Evident und Empirisch

Ich nehme die beiden Wörter mal als Aufhänger, um auf die Unterschiede in verschiedenen Wissenschaften hinzuweisen, was die Vorgehensweise, aber auch was eine „wissenschaftlich abgesicherte Tatsache“ ist. Ich fange mal mit meinem Primärstudium an: Lebensmittelchemie.

Die Lebensmittelchemie ist – wie vielleicht auch der Laie erraten kann – ein Teilgebiet der Chemie. Als ich studierte, war das Institut auch im gleichen Gebäude wie die Chemie untergebracht, nach meinem Studium wurde es nach Hohenheim ausgegliedert, da dort die Ernährungswissenschaften sind. In der Chemie führt man Experimente durch, um Dinge aufzuklären. Zum Beispiel, welche Vorgänge beim Braten ablaufen, welche Verbindungen entstehen. Es gibt etliches, was man in den Lebensmitteln so untersuchen kann wie Abbauprozesse, Reifungsprozesse, Veränderungen beim Kochen oder Bildung von Aromen. In dem Institut, in dem ich studierte war, das Spezialgebiet die Maillardreaktion, eine Reaktion, die aus Zuckern und Aminosäuren braune, aromatische Verbindungen bildet, die beim Anbraten von Fleisch oder beim Backen von Brot entstehen. Jeder Doktorand untersuchte einen Weg genauer. Da es 20 Aminosäuren und etliche Zuckermoleküle gibt, gibt es etliche Reaktionswege und nicht nur einen.

Das zweite Standbein, und die Haupttätigkeit eines Lebensmittelchemikers, wenn er nicht zu den wenigen gehört die in der Forschung landen, ist die Analytik also das Untersuchen von Lebensmitteln. In meiner Studienarbeit habe ich beides gemacht: Primär habe ich eine neue Untersuchungsmethode für die Analyse von Pyridoxin, Vitamin B6 entwickelt, basierend auf schon existierenden Vorschriften. Ich habe aber auch die Veränderungen von Vitamin B6 untersucht, um festzustellen, wie schnell man arbeiten muss, was man beachten muss und ob es empfindlich gegenüber bestimmten Randbedingungen ist. Gottseidank war dem nicht so, mit einer Ausnahme: Eine Probenlösung, die ich für einen Test am Fenster platzierte verlor durch das Licht innerhalb von Stunden einen Großteil des Pyridoxins. Ich beschreibe das so ausführlich, weil das Ergebnis eine neue Vorschrift war, basierend auf den Experimenten. Diese muss nun von anderen Autoren nicht einfach so übernommen werden. Sie können sie überprüfen, z. B. zu einem Lebensmittel das kein Vitamin B6 enthält eine definierte Menge zusetzen und es nach der Vorschrift untersuchen und dann die gefundene Menge mit der zugesetzten vergleichen oder man kann diese Methode mit einer anderen schon etablierten Vorschrift vergleichen und sie sollte die gleichen Ergebnisse liefern.

In der Chemie ist jede Veröffentlichung durch andere experimentell überprüfbar und das sie überprüft wird ist auch die Regel. Das ist das was man in der Lebensmittelchemie als „wissenschaftlich abgesichert“ versteht.

Ich mache nun einen Sprung zur Medizin. Die Medizin hat die Aufgabe Krankheiten zu leiten. Auch in der Medizin gibt es wissenschaftlich abgesicherte Tatsachen. Doch die sind meist auf die molekulare Ebene beschränkt. Die Biochemie, von der man als Lebensmittelchemiker eine Ahnung haben sollte, klärt die Stoffwechselvorgänge im Körper auf, aber auch die Funktionsweise von Zellen. Sie ist eine Zwischendisziplin zwischen Chemie und Medizin, aber eher an der Chemie angesiedelt. Da auch ihre Erkenntnisse abgesichert sind, können auf ihnen Pharmaunternehmen aufbauen. Heute werden neue Medikamente nicht mehr per Zufall gefunden, sondern synthetisierte Stoffe mit Supercomputern mit allen möglichen Schlüsselmolekülen wie Enzymen oder Rezeptoren verglichen, ob sie irgendeine feste Bindung aufbauen und sich so als Medikament eignen.

