Spektrum der Wissenschaft August 2009 issue 08

Schwerpunkt

Die tödliche Macht der Viren

August 2009

L ASERPHYSIK

UMWELT

Lotuseffekt

Lineale aus Licht

Chinas Kinder des Kohlenstaubs

Oberflächen, die sich selbst reinigen

Umstrittene

Dunkle Energie Kann eine alternative Theorie die beschleunigte Expansion des Alls erklären?

7� ,40 € (D/A) · 8,– � (L) · 14,– sFr. D6179E

08/09

DEUTSCHE AUSGABE DES

EDITORIAL Reinhard Breuer Chefredakteur

Jeder warnt, alle haben Angst: Das Virus der Schweinegrippe, inzwischen von der WHO in die höchste Pandemie­ stufe erhoben, könnte bei seinem – ­bislang vergleichsweise milden – Lauf um den Globus mutieren und in einer zweiten Welle einen tödlichen Siegeszug antreten. Es könnte aber auch harmlos bleiben – keiner weiß es, und die WHO weiß auch nicht wirklich, wo dann all die Impf­ chargen für den (natürlich nicht ausge­ schlossenen) Ernstfall herkommen sollen. Während das neue Virus eher unauffäl­ lig um die Erde wandert, haben wir uns von Virologen sagen lassen, was sie beschäftigt, wenn sie nicht gerade mit einer Pandemie ringen. So berichtet der Bioinformatiker Thomas Lengauer vom Max-Planck-Institut für Informatik, wie ausgetüftelte Software die Suche nach neuen Wirk- oder Impfstoffen erleichtert, die gegen den Erreger der pandemischen Aids-Erkrankung helfen (S. 62). Nach Schätzungen sind derzeit weltweit 33 Millionen Menschen mit dem Humanen Immundefizienz-Virus infiziert und 25 Millionen an den Folgen gestorben. Der Heidelberger Virologe Hans-Georg Kräusslich schlägt in seinem Beitrag (S. 54) einen großen Bogen über das in vielem noch mysteriöse Reich an der »Grenze zwischen lebendem Organismus und toter Materie« und zeigt, wohin die Reise der Virologie im Licht der moder­ nen Genomforschung gehen wird. Wäh­ rend die Öffentlichkeit Viren nur im Stile

SPEKTRUM DER WISSENSCHAFT · AUGUST 2009

des Alarmismus wahrnimmt, sieht Kräuss­ lich auch das Nützliche dieser Gebilde: etwa für selbstorganisierende Strukturen in der Nanotechnologie oder für die Synthetische Biologie. Viren sind zwar oft tödlich, aber manchmal auch wertvoll. Braucht irgendjemand Philosophie, vor allem wenn es gerade drunter- und drübergeht, also in der aktuellen Wirt­ schafts- und Finanzkrise? Das haben kürzlich mein Kollege Michael Springer und ich Carl Friedrich Gethmann gefragt. Der Philosoph von der Universität Duis­ burg-Essen ist eine interessante Figur in der deutschen Philosophenszene, die gerne auch über den Rand ihres Fachs hinausblickt, ob nun in die Naturwissen­ schaften oder in die Politik. Als Gethmann 2007 etwa die Laudatio für die Verleihung der Ehrendoktorwürde an Altbundeskanzler Helmut Schmidt hielt, stellte er sie ganz unpolemisch, aber verschmitzt unter den Titel »Kann Politik vernünftig sein?«. Auch Fragen, welche die Existenzberechtigung seiner Innung in Zweifel ziehen, nimmt er sportlich. Wir sprachen mit ihm in Bad Neuenahr am Rand einer Tagung der Europäischen Akademie, deren Direktor Gethmann ist. Wie der »angewandte Philosoph« die Rolle der Philosophie in Krisenzeiten sieht? – »Philosophie ist ein Instrument der Notbewältigung« (S. 72).

Johannes Wütscher, Heidelberg

Oft tödlich, manchmal nützlich

Der Philosoph Carl Friedrich Gethmann (Mitte) im Gespräch mit »Spektrum«-Redakteur Michael Springer und Reinhard Breuer

Herzlich Ihr

3

Inhalt astronomie & physik Lineale aus Licht

34 54

48 medizin & biologie Experimente in der Schwerelosigkeit

medizin & biologie Die tödliche Macht der Viren

aktuell

astronomie & physik

12 Spektrogramm

Rauchzeichen 2.0 · Lernfähige Fische · Halbleiter aus Nanokristallen · Älteste Flöte · Hoffnung bei Pankreaskarzinom · Inventur unserer Hautbewohner u. a.

Nach herrschender Kosmologenmeinung sorgt die Dunkle Energie für eine beschleunigte Expansion des Alls. Doch nicht alle stimmen zu – und entwickeln eine alternative Theorie

Zweisamkeit bei frühen Sternen



Fossile Kalkschalen verraten CO2 -Gehalt der Luft bis vor 2,1 Millionen Jahren

20 Dunkles Orakel zur Dunklen Materie Neue Messungen der Dunklen Materie sind leider nicht eindeutig

22 Gentherapie gegen Aids? Forscher konstruieren HIV-resistente Blutzellen

23 Multifunktionelles Bakterienthermometer Wie Verwandte des Pesterregers die Immunabwehr austricksen

24 Springers Einwürfe

Menschwerdung mit Kind und Kegel

48 Über die Leichtigkeit des Seins Raus aus dem irdischen Labor: Experimente in der Mikrogravitation – ob im Zero-G-Airbus oder an Bord von unbemannten Höhenforschungsraketen – liefern neue Erkenntnisse

26 Umstrittene Dunkle Energie

15 Bild des Monats 16 Mehr CO2 als seit Jahrmillionen

TITEL

medizin & biologie

34 r Lineale aus Licht Optische Frequenzkämme revolutionieren die Technik von Atomuhren. Sie bringen Chemie und Grundlagenforschung voran





Schlichting!

42 Helle Streifen, blaue Schatten Wer das sonnenbeschienene Brückengeländer genauer betrachtet, durchschaut die Regeln von Licht- und Schattenspiel



Schwerpunkt

54 Die Macht der Viren Schweinegrippe und kein Ende: Was leistet die Virologie? Von ihren Analysen hängt jährlich das Leben von hunderttausenden Menschen ab

62 Computerjagd auf den Aidserreger Welche neue Medikamentenkombination hilft einem HIV-Infizierten, wenn die alte versagt? Die klinische Informatik kann hier Lösungen bieten – auch für verwandte Probleme

Titelillustration: Kenn Brown, Mondolithic Studios markierten Artikel Die auf der Titelseite angekündigten Themen sind mit r gekennzeichnet; die mit finden Sie auch in einer Audioausgabe dieses Magazins, zu beziehen unter: www.spektrum.de/audio

mensch & geist Chinas Kinder des Smogs

Titel

Umstrittene Dunkle Energie

26

78

88 Technik & Computer Wundersamer Lotuseffekt

mensch & geist

erde & umwelt

technik & computer

Mathematische Unterhaltungen

78 r Chinas Kinder des Smogs

Wissenschaft im Alltag

68 Das Elfzell Dreiecke, wie sie kaum jemand kennt: In vier Dimensionen können diese sonst eher banalen geometrischen Gebilde in ungeahnter Weise ineinander verschlungen sein

 ine Studie in einer chinesischen E Provinzstadt belegt: Luftverschmutzung wirkt sich schon im Mutterleib negativ auf die Kinder aus

72 Philosophieren in der Krise Im Interview erläutert Carl Friedrich Gethmann, warum philosophischer Rat gerade in Zeiten von Finanz- und Wirtschaftskrisen nicht nur nützlich, sondern zu einer Frage des Überlebens werden kann

86 Es grünt so grün ... Vom Grasdach bis zur blühenden Oase in luftiger Höhe: Dachbegrünung erfreut nicht nur das Auge, sondern nutzt auch der Umwelt und spart Geld

88 r Selbstreinigende Materialien Von der Lotuspflanze haben Forscher gelernt, die Benetzbarkeit von Ober­ flächen zu variieren. Ihre Erkenntnisse werden uns in vielem das Leben erleichtern

Wissenschaft & KArriere

96 Ein Sprung ins kalte Wasser

Weitere Rubriken 3 Editorial: Oft tödlich, manchmal nützlich 6 Online-Angebote 8 Leserbriefe / Impressum 47 Im Rückblick 106 Vorschau

100 Rezensionen: Thomas de Padova Das Weltgeheimnis

D. Maxeiner, M. Miersch Frohe Botschaften



Gunter Dueck Abschied vom Homo oeconomicus

Håkan Delin, Lars Svensson Der große BLV Vogelführer für unterwegs

Seit 2005 ist der Quantenoptiker Jürgen Mlynek als Präsident der HelmholtzGemeinschaft der Großforschungszentren für fast 28 000 Mitarbeiter verantwortlich

Online

Jean-Claude Marquet

Spektrum der Wissenschaft, Eva Kahlmann

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Dauerbedrohung Grippe Jahr für Jahr schlägt sie brutal zu – nicht nur in Zeiten der Schweinegrippepandemie. Wie gefährlich ist die unterschätzte Seuche für den Menschen? »spektrum­ direkt« berichtet laufend über den Stand der Forschung 

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Steinzeitkunst – Kulturleistungen der Vorzeit Lange vor Picasso, Michelangelo oder Phidias schufen geniale Meister Kunstwerke von beeindruckender Schönheit. Zwar wissen wir meist nichts über die Künstler der Vorzeit. Ihre Werke aber – die oft jahrtausendelang ihrer Entdeckung harrten – faszinieren noch heute  www.spektrumdirekt.de/steinzeitkunst

Besonderen Schwerpunkten wie jüngst der Raumfahrt und der Nanotechnologie widmen wir eigene Themenseiten im Netz. Auf ihnen stellen wir vor, was der Spektrum-Verlag dazu bietet – ob Online-Artikel, kostenfreie oder kostenpflichtige Print-Beiträge oder ganze Sonderhefte. Verschaffen Sie sich den Überblick unter  

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Annäherung an einen großen Geist Alexander von Humboldt gehört zu den größten Forschern, die Deutschland hervorgebracht hat – und seine Reisen inspirierten zahlreiche Wissenschaftler nach ihm. Zu seinem 150. Todestag hat Hanno Beck Humboldts gesammelte Werke neu herausgegeben. Hier stellt Thomas Trösch die siebenbändige Ausgabe vor



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Gerade empfingen wir den Gewinner der vergangenen Wunschartikelrunde in der Redaktion (www.spektrum.de/artikel/ 1000319), da sind auch schon die Ergebnisse der zwölften Runde da, und wir stellen den neuen Gewinner vor. Geheimhaltung im Datenverkehr, Planeten an unerwarteten Orten und das kleinste Radio der Welt hatten zu unseren Themenvorschlägen gehört



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aus: Andreas Vesalius, De humani corporis fabrica, 1543; Koloriert nach  Helmut Wicht

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Vor mehr als 2000 Jahren schnitt erstmals ein Arzt systematisch den menschlichen Körper auf, um dessen Aufbau zu erforschen: Herophil, der Begründer der Humananatomie. Seine Methoden waren allerdings alles andere als zimperlich

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»Jäger des verlorenen Wissens« Nur ein Prozent aller Schriften der Griechen, Römer und Ägypter soll die Zeiten überdauert haben. Bis heute suchen Forscher nach den Überresten der Bibliothek von Alexandria und in Papyrusfragmenten nach Gedanken aus einer vergangenen Welt Diesen Artikel finden Sie ab 3. august als kostenlose Leseprobe von epoc unter



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Keine Alternative Nachrichten vom Nobelpreisträgertreffen in Lindau und vom DFG Science TV, Aktuelles von einer Plasmaphysik-Konferenz der European Physical Society und Berichte aus dem »Lokbuch« des Science Express – unsere Blogger mischen überall mit. So hört Lars Fischer in Lindau von Annette Schavan: »There is no alternative to science«, Björn Lohmann sieht in Videos, wie Forscher in China die Artenvielfalt untersuchen, Alf Köhn sinniert über das Stickstoff-Rätsel, und der Science Express macht Halt – denn das Zugbegleiterteam plant einen Besuch auf der »MS Wissenschaft« 

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leserbriefe Woher kommt Hochbegabung? Allerjüngste Leserin Leserbriefe, Juni 2009 Entwicklungspsychologen sagen, dass der IQ allein durch ein anregendes Um­ feld des Kindes im Alter von der 21. Schwangerschaftswoche bis 6 Jahre um 21 Punkte schwanken kann, also von fast hochbegabt bis geistig schwach. Das Gehirn wird durch die Umsetzung von Wahrnehmung in Handlung ausgebil­ det, wie der Neurobiologe Ernst Pöppl formuliert. Dabei ist es nicht wichtig, dass ein Kind etwas gelehrt wird – das ist eher kontraproduktiv –, sondern dass es in seinem angeborenen Drang zum Ent­ decken nicht behindert und ihm ein vielfältiges Umfeld zum Selbstendecken geboten wird. Dr. Günther Schuller, Reichenberg

Anthropisches Prinzip logisch und zulässig Die Stringtheorie und das anthropische­Prinzip Leserbriefe, Juli 2009 Die Einwände von Peter Kühn gegen den Schluss auf das anthropische Prinzip sind logisch falsch. Der Schluss erfolgt nicht auf Grund des Konditionals, son­ dern der Replikation. Die Argumentation lautet korrekt: Nur wenn das Universum über ganz bestimmte Eigenschaften ver­

Chefredakteur: Dr. habil. Reinhard Breuer (v.i.S.d.P.) Stellvertretende Chefredakteure: Dr. Inge Hoefer (Sonderhefte), Dr. Gerhard Trageser Redaktion: Thilo Körkel (Online Coordinator), Dr. Klaus-Dieter Linsmeier, Dr. Christoph Pöppe, Dr. Adelheid Stahnke; E-Mail: [email protected] Ständiger Mitarbeiter: Dr. Michael Springer Schlussredaktion: Christina Meyberg (Ltg.), Sigrid Spies, Katharina Werle Bildredaktion: Alice Krüßmann (Ltg.), Anke Lingg, Gabriela Rabe Art Direction: Karsten Kramarczik Layout: Sibylle Franz, Oliver Gabriel, Marc Grove, Anke Heinzelmann, Claus Schäfer, Natalie Schäfer Redaktionsassistenz: Eva Kahlmann Redaktionsanschrift: Postfach 10 48 40, 69038 Heidelberg, Tel. 06221 9126-711, Fax 06221 9126-729 Verlag: Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH, Postfach 10 48 40, 69038 Heidelberg; Hausanschrift: Slevogtstraße 3–5, 69126 Heidelberg, Tel. 06221 9126-600, Fax 06221 9126-751; Amtsgericht Mannheim, HRB 338114 Verlagsleiter: Dr. Carsten Könneker, Richard Zinken (Online) Geschäftsleitung: Markus Bossle, Thomas Bleck Herstellung: Natalie Schäfer, Tel. 06221 9126-733 Marketing: Annette Baumbusch (Ltg.), Tel. 06221 9126-741, E-Mail: [email protected] Einzelverkauf: Anke Walter (Ltg.), Tel. 06221 9126-744 Übersetzer: An diesem Heft wirkten mit: Petra Alm, Dr. Werner Gans, Dr. Rainer Kayser, Dr. Michael Springer. Leser- und Bestellservice: Tel. 06221 9126-743, E-Mail:  [email protected]

8

fügt, kann sich intelligentes Leben ent­ wickeln. Es gibt intelligentes Leben – also müssen jene bestimmten Eigen­ schaften bestehen. An diesem Schluss ist nichts logisch unzulässig und nichts un­ wissenschaftlich. Diskutabel ist natürlich die Prämisse, dass sich intelligentes Leben nur dank bestimmter Eigenschaften des Univer­ sums hat entwickeln können. Es ist aber eine Prämisse, die jeder seriöse Wissen­ schaftler anerkennen wird. Denn für ei­ nen Eingriff einer geheimnisvollen Kraft in unser Universum, die uns als intelli­ gente Wesen unabhängig von den Eigen­ schaften des Universums erschaffen hat, fehlt jeglicher Hinweis.

Karl Hostettler, Aadorf, Schweiz

Traditionelles Grund­ wassermanagement Globaler Wassermangel … muss nicht sein, Juni 2009 Rajendra Singh hat in der zweiten Hälfte der 1980er Jahre angefangen, in der in­ di­schen Provinz Jaipur traditionelle Me­ thoden des Grundwassermanagements wiederzubeleben (siehe sein Interview in »New Scientist«, 7. 9. 2002, S. 48). Er grub dazu Johads, halbkreisförmige Si­ ckerteiche, die das Oberflächenwasser aus einem zirka 100 Hektar gro­ßen Ein­ zugsgebiet einsammeln. Das dort versi­ ckernde Wasser geht ins Grundwasser über und verbessert auf diese Weise die Wasserversorgung. Im Lauf der Jahre ge­

Vertrieb und Abonnementverwaltung: Spektrum der Wissenschaft Die Idee desmbH, »multiplen Universums« ver­ Verlagsgesellschaft c/o ZENIT Pressevertrieb GmbH, Postfach 81 06 80, 70523 Stuttgart, Tel. 0711 7252-192, Fax 0711 spricht viel und hält wenig. Die Einbezie­ 7252-366, E-Mail: [email protected], Vertretungsberechtigter: Uwedes Bronn Messapparats in die quanten­ hung Bezugspreise: Einzelheft �€� 7,40/sFr. 14,00; im Abonnement � €� 79,20 für 12 Hefte; Beschreibung für Studenten (gegen Studiennachweis) theoretische ist naheliegend €�� 66,60. Die Preise beinhalten �€� 7,20 Versandkosten. Bei Versand ins Ausland fallen €� 7,20 Portomehrkosten Zahlung sofort und wurde schon von J. an.von Neumann nach Rechungserhalt. Konto: Postbank Stuttgart 22 706 708 (BLZ (1932) verfolgt. 600 100 70). Die Mitglieder des Verbands Biologie, Biowissenschaften und Biomedizin in Deutschland (VBio) und von Mensa e. V. Das resultierende Messproblem der erhalten SdW zum Vorzugspreis. Anzeigen: iq media marketing gmbh, Verlagsgruppe Handelsblatt Quantentheorie besteht darin, GmbH; Bereichsleitung Anzeigen: Marianneim Dölz;Kern Anzeigenleitung: Jürgen Ochs, Tel. 0211 6188-358, Fax 0211 6188-400; verantdass die lineare Struktur des Hilbertraums wortlich für Anzeigen: Ute Wellmann, Postfach 102663, 40017 Düsseldorf, Tel. 0211 887-2481, Fax 0211 887-2686 (quantenmechanische Möglichkeiten) mit Anzeigenvertretung: Berlin: Michael Seidel, Friedrichstraße 150, 10117 Berlin, Tel. 030 61686-144, Fax 030 61696-145; Hamburg: den eindeutigen Ergebnissen jeder Mes­ Matthias Meißner, Brandstwiete 1 / 6. OG, 20457 Hamburg, sung (klassische nicht Hans-Joachim überein­ Tel. 040 30183-210, Fax 040Fakten) 30183-283; Düsseldorf: Beier, Kasernenstraße 67, 40213 Düsseldorf, Tel. 0211 887-2053, stimmt. Fax 0211 887-2099; Frankfurt: Thomas Wolter, Eschersheimer Landstraße 50, 60322 Frankfurt am Main, Tel. 069 2424-4507, Dieses Problem wird man gerade bei Fax 069 2424-4555; Stuttgart: Andreas Vester, Werastraße 23, 70182 Stuttgart, Tel.Anwendung 0711 22475-21, Fax 0711 universeller der22475-49; Quantenthe­ München: Jörg Bönsch, Nymphenburger Straße 14, 80335 München, Tel. 089nicht 545907-18, 089 545907-24 orie los.FaxZudem lassen sich alle Aus­ Druckunterlagen an: iq media marketing gmbh, Vermerk: sagen von »kopenhagenerisch« »mul­ Spektrum der Wissenschaft, Kasernenstraße 67, 40213in Düsseldorf, Tel. 0211 887-2387, Fax 0211 887-2686 Anzeigenpreise: Gültig ist die Preisliste Nr. 30 vom 01. 01. 2009. Gesamtherstellung: Vogel Druck- und Medienservice GmbH & Co. KG, 97204 Höchberg

lang es Singh, mehrere weit gehend tro­ cken gefallene Flüsse wiederzubeleben. Dafür wurde ihm im Jahr 2001 der Ra­ mon-Magsaysay-Preis verliehen. Jörg Michael, Hannover

Mit soap-berries gegen Schistosomiasis Kampf den Killerwürmern April 2009 Bis ein wirksamer und vor allem auch preiswerter Impfstoff gegen Schistosomi­ asis zur Verfügung steht, kann die Er­ krankung auch mit anderen Methoden bekämpft werden – dafür genügt die Un­ terbrechung des Parasitenkreislaufs an ei­ ner einzigen Stelle. Wird beispielsweise die Wasserschnecke als Zwischenwirt ausgeschaltet, bricht der gesamte Parasi­ tenkreislauf zusammen, und die Erkran­ kung beim Menschen verschwindet. In den 1960er Jahren beobachtete Aklilu Lemma, dass in Gebieten Äthiopiens, in denen Menschen soap-berries der einhei­ mischen Endod-Pflanze (Phytolacca dodecandra (L’Herit), Phytolaccaceae) zur Körperpflege und zum Waschen ihrer Wäsche benutzten, die Zwischenwirt­ schnecken abgetötet wurden. Durch Un­ tersuchungen konnten mehrere mollus­ kizide Verbindungen aus den EndodBeeren isoliert werden. Für diese Erforschung erhielten Aklilu Lemma und Legesse Wolde-Yohannes 1989 den alternativen Nobelpreis. Martin Rabe, Hagen

Sämtliche Nutzungsrechte an dem vorliegenden Werk liegen bei tiversisch« übersetzen. Wer statt »Eine der Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH. Jegliche Nutzung des Werks, insbesondere die Vervielfältigung, Verbreitung, Möglichkeit wurde realisiert, und die öffentliche Wiedergabe oder öffentliche Zugänglichmachung, istan­ ohne die vorherige schriftliche Einwilligung des Verlags unzulässig. deren sind weggefallen« sagt: »Unser Uni­ Jegliche unautorisierte Nutzung des Werks berechtigt den Verlag zum Schadensersatz gegen den oder die jeweiligen Nutzer. versum hat sich geteilt, und wir sehen nur Bei jeder autorisierten (oder gesetzlich gestatteten) Nutzung des Werks ist die folgende Quellenangabe an branchenüblicher einen Zweig«, der liefert nicht mehr Stelle vorzunehmen: © 2009 (Autor), Spektrum der Wissenschaft als ein fantasieanregendes Erklärungs­ Verlagsgesellschaft mbH, Heidelberg. Jegliche Nutzung ohne die Quellenangabe in der vorstehenden placebo. Universenteilung ist nicht Form berechtigtDenn die Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH zum Schadensersatz gegen den oder die jeweiligen Nutzer. leichter zu verstehen als Faktenentste­ Wir haben uns bemüht, sämtliche Rechteinhaber von Ab­bildungen zu ermitteln. Sollte demgar Verlag gegenüber der Nachweis der den hung. Schon nicht kann sie »aus Rechtsinhaberschaft geführt werden, wird das branchenübliche Honorar nachträglich gezahlt. Für unaufgefordert eingesandte Gleichungen selbst« abgelesen werden. Manuskripte und Bücher übernimmt die Redaktion keine Haftung; sie behält sich vor, Leserbriefehier zu kürzen. Letztlich werden einfach nicht reali­ sierte Möglichkeiten mit fernen Wirklich­ ISSN 0170-2971 keiten SCIENTIFICverwechselt. AMERICAN 75 Varick Street, New York, NY 10013-1917 Mein Fazit: Everetts Ansatz Acting Editor inhartes Chief: Mariette DiChristina, President: Stevenwur­ Inchcoombe, President, Operations and Administration: de nichtVicedamals zu Unrecht ignoriert, Frances Newburg, Vice President, Finance, and Business Development: Michaeler Florek, Managing Director, Consumer Marketing: sondern wird heute zu Unrecht hofiert. Christian Dorbandt, Vice President and Publisher: Bruce Brandfon  Helmut Fink, Nürnberg Erhältlich im Zeitschriften- und Bahnhofs­ buchhandel und beim Pressefachhändler

SPEKTRUM DER WISSENSCHAFT · August 2009 mit diesem Zeichen.

Wahrnehmung zauberhaft ausgetrickst Hände, Stab & Hut: iStockphoto / James Steidl [M]; Hirn: SDW / Meganim; Composing: SDW / Claus Schäfer

Wie Zauberer mit der Wahrnehmung spielen, Juni 2009

Der Artikel erinnert an das Parken eines Raumschiffs im »Problem-anderer-Leute-Feld« im Roman »Per Anhalter durch die Galaxis«: Obwohl tausende Menschen daran vorbeilaufen, bemerkt es niemand. Dabei zählt ein Raumschiff zum Außergewöhnlichsten, was man sehen kann. Dieter Sulzbacher, Traismauer, Österreich

Funktioniert Magie bei Autisten? Ich habe das Buch »Ich sehe die Welt wie ein frohes Tier« von Temple Gran­ din und kurz darauf Ihren Artikel »Gehirn und Magie« gelesen und fra­ ge mich nun, ob sich Autisten von Magiern täuschen lassen. Corinne Suter Trevissoi, Zollikon, Schweiz

Nachbarschafts­ beziehungen Der Ur-Sprung des Alls, Mai 2009 Die von Professor Bojowald beschrie­ bene Theorie erlaubt offenbar auch dem interessierten Laien das Mitdenken und verdammt ihn nicht nur zum Staunen und Glauben. Ich frage mich sofort, ob jedes Raumatom eine feste Anzahl ­Nachbarn hat. Wird durch die Nach­ barschaftsstruktur der dreidimensionale Raum aufgespannt? Im Artikel klingt an, dass Photonen, wenn sie »über die Raum­atome hüpfen«, verzerrt werden. Bedeutet die diskrete Struktur nicht auch, dass nicht beliebig kleine Winkel realisiert werden können? Harald Kirsch, Düsseldorf

Antwort des Autors Martin Bojowald: Ein Gitter der Raumatome ist im Allge­ meinen irregulär, das heißt, unterschied­ liche Atome haben unterschiedlich viele Nachbarn. Die Dynamik der Quanten­ gravitation bestimmt, dass Atome nicht nur zu größerem Volumen angeregt, son­ dern auch neu erzeugt werden können. Wegen des intimen Wechselspiels von Raumzeit und Materie in der allgemei­ SPEKTRUM DER WISSENSCHAFT · August 2009 

Antwort des Zauberers Thomas Fraps: Ich vermute, dass bestimmte Zauber­ kunststücke bei einem Autis­ten nicht wie gewohnt funktionieren. Vor allem wird die physische Ablenkung durch Gesten und Blicke sehr viel weniger erfolgreich sein. Das Spiegelneuronen­ system spielt meines Erachtens dabei

eine wichtige Rolle – und die Spiegel­ neurone sollen ja bei Autisten beein­ trächtigt sein. Andererseits ist die Zauberkunst so reichhaltig, dass es möglich sein sollte, mit Tricks, die nicht auf physischer Ablenkung basie­ ren, auch Autisten ein Gefühl der Verblüffung zu vermitteln.

nen Relativitätstheorie hängt die genaue Zahl von Nachbarn in unterschiedlichen Regionen auch von der Materie im Uni­ versum ab. Für die Größe von Winkeln gibt es durchaus Limitierungen, die sich mit größerer Schenkellänge in einem Drei­ eck aber nicht stärker bemerkbar ma­ chen. Ein Dreieck müsste zwar auf die Atome des Raums gezeichnet werden, was nur eine diskrete Menge für die Eck­ punkte zulässt, aber für makroskopische und damit direkt messbare Dreiecke wäre das Raster immer noch fein genug.

Schattenring aus Mondstaub Sonnenschirm für den Blauen Planeten, Juli 2009 Mir erscheint der im Artikel vorgestellte Schutz in Form von steuerbaren Satel­ liten zwar genial, aber etwas überinstru­ mentalisiert. Hat schon jemand die Op­ tion durchgespielt, aus dem Mond ge­ zielt Staub abzusprengen, um damit eine Art Schatten spendenden Ring für die Erde zu generieren? Ähnlich dem E-Ring des Saturns, der durch die Dampf- und

Eisfontänen des Saturnmonds Enceladus gebildet wurde (siehe Spektrum der Wis­ senschaft 6/2009, S. 24)? Hans-Georg Baum, Ulm

Antwort der Redaktion: Dies ist eine interessante Idee, die jedoch vermutlich nicht praktikabel ist: Der technische Aufwand ist zu hoch, der Ef­ fekt wäre für die Erde zu gering, und das platzierte Ringsystem wäre wohl nicht mehr kontrollierbar. Die ausführliche Antwort der Redak­ tion finden Sie unter www.spektrum.de/ artikel/1000007.

Briefe an die Redaktion … … sind willkommen! Tragen Sie Ihren Leserbrief in das Online-Formular beim jeweiligen Artikel ein (klicken Sie unter www.spektrum.de auf »Aktuelles Heft« beziehungsweise »Heftarchiv« und dann auf den Artikel). Oder schreiben Sie mit kompletter Adresse an: Spektrum der Wissenschaft Redaktion Leserbriefe Postfach 104840 69038 Heidelberg (Deutschland) E-Mail: [email protected]

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LESERBRIEFE

Zehn Jahre »Bologna-Prozess« – ein Bloggewitter auf den SciLogs Am 19. Juni 1999 stießen die Europäischen Bildungsminister mit ihrer Erklä­rung zum »Europäischen Hochschulraum« den so genannten »Bologna-Prozess« an. Über die Folgen und Zukunftsaussichten für die deutschen Universitäten diskutierten Professoren, Rektoren, Verbandspräsidenten und Journalisten eine Woche lang auf unserem Blogportal www.scilogs.de. Hier einige Auszüge:

Stefan Schleim, Philosoph, Universität Bonn:

Durch die Ökonomisierung der Hoch­ schulen werden kurzfristig die Unterneh­ men profitieren, die ihren Bedarf an stan­ dardisiertem und flexibilisiertem Human­ kapital decken wollen. Langfristig werden aber unsere Demokratien einen hohen Preis für den Verlust einer Kultur bezah­ len müssen, auf deren Fundament unsere Gesellschaften gebaut sind; für den Ver­ lust einer Kultur, die uns Europäer einst groß gemacht hat. Man kann diesen Ort, die Universi­ tät, an dem Ideen entstanden sind, wel­ che die Welt verändert haben, nicht ein­ fach mit kapitalistischer Logik kurz­ schließen und glauben, das würde nicht auch wieder auf die Gesellschaft zurück­ wirken. Margret Winter­ mantel, Präsidentin der Hochschul­ rektorenkonferenz:

Mit der Studienre­ form hat auch die Lehre an Bedeutung gewonnen. Ergebnisse der Hochschulfor­ schung zeigen, dass über die Lehrqualität in den neuen Studiengängen ein positives Resümee gezogen werden konnte. In vie­ len Hochschulen hat sich gezeigt, dass die methodischen und didaktischen Kon­ zepte der Lehrenden in den modularisier­ ten Studiengängen von Seiten der Studie­ renden deutlich besser als in den traditio­ nellen Studiengängen beurteilt werden. Die studienbegleitende Auslandsmo­ bilität hat sich gegenüber den traditio­ nellen Studiengängen in den ersten sechs Hochschulsemestern nicht wesentlich verändert. Die Mobilität findet insbe­ sondere in den höheren Hochschulsemes­ tern statt – hier ist sie sogar um einige Prozentpunkte gestiegen. In den Bache­ 10

lorstudiengängen hingegen gibt es ver­ schiedene Mobilitätshindernisse, auf die die Hochschulen noch besser eingehen sollten. Hier könnten sie zum Beispiel Mobilitätsfenster einrichten und syste­ matische Anerkennungsverfahren entwi­ ckeln und verstärkt internationale Hoch­ schulkooperationen aufbauen, um durch Instrumente wie Learning Agreements oder Joint Degrees die Mobilität von Studierenden zu unterstützen. Josef Pfeilschifter, Dekan des Fachbe­ reichs Medizin der Goethe-Universität Frankfurt/Main:

Letztlich tragen wir, die Hochschulange­ hörigen selbst, die Verantwortung für unser Tun, auch die Verantwortung da­ für, dass es uns ermöglicht wird, das zu tun, was wir für richtig halten. Man ent­ geht dieser Verantwortung nicht, indem man die Verantwortungslosigkeit der Po­ litik einfach zum systemischen Motto der Universität macht.

versitäten oder um spezifische Probleme bei der Umsetzung der Reform. Hinter­ grund der Studentenproteste ist viel­ mehr die Einsicht, dass Bildung und Forschung seit Jahren systematisch ans untere Ende aller Prioritätenlisten ge­ schoben werden. Banken werden geret­ tet, Renten erhöht und Subventionen an alles verteilt, was nicht bei drei auf dem Baum ist – während in den Hörsälen der Putz von der Decke bröckelt und sich 70 oder mehr Studenten einen Do­ zenten teilen müssen. Es ist die Wahr­ nehmung, dass Schulen und Universi­ täten, mithin die Zukunft des Landes selbst, Gesellschaft und Politik kaum ei­ nen feuchten Furz wert sind. Deswegen gehen Studenten seit Jahren immer wie­ der auf die Straße. Albert Albers, Leiter des Instituts für Produktentwicklung der Uni­versität Karlsruhe und Präsident des Allgemeinen Fakultätentags: Wie steht es um die Verbesserung der Mo­

bilität von Studierenden und Lehren­den, einer Kernidee der Bologna-Erklärung?

Wir sollten den Bologna-Prozess als das brandmarken, was er ist: verantwortungsloser Unsinn Man kann seinen Lehrstuhl aufgeben und sich ins Privatleben zurückziehen wie der Kollege Reiser aus Mainz. Das ist honorig, aber nicht wirklich hilfreich. Besser wäre es, wenn wir gemeinsam auf die Barrikaden gingen und den BolognaProzess innerhalb und außerhalb der Medizin als das brandmarken würden, was er ist: verantwortungsloser Unsinn. Lars Fischer, Wissenschaftsjournalist:

Es geht schon lange nicht mehr um be­ stimmte Missstände an einzelnen Uni­

Die kurze Studiendauer zum Erreichen der Abschlüsse durch die oft gewählte Art der Stufung und auch der erhöhte zeitliche Aufwand im Studium mit sei­ nen verschulten Stundenplänen haben eher zu einer Verringerung der Mobilität bei den Studierenden geführt – auch wenn mit der Ratifizierung der LissabonKonvention die Grundlage zur Anerken­ nung von im Ausland erbrachten Leis­ tungen geschaffen wurde. Gleiches gilt beim Praxisanteil der Studiengänge, der oft ebenfalls einer reduzierten Studien­ dauer geopfert wurde. Ist es richtig, eine SPEKTRUM DER WISSENSCHAFT · August 2009

stringent begrenzte Studiendauer durch ein Weniger an Mobilität und Erfahrung zu erkaufen? Hier ist ein Umdenken ­gefragt. Arend Oetker, Präsident des Stifterver­ bands für die deutsche Wissenschaft:

Viele Hochschulen haben es sich bis weit in die Gegenwart hinein geleistet, die Studierenden mit ihrem Studium weit gehend allein zu lassen. Das kam viel­ leicht einer kleinen Minderheit exzel­ lenter Studierender zugute, ignorierte ­jedoch die Bedürfnisse der Mehrheit, die Orientierung, Betreuung und Berufs­ orientierung verlangt und benötigt. Die Folge waren überlange Studienzeiten und hohe Abbrecherquoten. In der »Ge­

in meinem tempo zu bilden. eigentinte­ resse und motivation gleich null, son­ dern auftaktierter stundenplan. dass viele studenten und lehrende da schlapp ma­ chen (anfangen zu tricksen, um den druck gerecht zu werden), empfinde ich als einen ganz natürlichen prozess …« Der Geist von Bologna scheint tat­ sächlich das Studium auf die allgegen­ wärtige Zeit-ist-Geld-Ideologie gestutzt zu haben. Michael Blume, Religionswissenschaftler, Universität Heidelberg:

Wenn in Deutschland mehr Kinder den Bildungsaufstieg schaffen und Wind in die deutsche Ständegesellschaft (inklusive der Universitäten) bringen sollen, dann

Durch den Bologna-Prozess hat sich eines gewandelt: Die Studierenden stehen nun im Mittelpunkt meinschaft der Lehrenden und Lernen­ den« spielten in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts die Lernenden nur eine Nebenrolle. Durch den Bologna-Prozess hat sich dies entscheidend gewandelt: Die Stu­ dierenden stehen nun im Mittelpunkt. Annette Leßmöllmann, Professorin für Wissenschaftsjournalismus, Hochschule Darmstadt:

Es geht um das Grundgefühl: Was haben wir, verflucht noch mal, der Universität angetan? Das Grundgefühl ist schlecht, und das ist durchaus ein Massenphäno­ men. Kein Gespräch mit Eltern, die über ein Universitätsstudium ihrer Kinder nachdenken, das nicht von Sorge oder sogar massiver Ablehnung dem neuen System gegenüber geprägt ist. Wieso glauben Akademiker, die selbst ein Pro­ dukt des vergangenen Universitätssys­ tems mit all seinen Nachteilen waren, an das neue Bologna-System so wenig, dass sie ihm ihre Kinder auf keinen Fall an­ vertrauen wollen? Werner Große, Medienwissenschaft­ ler an der Technischen Universität ­Braunschweig:

Als ich jüngst einen halb leeren Hörsaal ermahnen musste, dass es wohl nicht an­ gehe, wenn 90 Studierende in der Anwe­ senheitsliste eingetragen, aber nur 60 (!!!) leibhaftig zu sehen seien, schrieb mir an­ schließend eine »Nichtbetroffene«: »… ich muss funktionieren, statt mich selbst SPEKTRUM DER WISSENSCHAFT · August 2009 

muss die Reform der Hochschulen an den Kindergärten und Grundschulen be­ ginnen. Mehr Erzieher und Erzieherin­ nen mit besserer Ausbildung und Bezah­ lung sowie Karrierechancen für beson­ ders Engagierte müssten das Hauptanlie­ gen aller sein, denen es wirklich um Chancengleichheit (und nicht nur die je eigenen Interessen) geht! Und wer Studi­ engebühren empörend unsozial findet, sollte zuallererst auf die Senkung der Kindergartengebühren drängen, die jun­ ge Familien – meist am Berufsanfang – um einen vielfach höheren Betrag bela­ sten, ohne dass die geringste Chance auf einen Eigenverdienst, ein Stipendium oder einen Bildungskredit besteht. An den Hochschulen selbst ließe sich mit besserer Vereinbarkeit von Familie und Studium zudem viel für die kom­ mende Generation und deren Eltern tun. Wenn sich in Köpfen und Struk­ turen durchsetzen ließe, dass man Kin­ der auch schon während Studium, Pro­ motion et cetera großziehen kann, dann würden unsere Hochschulen nicht nur bunter, lebensnäher und zugleich ernst­ hafter, nicht nur mehr Kinder auch in Akademikerfamilien geboren – sondern auch das Dilemma entschärft, das bisher vor allem Frauen betrifft, wonach man sich nach dem Studium nur noch entwe­ der gegen Kinder oder gegen Karriere entscheiden könne. Wer heute Kinder und deren Eltern stärkt, stärkt auch die Gesellschaften und Hochschulen von morgen!

Ernst Th. Rietschel, Präsident der Leib­ niz-Gemeinschaft:

Sie haben begeiste­ rungsfähige Profes­ soren und Studenten. Sie verfügen über die grundgesetzlich verbriefte Freiheit, ihre Ziele in Forschung und Lehre ohne äu­ ßeren Einfluss zu verfolgen, die Wissen­ schaft in Disziplinen zu entwickeln und den wissenschaftlichen Nachwuchs heran­ zuziehen. Sie sind Drehscheibe für den Austausch von klugen Köpfen. Unsere Universitäten haben viele Stärken. Es gibt aber auch Schwächen. Ein Teil ist hausgemacht, der Kern der Probleme liegt jedoch darin, dass die deutschen Universitäten dramatisch unterfinanziert sind. Ein schlagendes Beispiel sind die Betreuungsrelationen, die lange kritisch waren und sich zu einem katastrophalen Zustand hin entwickelt haben. Paula Schramm, Chemikerin

Vollgepresste Stundenpläne und abgabe­ pflichtige Tutorien ermöglichen es sel­ ten, neben dem Studium zu arbeiten, ohne dass selbiges darunter leidet. Nun sind Studiengebühren keine Konsequenz des Bologna-Prozesses, allerdings greifen beide Reformen so ineinander, dass die Exklusivität und Unerreichbarkeit von Universitätsabschlüssen wieder zunimmt. Diese Entwicklung kann in einer Gesell­ schaft, in der trotz Krise ein Mangel an gut ausgebildeten Fachkräften herrscht, nicht erwünscht sein. In einer sich als frei und demokratisch verstehenden ­Gesellschaft kann das nicht akzeptiert werden. Die Art und Weise, wie an vielen Fa­ kultäten der Bologna-Prozess umgesetzt worden ist, ist vergleichbar mit einem neuen Korsett, mit Rüschen und Paillet­ ten besetzt. Es ist schön und soll die al­ ten universitären Strukturen in neuem Glanz erstrahlen lassen, aber auch das Korsett ändert nichts an den grundle­ genden Strukturschwächen, dem dicken Bauch sozusagen, der deutschen univer­ sitären Bildung. Es schnürt lediglich den Studierenden die Luft ab. Es scheint mir, als sei die Trägheit an deutschen Univer­ sitäten kurz vor knapp in Panik und überstürzten Aktionismus umgeschlagen. Alle Beiträge unserer Scilogsblogger zu »Bologna«: www.scilogs.de/bologna Das Blogportal SciLogs: www.scilogs.de

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Spektrogramm PALÄONTOLOGIE

ZOOLOGIE

Urahn von Mensch und Affen entdeckt

Lernfähige Fische

q Ein Fossil aus der Ölschiefergrube Messel erwies sich nun als das weltweit älteste komplett erhaltene Exemplar eines Primaten. Das vor rund 47 Millionen Jahren gestorbene Tier wurde von den Forschern

q Auch der Neunstachlige Stichling verfügt über die Fähigkeit zum sozialen Lernen: Er vergleicht das Verhalten seiner Artge­nossen mit den eigenen Erfahrungen, um seine Nahrungsquellen optimal zu wählen. In einem Experiment mit 270 Stichlingen konditionierten Forscher um Jeremy Kendal von der Durham University (England) einen Teil der Fische zunächst darauf, in einem Wasserbecken von zwei Futterspendern denjenigen auszuwählen, der mehr Würmer abgab. Danach konnten die Tiere eine andere Gruppe bei der Nahrungsaufnahme beob­achten. Diesmal waren allerdings die beiden Spender vertauscht, und die zweite Stichlingsgruppe bevorzugte folglich denje­ nigen, der zuvor der schlechtere gewesen war. Dann durften die Originalfische wieder ins Becken. Würden sie sich umentscheiden? Tatsächlich reagierten die Fische unerwartet clever: Ob sie bei ihrer früheren Wahl blieben oder ihre Artgenossen nachahmten, hing davon ab, wie viele Würmer diese an ihrem Spender bekommen hatten. Waren das mehr, als sie selbst an dem für sie ergiebigeren anderen Exemplar erhalten hatten, schwenkten 78 Prozent der Fische um und wählten nun den zuvor verschmäh­ ten Spender. Waren es aber nur gleich viel oder weniger Würmer, sahen die meisten keinen Grund für einen Wechsel.

Forschungsinstitut Senckenberg, Frankfurt

Mit einem Alter von 47 Millionen Jahren ist dieses Fossil das weltweit älteste komplett erhaltene Skelett eines Primaten.

um Jörn Hurum von der Universität Oslo nach dessen kleiner Tochter Ida getauft. Der offizielle wissenschaftliche Artname lautet dagegen Darwinius masillae. Das Fossil stammt von einem weib­ lichen Jungtier, das vom Kopf bis zur Schwanzspitze 58 Zentimeter maß. »Wir haben nicht nur das vollständige Skelett, sondern auch die kompletten Körper­ umrisse und den Darminhalt«, schwärmt Jens Lorenz Franzen vom Forschungsinsti­ tut Senckenberg in Frankfurt, der an den Untersuchungen beteiligt war. Die systema­ tische Einordnung des Tiers ist noch unklar. Es hat große Ähnlichkeit mit den Lemuren, doch fehlen ihm die charakteris­ tischen vorstehenden Schneidezähne, die bei der Fellpflege die Funktion eines Kamms übernehmen, sowie die Putzkralle am zweiten Zeh. Andere Merkmale wie das Sprunggelenk deuten bereits auf die Entwicklung zum Affen hin. Höchstwahr­ scheinlich handelt es sich um einen ­Trockennasenaffen, zu denen die Ahnen der höheren Primaten zählen. Das Fossil besteht aus einer Haupt- und einer Gegenplatte. Schon 1983 hatte es ein privater Sammler ausgegraben. Bis vor zwei Jahren blieb es in Privatbesitz, dann wurde der wertvolle Fund zum Verkauf angeboten. So gelangte »Ida« nach Oslo. 

PLoS One, Bd. 4, e5723



Behavioral Ecology, Bd. 20, S. 238

infoChemie

Nicht nur für Rothäute: Rauchzeichen 2.0 q Ein Feuerwerk ist ein farbenfrohes Spektakel. Dabei bestaunen die Zuschauer effektvoll eingesetzte chemische Reaktio­ nen. Den Feuerwerkskörpern sind Metall­ verbindungen beigemischt, die bei großer Hitze Licht charakteristischer Wellenlängen aussenden – was Chemiker seit 150 Jahren für die Spektralanalyse nutzen. Diese Eigenschaft haben Forscher von der Har­ vard University in Cambridge (Massachu­

Beim Abbrennen des Nitrozellulosestreifens wechselt die Flamme ihre Farbe, sobald sie einen Metallpunkt erreicht; hier leuchtet sie vorübergehend blau.

setts) jetzt herangezogen, um Informatio­ nen zu verschlüsseln und ohne Elektrizität zu übermitteln. Mit einem Tintenstrahldrucker brachten George M. Whitesides und seine Kollegen feine Punkte aus verschiedenen Metallsal­ zen auf einen dünnen Streifen Nitrozellulo­ se. An einer Seite entzündet, brennt diese »Infolunte« rasch ab. Sobald die gelbliche Flamme einen Metallpunkt erreicht, er­ strahlt sie in der Spektralfarbe des betref­ fenden Metalls. Diese kann ein geübtes Auge, in jedem Fall aber ein Spektrometer identifizieren. Mit nur drei Alkalimetallen – Lithium, Rubidium und Zäsium – ver­ mochten die Wissenschaftler so ihre zen-

trale Botschaft in vier Sekunden zu über­ mitteln: »look mom no electricity« (»guck mami kein strom«). Ein Buchstabe wurde dabei durch die Abfolge von zwei Blitzen definiert, die jeweils ein-, zwei- oder dreifarbig waren. Die Forscher bezeichnen ihr neues Gebiet als »Infochemie«. Ihrer Ansicht nach ermöglicht es eine Kommunikation, die einige Vorzüge gegenüber der elektrischen Signalleitung aufweist. So liefert die Nitrozellulose selbst die benötigte Energie und entlädt sich nicht von allein mit der Zeit. Und schneller als die Rauchzeichen der Indianer ist die Methode auch. 

PNAS, Bd. 106, S. 9147 George M. Whitesides, Harvard University

Exoplaneten

In 1½ Tagen um die Sonne q Neumond, Halbmond und Vollmond – jeder kennt die Phasen des Erdtrabanten aus eigener Anschauung. Galileo Galilei brauchte dagegen vor 400 Jahren schon ein Fernrohr, um die wechselnde Beleuchtung der Venus zu beobachten und so eine Bestätigung für das heliozentrische Weltbild zu erhalten. Noch wesentlich mehr Mühe hatte jetzt ein Astronomenteam um Simon Albrecht von der Universität Leiden (Niederlande), bis ihm erstmals die gleiche Beobachtung an einem extrasolaren Planeten gelang. Dabei handelt es sich um einen Gasriesen mit ungefähr der Masse von Jupiter, aber der 1,5-fachen Ausdehnung. Er umkreist einen 1560 Lichtjahre entfernten Stern in so kurzer Distanz, dass er für einen Umlauf nur eineinhalb Tage benötigt. Die Forscher bedienten sich des französischen Satelliten CoRoT (Convection, Rotation and Planetary Transit), der mit seinen Messinstrumenten weit ent­ fernte Planeten aufspüren kann, wenn sie vor ihrer Sonne vorbeiziehen und diese teilweise verdecken. Beobachtungsobjekt war der erste mit diesem Satel­ liten entdeckte Exoplanet namens CoRoT-1b. Über 55 Tage richteten die Wissenschaftler ihren Blick auf ihn sowie seinen Zentralstern und maßen die Änderung der Lichtintensität im roten Bereich des Spektrums. Die Helligkeit nahm, wie sich zeigte, synchron zur Umlaufperiode zu und ab. Ähnlich wie auf unserem Planeten der Mond abhängig von seiner Phase die Nacht mehr oder weniger stark erhellt, reflektiert CoRoT-1b – je nachdem, an welcher Stelle seiner Bahn er sich befindet – unterschiedlich viel Licht seines Zentralsterns in Richtung Erde. 

Nature, Bd. 459, S. 543

Leiden Observatory, Universität Leiden

Wie der Mond leuchtet auch der Exoplanet CoRoT-1b – hier eine fantasievolle Darstellung – je nach seiner Position auf der Umlaufbahn unterschiedlich hell.

Kenneth P. Olive und Michael A. Jacobetz, Cambridge Research Institute

ONKOLOGIE

Hoffnung beim Pankreaskarzinom q Ein Adenokarzinom der Bauchspeichel­ drüse zählt zu den tödlichsten Krebs­ geschwüren – unter anderem, weil es auf eine gewöhnliche Chemotherapie kaum anspricht. Nach einer neuen Untersuchung ist dafür die geringe Durchblutung des Tumors verantwortlich. Dadurch gelangt der Wirkstoff nicht in der benötigten Dosis in das Zielgewebe. Das fanden David A. Tuveson vom Cambridge Research Institute (England) und Kollegen durch Experimente mit einem genetisch veränderten Mäusestamm heraus. Bei diesen Tieren lässt sich ein Pankreaskarzinom auslösen, das in allen wesentlichen Merkmalen dem des Men­ schen entspricht. Detaillierte Untersuchun­ gen des Tumorgewebes mit verschiedenen Methoden ergaben, dass es äußerst SPEKTRUM DER WISSENSCHAFT · August 2009

schlecht durchblutet ist. Dadurch können Zytostatika wie Doxorubicin oder Gem­ citabin kaum eindringen und bleiben weit gehend wirkungslos. Das ließ sich durch die Gabe von IPI926 bessern. Dieses Medikament beein­ flusst den zellulären »Hedgehog-­Signalweg« und hemmt so die Bildung von Bindegewe­ be, die der Krebs auslöst, um sich abzu­ schotten. Auf diese Weise sorgte IPI-926 in den Experimenten für eine deutlich stär­ kere Durchblutung des Tumors. Auch Gemcitabin gelangte dadurch effizienter in das Gewebe und erreichte dort eine we­ sentlich höhere Konzentration. Demnach könnte eine Kombination der beiden Wirkstoffe eine erfolgreichere Behandlung des Pankreaskarzinoms ermöglichen. 

Science, Bd. 324, S. 1457

Die Lebermetastase eines Pankreastumors enthält anders als gesundes Gewebe kaum Blutgefäße (rot) und nimmt deshalb fast nichts von dem Krebshemmstoff Doxorubicin (grün) auf.

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ARCHÄOLOGIE

Inventur unserer Hautbewohner q Solange die menschliche Haut intakt ist, bekommen wir vom Getümmel der unzähli­ gen Bakterien darauf nichts mit. Das ändert sich bei Krankheiten wie der atopischen Dermatitis, bei denen die Schutzfunktion des größten Organs des Menschen beein­ trächtigt ist. Juckende Entzündungen können die Folge sein. Bisher war es jedoch schwie­ rig, die Übeltäter zu identifizieren, denn nicht alle Bakterien lassen sich ohne Weiteres im Labor kultivieren. Deshalb nutzten Julia A. Segre vom National Human Genome Institute in Bethesda (Maryland, USA) und ihre Kollegen jetzt genetische Methoden, um die verschiedenen Arten unserer Hautbe­ woh­ner genauer zu bestimmen. Dabei kon­zentrierten sie sich auf die so genannte 16S-rRNA. Die Untereinheit der Eiweißfabri­ ken (Ribosomen) in allen Mikroorganismen eignet sich gut zu deren Charakterisierung.

Nur wenige Bakterienarten lassen sich auf solchen Agarplatten kultivieren. Deshalb wurde die Vielfalt der Mikroben auf der menschlichen Haut bisher beträchtlich unterschätzt.

Die Forscher entnahmen bei zehn gesunden Personen Proben an 20 verschie­ denen Körperstellen, die sich grob in drei unterschiedliche Typen einteilen lassen – trocken, feucht und fettig. Die Analyse ergab erstaunlich große Abweichungen in der Artenzusammensetzung der einzelnen Areale. Die Forscher sprechen von ökolo­ gischen Unterschieden wie »zwischen Regenwald und Wüste«. Zudem haben die nicht kultivierbaren Arten einen weitaus höheren Anteil als bisher gedacht. 

Älteste Flöte von Homo sapiens q Schon vor gut 35 000 Jahren erklang Musik in der Schwäbischen Alb: Höhlen­ bewohner spielten – vielleicht am Feuer sitzend – auf einer Flöte. Das aus dem Flügelknochen eines Gänsegeiers ge­ schnitzte Instrument haben Archäologen um Nicholas Conard von der Universität Tübingen kürzlich in der Höhle »Hohle Fels« entdeckt, die etwa 20 Kilometer westlich von Ulm liegt. Es zählt zu den ältesten seiner Art. Die Flöte verfügt über fünf Grifflöcher. Als Mundstück dienten zwei tiefe v-förmige Kerben. Obwohl das Instrument in zwölf Stücke zerbrochen war, ist es sehr gut erhalten. Die Forscher fanden es in der untersten Schicht, die zum so genannten Universität Tübingen, H. Jensen

Julie Segre, NHGRI Bethesda

Spektrogramm

DERMATOLOGIE

Science, Bd. 324, S. 1190

MATERIALWISSENSCHAFTEN

Halbleiter aus Nanokristallen

MV Kovalenko et al., Science Bd. 324, Nr. 5933 / AAAS

q Als Bausteine der Elektronik sind Halb­ leiter aus unserem Alltag nicht mehr wegzudenken. Allerdings ist ihre Herstellung, weil sie die Züchtung großer Einkristalle erfordert, aufwändig und teuer. Nun konnte ein Forscherteam um Maksym V. Kovalenko von der University of Chicago durch ge­schickte Kopplung von winzigen, kolloidal gelösten Nanokristallen erstmals technisch verwertbare Halbleiter sehr viel preis­ werter gewinnen. Die Forscher griffen dazu auf ein schon länger erprobtes Verfahren zurück. Dabei lässt man die Nanopartikel in Anwesenheit von organischen Verbindungen wachsen, die als Abstandshalter fungieren und dafür sorgen, dass die Teilchen nicht zu groß werden oder verklumpen. Zugleich halten sie die Nanokristalle in Lösung, indem sie

zwischen ihnen und der Flüssigkeit vermit­ teln. Sie haben jedoch einen großen Nachteil: Sie wirken elektrisch isolierend. Kovalenko und seine Kollegen über­ legten deshalb, wie zu erreichen wäre, dass zwischen den Teilchen elektrische Ladungen fließen können. Die Lösung: Sie tauschten die organischen Verbindungen nachträglich gegen Metall-ChalcogenidKomplexe aus. Auch diese wechselwirken, wie sich zeigte, mit der Kristalloberfläche und stabilisieren den kolloidalen Lösungs­ zustand. Durch mäßiges Erhitzen auf etwa 180 Grad Celsius aber lässt sich anschlie­ ßend das Lösungsmittel komplett entfer­ nen. In dem entstehenden Festkörper sind die Nanokristalle über die Metall-Chalco­ genid-Komplexe vernetzt. Er ist, wie sich zeigte, nicht nur halbleitend, sondern in modifizierter Form auch für elektronische Schaltungen geeignet. 

Science, Bd. 324, S. 1417

Gold-Nanokristalle, die über Zinnsulfid-Komplexe zu einem Gitter verknüpft sind – hier eine elektronenmikroskopische Aufnahme –, bilden einen halbleitenden Feststoff.

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Diese 35000 Jahre alte Flöte entdeckten Archäologen um Nicholas Conard von der Univerität Tübingen auf der Schwäbischen Alb.

Auri­­gnacien gehört – der ältesten europä­ ischen Kultur, die mit dem Homo sapiens in Verbindung gebracht wird. Daneben fanden sich behauene Steine, bearbeitetes Elfen­ bein und verbrannte Knochen von Rentie­ ren, Mammuts und Höhlenbären. Nur Menschenknochen wurden bislang nicht entdeckt. Trotzdem geht Conard davon aus, dass moderne Menschen – und nicht etwa Neandertaler – das Instrument einst herstellten. Unsere Urahnen wanderten damals entlang der Donau in die Region ein. Nur 70 Zentimeter entfernt von der Knochenflöte hatten die Archäologen kürzlich eine Frauenfigur, die »Venus vom Hohle Fels« gefunden. Conard hält einen Zusammenhang zwischen beiden Funden für möglich: Vielleicht sei das Aufkommen einer musikalischen Tradition mit der Herstellung figürlicher Kunstwerke einher­ gegangen. 

Nature, Online-Vorabveröffentlichung

Mitarbeit: T. Rueß, C. Tack, A. Baumann SPEKTRUM DER WISSENSCHAFT · August 2009

Wie die ersten Sterne entstanden, ist eine wichtige Frage der Kosmologie. Zur Beantwortung bleiben nur Computersimu­ lationen. Diese ergaben bisher, dass die ersten Sterne allesamt schwergewichtige Einzelgänger mit mindestens der 30-fachen Sonnenmasse waren, die nach kurzem Dasein als Supernovae verglühten. Ganz so eintönig ging es im frühen Kosmos aber offenbar doch nicht zu. Als Forscher von der Stanford University (Kalifornien) nun fünf neue dreidimensionale Simulationen

bild des monats unter Bedingungen durchführten, wie sie 200 Millionen Jahre nach dem Urknall herrschten, spaltete sich in einem Fall eine kolla­ bierende Gaswolke von rund 50 Sonnenmassen in zwei ungleich schwere Haufen auf. Deren Abstand war etwa 14-mal so groß wie der Durchmesser unseres Sonnensystems. Statt eines Einzelsterns entwickelte sich also ein sich umkreisendes Paar. Das Computer­ bild zeigt die Verteilung der Gasdichte am Ende der Simulation; sie nimmt von dunkelrot über orange nach gelb und weiß zu.

