Prof. Dr. Fritz-Albert Popp


I. Grundlagen
 

  1. Was ist „Biophotonik“?

Biophotonik ist nicht identisch, aber verschränkt mit den folgenden wissenschaftlichen und technischen Disziplinen:

          Photonik, dem Verständnis der Wechselwirkung (WW) und der Nutzanwendung („harnessing“) von Photonen auf  und mit Materie im weitesten Sinne,

          Photobiologie, der Lehre von der WW von Licht in und mit biologischen (lebenden) Systemen,

          Bioelektromagnetismus, der Lehre von der Wechselwirkung elektromagnetischer Felder mit biologischen (lebenden) Systemen,

          Mikroskopie, der Erzeugung optischer  Abbildungen kleinster Strukturen mit Licht,

          Photobiophysik, derLehre rein physikalischer Prozesse in und mit lebenden Systemen im Spektralbereich des Lichts,

          Lebenswissenschaften, den wissenschaftlichen Grundlagen lebender Systeme,

          Biotechnologie, der technischen Nutzung rein biologischer Merkmale lebender Strukturen,

          Nanotechnologie, der technischen Nutzung besonderer Eigenschaften kleinster oder dynamischer Strukturen im oder knapp unterhalb der Größenordnungsbereiche von Nanometern (Ausdehnung) oder Nanosekunden (Relaxationszeiten),

          Biolumineszenz, eine auf seltene Spezies beschränkte Leuchterscheinung biologischer Systeme, die mit bloßem Auge gut erkennbar ist, von chemischen Reaktionen ausgeht und eine Art Kommunikation der beteiligten Lebewesen – zum Beispiel Paarungssignale – beinhaltet.

          …..

 

Die Biophotonik hat sicher Bezüge mit all diesen (und weiteren aus Verzweigungen resultierenden) Bereichen der Wissenschaft und Technik. Sie ist aber nicht identisch mit einem oder all diesen Gebieten. Ihre wesentlichen Merkmale beziehen sich auf das Verständnis (understanding) und die Nutzung (harnessing) der Wechselwirkung von Photonen („Quanten des elektromagnetischen Feldes) mit biologischen Systemen, insbesondere in deren lebendem („in vivo“) Zustand.

Damit befindet sich diese Definition im Einklang mit den Vorstellungen der bekannten Einführer und kompetenten Wissenschaftler und Techniker dieses inzwischen aktuellen und modernen Wissenschaftsgebietes (Abb.1 zeigt eine Darstellung der „Biophotonik“ aus dem wissenschaftlichen Bulletin der japanischen Regierung, die sowohl in der technischen Entwicklung als auch in den Grundlagen der Gebiete „Photonik“ und „Biophotonik“  zu den führenden Nationen zählt. Die Abbildung 1 zeigt die Nestoren der heutigen Biophotonik aus der Sicht führender Nationen.  Im Gegensatz zu den betreffenden Deutschen wikipedia-Beiträgen, die hier in der BRD als Grundlage der wissenschaftlichen Öffentlichkeitsarbeit in Medien, bei Schülern, Studenten, Wissenschaftlern  umfassend Verwendung finden, wird auf internationalem Niveau von Geschichtsfälschung, persönlichen Beleidigungen und blühendem Unsinn penibel abgesehen. S.dazu die deutschen wikipedia-Artikel „Biophotonik“, „Biophoton“ und „Fritz-Albert Popp“)

Konsequenterweise beschränkt sich das seriöse Gebiet „Biophotonik“ auf die folgenden, voneinander nicht unabhängigen elementaren Indikatoren (=Messgrößen zur Gewinnung der notwendigen wissenschaftlichen Erkenntnisse und Informationen):

Biophotonen  (auch gelegentlich als „ultraschwache Photonenemission lebender Systeme, dark luminescence, „Biolumineszenz“ … bezeichnet) – der permanenten und universell auftretenden („ultraschwachen“) Selbstemission von Photonen aus biologischen Systemen.

Verzögerte Lumineszenz (bekannt auch unter dem Fachbegriff „delayed luminescence“) – der Reemission von Photonen aus biologischen Systemen nach definierter Anregung unter beliebigen, aber reproduzierbaren und eindeutig definierten Präparationen des Objekts (reproducable excitation). Die verzögerte Lumineszenz  endet nach Relaxation in Dunkelheit immer als Biophotonen.-Emission und unterscheidet sich im eigentlichen Wesen nicht von einem entsprechenden Biophotonen-Feld.