Bei den meisten Krankheiten, die komplexe Ursachen haben und von denen ganze Organe betroffen sind, hat man aber das Problem, das die Ursache und die Prozesse so komplex sind, dass es keine wissenschaftliche Aufklärung in der Art, gibt wie in der Chemie. Die Wahl der Medizin ist daher die Studie. Man sucht sich also ein Kollektiv und führt mit ihm „Experimente“ durch in dem Sinne, dass man eine Therapie ausprobiert. Das klappt noch wirklich gut bei Krankheiten. Dann hat man ein homogenes Kollektiv, das eine Gemeinsamkeit hat, die Krankheit. Idealerweise nimmt man Personen mit ähnlicher Krankheitsgeschichte und anderen Ähnlichkeiten wie gleiches Geschlecht, Gewicht oder Alter. Vergleicht man diese Gruppe mit einer Kontrollgruppe mit einer schon etablierten „konservativen“ Therapie. So kommt man noch mit kleinen Gruppen aus. Denn man vergleicht zwei Therapien und der berüchtigte Placeboeffekt schlägt dann bei beiden Therapien zu. Mit Kollektiven in der Größe von etwa 100 Personen kann man so eine neue Therapie erproben. Im Idealfall ist die neue Therapie wirksamer und das beweist man anhand von statistischen Mitteln. Der eine Patient reagiert besser auf die Therapie als der andere, das heißt, die Ergebnisse schwanken um einen Mittelwert. Die Statistik erlaubt dann eine Aussage ob sich die beiden Ergebnisse (konservative und neue Therapie) signifikant unterscheiden. Auch dieses Resultat wird dann noch durch andere Ärzte überprüft und gibt es genügend Erfahrungen, so wird sie neue Therapie experimentell eingeführt und ersetzt dann nach noch mehr Patienten vielleicht die alte Therapie oder ergänzt sie für bestimmte Spezialfälle. Wesentlich problematischer ist es, wenn man nicht mit einer existierenden Therapie vergleicht, sondern diese neu ist, das heißt, die Kontrollgruppe bekommt keine Therapie. Dann wird man beobachten, dass durch den Placeboeffekt sich auch bei der Kontrollgruppe eine Besserung einstellt und um eine Therapie von diesem abzugrenzen, der je nach Anwendungsgebiet mit 20 bis 50 Prozent der Wirkung eines Medikaments angesetzt wird, braucht man wirklich viele Patienten. Vor allem wenn die Aussage sich nicht auf Kranke, sondern die Bevölkerung bezieht, also Alte und Junge, Männer und Frauen, Schwangere und Kinder bezieht, dann ist leicht zu erkennen, dass man enorm große Gruppen braucht für eine Aussage. Schon für klinische Studien, die gegen den Placeboeffekt abgrenzbar sein müssen, braucht man nach Angaben des deutschen Ärzteblattes um 1.000 Teilnehmer. Das können dann nur Pharmaunternehmen finanzieren. Um die angebliche Wirkung von Vitaminen gegen Erkältung zu kippen, mussten Wissenschaftler dann schon viele Studien zusammentragen, um auf über 10.000 Personen zu kommen.

Damit bin ich bei meinem dritten Wissensgebiet angekommen. Der Ernährungswissenschaft. Sie ist eigentlich ein Spezialgebiet der Medizin mit Kontakten zu Lebensmittelchemie (was die Zusammensetzung der Lebensmittel angeht), Biochemie (wegen der Wirkung) und Lebensmitteltechnologie (wegen der Verarbeitung). Das Grundproblem, das die Ernährungswissenschaft hat, ist aber das sie Aussagen über die Gesundheit für alle treffen muss. Also jede Altersgruppe, jedes Geschlecht, von der Geburt bis zum Tod. Die Medizin kann sich dagegen auf eine kurze Zeit für die Therapie und ein eingeschränktes Kollektiv mit einer Gemeinsamkeit, der Krankheit beziehen. Es ist eigentlich nicht möglich, aus einem kleinen kollektiv und einen kurzen Beobachtungszeitraum, auf alle Menschen und das ganze Leben zu schließen. In der Ernährung versucht man das Manko auszugleichen, indem man dann verschiedene Studien sichtet und nach Gemeinsamkeiten abklopft. Heraus kommt dann das ein Fakt „evident“ ist. Damit ist gemeint, dass es um die „gewissenhafte, ausdrückliche und umsichtige Gebrauch der aktuell besten Beweise“ geht. Im Prinzip: man kann es nicht beweisen, man vermutet aber aufgrund zahlreicher Untersuchungen von Studien folgenden Ursachen-Wirkungszusammenhang.

