Wissenschaftlicher Fortschritt wird oft mit neuen Entdeckungen gleichgesetzt, doch der Forscher und Erfinder Lee Lorenzen ist überzeugt, dass eine ebenso wichtige Form des Fortschritts eintritt, wenn Wissenschaftler bessere Methoden entwickeln, um Phänomene zu messen, die sie seit Jahren untersuchen. Lorenzen, Gründer und CEO von Cluster Solutions, hat Jahrzehnte damit verbracht, Wasserstrukturen und biologische Systeme zu erforschen, und er glaubt, dass Fortschritte bei der Messung ungelöste Fragen in testbare Forschungsprobleme verwandeln können.
Lorenzens Perspektive wurzelt in einer Karriere, die in den 1970er Jahren mit Biologie und Pharmakologie begann, bevor er in die biomedizinische Beratung und unabhängige Forschung wechselte. Diese lange Zeitspanne gab ihm aus erster Hand Erfahrung mit einer häufigen wissenschaftlichen Herausforderung: Forscher können etwas Interessantes beobachten, bevor sie die Instrumente oder Methoden haben, um es richtig zu untersuchen. „Früh in meiner Forschung gab es Beobachtungen, die Fragen aufwarfen, aber die damals verfügbaren Messmethoden konnten uns nur bis zu einem bestimmten Punkt bringen“, sagt Lorenzen. „Als später bessere Methoden verfügbar wurden, konnte ich zu diesen Beobachtungen zurückkehren und viel spezifischere Fragen stellen.“
Bessere Instrumente verbessern nicht nur die Genauigkeit; sie verändern, was Forscher untersuchen können. Die moderne Biologie bietet ein klares Beispiel. Fortschritte in Mikroskopie, Spektroskopie, Molekularanalyse, Bildgebung und Computermodellierung haben es Forschern ermöglicht, biologische Strukturen und Prozesse auf immer kleineren Skalen zu untersuchen. Die Kryo-Elektronenmikroskopie ist für die Strukturbiologie besonders wichtig geworden und ermöglicht die Untersuchung biologischer Moleküle mit extrem hoher Auflösung. Die Technik war so bedeutend, dass Jacques Dubochet, Joachim Frank und Richard Henderson 2017 den Nobelpreis für Chemie für die Entwicklung der Methode zur hochauflösenden Strukturbestimmung von Biomolekülen in Lösung erhielten.
Für Forscher mit jahrzehntelanger Karriere können solche Verbesserungen älteren wissenschaftlichen Fragen ein zweites Leben geben. „Eine Frage kann interessant bleiben, auch wenn die erste Methode, die man verwendet, sie nicht beantworten kann“, sagt Lorenzen. „Ich habe gelernt, Aufzeichnungen darüber zu führen, was wir beobachtet haben, welche Bedingungen vorlagen und was wir nicht erklären konnten. Jahre später kann eine andere Methode einen Grund geben, erneut hinzuschauen.“
Lorenzen betont, dass das erneute Aufgreifen einer Beobachtung etwas anderes ist, als zu versuchen, eine alte Interpretation als richtig zu beweisen. Eine bessere Messung kann eine frühere Idee bestätigen, aber sie kann sie auch abschwächen, eine andere Erklärung aufzeigen oder zeigen, dass die ursprüngliche Beobachtung von einer Variable abhing, die die Forscher übersehen hatten. „Der Fehler wäre, zu einem alten Experiment zurückzukehren und entschlossen zu sein, die Antwort zu bekommen, die man vor dreißig Jahren wollte“, sagt Lorenzen. „Man geht zurück, weil man es jetzt besser messen kann. Wenn die neue Messung die Erklärung verändert, muss man bereit sein, sich mitzuverändern.“
Lorenzens eigene Forschung hat Fragen zur Wasserstruktur, zum molekularen Verhalten und zur zellulären Hydratation umfasst. Er hält die US-Patente 5.711.950 und 6.033.678 im Zusammenhang mit Cluster-Wasser-Technologie. Seine Erfahrung hat die Bedeutung detaillierter Forschungsaufzeichnungen unterstrichen, denn ein unerklärtes Ergebnis wird schwer erneut aufzugreifen, wenn Forscher das ursprüngliche Experiment nicht rekonstruieren können.
