Physik und neue Medizin

Über die Bedeutung der Quantenphysik und anderer neuerer Paradigmen bei Geräten und Methodik von Ingenium system

Die innere Funktion derart komplexer Systeme, wie es biologische Organismen sind, ist bei weitem nicht vollständig verstanden und daher nur schwer faßbar.

In den Life-Sciences werden zur Modellbildung oft noch physikalisch-chemische Paradigmen des 19. Jahrhunderts herangezogen.

Die meisten Biologen und Mediziner sind nur wenig mit neueren Konzepten vertraut, mit denen insbesondere die Physik des 20. Jahrhunderts unser Weltbild revolutioniert hat.

Neben den besonders weitreichenden Implikationen der Quantenphysik fallen darunter auch die Begriffe aus der nichtlinearen Dynamik (deterministisches Chaos, komplexe Systeme...) und der Informationstheorie. Da viele der damit zusammenhängenden Effekte durch äußere Einflußnahme verändert oder gar zerstört werden, sind sie einer Untersuchung oder Messung schwer zugänglich und können im lebenden Organismus meist nur indirekt beobachtet werden.

Dennoch haben sie unsere Modellvorstellung von biologischen Vorgängen zum Teil schon wesentlich beeinflußt und werden dies wohl weiterhin in noch stärkerem Maß tun.

Evolution der Anpassung

Der Körper : Ein offenes System mit innerem Milieu

Schon der Einzellers als einfachste Lebensform muß zwei für sein Überleben notwendige, aber im Prinzip gegensätzliche Leistungen erbringen :

1. Trennung von der „Unordnung“ der unbelebten Umgebung

2. Austausch von Wärme, Sauerstoff, Nahrungs- und Abfallstoffen sowie von Information mit seiner Umgebung („offenes System“).

Das „Abschotten“ besorgt die Zellmembran, deren hydrophobe Eigenschaften die wässrigen Lösungen außerhalb und innerhalb der Zelle vor der tödlichen Vermischung ihrer hydrophilen Bestandteile bewahren. Für die Interaktion mit der Umwelt (Aufnahme von Nährstoffen, Abgabe von Abfallprodukte etc.) sorgen Membranproteine in Form von Poren oder von Transportproteinen, sog. Carriern.

Für den Empfang von Signalen aus der Umwelt enthält die Zellmembran ebenfalls bestimmte Proteine, sog. Rezeptoren. Sie übertragen die Informationen ins Zellinnere.

Regelung und Steuerung

Ein so komplizierter Mechanismus wie ihn der Organismus darstellt, ist ohne Steuerung seiner Einzelfunktionen nicht denkbar. Zu dieser Steuerung ist es nötig, dass Informationen weitergeleitet werden, und zwar von der Steuerzentrale zum ausführenden Organ.

Eine Regelung benötigt eine Rückmeldung vom ausführenden Organ. Sie dient der Regelungszentrale zur Überprüfung, inwieweit der ursprüngliche Steuerungsbefehl ausgeführt wurde, und führt, wenn nötig, zu einer Nachregelung. Ein solches Steuerungssystem mit Rückmeldung wird Regelkreis genannt.

Regelkreise spielen im Organismus eine sehr große Rolle: Jede Muskelbewegung z.B. das Körpergleichgewicht, das Blutvolumen, der Blutdruck, der Sauerstoffgehalt des Blutes, der pH-Wert, die Körpertemperatur, der Blutzuckerspiegel und sehr viele andere Größen werden im Körper geregelt. Der Regelkreis läuft dabei entweder im Organ selbst (Autoregulation) oder über ein übergeordnetes Organ (ZNS, Hormondüsen) ab.

Der Steuerungsbefehl wird von der Regelungszentrale (hier wird bestimmt, was das Regelziel ist) zum ausführenden Organ (oder Organteil) übertragen und von diesem befolgt. Die neue Situation wird mit Fühlern (Rezeptoren) gemessen, das Messergebnis zur Zentrale zurückgemeldet und dort mit dem ursprünglichen Regelziel (Sollwert) verglichen.

