Grundlagen der Life Sciences: Chemie - Biologie - Energetik

766 Pages·2000·21.007 MB·German

by  Vollrath Hopp

Vollrath Hopp
Grundlagen der Life Sciences
WILEY-VCH
Grundlagen der Life Sciences: Chemie - Biologie - Energetik. Vollrath Hopp
Copyright © 2000 WILEY-VCH Verlag GmbH, Weinheim
ISBN: 3-527-29560-7

Vollrath Hopp
Grundlagen
der Life Sciences
Chemie - Biologie - Energetik
WILEY-VCH
Weinheim · New York · Chichester
Brisbane · Singapore · Toronto
Prof. Dr. Vollrath Hopp
Odenwaldring 33
D-63303 Dreieich
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ISBN 3-527-29560-7
© WILEY-VCH Verlag GmbH, D-69469 Weinheim (Federal Republic of Germany). 2000
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Printed in the Federal Republic of Germany.
Gewidmet Lea (1992) und Max (1999)
Vorwort [E. preface]
Die Suche nach Nahrung, die Erhaltung der Gesundheit und die Fortpflanzung
dienen dem Überlebenstrieb der Menschen. Sie werden deshalb zu den Urtrieben
gezählt.
Hinzu kommen die Neugierde und das Mitteilungsbedürfnis. Die Menschen
möchten alles wissen und erkennen, wie ihr Umfeld beschaffen ist, wie es sich ve-
rändert und was sich in ihm ereignet. Die Neugier wurde als einer der Urtriebe im
Menschen ausgemacht. Sie treibt ihn immer wieder an, sich selbst und seine Umwelt
zu betrachten, Vorgänge und Erscheinungen zu vergleichen, um aus dem Beo-
bachteten Gesetzmäßigkeiten über die wirkenden Kräfte herzuleiten. Der Mensch
wird in seinem Bemühen nicht nachlassen, seine Welt, den Mikro- und Makro-
kosmos erkennen und verstehen zu wollen.
Die Auffassung von der Neugier als Antrieb zu naturwissenschaftlichen Erkennt-
nissen hat sich - wenn auch häufig kontrovers diskutiert - über mehr als 2000 Jahre
gehalten. Vor allem im 20. Jahrhundert ist sie in zahlreichen Publikationen auf-
gegriffen worden. Lothar Jaenicke (geb. 1923) stellt die Frage, ob die Neugier wirklich
„eines erwachsenen Mannes würdig" ist, und ob wir sie uns überhaupt in einer Zeit
knapper werdender Rohstoffe und wachsender Umweltprobleme leisten können. So
könnte beispielsweise eine geplante teleologische* Naturforschung größeren Nutzen
für die Menschheit bringen. Dieser Philosoph bezweifelt jedoch, daß auf diese
Weise grundlegende Entdeckungen gemacht werden. Es wäre von Nachteil für den
Erkenntnisgewinn, wenn die Schwierigkeiten, denen die Forscher heute ausgesetzt
sind, dazu führten, daß sie ihre Neugier unterdrückten. Übereinstimmend mit dieser
Ansicht äußert auch Hans Blumenberg (geb. 1920), daß die positive Neugier, also
die theoretische Betrachtung in jeder Form, ein zentraler Antrieb der modernen
Wissenschaft ist.
Odo Marquard (geb. 1936) spricht sogar von der Neugier als ,,Antriebstugend
der modernen Wissenschaften".
Wie ist es nun zu der Thematik dieses Buches Chemie, Biologie und Energetik-
Grundlagen der Life Sciences gekommen?
Der Begriff Life Sciences wurde vor ca. 5-6 Jahren vom Marketing der
chemischen und pharmazeutischen Industrie mehr und mehr in der Öffentlichkeit
verwendet. Er sollte auf die breite Palette der pharmazeutischen und Pflanzen-
schutzmittel-Produkte hinweisen, ohne die die Menschen in der Weit weder gesund
bleiben noch sich ausreichend ernähren können. Daß dabei auch wirtschaftliche
Interessen im Spiele sind, schmälert die Bedeutung der Life Sciences nicht, insbeson-
dere, wenn man sie in Zusammenhang mit der immer noch zunehmenden Weltbevöl-
kerung bringt, die inzwischen die 6 Mrd.-Marke hinter sich gelassen hat.
