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Editorial

Wir können die Welt verstehen

Klaus Rehfeld

Werdet nie Wissenschaftler, wenn ihr Preise gewinnen wollt – das war der Rat, den der 84jährige Astrophysiker James Peebles an die Jugend richtete, als ihn der legendäre Anruf aus Stockholm erreichte, dass er nun zu dem erlauchten Kreis der Nobelpreisträger gehöre. Sicher, für Peebles und die vielen anderen, die mit ihm und vor ihm in den Naturwissenschaften ausgezeichnet wurden, ist es nicht der mögliche Ruhm, der motivierte. Es war schlicht die Faszination und Erfahrung, mit Verstandeskräften in die Geheimnisse der Natur eindringen und einen Beitrag zu den Wissenschaften leisten zu können.

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Übersicht

Rhythmus und Ekstase – Zur Natur- und Kulturgeschichte des Homo synchronicus – Teil 2

Reinhard Piechocki

Der zweite Teil des humanethologisch-kulturgeschichtlich ausgerichteten Beitrags widmet sich dem Tanzen, Rufen, Sprechen und Singen. Dabei steht die Synchronität im Vordergrund. Sie geht uns leicht und unwillkürlich „in Fleisch und Blut“ über, wenn ihr ein Rhythmus unterlegt ist. Interessanterweise finden wir rasch einen gemeinsamen Takt, der von innen heraus kommt und uns dabei hilft, singend, tanzend und skandierend in einer Gemeinschaft aufzugehen. Dieses Erlebnis kann eine euphorisierende Wirkung haben, die sich zuweilen bis zur Ekstase steigert.

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Astronomie

Sonne, Mond und Sterne im Jahreslauf

Hans-Ulrich Keller

Das Jahr 2020 bietet hierzulande zwar keine eindrücklichen Finsternisereignisse, dafür aber manche spektakuläre Begegnung von Planeten am morgendlichen oder abendlichen Himmel. Besonders spannend wird zu beobachten sein, wie sich Jupiter im Verlauf des Jahres dem Saturn nähert und schließlich am 21. Dezember 2020 in nur sechs Bogenminuten an dem Ringplaneten vorbezieht. Eine Begegnung dieser beiden Planeten findet knapp alle 20 Jahre statt, doch ziehen sie meist in größerem Abstand aneinander vorbei. Diesmal sehen sie wie ein großer heller Stern aus – ein Anblick, den es erst wieder in 40 Jahren geben wird. Auch der berühmte „Stern von Bethlehem“ wird auf ein solches Ereignis einer Großen Konjunktion zurückgeführt.

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Nobelpreise

Kosmologie und Exoplaneten

Lucien F. Trueb

Der Nobelpreis für Physik 2019 geht zur Hälfte an den kanadisch-amerikanischen Kosmologen James Peebles von der Princeton University, die andere Hälfte teilen sich die Schweizer Astrophysiker Michel Mayor und Didier Queloz vom Observatorium Genf. Peebles entwickelte ab 1966 das „Big-bang-Konzept“ zur Entstehung des Universums aus einer Singularität vor 13,8 Milliarden Jahren und seiner weiteren Evolution über die inflationäre Periode bis zur heute immer stärker beschleunigten Expansion. Mayor und Queloz gelang 1995 erstmals der Nachweis eines Planeten außerhalb des Sonnensystems. Es handelt sich um einen dem Jupiter ähnlichen Gasriesen, der den Stern 51 Pegasi in geringer Entfernung umkreist. Damit entstand eine neue Forschungsrichtung, in deren Rahmen bisher über 4100 Exoplaneten entdeckt und charakterisiert wurden.

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Nobelpreise

Lithium-Ionentransfer-Akkumulatoren

Lucien F. Trueb

Von der Königlich Schwedischen Akademie der Wissenschaften wurde der Nobelpreis für Chemie 2019 den beiden Amerikanern John B. Goodenough und M. Stanley Whittingham sowie dem Japaner Akira Yoshino zugesprochen. Diese drei Forscher entwickelten die Grundprinzipien und technisch-industriellen Aspekte der Lithiumionen-Akkumulatoren. Solche Stromspeicher versorgen heute praktisch alle mobilen elektronischen Geräte sowie die neue Generation von Elektroautos mit Energie. Sie sind den bisherigen Akkumulatoren weit überlegen und lösten eine Revolution aus, die unser Alltagsleben auf grundlegende Weise veränderte.