Matthew J. Turk und John Abel, KIPAC, SLAC, Stanford University / Science, AAAS

Zweisamkeit bei den ersten Sternen

FORSCHUNG AKTUELL Klimageschichte

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Mehr Kohlendioxid als seit Jahrmillionen Kalkschalen mikroskopisch kleiner Meeresorganismen haben Forschern nun die Kohlendioxidkonzentration in der Atmosphäre seit 2,1 Millionen Jahren verraten. Demnach enthielt die Luft in all der Zeit nie auch nur annähernd so viel von dem Treibhausgas wie heute. Von Sven Titz

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Bärbel Hönisch, Lamont-Doherty Earth Observatory, Columbia University

ie Lieblingstiere der Paläoklimatolo­ gen sind mikroskopisch klein, leben in der Regel im Meer und haben ein bi­ zarres Gehäuse aus Kalk. Nach ihrem Tod rieseln die einzelligen Lebewesen, wissenschaftlich Foraminiferen genannt, auf den Grund des Ozeans, sofern er nicht zu tief ist (sonst lösen sie sich vor­ her auf ). Dort überdauern ihre Schalen die Zeiten – bis Forscher ihre Grabes­ ruhe stören. Die Analyse der weit ver­ breiteten fossilen Gehäuse gibt nämlich Aufschluss darüber, wie warm oder kalt es in der Vergangenheit war. Nun hat ein Team von Wissenschaft­ lern aus den USA und Großbritannien den Kalkschalen eine weitere hochinteres­ sante Information entlockt: wie viel von dem Treibhausgas Kohlendioxid (CO2 ) die Erdatmosphäre in ferner Vergangen­ heit enthielt. Diesbezügliche Daten gab es

bisher praktisch nur von antarktischen Eisbohrkernen, in denen Bläschen aus einstiger Luft eingeschlossen sind. Die aber reichen nur 800 000 Jahre zurück. Fossile Foraminiferen überdecken dage­ gen einen viel größeren Zeitraum. Die Geochemikerin Bärbel Hönisch vom Lamont-Doherty Earth Observato­ ry der Columbia University in New York und ihre Mitstreiter analysierten die Scha­ len solcher Tiere aus Sedimentschichten, die das Bohrschiff »Joides Resolution« vor einigen Jahren im Rahmen des interna­ tionalen Ocean Drilling Program vor der west­afrikanischen Küste nahe dem Äqua­ tor geborgen hatte. Der Fundort liegt in 2700 Meter Tiefe auf einer submarinen Gebirgskette, der Sierra-Leone-Schwelle. Sie ragt noch über die so genannte Lyso­ kline hinaus, unterhalb deren sich Kalk­ schalen wegen des mit der Tiefe stei­ genden Kohlendioxidgehalts im Meer auflösen (sie wandeln sich in lösliches Hy­ Kaltzeiten

Warmzeiten

CO2 (Luft)

CO2 (Luft)

CO2 (Meer)

CO22 (Meer) d B 11  11 

Säuregrad des Meerwassers

Säuregrad d 11 B

d 11 B

Alkalinität pH

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drogenkarbonat um). Deshalb waren die fossilen Foraminiferen dort gut erhalten. Zunächst galt es, ihr Alter zu bestim­ men. Dazu nutzte das Team das Verhält­ nis der schwereren Sauerstoffsorte mit der Massenzahl 18 zum normalen Sauer­ stoffisotop 16O in den Gehäusen der Art Globigerinoides ruber. Dieser Quotient hängt insbesondere von der Temperatur ab. So konnten die Wissenschaftler eine Temperaturkurve erstellen und mit der­ jenigen vergleichen, die aus anderen Quellen erschlossen und zeitlich zuge­ ordnet ist. Daraus ergab sich ein maxi­ males Alter der erbohrten Foraminiferen von 2,1 Millionen Jahren. Der Weg zu den Kohlendioxiddaten war noch etwas verschlungener. Als Fährte dienten Spuren von Bor, die in den Kalkgehäusen von Meeresorganis­ men vorkommen. Die Forscher um Hö­ nisch untersuchten das Mengenverhält­ nis zweier unterschiedlich schwerer Sor­

pCO2

Forscher maßen in erbohrten Foraminiferenschalen vom Meeresgrund massenspektrometrisch den Anteil des schweren Isotops 11B am enthaltenen Bor. Dieser δ11B-Wert steigt mit dem Säuregrad (pH) des Meerwassers, der im Wesentlichen von der Menge des gelösten Kohlendioxids (pCO2) abhängt. Da diese Menge wiederum die CO2-Konzen­ tra­tion in der Atmosphäre widerspiegelt, ließ sich mit der Methode ermitteln, wie viel Kohlendioxid jeweils in der Lufthülle vorhan­ den war. In Warmzeiten enthielten Luft und Meerwasser mehr von dem Gas. Der Ozean war dadurch saurer, weshalb die Foraminiferen weniger 11B in ihre Schalen einbauten. In Kaltzeiten verhielt es sich umgekehrt. SPEKTRUM DER WISSENSCHAFT · August 2009

Aktuell

Das Meer als Sprudelflasche

Den Eisbohrkernen zufolge schwankte der CO2-Gehalt in der Antarktis in den letzten 0,8 Millionen Jahren zwischen 172 und 300 millionstel Anteilen (ppm nach englisch parts per million). Die jüngsten Foraminiferen-Daten variieren im selben Zeitraum zwischen 181 und 297 ppm. Die sehr gute Übereinstim­ mung beweist die Zuverlässigkeit der Methode. Interessant war nun die Frage, ob es in dem neu erschlossenen Intervall bis vor 2,1 Millionen Jahren zu größeren Abweichungen von dieser Spanne kam. Die Antwort lautet Nein: Die CO2-Kon­ zentration bewegte sich nicht nur in ähnlichen Grenzen; die Schwankungs­ breite war sogar noch geringer und lag zwischen 213 und 283 ppm. Damit unterstreicht die Untersu­ chung, wie außergewöhnlich der mo­ mentane Koh­len­di­oxid­ge­halt der Atmo­ sphäre von 385 ppm ist: Er liegt um fast ein Drittel höher als jemals zuvor in den SPEKTRUM DER WISSENSCHAFT · August 2009 

Aus fossilen Schalen dieser Foraminiferen (Globigerinoides sacculifer) ließ sich der Kohlendioxidgehalt der Erdatmosphäre bis vor 2,1 Millionen Jahren rekonstruieren.

vergangenen 2,1 Millionen Jahren. Die Verantwortung dafür trägt der Mensch, der durch die Nutzung fossiler Brenn­ stoffe gewaltige Mengen des Treibhaus­ gases in die Luft bläst. Das ist aber nicht das einzige Ergebnis der neuen Untersuchung. Sie bedeutet wohl auch das Aus für eine Hypothese, mit der manche Forscher eine bislang rät­ selhafte Veränderung in den Eiszeitzyklen plausibel machen wollten. Generell liefert die Milanković-Theorie die heute weithin akzeptierte Erklärung für den Wechsel zwischen Kalt- und Warmzeiten – Glazi­ alen und Interglazialen. Demnach verän­ dert sich durch Schwankungen von Erd­ bahnparametern die Sonneneinstrahlung in den Sommermonaten auf der Nord­ halbkugel, wodurch sich die hohen Brei­ ten periodisch mit kilometerdickem Glet­ schereis überziehen. Parallel zur Tempera­ tur variiert die CO2-Konzentration. Wie Kohlendioxid aus einer erwärmten Spru­ delflasche schneller entweicht, gast bei Erwärmung mehr davon aus den Meeren aus und gelangt in die Atmosphäre, wo es den Treibhauseffekt verstärkt. Bei Kälte geschieht das Umgekehrte. In diesem insgesamt stimmigen Bild gibt es allerdings eine bisher unerklär­ liche Veränderung in der Zeit vor 1,2 bis 0,7 Millionen Jahren: die so genannte Mid-Pleistocene Transition (MPT). Davor folgten die Vereisungen mit einer Periode von 41 000 Jahren aufeinander – dem­ selben Takt, in dem sich der Neigungs­ winkel der Erde gegenüber der Ebene der Planetenbahnen (Ekliptik) ändert. Da­ nach hatten die Glazial-Interglazial-Zy­ klen eine Länge von 100 000 Jahren. Wie diese Periode zu Stande kommt, ist noch umstritten. Möglicherweise hängt sie mit der Exzentrizität der Erdbahn zusam­ men, die im gleichen Zeittakt schwankt. Nach einer unlängst kursierenden Hypothese soll die MPT durch eine all­ mählich sinkende CO2-Konzentration ausgelöst worden sein. Das hätte den Treibhauseffekt geschwächt. Durch die resultierende Abkühlung seien die Verei­ sungszyklen immer tiefer und länger ge­ worden.

Dee Breger, Drexel Nanotechnology Institute Philadelphia

ten dieses Elements – der Isotope 10 B und 11B – in den Schalen der Foramini­ feren-Spezies G. sacculifer. Aus verzwick­ ten chemischen und physikalischen Gründen hängt dieses Verhältnis davon ab, wie sauer oder alkalisch das Meer­ wasser ist. Über den Säuregrad wiede­ rum entscheidet die Menge des in den Ozeanen enthaltenen Kohlendioxids, welche die Konzentration des Gases in der Luft widerspiegelt. Je mehr CO2 die Atmosphäre enthält, desto mehr davon löst sich im Meer, wodurch das Wasser saurer wird und der Anteil von 11B in den Kalkschalen sinkt. Aus dem Mengenverhältnis der Borisotope ließ sich also auf die Kohlendi­ oxidkonzentration schließen, die in der Luft herrschte, als die Foraminiferen einst lebten. Auf diese Weise verlänger­ ten die Forscher um Hönisch die CO2Datenreihe der antarktischen Eisbohr­ kerne ein gutes Stück weiter in die Ver­ gangenheit – bis 2,1 Millionen Jahre vor heute. Stichprobenartig ermittelten sie den Wert während extremer Kältephasen und Warmzeiten dazwischen (Science, Bd. 324, S. 1551). Hönisch hätte gerne eine dichtere Messreihe aufgestellt, um eine höhere zeitliche Auflösung der Da­ ten zu erzielen. Doch dafür dauerten die Analysevorgänge zu lange.

In einem Punkt passen die Foramini­ feren-Daten zu dieser Theorie: Nach der MPT sank die CO2-Konzentration in den Glazialen tiefer als davor, weil die Eiszeiten frostiger wurden und Tempera­ tur und Kohlendioxid nun einmal ge­ koppelt sind. Doch einen allgemeinen Abwärtstrend im Kohlendioxidgehalt der Atmosphäre gab es nicht. In den Warm­ zeiten erreichte die Konzentration des Treibhausgases in der Luft nämlich über die gesamten vergangenen 2,1 Millionen Jahre hinweg ein ähnlich hohes Niveau. Die Foraminiferen-Daten wecken also starke Zweifel an der geschilderten MPTHypothese. Doch bleiben genügend andere Ideen zur Erklärung des Übergangs. Nach An­ sicht einiger Paläoklimatologen könnten Gletscher in Nordamerika eine Schlüs­ selrolle gespielt haben. Sie hätten bei je­ dem Vereisungszyklus immer mehr von dem tonigen Boden Nordkanadas aus­ geräumt und das darunterliegende Ge­ stein freigelegt. Auf dem Fels aber hafte­ ten Gletscher besser. So sei der Eisschild von Zyklus zu Zyklus immer dicker ge­ worden. Andere Forscher vermuten die Ursa­ che der MPT in Veränderungen der Meereisdynamik oder des antarktischen Eisschilds. Welche Hypothese sich als zutreffend herausstellt, müssen weitere Untersuchungen zeigen. Dass die Lieb­ linge der Paläoklimatologen – die Fora­ miniferen – dabei erneut im Mittelpunkt stehen werden, ist nicht auszuschließen. Sven Titz ist promovierter Meteorologe und als freier Wissenschaftsjournalist in Berlin tätig.

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Im Rahmen der Satellitenmissionen PAMELA und Fermi wurden Energiespektren von Elek­tronen, Positronen, Antiprotonen und Gammastrahlung aus dem All gemes­sen. Die darin vermuteten Signale von Dunkler Materie ließen sich jedoch nicht zweifelsfrei nachweisen. Von Georg Wolschin

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as Universum muss etwa fünfmal so viel unsichtbare, dunkle wie nor­ male, leuchtende Materie enthalten. Das ergibt sich indirekt aus zahlreichen Be­ ob­achtungen, Messungen und Berech­ nungen. Die Teilchen der Dunklen Ma­ terie wurden allerdings trotz ihrer Häu­ figkeit bisher nicht entdeckt. Der Grund dafür ist, dass sie lediglich auf die Gravi­ tation und sonst allenfalls noch auf die schwache Wechselwirkung ansprechen; gegenüber der starken und elektroma­ gnetischen Kraft, die im Bereich ge­ wöhnlicher Materie dominieren, sind sie dagegen unempfindlich. Physiker nen­ nen sie deshalb weakly interacting massive particles (schwach wechselwirkende, mas­ sereiche Teilchen) oder kurz WIMPs. Ähnlich den allerdings fast masselosen

Der PAMELA-Detektor befindet sich an der Außenseite des russischen Satelliten Resurs DK1. Er kann Antiteilchen wie etwa Positronen messen und sie von den entsprechenden Teilchen unterscheiden.

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Neutrinos schwirren sie scharenweise wie Geister durchs All und durchdringen da­ bei auch unbemerkt die Erde und unsere Körper. In den meisten theoretischen Model­ len haben diese Teilchen die 100- bis 1000-fache Masse eines Protons. Als guter Kandidat gilt das leichteste der vier so genannten Neutralinos, welche in der supersymmetrischen Erweiterung des Standardmodells der Teilchenphysik auf­ treten. Es gibt prinzipiell drei unterschied­ liche Wege, die spukhaften WIMPs auf­ zuspüren. Am besten wäre es, sie direkt im Experiment zu erzeugen. Das wird mit hochenergetischen Proton-ProtonKollisionen am Large Hadron Collider des europäischen Forschungszentrums CERN in Genf demnächst versucht. Der zweite Weg ist der direkte Nach­ weis der Teilchen in abgeschirmten Un­ tergrundlaboratorien. Dort hofft man sie an dem winzigen Rückstoß zu erkennen, den sie bei der Streuung an Atomkernen in hochempfindlichen Detektoren her­ vorrufen. Von den vielen internationalen Gruppen, die auf dieses Verfahren set­ zen, hat bisher allerdings nur eine (DAMA/LIBRA im italienischen GranSasso-Laboratorium) positive Resultate veröffentlicht. Die können aber ohne un­ abhängige Bestätigung noch nicht als ge­ sichert gelten.

Selbstvernichtung von »WIMPs«

Der dritte Weg zum Nachweis von WIMPs schließlich nutzt aus, dass Neu­ tralinos ihre eigenen Antiteilchen sind und sich deshalb gegenseitig vernichten sollten, sobald zwei von ihnen zufällig zusammenstoßen. Detektoren im All – wie PAMELA und das GammastrahlenSatellitenteleskop Fermi – oder auf der Erde – wie das Tscherenkow-Detektor­

0,3 0,2

Anteil der Positronen

Dunkles Orakel zur Dunklen Materie

Oscar Adriani et al., Nature, Bd. 458, S. 607

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Illustration: Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) / Pamela-Collaboration

FORSCHUNG AKTUELL

Astrophysik

0,1

0,02 PAMELA 0,01

1

10

Energie in Gigaelektronvolt

100

Die Zahl der Positronen, die bei der Wechselwirkung von kosmischer Strahlung mit interstellarer Materie entstehen, sollte zu hohen Energien hin abnehmen (schwarze Kurve). Die PAMELA-Messungen ergaben jedoch einen Anstieg (rote Punkte). Dieser kann von der Selbstvernichtung Dunkler Materie, aber auch von Pulsaren herrühren.

feld H.E.S.S. in Namibia – fahnden seit Kurzem nach den Produkten solcher An­ nihilationsereig­nis­se. Dabei kann es sich neben Photonen vor allem um Elektro­ nen und Protonen sowie deren Antiteil­ chen – Positronen und Antiprotonen – handeln, deren Ener­gien in der Größen­ ordnung der vermuteten WIMP-Masse liegen. Dass solche Partikel wirklich von Dunkler Materie stammen, lässt sich je­ doch nur schwer beweisen; denn bei ge­ nügend hohen Energien entstehen sie auch dann, wenn normale Teilchen – etwa aus der hochenergetischen kosmischen Strahlung – mit interstellarer Materie zu­ sammenstoßen. Ein mögliches Unter­ scheidungsmerkmal ist aber, dass bei sol­ chen konventionellen Prozessen die Häu­ figkeit von Elektronen und Positronen mit wachsender Energie gleichmäßig abneh­ men sollte. Dagegen würde die WIMPSelbstvernichtung für ein Maximum bei einer bestimmten Ener­gie sorgen. Inzwischen liegen erste Ergebnisse der Suche nach Signalen für die Annihilation von Dunkler Materie vor, und sie sind eher durchwachsen. So hat der Detektor PAMELA (Payload for Antimatter Matter Exploration and Light-nuclei Astrophysics) der Europäischen Weltraumagentur ESA, der Mitte 2006 von dem russischen Sa­ telliten Resurs DK1 ins All mitgenom­ men wurde, Elektronen und Positronen mit Energien im Bereich 1,5 bis 100 Mil­ SPEKTRUM DER WISSENSCHAFT · August 2009

liarden Elektronvolt (GeV) aufgespürt (Nature, Bd. 458, S. 607) sowie das Ver­ hältnis von Antiprotonen zu Protonen ermittelt (Physical Review Letters, Bd. 102, Artikel 051101). In 500 Tagen Messzeit registrierte das Gerät etwa 1000 Antiprotonen, davon 100 mit mehr als 20 GeV. Bisher waren überhaupt nur zwei solche Teilchen mit derart hoher Energie in der kosmischen Strahlung entdeckt worden. Das erste Antiproton aus dem All entdeckten As­ tronomen 1979. Hauptquelle dieser Teil­ chen sind Stöße von Proto­nen der kos­ mischen Strahlung mit inter­stellarer Ma­ terie, vor allem Wasserstoff und Helium. Das für diesen Vorgang erwartete Ver­ hältnis von Antiprotonen zu Protonen stimmt bei allen Energien sehr gut dem von PAMELA nachgewiesenen Wert überein. Ein Beitrag aus der Vernichtung von WIMPs zu den nachgewiesenen An­ tiprotonen ist demnach sehr unwahr­ scheinlich. Hoffnung weckte dagegen zunächst das ermittelte Verhältnis von Positronen zu Elektronen. PAMELAs Magnetspek­ trometer kann die beiden Teilchen un­ terscheiden und so dieses Verhältnis als Funktion der Energie bestimmen. Zwar fällt die Messkurve bis etwa fünf GeV stark ab, was zu erwarten ist, wenn die Positronen bei normalen Partikelkollisi­ onen entstehen. Jenseits von etwa zehn GeV steigt sie jedoch plötzlich stark an. Das verlangt nach einer anderen Er­ klärung – so etwa der Selbstvernichtung von WIMPs. Leider ist das nicht die einzige Möglichkeit: Die Positronen könnten auch von nahe gelegenen Quel­ len wie Pulsaren stammen. Dabei handelt es sich um rotierende Neutronensterne, die wie kosmische Leuchttürme Radiopulse aussenden. Mit ihren extrem starken Magnetfeldern kön­ nen sie Elektronen enorm beschleunigen. Die Folge ist eine elektromagnetische Kaskade, in deren Verlauf auch äußerst energiereiche Positronen erzeugt werden, die ins interstellare Medium entweichen. Da deren Reichweite gering ist, können sie nur von relativ nahe gelege­nen Pul­ saren zu uns gelangen. Die bisherigen Messdaten von PA­ MELA reichen nicht aus, um zwischen beiden Möglichkeiten zu unterscheiden. Zusätzliche Hinweise erhoffen sich die Wissenschaftler deshalb vom Fermi-Sa­ telliten, der im Juni 2008 gestartet wur­ de und in erster Linie kosmische Gam­ SPEKTRUM DER WISSENSCHAFT · August 2009 

mastrahlung (Photonen) misst. Dabei re­ gistriert er Punktquellen wie Pulsare, die sich vorwiegend in der galaktischen Ebe­ ne befinden. Zusätzlich untersucht er das Spektrum der »diffusen« galaktischen Gammastrahlung, die aus allen Richtungen kommt. Eine solche Messung hatte vor eini­ gen Jahren schon der EGRET-Satellit vorgenommen – allerdings bei niedrigerer Energie und mit deutlich geringerer Präzision als Fermi. Die damaligen Da­ ten zeigten einen höheren Fluss an kurz­ welliger Gammastrahlung, als mit be­ kannten Prozessen erklärbar war (Spek­ trum der Wissenschaft 4/2006, S. 23). Als mögliche Quelle wurde Dunkle Ma­ terie vermutet, die demnach in zwei Rin­ gen um das galaktische Zentrum der Milchstraße verteilt wäre. Bei ihrer An­ ni­hilation entstehen laut Theorie unter anderem Quark-Antiquark-Paare, aus de­nen neutrale Pionen hervorgehen, die wiederum in zwei Gammaquanten zer­ fallen. Die wesentlich genauere neue Messung hat das frühere EGRET-Resul­ tat allerdings nicht bestätigt.

Zweimal falscher Alarm

Der Satellit Fermi weist hochenergeti­ sche Photonen dadurch nach, dass sie in den Wolframschichten seines Detektor­ systems Elektron-Positron-Paare bilden; die Energie dieser Teilchenpaare wird dann in einem elektromagnetischen Ka­ lorimeter gemessen und daraus die Ener­ gie der Lichtquanten bestimmt. Der Sa­ tellit kann deshalb prinzipiell auch direkt Elektronen und Positronen aus der kos­ mischen Strahlung messen, wenn auch nicht unterscheiden. Dazu müssen nur einige Schwierig­ keiten überwunden werden, was der Fer­ mi-Kollaboration jedoch gelungen ist. Dadurch konnten die Forscher die bisher genaueste Messung des Elektronen- plus Positronenflusses zwischen 20 und 1000 GeV vornehmen (Physical Review Letters, Bd. 102, Artikel 181101). Sie zeigt je­ doch gleichfalls keine Auffälligkeit, die auf Dunkle Materie hindeuten würde. Insbesondere fehlt ein Maximum im Be­ reich um 500 GeV, das kürzlich bei zwei Flügen des Advanced Thin Ionization Calorimeter (ATIC) mit einem Ballon am Südpol gefunden und als Hinweis auf die Selbstvernichtung von WIMPs interpre­ tiert worden war. Die Ergebnisse von Fermi passen zu den PAMELA-Daten und lassen sich

Illustration: Nasa / Sonoma State University, Aurore Simonnet

Aktuell

Der Satellit Fermi durchsucht das Universum nach hochenergetischer Gammastrahlung. Er kann aber auch Elektronen und Posi­tronen messen, sie allerdings nicht unter­scheiden.

durch konventionelle astrophysikalische Vorgänge erklären, die vor allem in Pul­ saren ablaufen. Diese kosmischen Elek­ tronenbeschleuniger liefern auch eine natürliche Erklärung für neue Messungen des kosmischen Elektronenspek­ trums mit dem Tscherenkow-Teleskop­ feld H.E.S.S. in Namibia oberhalb einer Energie von 340 GeV (arXiv:0905. 0105). Das von ATIC entdeckte Maxi­ mum fehlt hier ebenfalls. Die Daten von H.E.S.S. und Fermi stimmen in dem Energiebereich, in dem beide messen können, sehr gut überein. Auf eindeutige Signale der Dunklen Materie werden wir also noch warten müssen; die eher prosaischen astrophysi­ kalischen Interpretationen der Daten er­ scheinen den Experten bisher überzeu­ gender. Doch die Untersuchungen gehen weiter. Fermi wird in den kommenden Jahren gut und gern die zehnfache Da­ tenmenge über Elektronen und Positro­ nen auch bei noch höheren Energien, bis 300 GeV, sammeln und PAMELA mit weiteren Messungen die statistische Aus­ sagekraft ihrer Ergebnisse verbessern. Mittlerweile ist auch der Vorschlag der Kollaboration »Alpha Magnetic Spectro­ meter« (AMS) genehmigt, ein Spektro­ meter zum Nachweis von Antimaterie auf der Internationalen Weltraumstation mitfliegen zu lassen. Mit dieser Flut an Daten könnte es schließlich doch noch gelingen, die Dunkle-Materie-Hypothe­ se zu bestätigen oder zu widerlegen. Georg Wolschin lehrt an der Universität Heidelberg theoretische Physik.

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Gentherapie gegen Aids? Eine klinische Studie und die Heilung eines Patienten wecken Hoffnungen auf neuartige Behandlungsmethoden der erworbenen Immunschwächekrankheit, die ohne kostspielige antivirale Medikamente auskommen. Von Michael Groß

D

ie erworbene Immunschwäche Aids, die sich in den 1980er Jahren epidemisch in der westlichen Welt aus­ breitete und in Afrika heute noch Milli­ onen von Todesopfern fordert, ist in vie­ ler Hinsicht eine ungewöhnliche Krank­ heit. Aus der Perspektive der Zellbiologie besteht ihre besondere Tücke darin, dass ihr Erreger, das HI-Virus, das Immunsys­ tem selbst angreift. Deshalb existiert bis heute keine funktionierende Impfung dagegen. Eine weitere Eigenart hat sich jedoch als günstig erwiesen. Bei HIV handelt es sich um ein Retrovirus, das entgegen dem üblichen Informationsfluss in der Biologie RNA in DNA rückübersetzt. Es macht also aus Abschriften von Bauan­ leitungen für Proteine im »RNA-Alpha­ bet« Originale in der »DNA-Sprache« der menschlichen Erbsubstanz. Nur so kann es sich vermehren. Diese Besonderheit hat die rasche Entwicklung von Medikamenten gegen den Erreger begünstigt, die den meisten HIV-Infizierten in der westlichen Welt heute ein relativ normales Leben ermög­ lichen. Allerdings sind sie für viele Aidsopfer in Entwicklungsländern nicht er­ schwinglich. Außerdem haben diese Arz­ neimittel erhebliche Nebenwirkungen, und die Erreger können mit der Zeit Re­ sistenzen dagegen entwickeln. Deshalb geht die Suche nach besseren Wegen zur Bekämpfung von Aids weiter. Viele Arbeitsgruppen versuchen da­ bei, die an sich verhängnisvolle Eigen­ schaft von HIV, Abwehrzellen zu befal­ len, ins Positive zu wenden. Als Haupt­ säule des Immunsystems fungieren die Lymphozyten, deren Produktion in be­ kannten Populationen von Stammzellen im Knochenmark und im Thymus statt­ findet. Das eröffnet im Prinzip die Mög­ lichkeit, wesentliche Teile der Körperab­ wehr zu manipulieren und beispielsweise Immunzellen durch krankheitsresistente Varianten zu ersetzen. 22

Am weitesten fortgeschritten in dieser Hinsicht sind Ronald Mitsuyasu von der University of California in Los Angeles und seine Kollegen in den Vereinigten Staaten und Australien. Ihr Verfahren hat mittlerweile die klinische Erprobung der Phase II bestanden. Dabei wird ein essenzielles HIV-Gen namens tat zer­ schnitten und das Virus so vermehrungs­ unfähig gemacht.

Übertragung HIV-resistenter Immunzellen

Als Schere dient ein so genanntes Ribo­ zym, also ein RNA-Enzym, dessen Erb­ substanz die Forscher sowohl in be­ stimmte Lymphozyten, nämlich T-Hel­ fer-Zellen vom Typ CD4+, als auch in Blut bildende Stammzellen des Typs CD34+ einschmuggeln. Als Überträger (Vektor) verwenden sie ein Mäusevirus, in das sie das Gen für dieses Ribozym eingebaut haben. Für den klinischen Test der Phase II injizierten Mitsuyasu und seine Kollegen 38 Aidspatienten die entsprechend trans­ formierten CD34+-Zellen, während eine

Freisetzung von Blutstammzellen Filtern des Bluts (Aphe­ rese) CD34+-An­ reicherung

Rück­ übertragung der Stammzellen

Einschleusen eines Ribozyms (rot)

Für eine experimentelle Gentherapie von Aids machten Forscher Immunzellen von Patienten gegen das HI-Virus resis­tent. Dazu regten sie mit dem Granulozyten-Kolonie stimulierenden Faktor (G-CSF) die Freisetzung von Stammzellen aus dem Knochenmark an, wuschen CD34+-Lymphozy­ten aus dem Blut aus, schleusten eine molekulare Schere für ein HIV-Protein in sie ein und übertrugen sie zurück auf den Patienten.

Ronald T. Mitsuyasu et al., Nature Medicine, Bd. 15, S. 285

FORSCHUNG AKTUELL

Medizin

Kontrollgruppe aus 36 HIV-Infizierten denselben Zelltyp, aber ohne die gene­ tische Veränderung, bekam (Nature Medicine, Bd. 15, S. 285). Während der Studiendauer von 100 Wochen ließen sich keine schädlichen Nebenwirkungen der Behandlung feststellen. Die Patienten wurden zwar nicht von ihrer HIV-Infektion geheilt, doch ihr Blut enthielt generell weniger Viren und mehr T-Zellen als bei der Kontrollgrup­ pe. Zweimal setzten die Forscher die konventionellen Anti-HIV-Medikamen­ te für eine Woche ab. Der Zustand der Patienten verschlechterte sich dabei nicht. Aus alldem folgert das Team um Mitsuyasu, dass das neue Verfahren im Prinzip die Behandlung mit antiviralen Wirkstoffen ersetzen kann. Mehrere andere Arbeitsgruppen ha­ ben ähnliche Versuche gestartet, in denen sie mit verschiedenen Methoden Zellen des Immunsystems gegen das Aidsvirus immunisieren. Die meisten verlassen sich darauf, dass der normale Infektionsver­ lauf die HIV-anfälligen Zellen beseitigt und somit den resistenten Varianten freie Bahn lässt. Einige Forscher wollen die empfindlichen Lymphozyten dagegen ge­ zielt ausrotten und durch die wider­ standsfähige Version ersetzen. Hoffnungen auf eine Aidstherapie mit resistenten Immunzellen nährt auch eine jüngst veröffentlichte Fallstudie der Berliner Charité. Dort wurden einem HIV-positiven Leukämiepatienten, wie das bei der Behandlung dieser Krebsart üblich ist, Stammzellen aus dem Kno­ chenmark eines Spenders übertragen. Dabei wandten die Ärzte außer der zwin­ gend erforderlichen immunologischen Verträglichkeit ein weiteres Auswahl­ kriterium an: Sie suchten einen Spender, der dank einer Mutation des Che­ mokin-Rezeptors CCR5 gegen HIV re­ sistent ist. Nach zweimaliger Knochenmarksüber­tragung setzten die Mediziner die antiviralen Medikamente ab. Auch 20 Monate später war der ehemalige Patient SPEKTRUM DER WISSENSCHAFT · August 2009

Aktuell noch völlig gesund. Die resistenten Spenderzellen hatten offenbar sowohl die Leukämie als auch die HIV-Infektion besiegt (New England Journal of Medicine, Bd. 360, S. 692). Die erbliche Resistenz eines Spenders ist relativ selten, doch darf man nun hoffen, dass eine erworbene Resistenz durch die Injektion von transformierten Stammzellen schon bald als Ersatz zur Verfügung steht. Noch einfacher und besser – vor allem für die Betroffenen in Afrika – wäre es natürlich, wenn man gleich direkt den Vektor injizieren könnte und dieser die betreffenden Im­ munzellen von allein finden würde. Als möglicher Überträger für eine solche Vorgehensweise, über die unter anderem David Baltimore vom California Insti­ tute of Technology in Pasadena mit Un­ terstützung der Gates-Stiftung forscht, käme HIV selbst in Frage. Doch das ist heute noch Zukunftsmusik. Michael Groß ist promovierter Biochemiker und arbeitet als freier Wissenschaftsjournalist in Oxford (England).

SPEKTRUM DER WISSENSCHAFT · August 2009 

Mikrobiologie

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Multifunktionelles Bakterienthermometer Ein einziges Molekül, das bei Erwärmung seine Struktur ändert, reguliert zentrale Schritte einer Infektion mit Darmbakterien der Gattung Yersinia, zu denen auch der Pesterreger gehört. Von Stefanie Reinberger

B

akterien haben es schwer. Um einen Organismus zu infizieren, müssen sie nicht nur dessen Zellen entern, sondern sich auch an die veränderte Umgebung und den Stoffwechsel des Wirts anpassen. Außerdem sollten sie möglichst unent­ deckt bleiben, damit das Immun­system des Opfers nicht zum Gegenangriff über­ geht und die Eindringlinge vernichtet. Das erfordert ausgeklügelte Strategien. Bakterien der Gattung Yersinia, deren bekanntester Vertreter der Pesterreger ist,

lösen das Problem auf besonders trick­ reiche Art. Sie verfügen über ein zen­ trales Schaltprotein, das wie ein Thermo­ meter die Umgebungstemperatur misst und darüber Prozesse steuert, die wichtig für Infektion und Tarnung sowie für das Anpassen an Nahrungs­ange­bot und Stoffwechselaktivität des Wirts sind. Und am Ende entsorgt es sich sogar noch selbst. All das haben Wissenschaftler vom Helmholtz-Zentrum für Infektionsfor­ schung und von der Technischen Uni­ versität in Braunschweig jetzt entdeckt

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FORSCHUNG AKTUELL

Springers Einwürfe Menschwerdung mit Kind und Kegel Schon Frühmenschen zogen nicht nur eigenen Nachwuchs groß. Binnen weniger Jahre hat sich die herrschende Vorstellung von normaler Kleinkinderziehung gründlich gewandelt. Im Januar 2005 wagte Sandra Kegel in der »Frankfurter Allgemeinen Zeitung« unter dem Titel »Wir Rabenmütter« die Behauptung, es müsse einer Frau möglich sein, Kinder großzuziehen, ohne auf Berufstä­ tigkeit zu verzichten. Damit löste die Journalistin – kaum fünf Jahre ist das her! – eine Lawine von vorwiegend empörten Leserbriefen aus. Die Verfechter der traditionellen Mutterrolle argumentierten mit der »Natur«, gelegentlich auch mit der Hirnforschung: Das Kleinkind habe nun einmal von Haus aus rund um die Uhr die leibliche Mutter nötig; andernfalls werde seine Entwicklung verzögert, und das arme Wesen wachse zu einer sprachlich, emotional und kognitiv reduzierten Persönlichkeit heran. Mir missfielen diese Argumente – nicht nur, weil sie meinen eigenen Erfahrungen widersprachen, sondern auch, weil mir das angeblich Natürliche an der Vollzeit-Mutterrolle wie ein vorgeschobener Grund für soziale Normierung vorkam. Was für ein Affenbaby gut sein mag, was vielleicht in adeligen oder bürgerlichen Kinderstuben bis vor 100 Jahren Standard war – wenn wir von Ammen und Kindermädchen einmal absehen –, das muss ja für moderne Familien noch lange nicht taugen. Darum passt mir sehr, was die amerikanische Anthropologin Sarah Hrdy in ihrem neuen Buch »Mothers and Others. The Evolutionary Origins of Mutual Understanding« zu berichten weiß. Sie sammelt starke Indizien dafür, dass die Menschwerdung, kurz gesagt, in der Krabbelgruppe stattgefunden hat. Hrdy vergleicht das Erziehungsverhalten von Menschen mit dem anderer Primaten. Dabei fällt auf, dass die Affenmutter sehr bissig reagiert, wenn Artgenossen sich ihrem wenige Monate alten Baby nähern. Hingegen lassen menschliche Mütter in Jäger-und-Sammler-Populationen ihre Säuglinge bereitwillig von anderen aus dem Stamm streicheln, halten und umhertragen. Erst die kooperative Aufzucht, so Hrdy, ermöglichte es den frühen Menschenfrauen, alle drei bis vier Jahre Kinder in die Welt zu setzen, während die anderen Hominidenmütter, die ihre Brut eifersüchtig hüten, sechs bis acht Jahre pausierten. Doch dieser Reproduktionsvorteil war offenbar nur der Anfang. Hrdy zufolge förderte die frühmenschliche Krabbelgruppe die Evolution von Gemeinsinn: Diejenigen Kinder, die im kooperativen Erziehungsmilieu besser auf ihresgleichen – ob Kind oder Erwachsener – eingehen konnten, erhielten auch mehr Zuwendung und hatten bessere Überlebenschancen. Dieser Evolutionsdruck wiederum trieb die Entwicklung der spezifisch menschlichen Fähigkeit voran, sich in den anderen hineinzuversetzen, seine Absichten zu verstehen – das heißt, eine »Theory of Mind« zu entwickeln. Man darf also spekulieren, ob der kooperative Erziehungsstil, zunächst nur ein äffischer Reproduktionsvorteil, zum eigentlichen Auslöser der menschlichen Entwicklung wurde. Er förderte gewiss die Vergrößerung des Gehirns, das den neuen sozialen Aufgaben in der Kleingruppe gewachsen sein musste. Die Frage, ob auch andere Errungenschaften wie kulturelles Lernen und Lautsprache letztlich ihre Wurzel in der Herausbildung früher Kindergruppen haben, finde ich nun nicht mehr abwegig. Jedenfalls ist mir die Idee sympathisch. Und wenn doch noch jemandem einfallen sollte, eine berufstätige Mutter, die ihre Kinder stundenweise anderen überlässt, als Rabenmutter zu bezeichnen, kann die zurückrufen: Michael Springer Affenliebe! Affenliebe!

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(PLOS Pathogens, Bd. 5, S. e1000435). Das Team um die Mikrobiologin Petra Dersch interessiert sich schon seit vielen Jahren für die Infektionsmechanismen der Yersinien. Die Bakterien benötigen, um in die Darmzellen ihres Wirtsorga­ nismus zu gelangen, ein Protein namens Invasin, das sie auf ihrer Oberfläche tra­ gen. Dieser Zugangsschlüssel birgt aber gleichzeitig eine große Gefahr: Er wird besonders gut vom Immunsystem er­ kannt, was die körpereigene Abwehr auf den Plan rufen und zur sicheren Elimi­ nierung der Mikroben führen würde. Doch so leicht stellen sich die Bakte­ rien ihrem Feind nicht. Experimente der Braunschweiger Forscher mit Y. pseudotuberculosis und Y. enterocolitica, die bei Nahrungsmittelvergiftungen den Darm befallen, haben nun ergeben, dass das In­ vasin nur dann auf der Bakterienhülle vorkommt, wenn die Mikroben bei rela­ tiv kühlen 25 Grad Celsius wachsen. Bei Körpertemperatur fehlt dagegen jede Spur von ihm. »Demnach scheint das Invasin«, erklärt Dersch, »nur zum Ein­ dringen in die Darmzellen benötigt zu werden.« Haben die Yersinien das lym­ phatische System erreicht, brauchen sie das Eiweißmolekül nicht mehr und bau­ en es ab, um ihre Anwesenheit zu ver­ schleiern.

Formänderung beim Erwärmen

Bei der Suche nach dem Regelkreis, der dieses Phänomen steuert, entdeckte die Braunschweiger Gruppe, dass ein wei­ teres Protein namens RovA ebenfalls mit dem Temperaturwechsel verschwindet. Es ist wie Invasin schon länger als Schlüsselmolekül bei der Steuerung der Yersinien-Infektion bekannt. Dersch und ihre Kollegen fahndeten deshalb nach weiteren Faktoren, die das temperatur­ abhängige Auftreten und Verschwinden von RovA regulieren könnten. Als sie nichts fanden, überlegte die Wissen­ schaftlerin, ob das Protein vielleicht selbst der Regulator sein könnte. Doch erste Tests bestätigen dies nicht, weshalb sie den Gedanken wieder verwarf. Diplomand Matthias Bujara ließ von der Idee hingegen nicht ab. Überzeugt, auf der richtigen Spur zu sein, übertrug er das RovA-Gen von den Yersinien auf das Darmbakterium Escherichia coli. Und tatsächlich: Auch in dieser gene­ tisch völlig anderen Umgebung ver­ schwand das zugehörige Protein beim Erwärmen von 25 auf 37 Grad Celsius. SPEKTRUM DER WISSENSCHAFT · August 2009

Helmholtz-Zentrum für Infektionsforschung

Aktuell

In dieser elektronenmikroskopischen Aufnahme erscheinen Yersinien als dunkle Balken und ihre Geißeln als dünne Linien.

»Damit war klar, dass es selbst den Temperatursensor beherbergen musste«, sagt Petra Dersch. Wie das Forscherteam außerdem feststellte, kann sich RovA bei niedrigen Temperaturen an die DNA des Bakteriums anheften, bei hohen jedoch nicht. Tatsächlich verändert es – so das Ergebnis weiterer Untersuchungen – beim Erwärmen seine Gestalt: Bei 25 Grad Celsius liegt es in einer Form vor, in der es sich an die Erbsubstanz anla­ gern kann. Dort wirkt es als so genann­ ter Transkriptionsfaktor, der dafür sorgt, dass das für die Infektion benötigte In­ vasin und zugleich noch mehr RovA produziert wird. Dadurch können die Yersinien nach der Ankunft im Darm sofort in die Schleimhaut eindringen. Sobald sie dann Körpertemperatur angenommen haben, verändert RovA seine Form derart, dass es von der DNA abfällt, was seine eigene Synthese und die von neuem Invasin un­ terbindet. Doch das ist noch nicht alles: Gleich­ zeitig können nun andere Proteine entste­ hen, deren Bildung RovA in seiner Nied­ rigtemperaturvariante zuvor verhindert hatte. »RovA steuert die Expression von 50 bis 100 verschiedenen Genen, und zwar mit einer Doppelfunktion«, erläu­ tert die Braunschweiger Mikrobiologin. »Während es in seiner DNA-bindenden Form für einige Genprodukte wie Invasin und sich selbst als Aktivator wirkt, unter­ drückt es die Synthese von anderen, die zu einem späteren Zeitpunkt im Infekti­ onsverlauf benötigt werden.« Einen weiteren Clou dieser Regula­ tion hat Derschs Doktorandin Katharina Herbst festgestellt: RovA schaltet sich durch seinen Temperatursensor nicht nur selbst aus, sondern sorgt auch noch da­ für, dass es gleich ganz von der Bildfläche verschwindet. Die Gestaltänderung bei SPEKTRUM DER WISSENSCHAFT · August 2009 

37 Grad Celsius legt eine Angriffsstelle für so genannte Proteasen frei: bakterien­ eigene Enzyme, die das Protein zerklei­ nern. Auf diese Weise sorgt das Yersinia-Bakterium dafür, dass es besonders schnell für das Immunsystem unsichtbar wird und seine Aktivitäten an die neuen Bedingungen im Organismus anpasst. »Ein derart komplex agierendes Schalter­ molekül, das direkt auf Temperatur­ unterschiede reagiert und seinen eigenen Abbau steuert, war in Bakterien bislang unbekannt«, kommentiert Dersch die Bedeutung der Entdeckung ihres Teams. Wie zentral die Rolle von RovA für die Infektion ist, bestätigten übrigens Versuche mit Mäusen. Die Braunschwei­ ger Forscher verabreichten den Nagern Nährlösungen mit Varianten von Y. pseudotuberculosis, bei denen sie das RovAGen zerstört hatten. Nur wenige Tiere wurden infiziert. In einem ähnlichen Versuch setzten amerikanische Forscher­ kollegen um Virginia Miller von der Duke University in Durham (North Ca­ rolina) das RovA-Gen des Pesterregers Y. pestis außer Gefecht. Auch sie beobach­ teten beim anschließenden Test an Mäu­ sen fast keine Infektionen (Proceedings of the National Academy of Sciences USA, Bd. 103, S. 13514). »Ob sich RovA aber tatsächlich als Angriffspunkt für eine mögliche Thera­ pie eignet, lässt sich noch nicht sagen«, dämpft Dersch allzu hohe Erwartungen. »An einem Regulator zu drehen, der so viele verschiedene Faktoren steuert, ist immer auch gefährlich, weil man nicht genau weiß, welche Nebeneffekte das Eingreifen haben könnte.« Bis zu einem eventuellen therapeutischen Einsatz ist also noch einiges an Forschung nötig. Stefanie Reinberger ist freie Wissenschaftsjournalistin in Heidelberg.

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Titelthema: Kosmologie

Wozu

Dunkle Energie Sie soll Beobachtungen erklären, die von den meisten Kosmologen als beschleunigte Expansion des Alls interpretiert werden. Doch nun kommt eine ganz andere Deutung in Frage: Unsere Galaxis liegt vielleicht inmitten einer gigantischen Leere. Von Timothy Clifton und Pedro G. Ferreira

D In Kürze r  Das Universum scheint sich beschleunigt auszudehnen. Ursache dafür soll eine seltsame neue Energieform sein. Das Problem: Niemand weiß, was diese »Dunkle Energie« wirklich ist. r  Vielleicht müssen die Kosmologen keine exotischen Energieformen bemühen. Falls wir inmitten einer Region unterdurchschnittlicher Dichte leben, variiert die kosmische Expansions­ rate mit dem Ort – und das sieht aus wie eine zeitliche Variation oder Beschleu­ nigung. r 

Eine riesige Leere um uns kommt den meisten Kosmo­ logen sehr unwahrscheinlich vor, aber einige ziehen sie der mysteriösen Dunklen Ener­gie vor. In kommenden Jahren werden Himmelsbe­ob­ achtungen zwischen beiden Erklärungen entscheiden.

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ie größten wissenschaftlichen Re­ volutionen werden oft von den kleinsten Unstimmigkeiten aus­ gelöst. Im 16. Jahrhundert zog Kopernikus aus Feinheiten der Himmelsbe­ wegungen, die vielen Zeitgenossen als uner­ heblich galten, den Schluss, die Erde liege nicht im Mittelpunkt des Alls. In unserer Epoche kündigte die Entdeckung des be­ schleunigten Universums vor elf Jahren eine weitere Revolution an. Aus einer winzigen Abweichung in der Helligkeit explodierender Sterne folgerten die Astronomen, sie hätten keine Ahnung, woraus 70 Prozent des Kos­ mos bestehen. Sie konnten nur feststellen, dass der Raum anscheinend von einer ganz unvergleichlichen Substanz erfüllt wird, wel­ che die Expansion des Universums nicht bremst, sondern vorantreibt. Diese Substanz erhielt den Namen Dunkle Energie. Inzwischen ist ein Jahrzehnt vergangen, und die Dunkle Energie gibt noch immer so viele Rätsel auf, dass einige Kosmologen die grundlegenden Postulate, aus denen ihre Exis­ tenz gefolgert wurde, in Zweifel ziehen. Eines dieser Postulate ist das Ergebnis jener früheren Revolution: Dem kopernikanischen Prinzip zufolge nimmt die Erde keinen zentralen oder sonst wie ausgezeichneten Platz im All ein. Wenn wir dieses Grundprinzip preisgeben, bietet sich eine überraschend einfache Erklä­ rung für die neuen Beobachtungen an. Wir haben uns längst an die Idee gewöhnt, dass unser Planet nur ein winziger Fleck ist, der irgendwo am Rand einer durchschnitt­ lichen Galaxie einen typischen Stern umkreist. Nichts scheint unseren Ort inmitten von Mil­ liarden Galaxien, die sich bis an unseren kos­ mischen Horizont erstrecken, besonders aus­ zuzeichnen. Doch woher nehmen wir diese Bescheidenheit? Und wie könnten wir heraus­ finden, ob wir nicht doch einen speziellen

?

Platz einnehmen? Meist drücken sich die As­ tronomen um diese Fragen und nehmen an, unsere Durchschnittlichkeit sei offensichtlich genug. Die Idee, wir könnten tatsächlich ei­ nen besonderen Ort im Universum bewoh­ nen, ist für viele undenkbar. Dennoch ziehen einige Physiker dies seit Kurzem in Betracht. Zugegeben: Die Annahme, wir seien kos­ mologisch unbedeutend, erklärt viel. Mit ih­ rer Hilfe können wir von unserer kosmischen Nachbarschaft auf das Universum im Großen und Ganzen schließen. Alle gängigen Modelle des Universums beruhen auf dem kosmolo­ gischen Prinzip – einer Verallgemeinerung des kopernikanischen Prinzips, die besagt, dass zu jedem gewählten Zeitpunkt alle Orte und Richtungen gleich aussehen. Zusammen mit unserem modernen Verständnis von Raum, Zeit und Materie folgt daraus, dass der Raum expandiert, dass das Universum sich abkühlt und von Überbleibseln seiner heißen Anfänge erfüllt ist. All diese Vorhersagen werden von Beobachtungen unterstützt.

Die dunkle Ursache der beschleunigten Expansion

Zum Beispiel ist das Licht ferner Galaxien röter. Diese Rotverschiebung lässt sich gut als Dehnung der Lichtwellen durch die Ex­ pansion des Raums erklären. Zudem enthül­ len empfindliche Radiodetektoren einen fast perfekt glatten Strahlungsschleier – den kos­ mischen Mikrowellenhintergrund, ein Relikt des uranfänglichen Feuerballs. Zweifellos sind diese Erfolge zum Teil eine Frucht unserer Be­ scheidenheit: Je weniger Bedeutung wir uns zumessen, desto mehr vermögen wir über das Universum zu sagen. Warum davon abgehen? Wenn das kosmo­ logische Prinzip so erfolgreich ist, warum sollten wir es in Frage stellen? Einen Grund liefern sehr seltsame astronomische Beobach­ tungen aus jüngster Zeit. Im letzten Jahrzehnt hat sich herausgestellt, dass ferne SupernovaSPEKTRUM DER WISSENSCHAFT · August 2009

Astronomie & Physik

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Großräumige Unterschiede der Materiedichte könnten eine ungleichmäßige Expansion des Raums verursachen. Dies würde die Effekte erzeugen, welche die Astronomen üblicherweise der Dunklen Energie zuschreiben.

Explosionen mit gegebener Rotverschiebung schwächer aussehen als erwartet. Die Rotver­ schiebung misst die Expansion des Raums. Aus dem Betrag, um den das Licht ferner Su­ pernovae zu Rot verschoben ist, können Kos­ mologen folgern, wie viel kleiner das Univer­ sum zum Zeitpunkt des Supernova-Ausbruchs war als heute. Je größer die Rotverschiebung, desto kleiner war das All, als die Supernova SPEKTRUM DER WISSENSCHAFT · August 2009

auftrat – und desto mehr hat sich das Univer­ sum zwischen damals und heute ausgedehnt. Die beobachtete Helligkeit einer Super­ nova liefert ein Maß für ihre Entfernung, und das wiederum zeigt an, wie viel Zeit seit ihrem Auftreten vergangen ist. Wenn eine Supernova mit gegebener Rotverschiebung schwächer aussieht als erwartet, muss diese Strahlungsquelle weiter entfernt sein, als die 27

Titelthema: Kosmologie

Drei Varianten der kosmischen Expansion Wie Astronomen kürzlich entdeckt haben, erscheinen uns ferne Supernovae weniger hell als erwartet. Um zu verstehen, was dies für die kosmische Expansion bedeutet, betrachten wir ein Raumgebiet, das eine Supernova und unsere Milchstraße umfasst. Mit der Zeit wird dieses Gebiet größer, denn der Raum

selbst dehnt sich aus. Die Supernova explodiert, wenn das Universum etwa halb so groß ist wie heute; das geschieht zu unterschiedlichen Zeiten – je nachdem, ob die Expansion sich verlangsamt oder beschleunigt. Das Licht der Explosion breitet sich aus und erreicht uns schließlich am Rand der Milchstraße.

Alte Ansicht: die Expansion verlangsamt sich Vor 1998 nahmen die meisten Kosmologen an, die Expansion werde durch Materieanziehung gebremst. Mit jeder späteren Zeitspanne nimmt demnach die Größe des Raumgebiets um einen geringeren Faktor zu. Auf dieser Annahme beruhte die erwartete Helligkeit der Supernova. Raumgebiet

Licht der Supernova

Milchstraße

vor 12 Milliarden Jahren

Supernova vor 8 Milliarden Jahren vor 4 Milliarden Jahren

Gegenwart

Szenario 1: die Expansion beschleunigt sich Nach der gängigen Deutung der Supernova-Daten lief die Expansion früher langsamer ab als jetzt. Infolgedessen hat das Universum länger gebraucht, auf seine gegenwärtige Größe zu wachsen, und das Supernova-Licht hatte mehr Zeit, sich auszubreiten; darum erscheint es uns schwächer. Als treibende Kraft dieser Beschleunigung ist die Dunkle Energie erforderlich.

vor 12 Milliarden Jahren

vor 8 Milliarden Jahren

vor 4 Milliarden Jahren

Gegenwart

Szenario 2: das Universum ist inhomogen Im Alternativmodell wird die Expansion, wie ursprünglich angenommen, mit der Zeit verlangsamt – aber an verschiedenen Orten unterschiedlich stark. Unsere Nachbarschaft ist leerer als andere Regionen. Sie enthält weniger Materie, welche die Expansion bremst, und darum wird diese weniger verlangsamt als anderswo. schneller expandierende Region

vor 8 Milliarden Jahren

vor 4 Milliarden Jahren

Das von der Supernova ausgehende Licht durchquert Zonen immer schnellerer Expansion. Das hat denselben Effekt wie eine kosmische Beschleunigung – ohne dass Dunkle Energie nötig wäre.

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Gegenwart

Don Dixon

vor 12 Milliarden Jahren

SPEKTRUM DER WISSENSCHAFT · August 2009

Astronomie & Physik Astronomen dachten. Ihr Licht brauchte län­ ger, um uns zu erreichen, also muss das Uni­ versum länger gebraucht haben, um auf seine gegenwärtige Größe zu wachsen (siehe Kasten links). Demnach muss sich das Universum in der Vergangenheit langsamer ausgedehnt ha­ ben als vermutet. Tatsächlich sind die fernen Supernovae so lichtschwach, dass die kos­ mische Expansion sich beschleunigt haben muss, um die gegenwärtige Expansionsge­ schwindigkeit zu erreichen (Spektrum der Wissenschaft 3/1999, S. 40). Die beschleunigte Expansion war die große Überraschung, mit der die aktuelle Revolu­ tion in der Kosmologie begann. Eigentlich sollte die Materie im Universum gleichsam am Gewebe der Raumzeit ziehen und die Expan­sion verlangsamen, aber dem wider­ sprechen die Supernova-Daten. Wenn wir das kosmo­logische Prinzip akzeptieren und an­ nehmen, dies­e Beschleunigung geschehe über­ all, drängt sich der Schluss auf, dass das All von einer exotischen Dunklen Energie erfüllt wird, die eine abstoßende Kraft ausübt. Doch im physikalischen Standardmodell der fundamentalen Teilchen und Kräfte taucht nichts dergleichen auf. Die Dunkle Energie ist eine Substanz, die noch nie direkt gemessen wurde, sie hat völlig unvergleichliche Eigen­ schaften, und ihre Energiedichte ist 10120-mal kleiner, als man erwarten würde. Alle Ideen über ihr Wesen sind pure Spekulation (siehe »Die Quintessenz des Universums« von Jere­ miah P. Ostriker und Paul J. Steinhardt, Spek­ trum der Wissenschaft 3/2001, S. 32). Kurz, bezüglich der Dunklen Energie tappen wir völlig im Dunkeln. Forscher arbeiten an meh­ reren ehrgeizigen und aufwändigen bodenund satellitengestützten Missionen, um diese ominöse Energie aufzuspüren und zu ergrün­ den. Für viele bildet sie das größte Problem der modernen Kosmologie. Angesichts einer derart seltsamen und un­ wahrscheinlichen Substanz stellen einige For­ scher die Gründe für ihre Existenz in Frage. Vor allem bezweifeln sie die Annahme, wir würden in einem typischen Teil des Univer­ sums leben. Könnten die Indizien für Dunkle Energie auch anders gedeutet werden, wenn wir dafür das kosmologische Prinzip opfern (siehe »Die Dunkle Energie und ihre Feinde« von Gerhard Börner, Spektrum der Wissen­ schaft 11/2008, S. 38)? Im herkömmlichen Bild reden wir von der Expansion des gesamten Universums, als wür­ de ein Ballon gleichmäßig aufgeblasen: Wir diskutieren, wie groß der gesamte Ballon wird, aber nicht darüber, wie stark sich jeder einzelne Fleck der Hülle aufbläht. Doch wir alle kennen diese billigen Luftballons, die SPEKTRUM DER WISSENSCHAFT · August 2009

beim Aufblasen Beulen bilden: Ein Teil dehnt sich rasch aus, und der Rest braucht seine Zeit, um aufzuholen. In einem Alternativbild des Universums, welches das kosmologische Prinzip preisgibt, expandiert der Raum un­ gleichmäßig; ein komplexeres Modell des Kosmos entsteht.

Eine einfachere Alternative

Betrachten wir ein Szenario, das zuerst George Ellis, Charles Hellaby und Nazeem Mustapha von der Universiy of Cape Town (Südafrika) und später Marie-Noëlle Célérier vom Obser­ vatoire de Paris-Meudon (Frankreich) vorge­ schlagen haben. Angenommen, die Expansion verlangsamt sich überall, weil die Materie an der Raumzeit zieht und sie bremst. Nehmen wir ferner an, dass wir in einer gigantischen kosmischen Leere leben – in einem Gebiet, das zwar nicht völlig leer gefegt ist, wo aber die mittlere Materiedichte nur etwa halb so groß ist wie anderswo. Je leerer eine Raumregion ist, desto weniger Materie bremst dort die räum­ liche Expansion, und entsprechend höher ist die Expansionsgeschwindigkeit innerhalb des Leerraums. Am höchsten ist sie in der Mitte; zum Rand hin, wo sich die höhere Dichte des Außenraums bemerkbar macht, nimmt sie ab. Zu jedem Zeitpunkt expandieren verschiedene Raumpartien unterschiedlich schnell – wie der ungleichmäßig aufgeblasene Luftballon. Nun stellen wir uns Supernovae vor, die in verschiedenen Teilen dieses inhomogenen Universums explodieren – manche nahe dem Zentrum der Leere, andere näher dem Rand und einige außerhalb. Wenn wir uns fast im Zentrum der Leere befinden und eine Super­ nova weiter weg liegt, expandiert der Raum in unserer Nachbarschaft schneller als am Ort der Supernova. Das von der Supernova ausge­ hende Licht durchquert Regionen, die immer schneller expandieren. Jede Region dehnt das hindurchgehende Licht um einen bestimmten Betrag, und insgesamt entsteht die Rotver­ schiebung, die wir beobachten. Wenn das Licht eine gewisse Entfernung zurücklegt, er­ fährt es eine geringere Rotverschiebung als in einem Universum, das sich als Ganzes mit un­ serer lokalen Expansionsrate ausdehnt. Umge­ kehrt muss das Licht, um in diesem inhomo­ genen Universum eine bestimmte Rotver­ schiebung zu erreichen, eine größere Entfer­ nung zurücklegen als in einem gleichförmig expandierenden All; somit ist die Supernova weiter entfernt und erscheint entsprechend lichtschwächer. Man könnte auch sagen: Eine mit dem Ort variierende Expansionsrate imitiert eine Variation der Zeit. Auf diese Weise vermögen Kosmologen die überraschenden Supernova-

Getty images / Bridgeman Art Library

Das Erbe des Kopernikus Das kopernikanische Prinzip besagt, dass die Erde keinen speziellen Platz im Universum einnimmt. Das All ist homogen und isotrop: Es hat gleichmäßige Dichte und sieht in jeder Richtung gleich aus. Dieses mächtige Prinzip gilt nur für Größenordnungen weit oberhalb einer Galaxie. Ein auch im Kleinen völlig gleichförmiges Universum wäre ein dünner Atombrei. Außerdem gilt das Prinzip nur im Raum, nicht in der Zeit. Wir leben in einer speziellen Epoche – lange genug nach dem Urknall, damit komplexe Lebensformen entstehen können, aber nicht so spät, dass alle Sterne erloschen sind. Oft wird behauptet, Kopernikus habe den Menschen seiner herausgehobenen Stellung im Kosmos beraubt. Doch wie der deutsche Philosoph Hans Blumenberg und der australische Histo­ riker Dennis Danielson gezeigt haben, platzierte das europäische Mittelalter den Menschen zwar ins Zentrum des Alls, aber dieser Ort galt als besonders unvollkommen – in Galileis Worten »der Sumpf, in dem sich Schmutz und Abfall des Universums sammeln«.

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Titelthema: Kosmologie Beob­achtungen ohne Dunkle Energie zu er­ klären. Damit diese Alternativerklärung funk­ tioniert, müssten wir freilich in einer Leere von wahrhaft kosmischen Ausmaßen leben. Die Supernova-Daten erstrecken sich über Milliarden Lichtjahre; sie erfassen einen be­ trächtlichen Teil des gesamten beobachtbaren Universums. Eine Leere müsste ähnlich Aus­ maße haben. Größer geht’s kaum.

Eine weit hergeholte Möglichkeit

Wie ausgefallen ist diese Idee einer mons­ trösen Abnormität? Auf den ers­ten Blick sehr. Sie scheint in eklatantem Widerspruch zur kosmischen Hintergrundstrahlung zu stehen, die bis auf Hunderttausendstel genau gleich­ förmig ist, ganz zu schweigen von der im Großen und Ganzen ebenmäßigen Verteilung der Galaxien (siehe »Galaktische Wände und Blasen« von Michael A. Strauss, Spektrum der Wissenschaft 6/2004, S. 60). Doch bei näherer Betrachtung muten diese Indizien weniger zwingend an. Die Gleichför­ migkeit der Reststrahlung erfordert nur, dass

das Universum in jeder Richtung nahezu gleich aussieht. Wenn eine Leere ungefähr ku­ gelförmig ist und wir einigermaßen nahe ih­ rem Zentrum sitzen, muss sie nicht unbedingt den Beobachtungen widersprechen. Außer­ dem besitzt der kosmische Strahlungshinter­ grund einige Eigenschaften, die möglicher­ weise durch eine großräumige Inhomogenität zu erklären sind (siehe Kasten S. 33). Was die Galaxienverteilung betrifft, so rei­ chen die vorhandenen Kartierungen nicht weit genug, um eine Leere auszuschließen, die uns Dunkle Energie vorspiegelt. Die Durchmuste­ rungen identifizieren kleinere Leerstellen, Ma­ teriefilamente und andere Hunderte Millio­ nen Lichtjahre große Strukturen, aber die hy­ pothetische Leere wäre zehnmal größer. Unter Astronomen wird gerade lebhaft darüber de­ battiert, ob die Galaxienkarten das kosmolo­ gische Prinzip erhärten. Eine Analyse von Da­ vid Hogg von der New York University ergab kürzlich, dass die größten Strukturen rund 200 Millionen Lichtjahre ausmachen; jenseits dieser Größenordnung scheint die Materie

Ein spezieller Ort für uns? In der Romanserie »Per Anhalter durch die Galaxis« malt sich der Autor Douglas Adams ein Foltergerät aus, das den Opfern die völlige Bedeutungslosigkeit ihres Aufenthaltsorts im Universum vorführt und sie dadurch in den Wahnsinn treibt. Nur ein Folter-

kandidat bleibt unversehrt, weil er findet, dass sich von seiner Warte aus im Universum alles um ihn dreht. Ganz in diesem Sinn diskutieren einige Kosmologen Modelle, die unseren Ort im Universum auszeichnen.

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Don Dixon

Leere

Homogenes Universum: unser Ort ist typisch Im üblichen Modell bilden die Galaxien zwar Filamente und Leerräume, aber im Großen und Ganzen sieht der Raum überall gleich aus. Unser Standort ist nichts Besonderes.