Stimmt das Ergebnis noch nicht mit dem Regelziel überein, wird noch einmal nachgeregelt usw. Die Stabilität des Regelkreises wird durch eine negative Rückkoppelung (Dämpfung) erzielt. die erst eine ökonomische Rückkehr in die Ausgangslage ermöglicht.

Prinzipien der Regulation (nach O.Bergsmann)

Kreisprinzip der Regelung und Rückkoppelung zur Stabilisierung
Die Anpassung des Organismus und seiner Subsysteme an innere und äußere Zustandsänderungen erfolgt in kreisförmigen Regelvorgängen. Dabei wird stets aus dem Ausgang eines Regelkreises ein Teil der Information mit verkehrten Vorzeichen in den Eingang zurückgespeist, wodurch die Funktion des Kreises gedämpft und ein Überschießen der Reaktion verhindert wird.

Prinzip der Ökonomie
Anpassung in kürzester Zeit und mit geringsten Energieverlust.

Leistungsfähigkeit
Der Grad der Leistungsfähigkeit wird durch die Regelgüte ( =Zeit, die ein System nach einer kleinen Störung benötigt um wieder einen Gleichgewichtszustand herzustellen ) bestimmt und ergibt sich aus dem Prinzip der Ökonomie .

Subsysteme der Regelung
Gewebliche, nervale, humorale, hormonelle Regelsystem.

Vernetzung der Systeme
Stets werden alle Systeme angesprochen und aufeinander abgestimmt.

Hierarchische Ordnung
Die hierarchisch-schichtweise Ordnung der Systeme bedingt Filterung der Information und Verarbeitung auf der zuständigen Ebene.

Schwingungsfähigkeit
Der menschliche Organismus ist ein offenes, schwingungsfähiges Netzsystem. Es gibt keine starren Normwerte.

Homöodynamik (Homöostase)
Anpassung an äussere und innere Zustandsänderungen zur Erhaltung der inneren Dynamik.

Grundlagen der Biokommunikation

Das somatische Nervensystem (Nerven der Skelettmuskeln, der Oberflächensensibilität, der Sinnesorgane usw.) reagiert auf Reize aus der Umwelt meist wieder mit einer Antwort nach außen (z.B. Fluchtreflex). Viele Aktivitäten des somatischen Nervensystems stehen unter willkürlicher Kontrolle und laufen bewusst ab.

Das autonome Nervensystem (ANS) hingegen besorgt die Regelung der Organfunktionen im Körper, paßt sie an die jeweiligen Bedürfnisse an und kontrolliert das innere Milieu des Körpers.

In der Peripherie ist das autonome Nervensystem vom somatischen anatomisch und funktionell weitgehend getrennt, während im Zentralnervensystem zwischen beiden enge Verknüpfungen bestehen. Das periphere ANS ist efferent (d.h. peripherwärts meldend), doch enthalten die Nerven, in denen es verläuft, meist auch afferente (d.h. zentralwärts meldende) Fasern. Sie kommen von Rezeptoren innerer Organe (Magen-Darm, Lunge, Herz, Harnblase etc.) und werden daher viscerale Afferenzen genannt.

Funktionell basiert das autonome Nervensystem meist auf dem Reflexbogen mit visceralem und somatischem afferenten sowie vegetativem und somatischem efferenten Schenkel. Afferente Fasern melden Schmerzreize und die Reizung der Mechano- und Chemorezeptoren aus Lunge, Magen-Darm-Trakt, Harnblase, Gefäßsystem etc. Efferente Fasern steuern als Reflexantwort die glatte Muskulatur der verschiedenen Organe (Auge, Lunge, Verdauungstrakt, Blase etc.) und die Funktion von Herz und Drüsen.