Der Menschheit allgemein, der Wirtschaft, den Wissenschaftlern und der Technik
wird immer bewußter, daß die Zukunft hohe Herausforderungen an sie stellt:
* ideologisch - zweckbestimmend (telos, grch. - Ziel, Zweck)
Vorwort vii
Diese sind eine ausgewogene Ernährung, eine umfassende Gesundheitsfürsorge und
-Vorsorge einschließlich Hygiene und die Erhaltung bzw. Wiederherstellung der
Erholungsfähigkeit der Umwelt, d. h. von Luft, Wasser und Boden.
Der Begriff Life Sciences hat sich verselbständigt und inhaltlich eine umfassen-
dere Bedeutung erhalten. Der Begriff Life Sciences beginnt zu einer Vision zu
werden, die alle Länder ermahnt, mit den Rohstoffquellen, den Energien und den
Produkten haushälterisch umzugehen. Life Sciences fordern auch zum globalen
Denken heraus. Neben der Versorgung mit Produkten für die Menschen ist die
Entsorgung nicht mehr gebrauchsfähiger Produkte und Reststoffe gleichrangig
geworden.
In dem vorliegenden Buch ist die Life Sciences-Themauk unter naturwissen-
schaftlichen Aspekten in bezug auf Ernährung und Gesundheit behandelt worden.
Eine Erweiterung würde den Rahmen eines fachübergreifenden Buches sprengen.
Dank
Ideen und Fantasie muß ein Buchschreiber mitbringen. Sie auf ihre Stichhaltigkeit
und inhaltlichen Bestand abzuklopfen und schriftlich umzusetzen, dazu bedarf es
wohlwollender Freunde und Helfer. Denen soll in diesen wenigen Zeilen gedankt
werden, wobei ihre Hilfe viel größer war als die kargen Dankesworte es auszu-
drücken vermögen.
Dem Internisten Herrn Dr. med. Viktor Wartlick, Dreieich, danke ich für die
sorgfältige Durchsicht der medizinischen Kapitel und die daraus folgenden Kor-
rekturen. Ohne die anregenden Gespräche mit Herrn Professor Dr. Utz-Heilmuth
Felcht, Ehrendoktor der Universität Rostock und Vorsitzender des Vorstandes der
SKW Trostberg AG, wäre die inhaltliche Spannweite des Begriffes Life Sciences
nicht so deutlich geworden. Auch danke ich ihm für die wertvollen Hinweise der
energetisch-stofflichen Vernetzung der chemisch-pharmazeutischen Industrie.
Über mehrere Jahre hatte ich an der Universität Rostock Gelegenheit, mit Herrn
Professor Dr. Klaus Peseke vom Fachbereich Chemie über Forschung und Lehre zu
diskutieren. Immer wieder wurde das Thema Life Science aus der Sicht eines Or-
ganikers erörtert. Viele der Gesprächsergebnisse haben im vorliegenden Buch ihren
Niederschlag gefunden. Ich danke ihm herzlich.
Dank schulde ich auch der Landesforschungsanstalt für Landwirtschaft und
Fischerei Mecklenburg-Vorpommern in Gülzow und ihrem Direktor, Herrn Prof.
Dr. Christian Gienapp. Prompt und bereitwillig bin ich mit allen erforderlichen
Informationen und Ratschlägen versorgt worden, um die Landwirtschaft als eine
der wichtigsten Life Sciences Säulen vorzustellen.
Auch an die anregenden Diskussionen zwischen Herrn Dr. Friedmar Nusch, dem
Leiter der Unternehmenskommunikation Aventis S.A. und dem Autor soll mit
einem Dankeschön erinnert werden. Sie führten dazu, daß Life Sciences weniger als
Marketingbegriff, sondern als Zukunftsorientierung für Forschung und Produktion
aufzufassen ist.