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Inhomogenes Universum: unser Ort ist speziell Im Alternativmodell variiert die Materiedichte in großem Maßstab, und die Erde liegt inmitten eines riesigen Gebiets relativ geringer Dichte – in einer kosmischen Leere.

SPEKTRUM DER WISSENSCHAFT · August 2009

Astronomie & Physik

SPEKTRUM DER WISSENSCHAFT · August 2009

Sternexplosionen wie die Supernova 1994D (Pfeil) dienen zur Messung der kosmischen Expansion.

NASA / ESA, Hubble Key Project Team und High-Z Supernova Search Team

glatt verteilt zu sein und somit dem Prinzip zu entsprechen. Doch Francesco Sylos Labini vom Enrico-Fermi-Zentrum in Rom meint, die größten bisher entdeckten Strukturen seien nur durch die Reichweite der Galaxien­ kartierung begrenzt. Jenseits dessen könnten sich noch größere Strukturen erstrecken. Angenommen, wir hätten eine Landkarte, die ein zehn Kilometer großes Gebiet zeigt und darauf eine Straße, die von einem Rand zum anderen verläuft. Es wäre falsch, daraus zu schließen, dass keine Straße länger als zehn Kilometer sein kann. Um die längste Straße zu bestimmen, braucht man eine Karte, auf der die Endpunkte aller Straßen zu sehen sind; sonst weiß man nichts über deren ge­ samten Verlauf. Ebenso brauchen die Astro­ nomen, wenn sie das kosmologische Prinzip beweisen wollen, eine Galaxienkarte, die wei­ ter reicht als die größten Strukturen im Uni­ versum. Die Frage ist, ob die Durchmuste­ rungen dafür schon groß genug sind. Auch für Theoretiker ist eine kolossale Leere schwer zu verdauen. Allen Indizien zufolge er­ wuchsen Galaxien und größere Strukturen – Filamente und Leerräume – aus mikroskopi­ schen Quantenkeimen, die durch die kosmi­ sche Expansion zu astronomischen Proportio­ nen aufgebläht wurden. Die kosmologische Theorie sagt ziemlich genau voraus, wie viele Strukturen einer bestimmten Größe es geben kann. Je größer ein Gebilde, desto seltener soll­ te es sein. Die Wahrscheinlichkeit einer Leere, deren Größe ausreicht, die Dunkle Energie zu imitieren, liegt unter eins zu 10100. Irgendwo da draußen mag es durchaus gigantische Leer­ räume geben, aber die Chance, dass wir so et­ was in unserem beobachtbaren Universum fin­ den, ist demzufolge verschwindend gering. Dennoch gibt es vielleicht ein Schlupfloch. In den frühen 1990er Jahren zeigte Andrei Linde, der an der Stanford University wesent­ lich zum heutigen Standardmodell des frühen Universums beitrug, dass riesige Leerräume zwar rar sind, dafür aber anfangs schneller ex­ pandieren und mit der Zeit das Volumen des Universums beherrschen. Die Wahrscheinlich­ keit, dass Beobachter sich in einer solchen Struktur befinden, ist darum vielleicht gar nicht so klein. Wie dieses Resultat zeigt, ist das kosmologische Prinzip, dem zufolge wir keinen besonderen Platz einnehmen, nicht im­ mer gleichbedeutend mit dem Prinzip des Mit­ telmaßes, dem zufolge wir typische Beobachter sind. Anscheinend kann man zugleich typisch sein und an einem speziellen Ort leben. Welche empirischen Daten könnten klä­ ren, ob die kosmische Expansion von Dunk­ ler ­Ener­gie angetrieben wird oder ob wir uns an einem ungewöhnlichen Ort – im Zentrum

einer riesigen Leere – aufhalten? Um das Vor­ handensein eines Leerraums zu überprüfen, brauchen die Kosmologen ein Modell für das Verhalten von Raum, Zeit und Materie in des­ sen Nachbarschaft. Just solch ein Modell wurde schon 1933 von dem belgischen Priester und Physiker Georges Lemaître formuliert, unab­ hängig ein Jahr später von dem amerikanischen Theoretiker Richard Tolman wiederentdeckt und nach dem Zweiten Weltkrieg vom briti­ schen Kosmologen Hermann Bondi weiterent­ wickelt. Die Expansionsraten ihres Modelluni­ versums hingen nicht nur von der Zeit ab, son­ dern auch vom Abstand von einem bestimmten Punkt – genau wie bei unserer Hypothese.

Die Prüfung der Inhomogenität

Mit Hilfe des Lemaître-Tolman-Bondi-Mo­ dells können Kosmologen eine ganze Reihe beobachtbarer Größen vorhersagen. Betrach­ ten wir zunächst die Supernovae, die zur An­ nahme einer Dunklen Energie führten. Je mehr Supernovae die Astronomen beobachten, des­ to besser können sie die Expansionsgeschichte des Alls rekonstruieren. Genau genommen vermögen diese Messungen das Modell der kosmischen Leere niemals zu wider­legen, denn die Kosmologen könnten jede Menge von Supernova-Daten durch eine passend ge­ wählte Leere reproduzieren. Freilich müsste diese Leere einige höchst seltsame Eigenschaften haben, um völlig un­ unterscheidbar von Dunkler Energie zu sein. Der Grund ist, dass die vermeintlich beschleu­ nigte Expansion bis zum gegenwärtigen Au­ genblick andauert. Damit eine Leere dies ex­

Signale der Leere Ein kosmischer Leerraum imitiert zwar die Wirkung der Dunklen Energie, erzeugt aber feine Abweichungen. Künftige Beobachtungen könnten solche Unterschiede aufspüren. r 

 usätzliche SupernovaZ Daten werden die Expansionsrate genauer messen und feststellen, ob sie mit dem Ort variiert, wie das Leere-Modell vorhersagt.

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 alaxienhaufen reflektieG ren Licht und erzeugen damit schwache Spiegelbilder unserer Nachbarschaft. Wenn wir in einer kosmischen Leere leben, sollten wir sie auf diese Weise aufspüren können.

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 alaxien und GalaxienG haufen entwickeln sich in einem Tempo, das von der lokalen Expansionsrate abhängt – und somit vom Vorhandensein einer Leere.

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 eutrinos, die vom urN anfänglichen Universum übrig geblieben sind, könnten eine Leere anzeigen.

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Titelthema: Kosmologie

ESA / AOES Medialab

Hoffnung auf Planck Im Mai dieses Jahres wurde das Planck-Weltraumte­le­ skop der Europäischen Weltraumbehörde ESA gestartet, um den kosmischen Mikrowellenhintergrund mit nie zuvor erreichter Genauigkeit zu vermessen. Planck wird feinste Tem­ peraturfluktuationen der Hintergrundstrahlung aufzeichnen, um zu enthüllen, wie das Universum im zarten Alter von 400 000 Jahren aussah und wie es seither gewachsen ist. Dabei wird sich die Frage klären, ob wir in einem riesigen Leerraum leben. Außerdem soll Planck Fluktuationen der Strahlungspolarisation messen; sie zeigen an, ob hochenergetische Prozesse im urtümlichen Universum einen Sekundenbruchteil nach dem Urknall – oder sogar davor – Gravitationswellen auslösten.

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akt imitiert, muss die Expansionsrate von uns aus in jeder Richtung deutlich abnehmen. Da­rum muss die Dichte von Materie und ­Energie von uns aus in jeder Richtung scharf ansteigen. Das Dichteprofil gleicht einem um­ gekehrten Hexenhut, dessen Spitze unserem Standort entspricht. Ein solches Profil wider­ spricht all unserer Erfahrung mit kosmischen Strukturen: Sie sind für gewöhnlich nicht spitz, sondern glatt. Es kommt noch schlim­ mer. Wie Ali Vanderveld und Éanna Flanagan an der Cornell University in Ithaca (New York) zeigten, müsste die Hutspitze, auf der wir leben, eine »schwache Singularität« sein – gleichsam das ultradünne Gegenstück zum ul­ tradichten Zentrum eines Schwarzen Lochs. Falls die Leere jedoch ein realistische­res, glat­tes Dichteprofil hat, bietet sich ein be­ obachtbares Unterscheidungsmerkmal. Glatte Leer­räume liefern zwar weiterhin Messdaten, die fälschlich als Beschleunigung gedeutet wer­den könnten, doch da sie keine scharfe Spitze aufweisen, reproduzieren sie nicht ex­ akt die Resultate der Dunklen Energie. Insbe­ sondere variiert die scheinbare Beschleuni­ gungsrate in verräterischer Weise mit der Rot­ verschiebung. In einer Untersuchung zusam­ men mit Kate Land, damals an der University of Oxford, zeigten wir, dass mehrere hundert neue Supernovae – zusätzlich zu den wenigen hundert schon bekannten – ausreichen dürf­ ten, um die Frage zu entscheiden. Mis­sionen zur Supernova-Beobachtung werden die­ses Ziel höchstwahrscheinlich bald erreichen. Supernovae sind nicht die einzigen Unter­ scheidungsmerkmale. Jeremy Goodman von der Princeton University schlug 1995 einen Test auf Grund des Mikrowellenhintergrunds vor. Damals war von Dunkler Energie noch keine Rede; Goodman suchte nicht eine Erklä­ rung für ein unbekanntes Phänomen, sondern einen Beweis für das kopernikanische Prinzip. Er hatte die Idee, man könnte weit entfernte Galaxienhaufen als Spiegel verwenden, um das Universum von verschiedenen Orten aus zu be­ trachten – wie in einer himmlischen Umkleide­ kabine. Galaxienhaufen reflektieren einen klei­ nen Teil der sie treffenden Hintergrundstrah­ lung. Durch sorgfältige Spektralanalyse dieser Strahlung könnten Kosmologen etwas darüber erfahren, wie das Universum aussähe, wenn es von einem fernen Galaxiencluster aus betrach­ tet würde. Falls eine Standortverschiebung das Aussehen des Alls verändert, ist das ein starkes Indiz für eine Leere oder eine ähnlich inhomo­ gene kosmische Struktur. Zwei Kosmologenteams setzten diese Idee kürzlich in die Tat um. Robert Caldwell vom Dartmouth College (US-Bundesstaat New Hampshire) und Albert Stebbins vom Fermi

National Accelerator Laboratory in Batavia (Illinois) analysierten präzise Messungen von Unregelmäßigkeiten im Mikrowellenhinter­ grund, und Juan García-Bellido von der Uni­ versidad Autonóma de Madrid sowie Troels Haugbølle von der Universität Aarhus (Däne­ mark) untersuchten einzelne Cluster direkt. Keine der beiden Gruppen entdeckte eine Lee­ re, aber wenigstens grenzten die Forscher de­ ren mögliche Eigenschaften ein. Das im Mai dieses Jahres gestartete Planck-Weltraumtele­ skop sollte fähig sein, diesen Spielraum noch mehr einzuengen – oder ganz auszuschließen, dass die große Leere überhaupt existiert. Einen dritten Ansatz vertreten Bruce Bas­ sett, Chris Clarkson und Teresa Lu von der University of Cape Town: Die Expansionsge­ schwindigkeit soll separat an verschiedenen Or­ ten gemessen werden. Üblicherweise bestim­ men die Astronomen Expansionsraten anhand der Rotverschiebung; sie ist das Gesamtresultat der Expansion aller Gebiete zwischen einem Himmelskörper und uns. Da dabei all diese Ge­ biete zusammengeworfen werden, lässt sich an der Rotverschiebung eine räumliche Änderung der Expansionsrate nicht von einer zeitlichen unterscheiden. Besser wäre es, die Expansions­ rate an bestimmten Orten im Raum zu messen, um die Wirkung der Expansion an anderen Or­ ten auszusortieren. Doch das ist leichter gesagt als getan. Eine Möglichkeit ist, zu beobachten, wie sich Strukturen an unterschiedlichen Orten bilden. Die Entwicklung von Galaxienhaufen hängt großenteils von der lokalen Expansions­ rate ab. Indem Astronomen solche Objekte an verschiedenen Orten untersuchen und andere Entwicklungsfaktoren berücksichtigen, können sie vielleicht subtile Unterschiede der Expan­ sionsgeschwindigkeit kartieren.

Das Universum als Schweizer Käse

Die Idee, dass wir inmitten einer riesigen kos­ mischen Leere leben, steht in extremem Ge­ gensatz zum kosmologischen Prinzip, aber es gibt weniger radikale Möglichkeiten. Das Uni­ versum mag im Großen und Ganzen dem Prinzip gehorchen, aber die kleineren Leerstel­ len und Filamente, die in den Galaxienmustern entdeckt wurden, könnten zusammen die Wir­ kung der Dunklen Energie vortäuschen. Tirt­ habir Biswas und Alessio Notari von der Mc­ Gill University in Montreal (Kanada) sowie ein Team um Valerio Marra an der Università degli Studi di Padova (Italien) und der University of Chicago (US-Bundesstaat Illinois) sind dieser Idee nachgegangen. In ihren Modellen gleicht das Universum einem Emmentaler Käse – im Ganzen gleichförmig, aber von Löchern durch­ setzt. Infolgedessen variiert die Expansionsrate ein wenig von Ort zu Ort. Auf dem Weg zu SPEKTRUM DER WISSENSCHAFT · August 2009

Astronomie & Physik

Varianten der Leere Angenommen, uns umgibt eine kosmische Leere, aber wir leben nicht in ihrer Mitte. Dann würde uns das Universum sozusagen ein wenig schräg erscheinen. Wie Håvard Alnes und Morad Amarzguioui von der Universität Oslo (Norwegen) gezeigt haben, wäre die kosmische Hintergrundstrahlung scheinbar in einer Richtung etwas wärmer als in der anderen. Eine solche Asymmetrie – ein Dipol – wurde tatsächlich im Strahlungshintergrund beobachtet. Normalerweise erklärt man dies mit der Bewegung unseres Sonnensystems durch den Raum, aber auch ein inhomogenes Universum könnte die Ursache sein. Außerdem scheinen sich kleine Fluktuationen des Strahlungshintergrunds in einer bestimmten Richtung anzuordnen, die João Magueijo und Kate Land, damals am Imperial College in London, »Achse des Bösen« getauft haben (siehe »Missklänge im Universum« von Glenn D. Starkman und Dominik J. Schwarz, Spektrum der Wissenschaft 12/2005, S. 30). Diese Bevorzugung einer Himmelsrichtung ist nur schwer mit einem kopernikanischen Universum vereinbar und lässt sich vielleicht mit unserer exzentrischen Lage in einer Leere erklären. Eine Vorzugsrichtung hätte auch andere Effekte zur Folge, etwa großräumig zusammenhängende Bewegungen von Galaxienhaufen. Einige

uns durchquert das Licht ferner Supernovae zahlreiche dieser kleinen Leerstellen, und die Schwankungen der Expansionsrate beeinflus­ sen Helligkeit und Rotverschiebung. Doch bis­ lang sieht die Idee nicht sehr viel versprechend aus. Wie einer von uns (Clifton) zusammen mit Joseph Zuntz von der University of Oxford gezeigt hat, könnten nur sehr viele speziell ver­ teilte Leerstellen mit sehr geringer Dichte die Wirkung der Dunklen Energie ersetzen. Eine andere Möglichkeit wäre, dass die Dunkle Energie ein Artefakt der in der Kosmo­ logie üblichen mathematischen Näherungen ist. Um die kosmische Expansion zu berech­ nen, zählen wir normalerweise zusammen, wie viel Materie ein Raumgebiet enthält, dividieren durch das Volumen des Gebiets und erhalten die mittlere Energiedichte. Dann setzen wir diesen Wert in die einsteinschen Gravitations­ gleichungen ein und bestimmen die mittlere Expansionsrate des Universums. Obwohl die Dichte von Ort zu Ort variiert, behandeln wir diese Dichteschwankungen als kleine Streuung um einen generell gültigen Mittelwert. Damit begehen wir eigentlich einen Fehler. Eine Lösung von Einsteins Gleichungen für eine gemittelte Materieverteilung ist nicht das­ selbe wie eine Lösung für die tatsächliche Ver­ teilung mit anschließender Mittelung der re­ sultierenden Geometrie. Mit anderen Worten, statt erst zu mitteln und dann zu lösen, müssten wir eigentlich erst lösen und dann mitteln. Allerdings ist es unvorstellbar schwierig, das gesamte Gleichungssystem für etwas, was SPEKTRUM DER WISSENSCHAFT · August 2009

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Unregelmäßigkeiten in der kosmischen Hintergrundstrahlung lassen sich auf einer »Achse des Bösen« anordnen. Sie könnte anzeigen, dass wir in einem inhomogenen Universum leben.

Forscher behaupten, einen solchen »dunklen Fluss« zu sehen, aber das bleibt vorläufig umstritten. Zwar ist es verführerisch, alle Anomalien einer gigantischen Leere zuzuschreiben, aber diese Erklärung passt schlecht. Vor allem weist jeder Effekt in eine andere Richtung. Außerdem würde aus der Stärke des kosmischen Dipols folgen, dass wir uns nur 50 Millionen Lichtjahre vom Zentrum aufhalten, und das wäre in dem hypothetischen Leerraum nur ein winziges Stück.

dem realen Universum auch nur entfernt na­ hekommt, zu lösen; darum schlägt man in der Regel den einfacheren Weg ein. Thomas Bu­ chert von der Université Lyon 1 (Frankreich) hat analysiert, wie gut dies als Näherung wirk­ lich ist. Er führte in die kosmologischen Glei­ chungen zusätzliche Terme ein, um den Feh­ ler zu berücksichtigen, der durch Mitteln vor Lösen entsteht. Wenn diese Terme sich als klein erweisen, ist die Approximation gut; sind sie groß, ist sie schlecht. Die Ergebnisse lassen bis jetzt keinen klaren Schluss zu. Man­ che Forscher meinen, die Zusatzterme reich­ ten aus, um die gesamte Dunkle Energie weg­ zuerklären, während andere behaupten, sie seien vernachlässigbar klein. Schon in naher Zukunft werden Beobach­ tungen wahrscheinlich die Entscheidung zwi­ schen Dunkler Energie und Modellen der Leere bringen. Der Supernova Legacy Survey, den Pierre Astier von der Université Paris 6 leitet, und die noch in Entwicklung befind­ liche Joint Dark Energy Mission dürften die Expansionsgeschichte des Universums eindeu­ tig klären. Der Planck-Satellit sowie mehrere Ballonsonden und bodengestützte Instrumen­ te werden die Hintergrundstrahlung in immer feineren Details vermessen. Das Square Kilo­ meter Array, ein für 2020 geplantes gigan­ tisches Radioteleskop, wird uns eine Karte sämtlicher Galaxien im beobachtbaren Uni­ versum liefern. Die jüngste Revolution in der Kosmologie, die vor zehn Jahren begann, ist noch lange nicht vorbei.

Timothy Clifton (links) und Pedro G. Ferreira sind Kosmologen an der University of Oxford. Sie untersuchen die Physik des frühen Universums und mögliche Abänderungen von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie. Ferreira hat ein populärwissenschaftliches Buch über Astronomie verfasst und unterstützt mehrere Projekte zur Förderung der Wissenschaftspädagogik in Afrika.

Clifton, T. et al.: Living in a Void: Testing the Copernican Principle with Distant Supernovae. In: Physical Review Letters 101, Paper Nr. 131302, 2008. Ellis, G. F. R.: Cosmology: Patchy Solutions. In: Nature 452, S. 158 – 161, 2008. Ferreira, P. G.: The State of the Universe: A Primer in Modern Cosmology. Phoenix, London 2007. Goodman, J.: Geocentrism Re­ examined. In: Physical Review D 52(4), S. 1821 – 1827, 1995.

Weblinks zu diesem Thema finden Sie unter www.spektrum.de/artikel/ 999549.

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Laserphysik

Lineale aus Erst vor wenigen Jahren­wurden sie als wissenschaftliches Werkzeug entdeckt: Optische Frequenzkämme revolutio­nieren Grundlagenforschung und Technik. Denn mit ihnen lassen sich Frequenzen von Lichtwellen ebenso wie Zeitintervalle mit höchster Präzision messen.

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Mit einem optischen Frequenzkamm, einer bestimmten Art von Laserlicht, lassen sich die Frequenzen von Licht und auch Zeitintervalle genauer und leichter messen als je zuvor.

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Der Kamm besteht aus einer Reihe ultrakurzer Laserpulse, deren charakteristisches Frequenzspektrum aus Zehntausenden von »Zähnen« in identischen Abständen besteht.

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Zu den wichtigsten Anwendungen der Frequenzkämme zählen genauere Atomuhren, extrem empfindliche chemische Detektoren, die Steuerung chemischer Reaktionen, eine höhere Datenübertragungsrate in Glasfasern und verbesserte Abstandsmesssysteme.

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Von Steven Cundiff, Jun Ye und John Hall

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on der Größe dieser Zahl können wir uns nicht einmal eine Vor­ stellung machen: Knapp eine Bil­ liarde Mal pro Sekunde schwingt eine Welle aus sichtbarem Licht, das ist eine 1 mit 15 Nullen. Genau hier liegt die Chance der Forscher: Präzisionsmessungen dieser Fre­ quenz erlauben vielfältige Anwendungen in­ nerhalb wie außerhalb der Forschungslabors. Nicht zuletzt werden wir so die Naturgesetze mit bislang unerreichter Genauigkeit über­ prüfen können. Vorher war es unmöglich, sichtbares Licht mit denselben Techniken zu manipulieren, die zum Beispiel bei Mikrowellen, also elektroma­ gnetischen Strahlen niedrigerer Frequenzen­, so hervorragend funktionieren. Doch inzwi­ schen liegt ein Jahrzehnt revolutionärer Fort­ schritte in der Laserphysik hinter uns. For­ scher haben mittlerweile Werkzeuge an der Hand, mit denen sie das Potenzial der hohen Frequenzen sichtbaren Lichts ausschöpfen kön­nen. Herausragende Bedeutung kommt dabei optischen Frequenzkämmen zu. Das

sind »Lineale« aus (Laser-)Licht, deren exakt regelmäßige Unterteilungen in die Zehn- oder gar Hunderttausende gehen. Sie ermöglichen, dass mit Präzisionsmessungen im Mikrowel­ lenbereich, wie sie die Forscher schon lange beherrschen, nun auch der sichtbare Bereich erfasst werden kann. Unzählige Anwendungen warten bereits auf ihre Verwirklichung: Eine neue Generati­ on von Atomuhren zählt dazu, die einen prä­ ziseren Standard setzen wird, ebenso wie ul­ traempfindliche chemische Detektoren. Fre­ quenzkämme eröffnen auch die Möglichkeit, chemische Reaktionen über Laser zu steuern. Auch lassen sich Reichweite und Empfind­ lichkeit von Lasersystemen zur Abstands- und Geschwindigkeitsmessung entfernter Objekte erhöhen (Lidar, light detection and ranging) so­ wie die Datenübertragungsrate in Glasfasern erheblich steigern (siehe Kasten S. 36). Im 20. Jahrhundert wäre noch ein ganzes Team von Doktoranden damit beschäftigt ge­ wesen, optische Frequenzen mit hoher Präzi­ sion zu vermessen. Ihre in einer Kette hinter­ einandergeschalteten Einfrequenzlaser, die ge­ wissermaßen Brücken zur je nächsthöheren SPEKTRUM DER WISSENSCHAFT · August 2009

Astronomie & Physik

David Emmite

Licht Frequenz schlagen, hätten die Labors eines halben Instituts belegt. Dank der Frequenz­ kammtechnik genügt heute ein einziger Di­ plomand an einem einzigen Gerät – und ein einziger Brückenschlag zwischen Mikrowellen und optischen Frequenzen. Dank ihrer sind aber auch neue Atom­ uhren in der Entwicklung. Ursprünglich dienten Zahnräder dazu, die Schwingungen eines Uhrpendels in die langsame Drehung der Zeiger zu übersetzen. In optischen Atom­ uhren übernehmen heute Frequenzkämme diese Aufgabe: Sie zählen die Schwingungen des Lichts und übersetzen sie in elektronische Signale, die sich für die Zeitmessung nutzen lassen. Gerade zwei Jahre ist es her, dass For­ scher die Zeit auf diese Weise genauer verma­ ßen, als dies eine Zäsiumatomuhr vermag – jenes Instrument also, das in den letzten Jahr­ zehnten den besten Zeitstandard lieferte. In mancher Hinsicht ähnelt die gegenwär­ tige Revolution der Umwälzung, die vor rund 100 Jahren die Erfindung des Oszilloskops aus­ gelöst hatte. Das Gerät hatte die Ära der mo­ dernen Elektronik eingeläutet, indem es erst­ mals die visuelle Darstellung elektrischer Si­ gnale erlaubte. So bereitete es den Boden für die Entwicklung aller möglichen modernen Geräte – vom Fernseher bis zum iPhone. Doch mit Licht kommen auch die schnellsten Oszil­ loskope nicht zurecht: Dazu müssten sie ihr Arbeitstempo noch um das Zehntausendfache steigern. Erst mit Frequenzkämmen lassen sich auch die Wellenzüge von Licht abbilden. SPEKTRUM DER WISSENSCHAFT · August 2009

Entscheidend dafür ist, dass die Forscher die Eigenschaften des von Lasern ausgesand­ ten Lichts über ein breites Frequenzspektrum hinweg präzise manipulieren können – so, wie ihnen das mit längerwelliger Strahlung bereits gelingt. Der hohe Grad an Kontrolle lässt sich mit einem Beispiel aus der Musik verdeutli­ chen. Bevor die Frequenzkämme entwickelt wurden und man lernte, mit ihnen umzuge­ hen, konnte jeder Laser genau eine Farbe er­ zeugen, also Licht genau einer Frequenz, ent­ sprechend einem einzigen Ton. Diese Einfre­ quenzlaser weisen Analogien zu einer Geige auf, die nur über eine Saite verfügt, kein Griffbrett besitzt und auf der sich deshalb nur ein einziger Ton spielen lässt. Schon ein ein­ faches Musikstück würde zahlreiche solcher mühevoll zu stimmender Geigen erfordern, die von je einem Musiker gespielt würden. Heute aber kann ein einziger Wissenschaft­ ler an einem einzigen Frequenzkammgerät »Töne « aus dem gesamten optischen Spek­ trum erzeugen. Damit ist er dem Pianisten an seinem Flügel vergleichbar, oder mehr noch: einem Keyboard-Spieler, der mittels eines elektronischen Synthesizers beliebige Instru­ mente oder ganze Orchester hörbar macht. Denn nun können die Forscher Sinfonien aus Hunderttausenden reiner, optischer Töne er­ klingen lassen. Optische Frequenzkämme werden von so genannten modengekoppelten Lasern erzeugt, die ultrakurze Lichtpulse aussenden. Ihre Ei­ genschaften werden am deutlichsten, wenn

Lichtwellen schwingen so schnell, dass Forscher sie mit bisheriger Technik nur unter großem Aufwand messen können. Nun aber dienen Laserpulse als eine Art Lineal aus Licht, das sich an andere Laser anlegen lässt. Damit können deren Frequenzen mit höchster Präzision und vor allem einfach ermittelt werden.

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Laserphysik

Anwendungen der Kammtechnik Optische Atomuhren

Uhr: Corbis / Sora; Bearbeitung: Emily Harrison

man ihr Gegenstück betracht: die Lichtwelle, die ein so genannter Dauerstrich-Laser aus­ sendet. Sie ist im Idealfall ein kontinuierlicher Strom regelmäßiger Schwingungen des elek­ trischen Felds und entspricht im obigen Or­ chesterbild dem unmodulierten Dauerton der

Optische Atomuhren auf Basis von Frequenzkämmen sind die genauesten Uhren, die jemals gebaut wurden. Sie übertreffen bereits jetzt die auf Mikrowellen basierenden Systeme, die seit 1967 den Standard für die Zeitmessung darstellen. Die neuen Uhren werden künftig eine wichtige Rolle unter anderem bei der Navigation im Weltraum, der Kommunikation zwischen Satelliten und bei extrem genauen Tests fundamentaler physikalischer Gesetze spielen.

Chemische Sensoren Mit Frequenzkämmen lassen sich ultraempfindliche chemische Detektoren bauen. Die ersten Prototypen für kommerzielle Geräte werden derzeit entwickelt. Entsprechende Sensoren können helfen, gefährliche Substanzen wie Sprengstoffe oder Gifte schneller aufzuspüren. Und Ärzte werden dank der neuen Technik Krankheiten diagnostizieren, indem sie chemische Substanzen im Atem des Patienten nachweisen. iStockphoto / Robert Kohlhuber

Superlaser

Telekommunikation

iStockphoto / Steve Dibblee

Die neue Technik wird auch die Übertragungsrate von optischen Leitern um mehrere Größenordnungen erhöhen. Statt einer großen Zahl einzelner Laser ist dafür lediglich ein einziger Frequenzkamm nötig. Außerdem lässt sich die Interferenz zwischen den einzelnen Kommunikationskanälen verringern und die Abhörsicherheit verbessern.

Designer-Chemie Forscher versuchen bereits, mit Hilfe von kohärentem Laserlicht den Ablauf chemischer Reaktionen zu kontrollieren. Dank optischer Kämme können sie die Ergebnisse nun genauer vorausberechnen und zuverlässiger erzielen. So wird auch die Steuerung so genannter ultrakalter chemischer Reaktionen möglich. Dabei verbinden sich verschiedenartige Atome bei Temperaturen knapp über dem absoluten Nullpunkt zu einem relativ stabilen Molekül, das in der Natur so nicht existiert. Der letzte Kühlungsschritt erfolgt durch Laser verschiedener Frequenz, passend für je einen molekularen Energieübergang, die mittels eines Kamms in eine feste Phasenbeziehung gebracht wurden.

Laserabstandsmessungen Laser-Radar- oder Lidar-Geräte (kurz für light detection and ranging) nutzen Laserlicht, um Ort, Geschwindigkeit und andere Eigenschaften entfernter Objekte oder auch der Atmosphäre zu messen. Mit optischen Frequenzkämmen lassen sich Wellenformen nach Wunsch erzeugen und so die Empfindlichkeit und die Reichweite der Lidar-Technik um mehrere Größenordnungen verbessern.

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Getty images / Coneyl Jay

Mittels Frequenzkämmen können Forscher die Strahlung vieler Laser zu einem einzigen Strom von Pulsen zusammenfügen, der ebenso kohärent ist wie die einzelnen Laserstrahlen. Eines Tages werden sie so möglicherweise den Wellenlängenbereich von Radio- bis hin zu Röntgenstrahlung ab­ decken.

einsaitigen Geige. Jeder Wellenberg und jedes Wellental besitzt exakt die gleiche Amplitude; ein Wellenberg folgt dem nächsten in immer gleichen zeitlichen und räumlichen Abstän­ den. Dieser Abstand zwischen zwei benach­ barten Wellenbergen, also die Wellenlänge, bestimmt die Farbe des ausgesandten Lichts, die analog der Tonhöhe einer gestrichenen Geigensaite ist. Die einzelnen Pulse eines modengekop­ pelten Lasers bestehen hingegen nur aus einer sehr kurzen Folge von Wellenbergen und -tä­ lern. In der Mitte jedes Pulses ist deren Am­ plitude maximal, zu seinen Rändern hin fällt sie auf null ab (siehe Kasten rechts). Die kür­ zesten solcher Pulse dauern weniger als zehn Femtosekunden (10 –15 Sekunden) und umfas­ sen nur wenige Wellenberge und -täler. Ihre Form wird von den Forschern durch die so genannte Einhüllende beschrieben. Sie legt fest, wie die Amplitude des Laserpulses von null aus ansteigt und wieder auf null ab­ fällt. Damit lässt sich ein Puls als zu Grunde liegende kontinuierliche Welle oder »Träger­ welle« darstellen, deren Amplitude sich nur mit der Höhe der Einhüllenden verändert. Die Trägerwelle ihrerseits besteht aus Licht ei­ ner einzigen reinen Frequenz, ihr Spektrum weist also genau bei dieser Frequenz eine Spit­ ze auf. Nun könnte man erwarten, dass auch der Lichtpuls aus nur einer einzigen Frequenz be­ steht. Schließlich lässt er sich als Trägerwelle auffassen, bei der lediglich die Amplitude durch die Einhüllende verändert wird. Aber das ist nicht der Fall. Tatsächlich besitzt der Puls ein ausgedehntes, kontinuierliches Spek­ trum, dessen Mitte die Frequenz der Träger­ welle markiert. Ein Puls setzt sich also aus Licht vieler Frequenzen zusammen, die gewis­ sermaßen als Gruppe reisen. Außerdem gilt: Je kürzer der Puls ist, desto mehr Frequenzen enthält das Spektrum, desto größer ist die so genannte Spektralbreite. Pulse von modengekoppelten Lasern besit­ zen zwei weitere entscheidende Eigenschaften. Zum einen spielt bei ihnen neben der Größe der Amplitude der Einhüllenden auch die Lage der Berge und Täler der Trägerwelle rela­ tiv zur Einhüllenden eine wesentliche Rolle bei der Beschreibung der Pulse. So kann das Maximum des Pulses mit einem Berg der Trä­ gerwelle übereinstimmen oder aber gegenüber diesem leicht versetzt sein. Die Größe der ent­ sprechenden Verschiebung wird als Phase des Pulses bezeichnet. Zum anderen senden modengekoppelte Laser ihre Pulse in sehr regelmäßigen Abstän­ den mit der so genannten Repetitionsrate oder Pulswiederholfrequenz aus. Diese Fre­ SPEKTRUM DER WISSENSCHAFT · August 2009

Astronomie & Physik quenz darf nicht mit der optischen Frequenz der Trägerwelle verwechselt werden: Die Re­ petitionsrate des Lasers gibt die Zahl der Pulse an, die der Laser pro Sekunde emittiert, wäh­ rend die Trägerfrequenz des Lasers die Anzahl der Schwingungen des elektrischen Felds pro Sekunde und damit die Farbe des Laserlichts beschreibt.

Überraschender Effekt

Beide Frequenzen hängen allerdings mit der Weglänge zusammen, die das Licht bei seiner Erzeugung im Laserapparat zurücklegt; und ebendieser Zusammenhang erlaubt die Her­ stellung des Frequenzkamms. Das Frequenz­ spektrum einer Pulsfolge erstreckt sich näm­ lich nicht kontinuierlich in einem Band um die Trägerfrequenz, sondern zerfällt in viele diskrete Frequenzen und ähnelt deshalb den Zähnen eines Kamms. Die (Frequenz-)Ab­ stände der Kammzähne entsprechen dabei ge­ nau der Repetitionsrate des Lasers. (Grund für dieses etwas überraschende Phänomen ist letztlich die Bauweise der Laser. In ihren Re­

sonatoren wird nur Licht diskreter Frequenzen verstärkt und schließlich ausgekoppelt.) Eine typische Repetitionsrate liegt bei einem Gigahertz, das entspricht dem Mikro­ wellenbereich. Der Laser sendet also eine Mil­ liarde Pulse pro Sekunde aus. (Moderne Com­ puterprozessoren sind noch etwas schneller getaktet.) Das sichtbare Spektrum des Lichts wiederum erstreckt sich von rund 400 bis 800 Terahertz, also von 400 000 bis 800 000 Giga­ hertz. Ein optischer Kamm, der dieses Spek­ trum komplett abdeckt und dessen Zähne ei­ nen Abstand von einem Gigahertz aufweisen, besäße also 400 000 Zähne. Messen lassen sich Wiederholungsraten im Gigahertzbereich praktischerweise sehr genau, denn es existieren Hochgeschwindigkeitsfoto­ dioden, die jeden einzelnen der Pulse regis­ trieren und zählen. Kann man nun die Zähne des Frequenzkamms als präzise messbare Re­ ferenzmarken verwenden, um Messungen im optischen Bereich durchzuführen? Das ver­ hindert zunächst die Phase der Pulse. Alles ist bestens, solange jeder einzelne Puls genau die­

Ein Kamm aus Licht Ein optischer Frequenzkamm besteht aus einer Folge praktisch identischer Laserpulse, deren Abstände extrem regelmäßig sind. Damit eignen sie sich gut für Präzisionsmessungen. Der Pulszug Lichtwelle

Einhüllende

Zeit 1/t

T 1/T

Frequenz

einzelner Puls Obwohl das elektrische Feld (oben, grün) eines Laserpulses gleichmäßig schwingt, besteht dieser nicht aus Licht einer reinen Frequenz. Seine Einhüllende (gestrichelte Linie) kann nur dann ansteigen und wieder abfallen, wenn sich das Licht aus einer ganzen Reihe von Frequenzen zusammensetzt, einem Frequenzband (unten). Je kürzer der Puls ist (oben, T), desto größer ist die Breite des Frequenzbands (unten, 1 / T). Die Frequenzen in einem 1-Femtosekunden-Puls überdecken etwa die Hälfte des optischen Spektrums, wenn man die Ausläufer niedriger Intensität vernachlässigt.

SPEKTRUM DER WISSENSCHAFT · August 2009

t Pulsabstand

Frequenz

Pulszug Spontan würde man erwarten, dass eine Folge von Pulsen (oben) das gleiche Spektrum wie ein einzelner Puls besitzt. Tatsächlich zeigt das Spektrum der Pulsfolge eine Reihe von Spitzen, die den Zähnen eines Kamms ähneln (unten). Das Licht besteht also aus einer Reihe von diskreten Frequenzen. Beträgt der zeitliche Abstand der Pulse t Nanosekunden, liegen die Zähne des Frequenzkamms 1 / t Gigahertz auseinander. Die Forscher können also den Abstand der Kammzähne sehr genau bestimmen, indem sie die Rate messen, mit der die Pulse aus dem Laser kommen.

Lisa Apfelbacher

Zeit

Spektrum

wird als Kamm bezeichnet, weil sein Frequenzspektrum – im Gegensatz zum Spektrum eines einzelnen Pulses – aus einer gleichmäßigen Folge von Zähnen besteht.

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Laserphysik

Die StandardSekunde Die offizielle Definition der Einheit der Zeit wird eines Tages auf optischen Frequenzkämmen beruhen. ➤  Die heutige Standardsekunde basiert auf der Mikrowellenstrahlung, die Zäsiumatome absorbieren, wenn sie zwischen zwei Hyperfeinstruktur-Zuständen wechseln. ➤  Eine Sekunde ist definiert als die Zeit, die diese Strahlung für 9 192 631 770 Schwingungen benötigt.

David Emmite

➤  Ein optischer Standard wird vermutlich Licht mit der etwa 60 000-fachen Frequenz der Zäsiumstrahlung nutzen. Derzeit suchen Forscher nach Atomen oder Ionen, die entsprechendes Licht absorbieren oder emittieren und für neue Uhren geeignet sind.

Kombiniert man den Klang zweier Stimm­ gabeln, von denen eine leicht verstimmt ist, kommt es zu einer Schwebung: Die Laut­stärke des entstehenden Tons schwillt mit der Schwebungsfrequenz an und ab. Diese Frequenz ergibt sich aus der Diffe­ renz der Frequenzen der beiden Stimm­ gabeln. Dasselbe Phänomen zeigt sich auch bei Lichtwellen und ist für viele Laser­ messverfahren von Bedeutung.

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selbe Phase aufweist. Denn dann sind die Fre­ quenzen der Kammzähne bei jedem Puls ex­ akt ganzzahlige Vielfache der Wiederholungs­ rate. Man müsste also nur die Repetitionsrate des Lasers messen, um die Positionen der Zähne zu kennen. Bestimmte Prozesse im Laserinstrument sorgen aber normalerweise dafür, dass sich die Phase von Puls zu Puls verändert, und zwar um einen konstanten, aber nicht vorhersag­ baren Wert. Die Zähne verschieben sich da­ durch um die so genannte Offset- oder auch Phasenschlupf-Frequenz (siehe Kasten rechts). Diese muss man neben der Repetitionsrate also ebenso kennen, um die tatsächliche Fre­ quenz der Kammzähne zu ermitteln. Ihre Messung stellte jedoch eine große Hürde dar, die erst im Jahr 2000 endgültig überwunden wurde. Zuvor hatte man dieses Problem im We­ sentlichen ignoriert. Bei der Erforschung ul­ traschneller Laser und der Erzeugung und Nutzung ultrakurzer Pulse, wie sie in den ver­ gangenen vier Jahrzehnten stattfand, spielten die Pulsphase und das kammähnliche Spek­ trum einer idealen Pulsfolge kaum eine Rolle: Die Experimente hingen üblicherweise nur von der Intensität der einzelnen Pulse ab. Zwar nahmen die Forscher auch die Spektren ihrer modengekoppelten Laser auf, doch sel­ ten war die Auflösung ausreichend hoch, als dass ihre kammähnliche Struktur sichtbar ge­ worden wäre. So also verschmolzen die Linien miteinander und erzeugten den Eindruck eines kontinuierlichen Frequenzbands. Messungen mit hoher Auflösung waren die Domäne von Spezialisten aus den Bereichen der Präzisionsspektroskopie und der optischen Metrologie. Ihr bevorzugtes Werkzeug: hoch­ stabile Dauerstrich-Laser, deren Frequenzspek­ trum genau eine scharfe Spitze aufwies. Mit modengekoppelten Lasern hingegen kannten sich nur wenige Metrologen aus. Und diese hatten Zweifel an ihrer Nützlichkeit: Schon leichte Schwankungen der Repetitionsrate oder der Pulsphase, so erwarteten sie, würden das Kammspektrum völlig verschmieren lassen. Doch einige Forscher und insbesondere Theodor W. Hänsch vom Garchinger MaxPlanck-Institut für Quantenoptik vertrauten darauf, dass sich modengekoppelte Laser eines Tages als hilfreiches Werkzeug für Präzisions­ spektroskopie und Metrologie erweisen wür­ den. Schon in den 1970er Jahren führte Hänsch an der Stanford University eine Reihe von Messungen mit einem modengekoppelten Farbstofflaser durch, die das Konzept grundsätzlich bestätigten. Dann, in den späten 1980er Jahren, entwi­ ckelte Peter Moulten, der damals für das Un­

ternehmen Schwartz Electro-Optics im USBundesstaat Massachusetts arbeitete, einen Festkörperlaser auf Basis von titandotiertem Saphir. Solche Laser zeichnen sich durch eine große Spektralbreite aus. Und schließlich be­ reitete Wilson Sibbett von der schottischen University of St Andrews in den frühen 1990er Jahren den Boden, um dieses neue Material in modengekoppelten Lasern einzusetzen. Bald darauf wurden Titan-Saphir-Laser routinemä­ ßig zur Erzeugung von Pulsen mit einer Dauer von weniger als zehn Femtosekunden einge­ setzt. Ein solcher Puls umfasst gerade einmal drei Lichtschwingungen (siehe »Ultrakurze La­ serblitze« von John-Mark Hopkins und Wilson Sibbett, SdW 11/2000, S. 66).

Der fehlende Stein des Puzzles

In dieser Zeit holte Hänsch seine mittlerweile 20 Jahre alte Idee der optischen Frequenzkäm­ me wieder aus der Schublade und demons­ trierte in den 1990er Jahren das Potenzial mo­ dengekoppelter Laser. In einem seiner Experi­ mente gelang ihm der Nachweis, dass die Kammzähne an den entgegengesetzten Enden des Spektrums wohldefinierte Abstände zuei­ nander aufweisen, was auf ein verlässliches Li­ neal hinwies. In einem weiteren Experiment untersuchte er einen optischen Übergang in Zäsiumatomen. Bei solchen Übergängen ab­ sorbieren oder emittieren die Atome Licht ei­ ner bestimmten Frequenz. Für deren Messung nutzte er einen modengekoppelten Laser, um den Frequenzunterschied zwischen zwei Dau­ erstrich-Lasern zu überbrücken. Von seinen Ergebnisse hörten wir natürlich auch am JILA. Dieses vom National Institute of Standards and Technology (NIST) und der University of Colorado in Boulder gemeinsam betriebene Institut war einst als Joint Institute for Laboratory Astrophysics gegründet wor­ den, widmet sich aber längst verschiedenen Disziplinen der Grundlagenforschung. Hier waren wir in der einzigartigen Position, die technischen Fortschritte in gleich zwei Zwei­ gen der Laserforschung aufzugreifen. Das JILA besitzt traditionell einen Schwerpunkt im Bereich der optischen Metrologie und der Präzisionsspektroskopie. Überwiegend wur­ den dabei ultrastabile Dauerstrich-Laser ein­ gesetzt, die einer von uns, John Hall, im Ver­ lauf von 40 Jahren entwickelt hatte. 1997 kam aber ein weiterer der Autoren ans JILA, nämlich Steven Cundiff, der in der Technik modengekoppelter Laser und auf dem Gebiet kurzer Pulse erfahren war. Bevor wir beschlossen, gemeinsame Sache zu machen, waren allerdings erst viele Ge­ spräche auf den Gängen des Instituts und am Mittagstisch nötig, in denen wir unsere er­ SPEKTRUM DER WISSENSCHAFT · August 2009

Astronomie & Physik

Die Kalibrierung des Kamms Die Zähne des Kamms sind durch einen kleinen Effekt, der ihre Frequenz beeinflusst, leicht verschoben. Bevor die Forscher

mit einem Kamm das Licht eines anderen Lasers vermessen können, müssen sie diese Verschiebung ermitteln.

Das Problem

Phasenschlupf

Von Puls zu Puls verschiebt sich die höchste Amplitude der Trägerwelle relativ zum Maximum der Einhüllenden. Dieser Effekt nennt sich Phasenschlupf.

doppelter Phasenschlupf

Wie sich der Kamm verändert Der Phasenschlupf verschiebt die Zähne des optischen Frequenzkamms um die so genannte Offset-Frequenz. Die Zähne befinden sich also jeweils an der Offset-Frequenz plus einem ganzzahligen Vielfachen des Zahnabstands. Mit einem Verfahren namens »Self-Referencing« lässt sich die Offset-Frequenz bestimmen. Es erfordert, dass der Kamm eine ganze Oktave überdeckt, zu einem Zahn n (orange) also auch ein Zahn 2*n der doppelten Frequenz (blau) existiert.

Zeit

OffsetFrequenz

Frequenzabstand der Kammzähne

Kamm 2n

n

Lösung: Vergleich zweier Kämme

heblichen konzeptionellen Unterschiede über­ brückten. Mit Scott Diddams (der jetzt eine Arbeitsgruppe am NIST leitet) und David J. Jones (mittlerweile an der University of Bri­ tish Columbia in Kanada) stießen dann noch zwei Postdocs zu uns. Der dritte des Autoren­ teams, Jun Ye, kam schließlich im Sommer 1999 ans JILA – gerade als die Revolution tat­ sächlich begann – und brachte von da an viele Anwendungen für die neuen Frequenzkämme auf den Weg. Wir wussten, dass Hänsch seine komplexe Apparatur stark vereinfachen wollte. Das er­ forderte jedoch einen modengekoppelten La­ ser mit enormer Frequenzbandbreite, vorzugs­ weise einer ganzen Oktave. (Eine Oktave ent­ spricht einem Faktor 2 in der Frequenz; in Optik und Elektronik ebenso wie in der Mu­ sik). Das aber schafften damals auch Titan-Sa­ phir-Laser nicht. Zwar kann man das Fre­ quenzband verbreitern, indem man die Pulse durch optische Fasern leitet. Doch dabei wer­ den sie gestreckt, so dass die Intensität der Pulse sinkt und die Verbreiterung schließlich zu gering ausfällt. SPEKTRUM DER WISSENSCHAFT · August 2009

Frequenz Schwebungsfrequenz (= Offset-Frequenz) doppelte OffsetFrequenz

frequenz­ verdoppelter Kamm

doppelter Frequenzabstand

Den fehlenden Stein des Puzzles lieferte dann Jinendra Ranka von den Bell Laborato­ ries im Jahr 1999. Auf einer Fachtagung prä­ sentierte er eine Arbeit über neuartige Mi­ krostrukturfasern. Mikrometergroße »Luftlö­ cher« durchziehen diese Fasern der Länge nach und sorgen so mittels des veränderlichen Brechungsindex dafür, dass das Licht entlang dem Faserkern geleitet wird. Die Pulsintensi­ tät aber bleibt darin hoch – mit der Folge, dass es auch zu einer erheblich größeren Ver­ breiterung des Frequenzbands kommt (siehe »Weißes Laserlicht«, SdW 3/2007, S. 58). Im Herbst 1999 hielten wir diese magische Faser endlich selbst in Händen. Der Zeit­ punkt hätte nicht günstiger sein können. Ge­ rade hatten wir eine Reihe von Experimenten mit einem Titan-Saphir-Laser abgeschlossen und dabei eine dreifach größere Lücke über­ brückt, als dies Hänsch in seinem ursprüng­ lichen Versuch gelungen war. Außerdem besaßen wir damit einen funk­ tionsfähigen Versuchsaufbau, in den wir die neue Mikrostrukturfaser integrieren konnten. Schon zwei Wochen später wiesen wir expe­

n

Lisa Apfelbacher

Wenn ein solcher Kamm zur Verfügung steht, schicken die Forscher einen Teil des Kammlichts durch einen Kristall, der die Frequenzen der Kammlinien verdoppelt (und noch weitere, hier nicht gezeigte Linien erzeugt). Da die verdoppelten, ursprünglich niederfrequenten Zähne sich von den hochfrequenten gerade um die Offset-Frequenz unterscheiden, führt eine Überlagerung beider Strahlen zu einer Schwebung mit der Offset-Frequenz. Diese liegt im Mikrowellenbereich und kann präzise gemessen werden, womit dann auch die Frequenzen der Kammzähne bekannt sind.

Verräterischer Atem Mit Hilfe optischer Frequenzkämme lassen sich Moleküle im Atem eines Pa­ tienten künftig schnell und zuverlässig nachweisen. Das erlaubt die Diagnose von Krankheiten. So weist Methyl­amin auf Leber- und Nierenkrankhei­ten hin, und Ammoniak ist ein Indikator für Nieren­versagen. Der Fund von Ethan ist typisch für einige Arten von Krebs, und bestimmte Verhältnisse von Kohlenstoffisotopen künden von Helicobacter pylori.

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David Emmite

rimentell nach, dass sich die Frequenz­ kammstruktur des ursprünglichen Laserpulses auch dann nicht verändert, wenn es in der Mikrostrukturfaser zu einer spektralen Ver­ breiterung kommt. Wie aber lässt sich nun die Offset-Frequenz messen? Viele der verfügbaren Methoden lei­ ten sich aus Verfahren zur Frequenzmessung in der Radiotechnik ab, die entwickelt worden waren, bevor sich Hochgeschwindigkeitszähler allgemein durchsetzten. (Solche Zähler erledi­ gen diese Arbeit, indem sie einfach die Zahl der Schwingungen einer Radiowelle pro Zeit­ einheit messen. Mit den hohen Frequenzen des Lichts können sie jedoch nicht mithalten.) Die einfachste und zugleich vielseitigste Methode zur Messung der Offset-Frequenz ist das so genannte Self-Referencing. Die Grund­ idee besteht darin, die Frequenzen von Kamm­ linien an den entgegengesetzten Enden des Spektrums miteinander zu vergleichen. Daher rührt auch der Name der Methode: Man ver­ gleicht das Licht des Kamms sozusagen mit sich selbst. Beträgt die Offset-Frequenz null, dann korrespondiert mit jeder Linie am nie­ derfrequenten Ende des Spektrums eine Linie mit exakt der doppelten Frequenz am hochfre­ quenten Ende. Oder anders gesagt: Die Abwei­ chung von diesem exakten Verhältnis ist gera­ de die Offset-Frequenz (siehe Kasten S. 39). In der Praxis leiten die Forscher einen Teil des Laserlichts durch einen speziellen Kristall,

Familienurlaub mit Atomuhr Während die Entwicklung von Atomuhren auf die Spitze getrieben wird, sind gängigere Exemplare auch in Amateurkreisen zu finden. Auf seiner Website berichtet der ehemalige Programmierer Tom Van Baak von einen Familienausflug auf den Mount Rainier im US-Bundesstaat Washington. Drei Atomuhren hatte er dabei und überprüfte mit ihrer Hilfe die von der Relativitätstheorie vorher­ gesagte Zeitdilatation durch die Schwerkraft: www. leapsecond.com/great2005.

So wird Licht mit einem Kamm gemessen Um die Frequenz eines optischen Lasers (violett) zu messen, kombinieren die Physiker sein Licht mit demjenigen eines optischen Frequenzkamms. Dann messen sie die Frequenz der Schwebung, die sich aus der Überlagerung der unbekannten Laserfrequenz mit dem am nächsten liegenden Kammzahn (n) ergibt. Dabei hilft ihnen, dass sie die gesuchte Laserfrequenz vorab mit (weniger genauen) Standardverfahren näherungsweise bestimmt haben. Allein durch die Messung von drei Frequenzen im Gigahertzbereich – der Offset-Frequenz, des Abstands der Zähne und der Schwebungsfrequenz – können die Forscher die Laserfrequenz, die im Bereich von einigen hundert Terahertz liegt, jetzt also mit hoher Genauigkeit bestimmen. OffsetFrequenz

Abstand der Zähne

Frequenzkamm Laser n

0 1 2 3...

Lisa Apfelbacher

Frequenz

40 

10 9 Hz 10 14 Hz

Frequenz der Schwebung

der dessen Frequenz verdoppelt. Mit Hilfe eines Spiegels, der nur langwelliges Licht re­ flektiert, lässt sich das niederfrequente Ende des Frequenzkamms abtrennen, durch den Kristall schicken (also um eine Oktave erhö­ hen) und dann gemeinsam mit dem hochfre­ quenten Ende des Kamms auf ein und densel­ ben Fotodetektor schicken. Ahnlich wie bei zwei eng beieinanderliegenden Tönen in der Akustik führt die Überlagerung der Strahlen zu einer Schwebung. Die (leicht messbare) Frequenz dieser Schwebung entspricht wiede­ rum genau dem Frequenzunterschied des Lichts, also der Offset-Frequenz. Denn die verdoppelte niederfrequente Linie ist um ebendiesen Betrag gegenüber ihrer korrespon­ dierenden hochfrequenten Linie verschoben. Bislang war für die Metrologie bei optischen Frequenzen eine ganze Kette von Fre­ quenzvervielfachungen nötig, die extremen technischen und personellen Aufwand erfor­ derten. Jedes Glied der Kette bestand aus einem Oszillator mit einem Vielfachen der Frequenz des jeweils vorgeschalteten Oszilla­ tors. Als Referenz, also als erstes Kettenglied, kam eine Zäsiumatomuhr zum Einsatz, wie sie auch zur Festlegung des internationalen Sekundenstandards dient. In einer solchen Uhr absorbieren Zäsium­ atome Mikrowellen mit einer Frequenz von neun Gigahertz. Um von dieser Frequenz bis zum sichtbaren Licht vorzudringen – sie also um den Faktor 40 000 zu erhöhen –, sind etwa ein Dutzend Zwischenschritte nötig. Dabei wird jeweils ein Einfrequenzlaser höherer Fre­ quenz auf eine wohldefinierte harmonische Oberfrequenz des Lasers mit der niedrigen Ausgangsfrequenz phasenstabilisiert, das heißt: Wellenberge und -täler beider Laser fallen ex­ akt zusammen und werden mit Hilfe eines Re­ gelkreises in diesem Zustand gehalten. Da­ durch kann der Laser höherer Frequenz nun seinerseits als Referenz dienen, und so hangelt man sich entlang dieser Laserkette Schritt für Schritt bis hin zur gewünschten optischen Fre­ quenz. Jedes dieser Kettenglieder basiert indessen auf unterschiedlicher und komplexer Technik. Weltweit konnten sich daher nur wenige La­ bors solche Frequenzketten leisten, zudem wurden sie nur gelegentlich genutzt. Und na­ türlich waren die vielen Kettenglieder störan­ fällig und reduzierten die Genauigkeit der Messung. Ein solcher Aufwand ist nun nicht mehr nötig. Seit der Erfindung stabilisierter op­ tischer Frequenzkämme lässt sich die Fre­ quenz von Dauerstrich-Lasern präzise und vergleichsweise einfach messen. Auch hier dient eine Zäsiumuhr als Referenz. Deren Fä­ SPEKTRUM DER WISSENSCHAFT · August 2009

Astronomie & Physik higkeit, Frequenzen bis zu neun Gigahertz zu messen, ist, wie wir sehen werden, auch völlig ausreichend, um mittels eines Frequenz­ kamms optische Frequenzen zu messen. Die Offset-Frequenz und den Abstand der Kammzähne haben wir also mit den oben beschriebenen Verfahren bestimmt. Daraus lassen sich die Frequenzen sämtlicher Zähne berechnen. Anschließend wird das Laserlicht, dessen Frequenz noch unbekannt ist, mit dem Licht des Kamms kombiniert, um eine Schwebung zu erhalten. So erhält man die Differenz zwischen der Laserfrequenz und der ihr am nächsten liegenden Linie des Kamms. Alle diese drei Frequenzen liegen im Mikro­ wellenbereich, der sich mit einer Zäsiumuhr extrem genau messen lässt. Der Zahnabstand nämlich, wir erinnern uns, entspricht gerade der Repetitionsrate der Laserpulse, die den Kamm erzeugen, und beträgt bei den meisten modengekoppelten Lasern zehn Gigahertz oder weniger. Die Offset- und die Schwe­ bungsfrequenz wiederum sind immer kleiner als die Zahnabstände, so dass auch diese mit Hilfe der Uhr gemessen werden können.

Ein neuer Standard für die Zeit?

Jetzt benötigen wir noch zwei weitere Infor­ mationen. Welcher Zahn liegt der unbe­ kannten Laserfrequenz am nächsten, und auf welcher seiner Seiten kommt sie zu liegen? Da kommerzielle Messgeräte die Frequenz op­ tischer Linien auf mehr als ein Gigahertz ge­ nau bestimmen können, reichen sie aus, um beide Fragen zu beantworten. Alternativ las­ sen sich Repetitionsrate und Offset-Frequenz auch systematisch variieren und die damit ver­ bundene Änderung der Schwebung beobach­ ten. So gewinnt man genügend Datenpunkte, um daraus die Frequenz der Linie ermitteln zu können. Dank der Frequenzkämme werden Mes­ sungen optischer Frequenzen mittlerweile viel häufiger durchgeführt und liefern präzisere Er­ gebnisse. Künftig könnte ein neuer optischer Zeitstandard auch den gegenwärtigen auf Zä­ siumuhren basierenden Mikrowellenstandard ablösen. Forschergruppen um James C. Berg­ quist am NIST und Ye am JILA zeigten schon jetzt, dass die mit Frequenzkämmen und licht­ basierten Atomuhren erzielbaren Messunsi­ cherheiten noch geringer sind als jene, die sich mit den besten Zäsiumuhren erreichen lassen. Inzwischen arbeiten Wissenschaftler in For­ schungslabors weltweit an einem optischen Frequenzstandard. Messungen unter anderem von Leo Hollbergs Gruppe am NIST deuten darauf hin, dass sich die Genauigkeit von Mes­ sungen mit Frequenzkämmen sogar noch um mehrere Größenordnungen verbessern lässt, SPEKTRUM DER WISSENSCHAFT · August 2009

bevor eine prinzipielle Grenze erreicht wird. Bis zur Einführung eines neuen Zeitstandards wird es allerdings noch Jahre dauern. Zunächst müssen die Metrologen unter anderem zahl­ reiche atomare und ionische optische Übergän­ ge untersuchen, um entscheiden können, wel­ cher sich für diesen Zweck am besten eignet. Aber auch in der Grundlagenforschung geht es zügig voran. In einem einzigen Mess­ prozess kann die Gruppe von Ye mittlerweile zahlreiche energetische Übergänge in Atomen und Molekülen mit hoher Empfindlichkeit nachweisen. Das Verfahren lässt sich auch auf Substanzproben anwenden, so dass auf einen Schlag die Spuren vieler unterschiedlicher Stoffe detektiert werden können. Ein weiteres Arbeitsgebiet ist von der Fre­ quenzkammtechnik ebenfalls stark beeinflusst. Dabei setzen Forscher Atome und Moleküle dem Einfluss der starken elektrischen Felder in ultrakurzen Lichtpulsen aus. Eine wichtige Rolle spielt hier die Gruppe um Ferenc Krausz, der wie jetzt auch Hänsch am Gar­ chinger Max-Planck-Institut für Quantenop­ tik tätig ist. Krausz maß die elektrischen Fel­ der von Laserpulsen indirekt, indem er ihre Wirkung auf Elektronen untersuchte – so konnte er die Form der Trägerwelle innerhalb der Einhüllenden erstmals messen und sicht­ bar machen, ähnlich wie sich mit einem Os­ zilloskop eine Radiowelle darstellen lässt. Die Frequenzkämme nutzte er dafür, die Phase der Pulse zu stabilisieren und so eine von Puls zu Puls unveränderte Form der Welle zu erzie­ len (siehe »Elektronenjagd mit Attosekunden­ blitzen« von R. Kienberger, F. Krausz, SdW 2/2009, S. 32). Ein ebenfalls sehr aktiver Forschungszweig befasst sich damit, die Frequenzkammtechnik auf Wellen immer höherer Frequenzen anzu­ wenden. (Kämme niedrigerer Frequenzen, an­ gefangen bei Mikrowellen bis hin zu sicht­ barem Licht, lassen sich mittlerweile einfach herstellen.) 2005 gelang es sowohl Yes Gruppe am JILA als auch dem Garchinger Team um Hänsch, einen präzisen Frequenzkamm jen­ seits des Optischen im extremen Ultraviolett (XUV) zu erzeugen, also nahe am Röntgenbe­ reich. Solche Kämme dienen dazu, mit XUVLasern die Feinstruktur von Atomen und Mo­ lekülen zu untersuchen. Innerhalb von wenigen Jahren, so zeigen diese Beispiele, haben sich Frequenzkämme von einem Forschungsobjekt einiger Wissen­ schaftler hin zu einem Werkzeug entwickelt, das Anwendungsentwicklung und Grundla­ genforschung vielfältig beeinflusst und beför­ dert. Die Lineale aus Licht werden uns also weiter begleiten, denn wir haben gerade erst begonnen, ihr Potenzial auszuschöpfen.