 

2.      Was sind „Photonen“?

Kurz gesagt sind Photonen Quanten eines elektromagnetichen Feldes. Um das zu verstehen, muss man folgende Vorkenntnisse besitzen.

(a)    Was ist ein elektromagnetisches Feld?

(b)    Weshalb lässt sich ein „Feld“ in Oszillationen seiner „spektralen Komponenten“ zerlegen?

(c)     Welche Zuordnung besteht zwischen den „Eigenschaften“ des Feldes und den „Photonen“?

 

 „Photonen“ sind die natürliche Konsequenz einer Vorstellung, die letztlich doch von ihrem scheinbaren Gegensatz,  der Wellen-Natur elektrischer Feldkräfte ausgeht. Die Notwendigkeit, ein Feld als aus „Teilchen“ – eben den „Photonen“ – bestehend zu denken, ergibt sich daraus, dass es in der Natur kein „Feld“ gibt, das völlig kontinuierlich, ohne „Unterbrechung“ Energie auf Materie übertragen kann, sondern stets nur diskontuierlich  also  in von Portionen einzelner „Energiepäckchen“. Der kleinsten denkbaren „Wirkung“ – das ist das Produkt aus übertragener Energie und der Zeit, die nötig ist, diese Energie aufzunehmen, wird der Begriff „Photon“ zugeordnet. Wie ein Partikelchen kann das „Photon“ stets an einem bestimmtem Ort mit Materie „wechselwirken“, also im Gegensatz zur Welle  stets an einer bestimmten Stelle „lokalisiert“ werden

 

Zu a) Was ist ein elektromagnetisches Feld?

Ein elektrisches (oder auch magnetisches) „Feld“ besteht aus meßbaren Kräften, die auf elektrische Ladungen im Raum ausgeübt werden. Die Existenz solcher „Ladungen“ (zum Beispiel von Elektronen, Protonen, „geladenen“ Teilchen) kann als gegeben vorausgesetzt werden, Gründen)  „Stärke“ dieser Ladungen in Einheiten von Coulomb (Amperesekunden, As) gemessen wird. Sobald auf eine ruhende Ladung q an irgend einer Stelle x im Raum und zu irgendeiner Zeit t eine Kraft K wirkt, spricht man (1) von einer elektrischen Kraft Ke(x,t) am Ort x zur Zeit t. (2) Man spricht von einer zusätzlichen magnetischen Kraft Km(x,t), wenn die Ladung sich zusätzlich bewegt. Die magnetische Kraft wirkt dabei natürlich immer senkrecht zur Bewegungsrichtung, da die Kraftwirkung parallel zur Bewegungsrichtung natürlich schon über die  „elektrischen“ definiert ist. Andernfalls ließen sich elektrische und magnetische Kraft nicht voneinander unterscheiden. Im allgemeinen spricht man von einer elektromagnetischen Kraft aus den Komponenten des elektrischen und magnetischen „Feldes“, wenn geladene Teilchen im Raum relativ zum Beobachter tatsächlich bewegt werden (oder bewegt werden könnten, falls man dort geladene Teilchen lokalisieren würde).

 

Das elektromagnetische Feld beschreibt  die Gesamtheit aller elektrischen und magnetischen Kraftwirkungen (Ke und Km), die auf vorhandene (oder als vorhanden gedachte) geladene Teilchen im Raum ausgeübt werden.

Die Ladung q(x,t) ist eine eindeutige und als bekannt vorausgesetzte Funktion von Art  und Größe der im raumzeitlichen Punkt x und t gedachten oder tatsächlich vorhandenen Materie.  Das elektromagnetische Feld  ist eine Funktion {Ke(x,t);Km(x,t)}, die jedem Punkt x im Raum zu jedem Zeitpunkt t  eindeutig eine von der Art und der Größe der Ladung q(x,t) abhängige Kraft zuordnet, wobei man weiß, dass Ke(x,t) und Km(x,t) immer proportional zu q(x,t sind. Mit anderen Worten: Das Verhältnis Ke(x,t)/q(x,t) = fe(x,t) und Km(x,t)/q(x,t) = fm(x,t) bleibt immer konstant bleibt. Dieser Quotient, also die Zahlenpaare {fe(x,t);fm(x,t)} beschreibt dann in allen Raumrichtungen das elektromagnetische Feld an jedem Ort x zu jeder Zeit t.