Für wichtige Zahlen aus der chemischen Wirtschaft bedanke ich mich beim
Verband der chemischen Industrie e. V. in Frankfurt am Main, die bereitwillige
Unterstützung war mir eine große Hilfe. Auch für das Informationsmaterial aus der
Industrie mit den Produktprofilen muß ich Dank sagen. In diesem Zusammenhang
darf die DECHEMA, Gesellschaft für chemische Technik und Biotechnologie e. V.,
Frankfurt am Main, nicht unerwähnt bleiben. Sie gab dem Autor immer wieder
die Gelegenheit, die Thematik des Lehrbuches in Vorträgen und Diskussionen
abzuklopfen.
Wenn auch zum Schluß, deshalb aber nicht weniger herzlich, danke ich Frau
Marlene Weber, Hattersheim-Okriftel bei Frankfurt am Main. Sie hat in langjähr-
viii Vorwort
iger Geduld, Ausdauer und Sorgfalt die handschriftlichen Texte computertechnisch
in die richtige Form gebracht, Abbildungen gezeichnet und die chemischen Formeln
gestaltet.
Meine allgemeine Life Sciences Vision konnte ich über mehrere Semester im
Rahmen eines Vorlesungscyclus für Studenten der Chemie, Landwirtschaft und
Chemie-Lehramtskandidanten an der Universität Rostock im Fach Chemische
Technologie und Nahrungsmitteltechnologie erweitern und vertiefen. Den Stu-
dentinnen und Studenten möchte ich an dieser Stelle ein herzliches Dankeschön
sagen, für die vielen Fragen und Diskussionsbeiträge. Sie haben die visionäre Aus-
sagekraft der Life Scienes immer deutlicher werden lassen. Zu danken ist auch den
zahlreichen Firmen, die wir während dieser Zeit besuchen durften. Genannt seien
- Agri Hydro Rostock
- Beiersdorf AG, Hamburg
- Boehringer Mannheim GmbH, heute Hoffmann-LaRoche
- Chemiewerke in Bitterfeld u. Leuna
- Deutsche Bank AG in Rostock u. Frankfurt
- Hoechst AG mit seinen Standorten Griesheim, Höchst, Offenbach, Wiesbaden,
heute Aventis S.A., Clariant GmbH u. Celanese AG
- Lurgi AG, Frankfurt am Main
- PCK AG, Petrolchemie u. Kraftstoffe AG, Schwedt/Oder
- Riedel de Haen AG, Seelze
- SKW Piesteritz GmbH
Auch die Deutsche Bank AG soll nicht unerwähnt bleiben. Hat sie doch durch
Vorträge und den Besuch ihrer Filiale in Rostock und ihrer Zentrale in Frankfurt
uns einen Einblick in die wirtschaftlichen und Beteiligungs-Zusammenhänge der
chemischen Industrie gegeben.