Steven Cundiff (oben), Jun Ye (Mitte) und John Hall brachten unterschiedliche Erfahrungen mit, als sie begannen, optische Frequenzkämme im Femtosekundenbereich zu entwickeln. Hall war über vier Jahrzehnte hinweg führend in der Präzisionsmessung mit ultrastabilen Dauerstrich-Lasern. Im Jahr 2005 erhielt er (gemeinsam mit Theodor Hänsch und Roy Glauber) den Nobelpreis für Physik unter anderem für die Frequenzkammtechnik. Ye begann seine Karriere ebenfalls mit Arbeiten über ultra­ stabile Dauerstrich-Laser. Seit der Entwicklung der Kammtechnik leistet er nun wichtige Beiträge auf dem Gebiet der Untersuchung ultraschneller Vorgänge und erhielt 2007 den Carl-Zeiss-Forschungspreis. Auch Cundiff widmet sich der Physik ultraschneller Vorgänge und arbeitete vor allem auf dem Gebiet der Spektroskopie und mit modengekoppelten Lasern. Alle Autoren sind am renommierten Grundlagenforschungsinstitut JILA der Univer­sity of Colorado in Boulder beschäftigt.

Bergquist, J. C. et al.: Time Measurement at the Millennium. In: Physics Today 54(3) S. 37– 42, 2001. Ludlow, A. D. et al.: Sr Lattice Clock at 1 x 10–16 Fractional Uncertainty by Remote Optical Evaluation with a Ca Clock. In: Science 319(5871), S. 1805 – 1808, 28. 3. 2008. »Frequenzkämme«. Online-Informationen des MPI für Quantenoptik: www.mpq.mpg.de/~haensch/comb/ index.html

Weblinks zu diesem Thema finden Sie unter www.spektrum.de/artikel/ 999550.

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Schlichting!

Helle Streifen, blaue Schatten Es ist nur ein Brückengeländer im Sonnenlicht. Erst wer genauer hinsieht, durchschaut die Regeln

Zum Dank dafür, daß das Licht sie bescheint, werfen die Dinge Schatten. Friedrich Hebbel (1813 – 1863)

des Licht- und Schattenspiels. piegelung und Schattenwurf treten in der Kulturgeschichte der bildhaften Reprä­ sentation oft als Konkurrenten auf. Indessen gilt der Schatten meist nur als »armer Ver­ wandter« des Spiegelbilds. Manchmal aber ergänzen beide einander: indem nämlich der eine zeigt, was der andere nicht kann. So gibt der Schatten in dieser Fotografie zu erken­ nen, dass das Sonnenlicht von links kom­ mend fast frontal auf das Brückengeländer fällt. Jedoch darf dieses »fast« – ein Wort, mit dem wir eine geringe Abweichung leichthin zu marginalisieren suchen – nicht darüber hinwegtäuschen, dass bei exakt frontalem Ein­ fall auch jene merkwürdigen hellen Streifen nicht auftreten würden. Die Abweichung ist nämlich Grund dafür, dass Sonnenlicht flach auf die spiegelnd reflektierenden Flanken der blanken quaderförmigen Pfosten gelangt. Un­ ter demselben großen Winkel, unter dem es einfällt, wird es dann an diesen reflektiert. Weil die Sonne von schräg oben scheint, er­ reicht der so abgelenkte Lichtstreifen schließ­ lich den Boden und wird dort abermals re­ flektiert – in diesem Fall allerdings nicht spie­ gelnd, sondern diffus –, so dass er auch ins Auge des Betrachters gelangt. Dort, wo die hellen Streifen den Schatten des Geländers überlagern, lassen sie diesen nun verschwinden, während sie die im Licht der Sonne liegenden Stellen des Bodens noch heller erscheinen lassen. Der große Einfalls­ winkel des Sonnenlichts ist zudem Ursache dafür, dass die Streifen wesentlich schmaler sind als die reflektierenden Pfosten. Beim ersten Blick auf das Bild haben wir vielleicht auch die blaue Tönung des Gelän­ derschattens übersehen. (Denn üblicherweise gehen wir davon aus, dass Schatten schwarz oder grau wirken.) Bemerken wir sie dann doch, könnte sie uns zu dem Gedanken ver­ leiten, die Farbe eines Gegenstands färbe auf seinen Schatten ab. Doch dies wäre vor­ schnell, denn Schatten sind tatsächlich »Lö­ cher im Licht«. Indirekt werden sie aber na­ türlich doch beleuchtet, nämlich durch das blaue Himmelslicht. Dieses wiederum erreicht unser Auge dank des Untergrunds aus hellem Beton, der nahezu alle Farben des sichtbaren Lichts diffus reflektiert. 42

Woher stammen die auffälligen Streifen, die den Schatten stellenweise »auslöschen« und den hellen Boden noch heller erscheinen lassen?

alle Abbildungen: H. Joachim Schlichting

S

Und noch etwas fällt auf. Im Schatten­ wurf des quadratischen Drahtgitters scheinen jene Linien bevorzugt, die in Blickrichtung, gewissermaßen in das Bild hinein verlaufen. Jedenfalls erscheinen sie stets kräftiger und deutlicher als jene senkrecht zur Blickrich­ tung, die mit zunehmendem Abstand vom Betrachter schließlich gar nicht mehr zu er­ kennen sind. Dafür ist vor allem die perspek­ tivische Verkürzung verantwortlich (siehe Skizze): Die horizontalen Schattenlinien wir­ ken mit zunehmender Entfernung vom Be­ob­ achter O immer dünner und unscheinbarer, weil sie unter abnehmendem Sehwinkel wahr­ genommen werden. Der Sehwinkel b, unter dem man eine nähere Schattenlinie sieht, ist größer als jener Winkel b', unter dem eine entferntere gleich breite Schattenlinie er­ scheint. Die in Blickrichtung verlaufenden Li­ nien werden demgegenüber alle unter (unge­ fähr) demselben Sehwinkel wahrgenommen. (Die scheinbar abnehmende Breite der durch­ gehenden Linien spielt für diese Betrachtung keine Rolle.) Nun, da das »Schattensatzlesen« in einem alltäglichen Phänomen wieder einmal eine in­ struktive Analyse erlaubte, sei aber auch an ein Wort Stanisław Jerzy Lecs (1909 – 1966) erinnert: »Die Art der Beleuchtung einer Sa­ che ändert nichts an ihrem Wesen.«

Weil man entferntere Schattenstreifen, die senkrecht zur Blickrichtung verlaufen, unter immer kleinerem Sehwinkel wahrnimmt, wirken sie immer unscheinbarer (Skizze unten). O

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H. Joachim Schlichting ist Professor und Direktor des Instituts für Didaktik der Physik an der Univer­sität Münster. SPEKTRUM DER WISSENSCHAFT · AUGUST 2009

A' B'

Wissenschaft im Rückblick Systeme existieren, wovon das eine auf dem roten Pigment Rhodopsin, das andere auf dem purpurfarbenen Pigment Porphyropsin aufbaut. Das Rhodopsin ist für Landtiere und Seefische typisch, das Porphyropsin für Süßwasserfische. ... Der Ochsenfrosch weist vor seiner Metamorphose Porphyropsin auf und verläßt diese mit Rhodopsin. Gleichzeitig mit der anatomischen Metamorphose gehen also biochemische Veränderungen vor sich.« Natur-

Das erste deutsche Atomkraftwerk

12. Jg., Heft 8, August 1959, S. 310

»Der von einer 2,7 m dicken Beton-Abschirmung umgebe­ ne Stahlbehälter für das erste deutsche Atomkraftwerk … liegt zur Hälfte unter der Erd­ oberfläche. Der Atomreaktor ist im unterirdischen Teil … untergebracht. Über der Erde sind der Hauptbedienungsflur und hinter einer Strahlenschutzwand die Wärme-Austauscher installiert. Der gesamte Stahlbehälter ist bei geschlossenen Druckschleusen völlig gasdicht. … Die Anlage wird bereits im Herbst 1960 elektrische Energie liefern, wobei die elektrische Leistung 15 000 kW betragen wird … Mit dieser verhältnismäßig geringen Leistung dient das Kernkraftwerk Kahl zunächst als Versuchsanlage für den Betrieb von Atomkraftwerken.« (Am

Ein unmagnetisches Schiff

Motor oder Pferd?

»Bei der wichtigen Rolle, die dem Erdmagnetismus in der Schiffahrt zufällt, ist es nun von höchstem Interesse, die Gesetze zu erforschen … Schiffe, auf denen die Magnetwirkungen der Erde durch grosse Eisenmassen … beein-

»Ein Motorlastwagen ist in Anschaffung und Unterhaltung sehr viel teurer, aber auch sehr viel leistungsfähiger als ein Pferdegespann. Nehmen wir einen Lastwagen von 100 Zentnern Tragkraft an, … so brauchten wir für einen solchen Wagen … etwa einen Vierzylinder-Motor von 24 bis 28 P. S. Bei einer zehnstündigen Arbeitszeit kann ein solcher Motorwagen mit voller Belastung täglich rund

Ochsenfrosch sieht rot »Durch seine Forschungen hat Prof. G. Wald … die Grundlagen für eine Biochemie der Metamorphose geschaffen. Er ging dabei vom Sehmechanismus der Wirbeltiere aus, basierend auf der Tatsache, daß zwei Seh-

wissenschaftliche Rundschau, 12. Jg., Heft 8, August 1959, S. 313

Affentheater im Weltraum »Vom amerikanischen Raketenprüfgelände von Cap Canaveral wurde am 28. Mai 1959 … eine … Mittelstreckenrakete vom Typ ›Jupiter‹ abgeschossen, in deren Spitze sich zwei Affen befanden. … sie wurde 52 Minuten nach ihrem Abschuß … wieder aufgefunden. Die beiden weiblichen Affen ›Able‹ und ›Baker‹ konnten lebend geborgen werden.« Naturwissenschaftliche Rundschau,

Ein Schiff ganz aus Holz und unmagnetischen Metallen

flusst werden, sind als Beobachtungsfeld nur wenig geeignet … Da nun die … Erfahrungen bewiesen hatten, dass ein durchaus unmagnetisches Schiff erforderlich ist, … beschloss das Institut daher, eine unmagnetische Yacht … bauen zu lassen. Das Schiff ist aus den bes­ ten Holzarten gebaut. Alle Nägel, Beschläge und sons­ tigen Metallteile sind aus Bronze, Kupfer und Kanonenmetall; nur das Zylinderfutter des sonst ganz aus Bronze hergestellten Explosionsmotor ist aus Gusseisen, und die Daumen zur Betätigung der Ventile aus Stahl. Diese Eisenteile sind aber durchaus zu vernachlässigen. … Das Schiff soll zunächst die Kompassveränderungen auf dem Atlantischen Ozean in Kartenform bringen.« Die Welt der Technik, 71. Jg., Nr. 16, 15. August 1909, S. 301ff

SPEKTRUM DER WISSENSCHAFT · AUGUST 2009 

Das erste deutsche Kernkraftwerk ging 1960 in Betrieb.

13.11.1960 ging das Kraftwerk in Betrieb. Es wurde 1985 stillgelegt und bis Ende 2008 vollständig rückgebaut; die Redaktion) Populäre Mechanik, 4. Jg., Bd. 9, Heft 2, Nr. 47, August 1959, S. 29

80 bis 90 Kilometer zurücklegen, was einer Arbeitsleistung von 8000 bis 9000 Kilometerzentnern entspricht. … Die Leistungsfähigkeit des Motorwagens ist also gleich der von sechs bis acht Pferden.« Rundschau für Technik und Wirtschaft, 2. Jg, Nr. 16, 25. August 1909, S. 307f

Kampf dem gelben Fieber »Nachdem … nachgewiesen worden war, daß diese Krankheiten durch Stechmücken auf den Menschen übertragen werden, … ging die brasilianische Regierung tatkräftig an die Bekämpfung des gelben Fiebers … Im Jahre 1906 wurden in Rio fast 154 000 ›Herde‹ von Moskitolarven vernichtet und über 2500 Wagenladungen alter Stiefel und verworfener Gefäße, in denen sich Wasser sammeln konnte, und aus der Nachbarschaft der Häuser entfernt. Zur Vernichtung der Mücken wurden fast 100 000 Liter Petroleum, rund 27 000 Liter Creolin, 1242 kg Chrysanthemumpulver und 28 600 kg Schwefel verbraucht.« Allgemeine Medicinische Central-Zeitung, Nr. 35, 28. August 1909, S. 492

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MIKROGRAVITATIONSFORSCHUNG

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Über die

Novespace  (www.novespace.fr)

Leichtigkeit des Seins Manche Erkenntnisse lassen sich nur gewinnen, wenn Forscher und ihre Experimente der Schwerkraft (fast) entfliehen – und sei es für Minuten oder Sekunden. Versuche in der Mikrogravitation dienen Biologen und Materialwissenschaftlern ebenso wie Planetenforschern.

In Kürze r  Die Allgegenwart der Gravitation erschwert viele Experimente oder macht sie gar unmöglich. Zero-GFlüge im Airbus, Höhenforschungsraketen und ein Fallturm schaffen Abhilfe. r  Zwar wird die Schwerkraft dabei nur sekundenoder minutenweise »ausgeschaltet«. Doch das genügt oft schon, um die Eigenschaften von Materialien oder biologischen Systemen genauer zu untersuchen, als dies im Labor möglich ist. r  Die Vielfalt der Forschungsvorhaben reicht von der Stress- und Hirnforschung über die Optimierung von Verbrennungsvorgängen in Motoren bis hin zur Planetenforschung.

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Von Christoph Marty

I

m Steilflug jagen wir dem Himmel entgegen, als die Turbinen unseres Flugzeugs plötzlich verstummen. Der zuvor geholte Schwung hebt uns noch einige hundert Meter empor – dann beginnt die Maschine vornüberzukippen. Wie eine Wand richtet sich der Atlantik vor unserem Cockpit auf, im strahlenden Sonnenschein glitzernd wie ein Meer funkelnder Diamanten. Wir stür­zen! Die Flugzeugnase voraus, rasen wir im freien Fall dem Ozean entgegen. Was wie ein selbstmörderisches Himmelfahrtskommando anmutet, bringt Stéphane Pichené nicht aus der Ruhe. Der Flugkapitän, hochgewachsen mit kurz geschorenem Haar und markantem Gesicht, überprüft die Bordanzeigen und belässt es bei kleineren Korrekturen. Doch nachdem wir rund ein Viertel unserer Flughöhe verloren haben, zieht er plötzlich entschlossen und mit aller Macht am Höhenruder. Die Turbinen heulen auf und Pichené fängt die Maschine ab. Herzlich willkommen an Bord des Airbus A300 Zero-G auf einer himmlischen Achterbahnfahrt!

Gestartet waren wir am Morgen vom Flughafen Mérignac beim französischen Bordeaux. Dort organisiert die Firma Novespace die regelmäßigen Parabelflugkampagnen des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR). Dieses Mal nehmen rund 160 Wissenschaftler verschiedenster Disziplinen aus 14 Nationen teil. Die parabelförmigen Flugmanö­ ver erfordern höchste Präzision, denn nur nahezu perfekte Flugbahnen bringen die Forscher an ihr Ziel: der allgegenwärtigen Schwerkraft für die Dauer eines Experiments zu entkommen. Zero-G, null Gravitation, ist trotzdem unerreichbar: »Vollständig eliminieren können wir die Schwerkraft nicht«, erklärt Pichené, »denn Luftwiderstand und Turbulenzen in der Atmosphäre verhindern ideale Flugbahnen.« Die Wissenschaftler nutzen die Mikrogravitation für höchst unterschiedliche Zwecke. Das Team um Daniel Heißelmann von der TU Braunschweig etwa untersucht die dynamischen Prozesse im Ringsystem des Saturns. »Den Gasriesen umkreisen bis zu zehn Meter große Eisbrocken«, erklärt der Astrophysiker, »deren Geschwindigkeiten mit ihrer Größe variieren.« Kollisionen sind also unvermeidSPEKTRUM DER WISSENSCHAFT · August 2009

Christoph Marty

medizin & biologie

SPEKTRUM DER WISSENSCHAFT · August 2009

wird der Airbus wieder abheben, dann vom Flughafen Köln-Bonn aus. Die Braunschweiger waren von Anfang an dabei, »denn hier lassen sich die Experimente direkt bedienen«, sagt Heißelmann. »Außerdem können wir anders als etwa beim Bremer Fallturm (siehe Kas­ ten S. 51) an einem einzigen Flugtag etliche Proben aufeinanderschießen, was unsere statis­ tische Basis vergrößert.« Doch selbst nach einem guten Dutzend Flügen gibt der Astrophysiker zu: »Routine wird das nie. Vor dem Start bleibt immer ein mulmiges Gefühl.« Gewöhnlich folgen 31 Parabeln am Stück, und auch Pichené erlaubt nur kurze Verschnaufpausen. Wir befinden uns wieder in einer Höhe von rund 6000 Metern, da beschleunigt er die Maschine erneut und zieht sie in einem Winkel von 47 Grad – gewöhnliche Passagierflugzeuge steigen mit maximal 18 Grad – steil nach oben. In den nächsten 20 Sekunden herrscht in der Kabine das 1,8-Fache der Erdanziehungskraft, wir stöhnen unter unserem Körpergewicht. Dann drosselt der Kapitän die Triebwerke allmählich, bis der Schub nur noch den Luftwiderstand ausgleicht. Und schließlich geht die Maschine – noch immer aufwärtsfliegend – in den freien Fall über, folgt also einer Wurfparabel. Für 22 Sekunden herrscht fast Schwerelosigkeit. In dieser Zeit kippt der Airbus allmählich vornüber. Doch erst wenn die Flugzeugnase um 42 Grad nach unten weist, wird er wieder abgefangen.

Der Autor (Mitte) in der Floating Area, einer Art Spielwiese für Mikrogravitationsakrobaten. Schaumstoffmatten schützen vor einem harten Fall beim Einsetzen der Hyperschwerkraft.

Bis zu 8500 Meter Höhe erreicht der Airbus Zero-G. Schon knapp 1000 Meter tiefer, am »Injection point« bei einem Steigungs­ winkel von 47 Grad, werden die Triebwerke gedrosselt. Danach folgt das Flugzeug einer Bahn in Form einer Wurfparabel (rot). Mit frdl. Gen. Von Kpt. Gilles le Barzic

lich. »Was dabei genau geschieht, ist allerdings kaum erforscht.« Deshalb wollen die Braunschweiger gemeinsam mit schottischen Forschern herausfinden, wie sich die Geschwindigkeit der Eisklumpen infolge einer Kollision ändert. Vor dem Start haben sie ihren experimentellen Aufbau in eine spezielle Halterung eingebaut und fest am Boden der Flugkabine montiert, in der bis auf rund 50 Plätze hinter dem Cockpit und im Heck alle Sitze den Instrumenten der Forscher weichen mussten. Heißelmann bleibt trotz Pichenés jüngstem Flugmanöver gelassen, kniet vor seiner Versuchsanlage und bestückt sie mit neuer »Munition«: Eisklümpchen mit einem Durchmesser von rund 15 Millimetern. Gefilmt von einer Hochgeschwindigkeitskamera, werden sie in einer auf minus 190 Grad Celsius heruntergekühlten Vakuumkammer mal frontal, mal streifend aufeinander»geschossen« – mit einem Tempo von gerade einmal zehn Zentimeter pro Sekunde. Doch genau das ist der Clou: »Unter normalen Schwerkraftbedingungen lässt sich die Geschwindigkeit der Versuchskörper nicht so weit herunterschrauben«, erklärt Heißelmann. Nur in der Mikrogravitation gelangen die Wissenschaftler ausreichend nah an das Tempolimit heran, das für die Eisbrocken in den Ringen des Gasriesen gilt. Abgesehen davon: »Auf der Erde würde das Eis schlicht runterfallen.« 13 Parabelflugkampagnen fanden seit 1999 bereits statt, und auch im September 2009

»Injection point«

»Recovery point« 370 km/h

8500 m 47°

7600 m

47° 570 km/h

6100 m

825 km/h

Hyper-Schwerkraft

Schwerelosigkeit

Hyper-Schwerkraft

20 Sekunden

22 Sekunden

20 Sekunden

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MIKROGRAVITATIONSFORSCHUNG Gleich gar nicht an Bord gegangen sind Hans-Jörg Fecht und Rainer Wunderlich von der Universität Ulm: Sie haben ihrem jungen Team den Vortritt gelassen. Die Gruppe erforscht im Rahmen des europäischen ESAProjekts ThermoLab die thermophysikalischen ­Eigenschaften metallischer Legierungen bei Schmelz- und Erstarrungsprozessen. »Keiner der Werkstoffe, die wir untersuchen, ist in der Literatur zuverlässig beschrieben«, erklärt Fecht später in seinem Ulmer Labor. »Denn unter Schwerkraftbedingungen verhindern zu viele Störfaktoren eine ausreichend genaue Charakterisierung.« Heute sollen sich seine Mitarbeiter auf eine Nickelbasis-Superlegierung konzentrieren, aus der etwa die Turbinenschaufeln von Flugzeugen gefertigt werden. »Wegen gießtechnischer Probleme ist der Ausschuss bei der Produktion so anspruchsvoller Werkstoffe sehr hoch«, sagt Wunderlich. Darum wollen die Forscher Informationen zur Optimierung der Prozessbedingungen liefern und zugleich helfen, die thermische und mechanische Belastbarkeit des Werkstoffs zu verbessern. Mit an Bord ist eine ofenförmige Versuchsanlage, in der die Ulmer eine acht Millimeter dicke, kugelförmige Probe in einem starken Magnetfeld aufschmelzen. Sobald sie schwebt und ihre Position elektromagnetisch unter Kontrolle gebracht ist, sorgt ein Heizfeld für Temperaturen bis zu 1800 Grad Celsius. Zwei kurze magnetische Feldpulse regen das Material dann zu Oberflächenschwingungen an. Eine Hochgeschwindigkeitskamera nimmt alles auf; so lassen sich später Frequenz und Dämpfungszeit der Oszillationen rekonstruieren und daraus Oberflächenspannung und Viskosität des Materials berechnen. Letztere ist mitentscheidend für das Fließverhalten der Schmelze und damit für den Ablauf des Produktionsprozesses.

Tanzen auf drei Hochzeiten

»Trotzdem stoßen wir auch bei den Parabelflügen an die Grenzen des Machbaren«, so Wunderlich. Um etwa die Schmelzenthalpie zu messen – die erforderliche Energie, um einen Stoff an der Schmelzpunkttemperatur zu verflüssigen –, »müssten wir die Probe während der kurzen Parabeln so schnell aufheizen, dass sie massiv deformiert wird«. Also tanzen die Ulmer auf drei Hochzeiten gleichzeitig. Regelmäßig platzieren sie ihre Versuchsanlage auch in Höhenforschungsraketen (siehe Kas­ ten S. 52), ihr Traumziel bleibt aber das Weltraummodul Columbus, das seit Februar 2008 an die Internationale Raumstation ISS angedockt ist. 2011 wollen sie ihr Experiment ins All schicken und dort von Astronauten betreuen lassen: »Auf der ISS steht viel mehr Experimentierzeit zur Verfügung. Die Probe nähme dort eine perfekte Kugelform an, weil wir mit einer viel geringeren Heizleistung arbeiten könnten, und so ließen sich weitere Materialparameter ermitteln.«

Fotos dieser Reihe: Christoph Marty

Noch steht das Flugzeug noch am Boden, und die Forscher bereiten ihre Experimente vor (links). Das Bild daneben zeigt Daniel Heißelmann von der Universität Braunschweig. Er kann während des Flugs durch ein Sichtfenster in seinem Versuchsinstrument verfolgen, wie Eiskügelchen, stellvertretend für Eisbrocken im Ringsystem des Saturns, aufeinanderprallen.

Auf der Erde wären die ThermoLab-Versuche gar nicht möglich. Bei den hohen Temperaturen würden die Materialien mit dem Tiegel reagieren – das neuartige Instrument an Bord des Airbus kommt ganz ohne Tiegel aus –, die Legierungen würden verunreinigt, und es entstünden unerwünschte Kristallisationskeime. Zwar könne man auch hier elektromagnetische Haltefelder verwenden, sagt Wun­ derlich. »Sie müssten aber extrem stark sein und würden deshalb turbulente Strömungen in der Schmelze anregen. Das würde die Ergebnisse stark verzerren.« In der Mikrogravitation genügt ein weitaus schwächeres Quadrupolfeld, das die ohnehin schwebende Probe nur leicht zurechtrückt und dann fixiert.

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SPEKTRUM DER WISSENSCHAFT · August 2009

Per Katapult in die Schwerelosigkeit

Doch die Raumstation ist fern und die Gegenwart eine Achterbahn. »Zehn … fünf … drei … zwei … eins … pull up« – mit aller Macht zieht Pichené die Maschine wieder steil nach oben. Mir bleibt fast die Luft weg. Die doppelte Schwerkraft trifft mich wie ein Schlag, sie zerrt an meinem Körper, als trüge ich einen Taucheranzug aus Blei. Ein Kraftakt, meinen Arm zu heben. Was hatte mir der Arzt eingebläut? Auf keinen Fall den Kopf bewegen! Krampfhaft starre ich auf eines der zugeklebten Fenster direkt vor mir. Ungerührt gibt der Pilot den Steigungswinkel durch: »30 … 40.« Aus dem Augenwinkel blicke ich in die Kabine: Als hätte jemand die Zeit angehalten, sind alle erstarrt. Allein das Lärmen der Triebwerke erinnert uns daran, wo wir sind. Dann werden auch sie leise. »Injection«, ertönt es aus dem Cockpit – und die Schwer-

SPEKTRUM DER WISSENSCHAFT · August 2009

kraft setzt aus. Mein völlig verkrampfter Körper entspannt sich. Der Bleianzug, der mich gerade noch zu erdrücken drohte, wird einfach aufgesprengt. Ich hebe ab und schwebe der Kabinen­ decke entgegen. Kurze Aufschreie dringen an mein Ohr – bin ich das selbst? Die Naturgesetze scheinen außer Kraft. Oben und unten, rechts und links, das alles gibt es nun nicht mehr. Fühlt sich so der Weltraum an? Hilflos trudle ich durch die Kabine. Und nur ein Gedanke kreist in meinem Kopf: Bloß nicht in die Experimente der Forscher fliegen! Endlich findet meine Hand die Halteleine unter der Kabinendecke, und ich kann mich für einen kurzen Moment aufrichten. Doch nun drängen auch meine Füße der Kabinendecke entgegen. Wer durch die Fenster nach hinten schaut, sieht, wie die Welt dort völlig aus den

ZARM, Fallturm-Betriebsgesellschaft mbH

Europas einziger Fallturm steht in Bremen. Aus 123 Meter Höhe wird seit September 1990 bis zu dreimal täglich eine mehrere hundert Kilogramm schwere Kapsel eine evakuierte Röhre hinuntergestürzt. Im freien Fall sind die Experimente darin für 4,74 Sekunden einer beinahe reinen Schwerelosigkeit ausgesetzt, die weniger als einem Zehnmillionstel der Erdschwerkraft entspricht (und sich unter besonderen Vorkehrungen auf unter ein Milliardstel reduzieren lässt). Damit ist sie von höherer Güte als die bei Parabelflügen oder Höhenforschungsraketen erzielbare Mikrogravitation. Seit 2004 lässt sich die Kapsel auch per Katapult hochschießen, was die Dauer der Schwerelosigkeit noch verdoppelt. Geringe Kosten und seine schnelle Verfügbarkeit machen den Fallturm auch weiterhin attraktiv für die Forschung. Das Spektrum der Bremer Experimente reicht von der Grundlagenforschung bis hin zur Produktentwicklung und erstreckt sich von Fluidmechanik über Verbrennungsvorgänge und Thermodynamik bis hin zur Materialforschung. Beim 5000. Abwurf im letzten Jahr wurde das Zündungsverhalten eines aus Biomasse synthetisierten Brennstoffs untersucht. Der Fallturm dient aber auch der Unterstützung von Weltraummissionen. So helfen Daten zum Strömungsverhalten von Flüssigkeiten, deren Handhabung in Weltraumfahrzeugen zu verbessern. Und selbst quantenphysikalische Bose-Einstein-Kondensate werden unter Bedingungen der Mikrogravitation untersucht.

Auch TV-Wissenschaftsmoderator Ranga Yogeshwar (linkes Bild, Mitte) war mit von der Partie. Neben ihm der Bordarzt (im orangefarbenen Anzug) und der Pilot und Flugkapitän der Kampagne, Stéphane Pichené (in Lederjacke). Bevor DLR-Forscher Bernd Johannes (rechtes Bild) seine Probanden gezielt unter Stress setzt, lässt er sich testweise selbst verkabeln.

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MIKROGRAVITATIONSFORSCHUNG

In Nordschweden starten Höhenforschungsraketen mit Mikrogravitationsexperimenten zu ballistischen Kurztrips. Die Eingeweihten nennen es schlicht »Blockhaus«. Doch das Gebäude beherbergt immerhin eine Raketenabschussrampe. Und nun muss es offenbar Dampf ablassen: Wie ein Schnellkochtopf unter zu hohem Druck presst es Schwaden dunklen Qualms zu allen Seiten hinaus – als flöge es gleich selbst in die Luft. Und plötzlich donnert die 44. Texus-Höhenforschungsrakete aus dem Schlot heraus und jagt dem verhangenen Himmel entgegen. Sekunden später durchbricht ein ohrenbetäubender Knall die tiefe Stille der winterlichen Einöde, röhrendes Grollen schließt sich an. Auf einer Erhebung in sicherer Entfernung verfolgen wir ihre Flugbahn. Forscher aus gut einem Dutzend Länder haben sich hier auf dem Raketenstartplatz Esrange versammelt, rund 150 Kilometer nördlich des Polarkreises und eine halbe Autostunde von der Minenstadt Kiruna im Norden Schwedens entfernt. Die Texus-44 verlieren wir schnell aus dem Blick, denn sie erreicht bis zu achtfache Erdbeschleunigung. Zurück bleibt nur eine graue Rauchsäule, die sich steil über dem Startplatz auftürmt. Die einzigen Lebewesen an Bord sind die Pflanzen von Dieter Volkmann: winzige Keimlinge von Kresse und Ackerschmalwand sowie einige Wurzelspitzen von Maispflanzen. Mit seiner Arbeitsgruppe von der Universität Bonn erforscht der Botaniker, wie Pflanzen die Schwerkraft wahrnehmen. So geben winzige Schweresteinchen, die wie Pendel in den Zellen aufgehängt sind, die Wachstumsrichtung von Spross und Wurzel vor. Diese Statolithen

Literaturhinweise Baluska, F., Barlow, P., Volkmann, D. et al.: Gravity-Related Paradoxes in Plants: Plant Neuro­biology Provides the Means for Their Resolution. In: Witzany, G. (Hg.): Biosemiotics in Transdisciplinary Context. Proceedings of the Gathering in Biosemiotics 6. Umweb, Helsinki 2007. Frerichs, I. et al: Effect of Lower Body Negative Pressure and Gravity on Regional Lung Ventilation Determined by EIT. In: Physiological Measurement 26, S. 27 – 37, 2005. Heißelmann, D. et al.: Laboratory Studies of Ice-Particle Collisions in Saturn’s Dense Rings, 2009. http://arxiv.org/pdf/0904.4833 (Experiment im Bremer Fallturm) Schmidt-Hohagen, F., Egry, I., Wunderlich, R., Fecht, H.-J.: Surface Tension Measurements of Industrial Iron-Based Alloys From Ground-Based and Parabolic Flight Experiments: Results from the Thermolab Project. In: Microgravity Science and Technology 18, S. 71 – 81, 2006.

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Swedish Space Corporation (SSC)

Einmal Weltraum und zurück

werden von der Gravitation nach unten gezogen, wo sie etwa auf die Zellmembranen stoßen. »Wie dieser Berührungsreiz auf molekularer Ebene verarbeitet wird, ist noch vollkommen unklar«, sagt Volkmann. Vielleicht löst er eine Kaskade biochemischer Prozesse aus. »Wir vermuten dagegen, dass bei der Berührung ein mechanisches Signal übertragen wird.« Seit mehr als drei Jahrzehnten katapultieren die Raketen vom Typ Texus (»Technologische Experimente unter Schwerelosigkeit«) wissenschaftliche Versuche in fast 300 Kilometer Höhe. Einst ­waren die Kampagnen auf deutsche Initiative hin ins Leben gerufen worden, um Forschungsvorhaben für die Spacelab-Missionen (1983 – 1998) zu erproben. Mittlerweile steht das Weltraumlabor Columbus auf der Internationalen Raumstation im Fokus, und organisiert werden die Starts von DLR und ESA. Weil die Landschaft mit Ausnahme einiger einheimischer Samen nahezu menschenleer ist, können die Raketen über Land geschossen werden. »Die Texus-Kampagnen ermöglichen weitaus längere Experimente als etwa Parabelflüge oder Versuche im Fallturm«, erklärt Botaniker Volkmann ihre Vorzüge. Sechs Minuten lang ist hier die Gravitation auf ein Zehntausendstel des normalen Werts reduziert. »Und anders als etwa bei Weltraumflügen kön-

Fugen gerät – Meer und Horizont kippen einfach weg! Unterdessen sitzt ein paar Meter weiter ein komplett verkabelter Proband an einem Tisch und tritt kräftig in die darunter angebrachten Pedale. Vor ihm ein Bildschirm, der ihn mit einer explosionsartig wachsenden Zahl von Fakten konfrontiert: Er muss in immer kürzerer Zeit entscheiden, ob sie richtig oder falsch sind. »Mit dem heftigen Reiz des Schwerkraftwechsels klopfen wir selbst die Hartgesottenen weich«, erklärt Stressforscher Bernd Johannes vom DLR in Hamburg. Anhand ihrer jeweiligen Reaktionsmuster möchte er verschiedene Stresstypen identifizieren: »Der eine bekommt zum Beispiel Herzklopfen, der andere Schweißausbrüche.« Ziel seiner Tests, die er – abgesehen von der ISS – in dieser Form nur bei Parabelflügen durchführen kann, ist ein mathematisches Modell, das die Prozesse im autonomen Nervensystem und im HerzKreislauf-System abbildet. Eines Tages könnte es sogar individuelle Prognosen menschlicher Stressreaktionen zulassen. Vergleichsweise entspannt wirkt derweil Miriam Knie. Die Biologin von der Universität Hohenheim hat sogar die Zeit, mit den Füßen aus den roten Schlaufen am Boden he-

rauszuschlüpfen und für einige Momente rücklings wie auf einer Wolke in der Luft zu schweben. Einigen ihrer 49 Schützlinge, zehn Millimeter großen Buntbarschlarven, bekommt die Schwerelosigkeit allerdings nicht so gut: Sie drehen sich in ihren Miniaquarien geradezu zwanghaft um die eigene Achse, andere vollführen pausenlos Loopings. »Sie leiden an einer Kinetose«, erklärt Knie, einer Art Seekrankheit. Fische nehmen die Schwerkraft über je ein Schweresteinchen aus Kalk im Innenohr wahr. Schon bei kleinsten Bewegungen verbiegen diese Otolithen die Zilien (Zellfortsätze) des Gleichgewichtsorgans und setzen so Kaskaden neurophysiologischer Prozesse in Gang. Bei einigen Exemplaren sind die zwei Steinchen aber unterschiedlich schwer. »Weil also permanent falsche Informationen weitergeleitet werden, müssten sich die Fische eigentlich ständig drehen«, erklärt Projektleiter Reinhard Hilbig. »Tatsächlich aber kompensiert das Gehirn die falschen Informationen.« Zumindest im Fischalltag. »In der Mikrogravitation aber wiegen die Otolithen plötzlich nichts mehr, während der Kompensationsstrom im Gehirn erhalten bleibt«, sagt Hilbig. Die Folge: unfreiwillige Manöver in Richtung der Seite mit dem leichteren Steinchen, mit SPEKTRUM DER WISSENSCHAFT · August 2009

Medizin & Biologie

Dt. Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)

nen wir noch bis zu zwei Stunden vor dem Start an unseren Pflanzenproben arbeiten.« Diesen hat er einen Hemmstoff zugeführt, der den Ausstrom winziger Bläschen, so genannter Vesikel, durch die Membran der Wurzelzellen hemmt; ihr Einstrom bleibt davon unberührt. Volkmann vermutet, dass sich die Membran bei fehlendem Schwerkrafteinfluss verformt und die Bläschen darum schneller hindurchtreten. Trifft seine Hypothese zu, müssten sie in den Pflanzen an Bord der Rakete stärker verklumpen als in der am Boden gebliebenen Kontrollgruppe. Noch während des Flugs werden die Pflanzen deshalb per Funkkommando chemisch fixiert. Nach der Fallschirmlandung im hüfthohen Schnee und dem Eintreffen des Bergungshelikopters wird Volkmanns Experimentierbehälter noch am Landeplatz

Eine Radarantenne verfolgt den Flug der Raketen.

denen sich die kinetotischen Fische verraten. Nach ein paar Parabeln sind den Forschern schon elf solcher Exemplare ins Netz gegangen. Im heimischen Labor kommen sie dann unters Messer, damit Hilbigs Gruppe den Kompensationsmechanismus in ihren Hirnen enträtseln kann. Die Probanden von Günter Hahn haben es besser. Sie dürfen das Eintreten der Hyperschwerkraft immerhin liegend ertragen, so wie es das DLR Erstfliegern empfiehlt. Allerdings müssen sie sich auf die linke Seite drehen und sind festgeschnallt. Das Team des Göttinger Forschers untersucht die Luftverteilung in der Lunge während der Atmung. »Lange hielt sich die Vorstellung, dass diese Ventilation bei allen Menschen einheitlich ist«, erklärt Hahn. »Die Lunge ist ein elastisches Gebilde, das durch Unterdruck im Brustkorb aufgehängt ist, wobei die unteren Bereiche weniger vorgedehnt sind als die oberen. Deshalb haben wir im Normalfall mehr Luft in den oberen Bereichen als in den unteren.« Strömt neue Luft ein, gelangt sie vor allem in die unteren Bereiche, was ein günstiges Verhältnis von Luftzufuhr, Luft­ austausch und Durchblutung gewährleistet. Soweit das Lehrbuchwissen, die Göttinger kamen aber zu einem anderen Ergebnis. Schon SPEKTRUM DER WISSENSCHAFT · August 2009

aus dem Nutzlastmodul ausgebaut und sofort zurückgeflogen. ­Andernfalls würden sich bei den zweistelligen Minustemperaturen schnell winzige Kristallkeime bilden und die feinen Strukturen zerstören, noch bevor sie unter das Fluoreszenzmikroskop gelangen. Der plötzlichen Eile war allerdings tagelanges Warten vorausgegangen, der Start wurde stets aufs Neue verschoben. Mal hätte Schneegestöber den Aufstieg der Bergungshelikopter verhindert, mal tobende Höhenwinde die zweistufige Feststoffrakete VSB-30 vom Kurs auf das anvisierte Zielgebiet abgebracht. So verschob sich auch der Start von Texus-45, auf den sich das Team um Ca­ meron Tropea von der Technischen Universität Darmstadt lange vorbereitet hatte. »Wir untersuchen die hydrodynamischen Ei­ genschaften von Sprays, mit denen sich etwa elektronische Komponenten kühlen lassen, und den Wärmetransport beim Spray­ aufprall«, erklärt Olympia Kyriopoulos. Trifft ein solches Spray auf eine heiße Oberfläche, hinterlässt es einen dünnen Flüssigkeitsfilm mit dynamischen Strömungen, der die Kühlung des Materials beeinflusst. »Von unseren Experimenten bei Parabelflügen wissen wir, dass die Schwerkraft sich auf die Hydrodynamik des Films auswirkt«, sagt Kyriopoulos. »Mit einer Versuchszeit von sechs Minuten wollen wir nun diesen Einfluss genauer spezifizieren. So können wir in Zukunft technische Verfahren optimieren.« Dass ihr Experiment ein wenig warten musste, nahmen die Forscher indessen hin. Schließlich ist die Teilnahme an den jährlich zwei bis drei Texus-Flügen ein kostbares Gut – und Texus-46 mit weiteren vier Experimenten startet erst im November.

seit rund 15 Jahren arbeiten sie mit der so genannten elektrischen Impedanztomografie. Ihre Technik, Schnittbilder der Patienten anzufertigen, konnten sie mittlerweile so verbessern, dass sie auch die Vorfüllung der Lungen erfasst. »Dabei stellten wir fest, dass das gängige Modell keineswegs auf alle Menschen zutrifft«, erklärt Hahn. Bei manchen sei die Verteilung der Luftzufuhr sogar genau umgekehrt. »Und weil die Gravitation diesen Prozess beeinflusst, was liegt da näher, als diese Vorgänge bei variierender Schwerkraft zu untersuchen?« Hahns Ziel sind vor allem Verbesserungen der künstlichen Beatmung in der Intensivmedizin: »Ist etwa die Lunge an einer bestimm­ ten Stelle geschädigt, kann man den Patienten in einer individuellen Position lagern.« Denn einerseits müsse die Lunge stets ausreichend belüftet sein, andererseits dürfen keine Schäden durch lokale Überblähungen entstehen. Ich selbst habe mittlerweile andere Probleme und will einfach nur wieder festen Boden unter den Füßen. Vielleicht hätte ich mich in der Floating Area, einer Art Spiel­ wiese für Mikrogravitationsakrobaten, etwas mehr zurückhalten sollen. Auf Dauer, so scheint es, ist die Leichtigkeit des Seins kaum auszuhalten.

Christoph Marty arbeitet als freier Wissenschaftsjournalist in Dortmund.

Weblinks zu diesem Thema finden Sie unter www.spektrum.de/ artikel/999551.

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Schwerpunkt: Viren

Die Macht der

Viren

Nicht erst seit dem Aufkommen der Schweinegrippe zählt die Virologie zu den spannendsten Gebieten der Biologie. Von ihren Erkenntnissen hängt das Überleben von hunderttausenden Menschen ab – jährlich.

Von Hans-Georg Kräusslich

nächst irrtümlich für ein Bakterium gehalten wurde (es ›mimt eine Mikrobe‹), entspricht iren sind heute jedem bekannt, nur noch zum Teil der klassischen Definition doch sie bleiben bedrohlich: So eines Virus. Es ist im Lichtmikroskop sicht­ zum Beispiel durch die »normale« bar, sein Genom ist mit 1,2 Millionen Basen Grippewelle in jedem Winter, mit größer als das vieler einfacher Bakterien, und weltweit einer halben Million Toten; noch es verfügt über eine Vielzahl eigener Enzyme mehr im Vordergrund stehen sie, wenn wie und Signalsysteme. Inzwischen ist klar, dass es eine Reihe von im Frühjahr dieses Jahres ein neuer Typ von Influenza mit pandemischer, also erdumspan­ Viren mit solchen Eigenschaften gibt. Das nender Ausbreitung auftaucht, derzeit aller­ dem Mimivirus verwandte Mamavirus zeigt dings zum Glück mit mildem Verlauf (siehe noch größere Komplexität, indem es selbst ein Virus beherbergt. Sein kleiner Parasit »Sput­ Kasten S. 56/57). Die winzigen Gebilde sind biologische Sys­ nik« zählt zu einer bis vor Kurzem unbekann­ teme, die sich vermehren können, sie sind da­ ten Klasse von Viren, wobei nur einige seiner für aber unbedingt von einer Wirtszelle ab­ Gene eine nachweisbare Verwandtschaft mit hängig. Viren bilden damit die Grenze zwi­ bekannten Virusgenen haben. Sputnik ver­ schen lebendem Organismus und toter Mate­ mehrt sich nur in Amöben, die auch mit dem rie. Ein Beispiel: Das Poliovirus, der Erreger Mamavirus infiziert sind. Die Aussage, dass der Kinderlähmung, kann einerseits als ver­ alle Organismen ihre eigenen Viren haben, mehrungsfähige biologische Einheit beschrie­ können wir ergänzen: Auch Viren können ben werden, die eine infizierte Zelle in zentra­ ihre eigenen Viren tragen. Ein anderes Extrem bilden die so genann­ len Funktionen so umprogrammiert, dass die­ se in wenigen Stunden hunderttausende neue ten Polydnaviren bestimmter Wespenarten. Viren produziert. Es kann andererseits wie Diese Insekten legen ihre Eier in Raupen ab eine Chemikalie durch die so genannte Sum­ und übertragen dabei virusähnliche Partikel, menformel C332 652H492 388N98 245O131 196P7501S2340 welche die Immunabwehr der Raupe aus­ beschrieben werden (C = Kohlenstoff, H =  schalten. Dabei handelt es sich um Relikte Wasserstoff, N = Stickstoff, O = Sauerstoff, eines Virus, das sich durch Genaustausch und P = Phosphor, S = Schwefel). Aus chemisch Koevolution vollkommen an seinen Wirt an­ synthetisierter Erbinformation entstehen nach gepasst hat. Die Gene, die für die Hüllprote­ Einschleusen in Zellen neue vermehrungsfä­ ine des Virus verantwortlich sind, wurden zu Genen des Wirts. Die Partikel werden in Zel­ hige Polioviren. Alle Viren stehen zwar an der Grenze zwi­ len der Wespe gebildet und übertragen Erb­ schen belebter und unbelebter Natur. Der information in die Raupe, die für die Ent­ Übergang ist allerdings fließend, wie neu ent­ wicklung der Wespenlarven von Nutzen ist. deckte Virusarten belegen. So diskutieren For­ Das Virus als eigenständige Vermehrungsein­ scher erneut die Frage »Was ist ein Virus?«, heit existiert hier nicht mehr, sondern ist Teil die schon längst geklärt schien. Ein Beispiel: des Wirts geworden. Vor dem Auftreten der »Neuen Grippe« Der Amöbenparasit Mimivirus, der 2003 aus dem Wasser von Kühltürmen isoliert und zu­ standen Viren zuletzt 2008 durch den Nobel­

V

In Kürze r  Die noch junge Wissenschaft der Virologie erschließt Struktur und Verhalten von Viren, die sich nur in Wirtszellen vermehren können. Sie bilden die Grenze zwischen lebendem Organismus und toter Materie. r  Die Schweinegrippe (»Neue Grippe«) hat bislang knapp 200 Todesopfer gefordert. Manche Experten fürchten eine Wiederkehr des Virus im kommenden Winter – dann womöglich als gefährlichere Mutante. r  Trotz großer Fortschrit­te in der Genomanalyse kennen Forscher nur wenige der Viren unseres Planeten. So erwarten Virologen noch viele Überraschun­ gen: neuartige Seuchen, aber auch revolutionäre Anwendun­gen in Medizin und Technologie.

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SPEKTRUM DER WISSENSCHAFT · August 2009

Corbis / Reuters / Bazuki Muhammad

Medizin & Biologie

preis für Medizin oder Physiologie im Mittel­ punkt des Interesses (siehe Info S. 60). Sie be­ gegnen uns außerdem durch Krankheiten wie Aids, Ebola und tropische Fieber regelmäßig in den Schlagzeilen oder als Protagonisten in Katastrophenfilmen. Dabei wissen wir erst seit gut 100 Jahren, dass es Viren überhaupt gibt – die Virologie ist also eine junge Disziplin, die sich mit ihrem Studienobjekt stetig und rasch verändert. In den letzten 30 Jahren wurden über 50 virale Krankheitserreger erstmals be­ schrieben, darunter so bedeutsame wie HIV, das Hepatitis-C-Virus, das Sars-Coronavirus ­sowie die Erreger der Vogelgrippe. In ihrer heutigen Form sind viele dieser Virustypen vermutlich erst in jüngerer Zeit entstanden. Forscher vermuten, dass die Infektion von Menschen durch ein Schimpansenvirus vor gerade einmal 100 Jahren für die heutige ver­ heerende Aidspandemie verantwortlich ist.

Entweder Panik oder Desinteresse

Die meisten der humanpathogenen Viren, die in den letzten Jahrzehnten entdeckt wurden, entstanden durch Übertragung eines Vorläu­ fers vom Tier auf den Menschen – mit den Folgen einer »Zoonose«. Angesichts der uner­ messlichen Zahl viraler Erreger bei allen Arten ist dieses Potenzial bei Weitem nicht ausge­ schöpft. Es wird also auch in Zukunft mit neuen Viren als Seuchenerregern zu rechnen sein. Welche das sind, lässt sich leider nicht vorhersagen. So können wir zwar aus der Ana­ lyse aller Influenzaviren der Wasservögel oder Schweine wichtige Erkenntnisse gewinnen. Sie werden aber nicht die Frage beantworten, woher das nächste zoonotische Virus kommt. In der öffentlichen Wahrnehmung von Seuchenerregern wechseln Phasen der Panik mit Phasen von Desinteresse ab; es war ja alles anscheinend doch nicht so schlimm. Eine aus­ SPEKTRUM DER WISSENSCHAFT · August 2009

balanciertere Wahrnehmung könnte auch die politische Bereitschaft erhöhen, Strategien zur Eindämmung von Pandemien konsequent zu verfolgen. Es wäre jedoch ein Fehler, sich aus­ schließlich auf Influenza zu konzentrieren. Auch wenn davon auszugehen ist, dass sich immer wieder Grippepandemien ereignen wer­den, ist keineswegs klar, ob ein Influenza­ virus die Ursache der nächsten großen viralen Bedrohung sein wird. So sind lokale Ausbrü­ che von Infektionen mit den für Menschen hochpathogenen Nipah- und Hendraviren in den letzten Jahren in Asien ein Grund zur Wachsamkeit. Insbesondere Fledermäuse, die etwa mit anderen Fledertieren ein Fünftel al­ ler Säugetierarten ausmachen und aus bisher unklaren Gründen viele Virusinfektionen to­ lerieren, ohne selbst zu erkranken, bilden ein reichhaltiges Reservoir für neue Erkran­ kungen. Nicht nur Nipah und Hendra, sondern auch Ebola und SARS gehen wohl auf Fleder­ mäuse als zoonotische Infektionsquelle zu­ rück. Weniger spektakulär, aber genauso be­ deutsam ist die Tatsache, dass sich auch be­ kannte virale Krankheitserreger allmählich weiter ausbreiten. So hat sich beispielsweise das West-Nil-Enzephalitis-Virus, seit es 1999 nach New York eingeschleppt wurde, inner­ halb von fünf Jahren über die Staaten des nord­amerikanischen Kontinents bis zur West­ küste ausgebreitet. Seither traten allein in den USA etwa 30 000 Erkrankungen und über 1000 Todesfälle auf. Ein weiteres Beispiel ist das Denguefieber, das seit dem 18. Jahrhun­ dert bekannt ist und als seltene, vergleichswei­ se harmlose Tropenkrankheit galt. Nach dem Zweiten Weltkrieg hat sich sein Erreger welt­ weit ausgebreitet, so dass heute etwa 2,5 Mil­ liarden Menschen in Risikogebieten leben und jährlich etwa 50 Millionen infiziert wer­

Kontrolle am Flughafen in Kuala Lumpur: Das Flughafen­ personal kontrolliert Passa­ giere, die gera­de aus Los Angeles einreisen, auf Symp­ tome der Schweinegrippe.

Bakterien, Eukaryoten, Archaeen ➤ Archaeen, früher auch Archaebakterien oder Urbakterien genannt, bilden neben den Bakterien und den Eukaryoten eine der drei Domänen, in die alle zellulären Lebewesen eingeteilt werden. ➤ Bakterien und Archaeen sind Einzeller ohne Zellkern. Eukaryoten sind Lebewesen, deren Zellen einen Zellkern haben. Zu den Eukaryoten gehören auch alle vielzelligen Lebewesen. ➤ Viren, Viroide und Prionen, die nicht generell als Lebewesen eingeordnet werden, unterliegen einer eige­ nen Klassifikation.

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Schwerpunkt: Viren

Neues Influenzavirus aus dem Schwein: Wie entwickelt sich die Pandemie? 45 45 10

Januar Juni Dezember Juni Dezember 1890 1890 1890 1891 1891 März September März September März 1890 1890 1891 1891 1892 Sterblichkeit

normale saisonale Grippeperioden

Seit Jahren wird die Gefahr einer Influenzapandemie disku­ tiert, ausgelöst durch eine neue Erregervariante. Im Zentrum der Medienöffentlichkeit standen dabei vor allem hochpathogene Vogelgrippeviren vom Typ H5N1, die seit 1998 wiederholt auf Menschen übertragen wurden und häufig zum Tod führten. Allerdings wird das H5N1-Virus bisher nicht von Mensch zu Mensch übertragen, eine notwendige Voraussetzung für eine Pandemie. Nun erreicht uns die Bedrohung plötzlich von anderer Seite: Ende März 2009 trat eine neuartige Influenzavariante zunächst in Mexiko und den südwestlichen USA auf und breitete sich bis zum Frühsommer in über 70 Länder auf allen Kontinenten aus. Die WHO hat im Juni 2009 die Pandemie ausgerufen. Auch in Deutschland gibt es hunderte nachgewiesene Erkrankungen, die meisten davon bei Reisenden, die aus den USA und Mexiko zurückkehrten. Was bedeutet diese Pandemie, und was droht uns von dem neuen Virus?

Bioterrorismus und virale Biowaffen sind zwar eine Bedro­ hung. Aber auch das pathogene Potenzial ­natürlich vorhandener ­Erreger sollte nicht unterschätzt werden

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Kopenhagen, 1918–1919 Sterberate pro Periode in Prozent

Historische Pande­ miewellen, wie etwa die Spanische Grippe von 1918, zeigen, dass der Hauptwelle töd­ licher Infektionen oft eine milde Welle vorausläuft (rote Balken).

Sterberate pro Periode in Prozent

London, 1889–1892

60

35 5

Januar 1918

Mai Sept. Januar Mai Sept. 1918 1918 1919 1919 1919 März Juli November März Juli 1918 1918 1918 1919 1919

Sterblichkeit

normale saisonale Grippeperioden

Der Erreger gehört zwar zu dem seit Langem kursierenden Typ H1N1, unterscheidet sich jedoch deutlich vom Virus der üblichen Wintergrippe. Insofern schätzen Fachleute den Immunschutz bei gegen die normale Grippe geimpften Personen als gering ein. Allerdings sind die Neuraminidase-Inhibitoren wie Tamiflu oder Relenza bisher gut wirksam. Das neue Virus ist wahrscheinlich durch eine bislang beispiellose Kombination verschiedener Viren im Schwein entstanden und enthält Anteile von Influenzaviren aus Vogel, Schwein und Mensch. Vermutlich kursiert der Erreger seit Längerem im Tier, scheint jedoch erst kürzlich auf den Menschen übergetreten zu sein. Dabei ist der Begriff »Schweinegrippe« irreführend, da der Erreger ganz offensichtlich effizient von Mensch zu Mensch übertragen wird; das Schwein spielt hier keine Rolle mehr. Ähnlich der Vogelgrippe wurden in der Vergangenheit Influenzaviren auch vom Schwein auf den Menschen übertragen, breiteten sich dann

den. Dengue wurde so zur häufigsten durch Stechmücken übertragenen Viruserkrankung. Dies ist einer der Nebeneffekte der Globa­ lisierung, von der Viren profitieren. Erhöhte Mobilität und große Menschenmassen in Me­ gastädten begünstigen ihre Verbreitung. Zu­ gleich erschließen Veränderungen von Land­ schaft und Klima neue Lebensräume für Viren und ihre tierischen Überträger. Die Zusam­ menhänge sind komplex und zum Teil ver­ blüffend. So erwies sich eine rätselhafte Epi­ demie von West-Nil-Enzephalitis im Sommer 2007 in Kalifornien als direkte Folge der Im­ mobilienkrise: Verwahrloste Swimmingpools in von überschuldeten Hausbesitzern verlas­ senen Villenvierteln bildeten ein ideales Bio­ top für die Stechmücke Culex tarsalis, die das West-Nil-Virus besonders effizient überträgt. Neben der Ausbreitung bekannter Erreger können bisher unbekannte Viren, wie vor ei­ nigen Jahren das Sars-Coronavirus, scheinbar aus dem Nichts auftauchen. Diese Erkrankung zeigt, dass auch Grundlagenforschung an ei­ gentlich nicht als pathogen bekannten Viren kein Luxus ist – nicht nur wegen des unmit­ telbaren Erkenntnisgewinns, sondern auch in

Anbetracht einer möglichen zukünftigen Be­ deutung als Infektionserreger. Bioterrorismus und virale Biowaffen sind zwar ernst zu neh­ mende Bedrohungen, aber das pathogene Potenzial der natürlich vorhandenen Erreger sollte deswegen nicht unterschätzt werden. Konzentriert sich die Forschungsförderung zu sehr auf Aspekte des Bioterrorismus, wie in den letzten Jahren in den USA geschehen, so scheint das nicht einmal im Hinblick auf die möglichen Gefahren gerechtfertigt – noch gravierender ist jedoch die dadurch beding­te Vernachlässigung der Grundlagen­ forschung. Da man in der Anfangszeit der virologi­ schen Forschung die »unsichtbaren« Studien­ objekte nur anhand der von ihnen verursach­ ten Symptome nachweisen konnte, gehörten zu den ersten beschriebenen Viren Pathogene von Pflanzen (Tabakmosaikvirus, 1892), Tieren (Maul- und Klauenseuche, 1898) und Men­ schen (Gelbfieber, 1901). Auch heute spielen Viren in der öffentlichen Diskussion – und zunehmend auch in der Forschung – fast aus­ schließlich als Krankheitserreger von Mensch und Tier eine Rolle. SPEKTRUM DER WISSENSCHAFT · August 2009

28

England und Wales, 1968– 1969 29

43

Okt. Okt. Okt. Okt. Okt. Okt. 1957 1958 1959 1960 1961 1962 April April April April April April 1958 1959 1960 1961 1962 1963 Sterblichkeit

normale saisonale Grippeperioden

Sterberate pro Periode in Prozent

Sterberate pro Periode in Prozent

USA, 1957–1963

85

15 Januar 1968 März 1968 Sterblichkeit

aber nicht weiter aus. Im Gegensatz dazu verbreitet sich der neue Erreger effizient in der menschlichen Bevölkerung und konnte so zur ersten Pandemie seit über 40 Jahren führen. Wie weit das Virus eingedämmt werden kann und wie lange die Pandemie dauern wird, lässt sich nicht vorhersagen. »Pandemie« bedeutet lediglich die unkontrollierte Ausbreitung in zahlreichen Weltregionen, sagt jedoch nichts über die Schwere der Erkrankung oder die Zahl der Todesfälle aus. Hier sieht die Situation bisher relativ harmlos aus. Die meisten Infektionen mit dem neuen Virus verlaufen vergleichsweise milde, meist weniger schwer als die saisonale Grippe. Die bisher beobachteten Todesfälle betrafen überwiegend Menschen, die bereits an anderen Krankheiten litten, und scheinen ebenfalls weniger häufig als bei normaler Grippe. Die gute Nachricht im Moment ist also, dass trotz pandemischer Ausbreitung vorläufig keine dramatische Situation mit

Dabei wissen wir, dass die Beschränkung auf Krankheitserreger der Vielfalt der Viren bei Weitem nicht gerecht wird. Mit moleku­ larbiologischen Methoden können wir syste­ matisch nach Viren suchen und auch solche charakterisieren, die keine erkennbare Beein­ trächtigung des Wirts verursachen oder die sich im Labor nicht kultivieren lassen. Im letzten Jahrhundert wurden viele tausende Vi­ ren entdeckt – bei allen untersuchten Arten von Lebewesen, bis hin zu Bakterien (dort Bakteriophagen genannt) und Archaeen (sie­ he Info S. 55). Dabei erwiesen sie sich zwar auch als Verursacher von Infektionskrank­ heiten, häufig aber als weit gehend harmlose Schmarotzer und manchmal möglicherweise sogar als Nützlinge.

Virenjagd im Straßenstaub

In ihrer Gesamtheit stellen Viren die größte Unbekannte unseres Lebensraums dar. So sind Viren (insbesondere Bakteriophagen) die häu­ figste biologische Einheit im Meer. Untersu­ chungen der gesamten erfassbaren Erbinfor­ mation in verschiedenen Meeresregionen, so genannte Metagenome (siehe Info S. 58), SPEKTRUM DER WISSENSCHAFT · August 2009

Spektrum der Wissenschaft / Buske-Grafik, nach: Mark Miller et al., N. Engl. J. Med. 2009

Medizin & Biologie

Mai 1968

September Januar Mai 1968 1969 1969 Juli November März 1968 1968 1969 normale saisonale Grippeperioden

Die gelben Balken zeigen jeweils die Phasen der norma­ len Wintergrippe.