Als Lebensmittelchemiker habe ich aus den bisherigen Erfahrungen eine Abneigung gegen die „Evidenz“. Die leitet sich zum einen von den populären Ernährungsirrtümern ab. In meinem Studium habe ich schon gehört, das die meisten davon nicht bewiesen sind, sei es das Salz Bluthochdruck verursacht, Zucker Diabetes, oder Cholesterin Arteriosklerose. Alle diese sind inzwischen gekippt worden. Als letztes hat selbst die FDA ihre Einstellung zu Cholesterin gekippt. Nach den Maßstäben eines Lebensmittelchemikers waren alle Studien auf denen diese Behauptungen basierten nicht wissenschaftlich abgesichert. Nehmen wir mal Cholesterin. Schon als ich studierte wa durch Isotopenmarkierungen, einem Werkzeug der Biochemie bekannt, das 80 bis 90 Prozent des Körpereigenen Cholesterins nicht aus der Nahrung sondern vom Körper selbst stammt und bei jeder Mahlzeit mit den Vedauungssäften ein vielfaches des Cholesterins ausgeschüttet wird, das in der Nahrung vorhanden ist. Daraus folgten Chemiker, dass das bisschen extern zugeführte Cholesterin keine Auswirkung haben müsste. Die Ärzte hingegen passten noch Jahrzehnte später laufend ihre Grenzwerte nach unten ab, bis sie schließlich zu folgendem Ergebnis kamen: Die Landkarte zeigt, wie viel Prozent der Bevölkerung in Deutschland, nach den Grenzwerten der Ärzte, einen „therapiebedürftigen“ Cholesterinspiegel haben. Da nun aber nicht 50 % der Bevölkerung krank sind, scheint das dann endlich eine Wende ausgelöst zu haben.

Das zweite ist, das heute das Wort „evidenz“ inflationär benutzt wird. Es gibt etliche Studien von Herstellern finanziert um etwas „zu beweisen“. Meist um etwas teuer zu verkaufen. Statistisch sind die oft schon in den Grundparametern fraglich, wie zu wenige Teilnehmer (ich habe schon Studien mit 16 oder 40 Teilnehmern gesehen) oder das Ergebnis ist statistisch nicht gesichert. Ein Beispiel findet sich in meinem Elastenbeitrag. Dann suchen sich die Hersteller alle Studien zu dem Thema zusammen, selbst nur Literaturreviews werden dann zu Studien und sagen dann, die Tatsache wäre „evident“ es gäbe ja so viele Ergebnisse dazu. Wenn aber jede Einzelstudie einen Mangel hat, so wird das Zusammenfassen den Mangel nicht beheben sondern nur verstärken.

Aber es gibt noch ein Wort, das hat bei mir einen noch schlechteren Klang. Es ist das Wort „empirisch“. An und für sich ist empirisch ja nicht schlecht, und früher stand ich ihm positiv gegenüber. Empirisch heißt im Prinzip „aus Erfahrung“. Empirisch kommen 70 % aller Züge zu spät. Das ist Erfahrungswissen. Es kann sein, dass man trotzdem einen erwischt der pünktlich kommt. Mit „empirisch“ habe ich meine Aussagen verziert, wenn ich gerade mal den genauen Nachweis nicht im Kopf hatte und ihn erst nachschlagen musste. Das hat sich radikal geändert, als ich Informatik studierte. Wir teilten ein Gebäude mit den Sozialwissenschaften, welche die ersten zwei Stockwerke belegten. Da kommt man ins Gespräch oder hört an der Bushaltestelle Gespräche und Sozialwissenschaften verwenden den Begriff inflationär. Praktisch alles, was dort an Erkenntnissen gefunden wird, ist „empirisch“. Es gibt sogar die Disziplin der „Empirischen Feldforschung“ (das heißt Leute füllen Fragebogen aus). Wer dieses Studium kennt, das geringe Anspruchsniveau und wie sicher dort „Erkenntnisse“ sind, der weiß, warum ich inzwischen das Wörtchen „empirisch“ mit „vermutet“ übersetze.

