Eine Linse im Wasser

Julian Charrière lässt die Linse eines Leuchtturms weit in die See hinunter. Der Strahl ihres elektrischen Lichts pulsiert nach außen, und die Linse sinkt 1000 Meter hinab in eine Tiefe, in der es kein Sonnenlicht mehr gibt.

Diese Linse wurde um 1819 von dem französischen Physiker Augustin-Jean Fresnel erfunden. Eine gewissenhafte Schilderung der Entwicklung findet sich in Theresa Levitts Buch A Short Bright Flash[1]: Fresnel war ein früher Anhänger der Wellentheorie des Lichts. Der ungestüme Physiker François Arago, sein Freund und ebenfalls ein Verfechter der Undulationstheorie, hatte die Leitung der napoleonischen Commission des Phares inne, die das Leuchtturmsystem in Frankreich verbessern und erweitern sollte. Er warb Fresnel an, der schnell erkannte, was an der Bauform der vorhandenen Leuchttürme zu beanstanden war. Das Design beruhte auf einer Zusammenstellung von Spiegeln, die Lampenlicht reflektierten. Beim Versuch, den Lichtstrahl zu lenken, ging zu viel Licht verloren. Ein auf Linsen und der Lichtbrechung basierendes System konnte dem bisherigen nur überlegen sein (vor allem, wenn man oben und unten zusätzliche Reflektoren hinzufügte, die die Mehrzahl der verirrten Strahlen einfingen).

Die erste funktionstüchtige Fresnel-Linse kam 1823 in Cordouan, an der Mündung der Gironde, zum Einsatz. Das System aus Linsen und Spiegeln sah damals wie ein langsam explodierender Bienenkorb aus. Wie groß war die Reichweite seines Lichts? Dies ließ sich nur schwer feststellen, da der Strahl aufgrund der Erdkrümmung in den Weltraum geleitet wurde, bevor er seine Kraft verlor. Seeleute, die sich in der Takelage von Schiffen befanden, konnten den Strahl auf eine Entfernung von 33 Seemeilen ausmachen.

Auf Leuchttürmen mit Fresnel-Linsen wurden wie bei vielen ihrer Vorgänger anfänglich Öllampen eingesetzt. (Die Lichtquelle anderer Leuchttürme bestand schlichtweg aus brennenden Kohlehaufen.) Mithilfe von Fresnels Erfindung wurde eine kleine Flamme über Meilen hinweg sichtbar.[2] Möglich wurde dies, weil die Linse Energie strukturiert – Licht strukturiert. Das Licht einer Lampe breitet sich normalerweise in alle Richtungen aus. Die Fresnel-Linse konzentriert, manipuliert, gibt Richtung (S. 77. Abb. 1).

Nach ersten Erfolgen wollte Fresnel eine „totale Refraktion“ erreichen und veränderte seinen Entwurf. Die Spiegel, die die Wirkung der oben und unten sitzenden Hauptlinsen verstärkt hatten, wurden durch Prismen ersetzt. Anders als bei Spiegelflächen erfolgte die Reflexion des Lichts nun fast ohne Verluste. Bei dieser kompakteren und effizienteren – katadioptrischen – Bauweise wird das Lichts innerhalb der Linse strukturiert und ausgerichtet (S. 78, Abb. 2). Die Linse, die Julian Charrière in seiner Videoarbeit Midnight Zone (2024) ins Wasser absenkt, ist eine katadioptrische Linse.

Die Linse eines Leuchtturms hat eine spezielle Art, Energie zu strukturieren; sie fasst von einer Lichtquelle ausgehendes Licht, das sich andernfalls nach allen Seiten ausbreiten würde, zusammen und formt es zu einem Strahl. Genauso ist es mit dem Leben – es ist alles eine Frage der Strukturierung von Energie, insbesondere der Energie des Sonnenlichts.

Vermutlich war Sonnenlicht nicht die erste Energiequelle des Lebens, heute aber ist es bei weitem die wichtigste. Es strömt heran, umhüllt die Erde. Der größte Teil der Energie wird als Wärme abgestrahlt, etwas wird aber zurückbehalten und genutzt, um organisches Material aufzubauen und Lebensprozesse zu unterstützen.