Massen von Grippetoten zu erwarten ist. Leider lässt sich die Entwicklung von Influenzaviren notorisch schlecht vorhersagen. Eine Veränderung des Erregers, ein Austausch der Erbinforma­ tion mit anderen Influenzaviren ist möglich und könnte zu einer höheren Pathogenität führen. Wachsamkeit und genaue Beob­ achtung des Erregers sind daher unbedingt notwendig. Ebenso ist die Herstellung eines Impfstoffs gegen den neuen Erreger sinnvoll. Das darf aber keinesfalls zu Lasten der Impfung gegen die saisonale Grippe gehen, an der jährlich weltweit zwischen einer viertel und einer halben Million Menschen sterben. Nicht gegen deren Erreger zu impfen, würde ein höheres medizinisches Risiko bedeuten und gleichzeitig die Voraussetzungen für den genetischen Austausch zwischen der neuen Variante und anderen Influenzastämmen verbessern, somit also auch auf diese Weise das Risiko erhöhen.

zeigten eine größere Vielfalt an Viren als für jede andere Gruppe irdischer Organismen. Techniken wie die Polymerase-Kettenreaktion und die Hochdurchsatz-Sequenzierung er­ möglichen es, sich dieser Vielfalt anzunähern. Nicht nur in der Tiefsee und in heißen Quellen, in der Sahara oder 200 Meter unter der Erdoberfläche, auch im Zebrahaus des Zoos, im Kuhstall oder unter jedem Rosen­ strauch lassen sich unbekannte Viruswelten entdecken. Man schätzt, dass derzeit erst 0,0002 Prozent der weltweit existierenden Phagengenome bekannt sind. Im Phage Hunter Project der Pittsburgh University jagten Schüler Bakteriophagen in Erde, Straßenstaub oder Kompost. Diese zufällige Auswahl er­ brachte zu einem großen Teil komplett neue Virusgene, die mit keiner bekannten viralen Gensequenz vergleichbar waren. Zudem lie­ ßen die Daten darauf schließen, dass die Pha­ gen Teile ihres Genoms stückweise austau­ schen, neu zusammensetzen (rekombinieren) und darüber hinaus ihre Erbinformation mit derjenigen des Wirts vermischen. Geschätzt gibt es etwa 1031 BakteriophagenPartikel auf der Erde, wobei pro Sekunde etwa

Systembiologie Die Systembiologie versucht, biologische Organismen in ihrer Gesamtheit zu verstehen. Das Ziel ist, ein integriertes Bild aller regulatorischen Prozesse über alle Ebenen, vom Genom über das Proteom zu den Organellen bis hin zum Verhalten und zur Biomechanik des Gesamtorganismus zu bekommen. Wesentliche Methoden zu diesem Zweck stammen aus der System­ theorie und ihren Teilgebieten. Da aber die mathematisch-analytische Seite der Systembiologie nicht perfekt ist, kommen als Forschungsmethoden häufig Computersimulationen und Heuristi­ ken zum Einsatz.

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Corbis / MedNet / Michael Freeman

Schwerpunkt: Viren

Das Hepatitis-B-Virus ist Ursache einer der weltweit häufigsten Virusinfektionen.

Metagenomik Die Metagenomik beschreibt die gesamte Geninformation einer Viruspopulation (oder anderer Mikroorganismen), die in einem bestimm­ ten Lebensraum existiert. Bei den untersuchten Lebensräumen kann es sich zum Beispiel um Bodenproben aus einem bestimmten Biotop, um die Tiefsee, aber auch um den menschlichen Darm handeln. Entscheidend ist, dass die DNA- oder RNA-Sequenz­ informationen ohne selekti­ ve Anreicherungsverfahren direkt aus der Probe gewonnen werden und damit der dort ursprünglich vorhande­ nen Verteilung entsprechen. Moderne Methoden ermög­ lichen die parallele Analyse vieler tausender einzelner Genfragmente – innerhalb weniger Stunden können so etwa 500 000 Basenpaare genetischer Information entschlüsselt werden. Datenbankvergleiche helfen, die gewonnenen Informa­ tionen zu klassifizieren und bekannten Organismen zuzuordnen – ein Großteil der erhaltenen Sequenzen ist jedoch völlig neuartig. Da dieses Verfahren keine Anreicherung der Viren über Kultivierungsmethoden erfordert, ergibt sich ein unverfälschtes und vollständiges Bild einer komplexen Population.

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1024 neue Partikel produziert werden. Der weit­ aus größte Teil dieser Viren dürfte infolge von Fehlern in der Replikation oder Rekombina­ tion nicht vermehrungsfähig sein, die anderen bereichern jedoch die genetische Vielfalt im­ mer weiter. Mit jeder neuen Infektion wächst die Zahl der Rekombinationsereignisse, und dies vermutlich seit drei Milliarden Jahren. Das genetische Reservoir der Virosphäre – der Gesamtheit aller Viren – enthält somit ein enormes evolutionäres Potenzial, das durch Re­ kombination und Gentransfer die Evolution vorantreibt. Zahllose neuartige Proteine oder Proteinvarianten bieten gewaltige und weit ge­ hend unausgeschöpfte Möglichkeiten für die nutzbringende Anwendung. Vor diesem Hin­ tergrund und angesichts der Bedeutung von Viren für die Biologie jenseits ihrer Rolle als Krankheitserreger erscheint die weit gehende Beschränkung der Virusforschung in Deutsch­ land auf medizinische Einrichtungen an Uni­ versitäten zu einseitig und falsch. Forschung an bisher noch unbekannten Viren und die Nutzung der dort beobachteten erwünschten Eigenschaften versprechen auch wissenschaft­ lichen und wirtschaftlichen Nutzen. Virologie sollte daher neben der Medizin auch in den Biowissenschaften und in der außeruniversi­ tären Forschung stärker verankert sein. Es leuchtet ein, dass eine so häufige und vielfältige »Lebensform« unsere Ökosysteme mitgestaltet und einen erheblichen Beitrag zu deren Funktionieren leistet. So spielen Viren vermutlich eine wesentliche Rolle bei der Re­ gulation des Kohlenstoff-, Stickstoff- und Phosphatkreislaufs. So genannte lytische Vi­ ren, deren Vermehrung mit dem Tod ihrer Wirtszelle verbunden ist, sollen für das Ab­ sterben von bis zu 80 Prozent der Mikroorga­ nismen in Tiefseesedimenten verantwortlich sein; ebenso für deren Regeneration, wobei die »Leichenreste« anderen Mikroben als Nährstoffquelle dienen. Diese wiederum ma­ chen etwa ein Zehntel der lebenden Biomasse unseres Planeten aus. Dabei werden jährlich über 600 Millionen Tonnen Kohlenstoff in den Kreislauf der Tiefsee zurückgeführt. Das belegt, wie Viren Ökosysteme entscheidend beeinflussen können. Eine überraschende Perspektive eröffnen neuere Untersuchungen an Herpesviren, die hauptsächlich als Lippen- und Genitalherpes bekannt sind. Ein krank machender Erreger kann hier nicht nur global, sondern direkt für den infizierten Wirt Vorteile bringen. Herpesviren können beim Menschen ver­ schiedene Infektionskrankheiten auslösen – von lästigen Lippenbläschen über Windpo­ cken und Pfeiffersches Drüsenfieber bis hin zur schweren Schädigung von Neugeborenen

oder einer tödlichen Gehirnentzündung. Cha­ rakteristisch für Mitglieder dieser Virusfamilie ist, dass sie nach der Infektion einen dauer­ haften Ruhezustand im Organismus des Wirts einnehmen, die so genannte Latenz; da sie sehr weit verbreitet sind, trägt praktisch jeder Erwachsene verschiedene latente Herpesviren in sich. Jahre nach der Erstinfektion können diese erneut aktiviert werden, zum Teil wieder begleitet von unangenehmen bis schweren Krankheitssymptomen wie etwa der Gürtel­ rose – ganz offensichtlich unvorteilhaft für uns. Forschungen an einem Mäuse-Herpes­ virus haben jedoch eine überraschende »Ne­ benwirkung« des Erregers aufgezeigt: das Im­ munsys­tem von latent infizierten Mäusen war deutlich aktiviert. Mäuse mit schlummernden Herpes­viren konnten dadurch verschiedene Bakterien – etwa den Pesterreger Yersinia – besser abwehren als gesunde Mäuse. Demnach könnten wir von diesen ansons­ ten schädlichen und unerwünschten latenten Viren sogar profitieren. Die Symbiose mit ei­ nigen dieser Erreger bildet möglicherweise ei­ nen Stützpfeiler unseres Immunsystems. Das ändert nichts an der Tatsache, dass es äußerst sinnvoll und unbedingt notwendig ist, mög­ lichst viele Menschen gegen gefährliche Krank­ heitserreger zu impfen und einzelne Pathogene ganz auszurotten. Dies gelang in den 1970er Jahren durch die Pockenimpfung und wird derzeit für Polio- und Masernvirus angestrebt. Eine völlige Ausrottung aller Viren unserer Spezies – aus heutiger Sicht ohnehin nicht vor­ stellbar – würde jedoch nicht nur in die Evo­ lution generell, sondern womöglich auch in die Entwicklung und Funktion des Immunsys­ tems des einzelnen Menschen eingreifen.

Erkenntnisse der Paläovirologie

Virologie ist eine vergleichsweise junge Diszi­ plin – der erste einschlägige Lehrstuhl an ei­ ner deutschen Universität wurde 1964 in Gie­ ßen etabliert. Viren dagegen sind vermutlich genauso alt wie ihre jeweiligen Wirte und spielten in deren Evolution eine entscheiden­ de Rolle. Spannende Erkenntnisse hierzu lie­ fert die Paläovirologie. Da ein Virusgenom viel kleiner und viel besser verstanden ist als das eines Dinosauriers, ist der virologische »Jurassic Park« heute schon Realität: Viren aus früheren Zeiten können im Labor »wiederbe­ lebt« werden. Dies hat 2005 nach der Rekon­ struktion des Erregers der Spanischen Grippe aus konservierten Patientenproben zu einer heftigen Diskussion geführt. Einerseits birgt die Erweckung eines ausge­ storbenen Seuchenerregers offensichtlich Si­ cherheitsrisiken, die sehr genau kontrolliert werden müssen. Andererseits lässt sich nur SPEKTRUM DER WISSENSCHAFT · August 2009

Medizin & Biologie

Influenzavirus – ein variables Ziel für das Immunsystem Neuraminidase

N2

Antigen-Drift

Antigen-Shift

plötzliche starke Veränderungen der Hüllproteine durch Reassortment => Pandemie möglich

Hämagglutinin

SPEKTRUM DER WISSENSCHAFT · August 2009

N2

H2

durch solche Untersuchungen verstehen, was dieses Virus so gefährlich machte. »Fossilien« noch wesentlich älterer Viren sind Teil des Genoms eines jeden Säugetiers. Retroviren, zu denen auch das Humane Immundefizienz-Vi­ rus HIV gehört, bauen ihre Erbinformation in das Genom der Wirtszelle ein, wo es als fester Bestandteil an die Tochterzellen – und bei Infektion von Keimzellen an die nachfol­ gende Generation – weitergegeben wird. Auch wenn das virale Genom durch Muta­ tion unbrauchbar wird, bleibt es so über Jahr­ tausende konserviert. Im Lauf der Evolution haben sich im Erbgut aller Arten unzählige solcher viralen Elemente angesammelt, die mit dem Wirt evolvieren und dessen Entwick­ lung beeinflussen. Durch sie können Gene zerstört oder aktiviert oder Genabschnitte neu gemischt werden. So glauben Forscher, dass die verstärkte Sekretion des Enzyms Amylase im Speichel (nützlich, um die Stärkemoleküle im Getreide zu verdauen, und somit für die Entwicklung einer Ackerbaukultur) auf Retro­ viren zurückzuführen ist. Relikte retroviraler Erbinformation machen knapp zehn Prozent unseres eigenen Genoms aus. Weitere 30 Pro­ zent existieren dank eines Enzyms der Retro­ viren. Kürzlich konnte sogar ein viele hun­ derttausend Jahre altes menschliches Retrovi­ rus rekonstruiert und im Labor vermehrt wer­ den; es gab Aufschluss über die Entwicklung eines angeborenen menschlichen Abwehrme­ chanismus. Für alle Viren gilt, dass sie für ihre Ver­ mehrung auf eine Wirtszelle angewiesen sind und deren Funktionen nutzen oder verän­

Spektrum der Wissenschaft, nach: H.-G. Kraeusslich  und  B. Müller

ständige kleinere Veränderungen der Hüllproteine durch Mutation => Epidemie möglich

N1

H3

H3

dern. Diese Tatsache erschwert die Entwick­ lung von Substanzen, die Viren bekämpfen. Nach ersten zufällig entdeckten solcher Stoffe hat sich die Forschung in den letzten 20 Jah­ ren vor allem auf virale Enzyme konzentriert. Viele verfügbare Virostatika hemmen zum Beispiel gezielt eine vom Virus mitgebrachte Polymerase, welche die Vermehrung der Erb­ information der Viren bewirkt. Die For­ schung führte zu über 20 Wirkstoffen gegen spezifische Enzyme des HI-Virus. Sie bilden heute die Grundlage der erfolgreichen Thera­ pie von Aidspatienten. Andere Wirkstoffe wurden gegen Enzyme von Herpes- und In­ fluenzaviren entwickelt und stehen – wie im Fall des Hepatitis-C-Virus HCV – kurz vor der Markteinführung. Bei allen Erfolgen hat diese Strategie jedoch grundsätzlich Grenzen. Die meisten Viren verfügen nämlich nur über eine kleine Anzahl von Schlüsselenzymen, die sich mit antiviralen Wirkstoffen attackieren lassen. Auch müssen diese Medikamente im­ mer speziell für den jeweiligen Erreger entwi­ ckelt werden, so dass uns keine Breitbandviro­ statika (analog zu den Breitbandantibiotika) zur Verfügung stehen. Und, vielleicht die größte Schwierigkeit: Virusgenome verändern sich sehr schnell, weswegen sich rasch Resis­ ten­zen entwickeln. Vor diesem Hintergrund suchten Forscher nach neuen Möglichkeiten, in den Zellen be­ stimmte Funktionen zu hemmen, ohne die sich das jeweilige Virus nicht vermehren kann. Auch wollten sie darin Moleküle auf­ spüren, die von mehreren Virusfamilien be­ nötigt werden. Wirkstoffe, die so in das zellu­

Cynthia Goldsmith

Zwei verschiedene Mecha­ nismen tragen dazu bei, dass sich die Oberfläche von In­ fluenzaviren laufend verändert. Fehler beim Kopieren der Erbinformation bewirken, dass die Oberflächenproteine Hämagglutinin und Neura­ mini­dase vom Immunsystem nicht gut erkannt werden (Antigen-Drift). Außerdem können zwei Influenzaviren, die die gleiche Zelle befallen, Teile ihrer Erbinformation un­tereinander austauschen. So können Virustypen mit veränderter Oberfläche entstehen (Antigen-Shift).

Influenzaviren Die Influenza, auch echte Grippe genannt, ist eine durch Viren aus den Gattun­ gen Influenzavirus A oder B ausgelöste Infektionskrankheit bei Menschen, anderen Säugetieren sowie Vögeln. Influenzaviren sind gekennzeichnet durch die Oberflächenproteine Hämagglutinin (»H«) und Neuraminidase (»N«). Bisher sind vom HProtein des Influenza-A-Virus 16 Subtypen identifiziert worden, vom N-Protein sind neun Varianten bekannt. Das seit Jahren kursierende gefährliche Vogelgrippevirus hat den Typ H5N1, der Erreger der Spanischen Grippe von 1918/19 hatte, wie der jetzige Erreger der Neuen Grippe, den Typ H1N1.

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Deutsches Krebsforschungszentrum Heidelberg

Schwerpunkt: Viren

Nobelpreis für die Virologie Für Entdeckungen aus der Virologie wurde insgesamt 22-mal der Nobelpreis verliehen, zuletzt im Jahr 2008 an Françoise Barré-Sinoussi und Luc Montagnier für die Entdeckung von HIV sowie an Harald zur Hausen (oben) für die Entdeckung bestimmter Papillomviren, die ursächlich an der Entstehung ver­schiedener Krebsarten beteiligt sind.

läre Geschehen eingreifen können, hätten zwei Vorzüge: ➤  Sie würden das Problem der raschen An­ passung des Erregers umgehen. ➤  Sie würden nicht nur gegen ein Virus, son­ dern möglicherweise gegen eine ganze Grup­ pe wirken – und vielleicht sogar gegen neu auftretende, bisher noch unbekannte Viren. Das setzt natürlich die genaue Kenntnis der wesentlichen Wirtsfaktoren voraus, die sich Vi­ ren zu Nutze machen. Hier steht die Forschung erst am Anfang. So ist derzeit mit einem Wirk­ stoff, der den Zugang von HIV zur Zelle blo­ ckiert, indem er ein Protein auf deren Oberflä­ che bindet und vor dem Erreger verbirgt, erst ein gegen zelluläre Funktionen gerichteter an­ tiviraler Wirkstoff zugelassen. Eine Substanz, die das für die Vermehrung des HCV notwen­ dige Zellprotein Cyclophilin hemmt, durch­ läuft zurzeit die klinischen Prüfung. In der Vergangenheit wurden einzelne zel­ luläre Faktoren, die für eine bestimmte Funk­ tion eines Erregers eine Rolle spielten, eher zufällig oder anhand ihrer direkten Wechsel­ wirkung mit viralen Proteinen entdeckt. Mit neuen Ansätzen der Systembiologie wird da­ gegen die gesamte genetische Ausstattung der Wirtszelle auf ihre Bedeutung für die Virus­ vermehrung überprüft (siehe Info S. 57).

Warum das HI-Virus nur Menschen befällt Das angeborene Immunsystem, das zunehmend als wichtiger Faktor in der Kontrolle von Infektionserkrankungen erkannt wird, wurde von Viren mit geformt. Ein Teil der angeborenen Abwehr ist wohl darauf angelegt, Retrovirus­ infektionen zu kontrollieren. So genannte Restriktionsfaktoren, die unabhängig von einer Infektion in Zellen vorliegen, greifen dazu gezielt ganz bestimmte Funktionen eines Retrovirus an. So gibt es zum Beispiel in Rhesusaffenzellen den Faktor TRIM5, der eine Infektion mit HIV verhindert. Zunächst erscheint rätselhaft, wieso Zellen schon viele Jahrtausende vor der Entstehung von HIV ein schützendes Protein dagegen entwickelt haben sollten. Eine mögliche Erklärung liefert die Paläovirologie: Das Genom von Schimpansen und Gorillas enthält über 100 defekte Kopien eines drei bis vier Millionen Jahre alten Retrovirus, von dem wir verschont blieben, obwohl unsere Vorfahren mit dem Virus in Kontakt gekommen sein müssen. Schutz vor diesem Virus verleiht eine menschliche Variante von TRIM5, die sich möglicherweise zur Abwehr dieses Erregers entwickelt hat. Leider bewirkt die evolutionäre Spezialisierung der menschlichen TRIM5-Proteine offenbar, dass diese eine Infektion mit neuzeitlichen Retroviren wie HIV nicht eindämmen können. Es ist zwar vorstellbar, dass sich menschliche Restriktionsfaktoren durch den Selektionsdruck der tödlichen Erkrankung an das HI-Virus anpassen und so im Lauf der Evolution eine natürliche Resistenz ausbilden. Da sich solche Vorgänge über viele Generationen entwickeln, hilft uns das aktuell wenig. Darüber hinaus wird heute der Einfluss pathogener Infektionserreger auf die natürliche Evolution durch medizinische und kulturelle Entwicklungen – wie Prävention, Therapie oder Impfung – weit gehend außer Kraft gesetzt. Die Ziele der angeborenen Abwehr zeigen uns jedoch natürliche Schwachstellen des Erregers, die man möglicherweise therapeutisch ausnutzen kann.

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Hier geht es nicht um eine neue Modefor­ schung. Mit ihrem Blick auf das ganze Ge­ schehen einer Zelle versucht die Systembiolo­ gie vielmehr mit interdisziplinären Methoden zwischen Molekularbiologie und Bioinforma­ tik neue Zugänge zu den komplexen Prozes­ sen zu gewinnen. Viele meiner Kollegen und ich sehen darin eine neue Chance, schweren Erkrankungen zu begegnen. Der Systemansatz trägt bereits erste Früchte: Forscher konnten in Laborversuchen jeweils mehrere hundert zelluläre Gene identifizieren, die für die Ver­ mehrung bestimmter Viren eine Rolle spielen: so bei HIV, HCV, dem Influenza- sowie dem West-Nil-Virus. Die Analysen beschränken sich nicht auf die Rolle der proteinkodieren­ den Gene der Wirtszelle. Auch die erst in jüngster Zeit entdeckten regulatorischen mi­ kro-RNAs scheinen in einigen Fällen die Vi­ rusvermehrung zu beeinflussen und werden dementsprechend systematisch untersucht.

Viren und zelluläre Netzwerke

Was geschieht mit dieser Unmenge von Mess­ daten? Hier kommen die Bioinformatiker ins Spiel. Mit Hilfe schneller Rechner und Spezi­ alsoftware pflügen sie sich durch die Datenge­ birge und ordnen die gefundenen Gene zellu­ lären Funktionskreisen zu. Diese können dann systematisch auf ihre Bedeutung für den jeweiligen Erreger getestet und als Ziele für antivirale Medikamente ins Auge gefasst wer­ den. Viele Viren nutzen ähnliche Wege, um in Zellen einzudringen oder sie zu verlassen. Das Potenzial scheint für Breitbandvirostatika also durchaus real. Dabei muss man – wie bei allen zellulären Zielen – damit rechnen, dass Zellen geschädigt werden und Nebenwir­ kungen auftreten. Trotz großer Hoffnungen in diese Verfahren werden sich Erfolge nicht über Nacht einstellen. Langfristig aber kön­ nen wir durchaus mit völlig neuartigen, anti­ viralen Medikamenten rechnen. Umgekehrt lassen sich Viren auch als Werk­ zeug zur Untersuchung zellulärer Netzwerke einsetzen. Die von Viren für ihre Vermehrung genutzten zellulären Funktionen sind in kom­ plexen Netzwerken organisiert, sowohl inner­ halb der Zelle wie auch im Zell- und Gewebe­ verband. Die molekulare Wirkungsweise zellu­ lärer Netzwerke lässt sich also verstehen, in­ dem man die Funktionen untersucht, auf die Viren zugreifen. Durch systematisches Aus­ schalten einzelner zellulärer Gene kann deren Einfluss auf die Virusvermehrung getestet wer­ den. So gewinnt man riesige Datenmengen, die anschließend mit Methoden der Bioinfor­ matik ausgewertet werden und die Grundlage für die mathematische Modellierung und Si­ mulation biologischer Prozesse liefern. SPEKTRUM DER WISSENSCHAFT · August 2009

Medizin & Biologie Neben diesen Fortschritten im Kleinsten steht auch unser Verständnis der Virusinfek­ tion im lebenden Organismus, in vivo, und in der Population vor neuen Erkenntnissen. Selbst unter gut kontrollierten Bedingungen mit identischen Erregern und genetisch ho­ mogenen Mäusen variiert die Virusmenge im Blut verschiedener Tiere um mehrere Größen­ ordnungen. Offensichtlich wird der Infektionsverlauf nicht nur durch reproduzierbare molekulare Interaktionen definiert, sondern auch durch zufällige Ereignisse moduliert. Neue Tier­ modelle und prospektive Untersuchungen des Infektionsverlaufs am Menschen bieten einen Zugang zu diesen Fragen, doch erst der Ein­ satz der mathematischen Modellierung und Simulation kann ein Verständnis des kom­ plexen Infektionsgeschehens in vivo ermög­ lichen. Auch die gezielte Nutzung viraler Prinzi­ pien steht heute noch ganz am Anfang. Hier­ bei stehen besonders zwei Fähigkeiten der Vi­ ren im Vordergrund: ➤  die selbsttätige Organisation von einfachen Bausteinen in sehr regelmäßige Nanostruk­ turen; ➤  die Verpackung von spezifischer gene­ tischer Information und deren gezielte Ein­ schleusung in eine Zelle. Damit bieten Viren ideale Eigenschaften für die sich entwickelnden Disziplinen der Nanotechnologie und der Synthetischen Bio­ logie. Verschiedene Anwendungen sind vor­ stellbar, etwa die Erzeugung regelmäßiger Na­ nostrukturen aus umweltfreundlichem Pro­ tein- oder Nukleinsäurematerial. Außerdem könnten Nanopartikel als Container etwa zur Verpackung von Medikamenten dienen. Die Merkmale von Viruspartikeln lassen sich zudem mit Standardverfahren gezielt oder durch Evolution im Reagenzglas verändern. Ein Beispiel ist die Oberflächenladung der Vi­ ren. In Experimenten wurden Bakteriophagen so modifiziert, dass sie Metalle auf ihrer Ober­ fläche binden und als Nanodrähte oder als Windungen in winzigen Batterien eingesetzt werden können. Die Erzeugung künstlicher Viren dagegen gehört zu den Technologien, die teilweise umstritten sind und deren Ent­ wicklung diskutiert werden muss. Sollte es zu­ künftig möglich werden, Viren mit definier­ ten Eigenschaften nach einen Baukastenprin­ zip zu konstruieren, würde dies schließlich auch bedrohliche Anwendungen wie Biowaf­ fen erschließen. Natürlich geht es den Virologen um sinn­ volle Anwendungen, etwa in der so genann­ ten somatischen Gentherapie. Dabei würden synthetische Viren ausschließlich eine spezi­ SPEKTRUM DER WISSENSCHAFT · August 2009

elle erwünschte Eigenschaft auf einen ganz bestimmten Zelltyp eines Patienten übertra­ gen, nicht aber auf die Geschlechtszellen – ­somit würden die eingeschleusten Gene nicht weitervererbt. In der Impfstoffentwicklung wird eine vereinfachte Form künstlicher Viren bereits erfolgreich eingesetzt: die Impfstoffe gegen Hepatitis B und Papillomvirus-Infek­ tionen. Dabei handelt es sich um virusähnliche Partikel, die aus gentechnisch hergestellten Hüllproteinen der betreffenden Viren zusam­ mengesetzt sind. Das Verfahren ist sicher: Da diese Kunstgebilde keinerlei Erbinformation des Erregers enthalten, können sie sich nicht vermehren und keinesfalls eine virusbedingte Erkrankung auslösen. Wie also sieht die Zukunft der jungen Wissenschaft Virologie aus? Sie entwickelt sich mit den Erregern und mit dem Spektrum der Disziplinen, die ihr neue Methoden und wissenschaftliche Ansätze zur Verfügung stel­ len. Gleichzeitig bereichert die Erforschung der Viren unsere biologische Erkenntnis durch deren enorme Vielfalt. Viren zeigen uns, wie man komplexe biologische Probleme mit ein­ fachen Mitteln löst. Trotz der atemberaubenden Fortschritte in der Genomanalyse sind wir weit davon ent­ fernt, alle Viren unseres Planeten zu kennen. Wir werden noch viele Überraschungen erle­ ben: unbekannte Seuchen, grundlegende Er­ kenntnisse in der Biologie, revolutionäre me­ dizinische und technologische Anwendungen. Sie werden unser Bild von der belebten Natur bereichern und neues Licht auf die rätselhafte Entstehung des Lebens auf der Erde werfen. Die winzigen Viren werden noch für lange Zeit die großen Unbekannten bleiben.

Hans-Georg Kräusslich ist Professor für Virologie und Direktor der Abteilung Virologie am Hygiene-­ Institut der Universität Heidelberg. Er ist Sprecher des Sonderforschungsbereichs »Kontrolle tropi­ scher Infektionskrankheiten«, des DFG-Schwerpunktprogramms »Dynamik zellulärer Membranen und ihre Ausnutzung durch Viren« sowie des Exzellenzclusters »Cellular Networks«. Er ist Mitglied der Deutschen Akademie der Naturforscher Leopoldina und der Heidelberger Akademie der Wissenschaften.

Müller, B., Kräusslich, H.-G.: Wo bleibt die nächste Pandemie? Spektrum der Wissenschaft 4/2008, S. 78 – 82.

Weblinks zu diesem Thema finden Sie unter www.spektrum.de/ artikel/999552.

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Schwerpunkt: Viren

Computerjagd auf das Aidsvirus Resistenzen sind das gravierendste Problem bei so wandlungsfähigen Viren wie dem Aidserreger HIV. Wie kann man den Infizierten helfen? Die Antwort erfordert umfassende Informationen über Varianten von HIV – und Computerhilfe. Von Thomas Lengauer und Rolf Kaiser

A

In Kürze r 

Das Aidsvirus mutiert fortwährend und wird daher über kurz oder lang gegen eine Wirkstoffkombination, die ein Patient erhält, resistent. r  Mit Hilfe von Daten­ banken und mit bioinformatischen Methoden wie statistischen Lernverfahren ist es nun möglich, aus der Genomsequenz der jewei­ ligen Virusvariante die wahrscheinlich effizientesten alternativen Wirkstoffe zu er­ mitteln. r  Das Verfahren lässt sich im Prinzip beispielsweise auch auf Krebszellen anwenden, um den Zustand eines Tumors besser zu beurteilen.

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ls Virus ist der Aidserreger streng genommen kein Lebewesen, son­ dern lediglich ein Stück verpacktes Erbgut – knapp 10 000 genomi­sche Buchstaben, umgeben von einer Proteinhülle. Diese 10 000 aneinandergereihten Lettern de­ finieren den vielleicht gefährlichsten Erreger überhaupt. Wie alle Viren nutzt er die von ihm befallene Zelle, um sich zu vermehren. Doch das Humane Immunschwäche-Virus HIV ist besonders tückisch, denn es versklavt dafür just Zellen des menschlichen Immun­ systems, die der Krankheitsabwehr dienen. Derzeit sind über zwei Dutzend Medika­ mente gegen HIV auf dem Markt, und fast alle zielen darauf ab, eines der viruseigenen Proteine – das Zielprotein des jeweiligen Arz­ neistoffs – unschädlich zu machen. Es gibt mehrere Möglichkeiten, das anvisierte Eiweiß­ molekül zu blockieren. Eine beliebte Methode ist, den Wirkstoff so zu konzipieren, dass er sich an die aktive Stelle am Zielprotein heftet – an diejenige, welche die eigentliche Arbeit verrichtet. Das ist etwa so, als würde man den Kopf einer Zange mit Knete verkleben. Doch warum braucht man so viele ver­ schiedene Wirkstoffe? Warum reicht nicht ein einzelner aus, der ein Protein ausschaltet und so den Lebenszyklus von HIV unterbricht? Der Grund ist, dass sich das Virus rasant – praktisch bei jedem Kopiervorgang – wandelt. Sein Genom, das die Bauinformation der vi­ ralen Eiweißstoffe trägt, verändert sich ständig durch Mutationen – vor allem durch Aus­ tausch einzelner Basen, quasi der Buchstaben im genomischen Text. Damit ändern sich auch oft Aufbau und Gestalt der von ihm ko­ dierten viralen Proteine, und plötzlich passt der Wirkstoff nicht mehr auf das Zielprotein: Das Virus ist resistent geworden.

Da dies sehr schnell geschieht, gibt man am besten gleich mehrere Wirkstoffe, die sich an verschiedene Proteine heften – in der Hoff­ nung, dass wenigstens eine der Zielstrukturen sich nicht allzu rasch verändert und der da­ rauf zugeschnittene Arzneistoff eine Weile wirksam bleibt. Darum sind heute Kombina­ tionen von drei bis sechs Wirkstoffen verbrei­ tet, die der Patient gleichzeitig erhält. Aber am Ende gewinnt das Virus immer. Es werden so viele virale Varianten erzeugt, dass über kurz oder lang, meistens im Verlauf von einigen Monaten, eine neue Variante ent­ steht und dann dominiert, die gegen alle bis­ her verabreichten Mittel resistent ist. Damit sind wir an dem Punkt, der uns Bioinformatiker interessiert: Welche Wirkstoffkombina­ tion kann nun weiterhelfen?

Tabellen für die Therapie

Die Antwort hängt natürlich von der im Kör­ per des Patienten herausgebildeten Virusvari­ ante ab – genauer: vom Aufbau der in ihrem Genom vorprogrammierten Proteine. Darum wird dem Patienten Blut entnommen, das Vi­ rusgenom daraus extrahiert und die genaue Abfolge der genetischen Buchstaben be­ stimmt. Diese Sequenz – aus der sich wiede­ rum Art und Reihenfolge der Aminosäuren in den entsprechenden Proteinen herauslesen lässt – ist die Grundlage für die Auswahl einer neuen Therapie. Das in der klinischen Praxis erworbene vielfältige Wissen über die HIV-Resistenz hat man bisher in so genannten Mutationstabellen gesammelt; sie geben an, welche Mutationen im Virusgenom nach klinischen Erfahrungen von Experten mit Resistenzen gegen einzelne Wirkstoffe einhergehen. Die gebräuchlichste Tabelle wird von der International Aids Society fortgeschrieben. Die herkömmliche Therapie­ auswahl geschieht folgendermaßen. Das aus SPEKTRUM DER WISSENSCHAFT · August 2009

Medizin & Biologie

Eine einmal gewählte Kombination von Wirkstoffen unterdrückt die individuelle Erregervariante eines HIV-Infizierten immer nur begrenzte Zeit. Wie lässt sich möglichst rasch und treffsicher eine andere wirksame Zusammenstellung ermitteln? Bei solchen und ähnlichen Problemen kann die klinische Bioinformatik Lösungen bieten.

iStockphoto / Stefan Klein

dem Patientenblut isolierte Virusgenom wird auf Resistenzmutationen analysiert, die in der Mutationstabelle vorkommen. Der behan­ delnde Arzt verordnet dann dem Patienten eine Kombination solcher Wirkstoffe, gegen die das Virus keine der gelisteten Mutationen aufweist, wobei die genaue Zusammenstel­ lung viele weitere Einflussfaktoren und Ne­ benbedingungen berücksichtigt. Eine Auswahl auf dieser Basis hat jedoch entscheidende Nachteile: r  Es gibt Hunderte von sinnvollen Wirkstoff­ kombinationen, und diese Zahl wächst sprung­ haft mit jedem Aidsmedikament, das neu auf den Markt kommt. Dem Arzt fällt es schwer, bei dieser Vielfalt die Übersicht zu behalten. r  Das Resistenzverhalten des Virus lässt sich im Allgemeinen nicht auf einzelne Mutatio­ nen zurückführen. Mutationen können inter­ agieren, dabei eine Resistenz verstärken oder umgekehrt abmildern oder gar aufheben. Zu­ dem wird das Virus bei Verabreichung einer neuen Therapie bildlich gesprochen einen evolutionären Fluchtweg in die Resistenz su­ chen – durch Anhäufung neuer Mutationen. Dieser Weg ist ohne komplexe Analyse prak­ tisch nicht vorherzusagen. Seit zehn Jahren werden im klinischen Feld systematisch Daten über den Zusammenhang zwischen Virusgenom und Resistenz gesam­ melt. Dabei geht es um zweierlei. Zum einen werden in der klinischen Praxis der entwickelten Länder nahezu flächen­ deckend so genannte genotypische Daten ka­ talogisiert. Sie umfassen wesentliche Sequenz­ abschnitte des Genoms der im Patientenblut gefundenen HIV-Variante, ergänzt um kli­ nische Parameter, etwa die Zahl der Viruspar­ tikel und der kritischen Immunzellen im Blut des Patienten. Aus den Genabschnitten geht zugleich der biochemische Aufbau der ent­ sprechenden Proteinabschnitte hervor. SPEKTRUM DER WISSENSCHAFT · August 2009

Zum anderen sammeln spezielle For­ schungsprojekte in geringerem Umfang Da­ ten über die Resistenz des jeweiligen Virus ge­ gen individuelle Wirkstoffe, also über den so genannten Resistenz-Phänotyp. Dabei testet man im Prinzip die im Patientenblut gefun­ denen Erregervarianten in Zellkultur: Man fügt ihre medikamentenrelevante Genom­ region in eine standardisierte Variante von HIV ein, setzt dann dieses Virus unterschied­ lichen Konzentrationen jedes einzelnen Aids­ medikaments aus und misst seine Vervielfälti­ gungsrate. Ein beträchtlicher Aufwand. Resistente Viren zeichnen sich im Test da­ durch aus, dass sich ihre Vermehrungsrate erst bei höherer Wirkstoffdosis als sonst reduziert. Das Verhältnis zwischen den Wirkstoffdosen, welche die Rate der untersuchten HIV-Vari­ ante beziehungsweise diejenige eines nicht re­ sistenten Referenzstamms zu halbieren ver­ mögen, bildet ein quantitatives Maß für die Resistenz der HIV-Variante, den so genann­ ten Resistenzfaktor. Ist er hoch, so widersteht das Virus, ist er niedrig, so wirkt das Medika­ ment – zumindest im Labor. Ein mittelhoher Faktor bedeutet schwache Resistenz. Das Ziel unserer Forschung ist nun, den in der Mutationstabelle gesammelten Experten­ meinungen eine Resistenzbestimmung entge­ genzusetzen, die sich systematisch und direkt aus klinischen Daten ableitet. Wir tun dies mit Computern. So hoffen wir, eine Systema­ tik und Objektivität zu erzielen, die erlaubt, komplexe Zusammenhänge bei der Resistenz­ entwicklung zu berücksichtigen. Grundlage für unsere Analysen bilden die oben beschriebenen genotypischen und phä­ notypischen Daten. Gesammelt wurden der­ artige Informationen für mittlerweile über 1000 HIV-Varianten in der deutschen Daten­ bank Arevir (für: Analyse von Resistenzmuta­ tionen bei Viren) – unter Mitarbeit des Nati­

Komplexes Zusammenspiel Im Allgemeinen gibt es nicht nur eine einzige Mutation, die ein Virus gegen ein bestimmtes Medikament resistent macht, sondern viele verschiedene, die sich zudem wechselseitig beein­ flussen, verstärken oder auch abschwächen können. Eine so genannte sekundäre Resistenzmutation bei­ spielsweise kann den Ver­mehrungs­erfolg eines Virus steigern, aber nur im Zusammenhang mit einer bestehenden Resistenz.

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Schwerpunkt: Viren

Wie kann der Computer die Resistenz des Patientenvirus vorhersagen? Bislang konnten Ärzte sich bei der Auswahl der Medikamente gegen das jeweilige Patientenvirus nur von gewissen typischen Mutationen und ihrer klinischen Erfahrung leiten lassen. Mittels Datenbanken und bioinformatischer Methoden versuchen wir schneller und genauer ein Ergebnis zu erreichen. Dazu wird eine

Abfragefolge an das virale Genom abgeleitet, an deren Ende sich entscheiden lässt, ob eine individuelle Erregervariante gegen ein Medikament resistent ist oder nicht. Die resultierenden Entscheidungsbäume sind hierarchische Strukturen und erlauben es, schwer verständliche Datenbestände zu interpretieren.

resistente Virusvariante

Virusvarianten mit Mutation 1

Virusvarianten mit Mutation1 und 2

Aufteilen nach Mutation 2

Virusvarianten Virusvarianten mit Mutation1 ohne Mutation1 und ohne 2 und mit 3

Ableiten der Abfragefolge Ausgangspunkt ist eine Datenbank vieler verschiedener Virusgenomvarianten, die auf Grund von Labortests als resistent (rot) oder nicht resistent (grün) gegen ein Medikament klassifiziert sind. Die Menge wird nun als Erstes so aufgespalten, dass der eine Teil alle Virusvarianten mit einer bestimmten Mutation enthält (gleichgültig, welche Mutationen sie sonst noch tragen), der andere die Varianten ohne diese. Als erste Mutation wählt man eine, welche die resistenten Varianten möglichst stark in einem der beiden »Töpfe« anreichert. Die Aufteilung wird auf der Basis wei-

Maschinelles lernen Mit diesem Begriff bezeich­ nen wir eine computerbasierte Methode, die statistische Verfahren auf einen schwer interpretier­ baren Datenbestand anwen­ det – um darin manuell nur schwer zu findende Muster zu erkennen. Im hier ge­ schilderten Fall sind dies die komplexen Zusammen­ hänge zwischen dem Aufbau des jeweiligen Virusgenoms und seinem im Labor ermittelten so genann­ ten Resistenz-Phänotyp.

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Virusvarianten ohne Mutation 1

Aufteilen nach Mutation 1

Aufteilen nach Mutation 3

Virusvarianten ohne Mutation1 und ohne 3

terer Mutationen fortgesetzt – und zwar so, dass die Trennung von resistenten und nicht resistenten Varianten am Ende möglichst deutlich ausfällt. Im dargestellten, stark verkürzten Schema hieße das: Alle Virusvarianten, welche die Kombination aus Mutation 1 wie auch 2 tragen, sind überwiegend resistent; Ähnliches gilt für Varianten mit Mutation 3, ohne 1. Diese Abfragefolge, dann auf eine neue Erregervariante eines Patientenvirus angewandt, erlaubt dem Computer beispielsweise die Aussage: mit hoher Wahrscheinlichkeit resistent gegen Wirkstoff X (siehe rechte Hälfte des Kastens).

onalen Referenzzentrums für Retroviren an der Universität Erlangen-Nürnberg und ande­ rer im Verein Genafor (Gesellschaft für nach­ haltige Forschung) organisierten Labors, Pra­ xen und Institute. Diesen Fundus, zusammen mit der Sammlung klinischer Daten, haben wir jüngst in Euresist, eine europäische Da­ tenbank mit weiteren 5400 Datensätzen, ein­ gebracht. Mit Hilfe des Datenbankmaterials und mit bioinformatischen Methoden aus dem Bereich des so genannten maschinellen oder statis­ tischen Lernens (siehe linke Randspalte) erstel­ len wir statistische Modelle, welche die er­ wähnte Mutationstabelle ersetzen sollen. Im Gegensatz zu ihr sind unsere Modelle in der Lage, Abhängigkeiten und Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Mutationen darzustel­ len. Ein bekanntes Prinzip zur Mustererken­ nung in schwer verständlichen Datenbestän­

den ist der Entscheidungsbaum (siehe Kasten oben). Aus den phänotypischen Daten in Are­ vir entwickeln wir algorithmisch möglichst ge­ naue Entscheidungsbäume. Ein so genannter Kreuzvalidierungstest zeigte, dass unsere Bäu­ me in etwa 85 Prozent der Fälle korrekte Aus­ sagen über die Resistenz eines Virus liefern – allerdings über die in einer Zellkultur im La­ bor gemessene Resistenz.

Flucht in die Resistenz

Doch in der klinischen Praxis werden nicht einzelne Medikamente verabreicht, sondern Wirkstoffkombinationen. Außerdem agiert das Virus nicht in einer Zellkultur, sondern im Körper des Patienten. Erst wenn die Resis­ tenzanalyse diese beiden Aspekte berücksich­ tigt, kann sie als klinisch relevant gelten. Es hieß also, die Bioinformatik-Methoden in die­ ser Hinsicht weiterzuentwickeln. SPEKTRUM DER WISSENSCHAFT · August 2009

Spektrum der Wissenschaft / Art for Science, nach: MPI-INF, Abt. Bioinformatik und angewandte Algorithmik

klinische Datenbank (Virusgenome und Resistenz-Phänotypen)

nicht resistente Virusvariante

Medizin & Biologie

Resistent gegen Saquinavir?

In Kombinationstherapien wirken Medika­ mente auf komplexe Weise zusammen. Um das zu modellieren, benutzen wir wiederum statistische Lernverfahren, die subtile nichtli­ neare Abhängigkeiten zwischen den verschie­ denen Wirkstoffen erkennen. Dabei betrach­ ten wir nicht nur die Resistenz des gegenwär­ tig beobachteten Virusstamms, sondern wir extrapolieren auch in die Zukunft. Denn für den Erfolg einer Therapie ist nicht nur wich­ tig, wie resistent der gegenwärtige Stamm ge­ gen die verabreichten Mittel ist, sondern auch, nach welcher Zeit ein kritisches Resis­ tenzniveau gegen eine neue Kombination er­ reicht sein dürfte. Mit jeder neuen Therapie mutiert das Vi­ rus schließlich zur Resistenz. Es tut dies aber nicht beliebig, sondern folgt erfahrungsgemäß vorzugsweise so genannten Mutationspfaden. Gäbe unsere Datenbank Aufschluss über die SPEKTRUM DER WISSENSCHAFT · August 2009

Ist das Patientenvirus resistent gegen den Proteasehemmer Saquinavir? »reguläre« Aminosäure ausgetauschte Aminosäure (Mutation)

Aminosäure Nr. 90 in der viralen Protease Val Leu Phe Met

nicht resistent (empfindlich)

resistent Aminosäure Nr. 48 Arg Gly Val

Aminosäure Nr. 54 Ile Val Leu

Aminosäure Nr. 48 Ile Val

Aminosäure Nr. 72 Arg Thr Val Ile

resensitiviert Arg: Arginin Gly: Glycin

Ile: Isoleucin Leu: Leucin

Met: Methionin Phe: Phenylalanin

Thr: Threonin Val: Valin

Spektrum der Wissenschaft / Art for Science, nach: MPI-INF, Abt. Bioinformatik und angewandte Algorithmik

Wie komplex das reale Zusammenspiel von Mutationen sein kann, zeigt dieser Entscheidungsbaum, nach dem bestimmt wird, ob das untersuchte Patientenvirus gegen den Proteasehemmer Saquinavir resistent ist. Die Zahlen entsprechen Positionen in der Aminosäuresequenz des Zielproteins, hier der viralen Protease. Der Name der »normalen« Aminosäure an der jeweiligen Stelle im Protein des Referenzvirus ist schwarz dargestellt, blau der einer durch Mutation ausgetauschten Aminosäure. Die Farbkreise an den einzelnen Enden der Entscheidungshierarchie repräsentieren die endgültige Entscheidung über die Resistenz einer Virusvariante. Ist an Sequenzposition 90 der Protease statt des ursprünglichen Leucins die Aminosäure Valin zu finden, dann spricht das Patientenvirus dennoch auf Saquinavir an. Steht aber dort durch Mutation ein Phenylalanin oder Methionin, so ist es resistent. Bleibt die Stelle genauso wie beim Referenzvirus, müssen wir weiter an Position 48 schauen und so fort. Wie statistische Modelle die Abhängigkeiten zwischen Muta­ tionen berücksichtigen, zeigt sich beispielhaft bei den Entscheidungswegen, die über Position 54 und 72 führen. Steht an der 54 mutationsbedingt ein Valin, dann ist das Patientenvirus nur resis­ tent, wenn die Position 72 bei ihm die normale Aminosäure enthält. Ist diese letzte Position beispielsweise ebenfalls zu Valin mutiert, ist es dagegen empfindlich. Dieser Austausch bewirkt also eine Resensitivierung: Das Medikament wird wieder wirksam. Insgesamt können drei verschiedene Mutationen an Position 72 die Resistenz eines Virus aufheben, die sonst durch die Mutation bei 48 hervorgerufen würde. Neben ihrer klinischen Bedeutung für die Resistenzvorhersage geben die Entscheidungsbäume den Forschern im Labor Hinweise über mögliche Mechanismen der Resistenzbildung und können somit Grundlage weiterer Experimente zur Aufklärung dieser Mechanismen darstellen.

langfristigen Verläufe vieler Patienten, so könnten wir die Flucht in die Resistenz am einzelnen Patienten beobachten. Durch statis­ tische Mittelung wären dann die am häu­ figsten verfolgten Fluchtpfade zu ermitteln. Leider besitzen wir solche Daten nicht in aus­ reichendem Maß, sondern nur einzelne oder wenige Messungen für jeden Patienten. Trotz­ dem können wir die Wegverläufe statistisch ermitteln. Ein Beispiel bietet sich im Zusammenhang mit dem am längsten verfügbaren HIV-Medi­ kament Azidothymidin (AZT), das sich gegen ein virales Enzym namens reverse Transkripta­ se richtet. Im Verlauf einer Therapie damit kann das Virus in unterschiedlicher Weise Re­ sistenz dagegen ausbilden. Im Wesentlichen beschreitet es zwei verschiedene Wege, die zielgerichtet erscheinen, weil sich die dafür nötigen Mutationen gewöhnlich nicht in zu­ 65

Spektrum der Wissenschaft / Art for Science, nach: MPI-INF, Abt. Bioinformatik & angewandte Algorithmik

Schwerpunkt: Viren

Aminosäuresequenz der reversen Transkriptase

erste Mutation erste Mutation

70. Aminosäure

215. Aminosäure

Lysin mutiert zu Arginin

zweite Mutation 41. Aminosäure Methionin mutiert zu Leucin

HIV nutzt bevorzugte »Fluchtwege« in die Resistenz, bei denen bestimmte Mutationen aus ungeklärten Gründen fast immer in bestimmter Reihenfolge auftreten. Bei der Resistenzentwicklung gegen den Wirkstoff Azidothymidin, der die reverse Transkriptase des Virus hemmen soll, sind das der so genannte TAM-1- und der TAM-2-Pfad. Pfade wie diese lassen sich mit geeigneten statistischen Methoden aus der Datenbank extrahieren.

Threonin mutiert zu Phenylalanin oder Tyrosin fad

Tam-1-P

Tam

-2-P

fad

zweite Mutation 219. Aminosäure Lysin mutiert zu Glutaminsäure oder Glutamin

fälliger, sondern in fester Reihenfolge ansam­ meln (über die Ursache kann man bisher nur spekulieren). Fachlich werden diese beiden Wege als TAM-1- und TAM-2-Pfad bezeich­ net (das Kürzel steht für Thymidinanalogmu­ tation). Der erste führt über eine Mutation an Position 215 der reversen Transkriptase zu ei­ ner Mutation an Position 41 (siehe Grafik oben). Dieser Pfad zeichnet sich nun folgen­ dermaßen in unserer Datenbank ab: Es kom­ men Viren ohne Mutationen vor, solche mit Mutationen an Position 215 im Protein, aber ohne den Austausch an Position 41, sowie sol­ che mit Mutationen an beiden Positionen. Hingegen sehen wir keine oder wenige Viren mit der Veränderung an der Position 41 ohne gleichzeitige Mutationen an der Position 215.

Gelungene Bewährungsprobe

Die Information über bevorzugte Fluchtpfade ist in unserer Datenbank somit implizit vor­ handen, und mit entsprechenden statistischen Methoden lassen sich die Wege extrahieren. Damit haben wir ein statistisches Maß für die so genannte genetische Barriere entwickelt – das heißt für die Wahrscheinlichkeit, dass das Virus nach einer gewissen Zeit diese Hürde überspringen, also gegen das betrachtete Me­ dikament resistent wird. Hat die Erreger­ variante beispielsweise den ersten Schritt auf einem erkannten Vorzugsweg gemacht, wird das Mittel wahrscheinlich nur kurzfristig grei­ fen. Die durch unsere Modelle vorhergesagten Resistenzen gehen in eine statistische Lern­ methode ein, die letztlich über die geschätzte Effektivität einer jeden möglichen Kombina­ tionstherapie Auskunft gibt. Das Berechnen der Reihung dauert bloß einige Sekunden. Natürlich kann die computergestützte Ana­lyse nur Vorschläge machen. Viele wich­ 66 

tige Elemente der HIV-Infektion bleiben un­ berücksichtigt. Der wohl wichtigste Aspekt, der dabei fehlt, ist das Genom des Patienten, also die individuelle Variante der Wirtszelle. Bei unvollständigen Modellen, wie wir sie hier vorlegen, ist die Überprüfung ihrer Aus­ sagekraft, die so genannte Validierung, ein wichtiger Teil der Forschung. Wir wenden da­ für eine Reihe von statistischen Tests an, die nachweisen, dass unsere Aussagen statistisch signifikant sind. So liegt etwa die Fehlerrate bei der Bewertung des Erfolgs von Kombina­ tionstherapien bei 15 Prozent. Das ist immer­ hin wesentlich besser als die 25 Prozent, die man in der klinischen Praxis sonst erzielt. Da­ mit hat unsere Methode ihre Relevanz un­ zweifelhaft unter Beweis gestellt. Noch eindrucksvoller ist vielleicht folgende Geschichte aus der Praxis: Einer der mit uns zusammenarbeitenden Ärzte hat seit 1987 ei­ nen Aidspatienten in Behandlung, nennen wir ihn Georg. Aber es war keine Therapie zu finden, die Georg wirklich half, das heißt die Virusvermehrung erfolgreich unterdrückte. 15 Jahre lang wurden bei allen verabreichten Therapien hohe Zahlen von HI-Viren im Blut gemessen. Dabei durchlief Georg mehrmals den Zyklus von Resistenzentwicklung und Therapiewechsel. Im Oktober 2003 boten die Mutationstabellen schließlich keine Alterna­ tive mehr. Der im Blut von Georg isolierte Virenstamm enthielt Resistenzmutationen ge­ gen alle Wirkstoffe. Nach der klassischen Vorgehensweise war Georg »austherapiert«. In dieser Situation wur­ de unser Server zu Rate gezogen. Der machte einen Vorschlag, den der Arzt auf Grund sei­ ner medizinischen Expertise noch etwas mo­ difizierte. Seit diesem Therapiewechsel konnte bei Georg zum ersten Mal in seiner Patienten­ laufbahn die Erregervermehrung so erfolg­ reich unterdrückt werden, dass im Blut keine Viruspartikel (freies Virus) mehr nachzuwei­ sen waren. (HIV lässt sich freilich nicht ganz aus dem Körper entfernen, da es in seiner DNA-Form im Erbgut befallener Zellen zu ruhen und sich so in verschiedenen Organen längere Zeit zu verstecken vermag.) Dieser Zu­stand hält jetzt schon über fünf Jahre an, und Georg kann seinen Beruf ausüben. Aber auch bei bester Verabreichung von Anschlusstherapien ist eine Anreicherung von Viren mit vielfältigen Resistenzmutationen gegen die heute gängigen Medikamente zu er­ warten – sowohl im einzelnen Patienten als auch langfristig in der Bevölkerung. Daher müssen fortwährend neue Medikamente ent­ wickelt werden, die den Lebenszyklus des ­Virus an immer anderen Stellen unterbrechen. Besonders interessant sind Wirkstoffe, die SPEKTRUM DER WISSENSCHAFT · August 2009

Medizin & Biologie den Eintritt des Virus in die Wirtszelle blo­ ckieren. Er ist ein komplexer Vorgang, bei dem virale Hüllproteine und Proteine an der Oberfläche der Wirtszelle zusammenwirken. Daher versucht man mit Wirkstoffen auf die­ se zelleigenen, also auf menschliche Proteine zu zielen. Zum Eintritt in die Wirtszelle benötigt HIV das Zellprotein CD4 sowie einen wei­ teren zellulären Rezeptor, der in diesem Zu­ sammenhang Korezeptor genannt wird. Je nach Virusstamm, also genetisch vorgegeben, nutzt HIV als Korezeptor entweder nur das Protein CCR5 oder nur das Protein CXCR4, Dabei gibt es auch Virusvarianten, die jedes der beiden Moleküle missbrauchen können (die beiden vermitteln der Zelle üblicherweise Signale von speziellen Botenstoffen, den Che­ mokinen).

Anwendung bei Krebs

Neuerdings sind Medikamente entwickelt worden, die CCR5 blockieren. Einer dieser so genannten Korezeptorblocker ist seit dem Herbst 2007 auf dem Markt. Doch auch hier steht dem Virus ein Weg in die Resistenz of­ fen: Sein Hüllprotein, das an CD4 und den Korezeptor andockt, verändert sich in einer Weise, dass es entweder sich in etwas anderer Form an CCR5 heftet oder stattdessen CXCR4 als Korezeptor vorzieht. Vor allem bei fortgeschrittenem Krankheitsverlauf treten der­artige X4-Viren im Patienten auf. In diesen Fällen bliebe eine Therapie mit den CCR5Korezeptorblockern wirkungslos. Daher ist vor ihrer geplanten Verabreichung ein Test auf X4Viren vorgeschrieben. Wir haben eine bio­ informatische Variante dieses Tests entwickelt, die auf der Sequenz des Virusgenoms basiert und inzwischen vielfach verwendet wird. All unsere Verfahren sind im Internet unter www. geno2pheno.de frei zugänglich und werden bei der Krankenversorgung bereits genutzt. Unsere statistischen Modelle beruhen aller­ dings auf einer wesentlichen Annahme, die das Problem unzulässig vereinfacht. Wir sind bisher davon ausgegangen, dass im Patienten eine einzige virale Variante vorherrscht. Dem ist aber nicht so. Im Patienten werden außer­ ordentlich viele Viruspartikel gebildet und wieder vernichtet. Zu Beginn der Infektion sind es Millionen bis Milliarden täglich – und die sind wegen der häufigen »Tippfehler« beim Umkopieren des viralen RNA-Genoms in DNA nicht alle gleich. Vielmehr bilden sie eine heterogene Population, eine so genannte Quasispezies. Im Patienten verbirgt sich daher ein Ge­ misch aus nicht resistenten und resistenten Vi­ ren; manche benutzen CCR5, andere CXCR4. SPEKTRUM DER WISSENSCHAFT · August 2009

Traditionelle Methoden erfassten immer nur das Erbgut der dominierenden – häufig vor­ kommenden – Varianten. Manchmal spielen aber auch selten auftretende Formen eine Rol­ le. Falls diese Minoritäten hoch resistent sind, können gerade sie sich mit der Zeit durchset­ zen und eine Therapie wirkungslos machen. Seit kurzer Zeit gibt es neue Messmetho­ den, die praktisch die gesamte Quasispezies – also alle im Patienten vorhandenen gene­ tischen Varianten – zu erfassen vermögen. So haben wir in einer Untersuchung zum Ko­ rezeptorgebrauch bei einem Patienten den re­ levanten Genomabschnitt von über 12 500 Viren erfasst und dabei über 1000 Varianten vorgefunden. Wir entwickeln nun unsere sta­ tistischen Methoden so weiter, dass sie die ­gesamte Quasispezies berücksichtigen und nicht nur den dominanten Virenstamm. Da­ von erwarten wir uns deutlich genauere Vor­ hersagen. Obwohl die Verfahren wichtige ­Faktoren noch nicht berücksichtigen – zum Beispiel das Immunsystem des jeweiligen Pa­ tienten –, verbessern sie bereits jetzt die kli­ nische Versorgung der Betroffenen. Die hier beschriebenen Methoden lassen sich im Prinzip überall dort einsetzen, wo es klinisch relevante evolutionäre Prozesse gibt sowie Daten darüber, wie diese Prozesse ab­ laufen. Konkret möchten wir in den nächsten Jahren unsere Methoden auf die Krankheiten Hepatitis C und Hepatitis B anwenden. Aber auch bei Krebs gibt es Einsatzmöglichkeiten. Der Verlauf von Krebs ist oftmals mit einem fortschreitenden Zerfall des Genoms der Tumorzelle verbunden: Teile von Chro­ mosomen gehen verloren oder werden verviel­ facht, ganze Chromosomen verschwinden oder erscheinen in Überzahl. Dadurch ver­ wandelt sich eine gesunde Zelle, die gemein­ sam mit anderen im jeweiligen Organ ihre vielfältigen Aufgaben erfüllt, in eine Krebszel­ le, die allein auf Vermehrung und Metastasie­ rung spezialisiert ist. Diese Veränderung des Zellgenoms wäh­ rend des Tumorwachstums entspricht im Prinzip der Flucht des HI-Virus in die Resis­ tenz. Mit unseren Methoden können wir an­ hand des vorliegenden degenerierten Zellge­ noms den Zustand des Tumors genauer erfas­ sen, als es bisher möglich war. Das bietet zwar noch keinen Ansatz zu einer neuen Therapie, aber der Arzt kann nun besser entscheiden, ob aggressive Therapieansätze noch fruchten oder ob man lieber palliativ – schmerzlindernd – vorgehen sollte. Da Krebs vor allem in spä­ teren Stadien vielfach übertherapiert wird, ist dies ein nützlicher Beitrag zum besseren Res­ sourceneinsatz und zum Schutz des Patienten vor unnötigem Leiden. l

Thomas Lengauer (links) promovierte 1976 an der Freien Universität Berlin in Mathematik sowie 1979 an der Stanford University (US-Bundesstaat Kalifornien) in Informatik. Von 1979 bis 1981 war er bei den Bell Laboratories in Murray Hill (New Jersey) beschäftigt. Er ist seit 2001 Direktor der Arbeitsgruppe »Computational Biology and Applied Algorithmics« des Max-Planck-Instituts für Informatik in Saarbrücken. Rolf Kaiser promovierte 1990 in Bonn in Biologie und gehört seit 1999 dem Institut für Virologie der Universität Köln sowie dem Vorstand der Gesellschaft für nachhaltige Forschung (Genafor) an.

Beerenwinkel, N. et al.: Computational Methods for the Design of Effective Therapies against Drug Resistant HIV Strains. In: Bioinformatics 21(21), S. 3943 – 3950, 2005. Lengauer, T., Sing, T.: Bioinformatics-Assisted Anti-HIV Therapy. In: Nature Reviews Microbiology 4(10), S. 790 – 797, 2006. Lengauer, T. et al.: Bioinformatics Prediction of HIV Coreceptor Usage. In: Nature Biotechnology 25(12), S. 1407 – 1410, 2007. Rahnenführer, J. et al.: Estimating Cancer Survival and Clinical Outcome Based on Genetic Tumor Progression Scores. In: Bioinformatics 21(10), S. 2438 – 2446, 2005.