Universität Rostock, im Mai 2000 Vollrath Hopp
Inhalt
Vorwort [E. preface] v
Einführung [E. introduction] xxix
I Bevölkerungswachstum - Life sciences - Globalisierung
[E. population growth - life sciences - globalization] l
1 Bevölkerungsdichte, Stoffdichte, Energiedichte [E. density of
population, materials, energy] l
2 Historisches [E. history] 2
3 Life sciences 5
4 Degradation [E. degradation] 7
5 Globalisierung [E. globalization] 8
6 Rückblick und Ausblick [E. retrospective view and outlook] 9
7 Schlußbemerkung - Globalisierung der Risiken [E. summary -
globalization of risks] 10
Literaturhinweise [E. references] 11
II Chemie in der Natur - Chemie in der Technik [E. chemistry in
nature - chemistry in technology] 12
1 Was ist Chemie? [E. what means chemistry?] 12
2 Die Bausteine der Stoffe [E. elements of substances] 12
3 Der stoffliche Aufbau der menschlichen Umwelt [E. the
composition of the material in the environment] 18
Aufbau der Lithosphäre [E. composition of the lithosphere] 18
Aufbau der Atmosphäre [E. composition of the atmosphere] 19
Zusammensetzung des Menschen und biologischer Systeme
[E. composition of men and biological Systems] 19
4 Der Weg vom einfachen zum komplexen Molekülaufbau
[E. the path from a simple to a complex molecule] 20
Beispiele für Synthesewege in der Natur [E. examples for paths of
synthesis in nature] 20
Beispiele für Synthesewege der chemischen Produktionstechnik
[E. examples for paths of synthesis in the chemical technology] ... 20
5 Oxidation und Reduktion als typische Stoffumwandlungen in
Natur und Technik [E. oxidation and reduction äs typical
conversions of material in nature and technology] 21
Beispiele für Oxidationen und Reduktionen in der Chemotechnik
und der Natur [E. examples for oxidation and reduction in
chemical technology and nature] 21
6 Energieträger und Energieumsatz [E. energy carrier and energy
conversion] 22
Beispiele für Energie- und Stoffumwandlungen [E. examples for
energy and material conversions] 22
χ Inhalt
l Stoffkreisläufe in der Natur, im Organismus und in der
Chemiewirtschaft [E. material cycles in nature, organism and
chemical industry] 25
7.1 Der Kreislauf des Wassers in der Natur [E. water cycle in nature] 26
7.2 Der Kreislauf des Sauerstoffs in der Natur und in der Technik
[E. oxygen cycle in nature and technology] 27
7.3 Der Kohlenstoffkreislauf [E. carbon cycle] 27
7.4 Der Stickstoffkreislauf [E. nitrogen cycle] 27
7.5 Kreislauf der Phosphate [E. phosphates cycle] 30
7.6 Der Kreislauf des Schwefels und seiner Verbindungen in der
Natur [E. sulphur cycle and its compounds in nature] 30
8 Cyclus zwischen dem Nutzungssystem der Technik und dem
Regenerationssystem der Natur [E. cycle between the utilization
System of technology and the regeneration System of nature] 30
8.1 Stoff- und Energiecyclen [E. material and energy cycles] 30
8.2 Recycling [E. recycling] 33
8.3 Biosphäre [E. biosphere] 34
8.4 Versorgung und Entsorgung [E. providing and disposal] 35
9 Vom Prinzip der Wechselwirkungen [E. about the principle of
reciprocal action] 37
10 Die Chemie der Halbleiterbauelemente und
Informationsübertragung [E. chemistry of elements for
semiconductors and Information transfer] 39
Speicherung von Informationen [E. storage of informations] 41
Literaturhinweise [E. references] 41
III Wasser [E. water] 42
l Wasserkreislauf im menschlichen Körper [E. water circulation in
the human body] 42
l. l Wasseranteil [E. water rate] 42
1 .2 Wasserbilanz [E. water balance] 43
2 Wasser und Wasserstoffbrückenbindungen - ein Beispiel für
Wechselwirkungen zwischen Stoffen und Energien [E. water and
hydrogenbondings - an example for interactions between
materials and energies] 44
2.1 Wasserstoffbrückenbindungen [E. hydrogenbondings] 46
2.1.1 Wasserstoffbrückenbindungen in Biomolekülen
[E. hydrogenbondings in biomolecules] 47
2.1.2 Wasserstoffbrückenbindungen zwischen Wasser und Harnstoff -
ein Beispiel [E. hydrogenbondings between water and urea - an
example] 48
2.1.3 Wasserstoffbrückenbindungen in Proteinen [E. hydrogenbondings
in proteins] 48
2.1.4 Wasserstoffbrückenbindungen in Nucleinsäuren
[E. hydrogenbondings in nucleic acids] 50
2.1.5 Wasserstoffbrückenbindungen in Cellulose [E. hydrogenbondings
in cellulose] 51
3 Wasserverteilung in der Natur [E. distribution of water in nature] 52
3.1 Chemische und physikalische Eigenschaften [E. chemical and
physical properties] 52
3.2 Vorkommen [E. occurence] 55
3.3 Natürliche Wasserarten und ihre Inhaltsstoffe [E. native types of
water and its ingredients] 56