Wahrscheinlich haben andere Wissenschaften eine wieder andere Sicht. Ich denke aus Sicht der Physik wo ich alle Erkenntnisse in eine Formel packen kann wirkt die Chemie sehr unwissenschaftlich. Es gibt natürlich Reaktionsformeln, Enthalpien, aber die wichtigsten Mechanismen, wie bestimmte chemische Gruppen reagieren, lassen sich nicht in Formeln packen, ebenso wenig wie die Bedingungen für die Synthese in der Industrie gewählt werden. Die basieren zwar auch auf Erkenntnissen, aber eben auch auf Erfahrungswissen (wo man dann von der „Empirik“ wieder eingeholt wird). Ich denke immer noch mit Grauen an mein erstes Praktikum mit Physikern. Ich war in einem Extraraum mit diesen zusammen. Sie hatten eine vereinfachte Form des Praktikums und mussten nicht den ganzen Trennungsgang durchlaufen und konnten die wenigen Substanzen, die sie hatten, mit „Vorproben“ feststellen. Die Anführungszeichen, weil das bei uns eigentlich nur Indizien waren, die Hinweise lieferten, denn in unseren komplexen Proben gab es genügend Störsubstanzen, die man erst abtrennen musste. Bei den Physikern mit dein einfacheren Proben funktionierten sie dagegen einwandfrei.

Warum ich das erwähne? Weil man die komplett unterschiedliche Herangehensweise sieht. Physiker haben ihre Naturgesetze. Die gelten und es gibt also ein Ergebnis: ist vorhanden oder eben nicht. Sie haben also ihren Zettel stur abgearbeitet nach Vorschift ohne jegliches Gespür für die Probe. Also mal eine Vorgehensweise leicht variieren, wie etwas mehr einer Substanz nehmen, etwas länger erhitzen etc. Mein einschneidendes Erlebnis: Ein Physiker hatte eine himmelblaue Probe. Die Farbe kam von wasserfreiem Kobaltchlorid. Das Blau ist charakteristisch. Also sage ich ihm: „Du hast Kobalt drin, kannst Du schon mal abgeben“. Er macht die Boraxperle. Vermischt man Kobaltsalze mit Borax und schmilzt man das so bekommt man eine tiefblaue Farbe, das Blau kennt der eine oder andere vielleicht von altem Porzellan. Was macht er? Er nimmt viel Probe und wenig Borax und erhitzt – die Perle wird schwarz. Also kein Gespür für die Situation. Das ist eine Methode um Spuren von Kobalt nachzuweisen. Bei ihm ist die ganze Probe blau, nur eine Spur kann also nicht vorhanden sein, da ist massig Kobalt drin. Dann wird eben aus dem Blau durch die Intensität ein Schwarz. Ich wiederholte das dann. Nahm nur einen Krümel der Probe mit viel Borax und bekam eine wunderschön königsblaue Perle.

Das Beispiel zeigt, wie verschieden die Anforderungen von zwei Naturwissenschaften an die sind, die sie ausüben. Die eine hat einen strikten Ablauf gegeben durch mathematische Gleichungen und die andere verlangt Erfahrungswissen, Probieren, Experimentieren. Natürlich funktioniert auch in der Physik nicht alles, die Naturgesetze wechselwirken ja und decken so manch kleinen Effekt zu. Dann abreitet man im Fast-Vakuum, oder bei 3 Kelvin um die Störeinflüsse zu reduzieren. In der Chemie gibt es das auch Reaktionen, die vollständig quantitativ erfolgen, wie die Knallgasreaktion. Aber die meisten chemischen Substanzen sind komplexer aufgebaut und haben mehrere Möglichkeiten zu reagieren. Bei industriellen Synthesen erhält man selten nur ein Produkt. Wenn man Ortho-Dichlorbenzol herstellt, denn man als Ausgangsprodukt für weitere Synthesen braucht, wird man immer auch para-Dichlorbenzol erhalten. Die Industrie fand sogar dafür eine Anwendung: als WC-Stein.