Weblinks zu diesem Thema finden Sie unter www.spektrum.de/ artikel/999553.

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MATHEMATISCHE UNTERHALTUNGEN Vierdimensionale Geometrie

Das Elfzell In vier Dimensionen können Dreiecke in ungeahnter Weise ineinander verschlungen sein. Von Christoph Pöppe

D

E

Alle folgenden Bilder des Artikels: Carlo H. Séquin, EECS, UC Berkeley

a

E F C

F

B

A E

D

Ein halbes Ikosaeder wird zu einem geschlos­ senen Körper, wenn man einander gegen­ überliegende Ecken und Kanten der Schnitt­ fläche identifiziert: Man bringe Punkt D oben auf Punkt D unten, E auf E und so weiter.

tonischen Körpern im gewöhnlichen dreidimensionalen Raum kann es mehr nicht geben. Der Beweis ist auch in vier Dimensionen nicht besonders schwer; allerdings wird das räumliche Vorstel­ lungsvermögen etwas stärker strapaziert. Damit schien für die nächsten reich­ lich 100 Jahre das Thema »regelmäßige Körper in vier Dimensionen« erledigt. Aber da der IR4 so unübersichtlich ist, konnte eine spezielle Sehenswürdigkeit den Augen der (dreidimensionalen) Welt erstaunlich lange verborgen bleiben. Der amerikanische Geometer Branko Grün­

Christoph Pöppe

s ist nicht ganz einfach, sich im vier­ dimensionalen Raum IR4 zurechtzu­ finden (Spektrum der Wissenschaft 11/ 2004, S. 101, und 12/2004, S. 106). Dass man sich von jedem Punkt aus in vier zu­ einander senkrechte Richtungen fortbe­ wegen kann, irritiert vor allem uns drei­ dimensionale Erdlinge. Zu behaupten, unsereins könnte von geometrischen Kör­pern in dieser sehr geräumigen Welt eine klare Vorstellung bekommen, wäre vermessen. Acht Würfel liegen Fläche an Fläche aneinander, so dass keine Fläche allein bleibt? In vier Dimensionen ist das kein Problem. Die acht Würfel sind so et­ was wie die Grenzflächen des vierdimen­ sionalen Gegenstücks zum Würfel; da sie aber selbst dreidimensional sind, nennt man sie nicht Flächen, sondern Zellen. Es gibt im vierdimensionalen Raum sechs solcher platonischen Körper: Ge­ bilde, deren Grenzzellen lauter gleiche dreidimensionale platonische Körper sind, von denen sich in jeder Ecke gleich viele in der gleichen Weise treffen. Diese »regulären Polytope« sind begrenzt von fünf Tetraedern beziehungsweise acht Würfeln, 16 Tetraedern, 24 Oktaedern, 120 Dodekaedern und 600 Tetraedern. Der Schweizer Geometer Ludwig Schläfli (1814 – 1895) hat sie Mitte des 19. Jahrhunderts alle entdeckt und be­ schrieben. Ähnlich wie bei den fünf pla­

baum, bekannt für sein monumentales Werk (gemeinsam mit G. C. Shephard) »Tilings and Patterns« über Pflasterun­ gen der Ebene, hat sie 1977 entdeckt. Sie erregte zunächst kein besonderes Auf­sehen; so konnte fünf Jahre später unabhängig von ihm Harold Scott Mac­ Donald Coxeter (1907 – 2003), der Groß­ meister der Geometrie des 20. Jahrhun­ derts, sie aufs Neue entdecken und noch genauer analysieren. Der Körper, von dem die Rede ist, besteht aus Zellen, die aus lauter gleich­ seitigen Dreiecken bestehen, die ihrer­ seits jeder Ecke zu fünft anliegen, wie in einem gewöhnlichen Ikosaeder (Drei­ ecks-Zwanzigflächner). Das klingt ja noch ganz platonisch; aber eine Zelle wird nicht von 20 Dreiecken begrenzt, sondern nur von zehn, und insgesamt handelt es sich um elf Zellen. Eine Primzahl! Das klingt zunächst ziemlich unglaublich. Denn das Bedeu­ tendste an platonischen Körpern jeder Dimension ist ihre Symmetrie. In drei Dimensionen gibt es zahlreiche Ebenen, die einen platonischen Körper in zwei spiegelbildlich gleiche Hälften teilen, oder Drehungen um zum Beispiel eine fünf­ zählige Achse, die den Körper unverän­ dert lassen. Daraus folgt, dass die Anzahl der Eckpunkte ein Vielfaches von 2 bezie­ hungsweise 5 sein muss, es sei denn, Eck­ punkte lägen auf der Spiegelungsebene beziehungsweise der Drehachse selbst. Da

b

Ein Halb-Ikosaeder, aus einem Oktaeder ge­ fertigt von Carlo Séquin und Jaron Lanier (a: flächiges Modell; b: Kantenmodell). Das Ok­ taeder ist etwas deformiert, damit die drei Kanten, die eigentlich alle durch den Mittel­ punkt verlaufen würden, säuberlich vonei­ nander getrennt sind. Die Konstruktion des Elfzells beginnt damit, dass zwei Halb-Iko­ saeder in Oktaedergestalt an je einem ihrer äußeren Dreiecke zusammengeklebt werden (c). Die Bilder d und e zeigen die nächsten beiden Montageschritte.

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SPEKTRUM DER WISSENSCHAFT · AUGUST 2009

MEnsch & Geist es viele derartige Symmetrien gibt, liegt es nahe, dass die Anzahl der Ecken, Kanten oder Flächen eines platonischen Körpers viele Teiler hat. Das ist in vier Dimensi­ onen nicht anders; nur dreht man hier um ganze Ebenen und spiegelt an ganzen dreidimensionalen Teilräumen. Dass der kleinste vierdimensionale platonische Körper fünf Zellen hat, passt nicht ganz in dieses Bild, ist aber einfach zu erklären. Man nehme die n + 1 Ein­ heitsvektoren im (n + 1)-dimensionalen Raum. Deren Endpunkte liegen sämt­ lich in einem n-dimensionalen Unter­ raum und haben alle die gleiche Entfer­ nung voneinander, nämlich √2. Also bleibt ihnen gar nichts anderes übrig, als sich zu einem platonischen Körper in n Dimensionen zu fügen, dem so genann­ ten n-dimensionalen Simplex mit n + 1 Ecken und n + 1 Seiten, das heißt (n  – 1)dimensionalen Begrenzungskörpern. So kommt der vierdimensionale Raum zu seinem fünfeckigen Fünfzell.

Ikosaeder zweiteilen und Wunden vernähen

Aber was hat man sich unter einem Elf­ zell vorzustellen? Platonisch ist es nicht. Die entscheidende Eigenschaft, die ihm fehlt – und die selten ausdrücklich er­ wähnt wird –, ist die Konvexität. Die Seitenflächen seiner Zellen durchdringen einander, und das tun auch die Zellen selbst, in einer merkwürdigen Weise, die das Vorstellungsvermögen eines Erdlings hoffnungslos überfordert. Jede der elf gleichen Zellen des Elf­ zells wird üblicherweise als »Halb-Ikosa­ eder« beschrieben. Man stelle ein ge­ wöhnliches Ikosaeder auf eine seiner 20 Dreiecksflächen, zerlege es entlang der annähernd horizontal verlaufenden, za­ c

SPEKTRUM DER WISSENSCHAFT · AUGUST 2009 

ckigen Mittellinie in zwei Hälften zu je zehn Dreiecken und füge diejenigen Ecken und Kanten der Schnittlinie zu­ sammen, die einander genau gegenüber­ liegen (Bild S. 68 oben). Dann liegen wieder jeder Kante zwei Dreiecke an und jeder Ecke deren fünf. Aber ansonsten muss ein Halb-Ikosaeder ein unglaublich verkrumpeltes Gebilde sein. Es ist un­ vorstellbar, wie bei diesem brutalen Zu­ sammennähen der Wundränder (»Iden­ tifizieren«) die Dreiecke gleichseitig blei­ ben sollen. Zu allem Überfluss müssen sie sich gegenseitig durchdringen, und d

Projektion des Elfzells in den dreidimensio­ nalen Raum, nach Carlo Séquin und Jaron La­ nier. Die Dreiecke, die zum Elfzell gehören, sind dadurch gekennzeichnet, dass alle drei Kanten die gleiche Farbe tragen.

hinterher weiß man nicht mehr, wo au­ ßen und innen ist. Es gibt ein ähnliches Verfahren eine Dimension niedriger. Ein Möbiusband entsteht, wenn man die rechte und die linke Seite eines Rechtecks miteinander identifiziert, und zwar unter Vertauschung e

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UNTERHALTUNGEN MATHEMATISCHE

Wie verteilt man elf Punkte im Raum so, dass jeder mit jedem verbunden ist, nicht allzu viele Verbindungskanten sich in einem Punkt treffen (was man mit einem Eckpunkt ver­ wechseln könnte) und die ganze Anordnung der Schönheit zuliebe einigermaßen regel­ mäßig ist? Man nehme zum Beispiel zwei parallele Fünfecke und einen zusätzlichen Punkt genau in der Mitte zwischen ihnen …

… oder stapele zwei Oktaeder aufeinander und nehme zu deren neun Eckpunkten noch die beiden Mittelpunkte hinzu (links). Ein Würfel zusammen mit dessen Mittelpunkt und zwei weiteren Hilfspunkten außerhalb (rechts) ergibt eine vierzählig-symmetrische Anordnung von elf Punkten – ein bisschen deformiert, damit die gelben Kanten nicht auch noch durch den Mittelpunkt verlaufen.

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von oben und unten. Bereits dadurch wird es unmöglich, zwischen Vorderund Rückseite des Bands zu unterschei­ den. Manche Leute treiben das Spiel noch wei­ter und identifizieren Oberund Unterseite des Rechtecks miteinan­ der, mit oder ohne Vertauschung von rechts und links. Topologisch ist immer noch alles in bes­ter Ordnung. Eine Ameise, die über den rech­ten Rand des Rechtecks hinausläuft, kommt über den linken Rand wieder herein, allerdings auf der Rückseite; Ähnliches geschieht beim Wandern über den oberen oder unteren Rand. Nur ist es aber­mals unmöglich, dieses doppelt verklebte Band, und sei es dehnbar wie Gum­mi, irgendwie im drei­ dimensionalen Raum unterzubringen. Für manche Zwecke ist das allerdings auch nicht dringend erforderlich. Eine andere Beobachtung kann dem Vorstellungsvermögen aufhelfen. Das Halb-Ikosaeder hat genau sechs Ecken, deren jede mit jeder durch eine Kante verbunden ist. Das entspricht genau dem fünfdimensionalen Simplex. Im IR5 hätte das Halb-Ikosaeder also eine ganz or­ dentliche Existenz. Leider hat der fünf­ dimensionale Simplex nicht nur zehn, sondern 20 Dreiecke; von ihnen muss man also jedes zweite weglassen. Für Erdlinge wie mich ist eine andere Veranschaulichung einleuchtender. Man nehme ein Oktaeder, den platonischen Körper aus acht Dreiecken. Es ist hilf­

reich, ihn sich als (vierseitige) Pyramide mitsamt ihrem Spiegelbild – der Boden spiegelt – vorzustellen. Von dessen acht Seitenflächen lasse man jede zweite weg, so dass jede Kante nur noch an genau ein Dreieck grenzt. Dabei kommt zum Vor­ schein, dass das Oktaeder nicht nur eine quadratische »Bodenplatte« hat, sondern zwei weitere Quadrate das Oktaeder in zwei Hälften teilen: in eine rechte und eine linke einerseits, eine vordere und eine hintere andererseits. Diese drei Qua­ drate plus die vier verbleibenden Dreiecke bilden eins der berüchtigten »uniformen Polyeder«: Diese Körper bestehen aus lau­ ter regelmäßigen Vielecken, aber es sind nicht unbedingt alle von einer Sorte, und die Seitenflächen dürfen sich durchdrin­ gen. Auch dieses Polyeder ist nicht orien­ tierbar, das heißt es gibt keine klare Tren­ nung in Innen- und Außenseite. Für unsere Zwecke müssen wir noch jedes der drei Quadrate entlang einer Di­ agonalen in zwei Hälften zerlegen, und zwar so, dass von den drei Schnittlinien keine zwei aufeinanderfallen. Dann hat unser Körper wieder sechs Eckpunkte, die jeder mit jedem verbunden sind, und zehn Dreiecke mit Selbstdurchdringung und Orientierungslosigkeit, mit anderen Worten: Es ist ein Halb-Ikosaeder (Bil­ der S. 68 unten). Nun soll aus elf dieser Bausteine der komplette Körper entstehen, was noch etwas schwerer vorzustellen ist. Das mo­

SPEKTRUM DER WISSENSCHAFT · AUGUST 2009

mensch & geist

Möglichst kugelsymmetrische Anordnungen von elf Punkten im Raum. Links kleines Tetraeder und großes Oktaeder plus Mittel­ punkt, in der Mitte dieselbe Anordnung mit allen Kanten, rechts Tetraeder und Oktaeder mit den Eckpunkten auf einer gemeinsamen Kugelschale

tivierte Carlo Séquin und Jaron Lanier von der University of California in Berke­ ley, die Sache mit den Mitteln der mo­ dernen Computergrafik anzugehen. Und siehe da, das Elfzell, das auch nach seiner Entdeckung ein Mauerblümchendasein fristete, genießt auf einmal verbreitetes Interesse.

Ein Elfzell zusammenkleben

Die Konstruktion funktioniert wie das gewöhnliche Basteln. Wer ein Ikosaeder zusammenbauen will, klebt zuerst zwei Dreiecke Kante an Kante aneinander, dann ein drittes, viertes und fünftes an ei­ nen gemeinsamen Eckpunkt. Damit man das fünfte Dreieck an die freie Kante des ersten ankleben kann, muss man die Klebkanten etwas knicken und dabei alle Dreiecke bis auf höchstens eines aus der Tischebene hinausheben. Weiter klebt man, bis alle Kanten abgesättigt sind. Im Vierdimensionalen ist nicht ent­ lang von Kanten, sondern von ganzen Flächen zu kleben. Also ist es eine gute Idee, zwei Oktaeder, die zu Halb-Ikosa­ edern umfunktioniert wurden, mit zwei äußeren Dreiecksflächen aneinanderzu­ kleben (Bild S. 69 unten, c). Das funk­ tioniert auch eine Weile; dann aber kommt der Moment, wo man das eine Bauteil gegenüber dem anderen um die Kleb-Ebene verdrehen muss, damit der Körper sich schließt. Obendrein müssen ja auch die Seitenflächen, die in dem Oktaedermodell halbe Quadrate im In­ SPEKTRUM DER WISSENSCHAFT · AUGUST 2009 

neren sind, mit analogen Seitenflächen weiterer Halb-Ikosaeder zusammenge­ klebt werden. In der Realität funktio­ niert das sowieso nicht, und im Compu­ termodell füllt sich das Bild so rasch mit Kanten, dass alsbald kaum noch etwas Erhellendes zu sehen ist (Bilder d und e). Séquin und Lanier gingen daraufhin von ihrem Bottom-up-Verfahren zu einem Top-down-Ansatz über. Wenn man sorg­ fältig nachzählt, ergibt sich, dass das Elf­ zell nicht nur elf Seiten, sondern auch elf Eckpunkte hat, die abermals jeder mit je­ dem durch eine Kante verbunden sind. Wenn wir also bis in den zehndimensio­ nalen Raum aufsteigen, lösen sich alle Selbstdurchdringungen in Wohlgefallen auf. Denn der zehndimensionale Simplex hat genauso viele Punkte und Kanten, wie wir brauchen, und zwar gänzlich ohne Selbstdurchdringung. Von den 165 Dreiecken des zehndimensionalen Sim­ plex verwendet das Elfzell allerdings nur jedes dritte, das sind 55 Stück. Es genügt also, elf Punkte möglichst anmutig im dreidimensionalen Raum zu verteilen und jeden mit jedem durch eine Kante zu verbinden. Farbbalken an den Kanten zeigen dann an, wie sie sich zu den 55 ausgewählten Dreiecken ver­ binden. »Möglichst anmutig« heißt zunächst »möglichst symmetrisch«. Allerdings kann es erforderlich sein, die Symmetrie ein bisschen zu stören, damit nicht Kanten aufeinanderfallen, die nichts miteinander zu tun haben. Séquin und Lanier haben zum Beispiel drei Dreiecke in gebüh­ rendem Abstand aufeinandergestapelt und die beiden restlichen Punkte auf die Achse gesetzt, welche die Mittelpunkte der Dreiecke verbindet. Dasselbe Verfah­ ren gelingt auch mit zwei Quadraten und drei Restpunkten oder zwei Fünfecken und einem Restpunkt und liefert drei-,

vier- und fünfzählig-symmetrische An­ ordnungen (Bilder S. 70). Schöner wird es allerdings, wenn es keine dominierende Achse gibt, sondern die Eckpunkte möglichst gleichmäßig auf der Oberfläche einer oder mehrerer Kugeln verteilt sind. Hier bietet es sich an, die sechs Ecken eines Oktaeders, die vier Ecken eines Tetraeders sowie den ge­ meinsamen Mittelpunkt beider Körper zu verwenden. Dabei kann man sich noch aussuchen, ob das Tetraeder größer oder kleiner sein soll als das Oktaeder oder ob beider Eckpunkte auf einer ge­ meinsamen Kugelschale liegen sollen (Bilder oben). Mit einer kleinen Deformation er­ gibt sich schließlich das Bild des Elfzells, mit dem Séquin und Lanier das Vorstel­ lungsvermögen ihrer Kollegen so mäch­ tig befördert haben (Bild S. 69 oben). Das Elfzell ist übrigens fast einzigartig. Es gibt noch das von Coxeter entdeckte 57-Zell aus 57 halben Dodekaedern. Wei­ te­re Strukturen dieser Art können nicht existieren, wie Dimitri Leemans von der Université Libre de Bruxelles und Egon Schulte von der Northeastern University in Boston (Massachusetts) bewiesen haben. Das 57-Zell hat allerdings noch nie­ mand zu visualisieren versucht. Christoph Pöppe ist Redakteur bei »Spektrum der Wissenschaft«. Coxeter, H. S. M.: Ten Toroids and Fifty-Seven Hemi-Dodecahedra. In: Geometriae Dedicata 13, S. 87 – 99, 1982. Coxeter, H. S. M.: A Symmetrical Arrangement of Eleven Hemi-Icosahedra. In: Annals of Discrete Mathematics 20, S. 103 – 114, 1984. Weblinks zu diesem Thema finden Sie unter www. spektrum.de/artikel/999559.

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ESSAY: Philosophie

Philosophieren in der Krise Die Unsicherheit ist groß, zumal in der Wirtschaftskrise. Naturwissenschaft häuft immer neue Entdeckungen an, auch die wollen interpretiert werden. Wer kann uns Wege durch schwierige Zeiten weisen? Wir fragten den Philosophen Carl Friedrich Gethmann.

Wie jede Grund­ lagenforschung ist Philosophie ein Erkenntnis­luxus

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Spektrum der Wissenschaft: Herr Professor Gethmann, wir leben in einer Zeit der Krise. Die Medien bombardieren uns mit Nachrich­ ten von Firmenzusammenbrüchen, Skanda­ len, Amokläufen, drohenden Pandemien, wi­ dersprüchlichen Folgen des Klimawandels. Wir brauchen Orientierung. Was kann uns da die Philosophie bieten? Prof. Carl Friedrich Gethmann: Der Mensch ist das Wesen, das immer in der Krise lebt. Friedrich Nietzsche nennt ihn »das nicht fest­ gestellte Tier«. Darum besteht unablässig Ori­ entierungsbedarf. In der Regel gelingt es, das Krisenbewusstsein zu verdrängen. Die aktuelle Wirtschaftskrise findet derzeit vor allem in den Nachrichten statt, wird aber von den meisten kaum konkret am eigenen Leib erfahren. Die Leute ändern ihr Konsumverhalten nicht – eher wird sogar mehr konsumiert als vor ein, zwei Jahren. Jeder sagt: Ja, wir lesen und hören von einer Finanzkrise, aber ich kann nichts da­ gegen tun, also lebe ich weiter, als wäre nichts. Spektrum: Zugleich steigt das Sicherheitsbe­ dürfnis, etwa wegen Terrordrohungen und Amokläufen, und damit werden Einschrän­ kun­gen von Freiheitsrechten hingenommen. Wie verändert das die Gesellschaft?

Gethmann: Derzeit wird anscheinend eine breite Überwachung der Privatsphäre allge­ mein akzeptiert. Aber ich behaupte, das ist eine Momentaufnahme. Wenn zwölf Monate Ruhe einkehrt, wächst wieder das Bedürfnis nach Intimität und Schutz der Privatsphäre. Die Politiker sollten nicht sofort auf momen­ tane Eindrücke reagieren – wie ja auch nach einer schrecklichen Mordaktion nicht gleich der Bundestag zusammentritt und die Todes­ strafe einführt. Zum Glück sind in unser poli­ tisches Handeln Verzögerungsinstrumente ein­ gebaut, denn gerade in Deutschland haben wir mit Machtmissbrauch historisch gesehen dras­ tische Erfahrungen gemacht. Darum gibt es die drei Entscheidungsebe­ nen Kommune, Land, Bund, und in den ge­ setzgebenden Körperschaften finden in der Regel drei Lesungen statt, damit nicht nur aus Eindrücken heraus reagiert wird. Politiker wollen wiedergewählt werden und haben ei­ nen natürlichen Hang zum Populismus. Sie schielen auf Umfragen, aber die sind immer Momentaufnahmen. Verlangsamung ist ein gutes Rezept, um die Rationalität von kollek­ tiven Entscheidungen zu erhöhen. Spektrum: Der Philosoph als Antipopulist? SPEKTRUM DER WISSENSCHAFT · August 2009

Mensch & geist

alle Fotos des Artikels: Johannes Wütscher, Heidelberg

Gethmann: Ich meine das nicht in dem über­ heblichen Sinn, in dem der antike Philosoph Platon über die hoi polloi spricht … Spektrum: … »die vielen« … Gethmann: … die immer im Reich der Schat­ ten verharren, und nur wenige schaffen es, zum Licht der Wahrheit durchzudringen. Ge­ gen seinen Lehrer Platon hat schon Aristoteles ganz zu Recht protestiert: Wahrheitserkenntnis kann nicht einer Elite vorbehalten sein. Aber der aristotelische Gedanke der Verallgemein­ erbarkeit kann natürlich nicht durch eine per Umfragen ermittelte Mehrheit realisiert wer­ den. Politische Allgemeinheit und durch Wis­ senschaft gesicherte Verallgemeinerbarkeit sind grundverschieden. In sehr entlegenen Berei­ chen der mathematischen Naturwissenschaf­ ten gibt es auf der Welt oft nur zwei, drei Per­ sonen, die ein bestimmtes Theoriesegment ­beherrschen. Im Gedanken der wissenschaft­ lichen Wahrheit vereinen wir höchste Spezia­ lisierung – etwas Elitäres – mit dem An­ spruch, sie müsse verallgemeinerbar sein: Grundsätzlich muss jedes mittelmäßig gebil­ dete intelligente Wesen, wenn es nur Zeit und Energie aufwendet, alles nachvollziehen kön­ nen. Das ist der aristotelische Anspruch. So SPEKTRUM DER WISSENSCHAFT · August 2009

Carl Friedrich Gethmann ist Direktor der Europäischen Akademie zur Erforschung von Folgen wissenschaftlich-­ technischer Entwicklungen in Bad Neuenahr-Ahrweiler sowie Professor für Philosophie an der Universität Duisburg-Essen. Er studierte in Bonn, Innsbruck und Bochum, wo er mit einer Arbeit über Martin Heidegger promovierte. Gethmann ist unter anderem Mitherausgeber der Enzyklopädie »Philosophie und Wissenschaftstheorie«. Zu seinen Forschungsschwerpunkten zählen Praktische Philosophie und Technikfolgenbeurteilung.

würde ich es auch für die Politik sagen: Letzt­ lich müssen politische Entscheidungen verall­ gemeinerbar sein. Hier gehe ich mit Aristo­ teles und Kant von einer Gleichrangigkeit von theoretischer und praktischer Vernunft aus. Spektrum: Der Philosoph dient als Ratgeber? Gethmann: Ja. Nicht er entscheidet, sondern das Gemeinwesen – in dessen institutioneller Form, ob als Volksversammlung, Parlament oder auch als Tyrann. Den Philosophen räumt man Privilegien an Zeit und Energie ein, da­ mit sie sich mit bestimmten Fragen besonders ausgiebig und intensiv befassen. Sie werden immer eine kleine Gruppe bilden, und es ist ein Zeichen des Reichtums oder der Kulti­ viertheit einer Gesellschaft, dass sie sich solche Leute leistet. Das gilt im Grunde für jede avancierte Wissenschaft. Auch Astronomen, theoretische Physiker und Psychologen wer­ den gefragt: Was haben wir unmittelbar da­ von? Wie jede Grundlagenforschung ist die Philosophie ein Erkenntnisluxus. Spektrum: Also keck gefragt: Was haben wir von Philosophie? Gethmann: Sie erforscht die Grundlagen des Wissens und Handelns, die normalerweise so mitlaufen, ohne dass man sich darüber Ge­ 73

ESSAY: Philosophie

Es ist gut, die geschei­ terten Argumente zu ken­ nen, damit man nicht nochmals in die Irre geht

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danken macht. Zum Beispiel: Wie unter­ scheide ich Wissenschaft von Pseudowissen­ schaft? Das untersucht Wissenschaftstheorie. Auf den ersten Blick kann ich nicht erkennen, warum Astronomie richtige Wissenschaft ist und Astrologie nicht; dafür brauche ich Krite­ rien. Oder wissenschaftliche Medizin versus Scharlatanerie. Ähnlich ist es auch in der praktischen Sphäre des Handelns: Welche Ge­ setze erfordern zu Recht Anspruch auf Gehor­ sam, obwohl ich persönlich von diesem oder jenem Gesetz gar nichts halte? Spektrum: Ist die Philosophie hier vor allem Orientierungswissenschaft? Gethmann: Sie macht jedenfalls Vorschläge im Bereich des Wissens und gibt Empfeh­ lungen im Bereich des Handelns. Die Philoso­ phiegeschichte ist der Tresor der schon durch­ probierten Argumente, und wie in der Expe­ rimentalwissenschaft gilt: Die meisten sind gescheitert. Aber es ist gut, die gescheiterten Argumente zu kennen, damit man nicht noch­ mals in die Irre geht. In einer unbekannten Großstadt erleichtert es die Orientierung, wenn man die Sackgassen schon kennt. Wir Philosophen nehmen auf, was uns die Biowis­ senschaften und die Psychologie über die na­ türlichen Bedingungen von Kooperation sa­ gen, und daraus entwickeln wir Vorschläge – meist nicht mit deduktiver Eindeutigkeit; oft muss man mehrere Möglichkeiten abwägen. Am Ende können wir konkrete Vorschläge ma­ chen, so wie unsere Akademie das tut, etwa zu Gesetzesformulierungen: Ja, der Schutz der Tiere soll ins Grundgesetz, aber der Schutz der Kultur nicht. Oder in unserer medizin­ ethischen Studie zur Xenotransplantation sa­ gen wir: Tierorgane zu transplantieren ist zwar eine gute Idee, denn das löst ein Knappheits­ problem – aber wegen des undurchsichtigen horizontalen Virustransfers raten wir ab. Spektrum: Ist die wachsende medizinischbio­logische Verfügbarkeit des Menschen ein philosophisches Thema? Gethmann: Seit wir nicht mehr nur unsere Gliedmaßen kurieren und den Blutkreislauf verbessern, sondern ans Gehirn gehen, gelan­ gen wir an eine Grenze. Auch das Gehirn ist ein Organ, aber auf einer Metaebene; es steu­ ert die anderen Organe. Was wir als Selbst identifizieren, hat sein körperliches Substrat im Gehirn. Wir könnten nun sagen: Wir transplantieren ja alles Mögliche, warum nicht auch Gehirne. Doch das wäre absurd. Dann müsste auch der Personalausweis vom Spender zum Empfänger wandern. Wir hätten nicht jemanden geheilt, sondern einen anderen er­ zeugt. In der Neuromedizin müssen wir ganz andere Grenzen beachten als in der herkömm­ lichen Transplantationsmedizin.

Spektrum: Persönlichkeitsverändernd wirken auch soziale Nervensysteme wie das Internet. Was ist mit dem Problem virtueller Identität, wenn ich mich als Avatar in der Pseudowelt des Second Life herumtreibe? Gethmann: In Second Life steht der Akteur, wie kraftlos und fehlgeleitet auch immer, den­ noch eine Etage darüber. Das hat immer noch den Charakter der Selbstmanipulation. Da gibt es immer noch eine Instanz, an die ich appellieren kann: Reduziere deinen Internetoder Fernsehkonsum. Es gibt aber Eingriffe ins Gehirn durch Drähte, Pharmaka oder Ma­ gnetfelder, die den Akteur als solchen verän­ dern. Er ist nicht mehr er, sondern ein ande­ rer. So würde ich sagen: Nicht mehr erlaubt sind Interventio­nen, welche die erste Person, die Identität des Akteurs verändern. Spektrum: Gut, die Philosophie macht prak­ tische Vorschläge für den Umgang mit mo­ derner Technik. Jetzt umgekehrt gefragt: Was bringt Ihnen als Philosoph die wissenschaft­ lich-technische Entwicklung? Gethmann: Einst war die Wissenschaft ein kontemplatives Unternehmen, doch neuzeit­ liche Wissenschaft verändert den Menschen und seine natürliche Umwelt. Deswegen die große Rolle des Experiments: Es greift in die Naturabläufe ein. Die Begründer Bacon, Ga­ lilei, Newton waren sich einig, es gehe darum, den Menschen von natürlichen und sozialen Zwängen zu befreien. Den Gründern war klar, dass sie nicht nur Naturwissenschaftler sind, sondern auch Natur- und Sozialphilo­ sophen. Wissenschaft und Philosophie unter­ stehen einer gemeinsamen Idee. Wir können als Philosophen nur tragfähige Vorschläge ma­ chen, wenn wir das von den Wissenschaften Erarbeitete berücksichtigen. Heute noch an der Evolutionstheorie vorbei Philosophie des Lebendigen zu betreiben ist aberwitzig; das können sich vielleicht Religionsgemeinschaf­ ten erlauben. Wir sollen uns durchaus kritisch zur Wis­ senschaft verhalten, das fordert sie geradezu heraus, indem sie uns fragt: Was sind denn die Standards des Wissens, können wir heute noch Falsifikationisten sein, kann ich die The­ orie des Urknalls falsifizieren? Aber hinter den Lehrbuchstand des Wissens darf Philosophie nicht zurückfallen. Spektrum: Sehen Sie bei manchen Wissen­ schaftsvisionären gefährliche Omnipotenzfan­ tasien, einen Rausch des Machbaren? Gethmann: Es gibt unter modernen Informa­ tikern, Nanotechnikern und Robotikern so ge­ ­nannte Transhumanisten, faktisch Maschinen­ anbeter. Doch grundsätzlich gilt: Möglich­ keiten zu erzeugen heißt nicht, automatisch von ihnen Gebrauch zu machen. Auch im SPEKTRUM DER WISSENSCHAFT · August 2009

Mensch & geist täglichen Leben tun wir keineswegs alles, was wir können. Wir machen eine Weinprobe, ohne die vorhandenen Hektoliter austrinken zu wollen. Zur Sphäre des Handelns gehört das Unterlassen. Zur Eröffnung einer Hand­ lungsmöglichkeit gehört der Verzicht, sie wahrzunehmen. Spektrum: Das klingt jetzt aber nach mön­ chischer Askese. Gethmann: Philosophie ist kein Askesepro­ gramm. Wir verzichten, wenn eine Hand­ lungsmöglichkeit etwas gefährdet, was wir nicht verlieren möchten. Ich wollte dieses In­ terview gerne machen, also habe ich mich am Vorabend bei der Weinprobe etwas zurück­ gehalten. Ich denke in Abwägungskategorien statt in kategorischen Verzichtskategorien.

Wasser liegt, würde ich ein großes Umsied­ lungsprogramm einleiten, unabhängig von den Klimaprognosen. Spektrum: Aber was ist mit der Vorsorge für kommende Generationen? Gethmann: Ich plädiere dafür, beliebte Slo­ gans genauer zu überprüfen. Was dürfen wir jetzt verbrauchen, damit künftigen Genera­ tionen genug bleibt? Da sollten wir unseren Nachgeborenen einiges zutrauen, zum Bei­ spiel, dass sie das Nahrungsproblem durch Züchtung und Chemie im Prinzip lösen, wie das unseren Vorgängern ja auch gelungen ist. Gewiss sollten wir begrenzte Ressourcen nicht aufzehren, sondern sie in tragbarem Umfang unseren Nachkommen hinterlassen. Kohle und Erdöl sind zu schade, um sie zu verfeu­

Philosophie ist kein Askeseprogramm. Wir verzichten, wenn eine Handlungs­ möglichkeit etwas gefährdet, was wir nicht verlieren möchten Spektrum: Nehmen wir als konkretes Beispiel den Klimawandel. Da ist eine Krise, die durch Nichtstun vielleicht eskaliert. Was empfiehlt der Philosoph? Gethmann: Die Wissenschaftler haben zu klären: Mit welcher Wahrscheinlichkeit wird es um wie viel wärmer? Für große Interventio­ nen – gewaltige Umsiedlungen, den südlichen Pazifik mit Eisen düngen, ein riesiges Sonnen­ segel über der Erde aufspannen – brauchen wir hohe Plausibilität. Einige in die Alltags­ rhetorik übergegangene Dogmen müssen wir doch einmal in Frage stellen. Etwa: Vorsorgen sei immer besser als nachsorgen. Stimmt das? Kein Mensch lebt so, sonst wären wir ja unun­ terbrochen in Vorsorgeuntersuchungen. Jeder folgt einem mehr oder weniger rationalen Ri­ sikoprofil. Das hat generelle Komponenten – als Frau brauche ich mir um Prostatakrebs keine Sorgen zu machen – und individuelle, die mit meinem Lebensstil zusammenhängen. Spektrum: Beim Klimawandel wäre die Al­ ternative: Sollen meine Enkel gut leben oder verprasse ich heute alles, was da ist? Gethmann: Zunächst geht es um die Frage, was dem Vorsorgeprinzip unterworfen werden soll? Wenn ich Ministerpräsident der Nieder­ lande wäre, würde ich nicht die Deiche um ei­ nen Meter erhöhen, weil die Klimaforscher sagen, demnächst steigt der Meeresspiegel. Spektrum: Warum? Gethmann: Weil die Niederländer so routi­ nierte Deichbauer sind, dass sie innerhalb von sechs Monaten ihre Deiche um einen Meter erhöhen, wenn der Wasserspiegel wirklich steigt. Also Nachsorge statt Vorsorge. Wäre ich hingegen Präsident von Bangladesch, das in Teilen ohnehin schon alle fünf Jahre unter SPEKTRUM DER WISSENSCHAFT · August 2009

ern, statt damit Kohlenstoffchemie zu treiben. Da sollten wir uns lieber nach anderen Ener­ giequellen umschauen. Uran zum Beispiel ist zunächst nur Dreck, daraus kann man keinen Kunststoff machen. Also würde ich sagen: Lieber zuerst Uran verkonsumieren an Stelle fossiler Ressourcen. Kernenergie und -fusion müss­ten viel fairer evaluiert werden. Spektrum: Was ist mit der Endlagerung? Gethmann: Das Problem haben wir auch ohne Kern­energie. Infolge medizinisch-tech­ nischer Möglichkeiten, auf die kein Mensch verzichten möchte, müssen wir mittel bis stark strahlenden Müll entsorgen – warum nicht noch ein paar Tonnen mehr durch Kernener­ gie? Fast alle Folgerungen aus dem Klimapro­ blem ergeben sich auch schon aus ressourcen­ ökonomischen Erwägungen. Um den fossilen Tresor zu schonen, brauche ich gar nicht über das Klima nachzudenken. Ich halte es für mo­ ralisch bedenklich, auf Grund von mehr oder weniger wahrscheinlichen Hypothesen sehr stark in die soziale und individuelle Sphäre zu intervenieren, also zum Beispiel für Geoengi­ neering oder ein globales Sonnensegel jeden mit einer Klimasteuer zu belasten. Spektrum: Werden Sie da nicht zum ratio­ nalen Optimisten? Gethmann: Vergessen wir nicht: Es gibt in der Krise nicht nur Verlierer. Das klingt zynisch, aber jetzt kommt eine typische Philosophen­ empfehlung: Es gibt Gewinner und Verlierer des Klimawandels. Kanada und Russland ha­ ben ihre Weizenanbaugrenze in den letzten Jahrzehnten schon um etliche Kilometer nach Norden verlegt; sie werden durch Abschmelzen der Polkappen Zugang zu natürlichen Ressour­ cen haben, an die man bisher wirtschaftlich 75

ESSAY: Philosophie

Gott hat keine Philosophie, sagt Gethmann. Er hat aber auch keine Physik oder Optik. Denn er sieht ja alles.

Das Gespräch führten Michael Springer, freier Redakteur bei »Spektrum der Wissenschaft«, und Chefredakteur Reinhard Breuer.

Weblinks zu diesem Thema finden Sie unter www.spektrum.de/ artikel/999554.

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vertretbar nicht herankam. Warum sagen wir nicht: Wir nehmen die Gewinner in Anspruch, um die Verlierer – Polynesier, Bangladeschis – zu entschädigen? Ich schlage vor: Die Gewin­ ner führen die Hälfte ihres Gewinns an die Weltbank ab, und aus diesem Fundus gewährt man den Verlierern Kompensation. Dann kann Bangladesch die Menschen aus den gefähr­ deten Gebieten umsiedeln und ihnen Grund­ stücke in höher gelegenen Regionen verschaf­ fen, weil die Kanadier auf einmal an mehr Erdöl herankommen. Über diese Möglichkeit wird derzeit öffentlich nicht diskutiert. Spektrum: Das wäre die größte Kriseninter­ vention, die je gestartet wurde. Gethmann: So wie wir ja jetzt auch an die Weltbank Geld abführen, damit im Notfall insolventen Staaten unter die Arme gegriffen wird! Ein insolventer Staat reißt so viel mit, dass es klüger ist, vorsorgend einen solchen Fundus zu schaffen, und genau so stelle ich mir Weltklimapolitik vor. Natürlich sollen wir auch die klimaschädlichen Gase reduzieren – übri­ gens nicht nur CO2 , sondern auch Methan aus der Landwirtschaft; da wagt sich keiner dran, denn da sind die armen Länder mit ihrer Reis­ produktion betroffen. Weltsysteme, die wir für Finanzprobleme als Weltbank und Währungs­ fonds eingerichtet haben, sollten wir zu einem Verteilersystem für Klimaverlierer und -gewin­ ner ausbauen. Dieses modifiziert aber wohlge­ merkt Gewinne, die noch nicht da sind. Wenn wir den Kanadiern sagen: Ihr dürft bohren, aber die Hälfte der Erdölgewinne müsst ihr abgeben, dann wird keinem etwas weggenom­ men, was er schon hat, sondern es wird rei­ chen Kanadiern etwas abgesprochen, was sie demnächst vielleicht bekommen würden. Das ist eine akzeptablere Quälerei als eine Steuer, die jedermann zu Konsumverzicht zwingt.

Spektrum: So steigert die Philosophie ihre Bedeutung: indem sie ihre kontemplative Rol­ le aufgibt und sich in aktuelle Krisen einmischt? Gethmann: Wir liefern nicht Argumente, die besagen: Es muss Philosophie geben. Wenn die Gesellschaft den entsprechenden Bedarf erkennt, sollte sie sich Philosophen halten. Wenn alle schon vernünftig sind und alles pri­ ma läuft, könnte Philosophie sich überflüssig machen. Oder eine Gesellschaft ist so arm, dass sie sich keine Philosophen leisten kann. Spektrum: Sigmund Freud sagt, arbeitsfähig sei der Mensch am besten in einer Atmosphä­ re gemäßigten Leidens. Wenn es einem dre­ ckig geht, ist man arbeitsunfähig. Wenn man ganz glücklich ist, macht man auch nichts. Gethmann: Ja, Gott hat keine Philosophie. Er hat aber auch keine Physik, keine Optik, denn er sieht ja alles. Man beginnt Linsen zu schleifen, wenn man schlecht sieht. Wissen­ schaft ist immer aus einer gewissen Not gebo­ ren. Ein Wesen, das keine Not empfindet, weil es entweder keine hat oder weil es zu dämlich ist, seine Not zu bemerken, wird die nötigen Hilfsmittel nicht entwickeln. Phi­ losophie ist ein Instrument der Notbewäl­ tigung. Spektrum: Insofern ist sie eine Wissenschaft? Gethmann: Sie ist die einzige Wissenschaft, die sich mit Problemen beschäftigt, die jeder hat – die man nicht erst bekommt, wenn man einer Einzelwissenschaft angehört. Ob das Higgs-Teilchen wirklich existiert oder nicht, ist nur für Physiker ein Problem. Wir hinge­ gen fragen: Wie wird man mit Krankheit fer­ tig, wie organisiert man ein Gesundheits­ system, was ist mit dem Dasein angesichts des Todes, wie gehen wir mit dem Klimawandel um, und so fort. Spektrum: Bei manchem Vortrag eines Fach­ philosophen kann man freilich den Eindruck gewinnen, dass Menschen auch gut ohne sei­ ne Detailfragen leben könnten. Gethmann: Dann wird das wohl schlechte Philosophie sein. Im Idealfall hat sie die Auf­ gabe, ständig die Brücke zwischen Lebenswelt und Wissenschaft aufrechtzuerhalten. Spektrum: Und so wird philosophisches Re­ flektieren in der Krise zur Überlebensfrage. Gethmann: Philosophie und Wissenschaft bilden ein schwankendes Floß; da wird falsifi­ ziert, da werden Irrtümer offenbar. Nach zehn Jahren sagt man, das war die falsche Theorie, und das Waldsterben beruhte ja gar nicht auf SO2 , sondern auf Fehlbeforstung und so wei­ ter. Wir sind nicht vor neuen Erkenntnissen geschützt, deshalb schwankt unser Floß. Aber wir haben nichts Festeres. Daran soll uns die Philosophie hin und wieder erinnern. SPEKTRUM DER WISSENSCHAFT · August 2009

Umweltmedizin

Kinder

im Smog

Luftverschmutzung wirkt sich schon im Mutterleib schädlich aus, wie eine Studie in China aufzeigt. Auch wenn die Unterschiede klein sind: Betroffene Kinder entwickeln sich schlechter.

Von Dan Fagin

In Kürze r  Die Molekularepide­mio­ logie sucht nach moleku­ laren Markern, die Hinter­ gründe von Krankheiten aufzeigen. Forscher stellen etwa die Auswirkun­gen von Smog auf die kindliche Entwicklung dar. r  Manche Biologen bewer­ ten den Ansatz skeptisch, denn bisher wurden relativ wenige gute molekulare Marker für ein erhöhtes Erkrankungsrisiko gefunden. r  Nun liefern amerikani­ sche und chinesische For­ scher ein frappantes Beispiel zum vorgeburtlichen Einfluss von Luftverschmutzung: Sie untersuchen Kinder einer chinesischen Stadt, die vor ein paar Jahren deutlich sauberer wurde. r  Bei den vorher geborenen Kindern stellten die Epide­ miologen leichte Entwick­ lungsdefizite fest, die mit smogbedingten genetischen Befunden einhergehen. Die später geborenen Kinder waren von Geburt an im Vorteil.

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E

in paar Schrottberge und ein ros­ti­ ger alter Kohlenschuppen – viel mehr ist von dem Kraftwerk nicht übrig geblieben, das vor ein paar Jahren noch wie ein riesiger Rauch speiender Drache die Luft verpestete. Die Anlage stand inmit­ ten von Tongliang, einer grauen 100 000-Ein­ wohner-Stadt im südlichen Zentralchina. Als wir auf den Schuppen zugehen, verbellt uns wütend ein Schäferhund an einer Eisenkette. In der offenen Tür taucht ein kleines Gesicht mit dunklen Augen auf: ein Mädchen, höchs­ tens sieben Jahre alt, in einem dreckigen Hemd. Es hält eine Katze im Arm, die fort­ springt und sich vor uns unter einer Beton­ platte versteckt. Das Kind wohnt hier offen­ bar. Hinten in dem dunklen Raum bemerken wir einen Mann, der uns beobachtet. Der kommunalen Abordnung, die uns durch das ehemalige Fabrikgelände führt, ist die Situation sichtlich peinlich. Schnell ver­ sucht man uns weiterzulotsen zu einem na­hen Büro, wo uns die Leute das Modell einer Wohnanlage zeigen möchten, die auf dem Grundstück geplant ist. Sie soll 900 nach dor­ tigen Standards hochwertige Wohnungen be­ reitstellen. Doch Frederica Perera lässt sich nicht ablenken. Sie geht auf das Kind zu, lä­ chelt und begrüßt es mit einem freundlichen »Ni hao«. Das Mädchen lächelt zurück, ver­ zieht sich dann aber zu seinem Vater. Der Kinder wegen ist die amerikanische Epidemiologin und Gesundheitswissenschaft­ lerin Perera hier. Sie erforscht, inwiefern man­ che Krankheiten auf Luftverschmutzung zu­ rückgehen. Besonders geht es ihr um lang­ fristige Effekte vorgeburtlicher Einflüsse von Luftschadstoffen. Die Forscherin leitet das

Center for Children’s Environmental Health der Columbia University in New York. Frede­ rica Perera zählt zu den Begründern der mole­ kularen Epidemiologie. Diese Forschungsrich­ tung sucht nach molekularen Anzeichen im Körper für Zusammenhänge von genetischen oder auch Umweltfaktoren mit Krankheiten, um Risiken auszumachen sowie vorbeugende Maßnahmen ergreifen zu können. Diejenigen dieser Wissenschaftler, die sich wie Perera mit Umweltschadstoffen befassen, führen ihre Studien zunehmend auch in Schwellen- und Entwicklungsländern durch. Dort werden schädliche Substanzen vielerorts so umfangreich freigesetzt, dass die Forscher für aussagekräftige Ergebnisse nicht unbe­ dingt riesige Teilnehmerzahlen benöti­gen – denn natürlich sind solche Zusammenhänge sehr komplex, die körperlichen Reaktionen vielschichtig und zudem individuell verschie­ den. Die so gewonnenen medizinischen Ein­ sichten dürften dennoch auch für Regionen wie die USA, Europa oder Japan von Belang sein, wo solche Studien wegen der meist we­ niger krassen Umweltbelastungen viel um­ fangreicher ausfallen müssten. Genauer gesagt suchen diese Gesundheits­ forscher nach biologischen Indikatoren, also irgendwelchen molekularen Indizien – Mar­ kern – im Körper, die in einem statistischen Zusammenhang sowohl mit der Schadstoff­ exposition als auch mit einer Erkrankung be­ ziehungsweise deren Vor- oder Frühstadien auftreten. Dabei kann es sich etwa um Che­ mikalien handeln, die sich an die Erbsubstanz DNA angelagert haben, oder auch um ver­ änderte Genstrukturen oder ungewöhnliche Genaktivitäten, die mit Umweltbelastungen korrelieren. Solche Biomarker lassen sich heut­ zutage mit den modernen molekularen Me­ SPEKTRUM DER WISSENSCHAFT · August 2009

ERDE & UMWELT

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thoden viel leichter nachweisen als noch vor einigen Jahren. Die Idee dahinter: betroffene Personenkreise frühzeitig zu erkennen und ge­ zielt, wenn möglich schon vorbeugend, zu be­ handeln – und natürlich auch die gefährliche Situation zu beheben. Letztlich könnte dieser Ansatz somit sogar Leben retten helfen.

Zündstoff Biomarker

Allerdings sehen manche diese Forschungs­ richtung durchaus noch kritisch. Denn einer­ seits fanden sich, entgegen der anfänglichen Euphorie, bisher nur wenige Biomarker, an­ hand de­rer sich wirklich eine Erkrankungs­ wahrscheinlichkeit vorhersagen lässt. Ande­rer­ seits ist es gar nicht leicht, weitere oft mindes­ tens ebenso gravierende Einflüsse auszuklam­ mern, wie die Ernährung oder die erb­liche Veranlagung. Noch schwerer ist es, herauszu­ finden, wie all solch verschiedenartige Risiken zusammenspielen können. So stellt sich heute in der Molekularepide­ miologie eine gewisse Ernüchterung ein. Als Perera vor über 25 Jahren ihre erste Arbeit auf dem Gebiet veröffentlichte, versprachen sie und ihre Kollegen sich schnellere Fortschritte. Doch die Realität erwies sich als komplexer als gedacht. Zwar kennen Forscher schon ein paar Biomarker – darunter vor allem das Tu­ morsuppressorprotein p53 –, die, falls sie sich verändert haben, Krankheitsvorstufen bezie­ hungsweise ein erhöhtes Erkrankungsrisiko anzeigen. Nur entstehen viele Krankheiten of­ fenbar auf recht verschlungenen Wegen, was nicht selten ganze Kaskaden biochemischer Veränderungen umfasst. Auch Perera räumt ein: »Rückblickend wa­ ren wir anfangs etwas zu optimistisch. Man­ che Versprechen waren übereilt. Es ist doch nicht ganz so einfach wie zunächst erwartet, SPEKTRUM DER WISSENSCHAFT · August 2009

Biomarker zur Früherkennung und als An­ haltspunkt für eine individuell zugeschnittene Behandlung zu verwenden.« Doch nun glaubt die Forscherin, dass sie in der chinesischen Stadt Tongliang den bisher am besten dokumentierten Fall der Umwelt­ epidemiologie vorweisen kann. Tatsächlich können Perera und ihr Mitarbeiter Deliang Tang von der Columbia University für diesen Ort schon einige aufschlussreiche Ergebnisse präsentieren. Mindestens ebenso berichtens­ wert wie diese Daten sind aber die Bemühun­ gen, sie überhaupt zu gewinnen. Perera befasst sich seit 1979 mit Biomar­ kern als Anzeichen von umweltbedingten dro­ henden Erkrankungen. Insbesondere unter­ sucht sie so genannte PAK-DNA-Addukte, polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe, die sich fest an die DNA angelagert haben (Kasten S. 81). Bei der Chinastudie messen die Forscher diese Addukte in den weißen Blutkörperchen von Kindern. Solche Kohlenwasserstoffe gibt es in zahl­ reichen Sorten. Sie entstehen, wenn organische Subs­tanzen unvollständig verbrennen. Sehr oft betrifft das Kohle, gilt aber auch für andere fos­ sile Brennstoffe. Beim Tabakrauchen und beim Grillen bilden sich gleichfalls PAKs. Sie gehö­ ren zu den meistverbreiteten und für die Ge­ sundheit gefährlichsten Luftschadstoffen über­ haupt. (Sie sind, beziehungsweise waren, oft in Plastikprodukten und Klebstoffen enthalten und werden auch über die Haut aufgenom­ men.) Viele dieser Verbindungen gehen feste, so genannte kovalente Bindungen mit der DNA, also dem Erbmaterial ein. Solche Kom­ plexe – Addukte – können die DNA-Verdopp­ lung bei der Zellteilung stören und sich somit unter Umständen auch auf krankheitsför­ dernde oder -unterdrückende Gene auswirken.

Der kleine chinesische Junge mit der Atemmaske lebt in Linfen. Leider wirkt auch schon Luftverschmutzung während der Schwangerschaft schädigend auf den Fötus – mit bleibenden Folgen.

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Umweltmedizin

Was ist Molekular­ epidemiologie? Dieses noch relativ junge Forschungsfeld der Ge­ sundheitswissenschaften verknüpft Ziele der tra­ ditionellen Epidemiologie mit der Suche nach cha­ rakteris­tischen molekularen Merkmalen, die auf Erkran­ kun­gen, Krankheitsdisposi­ tionen oder -risiken hin­ weisen. Die Epidemiologie befasst sich mit der Häufigkeit und Verteilung von Krankheiten aller Art in der Bevölkerung und deren Ursachen etwa durch Umwelt oder Erbgut.

Das Kohlekraftwerk in Tongliang war frü­ her die reinste PAK-Schleuder. Als es im Jahr 2004 geschlossen wurde, verbesserte sich die Luft in der Stadt praktisch über Nacht. Das bietet den Umweltepidemiologen die seltene Gelegenheit, den Gesundheitszustand dersel­ ben Bevölkerungsgruppe mit und ohne eine bestimmte Schadstoffbelastung zu verglei­ chen. Sauber und unbedenklich darf man die Verhältnisse in Tongliang zwar noch lange nicht nennen. Doch zumindest wirbelt nicht mehr jedes Auto dicke schwarze Staubwolken auf. Und weiße Wäsche, die draußen trock­ net, wird nicht mehr binnen Minuten grau. Auch Messungen der amerikanischen For­ scher an verschiedenen Stellen der Stadt bestä­ tigen die Verbesserung. Die Konzentration von Benzo[a]pyren (kurz BaP), einem der wich­ tigsten und gefährlichsten PAKs in der Luft, fiel von 2002 bis 2005 um 30 Prozent, die von anderen PAKs sogar noch stärker. Zusammen mit Tin-yu Li vom Chong­ quing-Kinderkrankenhaus untersuchen Perera und Tang die Folgen für die kleinen Kinder, die im Umkreis von bis zu zwei Kilometern um das Werksgelände leben. Seit 2002 haben die Wissenschaftler bisher 450 Neugeborene erfasst, ihre DNA geprüft und ihre körper­ liche und geistige Entwicklung verfolgt. Das Ergebnis ist erschreckend deutlich: Im Schnitt haben jene Kinder, die im Jahr 2002 zur Welt kamen – als das Kraftwerk noch arbeitete –, einen etwas kleineren Kopf und schneiden in den Entwicklungstests ein wenig schlechter ab

(siehe Kasten unten) als Kinder von 2005, bei deren Geburt es die Dreckschleuder schon seit mindestens einem Jahr nicht mehr gab. Zu­ dem erwies die Analyse der weißen Blutkör­ perchen bei Neugeborenen im Jahr 2002 eine um 40 Prozent höhere Konzentration von BaP-DNA-Addukten als bei den drei Jahre später geborenen Kindern. Bedenklich erscheint an diesen Daten vor allem, dass die Konzentration von BaP-DNAAddukten bei den Neugeborenen von 2002 eng mit dem Kopfumfang und den Entwick­ lungswerten korrelierte. Offenbar bedeutet dies: Je mehr Schaden das Erbgut eines Kin­ des schon im Mutterleib erfährt, desto höher ist auch das Risiko, mit einem kleineren Kopf zur Welt zu kommen und sich später moto­ risch und auch allgemein verzögert zu entwi­ ckeln. Bei den Kindern von 2005 war dieser statis­tische Zusammenhang nicht so ausge­ prägt, was annehmen lässt, dass der Verschmut­ zungsgrad eine Rolle spielt. Perera vermutet außerdem auf Grund ihrer früheren For­ schungen, dass die Kinder von 2005 ein etwas geringeres Krebsrisiko tragen als die von 2002. Nicht nur die Befunde aus China, sondern auch ältere Messungen der Wissenschaftlerin in Polen und in der New Yorker Innenstadt sprechen dafür, dass sich die Adduktmenge in den weißen Blutkörperchen als biologische Messlatte, quasi als Dosimeter, eignet, um die Auswirkungen von PAKs auf die Hirnent­ wicklung im Voraus abzuschätzen. Falls sich dieser Verdacht erhärtet, ließen sich stark ent­

Spätfolgen für die kindliche Entwicklung Die Kinder von Tongliang des Jahrgangs 2002 schneiden in Entwicklungstests insgesamt schlechter ab als die Kinder von 2005. Bis zum Frühjahr 2004 war das dortige Kohlekraftwerk in Betrieb. Als verzögerte Entwicklung bewerteten es die Forscher, wenn beim Geselltest, einem weithin gebräuchlichen Verfahren, ein Wert unter 85 herauskam. Außerdem wiesen die Kinder von 2002 in den weißen Blutkörperchen mehr PAK-DNA-Addukte auf als der spätere Jahrgang. Deren Menge korrelierte bei ihnen stark mit den Entwicklungsdefiziten. Prozent der untersuchten Kinder 100 80 60 40 20

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motorische Entwicklung

Jahrgang 2002 (110 Kinder) normal

verzögert

soziale Entwicklung

Gesamtentwicklung

Jahrgang 2005 (107 Kinder) normal

verzögert

Melissa Thomas

Dan Fagin

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SPEKTRUM DER WISSENSCHAFT · August 2009

ERDE & UMWELT

Schleier aus Asche und Abgasen

Als Perera, Tang und ich frühmorgens in Tong­liang ankommen, erwartet uns ein feiner Regen. Die Hügel zu drei Seiten der Stadt sind verschleiert. Ähnlich dürften sie den Menschen zu Zeiten des Kraftwerks erschie­ nen sein. In dieser Gegend Chinas liefern ei­ gentlich Wasserturbinen die meiste Elektrizi­ tät. Allerdings führt der Jangtse hier erst nach der Schneeschmelze dafür genügend Wasser. Deswegen setzen viele der kleineren Städte während des Winters auf Kohlekraft aus Anla­ gen ohne jede Emissionsvorgaben. Das Werk in Tongliang verfeuerte jedes Jahr von No­ vember bis Mai pro Monat über 4000 Tonnen einer Kohle, die schon wegen ihres hohen Schwefelgehalts unvollständig verbrannte. Der 90 Meter hohe Schornstein spuckte damals große Mengen an PAK-belasteter Asche und Abgasen aus, die sich wie eine Decke über das Tal legten. Das ist jetzt vorbei. Genau einen solchen Ort hatte Perera nach zwei Jahrzehnten Forschung auf dem Gebiet gesucht. Schon Jahre vorher war es ihr gelun­ gen, PAK-DNA-Addukte erstmals in der Lun­ ge von Lungenkrebskranken zu messen (siehe SdW 8/1996, S. 48). Anschließend hatte sie nach solchen Einlagerungen bei Müttern und Kindern gefahndet, die in verschmutzten Ge­ bieten von New York beziehungsweise in der polnischen Industriestadt Krakau lebten. Die Epidemiologin hatte dabei nachgewiesen: Wo Luftverschmutzung herrscht, enthalten die Blut­zellen der Menschen tatsächlich erhöhte Adduktlevel. Sie fand auch heraus, dass deren Menge mit genetischen Mutationen korreliert, die als Risikofaktoren für Krebs und für Ent­ wicklungsstörungen bei Kindern gelten. Auch maß sie bei Kindern aus einer saubereren Um­ welt vergleichweise weniger Addukte und fand weniger verzögertes Wachstum als bei denen aus verschmutzter Umgebung. SPEKTRUM DER WISSENSCHAFT · August 2009

Justin Weinstein

wicklungsgefährdete Kinder frühzeitig erken­ nen und somit von Anfang an gezielt fördern. John D. ­Groopman, Molekularepidemio­ loge an der Johns Hopkins University in Bal­ timore (Maryland), bewertet die Chinastudie sehr hoch. Er meint dazu: »Wer die Aussage­ kraft eines Biomarkers untermauern möchte, muss nachweisen, dass sich ein Unterschied darin auf die Gesundheit auswirkt.« Auch John F. Rosen vom Children’s Hospital at Montefiore in der Bronx, New York, äußert seine Anerkennung. Bewundernd stellt der Experte für Bleivergiftungen, der selbst in China gearbeitet hat, klar: »Wenn man diese Ergebnisse praktisch umsetzt, kommt das auf jeden Fall den chinesischen Kindern zugute und auch allen anderen.« Diese früheren Studien waren allerdings noch nicht sehr umfangreich angelegt. Außer­ dem erschien es denkbar, dass sich die Lebens­ weise der untersuchten Mütter und Kinder aus sauberer beziehungsweise verdreckter Um­ gebung auch sonst in irgendwelchen entschei­ denden Faktoren unterschied, dass somit nicht der Smog, sondern etwas anderes die Befunde verursacht hatte. Nun sollte eine Un­ tersuchung an der gleichen Bevölkerungs­ gruppe in ein- und derselben Stadt diese Un­ sicherheit beheben. Ideal erschien dafür ein anfangs noch stark smogbelasteter Ort, der dann aber während der Studie schlagartig sau­ berer wurde. Ein derartiger Vorher-nachherVergleich versprach stichhaltige Ergebnisse. Wo wäre solch eine Stadt zu finden ge­ wesen, wenn nicht in China mit seinen rie­ sigen Umweltproblemen, und wo die Dikta­ tur Dreckschleudern ohne Weiteres von heute auf morgen zu schließen vermag? Auch gab Deliang Tang dafür den denkbar am besten geeigneten Studienleiter ab. Er stammt aus Schanghai, ist Arzt und hat in Pereras Labor in Gesundheitswissenschaften promoviert. Seitdem forschen beide viel gemeinsam. Für die geplante Studie, bei der Kinder von Ge­ burt an untersucht werden sollten, mussten eine Reihe Ärzte und Krankenschwestern in den Geburtskliniken darin geschult werden, Plazenten und Nabelschnurblut zu sammeln sowie mit den Kindern in bestimmten Alters­ stufen Kognitionstests durchzuführen. Tang oblag es auch, mit den verschiedenen Behör­ den zu verhandeln, von Pekinger Offiziellen bis hin zu Funktionären in der Provinz, damit die Kliniken kooperierten, Laborplatz zur Ver­ fügung stand, Messgeräte für die Luftver­ schmutzung importiert und die Blutproben ausgeführt werden durften – organisatorisch aufwändige und politisch höchst brisante Auf­ gaben.