Einfache Reflexe können innerhalb des jeweiligen Organs ablaufen, komplexere
Mechanismen werden hingegen von übergeordneten vegetativen Zentren im ZNS gesteuert. Deren übergeordnetes Integrationszentrum ist der Hypothalamus, der das ANS in die Ausführung seiner Programme einbezieht. Der zerebrale Cortex ist eine weitere Integrationsebene des ANS mit anderen Systemen.

Das periphere ANS besteht aus zwei anatomisch und funktionell weitgehend getrennten Anteilen: Sympathikus und Parasympathikus. Die dazugehörigen vegetativen Zentren liegen im Fall des Sympathikus im Brust- und Lendenmark, im Fall des Parasympathikus im Hirnstamm (für Auge, Drüsen und vom N.vagus versorgte Organe) und im Sakralmark (für Blase, Teil des Dickdarms, Genitalorgane).
Von diesen Zentren ziehen präganglionäre Fasern zur Peripherie, wo sie in den Ganglien synaptisch auf postganlionäre Fasern umgeschaltet werden.

Die sympathischen, präganglionären Fasern aus dem Rückenmark enden an den Grenzstrangganglien, an den Hals- und Bauchganglien oder an sog. Terminalen Ganglien. Dort erfolgt die Signalübertragung cholinerg (mit Azetylcholin als Überträgerstoff) auf die postganglionären Fasern, die (außer an den Schweißdrüsen) das Endorgan dann aber adrenerg erregen (mit Noradrenalin als Überträgerstoff).

Die Ganglien des Parasympathikus liegen in der Nähe oder sogar innerhalb des Erfolgsorgans. Der Überträgerstoff des Parasympathikus ist sowohl im Ganglion als auch am Endorgan Azetylcholin. Die meisten Organe werden sowohl vom Sympathikus als auch vom Parasympathikus innerviert, wobei die Organantwort auf die beiden Systeme gegensätzlich (antagonistisch z.B. am Herz) oder fast gleichwertig (z.B. Speicheldrüsen) sein kann.

Das Nebennierenmark ist eine Art Mischung aus Ganglien und Hormondrüse: Präganglionäre Fasern des Sympathikus setzen hier Adrenalin und Noradrenalin in die Blutbahn frei.

Fraktale, Nichtlinearität und Komplexität

Mandelbrot und andere stellten die Ähnlichkeit vieler natürlicher Formen mit den neu entdeckten Strukturen der fraktalen Geometrie fest. Auch im Organismus gehorchen Wachstum und Form vieler Systeme eher fraktalen Mustern; etwa die Verzweigungen von Gefäß- und Nervensystem oder die baumartige Struktur von den Bronchien bis zu den Lungenbläschen.

In der Physik werden Entstehung und Entwicklung solcher Muster u.a. in der nichtlinearen Dynamik („Chaostheorie“) untersucht. Auch nichtlineare Systeme, bei denen Quanteneffekte keine Rolle spielen, zeigen oft überraschende Eigenschaften wie etwa eine prinzipielle Unvorhersagbarkeit. Eine minimal unterschiedliche Ursache kann nach einiger Zeit zu völlig anderen Auswirkungen führen; bekannt wurde die Aussage, auch ein Schmetterlingsflügel könne einen Wirbelsturm auslösen. Bereits einfach aufgebaute Systeme zeigen außerdem erstaunlich komplexes Verhalten.