 

Zu b) Weshalb läßt sich ein Feld in einzelne Schwingen mit bestimmten Frequenzen zerlegen?

Aus rein mathematischen Gründen ist es möglich, jede beliebige Funktion – die nur übliche „Stetigkeitsbedingungen erfüllen muss – in ein „Feld“ zu zerlegen, das aus einzelnen Oszillationen mit bestimmten Frequenzen νi (i=1,2,3,….) in bestimmten räumlichen Richtungen besteht. Mathematisch besteht also immer eine Identität zwischen jeder Kompenente f(x,t) des elektrischen Feldes und einer entsprechenden Überlagerung so, dass 

F(x,t) = Σi {Ai cos(νit) + Bi sin (νit)}

Mit anderen Worten: Jedes elektromagnetische Feld lässt sich verstehen als Überlagerung beliebig vieler elektromagnetischer Wellen beliebiger Frequenzen ν i ( i = 1,2,3,…., bis unendlich),mit jeweils bestimmten Amplituden Ai und Bi , die selbstverständlich anzupassen sind an die räumliche (und zeitliche) Verteilung des Feldes f(x,t). Diese Identität zwischen Feld und spektraler Verteilung der Oszillationen, die eben genau dieses Feld durch Überlagerung ausbilden, nennt man „Fourier-Transformation“.

 

Zu c) Was sind Photonen?

Jede Messung des Feldes besteht in der Übertragung von Energie des zu messenden Feldes auf geeignete Materie – die man den Detektor nennt. Die Energie kann niemals kontinuierlich übertragen werden, vielmehr gilt:

Die übertragene Energie ist erst dann – und nur dann – messbar, wenn das Produkt aus übertragener Energie ΔE und die zur Übertragung notwendigen Zeitspanne Δt eine bestimmte Naturkonstante h – das „Plack´sche Wirkungsquantum – überschreitet .Bleibt das Produkt  kleiner als h, tritt kein messbare Ereignis auf. Überschreitet es diese Schwelle, macht es im Detektor „klick“ , und man sagt, jetzt hat man ein „Photon“ gemessen. Notwendig und hinreichen für die Messung eines Photons ist ΔEΔt≥h.

 

Eine der Schwingungen (oder „Moden“) mit der bestimmten Frequenz ν übertrage nun den Energiebetrag E auf den Detektor, wobei das kleinste Zeitintervall ∆t, in dem der Energiebetrag absorbiert werden kann, gerade gleich dem Kehrwerte der Frequenz sein muss. Wenn die Wellen nicht mindestens eine einzige Periode schwingt, kann folglich  die vollständige Information der Oszillation nicht registriert werden. Des muss für die Minimalzeit der Energieübertragung streng gelten: ∆t = 1/ν.  Konsequenterweise haben wir die  Minimalgleichung:

E (1/ν) = h oder auch E = hν

Einem Photon, das einer Schwingungsmode mit der Frequenz ν entspricht, muss die Energie E = hν zugeordnet werden.

  

3.      Was sind Biophotonen?          

Die Entdeckung der Biophotonen geht auf den russischen Embryologen Alexander Gurwitsch zurück, der nach einem Studium in Deutschland und besonders beeindruckt vom FELD-Begriff in der Biologie um 1920 postulierte, dass es ein „morphogenetisches Feld“ geben müsse, mit der fundamentalen Eigenschaft und dem biologischen Ziel, das Zellwachstum und die damit verbundene Organisation und „Gestaltbildung“ in Lebewesen  zu regulieren. Gurwitsch hatte natürlich, wie es bei allen Entdeckungen der Fall ist, Vorgänger, die seine Ideen anregten, beflügelten oder gar auslösten. Dazu gehörte besonders der deursche Entwicklungsbiologe Hans Driesch, der in einem seiner grundlegenden Experimente gezeigt hatte, dass die Entwicklung von Embryos aus den Mutterzellen nicht auf lokale Wechselwirkungen (nach Art chemischer Prozesse) zurückgeführt werden kann, sondern ein „feldartiges“, raumzeitlich nicht-lokales (mit einer Gedächtnisfunktion ausgestattetes) Regulationsvermögen erfordert (Ein Literaturverzeichnis  wird in dieser Vorlesung später nachgeliefert, falls das zum Verständnis ausreicht. In guten Lexika und unter der Bibliographie unserer homepage findet man  bei Bedarf bereits hinreichende Informationen).