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Nobelpreise

Wie Zellen ihre Genaktivität an Sauerstoffmangel anpassen

Kai-Uwe Eckardt, Roland H. Wenger

der Nobelpreis für Physiologie oder Medizin geht dieses Jahr zu gleichen Teilen an die US-Amerikaner William George Kaelin und Gregg Leonard Semenza sowie den Briten Sir Peter John Ratcliffe. Sie haben den Mechanismus des zellulären Sauerstoffsensors aufgeklärt, mit dem Zellen ihre Genaktivität an Veränderungen der Sauerstoffzufuhr anpassen. Dieser Mechanismus ist für die Aufrechterhaltung von Zell- und Organfunktionen von großer Bedeutung und an Regelkreisen beteiligt, die beispielsweise die Blut- und Gefäßbildung steuern. Da viele Erkrankungen mit Sauerstoffmangel einhergehen, haben diese Anpassungsreaktionen eine weitreichende medizinische Bedeutung. Die Kenntnisse über den Sauerstoffsensor werden bereits therapeutisch genutzt, um Blutarmut zu korrigieren oder Tumorwachstum zu bremsen.

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Technik

Meilensteine auf dem Weg zur Thorium-Atomkernuhr

Lucien F. Trueb

Es ist seit längerem bekannt, dass sich der Kern des Thorium-Isotops Th-229 zur Verwirklichung eines neuartigen Zeitmessers eignet. Dieser Kern hat nämlich die einzigartige Eigenschaft, dass er sich mit vergleichsweise geringer Energie in einen ersten angeregten, als isomer bezeichneten Zustand überführen lässt. Der Übergang vom niederenergetischen Grundzustand zum isomeren lässt sich experimentell durch harte Ultraviolettstrahlung verwirklichen. Darüber hinaus gibt es einen zweiten angeregten Kernzustand von Th-229 von rund 1000fach höherer Energie, den man mit Synchrotron-Röntgenstrahlen herbeiführen kann. Von dort aus fällt der Kern über den isomeren Zustand in den Grundzustand zurück. Es ist nun erstmals gelungen, „von unten“ (durch UV-Strahlung) sowie „von oben“ durch Gammastrahlen die Aktivierungsenergie zwischen isomeren und Grundzustand genau zu bestimmen. Damit ist die Voraussetzung geschaffen, Thorium-Atomkernen zwischen Grundzustand und isomer oszillieren zu lassen. Sobald ein geeigneter Ultraviolett-Laser zur Verfügung steht, könnte man eine Atomkernuhr bauen, die äußerst robust wäre und in Bezug auf Präzision selbst die optischen Atomuhren in den Schatten stellen dürfte.

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Paläontologie

Ein aufrecht gehender Menschenaffe aus Bayern

Reinhard Ziegler

1,6 Millionen Jahre alte Skelettfunde einer bislang unbekannten Primatenart aus der Tongrube Hammerschmiede im Ostallgäu zeigen, dass der zweibeinige aufrechte Gang ca. sechs Millionen Jahre früher entstand als bisher angenommen. Die Fossilien von mindestens vier Individuen zeigen, dass sich Danuvius guggenmosi sowohl wie Menschen auf zwei Beinen als auch kletternd und hangelnd wie Menschenaffen fortbewegen konnte. Danuvius war etwa einen Meter groß. Die Weibchen wogen etwa 18, die Männchen ca. 31 Kilogramm. Möglicherweise sind die gemeinsamen Vorfahren von Mensch und Menschenaffen in Europa entstanden und haben hier den aufrechten Gang entwickelt und nicht in Afrika, wie bisher angenommen.

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Mikrobiologie

Abstammung des Malariaparasiten Plasmodium falciparum aufgeklärt

Dietmar Steverding

Plasmodium falciparum, der Erreger der tödlichen Malaria tropica, entwickelte sich nach der Übertragung eines Malariaparasiten vom Gorilla auf den Menschen. Jetzt wurde entdeckt, dass die Fähigkeit des Vorfahren von P. falciparum, Menschen zu infizieren, auf den Transfer des RH5-Gens zurückzuführen ist. Das vom RH5-Gen codierte Protein ist für das Eindringen des Parasiten in Erythrocyten essentiell. Normalerweise zeigt das RH5-Protein strikte Wirtsspezifität. Das von einem Malariaparasiten des Gorillas übertragene RH5-Vorläufergen auf den P. falciparum-Vorfahren codierte jedoch für ein Protein, das sowohl an den entsprechenden Rezeptor der Erythrocyten vom Gorilla als auch vom Menschen binden konnte, und befähigte damit den Parasiten, Menschen zu infizieren. Die Mutation einer einzelnen Aminosäure bewirkte schließlich, dass das RH5-Protein nur noch an den Rezeptor der menschlichen Erythrocyten binden konnte. Auf diese Weise erlangte P. falciparum seine strikte Wirtsspezifität für den Menschen.

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Mikrobiologie

Cryptosporidium parvum, ein Energie-Parasit

Gerhart Drews

Der Verlust von Enzymen des Purin- und Pyrimidin-Nucleotid-Syntheseweges durch Mutation führt nicht zur Beeinträchtigung der Lebensfähigkeit, wenn sich der Parasit im Wirt befindet. C. parvum erhält vom Wirt ATP oder Vorläufer-Nucleotide.