Frederica P. Perera und Deliang Tang führten in der chinesischen Stadt Tongliang eine maßgebliche Studie über die Folgen von Luftverschmutzung für Kinder durch.

Lexikon PAKs (polyzyklische aroma­ tische Kohlen­wasser­stoffe): ➤  Eine Gruppe gesund­ heitsgefährdender chemi­ scher Substanzen, die bei unvollständiger Verbren­ nung organischer Materi­ alien wie fossiler Brenn­ stoffe oder Holz entstehen. Sie gelangen durch Rauch und Abgase in Luft und Boden (oder beim Grillen und Räuchern in Nah­ rungsmittel), stecken (beziehungsweise steckten früher) in vielen Kunst- und Klebstoffen und werden leicht über die Haut aufge­ nommen. Einer der wichtigs­ ten dieser Stoffe ist Benz­ pyren (Benzo(a)pyren, BaP). PAK-DNA-Addukte: ➤  Wenn sich solche Kohlen­ wasserstoffe fest an die DNA, also ans Erbgut, binden, entstehen Komplexe, welche die Zellteilung nachhaltig stören und so Mutationen auslösen können­.

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Umweltmedizin

Umweltgefahr für den Fötus

menschliche Silhouetten: Melissa Thomas;  Molekülstrukturen: BioGrafx, Ken Eward

PAKs (polyzyklische aroma­ tische Kohlenwasserstoffe) in rauchgeschwängerter Luft

Weitere Forschungspläne r  Die Entwicklung und Gesundheit der Kinder von Tongliang soll möglichst bis zu deren zehntem Lebensjahr weiter beobachtet werden. Auch Atemwegsbe­ schwerden werden erfasst. Neben PAK-DNA-Addukten dienen epigenetische Veränderungen, Blei und Queck­ silber als Marker. r  Untersucht werden soll die individuelle Empfind­ lichkeit dieser Kinder gegenüber Smog auf Grund ihrer genetischen Disposition und ihrer ernährungsphysio­ logischen Besonderheiten. r  Eine Studie mit 1500 Mutter-Kind-Paaren aus China, Polen und den USA soll die Tragweite von Luftver­ schmutzung in der Schwan­ gerschaft aufzeigen, den Effekt verschieden starker Verschmutzung klären sowie mögliche Unterschiede für einzelne ethnische Gruppen ergründen.

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Wie frühere Studien er­ gaben, können PAK-DNAAddukte das Ausmaß von Luftverschmutzung anzeigen. Wenn sich die Kohlenwasserstoffe an die DNA binden, vermag sich das überdies auf wichtige Genfunktionen auszuwirken und so Krankheiten zu fördern. Wie solche Addukte die kindliche Entwicklung beeinträchtigen, ist noch nicht genau erforscht.

Zunächst nahmen die Forscher zwölf Städ­ te in die engere Wahl. Für Tongliang entschie­ den sie sich schließlich, weil das einzige dor­ tige Kohlekraftwerk laut politischer Absicht angeblich bald wegen Ineffizienz geschlossen werden sollte. Günstig für die Studie erschien auch, dass die Stadt außer dem Straßenverkehr nicht viele andere starke Dreckschleudern auf­ wies. Sie besaß keine großen Fabriken, und die Haushalte benutzten nicht länger Holz oder Kohle, sondern Gas. Außerdem würden in den vier großen Kliniken, die bereit waren, an der Studie teilzunehmen, gerade genügend Geburten zusammenkommen, um den statis­ ti­schen Anforderungen der geplanten Erhe­ bung zu genügen. Allein in der ersten Phase sollten 150 Nichtraucherinnen teilnehmen, deren Schwangerschaften noch in die Betriebs­ zeit des Kraftwerks fielen. Doch als Perera und Tang im Frühling 2002 nach Tongliang kamen, um die ersten Schwangeren für das Projekt zu gewinnen, fanden sie völlig ungeklärte Verhältnisse vor. Offenbar schwelte der Konflikt seit Jahren. Die Politiker fürchteten um die Wirtschafts­ kraft des Ortes und überlegten, das Werk ent­ weder doch weiterzufahren oder nur an den Stadtrand zu verlagern. Im Protest gegen sol­ che Beschlüsse hatten es ein paar Mütter sogar gewagt, sich während der Sitzungen draußen vor dem Regierungsgebäude aufzustellen. Mo­ natelang blieb die Lage unklar. Beim abschlie­ ßenden Votum zu Gunsten einer Schließung

1. S  chadstoffexposition Die Schwangere atmet PAKs ein.

PAK-DNAAddukt

2. V  organg an der DNA Ein PAK bindet sich fest an die DNA.

half, dass sich das geplante Forschungsprojekt herumgesprochen hatte. Im Mai 2004 spie der alte Schlot seine letzte Rauchwolke aus.

Beweise trotz vieler Störfaktoren

Im überfüllten Eingangsflur der Entbindungs­ klinik sehen wir drei nervöse werdende Väter, die dicht neben zwei Rauchverbotsschildern an ihren Zigaretten ziehen. Jeder zweite Mann in China raucht viel. Von den unter 25-Jähri­ gen sind es sogar zwei Drittel. Anscheinend haben die Schwestern und Ärzte dieser Klinik längst resigniert. In einem Raum am Ende des Korridors geht es fröhlicher zu. Mittelpunkt ist der klei­ ne Junshan Li. Er gehört zu den 150 im Jahr 2002 geborenen Kindern, die bei der Studie mitmachen. Der Junge wirkt auf uns gesund und lebhaft. Vor einer Woche hat er sich viel­ leicht gerade deswegen auf dem Spielplatz das Schlüsselbein gebrochen. Heute ist er aber nur wegen seines jährlichen Tests hier. Gerade zappelt­er auf einem Stuhl herum und ruft be­ geistert chinesische Zahlen: »ba!« … »san!« … »qi!« Denn die junge Kinderärztin Xu Tan stellt ihm Rechenaufgaben. Sie soll seine geis­ tige und körperliche Entwicklung erfassen. Sie wird auch noch seine Größe und seinen Kopf­ umfang messen und ihn wiegen. Unsere Beobachtungen sind symptoma­ tisch für die Schwierigkeiten, mit denen die molekulare Epidemiologie zu kämpfen hat. Die festgestellten Entwicklungsunterschiede SPEKTRUM DER WISSENSCHAFT · August 2009

ERDE & UMWELT

3. Gefahren für das ungeborene Kind

PAKs könnten in der Plazenta Rezeptoren besetzen und so die Sauerstoff- und Nährstoff­ aufnahme stören. PAK-DNA-Addukte könnten sich auf Stoff­ wechselenzyme oder Hormone auswirken.

?

Die Schadstoffe könnten die Hirnentwicklung beeinträchtigen

4. Folgen für das Kind

Neugeborene sind kleiner. Ihre Entwicklung kann langsamer verlaufen.

zwischen den Geburtsjahrgängen 2002 und 2005 sind nicht groß. Um nachzuweisen, dass sie wirklich hauptsächlich auf die PAK-Ex­ position durch das Kraftwerk während der Schwan­gerschaft zurückgehen, müssen die Forscher andere mögliche schädliche Einflüsse berücksichtigen, zum Beispiel Zigarettenrauch. Deswegen haben sie ausschließlich Nichtrau­ cherinnen mit unproblematischer, risikoarmer Schwangerschaft ausgewählt. Zudem erfassten sie den Bildungsgrad der Frauen, die sons­ tigen Rauchgewohnheiten in der Familie und neben anderen möglichen Faktoren auch wei­ tere PAK-Quellen, etwa von gegrillter Nah­ rung. Zusätzlich bestimmten sie im Blut der Frauen neurotoxische Metalle wie Blei und Quecksilber sowie Antioxidanzien. Nach den statis­tischen Bereinigungen dürfen sie nun ziemlich sicher sein, dass die bei den Kindern der beiden Jahrgänge festgestellten Entwick­ lungsunterschiede und deren Korrelation mit den PAK-Werten hauptsächlich mit der Luft­ verschmutzung in der Stadt zusammenhängen. Diese Unterschiede in der körperlichen und geistigen Reifung zwischen den beiden Ge­ burtsjahrgängen mögen gering erscheinen. Im Schnitt handelt es sich um ein paar Millimeter mehr oder weniger Kopfumfang und Körper­ größe, um ein oder zwei Testpunkte bei Reife­ messungen. Immerhin, so folgert Perera, dürf­ ten viele der 2002 geborenen Kinder wohl ein bisschen langsamer lernen als die Kinder von 2005, somit in der Schule zusätzlicher Förde­ SPEKTRUM DER WISSENSCHAFT · August 2009

rung bedürfen. Auch erwartet sie, dass die Kinder feinmotorisch etwas später heranreifen. Die oft recht kleinen Unterschiede solcher Vergleichsstudien haben in der Forschung zu Biomarkern schon immer viel Kritik erfahren. Das erlebte auch Herbert L. Needleman, der jetzt an der University of Pittsburgh (Pennsyl­ vania) arbeitet. Er suchte in den 1970er und 1980er Jahren als Erster nach Auswirkungen von Blei im Körper. Damals bestimmte er den Bleigehalt in Milchzähnen und fand schließ­ lich einen Zusammenhang mit dem Lernver­ mögen und der Kriminalität. Doch weil die zugehörigen neurologischen Abweichungen schwer fassbar sind und Needleman außerdem nur sehr geringe Bleigehalte nachwies, wehrte sich die Industrie vehement. Der Befund ließ sich aber später reproduzieren. Heute führt man ihn als ein Hauptargument dafür an, Blei aus Benzin und Farben zu verbannen. Ähnlich gilt der Gehalt an Kotinin, dem Hauptabbauprodukt von Nikotin, im Blut, Urin und Speichel bei Nichtrauchern als ein gewichtiger Aspekt beim Schutz vor Passiv­ rauchen. In zahlreichen Forschungs­projekten dient die Kotininbelastung von Schwangeren und Neugeborenen inzwischen als Marker, wenn Forscher den Ursachen einer Reihe von Entwicklungsstörungen bei Kindern nachspü­ ren und Takakrauch verdächtigen. Allerdings bedeutet eine erhöhte Konzen­ tration von Blei, Kotinin oder PAK-DNAAddukten im Blut nicht zwangsläufig, dass

Chinas Luft­ verschmutzung ➤ In China stammen

rund 70 Prozent

der Energie von Kohle.

➤ Nach einer Er­hebung des Black­ smith Institute in New York gehören die chi­ nesischen Städte Linfen und Tianying zu den

zehn am stärksten verschmutzten Orten

der Welt.

➤ Laut Weltgesundheits­ organisation sterben in China jährlich schät­ zungsweise 656 000 Menschen an den Folgen von Luftver­ schmutzung – die höchste Rate der Welt.

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Umweltmedizin das Gehirn oder andere Organe ebenfalls ei­ nen hohen Level aufweisen. Frühere Unter­ suchungen zu solchen Addukten von Perera und einigen ihrer Kollegen deuteten zwar da­ rauf hin, dass der PAK-Befund an den wei­ ßen Blutkörperchen ganz gute Näherungs­ werte etwa für die Lungen- und Gehirn­ belastung ­ergibt. Trotzdem verteilen sich Schadstoffe im Körper normalerweise nicht gleichmäßig. Außerdem reagiert jeder schon physio­logisch auf die gleichen Umwelt­be­ dingun­gen anders. Oft beobachten die Wis­ senschaftler sogar beträchtliche individuelle Schwankungen. Praktischerweise zeigen die DNA-Addukte, anders als nachgewiesenes Blei oder Kotinin, bereits durch ihr Vorhandensein, dass sie etwas angerichtet haben, nämlich dass die DNA an der Stelle verändert ist. Weitergehende genaue Aussagen über Folgewirkungen sind dann aber auch wieder schwierig. Denn wie sich die PAK-Anlagerungen im Einzelnen auf die kind­ liche Entwicklung auswirken können, ist noch längst nicht eindeutig geklärt. Das ist beim Krebs klarer: Addukte können den Kopierpro­ zess der DNA bei der Zellteilung stören, was Mutationen und andere genetische Verände­ rungen bedingt, so dass die Zellen unter Um­ ständen entarten. Ähnlich plausible Theorien wie in der Krebsforschung, worin Perera zuerst über Addukte arbeitete, gibt es in dem Fall für Entwicklungsverzögerungen bei Kindern noch nicht wirklich. Doch die Forscher verfolgen dazu mehrere Thesen. Während sich das junge Gehirn zu­ nehmend an seine Umwelt anpasst, verwirft es gewöhnlich viele zunächst angelegte Ner­ venzellkontakte und überflüssige Nervenzel­ len. Vielleicht beeinflussen die PAKs diesen Prozess auf ungünstige Art, und zwar schon im Mutterleib und auch noch nach der Ge­

burt. Nach einer anderen Vorstellung besetzen die PAKs molekulare Rezeptorstellen in der Plazenta. Dadurch erhielte der Fötus nicht ge­ nügend Sauerstoff und Nährstoffe. Oder die Schadstoffe könnten sich auf Stoffwechsel­ enzyme oder Wachstumshormone auswirken. Manche Fachleute vermuten, dass bei Smog­ schäden viele solche Vorgänge ineinander­ greifen.

Wenn Smog Gene äußerlich verändert

»Auf wie vielerlei Weisen viele der häufigen Krankheiten entstehen, haben wir erst in den letzten zehn Jahren begriffen«, betont der Epi­ demiologe Groopman. Er selbst untersucht, unter anderem auch in China, das Zusam­ menspiel von Aflatoxinen und Hepatitis-BViren im Zusammenhang mit Leberkrebs. Die hochgiftigen und Krebs erregenden Afla­ toxine stammen von Schimmelpilzen. In Ge­ genden wie Afrika und China findet man praktisch allerorten damit verseuchte Nah­ rungsmittel. »Bei diesem Beispiel haben wir es nur mit einem Stoff und nur mit einer spezi­ ellen Infektionskrankheit zu tun, die zudem in Ländern wie China sehr häufig vorkommt«, so Groopman. »Im Fall von PAKs und kind­ licher Entwicklung ist alles viel, viel komple­ xer und entsprechend auch schwieriger zu er­ gründen.« Die Forschung zu den Smogeffekten soll künftig noch mehr in die Breite und Tiefe ge­ hen, darin sind sich Perera und Groopman ei­ nig. Wenn wesentlich mehr Kinder teilneh­ men, vielleicht tausende, lassen sich manche Zusammenhänge vermutlich noch klarer auf­ zeigen. Die Forscher erwarten, dass einige Korrelationen von PAK-Be­ lastung und bestimmten Entwicklungsdefiziten Methylgruppe

Gene stilllegen PAKs (polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe) lösen zum einen Mutationen an der DNA-Sequenz von Genen aus. Zum anderen können sie deren Aktivität epigenetisch beeinträchtigen. So erhöhen sie anscheinend die – an sich oftmals sinnvolle – DNA-Methylierung, bei der sich Methylgruppen (CH3-Gruppen) an die Erbstränge anlagern. Das bewirkt normalerweise die Stilllegung von zur Zeit überflüssigen Genen. In diesem Fall besteht aber Gefahr, dass Krebs hemmende oder andere wichtige Gene nicht arbeiten.

aktives Gen

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stillgelegtes Gen

BioGrafx, Ken Eward

keine Methylierung

SPEKTRUM DER WISSENSCHAFT · August 2009

dann noch deutlicher hervortreten. Daneben wollen die Wissenschaftler auch in das schwie­ rige Feld der Neurochemie einsteigen. Ihre Vision ist, neue Biomarker aufzuspüren, die anzeigen, welche Veränderungen im Gehirn im Einzelnen zu einer Lernbehinderung oder Wachstumsstörung führen. Mittlerweile befassen sich die Molekular­ epidemiologen zudem mit der so genannten Epigenetik. Manchmal werden Merkmale, die sich durch einen Umwelteinfluss verändern, weitervererbt, obwohl die Gene selbst nicht mutiert sind. Vielmehr kommt der erbliche Funktionswandel durch eine Einwir­ kung auf die Genaktivität zu Stande, zum Beispiel indem Erbfaktoren stillgelegt werden. Laut Perera gibt es bereits Hinweise, dass auch PAKs Genfunktionen epigenetisch manipulie­ ren kön­nen. Nur lassen sie sich leider nicht als Indiz hierfür heranziehen. Mehr Aufschluss erhoffen sich die Forscher in dem Fall von an­ deren Biomarkern. Unter anderem befassen sie sich mit der so genannten DNA-Methy­ lierung: Methylgruppen an den Erbsträngen können nicht benötigte Gene stilllegen. Zu­ mindest sieht es so aus, als würde die Methy­ lierung mit der PAK-Exposition zunehmen und so wichtige Gene außer Gefecht setzen, deren Proteine manche Krankheiten verhin­ dern helfen, darunter Krebs. Sollte es sich herausstellen, dass epigene­ tische Veränderungen auch bei der verzöger­ ten Entwicklung von Smogkindern entschei­ dend mitwirken, müssten die Mediziner statt der Menge der PAK-DNA-Addukte wohl bes­ ser die von Methylgruppen bestimmen. An­ hand dessen ließe sich die individuelle Belas­ tung des Gehirns dann genauer vorhersagen. Um dies zu klären, wollen Perera und Tang sämtliche Blutproben von Tongliang auf die DNA-Methylierung hin untersuchen. Viel­ leicht werden sie auch noch weitere epigene­ tische Biomarker prüfen. Für Kinderärzte könnte es irgendwann zur Routine gehören, gesundheitliche und Ent­ wicklungsrisiken der kleinen Patienten mit ei­ ner Anzahl von Biomarkern zu bestimmen, genetischer wie epigenetischer. Leider obliegt es oft immer noch der Willkür von Behörden, ob sie Kinder wie das Mädchen in Tongliang vor Luftschadstoffen bewahren. Frederica Pe­ rera nutzt jede Gelegenheit, um die Verant­ wortung der Obrigkeit anzumahnen. »Tongli­ ang ist so wertvoll«, erklärt die Forscherin, »weil dieser Fall beweist, dass eine Adminis­ tration durchaus Handhaben hat, Schadstoff­ risiken zu reduzieren. In dieser Stadt können wir die Verbesserung messen. Wir müssen nicht irgendwelche vagen Vermutungen vor­ bringen.« Gerade im aufstrebenden China, SPEKTRUM DER WISSENSCHAFT · August 2009

AP Photo / Greg Baker

ERDE & UMWELT

Viele Quellen können Entwicklungsstörungen mit verursachen, darunter auch Zigarettenrauch. In der Tongliang-Studie wurden solche Störfaktoren ausgeklammert und ein Einfluss der Luftverschmutzung belegt.

und ähnlich in anderen schnell wachsenden Ländern, helfen harte wissenschaftliche Daten bei Entscheidungen der Energiepolitik, etwa wenn es darum geht, entweder weiterhin vor allem Kohle zu verwenden oder aber auf die zwar teureren, aber saubereren Alternativen zu ­setzen. Seit drei Jahrzehnten forscht Perera nun darüber, wie sich Luftverschmutzung auf die Gesundheit auswirkt. Daten sammelte sie in Finnland, Polen, China und direkt in ihrer Nähe in Manhattan. Sie weiß: Man darf sich nicht davon beirren lassen, dass viele Einzel­ heiten wegen der äußerst komplexen Zusam­ menhänge noch unsicher sind. Denn ihr Kernbefund steht fest und gilt für entwickel­te Nationen genauso wie für Entwicklungsoder Schwellenländer: PAKs, also polyzykli­ sche aromatische Kohlenwasserstoffe, gibt es praktisch überall, und schon eher kleine Men­ gen können Kindern schaden. Die Luft von New York City enthält kaum ein Zehntel so viel PAKs wie Tongliang. »Aber auch hier fin­ den wir ganz klar«, so Perera, »dass die Neu­ geborenen dadurch im Durchschnitt kleiner sind als sonst und dass sich die Belastung auf die Hirnentwicklung auswirkt. Es handelt sich nicht länger um reine Befürchtungen und Mutmaßungen. Nein, wir haben die Beweise, dass es wichtig ist, diese Luftschadstoffe um­ gehend zu reduzieren.« Noch werten Perera und Tang die Tongli­ ang-Daten aus. Doch schon halten sie nach einer im Prinzip gleichen Vorher-nachher-Si­ tuation Ausschau, wo sich aber eine viel um­ fangreichere Untersuchung durchziehen ließe. »Einen geeigneten Ort zu finden ist wirklich nicht leicht«, meint die Epidemiologin. »Aber wir halten die Augen offen.«

Dan Fagin ist Wissenschafts- und Umweltjournalist. An der New York University hat er eine außeror­ dentliche Professur für Journalismus und leitet dort das Programm für Berichte zu Wissenschaft, Gesundheit und Umwelt.

Perera, F. P.: Molecular Epidemio­ logy: On the Path to Prevention? In: Journal of the National Cancer Institute 92(8), S. 602 – 612, 19. April 2000. Perera, F. P. et al.: Benefits of Reducing Prenatal Exposure to Coal-Burning Pollutants to Children’s Neurodevelopment in China. In: Environmental Health Perspectives 116(10), S. 1396 – 1400, Oktober 2008. Tang, D. et al.: Effects of Prenatal Exposure to Coal-Burning Pollutants on Children’s Development in China. In: Environmental Health Perspectives 116(5), S. 674 – 679, Mai 2008.

Weblinks zu diesem Thema finden Sie unter www.spektrum.de/ artikel/999555.

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WISSENSCHAFT IM ALLTAG gründächer

Es grünt so grün ... Vom Grasdach bis zur blühenden Oase in luftiger Höhe: Dachbegrünung erfreut nicht nur das Auge, sondern nutzt auch der Umwelt und spart Geld. Von Stefanie Reinberger

»Die bebaute Fläche eines Grundstücks kann durch ein flaches Dach zurückgewonnen werden. Der Dachgarten wird zum bevorzugtesten Aufenthalt des Hauses und bedeutet außerdem für eine Stadt den WieLe Corbusier, 1923 dergewinn ihrer ganzen bebauten Fläche.«

D

ie hängenden Gärten von Babylon, der mit Zypressen bewach­ sene Erdhügel auf dem Augustusmausoleum in Rom – die Idee einer Gartenanlage auf einem Dach kam bereits in der Antike auf und wurde immer wieder mit den jeweiligen baulichen Möglich­ keiten realisiert. Aus der jüngeren Geschichte kennen wir die skan­ dinavischen Grasdächer, die überwachsenen Weinkeller in Öster­ reich und Ungarn, die Dachgärten auf dem Rockefeller Center in Manhattan. Inzwischen gewinnt diese Idee neue Freunde, denn vom Grün in luftiger Höhe profitieren gerade in Städten und Industriegebieten Umwelt und Gesellschaft. Solche Flächen bieten nicht nur Insekten und Vögeln einen Lebensraum; sie binden pro Quadratmeter jähr­ lich auch bis zu 200 Gramm Staub und Schadstoffpartikel, nehmen Nitrate sowie andere im Regen gelöste Giftstoffe auf und halten je nach Bauart 50 bis 90 Prozent der Niederschläge zurück. Moderne Gründächer lassen sich im Prinzip auf jeder Dachform realisieren, ab einer Neigung von zehn Grad verhindern Hilfs­ vorrichtungen das Abrutschen. Vor Baubeginn ist zu prüfen, ob die Abdeckung ausreichend dicht ist oder saniert beziehungsweise mit ­einer weiteren Abdichtungslage ausgestattet werden muss. Bei Flachdächern sind zusätzliche Dränageelemente nötig. Eine sehr feste Folie verhindert, dass Wurzeln in den Dachaufbau vorstoßen. 70 verschiedene Materialtypen – darunter Elastomere, PVC- und PE-Kunststoffbahnen sowie spezielle Bitumen-Schweißbahnen – wurden von der Forschungsgesellschaft Landschaftsentwicklung Landschaftsbau e. V. (FLL) mit dem Zertifikat »wurzelfest« versehen. Ein Schutzvlies sorgt dafür, dass weder Folie noch Dachaufbau

­ ährend der Begrünungsarbeiten Schaden nehmen. Auf beiden w liegt die Dränschicht: Matten aus Kunststoffelementen mit Profil oder Dränageschichten etwa aus Kies verhindern Staunässe und mangelnde Belüftung der Pflanzenwurzeln. Überschüssiges Wasser läuft in ein Kanalsystem und von dort über Dachrinne und Regen­ rohr in die Kanalisation. Um dieses Entwässerungssystem gegen Verschlammen und Verstopfen zu schützen, hält ein unverrottbares ­Polypropylenvlies Substrat- und Pflanzenteile zurück. Statt normaler Erde kommen Substrate zum Einsatz, die das Dach mit weniger Gewicht belasten, nicht verwittern, Nährstoffe abge­ ben und einen für die jeweilige Grünkultur geeigneten pH-Wert auf­ rechterhalten. Die genaue Zusammensetzung richtet sich danach, welche Pflanzen angesiedelt werden sollen. Für einfache, pflege­ leichte Vegetation haben sich leichte mineralische Schüttstoffe wie Lava, Bims, Blähton oder -schiefer sowie Ziegelbruch bewährt, die zudem eine hohe Wasserspeicherkapazität bei gleichzeitig guter Dränagefunktion aufweisen. Drei Dachgartentypen lassen sich je nach Bepflanzung unter­ scheiden. Die einfachste Variante, die keinerlei gärtnerische Ar­beit erfordert, ist extensive Begrünung. Sie umfasst Pflanzengesell­ schaften aus Moosen, Sukkulenten, Kräutern und Gräsern, die mit Sonne, Wind und Trockenheit zurechtkommen und in der Natur häufig auf Trockenrasen oder besonnten Felsenstandorten zu finden sind. Etwas mehr Arbeit erfordert die einfache Intensivbegrünung, die das Dach mit Wiesenvegetation, aber auch mittelhohen Stau­ den schmückt. Bei der Intensivbegrünung schließlich handelt es sich um Gärten, die durch Rasen, Sträucher, Bäume, eventuell Teiche oder sogar Spielplätze zusätzlichen Lebensraum bieten. Für solche Grünoasen ist allerdings nicht nur eine spezielle Baugeneh­ migung vonnöten, sondern wie in jedem anderen Garten auch eine Menge Pflege. Stefanie Reinberger ist Wissenschaftsjournalistin in Heidelberg.

Wussten Sie schon? r  Wer in Deutschland ein Dach begrünen will, kann dafür För­ dergelder beantragen. Über Art und Höhe entscheidet die jewei­ lige Kommune. Mitunter können direkt Baukosten bezuschusst werden, andernorts reduzieren sich die Gebühren für Nieder­ schlagswasser in der Abwasserrechnung. r  Die Kosten für eine einfache extensive Begrünung belaufen sich auf 25 bis 35 Euro pro Quadratmeter. Damit liegt der Preis zwar über dem der Standardkiesabdeckung eines Flachdachs (rund 10 Euro pro Quadratmeter), die muss in der Regel aber nach 10 bis 15 Jahren erneuert werden, das Gründach hält laut dem Stuttgarter Fraunhofer-Institut für Bauphysik 40 Jahre.

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r  Bis zu acht Dezibel dämmen Dachgärten den Schall, zudem isolieren sie auch thermisch: Je nach Gebäude und Heizungstyp sparen sie jährlich pro Quadratmeter ein bis zwei Liter Heizöl. r  Seit über 30 Jahren werden in Deutschland Dächer be­ pflanzt. Allein die Stadt Düsseldorf wartet mit rund 700 000 Quadratmetern Gründach auf, und die Daimler AG hat in ihrem Werk in Untertürkheim mehr als 100 000 Quadratmeter Dach­ fläche bepflanzt. Das derzeit ehrgeizigste Vorhaben plant die ­California Academy of Sciences in San Francisco: einen 12 140 Quadratmeter großen Dachgarten, realisiert mit Knowhow aus der Bundesrepublik.

SPEKTRUM DER WISSENSCHAFT · august 2009

& Computer Technik TECHNIK & Computer

Grünes Sandwich Fünf spezielle Schichten sind bei Gründächern aufeinander abgestimmt, um den Dachaufbau zu schützen, Staunässe zu verhindern und für Pflanzen optimale Wuchs-­ bedingungen zu sichern.

Einfassung aus Holz oder Beton Substrat Kies

Polypropylenvlies

Sieb

Dränschicht

Schutzmatte wurzelfeste Schutzfolie

Ablaufrohr

Dränage Die Dränschicht nimmt überschüssiges Wasser auf, so dass es abfließen beziehungsweise im Lauf der Zeit verdunsten kann.

Schichtaufbau Je nach Bepflanzung fallen die ver­schie­ denen Schichten un­ter­schiedlich dick aus.

Substrat

Polypropylenvlies Wasser Dränschicht

George Retseck

Schutzmatte wurzelfeste Schutzfolie extensive Begrünung 

Intensivbegrünung

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Oberflächen

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Selbstreinigende Materialien Von der Fähigkeit der Lotuspflanze, Schmutz abzuweisen, haben Forscher gelernt, die Benetzbarkeit von Oberflächen in weiten Grenzen zu variieren. Anwendungen­ reichen von Stoffen, auf denen Flecken keine Chance haben, über Spiegel, die nicht beschlagen, bis zu Badeanzügen, die nicht nass werden. Von Peter Forbes

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ilhelm Barthlott von der Universität Bonn, Entdecker und Entwickler des Lotuseffekts, hat eine Vision: Manhattan reinigt sich selbst; ein kleiner Regen genügt, um Fenster und Wände der Wolkenkratzer blitzsauber zu waschen. Anderswo sieht er Zelte und Markisen aus neuartigen Textilien, die ohne menschliches Eingreifen stets picobello bleiben. Tatsächlich gibt es schon Hemden, Blusen, Röcke und Hosen, die Ketschup, Senf, Rotwein und Kaffee abweisen.

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Noch einen Schritt weiter gehen japanische Forscher: Sie entwickeln selbstdesodorieren­de und -desinfizierende Oberflächen, vor allem für Bäder und Krankenhäuser. Michael Rubner und Robert Cohen vom Massachusetts Institute of Technology im Cambridge können dagegen dafür sorgen, dass Spiegel im Bad nicht mehr beschlagen. Vor allem aber hoffen sie mit von ihnen erdachten Mate­ rialien den Strom von Flüssigkeiten zu steuern, die sich auf »Labors im Chip-Format« durch mikroskopisch schmale Kanäle bewegen. Kurzum: Bei den Oberflächenbeschichtungen bahnt sich eine Revolution an. SPEKTRUM DER WISSENSCHAFT · August 2009

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Vorbild selbstreinigender Materialien ist die anmutige Lotuspflanze (Nelumbo nucifera), botanisch Lotos genannt, die große Bedeutung für Religionen und Kultur von Indien, Birma, China und Japan hat. Sie wird dort wegen ihrer außergewöhnlichen Reinheit verehrt. Die mehrjährige Pflanze wächst in schlammigem Wasser, aber wenn sie teils meterhoch über dem Nass ihre Blätter entfaltet, scheinen diese nie schmutzig zu werden. Wassertropfen glitzern darauf in unirdischer Weise, und der Regen wäscht Schmutz vom Lotus viel schneller ab als von jeder anderen Pflanze. Genau das weckte in den 1970er Jahren die Neugier von Barthlott. Damals faszinierte den Forscher die neu aufgekommene Ras­ter­ elektronenmikroskopie, die plastische Bilder bis in den Nanometerbereich lieferte. Bei dieser Vergrößerung können Schmutzteil­chen das Bild völlig verderben; deshalb mussten die Proben gründlich gereinigt werden. Wie Barth­ lott bemerkte, war das bei manchen Pflanzen – darunter dem Lotus – jedoch nicht nötig. Der Bonner Wissenschaftler fragte sich nach dem Grund und fand heraus, dass der Effekt auf zwei Besonderheiten der Blattoberfläche beruht: einer Wachsschicht und winzigen, nur wenige Mikrometer dicken Noppen. Schon das Wachs allein sollte bewirken, dass die Blätter hydrophob sind, also Wasser abstoßen. Feuchtigkeitstropfen sind dadurch schmal und hoch, damit sie möglichst wenig Kontakt mit der Oberfläche haben (siehe Kas­ ten unten auf S. 90). Auf einer hydrophilen Substanz breiten sie sich dagegen flach aus, um die Berührungsfläche zu maximieren. In diesem Fall beträgt der Winkel, unter dem der Tropfen auf das Material trifft, weniger als 30 Grad, wogegen er auf einer hydrophoben Fläche bei 90 Grad und mehr liegt. Die zahllosen Wülste verstärken, wie Barth­ lott erkannte, den Effekt noch wesentlich. Dadurch wird das Lotusblatt superhydrophob mit einem Kontaktwinkel von über 150 Grad. Wasser bildet dann fast kugelförmige Tropfen, die wie Bälle abrollen. Es sitzt dabei oben auf den Beulen – wie ein Mensch auf einem Nagelbett. Die Luft, die zwischen dem Wasser und dem Blatt um die Buckel herum eingeschlossen ist, erhöht den Kontaktwinkel; diesen Effekt haben A. B. D. Cassie und S. Baxter schon in den 1940er Jahren entdeckt und in eine mathematische Gleichung gefasst. Barthlott bemerkte, dass auch der Schmutz nur die Spitzen der Beulen auf dem Lotusblatt berührt. Regentropfen können ihn deshalb sehr leicht benetzen und dazu bringen, mit ihnen vom Blatt herunterzurollen. Dass mikroskopische Beulen der Reinlichkeit dienen, ist SPEKTRUM DER WISSENSCHAFT · August 2009

ausgesprochen paradox. Normalerweise setzt sich Schmutz an Unebenheiten fest, weshalb sich glatte Flächen besser sauber halten lassen. Als Botaniker erkannte Barthlott das enor­ me kommerzielle Anwendungspotenzial seiner Beobachtung nicht gleich. Erst in den 1980er Jahren wurde ihm klar, dass sich ein vielseitig nutzbarer künstlicher Lotuseffekt erzeugen ließe, wenn es gelänge, Gegenstände mit einer genoppten, wachsartigen Schicht zu überziehen. Später meldete er die Idee, Flächen mit mikroskopischen Erhebungen zu versehen, um sie selbstreinigend zu machen, zum Patent an und ließ den Begriff »Lotus-Effekt« als Markenzeichen eintragen. Ein Objekt so zu beschichten, dass es super­ hydrophob wird, war allerdings nicht leicht. Trotzdem gelang es Barthlott in den frühen 1990er Jahren, in Eigenproduktion einen Löffel zu kreieren, von dessen genoppter Silikon­ oberfläche Honig ohne Rückstände abtropfte. Dieses Produkt überzeugte schließlich einige große Chemiefirmen von der technischen Umsetzbarkeit der Idee. Mit ihren leistungsstarken Forschungsabteilungen fanden sie bald weitere Möglichkeiten, den Lotuseffekt zu nutzen. Die bislang führende Anwendung ist der Fassadenanstrich Lotusan. 1999 von der Sto AG auf den Markt gebracht, wurde er ein großer Erfolg. Der Lotuseffekt ist heute in Deutschland ein allgemein bekannter Begriff. Im Oktober 2007 zählte die Zeitschrift »Wirtschaftswoche« seine kommerzielle Nutzung zu den 50 bedeutendsten »Innovationen, um die uns die Welt beneidet«.

Keine Angst mehr vor Tomatensoße

Hausfassaden verschmutzen nur langsam. Bei Kleidung ist das anders. Sie selbstreinigend zu machen, erscheint deshalb besonders attraktiv. Nach einer Versuchsphase schießen entsprechende Produkte inzwischen wie Pilze aus dem Boden. Es begann mit Nano-Care. Dabei handelt es sich um eine Appretur für Gewebe, die der Erfinder und Unternehmer David Soane entwickelt hat und jetzt mit seiner Firma NanoTex produziert. Halten Sie einen Pfirsich mit seiner flaumigen Oberfläche unter den Wasserhahn, und Sie erkennen den hydrophoben Effekt. Der Flaum von Nano-Care besteht aus winzigen Härchen, die an die Baumwollfäden angebracht sind. Sie messen weniger als ein Tausendstel der Höhe der Wülste bei Lotuspflanzen. Im Vergleich zu ihnen erscheinen die Fäden deshalb wie dicke Baumstämme. Der Rivale von Nano-Tex ist die Schweizer Firma Schoeller Textil AG, die ihre Technolo-

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In Kürze r  Winzige Noppen auf einem Lotusblatt verwandeln seine wachsartige Ober­ fläche in ein extrem wasserabstoßendes, superhydrophobes Material. Regen­ tropfen können leicht darüber hinwegrollen und vorhandenen Schmutz mitnehmen. r  Wissenschaftler haben synthetische selbstreinigen­ de Materialien entwickelt, die teils auf diesem Lotus­ effekt basieren, teils aber auch die entgegengesetzte Eigenschaft – Superhydrophilie – nutzen. Manche katalysieren, wenn die Sonne darauf scheint, zudem den Abbau organischer Stoffe und töten so Bakterien ab. r  Zukünftige Produkte könnten all diese Eigenschaften kombinieren oder zwischen Superhydrophobie und -philie umschaltbar sein. Damit ließe sich etwa der Flüssigkeitsstrom durch mikrofluide Komponenten steuern.

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Oberflächen

Der Lotuseffekt

beide Fotos: Wilhelm Barthlott, Nees Institut der Universität Bonn

Getty images / Nacivet

Die bemerkenswerte Eigenschaft des Lotusblattes, stets sauber zu bleiben, hat die Entwicklung selbstreinigender Materialien angeregt.

Ein Wassertropfen rollt über ein Blatt, ohne hängen zu bleiben, und nimmt Schmutz mit.

Die Physik der Lotuspflanze Der selbstreinigende Effekt des Lotusblattes kommt daher, dass es eine extrem hydrophobe (Wasser abstoßende) Oberfläche hat. Ob ein Material hydrophob oder hydrophil (Wasser anziehend) ist, erkennt man an dem Winkel, den der Rand eines Wassertropfens mit ihm bildet.

Kontaktwinkel

Wie sich der Lotus reinigt normale Oberfläche

Wasser

Schmutzpartikel hydrophile Oberfläche: weniger als 30 Grad Von einer normalen Oberfläche (nicht stark hydrophil oder hydrophob) läuft ein Wassertropfen kriechend ab und lässt die meisten Schmutzteilchen an Ort und Stelle.

superhydrophobe Oberfläche: mehr als 150 Grad Für den großen Benetzungswinkel sorgen Höcker, die Luft zwischen dem Wasser und der Oberfläche einschließen und so den Kontakt mit ihr minimieren.

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superhydrophobe Oberfläche

Ann Sanderson

hydrophobe Oberfläche: mehr als 90 Grad

Von einer superhydrophoben Ober­ fläche rollt ein Tropfen herunter. Dabei nimmt er die Schmutzteilchen auf und führt sie mit sich fort; denn diese haben eine größere Affinität zum Wasser als zur Oberfläche.

Wenige Mikrometer große Höcker auf der Blattoberfläche erzeugen den Wasser abstoßenden Effekt. Ein imprägnierender Überzug aus win­zigen Wachskriställchen steigert ihn noch.

gie NanoSphere nennt. Dabei sitzen winzige Siliziumdioxid- oder Polymerteilchen auf den Kleidungsfasern und verleihen ihnen eine lotusartige Rauigkeit. Da mit vielen ungeprüften Behauptungen für Produkte der Nanotechnologie geworben wurde, haben Normungsinstitute jetzt strikte Tests für selbstreinigende Kleidung auf Basis dieser innovativen Verfahren eingeführt. Das Forschungsinstitut Hohenstein, das für Handel und Industrie weltweit Prüfung und Zerti­ fizierung anbietet, bescheinigte NanoSphereTextilien als ersten derartigen Geweben im Oktober 2005, eine ganze Reihe von Tests bestanden zu haben. Demnach stoßen sie Wasser wirksam ab und behalten nach normalen Waschvorgängen und den üblichen Abnutzungserscheinungen ihre besonderen Eigenschaften bei. Ich selbst war bei eigenen Tests an Proben von Nano­Sphere beeindruckt, wie sie ölige Tomatensoßen, Kaffee und Rotwein einfach ablaufen lassen und so einigen der schlimmsten Flecken vorbeugen. Schmutz abweisende Kleidung ist sicher ein bedeutender Markt. Aber noch viel mehr Umsatz versprechen sich Experten von Markisen, Planen und Segeln mit Lotuseffekt. Diese großen, im Außenbereich eingesetzten Gewebe verschmutzen schnell und lassen sich nur mühsam reinigen.

Superbenetzbarkeit

Die Erforschung des Lotuseffekts entwickelte sich mit der Zeit zu einem ganz neuen Wissensgebiet, das weit über die ursprüngliche Zielsetzung hinausreicht. Darin geht es ganz allgemein um Fragen der Benetzbarkeit, Selbstreinigung und Desinfektion. So stellte SPEKTRUM DER WISSENSCHAFT · August 2009

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So bleibt man stets sauber

www.nano-sphere.ch

Die Industrie hat Textilien entwickelt, die dank ihrer superhydrophoben Oberfläche ähnlich wie das Lotusblatt wässrige Flüssigkeiten und Speisereste abweisen, so dass keine Flecken entstehen (oben). Für diesen Effekt ist eine Vorbehandlung der Baumwollfasern nötig. Beispielsweise können Teilchen von einigen 100 Nanometern Durchmesser darauf angebracht werden (unten rechts). Inzwischen gibt es viele andere Produkte wie Fassadenfarben und Dachziegel, die mit Noppen im Mikro- oder Nanobereich versehen sind und so den Lotus­effekt zeigen.

Polymerpartikel

5 Mikrometer normale Baumwollfaser

Daniela Naomi Molnar

sich heraus, dass nicht nur viele Wege zur Superhydrophobie führen, sondern auch ihr Gegenteil – Superhydrophilie – frappierende Perspektiven eröffnet. Eine Schlüsselrolle spielte dabei das Mineral Titandioxid. Berühmt geworden war es schon vor über vier Jahrzehnten durch eine Eigenschaft, die nichts mit Benetzbarkeit zu tun hat. Im Jahr 1967 entdeckte Akira Fujishima als Doktorand an der Universität Tokio, dass Titandi­ oxid bei Bestrahlung mit ultraviolettem Licht Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegen kann. An einer solchen Fotolyse besteht großes Interesse; denn sie verspricht billigen Wasserstoff als Ersatz für die relativ teuren fossilen Energieträger, deren Vorräte begrenzt sind und bei deren Verbrennung zudem das klimaschädliche Treibhausgas Kohlendioxid frei wird. Fujishima und andere verfolgten die Idee deshalb mit großem Eifer, schafften es jedoch bisher nicht, einen kommerziell interessanten Wirkungsgrad zu erreichen. Immerhin ergaben die Untersuchungen, dass Titandioxidfilme sehr geringer Dicke – im Mikro- bis Nanometerbereich – effizienter sind als größere Teilchen. Nachdem sich Fujishima mit seinem Universitätskollegen Kazu­ hito Hashimoto und Toshiya Watanabe von der Firma TOTO, einem Hersteller sanitärer Einrichtungen, zusammengetan hatte, ent­ deck­ten die drei 1990, dass wenige Nanometer dicke Titandioxidschichten bei Bestrahlung mit ultraviolettem Licht fotokatalytisch wirken: Sie zerlegen organische Verbindungen – auch solche in den Zellwänden von Bakte­rien – in Kohlendioxid und Wasser. Diese Eigenschaft hängt damit zusammen, dass Titandioxid ein Halbleiter ist. Bei solchen Stoffen trennt eine verbotene Zone das so genannte Valenzband mit gefüllten Energieniveaus vom leeren Leitungsband. Lichtquanten können Elektronen über diese Bandlücke heben. Im Fall von Titandioxid erfordert das ein Photon aus dem Ultraviolettbereich mit einer Wellenlänge von etwa 388 Nanometern. Bei dem Vorgang entstehen zwei mobile Ladungen: das Elektron, das in das Leitungsband gehievt wurde, und das Loch, das im Valenzband zurückbleibt und sich wie ein positives Teilchen verhält (siehe Kasten S. 92). Auf ihrer Wanderung können die beiden frei beweglichen Ladungen mit Wasser und Sauerstoff auf der Oberfläche von Titandioxid in Wechselwirkung treten und dabei Superoxid­ anionen (O2–) und Hydroxylradikale (OH) erzeugen – hochreaktive chemische Spezies, die in der Lage sind, organische Verbindungen in Kohlendioxid und Wasser umzuwandeln. Mitte der 1990er Jahre machten die drei japanischen Forscher eine weitere bedeutende

vorbehandelte Baumwollfaser

Entdeckung. Sie stellten aus einer wässrigen Suspension von Titandioxidteilchen einen dünnen Film her, temperten ihn bei 500 Grad Celsius und bestrahlten ihn schließlich mit ultraviolettem Licht. Daraufhin zeigte er die außergewöhnliche Eigenschaft vollständiger Benetzbarkeit: Der Kontaktwinkel für Wasser wie Öl betrug null Grad. Was war der Grund? Das Ultraviolettlicht entfernte einige der Sauerstoffatome an der Oberfläche des Titandioxids. Dadurch entstand ein Mosaik von nanometergroßen Bereichen, die Hydroxylgruppen anlagerten, was die Superhydrophilie hervorrief. Die Flächen außerhalb dieser Bereiche waren für die hohe Affinität zu Öl verantwortlich. Der Effekt hielt einige Tage an, verschwand jedoch allmählich, wenn das Titandioxid im Dunkeln aufbewahrt wurde. Obwohl die Superhydrophilie das genaue Gegenteil der Wasser abweisenden Eigenschaft der Lotusblätter ist, stellte sich heraus, dass sie ebenfalls zur Selbstreinigung dienen kann: Indem sich das Wasser über die ganze Fläche ausbreitet, bildet es eine durchgehende Schicht, die beim Fließen Schmutz mitneh-

Liebe-HassBeziehungen Einige Oberflächen, die das Spektrum von Wasser liebend bis Wasser hassend überspannen, und ihre Kontaktwinkel: ➤ superhydrophil: dünne Filme aus Titan­ dioxid, 0 Grad ➤ hydrophob: Teflon, 100 Grad ➤ superhydrophob: Lotusblätter­, 160 Grad

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Oberflächen men kann. Die Oberfläche beschlägt auch nicht; denn das kondensierte Wasser verteilt sich gleichmäßig auf ihr, statt die Tausende winziger Tropfen zu bilden, aus denen Nebel besteht. Beschichtungen mit Titandioxid wirken dank ihrer Fähigkeit zur Fotokatalyse außerdem desodorierend und desinfizierend, weil das Material in ultravioletthaltigem Sonnenlicht organische Stoffe und Bakterien zerstört. Das Geschäft mit ihnen ist schon angelaufen. So produziert toto eine Reihe von fotokatalytischen selbstreinigenden Produk­ten wie Keramikkacheln für Außenwände und lizenziert das Verfahren weltweit. Da Nanobeschichtungen mit Titandioxid transparent sind, lag die Entwicklung von be-

Selbstreinigendes Titandioxid Dünne Beschichtungen aus UV-bestrahltem Titandioxid zeigen die genau entgegengesetzte Eigenschaft des Lotusblattes – Superhydrophilie –, weisen jedoch ebenfalls Schmutz ab und wirken zudem antimikrobiell. Wasser überzieht einen superhydrophilen Stoff mit einem geschlossenen Film, der als Ganzes fließt und dabei Schmutz mitnimmt. Superhydrophilie verhindert auch das Beschlagen einer Oberfläche, weil sich das Wasser gleichmäßig darauf verteilt und nicht die unzähligen winzigen Tröpfchen bildet, aus denen Nebel besteht.

superhydrophile Oberfläche

Wasser

Schmutzpartikel

ultraviolette Strahlung Glas Titandioxid

2a

SuperoxidSauerstoff Anion Elektron

4

Loch

2b

HydroxylHydroxid- Radikal Anion 3

Mikrobe

5

abfließender Wasserfilm

Ultraviolette Sonnenstrahlen erzeugen in Titandioxid freie Elektronen und Löcher, das heißt positiv geladene Fehlstellen (1). Die Elektronen bilden mit Sauerstoffmolekülen aus der Luft negativ geladene Super­oxidanionen (2a) und die Löcher mit Hydroxidanionen im Wasser neutrale Hydroxylradikale (2b). Diese hochreaktiven Spezies töten Mikroben und zerstören organische Stoffe auf der Oberfläche (3). Die UV-Strahlung verändert auch die Struktur des Titandioxidfilms, so dass er superhydrophil wird (4) und es Wasser ermöglicht, Schmutz abzuwaschen (5).

92 

Konvergenz der Gegensätze

Ann Sanderson

1

handeltem Fensterglas nahe. Den Anfang mach­te 2001 Pilkington, der größte Glashersteller Großbritanniens, mit der Vermarktung des von ihm entwickelten Activ Glass. Üblicherweise werden Glasscheiben bei 1600 Grad Celsius auf einem Bett aus geschmolzenem Zinn hergestellt. Pilkington bedampft sie in der folgenden Abkühlphase mit Titantetrachlorid, wodurch eine weniger als 20 Nanome­ ter dicke Schicht aus Titandioxid entsteht. Activ Glass dürfte schnell Gewächshausdächer und die Außenspiegel von Fahrzeugen erobern. Leider blockiert normales Fensterglas Ultraviolettlicht, weshalb die Nanoschichten aus Titandioxid in Innenräumen weniger gut wirken. Das Material lässt sich jedoch mit Spuren anderer Substanzen versetzen, ähnlich wie Si­li­zium und verwandte Halbleiter für die Elek­tro­­nik dotiert werden. Das verringert die Bandlücke, so dass auch längerwellige Innenbeleuchtung die Fotokatalyse in Gang setzen kann. Schon 1985 entdeckte Shinri Sato von der Universität Hokkaido (Japan) durch einen glücklichen Zufall den Nutzen der Dotierung von Titandioxid mit Stickstoff, wobei sich auch Silber für den Zweck eignet. Die technische Umsetzung und industrielle Verwertung erfolgte jedoch erst in den letzten Jahren. Dank seiner antibakteriellen und desodorierenden Eigenschaften dürfte dotiertes Titan­ dioxid Eingang in Küchen und Bäder finden. Auch für selbstreinigende Textilien bietet es sich an − vor allem wegen seines zusätzlichen Vorteils, Gerüche zu beseitigen. Inzwischen wurden bereits Verfahren entwickelt, den Halbleiter auf dem Gewebe anzubringen – unter anderem direkt über chemische Bindungen. Die von der Lotusblume inspirierten Materialien und die dünnen Titandioxidschichten sind Beispiele für Extreme, die in unserer Alltagswelt – wo nach den Worten des englischen Dichters Philip Larkin (1922 – 1985) »nichts wieder wie neu oder ganz sauber gewaschen« wird – selten in reiner Form auftreten. Lange Zeit waren die jeweils eingesetzten Methoden und Materialien völlig verschieden, und Untersuchungen zur Hydrophobie und zur fotokatalytischen Hydrophilie wurden getrennt durchgeführt. Doch neuerdings kommt es zu einer bemerkenswerten Konvergenz: Forscher sind bestrebt, die beiden Effekte zu kombinieren oder mit sehr ähnlichen Materialien hervorzubringen – ja sie arbeiten sogar an der Entwicklung von Strukturen, die sich zwischen Superhydrophobie und -philie hinund herschalten lassen. Eine Vorreiterrolle spielten wieder die Titandioxid-Pioniere Fujishima, Watanabe und SPEKTRUM DER WISSENSCHAFT · August 2009

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funktionieren sie im Hellen wie im Dunkeln. Kein Wunder also, dass Rubners Gruppe mit Industriepartnern an ihrer Vermarktung arbeitet. Außer für Brillen eignen sie sich zum Beispiel für Badspiegel sowie Windschutzscheiben, die an einem kalten, nassen Wintermorgen kein Gebläse mehr brauchen.

Ein cleverer Käfer

Millionen von Jahren vor der technischen Verwertung von Lotuseffekt und Superbenetzbarkeit nutzte ein kleiner Käfer in der Wüste Namib beides schon für einen ganz anderen Zweck: das Sammeln von Wasser. In der extrem trockenen und heißen Küstenregion in Südwestafrika sind dicke Morgennebel,

Nanoschwämme Forscher vom Massachusetts Institute of Technology in Cambridge haben Überzüge aus superhydrophilen Multischichtsystemen entwickelt, die nicht beschlagen.

SiliziumdioxidNanoteilchen

Hydroxylgruppen

Polymer

Substrat

Ann Sanderson

Alternierende Schichten aus einem Polymer und Silizium­ dioxid-Nanoteilchen bilden eine extrem feinporige superhydrophile Struktur, mit der sich Glas und andere Materialien überziehen lassen. Die Oberfläche ist wie beim Lotusblatt uneben im Nanometermaßstab. Die Silizium­ dioxidpartikel sind wegen anhaftender Hydroxylgruppen zugleich stark hydrophil. Deshalb können die von ihnen gebildeten Nano­ poren wie ein Schwamm Wasser aufsaugen und es im Nu von der Oberfläche entfernen.

Michael Rubner, Massachusetts Institute of Technology

Hashimoto. Im Jahr 2000 testeten sie, ob Titandioxid die Haltbarkeit von Flächen mit Lotuseffekt erhöhen könnte. Auf den ersten Blick scheint das widersinnig. Der Halbleiter sollte wegen seiner fotokatalytischen Aktivität die Wachsbeschichtung der Lotusoberflächen angreifen und so die Superhydrophobie aufheben. Doch der Versuch zeigte das Gegenteil: Bei Zugabe einer winzigen Menge Titandioxid hielt der Lotuseffekt erheblich länger an, ohne dass der große Benetzungswinkel, den man für die Wasser abstoßende Wirkung braucht, wesentlich abnahm. Im Jahr 2003 entdeckten die Arbeitsgruppen von Rubner und Cohen, wie geringfügige Änderungen darüber entscheiden können, ob eine superhydrophobe oder eine superhydrophile Oberfläche entsteht. Damals hatte Rubner, wie er sich erinnert, auf einer Konferenz in China von neuen superhydrophoben Strukturen erfahren, die ihn elektrisierten. Nach seiner Rückkehr ermunterte er Mitarbeiter zu dem Versuch, sie nachzubauen. Sein Team hatte eine Methode entwickelt, um Schicht für Schicht dünne Filme aus so genannten Poly­elektrolyten herzustellen. Normale Elek­ troly­te wie Kochsalz oder Schwefelsäure spalten sich beim Lösen in Wasser in positiv und negativ geladene Ionen auf. Als Polyelektrolyte bezeichnen Chemiker organische Polymere, die positiv oder negativ geladene Gruppen tragen. Rubner und Cohen stapelten im Wechsel Schichten aus Polyallylaminhydrochlorid (mit positiv geladenen Ammoniumgruppen) und Siliziumdioxidteilchen (mit angelagerten negativ geladenen Hydroxidgruppen) übereinander. Schon früher hatten sie mit Überzügen aus solchen Partikeln die raue Oberfläche des Lotusblatts nachgeahmt. Um die Superhydrophobie zu erzeugen, beschichteten die Forscher den fertigen Stapel dann mit wachsartigem Silikon. Wie sie zu ihrem großen Erstaunen feststellten, war die Schichttorte vor diesem letzten Schritt jedoch superhydrophil. Die Siliziumdioxidlagen hatten ein riesiges Labyrinth von Nanoporen geschaffen – eine Art Schwamm, der jegliches Oberflächenwasser sofort aufsaugte. Deshalb beschlägt das Multischichtsystem auch nicht, selbst wenn man es über einen dampfenden Kochtopf hält. Sind die Poren gesättigt, be­ginnt das Wasser über die Kante abzulaufen, und sobald wieder trockene Bedingungen herrschen, verdunstet es langsam aus den Hohlräumen. Da Glas hauptsächlich aus Siliziumdioxid besteht, lassen sich solche Mehrfachschichten leicht darauf anbringen. Sie verhindern nicht nur das Beschlagen, sondern sind auch transparent und noch dazu antireflexiv – also ideal für Brillen. Im Gegensatz zu Titandioxid

Eine mit diesem Multischichtfilm überzogenes Glasblättchen bleibt klar, wenn es aus dem Kühlschrank in warme, feuchte Luft gebracht wird (links). Unbehandeltes Glas beschlägt dagegen (rechts).

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Oberflächen die eine steife Brise vom Meer herantreibt, praktisch die einzige Feuchtigkeitsquelle. Der Käfer aus der Gattung Stenocara hält mit geduck­tem Kopf seinen emporgereckten Hinterleib in den Nebelwind. Die Feuchtigkeit kondensiert auf seinem Rückenpanzer und rinnt in sein Maul. Nach dem Vorbild von Stenocara wollen Wissenschaftler nun Verfahren zur Wassergewinnung in Trockengebieten entwickeln. Wie so oft wurde der vom Käfer genutzte Mechanismus von einem Forscher entdeckt, der eigentlich etwas anderes suchte. Im Jahr 2001 fiel dem Zoologen Andrew R. Parker, damals an der University of Oxford (England), ein Foto in die Hände, auf dem Käfer in der Namib-Wüste eine Heuschrecke fressen. Von den starken Winden in der Region herangetragen, hätte das Insekt im heißen Sand ohnehin nicht lange überlebt. Doch die Käfer, die sich an diesem wahrhaftigen Geschenk des Himmels gütlich taten, fühlten sich in dem Backofen anscheinend pudel-

Vorbild Natur Zu den biologischen Errungenschaften, die Techniker nachahmen wollen, gehören: ➤ mikroskopische Härchen, mit denen Geckos Wände hochlaufen können (unten) ➤ Muschelklebstoff, der unter Wasser aushärtet

Corb

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➤ Spinnenseide, die reißfester ist als Stahl

Corbis / Visuals Unlimited

wohl. Parker vermutete, dass sie über eine ausgeklügelte Hitze reflektierende Panzerbeschichtung verfügen müssten. Tatsächlich reflektieren Stenocara-Käfer die Hitze, aber als der Forscher sie untersuchte, entdeckte er noch viel mehr. Der Rücken des Tiers besteht größtenteils aus einer wachsartigen, superhydrophoben Fläche mit vielen mikroskopisch kleinen Beulen. Außerdem aber weist er mit bloßem Auge sichtbare Erhebungen auf, deren Spitzen wachsfrei und hydrophil sind. Deshalb ziehen sie Feuchtigkeit aus dem Nebel an. Schwerkraft und die hydrophobe Umgebung sorgen dann für den Abtransport der sich bildenden Tröpfchen. In Laborversuchen mit Glasplättchen fand Parker heraus, dass diese Anordnung etwa doppelt so effizient ist wie eine glatte, einheitliche Oberfläche, sei sie nun hydrophil oder hydrophob. Der Forscher hat sich eine künstliche Nachbildung des Käferrückens patentieren lassen, und die Firma Qinetiq, welche im Dienst des britischen Verteidigungsministeriums steht, ist

Umschaltbare Oberflächen Durch Umschalten zwischen Hydrophobie und Hydrophilie an definierten Stellen auf einer Oberfläche hoffen Forscher, den Flüssigkeitsstrom durch ein Netzwerk mikroskopischer Kanäle auf so genannten mikrofluiden Chips steuern zu können. ultraviolette Strahlung

sichtbares Licht hydrophobe Gruppe Azobenzol

SiliziumdioxidNanopartikel Ann Sanderson

Hydroxylgruppe Polymer

superhydrophob

superhydrophil

Wissenschaftler von der Universität Pohang in Südkorea hefteten ein vom Azobenzol abgeleitetes Molekül an ein Siliziumdioxid-Polymer-Multischichtsystem. Eine hydrophobe Gruppe am Ende dieses Mo­leküls und die Unebenheit der Schichten machen die Oberfläche superhydrophob (oben links). Bei Bestrahlung mit ultraviolettem Licht klappt das Azobenzol jedoch um und verbirgt die hydrophobe Gruppe im Innern, wodurch die Oberfläche superhydrophil wird (oben rechts). Sichtbares Licht macht den Vorgang rückgängig.

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Auf einer beschichteten Oberfläche (links) benetzt das Wasser quadratische Bereiche, die durch Bestrahlung mit ultra­violettem Licht superhydrophil gemacht wurden. An anderen Stellen bildet es die für den Lotuseffekt typischen, fast kugelförmigen Tropfen.

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links: Andrew R. Parker;  rechts aus: A. R. Parker und C. R. Lawrence, Nature, Bd. 414, S. 33-34 (1.Nov. 2001)

Wassersammler in der Wüste Angeregt von einem Wüstenkäfer entwickeln Wissenschaftler Vorrichtungen, die mit einer Kombination von Lotuseffekt und Superhydrophilie in abgelegenen, trockenen Regionen der Luft Feuchtigkeit entziehen.