Gerade diese Komplexität führt bei vielen Systemen zu einer Entstehung und Stabilisierung von Strukturen. Ändert man die Randbedingungen eines solchen Systems (man spricht hier von „Kontrollparametern“), treten bei bestimmten kritischen Punkten qualitativ neue Muster auf. Auch der Körper macht sich solche Mechanismen zunutze, da wohl viele Teilsysteme nahe bei diesen kritischen Punkten operieren. So wird eine Anpassung des Organismus auf Umwelteinflüsse und Veränderungen des inneren Milieus mit minimalen Änderungen der Kontrollparameter (=Energieeinsatz) erreicht. Die vielfältigen Wechselwirkungen eines solchen vernetzten Regelwerks lassen keine genaue Untersuchung der einzelnen Ursache-Wirkungs-Ketten mehr zu und sind daher einer klassischen reduktionistischen Analyse nur ungenügend zugänglich. Vielmehr zeigt das System als Ganzes ein neues charakteristisches Verhalten, zu dem auch die Reaktionen auf Störungen von außen gehören.
Information

Die in den oben beschriebenen Strukturen und Mustern zutage tretende Ordnung macht einen neuen Begriff notwendig, der neben die klassischen Konzepte von Materie und Energie zur Beschreibung der Natur tritt: Information. Biologische Organismen können als Systeme verstanden werden, die die Informationsdichte gegenüber der Umwelt verändern und strukturieren. Ihre inneren Regulationsmechanismen und auf sie einwirkenden Umweltfaktoren sind in diesem Modell als Informationsflüsse anzusehen. Dabei ist oft weniger die energetische Stärke eines Signals für seine Wirkung maßgeblich, sondern sein Informationsgehalt.

Information kann auf vielerlei Wegen übermittelt werden, aber im technischen Bereich denkt man meist an ein Signal, das durch elektrische Ströme oder elektromagnetische Wellen transportiert wird. Im Organismus gibt es zahlreiche Strukturen, die gewisse Teile des elektromagnetischen Spektrums bevorzugen oder unterdrücken dürften. Sowohl die Zellen als auch größere Einheiten (Gewebe) heben sich in ihren elektrischen und/oder magnetischen Eigenschaften von ihrer Umgebung ab. Daher sind Resonanzphänomene bei bestimmten Wellenlängen entsprechend der jeweiligen Objektgröße zu erwarten. Für die kurzwelligen Photonen des sichtbaren Lichts bedarf es aber Mechanismen auf der atomaren bzw. molekularen Ebene, um selektiv zu wirken.

Ein zu letzteren oft genanntes Beispiel aus der Physik ist der Laser: Durch Energiezufuhr von außen befinden sich viele Elektronen der Atome in einem energetisch angeregten, metastabilen Zustand weitab vom thermodynamischen Gleichgewicht. Hat ein einziges Photon (Lichtquant) die geeignete Wellenlänge, so genügt dessen Anregung, ein Elektron in seinen Grundzustand zurückfallen zu lassen, wobei zusätzlich ein Photon derselben Wellenlänge ausgesendet wird. Danach stehen beide Photonen zur Anregung weiterer Emissionsvorgänge zur Verfügung. Die passende Frequenz wird hier also mittels einer Kaskade millionenfach und mehr verstärkt, während eine andere kaum Auswirkungen auf das System hat. Es ist anzunehmen, daß es im Körper ähnliche Mechanismen zur Informationsfilterung und -verstärkung auf elektromagnetischer Ebene gibt. Dies legt auch die von Popp und anderen wiederentdeckte Theorie der Biophotonen nahe, nach der Lichtquanten der Informationsübertragung auf zellulärer Ebene dienen.

Mit diesen Ansätzen wird auch eine Wirkung schwächster elektromagnetischer Signale auf lebendes Gewebe verständlicher. Auch unsere Sinne leisten ja oft eine erstaunliche und teilweise noch unverstandene Informationsverarbeitung – wie z.B. das Verstehen eines leisen Gesprächs, das eigentlich im lauten Hintergrundlärm untergehen müßte.

