immer wieder neues ATP herangeschafft wird.

Und zu den Fallen der Visualisierung habe ich auf diese Weise auch wieder etwas gelernt, denn Wärmebewegung wird offenbar bei The Inner Life of the Cell schlicht unterdrückt oder zumindest sehr abgeschwächt. Wichtig, damit man überhaupt etwas sehen kann, aber höchst irreführend, weil solche Fluktuationen in der Welt des Allerkleinsten nun einmal eine wichtige Rolle spielen. Einfach ist das nicht. Aber sehr spannend, finde ich.

Anders als in mir vertrauteren Gebieten habe ich auf diesem hier keinen Überblick, was es noch an interessanten Artikeln, Filmen etc. gibt – wer Hinweise hat: bitte in den Kommentaren posten!