Das Leben entwickelte sich wahrscheinlich im Meer – zumindest in einer aquatischen Umgebung – auf dem trockenen Land konnte es nicht entstehen. Unser Körper und unsere Zellen enthalten bis heute nicht einfach Wasser, sondern Salzwasser, also Wasser, in dem Ionen gelöst sind. Diese elektrisch aufgeladenen Teilchen – einige positiv, andere negativ – spielen bei der Organisation der spontanen, unwetterartigen Interaktionen zwischen größeren, in Wasser eingetauchten Molekülen eine entscheidende Rolle. Einer Formulierung von James Lovelock, dem Mitentwickler der Gaia-Hypothese, zufolge scharen sich Ionen um die aktiven Teile größerer Moleküle und passen ihre Interaktionen an. Dadurch ermöglichen sie es ihnen, „sich mit gebotener Vorsicht und mit großer Genauigkeit in die richtige Lage zu bringen.“[3]

Einflussreiche neuere Modelle zum Ursprung des Lebens richten ihren Blick auf hydrothermische Tiefseequellen.[4] Hier ist nicht das Sonnenlicht der Ursprung der Energie, sondern chemische Verbindungen, die aus dem Erdboden austreten. Unabhängig davon, welche Energie auch immer genutzt wird, um Leben zu ermöglichen, erfordert diese Aktivität eine Sequestration, die Ausbildung von Schranken, über die hinweg ein Austausch stattfindet. Irgendetwas muss die einzigartigen, für das Leben charakteristischen Reaktionen begrenzen, sodass die ungewöhnliche Chemie, die das Leben ermöglicht, nicht in das umgebende Chaos wegdiffundiert. In den grundlegendsten Lebensformen ist eine Art von Selbstsein erforderlich.

Leben, das mittels der Fotosynthese durch Licht erzeugt wird, entstand vermutlich erst etwas später. Es gibt verschiedene Arten der Fotosynthese. Bei der wichtigsten Form, derjenigen, die heute in Pflanzen und Algen abläuft, werden Wassermoleküle aufgespalten, wodurch als Nebenprodukt Sauerstoff freigesetzt wird. Das mag einfach klingen, aber das Aufspalten von Wasser ist offensichtlich ein schwieriger chemischer Vorgang. Bei allen Arten der Fotosynthese wird die Energie der einfallenden Photonen (Lichtteilchen – ein Konzept, das Fresnel abgelehnt hätte) von einem Molekül absorbiert, das zu diesem Zweck wie ein Kollektor fungiert. Die Energie der Photonen verschiebt in diesem Lichtsammelsystem ein Elektron; dieses wird in einer Reihe von Schritten von Molekül zu Molekül übertragen und treibt so schließlich die Entstehung lebenden Materials an.

Das Elektron, das diesen Weg absolviert hat, muss ersetzt werden. In manchen Bakterien verläuft dieser Prozess als Kreislauf, bei den meisten Formen der Fotosynthese ist die Quelle der Elektronen jedoch eine bestimmte chemische Substanz. Die Notwendigkeit einer Energiequelle schränkt die Existenz der Organismen oft auf ungewöhnliche Umgebungen ein. Eine Art der Organismen, die die Fotosynthese nutzen, hat jedoch einen Weg gefunden, das Wasser selbst als Quelle für Elektronen zu verwenden. Für diese Innovation, zu der es vor etwa drei Milliarden Jahren kam, muss die Zelle zwei eigenständige Mechanismen der Fotosynthese zusammenführen und miteinander verbinden. Diese beiden Systeme gehen vermutlich auf einen einzelnen Ahnen zurück, wurden durch divergierende evolutionäre Abstammungslinien getrennt und fanden schließlich für diese Zusammenarbeit wieder zueinander zurück.

