Auch physikalische Gesetze sind manchmal etwas weniger absolut als sie scheinen. Als der Physiker Stefan Hell sich vornahm, die Beugungsgrenze zu überwinden, sahen die meisten Fachkollegen in der 1873 von Ernst Abbe formulierten Gesetzmäßigkeit eine unüberwindbare Hürde: Lichtmikroskope würden niemals Strukturen unterhalb von etwa 200 Nanometern Durchmesser auflösen, der halben Wellenlänge des sichtbaren Lichts. Das war, wie sich zeigte, ein Irrtum. Für den Nachweis, dass Lichtmikroskope Details weit unterhalb dieser Grenze darstellen können, erhielt Hell dieses Jahr zusammen mit Eric Betzig und W.E. Moerner den Nobelpreis für Chemie. Die Bilder, die ihre Methoden erzeugen, zeigen die Welt an der Grenze zwischen Chemie und Biologie.

Das Beugungslimit ist eine grundlegende Eigenschaft der Optik. Zwei Punkte, die weniger als eine halbe Lichtwellenlänge voneinander sind, zeigen sich als einzelner, verschmierter Punkt. Umgekehrt ist es auch nicht möglich, Licht auf einen Punkt mit weniger als der halben Wellenlänge Durchmesser zu fokussieren. Bei sichtbarem Licht sind das etwa 200 Nanometer – etwa die Größe einer Zellorganelle. Unterhalb dieser Grenze sind normale Lichtmikroskope blind.

Jenseits der Beugungsgrenze

Für die Biologie ist die Beugungsgrenze ein echtes Problem. Um zu verstehen, wie eine Zelle funktioniert, muss man einzelne Moleküle im Blick behalten, die zehn oder hundert Mal kleiner sind als diese magische Grenze. Zwar ist das Beugungslimit für das Elektronenmikroskop kein Problem, und andere Techniken wie die Röntgenbeugung, zeigen sogar einzelne Atome. Doch diese Verfahren benötigen harsche Bedingungen, zum Beispiel Hochvakuum und energiereiche Strahlen, die jedes Leben zuverlässig töten. Das Lichtmikroskop dagegen zeigt das Leben in voller Blüte, so lange man will. Nur eben nicht in hoher Auflösung.

Sogar noch mehr Details zeigt das Lichtmikroskop in Zusammenarbeit mit fluoreszenzmarkierten Antikörpern. Mit deren Hilfe lokalisieren Forscher Biomoleküle innerhalb der Zelle, um ihre Funktion zu entschlüsseln. Das Prinzip ist einfach: Bestimmte Moleküle lassen sich mit einem Laser anregen, ihre Elektronen steigen in einen energiereicheren Zustand auf. Anschließend fallen sie wieder zurück und geben ein Photon ab – sie leuchten.