Alexander Gurwitsch, der unter anderem an der  berühmten Staats-Universität Moskau lehrte, postulierte ein „morphogenetisches Feld“, dessen wissenschaftliche Grundlagen er in akribischen Experimenten aufzudecken versuchte. Seine Veröffentlichungen – unter anderem in einem in Deutsch abgefassten Handbuch der Embryologie vom Springer- Wissenschafts-Verlag herausgegeben – machten ihn weltweit bekannt und angesehen. Besonders sein berühmter „Zwiebelversuch“ (s.Abbildung I.1) ließ vermuten, dass Lebewesen eine Strahlung im ultravioletten Bereich emittierten, die das Zellwachstum anregten. Er nannte diese um 1920 bis 1930 mit biologischen Detektoren nachgewiesene, aber extrem schwache UV-Lichtemission aus biologischem Gewebe „mitogenetische Strahlung“. Es fehlte eine einzige Stimme zum Nobelpreis, zu dem er offiziell vorgeschlagen wurde. Bis heute gibt es kein einziges Experiment, das die Experimente und Resultate Alexander Gurwitsch´s in Frage stellen könnte und vor allem  die Existenz dieser „mitogenetischen Strahlung“ seriös widerlegt hätte. Selbst Denis Gabor, kein Geringerer als der spätere Nobelpreisträger auf dem Gebiet der Holographie, bezeugte damals in Berlin-Siemensstadt die Korrektheit der Ergebnisse des Gurwitsch´schen Zwiebelversuchs.. Die Tabelle I.1 zeigt eine Übersicht jener vielen Arbeiten, in denen die Existenz dieser Strahlung auch und vor allem mit der aufkommenden Photomultiplier-Technik nachgewiesen wurde.

Es mag den Wirren der Kriegszeiten in Europa, der aufkommenden Biochemie ( in ihrer Monopolstellung zur Erklärung biologischer Phänomene) und dem allgemein üblichen Desinteresse der Physik an der Biologie zuzuschreiben sein, dass Gurwitsch´s Arbeiten nicht nur vergessen, sondern überdies verketzert und bewusst in Misskredit gebracht wurden. Dass dieser Zustand in Deutschland bis heute anhält und an Infamie teilweise sogar übertroffen wird,  belegen eindrucksvoll die wikipedia-Beiträge „Biophotonik“, „Biophoton“ und „Fritz-Albert Popp“, die u.a. von einem Möchtegern-Biologen,  einer Märchenerzählerin und weiteren Fälschern, Trittbrettfahrern und geschützten Verleumdern  in die Welt gesetzt werden.Ein Leser verwies uns  auf einen interessanten Zusammenhang zwischen den Falschaussagen bei wikipedia und  ebensolchen Fälschungen in der deutschen „wissenschaftlichen“ Literatur (- hier klicken). Dieses Beispiel weist zugleich eindrucksvoll auf den Zusammenhang zum Bildungsnotstand an deutschen Universitäten hin und sollte für den weiteren Verlauf der Vorlesung gut im Gedächtnis erhalten bleiben. Die Serie über „wikipedia“, die damit zusammen hängt.  setzen wir hier ebenso fort, wollen sie aber von der Vorlesung abtrennen, obwohl das Thema natürlich auch mit der „Biophotonik“  zusammen hängt. Es ist jedoch  wohl auch mehr allgemeiner Natur und hat  mit dem Bildungsnotstand an minderbemittelten Universitäten mindestens selektiv etwas zu tun.