Die Entwicklung der oxygenen Fotosynthese fand in der Organismengruppe der Cyanobakterien statt – es war ein winziger Moment von großer Tragweite. Für den in Harvard tätigen Geobiologen Andrew H. Knoll ist die Wiedervereinigung der beiden Mechanismen der Fotosynthese aus ökologischer Sicht der „wichtigste Moment in der Geschichte des Lebens“.[5] Da Wasser so weit verbreitet ist, war das Leben fortan von der Beschränkung auf rare und abgelegene Gebiete befreit. Mehr Leben wurde möglich, und auch mehr Evolution; das Leben wurde vom Randzonenbewohner zum Erd-Veränderer.

Durch eine Reihe symbiotischer Ereignisse konnte die neue, Wasser aufspaltende Form der Fotosynthese von Algen, Korallen und Pflanzen genutzt werden. Und diese Form der Fotosynthese hatte nicht nur zur Folge, dass das Leben sich nun ausbreiten konnte, sondern sie brachte auch ein wichtiges Nebenprodukt hervor. Die kompliziertere, Wasser verbrauchende Form der Fotosynthese ist oxygen; sie produziert den Sauerstoff, der tierisches Leben ermöglicht.

Das tierische Leben entstand ebenfalls im Meer, es ist eines von mehreren Experimenten des kollektiven Lebens dieser ersten Individuen – der Zellen. Ursprünglich lebten die Zellen in lockeren Kooperationen und Gruppen, schlossen sich dann zusammen und bildeten kohärente Einheiten einer neuen räumlichen Größenordnung.

Die tierische Lebensform spezialisierte sich nun auf Aktion, auf kontrollierte Bewegung. Diese Entwicklung dauerte wohl einige Zeit. Einige frühe Tiere scheinen ruhig auf dem Meeresboden gelebt zu haben (wenn auch vielleicht von aktiveren quallenähnlichen Verwandten umgeben). Dem Nervensystem, das sich bei den Tieren recht früh entwickelte, kommt bei der Ermöglichung dieser aktiven Lebensform eine Schlüsselstellung zu.

Mit seiner Entwicklung war die Erfindung zusätzlicher Methoden, Energie zu strukturieren, verbunden – Energie, die letztendlich von der Sonne kommt. Die Nerventätigkeit basiert auf erregbaren Zellen; manche von ihnen erzeugen einen winzigen elektrischen Impuls (das Aktionspotenzial), der eine Zelle ausfüllt und auf eine andere übertragen werden kann. Erregbare Zellen gab es schon vor dem Auftreten der Tiere bei verschiedenen einzelligen Lebensformen. Nervensysteme organisierten diese elektrischen Impulse auf eine neuartige Weise und bildeten Netzwerke, bei denen die Erregung in einer Zelle die Erregung in anderen auslöst.

Bevor die Tiere das Meer verließen, durchlief die Evolution des Geistes viele entscheidende Phasen. Im Meer wurden die Augen erfunden, mehrere Male sogar. Formen der Lichtempfindlichkeit sind über alle Organismen hinweg weit verbreitet, und auch einige der winzigen Cyanobakterien, denen wir unsere sauerstoffreiche Atmosphäre verdanken, sind dazu übergegangen, Licht nicht nur als reine Energie-, sondern auch als Informationsquelle zu verwenden. Sie können die Position einer Lichtquelle wahrnehmen und sich darauf zu bewegen. Sie tun dies, indem sie das Licht auf der Innenseite der Zelle bündeln; hierfür nutzen sie den inneren Rand ihres Körpers wie eine Netzhaut.[6]

Tieraugen, die deutliche Bilder der Umgebung ausformen konnten – Bilder von Objekten in der Nähe des sehenden Wesens –, entwickelten sich in unterschiedlichen Ausprägungen während des Kambriums vor einer halben Milliarde Jahren. Zusammen mit der Sehfähigkeit und anderen Sinnen entstand im Meer noch vieles andere, was mit dem Geist zusammenhängt. Hier bildeten sich die Lernfähigkeit und das Gedächtnis aus, daneben nahm – den Proportionen des Tierkörpers gemäß – die Bewegung an Kohärenz, Schnelligkeit und Eleganz zu.