Bessere Instrumente allein können eine wissenschaftliche Frage nicht klären. Forscher brauchen weiterhin Kontrollen, klare Protokolle, wiederholbare Experimente und unabhängige Tests. Eine höhere Messempfindlichkeit kann sogar neue Herausforderungen mit sich bringen, weil Forscher Unterschiede entdecken können, die statistisch messbar sind, deren praktische Bedeutung aber ungewiss bleibt. Für Lorenzen macht dies die Replikation besonders wichtig. „Wenn ein neues Instrument etwas Interessantes zeigt, denke ich nicht, dass der nächste Schritt darin besteht, zu verkünden, dass die Frage geklärt ist“, sagt er. „Führen Sie es erneut durch. Ändern Sie die Bedingungen. Vergleichen Sie es mit einer anderen Methode. Geben Sie einem anderen Forscher genügend Informationen, um zu sehen, ob er es auch finden kann.“
Dieser Ansatz kann Wissenschaftlern helfen, zwischen einer interessanten Anomalie und einem verlässlichen Ergebnis zu unterscheiden. Eine Messung, die einmal erscheint, kann eine Untersuchung verdienen, aber ein Ergebnis, das unter kontrollierten Bedingungen wiederholt auftritt, bietet eine stärkere Grundlage für weitere Forschung, und eine unabhängige Reproduktion kann diese Grundlage weiter stärken.
Lorenzen glaubt, dass Forscher nicht vorhersagen müssen, welches große wissenschaftliche Instrument als Nächstes kommt, um davon zu profitieren. Sie können sich vorbereiten, indem sie ihre Arbeitsweise jetzt verbessern. Das bedeutet, detaillierte Aufzeichnungen über experimentelle Bedingungen zu führen, anstatt nur erfolgreiche Ergebnisse zu speichern, ungewöhnliche Beobachtungen zu dokumentieren, Rohmessungen gegebenenfalls zu bewahren, Änderungen an Protokollen festzuhalten und klar zu trennen, was ein Experiment gezeigt hat, von dem, was man glaubt, dass es bedeutet. Sie sollten auch ungelöste Fragen regelmäßig erneut aufgreifen. „Manchmal ist das Nützliche in einem alten Notizbuch nicht das Experiment, das funktioniert hat“, sagt Lorenzen. „Es ist das Ergebnis, das man nicht erklären konnte. Wenn sich die Werkzeuge seitdem verändert haben, könnte dieses Ergebnis einen weiteren Test verdienen.“
Auch interdisziplinäre Zusammenarbeit kann helfen. Ein in Biologie ausgebildeter Forscher erkennt möglicherweise nicht sofort, dass eine in Chemie, Physik, Geologie oder Materialwissenschaft entwickelte Technik eine bessere Möglichkeit bieten könnte, ein bestehendes Problem zu untersuchen. Wissenschaftliche Führungskräfte können Teams ermutigen, über die Instrumente hinauszuschauen, die traditionell mit ihren eigenen Fachgebieten verbunden sind.
Die Wissenschaftsgeschichte ist voll von Fortschritten, die möglich wurden, weil Forscher die Fähigkeit erlangten, etwas klarer zu beobachten. Das Mikroskop öffnete eine unsichtbare biologische Welt. Röntgenstrahlen offenbarten innere Strukturen ohne Operation. Die Elektronenmikroskopie trieb die Beobachtung auf viel kleinere Skalen voran. Moderne molekulare Techniken erweitern weiter, was Forscher messen können. Jede Verbesserung fügt nicht nur Details hinzu; sie kann die Frage verändern.
Für Forscher, die Jahrzehnte mit einem Thema verbracht haben, schafft diese Möglichkeit einen ungewöhnlichen Vorteil. Sie haben möglicherweise jahrelange Beobachtungen zur Verfügung, die angesichts neuer Methoden überdacht werden können. Lorenzen glaubt, dass die Lektion für jüngere Wissenschaftler darin besteht, nicht anzunehmen, dass eine Frage keine Antwort hat, nur weil die heutigen Werkzeuge keine liefern können. „Dokumentieren Sie, was Sie sehen, und seien Sie präzise darüber, was Sie nicht wissen“, sagt er. „Die Wissenschaft verändert sich, wenn sich die Messung verbessert. Eine Frage, die heute schwer zu testen ist, kann in zehn Jahren ein ganz anderes Forschungsproblem sein.“
Bessere wissenschaftliche Instrumente werden weiterhin genauere Messungen liefern. Ihr größerer Wert könnte etwas weniger Offensichtliches sein: Forschern die Erlaubnis zu geben, Fragen zu stellen, die frühere Generationen nicht realistisch testen konnten.