Ein Käfer der Gattung Stenocara sammelt Wasser aus den vom Meer herangewehten Morgennebeln in der extrem trockenen Namib-Wüste in Südwestafrika, indem er dem Wind bei geducktem Kopf seinen Hinterleib entgegenreckt (links). Der Panzer des Insekts ist dank einer mikroskopisch unebenen, wachsartigen Oberflächenschicht (oben) an den meisten Stellen superhydrophob. Eine Ausnahme bilden die hydrophilen Spitzen von 0,5 Millimeter großen Höckern, die den Rücken in Reihen überziehen. Sie entziehen der Luft Feuchtigkeit. Die entstehenden Tropfen rollen dann über die superhydrophobe Oberfläche in das Maul des Käfers.

dabei, daraus ein technisches Verfahren zur Gewinnung von Wasser aus Nebel in Trockengebieten zu entwickeln. Auch andere versuchen sich an der Nachahmung von Stenocara. So stellte das Team von Rubner und Cohen 2006 superhydrophobe Multischichtsysteme mit superhydrophilen Flecken aus Siliziumdioxid her. Das übertrifft den Käfer sogar; denn dessen Höcker sind nur schlicht hydrophil. Das Jonglieren mit Superhydrophobie und -philie erlaubt auch die Steuerung von Flüssigkeitsströmen im Mikro- und Nanobereich. Daraus ergeben sich Anwendungen weit über das Reinhalten von Materialien hinaus. »Die Tatsache, dass strukturierte Flächen je nach den chemischen Bedingungen superhydrophob oder superhydrophil sein können«, erklärt Rubner, »eröffnet eine Vielzahl unterschiedlichster Möglichkeiten.« Besonders nützlich wären Materialien, deren Benetzbarkeit an definierten Stellen umgekehrt werden kann. Ein solches Umschalten ließe sich mit vielen Mitteln erreichen: UV-Licht, Elektrizität, Temperatur, Lösungsmittel und Azidität. Im Jahr 2006 bewies eine Gruppe unter Kilwon Cho von der Universität Pohang in Südkorea die Machbarkeit der Idee, indem sie ein De­ rivat des Moleküls Azobenzol in die super­ hydrophobe Silikonoberfläche eines Multischichtsystems aus Polyelektrolyt und Silizium­ dioxid einbaute. Die neue Fläche ist ebenfalls superhydrophob, wird bei Bestrahlung mit UV-Licht aber superhydrophil, weil das Azobenzol dann seine Konfiguration ändert (siehe Kasten links). Sichtbares Licht macht den Vorgang rückgängig. SPEKTRUM DER WISSENSCHAFT · August 2009

Von dieser Art der Kontrolle könnte die Mikrofluidik profitieren. Das gilt etwa für Mikroarrays, wie sie heute beim WirkstoffScreening und anderen biologischen Tests zum Einsatz kommen (Spektrum der Wissenschaft 9/2008, S. 96). Darin könnte man Kanäle schließen oder öffnen, indem man ihre Oberfläche lokal zwischen hydrophob und hydrophil umschaltet.

Auch unter Wasser trocken bleiben

Für Barthlott, der das Potenzial hinter den Wassertropfen auf Lotusblättern erkannte, hat sich der Horizont für Anwendungen des von ihm entdeckten Effekts fast grenzenlos erweitert. Es überrascht nicht, dass er leidenschaftlicher Anwalt der Artenvielfalt ist. Schließlich könnten zahlreiche Pflanzen und Tiere nützliche Eigenschaften haben – darunter Arten, die noch unbekannt und vom Aussterben bedroht sind. Gegenwärtig forscht Barthlott über Superhydrophobie unter Wasser. Grundlage waren Untersuchungen darüber, auf welche Weise Pflanzen wie der Wassersalat Pistia und der Schwimmfarn Salvinia Luft auf ihren Blatt­ oberflächen einfangen. Nach deren Vorbild hat der findige Bonner Wissenschaftler Gewebe hergestellt, die unter Wasser vier Tage lang trocken bleiben. Ein Badeanzug, der nicht nass wird, scheint also in Reichweite. Der große Wurf aber wäre es, wenn sich auf diese Weise der Gleitwiderstand von Schiffsrümpfen verringern ließe. Statt des sonst üblichen Schmutzes häuft das Lotusblatt, wie es scheint, Gold in Form lukrativer Patente an.

Peter Forbes ist Wissenschafts­ journalist und lebt in London. In seinem 2006 erschienenen Buch »The Gecko’s Foot« (W. W. Norton) beschreibt er eine Vielzahl biomimetischer, also von der Biologie inspirierter Technologien. Von seinen literarischen Neigungen zeugt die 2000 von ihm herausgegebene Gedichtsammlung »Scanning the Century: The Penguin Book of the Twentieth Century Poetry«.

Baeyer, H. C.: The Lotus Effect. In: The Sciences 40, S. 12 – 15, Januar/ Februar 2000. Cerman, Z., Barthlott, W. und Nieder, J.: Erfindungen der Natur: Bionik – Was wir von Pflanzen und Tieren lernen können. Rowohlt, Reinbek 2005. Michel, T.: Tropfen-Wand-Inter­ aktion: Hydrodynamik und Benetzungsphänomene. Shaker, Herzogenrath 2007. Solga, A. et al.: The Dream of Staying Clean: Lotus and Biomimetic Surfaces. In: Bioinspiration & Biomimetics 2, S. 126 – 134, Dezember 2007.

Weblinks zu diesem Thema finden Sie unter www.spektrum.de/ artikel/999558.

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Wissenschaft & Karriere

»Ich musste mich entscheiden, ob ich ins kalte Wasser springe«

Helmholtz-Gemeinschaft

Jürgen Mlynek studierte Physik an der Universität Hannover und an der École Polytechnique in Paris. Nach Promotion (1979), Habilitation (1984) und einem Aufenthalt am IBM-Forschungslabor in den USA wechselte Mlynek als Assistenz­ professor zur Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich (1986). 1990 berief ihn die Universität Konstanz zum C4-Professor für Experimentalphysik. Nach zehn Jahren Forschung und Lehre in Experimenteller Quantenoptik, Atomphysik und Oberflächenphysik zog es Mlynek in das Forschungsmanagement: Von 1996 bis 2001 war er Vizepräsident der Deutschen Forschungsgemeinschaft. Im September 2000 wurde er Präsident der HumboldtUniversität zu Berlin. Mlynek erhielt zahlreiche wissenschaftliche Preise, darunter den Gottfried Wilhelm LeibnizPreis der Deutschen Forschungsgemeinschaft (1992). Seit 1. September 2005 ist Jürgen Mlynek Präsident der Helmholtz-­ Gemeinschaft.

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Vor neun Jahren wechselte der erfolgreiche Quantenoptiker Jürgen Mlynek aus der Forschung ins Forschungsmanagement, an die Spitze der Humboldt-Universität zu Berlin. Seit 2005 ist er als Präsident der Helmholtz-Gemeinschaft der Groß­ forschungszentren verantwortlich für einen Etat von 2,8 Milli­ arden Euro und fast 28 000 Mitarbeiter.

Spektrum der Wissenschaft: Herzlichen Glückwunsch zur Wiederwahl als Präsident der Helmholtz-Gemeinschaft! Prof. Dr. Jürgen Mlynek: Besten Dank. Spektrum: Rein hypothetisch: Was hätten Sie denn getan, wenn Ihnen keine zweite Amtszeit beschieden worden wäre? Mlynek: Dann wäre Plan B in Kraft getreten – ich habe immer gern eine Alternative in der Hinterhand –, und ich hätte den derzeit ruhenden Lehrstuhl für Experimentalphysik an der HumboldtUniversität in Anspruch genommen. Spektrum: Wann erwachte Ihre Leidenschaft für die Physik? Mlynek: In der Oberstufe unterrichtete uns ein Lehrer, der es wirklich verstand, Jugendliche für die Physik zu begeistern. Außerdem hörte ich, dass man als Physiker viele Optionen hat, auch in die Wirtschaft gehen kann. Ich war da immer schon ganz offen. Wie sich aber dann alles entwickelt hat, das war allerdings in keiner Weise geplant. Spektrum: 1979 promovierten Sie in Han­nover zu Fragen der Atomphysik, 1982 gingen Sie für ein Jahr an ein IBMLabor in den USA. Dachten Sie da schon an einen Wechsel in die Industrieforschung? Mlynek: Durchaus, damals herrschten paradiesische Zeiten. Ein Großunterneh-

men wie IBM konnte es sich leisten, namhafte Wissenschaftler als so genannte Research Fellows zu gewinnen, mit reichlich Geld auszustatten und Grundlagenforschung treiben zu lassen. Ich hatte das Glück, in einer hochkarätigen Gruppe im Forschungszentrum Almaden in San José, Kalifornien, zu arbeiten. Für einen jungen Wissenschaftler war das ein tolle Sache, denn man erfuhr dort ganz direkt, wie sehr die eigene Arbeit geschätzt wurde. Spektrum: Was war Ihr Thema? Mlynek: Wir unternahmen hochauflösende Spektroskopie an ionischen Festkörpern. Das hatte sehr weitläufige Bezüge zu Konzepten künftiger Datenspeicherung, war aber absolut grundlagen­ orientiert. Spektrum: Sie sind dann nach Hannover zurückgekehrt und haben sich dort schon ein Jahr später habiliert – das war vermutlich ein Rekord? Mlynek: Ich hatte bereits eine umfangreiche Liste an Veröffentlichungen und durfte mich damit kumulativ habilitieren. Spektrum: Danach stellte sich natürlich die Frage, wie es weitergehen sollte. Mlynek: Ich bewarb mich um ein Heisenberg-Stipendium. Das war auch ein Test meines Marktwerts in der universitären Wissenschaftslandschaft. Denn ich SPEKTRUM DER WISSENSCHAFT · August 2009

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Forschungszentrum Karlsruhe

wusste, dass diejenigen, die meinen Antrag prüften, wahrscheinlich auch später eine Bewerbung um eine Professur begutachten würden. Ich hatte aber auch hier einen Plan B: Ich bewarb mich in der Industrie und hätte als Vorstands­ assistent anfangen können. Spektrum: Sie hätten also keinerlei Bedenken gehabt, Ihre akademische Laufbahn aufzugeben? Mlynek: Überhaupt nicht. Ich kannte viele, die in die Wirtschaft gegangen waren und sich dort pudelwohl fühlten. Spektrum: Sie haben das HeisenbergStipendium erhalten, jedoch nur ein Jahr in Anspruch genommen. Warum? Mlynek: Mein akademischer Lehrer in Hannover, Herbert Welling, sagte immer: »Nur den bewegten Punkt sieht man.« Als ich das Angebot einer Assis­ tenzprofessur an der ETH Zürch bekam, war ich zunächst nicht sonderlich interessiert, zumal meine Frau als Lehrerin in Hannover arbeitete und wir uns dort wohlfühlten. Aber ich bewarb mich trotzdem, um meinen Marktwert zu tes­ ten. Ich hielt meinen Vortrag wie andere Bewerber auch, und zwei, drei Wochen später lud mich der Präsident der ETH zu einem Einstellungsgespräch. Wir redeten über diverse Punkte wie die Ausstattung des Labors und kamen dann auf SPEKTRUM DER WISSENSCHAFT · August 2009

die sensible Frage der Gehaltsvorstellung. Und da nannte ich kühn eine ziemlich hohe Summe, die bereits einkalkulierte, dass meine Frau in der Schweiz als Lehrerin erst einmal nicht arbeiten konnte. Mein Gegenüber blätterte in einem ­Notizbuch, überlegte kurz und meinte dann: »Herr Mlynek, das ist machbar. Haben Sie noch Fragen?« Spektrum: Aber auch in Zürich hat es Sie nicht gehalten. Mlynek: Die Stelle war auf fünf Jahre befristet, und das war eine wirklich spannende Zeit. Dann kamen verschiedene Angebote für C4-Professuren. Meine Wahl fiel auf die Universität Konstanz, nicht allein weil die Hochschule noch jung war und der Lehrstuhl interessant ausgestaltet wurde. Sondern auch, weil Kollegen uns dort unterstützten, bürokratische Hürden zu nehmen, damit meine Frau in Baden-Württemberg unterrichten durfte. Man hat uns einfach das Gefühl gegeben, dass man sich wirklich freuen würde, wenn wir kommen. Spektrum: Und da begann Ihre große Zeit als Quantenoptiker. Mlynek: Ich hatte schon an der ETH eine Versuchsapparatur für Atomoptik aufgebaut, doch die Experimente standen noch aus. Meine Idee war es, metastabiles Helium mittels Laserkühlung –

Vor drei Jahren wurde der Hauptteil des KATRIN-Spektrometers vom Frachtschiff zum Forschungszentrum Karlsruhe gefahren – ein Transport, der millimetergenau geplant werden musste. In diesem Sommer bauen die Neutrinophysiker die größte HelmholtzSpule der Welt, um KATRIN vor dem Erd­ magnetfeld abzuschirmen. Die ersten Neutrinos aus Tritium-Zerfallsreaktionen sollen 2010 gewogen werden. An diesem Experiment sind rund 125 Wissenschaftler betei­ligt, darunter viele Forscher aus anderen europäischen und amerikanischen Insti­tutionen.

dieses Verfahren war damals die Ultima Ratio – an einem Doppelspalt zu beugen, wie man es vom Licht her kennt, und zur Interferenz zu bringen. Konstanz hat die Apparatur der ETH abgekauft, und bald nach dem Umzug gelang das Experiment. Dann kam die Quantenoptik hinzu, die nichtklassische Photonenzustände und Wechselwirkungen von Materie und Licht untersucht. So habe ich mein Arbeitsgebiet neu ausgerichtet. Spektrum: Und mit Erfolg. Es gibt wohl keinen deutschen Wissenschaftspreis, der Ihnen nicht verliehen wurde. Mlynek: Mich wurmt es nur, dass ich nicht auf die geniale Idee kam, beim Laserkühlen quasi das Licht abzuschalten. Spektrum: Wozu wäre das gut gewesen? Mlynek: Beim Laserkühlen beschießt man Atome aus mehreren Richtungen mit kohärentem Licht, und auf Grund physikalischer Prozesse bremst man dadurch ihre Bewegung. Aber der absolute Nullpunkt ließ sich nicht erreichen, denn zu diesen Prozessen gehört die spontane Emission von Photonen, und deren Rück­ stoß bringt immer Energie in das System ein. Der Trick ist, den Strahl abzuschalten und dafür zu sorgen, dass die schnellsten Atome verdampfen. Dafür erhielt Wolfgang Ketterle 2001 gemeinsam mit den Amerikanern Eric Cornell und Carl Wie97

Helmholtz Zentrum München Forschungszentrum Jülich

W ISSENSCAHFT & K ARRIERE

Drei Beispiele aus dem Forschungsportfolio der Helmholtz-Gemeinschaft: Durch Überexpression des Pax6-Gens wurden Gliazellen des Gehirns der Maus am Institut für Stammzellforschung des Helmholtz

mann den Nobelpreis in Physik. Übrigens hatte ich vorher schon versucht, Ketterle anzuwerben, aber sein damaliger Chef Dave Pritchard brachte ihn als Assistant Professor am MIT unter und überließ ihm den gesamten Bereich Laserkühlung mit den Worten »Ich gebe dir den Autoschlüssel, denn ich weiß, dass du schneller fahren kannst als ich«. Darum geht es eben auch in der Forschung: dass man Talente erkennt. Von den Nachwuchswissenschaftlern, die bei mir gearbeitet haben, sind 15 inzwischen als Professoren im In- und Ausland tätig. Und bei der DFG gehörte die Nachwuchsförderung zu meinen Schwerpunkten. Spektrum: Ein gutes Stichwort. 1996 schwenkte Ihre berufliche Laufbahn in eine neue Richtung, Sie wurden als einer von acht DFG-Vizepräsidenten gewählt. Qualifizierte Sie das für die Wahl zum Präsidenten der Humbold-Universität zu Berlin? Mlynek: Das und meine Fähigkeit, einen Zug zum Anhalten zu bringen (lacht). Als das Amt vakant war, wurde ich gefragt, ob ich Interesse hätte. Den ersten Anruf habe ich ignoriert. Aber die Berliner ließen nicht locker, und zwei, drei Monate später traf ich mich mit der Kuratoriumsvorsitzenden zu einem informellen Gespräch in Radolfzell. Sie kam mit dem Zug, wir setzten uns in ein Café an der Schiffslände, direkt neben dem Bahnhof. Es gab viel zu besprechen, und beinahe hätte sie die Abfahrt verpasst. Ich bin wild gestikulierend zur Lokomotive gespurtet, und tatsächlich hielt sie noch einmal an. Spektrum: Warum hatten Sie sich entschlossen, Ihre erfolgreiche wissenschaftliche Karriere aufzugeben? 98 

Zentrums München zur Neubildung von Nervenzellen angeregt (links). Die Kombination aus einem Magnetresonanztomografen mit 9,4 Tesla Feldstärke und einem Positronenemissionstomogra­fen im

Mlynek: Ich war mit 49 in einem Alter, in dem nicht jeder die Chance erhält, noch einmal etwas ganz anderes zu machen. Ich fragte mich: weiter machen wie bisher oder etwas Neues wagen? Spektrum: Da war nun alles neu ... Mlynek: Mit einem Mal leitete ich eine Institution mit über 30 000 Studierenden und verwaltete einen Haushalt von gut 250 Millionen Euro – das ist ohne die Charité gerechnet. Außerdem waren harte Zeiten angebrochen, und ich muss­ te über 20 Prozent an Geldern einsparen, und zwar ohne betriebsbedingte Kündigungen. Alles in allem war das schon eine neue Welt, ein Sprung ins kalte Wasser. Zumal mir erst einmal auch die Kollegen und alle Abläufe fremd waren. Spektrum: Andererseits kann es von Vorteil sein, wenn man von außen kommt und gleich das Sparschwert schwingen muss. Mlynek: Richtig, man ist niemandem verpflichtet und kann allein an der Sache orientiert agieren. Mein besonderes Augenmerk galt dabei der Qualität von Lehre und Forschung. Das war auch, was ich bei der DFG gelernt hatte: wie man Mechanismen der Qualitätssicherung einführt, beispielsweise durch Evalu­ierungen, wie man trotz aller Sparzwänge Exzellenz fördert, beispielsweise durch Sonderforschungsbereiche, durch Juniorprofessuren. Spektrum: Ist da jeder begeistert mitmarschiert oder gab es Widerstand? Mlynek: Es hat nicht immer nur Spaß gemacht, sicher nicht. Zumal ich durchaus je nach Evaluierung Bereiche, die schwach dastanden, geschlossen habe. Ich war ein Präsident, an dem man sich auch gerieben hat.

Spektrum: Sie wurden dennoch für eine zweite Amtszeit wiedergewählt, wechselten aber kurz darauf an die Spitze der Helmholtz-Gemeinschaft Deutscher Forschungszentren. Das rief Unmut hervor. Mlynek: Was ich verstehen kann. Ge­ plant war das nicht, doch man lebt nur einmal. Die Größenordnung der Helmholtz-Gemeinschaft, nach Mitteln und Personal gut ein Faktor zehn größer, war natürlich ein Anreiz. Außerdem kannte ich die außeruniversitäre Forschung noch gar nicht, und die naturwissenschaftlichtechnische Ausrichtung kam meinen eigenen Interessen entgegen. Spektrum: Wie sah die Situation der Gemeinschaft bei Ihrer Wahl 2005 aus? Mlynek: Diese Institution entstand aus einer Arbeitsgemeinschaft der Großforschungszentren, die nach dem Willen der Regierung stärker vernetzt werden sollte. Dazu dient die 2001 eingeführte so genannte programmorientierte Förderung. Nicht mehr die Zentren erhalten Finanzmittel, sondern sechs übergeordnete Programmbereiche: Energie, Erde und Umwelt, Gesundheit, Schlüsseltechnologien, Struktur der Materie sowie Luftfahrt, Raumfahrt und Verkehr. Alle fünf Jahre treffen sich Vertreter der Zentren und der Politik, um strategische Ziele auf großer Flughöhe zu definieren. Die Wissenschaftler in den Programmen wiederum formulieren auf dieser Grundlage zentrenübergreifende Projekte. Da gibt es dann beispielsweise den Forschungsbereich Energie, darin ein Programm Erneuerbare Energien, und unter diesem Dach wieder verschiedene Projekte zur Fotovoltaik, die vor allem in Berlin und Jülich betrieben werden. Und diese Gruppen erhalten dann direkt ein SPEKTRUM DER WISSENSCHAFT · August 2009

Die Helmholtz-Gemeinschaft der

ESA

GroSSforschungszentren

Forschungszentrum Jülich ermöglicht hochauflösende Bilder der Hirnaktivität (Mitte); vom Satelliten Envisat aufgenommene Massenentwicklung von Phytoplankton vor Irland (rechts).

Budget, und zwar entsprechend der Bewertung durch ein Gutachtergremium, das alle fünf Jahre sein Urteil abgibt. Spektrum: Aber die Zentren sind nach wie vor selbstständig? Mlynek: Das müssen sie auch sein, denn zehn Prozent der Fördermittel kommen von den jeweiligen Ländern. In den Aufsichtsgremien der Zentren sitzen demgemäß auch Landesvertreter. Spektrum: Dennoch haben die Großforschungseinrichtungen ein Stück Autonomie verloren. Mlynek: Die Helmholtz-Gemeinschaft hat sich auf die Fahne geschrieben, Fragen von nationaler Bedeutung durch Spitzenforschung zu beantworten und diese Antworten in die Gesellschaft und Wirtschaft einzubringen. Das lässt sich heutzutage nur gemeinsam erreichen. Die Politik belohnte diese Bereitschaft zur Vernetzung durch einen Zuwachs in den Fördermitteln und Autonomie der gesamten Gemeinschaft. Wir erhalten zwar eine forschungspolitische Vorgabe, sind aber bei der Ausgestaltung im Wesentlichen nur an wissenschaftliche und strategische Kriterien gebunden. Spektrum: Zusätzlich zum beschriebenden Budget gibt es noch einen Impuls- und Vernetzungsfonds von 57 Millionen Euro – was hat es damit auf sich? Mlynek: Er dient beispielsweise dazu, Zentren mit Universitäten zu vernetzen, den wichtigsten strategischen Partnern der Helmholtz-Gemeinschaft. Damit fördern wir zum Beispiel die HelmholtzNachwuchsgruppen, deren Leiter zunächst befristet angestellt sind, bei positiver Evaluierung aber eine verlässliche Karriereperspektive haben. In der Regel können die Nachwuchsgruppenleiter neSPEKTRUM DER WISSENSCHAFT · August 2009

In der Helmholtz-Gemeinschaft haben sich 16 naturwissenschaftlich-technische und medizinisch-biologische Forschungszentren zu­sammengeschlossen. Ihre Aufgabe ist es, langfristige Forschungsziele zu verfolgen, die dazu beitragen, Lebensgrundlagen des Men­ schen­ zu erhalten und zu verbessern. Dazu identifiziert und bearbeitet sie große und drängende Fragen von Gesellschaft, Wissenschaft und Wirtschaft durch strategisch-programmatisch ausgerichtete Spitzenforschung in sechs Forschungsbereichen: Energie, Erde und Umwelt, Gesundheit, Schlüsseltechnologien, Struktur der Materie sowie Luftfahrt, Raumfahrt und Verkehr. Die HelmholtzGemeinschaft ist mit 28 000 Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern und einem Jahresbudget von rund 2,8 Milliarden Euro die größte Wissenschaftsorganisation Deutschlands. Ihre Arbeit steht in der Tradition des großen Naturforschers Hermann von Helmholtz (1821 – 1894).

ben ihrer eigenen Stelle drei Mitarbeiter sowie die Laborausstattung finanzieren. Spektrum: Das entspricht aber noch nicht dem Motto »Think big«. Mlynek: Wir fördern auch Allianzen mit Hochschulen mit jeweils 50 Millionen Euro über fünf Jahre. 25 Millionen kommen dabei aus dem Impuls- und Vernetzungsfonds, weitere 25 von den Helmholtz-Zentren und ihren universitären Partnern. Dieses Geld nehmen wir in die Hand, wenn es um Fragen geht, die für die Helmholtz-Gemeinschaft von strategischer Bedeutung sind. Ein Beispiel ist die Allianz »Physics at the Terascale«. Darin arbeiten 18 Hochschulen, ein Max-Planck-Institut und die HelmholtzZentren DESY und Forschungszentrum Karlsruhe zusammen, um deutsche Kompetenz in der Teilchenphysik zu erhalten. Denn die findet ja inzwischen weit gehend am CERN in Genf statt, und es bestand die große Gefahr, dass entsprechende Lehrstühle hier zu Lande in andere Fächer umgewidmet werden. Spektrum: Wie passt die Fusion des Forschungszentrums Karlsruhe mit der dortigen Hochschule zum Karlsruher Institut für Technologie ins Bild? Mlynek: Zunächst einmal ist KIT eine Forschungsallianz neuer Qualität. Da wer­den Stärken gebündelt, um die Schlag­zahl zu erhöhen. Beispielsweise durch gemeinsame langfristige Planung, Berufun­gen entsprechender internationaler Experten, Mobilisierung von Ressourcen. Die finanzielle Ausstattung seitens der Helmholtz-Gemeinschaft wird weiterhin gemäß der programmorientierten Förderung zugewiesen, und der Helmholtz-Anteil des KIT arbeitet weiter an den Helmholtz-Themen. Es wird

keine Verbreiterung im Sinn einer universitären Ausrichtung geben. Im Endeffekt geht es doch darum, sich zu fragen, was man über die Grenzen der Institutio­ nen hinweg erreichen will. Spektrum: Erhält der Bund durch eine Partnerschaft der Helmholtz-Gemeinschaft mit den länderfinanzierten Hochschulen nicht auch eine Möglichkeit, in Belange der Universitäten einzugreifen? Mlynek: Über die programmorientierte Förderung beziehungsweise den Impulsund Vernetzungsfonds werden Akzente in der Forschungslandschaft gesetzt, die den strategischen Zielen entsprechen, die von der Helmholtz-Gemeinschaft gemeinsam mit den Ministerien entwickelt wurden. Es geht um die Etablierung nationaler Forschung, um einen konzertierten deutschen Weg, damit wir mehr erreichen, trotz limitierter Ressourcen. Spektrum: Verstärkt nicht beispielsweise das Aufgehen des Forschungszentrums Karlsruhe im KIT die geringere Sichtbarkeit der Helmholtz-Gemeinschaft im Vergleich zur Max-Planck- oder Fraunhofer-Gesellschaft? Mlynek: In den vergangenen drei Jahren haben sich mehr als ein Drittel unserer Einrichtungen zu einer Umbenennung entschlossen und bezeichnen sich nun explizit als »Helmholtz-Zentren«. Die HGF in ihrer jetzigen Form ist ja eine noch sehr junge Institution. Ich glaube aber, durch die Verschränkung der Gruppen im Rahmen von Programmen und Projekten entsteht bereits ein Helmholtz-Gefühl, das notwendig ist, um eine starke Gemeinschaft zu schaffen. Das Interview führten Reinhard Breuer und Klaus-Dieter Linsmeier.

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REZENSIONEN Wissenschaftsgeschichte

Briefe aus einer stürmischen Zeit Anhand des Briefwechsels zwischen Galilei und Kepler gelingt Thomas de Padova eine neue Darstellung einer revolutionären, viel beschriebenen Epoche.

G

alileo Galilei (1564 – 1642) landet den Coup des Jahrhunderts: Der Forscher an der Universität in Padua hört über Umwege von einem holländischen Teleskop, baut es selbst nach, verbessert das Gerät gleich mehrfach – und richtet das Ding alsbald zum Himmel: Mond, Jupiter, Venus, Sonne. Jedes Mal purzeln Sensationen. Um sich die Priorität zu sichern, publiziert er seine Be­ obachtungen in Windeseile, Galileis »Ster­ nenbote« erscheint. Schon vorab aber er­ fährt Johannes Kepler (1571 – 1630) über einen Freund von den neu entdeckten Jupi­ termonden und ist geschockt. Aufgeregt schreibt der kaiserliche Ma­ thematiker am Hof Rudolfs II. von Prag an Galilei: »Schon lange saß ich untätig zu Hause herum, immer nur in Gedanken an dich und einen Brief von dir, unübertreff­ licher Galilei …« Kepler breitet sein Inners­

tes aus: Es »befiel mich bei näherem Nach­ denken über das Unglaubliche, was ich gehört habe, solches Staunen, bestürmten mich solche Gemütserregungen, dass er vor Freude, ich vor Schamgefühl, jeder lachend in der Verwirrung über die Neuigkeit, er nicht genug erzählen, ich nicht genug hören konnte.« Ein neues Zeitalter der Welterkun­ dung kann beginnen – und der erschütterte Kepler hat es sofort begriffen. Eigentlich hätte ich nicht geglaubt, dass man noch ein weiteres Buch über Galilei und Kepler auf den Markt bringen könne, selbst wenn die Erfindung des Fernrohrs ih­ ren 400. Jahrestag hat und die Verleger im Internationalen Jahr der Astronomie mit Jubiläumswerken um sich werfen wollen. Denn kaum eine Epoche wissenschaftlicher Umbrüche ist – fachlich wie populär – bes­ ser beackert worden als das Jahrhundert zwischen Kopernikus und Newton, mit Kep­ ler und Galilei in der Mitte. Der Wissenschaftsautor Thomas de Pa­ dova hat es dennoch gewagt – und die Auf­ gabe elegant gelöst. Um gegen die Über­ macht seiner Vorgänger zu bestehen, nimmt sich de Padova den Briefwechsel zwischen den beiden Protagonisten vor. An diesem roten Faden kann er nicht nur die wis­ senschaftlichen Großereignisse aufhängen, son­dern diese auch zwanglos in die Lebens­ läufe der Protagonisten und die politischen Hintergründe einbetten. Warum erweist sich der durchaus spora­ dische und oft kryptische Briefwechsel als so ergiebig? Er erlaubt es dem Autor, zwi­ schen den beiden Figuren hin- und herzu­ springen, ohne sich sklavisch an die Chro­ nologie halten zu müssen. Ausgestattet mit solchen Freiheiten konzentriert sich de Pa­ dova auf das Wesentliche: die großen Umund Durchbrüche der Naturwissenschaft zu

Der Tempel der Astronomie, den Kepler für seine »Rudolfinischen Tafeln« entworfen hat. Die Säulen bilden Hipparchos und Ptole­ mäus, Kopernikus und Tycho Brahe. Für sich selbst dagegen hat Kepler einen bescheide­ nen Platz im Sockel unten links gewählt.

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Zeiten von Kepler und Galilei. Zugleich ent­ hüllen die Briefe, wie unterschiedlich Cha­ raktere und Motive der beiden Forscher sind, wie sehr sie auch manchen traditio­ nellen Gedankenwelten verhaftet bleiben, während sie doch gleichzeitig eine Revolu­ tion der Wissenschaft anzetteln. Überhaupt ist »Briefwechsel« in diesem Fall eher ein Euphemismus. Man kann sich kaum zwei unterschiedlichere Charaktere als Briefpartner vorstellen. Kepler meldet sich oft spontan, fast unterwürfig flehend, dann wieder hochfahrend und auf seine Ideen pochend – und muss dann manchmal Jahre auf eine Antwort warten. Denn Galilei äußert sich nur, wenn es ihm in den Kram passt: wenn er etwa ein Gutachten braucht, um eine Professur in Padua oder eine Posi­ tion am Florentiner Hof zu ergattern. Oder er will seine Priorität für eine Entdeckung sichern, ohne sie seinem um Informationen bettelnden Kollegen wirklich preiszugeben. Dann schickt er dem armen Kepler verklau­ sulierte Anagramme, worüber dieser ver­ zweifelt, weil er sie nicht enträtseln kann. Doch Galileis Entdeckungen beflügeln Kepler trotz dieser Wechselbäder zu Höhen­ flügen. Nach seinem Kommentar zum »Ster­ nenboten« schreibt er sein Fundamental­ werk »Dioptrik«, worin er auch eine Theorie des Sehens entwirft und korrekt die Netz­ haut als den sehenden Teil des Auges er­ kennt. Später verfasst er, als Dank für ein Fernrohr, das er leider von Galilei trotz Bet­ telns nicht geschenkt bekam, seine Abhand­ lung über Schneekristalle. Es sind nicht nur diese Exkurse in die heute weniger bekannten Erkenntnisse bei­ der Giganten des Geistes, die dieses Buch so interessant machen. De Padova bezieht die Geschichte der Vorläufer ebenso ein wie die Schicksale ihrer Familien, Freunde und Berater. Er zeigt die politischen Verwir­ rungen, die vor allem Kepler immer wieder hart treffen und bisweilen zur Flucht veran­ lassen. Noch auf seiner letzten Reise nach Regensburg, wo er 1630 stirbt, will er am Reichstag sein ausstehendes Gehalt als Hof­ mathematiker eintreiben. Der Autor gräbt auch allerlei Kurioses aus, etwa die Tatsa­ che, dass in Keplers Studienort Tübingen und in Graz, wo er als Lehrer erste Arbeit fand, noch unterschiedliche Kalender gal­ ten. Der Kalenderwirrwarr hielt in Deutsch­ land noch bis etwa 1700 an; so lange brauchten die protestantischen Landesfürs­ ten, um sich einzugestehen, dass ein Papst, nämlich Gregor XIII. mit seiner Kalenderre­ form von 1582, auch einmal etwas Vernünf­ tiges dekretiert hatte. SPEKTRUM DER WISSENSCHAFT · August 2009

Kleinere Mängel haben mich gestört. So hätte man sich ein gründlicheres Lektorat gewünscht, das alle erzwungenen Tren­ nungen beseitigt und fehlende Wörter er­ gänzt. Ein Sachregister fehlt, und die Lite­ ratur ist umständlich kapitelweise sortiert, was die Nachsuche sehr erschwert. Ku­rio­ serweise findet Keplers Entdeckung einer Supernova von 1604 keine Erwähnung, zu­ mal auch Galilei über den »neuen Stern« Vorträge hielt und mit Hilfe der Parallaxe zeigte, dass er jenseits des Mondes liegen musste. Wer sich aber für die großen Umwälzungen in der abendländischen Wissenschaft

interessiert, der findet in diesem Buch eine originelle, kundige und spannend geschrie­ bene Darstellung zweier ihrer wichtigsten Protagonisten, eingebettet in das politische Durcheinander ihrer Zeit. Reinhard Breuer Der Rezensent ist habilitierter Physiker und Chef­ redakteur von »Spektrum der Wissenschaft«.

Thomas de Padova Das Weltgeheimnis Kepler, Galilei und die Vermessung des Himmels Piper, München 2009. 352 Seiten, € 19,95

Frohe Botschaften

Vermischtes

Wider den Katastrophenkonsens

Dirk Maxeiner & Michael Miersch über den alltäglichen Wahnsinn

Das Buch Das Autorengespann Maxeiner und Miersch nimmt die Leser mit auf eine amüsante Besichtigungstour durch den deutschen Alltag. Sie erkunden das Lebensgefühl der Nation mit unverstellten Blick und gesundem Menschenverstand, beschreiben Ikonen und Fetische: Golden Retriever und Eisbär, Che Guevara und Pace-Fahne, Windrad und Waldorfschule, erogene und genfreie Zonen. Ihre Sicht auf gesellschaftliche Trends ist immer wieder verblüffend. Sie demontieren das statische Weltbild der Kulturpessimisten und Endzeitpropheten und streiten gegen staatliche Regulierungswut. Sie plädieren für Fortschritt und Wandel, und eine treffende Pointe ist ihnen allemal lieber als falscher Respekt. Mit ihren Zwischenrufen kündigen sie angriffslustig den ach so geliebten Konsens auf. Angst vor Risiko und Konflikten sowie die sture Wahrung alter Besitzstände sind Maxeiner und Miersch ein Graus – genau wie Humorlosigkeit. »Diese beiden Witzbolde riechen den Wind, den Sturm und die Flauten«, schrieb Wolf Biermann, »sie sind frech und dennoch tief.« »Sie zählen zu den renommiertesten Kolumnisten der Republik. Moral gibt es bei ihnen immer indirekt und garantiert moralinfrei. Und trotzdem würde ich die beiden als Moralisten bezeichnen«, urteilte Rainer Hank, Ressortleiter Wirtschaft der »Frankfurter Allgemeinen Sonntagszeitung«. Und selbst Kanzlerin Angela Merkel meint: »Es gefällt mir, was die beiden so schreiben.«

wjs

Die Welt wird täglich besser, aber die Leute wollen es nicht hören, sagen Dirk Maxeiner und Michael Miersch.

K

eine Uhrzeit wird so oft zitiert wie »fünf vor zwölf«. Dann naht nicht etwa die ver­ diente Mittagspause, sondern das Ende der Welt. Atomkraftgegner sehen es kommen, weil immer noch kein Endlager für den strahlenden Müll gefunden wurde und je­ derzeit ein marodes Atomkraftwerk in Ost­ europa hochgehen könnte; Gentechnikgeg­ ner, weil gentechnisch veränderte Kartoffeln nun auch in Deutschland angebaut werden dürfen; und Artenschützer, weil Wälder in rasantem Tempo vernichtet werden. Die Uhren des Autorenduos Dirk Max­ einer und Michael Miersch zeigen eine frühere, weit weniger beängstigende Uhr­ zeit, etwa zwölf vor fünf. In ihrem neuen Buch haben sie zahlreiche ihrer Kolumnen zusammengetragen, die in der »Welt« er­ schienen sind. Kein Zweifel: Diese Journalisten sind Op­ timisten. Das war wohl früher anders, als beide noch leitende Redakteure beim Um­ weltmagazin »Natur« waren und über Wald­ sterben, Robbensterben, Insektensterben und Vogelsterben schrieben. Für positive Umweltmeldungen, etwa dass der Rhein sauberer wurde, war damals die falsche Zeit. Auch heute, so die Meinung der Auto­ ren, üben sich die Deutschen im Katastro­ phenkonsens. Den wollen sie mit ihrem neu­ en Buch bekämpfen. Sind so genannte eingeschleppte Arten tatsächlich eine Bedrohung für die hei­ SPEKTRUM DER WISSENSCHAFT · August 2009 

Schmuddelbetriebe gebe, sei in vielen Zir­ kussen die Tierhaltung nicht zu beanstan­ den. Aber Moralaktivisten würden eine ein­ mal begonnene Sache ohne Ansehen der Realität bis zum Ende durchziehen. Sie wür­ den erst Ruhe geben, wenn der letzte noch so sichere Atommeiler abgeschaltet und das letzte Zirkustier befreit sei. Natürlich sollte man nicht die Augen vor den – möglicherweise verbesserten – Fak­ ten verschließen. Aber die Behausungen vieler Zirkustiere sind immer noch nicht art­ gerecht, und bei der Atomkraft geht es nicht nur um die Sicherheit der Kraftwerke, son­ dern auch um die Endlagerung des Atom­ mülls. Selbst wenn schon viel erreicht wur­ Vom Sieg des Golden Retrievers de, es geht noch besser, liebe Autoren! über den deutschen Schäferhund Maxeiner und Miersch schreiben witzig, haben interessante Themen – mit Ausnah­ men: Wozu muss ich wissen, wie eine Gar­ tenparty ablief, bei der die Autoren zugegen waren? – und geben bei manchen Themen dem Leser Anlass, seine Position neu zu überdenken (»Finde ich Wölfe in Deutsch­ land vielleicht doch okay?«). Gelegentlich lassen sie auch ihre Kritiker zu Wort kom­ men und führen Zahlen als Belege für ihre Aussagen an. Im Vordergrund steht jedoch ihre eigene Meinung, und die ist oftmals eher provokant. Da fallen manches Mal auch wichtige Argumente unter den Tisch. In ihrer Kolum­ ne »Wir sind die neuen Grünen« heißt es: »Die Gentechnik verringert den Einsatz von Pes­tiziden, sorgt für mehr Ertrag und damit für weniger Flächenbedarf.« Das kann ja alles zutreffen, doch führen Maxeiner und Miersch weder die problematische Mono­ polstellung der Konzerne an, die gentech­ nisch verändertes Saatgut herstellen, noch gehen sie darauf ein, dass gentechnisch veränderte Pflanzen die Qualität der Bio­ gewächse auf dem Nachbarfeld gefährden können. Da wäre an manchen Stellen mehr Ausgewogenheit angebracht gewesen. Alles in allem ist »Frohe Botschaften« aber ein Buch mit vielen interessanten Bei­ trägen. Jeder einzelne für sich ist schnell ge­ lesen – und gibt Stoff für deutlich längeres Nachdenken.

Frohe Botschaften Maxeiner & Miersch über den alltäglichen Wahnsinn 208 Seiten Gebunden mit Schutzumschlag Format: 12 x 18 cm r (D) 18,-/r (A) 18,50/sFr 31,90 ISBN 978-3-937989-39-6

mische Flora und Fauna? Wachsen Kinder heutzutage wirklich in einer gefährlicheren Umwelt auf als damals? Was ist so schlimm daran, dass der Wolf Deutschland wieder als Lebensraum entdeckt? In jedem Beitrag beantworten Maxeiner und Miersch eine derartige Frage – so kurz, wie eine Kolumne eben Platz lässt. Einige Beispiele: Im Kapitel »Wald und Wetter« lästern die Autoren über die »neu­ en Grünen« wie George Clooney oder Julia Roberts, die es neuerdings schick finden, die Welt zu retten, aber nur »apokalyptischen Schmarrn« verbreiten, wenn sie den »plane­ taren Notstand« ausrufen. Konkret: Sie dür­ fen gerne für die gute Sache löhnen, sollen aber bitte nicht die Welt mit ihren grünen Pa­ rolen zu retten versuchen. In einem anderen Beitrag im Kapitel »Chemie und Wahnsinn«, in dem es um den Kampf gegen Durchfall­ erkrankungen und HIV geht, schreiben Max­ einer und Miersch: »Wir wollen hier den Ein­ satz von Prominenten auf Spendengalas und Konzerten gar nicht gering schätzen, doch ein wenig mehr Aufmerksamkeit und öffent­ liches Lob für die unbekannten Menschen­ retter in den Labors und Forschungseinrich­ tungen dürfte es schon sein.« Versöhnliche Töne der Autoren, die doch sonst meist eine Seite oder Partei kriti­sieren. Eine weitere Kolumne, diesmal aus der Rubrik »Wild und Geflügel«, befasst sich mit Zirkustieren. Auch wenn es noch kleine 783937 989396

Die Autoren Dirk Maxeiner (geb. 1953) und Michael Miersch (geb. 1956) sind Autoren und Publizisten. Als Berater unterstützen sie die Chefredaktionen großer Zeitschriften. Miersch arbeitet außerdem als Dokumentarfilmer. Gemeinsam verfasst das Autorengespann eine wöchentliche Kolumne für »Die Welt«. Ihre Bücher wurden in viele Sprachen übersetzt und erhielten zahlreiche Preise, unter anderem zweimal den Preis für das »Wissenschaftsbuch des Jahres« und den Ludwig-ErhardPreis. Sie sind begeisterter Blogger und Mitglieder des publizistischen Netzwerks »Die Achse des Guten« (www.achgut.de).

Jochen Steiner Der Rezensent ist freier Wissenschaftsjournalist in Mainz.

Dirk Maxeiner, Michael Miersch Frohe Botschaften Maxeiner & Miersch über den alltäglichen Wahnsinn wjs, Berlin 2008. 208 Seiten, € 18,–

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REZENSIONEN

Wirtschaftswissenschaft

Abschied vom Zyklus der Theorien Gegen die mit der Wirtschaftslage wechselnden Managementphilosophien setzt Gunter Dueck eine Kultur des rechten Maßes, des Vertrauens und des Respekts.

D

er klassische Homo oeconomicus, der stets nur seinen eigenen Vorteil an­ strebt und sonst gar nichts, und der in dem, was er will (seinen »Präferenzen«), einiger­ maßen beständig in der Zeit ist, dieses rati­ onale Kunstwesen ist in der Wirklichkeit praktisch nicht zu finden. Das haben auch die Wirtschaftswissenschaftler längst be­ griffen. Gleichwohl halten die meisten von ihnen an dem Konzept fest, weil man sonst eine Theorie weder bestätigen noch wider­ legen könnte. Für jeden beobachteten Effekt stünde ja eine Veränderung der Präferenzen der Wirtschaftssubjekte als konkurrierende Erklärung bereit. Gunter Dueck, Cheftechnologe von IBM, produktiver Buchautor (Spektrum der Wis­ senschaft 11/2000, S. 101, 9/2002, S. 114, 11/2003, S. 88, 4/2004, S. 101, 3/2005, S. 108, und 10/2005, S. 102) und Wissen­ schaftsblogger (http://www.wissenslogs.de/ wblogs/blog/wild-dueck-blog/) geht über diese Kritik an der nach wie vor herrschen­ den Wirtschaftswissenschaft noch mehrere Schritte hinaus. Nicht nur die Präferenzen der Menschen ändern sich, wenn gute Zeiten von schlechten abgelöst werden. Mit der Wirtschaftslage wandeln sich auch die The­ orien, die Managementphilosophien und daraufhin, mit einer gewissen Zeitverzöge­ rung, die Bedingungen, denen die Menschen im Arbeitsleben ausgesetzt sind. Aus vielen Blickwinkeln beleuchtet ­Dueck den Wechsel von der frühen, expan­ siven Innovationsphase zu den fetten Zeiten der späten Aufschwungphase, weiter zu den heftigen Bestandswahrungskämpfen des beginnenden Abschwungs und dem Arbeits­ leben unter den üblen Bedingungen des »Prekariats« bis zum Zusammenbruch alt­ gewohnter Industriezweige und Geschäfts­ modelle. Gemeint ist nicht das übliche Auf und Ab der Konjunktur, sondern die nach mehreren Jahrzehnten zählenden, durch ­Basisinnovationen getriebenen Zyklen, die nach dem russischen Ökonomen Nikolai Kondratjeff (1892 – 1938) benannt sind. Die heute grassierenden Schlagwörter wie human supply chain management (für Personalverwaltung) oder shareholder value,

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die Einteilung der Mitarbeiter in Leistungs­ träger und low performer, welch Letzterer man sich möglichst bald entledigen sollte, den – weit gehend zum Scheitern verurteil­ ten – Versuch, jede kleine Einzelleistung messbar zu machen, den Dueck schon in seinen Büchern »Wild Duck« und »Supra­ manie« als »Omnimetrie« angeprangert hat, und weitere Grausamkeiten fasst Dueck nach Douglas McGregor (1906 – 1964), Pro­ fessor für Management am MIT, unter »The­ orie X« zusammen. Das ist die Theorie, die im Abschwung die Oberhand gewinnt, wäh­ rend im Aufschwung Theorie Y blüht: Mit­ arbeiter sind von sich aus zum Arbeiten ­motiviert, leisten Großes, weil man ihnen Vertrauen entgegenbringt und Freiräume öffnet, und die Gängelung und Kontrolliere­ rei, die in der Abschwungphase jede Kreati­ vität ersticken, erübrigen sich. Eigentlich, sollte man denken, kann von beiden Theorien nur eine richtig sein; wa­ rum verwirft man nicht die andere oder macht aus beiden zusammen eine bessere? Dueck begründet das mit einem sehr verein­ fachten Modell, das gleichwohl die Sache auf den Punkt bringt: dem viel zitierten Ge­ fangenendilemma. Die dort beschriebene Situation bringt beiden Beteilig­ten einen günstigen Ausgang, wenn sie einander ver­ trauen und danach handeln (»kooperie­ ren«). Wenn einem von ihnen das Vertrauen fehlt oder er auch nur das Misstrauen des anderen fürchtet, ist die andere Strategie (»Betrügen«) optimal – mit katastrophalen Folgen für beide. Aber: Vertrauen ist regel­ mäßig kein Gegenstand der Theorie. Die jeweils geltende Theorie beeinflusst den Menschen bis tief ins Bauchgefühl und den Hormonhaushalt hinein. Freundliche Hilfeleistung unter Kollegen stirbt aus, wenn jeder nur noch nach feinteiligen Leistungs­ kennzahlen bewertet wird. Wenn allgemein Geiz als geil gilt und das Schnäppchenja­ gen, auch auf Kosten anderer, zum Standard wird, erscheint sogar das eigentlich krimi­ nelle Verkaufen undurchschaubarer Zertifi­ kate an Ahnungslose, das der derzeitigen Finanzkrise ihre ungeheure Breitenwirkung beschert hat, als legitim.

Deswegen kann auch Dueck kein Verfah­ ren anbieten, um der Theorie Y, die er selbst von ganzem Herzen vertritt, zu mehr Gel­ tung zu verhelfen. Es bleiben nur indirekte Rezepte: das wilde Auf und Ab der Wirt­ schaftszyklen dämpfen; sich auf dem Höhe­ punkt des Aufschwungs das Fett gar nicht erst zulegen, das man in härteren Zeiten so mühsam abbauen muss. Aber das klingt al­ les sehr idealistisch. Die Maßhalteappelle Ludwig Erhards aus den 1960er Jahren wur­ den ja auch mehrheitlich als komisch emp­ funden. Duecks Ideen zur Abhilfe wirken wie sehr zarte Pflänzchen. Aber manche gedeihen. ➤  Der Autohersteller Toyota praktiziert seit 1950 über alle Schwankungen der Ab­ satzzahlen hinweg überaus erfolgreich eine Philosophie des Maßhaltens, der Orien­ tierung an Qualität und der Achtsamkeit gegenüber den Mitarbeitern (»Kaizen«). Obwohl die Prinzipien in allen Details ver­ öffentlicht sind, will es anderen Unterneh­ men nicht gelingen, sie anzuwenden. ➤  Inflation ist Ergebnis eines Wettlaufs, in dem jeder Beteiligte auf Kosten der anderen Schaden von sich zu wenden versucht, und somit ein typisches Beispiel für die üblen Folgen des Zusammenbruchs von Vertrauen. Gleichwohl ist es durch beharrliches inter­ nationales Bemühen gelungen, das schon verloren gegangene Vertrauen neu zu eta­ blieren, mit dem Effekt, dass Inflation heute kein ernsthaftes Problem mehr darstellt. ➤  Ausgerechnet ein schon recht kräftiges Pflänzchen des beginnenden neuen Auf­ schwungs demonstriert uns, wie mit einem sehr automatisierten Hilfsmittel Vertrauen aufzubauen ist: das Bewertungssystem des Online-Auktionshauses E-Bay. Mit seinen Vorträgen vor Managern zum Thema erntet Dueck regelmäßig Begeiste­ rung – und hinterher machen seine Zuhörer regelmäßig so weiter wie bisher. So berich­ tet er selbst, und das leuchtet ein. Immer­ hin propagiert Dueck ein ziemlich radikales Umdenken. Konkrete Handlungsanweisungen darf man nicht erwarten, wohl aber eine neue Gesamtschau, über die es lange nach­ zudenken gilt. Christoph Pöppe Der Rezensent ist Redakteur bei »Spektrum der Wissenschaft«. Gunter Dueck Abschied vom Homo oeconomicus Warum wir eine neue ökonomische Vernunft brauchen Eichborn, Frankfurt am Main 2008. 251 Seiten, € 22,95

SPEKTRUM DER WISSENSCHAFT · August 2009

NEUERSCHEINUNGEN EPOC 5/2009 epoc ist das moderne Magazin für Archäologie und Geschichte. Bleiben Sie bei der wissenschaftlichen Erforschung unserer Vergangenheit auf dem Laufenden! Themen in epoc 5/2009 sind u. a.: >> Magie im Mittelalter: von Waldgeistern, Kobolden und Dämonen >> Serie »Epochen Europas«: freies Europa >> Papyrologie: auf der Suche nach verlorenem Wissen >> Krieg und Frieden: Roms Militärapparat unter Kaiser Augustus >> 44 Seiten Sonderteil: James Cook und die Entdeckung der Südsee epoc kostet € 7,90 als Einzelheft und ist auch im Abonnement (6 Ausgaben pro Jahr) für € 40,50 inkl. Inlandsporto (ermäßigt auf Nachweis € 34,50) zu beziehen.

AB 07. 08. 09 IM HANDEL!

SPEKTRUM-SPEZIAL »GESCHICHTEN AUS DER MATHEMATIK« Briefmarken erzählen Geschichten – und wenn man genau hinschaut, erzählen sie sogar die unglaublichsten Geschichten aus der Wissenschaft. Heinz Klaus Strick, ehemaliger Chef des Landrat-LucasGymnasiums in Leverkusen-Opladen, porträtiert mit Hilfe der kleinen, bunten Wertpapiere zahlreiche Mathematiker, von Thales von Milet bis zu Andrei Kolmogorow, mitsamt ihren Errungenschaften. Eine farbenfrohe Geschichte der Mathematik anhand von Einzelschicksalen. Lesen Sie Anekdotisches über: Thales von Milet, Phythagoras von Samos, Archimedes von Syrakus, Liu Hui, Leonardo von Pisa, Nasir Al-Din Al-Tusi, Leonardo Da Vinci, René Descartes, Evangelista Torricelli, Isaac Newton, Gottfried Wilhelm Leibniz, Pierre Louis Moreau de Maupertuis, Leonhard Euler, Edmond Halley, Bernard Bolzano und viele mehr. Das Spektrum-Spezial »Geschichten aus der Mathematik« kostet € 8,90.

AB 31. 07. 09 IM HANDEL!

SPEKTRUM-DOSSIER »DIE FIEBERNDE ERDE Die Indizien für die globale Erwärmung haben sich durch zahlreiche Messreihen, zunehmendes Verständnis des Klimasystems und die Verfeinerung der Computermodelle Stück für Stück vermehrt. Zugleich sind im Lauf der vergangenen 20 Jahre die Belege für die Schuld des Menschen an der Entwicklung gewachsen. Doch was können wir gegen die globale Erwärmung unternehmen? Themen sind u. a.: >> Die Wissenschaft hinter dem Klimawandel: Argumente und verbleibende Unsicherheiten >> Die Ethik des Klimawandels: Wohlstandsverzicht gegen den Klimawandel? >> Amerikas Weg ins solare Zeitalter: Wie die USA bis 2050 mit Sonnenenergie von Ölimporten unabhängig werden könnten Spektrum-Dossiers kosten € 8,90 als Einzelheft und sind auch im Abonnement (6 Ausgaben/Jahr) für € 44,40 inkl. Inlandsporto (ermäßigt auf Nachweis € 38,40) zu beziehen.

IM HANDEL ERHÄLTLICH!

GEHIRN&GEIST-SERIE »PUBERTÄT – SO FINDEN JUGENDLICHE IHREN WEG« Heute prägen die interaktiven Medien wie PC, Internet und Mobiltelefon die Lebenswelt unserer Kinder. Die Kehrseite der Vernetzung: Auch Schikanen und Gewalt unter Schülern haben neue Dimensionen angenommen. Die Opfer werden im Internet oder per SMS bloßgestellt und Probleme wie Schuleschwänzen, Drogen sowie Essstörungen spielen eine immer größere Rolle. Der vierte Teil der Gehirn&Geist-Serie – Kindesentwicklung, »Pubertät – So finden Jugendliche ihren Weg«, stellt die wichtigsten Erkenntnisse zum Thema Pubertät vor und gibt psychologische Hilfestellung für Eltern, Lehrer und Erzieher. € 8,90; weitere Infos zur Serie Kindesentwicklung finden Sie unter www.gehirn-und-geist.de/serie

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w w w. s p e k t r u m . c o m / l e s e r s h o p Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH | Slevogtstraße 3–5 | 69126 Heidelberg | Tel.: 06221 9126-743 | Fax: 06221 9126-751 [email protected]

REZENSIONEN

Ornithologie

Alle Vögel sind schon drin Håkan Delin und Lars Svensson haben den »Hamlyn Guide« runderneuert, um schnell und sicher durch die europäische Vogelwelt zu führen.

Arthur

Blauracke

Singer

Arthur

Singer

D

direkt bei: www.science-shop.de per E-Mail: [email protected] telefonisch: 06221 9126-841 per Fax: 06221 9126-869

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Delin

Strichelschwirl

Reinhard Lassek Der Rezensent ist promovierter Biologe und ar­ beitet als freier Journalist in Celle.

Peter Singer Arthur

sichtigt, wenngleich einige von ihnen in den Verbreitungskarten enthalten sind. Die Kon­ zentration auf die europäische Kernregion gestattet eine umso ausführlichere Dar­ stellung aller europäischen Brutvogelarten, desgleichen auch die der regelmäßig durchziehenden Arten sowie der häu­ figsten »Irrgäste«. Delin und Svensson charakteri­ sieren sämtliche rund 500 euro­ päischen Vogelarten in 1800 de­ tailgenauen Farbzeichnungen und 483 Verbreitungskarten. Die prägnanten Be­ gleittexte beschreiben die allgemeinen Ge­ fiedermerkmale, die Unterschiede zwischen Männchen und Weibchen sowie die Jugendund Schlichtkleider und die wichtigsten Un­ terschiede zwischen verschiedenen Rassen, ferner das Verhalten, die Rufe und Gesänge sowie die Verbreitung und Häufigkeit einer jeden Art. Ergänzt werden die »Steckbriefe« durch spezielle Hinweise zur Vogelbeobach­ tung und Artbestimmung. Um diesen Feldführer »buchstäblich tragbar zu halten«, mussten die Auto­ren nach eigenem Eingeständnis auf man­che Feinheiten, die für Fachleute bei ihrer Bestimmungsarbeit oftmals entscheidend sind, verzichten. Für den, der es noch ge­ nauer wissen möchte, verweist der Anhang auf weiterführende Literatur sowie Adres­ sen hilfreicher Institutionen. Delin und Svensson bieten nicht nur dem Anfänger, sondern auch dem fortgeschrit­ tenen Vogelfreund zuverlässige Begleitung an. Ihrem vorzüglichen Bestimmungsbuch ist eine flächendeckende geografische Ver­ breitung zu wünschen.

Hayman

Rauchschwalbe

Bienenfresser

Rohrschwirl

Hayman

Alle rezensierten Bücher können Sie in unserem Science-Shop bestellen

Håkan

Peter

Schwarzkehlchen

er legendäre britische »Hamlyn Guide« präsentierte 1970 – nach amerikani­ schem Vorbild – erstmals für die europä­ ische Vogelwelt alle wichtigen Informati­ onen zur Bestimmung einer Art in Text, Farbtafel und Verbreitungskarte auf einer Doppelseite. Diese Darstellungsform hat sich in der Praxis glänzend bewährt, wurde von vielen Verlagen übernommen und liegt auch der vorliegenden, in langjähriger Ar­ beit erstellten Neufassung zu Grunde. Der in der Nähe von Stockholm lebende Arzt Håkan Delin gilt nicht nur als einer der kompetentesten Feldornithologen Schwe­ dens, sondern auch als renommierter Vogel­ maler. Für dieses Buch fertigte er unter an­ derem die Farbtafeln für Gänse, Seetaucher, Kraniche, Eulen und Spechte an. Über großes zeichnerisches Talent verfügt auch Lars Svensson, Ornithologe mit Schwerpunkt Taxonomie und Verfasser zahlreicher Fachartikel und Bücher. Er steuerte für diesen prachtvollen Naturführer sämtli­che Schwarz-Weiß-Zeichnun­gen so­ wie mehrere Farbtafeln bei. In der Taxonomie der Vögel Europas gab es in den vergangenen Jahren einige be­ deutende Umbrüche und Neuerungen. Viele bisherige Unterarten sind inzwischen als eigenständige Arten anerkannt worden, und manche Abstammungsverhältnisse von Ord­ nungen und Familien konnten geklärt wer­ den. So stehen in der europäischen Avifauna die Enten- und Hühnervögel als »Stammes­ älteste« am Beginn des evolutionären Stammbaums – und somit auch des vorlie­ genden Bestimmungsbuchs, denn es folgt in seiner Darstellung dem Lauf der Evolution. Dieser Vogelführer beschränkt sich auf Europa ohne angrenzende Gebiete. Grön­ land, die Türkei östlich des Bosporus, die nordafrikanischen Länder, die Kanaren und einige andere Gebiete bleiben unberück­

Håkan Delin, Lars Svensson Der große BLV Vogelführer für unterwegs Aus dem Englischen von Hans-Martin Busch. BLV, München 2008. 320 Seiten, € 14,95

Wiedehopf

Arthur Singer

SPEKTRUM DER WISSENSCHAFT · August 2009

Heft September 2009 ab 25. August im Handel

Quantenspuk »Spukhafte Fernwirkung« hieß das mikrokosmische Phänomen, das schon Einstein umtrieb. Die inzwischen so genannte Verschränkung führt zu einer zweiten Revolution der Quantenphysik

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Weitere Themen im September

Wann Fledermäuse das Fliegen lernten

Gas geben mit Gras Getty images / UpperCut images

Neue Fossilien verraten, wie die Ahnen dieser Fledertiere vom Segelzum Motorflug übergingen

Kopernikus’ Vermächtnis So mancher Kosmologe des 21. Jahrhunderts ist bereit, sich vom kopernikanischen Prinzip zu verabschieden – mit guten Gründen

Aus Feldfrüchten wie Mais, Zuckerrohr oder Sonnenblumen Benzin zu gewinnen ist problematisch. Inwieweit lassen sich auch Ernteabfälle, Holz und Gräser in Biotreibstoffe verwandeln?

Prähistorische Migrationen Möchten Sie stets über die Themen und Autoren eines neuen Hefts auf dem Laufenden sein? Wir informieren Sie gern per E-Mail – damit Sie nichts verpassen!

Jay H. Matternes

Im September-Heft 2009

Vorschau

Jahrtausendelang zogen Urmen­schen aus Afrika nach Europa, Asien und sogar bis zur Südspitze Südamerikas. Mit DNA-Analysen erschließen Forscher die Spur dieser Wanderungswellen

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SPEKTRUM DER WISSENSCHAFT · AUGUST 2009