Alle grundlegenden Baupläne der Tierkörper entwickelten sich im Meer, auch unsere Wirbeltierform. Anfänglich hatte sie die Gestalt eines Fischs und war damit in Anbetracht dessen, was anschließend aus uns wurde, wenig passend. In frühen Stadien des aktiveren Teils der Tierentwicklung (wiederum im Kambrium) waren es wohl die Gliederfüßer, die eine Art von Verhaltensdominanz zeigten; zu diesem Stamm gehören heute Insekten und Krebstiere. Wirbeltiere, frühe Fische, waren klein und unscheinbar. Sie wirken, als wären ihre Körper rein auf Beweglichkeit ausgelegt, wobei die Flucht vor den Gliederfüßern in ihrem Umfeld vermutlich eine bedeutende Rolle spielte. Die Baupläne der Fische wiesen jedoch ein erstaunliches Potenzial auf. Mit der Erfindung des Kiefers wurden die Fische zur dominanten Lebensform im Meer, während die Gliederfüßer schrumpften und sich in Spalten zurückzogen.

Einige Nachfahren der Fische gingen an Land. Diese Umgebung erschwert das Leben und Überleben vieler Organismen, sie bietet jedoch auch mehr Handlungsmöglichkeiten, vor allem für den Umgang mit Materialien, Bau und Technik. Und letztendlich gelangen wir zum zerbrechlichen Körper und der mentalen Klarheit von Augustin-Jean Fresnel, der im Alter von 39 Jahren an Tuberkulose starb. Man fragt sich, was er mit einigen weiteren Lebensjahren noch für die Naturwissenschaft hätte leisten können.

In einer Tiefe von 1000 Metern ist der Druck außergewöhnlich stark. In dem Objekt von Julian Charrières Videoarbeit Midnight Zone befindet sich zwischen der Linse und der Außenwand ein Luftspalt. Wenn diese Luft dem bei einer Tiefe von 1000 Metern zu erwartenden Druck ausgesetzt wäre, würde ihr Volumen sich um etwa 99 Prozent verringern. 1000 Meter sind ungefähr die Tiefe, in der William Beebe und Otis Barton 1932 einen unbemannten Test mit ihrer Bathysphäre, einem Gefährt zur Erforschung der Tiefsee, durchführten.[7] Sie wollten überprüfen, ob die Fenster und andere abgedichtete Teile in dieser Tiefe standhalten würden. Als die Bathysphäre am Ende des Versuchs wieder die Oberfläche erreichte, war sie weitgehend mit Wasser gefüllt. Beebe schrieb 1934:

„Ich begann den riesigen Flügelbolzen in der Türmitte loszuschrauben, und nach den ersten paar Umdrehungen kam ein seltsames hohes Singen hervor, dann schoß ein feiner Nebeldunst heraus, eine Nadel aus Dampf, dann eine zweite, eine dritte. Das warnte mich vor dem, was ich schon beim Hineinschauen durchs Fenster hätte merken müssen, daß nämlich der Inhalt des Gehäuses unter fürchterlichem Druck stand.“

Beebe und Barton hielten mehr Abstand und drehten den Bolzen weiter auf.

„Auf einmal riß sich ohne die leiseste Warnung der Bolzen aus unseren Händen los, und der schwere Metallklotz schoß über das Deck wie eine Granate aus einem Geschütz. Die Flugbahn war fast gerade, und der Messingbolzen sauste in die Stahlwinde hinein, die 10 Meter ab quer über dem Deck stand, und schlug sich an dieser Winde eine zentimetertiefe Kerbe heraus, die von dem härteren Metall ausgehöhlt wurde.“

Eine Fresnel-Linse, die ins Meer abgesenkt wird, versinnbildlicht so vieles aus der Geschichte des Lebens (S. 79, Abb. 3). Die Linse und ihr Licht wurden in die Tiefe hinabgelassen, um uns kostbare, meistens verborgene Dinge zu offenbaren und in Erinnerung zu rufen. Wenn man sie betrachtet, spiegelt sich darin ein Großteil der Vergangenheit wider, die uns geformt hat, und einige der Verbindungen und Beziehungen, die das Leben auf der Erde überhaupt erst möglich machen. Die Elemente von Julian Charrières Videoarbeit Midnight Zone verkörpern die Strukturierung von Energie in der Form von Elektrizität und Licht. Eine Kombination aus Licht und Wasser ist das Herzstück der oxygenen Fotosynthese – des Prozesses, der das Leben auf der Erde ausschwärmen ließ, unsere Atmosphäre mit Sauerstoff anreicherte und die tierische Lebensweise ermöglichte.