Auf solche Verleumder gestützt wurden die Kampagnen gegen Alexander Gurwitsch und der Fortschritt auf dem Gebiet der „Biophotonik“ über Jahrzehnte bis heute blockiert und in absurd falsche und eben jene Denkrichtungen umgeleitet,  von denen man sich durch Irreführung der Öffentlichkeit höhere Profite verspricht. Das erklärt unsere sensible Wachsamkeit in diesen Punkten, die aufzubieten wir für dringend erforderlich halten.

So wurde nach dem zweiten Weltkrieg nicht mehr über die eigentliche Problematik, nämlich die Ursachen des Zellwachstums, nachgedacht, sondern bezüglich der „Biophotonen“ allein nur darüber, ob es eine „mitogenetische Strahlung“ überhaupt gibt oder (besser) nicht gibt. Befürworter wurden als Sektenmitglieder, Esoteriker, „unwissenschaftliche Spinner“, Gläubige des „Wunders aus der UDSSR“ bis hin zur Unterstellung diffamiert, sie seien geisteskrank, und es lohne sich nicht einmal,  über deren Aussagen auch nur nachzudenken. Das war der Stand der Dinge, als wir um 1970 durch quantentheoretische Arbeiten an krebserregenden Substanzen  die Notwendigkeit von extrem schwacher Photonenstrahlung  in lebenden Organismen und ihre Bedeutung erkannten und so auch auf die „mitogenetische Strahlung“ Alexander Gutwitsch´s stießen. Heute arbeiten wir mit seinem Nachfolger und Enkel, Prof.Dr.L.Beloussov, sowohl in Neuss als auch an der Staatsuniversität Moskau eng zusammen zusammen. Um 1990 gründete ich  mit Beloussov  das Gebiet der „Biophotonik“, das inzwischen Weltruf uer nd internationale Anerkennung fand. Auf der größten und bedeutendsten internationalen Tagung über Photonik  in Tokyo wurde unser Institut als federführend für die internationale Entwicklung der Biophotonik ausgewählt. Wir werden die Gelegenheit noch nutzen, im Laufe dieser Vorlesung auf die epochemachenden und grundlegenden Arbeiten dieses wissenschaftlichen Genies  Alexander Gurwitsch auf dem Gebiet der Biologie aus erster Hand einzugehen. Die Arbeiten Gurwitsch´s gehen auch heute noch und besonders heute in ihrer Bedeutung weit über die technischen Möglichkeiten hinaus, die zur Weiterentwicklung und Anwendung dieser Entdeckung genutzt werden können.

 

Nachdem die im „Westen“ erzielten und veröffentlichten Bestätigungen der Existenz der „mitogenetischen Strahlung“ – unter anderem in Arbeiten des Australiers Quickenden, des Italieners Colli und des Japaners Inaba – entweder unbeachtet blieben oder nach wie vor bezweifelt wurden, nahm mein Doktorand Bernhard Ruth an der Universität Marburg, von der Deutschen Forschungsgemeinschaft finanziert, die Arbeit zum Nachweis dieser Strahlung auf und entwickelte den auch noch heute optimalen und empfindlichsten Detektor zum Nachweis „mitogenetischer Strahlung“ (Abb.I.2). Die Arbeit gehört zu den am meisten gelesenen und mit hervorragender Note akzeptierten Dissertationen der Universität Marburg. Wir  zeigten zweifelsfrei, dass

 

(1)   diese Strahlung existiert, da sie tatsächlich mit unserem Detektorsystem mit hinreichender Signifikanz ausnahmslos und gut reproduzierbar nachweisbar ist,  

(2)   ihr als  kontinuierlicher, nie abreißender Photonenstrom von zirka 10-17 Watt universelle Bedeutung zukommt,

(3)   nicht nur im UV-Bereich auftritt, sondern im gesamten optischenGebiet und  vermutlich auch bei noch niedrigeren Frequenzen mindestens eine erhebliche Rolle spielt,  wenn nicht sogar mit gleicher Charakteristik wie bei Lichtfrequenzen vorzufinden ist,

(4)   diese Strahlung zum ersten Mal belegt, dass sich lebende Organismen permanent „weit wegvom thermischen Gleichgewicht befinden und nach einer bestimmten Gesetzmäßigkeit ihre Moden koppeln,

(5)   sich jede essentielle biologische und physiologische Funktion in Korrelation zur „Bio-Photonen-Emission“ ausdrückt,