Quantenphysik und die mikroskopische Ebene

Molekulare Vorgänge und Informationsübertragung über elektromagnetische Wellen betreffen die Aussagen der Quantenphysik. Hier werden die Erwartungshaltungen des „gesunden Menschenverstandes“ endgültig über den Haufen geworfen, und die Trennung zwischen Teilchen (materiellen Strukturen) und den auf sie wirkenden Wellen (Information und Energie) macht auf der mikroskopischen Ebene nur wenig Sinn. Beides sind Quantenobjekte, die sich je nach der Fragestellung eines Experiments entweder wie Teilchen oder wie Wellen verhalten. Je mehr man sich Atomen oder Molekülen experimentell zu „nähern“ versucht, desto mehr verlieren sie ihren Teilchencharakter und lösen sich in die Schwingungsstruktur der Elektronenhülle auf. Will man gar ein Elektron eines Atoms als Teilchen beobachten, muß man es aus der Hülle reißen und so das gesamte System zerstören (Ionisation).

Eine weitere Besonderheit der Quantenphysik sind merkwürdige nichtlokale Effekte. Zwei Quantenobjekte (Atome/Moleküle/Photonen...), die einmal zu einem physikalischen System verbunden waren, haben auch nach ihrer Trennung noch eine fast geisterhaft erscheinende Form der Verbindung – die Verschränkung, welche überlichtschnell (jenseits der von der Relativitätstheorie postulierten Raum-Zeit-Grenzen) wirkt und auf keiner physikalischen Wechselwirkung beruht. Dieses sog. Einstein-Podolsky-Rosen-Paradox beunruhigte Einstein und andere Physiker seinerzeit derart, daß sie von einer Verletzung der Kausalität (des Ursache-Wirkungs-Prinzips) sprachen. Trotz ihrer Zweifel liefert das Experiment, das in neuerer Form u.a. von Zeilinger bestätigt wurde, eben den paradoxen Effekt.

Über elektromagnetische Schwingungen und Felder, die auf dieser Ebene als Quanten (Photonen) betrachtet werden müssen, wechselwirken die Kerne und Elektronenhüllen der Atome und Moleküle untereinander. Im Wellenbild wirken also Schwingungsmuster aufeinander mittels Austausch von Schwingungen. Bildet sich dabei Ordnung über größere Distanzen hinweg, entstehen meso- und makroskopische Strukturen wie Festkörper oder Gewebe. Aber auch in Flüssigkeiten können sich größere Strukturen ausbilden; so sind z.B. die Wassermoleküle zwischen den Gewebszellen aufgrund der elektromagnetischen Eigenschaften eingelagerter Ionen und Moleküle und der angrenzenden Zellen anders angeordnet als in Leitungswasser. Pischinger und andere betrachten die extrazelluläre Flüssigkeit (Interstitium) als wichtiges Regulationssystem des Körpers, das für die Funktion der ständig mit ihm Materie, Energie und Information austauschenden Zellen wesentlich ist. Auch hier scheinen Ströme und elektromagnetische Wellen für die Steuerung und den Informationsaustausch eine zentrale Rolle zu spielen. Beim Metameric-Test wird das Antwortverhalten dieses Systems auf kleine Spannungsimpulse untersucht, was Rückschlüsse auf den mikroskopischen Zustand und die Regulationsfähigkeit des Interstitiums zuläßt.

Die Behandlung mit Bioinformation basiert auf elektronisch gespeicherten Frequenzgemischen, wie sie von verschiedenen pflanzlichen und chemischen Substanzen ausgesendet wird. Dabei handelt es sich gewissermaßen um die summierten Schwingungssignaturen der einzelnen Moleküle als Antwort auf immer vorhandene externe Stimuli des uns umgebenden elektromagnetischen „Ozeans“. Sie wurden über einen Verstärker aufgezeichnet und digitalisiert, so daß nun die Reaktion des Körpers auf diese reproduzierbaren Signale, die einen Teil der in der jeweiligen Substanz vorhandenen Information darstellen, überprüft werden kann. Mit dem Cardio-Test wird dann etwa die Regulationsfähigkeit des gesamten Organismus unter Einwirkung der entsprechenden Information gemessen und mit einer vorher gemachten Referenz-Messung verglichen.