Das Objekt in Midnight Zone ähnelt einem Auge, sendet aber Licht aus, anstatt es zu empfangen. In diesem System ist das Verhältnis zwischen Licht und Elektrizität eine Umkehrung der vor Urzeiten abgelaufenen, das Leben ermöglichenden Veränderungen, die ich hier dargestellt habe. Bei der Fotosynthese verschiebt das Licht Elektronen, sendet sie in Kaskaden durch die Moleküle der Zelle und ermöglicht so die Aktivität des Lebens. Im System von Midnight Zone generiert Elektrizität Licht in einer Tiefe, die vom Sonnenlicht nicht erreicht wird. Die elektrischen Ladungen, die das ionenreiche Meer durchdringen, sind neuronalen Vernetzungen gleich über Schaltkreise organisiert, wie sie auch das System von Midnight Zone steuern – und sie tun dies auch bei Hunderten von Fischen – beweglichen Teile des Wirbeltierlebens wie wir –, die wie Sterne leuchten, während sie um die Linse kreisen.


[1] Vgl. Theresa Levitt, A Short Bright Flash: Augustin Fresnel and the Birth of the Modern Lighthouse, New York 2013. Der Universalgelehrte Georges-Louis Leclerc, Comte de Buffon, hatte einige Jahrzehnte zuvor eine einfachere Version der Linse entworfen. Er interessierte sich mehr für die Konzentration von Wärme als für Beleuchtungsfragen.

[2] Eine Besonderheit der Öllampen in Fresnels Leuchttürmen bestand darin, dass sie fünf konzentrisch angeordnete Dochte hatten. Bei dieser weiteren Innovation Fresnels handelte es sich um eine Modifikation der Argand-Lampe. Vgl. hierfür Levitt 2013 (wie Anm. 1).

[3] James Lovelock, Unsere Erde wird überleben. Gaia – eine optimistische Ökologie, München 1982, S. 131.

[4] Vgl. zum Beispiel Eugene Koonin und William Martin, „On the Origin of Genomes and Cells within Inorganic Compartments“, in: Trends in Genetics, Bd. 21, Nr. 12, 2005, S. 647–54.

[5] Vgl. Andrew H. Knoll, „The Geological Consequences of Evolution“, in: Geobiology, Bd. 1, Nr. 1, 2003, S. 3–14: „Aus ökologischer Sicht kann diese Verkettung wohl als das wichtigste Ereignis in der Geschichte des Lebens angesehen werden, weil es die Biologie von hydrothermalen Quellen und anderen Umgebungen befreite, in denen lokal starke Redoxgradienten chemosynthetisches Leben unterstützten und damit den Organismen die Ausbreitung über den Planeten ermöglichte […] und dies geschah nur einmal“ (S. 4–5).

[6] Vgl. Nils Schuergers u. a., „Cyanobacteria Use Micro-Optics to Sense Light Direction“, in: eLife, Bd. 5, 2016, e12620, online: https://d-nb.info/1256590541/34 [13.05.25]: „Synechocystis-Zellen fungieren als sphärische Mikrolinsen, die es der Zelle ermöglichen, eine Lichtquelle zu erkennen und sich auf sie zuzubewegen. Ein hochauflösendes Bild der Lichtquelle wird auf den Rand der Zelle fokussiert, der der Quelle gegenüberliegt, was eine Bewegung weg von dem fokussierten Punkt auslöst. Die kugelförmigen Cyanobakterien sind wahrscheinlich das kleinste und älteste Beispiel der Welt für ein Kameraauge.“

[7] Dieser Test fand in 914 Metern Tiefe statt. William Beebe beschrieb ihn in seinem Buch 923 Meter unter dem Meeresspiegel, Leipzig 1940 (amerikanische Originalausgabe von 1934). Die zitierten Passagen finden sich auf S. 124–25.