(6)   jede relevante äußere Einwirkung auf das Lebewesen eine Veränderung der „ultraschwachen Photonenemission“ auslöst, wobei die Empfindlichkeit der Reaktion teilweise alle herkömmlichen Nachweisverfahren bei weitem übertreffen kann,

(7)   Zellwachstum und Zelldifferenzierung mit einer in Korrelation  stehenden Veränderung der Strahlung einhergehen,

(8)   die Strahlung nicht allein über ihre Intensität, sondern über ihre Wellenlängenabhängigkeit und Zählstatistik verstanden werden kann,

(9)   diese Strahlung im allgemeinsten Sinn den wohl empfindlichsten Indikator aller biologischen Regulationsfunktionen überhaupt darstellt,

– und nicht zu verstehen ist als Produkt einer singulären chemischen Reaktion oder als eine Art „weißes Rauschen“ ohne biologische Funktion und Bedeutung,

 

(10)                      …..und so weiter, und so fort.

 

Ich nannte die Strahlung „Biophotonen“, um zum Ausdruck zu bringen, dass

·         diese schwache Lichemission aus einzelnen Photonen besteht und von allen biologischen Systemen abgestrahlt wird,

·         nicht etwa mit der gewöhnlichen „Bio-Lumineszenz“ verwechselt werden darf,

·         eine singuläre chemische Quelle der Emission nicht nachgewiesen ist, zur Unterscheidung von der gewöhnlichen Chemilumineszenz,

·         ihre Bedeutung weit über die Stimulation des Zellwachstums (Mitose) hinausgeht.

 

Der Begriff wurde inzwischen in kompetenten Fachkreisen international übernommen.

 

Als ich Ilya Prigogine, der mich in unserem Labor aufsuchte, zum ersten Mal die Ergebnisse zeigte, rief er aus: „Damit ist Gurwitsch rehabilitiert“. Genau das trifft zu.  Es zeigte sich nämlich, dass das Zellwachstum streng mit der Biophotonen-Emission korreliert. Es zeigte sich ferner, dass es sich bei den Biophotonen um ein „Feld“ handelt. Es zeigte sich, dass die raumzeitlichen Wechselwirkungen dieses Feldes nicht-lokal sind. Schritt für Schritt entstand ein neues , konsistentes Bild des Lebewesens, das als Antennen-System in allen Frequenzbereichen des elektromagnetischen Spektrums auf den „Ozean“ elektromagnetischer Wellen, der uns ständig umgibt, mit höchster Sensitivität und gleichzeitig größtmöglicher Stabilität reagiert. Gleichzeitig sind Lebewesens Ausgangspunkte elektromagnetischer Information und so auch die eigentlichen Quellen einer nie versiechenden Evolution. Es sind nicht neo-Darwinistische Zufallsprodukte chemischer Reaktionen, sondern auf Information ausgerichtete Sender und Empfänger höchst sensibler Botschaften.

Zur wissenschaftlichen Begründung  setzen wir in Kürze die Vorlesung fort. Wir werden uns  zunächst den  Messergebnissen der Biophotonen-Experimente zuwenden. Wir beschäftigen uns mit dem Nachweis ihrer wesentlichen Eigenschaften und Bedeutung,  bevor wir auf die „verzögerte Lumineszenz“ als zweite grundlegende Messgröße der Biophotonik eingehen werden. Wir werden zeigen, dass biologische Systeme nicht „fluoreszieren“ können, wie fälschlicherweise von inkompetenten Vertretern dieses angeblich neu begründeten Gebietes zur Verhütung von Begriffen wie „Biophotonen“ und „verzögerte Lumineszenz“ behauptet wird. Wir zeigen, dass Wechselwirkungen mit Lasern – mit denen wir seit vielen Jahren arbeiten – und allen anderen Instrumenten der Photonik allein nur über Biophotonen und eben die verzögerte Lumineszenz verstanden werden können und ansonsten nichts Neues erbringen. Wir zeigen, dass auch deutsche Physiker, soweit sie von den Kohärenzeigenschaften der Photonen Gebrauch machen konnten – unter anderem der Träger des diesjährigen Zukunftspreises oder der deutsche Nobelpreisträger des Jahres 2006 – , erheblich zur Entwicklung einer seriösen Biophotonik beigetragen haben.


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