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Immunologie

Masern löschen das Immungedächtnis

Larissa Tetsch

Obwohl lange Zeit die Hoffnung bestand, die Masern ausrotten zu können, sind sie derzeit in Europa wieder auf dem Vormarsch. Es handelt sich dabei um keine harmlose Kinderkrankheit, noch immer kosten Masern und die in der Folge auftretenden bakteriellen Sekundärinfektionen jährlich Tausende Kinderleben. Einen Grund dafür haben Wissenschaftler jetzt gefunden: Eine Infektion mit dem Masernvirus schwächt nicht nur das Immunsystem, sondern löscht auch das Immungedächtnis, so dass die durch frühere Infektionen oder Impfungen erworbene Immunität verloren geht.

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Medizin

Extrazelluläre DNA und ihre Mitwirkung bei der Gallensteinbildung

Annette Hille-Rehfeld

Bei Übersättigung der Gallenflüssigkeit mit Cholesterol bzw. Calcium-Salzen von Bilirubin, Phosphat oder Carbonat bildet sich in der Gallenblase zunächst ein schlammartiges Präzipitat aus kleinen Partikeln. Die Bildung größerer Gallensteine wird durch entzündliche Bedingungen gefördert. Dabei verkleben von neutrophilen Granulocyten freigesetzte DNA-Netze die vorhandenen Kristallisationskeime. Die Bildung von Gallensteinen belegt einmal mehr die Vielfalt der Wirkungen extrazellulärer DNA, die über die durch Granulocyten vermittelte Infektionsabwehr hinausgeht.

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Evolution

Wechselspiel zwischen Pflanzen, Bestäubern und Herbivoren

Johannes Sander

Nicht nur zwischen Pflanze und Bestäubern besteht eine Coevolution, sondern auch zwischen Pflanzen und Herbivoren. Ist eine Pflanze sowohl auf Bestäuber angewiesen, als auch Herbivoren ausgesetzt, können sich Interessenkonflikte ergeben, deren evolutionäre Auswirkungen bisher kaum erforscht wurden. Jetzt wurde festgestellt, dass Bestäuber und Herbivore einen gegenteiligen Effekt auf die Attraktivität von Blüten ausüben.

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Kurzmitteilungen

Inselregel gilt teilweise auch für Pflanzen

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Kurzmitteilungen

Vogelsterben am Bodensee

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Kurzmitteilungen

Mikroplastik, ein für Mikroorganismen inertes Substrat

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Kurzmitteilungen

Gewinnung von Birkenteer einfacher als angenommen

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Kurzmitteilungen

Trinkwasserkontamination durch gadoliniumhaltige Kontrastmittel

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Bücher und Medien

Friederike Otto: Wütendes Wetter. Welchen Anteil hat der Klimawandel am Wetter? Unter Mitarbeit von Benjamin von Brackel.

Jörg Wetterau

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Bücher und Medien

Sebastian Jutzi: Als ein Virus Napoleon besiegte. Wie Natur Geschichte macht.

Larissa Tetsch

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Bücher und Medien

Götz Ruprecht, Horst-Joachim Lüdecke: Kernenergie – Der Weg in die Zukunft.

Konrad Kleinknecht

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Internet-Tipps

Exoplaneten

Mit der Entdeckung des ersten Exoplaneten (51 Pegasi b) im Jahr 1995 gründeten die beiden Schweizer Physiker Michel Mayor und Didier Queloz die Exoplaneten-Forschung, wofür sie mit der Hälfte des Nobelpreises für Physik ausgezeichnet wurden (S. 633). Bis heute wurden 4143 Exoplaneten entdeckt; schließt man nicht bestätigte Funde ein, sind es insgesamt 6653 (Stand 6. Dezember 2019). Anfang 2009 waren es laut NASA erst 353 – die Zahl hat sich also in nur einer Dekade mehr als verzehnfacht.

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Stichwort

Neuronale Netze

Monika Schwarzenberg

Ein digitales Verstehen, auf das die KI-Forschung abzielt, basiert auf verschiedenen Verfahren, von denen künstliche neuronale Netze von zentraler Bedeutung sind. Sie bestehen aus künstlichen Neuronen, die – numerisch gewichtet – Nachrichten untereinander austauschen. Künstliche neuronale Netzwerke sind in starkem Maße von der menschlichen Intelligenz abhängig und benötigen enorme Mengen an beispielhaften Datensätzen, Rechenleistung und Algorithmen, um technische und Kommunikations-Prozesse zu unterstützen. Bei der Muster-, Bild- und Spracherkennung sind schon bemerkenswerte Erfolge zu verzeichnen, die auf der effizienten statistischen Auswertung umfangreichen Datenmaterials basieren und zur Steigerung der Leistungsfähigkeit in vielen Bereichen unserer Gesellschaft beitragen.

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