7 thoughts on “Evident und Empirisch

  1. Ja, ja, die alte Erkenntnis:
    Chemie ist wenn es kracht und stinkt,
    Physik ist wenn es nicht funktioniert….
    und Unterricht ist, wenn der Schüler schläft….

    Dabei ist Chemie doch eigentlich nur ein Teilbereich der Physik, oder?

    Da fällt mir eine Frage ein: Du hat mal beschrieben, daß die energiereichste Chemische Reaktion zweier einzelner Wasserstoffatome zu dem üblichen H2 ist.
    Durch die Verbindung wird Energie frei, (Bindungsenergie) aber wo kommt die her? Von den Elektronen, die dann die „Wolke um die zwei Protonen bilden“, das heißt dann ein einzelnes
    Elektron um ein Proton hat mehr Energie (Geschwindigkeit oder Wellenlänge)?
    Die Protonen sind da wohl eher nicht involviert.

    Ach, diese Laienfragen…

    1. Chemie hat eigentlich nur was mit den Elektronen zu tun. eigentlich kann man sich auch auf die äußeren Elektronen beschränken, die inneren Schalen sind nur relevant wenn sie nicht vollständig besetzt sind. Wir sprechen davon das die die „Kernladung abschirmen“ (eine Mauer die anders als die der DDR, von China und Trump wirklich funktioniert).

      Nicht umsonst beschäftigt sich die Atomphysik und nicht Atomchemie mit dem Aufbau der Atome. Für die Chemie reicht wirklich das Schalenmodell 90 % aller Fälle aus. Einiges kann man dann noch mit dem Orbitalmodell erklären, das jedoch bei Atomen höherer Ordnungszahl und Molekülen mathematisch so komplex ist, das es für größere Moleküle keine rolle bildet.

      Die Bindungsenergie ist tatsächlich relativ konstant. Nur werden die Atome immer schwerer, sodass man am meisten Energie pro Kilogramm Stoff braucht um das leichteste Molekül, den Wasserstoff aufzuspalten. Das erklärt auch warum Wasserstoff ein so guter Treibstoff ist.

      1. Wenn ich Dich richtig verstehe, dann ist je größer das Atom, bzw. je weiter vom Kern entfernter die „Schale“ ist, desto weniger stark ist eine chemische Verbindung?
        So was lernt man halt nicht beim Telekolleg Chemie….

        1. Es muss ja noch einen Grund geben zu studieren.

          Die Bildungsenthalpie nimmt in der Tat im Periodensystem ab. Innerhalb einer Gruppe (Elemente mit ähnlichen chemischen Eigenschaften) ist das deutlich zu sehen:

          2 Li + O2 -> Li2O + 599,1 kJ
          2 K + O2 -> K2O + 363,7 kJ

          Wichtiger ist aber für die praktische Anwendung die Molekülmasse: Li2O wiegt 32 g, K2O dagegen 94 g. Pro Gramm sinkt die Energieausbeute also drastisch ab.

          1. jetzt noch eine Frage, allerdings Physikalischer Art:

            Neon wird als Leuchtgas verwendet, weil ein Elektron (wahrscheinlich aus der 2. Schale) leicht angeregt werden kann, und dann wieder zurückfällt (Photonenabgabe).
            Gilt dann auch: je höher die Schalenzahl desto leichter kann ein Elektron auf ein höheres Energieniveau gehoben werden?
            Und mit der Beantwortung dieser Frage bedeutet das auch, eine geringere Bindungsenergie? (natürlich nicht bei Neon!)

            Danke für Deine Geduld mit einem Telekolleger….

    1. Danke für Deine Geduld!
      Muß da noch ein bißchen mein Physik-Lexikon aus der guten alten DDR quälen,
      da sollte mir noch einiges klar werden.

      Servus

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